土木工程毕业设计 伦潭水利枢纽工程土石坝设计

伦潭水利枢纽工程土石坝设计摘要：随着现代生产和经济的快速发展和世界人口的急剧增长，水和电的需求量也在逐年增加；随着科学生产技术以及研究设计理论的不断提高，为现在的水利工程尤其是特大型水利水电工程的建设与发展提供了强有力的保障，目前，越来越多的的高坝大库型水利水电工程出现在我们生活的大地上，因此，我们必须对水利水电工程的研究坚持不懈。本文针对伦潭水利枢纽工程土石坝的设计进行说明，阐述了坝址坝型的选择，水利枢纽的布置和坝体的设计。关键词：土石坝；水利水电工程；渗流分析目录TOC\o"1-2"\h\u24966前言 前言土石坝无论是在国内还是国际上都是最为常用的一种，在现在的水利工程领域获得了大量的应用，中国建设的拦河坝里面超过九成半都是土石坝。目前，世界上高度超过十五米的土石坝数量在三万以上，而中国超过十五米高度的土石坝也有一万八千以上。从其他国家看，近些年来大型水利枢纽一直在建设，出现了一些库区容量超过1000亿平方米的超大型水库。本次毕业设计的任务是结合理论和实践知识，根据已有资料和设计规范对伦潭水利枢纽工程做全方位的前期设计，以便为该流域内的各项生产生活提供更大的综合性收益。工程概况伦潭水利枢纽处在铅山河流域之中，该流域内山林密布，气温比较适宜，而且蕴藏着极大的可开发水力资源，总量位居整个信江流域首位。在进行全面的分析研究之后，伦潭水利规模确定装机容量为20MW，正常蓄水高度252米，防洪水位250米，能够在缺水的时候给下面的工厂提供十五万立方米以上的水资源。坝址及坝型选择坝址选择从之前的经验来看，坝址宜选在左右两岸基本对称的河谷处，通过对水库的地形图分析，将坝轴线定在河谷两岸基本对称的区域，坝轴线位置见土石坝平面布置图。坝型选择由水库已知的水文地质资料可知，水库两岸有软质岩体覆盖层，且库区范围内拥有足够施工需求的防渗土料、石渣料、筑坝料以及开挖料等土石坝建筑用料，考虑到这些基本要素以及综合效益，挡水建筑物选择土石坝是最适合的施工设计方案。水利枢纽布置水工建筑物种类(1)挡水建筑物：土石坝建造起来比较省时省力而且技术要求不复杂，施工过程中可实行机械化，节省了很多的物力、财力和人力。由已知基本资料可知，库区的石料、土料储量满足施工要求，综合考虑经济效益及施工安全，最终确定挡水建筑物为土石坝。(2)泄水建筑物：本设计只考虑溢洪道的设计，结合所选择的坝型和以往工程实际经验，溢洪道选用岸边溢洪道来进行水库泄洪，因本设计中设计泄洪量较小，所以不需要设副溢洪道，只设主溢洪道，满足泄水要求。水工建筑物平面布置挡水建筑物——挡水建筑物型式为土石坝，通过对水库区域地形图的观察分析，按照左右两岸河谷对称的原则，确定出坝轴线在水库地形图上的位置，详见水库枢纽平面布置图。泄水建筑物——由于工程设计泄流量较小，所以泄水建筑物选择岸边正槽式溢洪道，通过对挡水建筑物在水库地形图上的布置的观察分析，溢洪道可选择布置在挡水建筑物左岸，具体布置详见水库枢纽平面布置图。坝体设计土石坝的坝型选择按照就地取材的原则，现在适宜采用的方案有均质坝还有心墙坝。均质坝：用料不多，施工方便，但是其缺点也十分突出，由于筑坝土料需求量大，所以填筑速度慢，对于施工进度影响较大，而且在施工过程中坝体易受地区降雨和冰冻的影响，对于工程施工进度有较大的影响。心墙坝：相较于均质坝，心墙坝防渗性能强，体积小，对当地材料利用率大，心墙坝的稳定性、抗震性好，对库区的不均匀应变适应能力强。综上所述，最后决定采取以粘土建设心墙坝的方案。土石坝的基本剖面坝顶高程坝顶在水库静水位以上的超高按下式计算：（4-1）式中：d——坝顶超高，m；R——最大波浪在坝坡上的爬高，m；E——最大风壅水面高度，m；A——安全加高。1.计算波浪爬高R取上游坝坡坡度系数m=2，平均波浪爬高按下式计算：（4-2）式中：Rm——平均波浪在坝坡上的爬高；M——坡度系数，初步拟定为上游坝坡坡度系数为2；K△——渗透系数，根据挡水建筑物的型式，土石坝上游坝坡选择砌石护面，查《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）表A.1.12-1得与坝坡粗糙率有关的系数K△=0.75～0.8，取K△=0.8；Kw——工程经验系数，根据以往工程经验，取Kw=1.00；hm，Lm——分别为平均波高和平均波长，m。对于丘陵地区的水库，当风速W<26.5m/s，吹程D<7500m时，波浪波高和平均波长可采用鹤地水库公式：（4-3）（4-4）式中：h2%——累计频率为2%的波高，m。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）表A.1.8知，当hm/Hm＜0.1时，累积频率为2%的波高与平均波高的比值为2.23，则：（1）正常运用条件下：计算风速W=20×1.5=30m/s，代入上式可得：h2%=2.57m，Lm=14.32m，hm=h2%/2.23=1.15；（2）非常运用条件下：计算风速W=20m/s，代入上式可得：h2%=1.40m，Lm=9.55m，hm=h2%/2.23=0.63。根据波浪爬高公式（4-2）计算可得：正常运用条件下，平均波浪爬高Rm=1.21m；非常运用条件下，平均波浪爬高Rm=0.73m。依据规范爬高值采用累积频率为1%的爬高值，当hm/H＜0.1时，累积频率为1%的爬高值与平均爬高值的比值为2.23，则：①正常运用条件下：R1%=2.23Rm=2.70m；②非常运用条件下：R1%=2.23Rm=1.63m。2.计算风壅水面高度e计算风壅水面高度的公式为：（4-5）式中：e——计算点处的风壅高度，m；D——风区长度，m；K——综合摩擦系数，取3.6×10-6；Β——坝轴线法线与风向之间的夹角，（°）；Hm——水域平均水深，m。计算结果如下表所示：表4-1不同工况下风壅水面高度e3.计算安全加高A从相关规范里面可知：表4-23级坝坝顶超高安全加高4.计算地震涌浪高度依照规定，当土石坝坝址位于地震带的时候，在计算坝顶设计超高时，需要考虑附加地震涌浪高度，该水库工程地震设计烈度为七级，取地震涌浪高度为1.0m。5.坝顶高程计算结果表如下：表4-3不同工况下的坝顶设计高程根据以上计算内容，确定土石坝坝顶的设计高程为2165.31m。6.坝顶高程土石坝在建设过程及建设完成之后，坝体由于重力作用会有沉降量，而在大坝沉降稳定后的坝顶高程才是土石坝坝顶设计高程，因此在施工设计过程中，需要考虑进去坝顶竣工时的沉降量。由伦潭水库地形图可得河床高程约为2110m，则土石坝设计坝高约为2165.31-2110=55.31m。所以最终土石坝的坝顶高程为2165.31+55.31×1%=2165.86m。总而言之：坝顶高程确定是2165.86m，防浪墙高1.2m，则碾压坝顶高程为2164.66m。坝顶下游侧设1m高的护栏。坝顶宽度由伦潭水库地形图可得河床高程约为2110m，根据河床由上而下的岩性分布可得坝底高程可定为2110-1.3=2108.7m，所以坝高为2164.66-2108.7=55.96m，属于中坝，考虑到心墙顶宽及反滤层的宽度，坝顶宽度取10m。坝坡及马道1.坝坡参照已建坝的经验，以粘土心墙作为土质防渗体的土石坝，当选用堆石作为下游坝壳料时，坡率经常选用1：1.5～1：2.5；当选择堆石为上游坝壳采料时，坡率经常选用1：1.7～1：2.7。取上游坝坡坡率为：1：2；下游坝坡坡率为：1：2。2.马道根据土石坝建设的发展情况以及以往工程经验，上游坝坡可不设马道；根据交通、施工需要，下游坝坡设3m宽“之”字形横向马道，马道细部构造图如图（4-1）所示：图4-1下游马道细部构造图（单位：m）坝底高程根据水库河床由上而下的地质岩性分布，挖除第一层含少量砾石的粉质黏土、粉土，挖除厚度为1.3m，则坝底高程为2110-1.3=2108.7m。土石坝的构造防渗体顾及到土石坝建设时候的机械化施工的要求，心墙土质防渗体顶宽不应小于3m。底部厚度需要根据允许渗透比降来确定，但如果防渗体厚度太小的话，其稳定性可能会不满足抗震要求，因此，通过对以往心墙土石坝建造经验的总结和学习，得出心墙防渗体底部厚度应该大于坝前水深的1/4。取心墙顶部宽度为4m，底部宽度为14m，自上而下逐渐加宽，心墙顶部与防浪墙紧密连接，如图（4-2）所示。坝顶和护坡1.坝顶根据规定，倘若防浪墙建于防渗体上面，并且互相连成一个整体时，所有水文因素对防渗体顶部高程将不会有要求，只需保证心墙顶部高程不低于正常静水位。由于心墙防渗体在竣工后也会有沉降，所以在设计过程中需考虑心墙顶部的超高。正常运用条件下的静水位为2160.90m，取沉降超高为0.5m，则防渗体顶部高程为：2160.90+0.5=2161.40m。根据以往工程经验，坝顶路面采用沥青混凝土，路面厚度取0.5m，过渡层厚度取0.2m，坝顶路面向下游面倾斜以排出降雨后坝顶的积水，坡度为3%，坝顶下游侧设.5m高、0.3m厚的护墙，如图（4-2）所示：图4-2坝顶细部构造图（单位：m）2.护坡①上游护坡：材料采用堆石。根据规定，堆石护坡的石块质量和厚度可按下列各式计算：（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）式中：Qmax、Qmin——石块的最大、最小质量，t；hs——有效波高，m；ρk——K——系数，取4.37；G——石块比重；T——护坡厚度，m。根据规定，累积频率为14%的波高h14%即为有效波高hs，即hs=h14%=1.60，hm=1.6×1.15=1.84m。根据给定的基本资料：石渣料块石密度为=2.03g/cm3=2.03t/m3，石块比重为2.87，经计算可得：Q50=0.18m；Qmax=4Q50=0.72m；Qmin=15Q50=0.036m；t=0.78m。即上游坝坡护坡厚度为0.78m。上游坝坡的护坡范围应低于水库死水位，一般应距水库最低水位2.5m，水库死水位为2129.68m，取护坡下部高程为2127m。垫层选用碎石，厚0.4m，如图（4-3）所示：图4-3上游护坡细部构造图（单位：m）②下游护坡：采用砾石护坡，覆盖至排水棱体顶部，取护坡厚0.3m，下面的垫层厚度是0.2m。坝体排水和反滤层1.坝体排水：坝体排水方式采用棱体排水从以往施工经验来看，排水棱体内坡坡比一般取1：1.0～1：1.5，外坡需结合下游坝坡确定，一般为1：1.5～1：2.0。排水棱体与坝壳之间需要铺设反滤层，为增加稳定性，棱体坡角应该设置为钝角，排水棱体与土质地基之间也需要铺设反滤层。大坝下游水深为0，并且三级坝不得小于1.0m，详情如图4-4所示：图4-4排水棱体细部构造图（单位：m）2.反滤层当被保护土为无黏性土，且不均匀系数较大(Cu＞8)的被保护土，可取Cu≤5～8细粒部分的d85、d15作为计算粒径；当被保护土为黏性土时，推荐采用谢拉德1989年提出的方法。反滤料取石料场石料轧制的人工砂，上、下游坝坡设一层反滤层，厚0.3m，心墙两侧分别设0.5m厚砂砾石过渡层和0.3m厚的反滤层。筑坝土料设计土石坝的结构构造设计、施工技术方法及工程预算是筑坝材料设计与的依据，首先应考虑的是就近就地取材、因材设计以及坝体内的材料分区简单。土石坝施工建设最大的特点就是就地取材。坝址附近土石料的种类及其工程性质，料场在库区的地理位置，以及料场内土料及石料的储量、开采及运输条件等在工程施工设计时都应考虑进去。土石坝的土料设计是工程设计中不可或缺的一环，通过对库区黏土料、石料的填筑含水量、干容重等指标的检测，来确保坝体填筑土料的质量，以保证坝体的渗透稳定性。防渗体土料防渗体土料应具有足够的防渗性能，含水率接近最优含水率。根据规定的试验方法求取。（1）计算：设计干容重为：（4-10）式中：——设计干容重，kN/m3；——在相应击实功能下的平均最大干容重，kN/m3；m——施工压实系数，根据有关施工经验及规范，取m=0.95。最大干容重：=1.27×10=12.7kN/m，设计干容重：=0.95×12.7=12.065KN/，黏性土的填筑含水量为：（4-11）式中：——土的塑限含水量；——土的塑性指数；——液性系数，根据相关规范，取Il=0.09。根据以往工程设计经验，在设计过程中最优含水量取：，则塑限含水量在数值上近似于最优含水量。由此通过上式可解得：填筑含水量：=42.68%湿容重：=12.2*（1+42.68%）=17.43KN/，饱和容重：=1.83*10=18.3kN/，浮容重：=18.3-10=8.3kN/。（2）成果表4-4心墙土料力学参数表石渣坝壳料设计坝壳料在选取时，需要其质量满足主坝体的稳定性要求，因此需要坝壳填筑土料拥有较高的强度。本次设计中坝壳料按非黏性土料设计，坝壳填筑土料为坝址附近的风化石渣料，（1）计算：（4-12）当坝址处于地震区时，需要考虑到地震对土体的影响，因此浸润线以下的土体相对密度不应低于0.75~0.85，取。设计孔隙比为：=0.293/（1-0.293）=0.41；最大干容重：=2.2*10=22kN/m3；设计干容重：=0.95*22=20.9kN/m3；填筑含水量：=2.9%；湿容重：=20.9×（1+2.9%）=21.51kN/m3；饱和容重：=20.9*（1+29.3%）=27.02kN/m3；浮容重：=27.02-10=17.02kN/m3。（2）成果：表4-5坝壳料力学参数成果表反滤料、过渡料及排水材料从目前的信息来看，水库区的石料场砂卵砾石满足过渡料防渗要求，石料轧制人工砂满足反滤料防渗要求。土石坝的渗流分析渗流计算本设计采用水力学方法进行渗流计算，应包括下表所示的水位组合情况：按照地形图，绘制出坝轴线处河谷剖面图，沿坝轴线将坝体分三段进行渗流计算，河谷的横截面实例如图4-5所示：图4-5渗流计算剖面图1.正常蓄水位下的渗流计算①单宽渗流量根据《水力计算手册》（第二版）：当心墙土坝在不透水地基上，有排水设备时，如Ⅰ-Ⅰ断面，对于防渗体上游的坝体区域，由于渗径短 ，所以可不考虑该区域的浸润线下降的。那么：（4-13）（4-14）；——心墙平均厚度，m；s——渗径，m。浸润线方程为：（4-15）当心墙土坝在不透水地基上，无排水设备时，如Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ断面，先将心墙的梯形断面简化为矩形，即心墙厚度取为：，然后将心墙化引成具有与坝壳同一渗透系数的均质坝，如图（4-6）所示：图4-6无排水设备心墙土坝渗流计算心墙的化引厚度为：（4-16）单宽渗流量q和渗出高度a0可由下式计算解出：（4-17）（4-18）式中：λ——系数，=0.4；β——下游坡角，β=26.57°；a0——渗出高度，m；s——化引成均质坝后浸润线的水平投影长度，，L为对应剖面坝底长度，m。浸润线方程为：（4-19）②各断面单宽渗流量及浸润线方程Ⅰ-Ⅰ断面：H1=48.98m，H2=0，=9m，s=97.84m。解得：h=1.684m，q1=1.09×10-5m2/s。浸润线方程为：。Ⅱ-Ⅱ断面：H1=25.05m，H2=0，=6.605m，=60685.94m，s=60761.89m。解得：a0=0.0116m，q2=3.91×10-6m2/s。化引成的均质坝的浸润线方程为：，经计算可得：，则心墙下游浸润线方程为：Ⅲ-Ⅲ断面：H1=24.68m，H2=0，=6.57m，=60364.36m，s=60440.34m。解得：a0=0.01127m，q3=3.82×10-6m2/s。化引成的均质坝的浸润线方程为：，经计算可得：，则心墙下游浸润线方程为：③总渗流量表4-6正常蓄水位下各断面参数断面H1（m）H2（m）（m）h（m）a0（m）q（m2/s）Ⅰ-Ⅰ48.98091.68401.09×10-5Ⅱ-Ⅱ25.0506.6050.7940.0123.91×10-6Ⅲ-Ⅲ24.6806.570.7870.0113.82×10-6坝体总渗流量可按下式计算：（4-20）式中：q1、q2、q3分别为Ⅰ-Ⅰ断面、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ断面的单宽渗流量，L1、L2、L3、L4分别为各渗流段的宽度，由渗流计算剖面图可得：L1=60.18m、L2=59.10m、L3=66.96m、L4=60.78m，代入式（4-20）可得，坝体正常蓄水总渗流量Q=1.09×10-3m3/s。2.设计洪水位下的渗流计算Ⅰ-Ⅰ断面单宽渗流量按心墙土坝在不透水地基上，有排水设备的情况计算；Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ断面单宽渗流量按心墙土坝在不透水地基上，无排水设备的情况计算，计算结果如下表所示：表4-7设计洪水位下各断面参数断面H1（m）H2（m）（m）h（m）a0（m）q（m2/s）Ⅰ-Ⅰ52.20091.79501.25×10-5Ⅱ-Ⅱ26.9706.6050.8010.0134.54×10-6Ⅲ-Ⅲ26.6006.570.7940.0134.44×10-6则坝体总渗流量为：Q=1.26×10-3m3/s。3.校核洪水位下的渗流计算按照同样的原理：Ⅰ-Ⅰ断面单宽渗流量按心墙土坝在不透水地基上，有排水设备的情况计算；Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ断面单宽渗流量按心墙土坝在不透水地基上，无排水设备的情况计算，计算结果如下表所示：表4-8校核洪水位下各断面参数断面H1（m）H2（m）（m）h（m）a0（m）q（m2/s）Ⅰ-Ⅰ53.79091.84901.32×10-5Ⅱ-Ⅱ28.5606.6050.9050.0155.09×10-6Ⅲ-Ⅲ28.1906.570.9000.0154.98×10-6则坝体总渗流量为：Q=1.374×10-3m3/s。4.库水位降落时的渗流计算根据《水力计算手册》（第二版）规定，对于心墙坝，如果坝壳透水性甚强，就可以假定上游坝壳的浸润线在库水位下降的任何时刻，均为一水平直线，并与当时的库水位位置相同。这样，就不发生对坝坡稳定不利的问题。所以，可认为库水位降落时满足防渗稳定要求。综上所述，本设计中的粘土心墙土石坝在各种工况下都满足防渗稳定要求。渗透稳定按照相关建设规范，土石坝的渗透稳定性需要顾及下表所述的方面：根据已知资料，坝和坝基土体的细粒含量小于20％，可判明坝和坝基土体的渗流变形的类型为管涌。根据《水力计算手册》（第二版），临界管涌比降公式：（4-21）由已知资料：d3=12.7%，k=7.58×10-2cm/s，n=29.3％，代入上式可得临界管涌比降Jcr=3.07。取安全系数ka=1.8，则容许管涌比降=1.71渗流逸出点实际渗透比降：（4-22）式中：ΔH——上游相应工况下的水位与心墙下游侧逸出点之间的垂直距离，m；Δl——渗径，m。则不同工况下各断面的坡降为：I—I断面：II—II断面：III—III断面：计算成果见下表：表4-9不同工况下各断面坡降都满足小于容许管涌比降，所以可认为不会发生渗透破坏。土石坝的坝基处理从之前的施工经验来看，坝基水平成层显著，当砂砾石层深度在10～15m以内时，推荐采取明挖截水槽，然后回填黏土来做到坝基防渗。截水槽布置在心墙底部，采用防渗材料填筑，槽身横贯整个河床并延伸进入两岸。槽身开挖断面呈梯形：根据回填土料的渗透比降，槽底宽取4m，边坡坡度为。截水槽两侧设置0.3m厚的反滤层和0.5m厚的过渡层。截水槽填筑土料与心墙连成整体，下部切断砂砾石层直达基岩，并在基岩面上建顶厚0.5m、底厚1.2m的混凝土齿墙，侧面坡度为1：0.1，高度为1.5m（包括嵌入基岩的0.4m），上部与心墙连成整体。坝基防渗截水槽的细部构造图如图（4-7）所示：图4-7坝基防渗（截水槽）细部构造图（单位：m）土石坝与坝基、岸坡的连接土石坝与坝基的连接因为土石坝是以岩石为根基建设的，筑坝前需将坝基范围内的淤泥、腐殖土、杂草、碎石等清除掉，清基深度0.3～1.0m。截水槽底部做齿墙与坝基连接，齿墙结构见图(4-7)坝基防渗（截水槽）细部构造