土石坝课程设计讲诉

1、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

2、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

3、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：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

4、 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, KV02D e 0 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 22 值， m； 1.0 10 2 102 10 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

5、，其值变化在（ 612） 10 3 之间，计算时一般 2 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 m3，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 ） 运用情况 坝的级别 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

6、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： 1 0.6 R 0.45hl m n 式中： hl 设计波高， hl 0.0166V 5/4 D 1/3m ； m坝坡坡率， 由于心墙坝采用土料时， 坡率常用 23，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 91/3 m =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

7、 （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 1 114.95 114.95 116.09 校核洪水 113.5 0.8423 0.01 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

8、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 1020 米变坡一次，相邻坝率差值可取 0.250.5 。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 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=8

9、2.5m, 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 1:0.151:0.3 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

10、 。（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=34.4m12.75m.，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

11、 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。

12、 （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

13、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 5 ，D15 d 5 ，同时要求两者的不均匀系数 下述准则选用 D15/ d85 4 式中： D15 反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%； d15 被保护土的控制粒径和特征粒径， 小于该粒径的土分别占总 重的 15%及 85%。 上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料 , 当选择第二层反滤料时，以第 一层反滤料为被保护土，二选择第三层反滤料时， 则以第二层反滤料为被保护土。 按次标准天然砂砾料一般不能满足要求，须对土料进行筛选。 2）保护粘性土料 粘性土有粘聚力， 抗管涌能力一般比无粘性土强， 通常不用上述两式

14、设计反 滤层，而用以下方法设计。 满足被保护粘性土的细粒不会流失 根据被保护土的小于 0.075mm含量的百分数不同， 而采用不同的方法。 当被 保护土含有大于 5mm的颗粒时，则取其小于 5mm的级配确定小于 0.075mm的颗粒 含量百分数及计算粒径 d85 。如被保护土不含有大于 5mm 的颗粒时，则按全料确 定小于 0.0075mm 的颗粒含量百分数及 d85 a. 对于小于 0.075mm的颗粒含量大于 85%的粘性土，按式 D15 9d85 .设计反 滤层，当 9d85 0.2mm ，取 D15 等于 0.2mm 。 b. 对于小于 0.075mm的颗粒含量为 40%85%的粘性土

15、按式 D15 0.7 mm .设计 反滤层。 c. 对于小于 0.075mm的颗粒含量为 15%39%的粘性土按式 D15 0.7 （40 A）（ 4d 85 0.7） / 25设计反滤层。式中， A为小于 0.075mm时颗粒 含量 1%。若 4d85 0 7mm ，应取 0.7 mm。 满足排水要求 以上三种土还应符合式 D15 4d15 ，以满足排水要求。式中 d15 应为被保护粘 性土全料的 d15，若 4d15 0.1mm时D15不小于 0.1mm 。 3 ）护坡垫层 垫层料的粒径不能过大，而且含有适量的细料。本坝属于中坝，取最大粒径 为 80-100mm,粒径小于 5mm的颗粒含量

16、宜选为 30%-50%， 同样应满足土粒不流失 及足够的透水性要求，但标准可降低些，建议按下式的简便方法选择粒径。 5. 。 D15（块石） 10.，D1（5 垫层） d15 （垫层下被保护的土 ） d15（垫层 ） 10.， 2.2 设计结果 根据参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟结果如下： 防渗体周边部位：（参照模板） 第一层： 排水部位 第一层 护坡垫层 1. 上游护坡：采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚，厚 度为 40cm，下部设厚度均为 30cm的碎石和粗沙垫层 . 结构图见附图 2 2. 2. 下游护坡：下游设厚度为 40cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为

17、45cm的粗 沙垫层。见附图 2 3. 顶部设计 3.1 坝顶宽度 对中低坝可取 5-10m，此处取 B=7.0m 3.2 防浪墙 采用 C15 水泥浆砌快石防浪墙， 高度常取 1.0-1.3 ，本设计取 1.2m，基本尺寸见 图3 以防止防渗体干裂、 冻结和雨水冲蚀，在粘土心墙顶部设置保护层， 厚度为 80cm， 分为两层，上层碎石厚度为 50cm，下层砂砾厚度为 30cm。 4. 马道和坝顶，坝面排水设计 4.1 马道：第一级马道高层为 62.5+20=82.50m，第二级马道高层为 102.50m，马 道宽为 2.0m。 4.2 坝顶排水：坝顶设有防浪墙，为了便于排水，把顶做成自上游 倾

18、向下游的 坡，坡度为 3%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。 4.3 坝面排水 4.3.1 布置 在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟（与坝轴线平行）设在各级马道内侧。 沿坝轴线每隔 200m设置 1条横向排水沟（顺坡布置， 垂直于坝轴线），横向排水 工自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝址排水沟。纵横排水沟互相连通， 横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两侧倾斜，坡度取 0.2%，以便将雨水 排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设计排水沟， 以排除岸坡上游下来的雨水。 4.3.2 排水沟尺寸及材料 1）尺寸拟定：由于缺乏暴雨资料，所以无法用计算的方法确定断面尺寸，根据 以往已建工程的经验，排水

19、沟宽度及深度一般采用 20-40cm。 2）材料：排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。 坝顶构造和坝坡排水构造见附图 3 5. 地基处理及坝体与岸坡的连接 5.1 地基处理 坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。 处理的主要要求是： 控制渗流， 减小渗 流比降，避免管涌等有害的渗流变形， 控制渗流量； 保持坝体和坝基的静力和 动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的不均匀沉降，竣工后，坝基和 坝体的总沉降量一般不大于坝高的 1%；在保证坝安全运行的条件下节省投资。 此处借鉴设计的地形，地质概况做出一下处理： （ 1） 河槽处：由于岩基出露好，抗风化能力强，只需清除覆盖层

20、，挖至基 岩即可； （2） 坝区右岸：覆盖层和坡积物相对较厚， 坝区右岸破碎达 60 米的钻孔岩 芯获得率只有 20%，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。 （3）平山咀大溶洞：经勘探后分析对大坝及库区均无影响，为安全起见，可 修筑土铺盖，用水泥砂浆填缝。 铺盖同时还应与粘土斜墙相连， 向上库区及右岸 延伸展布，将岩溶封闭。 5.2 坝体与地基的连接 （ 1） 河槽部位：岩芯获得率及吸水量均能达到要求，采用在斜墙底端局部 加厚的方式与地基相连。 （ 2）右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有 20%。而覆盖层也较 左岸厚，采用截水槽的方式与基岩相连。截水槽可挖至基岩以下 0.5m 深处

21、，内 填壤土。截水槽横断面拟定：边坡采用 1：2.0 ；底宽，渗径不小于（ 1/3 1/5 ） H，其中 H为最大作用水头 （下游无水时为 51.00m），底宽取 1/3.4 51.00=15.0m 5.3 坝体与岸坡的连接 土坝与岸坡的接合面是工程中较软弱的环节， 应妥加处理， 避免沿接合面发 生集中渗流，土坝裂缝等现象。左坝肩到左滩地，坡积风化层 510m，需彻底 清除，左岸坡上修建混凝土齿墙，岸坡较陡，开挖时基本与基岩大致平行。右坝 肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同，基岩开挖角不宜太大。 五 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 k 1.0 10 6cm/s

22、, 坝壳采用砂土料，渗透系数 k 1.0 10 2cm/ s ,两者相差104倍，可以把粘土心墙看做相对不透水层，因此计 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

23、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求解渗流流量和浸润线方程。 3 he 62.5 大坝剖面图 82.5 25 正常蓄水位 113.1 校核洪水位 113.5 82.5 75.0 游校核水位 116.1 坝顶高程 ：2 ：2.75 1： 102.5 102.5 1： 1：2. 75 76.5 1： ：2 62.5 排水棱体2 心墙 1 浸润线1：3 4. 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： k he2 H22 2L 单宽流