心墙坝课程设计

1第一章绪论1.1前言1.2设计基本资料1.2.1工程概况1.2.2气象水文资料1.2.2.1气象条件1.2.2.2径流1.2.2.3洪水1.2.2.4泥沙1.2.2.5冰情1.2.2.6水化学1.2.3工程地质条件1.2.3.1区域地质概况1.2.3.2库区工程地质条件1.3设计内容1.4设计依据2土石坝设计1、土石坝设计任务书1.1、课程地位、作用：土石坝课程设计是《水工建筑物》教学中的一个重要的教学环节之一，它是高等教育中培养水利水电工程专业应用型高等专门人才的一次专题实训环节，是在定岗实践的基础上通过对典型的，有代表性的已建或在建工程的实际资料分析，结合生产实际，进行水利水电工程枢纽设计，提高专业基本技能及工作能力的一次指导性实训课程。其任务主要有：1、通过课程设计使学生学会综合运用基础知识和专业理论知识，进行水利工程设计的方法和步骤。2、培养学生善于运用设计图册、国家标准规范、熟悉计算方法，提高计算能力，专业绘图以及编写设计文件等基本技能。3、提高学生分析问题、解决问题、独立工作的能力。4、通过课程设计全面考察，了解学生在校期间的学习质量，从而发现教学中存在的问题，为进一步进行教学改革提供依据。1.2、工程概况：水库位于G县H河支流Q河上游，控制流域面积198km2，水库总库容330万m3。枢纽工程包括大坝和位于左岸的输水洞。其中主坝坝高为71m，坝轴线全长265m，顶宽7m。坝顶高程3281m，设计、校核洪水位和正常蓄水位均为3278m，大坝按三级建筑物设计，设计标准按50年一遇洪水设计，500年一遇校核。坝址处河床为洪积、3冲积砂砾石覆盖层，最大厚度13m。在施工中进行覆盖层探深试验，平均干容重达23.5k，渗透系数为20.9~94.5m/d。1.3、设计任务：1.3.1坝体结构设计根据工程概况确定合理土坝形式，其中包括坝体防渗体形式及材料，坝壳材料，排水体类型，以及坝基防渗处理措施。1.3.2坝体剖面设计在已知坝顶高程坝顶宽度条件下，根据所确定的坝体结构，假定土坝的上游及下游坡率，并在米格纸上绘出土坝的最大剖面图。1.3.3渗流计算根据已确定的坝体结构形式选用相应的水力学公式计算出最大剖面处单宽流量以及浸润线方程并会在米格纸上。（仅考虑外稳定渗流期一种工况，此时下游水深为5m）1.3.4坝坡稳定计算应用圆弧滑动法，找出稳定渗流期坝体下游坡最小安全系数kmin所对应圆心的大致区域。并至少计算出一个安全系数k，并在米格纸上绘出过程。1.3.5细部构造设计包括坝顶、护坡、反滤层、坝体及坝基有防渗透、排水、坝坡排水沟等并绘出各个细部构造图。2、坝体结构设计42.1坝型选择在选定下坝线的基础上，对可能利用的当地材料进行了研究分析。考虑了各种可能采用的坝型，由于坝址不具备相对对称的山体地形，山体也不够宽厚，同时坝基为深厚的砂砾石层，首先排除了采用拱坝及重力坝的方案。根据地质勘测，当地具有材质良好、储量丰富、运距短的砂砾石料，坝壳填筑料充分，适宜建造土石坝土石坝可以分为土石心墙坝，土石斜墙坝，心墙堆石坝，混凝土面板堆石坝。心墙土石坝、土石斜墙坝、心墙堆石坝需要有建筑心墙的土料。根据工程地质条件、地形条件、当地建筑材料、交通状况，考虑大坝型式为：沥青混凝土心墙坝、土工膜斜墙砂砾石坝几种。根据当地的地形、地质条件，及对筑坝材料分析，决定采用沥青混凝土心墙砂砾石坝。2.2防渗体设计2.2.1心墙材料选择沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力以及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选取沥青混凝土作为心墙材料，主要原因有以下几点：（1）施工时间：可以以相当快的速度铺筑沥青混凝土，非常经济适用。沥青混凝土一经压实，立即可以防水，特别是在潮湿的季节施工时，这一点非常重要。（2）生理的适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生的观点来看，对其应用于水库完全没有异议。（3）抗冻性：因为沥青混凝土具有极小的孔隙率，因此水就没有进入这些构件的机会，所以冰冻作用不会影响到沥青材料，故沥青构件不需要防水保护。（4）冰冻时期的铺筑：如果铺盖层的厚度适当，在零度以下都可以铺筑沥青混凝土，这就允许在高海拔的地方有较长的施工工期，这点特别适用于新疆。2.2.2心墙型式沥青混凝土心墙有两种型式，一种为碾压式沥青混凝土心墙，一种为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在国内有不少成功先例，如黑龙江的西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林的白河坝；碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采用的形式。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用碾压式沥青混凝土心墙。本水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高（8度设防）、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点，结合目前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定采用5碾压式沥青混凝土。2.2.3心墙布置型式在心墙布置上，有直心墙，斜心墙，下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达13m，设计采用混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合的垂直防渗形式，防渗墙顶部高程为2997~3281m，斜心墙受力条件好，但不能满足与基础防渗墙所有部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高，一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形，沥青混凝土心墙出现开裂，斜心墙不易检修和检查。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现的剪切变形也较大。根据《土坝设计》直心墙具有以下优点：1、不受气候影响，可以使用性能较差的沥青或渣油；建成后也不易受冰冻、风浪、浮托力或机械的损伤。2、通常只有一层，比斜墙施工简单，施工设备也简单。3、心墙与坝基齿墙或岸坡连接较易；4、防爆性好，抗震性也比较好；5、坝体沉陷对心墙影响小，而对斜墙影响大，易使斜墙开裂；6、心墙可与坝体同时施工，早期就可蓄水。心墙与河床段连接处如图3-1所示。6图3-1心墙与河床段连接图下部直心墙上部斜心墙的第三种型式特点介于前两种之间，虽然可以有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游的干燥区域，有利于增加坝体深层滑动的稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用的是浅层滑弧，所以采用这样复杂的心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量较大。综合以上分析，从抗震、沥青心墙与基础防渗墙和两岸岩石的衔接等角度分析，本水利枢纽工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙。2.3坝壳材料由任务书可知，该土石坝坝址处河床为洪积、冲积砂砾石覆盖层，砂砾石材料丰富，所以坝壳材料选为砂砾石。2.4排水方式2.4.1坝顶排水为了便于排水，坝顶应做成向两侧或一侧的横坡，坡度为2%~3%，取为2%。每隔100m设直径10cm的排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。坡面末端设纵向排水沟，以汇集坝顶雨水，排水沟断面一般为0.2m*0.2m~0.4m*0.4m。2.4.2坝面排水为防止雨水冲刷，下游坡面常设置纵横连通的排水沟，现沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡布置，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用0.2m到0.3m，本设计取0.3m。2.4.3坝体排水常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。（1）贴坡排水贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。（2）棱体排水棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可以和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可以发7挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。（3）坝内排水坝内排水包括褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。但是主要问题，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。（4）综合式排水实际工程中，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。综合考虑以上几种排水方式，现在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据《水工建筑物》规定，棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m，一般为1~2m，顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于2.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度，应避免在棱体上游坡脚处出现锐角，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0至1：1.5，外坡根据坝基抗剪强度和施工条件确定，一般为1:1.5至1:2.0。综合以上因素考虑，该设计顶宽取2.0m。棱体内坡取1：1.5，棱体外坡取1:2。顶部高程为3215.5m。2.5坝基防渗主要有水平防渗和垂直防渗两种设施，水平铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基的渗漏损失和渗流比降减小至容许范围内，但是它不能像垂直防渗设施那样可以完全截流，其防渗效果有一定的限度，因此本设计采用垂直防渗体。坝基透水层厚度为59.9m,采用混凝土防渗墙。如用支撑法开挖直井，浇筑混凝土截水墙，则施工困难，工期长，造价高，故应采用机械造孔，浇筑混凝土防渗墙。防渗墙厚度根据防渗、强度与施工条件确定。按施工条件，墙厚在0.6~1.3m之间，一般为0.8m，现选为0.8m。防渗墙顶部与沥青混凝土心墙底部连接，防渗墙高度应长于坝基透水层厚度，取65m。防渗墙以下采用帷幕灌浆。2.3.1坝顶构造大坝路面为了排除雨水，坝顶面向大坝下游侧倾斜，倾斜坡度设为2%。坝8面虽然没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆的通行，因此路面采用混凝土结构形式。坝顶结构图如图3-2。图3-2坝顶结构图2.3.2护坡土石坝的上下游坡面一般均需设置护坡，但上、下游护坡的形式应根据工程的具体情况进行选择。2.3.2.1上游护坡上游护坡的常用形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土板、沥青混凝土等。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况。上游坝坡主要考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。根据工程的具体情况，上游护坡采用干砌石护坡，护坡厚度1m，护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为：将块石错缝竖砌，紧靠密实，填塞稳固，表面平整、美观。2.3.2.2下游护坡下游护坡的主要形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡主要考虑的因素有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。根据具体情况，下游护坡同样采用干砌石护坡，护坡厚度1m。3坝体剖面设计3.1基本剖面拟定断面设计的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、9排水设备的形式及基本尺寸。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据，并考虑本工程的具体情况，对本工程的各项数据设计如下。2.2.4心墙的断面尺寸根据《水工建筑物》的规定：沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于0.3m，心墙底部的厚度宜为坝高的1/60～1/40。。参考国内外工程的经验，考虑到本工程土石坝坝基的深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为0.8m。该值满足规范的要求。3.1.1已知坝体细则由任务书得，已知主坝坝高为71m，坝轴线全长265m。坝顶高程3281m。3.1.2坝坡上下游坝坡根据已知坝顶高程已建工程经验和本工程的坝料特性及计算分析确定。拟定上游坝坡为1:2.5，下游