土石坝课程设计.doc

1、水工建筑物课程设计平山水利枢纽指导老师：刘依松姓名：张勇强班级：20071015学号：2007101532专业：水利水电工程一 基本资料及数据设计第一节 基本资料1 概况平山水库位于 G 县县城西南 3 公里处的平山河中游，该河系睦水的主要支流，全长 28 公里，流域面积为 556 平方公里，坝址以上控制流域面积为 431 平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势自南向东由高变低。最低高程为、62.5m；河床比降 3，河流发源于苏塘乡大源锭子，这个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的竹子、木材等土特产。由于平山河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量

2、分布不均匀时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区做了多次勘测以开发着棵的水利资源。2 枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。据初步规划，本工程灌溉面积为 20 万亩（高程在 102m 以上） ，装机容量9000 千瓦。防洪方面，由于水库调洪作用，使平山河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域规划中规定本枢纽通过设计洪水流量时，控制最大泻流流量不超过 900m/s。在航运方面，上游库区能增加航运里程 20 公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使平山河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为 25 吨的筏

3、道。3 地形地质概况地形情况：平山河流域多为丘陵山区，在平山河上游都为大山区，河谷山势陡峭，河谷边坡一般为 6070，地势高差都在 80120m，河谷冲割很深，山脉走向大约为东西方向，岩基出露很好，河床一般为 100m 左右，河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更显著形成 S 形，沿河滩及坡积层发育，尤以坝址下游段的平山咀下游一带及坝下陈家上游一嗲更为发育，其他地方则很少，在坝轴下游 300m 处的两岸河谷呈马鞍形，起覆盖物教厚，岩基产状凌乱。地质情况：靠上游有泥盆五通沙岩，靠下游有二叠纪灰岩，几条坝轴线皆落在五通沙岩上面。地质构造特征有：在平山咀以南，即石灰岩与沙岩分界处，发现一大断层，其走向近

4、东南，倾向大致向北西，在第一坝轴线左侧的为五通沙岩，特别破碎，在 100 多米范围内就有三、四处小断层，产状凌乱，坝区右岸破碎深达 60 多米的钻空岩芯获得率仅为 20%，可见岩石裂隙十分发育。 岩石的渗水率都很小，右岸一般为 0.0010.01，个别达到 0.070.08，而左岸多为 0.0010.01。坝区下游石灰岩中，发现两处溶洞，平山咀大溶洞和大泉眼大溶洞，前者对大坝及库区无影响，但后者朝东南方向发展的话，则可能通向库壁，待将来蓄水后，库水可能顺着溶洞流到库外，为此，目前正加紧勘测工作，以便得出明确结论和处理意见。坝址覆盖层沿坝轴线厚度达 1.55.0m，K=110 cm/s，浮容重

5、V 浮4=10.4KN/m，内摩擦角 =35。4 水文、气象1）水文：由于流域径流资料缺乏，设计年月径流量及洪水量不能直接由实测径流分析得到，必须通过降雨径流见解推求。根据省水文站由 C 城站插补延长得三天雨量计算频率；千年一遇雨量 498.1mm，二百年一遇雨量 348.2mm，五十年一遇雨量 299.9mm，雨洪峰流量 Q %=1860m/s，Q %=1550 m/s ，Q %=1480 1.05.01m/s，多年平均来水量为 4.55 亿。2）气象：多年平均风速 10m/s，水库吹程 D=9Km，多年平均降雨量 430mm/年，库区气候温和，年平均气温 16.9，年最高气温 40.5，年

6、最低气温-14.9。5 其他1）坝顶无交通要求；2）对外交通情况 水路：由 B 城至溪口为、南江段上水，自溪口至 C 城系睦水主流，为内河航运，全长 256 公里，可通行 36 吨木船，枯水季节只能通行 3 吨以下的船只，水运较为困难。 公路：附近公路干线为 AF 干道，B 城至 C 城段全长为 356KM，晴雨无阻，但目前 C 城至坝址尚无公路通行。 铁路：D 城为乐万铁路，由 B 城至 D 城 180KM，至工地还有 53 公里。3）地震：本地区为 56 度，设计时可不考虑。第二节 设计数据1 工程等级：根据规范自定。2 水库规划资料1）正常水位：113.10m 2）最高洪水位（校核）：1

7、13.50m3）死水位：105.0m（发电极限工作深度为 8m）4）灌溉最低库水位：104.0m5）总库容：2.00 亿 m 6）水库有效库容：1.05 亿 m7）库容系数：0.5758）发电调节流量 Q =7.35 m/s，相应的下游水位 68.2m；p9）发电最大引用流量 Q =28 m/s，相应的下游水位 68.65m；max10）通过设计洪水位时（Q %） ，溢洪道最大泻量 Q =1340 m/s，相应下游最1 max高洪水位 74.3m。通过校核洪水位流量时，溢洪道最大泄水量 Qmax=1660m3/s，相应下游最高洪水位 75.0m。3 枢纽组成建筑物1）大坝：布置在 1坝轴线上；

8、2）溢洪道：堰顶高程为 107.50m；3）水电站：装机容量为 9000 千瓦，三台机组，厂房尺寸为 309 平方米；4）灌溉：主要灌溉区位于河流右岸，渠首底高程 102m，灌溉最大引用流量8.15 m/s，相应最大渠道水深 1.75m，渠底宽为 3.5m，渠道边坡 1：15）水库放空遂洞：为便于检修大坝和其他建筑物，拟利用导流遂洞做放空洞，洞底高程为 70.0m，洞直径为 3.5m；6）筏道：为干筏道，上游坡不陡于 1：4，下游坡不陡于 1：3，转运平台高程115.0m，平台尺寸为 3030m。4 筑坝材料枢纽大坝采用当地材料筑坝，根据初步勘察，土料可才用坝轴线下游1.53.5 公里的丘陵区

9、与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用、 。砂料可在坝轴线下游 13 公里河滩范围内及平山河出口出两岸河滩开采。石料可利用采石场开采，采石场可利用坝 22 下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量较好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。1） 土料：主要有粘土和壤土，可采用坝下游 1.53.0 公里丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般土质尚佳，可做筑坝之用。起性能见附表 1；2） 砂土：从坝下游 0.53.5 公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，其性能见附表 2；3） 石料：可在坝址下游附近开采，石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，便于开采，其性能见附表 3。

10、附表 1 土料特性表土壤类别干容重 c（KN/m）最优含水率（%）空隙率n（%）内摩擦角粘着力（Kp ）a渗透系数K（cm/s）粘土 15.4 25 40 1830 37 110 6壤土 15.8 14.5 41.7 2341 12 110 5坡土 16.0 22.5 39.822（湿）33（干）7.5（湿） 110 3附表 2 砂土特性表土壤类别干容重（KN/mc空隙率 n（%）内摩擦角渗透系数 K（cm/s）浮容重 （KN/m）砂土 16 40.6 30 110 210.06附表 3 石料特性表干容重 （KN/m）c 空隙率 n（%） 内摩擦角 1.8 3.3 38二 枢纽布置（一） 工程

11、等别及建筑物级别1. 水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞） 、筏道。2. 工程规模根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准以及该工程的一些指标确定工程规模如下：（1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为 20 万亩，属等工程；根据电站装机容量 9000 千瓦即 9MW，小于 10MW，属等工程；根据总库容为 2.00 亿m3，在 101.0 亿 m3，属等工程。（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽

12、为等工程。（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，等工程的主要建筑物为 2 级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道，水库放空隧洞为 2 级水工建筑物；次要建筑物筏道为 3 级水工建筑物。（二） 各组成建筑物的选择1. 挡水建筑物型式的选择在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。（1）重力坝方案从枢纽布置处地形地质平面图及 1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址基岩为上部为五通砂岩，下面为石英砂岩和砂质页岩，覆盖层沿坝轴线厚1.55.0m，五通砂岩厚达 3080m，若建重力坝清基开挖量大，目前 C 城至坝址尚无铁路、公路通行，修建重力坝所需水泥、钢筋等

13、材料运输不方便，且不能利用当地筑坝材料，故修建重力坝不经济。（2）拱坝方案修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成 S 形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。（3）土石坝方案土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。2. 泄水建筑物型式的

14、选择土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游 300m 处的两岸河谷呈马鞍形，右岸有马鞍形垭口，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。3. 其它建筑型式的选择（1）灌溉引水建筑物采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身采用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流右岸，渠首底高程 102m，灌溉最大引用流量 8.15m3/s，相应渠道最大水深 1.75m，渠底宽 3.5m，渠道边坡 11。（2）水电站建筑物因为土石坝不

15、宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。（3）过坝建筑物主要是筏道，采用干筏道。起运平台高程 115.00m 平台尺寸为 3020m2，上游坡不陡于 14，下游坡不陡于 13。（4）施工导流洞及水库放空洞施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为 70.00m，洞直径为 3.50m。（三） 枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物土石坝（包括副坝在内）按直线布置在河弯地段的 1#坝址线上，泄水建筑物溢洪道布置在大坝右岸的天然垭口处；灌溉引水建筑物引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；水电站建筑物引水隧洞、电站厂房、开关站等

16、布置在右岸（凸岸） ，在副坝和主坝之间，厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上（地形地质平面图） 。三 土坝设计（一） 坝型选择影响土石坝坝型的因素有：坝高；建筑材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游 1.53.5公里的丘陵与平原地区的土料，且

17、储量特别多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游 13 公里河滩范围内及平山河出口处两岸河滩开采。石料利用采石场开采，采石场可用坝轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩、质量良好，质地坚硬、岩石出露、覆盖浅，易开采。从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。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

18、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

19、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） 大坝轮廓尺寸的拟定大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗排水设备等。1. 坝顶宽度本坝顶无交通要求，根据施工条件和防汛抢险需要以及以往工程的统计资料，对于中低

20、坝取 5-10m。本设计坝顶宽度采用 B=7.0m。2. 坝坡因最大坝高约 115.0-62.50=52.5m,故采用三级变坡。（1） 上游坝坡 ： 从坝顶到坝踵依次为 1:2.75；1:3;1:3.25（2） 下游坝坡 : 从坝顶到坝踵依次为 1:2.5;1:2.75;1:3.0（3） 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。3. 坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与超高 Y 之和，并分别按以下运用情况计算，取最大值：正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。最后需预流一定的坝体沉降量，此处取坝高的

21、1%。计算公式采用下列算式：,ReA=+20cosmKVDbgH式中： 波浪在坝坡上的最大爬高，m；R最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大e值，m； =0.01m; 21.0109.85安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表 1-1 确定。A坝前水域平均水深，粗略估计为 50m；H综合摩阻系数，其值变化在（612） 之间，计算时一K310般取 ;21.0b风向与水域中线的夹角， （ ） ；0计算风速和水库吹程 ；0VD、 3m/sK、表 1-1 安全加高 （单位：m）A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

22、0.4 0.3该坝属于 2 级水工建筑物，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： 10.6.45lRhmn式中： 设计波高， ；lh/306lhVDm坝坡坡率，取 m=3.0；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 =10m/s，故取正常运用情况和非正常0V运用情况波高均为 = =0.614m，则lh5/41/30.69m。1.0.4563.28R两种计算成果见表 1-运用情况静水位（m）（mR） e(m) A(m)坝顶高程（m） 考虑 1%沉陷设计洪水 113.1 0.

23、8423 0.01 1 114.95校核洪水 113.5 0.8423 0.01 0.5 114.85114.95 116.09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。（三） 渗流计算1. 渗流计算的基本假定1）心墙采用粘土料，渗透系数 ,坝壳采用砂土料，渗透系数61.0/kcms,两者相差 倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此2.0/kcms4计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。2）土体中渗流流速不大，且处于层流状态，渗流服从达

24、西定律平均流速 v 等于渗透系数与渗透比降 i 的乘积，v=K i；3）发生渗流时土体的空隙体积不变，饱和度不变，渗流为连续的。2. 渗流计算条件：流计算时应考虑以下组合情况，取其最不利情况作为控制条件：1）上游正常水位，下游相应的最低水位；2）上游校核洪水位相应的下游最低水位；3）对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算：设计洪水位（取与正常蓄水位）113.10m，相应的下游最低水位为 74.3m；校核洪水位 113.50m，相应的下游水深为 75.00m。3. 渗流分析的方法采用水利学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份，应用维尔金斯公式和水流连续方程

25、求解渗流流量和浸润线方程。13.2512.75.12.75308082.5666 0.3heL4. 计算断面及公式本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算，并假设地基为不透水。采用的公式：2qyxHk2ehHqkL5 单宽流量将心墙看作等厚的矩形，则平均宽度为 ：;12()/(3.54)18.95dm7/2(16.0.5)0278.53(76.).D=144.5mL=144.5-33.3-9.475=101.73（设计情况）L=144.5-32.5-9.475=102.53（校核情况）已知 6k1.0/ecms2k1.0/cms通过心墙的单宽流量 1()( )eeHq其 中 为 防 渗 体 的 等 效 宽 度通过心墙下游坝壳的单宽流量为21)ekL