土石坝设计说明书

PAGE南昌大学（11水工毕业设计）说明书周小日2015年1月日目录第一章工程概况 1第二章设计的基本资料及水库工程特性 1第一节

设计的基本资料 1第二节

水库工程特性 4第三章工程等别及枢纽布置 5第一节工程等别及建筑物的级别 5第二节 枢纽布置 6第四章坝工设计 7第一节坝型的选择 7第二节坝的断面设计 81.坝顶高程 82、坝顶宽度 103、坝坡 104、防渗体设计 115、排水设备 11第三节土石坝的渗流计算 12第四节土石坝坝坡稳定分析及计算 18设计说明 18.稳定计算 19第五节土石坝细部构造设计 435．1坝顶 43护坡 43排水体 45坝体与坝基防渗设计 46土石坝土料的选择 46第六节地基处及裂缝处理 48参考文献 50心得 51第一章工程概况伦潭水利枢纽工程位于铅山县天柱山乡境内，距县城约50km，坝址地处铅山河支流杨村水中游，是铅山河流域内具有防洪、灌溉、发电、供水及水产养殖等综合效益的控制性工程。铅山河是信江中上游南岸的一条主要支流，发源于闽赣边境的武夷山脉。流域东邻石溪水，西毗陈坊河，南靠武夷山，北抵信江，集雨面积1255km2。流域内山高林密，植被良好，气候温和，矿产资源丰富，尤以铜矿著称。铅山河流域理论电力蕴藏量约14×108kW·h，初步查明的可开发水电装机有×104kW，可开发电量×108kW·h，其水力资源之丰富为信江之冠。铅山河流域是我省暴雨中心之一，也是我省小流域治理规划的重点流域。伦潭水利枢纽工程项目在2002年7月已经国务院批准立项。第二章设计的基本资料及水库工程特性第一节

设计的基本资料一、水文气象伦潭水利枢纽坝址处于铅山河支流杨村水中游。杨村水为信江二级支流，发源于武夷山脉读书尖。河流自南向北流经篁碧、港口、天柱山、港东、杨村、五都等地，在下坂与石塘水相汇后称铅山河。杨村水主河长70km，流域面积465km2，河道平均坡降‰。伦潭水库坝址以上集雨面积242km2、主河长，流域平均宽度，主河道平均比降‰。坝址附近无水文测站，选择铅山河流域内铁路坪水文站作为参证站，由1959年至2000年共42年径流资料，推求坝址多年平均流量为s，Cv=,Cs=，多年平均径流深，多年平均径流量×108m3。铅山河为雨洪式河流，洪水与暴雨相应，多发生在4~9月份，洪水主要由锋面雨形成，台风雨也能形成较大洪水。经分析计算，坝址设计洪水成果：校核洪水标准（P=%)，相应洪峰流量为2640m3/s，洪量W1=×106m3、W3=×106m3；设计洪水标准（P=1%）、相应洪峰流量为1500m3/s，洪量W1=×106m3、W3=×106m3。铅山河属少泥沙河流，坝址多年平均悬移质输沙量×104t、推移质输沙量×104t。铅山河流域属亚热带季风气候区，流域内各地多年平均气温℃，极端最高气温℃，极端最低气温℃，多年平均相对湿度79%。多年平均降水量，最大年降水量（1998年），最小年降水量（1971年），多年平均蒸发量，多年平均风速s，实测最大风速s。二、工程地质本区处华南褶皱系、赣中南褶隆、饶南拗陷区。区内地势东南高、西北低，下游为低山丘陵区，中上游属中低山——中高山构造剥蚀地貌，不良物理地质现象不甚发育。区内出露地层主要为燕山早期花岗岩。枢纽及库区处于次一级的陈坊~永平~八都区域隆起构造带，未发现孕震断裂分布，不存在产生水库诱发地震的可能性，根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》，本区地震动峰值加速度小于，地震动反应谱周期小于，区域构造稳定性较好。水库区地层岩性单一，组成库盆、库岸的花岗岩体岩性坚硬，透水性弱，库周分水岭雄厚，库区产生永久性渗漏的可能性小，库岸稳定性较好。未来库区淤积问题不大。库区内未发现有工业开采价值的矿产资源及古文化遗址分布，淹没影响较小。不存在浸没问题。坝区含上、下两个坝址，均属构造剥蚀中低山地貌，位于燕山早期侵入的伦潭岩体上岩性，为细粒花岗岩，岩性单一，一般弱风化~微新岩体为中等~较好质量岩体。地质构造较简单，未发现较大的断裂构造及顺河断层。构造节理主要为北东向和北西向两组，卸荷裂隙发育不明显。坝区的地下水主要为基岩裂隙潜水。地下水埋深多受大气降水和地形条件及季节变化等因素所控制。岩体透水性则受地形条件、节理裂隙的密度与贯通，节理裂隙充填状况及岩体风化程度等多种因素影响，一般遵循自上而下，由大到小的规律。据水质分析结果，坝区河水和地下水对混凝土具中等溶出型侵蚀性。上、下坝址存在的工程地质问题，主要为渗漏及坝肩稳定问题。由于岩体风化及节理裂隙的影响，坝址基础开挖以后，建基面以下一般为弱~中等透水岩体，需作防渗处理。上坝址可利用基岩埋深较大，建基面以下透水岩体厚度也较大。下坝址拱坝方案右坝肩，由于局部分布有缓倾角节理裂隙，其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合，存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面，有沿该组面产生滑动的可能，对拱肩稳定不利。就工程地质条件而言，上、下坝址均具备修建90m左右大坝的条件。而下坝址的工程地质条件优于上坝址。据本阶段对三条引水隧洞、一条导流隧洞、一个溢洪道及三个发电厂房和下坝址上、下游围堰作的地质勘探工作，这些建筑物均处于中低山地貌，围岩为细粒花岗岩，洞室大部分置于弱风化~微新岩体，地下水量不丰，地质构造较简单，洞线进出口及厂房区未见较大的滑坡、崩塌等不良物理地质现象。各引水隧洞线及厂房均未发现大的工程地质问题。上、下游围堰不存在大的工程地质问题。

三、筑坝材料及其物理力学性质（一）水库枢纽工程所需天然建材，石料可就地取材，储量及质量均可满足要求。砂砾料在坝址区缺乏，需在坝区下游较远处采运，其中砂料质量可满足规范要求，但粗骨料级配较差，粗细骨料储量均可满足需求。（二）重要物理力学设计指标（1）坝址处地基物理力学设计指标坝址处具有砂质亚粘土覆盖层，河床处覆盖深度约为5米，两岸垂直坡面覆盖左岸3米，右岸12米。砂质亚粘土覆盖层物理力学指标如下：干容重Υｄ=ｔ/ｍ3

饱和容重ΥS=ｔ/ｍ3浮容重Υｂ=ｔ/ｍ3

渗透系数K=×10-6ｃｍ/ｓ凝聚力ｃ=ｋｇ/ｃｍ2

内摩擦角φ=（2）筑坝材料1.砂壤土干容重Υｄ=ｔ/ｍ3

饱和容重ΥS=ｔ/ｍ3浮容重Υｂ=ｔ/ｍ3

渗透系数K=×10-5ｃｍ/ｓ凝聚力ｃ=ｋｇ/ｃｍ2

内摩擦角φ=300湿容重Υｗ=ｔ/ｍ32、粘土防渗体干容重Υｄ=ｔ/ｍ3

饱和容重ΥS=ｔ/ｍ3浮容重Υｂ=ｔ/ｍ3

渗透系数K=3×10-6ｃｍ/ｓ凝聚力ｃ=ｋｇ/ｃｍ2

内摩擦角φ=240湿容重Υｗ=ｔ/ｍ33、砂砾料干容重Υｄ=ｔ/ｍ3

饱和容重ΥS=ｔ/ｍ3浮容重Υｂ=ｔ/ｍ3

渗透系数K=2×10-2ｃｍ/ｓ凝聚力ｃ=0

内摩擦角φ=330湿容重Υｗ=ｔ/ｍ34、块石干容重Υｄ=ｔ/ｍ3

饱和容重ΥS=ｔ/ｍ3浮容重Υｂ=ｔ/ｍ3

内摩擦角φ=380湿容重Υｗ=ｔ/ｍ35、址区洪水期多年平均最大风速16ｍ/ｓ，吹程为公里。（三）砼与基岩抗剪指标及基础承载力纯摩时

ｆ=

ｃ=0剪摩时

ｆ=

ｃ=ｋｇ/ｍ2基础承载力

[σ]=30ｋｇ/ｃｍ2砼容重

Υ=ｔ/ｍ3工作桥及启闭机作用于一个墩上荷载45吨，弧形门重20吨

四、水库的运用要求伦潭水利枢纽工程位于铅山河流域杨村水中游，是以防洪、灌溉为主，兼顾发电、供水和水产养殖的综合利用工程。经综合分析论证，伦潭工程规模基本选定为：水库正常蓄水位，死水位为，防洪限制水位，防洪高水位为，相应防洪库容为×108m3，调节库容×108m3，水库总库容×108m3；灌溉农田面万亩；电站装机容量；枯水季节能为下游工矿企业补充1500×104m3生产生活用水。伦潭水利枢纽工程综合利用效益显著。在防洪方面：经水库调蓄可使下游沿河两岸和港东、杨林、五铜、永平、鹅湖、福惠等7个乡（镇）的村镇和农田、永平铜矿的供水设施和尾矿污水排放设施、横南铁路线和上饶联络段铁路线以及铅山县河口镇的防洪标准由5年一遇提高到20年一遇；在灌溉方面：从水库坝下取水可灌溉下游铅山西部灌区的杨林、五铜、福惠、虹桥、汪二、河口茶场、新安埠、汪二垦殖场等九个乡（镇、场）的万亩，农田灌溉保证率达90%；在发电方面：电站装机2×，年发电量6074×，保证出力4520kW，年利用小时3037h；在供水方面：枯水季节能补充下游工矿企业生活生产用水1500×104m3。第二节

水库工程特性

正常蓄水位

ｍ防洪高水位

ｍ设计洪水位（P=1％）

ｍ相应下泻流量

975ｍ3/ｓ相应下游水位

ｍ校核洪水位

ｍ相应下泻流量

1310ｍ3/ｓ相应下游水位

ｍ死水位

ｍ水电站装机容量

2×10MW总库容

亿ｍ3河床地面高程

170m第三章工程等别及枢纽布置第一节工程等别及建筑物的级别该水库总库容为×108m³，电站装机容量为2×104kw。按照《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》，综合考虑水库总库容,防洪效益,灌溉面积,电站装机容量,工程规模,查教材《水工建筑物》表1-1工程等别工程规模分等指标水库库容（亿m3）防洪灌溉面积（万亩）电站装机容量（万kw）保护城市及工矿区保护农田（万亩）一大（1）型>10特别重要的城市、工矿区>500>150>75二大（2）型10～1重要城市、工矿区500～100150～5075～25三中型1～中等城市、工矿区100～3050～525～四小（1）型～一般城市、工矿区<305～～五小（2）型～<<工程等别永久性建筑物的级别临时性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物Ⅰ123Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ555该工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时性建筑物为4级。永久性水工建筑物洪水标准:正常运用(设计)洪水重现期100年;非常运用(校核)洪水重现期2000年。永久性水工建筑物的洪水标准：永久性挡水建筑物和泄水建筑物正常洪水（设计时）的重现期为100年，非常运用洪水（校核时）的重现期为2000年；水电站厂房正常与非正常运用洪水标准分别为50年和500年；临时性水工建筑物采用洪水标准为20—30年。枢纽布置一、布置原则选址的原则：(1)首先，应尽量选择地形上最有利的坝址，如坝轴线较短，河谷较窄，便于布置泄水建筑物等。(2)坝址与地质条件是影响坝址选择的最重要因素之一。(3)坝址附近的建筑物分布情况，影响到坝址的选择。(4)水库区的淹没情况也是选择坝址的重要因素。(5)坝址还必须结合河流规划统一考虑。(6)施工条件也是选择坝址的因素之一。(7)水库及水利枢纽的管理条件也应在选择坝址时予以应有注意。(8)施工工期长短也影响着坝址的选择。综合以上所有因素充分进行调查研究，权衡利弊，综合考虑选定坝址。在所有的坝型中，土石坝由于基础面积较大，承担的应力较低，对地基要求较低。二、坝址的选择根据设计基本资料工程地质分析，坝区含上、下两个坝址，上、下坝址均未发现较严重的地质问题，两处坝址均有条件建设90m左右的大坝，而下坝址的工程地质条件优于上坝址。故大坝选于下坝址。三、坝轴线选择为了较好地利用两岸的山体，坝轴线选在ⅠⅠ，断面上。第四章坝工设计第一节坝型的选择坝型选择关系到整个地形的工程量、投资的工期，除筑坝材料是坝型选择的主要因素外，还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型工程中主要的坝型有重力坝、拱坝、土石坝，现对各种坝型进行比较：1、重力坝重力坝基本形状呈三角形，上游面铅直或稍微倾向上游，坝底与基岩固结，建成挡水后依靠自重维持稳定。重力坝的优点：①筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶，渗漏冲刷，地震破坏等的能力强；②对地质、地形条件适应性强，一般建与基岩上；③重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，枢纽布置紧凑；④结构作用明确；⑤施工方便。缺点：①由于坝体剖面尺寸往往由于稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的较大，材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥，且坝底面积大，因而扬压力也较大，对稳定不利；②因坝体体积较大，施工期混凝土温度收缩应力也较大，为防止温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。2、拱坝拱坝是三面固结与基岩上的空间壳体结构，拱向上游凸出，且不设永久性分缝。拱坝的优点：①具有双向传力的性能；②拱是推力结构；③拱坝具有较高的超载能力；④拱坝轻韧，富有弹性而整体性好，借助岩基对地质功能的吸收，它又具有较强的抗震能力。缺点：①拱坝是不设永久性横缝的整体朝静定结构，设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响；②拱坝体形复杂；③设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形地质条件及地基要求均较高。3、选用土石坝土石坝是指由当地土料石料或土石混合料填筑而成的坝。土石坝的优点：①就地取材，与混凝土相比，节省大量水泥，钢材和木材，且减少了筑坝材料远途运输费用；②对地质地、形条件要求较低，任何不良地基经处理后也均可筑土坝；③施工方法灵活，技术简单，且管理方便，易于加高扩建。缺点：①不允许坝顶溢流，所需溢洪道或其他泄水建筑物与造价往往很大，；②在河谷狭窄，洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；③采用粘性土料施工受气候条件影响较大。本设计中，伦潭水库的防护坝地处山区交通条件差，公路标准低，运输不方便，如从外运入筑坝材料，工程投资大大增加，因此不运用重力坝。拱坝应力分布均匀，不利于发挥材料强度，节省工程量，但对地质和地形要求严格，通常要求对称均匀，因此地形不对称，且地形地质条件也不甚好，如采用拱坝。坝体相对条件差，不利于坝体强度稳定，设计施工复杂。因此不宜选拱坝，伦潭水库防护坝因当地土料、沙砾料、石料丰富，可就地取材，节省大量运输费用，并且综合考虑土坝与其他坝型相比具有的特点，最终选择土石坝。影响土石坝坝型选择的因素很多，其主要的是坝址附近的筑坝材料，还有地形与地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。通过对各种因素进行比较，选定技术上可行，经济上合理的坝型。由于坝址处雨水多，黏土施工较为困难，故也不易采用厚心墙坝和厚斜墙坝。沥青混凝土具有极佳的防渗性能及适应变形能力。故本设计采用沥青混凝土斜墙坝。第二节坝的断面设计土石坝剖面的基本尺寸包括:坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡，防渗体与排水体的形式与尺寸等。1.坝顶高程为防止库水浸溢坝顶，坝顶水库静水位以上应有足够的波浪超高。《碾压式土石坝设计规范》，（SDJ218-84）规定，其值按下式计算：Y=R+e+A（4-1）e=KV2D*cosβ/2gH(4-2)式中：——风沿水面吹过所形成的水面升高即风壅水面超出库水位的高度，m——自风壅水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度，简称波浪爬高，m——水库吹程，km或m——沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时可近似取坝前水深，m——综合摩阻系数，其值变化在（～）×之间。计算一般取×（以km计）或×（以m计）——计算风速，m/s正常运用条件下的Ⅰ、Ⅱ级坝采用＝（～）（多年平均最大风速），正常运用条件下的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝采用＝，非常运用条件下的各级土石坝采用。——风向与坝轴线的夹角，（1°＞）β=0——安全加高，见表正常A=非常A=表堤顶类型及运用情况堤顶级别1234、5安全超高土坝、土堤正常非常混凝土闸坝、浆砌块石闸坝正常非常.正常运用情况下计算坝顶高程D=波浪爬高式中：m=n=A=(查表)则=m=Y正常=R+e+A=++1==坝顶高程=252+=+=m.非常情况下计算坝顶高程非常运用情况下的坝顶超高计算公式与正常情况下的一样，所不同的是风速来用多年平均最大风速V=，坝前水深H==m=m=n=R==mA=（查表）==++=m坝顶高程=+=m综上所述，坝顶高程取二者中最大值Y=m，考虑到上游设置的防浪墙，坝顶高程最终为m，取m，防浪墙高程为，坝高为=m2、坝顶宽度坝顶宽度取决于施工、构造、运行、抗震与防洪等要求。如坝顶设置公路或铁路时，应按交通要求确定。特殊要求时，高坝最小顶宽10m~15m，中低坝为5m~10m。对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求，在寒冷地区，还应使心墙或斜墙至坝面的最小距离大于冻土层厚度，以防防渗体冻坏，本设计坝高为87m，属于高坝且坝顶有交通要求，坝顶宽度为10m。3、坝坡土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、菏载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。由于石料在饱和状态下抗剪强度低于水位下降时渗流力指向上游对上游坝坡稳定不利，既土石坝相同时，上游坡比下游坡为缓；从坝型上看，上游坝坡较下游为缓；从荷载情况上，为适应向底部逐渐增加色特征，坝坡上陡下缓，故土石坝上、下游坡一般做成变坡时，由上至下逐渐放缓，相邻坝坡率差为~,若坝基较弱时，最后一级坝坡宜缓以利于坝坡稳定。综上所述，对拟坝坡时，坡度一般为1:~1:，上游面坝坡从坡顶向下分别在高程为230m,210m,190m.变坡坝坡为：1：，1：，1:，1：。下游面在210m,190m,变坡处设宽为2m马道，坝坡为1：，1：，1：。在设置棱体排水。见图4-24、防渗体设计本设计采用沥青混凝土防渗体，它是有一定级配的碎石或卵石、沙、石料和沥青按一定比例配合并加热搅拌均匀的混合物，经滩铺、碾压达到一定密度变形成防渗体。坝体防渗采用沥青混凝土斜墙，墙顶高程取257m，顶宽不小于，本设计取1m，底部厚度为1/80的坝高，取80×=，上游坡1：，下游坡1：。5、排水设备土石坝防渗体采用沥青混凝土，虽然渗透系数很小，但仍会有一定的渗水，在坝体下游侧设置排水设备，其作用是控制和引导渗流安全的排出体外，降低坝体浸润线和孔隙水压力，增强坝坡稳定保护下游坝坡免受冻涨破坏，排水体由块石及其流层组成，要求其具有充分地排水能力，不堵塞，以保证坝体和坝基不发生渗透破坏，并且便于观测和检修。设计采用棱体排水，初拟定坝顶高程为，棱体排水顶宽根据观测及施工的需要确定，一般不小于1-2m，本设计取4m，棱体内坡由施工条件确定，一般为1:1~1:，本设计取1:，外坡根据坝基抗剪强度和施工条件确定，一般为1:~1:，本设计取1:。第三节土石坝的渗流计算设计说明土石坝渗流分析的任务土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析和稳定分析，为确定经济可靠的坝体剖面提供依据，渗流分析的主要任务是：⑴确定坝体浸润线和下游溢出点的位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据；⑵计算坝体与坝基的渗流量，以计算水库渗漏损失，和确定排水体尺寸；⑶计算坝体与坝基的渗流溢出处的渗透坡降，以验算其渗透稳定性。渗流分析的工况渗流计算时，应考虑水库运行中出现的不利条件，一般需考虑计算下列几种工况：⑴上游正常蓄水位与下游相应最低水位，此时坝内渗流的坡降最大，易产生渗透变形；⑵上游校核洪水位与下游相应最高水位，此时坝内浸润线最高，渗流也最大；分析时，常根据河谷地形情况，选若干、单宽坝坡，按二元渗流问题考虑，坝坡桩号为0+038、0+068、0+098、0+128、0+158、0+188、0+235、0+280。渗流分析的方法土石坝渗流分析的方法有公式计算法（流体力学法、水力学法、有限单元法）流网法和电模拟法，本设计采用水力学法，水力学法建立在一些基本假定上，是一种近似解法，只能求得过水断面上渗流要素的平均值，但其计算简单，且精度一般可以满足工程要求。渗流计算基本假定⑴坝体土料为均质，坝体内任一点在各方向上的渗透系数相同且为常数；⑵渗流二元稳定层流，流动运动符合达西定律：V=KJ（V为渗透流速，K为渗透系数，J为渗透坡降）⑶渗流为渐变流，任意过水断面上各点的坡降和流速相同。水力学分析方法选择水力学方法解土坝渗流问题。根据坝内各部分渗流状况的特点，应用达西定律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均相等。斜墙与截水槽的单宽渗流量为：斜墙与截水槽下游坝体与坝基的单宽渗流量为：式中：、、——分别为防渗体、坝壳材料、河床质砂卵石的渗透系数；、——斜墙与截水槽的平均厚度，m；——斜墙的倾角，（）；——下游坡坡率。由水流连续条件联立求解上两式可求得式中假设：不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；由于砂石料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水位与下游水位相差不是很大，认为不会形成逸出高度；对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不为平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际上不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端为坝址。计算简图总渗流量计算总渗流计算时，一般是根据地形和地基，透水层分布情况，将坝体沿坝轴线分成若干曲边坝段，见图4-1，先计算各坡交界处的坝体单宽渗流量，然后按下式计算全坝的总渗流，：（4-5）式中：……——各坝段长度m……——各坝段交界处的坝体单宽流量表3-1稳定渗流期渗流计算成果表▽上游=252m▽下游=编号桩号LTH1H2K0KKTmA1A2A3hqL⑴0+0000⑵0+05010250×10-102×10-4×10-5×10-6×10-6×10-8×10-850⑶0+1000×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-7×10-750⑷0+150×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-5×10-750⑸0+200×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-3×10-750⑹0+250100×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-3×10-750⑺0+3009×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-5×10-750⑻0+3500×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-7×10-850⑼0+4001179100×10-12×10-4×10-5×10-6×10-7×10-8×10-850⑽0+41212Q=×10-7×[×50++×50++×50++×50++×50++×50++×50++×50+×12]=×10-7×3600×24=表4-2校核水位渗流计算成果表▽上游=▽下游=编号桩号LTH1H2K0KKTmA1A2A3hqL⑴0+0000⑵0+050100×10-102×10-4×10-5×10-6×10-6×10-9×10-858⑶0+1000×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-7×10-750⑷0+150×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-4×10-750⑸0+200×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-3×10-750⑹0+250×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-3×10-750⑺0+3009×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-4×10-750⑻0+3500×10-102×10-4×10-5×10-6×10-7×10-7×10-850⑼0+40011790×10-102×10-4×10-5×10-5×10-6×10-8×10-850⑽0+41212Q=×10-7×[×50++×50++×50++×50++×50++×50++×50++×50+×12]=×10-7×3600×24=渗流稳定结果分析正常蓄水位下渗流稳定分析渗流量：水库每日渗漏量，故能满足防渗要求。渗透稳定：对非黏性土，渗透破坏型式的判别可参考伊斯妥明娜法，根据土体的不均匀系数来判定：时为流土时为管涌时不定根据砂砾料颗粒级配曲线查得；，则；渗透破坏型式为管涌。管涌自上而下渗流的临界坡降公式为：（4-6）式中：——相应于粘粒级配曲线上含量为3％的粒径，——土壤的渗透系数，——土壤孔隙率，初步拟定为对坝基内水平方向产生的临界坡降为：（4-7）式中：——土的内摩擦角，管涌的允许坡降为：(自下而上渗流)（4-8）（水平向渗流）（4-9)式中：为安全系数，根据建筑物级别和土壤类别选用，一般取，，则有：(自下而上渗流)（水平向渗流）渗流逸出点的实际渗透坡降为：(4-10)已知；近似取计算长度则；因为，故满足渗透稳定要求。校核洪水位下渗流稳定分析分析过程同正常蓄水位。第四节土石坝坝坡稳定分析及计算设计说明设计任务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检验坝坡在各种工况下是否安全，断面尺寸是否经济合理。坝坡坍滑失稳滑裂面的形式主要与坝体结构型式、坝基情况和坝的工作条件等因素有关。主要有以下几种：（1）曲线形滑裂面。当为黏性土坝坡时，其失稳滑裂面呈上陡下缓的曲面，稳定计算时常假定为一圆柱面，其在坝体剖面的投影是一个圆弧，称滑弧。滑裂面的位置，如坝基为掩饰或坚硬的土层时，多从坝脚处滑出；当坝基土质与坝体相近或更软弱时，滑裂面可能深入坝基从坝脚滑出。（2）直线或折线形滑裂面。当滑裂面通过由砂，沙砾石等材料构成的无黏性土坝坡时，在坝坡剖面上的投影是一直线或折线。当坝坡干燥或完全浸入水中时呈直线，部分浸水时为折线，斜墙坝上游失稳时，常沿斜墙与坝体交界面滑动。（3）复合断裂面。当坝坡由几种不同性质的土料组成或坝基存在软弱层时，滑裂面往往是由直线和曲线组成的复合型，在黏土为曲线，在黏性土内或软弱层上为直线。计算工况（1）库水位最不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1/3坝高处；（2）上游为正常蓄水位，下游为相应最低水位的下游坝坡；（3）校核洪水位下有可能形成稳定渗流的下游坝坡；（4）施工或竣工期的上下游坝坡；计算方法本设计只针对最大剖面。本设计为无黏性土坝壳材料，故采用折线法对土石坝进行稳定分析计算。控制标准表4·1容许最小抗滑稳定安全系数运用条件工程级别ⅠⅡⅢⅣ正常运用非常运用正常运用加地震.稳定计算基本原理与计算方法属于部分浸水的无黏性土坝坡稳定分析。对于部分浸水的无黏性土坝坡，因水上水下土壤力学性能不同，滑裂面近似为一折面，折点高程大致在水位附近。滑动土体在折点处还形成块间破裂面DE，破裂面的方位当坝基土料内摩擦角大于坝体土料内摩擦角时倾向上游；反之倾向下游。为分析方便取为铅直方向。破裂面作用力P与该面法线的夹角等于土料的内磨擦角，为方便计算，假定P与上滑块底裂面平行。用折线法计算滑动土体的稳定安全系数时，采用“安全的极限平衡法”。所谓“极限平衡”是认为滑动面上的静摩擦力达到最小值。“安全”是指上述极限平衡是在一定安全储备条件下的。假定各滑动面上有相似的安全系数K。滑动面上土料的抗剪力除以K后作为计算抗剪力。设图（5-1）ADC为任一滑动面，折点在D点，块间破裂面DE将滑动土体分为两块，其重量分别为W、W，两块间作用力为P，起方向平行与DC。两块土体底面土料内摩擦角分别为、。由于块BCDE沿DC方向力的平衡可得[见图5-2（a）]P-Wsin+W=0(5-1)由于土块ADE沿AD方向力的平衡得[见图5—2（b）](5-2)联立以上两个公式即可得出以下一元二次方程（5-3）解出一元二次方程即可的到K值3）在上述计算中,水位及、都是任意假定的。为求得最小安全系数,应假设不同的水位和、值。具体计算时,先假定若干个水位和、值具体计算时，先假定若干水位(至少3种个)，在每一水位下假定至少3个，对每个至少假定3个，分别计算出安全系数，其中最小者即为所求坝体稳定安全系数。上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡1.假定上游水位为，按下式计算安全系数计算简图如下：图5-3稳定计算简图（上游水位在坝底以上1/3坝底处的上游坝坡）(1)已知：。为计算方便，上游坝坡m取平均：取单宽，重量W1、W2分别按下式计算：其中：已知:由于：BC=（）×ctg31。-m（）+ND所以：S4=1/2×+×（）=。已知比重G＝，，孔隙率则浮容重为：则将已知数据代入公式有：方程可简化为：即：解（其中值舍去）(2)计算K值计算简图如5-4图5-4稳定计算简图（上游水位在坝底以上1/3坝底处的上游坝坡）已知：由于：BC=（）×ctg33。-m（）+ND所以：S4=1/2×（）=。已知比重G＝，，孔隙率则浮容重为：则将已知数据代入公式有：方程可简化为：即: 利用EXCEL解方程的出在取不同的水深（最少3个）本设计选取分别取不同的计算求得最小的安全系数。用计算如下表5·2:水库水位(m)113113122316535132212112112202113102120表上游水位为在坝底1/3坝高处上游坝坡的安全系数计算表如下根据表的结果可得当上游水位为时时〉[K]=。满足稳定要求其他工况的稳定计算上游为正常蓄水位，下游为最低水位下的坝坡；校核洪水位下形成稳定渗流期的下游坝坡；施工或竣工期的上下游坝坡此几种工况采用圆弧法。基本原理与计算方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（于是也用于非黏性土质坝）。其基本原理是假定滑动面为一圆柱面，将滑动面内土体视为刚体，失稳是该土体绕圆弧的中心旋转，沿坝轴方向取单宽坝段按平面问题进行分析。计算时将滑动面以上的土划分成若干铅直土条，求出各土条对滑弧中心的抗滑力矩之和和滑动力矩之和，二者之比为该滑弧的抗滑稳定安全系数，即(5-5)按是否计及土条间的作用力，圆弧法又分为两种：一是不计土条间作用力的简单方法，又称瑞典圆弧法;二是考虑土条件水平力作用，忽略竖向力作用的简化的毕肖普法。前者计算简单，偏于安全，单精度较差；后者较合理，结果较精确，但需迭代计算，较麻烦。我国规范规定，对Ⅰ、Ⅱ级高中坝以及一些比较复杂的情况，应同时采用瑞典圆弧法和计土条件作用力的方法（如简化的毕肖普法或其他严格的方法）。对于后者，最小安全系数的容许值应比附表五中规定值提高10%左右，对Ⅰ级坝的正常运用情况，安全系数不小于。最危险滑弧位置的确定上述滑动圆弧的圆心和半径是任意选定的，求出的稳定安全系数不一定是最小的。最小安全系数必须经过试算才能得到。如何用最少的试算次数找到最小的安全系数，主要有两种方法。(1)方捷耶夫法。该法最小安全系数的滑弧圆心在扇形范围内，见图5-1。此扇形面积的两个边界为由坝坡中点引出的两条直线，一条铅垂线，一条与平均坝坡线成85°角；另外两个边界为以为圆心所作的两个圆弧，内外弧半径。内外弧半径RR，查附表5-2所示。表5-2R内、R外值表坝坡1：11：21：31：41：51：6R/HR内R外(2)费兰纽斯法该法认为最危险的滑弧的圆心在图4—3所示直线的延长线附近，图中H为坝高、值查附表5-3。表5-3、值表坝坡的坡度1:1:1:1∶（o）26252525（o）35353536上述两种方法，适用于均质坝，其它坝型也可参考。实际运用时常将二者结合应用，即认为最危险的滑弧圆心在扇形面积中线附近，并安以下步骤计算最小安全系数。1）首先定出距坝顶为2H、距坝址B为的点再从坝址和坝顶引出直线和，它们分别与下游坝坡及坝顶成、角，并相交于点，连接直线，再用方捷耶夫法给出，这样即可定出线。2）在线上选取几个圆心O、O、O等，分别作通过B点的滑弧，然后按公式分别计算安全系数K，并按比值将K值标在相应的圆心上，且连成曲线找出最小的K值。3）再通过线上K值最小的点，作的垂线N—N，并在N—N上选几个圆心如O、O等，分别过B作圆弧并计算K，找出N—N上最小值，一般认为该K值即为通过B点的最小安全系数，按比例画在B点[有时为了更精确，还要通过N—N线上K值最小的点再做垂线N—N（图中未画出）求出其上最小K值]4）而后根据坝基土质情况，在坝坡上或坝址外在选数点B、B、B等，同上方法求出最小安全系数K、K、K等并按比例标在B、B、B点上，与B点K连成曲线找K。瑞典圆弧法求坝体稳定安全系数1．基本公式为简化分析，现只考虑自重荷载。对如图4—4，所示的坝坡，以土条为例，其自重，式中为土条高度，为土条宽度，为土壤容重。自重在滑动面上的切向分力起促滑作用，法向分力在滑动面上产生摩擦力体抗滑作用。式中为土条底部重点所在半径与铅直线的夹角，是土条在滑动面处的内摩擦角。滑弧长度上的凝聚力起抗滑作用，为该土条在滑动面处土壤的单位凝聚力。在滑动面上总滑动力为，总抗滑力为，分别对圆心O取力矩，抗滑力矩，则坝坡稳定系数K为K=上式即为瑞典圆弧法的基本公式稳定渗流期坝坡稳定计算当采用总应力法时，由于稳定渗流期土体已经固结，应采用固结不排水剪试验的总应力强度指标、。途中计算时，浸润线以上采用湿容重，浸润线与坝外水位之间采用饱和容重，坝外水位以下采用湿容重见图4—3。则滑弧稳定系数为k但采用有效应力法时，可应用流网确定土条的超静空隙水压力，（为土条地面中心至坝外水面的高差，例如图4—4中土条，），从自重的法向分力中扣除，同时采用有效应力强度指标，则滑弧稳定安全系数为k详细计算如下表格所示瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：正常蓄水位圆心：O1半径：258m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-4212202520-0.10334-3101220744034-221512201152034-1171220148803403212620170400134170400115021281214201608034252122220204003431623531232202424034440124020240003422824744053312502025920346241256202592034712126520262803687620273603697020252003617640105420194403615066112620936036∑表5-4表5-5瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：正常蓄水位圆心：O2半径：248m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-4612204320-0.323344091-3101220888034-21412201236034-1221220150003414955-12150401210201752001341752001182615412182019440342521223202076034346123620240003423280580815714444124420264003454012502027600342525462212602026880342352015876710126820268803422176872202592036950122012000368256871210201220480036∑表5-6瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：正常蓄水位圆心：O3半径：238m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-4212204800-0.33634-381220912034-261412201416034-132127201740034054121420180000134180000121501501222201992034134462501230202280034346124020254403444012482026880341709253212562027840346201264202784034710127020292003483012362020160369421220100803610161220268836∑表5-7瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：校核水位圆心：O1半径：258m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-4212202520-0.10334-3101220744034-21512201152034-1171220148803403212620170400134170400115021281214201608034252122220204003431623531232202424034440124020240003422824744053312502025920346241256202592034712126520262803687620273603697020252003617640105420194403615066112620936036∑表5-8瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：校核水位圆心：O2半径：248m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-4617204320-0.323344091-3101720888034-21417201236034-1221720150003414955-1215040171020175200134175200118261541718201944034252172320207603434617362024000342328058081571444417442026400345401750202760034252546221760202688034235201587671017682026880342217681772202592036950172012000368256871210201720480036∑表5-9瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：校核水位圆心：O3半径：238m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-412217204800-0.33634-32081720912034-2301417201416034-12032177201740034054171420180000134180000121501501722201992034134462501730202280034346174020254403444017482026880341709253217562027840346201764202784034710177020292003483017362020160369421720100803610161720268836∑表5-10瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O1半径：282m土条宽度：20m滑坡位置：上游坡土条编号坝体部分坝基部分度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγh×γhγh×γ-6617102141512362.90-51017170610820576036-4201734010180201080036-3301751016288201536036-2261744220360201656036-1501785022396204154036054179182341420262800136262800160171020223962027360362701711902036020288003628512370171190142522030240364741712581221620309603658217139481442032400363029411502680171360202880036260647821713942029520368761712922027360369701711902025200361940410461778220165603611181730616518436∑表5-11瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O2半径：294m土条宽度：20m滑坡位置：上游坡土条编号坝体部分坝基部分土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγh×γhγh×γ-6617102141512362.676-516172721015920936036-4201734012201152036-3281747616201584036-2321754422201944036-140176802220223203605417918242024480013624480015017850242026640362601710202220295203636817115618203096036220354721712241320309603658017136062030960366172029520367801713602029520368741712582026640369661711222023760361062171054202232036114017680201440036694112101717012360036∑269260表5-12瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O3半径：304m土条宽度：20m滑坡位置：上游坡土条编号坝体部分坝基部分土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγh×γhγh×γ-651785141260362.70-5517858204680364417,92-4141723814201008036-322173741820144003614112-2301751022201872036-1341757828202232036042177142420237600136237600148178162420259203625417918203182026640363621710542031820295203646817115612202880036277925741712588202952036672171224202592036778171326202808036874171258202664036226449661711222023760361924513991106017102020216003611341757820122403612101717012324036∑表5-13瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O1半径：260m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-466204320-0.30836-31414201008036-222162013680369826-13024201944036020181720202088001362088001481720202448036256171820280803636417142028800364741762029520365821720295203668217202808036778172025920368721720208803695817201008036102817201008036∑表5-14瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O2半径：250m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-5910206840-0.40036-2736-42016201296036-32614201584036-22661718201872036-112301720202232036052172020259200136259200160172020280803627017182030240363801714203024036293634841742030240365831720298803611952198986801720302403677417202664036160368561720201603692017207200365184∑表5-15瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：施工期圆心：O3半径：240m土条宽度：20m滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sinαcosαφtgφWcosαWsinαWcosαtgφKhγhγhγ-56202160-0.41736-414820792036-32214201296036-3240-2302020180003617748-3006-118201722202160036050172020252000136252000156172020273603626417202030240363721714203096036774047217202592036582172029520366881720316803615840784172030240368701720252003618774948172017280361296010141720504036∑第五节土石坝细部构造设计根据坝体各部分的工作条件，合理的选择性能相应的石料布置区域。土石坝的构造主要包括坝顶、护坡、防身体、排水体。5．1坝顶为了防止渗体干裂和雨水冲蚀，满足维护和防汛要求，坝顶应做护面。护面宜为柔性的，以适应坝顶变形和及时发现坝体裂缝。护面多采用密实的砂砾石、沥青碎石等，坝顶高程为。为排出雨水，坝顶应做成向两侧或一侧的横坡，坡度为2%—3%，本设计采用3%。坝面末端设纵向排水沟，以汇集坝顶雨水，排水沟尺寸为。坝顶上游设置防浪墙高程为183m。防浪墙用浆砌石建造，墙高。坝顶下游侧设边石，边石采用浆砌石修筑，厚左右，坝面高出路面约，边石内每隔70m设排水孔，以将坝顶排水沟内汇集的雨水经坝面排水沟排至下游。祥图见图6—1。图6-1坝顶细部构造护坡土石坝的上游面要承受波浪淘刷，冰层和漂浮物的撞击，顺坡水流的冲刷等破坏作用。下游坝面受雨水，大风，冻胀干裂，尾水部位的风浪，冰层，动植物等的破坏作用。因此上下游坝面都应设置护坡。护坡范围：上游坝面护至坝底，下游坝面需全部护砌，由坝顶护至排水体顶部。上游护坡：上游采用浇混凝土防冲板护坡。迎水面护坡混凝土板厚。护坡下设垫层分别为厚的碎石和厚的砂砾石。护坡在底部和马道处应适当加厚，并嵌入坝体或坝基。见图6-2.图6-2上游混凝土护坡（单位CM）（2）下游护坡下游护坡采用干砌石，厚度为,下面设厚度为的碎石垫层，护坡范围至排水体顶。见图6-3。图6-3下游干砌石护坡（3）坝面排水为防止雨水冲刷，下游坝面应设置纵横连接的排水沟，沿坝体与岸坡结合处，也设置排水沟以拦截山坡上雨水，纵向排水沟沿马道内侧布置，用浆砌石做成梯形。横向排水沟每隔100米设一条。见图6-4。马道图6-4坝排水体平面图马道排水体排水体设置土石坝防渗后仍有一定量的渗水,故在坝体下游部分还必须设置排水设备,其作用是控制和引导渗流安全地排水出坝外,降低坝体浸润线及孔隙水压力,增强坝坡稳定,保护下游坝坡免受冻胀破坏.排水体由块石及其反滤层组成,要求其具有充分的排水能力,不堵塞,以保证在任何情况下都能自由地向下游排出全部渗水，块石与坝体,坝基结合处的反滤层应安全可靠,以保证坝体和坝基不发生渗透破坏,并应便于观测和坡度修.其常见坝体排水型式有:贴坡排水,棱体排水,褥垫排水,管网式排水及综合排水.综合考虑本设计采用棱体排水.棱体排水可降低坝体浸润线防止坝坡冻胀,保护坝脚免受尾水淘刷.且对坝坡有支撑作用,增强坝坡稳定性,是一种可靠有效应用广泛的排水型式.而且其石料用量大,本地区石料丰富,恰好适用,节约造价.本设计下游坡脚用块石堆成棱体，棱体顶应高出下游水位超出高度应波浪爬高，且对于Ⅰ级坝应不小于并应保证坝体浸润线位于下游坝面冻层以下。本设计取。棱体内坡由于施工条件确定坡度为1：。外坡为1：.具体见图6-5坝体与坝基防渗设计本设计采用沥青混凝土斜墙,将其布置于剖面偏上游处.沥青混凝土材料渗透系数小,容易满足防渗要求,但其抗剪强度低,施工受气候影响大,采用薄心墙式.墙顶高程为181,考虑机械施工要求,墙顶厚度为1m.顶部保护层厚度为,大于当地多年平均最大冰冻厚度1m.两侧边坡取1:，1：。坝基设混凝土防渗墙，厚度1m.土石坝土料的选择土石坝是就地取材的建筑物。筑坝地点大都贮藏着几种土料，因此选择一种或几种土料作为筑坝材料，是设计土坝的一个重要组成部分。根据坝体各部位不同的工作条件，合理选择性能相近的土石料及布置组成，不同的部位对土石料的选择及布置有不同要求。坝壳对土石料要求⑴填筑坝壳的土石料，应具有较好的透水性，以减少坝体内孔隙压力和渗透力⑵具有较高的抗剪强度，以减少坝体工程量。⑶具有一定的抗渗稳定性，不易发生管涌，土石料级配要求好，不均匀系数宜大些。⑷应具有较好的抗震稳定性，不易遇震发生液化。基于上述要求，坝壳材料采用石渣料。防渗体对土石料的要求⑴应具有一定的不透水性，要求渗透系数K<cm/s。⑵应具有一定的可塑性，以适应坝身和坝基的变形而不致产生裂缝。⑶有机质含量<2％（按重量计）；水溶盐含量<3％基于以上要求，本设计防渗体采用沥青混凝土，混凝土标号为排水设施和护