粘土心墙土石坝设计计算书

毕业设计计算书

目录

第一节调洪计算.................................................................-4-

1.1调洪演算的原理概述......................................................-4-

1.2若干假定方案的调洪演算..................................................-5-

1.2.1方案一：Vl=2811m,B=7m..................................................................................-6-

1.2.1.1设计洪水情况.....................................................-6-

1.2.1.2校核洪水情况...................................................-6-

1.2.2方案二：Vl=2812m,B=7m...........................................................................-7-

1.2.2.1设计洪水情况...................................................-7-

1.2.2.2校核洪水情况....................................................-7-

1.2.3方案三：Vl=2811m,B=8m................................................................................-8-

1.2.3.1设计洪水情况....................................................-8-

1.2.3.2校核洪水情况....................................................-9-

1.2.4方案四：Vl=2812m,B=8m...........................................................................-9-

1.2.4.1设计洪水情况...................................................-10-

1.2.4.2校核洪水情况..................................................-10-

1.2.5方案五：Vl=2813m,B=8m.......................................................................-11-

1.2.5.1设计洪水情况...................................................-11-

1.2.5.2校核洪水情况...................................................-11-

1.2.6方案六：Vl=28IOm,B=8m.......................................................................-12-

1.2.6.1设计洪水情况...................................................-12-

1.2.6.2校核洪水情况...................................................-13-

第二节土石坝坝高的确定.....................................................-14-

2.1基本计算原理及计算公式：...............................................-14-

2.1.1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高...........................-15-

2.1.1.1风壅高度......................................................-16-

2.1.1.2波浪爬高......................................................-16-

2.1.2正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高..........................-17-

2.1.2.1风壅高度.......................................................-17-

2.1.2.2波浪爬高.......................................................-17-

2.1.3校核洪水位加非常运用条件下的坝顶高程..........................-18-

2.1.3.1风壅高度.......................................................-18-

2.1.3.2波浪爬高.......................................................-19-

2.1.4正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高加地震安全加高...........-19-

2.1.4.1风壅高度........................................................-20-

2.1.4.2波浪爬高.......................................................-20-

2.2计算结果整理...........................................................-20-

第三节土石料的设计.........................................................-22-

3.1粘性土料的设计.........................................................-22-

3.1.1计算公式.........................................................-22-

3.1.2计算结果.........................................................-23-

3.1.3土料的选用.......................................................-23-

3.2砂砾料设计.............................................................-24-

3.2.1计算公式........................................................-24-

3.2.2计算成果.......................................................-24-

3.2.3砂砾料的选用...................................................-28-

第四节渗流计算............................................................-28-

4.1计算方法................................................................-28-

4.2计算断面与计算情况.....................................................-29-

4.2.1I-I断面：......................................................-29-

4.2.1.1正常蓄水位+相应下游水位......................................-29-

4.2.1.2设计水位与下游相应的水位.....................................-29-

4.2.1.3校核水位与下游相应水位.......................................-30-

4.2.22-2断面：.....................................................-30-

4.2.2.1正常蓄水位+相应下游水位......................................-30-

4.2.2.2设计水位与下游相应的水位.....................................-30-

4.2.2.3校核水位与下游相应水位.......................................-31-

4.2.33-3断面：......................................................-31-

4.2.3.1正常蓄水位+相应下游水位......................................-31-

•1.2.3.2设计水位与下游相应的水位.....................................-32-

4.2.3.3校核洪水位与下游相应的水位....................................-32-

4.3逸出点坡降计算：.......................................................-33-

4.3.1心墙内渗流最大渗透坡降...........................................-33-

4.3.1.1正常蓄水位情况.................................................-33-

4.3.1.2设计洪水位情况.................................................-33-

4.3.1.3校核洪水位情况.................................................-33-

4.3.2逸出点渗透坡降..................................................-33-

4.3.2.1正常蓄水位情况.................................................-33-

4.3.2.2设计水位情况...................................................-33-

4.3.2.3校核洪水位情况.................................................-34-

第五节土石坝边坡稳定分析.................................................-34-

5.1计算方法概述...........................................................-34-

5.2源程序代码简示.........................................................-36-

5.3工况选择与稳定计算成果分析............................................-43-

5.3.1上游坡...........................................................-43-

5.3.1.1施工期水位在1/3坝高处.........................................-43-

5.3.1.2稳定渗流期.....................................................-43-

5.3.1.3水位骤降到死水位2796m...............................................................................-43-

5.3.2下游坡............................................................-43-

5.3.2.1施工期水位在1/3坝高处.........................................-43-

5.3.2.2稳定渗流期.....................................................-44-

5.3.2.3正常蓄水位2822.5m+地震.......................................-44-

第六节土石坝细部结构计算.....................................................-44-

6.1土石坝反滤层的设计计算.................................................-44-

6.1.1防渗体的反滤层：................................................-44-

6.1.2.坝壳与楼体排水，以及地基与棱体排水之间的反滤层的设计........-45-

6.2土石坝护坡设计.........................................................-46-

第七节泄水建筑物的有关计算................................................-46-

7.1隧洞有关水力计算.......................................................-46-

7.1.1进口堰面由线部分（以堰顶为坐标原点）...........................-46-

7.1.2隧洞的水力计算部分..............................................-47-

7.1.3隧洞水面曲线的计算过程.........................................-47-

7.1.3.1计算长度I.................................................................................................-48-

7.1.3.2水面曲线计算..............................................-48-

7.2隧洞的有关尺寸碓定.....................................................-52-

7.2.1出口处断面部分.................................................-52-

7.2.2收缩断面部分：..................................................-53-

7.2.3出口扩散段部分：................................................-53-

7.3出口消能验算............................................................-53-

7.3.1坎顶水深％试算.................................................-53-

7.3.2挑距计算........................................................-54-

7.3.3冲坑深度按下式计算.............................................-54-

第八节施工组织设计........................................................-55-

8.1工日分析...............................................................-55-

8.2施工导流计算...........................................................-57-

8.3封堵日期的确定.........................................................-61-

8.4工程量计算.............................................................-62-

第九节隧洞衬砌内力计算....................................................-63-

9.1基本资料。.............................................................-63-

9.1.1洞身衬砌断面形式及尺寸..........................................-63-

9.1.2设计荷载.........................................................-64-

9.1.3衬砌材料.........................................................-64-

9.2计算方法简述...........................................................-64-

9.3计算....................................................................-64-

9.3.1计算简图及基本原理............................................-64-

9.3.2应力验算......................................................-66-

9.3.2.1按承载能力极限状态设计配筋：.................................-67-

9.3.2.2按正常使用极限状态的验算.....................................-73-

第一节调洪计算

主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。

永久建筑物的洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期是100年；非常运用

（校核）洪水重现期是2000年。设计洪峰流量Q设=1680m3/s（P=l%）,校核洪

峰流量Q校二2320m3/s（P=0.05%。

1.1调洪演算的原理概述

用以峰控制的同倍比放大法对典型洪水过程线进行放大，可以得出设计与校

核洪水过程线.单位洪水过程线中，洪峰流量为120m3/s,设计洪峰流量为1680m3/s,

校核洪峰流量为2320m3/s,继而得出对应的洪水过程线，计算结果如下表1-1-1,

表1-1-2所示:

表1-1-1设计洪水过程线流量

单位洪水过程线流量设计洪水过程线流量（〃尸/$）

1570

250700

31101540

455770

537.5525

628392

722308

817238

913182

1010140

11798

12570

132.535

14114

表1-1-2校核洪水过程线流量

单位洪水过程线流量C〃3/s）校核洪水过程线流量（〃//s）

1596.67

25()966.67

31102126.67

4551063.33

537.5725.00

628541.33

722425.33

817328.67

913251.33

1010193.33

117135.33

12596.67

132.548.33

14119.33

表1-1-3水库高程〜容积〜面积表

高程库容面积高程库容面积

H(m)V(万m3)A(km2)H(m)V(万n?)A(km2)

277010001.2528203670017.15

277514001.652821.43850017.70

278028002.5028234200019.00

278547003.402825462(H)20.50

279067004.5028275090021.80

279595005.752829576(H)24.(X)

2800129007.6028336490026.00

2805170009.2028357000026.40

28102220011.5()2837750(H)28.50

28152860014.2028408160030.35

1.2若干假定方案的调洪演算

可以拟定几组不同孔口宽度B及堰顶高程Vn的方案。堰顶自由泄流公式Q=

。me(2g)"2H3/2可确定设计洪水与校核洪水情况下的起调流量Q调，自Q调开始,

假定三条四条或泄洪过程线，在洪水过程线上可以杳出Q泄，然后求出相应的蓄水

库容V。根据库容水位关系曲线可得相应的库水位H,由三组(Q淤，H)绘制的

Q〜H曲线与由Q=ome(2g)“2H3。绘制的Q〜H曲线相交，所得的交点即为所

要求的下泄流量及相应水位。

1.2.1方案一：VI=2811m,B=7m

3

算出起调流量。起=。小而”三0.860.5027万3奸11.5=522.031m3/s,侧收

H

缩系数£=1_02[5_1)JO+41，HO/B>1时取13k=0.7(圆弧墩头),n=l,故£=0.86。

B

1.2.1.1设计洪水情况

Q设=1680m%,计算Q~H曲线列表如下：

表1-2-1设计情况

假设泄水流量Q淞水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

70028.261437.6012823.944

63030.536439.8762824

56032.878442.2182824.18

Q〜H曲线与Q=Bme(2g严H3〃的交点为：Q泄=627.5m3/s,H=2824m,如图1-2-1

所示。

1.2.1.2校核洪水情况

Q校=2320nP/s,计算Q〜H曲线列表如F：

表1-2-2校核情况

假设泄水流量Q泯水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

773.3351.557460.8972825.014

676.6655.96465.32825.208

58061.451469.8822825.412

Q〜H曲线与Q=Bm€（2g）l/2H3/2的交点为：Q泄=707.5m3/s,H=2825.133m,

如图1-2-1：

B=7堰高2811m

2832

2830

2828

水位(m)―隧$何下刊力曲线

2826-•-设计洪水

校核淡水

2824-**—交点1

T1交点2__________

2822

2820

2818

020040060080010001200

流量:Q(m3/s)

图1-2-1

1.2.2方案二：VI=2812m,B=7m

起调流量。起=刎房=0.860.502772x9.8110.5=455.443m3/s,侧收缩系

数£=1-0.2[5-1)篇+$]员,Ho/B>l时取1,如二0.7(圆弧墩头),n=l,故一0.86。

B

1.2.2.1设计洪水情况

Q设=1680m3/s,计算Q〜H曲线列表如下:

表1-2-3设计情况

假设泄水流量Q/水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

63032.325441.6652824.152

56034.957444.2972824.28

49037.702447.0422824.4

Q〜H曲线与Q=Bmc(2g)“2H3以的交点为：Q.=577.143n?/s,H=2824.2m,如

图1-2-2所示

1.2.2.2校核洪水情况

Q校=2320m3/s,计算出Q〜H曲线列表如下：

表1-2-4校核情况

假设泄水流量Q泄水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

676.6658.464467.8042825.32

58063.425472.7652825.54

483.3368.658477.9982825.77

Q〜H曲线与Q=Bme(2g),/2H3/2的交点是：Q出=657.142m3/s,H=2825.36m,

如图1-2-2所示：

B=7堰制2812m

图1-2-2

1.2.3方案三：VI=2811m,B=8m

起调流量。起•=夕〃3而”'=0.860.5028万而T11.5=596.607m3/s,侧收缩系

H

数£二1一0.2[(〃-1)&+4]请，时取1,如=0.7(圆弧墩头),n=l,故2=0.86.。

1.2.3.1设计洪水情况

Q设=1680m3/s,计算出Q~H曲线列表如下：

表1-2-5设计情况

假设泄水流量Q混水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(D1)

77023.891433.2312823.72

70026.478435.8182823.852

63028.494437.8342823.956

Q〜H曲线与Q=Bm€(2g严守门的交点为：Q«=700m3/s,H=2823.867m,如

图1-2-3所示。

1.2.3.2校核洪水情况

Q校=2320m3/s,计算Q〜H曲线列表如下：

表1-2-6校核情况

假设泄水流量Q淤水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/S)V(10)(10)H(m)

87045.4996454.842824.746

773.3349.281458.6212824.914

676.6653.248462.5882825.088

723

Q〜H曲线与Q=Bme(2g产1的交点为：Qw=784.615m/s,H=2824.867m,

如图1-2-3所示：

B=8堰高28111n

2832—

—■隧洞下泄能力曲线

E2826t-设计洪水

)

w2824—校核洪水

w

T—交点1

一交点2

20

810

50010001500

流量Q(m3/s)

图1-2-3

1.2.4方案四：VI=2812m,B=8m

起调流量。屉=切B而H2=0.860.5028起x9.8110.5=520.506n?/s,侧收缩系

H

数£=1_O.2[5T）A+41，HO/B>1时取13k=0.7（圆弧墩头）,n=l,故『0.86。

B

1.2.4.1设计洪水情况

Q设=1680m3/s,计算得Q~H曲线列表如下：

表1-2-7设计情况

假设泄水流量Q水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

?«(/s)V(10)(10)H(m)

70028.299437.6392824

63030.579439.9192824.066

56032.927442.2672824.236

723

Q〜H曲线与QtBmeQgy/ZH的交点是：Qw=638.46m/s,H=2824.067m,

如图1-2-4所示。

1.2.4.2校核洪水情况

Q校=2320m3/s,计算Q~H曲线列表如下:

表1-2-8校核情况

假设泄水流量Q玳水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

87951.603460.9432825.016

773.3356.015465.3552825.212

676.6660.604469.9442825.414

Q〜H曲线与Q=BmeQgp/ZH?72的交点是：Q»=723.076m3/s,H=2825.067m,

如图1-2-4所示：

B=8堰高2812m

图1-2-4

1.2.5方案五：▽I=2813ni,B=8m

___3_______

起调流量Q起二夕〃3低为3=0.860.5028后两9.5=447.947m3/s,侧收缩系

数£=1-0.2[5-1）篇+$]员,Ho/B>l时取1,如二0.7（圆弧墩头）,n=l,故一0.86。

B

1.2.5.1设计洪水情况

Q设=1680m3/s,计算得Q~H曲线列表如下：

表1-2-9设计情况

假设泄水流量Q/水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

70029.974439.3142824.066

63032.523441.8632824.162

56035.189444.5292824.292

Q〜H曲线与Q=Bmc(2g)"2H的交点是：Q部=580.5n?/s,H=2824.6m,如图

1-2-5所示。

1.2.5.2校核洪水情况

Q校=2320m3/s,计算得Q〜H曲线列表如O

表1-2-10校核情况

假设泄水流量Q泄水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

773.3353.808463.1482825.144

676.6658.648467.9882825.328

58063.747473.0872825.552

Q〜H曲线与Q=BmM2g)i/2H3〃的交点为：Q=668.02m3/s,H=2825.37m,如

图1-2-5所小：

B=8堰高2813m

一隧洞卜.池能力曲线

-•-设计洪水

校核洪水

一交点1

—交点2

020040060080010001200

流量Q(m3/s)

图1-2-5

1.2.6方案六：VI=2810m,B=8m

起调流量。起="心房"5=0.860.5028/^两12.5=676.093m3/s,侧收缩系

数£=1_0.2[5-1)互+£1，Ho/B>l时取13k=0.7(圆弧墩头),n=l,故£=0.86。

B

1.2.6.1设计洪水情况

Q设=1680m3/s,计算得Q〜H曲线列表如下:

表1-2-11设计情况

假设泄水流量Q淤水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

84021.162430.5022823.582

77022.837432.1772823.666

70024.576433.9162823.756

Q〜H曲线与Q=Bme(2g)l/2H3/2的交点为：Q泄=769.23m3/s,H=2823.68m,

如图1-2-6所示。

1.2.6.2校核洪水情况

Q校=2320m3/s,计算Q〜H曲线列表如下:

表1-2-12校核情况

假设泄水量Q泄水库拦蓄洪水水库总水量V水库水位

(/s)V(10)(10)H(m)

87043.37452.712824.652

773.3346.803456.1432824.804

676.6650.338459.6782824.96

3

Q〜H曲线与Q=Bme(2g产卬门的交点为：Qw=861.538m/s,H=2C4.64m,

如图1-2-6所示：

B=8堰高2810nl

2832

283o

2828一一隧洞下泄能力曲线

E2826设计洪水

n校核洪水

2824

T一交点1

2822

一交点2

282o

2818

o

50010001500

流量Q(m3/s)

图126

通过比较，最终选择方案五即▽n=2810m,B=8m。设计洪水时：Q泄

=769.23m3/s,H=2823.68m；校核洪水时：Q«=861.538m3/s,H=2824.64m0

第二节土石坝坝高的确定

2.1基本计算原理及计算公式：

坝顶在水库静水位以上的超高按下式2-1确定：

Y=R+e+A

（式2-1）

式中：Y-—坝顶超高；

R--最大波浪在坝顶的爬高；

e—最大风壅水面高度；

A--安全超高。该坝为二级建筑物，设计时取A=1.0,校核时取A=0.5

坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最

大值：

设计水位加正常运用条件下的坝顶超高；

正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高；

校核洪水位加非常运用条件下的坝顶超高；

正常蓄水位加非常运用条件下的坝顶超高。

波浪的平均波高和平均波周期宜采用官厅公式，下式2-2（W<20m/s,D<20000m）

g%2=0.007W4（g%+

=0.0331卬一而（8%2产

（式2-2）

式中：hm------平均波高，m

Tm一—平均波周期，S

D-----风区长度km

Hm一—水域平均水深，m

W------计算风速,m/s

风壅高度可按下式2-3计算：

KW2Dc

cos

e=-2-g-"-,-〃-p”

（式2-3）

式中：e——计算处的风壅水面高度m；

D----风区长度km；

K——综合摩阻系数3.6X10；

P——计算风向与坝轴线的夹角22.5°（以8个方位角为准，偏差在土

22.50）,为了使坝高取高更合理，取22.5°。

坝顶在水库静水位以上的超高按下式2-4确定：

y=/?+e+A

(式2-4)

式中：y——坝顶超高

R一—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。当来波波向线与坝轴线的法线成夹角时波浪爬高等于按正向

来波计算爬高值乘以折减系数KB,KB应按表A.LI5确定,插值得K8=0.951,用

R二KBXR1%=O.951XR1%,）

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,山区丘陵区校核情况0.5）

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2-5或布•关规定计算：

mW(1.550),&n=用及标。&+而

(式2-5)

2.1.1设计水位加正常运用条件下的坝顶超高

吹程D=15km,风速W=21km/s,坝前水深Hm,73.68m邛=22.5,按下式计算:

=9.81X15000/21=333.673

=0.0076W1/12(gD/W2)1/3

=0.0076X(21尸”2(333.673严

=0.040901

hl()%=1.8387m

=0.331W-1/2,5(gD/W2),/3-75

=0.331X(21尸'2」5x(333.673>375

=03782

Lm=17.00191m

=333.673£(250,1000),,h为累积频率10%的波高hio%

查表A.1.8,h