土石坝实训

-1-粘土心墙坝设计题目：粘土心墙坝指导教师：何小梅班级：12级水工4班姓名：明智昊学号：1202010421成绩：-2-前言土石坝设计是检验我们上半年来学习成果的机会，是对我们所学理论知识的一次系统的复习巩固过程，为我们以后的学习和工作奠定坚实的理论基础。为了做好这次的毕业设计，我们需要全面系统的了解一份设计的基本步骤，工程的基本建设程序，通过查阅大量的相关工程资料，运用所学的知识及现有类似工程具体分析类比设计中所面临的问题并给予解决，按时、保质保量的完成本次设计任务。本次设计的粘土心墙坝，该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小（2）型水利工程，其中设计灌溉面积0.03万亩；保护黄沙镇毛杨村下畈片、梅田村丛家湾、泉塘村耕地0.06万亩，人口400人。通过土石坝的修建不仅能大幅改善当地居民用水问题，还能够推动当地经济的发展，有效的改善人民的生活水平。土石坝工程属于小（2）型水利工程。枢纽主要建筑物按五级建筑物设计，次要建筑物按五级建筑物设计。本次设计内容包括：大坝主体结构设计（大坝最大剖面尺寸的确定、坝体分区、筑坝材料、渗流计算、稳定计算）、坝体细部构造设计（坝顶、护坡、马道、反滤层和垫层、坝面排水设计）。本次设计由于自身理论知识的有限，有些地方设计比较粗糙，存在着诸多不足之处，请老师们多多指正设计中的疏忽和不当之处，在此表示感谢！-3-目录前言...............................................-2-摘要...............................................-4-第一章基本资料.....................................-5-第二章土坝类型及剖面基本尺寸拟定...................-7-第三章渗流计算.....................................-13-第四章坝坡稳定计算.................................-16-第五章设计成果....................................-19-见附图课程总结报告..................................-19-参考文献............................................-22--4-摘要该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小（2）型水利工程。主要是为了满足国家亟待解决的“兴水利、除水害”的政策而兴建的水利工程。本次设计是在对枢纽地区的地形、地质、水文、气象条件综合分析的基础上，并对水利枢纽布置任务进行了比较充分的了解以后，确定采用粘土心墙坝方案。设计内容主要包括：1、土坝断面尺寸拟定；2、土坝渗流分析；3、土坝稳定分析；4、土坝细部构造。要求在对基本资料认真分析的基础上，根据水工建筑物教材中相应的内容进行设计，计算参数的选取和方案的确定要有必要的论证泄流能力计算进行了详尽的论述。关键词：粘土心墙坝；马道；护坡；坝顶高程-5-第一章基本资料1.1、地形地质情况石家垅水库坝址处河床宽约35m，坝址轴线处河床最低高程为113.0m。河床表层为强风化带：本带岩石风化强烈，风化裂隙发育，呈碎块状，此带厚度一般为3~5m。其下为弱风化带：本带岩石风化中等，风化裂隙较发育，呈块状体，此带厚度一般为5~8m。该坝为粘土心墙代料坝，代料为当地砂土料，上游护坡采用砌石护坡。1.2、水位死水位：113.0m；正常蓄水位124.40m；设计洪水位（10％）：125.4m；校核洪水位（2％）：125.7m;相应库容10.4×104m3正常蓄水时下游无水；设计洪水时下游水位：113.2m；校核洪水时下游水位：114.4m。1.3、气象资料校核洪水情况下平均最大风速13.8m/s；正常蓄水位及设计洪水情况下最大风速为20.7m/s水库吹程100m。采用莆田公式进行波浪要素：波高和波长的计算，在三种设计工况下分别为：-6-1、正常蓄水位时：平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m2、设计洪水时：平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m3、校核洪水时：平均波高hm=0.07m，平均波长Lm=2.24m1.4、筑坝材料及坝基岩石物理力学性质项目湿重度饱和重度浮重度凝聚力内摩擦角渗透系数（kN/m3)（kN/m3）（kN/m3）Mpaφ（°）（cm/s）代料19.020.010.05282×10－3心墙19201028175×10-6坝基及坝肩为相对不透水地基。1.5、工程效益该水库是一座以灌溉为主，兼有防洪、养鱼等综合利用的小（2）型水利工程，其中设计灌溉面积0.03万亩；保护黄沙镇毛杨村下畈片、梅田村丛家湾、泉塘村耕地0.06万亩，人口400人。1.6、其它地震基本烈度：6度。-7-第二章土坝类型及剖面基本尺寸拟定2.1坝型选择碾压式土石坝由土料分层填筑碾压而成，一般的土料、砂卵石料及风化石渣等均可用于这种坝型。碾压式土石坝按坝体的防渗材料及结构，可分为以下几类：（1）均质坝：整个坝体起防渗作用并保持自身的稳定，坝体材料单一，施工简单。土料场有丰富的黄土状壤土，可以满足筑坝材料需求。所设计的坝为低坝，也可以满足土的抗剪强度要求。但壤土的渗透系数为2×10-3cm/s，远大于渗透系数10-4cm/s，不满足渗透稳定要求。所以不选择均质坝。（2）斜墙坝：斜墙坝的上游坝坡较缓，防渗体的粘土用量和坝体的总工程量较大，不经济，其抗震性能和不均与沉降的适应性不强。故不选择斜墙坝。（3）心墙坝：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。故选择心墙坝。2.2坝顶宽度坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究确定。，由《碾压式土石坝设计规范（SL274—2001）》高坝选用10～15m，中低坝可选用5～10m，根据所给资料，初步拟定坝体断面，坝顶宽度为8m见图。坝顶结构图-8-2.3坝顶高程坝顶高程由水库静水位加波浪爬高和壅水面高度及安全加高确定。坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶的高程按下式计算：坝顶高程=设计洪水位+正常运用条件的设h=校核洪水位+非常运用条件的非h=正常蓄水位+非常运用条件的非h+震h坝顶静水位超高值按下式计算：AeRh式中：R——波浪在坝坡上的设计爬高，m；e——风壅水面高度，m；A——安全加高，m。该坝的级别为5级，则正常运行的安全加高A=0.5m，非常运行的安全加高A=0.3m。（1）风壅水面高度的计算：式中：K——综合摩阻系数，取6106.3；v——计算风速，正常运用条件下的5级坝，采用多年平均离地面10m高的最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速；D——风区长度，为100m；β——计算风向与坝轴线法线的夹角；Hm——水域平均水深11.40m，取坝前水深的2/3，为7.6m。正常运用条件下：非常运用条件下：（2）波高和波长的计算，在三种设计工况下分别为：正常蓄水位时：平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m设计洪水时：平均波高hm=0.11m，平均波长Lm=3.5m校核洪水时：平均波高hm=0.07m，平均波长Lm=2.24m)(1004.10cos6.78.921007.20106.3cos2K30262mgHDvem)(1060.40cos6.78.921008.13106.3cos2K40262mgHDvemcos2K2mgHDve-9-（3）平均波浪爬高的计算mR——平均波浪爬高，m；m——单坡的坡度系数，取3.0；K——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型为砌石，取775.0K；vK——经验系数。正常蓄水条件下取075.1Kv，本设计采用累计频率5％时的平均爬高，84.1/mRR则)(302.084.1164.084.1mRRm设计洪水条件下取066.1KW，根据规范得：84.1/mRR则)(299.084.1163.084.1mRRm校核洪水条件下取989.0KW，根据规范得：84.1/mRR则)(177.084.1096.084.1mRRm（4）坝顶高程计算：①正常蓄水位+非常运用条件的非h+震h，根据规范，取震h=0.6m。)(802.1256.05.01004.1302.040.124hh31mAeRHhhH震震非蓄②设计洪水位+正常运用条件的设h)(199.1265.01060.4299.040.12542mAeRHhhH设设③校核洪水位+非常运用条件的非h)(177.1263.01060.4177.070.12543mAeRHhhH非校坝顶超高)(mhhHeARH’正常蓄水条件124.401.04×10-30.50.302125.802mmWmLhmKKR21)m(164.05.311.00.31075.1775.02mR)m(096.024.207.00.31989.0775.02mR)m(163.05.311.00.31066.1775.02mR-10-设计洪水条件125.404.60×10-40.50.299126.199校核洪水条件125.704.60×10-40.30.177126.177坝顶高程取三者最大值，即126.199m,取整126.2m。当坝顶上游侧设有防浪墙时，则超高指静水位到防浪墙顶的高差，并规定正常情况坝顶应高出静水位0.5m，非常情况不低于静水位。本设计防浪墙高度为1.0m，则坝顶高程为126.2m，且大于正常情况坝顶应高出静水位0.5m（124.40+0.5=124.90m），不低于校核洪水位（125.70m）。所求坝顶高程是坝体沉降稳定以后的数值。竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值，约占坝高的0.2%~0.4%。2.4坝坡和防浪墙（1）坝坡：上下游坝坡比见表。坝高(m)上游下游〈101：2～1：2.51：1.5～1：210～201：2.25～1：2.751：2～1：2.520～301：2.5～1：31：2.25～1：2.75〉301：3～1：3.51：2.5～1：3土石坝的坝坡的坡度取决于坝型、坝高、筑坝的土料要求、地形条件及地震情况因素。根据坝坡选择规律，上游坝坡坡度取1：3.0，下游边坡取1：2.5。（2）马道：为了拦截雨水，防止坝面被冲刷，同时便于交通、检测和观测，并且利于坝坡稳定，下游常沿高程每隔10～30m设置一条马道，其宽度不小于1.5m，马道一般设在坡度变化处，粘土心墙坝上游不宜或少设马道，故本坝不设马道。（2）防浪墙：采用混凝土材料修筑防浪墙，墙顶高于坝顶0.8m。2.5排水设施2.5.1坝体排水-11-坝体排水主要形式是棱体排水、贴坡排水、坝内排水和综合式排水。（1）棱体排水：在下游坝脚处用块石堆成的棱体，可以降低浸润线，防止坝坡冻胀且有支持坝体稳定作用。下游无水，本设计棱体顶宽设为3.0m。根据施工条件，棱体内坡设为1：1，外坡取1：1.5，棱体与坝体及地基间设置反滤层。水位情况下游水位（m）加高（m）顶面高程（m）正常蓄水位01.01设计洪水0.21.01.2校核洪水1.41.02.4（2）贴坡排水：用堆石或砌石加反滤层直接铺设在下游坝坡表面，施工简单，用料节省，施工方便，易于检修。但是不能降低浸润线，而且易因冰冻失效。（3）坝内排水：包括褥垫排水层、网状排水带和竖式排水体，下游无水时可以降低浸润线，加速黏土地基固结，但是对不均匀沉降适应性差，易断裂，难于检修。2.5.2坝基排水坝基底下有裂隙潜水面，需进行滤土排水。坝址下游做反滤排水沟和减压井。2.5.3坝顶排水自坝顶上游向下游设置2%的坡，同时设置0.3m宽的乱石排水沟，以排除雨水。3.5.4坝