土石坝课设完整版本

PAGEPAGE31第一章课程设计目的课程设计包括土石坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成土石坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。提高查阅和应用参考文献和资料的能力。第二章课程设计题目描述和要求（一）课程设计题目描述1、流域概况及枢纽任务某水库枢纽位于某河上游，全河流域面积5863km2，流向自西向东，干流的平均比降为2%--3%。流域内多石山，小部分为丘陵，水土流失不严重。本枢纽工程是以发电为主兼顾灌溉和供水的综合利用工程，水库的总库容为1450万m3，发电引水高程为197.5m，最大引水流量为73m3/s，发电装机容量3万kW。灌溉下游左岸耕地2.3万m2，灌溉最大引水流量2、地形地质坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、弱风化、强风化及河床卵石覆盖层。河槽高程为181.8m，河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为6m，基岩岩体较完整，无特殊不利地质构造。两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般地23m，强风化层厚1—23、建筑材料粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有，坝址下游5公里以内砂储量丰富，可供建筑使用。土石料计算参数材料重度kN/m3含水量%孔隙摩擦角(度)凝聚力kPa渗透系数K(cm/s)粘土18.728e=0.6518153.610-4砂砾料19.519n=25%3506.010-2土石料2022e=0.4527101.810-3堆石料2215n=25%3804、水文坝址以上控制集雨面积128km2，多年平均流量3.5m经水文水利规划(工程等别为三等，经调洪演算)得：上游设计洪水位为235.0m，相应的下游水位为184.2m，库容为1135万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1238m3/s；上游校核洪水位为236.5m，相应的下游水位为185.3m，库容为1243万m3，岸边溢洪道相应的泄量为16755、气象本地区洪水期多年平均最大风速12m/s，水库的风区长度（吹程）为26、其他有关资料坝基弱风化上限高程为174.8m，岸边溢洪道堰顶高程取为（二）设计内容本课程设计选择粘土心墙土石坝，对土石坝最大剖面进行剖面设计并绘制设计图。课程设计的内容包括：1、确定合理经济土石坝剖面尺寸。2、计算施工期（竣工时）上游坝坡的稳定安全系数。3、分别计算正常高水位、设计洪水位、校核洪水位下游坝坡的稳定安全系数和坝体的浸润线4、计算正常高水位骤降至死水位上游坝坡的稳定安全系数和坝体的浸润线。5、最后要求绘制土石坝剖面设计图及部分细部构造图。（三）成果要求课程设计结束时提交的成果为：设计2号图纸一张，设计计算说明书一份。A．设计图纸：设计2号图纸一张，提倡学生用计算机绘图。设计图纸要求布局合理、设计正确，图面整洁、清晰，图幅尺寸、比例、线条、标注高程、符号和说明等均符合工程制图标准。B．设计说明书编写内容1．设计题目；2．目录与前言；3．正文(包括工程概况、计算原理与方法、计算过程及结果汇总)；4．结束语：成果评价、问题展望（成果的分析及结论一定要有分析和判断，并说明存在的问题和改进措施）；5．参考文献。C．设计说明书编写要求1．课程设计计算说明书要求条理清楚、文字通顺、整齐美观、格式规范。2．课程设计计算说明书不少于5千字，并有必要的图表。3．课程设计计算说明书纸张用统一的毕业设计纸张，并尽可能用计算机打印。第三章确定合理经济土石坝剖面尺寸土石坝的基本剖面根据坝高、坝的等级、坝型、筑坝材料特性、坝基情况以及施工、运行条件等参照现有工程的时间经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理地剖面形状。第一节基岩高程的确定土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定的适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性。所以，土石坝对天然地基的强度和变形要求，以及地基处理的标准等，都可以略低于混凝土坝。但是，土石坝坝基本身的承载力、强度、变形和抗渗能力等条件一般远不如混凝土坝，所以，对坝基处理的要求丝毫不能放松。坝基（包括坝头）处理应满足渗流控制（包括渗流稳定和控制渗流量）、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等发面要求，保证坝的安全运行。处理的标准与要求应根据具体情况在设计中确定。竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%。对于特殊土的坝基，允许总沉降量应视具体情况确定。本设计工程坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、弱风化、强风化及河床卵石覆盖层。河槽高程为181.8m，河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为6m，基岩岩体较完整，无特殊不利地质构造。两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般地23m，强风化层厚1—2为了满足坝基稳定的要求，开挖掉河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，即确定基岩高程为181.8-4-3=174.8m第二节坝坡坡率、马道和心墙尺寸的确定I）坝坡坡率的确定土石坝的坝坡初选可参照已有工程的实践经验拟定。中、低高度的均质坝，其平均坡率约为1:3。上游坝坡长期处于饱和状态，加之水库水位有可能快速下降，使坝坡稳定处于不利地位，故其坡率应比下游坝坡为缓。土质防渗体的心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为为1:1.5—1:2.5，采用土料时，常用1:2.0—1:3.0；上游坝壳采用堆石时，常用1:1.7—1：2.7，采用土料，常用1:2.5—1:3.5。斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用，取值宜偏陡；上游坝坡可适当放缓，石质坝坡放缓0.2，土质坝坡放缓0.5。本设计为粘土心墙土石坝，粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有。上、下游坝壳都采用砂粒料，上游坡率确定为1:3.0下游坡率确定为1:2.5。II）从土石坝建设的发展情况看，土质防渗体分区坝和均质坝，上游坝坡除观测需要外，已趋向于不设马道或少设马道，非土质防渗材料面板坝则上游坝坡不设马道。根据施工、交通需要，下游坝坡可设置斜马道，其坡度、宽度、转弯半径、弯道加宽和超高等要满足施工车辆的行驶要求。斜马道之间的实际坝坡可局部变陡，但平均坝坡不应陡于设计坝坡。马道宽度按用途确定，一般不小于1.5m。本设计粘土心墙土石坝，上游不设马道，下游为了便于施工和满足交通需求设置一个马道，马道宽度取为3米，马道上下坡度取一样，都为1:2.5。III）心墙和斜墙的厚度，主要取决于土料的质量，如容许渗流比降、塑性、抗裂性能等。渗流分析表明，土石坝防渗体中的水头损失并不是按直线分布的。在设计中通常采用平均容许比降[]作为控制标准，它等于作用水头H与防渗体厚度T的比值，这是一个半经验性的数据。SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：心墙的不宜大于4，斜墙的不宜大于5。在国内外土石坝的建设实践中，厚心墙的底部厚度常取为水头的30%—50%，薄心墙的底部厚度常取为水头的15%—20%。土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不宜小于3.00m；底部厚度，斜墙不宜小于水头的1/5，心墙不宜小于水头的1/4。土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，应按表5-2-1的规定取值。非常运行条件下，防渗体顶部不应低于非常运行条件的静水位。并应核算风浪爬高高度的影响。当防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受上述限制，但不得低于正常运用的静水位。防渗体顶部应预留竣工后的沉降超高。表3-2-1正常运用情况下防渗体顶部超高（m）防渗体结构形式超高防渗体结构形式超高斜墙0.80—0.60心墙0.60—0.30本设计粘土心墙土石坝，校核水位为236.5m，开挖掉河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m后确定的基岩高程174.8m，故作用水头为236.5-174.8=61.7m。故心墙顶部的水平宽度确定为4m，底部厚度取为16m。由于坝顶设高为1.2m第三节坝顶高程的确定坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大值：①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；④正常蓄水位加非常运用调价的坝顶超高，再加地震安全加高。当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高时值水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。坝顶超高d按照式：d=R+e+A计算，对特殊重要的工程，可取d大于此计算值。式中：R为波浪在坝坡上的设计爬高，m；e为风浪引起的坝前水位雍高，m；A为安全加高，m，根据坝的级别按表3-3-1选用，其中非常运行条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b）适用于平原区、滨海区。表3-3-1土石坝的安全加高单位：m坝的级别1234,5正常运行条件1.501.000.700.50非常运行条件（a）0.700.500.400.30非常运行条件（b）1.000.700.500.30上式中R和e的计算公式很多，主要都是经验和半经验性的，适用于一定的具体条件，按照SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》推荐的公式计算确定。本设计工程属于山区、丘陵区地带，查规范可知，波浪的平均波高和平均周期宜采取莆田试验站公式，按下式计算：式中——平均波高，m；——平均波周期，s；W——计算风速，m/s；D——风区长度，m；——水域平均水深，m；g——重力加速度，取9.81m/。th（x）=平均波长可按下式计算：对于深水波，即当H≥0.5时，上式可简化为式中——平均波长，m；H——坝迎水面前水深，m。本设计工程：上游设计洪水位为235.0m，相应的下游水位为184.2m，库容为1135万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1238m3/s；上游校核洪水位为236.5m，相应的下游水位为185.3m，库容为1243万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1675得到各种工况下水域平均水深如表3-3-2所示表3-3-2单位：m工况上游水位下游水位河槽高程水域平均水深校核洪水位236.5185.3181.854.7设计洪水位235.0184.2181.853.2正常高水位233.2183.5181.851.4根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》中下列规定：1.正常运用条件下的1级、2级坝，采用多年平均年最大风速的1.5—2.0倍；2.正常运行条件下的3级、4级、5级坝，采用多年平均年最大风速的1.5倍；3.非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。本设计工程所在地区洪水期多年平均最大风速12m/s，水库的风区长度（吹程）为2.6km，且该工程等别为故正常运用条件下，设计风速为1.5×12=18m/s；非常运用条件下，设计风速为12m得到4种运行条件下的平均波高计算表见表3-3-3所示表3-3-3平均波高、平均周期、平均波长计算表工况运行条件g（m2/s）W（m/s）H（m）Hm（m）D（m）hm（m）Lm（m）Tm(s)校核洪水位非常运行条件9.811254.754.726000.26948.28882.3035设计洪水位正常运行条件9.811853.253.226000.421612.97152.8816正常蓄水位非常运行条件9.811251.451.426000.26948.28762.3034正常蓄水位正常运行条件9.811851.451.426000.421512.96942.8814正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式进行计算：上游坝坡坡率确定为1:3.0，即m=1.5—5.0：式中——平均波浪爬高，m；m——单坡的坡度系数，如坡角为α，即等于cotα；——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由表3-3-4查得；——经验系数，按表3-3-5查得。表3-3-4糙率及渗透性系数护面类型光滑不透水护面（沥青混凝土）1.00混凝土或混凝土板0.90草皮0.85—0.9砌石0.75—0.8抛填两层块石（不透水基础）0.6—0.65抛填两层块石（透水基础）0.5—0.55上游护坡的常用型式为干砌石、浆砌石或堆石。本设计工程粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有，坝址下游5公里以内砂储量丰富。上、下游护面均采用砌石，取定为0.8。表3-3-5经验系数≤11.522.533.54≥51.001.021.081.161.221.251.281.30本设计4种运行条件下的计算风速已知，且各工况的上下游水位已知，基岩高程已经定为174.8m，得到作用水头计算表如表3-3-6所示。表3-3-6作用水头计算表单位：m工况上游水位下游水位河槽高程水域平均水深校核洪水位236.5185.3181.854.7设计洪水位235.0184.2181.853.2正常高水位233.2183.5181.851.4得到平均波浪爬高计算表如表3-3-7所示。表3-3-7平均波浪爬高计算表工况运行条件W（m/s）H（m）hm（m）Lm（m）（m）校核洪水位非常运行条件1254.70.51800.81.000.26948.28880.3780设计洪水位正常运行条件1853.20.78790.81.000.421612.97150.5916正常高水位非常运行条件1251.40.53440.81.000.26948.28760.3780正常高水位正常运行条件1851.40.80160.81.000.421512.96940.5915设计波浪爬高值应根据工程等级确定，1级、2级和3级坝采用累积频率为1%的爬高值，4级、5级坝采用累积频率为5%的爬高值。本设计工程等级为Ⅲ级，故设计波浪爬杆值采用累积频率为1的爬高值。不同累积频率下的波浪爬高可由平均波高与坝迎水面前水深的比值和相应的累积频率P(%)按表3-3-8规定的系数确定求得。表3-3-8不同累积频率下的爬高与平均爬高的比值（）P（%）0.112451014203050＜0.12.662.232.071.901.641.711.531.391.220.960.1―0.32.442.081.941.801.571.641.481.361.210.97＞0.32.131.861.761.651.481.641.391.311.190.99根据表3-3-8得到4种运行情况下波浪在坝坡上的波浪爬高表如表3-3-9所示。表3-3-9波浪在坝坡上的波浪爬高表工况运行条件H（m）hm（m）（m）校核洪水位非常运行条件54.70.26940.00490.37802.230.8430设计洪水位正常运行条件53.20.42160.00790.59162.231.3193正常高水位非常运行条件51.40.26940.00520.37802.230.8430正常高水位正常运行条件51.40.42150.00820.59152.231.3190风雍水面高度可按下式计算：式中e——计算点处的风雍水面高度，m；D——风区长度，m；W——计算风速，m/s；K——综合摩阻系数，取×；β——计算风向与坝轴线法线的夹角，（º），取0º。D已知为2600m，4种运行情况下W也都为已知，得到风雍水面高度计算表如表3-3-10所示。表3-3-10风雍水面高度计算表工况运行条件KW（m/s）Dg（m2/s）Hm（m）e（m）校核洪水位非常运行条件×1226009.8154.70.0013设计洪水位正常运行条件×1826009.8153.20.0029正常高水位非常运行条件×1226009.8151.40.0013正常高水位正常运行条件×1826009.8151.40.0030本设计工程所处地形为山区和丘陵区。确定土石坝的安全加高时，非常运行条件应查山区和丘陵区的相关数据，坝的级别为3级，查表3-3-1得到各种运行条件下的安全加高A值如表3-3-11所示。表3-3-11各种运行条件下的安全加高A工况运行条件安全加高（m）校核洪水位非常运行条件0.4设计洪水位正常运行条件0.7正常高水位非常运行条件0.4正常高水位正常运行条件0.7综合表3-3-9、3-3-10、3-3-11得到各种运行条件下的坝顶高程如表3-3-12所示。表3-3-12各种运行条件下的坝顶高程工况运行条件上游水位（m）e（m）安全加高（m）坝顶超高（m）坝顶高程（m）校核洪水位非常运行条件236.50.84300.00130.41.2443237.7设计洪水位正常运行条件235.01.31930.00290.72.0222237.0正常高水位非常运行条件233.20.84300.00130.41.2443234.4正常高水位正常运行条件233.21.31900.00300.72.022235.2由表确定坝顶高程初定为237.7m考虑到节省材料和便于施工，坝顶上游侧设置防浪墙，防浪墙高度定为1.2m，当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高值为水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。237.7-1.2=236.5m，校核水位在非常运行条件下运行，静水位为236.5m，扣除防浪墙高的坝顶不得低于静水位，故坝顶高程定位236.5m。综上可得，最后坝顶高程确定为236.5m，坝顶设置防浪墙，防浪墙高度为1.2m。第四节坝顶宽度的确定坝顶宽度根据运行、施工、构造、交通和地震等方面的要求综合研究后确定。SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选为10—15m，中、低坝顶宽可选为5—10m。坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度，以保护黏性土料防渗体免受冻害。本设计坝高为236.5-181.8=54.7m，高度在30—70m之间，为中坝。心墙顶部宽度已定为4米，再考虑反滤层布置需要，故坝顶宽度确定为8m。第五节坝体排水的确定土石坝应设置坝体排水，降低浸润线和孔隙压力，改变渗流方向，防止渗流出溢处产生渗透变形，保护坝坡土不产生冻胀破坏。本设计坝体排水采用棱体排水。棱体排水适用于下游有水的各种坝型。它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可与坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工干扰，检修较为困难。依据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》棱体排水设计应遵守下列规定：1.顶部高程应超出下游最高水位，超过的高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高；2.顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度；3.顶部宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，但不宜小于1.0m；4.应避免在棱体上游坡脚处出现锐角；5.棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0—1:1.5，外坡1:1.5—1:2.0。由于坝的级别为3级，故棱体排水顶部高程定为超出下游水位0.7m。校核水位对应的下游水位为185.3m，故顶部高程确定为186m。顶部宽度取为2m，棱体内坡取为1:1.5，外坡取为1:2.0。材料采用堆石。细部构造图见A2图纸。坝顶、护坡、反滤层的设计一、坝顶Ⅰ①、坝顶护面可采用密室的沙砾土、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料以适应坝的变形，并对防渗体起保护作用，防止干裂和雨水冲刷。②、坝顶上游侧宜设置防浪墙，墙顶高于坝顶1.0~1.2m，防浪墙应坚固且不透水，采用浆砌石筑成，墙底与坝体防渗体紧密连接。③、为了便于坝顶排水，坝顶面向下游侧倾斜，作成3%的坡度。④、根据工程运行需要，坝顶常设照明设施。最后本设计坝顶设防浪墙，防浪墙材料采用浆砌石，高度定为1.2m。坝顶作成3%的坡度，护面采用干砌石，厚0.3米。细部构造图见A2图纸。二、护坡土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、冰层和漂浮物的撞击等危害作用；上游坡面受雨水、大风、尾水部的风浪、冰层和水流的损害以及动物、冻胀干裂等破坏作用，因此上下游坝面都要设置护坡，只有石质下游坡可以例外。②、上游护坡的常用型式为干砌石、浆砌石或堆石；护坡范围应自坝顶或防浪墙起延伸至水库最低水位以下一定距离，一般为2.5m；当最低水位不确定时，则应护至坝脚；此次设计中坝前死水位高程为200m，故上游护坡底部高程为197.5m，护坡厚都用0.8米，材料用浆砌石。砌石护坡下按反滤原则设置碎石或砾石垫层，垫层厚度与材料粒径有关，一般砂土用0.15~0.3m，卵砾石和碎石用0.30~0.60m。本设计中采用砂土作为垫层材料，厚度为0.2m。细部构造图见A2图纸。③、土石坝下游坝面为防雨水冲刷和人为破坏，一般采用简化型式的护坡，护坡的覆盖范围应延伸至坝脚，但排水棱体不需。通常采用干砌石、碎石或砾石护坡，厚约0.3m。本次设计中下游护坡采用干砌石，厚0.3米。细部构造图见A2图纸三、反滤层反滤层一般由1~3层级配均匀，耐冈化的砂、砾、卵石或碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大；水平反滤层的最小厚度可采用0.3m,垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m；反滤层应有足够的尺寸以适应可能发生的不均匀变形，同时避免与周围土层混渗。取水平反滤层厚度为0.5m,倾斜反滤层厚度为0.7m。细部构造图见A2图纸第七节确定土石坝剖面经上述计算，确定土石坝剖面如下。第四章各种工况下坝体的渗流分析渗流分析的内容包括：①确定坝体内浸润线；②确定渗流的主要参数——渗流流速与比降；③确定渗流量渗流分析的目的在于：①土中饱水程度不同，土料的抗剪强度等力学特性也相应地发生变化，渗流分析将为坝体内各部分土的饱水状态的划分提供依据；②确定对坝坡稳定有较重要影响的渗流作用力；③进行坝体防渗布置与土料配置，根据坝体内部的渗流参数与渗流逸出比降，检验土体的渗流稳定性，防止发生管涌和流土，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施的容重和尺寸；④确定通过坝和河岸的渗水量损失，并设计排水系统的容重。渗流分析可为坝型初选和坝坡稳定分析打下基础。在坝与水库失事事故的统计中约有1/4是由于渗流问题引起的，这表明深入研究渗流问题和设计有效的控制渗流措施是十分重要的。有许多方法可用来进行渗流分析，其中，水力学方法和流网法比较简单实用，同时也具有一定的精度，中低坝较为适用，采用水力学法确定的浸润线、平均流速、平均比降和渗流量能满足（Ⅲ—Ⅳ级）土石坝工程的精度要求。对于高坝和较复杂的情况，则需要采用有限元等数值解法。本设计工程属于中坝，工程等级为Ⅲ级，下面分别计算正常高水位、设计洪水位、校核洪水位、正常高水位骤降至死水位情况下坝体的浸润线，采用水力学方法，基本假定：1）假设渗透系数K在同一或相近的土料中各向同性；2）假设坝体内部渗流为层流，认为坝内渗流符合达西定律；3）假设坝体内部渗流为渐变流（杜平假定），认为渗流场中任意过水断面各点的水流流速和比降都是相等的。本设计为粘土心墙土石坝，心墙坝心墙后的渗流可看作缓变流动，其下游出口水深可假设为。心墙后的水深H可按通过心墙的渗流量等于通过坝体的渗流量这一连续条件加以确定。令心墙上、下部的平均厚度为，则通过心墙的渗流量为通过心墙下游坝壳的渗流量为通过心墙和心墙下游坝壳的渗流量相等，用Excel试算得,从而算出。再用公示算出各点处的,即可画出侵润线。本次设计中，心墙使用粘土，坝壳土料使用砂砾料，由表4-1得，表4-1土石料计算参数材料重度kN/m3含水量%孔隙摩擦角(度)凝聚力kPa渗透系数K(cm/s)粘土18.728e=0.651715.33.610-4砂砾料19.519n=25%3506.010-2土石料2022e=0.4528101.810-3堆石料2215n=25%380第一节正常高水位坝体浸润线，从CAD图中量得试算得，心墙段xH1HtcHx258.417.51052.82458.417.51046.57658.417.51039.34858.417.51030.451058.417.51017.5下游段xHH2LHx2017.58.7122.7716.394017.58.7122.7715.206017.58.7122.7713.918017.58.7122.7712.4910017.58.7122.7710.88画出正常高水位浸润线如下第二节设计洪水位坝体浸润线，从CAD图中量得试算得，心墙段xH1HtcHx060.218.31060.20260.218.31054.46460.218.31048.05660.218.31040.63860.218.31031.511060.218.31018.30下游段xHH2LHx018.39.4124.2318.302018.39.4124.2317.184018.39.4124.2315.986018.39.4124.2314.698018.39.4124.2313.2710018.39.4124.2311.6812018.39.4124.239.84画出设计洪水位浸润线如下第三节校核洪水位坝体浸润线，从CAD图中量得试算得，心墙段xH1HtcHx061.719.31061.70261.719.31055.86461.719.31049.33661.719.31041.79861.719.31032.551061.719.31019.30下游段xHH2LHx019.39.4124.2319.302019.39.4124.2318.084019.39.4124.2316.766019.39.4124.2315.348019.39.4124.2313.7710019.39.4124.2311.9912019.39.4124.239.90画出校核洪水位浸润线如下第四节正常高水位骤降至死水位坝体浸润线正常高水位骤降至死水位时，粘土心墙土石坝由于心墙的存在，水流没有渗流过心墙。浸润线的确定比较复杂，这里只定性得确定出该情况下浸润线的大致形状，如下图。第五章部分工况下坝坡的稳定分析稳定分析是确定坝的剖面和评价坝体安全的主要依据。稳定分析的可靠程度对土石坝的经济性和安全性具有重要影响。土石坝由松散体构成，剖面大，一定条件下会发生局部坝坡滑动，常见滑裂面有曲线滑动面、直线或折线滑动面、复合滑动面。筑土石坝的主要材料，土是一种具有强非线性性质的材料，目前，人们对土坡失稳破坏机理的研究还不够充分，所以，稳定分析的方法和控制标准，在相当大的程度上还要依靠工程经验和判断。土石坝施工、建成、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况：（1）施工期（包括竣工时）。校核竣工剖面、施工拦洪剖面以及边施工、边蓄水过程的临时蓄水剖面上、下游坝坡的稳定。这种工况，黏性土坝坡和防渗体在填筑过程中产生的孔隙水压力一般来不及消散，将对坝坡稳定产生不利的影响。（2）稳定渗流期。校核两种工况下的上、下游坝坡稳定：①上游为正常蓄水位或设计洪水位至死水位之间的某一水位，下游为相应水位，属正常运用条件；②上游为校核洪水位，下游为相应水位，属非常运用条件I。（3）水库水位降落期。校核两种工况下的上游坝坡稳定：①水库水位处于正常蓄水位或设计洪水位与死水位之间的某一水位发生降落，或是抽水蓄能电站水库水位的经常性变化和降落，属正常运用条件；②水库水位自校核洪水位降落至死水位以下或是水库以大流量快速泄空等，属非常运用条件I。这种情况需要考虑不稳定渗流所形成的孔隙水压力的影响。（4）地震作用时。与正常运用条件的作用相组合验算上、下游坝坡的稳定，属非常运行条件Ⅱ。按SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定，坝坡抗滑稳定的最小安全系数根据坝的级别，参照表7-1加以选取。表5-1坝坡抗滑稳定最小安全系数运用条件工程等级1234、5正常运用条件1.501.351.301.25非常运用条件I1.301.251.201.15非常运用条件Ⅱ1.201.151.151.10工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平和理论基础之上的。假设达到极限平衡状态时，土体将沿着某一滑裂面产生剪切破坏而失稳。滑裂面上的各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔-库伦强度条件。土石坝坝坡稳定分析计算方法有：刚体极限平衡法。极限平衡稳定分析时，按滑动面形状分圆弧法和滑楔法两种。无黏性土的坝坡，如心墙坝的上下游坝坡、斜墙坝的下游坝坡、斜墙的上游保护层、保护层连同斜墙和坝基中有软弱夹层的滑动等常形成折线形的滑动面。这时课假设滑动面由若干楔形体组成，采用滑楔法计算安全系数。故本次设计用滑楔法进行计算。滑楔法的基本算法如下（5-1）其中式中——土条一侧的抗滑力；——土条另一侧的下滑力；——土条的重量；——作用于土条底部的空隙压力；、——分别为水平和垂直地震惯性力（向上为负，向下为正）；——土条底面与水平面的夹角；——土条一侧的与水平面的夹角；——土条另一侧的与水平面的夹角。计算时，首先假定一K值，自有端楔形块起，计算块间作用力P，直至最左端的三角形楔形块，如果式（7-1）方括号中的值为零，则满足平衡要求，所假定的K值正确，否则修正K值重新计算，直至收敛。楔形体块间相互作用力P的倾角β，根据工程经验，一般可选取以下数值：①β为常数，等于边坡平均倾角；②β等于楔形块顶面和底面倾角的平均值；③β=0；④β等于楔形块体底面倾角。本设计采用滑楔法计算稳定系数时，β取0。考虑到滑楔法只满足力的平衡要求，而不满足力矩平衡条件，计算结果的准确性不足，而且安全系数对所假定的块间作用力倾角β的变化比较敏感。β选择不当，则误差较大，有时还会出现数值计算上的问题，难以收敛。故SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：当假定β角等于楔形块顶面和底面倾角的平均值时，容许抗滑稳定安全系数按简化的毕肖普法取值；当假定β=0时，其计算结果接近不计条块间作用力的情况，容许抗滑稳定安全系数按瑞典圆弧法取值。本次设计：粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有，坝址下游5公里以内砂储量丰富，可供建筑使用，如表5-2所示。表5-2土石料计算参数材料重度kN/m3含水量%孔隙摩擦角(度)凝聚力kPa渗透系数K(cm/s)粘土18.728e=0.651715.33.610-4砂砾料19.519n=25%3506.010-2土石料2022e=0.4528101.810-3堆石料2215n=25%380施工期（竣工时）上游坝坡稳定安全系数的计算（手算）施工期上游当做库空处理，稳定计算时保护层和坝壳料均采用砂砾料进行简化计算，即γ=19.5kN/m3利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-1-1表5-1-1()()()（m）（m）（m）379.24985.06931.5644º18º4º34.4244.6385.05从而得不考虑地震力和孔隙水压力，又0，所以其中利用excel进行试算，如表5-1-2所示：表5-1-2KW1W2W3P1P2P31.30.470.770.310.077395.219208.718165.42277.63-728.33-8392.071.40.440.770.310.077395.219208.718165.42551.94202.354-6753.921.50.410.770.310.077395.219208.718165.42794.841009.72-5348.0120.310.770.310.077395.219208.718165.43691.623864.5-484.7292.50.240.770.310.077395.219208.718165.44273.585620.392427.3182.10.290.770.310.077395.219208.718165.43826.784278.72207.50132.050.30.770.310.077395.219208.718165.43760.594076.4-130.2042.060.30.770.310.077395.219208.718165.43774.054117.6-61.35792.070.290.770.310.077395.219208.718165.43787.394158.446.8259812.080.290.770.310.077395.219208.718165.43800.634198.974.35743当P3接近于零时，此时所对应的K即为稳定安全系数，由表5-1-2可知：K=2.08。由于计算过程中取β=0，故计算结果接近不计条块间作用力的情况，容许抗滑稳定安全系数按瑞典圆弧法取值。由于坝的级别为Ⅲ级别，由表5-1可知，K应大于等于1.3，故上游坝坡在施工期（竣工时）其稳定安全系数是满足要求的。第二节校核洪水位下游坝坡稳定安全系数的计算（电算）一、滑楔面一滑楔面都位于下游水位和浸润线以上，坝壳材料为砂砾料，稳定计算时γ=19.5kN/m3利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-2-1表5-2-1()()()（m）（m）（m）185.35381.72220.9735181343.2245.5251.55从而得电算得K=3.267二、滑楔面二利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-2-2表5-2-2A11A12A21A22A31A32A337026519.4272.7357.0339.9725.191329.2515.89714.46124.6882.87将坡外水位线延长直至与滑动面相交，对水位延长线以上的土体，浸润线以上取实重，浸润线以下取饱和重；对水位延长线以下的土体取浮重。粘土心墙实容重18.7，饱和容重19.9；坝壳用的是砂砾料实容19.5，饱和容重20.5。所以电算得K=6.048三、滑楔面三利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-2-3表5-2-3A1A21A22A23A24A34516625.510.298.94220.8846.61123.6373.6732.911311.99将坡外水位线延长直至与滑动面相交，对水位延长线以上的土体，浸润线以上取实重，浸润线以下取饱和重；对水位延长线以下的土体取浮重。粘土心墙实容重18.7，饱和容重19.9；坝壳用的是砂砾料实容19.5，饱和容重20.5。所以电算得K=4.604结论：三个滑楔面算出的K值均大于1.3，所以校核洪水位下游坝坡稳定。第一个滑楔面的K值最小，说明第一个滑楔面是最可能滑动的，所以正常高水位、设计洪水位可以只校核跟滑楔面一一样形式的一个滑楔面。第三节正常高水位下游坝坡稳定安全系数的计算（电算）滑楔面都位于下游水位和浸润线以上，坝壳材料为砂砾料，稳定计算时γ=19.5kN/m3利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-3-1表5-3-1()()()（m）（m）（m）341.79576.32202.993717851.0350.8339.93从而得电算得K=3.018>1.3,正常高水位下游坝坡稳定。第四节设计洪水位下游坝坡稳定安全系数的计算（电算）滑楔面都位于下游水位和浸润线以上，坝壳材料为砂砾料，稳定计算时γ=19.5kN/m3利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-4-1表5-4-1()()()（m）（m）（m）250.10540.49241.443619850.248.1542.77从而得电算得K=3.621>1.3,设计洪水位下游坝坡稳定。第五节正常高水位骤降至死水位上游坝坡稳定安全系数的计算（电算）一、滑楔面一利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-5-1表5-5-1A1A21A22A31A323715749.6162.9164.54323.54730.28196.2115.73424.20将死水位线延长直至与滑动面相交，对水位延长线以上的土体，浸润线以上取实重，浸润线以下取饱和重；对死水位延长线以下的土体取浮重。粘土心墙实容重18.7，饱和容重19.9；坝壳用的是砂砾料实容19.5，饱和容重20.5。本滑楔面浸润线以上部分面积较小，为简化计算也用饱和容重。所以电算得K=3.886。二、滑楔面二利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-5表5-5A11A12A21A22A31A327513429.1288.8276.0957.6954.891742.99324.4675.96692.09将死水位线延长直至与滑动面相交，对水位延长线以上的土体，浸润线以上取实重，浸润线以下取饱和重；对死水位延长线以下的土体取浮重。粘土心墙实容重18.7，饱和容重19.9；坝壳用的是砂砾料实容19.5，饱和容重20.5。本滑楔面浸润线以上部分面积较小，为简化计算也用饱和容重。所以电算得K=5.302。三、滑楔面三利用CAD制图的功能，可以得一些基本数据，如表5-5表5-5-3A1A21A22A23A31A325538427.1915.92139.59229.7236.88254.4280.281913.00749.61将死水位线延长直至与滑动面相交，对水位延长线以上的土体，浸润线以上取实重，浸润线以下取饱和重；对死水位延长线以下的土体取浮重。粘土心墙实容重18.7，饱和容重19.9；坝壳用的是砂砾料实容19.5，饱和容重20.5。本滑楔面浸润线以上部分面积较小，为简化计算也用饱和容重。所以电算得K=4.381。三个滑楔面算出的K值均大于1.3，所以正常高水位骤降至死水位上游坝坡稳定。第六章稳定安全系数汇总及成果分析各种工况下的稳定安全系数表安安全系滑楔面 施工期（上游）正常（下游）设计（下游）校核（下游）正常骤降至死水位（下游）一2.083.2673.0183.6213.886二6.0485.302三4.6044.381成果分析：稳定安全系数均大于1.3，说明本次设计的坝坡是安全的。但是都比1.3大很多，说明此设计不够经济合理。出现该问题有两个可能的原因：一、滑动面选择不合理，没有找到最易滑动的面。应尽可能选择多的滑动面进行计算。二、坝坡过缓，应改变坝坡再次计算。第七章心得体会课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次课程设计，我学到了不少东西。提高了计算能力，绘图能力，熟悉了相关的规范和标准，同时对相关的知识有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。体会了学以致用、看到自己劳动成果的喜悦心情，也从中发现了自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢老师的指导，感谢同学们的帮助，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。参考书目：1、中华人民共和国水利部.SL274-2001碾压式土石坝设计规范.北京：中国水利水电出版社，20012、林继镛.水工建筑物(第五版).北京：中国水利水电出版社，2009附录电算成果校核洪水位滑楔面一SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000COHESIONATTOPBLOCK.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK35.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASETDEGREEOFSLOPEATBOTTOM13.000DEGREEFSLOPEATTOP35.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE18.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP43.220LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE45.520WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT.000WEIGHTOFBOTTOMBLOCK4308.900WEIGHTOFTOPBLOCK3614.300WEIGHTOFMIDDLEBLOCK7443.500LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM51.550THEFACTOROFSAFETY3.267滑楔面二SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK15.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK18.000COHESIONATTOPBLOCK.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK35.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASET1DEGREEOFSLOPEATBOTTOM5.000DEGREEFSLOPEATTOP70.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE26.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP19.420LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE72.730WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT.000WEIGHTOFBOTTOMBLOCK17373.800WEIGHTOFTOPBLOCK1238.600WEIGHTOFMIDDLEBLOCK25182.700LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM57.030THEFACTOROFSAFETY6.048滑楔面三SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000COHESIONATTOPBLOCK15.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK18.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASET1DEGREEOFSLOPEATBOTTOM6.000DEGREEFSLOPEATTOP45.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE16.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP25.500LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE10.200WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT.000WEIGHTOFBOTTOMBLOCK25583.800WEIGHTOFTOPBLOCK2361.200WEIGHTOFMIDDLEBLOCK4977.900LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM98.940THEFACTOROFSAFETY4.604正常高水位SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000COHESIONATTOPBLOCK.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK35.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASET1DEGREEOFSLOPEATBOTTOM8.000DEGREEFSLOPEATTOP37.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE17.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP51.030LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE50.830WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT.000WEIGHTOFBOTTOMBLOCK3958.300WEIGHTOFTOPBLOCK6664.900WEIGHTOFMIDDLEBLOCK11238.200LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM39.930THEFACTOROFSAFETY3.018设计洪水位SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000COHESIONATTOPBLOCK.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK35.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASET1DEGREEOFSLOPEATBOTTOM8.000DEGREEFSLOPEATTOP36.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE19.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP50.200LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE48.150WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT.000WEIGHTOFBOTTOMBLOCK4708.100WEIGHTOFTOPBLOCK4877.000WEIGHTOFMIDDLEBLOCK10539.600LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM42.770THEFACTOROFSAFETY3.621骤降滑楔面一SlidingWedgePROGRAMOPTIONSNO.OFDATASETS1STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVENSTARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVENCOHESIONATBOTTOMBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000COHESIONATTOPBLOCK.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK35.000COHESIONATMIDDLEBLOCK.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK35.000ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000DATASET1DEGREEOFSLOPEATBOTTOM7.000DEGREEFSLOPEATTOP37.000DEGREEOFSLOPEATMIDDLE15.000LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP49.610LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE62.910WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000SEISMICCOFFICIENT