土石坝课程设计--水库枢纽工程设计.docx

本科课程设计计算书题 目 朝阳水库枢纽工程设计 学 院 水 利 水 电 学 院 专 业 学生姓名 学 号 年 级 指导教师 二一三年一月八日目 录1 基本资料11.1设计资料11.1.1 工程任务及规划数据11.1.2地形地质条件11.1.3水文气象11.1.4天然建筑材料11.1.5其他资料11.2 设计任务及提交成果21.2.1设计任务21.2.2提交成果21.3参考资料22 枢纽总体布置32.1工程标准32.2总体布置33 坝型选择34 土石坝结构设计44.1 坝体分区44.2 坝坡及马道54.3 坝顶高程54.4 坝顶构造64.5 坝体防渗74.6 反滤层和过渡层74.7 坝体排水84.8 上下游护坡84.9 坝面排水95 坝基处理及土坝与坝基、岸坡的连接95.1坝基处理95.2土石坝与坝基、岸坡的连接105.2.1土坝与坝基的连接105.2.2土坝与两岸的连接106 渗流计算106.1渗流计算的基本假设106.2渗流计算条件116.3渗流分析的方法116.4河槽处计算断面及公式116.5单宽流量116.6 总渗流量的计算126.7渗透变形分析127 稳定计算127.1 计算模型127.2 计算方法137.3 稳定成果分析138 溢洪道设计138.1 溢洪道平面位置选定138.2 溢洪道基本数据138.3 工程布置148.3.1 泄水方案选择148.3.2引水段设计148.3.3控制段设计148.3.4 泄槽设计158.3.5 消能防冲设施178.4构造设计179 坝下涵管设计189.1 布置和构造189.2 涵管尺寸1810 成果附图201 基本资料拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内，属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。水库距离开县县城28.7km。1.1设计资料 1.1.1 工程任务及规划数据 本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量0.8m3/s。根据兴利及调洪演算，确定出该水库规划指标为：水库正常蓄水位379.40m时相应有效库容186.48万m3；30年一遇设计洪水位380.10m（溢洪道最大下泄流量约20m3/s）；300年一遇校核洪水位381.00m时相应总库容218.44万m3（溢洪道最大下泄流量32m3/s）；水库死水位362.00m。1.1.2地形地质条件坝址处河谷断面河床宽度约2030m，两岸岸坡基本对称，坡角约35。河床基岩高程350m，岩基为弱风化岩层，k=0.810-6cm/s。地基表面高程356.4m，高程350m356.40m为砂砾石覆盖层。地形地质情况详见图纸。 1.1.3水文气象水库集雨面积为3.67km2，流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量1236.4mm，多年平均径流深590.0mm。库区汛期多年平均最大风速10.5m/s，方向垂直坝面，水库吹程0.3km。1.1.4天然建筑材料工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游11.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游12km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游22.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。天然材料物理力学性质见表1-1。1.1.5其他资料当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。工程单价可按下式估算：粘土填筑30元/m3；干砌块石88元/m3；石渣料填筑45元/m3；土石方开挖20元/m3。表1-1 天然材料物理性质表参数材料湿容重（KN/m3）饱和容重（KN/m3）浮容重（KN/m3）渗透系数(cm/s)非饱和固结快剪饱和固结快剪C（KPa）（度）C（KPa）（度）砂砾石覆盖层18.820.010.01.610-2/29.2/27.2粘土20.020.210.24.7310-622.317.618.415.7石渣料20.521.411.47.210-429.831.625.629.4块石体18.120.210.28.010-2/34/331.2 设计任务及提交成果1.2.1设计任务（1）根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。由于时间关系，大坝选定为土石坝，在此基础上确定确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。（2）通过坝型方案比较，确定推荐坝型，并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。1.2.2提交成果（1）设计说明书（包括计算原理）一份。论述枢纽布置；论证坝型选择并进行材料分区布置；计算坝顶高程；进行正常水位时的渗流计算，包括渗流量、浸润线和渗透变形分析；进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析；论述主要构造与尺寸，论述地基处理措施。（2）设计图纸两张（2号图）枢纽平面布置图一张；土石坝横断面设计图一张，包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。1.3参考资料SL2522000 水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准SL274-2001 碾压式土石坝设计规范SL18996 小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则2 枢纽总体布置2.1工程标准（1）枢纽等别。根据总库容218.44万m，查规范知，该枢纽为等小（1）型水库。（2）水工建筑物级别。永久建筑物为4级，临时建筑物为5级，土坝高度未达70m，土坝级别不必提高。2.2总体布置该坝址为砂砾石地基，厚6.4m，河床宽度约为2030m，两岸岸坡基本对称，坡脚约35。考虑到修建其他坝型需要开挖较深地基，加之该地区有丰富的土石坝施工经验，选择修建土石坝。土坝坝底高程为356.40m，坝顶高程381.20m坝高24.8m。死水位362.00m，正常蓄水位379.40m，设计洪水位380.10m，校核洪水位381.00m。土石坝适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线上游左岸处有明显的垭口，垭口最低高程380m，采用正槽式溢洪道泄洪，泄洪能力大，运行安全可靠。本设计中，溢洪道宽度为7m，布置在左岸距离坝轴线28m的垭口处，溢流堰堰顶高程为379.40m,比坝高低1.8m,与正常蓄水位齐平,避免了大量开挖。洪水经冲沟归河，不会危及大坝安全，且离大坝近便于管理。采用无压式引水涵洞与灌溉渠首连接。进口采用斜卧管式分层取水口。坝下涵管宽度为2.0m,高度为1.5m,座于右岸岩基上，和溢洪道互不干扰。相应布置见枢纽平面布置图所示。综上所述，枢纽总体布置方案如下。1）挡水建筑物：土石坝按直线布置在A-A坝址线上。2）泄水建筑物：溢洪道布置在大坝左岸垭口处。3）取水建筑物：引水涵洞布置在大坝右岸。3 坝型选择坝型选择应综合考虑地形、地质、材料、施工、枢纽布置及运行条件等，经分析比较后，选定技术上可靠、经济上合理的坝型。本工程坝址所在地当地材料丰富，适合修筑土石坝，土石坝在很大程度上是“因材设计的”，所以筑坝材料的情况对坝型选择往往是决定性的。本工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游11.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游12km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游22.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。现将主要的几种土石坝叙述如下：（1）均质坝：坝体绝大部分采用同一种材料筑成，一般选用弱透水土料（如本设计中的粘性土），本设计中的坝高估算大概为25m，坝长大约为120m，坝顶宽度为5m，坝坡坡度若取为1:2.5，则所需土料大概为20万m3。而工程区附近粘性土总储量为9万m3，远远不够，故本工程不适合修建均质坝。（2）心墙坝：土质防渗体位于坝体中间，上下游坝壳基本由一种透水料填充。心墙坝的优点有：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；当库水位下降时，上游透水坝壳中水分迅速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对较小。缺点是容易产生心墙“拱效应”。若建心墙坝，心墙部分由粘性土作为材料，估算得心墙顶部宽3m，坡度为1：0.2，所需土料大概为2.4万m3，22.49，故满足材料需求。（3）斜墙坝：土质防渗体靠上游，下游透水坝壳基本由一种透水材料筑成，该坝型便于土料上坝，施工方便，但是它与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝方便，对沉降较为敏感。（4）多种土质分区坝：该坝型虽然可以因地制宜，充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝材料；土料用量较均质坝少，施工受气侯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，故不宜选用多种土质分区坝。经综合分析考虑，选取最终坝型为粘土心墙石渣坝。4 土石坝结构设计4.1 坝体分区本设计采取的是粘土心墙石渣坝，坝体心墙采用当地粘土材料，心墙两侧依次设置过渡层和反滤层。过渡层采用砂砾石材料，反滤层采用细沙材料。坝壳料则为石渣材料。即本工程材料分区主要为坝壳石渣料和心墙粘土料。4.2 坝坡及马道土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件等。其范围大致为1:21：4之间。参照已建工程，本工程上游坡率取1：2.75。此坝高度不大，上游可不设边坡，仅在下游设置变坡。下游变坡高程在370.00m处，下游上部坡度为1：2.25，下部坡率为1：2.5。在下游坝坡改变处，设置2m宽的马道（戗道）以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用，下游马道细部构造图见图4-1所示。图4-1 下游马道细部构造图4.3 坝顶高程为了保证库水不超过或溅过坝顶，坝顶高程在水库正常运用和非常运用的静水位以上应有足够的超高，超高值y为y=R+e+hc式中：R波浪在坝坡上的设计爬高；e最大风壅水面高度。平均波浪爬高：其中，由得 由 得m则m4级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%，参照规范得到Rp/Rm=1.9，故设计波浪爬高Rp=0.2171.9=0.4mm按照规范正常运用条件下的4级坝，采用多年平均年最大风速的1.5倍，同样的算法，正常运用条件下，Rp=0.64m,e=0.0059m.坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运行条件计算，并取最大值：1）设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高即：380.1+0.64+0.00059+0.5=381.24m；2）校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高即：381+0.4+0.00026+0.3=381.70m；3）正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高即：379.4+0.64+0.00059+0.5=380.54m；4）正常蓄水位加非常运用情况的坝顶超高即：379.4+0.4+0.00026+0.3=380.1m。坝顶高程最低应取为381.70m。拟在坝顶上游设1.2m高的防浪墙，用防浪墙的顶部高程代替坝顶高程，但此时坝顶高程在正常运用条件下应高出静水位0.5m，且不应低于非常运用情况下的静水位。381.70-1.2=380.5m，379.4380.5381。因此，应满足坝顶高程高于校核洪水位，即坝顶高程应高于381.00m，最终坝顶高程确定为381.20m，上面修建1.2m高的防浪墙，防浪墙高程为382.40m。4.4 坝顶构造坝顶宽度应根据坝高、构造、施工、运行等因素确定。如无特殊要求，对中低坝可选用510m，本工程中坝高小于30m，无交通要求，坝顶宽度定为5m。坝顶上面用C20素混凝土铺设路面。坝顶向下游倾斜2%的坡度，上游设1.2m高的防浪墙，用浆砌石建造，其基础应牢固地埋入坝内，与坝的防渗体紧密连接。坝顶细部构造图见图4-2所示。图4-2 坝顶细部构造图4.5 坝体防渗本工程坝体防渗采用粘土心墙防渗体，当防渗体顶部有防浪墙时，心墙顶高程应高于正常蓄水位0.30.6m，本工程中正常蓄水位为379.40m，故心墙防渗体高程取为380.00m。顶部保护层厚度为1.2m，防止心墙受冻。心墙顶宽取为3m，且心墙自顶向下逐渐加厚，边坡为1：0.2。计算点作用水头381-356.4=24.6m，根据经验取允许渗透坡降J=4，底部厚度12.44mH/J=24.6/4=6.15m，满足要求。心墙两侧分别设0.5m 厚砂砾石过渡层和0.3m厚的细沙反滤层。坝体防渗细部构造图见图4-2所示。4.6 反滤层和过渡层反滤层的作用是滤土排水，防止渗流出口处发生渗透变形。在土质防渗体（包括心墙、斜墙、铺盖和截水槽）与坝壳和坝基透水层之间以及下游渗流出逸处，如果不满足反滤要求，必须设反滤层。由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟定结果分述如下。1）防渗体周边部位第一层：d50=0.5 mm，厚30cm；第三层：d50 =5.0mm，厚50cm。2）排水部位第一层：d50=20mm ，厚20cm ；第二层：d50=60 mm，厚40cm。4.7 坝体排水土石坝设置坝体排水，主要用以降低浸润线和孔隙水压力，改变渗流方向，防止渗流出逸处产生渗透变形，保护坝坡土不产生冻胀破坏。棱体排水可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。本设计采取棱体排水，根据规范排水棱体顶部高程为359.40m，棱体外坡为1：2.0，内坡为1：1.5。棱体外部设置0.4m厚的过渡层和0.2m厚的反滤层。排水棱体细部构造图见图4-3所示。图4-3 排水棱体细部构造图4.8 上下游护坡上游护坡：根据规范，当有条件时，上游护坡宜采用堆石护坡。本设计采取堆石护坡，护坡厚度为0.6m，下设厚度为0.3m的碎石垫层。护坡与防浪墙连接，护坡范围从坝顶至死水位以下2m（即高程为360.00m）。上游护坡细部构造图见图4-4所示。图4-4 上游护坡细部构造图下游护坡：本设计中下游护坡采用草皮框格护坡。草皮厚0.3m，草皮每隔5m设置一个C15混凝土框格，框格尺寸为4040cm。下游护坡细部构造图见图4-5所示。图4-5 下游护坡细部构造图4.9 坝面排水在下游坝坡设纵横联通的排水沟，沿坝与岸坡的结合处，也设排水沟，坝面上的纵向排水沟沿马道内侧布置。大坝长约126m,只需在坝轴线中间设一条横向排水沟即可。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用2040cm，本设计取20cm。选用浆砌石块石，并且在坝体与浆砌石连接处设置反滤层。5 坝基处理及土坝与坝基、岸坡的连接5.1坝基处理当砂砾石层深度在15m以内时，宜采用截水槽防渗，它是最简单和最有效地一种坝基防渗设施。同时，截水槽也是均质坝体心墙向坝基中的延伸部分。截水槽的底宽由回填土料的允许渗透坡降及土料与基岩接触面抗渗冲刷的允许坡降确定。同时，槽底最小宽度应满足施工方法和施工机械，一般不应小于3.0m。本工程坝基下砂砾石层厚6.4m，采用截水槽防渗。本设计中为砂砾石地基，砂砾石地基通常有足够的承载力和抗剪强度，主要是解决渗流问题。处理方法有垂直防渗和水平防渗两类。总体来说是“上防、中截、下排”。砂砾石地基厚度约为6m，厚度较小，适合采用粘土截水槽，按照规范，截水槽底部厚度取3m，边坡坡度为1:1，截水槽底直达不透水层即高度为6.4m，则截水槽上部厚度为（3+6.42）=15.8m。截水槽量测和粘土心墙两侧一样设置0.3m厚的细沙反滤层和0.5m厚的砂砾石过渡层，心墙和截水槽在坝基下355.00m处相接。同时，为了加强截水槽与基岩的连接，在截水槽底的基岩面上建C15混凝土齿墙。齿墙上部厚度为0.5m，侧面坡度为1:0.1，高度为1.5m（包括嵌入基岩内的0.4m），最下部厚度为1.2m。截水槽在回填时，在齿墙表面和齿槽岩面抹以粗砂层，坝基截水槽防渗细部构造图见图5-1所示。图5-1 坝基防渗（截水槽）细部构造图5.2土石坝与坝基、岸坡的连接5.2.1土坝与坝基的连接筑坝前将坝基范围内的表层腐植土、稀泥、草皮、乱石等清除掉。清基深度0.31m。防渗体与岩基连接时，把岩基开挖至新鲜岩面，并使岩面平整，在岩石表层喷一层砂浆之后回填粘土。5.2.2土坝与两岸的连接两岸岸坡应进行清基，开挖后的岸坡不应陡于1：0.51:0.75，心墙与两岸连接处的断面应扩大1/3。如果两岸山坡有强风化层时，可采用截水槽方式将心墙伸入到弱风化层内。6 渗流计算6.1渗流计算的基本假设1）心墙采用粘土料，渗透系数K4.7310-6cm/s；坝壳采用砂土料，渗透系数K7.210-4cm/s，并且上游坝壳与心墙之间有反滤层做排水处理，可以不考虑坝壳的防水作用。坝基处覆盖层中，截水墙采用粘土，覆盖层透水系数K=1.610-2cm/s，覆盖层透水率较大。可以将除去砂砾石坝壳的厚心墙与截水槽的组合看做一个坝壳材料与心墙采用相同材料的新的心墙坝。2）土体中渗流流速不大且处于层流状态，渗流服从达西定律，即平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积，v=Ki。3）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度不变，渗流为连续的。6.2渗流计算条件渗流计算以上游正常蓄水位，下游相应的最低水位（本设计下游无水）的工况计算，即上游水位378m高程，下游水位356.4m高程，高程差23m。6.3渗流分析的方法采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。6.4河槽处计算断面及公式本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。为了计算方便，将心墙断面简化成厚度为=1+22的等厚度矩形断面，其中1、2分别为心墙顶部和底部厚度，浸润线在心墙中形成很大跌落，因此，近似假设心墙上游浸润线与水库水位相同，在计算中，我们取工况上游为正常蓄水位，下游水位为0计算。按照规范，计算公式为：代入数据，得：=1+22=3+122=7.56.5单宽流量根据q1=q2+q3解得 q1=4.7310-8232-（0.109+6.4）227.6 =1.51410-6m3/s.m6.6 总渗流量的计算从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长L=120m，沿整个坝段的总渗流量公式为：Q=Lq,式中是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取，Q =0.81201.51410-6=1.4510-4m3/s=12.56m3/d。大坝在正常蓄水位的库容为186.48万m，而每日渗漏量为12.56m，故满足防渗要求。6.7渗透变形分析对于非粘性土，渗透破坏形式的判别可参考下式：20时为管涌；1020时不定。允许坡降可参考采用下例数字：1020，J允许=0.1。最大断面渗流逸出点的实际渗透坡降为J=H/L=0.14/51.1=2.7410-3，因为=15，J=2.7410-31.25（SL274-2001）,满足要求。8 溢洪道设计8.1 溢洪道平面位置选定根据本工程地形地质条件，在左岸距轴线30m处有一天然垭口，故选择在垭口处布置开敞式正槽溢洪道，泄槽布置在山沟处，引水渠末端设置喇叭口形渐变段，泄槽不设收缩、弯曲段和扩散段，尾水渠设护坦。成直线布置在左岸的天然垭口，具体布置见坝体平面布置图。8.2 溢洪道基本数据经调洪演算拟定溢洪道水力计算成果见表4.1。表8.1 溢洪道水力计算成果计算情况上游水位（m）下泄最大流量(m3/s)相应的下游水位(m)设计380.1020355校核381.0032355其中：设计洪水位为30年一遇洪水位，校核洪水位为300年一遇洪水位。8.3 工程布置根据地形条件，设置岸边正槽溢洪道。溢洪道有引水渠，控制段，泄槽，出口消能段组成。溢洪道的布置和形式选择应该根据水库水文，坝址地形地质水流条件，枢纽布置，施工，管理条件以及造价等因素决定。8.3.1 泄水方案选择根据本工程地形条件，选择正槽式溢洪道泄水，布置在坝体上游左岸的天然垭口处，根据地质勘察及水库地形图，溢洪道布置在库岸垭口处，由于垭口高程与正常蓄水位差不多，故考虑溢洪道不设闸门，这样比之设闸门的溢洪道有一下优点：1）施工方便，控制段的结构可以大大简化，大大加快了工程进度。2）减少了工作人员的编排，如果设闸门的话，水库的开闸防水及关闭闸门都需要有专门的人员来负责，这样无异与增加了水库管理的运行费。3）提高了溢洪道工作的可靠性，如果设立闸门，就关系到闸门启闭的安全性问题，根据大量溢洪道失事的调查，事故原因大部分与闸门不能安全开启有关。 因此不设闸门的话，可以大大增加溢洪道乃至水库的安全。如平面布置图所示。8.3.2引水段设计引水段布置成对称的喇叭口形式，引水渠采用梯形断面，边坡采用1：1.5；底坡均为1：10的逆坡。截面为梯形，梯形下底宽度为10米，边坡为1:0.5。引水渠与控制堰之间设渐变段，通过扭面连接，扭面长度为6米。引水段需要做底部防渗措施及边坡稳定处理，在渠底设铺盖，边坡设导水墙。8.3.3控制段设计由于控制段高程与垭口位置挖去覆盖层及风化层后的高程大体相等，以便施工，采用宽顶堰形式控制溢洪道流量。因实用堰流量系数比较大，在相同泄量下，其前缘长度比宽顶堰短。此处垭口狭窄，沿水流方向的山体比较单薄，地面高程较低，综合考虑，溢流堰形式选择WES型实用堰。堰顶高程为正常蓄水位379.40m。 实用堰流量公式： 式中侧收缩系数，堰为无侧收缩（=1）；自由出流系数，自由出流（=1）； n堰顶宽度不大，堰不分孔（n=1）； Q采用校核洪水位时的最大下泄流量Q=32m/s。H0堰顶全水头，取1.63m。m流量系数，河岸溢洪道中的实用堰多为低堰，对于低堰，其设计水头Hd=(0.650.85)H0= 0.851.63=1.38m，取为1.4m。对WES低堰，其流量系数随上游相对堰高P1/Hd的减小而减小，当P1/HdV=14m/s，故满足要求。4）边墙的高度。应根据计算水深，考虑波动及掺气影响，并加一定的安全超高，安全超高可取0.51.5m。由此边墙高度定为0.57+1.23=1.8m。泄槽断面见8-2图所示。图8-2 泄槽断面图8.3.5 消能防冲设施下游无水，河床为砂砾石，但考虑到下游并没有建筑物，只需要对两岸使用条石进行保，所以选用挑流消能方式。（1）鼻坎高程鼻坎高程应高出河床12m，取2