土石坝课程设计

由天下分享时间：2024/4/28 23:14:49 加入收藏我要投稿点赞

土石坝设计一．坝型选择

影响土石坝坝型的主要因素有：坝的高度、筑坝材料、地址地形、地质条件、施工条件、枢纽布置及运用要求等。

碾压式土石坝按筑坝材料和防渗体的位置可分为以下几种类型：

1. 均质坝坝体材料单一，施工工序简单，干扰少；坝体防渗部分厚大，渗透比降较小，有利于渗流稳定和减少坝体的渗流量，此外坝体和坝基、岸坡及混凝土建筑物的接触渗径比较长，可简化防渗处理。但是，由于土料抗剪强度比其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小，故其上下游坝坡比其他坝型缓，填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响，有效工日会减少，工期延长，故在寒冷和多雨地区的使用受限制，故不选择均质坝。

2. 多种土质坝该坝型显然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝；土料用量较均质坝少，施工气候的影响也相对小一些，但是由于多种材料分区填筑，工序复杂，施工干扰大，故也不选用多种土质分区坝。

3. 斜墙坝斜墙坝与心墙坝，一般的优缺点无显著差别，粘土斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制，沙砾料工作面大，施工方便；考虑坝址的地质条件，由于坝基有破碎带和覆盖层，截水槽开挖和断层处理要花费很多时间，并且不容易准确的预计，斜墙截水槽接近坝脚，处理时不影响下游沙砾料填筑，处理坝基和填筑沙砾料都有充裕的时间，工期较心墙坝有把握；土料及石料储量丰富，填筑材料不受限制。

4. 心墙坝心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。

综合以上分析，最终选择心墙坝。

二．坝体剖面设计

2.1坝顶高程的确定

坝顶高程等于水库静水位与超高d之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。由于设计的坝顶高程是针对坝沉降稳定以后的情况而言的，因此这里应预留一定的坝体沉降量，由于使用土质防渗体，根据工程经验此处沉降量取坝高的1%。

由已知条件绘出坝顶超高计算图2-1 计算公式采用下列算式：

d=R+e+A,

KV02De?cosb

2gHm 式中：R——波浪在坝坡上的最大爬高，m；

e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大

1.0?10?2?102?10值，m； e?=0.01m;

2?9.8?50 A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表1-1确定。 Hm——坝前水域平均水深，粗略估计为50m；

K——综合摩阻系数，其值变化在（6~12）?10?3之间，计算时一般取K?1.0?10?2;

b——风向与水域中线的夹角，（00）；

V0、D——计算风速和水库吹程m3/s、Km；其中Vo=10 m/s；D=9Km

根据教材表2-1，本水库总库容为2.0亿m^3，属于2级水工建筑物。其中，由参考资料可知，平山河流域多为丘陵山区，非常运行条件按（a）选择。表2-1 安全加高A （单位：m）坝的级别运用情况 1级 2级 3级 4、5级正常 1.5 1.0 0.7 0.5 非常 0.7 0.5 0.4 0.3 通过上表可知，安全加高分别取：正常运用情况下1.0m，非常运用情况下0.5m。下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝顶上的爬高：

R?0.45hlm?1n?0.6

式中：hl——设计波高，hl?0.0166V5/4D1/3m；

m——坝坡坡率，由于心墙坝采用土料时，坡率常用2~3，本设计取m=3； n——坝坡护面糙率，取n =0.025

由所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s，故取正常运用情况和非正常运用情况波高均为

hl=0.0166?105/4?91/3m=0.614m，则R?0.45?0.614?3.0?1?0.025?0.6?0.8423m。两种计算成果见表2-2 运用情况静水位（m） R（m） e(m) A(m) 坝顶高程（m）考虑1%沉陷设计洪水 113.1 0.8423 0.01 校核洪水 113.5 0.8423 0.01 1 114.95 114.95 116.09 0.5 114.85 坝顶高程最后结果：116.10m。

验算：坝顶高程116.10m均大于设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即113.10+0.50=113.60m；校核洪水位113.50m。所以满足要求。 2.2坝顶宽度

根据上述求得的坝顶高程可知，最大坝高约为116.10-62.50=53.6m，属于中坝。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》要求，对于中低坝的坝体宽度B取5-10m。本设计坝顶宽度采用B=7.0m。 2.3坝坡

因最大坝高为53.6m，采用自上至下分级变缓的多级坡，一般沿高程每隔10~20米变坡一次，相邻坝率差值可取0.25~0.5。故此处采用三级变坡。表1-3 土坝坝坡参考值坝高(m) 上游坝坡下游坝坡 <10 1:2.0-1:2.5 1:1.5-1:2.0 10-20 1:2.25-1:2.75 1:2.0-1:2.5 20-30 1:2.5-1:3.0 1:2.25-1:2.75 >30 1:3.0-1:3.5 1:2.5-1:3.0 根据上表数据设定：上游坝坡从坝顶至坝踵依次为1:2.75；1:3.0；1:3.25；下游坝坡从坝顶至坝踵依次为1:2.5；1:2.75；1:3.0；

此外在变坡处还应设置马道，第一级马道高程为62.5+20=82.5m,第二级马道高程为102.5m,马道宽度取2.0m。

三．防渗体设计

由于粘性土料的渗透性很小，容易满足防渗要求，故本设计采用黏性土心墙作为防渗体。

1.防渗体尺寸

1.1 心墙顶宽和坡率

土质防渗体的尺寸应满足控制防渗比降和渗流量要求,还要便于施工。防渗体顶部考虑机械化施工的要求,不应小于3m，本设计取3.5m,心墙两侧变坡多在1:0.15~1:0.3之间，本设计取1:0.3。 1.2 防渗体超高

防渗体顶部在静水位以上超高，对于正常运用情况心墙为0.3-0.6m，取0.5m，最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。（在非常运用情况下，不应低于该工况下的最高水位） 1.3心墙底宽

上下游最大作用水头差，H=113.50-62.50=51.00（下游无水工况），根据规定，粘土心墙的容许渗透坡降[J]不宜大于4，这里取[J]=4，故墙厚T>=H/[J]=51.00/4=12.75m。

心墙底宽为3.5+（51.00+0.5）?0.3?2=34.4m>12.75m.，满足要求。为便于计算，本设计不设置截水槽。

2. 防渗体保护层

心墙顶部以及心墙的上游侧均应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂或者碎石，其厚度不小于该地区的冻结或干燥深度，且不小于1.0m，此处取1.0m，上部碎石厚0.50m，下部砾石石厚0.50m。心墙上游保护层应分层碾压填筑，达到和坝体相同的标准。其外坡坡度应按稳定计算确定，使保护层不至沿斜墙面或连同心墙一起滑动。 3. 防渗体绘制见附图1

四．排水反滤层设计

1.坝体排水设计 1.1排水设施选择

常用的坝体排水有以下几种形式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。

（1）贴坡排水：不能降低浸润线，多用于浸润线较低和下游无水的情况，故不选用。

（2）棱体排水：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护上游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加坝体稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水形式。

（3）坝内排水：其中褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修，当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低；网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。

综合以上分析选择棱体排水方式。 1.2堆石棱体排水尺寸

顶宽2.0m，内坡1：1.5，外坡1：2.0，顶部最高水位须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m，根据资料给出，下游最高洪水位为68.00m，超高取1.5m，所以顶部高程为68.00+1.5=69.5m。结构详图见附图2

2.反滤层和过滤层

2.1 设计规范及标准

1）保护无粘性土料（粉砂、砂、砂砾卵砾石、碎石等）

碾压式土石坝设计规范规定，对于与被保护土相邻的第一层反滤料，建议按