毕业设计（论文）-粘土斜心墙土石坝设计计算书

2-第二章坝顶高程计算 3.1粘性土料的设计 3.1.1计算公 3.1.2计算结 3.1.3土料的选 3.2砂砾料设计 3.2.1计算公 3.2.2计算成果 4.1计算方法 4.2.计算断面与计算情况 235.3工况选择与稳定计算成果 235.3工况选择与稳定计算成果 28 30第七章隧洞水力计算 7.1设计条件 7.2闸门型式与尺寸 317.3平洞段底坡 31 388.1施工导流计算 主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。正常运用(设计)洪水重现期100年；非常运用(校核)洪水重现期200年。水库运用方式：洪水来临时用闸门控制下泄流量等于来流量，水库保持汛前流态为自由泄流。采用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水进行放大，得出设计与校核洪水过0流量yss上水文站单位过程线0流量拟定几组不同堰顶高程Vn及孔口宽度B的方案。堰顶自由泄流公式定三条泄洪过程线(为简便计算，假设都为直线),在洪水过程线上查出Q泄，并H)绘制的Q~H曲线与由Q=Bme(2g)¹/H³²绘制的Q~H曲线相交，所得交点即为所要求的下泄流量及相应水位。表1-1水库拦蓄洪水水库水位H(m)计算Q~H曲线列表如下：水库拦蓄洪水水库水位H(m)自由泄流0图1-2Q~H曲线与Q=Bme(2g)¹/²H³2的交点为：Q泄=55设计洪水时：Q设=1680m³/s计算Q~H曲线列表如下：水库拦蓄洪水水库水位H(m)Q~H曲线与Q=Bme(2g)¹/²H³2的交点为：Q泄575.0m³计算Q~H曲线列表如下：水库拦蓄洪水水库水位H(m)水库拦蓄洪水水库水位H(m)计算Q~H曲线列表如下：水库拦蓄洪水水库水位H(m)Q~H曲线与Q=Bme(2g)/H³²的交点为：Q泄=760.0m³/s,H=2822.0m起调流量/s设计洪水时：Q设=1680m³/s计算Q~H曲线列表如下：水库拦蓄洪水水库水位H(m)水库拦蓄洪水水库水位H(m)2826.00校核第二章坝顶高程计算风壅水面高度式中e----计算点处的风壅水面高度，m;K----综合摩阻系数，取3.6×10-⁶;β----计算风向与坝轴线法线的夹角，(22.5°)波浪平均波高和平均周期式中h,gD/W²在20～250之间，为累积频率5%的波高h₅,gD/W²在250～1000之间，为累积频率10%的波高h₁,累积频率P的波高h,与平均波高h的比值可由表查到。平均波浪爬高设计波浪爬高值应根据工程等级确定，2级坝采用累积频率为1%的爬高值.正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按下式或有关规定计算：式中Rm——平均波浪爬高K△——斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型查规范得0.781.坝顶超高式中y——坝顶超高R——最大波浪在坝坡上的爬高，m(按规范二级大坝设计情况为1.0,山区丘陵去校核情况0.5)e——最大风壅水面高度A——安全加高(按规范二级大坝设计情况为1.0,山区丘陵校核情况0.5)2.坝顶高程计算结果见表2-1表2-1坝顶高程计算成果图正常+正常运项目设计+正常运用用校核+非常运用正常+非常运用+地震上游静水位河底高程坝前水深Hm风向与坝轴线夹角β风速w平均波高hm护坡粗糙系数K△上游坝面坡脚m经验系数k1111平均波浪爬高R1%波浪爬高Ris安全超高A111风浪引起坝前壅高e超高y坝顶高程坝高坝顶高程沉陷后沉降后坝高坝顶高程2829m,坝高79m。粘土斜心墙土石坝设计第三章土石料的设计3.1粘性土料的设计3.1.1计算公式粘性土料的填筑密度以压实干容重为设计指标，并按压实度确定：Y——设计填筑干容重；Yom——标准击实试验最大干容重。对I、Ⅱ级坝和各种等级的高坝P应不低于0.98～1.00;对Ⅲ、IV、V级坝(高坝除外)应不低于0.96～0.98。设计最优含水量取在塑限附近略高于塑限，可用下式拟定：式中w。——土料的塑限含水量，以小数计；Ip——土料的塑性指数，以小数计；IL——土料的液性指数，亦称稠度，高坝可取-0.01～0.1,低坝可取粘性土料实际所能达到的设计干容重为：式中：V——压实土体单位体积中的含气率，粘土0.05,壤土0.04,砂壤土0.03;要乘以m才可作为设计干容重。再用下式校核粘性土料设计的计算成果见表3-1。上下游共有5个粘土料场，储量丰富。因地理位置不同，各料场的物理性质，力学性质和化学性质也存在一定差异，土料采用以“近而好”为原则。粘粒含量为15%~40%之间，均满足。规范指出粘土的渗透系数大于10×10⁶cm/s,所有料场均满足要求。可溶盐含量都不大于3%,1"上的有机质含量为2.20%,大于规定的2%,故不予采用。2"下和2#上的塑性指数大于20%和液限大于40%,根据规范不能作为坝的防渗体材料。3"下的渗透系数比1"下的小，防渗性能好，最大干容重比1"卡的大，压缩性能好，且3#卡的填筑含水量比天然含水量小，施工时只需加水，故选3#下为表3-1粘性土料设计成果表料场最大容重)含水量(%)设计干容重塑限塑性指数填筑O自然孔隙比E湿容重)浮容重m3)液限系数有机含量1#下72"下561#上662"上43#下坝壳砂砾料填筑的设计指标以相对密实度表示如下：式中：emx——最大孔隙比0.7857;emin——最小孔隙比0.36986(n=0.44,nai=0.27,e=n/(1-n))e——填筑的砂、砂卵石或地基原状砂、砂卵石的孔隙比；ra——填筑的砂、砂卵石或原状砂、砂卵石干容重。设计相对密实度D.要求不低于0.70～0.75;地震情况下，浸润线以下土体按设计烈度大小D.不低于0.75～0.80。砂砾料的计算成果见表3-2和表3-3。表3-2砂砾料计算成果汇总表场不均匀系数Cu>5mm砾比重天然孔隙比相对密实度D设计干容重Y设计孔隙比e.1"上2上3"上1#下2"下3#下4#下表3-2续料场湿容重。浮容重内摩擦角φ粘聚力C1"上502"上503#上50501"下502"下503#下504#下50沙砾颗粒级配沙砾颗粒级配0◆3#下第四章渗流计算渗流计算应包括以下内容：1.确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及其坝基内的等势线分布图2.确定坝体与坝基的渗流量；3.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；4.确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置空隙压力；5.确定坝肩的的等势线、渗流量和渗透比降.渗流计算应包括以下水位组合情况：1.上游正常蓄水位与下游相应的最低水位2.上游设计水位与下游相应的水位3.上游校核水位与下游相应水位选择水力学方法解决土坝渗流问题。根据坝体内部各部分渗流状况的特点，将坝体分为若干段，应用达西定律近似解土坝渗流问题。计算中假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。通过防渗体流量：通过防渗体后的流量：假设：1)不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；2)由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会形成逸出高度；3)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，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝趾。对河床中间断面I-I以及左右岸坡段各一断面Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ三个典型断面进行渗流计算，断面的简化图见附录，计算按正常蓄水和设计洪水两种情情况进行。粘土斜心墙土石坝设计正常蓄水位2823.6m下游相应的最低水位为2752.2mK=3.0×10⁻⁶cm/s,K₂=1.0×10⁻⁷cm/sK₁=2.0×10²cm/sK-取2.0×10²cm/sT₁=2.2mT=32mδ=19.6mL=212.96mLH=74.7mT₁=5.3m(2755.L=212.96mL1=195上游坝底高程取在2752m处，下游坝底高程取在2802m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2790m,坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深4m。(1)正常蓄水位+相应下游水位K=3.0×10⁻⁶cm/s,K₂=1.0×10-⁷cm/sK₁=2.0×10²cm/sK-取2.0×10²cm/sδ=12.9mL1=100.35m(2)设计水位与下游相应的水位(3)校核水位与下游相应水位Ⅲ-Ⅲ断面：上游坝底高程取在2790m处，下游坝底高程取在2763m处，经简化近似等效为上下游坝底高程均在2775m,坝与地基的接触面近似为一水平面，覆盖层深28m。(1)正常蓄水位+相应下游水位K=3.0×10⁻⁶cm/s,K₂=1.0×10⁻⁷cm/sK₁=2.0×10²cm/sK-取2.0×10²cm/sδ=14.8mL(2)设计水位与下游相应的水位(3)校核洪水位与下游相应的水位K,=2.0×10⁻²cm/s,KB=1.0表4-1渗流计算结果汇总表计算项目正常蓄水位设计洪水位下游水深T1000000逸出水深H1各种工况下渗流逸出点坡降计算成果如表4-2:表4-2逸出点渗透坡降成果表情况正常设计校核第五章大坝稳定分析土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载等作用下，若剖面尺寸不当或本设计中的稳定分析，主要指边坡的抗滑稳定。稳定分析计算的目的在于分析坝坡在各种不同工作条件下可能产生的失稳形式，校核其稳定性。以简化折线滑动法为理论基础，假设滑动面只在坝壳中，而防渗体不连同坝壳一起滑动，如图5-1所示。图5-1稳定计算图滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的，其安全系数表达方式为：式中：F即为安全系数，tanφ为试验得到的抗剪强度指标。图中0点为坐标原点，水平向坝坡向为X轴，竖直向上为Y轴建立直角坐标系统。假设滑动面的三点A、D、C(按一定步长确定这三点的坐标),且滑动面不会切到心墙。其中A点在坝脚斜坡面上移动，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。计算中把滑动土体ADC(构成的滑动面)分成三个滑块，P为相邻两土体滑面上的作用力。计算时先假设不同的安全系数F,从第一条土块的平衡条件中求出P,然后将其作用在第二块上，求出P,再作用在第三块上，看求出P3是否0,如不平衡则重新假定安全系数，重复上述步骤，直到3为0,此时的F即为该滑动面的安全系数。其中，在水位以上的土体所受的重力，用面积乘以天然容重，水位以上，由应土体的重量，所有力都可以简化到形心处，只考虑力的平衡，不考虑力矩的平设计中为简化程序起见，还进行了以下假定：滑面ED、PQ铅直，条间力Pi,kcAsSingle,xd_fAsSingle,yd_fAsSingleIfIfText_am.Text=7ElseIfText_am.TextElseIfText_am.TextEndIfEndIfIfText_D.Text=""OrText_H.Text=""OrText_WH.Text=""OrText_m.Text=""OrText_R.Text=""OrText_RF.Text=""OrMsgBox"请正确输入计算所需数据!",48,"错误提示"Ifxa+(H-ya)/Tan(a2)<xc_maxThenxc_max=xa+EndIfIfxd<>xcThenal=AtnIfWH<yaOrWH=yaTW1=((ye-yd)*(xb-xd)+W2=(ye-yd)*(xdElseIfWH>yaAndWH<ydOrW2=((xg-xf)*(WH-ya)*R-xf)*(ye-WH)+(ye-yd)*ElseIfWH>ydAndWH<yeOW1=(((ye-WH)*(xb-xd)+(xc-xb)*(H-WH)+(xg-xd)*(H-WH))*R+(xg-xd)*(WH-yW2=((xd-xf)*(ye-WH)*R-xf)*(WH-ya)+(WH-yd)*(ElseIfWH>yeThenxg=xd+(WH-yd)/Tan(al)W1=(((xg-xf)+(xc-xbWH)*R+((xg-xf)*(WH-ye)+(ye-yd)*(xg-xd))*RF)/2W2=(ye-yd)*(xd-xa)*RF/2EndIfIfOption1.Value=TrueTa=W1*Sin(a1)*Cos(al-a2)+W2b=-W1*Cos(al)*Cos(al-a2)*0-W1*Sin(al)*Sin(al-a2)*0.71-W2ElseIfOption2.Value=TrueThenIfxc=xbThenh2=(ye+yd+EndIfIfH<40OrH=40Ifh1<0.6*HOrh1=0.6*HAlf1=1+-0.6*H)/(0.4*H)*(amEndIfIfh2<0.6*HOrh2=0.6*H-0.6*H)/(0.4*H)*(amEndIfEndIfab=-W1*Cos(al)*Cos(al-a2)*0-(W1*Sin(al)+F1*Cos(a1))*Sin(al-a2)*0.71-W2EndIfIfk<kcThenEndIfEndIfNextxcNextydNextxdNextxa坡度1:"&Str(m)&"时，滑坡面折点坐标为"&"("&Str(xd_f)&","&Str(yd_f)EndIfPrivateSubCommandText_H.TextText_m.Text=Text_R.Text=PrivateSubForm_Unload(Cancel稳定计算中需选取不利工况和不利部位进行稳定计算，本设计中对上下游坡分别计算以下不同工况下的安全系数：计算成果见表5-1。表5-1各种工况上下游坝坡稳定计算成果部位组合情况上游坡正常蓄水位+地震下游坡正常蓄水位+地震反滤层的设计要满足两个条件：(1)滤土要求；(2)排水要求。6.1.1防渗墙的反滤层：按照规范被保护土是粘性土，小于0.075mm颗粒含量71%,在40%到85%之间。由排水要求：D₁₅≥4d₁5,且要满足D₁₅≥0.1mm(6-2)第一层反滤料从已经探明的料场中可以发现只有1*下满足要求，D₁₅=0.6。第一层反滤层与坝壳之间：45.8%>40%,按规范要求取5mm以下的细颗粒(满足C<5)的d₈5,d₁₅反滤层所保护的为无粘性土，不均匀系数为C=39.81072>8,5mm的含量为45.4%>40%,按规范要求取5mm以下的细颗粒(满足C<5)的d₈5,d₁₅作为计算d₈5=2.29d₁₅=0.5756.1.2护坡设计：本工程采用开挖出的石料作为护坡材料，砌石护坡在最大浪压力下所需要的球形直径和质量，平均粒径平均质量和厚度的计算式中m=2.75,取K,=1.35,hp----累计频率5%的波高2.096mPk----块石密度，取全分化玄武岩密度为1.66g/cm³。带入数据计算得D=1.238m本工程运行中，设计水位：V设=2824.7m,设计泄洪流量：Q设=770m³/s堰顶高程V=2811m,堰宽B=8.0m。进口堰面曲线(以堰顶为坐标原点)采用WESI型堰面曲线，坝面铅直，方程为：式中Ha——定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax的75%～95%计算Ha=(2825.6-2811)×(75%～95%)=10.95K,n——与上游面有关的系数和指数，,当坝面铅直时，K=2.0,n=1,850上游连接段采用三圆弧法：堰面曲线与直线交点为(8.85,3.42)直线与反弧段交点为(73.81,49.82)反弧段终点高程为2752.19m平洞段长364.82m.7.2闸门型式与尺寸工作闸门及检修闸门均采用平板门，设在进口处。闸门宽8.0m,闸门高度14m闸门高度=正常蓄水位-堰顶高程+浪高=2823.6-2811+1.1=13.7m取14m洞身断面型式和尺寸=2825.6-2811+1.6=16.2取16.5m平洞段7m×8m7.3平洞段底坡式中n——糙率系数取0.014C——谢才系数7.4隧洞水面曲线的计算：式中：H——堰前总有效水头；H=73.6mφ——流速系数；实用堰上自由出流长度较长，取0.95he——反弧段最低点水深计算得平洞起始断面(反弧段最低点)水深经试算hc=h₁=3.51m。已知渠首水深h₁=3.51m,以此断面作为控制断面，假设一系列的下游断面水深h为3.6m,3.7m,3.8m,3.9m,4.0m,4.1m,4.2m,4.3m,4.4m,4.5m,4.6m,4.7m,应用式逐段向下推算，即可求得各相应流段的长度△s,然后再根据已知的渠道长度L=364.82m,求渠末水深h,具体计算如下：已知第一流段断面1和2水深分别为h₁=3.51m,h₂=3.6m求流段长度△s。计算时取α₁=α₂=1.1,步骤如下：①计算断面1和2的断面单位流量E₁和E,已知h₁=3.51m,V₁=Q/A₁=860/7/3.51=35同样可算得h₂=3.6m,v₂=34.13m/s,E₂=68.90m②计算平均水力坡度Jv=(v₁v₂)/2=(35.00+34.12)/2=34.断面1的湿周X₁、水力半径R₁、谢才系数C分别为：R=A₁/X1=7*3.51/(7+2*3.51C₁=(1/n)(R₁)/⁶=78.411以第I流段长度处△s₁=31.63m的水深h₂=3.6m作为第Ⅱ流段的控制面水深，再假设h₁=3.7m,重复上述的计算过程，又可求得第二流段的长度△s₂。如此逐段计算，即可求得各相应流段的长度及累加长度∑△s计算结果见水面曲线计算表整理得出平洞段水面曲线，见表7-1表7-1平洞段水面曲线0由于隧洞泄流时流速较大，应次必须考虑高速水流掺气的影响。掺气后的水深按计算得掺气后平洞段的水面曲线见表7-2表7-2掺气后水面曲线V平4.5504.5027.3027.0027.151.971.981.9780.010.064.7940.8846.2945.4316.49355.274.5704.5027.3026.8827.091.971.981.9880.030.0641.7940.5246.2945.0923.08361.864.5804.5027.3026.8227.061.971.981.9880.040.0641.7940.3446.2944.9226.37365.154.6004.5027.3026.7127.001.971.991.9880.060.0641.7939.9946.2由于隧洞泄流时流速较大(最大达35m/s),应次必须考虑高速水流掺气的影响。掺气后的水深按以下公式计算：式中：V、R——为不计掺气时断面的平均流速和水力半径；Ha——考虑掺气后的水深。K——掺气系数取0.0081按上式计算结果如表表7-4掺气后水面曲线计算成果04隧洞断面尺寸洞身断面尺寸要满足以下两个条件：1、高宽比1~1.5;2、S静/S总=15%～30%。(1)对于出口处断面：S/S总=20.4%满足要求；H/B=7.96/7=1.14满足要求。(2)对于收缩断面：H/B=7.96/7=1.14满足要求。(3)对于出口扩散段：为减少出口单宽流量，利于消能，隧洞出口设扩散段。因流速较大，