《土石坝设计案例呈现》

土石坝设计案例呈现

目录

第1章工程概况..............................................................1

1.1流域概况............................................................1

1.2气候特性............................................................1

1.3水文特性............................................................2

1.4工程地质............................................................3

1.5建筑材料............................................................5

1.6经济资料............................................................5

第2章洪水调节计算..........................................................9

2.1洪水调节计算........................................................9

2.2堰顶高程及泄洪孔口的选择............................................9

2.3调洪演算结果与方案选择.............................................10

第3章坝型选择及枢纽布置...................................................10

3.1坝址及坝型选择......................................................11

3.2枢纽组成建筑物......................................................12

3.3枢纽总体布置.......................................................13

第4章土石坝设计...........................................................13

4.1坝型选择...........................................................13

4.2大坝轮廓尺寸的拟定.................................................13

4.3渗流计算...........................................................16

4.4稳定分析计算.......................................................18

4.5大坝基础处理........................................................19

4.6护坡设计...........................................................21

4.7坝顶布置...........................................................21

第5章泄水建筑物设计.......................................................24

5.1泄水方案选择.......................................................24

5.2泄水隧洞选线与布置.................................................24

5.3隧洞的体型设计.....................................................24

5.4隧洞水力计算.......................................................25

第6章施工组织设计.........................................................27

6.1施工导流............................................................27

6.2施工进度计划.......................................................30

6.3施工总布置.........................................................32

总结.......................................................................34

致谢.......................................................................35

参考文献...................................................................36

附录一设计计算书.........................................................37

第1章调洪演算.............................................................37

1.1调洪演算原理.....................................37

1.2调洪计算过程......................................38

第2章坝顶高程计算.......................................44

参考文献................错误!未定义书签。

2.1计算原理........................................44

2.2坝顶高程........................................45

第3章渗流计算...........................................46

3.1计算方法.........................................47

3.2,计算断面与计算情况...............................47

3.3逸出点坡降计算..................................52

第4章土石坝稳定计算......................................53

4.1计算方法........................................53

4.2计算过程........................................54

第5章细部结构计算.......................................60

5.1反滤层的设计计算：.................................60

5.2护坡设计.........................................61

第6章隧洞水力计算......>•■••••••*«•••■62

6.1设计条件.........................................62

6.2闸门型式与尺寸...................................62

6.3平洞段底坡.......................................63

6.4隧洞水面曲线的计算.................................63

6.5隧洞断面尺寸.....................................67

第7章施工组织设计.......................................69

7.1调洪演算.........................................69

7.2围堰计算.........................................70

II

刖三

毕业设计是我们离开学校最后的一道门槛，是教学中的一个重要环节，目的是为了培

养我们积极思考和创新的能力，进一步将大学所学的基础知识加以应用和巩固，培养学生

独立工作并能解决实际问题的技能，本设计做的是土石坝设计，与实际息息相关，水利水

电工程是我国建筑工程领域的一个重要分支，土石坝工程的设计好坏会直接影响土石坝的施工进一步影

响水利水电工程的质量。在此设计中，第一章为工程概况，介绍了流域情况、气候特征等具

体相关情况，接着第二章介绍了洪水调节计算的相关理论，包括洪水调节计算、堰顶高程

及泄洪孔口的选择等，第三章介绍了坝型选择和枢纽设置，通过不同坝型的比较和位置的

比较，设计枢纽总体布置，第四章是土石坝设计，包括坝型选择、大坝轮廓尺寸的拟定、

渗流计算等问题，第五章介绍了泄水建筑物设计，包括泄水方案的选择，隧洞的体型设计

等有关理论知识，第六章为施工组织设计，包括施工导流、施工进度安排和施工总布置，

在附录中也涉及到各章节相应的计算，土石坝历史悠久，材料简单，有利于经济上的节省,

但在过程中也要把握好质量的控制，做好每一流程的严格实施。由于作者缺乏实际中设计

土石坝的经验，所以有不足之处请多加原谅，本设计的设计目的在于设计一个能解决实际

问题的土石坝，能给相关设计行业做出一定的参考价值。

第1章工程概况

1.1流域概况

在中国西南地区，某总长约为120公里，所流经总面积为2558平方公里的E河流的

流向为从东南至西北，坝址以上流域面积780平方公里。该地区大部分为山区，地形变化

剧烈，盆地与山脉纵横交错，盆地内有很多条小河支流，地表大部分是软砂岩、页岩、玄

武岩和石灰岩风化层，当遇到汛期时，大量的砂就会使河流浑浊。冲积层较厚，两侧均有

崩塌现象。由于连续的山区，交通不便，盆地居民罕见。可耕土地和森林面积分别占总面积

的20%和30机其余的都被荒山和草皮覆盖着。

1.2气候特点

1.T最高为30.5°（7月），T最低为-5.3°（1月），平均T约为12.8°/年。

2.该地区冬季气候干燥，夏季气候湿润。每年的11月到次年的4月之中，天气会比

其他时候更干燥。

3.降水量最大为1213mm/年，降水量最小为617mm/年，降水量平均为905mm/年。

4.一般来说，1-4月的风速和风向都比较强，风向一般为偏西北，实地测试中风速最

大可达14.lm/s,等同于八级风力。水库的吹风范围为15公里。

表1-1平均每月气温（度）

月平

123456789101112

均

4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8

表1-2平均温度日娄

234567891011

日数122

月份\

<0。。61.20.3000000003.1

25.26.30.27.

()~30c3031303131303130

0879

>30℃000000000000

表1-3各月降凡ill数统计表

里普7份

平均赢六、123456789101112

11.

<5mm2.62.24.34.27.08.68.59.69.54.84.3

5

5-10mm0.30.20.21.42.02.42.72.72.62.40.80.1

10-30mm0.10.10.70.52.34.64.93.82.21.30.60.1

>30mm000000000000

1.3水文特性

由于该河流内无湖泊来和径流进行调节，所以降水成为该河流径流的主要来源。根据

水文资料可以知道，汛期一般在每年的五月或六月，结束时间为十月，十月至次年五月则

为旱季。

这条河具有山区河流的特征。测量的最大放电时间分别为700秒和0.5秒。

1.根据实地测得坝址附近水文站年径流为8年，扩展相邻水文站后的数据为22年，

年平均流量为17立方米/秒。

2.分析不同频率洪峰流量如下表所示。

表1-4不同频率洪峰流量（立方米/秒）

频率0.0512510

2

流量23201680142011801040

表1-5各月不同频率洪峰流量（立方米/秒）

7

频率、123456789101112

1%461912196001240155012106703902837

2%361711155301120136010906003102333

5%231491142085011008304802501628

10%1911793707609807204102101523

3.该河流为山地河流，降雨强度和降雨量决定了河流的含沙量情况，泥沙含量平均为

0.5kg/m3o河流很少会出现断流或见底情况，一般河流干净。

1.4工程地质

1.地层中存在石灰岩、火山角砾岩和凝灰岩等。地质勘探后，发现库区渗漏问题比较

小，但库区蓄水后，不可避免地，边坡堆积物和两侧残留物质会坍塌。经过调查，估计可

能发生的坍塌约为300万立方米。在考虑储层沉积作用时，可作为参考。

2.坝址地质坝址位于河流中游峡谷地带，河床相对平坦，坡度不大，两侧山体挺立，

构成了山区河谷地貌特征。

坝址内的地层中的岩石类型一般是玄武岩，存在少量火山角砾岩和凝灰岩。岩性描述

如下：

（1）玄武岩一般为深灰色或灰白色，孔隙数量较多，空隙内有石英等，有时会出现

石英脉等情况，这些岩脉随着裂隙进行充填。由于关节和裂缝发展，玄武岩透水性会增加，

因为玄武岩成分并不都是相同的，不同风化程度有不同的力学性能,可以分为硬玄武岩，玄

武岩气孔,破碎的玄武岩等等。渗透率:k值为4.14-7.36m/昼夜。

（2）凝灰岩为土状或片状，岩性较弱。凝灰岩经风化后变成细碎的不同种类的混合

物，透水性差，在水中会产生分解。

表L6坝基岩石物理性质表

容重丫建议采用抗压强度

岩石名称比重A

kN/m3MPa

半风化玄武岩3.0129.650

破碎玄武岩2.9529.250-60

火山角砾岩2.9028.735-120

3

软弱玄武岩2.8527.010-20

坚硬玄武岩2.9629.2100-160

多气孔玄武岩2.8527.870-180

表1-7全风化玄武岩物理性质表

一

然

天干容压缩系数a浸水固结块剪

水塑性

含液限塑限

重比重指数0~0.53'4内摩凝聚

率yA叫叫m2/kNm2/kN擦角力

%Ip

kN/m3X10-6X10-6①kPa

2.516.32.9747.332.2616.95.971.5128.3824

（3）河床冲积层主要为砂砾土，很少存在砂质粘土，且多为透镜状，较大的漂石会混

合在其中。砾石成分一般为玄武岩为主，很少存在灰岩和砂岩。沿河谷分布：部分坝基冲

积厚度可达32米，一般约20米;至少离岸边几米远。颗粒组成一般为砾石，很少存在砂

粒和小颗粒。卵石的最小直径一般为10^100毫米。砾石直径一般为210mm;砂粒直径

0.05~0.2mm;小于0.1毫米的细颗粒。

渗透率可由抽水实验得出，渗透系数k值为310-2cm/s10-2cm/s。

表1-8剪力试验成果

代

土壤三轴剪力应变（拉制）

号容.重

名称含水量（块剪）（浸水固结快剪）

（控制）

算—（控制）内摩擦凝聚力内摩擦凝聚力

kN/m3

角（kPa）角（kPa）

次数17128822

含

大

最

中47°32°

24.38.6637.010.5

量(I'i15，43，

最

小

细35°17

值22.24.2712.00

7

粒3055，

平

均

的40025°

值23.086.4718.25.3

砾34725，

石小值

370

平均14.8

327

备试验时土样的容重为控W利容重。

注应变控制土样容重系筛:义大于0.1mm颗粒后制备的。

（5）库区和坝址山前区均可见斜坡沉积，为粘土和砾石的混合物，经过搬运和沉积较

短距离后形成。

3.地质构造

坝址周围没有很大的断层，两侧露头岩石和节理生长比较良好。它可以分为两组。一

组与地层方向大致相同。倾角一般较大，几乎呈垂直状态，裂缝一般肉眼可见，钙质页岩

充满其中。节理间距比较大，密集的地方0.5米就存在一个节理，稀疏的地方3-5米才有

4

一个节理，块体塌陷的现象常发生在沿海，砂岩、泥灰岩和玄武岩等岩石中常会出现这些

节理。

4.水文地质条件

该地区地形存在较大高差，绝大部分为地表流，强透水层很少存在，没有充足的地下

水资源，这些都有利于工程的进行。试验数据表明，硬而完整的玄武岩为不透水层，单位

吸水性小于0.011/(min-m),玄武岩凝灰岩和火山角砾岩中裂缝几乎没有，为不渗透性岩

石。裂隙玄武岩、半风化玄武岩和节理发育的全风化玄武岩具有良好的渗透性、良好的岩

层。一般来说，砂岩是细粒至细粒结构。深层岩层由于防水层层数较多，除构造节理和裂

缝发育和上部裂隙水大量外，难以形成泉水。不透水层往往分布在石灰岩地区的外岩，渗

流问题几乎没有。

5.地震强度设为7级。

1.5建筑材料

1.料场的位置和储存

坝区附近地势和缓，运输交通方便。

2.物理性能

(1)土壤材料:见表

(2)石材:储量丰富的硬玄武岩可作为堆石坝的石材。坝址附近有石料堆场，有着浅覆

盖层，采矿条件好的优点。

1.6经济资料

1.水库的经济

该地区农业人口偏多，一般种植水稻、玉米等。在库区没有发现有价值的矿物。淹没

情况如下表所示。

表『9各高程淹没情况

高程(米)280728122817282228272832

淹没人口(人)350036403890406053207140

淹没土地(亩)300032203410360046006100

2.交通

5

铁路干线贯穿坝址下游，坝址附近已有公路建成，交通方便。

6

表1T0粘土的物理力学性质

物理一性质力学性质化学性

稠度颗粒级配击实渗剪力

料

自然容重透

砂系

场自然(有机

隙砾粘土

压

比孔隙孑L最数溶

含水饱和粗中细粉含量

匕

率L大最优凝聚缩含

名:#湿干L流限塑限反府内摩灼热

塑性含水10-6力系

0.05擦角

重%指数2~0.5~<量”%

称%%%>2deg%

0.50.050.005%kPa

mm0.005cm2/kg

kN/m3mmmmmmg/cm3

mm

1#

24.818.9115.162.6742.260.73442.6023.1419.460.937.475.9517.8735.4833.231.6022.074.31724.6724.00.0211.730.070

下

2#

24.218.9115.182.6741.900.72143.9022.2021.700.917.254.1514.3541.7532.251.6521.024.8025.5023.00.0201.900.019

下

1#

25.617.3513.032.6549.800.99049.5725.0024.570.878.838.0017.5031.0034.671.5622.301.9023.1725.00.0262.200.110

上

2#

26.316.3712.842.7452.301.09349.9026.3023.500.694.504.3320.6736.2034.301.5423.803.9621.5038.00.0330.250.110

上

3#

15.919.1116.642.7037.000.58034.0020.0014.000.676.409.0012.0035.0019.601.8016.903.0028.0017.00.0101.900.080

下

7

表1-11砂砾石的颗粒级配

颗\直径

粒\mm30010060202.51.20.60.3

含量\

<0.15

10060202.51.20.60.30.15

1#上5.218.621.412.318.613.95.44.60.3

2#上4.817.820.314.117.814.84.65.30.5

3#上3.815.418.515.316.420.53.56.20.4

4#上6.018.319.416.415.616.74.82.50.3

1#下4.514.120.123.214.97.28.67.20.2

2#下3.919.222.418.719.18.35.72.80.1

3#下5.023.119.114.218.48.96.34.10.9

4#下4.122.418.714.117.914.44.13.60.7

表1-12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/m318.617.919.119.018.618.518.418.0

比重2.752.742.762.752.752.732.732.72

孔隙率，%32.534.731.031.532.532.232.533.8

软弱颗粒，%2.01.50.91.22.50.81.01.2

表1T3各料场天然休止角

料场名称

最小值最大值平均值

休止角

1*上34°30’35°50,35°10,

2\35°00,37°10，36°00,

3\34°40,36°40’35°40,

4\35°10,37°40,36°30,

1\-34°10,36°30,35°20，

2\、35020，38°00,36°40,

3"下34030737°10,35°50z

4下口36°00z38°20,37°10,

8

第2章洪水调节计算

2.1洪水调节计算

这条河属于典型的山河，洪水在这里涨落。设计洪峰流量Q=1680m/s（P=l%）,验算

3

洪峰流量、校=2320m/s（P=0.05%）0

2.1.1工程等别及建筑物级别

正常水位为2836米，水库库容为720*10、3

2级为主体建筑，3级为次建筑，4级为临时建筑。

永久水工建筑物的洪水标准:正常洪水100年（设计），异常洪水2000年（验算）。

2.1.2泄洪方式与水库运用方案

1.泄洪方式:为减少开挖量，且由于地形条件的限制，采用隧道泄洪方案。

2.水库运行方式:有洪水时，流量取闸门控制流量。洪水前限定水位不变。加大时，

闸门全开，导致下泄流量增大。

3.防洪限水位的选择：防洪限水位与正常库容相同。由于山区河流具有急升急降的特

点，在整个汛期内随时都可能发生大洪水，需要随时储备一定的防洪库容。

2.2堰顶高程及泄洪孔口的选择

在防洪计算中，应确定不同坝顶高程和坝体B宽的几种方案，并通过对比分析选择最

佳方案。

2.2.1堰顶高程及孔口尺寸选择

如果顶标高过低，孔口净宽度较大，相应地会增大泄洪能力，所需水库容量可减小，

可减小挡水建筑物高度，上游洪涝损失小;但此时隧道本身的工程量和造价会非常高，该

项目允许的下游流量为900m3/s,因此下游不允许过量排放。

如果高度过高，孔的总净宽度小，则与之相反

2.2.2方案拟定

为了拟定最佳的坝顶高度和孔口尺寸，应在技术可行的前提下，优化包括排水隧洞和

支护结构在内总造价。

在设计中，根据已建工程的经验，初步拟定了四组坝顶标高和孔口尺寸（泄洪采用两

个孔口）:

9

方案1:二2815叫B=8m

方案2:=2825m,B=8m

方案3:二2825叫B=9m

方案4:二2826叫B=8m

2.3调洪演算结果与方案选择

2.3.1调洪演算结果

针对该地区情况进行了四种的方案比较，见表。

表2-1调洪演算成果

孔口尺寸Q上游水位Z超高AZ

方案工况

(m)(m3/s)(m)(m)

V=2815m设计1576.622836.860.86

1

B=8m校核1533.792836.620.62

计

▽二2825m设653.792837.21.2

核

2校

B=8m733.162838.232.23

V=2825m设计721.782837.071.07

3

B=9m校核806.0328382.0

▽二2826nl设计590.522837.391.39

4

B=8m校核674.52838.432.43

2.3.2方案选择

根据防洪调度演算，除方案1外，提出的几种方案均满足流量Q〈900m3/s,上游水位

Z<3.5mo因此，方案的选择应比较技术经济(本设计仅做定性描述)，并结合导流洞做选择。

一般情况下Q值过小，不利于泄洪和经济效益，拉值越大，坝体越高，则坝体工程量越大。

同时，综上所述，拟定第三种方案。设计洪水位2837.07m,设计泄洪量721.78m3/s。实

测洪水位2838m,实测洪量806.03m3/s。

第3章坝型选择及枢纽布置

首先，在了解该地区工程概况后应先进行坝址和坝型的选择，在此基础上进行枢纽布

置，依据坝型的不同特点会有不同的坝轴线。所以必须根据当地的工程地质和气候条件水

文条件等选择坝型，在选定坝型后确定坝轴线，然后进行枢纽布置的选择。只有这样才能

更加方便和合理地建立大坝。

10

3.1坝址及坝型选择

3.1.1坝址选择

2900,2900

28752875

2850I-I切址纵剖面图2850

28252825

28002800

27752775

27502750

27252725

27002700

26752675

26502650

26252625

根据地质资料，比照地形图中所示的河曲段作为坝址，选择了两个更有利的轴线1—1、

II-IIo这两条轴线的河宽基本相似，所以大坝的建设量也基本相似。从地质剖面可以看

出：I—I河床有平均20米的覆盖层,最大有32m,坝肩除了少范围的有断裂带，其余是坚硬

的玄武岩，地质构造整体良好，除了II-II和I—I有大致相同的土层厚度和风化岩，玄武

岩断裂带的底部自由交错,如果大坝建成，然后坝体周围的渗流可能比较大，对于地基处理

量会增加，综上所述，选择1—1。

3.1.2坝型选择

以下为常见的几种坝型。

11

地质条

土石坝P混凝土重力坝，混凝土拱坝P

件，

坝基岩（±）应具有抗水性坝基要求尽可能为岩基，应

坝基应为完整、均一、承载

（不溶解），压缩性也应较有足够的整体性、均一性，

岩土性力高、强度大、耐风化、抗

小，尽量避免有很厚的泥炭、并具有一定的承载力、抗水

苑水的坚硬岩基，覆盖层和风

淤泥、软粘土、粉细砂、湿性和耐风化性能，覆盖层与