毕业论文西南地区某水利工程斜心墙土石坝设计

1.1工程流域概述该江位于我国西南地区，该江从东南向西北流向，全长约为122公里，该流域面积2558平方公里，在坝址以上流域面积约为780平方公里。本流域大多部分为山岭地带，山脉山丘和盆地交错于其间，地形变化多端，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，汛期河流的含沙量较大，流速快。全区农田面积仅占总面积的20％，林木面积约占全区的30％，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖，冲积层较厚，土多，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，纵横交错，交通不便，故居民较少。坝址地质资料该坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立，纵横交错构成高山深谷的地貌特征，汛期河流的含沙量较大，流速快，冲积层较厚，土多，两岸有崩塌现象，适合用土石坝。地震资料本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。1.3.1气温情况该地年平均气温约为度，最高气温为度，平均发生在7-8月，最低气温为度，平均发生在1-2月份。表1-1月平均气温统计表（度）123456789101112年平均表1-5平均温度日数

月份日数平均温度℃600000000℃3031303131303130℃0000000000001.3.2降水量情况该地最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。表1-2各月降雨日数统计表日数

月份

平均降雨量123456789101112<5mm5~10mm10~30mm>30mm0000000000001.3.3风力和风向通常1-4月风力较大，实测最大风速为19.1m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库平均吹程为15公里。实测多年平均风速14m/s。该江水量的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊，河流调节径流。根据实测水文气象资料研究研讨，通常是每年五月底六月初河水开始上涨，汛期开始后，到十月以后洪水开始逐渐下降，导致枯水期开始，直至次年五月。该江洪水形式陡涨猛落，迅速而快，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒立米，而最小流量为0.5秒立米。1.4.1日常径流资料坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近测站水文记录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17秒立米。洪峰流量资料经过频率的分析，可以求得不同频率的洪峰流量如下表1-7，1-8所示，山区洪水的特性是暴涨暴落，迅速飞快的。表1-3不同频率洪峰流量（秒立米）频率12510流量25201880142011801040表1-4各月不同频率洪峰流量（秒立米）1234567891011121％4619121960012401550121067039028372％3617111553011201360109060031023335％23149114208501100830480250162810％19117937076098072041021015231.4.3固体径流资料该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5公斤／立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765米。物理力学性质（1）土料：（见表1-5，表1-6）（2）石料：坚硬玄武岩可作为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。表1-5料场名称物

理

性

质渗透系数10-6cm/s力学性质化学性自然含水量%自然容重比重孔隙率%孔隙比稠度饱和度颗粒级配（成分%，粒径d）击实剪力固结压缩系数cm2/kg有机含量灼热法%可溶盐含量%流限%塑限%塑性指数砾砂粘土最大干密度g/cm3最优含水量%内摩擦角deg凝聚力kPa湿干粗中细粉>2mm2~mm~mm~mm<mmKN/m31#下2#下1#上2#上3#下表1-6砂砾石的颗粒级配颗粒直径料场300~100100~6060~2020~~~~~1#上2#上3#上4#上1#下2#下3#下4#下表1-7砂砾石的物理性质名称1#上2#上3#上4#上1#下2#下3#下4#下容重kN/m3比重孔隙率%软弱粒%有机物淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色注：各砂砾石料场渗透系数k值为×10-2厘米/秒左右。最大孔隙率，最小孔隙率。表1-8各料场天然休止角料场名称最小值最大值平均值1#上34°30′35°50′35°10′2#上35°00′37°10′36°00′3#上34°40′36°40′35°40′4#上35°10′37°40′36°30′1#下34°10′36°30′35°20′2#下35°20′38°00′36°40′3#下34°30′37°10′35°50′4#下36°00′38°20′37°10′1.6工程说明本工程正常蓄水位为，对应水库库容为×106m3，装机24MW。根据GB50201—94《防洪标准》及SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》的有关规定，查《水利水电工程等级划分及设计标准（山脉、丘陵部分）》由总库容在1-10亿立方米初定该工程为大（2）型工程，由装机容量等指标定位小（1）型，根据“各不同标准指标分属时，采用其中最高级别来控制”的原则，最终由水库库容确定该工程规模为大（2）型。所以判别出枢纽的主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。为了贯彻执行国家的水利技术政策，为了达到既经济又安全的目的，把该水利水电枢纽工程按其规模、收益以及在国民经济中的重要性分为不同等级，为其后面的计算与施工提供基本基础依据。第二章坝型的选择坝址选择选择坝址的时候，不仅要综合考虑防洪、灌溉、航运、生产、发电各部门的经济效益，还要考虑对枢纽上下游的生态环境影响和库区的淹没损失等，要使得综合效益最大，有害影响最小，经过，研究，比较，选择资料地形图所示河弯地段作为坝址，在选定坝址之后在坝址处根据地形条件比较、建筑材料比较、地质条件比较、施工条件、施工环境及工程量比较确定坝址的具体位置。2.2坝型选择坝型的选择坝型选择是大坝设计中首先而且必须要解决的一个至关重要的问题，它关系到整个枢纽的工期、投资以及工程量。地形、地质、环境、气候、坝高、筑坝材料、施工和运行条件等都是影响坝型选择的重要因素。水利枢纽中的拦河坝的型式主要有：支墩坝、重力坝、土石坝、拱坝及新型坝型如碾压混凝土坝、面板堆石坝等等。根据该地地形、地质条件和材料储备情况选出土石坝是最适合该地址的坝型。土石坝的坝型优点：施工方法选择灵活性大，结构简单，造价低廉，运行管理方便，工作可靠，便于维系性加高。能适应不同的施工方法，且施工速度快，工序简单、质量容易保证；筑坝材料就地取材，节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料；适应地形变形能力强，土石坝三立体结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝的低，施工条件方便。土石坝坝型缺陷：施工导流不如其它坝型方便，工程造价因而相应也增加；由于坝体断面大，土料填筑质量会受气候影响；土石坝坝顶不能溢流，需另开泄洪隧洞或溢洪道。本工程坝址附近河谷内地地形平坦、有丰富的质量较好的堆石料，为了达到既经济又安全的目的，通过对各种不同的坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。建筑物组成此水利枢纽中，枢纽建筑物以土石坝为主体，并包括泄洪建筑物、灌溉建筑物、发电引水建筑物、工业引水建筑物、水电厂房、开关站、排沙建筑物、放空水库的泄水建筑物、施工导流建筑物、过船建筑物、过木建筑物等。通常土石坝蓄水枢纽“三大件”即土石坝、溢洪道和水工隧洞。土石坝用以拦蓄洪水、形成水库，溢洪道用以宣泄洪水，确保大坝安全；水工隧洞则用以灌溉、发电、导流、泄洪、排沙等。2.4枢纽的总体布置2.4.1挡水建筑物——土石坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。2.4.2泄水建筑物——泄洪隧洞泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，水流经隧洞流出直接入主河道，对流态也有利。电站引水发电洞布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，进出口相距30~40m以上。2.4.3水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置在凸岸，在泄洪隧洞与大坝之间。风化岩层较厚，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房附近。总之，枢纽布置效果应该考虑到方方面面，以确保工程效益达到最理想值。不仅要综合考虑防洪、航运、发电、灌溉等部门的经济效益，还要考虑库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等，要做到综合效益最大，有害影响最小。枢纽布置图见下图2-1所示。图2-1土石坝枢纽布置图第三章调洪计算工程等别及建筑物级别的判定本工程正常蓄水位为2822.5m，初始水库库容为，装机24MW。根据SDJ12—78《水利水电工程等级划分及设计标准（山脉、丘陵部分）》，由水库总库容指标（估计校核情况下库容不会超过10亿m3）定该工程为大（2）型；由防洪效益，灌溉面积，装机容量等指标定该工程为小（1）型；根据“各不同标准指标分属时，采用其中最高级别来控制”的原则，最终由水库库容确定该工程规模为大（2）型。所以判别出枢纽的主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。3.2.1确定洪水标准永久建筑物洪水标准可以根据建筑物级别查得：正常运用（设计工况）洪水重现期100年；非常运用（校核工况）洪水重现期2000年。设计洪峰流量Q设=1680（P=1%），校核洪峰流量Q校=2320（P=0.05%）。由实测资料分析研究可获得洪水过程线，假设拟定三组溢流孔口尺寸、及堰顶高程的方案，首先根据洪水过程线可得各时段平均来水量，然后由泄洪道口堰流公式，可求出在不同孔口尺寸下求得不同的下泄流量，对应可求的得各时段下的下泄洪水量，来水量减去泄水量可得本时段的增加水量，以满库开洪水调节，满库库容加上新增洪水量可得第一时段末的库容，查库容-水位曲线可得新库容下的坝前水位，由该坝前水位作为下一时段的下泄流量计算的依据，依次可求得不同时段的上游水位及下泄流量，从中选择最大者即：设计水位及设计下泄流量校核水位及校核下泄流量水位。堰顶高程及孔口尺寸选择原则如果堰顶高程n取的过低，溢流孔口净宽B选的过大，则下泄能力也会加大，故而所需水库防洪库容可减小，挡水建筑物所在高度也可减小，淹没损失也减小；但是隧洞本身造价及工程量会加高。已知本工程允许下泄流量为900m3/s，过大的下泄流量为下游抗冲所不能允许。如果堰顶高程n取的过高，孔口净宽B取的过小，结果则与上述相反。初步方案拟定要得到孔口尺寸与堰顶高程的最佳方案，可依据在施工技术可行的前提下，结合工程经验，和泄水隧洞以及包括拦河坝在内的总造价最小方案来选择，通过各种可行方案的经济类比来最终决定最后的方案。参照已建工程经验，拟定六组孔口尺寸与堰顶高程如下（采用单孔泄洪）方案一：n=2810m，B=8m；方案二：n=2811m，B=7m；方案三：n=2812m，B=9m；n：堰顶高程，B：孔口净宽3.5调洪演算已知：==2822.5m=2765m，H=i-2810/2811，，Q设=1680/sQ校=2320/sm=0.385g=9.8根据洪水过程线（附图1）、坝址处库容水位曲线（附图2）可求调洪计算表由库容曲线H-V表得初始库容×计算表方案一Q设=1680/s，n=2810m，B=8m时段4081216202404080Q校=2320/s时段4150.8082821.14122821.64162822.50202823.24242823.554515.252823.1782823.49综上得：设计max=2823.00mQ泄/s校核max=2823.55mQ泄/s方案二Q设=1680/s，n=2811m，B=7m时段481216202448Q校=2320/s时段4150.8081216202448综上得：设计max=2823.09mQ泄/s校核max=2823.93mQ泄/s方案三Q设=1680/sn=2812m，B=9m时段47.52-8121620244Q校=2320/s时段4150.8008121620244综上得:设计max=2822.74mQ泄/s校核max=2823.79mQ泄max=621/s由方案1、2、3的调洪计算表可得以下的调洪计算结果表：方案堰顶高程n孔口尺寸B工况Q上游水位超高Z1n=2810m设计B=8m校核6802n=2811m设计B=7m校核3n=2812m设计B=9m校核621/s,与总泄流量相比较小，调洪演算未做考虑；2、超高表示正常蓄水位以上的超高，需满足小于3.5.3.6方案的选择由方案结果中可以看出三组方案均能满足下泄流量(Q<900/s)及超高（∇z<3.5m）的要求，故需从中选择最为经济合理的方案，通常n越大，大坝就要增高，造价也会加大，另外流量不宜过小否则对泄洪不利。故最总选定方案1，即;n=2810m，B=8m，对应设计水位为2823.00m，校核水位为2823.55m，设计泄洪流量为602.6/s,校核流量为680/s。第四章土石坝剖面设计4.1土石坝坝型选择影响土石坝坝型选择的因素很多，其中最主要的是坝址附近的筑坝材料，其次还有地形地质条件、气候因素、施工条件、坝基处理、抗震要求等。坝型的选择应该具有综合优越性，首先要拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，可行性，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。下面详细比较几种坝型，最终定案。4.1.1均质坝均质坝，施工简单，材料单一，但是坝坡较缓，剖面大，粘性土料受气候影响大，坝体孔隙水压力大，雨季冬季施工较为不便，且无足够适宜的土料来做均质坝，通常很少采用这种坝型，因而不宜采用均质坝坝型方案。首先面板坝整个坝体都是受力结构，填筑量是土石坝所有坝型中最小的，设计中坝高为63，属于中坝，不宜选择面板坝。面板坝没有防渗体的粘性土填方，所以施工受气候影响较小，施工干扰也较小，可以全年持续施工。但是面板抗震性能较差，对基础沉陷非常敏感。而本设计中地质条件较差，坝址地区地震烈度为7度，明显不宜选用面板坝方案。堆石坝坝坡较陡，剖面小，造价低，施工干扰相对较小，施工速度较快，抗震性能好，工程量小。坝址附近有坚硬玄武岩石料场一处，储量丰富，开采容易，可方便用于堆石坝材料，从材料角度可以考虑选择堆石坝方案，但由于河床地质条件较差，冲积层最大32m，平均也有20m，作堆石坝可能导致大量开挖，工期长，此方案也不予考虑。4.1.4斜墙坝和心墙坝塑性心墙坝（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体，在坝剖面的中心部位合做心墙）与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳砂砾料同时上升，施工干扰大，工期长，不方便；塑性斜墙坝(用砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体上游做斜墙)的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短，但对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝。从筑坝材料来看，由于坝址上下游内有足够可供筑坝的土料作为防渗体之用，又有足够的沙砾料作坝壳，心墙坝和斜墙坝都是可行的。本地区为地震区，基本烈度为７度，从抗震性能及适应不均匀变形来看宜采用心墙坝；从施工及环境气候条件来看宜采用斜墙坝。但是由于本地区粘性土料自然含水量较高，不宜大量采用粘性土料，以薄心墙、薄斜墙较有利，又因坝基条件复杂，处理工程量大，工期长，所以采用斜墙为宜。4.1.5斜心墙坝斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱；斜心墙对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙应力状态较好，工期较短，因而最终选择斜心墙坝方案。坝顶高程根据正常运用和非正常运用的静水位相应的超高Υ予以确定，应分别按以下三种情况进行计算，然后取其中最大值为坝顶高程。设计洪水位+正常运用情况下的坝顶超高校核洪水位+非正常运用情况下的坝顶超高正常蓄水位+地震安全超高计算公式坝顶超高：(4-1)(4-2)式中：e—风雍高渡，m;D—水库吹程，m，由资料知D=15km=15000m;H—近似取坝前水深，m;K—综合摩阻系数，值在（1.5-5.0）××；V—计算风速，;正常运用情况下的Ⅰ、Ⅱ级坝采用，非常运用条件下的各级土石坝采用，故可得正常运用条件下×14=21,非正常运用情况下=14；β—风速与坝轴线的夹角β°；A—安全加高，根据坝的等级和运用情况。查《水工建筑物》表1-11采用，土坝正常运用情况下安全超高0.7m,非正常运用情况下安全超高0.5m.R—自风雍水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度，称波浪爬高；m;确定波浪爬高R.它与坝前的波浪要素（波高和波长）、坝坡坡度、坡面糙率、坝前水深、风速等因素有关。波浪爬高R的计算，有以下计算公式:计算波浪的平均爬高。当坝坡系数-5.0时，平均爬高为：(4-3)式中：—与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，按《水工建筑物》表5-1得砌石护面=0.75；—经验系数，由风速、坝前水深及重力加速度组成的无维量纲,按《水工建筑物》表5-2采用；—坡度系数;、—平均坡高与波长，m.平均波高的计算公式：(4-4)(4-5)注：式中的水库吹程D以米计。计算波浪平均周期，公式为：（4-6）计算平均波长:当≥0.5时为深水波≈(4-7)当<0.5时为浅水波(4-7′)(2)计算波浪设计爬高R。在工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对Ⅱ级坝取保证率P=1%的波浪爬高，查《水工建筑物》表5-3，<0.1，取P=2.23%，∈（0.1-0.3）取P=2.08。当风向与坝轴线垂线夹角为°）得=0.95.R=P..2、地震安全加高-1.5m，应根据地震烈度大小和不同的坝前水深取大、中、小值。地震附加沉陷值，根据海域地震调查，对8-9度地震区，可取坝高的1.2%-1.44%，地震烈度较低时，可相应减小，此坝址处地震烈度为7级，沉陷超高不予考虑。安全加高按《水工建筑物》表1-11取。因此：地震安全加高=0.5+0.5=1m3、坝体施工沉降超高考虑压缩沉降时，土石坝竣工时的坝顶高程应等于设计高程加坝体施工沉降超高。对施工质量一般的中小型土石坝，如地基内无压缩性很大的土层，坝体施工沉降可取坝高的0.2%-0.4%，在此可取坝高的0.2%。二、计算结果利用上述计算公式可得以下计算表表5-1坝高计算表工况设计+正常运用校核+非常运用正常蓄水+地震备注∇注:表中各符号同前均小于1，查《水工建筑物》表5-2得=1；>0.5为深水波，计算采用公式4-6；计算公式采用式4-1∼4-6；(5)“-”代表没有此数。∇河底高程276527652765H(m)58K-V(m/s)2114-D(m)1500015000-β-e-A1--m3311--P--R0地震安全超高001Υ地基沉陷超高坝顶高程坝顶高程应取3种结果中的最大值，因此以坝顶高程为2826.85为坝顶高程，取坝顶高程为2828m，坝高为63m（2828-2765=63）。坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等要求，无特殊要求高坝最小顶宽为10-15m，中低坝为5-10m，属于中坝，取10m。坝坡土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素。边坡选择一般须从以下几方面考虑。（1）上游坡应比下游坡为缓，取上游平均坡比1：3，下游坡比（2）坝坡应上陡下缓，自上至下逐级放缓，每隔10-30m变坡一次，相邻坡率差为0.25-0.5。取上游30m以上上游坡比1：2.8，下游坡比1：2.6，30m以下上游坡比1：3.2，下游坡比1：2.8。∼2.0m，已拦截应排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼做交通、检修、观察之用，也有利于坝坡稳定。取马道宽度。具体尺寸见图4-1黏土斜心墙土石坝剖面图。渗体型式防渗坝的防渗体不仅需要满足将渗透坡降，下游坝体浸润线以及渗流量减低到允许范围内，还应该要满足结构及施工的要求。防渗体的尺寸不仅要以满足构造、施工及防渗开裂等要求为原则，也应要满足稳定要求。坝防渗体有土质防渗体及人工防渗体。土质心墙防渗体底部的厚度，决定涂料的允许渗透坡降。心墙顶面必须设砂砾保护层，其厚度应不小于当地冰冻与干燥程度，心墙与地基岸坡必须进行有效的结合，防止结合面漏水以及产生严重渗流。心墙与岸坡结合须加大心墙剖面。土质斜墙底部的厚度应满足渗透坡降的要求，为了防止斜墙断裂，其厚度通常比按渗透稳定演算确定的数值要大。斜墙上游应设置保护层用来防止冰冻和机械破坏。保护层材料可为砂砾，卵石，块石，其厚度应不小于当地冰冻及干燥程度。保护层应分层碾压填实，达到坝体同样标准，其外坡坡度需按稳定计算确定，使保护层不至于沿斜墙面或连同斜墙一起滑动。铺盖一般由粘土或壤土做成，要求地基与铺盖土料渗透系数一般在1000以上。铺盖铺成不等厚的，从上游向下游逐渐加厚。填筑铺盖前必须清基，在砂卵石地基上设置过渡层，以防渗透破坏，顶面应设保护层。斜心墙介于心墙与斜墙之间，心墙稍向上游倾斜，斜心墙为了克服心墙坝可能产生的拱效应和斜墙对变形的敏感而发展起来的，它很适合于中土石坝。综上所述，选取粘土斜心墙，参考以往工程，斜心墙顶取5米（满足机械化施工要求），上游坡率m１＝0.6，下游坡率m2＝0.2，斜心墙顶高程以设计水位加0.6超高并高于校核洪水为原则，最后高程取2824m。4.5.2坝基防渗根据坝基处的地质条件确定坝基防渗的处理方案。主要处理方法有混凝土防渗墙、黏土截水槽、灌浆帷幕和铺盖。此坝址处属于岩石地基，坝址区地层以玄武岩为主，但有20m左右的冲积层。截水槽适用于冲积层为10∼15m厚度的地基。混凝土防渗墙方案，材料省、工期短、防渗效果好，对于透水层较深的坝基是比较合适的，最后决定采用这种方案。防渗墙要伸入河床冲积层，底部要嵌入基岩，深度不小于0.5-1m，取1m。上部则要与心墙连接，插入防渗体0.1倍的坝高，设计为7m。防渗墙厚度根据防渗、强度。材料与施工条件确定。按施工条件，墙厚一般在-1.3之间，一般为0.8m。混凝土标号一般采用C8-C15，防渗标号为S6-S8允许水力坡降一般为80-100。高坝采用高强度混凝土，在此采用C10号混凝土，防渗标号91×式常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、褥垫式排水。贴坡排水结构简单，用料少，便于维修，但不能降低浸润线，且易因冰冻失效，适用于浸润线较低的中等高度坝和下游无水的中小型工程的均质坝。棱体排水可降低坝体浸润线，防止坝坡冻涨，保护坡脚免受尾水淘刷，且对坝坡有支撑作用，增加坝坡的稳定性，是一种可靠有效，应用广泛的排水型式。褥垫排水对地基不均匀沉陷的适应性差，易断裂，维修困难，所以单独采用这种型式的不多。所以选择用棱体排水，此坝体下游水位最高水位为2773m，下游最大水深为8m，棱体顶部高程需高出下游水位1.0-2.0m，取2m，棱体顶宽度不小于1m，取2m，棱体内坡由施工条件确定，一般为1:1∼1:1.5,取1:1；外坡可取1：2.7。斜心墙土石坝剖面图4-1土石坝剖面图（单位m）第五章土石坝渗流计算5.1概述（一）土石坝渗流分析任务渗流计算的任务是：以确定坝体和坝基的渗流量为基础，来确定坝坡逸出段，判断其渗透稳定性。渗流计算应包括以下内容：确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；（3）确定坝体与坝基的渗流量；（4）确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降以及不同土层之间的渗透比降；（5）确定坝肩的等势线渗流量和渗透比降。石料的选择（1）就近取材并且开采运输方便，筑坝材料以靠近坝为宜，但从坝身考虑，一般距坝脚为300-500m范围内的土石料不容许开采。（2）土石料的种类，性质应满足坝体各部位的不同要求，压实经济合理，总价低。（3）可用土石料的储蓄，在初步设计阶段不得小于工程设计需要量的2-3倍。土石料的要求适用于填筑防渗体的土料应满足：1、应具有一定的不透水性，土料渗透系数一般小于1×。2、应有一定的可塑性，黏料（粒径）d＜mm，含量为15%-30%，或塑性指数=10-17的中，重壤土及黏粒含量为30%-40%，或=17-20的黏土填筑，防渗体较适宜，为满足以上要求选3#下粒区的土料=14，黏料d%，渗透系数为3×。坝壳沙砾料选4#上的沙砾料，渗透系数为2×。渗流分析工况（1）上游正常蓄水位与下游相应最低水位，这时，坝内渗流的坡降最大，易产生渗透变形。（2）上游设计洪水位与下游相应最高水位，这时，坝内浸润线高，渗流量大。（3）上游校核洪水位与下游相应最高水位，这时，坝内浸润线高，渗流量大。5.5水力学（一）基本假定：1坝体土料为均质坝体内任意一点在各方向上的渗透系数k相同，且为常数。2渗流为二元稳定层流，渗流运动符合达西定律：v=kJ（v为渗透流速，k为渗透系数，J为渗透坡降）。3渗流为渐变流，任意过水断面上各点的坡降和流速相同。（二）基本公式：选择用水力学方法解土石坝渗流问题，依据坝内各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定律法近似解土坝渗流问题，计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降相等。计算简图5-1，5-2，坝体剖面计算图。透水地基上筑有混凝土防渗墙。渗流计算分为防渗体段和墙后段两部分。通过防渗体渗流量：(式5-1)通过防渗体后的流量：(式5-2)联立，断面对河床中间断面1-1以及左右岸坡各断面2-2，3-3三个典型断面进行计算，左右岸典型断面应该在坝轴线处，坝高为最大坝高的一半，并且能反映防渗措施。左岸2-2断面上游高程m，下游高程2790m，计算时取平均m右岸3-3断面上游高程m，下游高程2770m，计算时取平均高程m5-1大坝地质剖面图渗流计算（一）对河床中间，1-1断面进行渗流计算：已知;=3×，=2×，=16.8m，d=-h，=，=，=，注：式中h为心墙后水深，m；δ为心墙平均厚度。正常蓄水位与下游无水时m，=0=，联立（利用图解法）得：h=2.34m，q=3.01×上游设计洪水位与下游对应最高水位=58m，=5m，联立（利用图解法）得：h=5.67m，q=3.06×上游校核洪水位与下游对应最高水位=，=，联立（利用图解法）得：h，q=3.12×（二）对左岸2-2断面进行渗流计算5-2坝体剖面计算图已知：=3×，=2×，=10.16m，d=50.12-h，=，=，=，，下正常蓄水位与下游无水时=2822.5-2798.2=24.3m，=0，联立同理得：h×设计洪水位与下游最高水位时=2823-2798.2=24.8m，=0，联立同理得×校核洪水位与下游最高水位时=2823.55-2798.2=25.35m，=0，联立得×（三）对右岸3-3断面进行渗流计算已知:=3×，=2×，d=107.79-h，=，=，=，，下正常蓄水位与下游无水时=2822.5-2779.3=43.2m，=0，联立得×设计洪水位对应下游最高水位时=，=0，联立得×校核洪水位对应下游最高水位时=，=0，联立得×渗流计算结果表表5-1渗流计算结果表计算工况计算项目正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水深（m）1-12-203-3下游水深（m）1-102-20003-3000逸出水深（m）1-12-23-3渗流量q(10-6m3/s)1-12-23-3注：表中溢出深度表示心墙后浸润深度溢出下游水位的水深。渗流计算断面将坝体沿着坝轴线分成了四段曲边坝段，各个曲边坝段长度分别为：43.82m、124.26m、166.49m、9.9m。由渗流计算结果的中汇来看，校核洪水位时，各个断面的逸出水深最大，单宽渗流量最大，最容易发生边坡的破坏。所以，本设计对校核洪水位情况进行总渗流量的计算,计算如下:分析.1土石坝的渗透变形形式及判别判别土体的渗透变形形式（渗透变形形式的判别方法按《水利水电工程地质勘察规范》规定执行，坝壳沙砾料选4#上的沙砾料，土体的不均匀系数为大于20，渗透变形为管涌粘土心斜心墙，细粒含量大于35%，且孔隙填充饱满，渗透变形形式为流土。渗流逸出段的渗透稳定分析在渗流过程中，粘土心墙内的浸润线会显著降低，所以在心墙的逸出点，渗透坡降会较大，本设计采用绘制网流法，计算出逸出点坡降J。由渗流计算结果汇总表得知，校核洪水位时，逸出水深h最大，渗流量q最大，故此时逸出点渗透坡降最大。稳定计算渗流逸出点出，逸出坡降公式:=×式中n=100，取平均流线长1、1-1断面逸出点处逸出坡降==2、2-2断面逸出点处逸出坡降==3、3-3断面逸出点处逸出坡降==计算汇总表：校核洪水位断面1-12-23-3根据实际工程经验，用以填筑心墙防渗体的粘性土料的安全坡降J一般取为小于5-10，可以看出本设计的渗透坡降均满足要求，另外粘土心墙设有俩道反滤层，所以在此认为不会发生渗透破坏。粘土心墙之后的沙砾坝壳，由于水头部分在防渗体内损耗了，以及坝壳渗透坡降及渗透速度很小，所以发生渗透破坏的可能性不大，在防渗墙与粘土心墙的接触面按允许坡降估计问题不大。沙砾坝壳的渗透的破坏形式为管涌，不均匀系数大于20，发生管涌的临界坡降=42=1.74，渗透坡降符合要求，而且采取在心墙上游侧设反滤层，不会生管涌。第六章稳定分析计算对土石坝进行稳定分析的目的，是通过计算坝体剖面的稳定安全度来确定坝的经济剖面。坝坡坍滑失稳滑裂面的形式主要与坝体结构形式，坝基情况及坝的工作条件等因素有关，土石坝在自重、水荷载，渗透压力及地震荷载的作用下，若剖面尺寸设计不当或坝体、坝基的抗剪强度不足，坝体或坝体连同地基有可能发生塑性流动，造成失稳。如果坝基内有软弱夹层，还有可能发生塑性流动。另外，饱和细沙受地震作用还可能发生液化失稳。土石坝稳定分析可以对坝体及地基在各种不同的工作条件下可能发生的失稳形式，检验其稳定性，并经反复修改确定出经济断面。按照坝坡滑裂面的形式不同，坝坡稳定分析法分为：圆弧法，直线或折线滑动面法和复式滑动面法。圆弧法主要用于黏性土坝坡如均质坝，厚斜墙坝，厚心墙坝等的稳定计算（有事也用于非黏性土质坝）直线或折线滑动面法适用于无黏性土坝坡（如心墙坝或斜墙坝)的上下游坝壳以及斜墙连同上游保护层一起滑动时的稳定计算。复式滑动面法适用与坝基内存在软弱夹层时，滑动面常向下切至软弱夹层的底部。工况1：施工期上、下游坝坡的稳定验算；（非常应用）工况2：稳定渗流期上、下游坝坡的稳定验算；（正常应用）工况3：水库水位骤降时上游坝坡的稳定验算：（正常应用）工况4：库水位为正常蓄水位且地震情况下，上下游坝坡稳定验算；（非常应用）下表为规范所要求的坝坡抗滑稳定最小安全系数。表5-8坝坡抗滑稳定最小安全系数应用条件工程等级ⅠⅡⅢⅣⅤ正常应用条件非常应用条件Ⅰ非常应用条件Ⅱ表中非常应用条件Ⅰ包括：施工期；核洪水位时稳定渗流计算；库水位骤降；正常蓄水位遇地震情况。考虑前三种情况为非常应用条件Ⅱ。本工程等级为二级，因此，坝坡抗滑稳定的安全系由表可以得到：本设计采用的土石坝坝壳是砂砾料坝壳，当坝坡失稳时会产生折线滑裂面，所以采用土力学折线滑动法来予以稳定分析计算。翻阅《SL274-2001碾压式土石坝设计规范》、《水工建筑物》、《土力学》《水力学》等参考文献，假定坝坡失稳滑动仅发生在砂砾坝壳中，粘土心墙不随同坝壳一起滑动。如图6-1和图6-2所示。图6-1边坡稳定计算简图本设计以折线法为基础采用编程的方式来进行土石坝坝坡稳定分析，计算程序流程图及源程序代码见附录。如图建立以O点为坐标原点，以水平的坝坡指向为X轴，以竖直的坝坡向上为Y轴建立直角坐标系统。假设滑动面上的三点A、D、C滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上滑动，但不会到达坝顶，D点为折坡点，C点在坝体计算那一面的表面上移动，可以到达坝顶，但不会移动到坝体的另一侧。其他字母如图所示。计算时把滑动土体滑动面ADC分成两个滑块，令Pi为相邻两土体滑面上的作用力。计算时先假设不同大小的安全系数Fs，依据第一条土块的平衡条件中求出P1，再求出第二块的P2，看求出是否满足P1=P2的要求，如果不平衡则重新假定安全系数。重复上述的步骤，直到满足条件为止，此时的Fs即为对应该滑动面的安全系数。多次计算求Fs，最后取最小值，最小值对应的滑动面即为最危险滑动面。计算公式（6-1）如下：(6-1)注：4#上料场的天然休止角为o滑动面上抗剪强度的利用充分程度都是相同的，安全系数表达方式为式（6-2）如下：QUOTE（6-2）图6-2稳定计算图本程序采用VB编程，根据满足判断条件P1=P2，并且安全系数小于上次取出安全系数，取出新安全系数，直至得到最小的安全系数，并给出危险滑动面A、B、C、D的坐标。程序流程图开始开始选择计算工况选择计算工况取A,C取A,C点坐标取取B,D点坐标否判断所取滑块是否合理否判断所取滑块是否合理是是假设不同的假设不同的k值分别求p1,p2＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼PP1=P2否否是是记录下所求的记录下所求的k是判断是否还有合理的滑动面是判断是否还有合理的滑动面否否输出输出K及各点坐标结束结束（1）施工期水位在1/3坝高处水位21m，坡度1:3时，滑坡面折点坐标为(77，14)，安全系数为2.098269。稳定渗流期（设计洪水位）水位58m，坡度1:3时，滑坡面折点坐标为(177，57)，安全系数为2.077571。（3）库水位骤降期（降至死水位2796m）水位31m，坡度1:3时，滑坡面折点坐标为(107，24)，安全系数为2.080631。正常蓄水位加地震时水位57.5m，坡度1:3时，滑坡面折点坐标为(176，56.33333)，安全系数为2.07811。下游坡（1）稳定渗流期（设计洪水位）水位5m，坡度1:2.7时，滑坡面折点坐标为(163，59.37037)，安全系数为1.923171。（2）校核洪水位水位5.3m，坡度1:2.7时，滑坡面折点坐标为(163，59.37037)，安全系数为1.923163。（3）正常蓄水位加地震水位2.2m，坡度1:2.7时，滑坡面折点坐标为(167，60.85185)，安全系数为1.607282。通过程序运行计算以上几种工况下的上下游坝坡的最不利工况和最不利位置的最小安全系数，计算成果见下表上下游坝坡的最小安全系数Fs部位组合情况最小安全系数Kmin上游坡施工期水位在1/3坝高处稳定渗流期水位骤降到死水位2796正常蓄水位+地震下游坡稳定渗流期校核洪水位正常蓄水位+地震土坝的主要建筑物等级为Ⅱ级，依据规范可知土石坝坝坡抗滑稳定的安全系数Fs需要满足以下条件：正常运用条件下Fs不小于1.35，非常运用条件Ⅰ时Fs不小于1.25，非常运用条件Ⅱ时Fs不小于1.15。表中上下游坝坡的最小安全系数Fs，各工况下的安全系数Fs均满足要求，且坝坡的稳定安全系数偏大。因此，可适当考虑坝坡加陡以减少工程量。其中最重要的是在稳定分析过程中，坝壳料抗剪强度指标选用了主砂砾料场数值的平均值，这样会造成解得的安全系数偏大，但是因为试验资料缺少，无法得到非线形指标的参数值，而且鉴于滑坡体对滑动面的位置并不敏感，考虑了非线形强度的折减后，估计安全系数有所降低所以认为稳定参数符合要求。第七章土石坝的细部构造首先，坝顶上设置黄泥灌浆的碎石路面，坝顶坡度取2%，方便坝顶顶面排水。其次，在坝顶的上游侧加设高、伸入坝体部分为的防浪墙。最后在其下游侧设置尺寸为25cm×25cm、10m布置一道的混凝土桩来代替栏杆并且在与下游坝坡连接处设置长4m，深1m的护肩。具体设计见图7-1。本设计工程坝基防渗采用的是黏土斜心墙方案，黏土斜心墙的上游跟下游需设置两道反滤层以便更好的防渗。地基防渗采用的方案是混凝土防渗墙。砼防渗墙与防渗体、地基的具体连接布置见图7-2。坝体排水选定棱体排水。堆石棱体内坡取1:1，外坡取1:2.7，顶宽2.0m。棱体顶高程取为2775m。排水体与坝体、坝基之间设置一层反滤层。具体布置见图7-3。本设计中，为了汇集雨水需要在在坝坡设置横向排水沟，为了防止雨水冲刷，在坝坡岸坡与坝坡交接处必须设置岸坡排水沟，马道，马道取1.5m，它们起到汇集雨水的作用。本工程采用浆砌石砌筑。上游为干砌石护坡，不用设置坝面排水，在下游坝面设置坝面排水。综上需要，布置见图7-4、图7-5、图7-6。坝表面为土砂砂砾石等材料时应设专门护坡堆石坝，可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。可在以下几种形式中选择1．上游护坡：（1）堆石抛石。（2）干砌石。（3）浆砌石。（4）预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板。（5）沥青混凝土。2．下游护坡：（1）干砌石。（2）堆石卵石或碎石。（3）草皮。（4）钢筋混凝土框格填石。以上是上下游护坡的各种形式。结合本工程坝址处的材料以及上述中上下游护坡承受的破坏作用以及经济合理性，本工程设计的上游护坡采用干砌石护坡，下游采用草皮护坡。护坡的选定范围应按以下要求确定。（1）上游面上部自坝顶起如设防浪墙时应与防浪墙连接，下部至死水位以下不宜小于2.5m，4级，5级坝可减至1.5m.最低水位不确定时应护至坝脚；（2）上游面应由坝顶护至排水棱体无排水棱体时应护至坝脚；（3）干砌石护坡的厚度t=1.36（Gmax/γk）1/3。Gmax=3~4G50(Gmax为最大块石料重量，γk为石块的容重)。砌石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量平均粒径平均质量及厚度可按下式（7-1），(7-2)确定：QUOTE(7-1)QUOTE(7-2)当Lm/hpt，当Lm/hpt。式中：D——石块的换算球形直径；Q——石块的质量；D50——石块的平均粒径；Q50——石块的平均质量；T——护坡厚度；kt——随坡率变化的系数按表查得，见《碾压土石坝设计规范》表A.2.1；ρk——块石密度；ρw——水的密度hp——累积频率为5%的波高，重要工程累积频率可适当提高。计算结果：换算直径：D=0.319m；质量：Q=0.052t；厚度：8.10874<15；t=0.319m，取40cm。上游坡采用砌石层厚的干砌石护坡，