斜心墙土石坝初步设计

中文摘要 某江河位居于我国西南地区，在该江中上游建造以斜心墙土石坝为挡水建筑物的水利枢纽。水利枢纽以防洪为主要任务，以发电、灌溉等为该地区创造经济价值。本毕业设计侧重于拦河坝段斜心墙土石坝的挡水建筑的初步设计。 首先，应用该枢纽的各项具体数据，来确定出工程等级和建筑物的等别。调洪 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 初步拟定后，应用列表计算来确定出设计洪水位、校核洪水位、设计泄洪量、校核泄洪量。随后针对土石坝各种坝型方案进行定性分析比对，最终选择斜心墙土石坝。 初步拟定出斜心墙土石坝的剖面尺寸后，取其三个特征剖面进行渗流计算，校核渗透逸流处的渗透坡降是否满足要求。本毕业设计采用折线法的VB编程进行斜心墙土石坝的稳定分析。最后，对坝体的细部构造进行设计。 本设计以《碾压式土石坝设计规范DL/T5395-2007》为基本设计依据。此外参考了与土石坝的有关资料和书籍。由于知识有限，对于本设计中的不妥及错误之处，恳请批阅批评指正。 关键词：斜心墙土石坝 渗流计算 稳定分析 毕业设计 Abstract A river in southwest China ranked, built oblique core embankment of retaining water control structures in the upper reaches of the river. Water Control flood control as its main task to generate electricity and irrigation in the region to create economic value. The graduation project focused on the preliminary design of the ramp core embankment dam section of retaining the building. First, the application of the specific data of the hub, to determine the level of engineering and buildings, etc. do not. After the flood program tentatively, the application list calculations to determine the design flood level, check flood level, the design discharge volume, checking flood discharge. Followed by a qualitative analysis of the various dam embankment dam type scheme comparison, the final choice oblique core embankment. After the initial development of the cross-sectional size of the oblique core embankment, whichever of the three characteristic profiles in seepage calculation, osmotic gradient at check permeate slip meets the requirements. The graduation project using VB programming dogleg method of stabilization analysis of oblique core embankment. Finally, the detailed structure of the dam design. The design "roller compacted embankment dam design specifications DL / T5395-2007" as the basic design basis. Further reference to relevant information and embankment dams and books. Due to limited knowledge, for this design is wrong and wrong, urge marking criticism. Keywords: Inclined Core dam seepage calculation stability analysis graduation 目 录 1绪论 2第一章 工程概况 21.1 工程流域概况 21.2 当地气候特征 21.3 洪峰流量资料 21.4 坝址地质资料 31.5 地震资料 31.6 建筑材料 31.7 交通状况 31.8 枢纽特征 31.8.1 水库情况 31.8.2 发电 31.8.3 防洪 31.8.4 灌溉 6第二章 坝型选择及枢纽布置概述 62.1 坝型的选择 72.2 枢纽的总体布置 72.2.1 挡水建筑物 72.2.2 泄水建筑物 72.2.3 水电站建筑物 8第三章 洪水调节计算 83.1 工程等别及建筑物等级的判定 83.2 洪水 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的确定 83.3 泄洪方式的确定 93.4 调洪演算 93.4.1 初步方案的拟定 93.4.2 洪水调节计算的原理 93.4.3 调洪计算表 123.4.4 将拟定的三组方案的计算结果汇总作比较 133.4.5 方案的选择 14第四章 大坝剖面设计 144.1 土石坝坝型的选择 144.1.1 堆石坝 144.1.2 均质坝 144.1.3 斜墙坝和心墙坝 154.1.3 斜心墙坝 154.2 土石坝剖面尺寸的拟定 154.2.1 坝顶高程 224.2.2 坝顶宽度 224.2.3 坝坡 224.2.4 坝体排水 234.2.5 坝体防渗体 234.2.6 坝基防渗 234.3 土料的选择 234.3.1 防渗体土料的选择 244.3.2 坝壳沙砾料的选择 244.4 土石坝剖面简图 25第五章 渗流分析 255.1 渗流分析的任务 255.2 渗流分析 315.2.4 渗流计算结果总汇 315.2.5 总渗流量的计算 325.3 土石坝的渗透变形形式 325.3.1 渗流稳定计算 345.4成果分析与结论 35第六章 稳定分析 356.1 坝坡滑裂面形式 356.2 土石坝荷载情况 356.3 计算工况及安全系数 366.4 计算方法概述 376.5 计算成果与分析 376.5.1 上游坝坡 386.5.2 下游坝坡 386.5.3 附图 396.5.4 稳定计算成果与分析 40第七章 土石坝的细部构造 407.1 坝顶布置 407.2 防渗体及排水设施 407.3 护坡设计 427.4 细部构造详图 457.5 大坝安全监测 457.5.1安全监测目的及原则 457.5.2监测项目 457.5.3监测资料整编分析 46总 结 47附录1 稳定计算源代码 53附录2 GeoStudio计算结果 56谢 辞 57参考文献 绪论 本设计中，设计者是独立的完成斜心墙土石坝初步设计的。遵循着设计规范，参照以建造完成的斜心墙土石坝的经验，对斜心墙土石坝进行创造性的设计。设计者通过认真的讨论、精密的计算以及精心的绘图表述了整个斜心墙土石坝的设计过程。本设计着重于大坝剖面尺寸的制定、渗流稳定计算、边坡稳定计算以及土石坝细部构造设计等章节的叙述。 分析基本资料并从其中找到有利于设计的数据及条件是一个设计者的应有的筛选能力。严谨认真的态度是设计人在设计中必须要秉承的。本设计的目的是培养培养学生使用有关设计规范、手册、参考文献以及分析计算、绘图、概算和编写设计说明书等项能力，使学生了解我国现行基本建设程序，建立工程设计的技术性和经济性的正确观点。 本设计是西南地区某水利工程土石坝初步设计，经过论证设计选用斜心墙土石坝坝型。斜心墙土石坝结合了心墙土石坝和斜墙土石坝的各项有点。斜心墙土石坝具有适应地形地质能力强、抗震性能优良、施工受到气候干扰小等特点，适应能力强，适合建在温差大、降水频繁、地质条件差的设计工况坝址处。 新中国成立后，我国水利事业得到迅速的发展。历年来兴建完成的水利枢纽除了控制水灾来保证人民切身安全及利益外，在发电、灌溉、交通等方面发挥了巨大的效益，推动了国民经济的增长和社会的进步。长江三峡水利枢纽的完工圆了中国人近一个世纪的梦。长江三峡水利枢纽集防洪、发电、航运、南水北调、养殖、旅游、生态保护、供水灌溉、净化环境、开发性移民等十大效益于一体，其中每项效益都甚是巨大。就其环境保护来讲，相比同等发电量的火电站，每年少排放1.2亿t二氧化碳、200万t二氧化硫、37万t氮氧化合物、1万一氧化碳以及大量的废水和废渣。可见其综合效益是无可替代的。 近年来斜心墙土石坝在国内发展迅速。自1991年9月开始兴建至2001年底竣工的黄河小浪底土石坝水利枢纽就是斜心墙土石坝的典型代表。工程建成后，以防洪、防凌、减淤为主，兼顾着供水、灌溉和发电，是综合效益较强的水利枢纽。据统计，我国水资源开发量仅为总开发量的十分之一以及江河的防洪能力，同时与发达国家水平有一定距离，故在我国水利水电建设事业任重而道远。 第一章 工程概况 1.1 工程流域概况 我国西南地区的某江河，自东南向西北的流向，全部长度122千米，流域面积2558平方千米，有780平方千米的流域面积处于坝址处以上。 山岭地带，山脉和盆地交织于其间，地形变化猛烈。支流不少，但多为小山区流域的河道。柔软的沙岩、页岩、玄武岩及石灰岩的风化层分布在地壳。汛期来临时河道内河水携带着大量的泥沙。同时冲积层较厚，两岸有崩塌现象。 1.2 当地气候特征 年平均气温约为12.8度，在7月份会有30.5度的最高气温，在1月份气温最低可达到-5.3度。本区域的气候特征是冬干夏湿，每一年11月至次年的4月格外干燥，其相对湿度为45~62％之间，夏天降雨天数不少，相对湿度很大变化范围为67~86％。多年均衡降水量为900毫米，实测出1256毫米、652毫米分别是降雨量最多年份和降雨量最少年份的降水量。 风力和风向情况。一般1~4月风力较大，实测最大风速为19.1 m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库吹程为15千米。实测多年平均风速14m/s。 1.3 洪峰流量资料 实测分析后，不同频率的洪峰流量如下表1-1。 表1-1不同频率洪峰流量（秒立米） 频率 流量 1.4 坝址地质资料 坝址位居该江中游地段的峡谷地带，高山深谷的地貌特征，河床平缓，两岸高山耸立。 玄武岩是坝址地层的主要成分，地层中间有少许的火山角砾岩和凝灰岩。 河床有冲积层。卵砾石类土是冲积层的主体成分，砂质粘土与砂质土的含量极少。冲积层沿河谷内分布，其中坝基部最大厚度的冲积层达到32米，一般为20米左右，靠岸边的至少有几米深的冲积层。 1.5 地震资料 本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。 1.6 建筑材料 坝址附近供建坝材料丰富，主要分石料和土料。 石料场中储量较丰富的坚硬的玄武岩可作为堆石坝石料，石料场距离坝址不远，覆盖层很浅，开采条件非常好。土料分布于坝址附近的各个料场，其详细资料见表1-1、表1-2、表1-3。 1.7 交通状况 铁路干线距离坝址的下游有120千米，且坝址附近20千米通有高速公路，交通尚称便利。 1.8 枢纽特征 1.8.1 水库情况 正常蓄水位为2822.5米，汛限水位为2822.5米，死水位为2796.0米，坝址处河底高程2765米，库容454500000立方米。 1.8.2 发电 发电站多年平均发电量是1.05亿度。本电站总装机24MW，装3台8MW机组。 1.8.3 防洪 洪水来临时，大坝可抵抗100年一遇和2000年一遇的洪水，大大降低了库区下游受到洪水的威胁。泄洪时最大下泄流量为900秒立米。 校核洪水位不得超过正常蓄水位的3.5米。 1.8.4 灌溉 增加保灌面积1.5万亩。 表1-1 土料数据 表1-2 砂砾料的颗粒配级 颗粒 直径 料场 300 ~ 100 100 ~ 60 60 ~ 20 20 ~ 2.5 2.5 ~ 1.2 1.2 ~ 0.6 0.6 ~ 0.3 0.3 ~ 0.15 <0.15 1#上 5.2 18.6 21.4 12.3 18.6 13.9 5.4 4.6 0.3 2#上 4.8 17.8 20.3 14.1 17.8 14.8 4.6 5.3 0.5 3#上 3.8 15.4 18.5 15.3 16.4 20.5 3.5 6.2 0.4 4#上 6.0 18.3 19.4 16.4 15.6 16.7 4.8 2.5 0.3 1#下 4.5 14.1 20.1 23.2 14.9 7.2 8.6 7.2 0.2 2#下 3.9 19.2 22.4 18.7 19.1 8.3 5.7 2.8 0.1 3#下 5.0 23.1 19.1 14.2 18.4 8.9 6.3 4.1 0.9 4#下 4.1 22.4 18.7 14.1 17.9 14.4 4.1 3.6 0.7 表1-3 砂石料的物理数据 名称 1#上 2#上 3#上 4#上 1#下 2#下 3#下 4#下 容重kN/m3 18.6 17.9 19.1 19.0 18.6 18.5 18.4 18.0 比重 2.75 2.74 2.76 2.75 2.75 2.73 2.73 2.72 孔隙率% 32.5 34.7 31.0 31.5 32.5 32.2 32.5 33.8 软弱粒% 2.0 1.5 0.9 1.2 2.5 0.8 1.0 1.2 有机物 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 淡色 注：砂砾石料的渗透系数k值为2.0×10-2米/秒左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。 第二章 坝型选择及枢纽布置概述 坝型的选择与枢纽布置密切相关。针对相同的坝址可能有不同的坝型和枢纽布置方案。结合地形、地质，水利，等条件，拟定出不同坝型的各种枢纽布置方案要符合水利枢纽的综合利用要求。经过多方面的比较，选取出最适宜的坝型和相应的枢纽合理布置。 2.1 坝型的选择 坝型选择是大坝设计中的首要问题，整个枢纽的工期、投资和工程量等都会因为坝型的选取不一样而产生差异。坝型选择会受到地形、地质、气候、坝高、筑坝材料、施工以及运行条件等重要因素的影响。 水利枢纽中的拦河坝的型式主要有：重力坝、支墩坝、拱坝、土石坝及新型坝型如碾压混凝土坝等。上述坝型需要进行地形、地质条件和材料储备情况的比对，制定出最适宜的坝型。 （1）重力坝 重力坝对地形地质条件的适应性能比较好，比较简单的坝体结构使坝体抗冲刷能力变得很强。大量的材料使用降低了坝内压应力，但材料强度不能充分发挥。坝体与地基的接触面大，导致坝体受到扬压力也大，对坝体的稳定不利。重力坝需要浇筑混凝土方量很大，混凝土水化产生的热量高，散热措施难度大。 较高的混凝土重力坝要求建在岩性地基上，本工程地基承载能力较低，地质条件差、已知弱风化岩与混凝土之间的摩擦系数较小，因此不宜选用建造重力坝。 （2）支墩坝 支墩坝是由支墩和所支承的上游挡水盖板所组成。支墩坝结构较复杂，本身应力较高，对地基要求也很高，尤其是连拱坝不能适应不均匀的地基变形，对地基要求更为严格，支墩坝的侧向稳定性差，其抗侧向倾覆能力较差。而本工程地基强度低，且不完整，易产生不均匀沉陷，且坝区有7级地震。所以本工程不选用支墩坝的型式。 （3）拱坝 拱坝是三面固结于基岩上的拱向上游凸出且不设永久性分缝的空间壳结构，属于高次超静定结构。它的工作特点：水压力的全部或部分作用力通过拱的力传递作用传递给河谷两岸的基岩，以便拱坝维持稳定。 拱坝是不设永久性横缝的整体超静定结构，设计时必须考虑坝体应力会受到地基位移和温度变化的影响。另外，拱坝的设计施工难度大，对施工的质量、防渗要求和筑坝材料强度，以及对地质地形条件及地基的处理要求都比较高。因此本设不考虑拱坝的坝型。 （4）土石坝 结构简单、造价低廉的土石坝工作性能可靠，其运行的操作及管理比较方便。按照施工的进度，土石坝能适应不同的施工方法，高效率施工的同时土石坝的质量可以得到保证。土石坝的筑坝材料可以就地取材，大量钢材、水泥、木材等得到了节省，降低了工程量和成本。 适应地形变形能力强是土石坝一大特点，土石坝的三立体结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝的低。 土石坝坝型的缺点也很多。它的工程造价会因为施工导流不如其它坝型方便而增加。此外，土石坝需另开泄洪隧洞或溢洪道因为土石坝的坝顶不能溢流。 综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素进行坝型的定性分析，最终选择土石坝方案。 2.2 枢纽的总体布置 2.2.1 挡水建筑物 挡水建筑物即为土石坝，土石坝按直线布置，坝布置在河弯地段上。 2.2.2 泄水建筑物 泄洪采用隧洞方案。泄洪隧洞布置在凸岸以达到缩短隧洞长度、减小工程量的目的。为了对坝区流域的流态不产生大的影响，水流经隧洞流出必须直接入主河道。同时泄洪隧洞要以远离坝脚和厂房为原则进行布置，电站引水发电洞要布置在凸岸。水流的进出口相距30~40m以上，以达到减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚的目的。 2.2.3 水电站建筑物 在泄洪隧洞与大坝之间布置引水隧洞和电站厂房，其位置位于凸岸。在开挖后的坚硬玄武岩上设置厂房，厂房附近设置开关站。 总之，为了确保工程效益达到最理想值，枢纽布置的考虑因素涉及到方方面面。枢纽布置要以综合效益最大，有害影响最小为宗旨，综合防洪、航运、发电、灌溉等部门的经济效益以及库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等因素进行考虑。 第三章 洪水调节计算 3.1 工程等别及建筑物等级的判定 本工程正常蓄水位对应的水库库容为454.5×106 m3，装机24MW。按照规范由水库总库容指标，定为大（2）型；由防洪效益，灌溉面积，装机容量等指标定为小（1）型。工程的规模应按照“各指标分属不同标准时，采用其中最高级别来控制”的原则来确定，因此由水库库容确定该工程规模为大（2）型。枢纽的主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。 3.2 洪水标准的确定 根据建筑物级别查得永久建筑物洪水标准：正常运用时洪水重现期是100年；非常运用时洪水重现期是2000年。设计洪峰流量Q设 = 1680m3/s（P=1%），校核洪峰流量Q校 = 2320 m3/s（P=0.05%）。 3.3 泄洪方式的确定 本挡水建筑物为土石坝需要设泄水建筑物，以达到减小土石坝在泄洪时遭受洪水的冲击挤压的影响。对各种河岸泄水建筑物作以下讨论： （1）侧槽溢洪道 建于山高坡陡且水流条件复杂的河道的河岸上的侧槽溢洪道，采用的是表孔泄流，它的泄水流量超大。溢流堰下游接开敞式溢洪道或明流隧洞。侧槽溢洪道必须经水工模型试验验证。 （2）井式溢洪道 超泄能力小、水流不稳定、易发生旋涡洪水的井式溢洪道的下泄洪水过程是：水流首先通过环形溢流堰进入直井，然后水流在直井内由明流转为有压流，最后经过一个隧洞泄水口泄往下游。井式溢洪道需要的水力学条件复杂，其泄流能力与溢流堰、过渡段、隧洞段三者的泄流能力相关。 （3）正槽溢洪道 结构简单可靠的正槽溢洪道泄流能力大，水流条件平顺。是以宽顶堰或各种实用堰来控制泄流的河岸溢洪道。 综上，枢纽工程采用正槽溢洪道。 3.4 调洪演算 3.4.1 初步方案的拟定 在施工技术可行的前提下，按照泄水隧洞以及包括拦河坝在内的总造价最小为原则来优化方案，再通过各种可行方案的经济类比来决定最终方案，从而得到孔口尺寸与堰顶高程的最佳方案。 参照已建工程经验，拟定三组孔口尺寸与堰顶高程如下： 方案（一）：(∩=2810m， B=7m 。 方案（二）：(∩=2810m， B=8m 。 方案（三）：(∩=2811m， B=8m 。 3.4.2 洪水调节计算的原理 本设计采用列表法进行调洪演算，以计算出设计洪水位、设计泄洪量及校核洪水位、校核泄洪量。 调洪演算中需要如下数据： ，。 ,。 3.4.3 调洪计算表 3.4.3.1 方案（一） 表3-1 设计洪水位、设计泄洪量的计算 时段 4 109.2 1.57 527.2 7.59 -6.02 454.5 448.48 2822.27 8 378.0 5.44 512.75 7.38 -1.94 448.48 446.54 2822.19 12 1075.2 15.48 507.75 7.31 8.17 446.54 454.71 2822.51 16 1596.0 22.98 527.86 7.6 15.38 454.71 470.09 2823.10 20 1470.0 21.17 565.65 8.15 13.02 470.09 483.11 2823.60 24 898.8 12.94 598.3 8.62 4.32 483.11 487.43 2823.80 4 386.4 5.56 609.6 8.78 -3.22 487.43 484.21 2823.64 注：单位：,，，后续调洪演算表与此单位一致。 表3-2 校核洪水位、校核泄洪量的计算 时段 4 150.8 2.17 527.2 7.59 -5.42 454.5 449.08 2822.28 8 522 7.52 513.38 7.39 0.13 449.08 449.31 2822.29 12 1484.8 21.38 514 7.4 13.98 449.31 463.29 2822.83 16 2204 31.74 548.25 7.89 23.85 463.29 487.14 2823.75 20 2030 29.32 608.3 8.76 20.56 487.14 507.7 2824.50 24 1241.2 17.87 658.7 9.49 8.38 507.7 516.08 2824.90 4 533.6 7.68 684 9.85 -2.17 516.08 513.91 2824.78 综上：设计洪水位 设计泄洪量 校核洪水位 校核泄洪量 3.4.3.2 方案（二） 表3-3 设计洪水位、设计泄洪量的计算 时段 4 109.2 1.57 602.37 8.67 -7.1 454.5 447.4 2822.20 8 378.0 5.44 580.8 8.36 -2.92 447.4 444.48 2822.10 12 1075.2 15.48 573.69 8.26 7.22 444.48 451.7 2822.39 16 1596.0 22.98 594.43 8.56 14.42 451.7 466.12 2822.94 20 1470.0 21.17 634.45 9.14 12.03 466.12 478.15 2823.40 24 898.8 12.94 668.58 9.63 3.31 478.15 481.46 2823.50 4 386.4 5.56 676 9.74 -4.18 481.46 477.28 2823.38 表3-4 校核洪水位、校核泄洪量的计算 时段 4 109.2 2.17 602.37 8.67 -6.5 454.5 448 2822.25 8 378.0 7.52 584.38 8.42 -0.9 448 447.1 2822.21 12 1075.2 21.38 581.52 8.37 13.01 447.1 460.11 2822.71 16 1596.0 31.74 617.6 8.89 22.85 460.11 482.98 2823.59 20 1470.0 29.32 684.84 9.83 19.49 482.98 502.47 2824.34 24 898.8 17.87 740.15 10.65 7.22 502.47 509.69 2824.60 4 386.4 7.68 762 10.97 -3.29 509.69 506.4 2824.49 综上：设计洪水位 设计泄洪量 校核洪水位 校核泄洪量 3.4.3.3 方案（三） 表3-5 设计洪水位、设计泄洪量的计算 时段 4 109.2 1.57 531.55 7.65 -6.08 454.5 448.4 2822.26 8 378.0 5.44 514.99 7.42 -1.98 448.4 446.42 2822.18 12 1075.2 15.48 509.5 7.34 8.14 446.42 454.5 2822.50 16 1596.0 22.98 531.55 7.65 15.25 454.5 469.75 2823.10 20 1470.0 21.17 573.68 8.26 12.91 469.75 482.66 2823.58 24 898.8 12.94 608.16 8.76 4.18 482.66 486.84 2823.70 4 386.4 5.56 619.8 8.93 -3.37 486.84 483.47 2823.61 表3-6 校核洪水位、校核泄洪量的计算 时段 4 109.2 2.17 531.55 7.65 -5.48 454.5 449.02 2822.29 8 378.0 7.52 517.05 7.44 0.08 449.02 449.1 2822.29 12 1075.2 21.38 517.05 7.44 13.94 449.1 463.04 2822.83 16 1596.0 31.74 554.9 7.98 23.76 463.04 486.8 2823.74 20 1470.0 29.32 619.79 8.93 20.39 486.8 507.19 2824.53 24 898.8 17.87 678.33 9.78 8.09 507.19 515.28 2824.80 4 386.4 7.68 701.78 10.11 -2.43 515.28 512.85 2824.74 综上：设计洪水位 设计泄洪量 校核洪水位 校核泄洪量 3.4.4 将拟定的三组方案的计算结果汇总作比较 表3-7 计算结果汇总 方案 堰顶高程 孔口尺寸 工况 泄流量 上游水位 超高 （一） 设计 校核 609.6 684 2823.80 2824.90 1.3 2.4 （二） 设计 校核 676 762 2823.50 2824.60 1.0 2.1 （三） 设计 校核 619.8 701.78 2823.70 2824.80 1.2 2.3 3.4.5 方案的选择 从调洪演算的结果得出，拟定的三组方案均能满足流量Q<900 m3/s及上游水位超高∆Z<3.5m的要求。相对于方案的选择，本设中仅作定性说明。一般越大，大坝越要增高，坝体整体工程量将加大，与此同时Q过小对泄洪不利。故采用方案二，即堰顶高程(∩=2810m，溢流孔净宽B=8m；设计洪水位2823.5m，设计泄洪量676m3/s；校核洪水位 2824.6m，校核泄洪量 762 m3/s。 第四章 大坝剖面设计 4.1 土石坝坝型的选择 坝址附近的筑坝材料，地形地质条件、气候因素、施工条件、坝基处理、抗震要求等因素都影响着土石坝坝型的选择。为了选定出技术上可靠、经济上合理的坝型，需要把几种比较优越的坝型在工程量、施工条件、大坝性能等方面上进行比较。本设计限于资料只作定性分析，进而确定出土石坝的坝型。 下面详细比较几种坝型，最终定案。 4.1.1 堆石坝 坝坡陡、剖面小的堆石坝，施工时受到的干扰因素较小，可以快速施工。堆石坝以抗震性能优良著称。一个储量丰富、方便开采的坚硬玄武岩石料场在坝址附近处，玄武岩可用做堆石坝材料，从筑坝材料角度可以考虑堆石坝方案。河床地质条件不太好，分布着深浅不一的冲积层，会导致建造堆石坝为了坝基达到标准时开挖量巨大，工程量大大提高，此方案也不予考虑。 4.1.2 均质坝 均质坝材料单一，施工简单。均质坝的坝坡颇为平缓，用量巨大的粘性土料受天气的影响很大，在雨季和冬季的施工很是不方便，本工程流域的阴雨天气比较多不适合均质坝的建造。此外高坝很少采用这种坝型，本设计中坝高预计可以超过60m，所以不宜采用均质坝坝型方案。 4.1.3 斜墙坝和心墙坝 斜墙坝的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短。对沉降比较敏感的坝体和坝基导致斜墙坝整体的抗震性能不高，容易易产生各种裂缝。心墙坝与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好。心墙坝施工时，心墙的黏土土料与坝壳的砂砾料必须要同时上升，施工怕干扰，工期的时间挺长的。 从筑坝材料来看，距离坝址上下游较近的筑坝材料场有足够的筑坝材料来供以建造大坝的防渗体和坝壳，所以心墙坝和斜墙坝的方案都是可行的。本地区为地震区，基本烈度为7度，心墙坝有较好的抗震性能和较强的适应变形的能力，因此适宜建造心墙坝。从施工及气候条件来看宜采用斜墙坝。 4.1.3 斜心墙坝 斜心墙坝兼收了斜墙坝和心墙坝的一些有点，斜心墙位置介于心墙和斜墙之间，上游坡比心墙缓，有利于减免坝壳对心墙的拱效应，同时保持了心墙坝较陡的上游坝坡，使其抗震性能优于斜墙坝，多用于高土石坝。本工程坝高预计超过60m。综上本设计采用斜心墙坝方案。 4.2 土石坝剖面尺寸的拟定 大坝的剖面尺寸包括：坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡与戗道、防渗体以及排水设备等一些细部尺寸。下面进行各个尺寸的计算及其确定。 4.2.1 坝顶高程 坝顶高程需要正常运用和非正常运用的静水位加上相应的超高Y予以确定。分别按以下三种工况计算，然后其中的最大值为坝顶高程。 (1)设计洪水位+正常运用情况下的坝顶超高。 (2)校核洪水位+非常运用情况下的坝顶高程。 (3)正常蓄水位+地震安全加高。 坝顶高程应用的计算公式如下： 1）坝顶在静水位以上的超高Y QUOTE 按式(4-1)计算： （4-1） 2）风壅水面超出库水位的高度e QUOTE 按式(4-2)计算： （4-2） 式中：。 3）平均波浪爬高。根据土石坝的设计规范采用蒲田试验公式(4-3)： （4-3） 式中：。m坝坡系数，本设计拟定。 4）平均波高 QUOTE 按式（4-4）计算： （4-4） 式中：水库吹程以计。 5）波浪平均周期，按式（4-5）计算： （4-5） 6）平均波长，按式（4-6）、（4-7）计算： 当时为深水波： （4-6） 当时为浅水波： （4-7） 注：计算设计爬高时，通过查得爬高统计分布表来确定不同累计频率的爬高与平均爬高的比值。设计爬高按建筑物等别而定，对Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级土石坝取累计频率1%的爬高，对Ⅳ级、Ⅴ级土石坝取累计频率5%的爬高。 当风向与坝轴线的法线成夹角时，波浪爬高应乘以折减系数。 （4-8） 4.2.1.1 设计洪水位正常运用时坝顶超高 ，， ，， 假设为深水波：，验证：是深水波。 安全超高A=1.0 综上：设计洪水位正常运用时坝顶超高： 4.2.1.2 校核洪水位非正常运用时坝顶超高 ，，， 假设为深水波：，验证：是深水波。 本设计为Ⅱ级土石坝，取P=1%的波浪爬高作为设计爬高，查表得： ， 安全超高A=0.7 综上：设计洪水位正常运用时坝顶超高： 4.2.1.3 正常蓄水位时地震安全加高 地震安全加高=地震浪涌加高+地震附加沉陷值+安全加高 地震浪涌加高一般为0.5m~1.5m，本设计取值1.0m，地震附加沉陷值取坝高的1%。安全加高查得0.7m。 地震安全加高=1+2.82+1=4.82m 4.2.1.4 坝顶高程计算成果表如下表4-1 表4-1 坝顶高程计算成果表 项目 设计洪水位+ 正常运用 校核洪水位+ 非正常运用 正常蓄水位+ 地震安全加高 坝前水深 58.5 59.6 备注： 此工况下，表 中项目不做计 算 护坡粗糙系数 0.8 0.8 平均波高 1.08 0.68 平均波长 26.96 24.71 波浪爬高 2.8917 2.1945 风壅水面超高 0.01919 0.0084 安全加高 1 0.7 1 地震安全加高 0 0 4.82 坝顶超高 3.9109 2.9029 0 坝顶高程 2827.41 2827.51 2827.32 根据上表可知：坝顶高程由校核水位加上非正常运用情况来控制，按照正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，非常运用条件下，坝顶应不低于静水位的原则。坝顶高程最终定为2828m，坝高63m。当坝顶设有防浪墙时，上述坝高可以作为防浪墙的高程。本设计可在上游侧加设防浪墙，这样防浪墙顶高程就是坝顶高程。上游设1.4m高的防浪墙，设计伸入入坝体部分是1.6m以达到防浪墙与防渗体紧密结合的目的。设计防浪墙厚0.4m。坝顶坡度取2%，以便于坝顶面排水。下游侧根据要求用尺寸为25cm×25cm、每10m布置一道的混凝土桩以代替栏杆。在与下游坝坡连接处设置长4m、深1m的护肩。坝顶设防浪墙时，计算得高程是指防浪墙顶高程，满足要求。防浪墙结合心墙适当偏向上游侧，以达到防止防浪墙的折弯处由于坝体的沉陷而断裂的目的。 4.2.2 坝顶宽度 坝顶宽度会受到施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等多种因素的影响。按照以往的工程经验来看，在无特殊要求时，高坝最小顶宽为10m~15m，中低坝最小顶宽为5m~10。本工程坝高H=63m，属于中坝，取顶宽10m。 4.2.3 坝坡 坝体边坡的稳定直接受到土石坝坝坡坡率大小的影响。参照已建工程的实践经验初步拟定上下游坝坡尺寸：在上游少设变坡，在高程2795m处设一道，坡率自上而下取1：2.75、1：3 QUOTE ；下游坡分别在2805m跟2785m处设一道，坡率分别取1：2.25、1：2.5、1：2.75。 为了方便检修、施工及坝体的观测设置戗道。设置戗道对坝坡的稳定有利，同时可在戗道内侧设置排水设备以便达到坝面排水的目的。一般每15m~30m QUOTE 设置一戗道。本设计设置宽度为2m普通直线型的戗道以使交通便利。 4.2.4 坝体排水 在坝体下游部分还设置排水设施以达到排出土石坝防渗体后仍会有一定残余的渗水的目的。能自由地向坝外排出全部渗透水、便于土石坝的观测和检修是坝体排水设施的基本功能。坝体排水可在以下几种型式中选择： （1）坝体内排水。 （2）棱体排水。 （3）贴坡式排水。 （4）综合型排水由上述各种排水型式中的两种或多种综合组成。 本设计必结合坝基排水的需要及型式，根据下列工程情况通过技术经济的定性比较来决定出排水设施的选取： （1）下游水位的程度及持续的时间以及沉淀下游对排水的影响。 （2）坝体填土和坝基土的性质。 （3）坝基工程地质和水文地质条件。 （4）施工情况及排水设备的材。 （5）筑坝地区的气候条件。 本工程中，坝址附近石料比较丰富，采用堆石棱体排水比较适宜。本工程所在坝址处的坝基地质冲积层较厚可能会发生不均匀沉降，但是褥垫排水对地基的不均匀沉陷的适应能力较差在本设计中不适合。土坝下游有一定高的水位，不宜采用贴坡排水。因此设计采用棱体排水方案。 排水棱体顶高程要高出校核洪水时的下游最高水位的1~2m。校核洪水位时 QUOTE 下游水位高程2773m。考虑到波浪的爬升高度，最后将棱体顶高程取为2775m。参考以往工程经验，堆石棱体内坡取1:1，外坡取1:1.5，顶宽2.0m。 4.2.5 坝体防渗体 本设计选定的土石坝的坝型是斜心墙土石坝，故坝体防渗体选择黏土斜心墙。位居于坝体中央或是稍偏上游的黏土斜心墙的底部最小厚度由粘土的允许渗透坡降决定的。本设粘土允许坡降[J]=5，承受最大水头74.65m，墙厚须大于14.53m。参考以往工程经验，斜心墙顶宽取5m，上游坡率m1=0.6 QUOTE ，下游坡率m2=0.2，底宽29m大于14.53m。斜心墙顶高程以设计水位加0.6m的超高并高于校核洪水为原则，最后取2825m。为了反滤和排水，在心墙与上下游坝体间设置反滤层。 4.2.6 坝基防渗 根据坝址地质资料，坝基部分冲积层最大厚度达到了32m，一般厚度为20m左右，两侧靠近坡岸的至少也有13m左右的厚度，整体来说地基的透水层比较较深。坝基防渗措施有粘土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕、铺盖等防渗措施。根据以往的工程经验和本工程坝基的地质特征，采用混凝土防渗墙。防渗墙的厚度根据施工条件来看，墙厚0.6m~1.3m之间，本设计取0.8m。做成光滑楔形的防渗墙顶必须伸入防渗体内部以保证两者的紧密结合。伸入防渗体内部高度不可以小于0.1倍的坝高，且并不小于2m，因此设计防渗墙顶伸入到防渗体内部的高度为8m。防渗墙的墙底部要嵌入弱风化基岩层中，嵌入深度深度不得小于0.5m~1.0m。 4.3 土料的选择 4.3.1 防渗体土料的选择 适用于填筑黏土斜心墙的土料应该满足以下要求： （1）黏土土料的渗透系数小于1×10-5cm/s。 （2）黏料的粒径d<0.005mm，含量为15%~30%；或塑性指数 QUOTE IP=10~17的中、重壤土，其黏粒含量为30%~40%；或者塑性指数IP=17~20的黏土填筑。 为满足上述的要求，选择3#下粒区的土料，其塑性指数IP=14.00、黏粒粒径d<0.005mm的含量为19.6%，渗透系数为3.0 ×10-6 cm/s。 4.3.2 坝壳沙砾料的选择 土石坝的坝壳材料主要目的于使坝体有理想的强度值减少断面情况、保持坝体的稳定性。上游坝壳的水位变动区和下游坝壳的水下部位要有较高的透水性。上游坝壳的水位变动区和下游坝壳的水下部位还需要要具有抗渗和抗震稳定性。砂石料要优先选取不均匀系数高和连续级配良好的来当作土石坝的坝壳用料。通常认为不均匀系数Cu=30~100的砂石料容易压实，Cu<5~10的砂石料的压实性能非常不好。如果不能达到压实要求，就会直接对大坝的稳定产生影响。 砂砾料场上下游共8处，通过比较这些砂砾料指标选出在4#上砂砾料区的砂砾料最符合要求。其不均匀系数Cu=37.15>30易压实，渗透系数为2×10-2 cm/s。 4.4 土石坝剖面简图 图4-4 土石坝剖面图 第五章 渗流分析 5.1 渗流分析的任务 土石坝暂时的横截面尺寸拟定后，需要进行渗流分析和稳定性分析，提供了依据决定经济和可靠的坝段。计算坝体和坝基的渗流量、确定坝坡逸出段，判断其渗透稳定性。包括以下内容： （1）确定坝体的侵润线和下游逸出点的位置，提供依据计算坝体稳定。 （2）计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降，以便演算其渗透稳定。 （3）坝体和坝基渗流量的计算，为了估算水库的渗透损失。 5.2 渗流分析 本设计采用水力学法进行渗流分析计算。 5.2.1 水力学法基本假定 基本假定： （1）均质土料的坝体，坝体内部任一点在各个方向上具有相同的是常数的渗透系数。 （2）渗流为二元层稳定层流，渗流运动符合达西定律：V=KJ (V为渗流速度，K为渗透系数，J为渗透坡降) （3）渗流为渐变流，任意过水的横截面上的各点具有相同的坡降和流速。 5.2.2 渗流分析工况 （1）上游正常蓄水位与下游对应最低水位，此时坝内渗流坡降最大，侵润容易产生变形。 （2）上游设计洪水位与下游对应最高水位，此时坝内侵润线高，渗流量大，侵润容易产生变形。 （3）上游校核洪水位与下游对应最高水位，此时坝内侵润线高，渗流量大，侵润容易产生变形。 5.2.3 典型计算剖面 对河床中间横截剖面2-2以及左右岸坡段各一横截剖面1-1、3-3三个典型横截剖面进行渗流计算。左右岸的典型横截剖面要求坝轴线处坝高为最大坝高的一半左右，并且能反映防渗措施。1-1，2-2，3-3典型横截剖面的剖面线详见下图5-1所示。 左岸1-1断面上游高程2806.4m，下游高程2790m，计算时取平均高程2798.2m。右岸3-3断面上游高程2788m，下游高程2770m，计算时取平均高程2779.3m。计算剖面简图如下，图5-1。 图5-1 计算剖面简图剖面 5.2.5 断面渗流计算 取坝体上述三个横截剖面，应用达西定律近似解土石坝渗流问题，计算简图见图5-2。渗流为渐变流，任意过水横截剖面上的各点具有相同的坡降和流速。假设地基为不透水地基，渗流计算分为防渗体段和防渗体墙后段两部分。 通过防渗体渗流量： 通过防渗体后的流量： 式中：，， 图5-2 渗流计算简图 5.2.5.1 河床中间2-2断面的渗流计算 ， （1）正常蓄水位与下游无水时： ， 解方程得： 2）设计洪水位与下游对应最高水位时： ， 解方程得： （3）校核洪水位与下游对应最高水位时： ， 解方程得： 5.2.5.2 左岸1-1断面的渗流计算 计算公式： ， ， （1）正常蓄水位与下游无水时： ， 解方程得： （2）设计洪水位与下游对应最高水位时： ， 解方程得： （3）校核洪水位与下游对应最高水位时： ， 解方程得： 5.2.5.3 右岸3-3断面的渗流计算 计算公式： ， ， （1）正常蓄水位与下游无水时： ， 解方程得： （2）设计洪水位与下游对应最高水时： ， 解方程得： （3）校核洪水位与下游对应最高水时： ， 解方程得： 5.2.4 渗流计算结果总汇 表5-1 渗流结果计算汇总 计算情况 计算项目 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 上游水深H （m） 1-1 24.3 25.3 26.4 2-2 57.5 58.5 59.6 3-3 43.2 44.2 45.3 下游水深T1 （m） 1-1 0 0 0 2-2 0 5.0 5.3 3-3 0 0 0 逸出水深H1 （m） 1-1 1.02 1.03 1.08 2-2 2.21 5.47 5.76 3-3 0.87 1.43 1.68 渗流量q (10-6m3/s.m) 1-1 1.13 1.19 1.30 2-2 2.88 2.93 3.04 3-3 0.31 1.34 1.94 5.2.5 总渗流量的计算 渗流计算断面将坝体沿着坝轴线分成了4段曲边坝段，各个曲边坝段长度分别为：53.8m、124.26m、166.49m、13.69m。由渗流计算结果的中汇来看，校核洪水位时，各个断面的逸出水深最大，单宽渗流量最大，最容易发生边坡的破坏。所以，本设计对校核洪水位情况进行总渗流量的计算,计算如下。 5.3 土石坝的渗透变形形式 土石坝的土体颗粒及其骨架受到渗流力的作用，可能会失去平衡产生渗透变形。根据数据的统计，在以往的土石坝的失事事故中，因为渗透变形引导致的失事事故占总体的1/3~1/4。土石坝的渗透变形的形式有如下几种： （1）管涌。在无粘性土的土体中会放生管涌，管涌是土体中的部分颗粒受到渗透力的作用，连续的从孔隙中被带走的现象。这种现象通常会在砂砾料坝壳的土石坝中发生。 （2）流土。在黏性土体中，黏土颗粒之间的凝聚力会阻碍其被渗流力拉扯而分离，因此粘性土中基本上不会发生管涌。当渗透坡降增大到一定程度时，黏土的土体会放生成块成块的移动和流失，这样会产生流土现象。 （3）接触冲刷。当渗流沿着两种不同土层的接触面流动的时候，土体受到渗流力的影响在渗水流经的沿层面上会被带走土质细颗粒的现象。 （4）接触流土。当渗透水沿着垂直于两个渗透系数不小的相邻土层的接触面的方向流动时，达到一定水力坡降，渗透系数较小的土体中的土质小颗粒受到渗透力的作用被带到另一个土体的现象，即为接触流土。 5.3.1 渗流稳定计算 5.3.1.1 渗透变形形式的判别 坝壳的填筑材料是砂砾料，砂砾料的不均匀细数Cu=37.15>20、细粒(d<2mm)含量Pz<35%，渗透变形形式应该是管涌。黏土心墙主要填筑材料是黏性土料，其细粒(d<2mm)含量Pz>35%，孔隙填充饱满，渗透变形形式应该是流土。 5.3.1.2 渗透稳定计算与分析 在整个土坝的渗流过程中，渗流经过黏土心墙时其侵润线高度会明显降低。致使在黏土心墙的逸出点处渗透坡降会较大容易发上土体的渗透破坏。本设计采用流网法，计算出逸出点处的渗透坡降J。 通过渗流计算结果总汇表得知：各个断面在校核洪水位时，逸出水深h最大、渗流量q最大，致使逸出点处的渗透坡降最大。计算如下： 渗流逸出点处，逸出坡降公式(6-1)： (6-1) 式中：，L取平均流线长。 （1）左岸1-1断面逸出点处逸出坡降： （2）河床中间2-2断面逸出点处逸出坡降： （3）左岸3-3断面逸出点处逸出坡降： 计算结果汇总见表5-2如下： 表5-2 坡降计算结果汇总 根参照已建工程的经验，用来填筑黏土斜心墙防渗体的粘性土料的安全坡降J一般取为小于5~10，本设计粘性土料的渗透坡降是满足要求的。在此认为不会发生渗透破坏。 砂砾料的坝壳的破坏形式是管涌，不均匀系数大于20。发生管涌的临界坡降Jc=42d3/(k/n3)0.5 =1.7358，渗透坡降符合要求。在心墙的上游侧设置反滤层，不会发生管涌。 5.4成果分析与结论 本设计的整体防渗措施分别为防渗体采用的黏土斜心墙方案、地基防渗采用的混凝土防渗墙方案。渗流计算成果表明：校核洪水位时1-1、2-2、3-3三个剖面的单宽渗流量最大，坝体总渗流量也是最大。三个剖面的单宽渗流量分别为0.00000013m3/s.m、0.000000304 m3/s.m、0.000000194 m3/s.m，总渗流量为0.0000732 m3/s.m，相对于以往类似的斜心墙土石坝来说是比较小的。此外坝体三个特征剖面逸出点渗透坡降均满足渗透稳定。因此，渗流单宽流量和渗透坡降都满足设计需求。 此外本设计应用仿真模拟计算软件GeoStudio对河床中间2-2断面三种渗流工况进行了校核计算。计算结果显示在三种工况下的侵润线高程均高于手动计算出的侵润线高程。本设计是土石坝初步设计主要计算部分为手动计算，存在误差是必然结果。渗流校核结果见附录2。 第六章 稳定分析 6.1 坝坡滑裂面形式 确定出大坝的经济横截面，进而来计算坝体横截面的稳定和安全程度是土石坝稳定分析的任务。坝体的结构形式、坝基状况以及大坝的工作条件等因素都会对坝坡坍塌失稳的滑裂面形式产生影响。坝体滑裂面形式有如下几种。 （1）曲线形滑裂面。滑裂面的不稳定性通常呈现为上陡下缓的曲面，一般这种曲型滑裂面会出现在黏性土坝坡不稳定稳的工况时。 （2）直线或折线滑裂面。滑动表面的不稳定通常会表现为直面或者折面形式，在坝体横截面的投影是一条直线或折线。这种滑裂多发生在由砂砾石构成的无黏性土坝的坝坡的失去稳定的工况时。 （3）复合滑裂面。失去稳定的滑动裂隙表面通常由直线和曲线组成的复合形式。在大坝剖面的投影中黏性土内呈现出曲线，在非黏性土内呈现直线。这种失稳滑动面多出现在由几种不同性质的土料组成的坝体。 6.2 土石坝荷载情况 土石坝要承受的负荷主要包括土体自重、空隙压力、渗流力等荷载力。本设计中，我们考虑了土体自重和地震荷载两种荷载。在考虑土体自重的时候，根据其位于水面以上和水面以下的情况分别选取土体的湿容重及浮容重来计算。水平向地震荷载为 Pi=KhCzAiWi；铅直向地震荷载为 Pj=2/3KhCzAiWi。本设计的坝区地震基本烈度为7级，水平方向的地震力不计。 6.3 计算工况及安全系数 土石坝边坡稳定计算工况包括如下几种。 （1）正常运用情况（设计情况）包括：稳定渗流期上、下游坝坡的稳定验算；水库水位骤降时上游坝坡的稳定验算。 （2）非正常运用情况（校核情况）包括：施工期上、下游坝坡的稳定验算；库水位为正常蓄水位且地震情况下，上下游坝坡稳定验算。 本设计的工程等级为Ⅱ级，按照规范要求查容许最小安全系数表得知： 正常应用情况下最小安全系数 1.25 非常应用条件下最小安全系数 1.15 正常运用加地震最小安全系数 1.05 6.4 计算方法概述 本设计的工程，土石坝坝壳是砂砾料坝壳，当坝坡失稳时会产生折线滑裂面，因此采用土力学折线滑动法来予以稳定分析计算。翻阅 《SL274-2001碾压式土石坝设计规范》、《水工建筑物》、《土力学》等参考书籍，假设坝坡失稳滑动只发生在砂砾坝壳中，粘土心墙不随同坝壳一起滑动，如图6-1和图6-2所示。 本设计以折线法为基础采用编程的方式来进行土石坝坝坡稳定分析，编程源程序代码见附录1。 在图中建立以O点为坐标原点，以水平的坝坡向为X轴，以竖直的坝坡向上为Y轴建立直角坐标系统。假设滑动面的三点A、D、C滑动面不会切到心墙。其中A点的移动在坝脚的斜坡面上，不会到达大坝坝顶，D为折坡点，C点在坝的计算面上，在侧面移动可以到达大坝坝顶，但不能移动到另一侧的大坝上。其他字母如图所示。 计算时把滑动的土体ADC视作一个滑动块分成两个，令Pi为相邻两土体滑面上的作用力。首先假设出不同大小的安全系数Fs，然后求出第一块土体的P1、第二块土体的 P2，再校验是否满足P1=P2的要求，如果不满足就重新假定安全系数继续求出平衡条件下的P1、P2。多次重复上述的步骤，直到求出满足条件的Fs。经过多次计算求对应相应滑动面的安全系数Fs，最后取其最小值。最小的Fs对应的就是最危险滑动面。 涉及到的计算公式6-1如下： (6-1) 注：4#上料场的天然休止角为θ=36.5o，tanθ=0.74 滑动面上抗剪强度的利用充分程度都是相同的，表达方式为式6-2如下： (6-2) 6.5 计算成果与分析 6.5.1 上游坝坡 按照以下四种工况计算： （1）施工期，水位在1/3坝高处 水位21m，坡度1: 2.875时，滑坡面折点坐标为(73，14)，安全系数为2.015375。 （2）稳定渗流期，即设计洪水位 水位58.5m，坡度1: 2.875时，滑坡面折点坐标为( 171，57.78261)，安全系数为 1.99533。 （3）库水位骤降期，降到死水位 水位31m，坡度1: 2.875时，滑坡面折点坐标为( 103，25)，安全系数为1.998226。 （4）正常蓄水位加地震 水位57.5m，坡度1: 2.875时，滑坡面折点坐标为(169，56.65217)，安全系数为1.681574。 6.5.2 下游坝坡 按照以下三种工况计算： （1）稳定渗流期，设计洪水位 水位 5.0m，坡度1: 2.5时，滑坡面折点坐标为(150，59)，安全系数为1.781047。 （2）校核洪水位 水位5.3m，坡度1: 2.5时，滑坡面折点坐标为(150，59)，安全系数为1.781039。 （3）正常蓄水位加地震时 水位2.2m，坡度1: 2.5时，滑坡面折点坐标为(155，61)，安全系数为1.506958。 6.5.3 附图 图6-3 稳定计算输入数据对话框 6.5.4 稳定计算成果与分析 将上下游的各个工况的计算结果汇总一起进行比较分析，汇总结果见表6-1： 表6-1 稳定计算成果汇总表 部位 工况 最小安全系数 上 游 坡 施工期水位在1/3坝高处 2.015 稳定渗流期 1.995 水位骤降到死水位 1.998 正常蓄水位+地震 1.68 下 游 坡 稳定渗流期 1.781 校核洪水位 1.781 正常蓄水位+地震 1.507 土坝的主要建筑物等级为Ⅱ级，土石坝坝坡抗滑稳定的安全系数Fs需要满足以下条件：正常运用条件下Fs不小于1.25，非常运用条件下Fs不小于1.15，正常蓄水位加地震时 Fs不小于1.05。从土石坝的上下游边坡稳定计算结果来看，各种工况条件下，土石坝边坡稳定的最小安全系数均能满足规范要求。 对上下游最危险滑裂面进行仿真计算，校核坝坡的稳定性。校核结果见下表6-2： 表6-2 最危险滑裂面仿真计算结果表 部位 工况 最小安全系数 上游坡 施工期水位在1/3坝高处 2.002 水位骤降到死水位 2.017 下游坡 稳定渗流期 1.212 校核洪水位 1.306 正常蓄水位+地震 1.218 校核得知，在最危险滑裂面的最小安全系数均能满足正常运用条件下Fs不小于1.25，非常运用条件下Fs不小于1.15，正常蓄水位加地震时 Fs不小于1.05等条件，边坡稳定编程计算结果误差较大。仿真计算数据图见附录2。 综上，土石坝边坡最小安全系数均满足规范要求。鉴于校核结果来看，土石坝上下游坝坡的坡率不做改变，继续采用初拟坡率。 第七章 土石坝的细部构造 7.1 坝顶布置 为了方便交通在坝顶上设置黄泥灌浆的碎石路面。坝顶坡度取2%，以达到坝顶面排水的要求。在坝顶的上游侧加设1.4m高、0.4m厚且伸入坝体部分为1.6m的防浪墙。在其下游侧设置尺寸为25cm×25cm、10m布置一道的混凝土桩用以代替栏杆。在坝顶与下游坝坡连接处设置长4m，深1m的护肩。具体布置见图7-1。 7.2 防渗体及排水设施 本设计采用黏土斜心墙。黏土斜心墙的上游跟下游均设置两道反滤层以便更好的防渗。地基防渗采取的方案是混凝土防渗墙，砼防渗墙与防渗体、地基的具体连接布置见图7-2。 坝体排水是棱体排水。堆石棱体内坡取1:1，外坡取1:1.5，顶宽2.0m。棱体顶高程取为2775m。排水体与坝体、坝基之间设置一层反滤层。具体布置见图7-3。 本设计中，除干砌石、堆石护坡之外必须设置坝面排水。坝顶、坝坡及坝下游等多个部位的集水截水和排水措施都属于坝面的排水系统。为了汇集雨水需要在在坝坡设置横向排水沟。为了防止雨水淘刷以及方便雨水的汇集，在坝坡岸坡与坝坡交接处设置必要的岸坡排水沟。本工程，上游为干砌石护坡，不用设置坝面排水，在下游坝面设置坝面排水。综上需要布置的坝面排水包括：横向排水、纵向排水以及岸坡排水。具体尺寸及布置见图7-4、图7-5、图7-6。 7.3 护坡设计 土石坝的坝体在挡水时，波浪的淘刷、冰层和漂浮物的撞击、顺坡水流的冲刷等破坏作用会作用在土石坝的迎水面上；雨水的缓慢侵蚀、大风的吹刮、胀冻的干裂作用、尾水波浪的拍打等破坏作用会作用在土石坝的背水面上。因此土石坝的迎水面及背水面必须设置护坡。 迎水面与背水面的护坡形式有多种例如： 1迎水面护坡： （1） 堆石抛石。 （2） 干砌石。 （3） 浆砌石。 （4） 预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板。 （5） 沥青混凝土。 2背水面护坡： （1） 干砌石。 （2） 堆石卵石或碎石。 （3） 草皮。 （4） 钢筋混凝土框格填石。 结合本工程坝址处的材料以及上述中上下游护坡承受的破坏作用，本设计大坝的迎水面护坡采用干砌石护坡，背水面采用厚度20cm的护坡。 迎水面应由坝顶护至排水棱体，如果没有排水棱体则应该护至坝脚。干砌石护坡的厚度t=1.36（Gmax/γk）1/3Gmax=3~4G50(Gmax为最大块石料重量，γk为石块的容重)。由此来确定出护坡的范围。 砌石护坡在最大局部波浪压力作用下所需的换算球形直径和质量平均粒径平均质量及厚度可按下式7-1、7-2确定： (7-1) (7-2) 当Lm/hp≤15时，t=1.67D/Kt，当L/mhp> 15时，t=1.82D/Kt。 式中： D——石块的换算球形直径； Q——石块的质量； D50——石块的平均粒径； Q50——石块的平均质量； T——护坡厚度； kt——随坡率变化的系数按表查得； ρk——块石密度； ρw——水的密度 hp——累积频率为5%的波高，重要工程累积频率可适当提高。 经过计算得出，换算直径：D =0.31m；质量：Q =0.05t；厚度：8.108<15；即t=1.67D/Kt=0.31m，取40cm。 迎水坡采用砌石层厚1.2m的浆砌石护坡，为防冲刷下设0.2m碎石垫层,护坡厚度 t=40cm。同理计算，下游坝面用0.3m的干砌石坡，下设双层0.15m碎石垫层。上游护坡的布置见图7-7。 7.4 细部构造详图 图7-1 坝顶布置 图7-2 混凝土防渗墙与心墙、地基的连接 图7-3 棱体排水 图7-4 坝坡横向排水 图7-5 坝坡纵向排水 图7-6 岸坡排水 图7-7 上游护坡 7.5 大坝安全监测 7.5.1安全监测目的及原则 本设计的斜心墙土石坝工程等级为Ⅱ级，必须要设置安全监测项目。通过进行监测系统的监测，进而整理、分析检测的数据资料。长时期的监测使各种监测资料都到积累，同时可以对大坝的安全及运行规律进行监控。根据整理的监测资料，可以检验设计的正确性，可以来控制施工的进度、及时检验及修改设计。 本设计的土石坝的安全监测本着以下原则来实施。 （1）大坝与基础的工作状况要放映的全面、详实。 （2）必须选用工作性能可靠、耐久度高、经济适用的监测设备设施。在经济条件允许时监测设备要先进，以确保各个监测设施可以相互核对验证。 （3）结合工程设计的特点来针对性的布置监测项目及监测仪器。 （4） 本工程等级为Ⅱ级，有必要设置具备人工监测条件的自动化监测系统。 7.5.2监测项目 本工程坝高63m，工程等级为Ⅱ级。根据规范要求安全监测设置的项目包括：巡视检查、坝体变形、渗流、环境量等几部分。 日常、年度、特殊的检查都属于巡视检查。坝顶、上下游的坝坡面、坝址、坝基及坝端岸坡等都要进行巡视检查。巡视检查必须要全面彻底，要对有无裂缝、异常变形、脱落、滑动、隆起、坍塌、渗水、冒水、流土、管涌以及护坡是否损坏、排水系统是否通畅等项目进行多方面、全方位的检查。 坝体变形的监测内容包括：坝面的水平和垂直位移、坝内的水平和垂直位移、 坝基的沉陷、接缝与裂缝、近坝库岸及滑坡体的变形位移。大坝的渗流量、坝体和坝基的渗透压力、坝体侵润线、绕坝渗流等监测内容都属于渗流监测项目。此外，还要对上下游的水位、降水量、气温、坝前泥沙等进行环境量监测。 7.5.3监测资料整编分析 监测资料整编的重点在于对原始观测数据正确性及准确性的查证、原始数据的整理及填入表格绘画出相应的特征图像以便分析、初步判断是否存在物理量的变化异常值等工作。 监测资料整编汇总，要建立大数据库。采用适当的数学模型对数据进行分析，作出土石坝的安全性态的客观真实 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 。 总 结 本设计的主要设计步骤为：熟悉资料、对工况资料分析整理提炼出对设计有用的资料；对坝型选择进行论证以及水利枢纽布置的叙述；进行调洪演算确定出设计洪水位、设计泄洪量、校核洪水位、校核泄洪量等必要数据；大坝剖面尺寸的设计，确定坝顶高程、坝顶宽度、防渗体尺寸、排水体的设计以及边坡坡率的确定；大坝剖面简图的绘制；对大坝进行渗流计算，渗透稳定分析；边坡稳定计算；大坝细部构造设计以及大坝安全监测等。 通过对斜心墙土石坝的初步设计，了解到初始资料的整理与分析对整个设计过程有着这关重要的影响。例如工况资料中的气候条件等会对坝型论证产生影响。如果忽视了一些细节上的资料，就会使大坝设计的整体产生改变。当实施施工建设时，大坝的施工建设会遇到诸多问题，导致拖延工期，甚至成为烂尾工程。因此，对资料的处理一定要细致谨慎。此外，进行坝体设计时必须要依据国家规范要求来设计，不能按照自己的方式来修改规范上的要求，要保证毕业设计的可实施性。 本设计中除手动计算以及边坡稳定的编程计算外，还应用GeoStudio软件仿真计算来校核设计成果的实用性。个人建议不仅要要求学生自己手动计算来完成整个土石坝的数据处理，还要与时俱进，尝试并通过计算机软件来对手动计算成果进行校核。这样可以加深并巩固学生对知识的掌握以及设计能力的有效提升。对学生以后进入社会工作产生不可替代的影响。 附录1 稳定计算源代码 Public ed As Integer Option Explicit Private Sub About_Click() Form_about.Show Form_about.Left = (Screen.Width - Form_about.Width) / 2 Form_about.Top = (Screen.Height - Form_about.Height) / 2 End Sub Private Sub Cal_U_Click() Form_main.Hide Form_Cal.Show Form_Cal.Left = (Screen.Width - Form_Cal.Width) / 2 Form_Cal.Top = (Screen.Height - Form_Cal.Height) / 2 Form_Cal.Caption = "上游坡面计算" Form_Cal.Label_WH.Caption = "上游水位H1(m)" Form_Cal.Label_m.Caption = "上游坝面坡度m1" End Sub Private Sub Cal_D_Click() Form_main.Hide Form_Cal.Show Form_Cal.Left = (Screen.Width - Form_Cal.Width) / 2 Form_Cal.Top = (Screen.Height - Form_Cal.Height) / 2 Form_Cal.Caption = "下游坡面计算" Form_Cal.Label_WH.Caption = "下游水位H2(m)" Form_Cal.Label_m.Caption = "下游坝面坡度m2" End Sub Private Sub Doc_Click() Form_Help.Show Form_Help.Left = (Screen.Width - Form_Help.Width) / 2 Form_Help.Top = (Screen.Height - Form_Help.Height) / 2 End Sub Private Sub Exit_Click() End End Sub Private Sub Form_Load() Form_main.Left = (Screen.Width - Form_main.Width) / 2 Form_main.Top = (Screen.Height - Form_main.Height) / 2 ed = 1 End Sub Private Sub Option_Click() Form_Option.Show Form_Option.Left = (Screen.Width - Form_Option.Width) / 2 Form_Option.Top = (Screen.Height - Form_Option.Height) / 2 End Sub Option Explicit Private Sub Command1_Click() If Text1.Text = "" Then MsgBox "请正确输入计算所需数据！", 48, "错误提示" Else ed = Val(Text1.Text) Unload Me End If End Sub Private Sub Command2_Click() Unload Me End Sub Private Sub Form_Load() Text1.Text = Str(ed) End Sub Option Explicit Private Sub Command1_Click() Dim H As Single, WH As Single, m As Single, R As Single, RF As Single, D As Single, am As Single, ah As Single, Wr As Boolean Dim xa As Single, ya As Single, xb As Single, xc As Single, xc_max As Single, xd As Single, yd As Single, ye As Single, xf As Single, xg As Single, a1 As Single, a2 As Single Dim h1 As Single, h2 As Single, Alf1 As Single, Alf2 As Single, W1 As Single, W2 As Single, F1 As Single, F2 As Single Dim a As Single, b As Single, c As Single, Dlt As Double, k As Single, kc As Single, xd_f As Single, yd_f As Single kc = 5 Wr = False If Option2.Value = True Then If Text_am.Text = 7 Then am = 3 ah = 0.1 ElseIf Text_am.Text = 8 Then am = 2.5 ah = 0.2 ElseIf Text_am.Text = 9 Then am = 2 ah = 0.4 Else Wr = True End If End If If Text_D.Text = "" Or Text_H.Text = "" Or Text_WH.Text = "" Or Text_m.Text = "" Or Text_R.Text = "" Or Text_RF.Text = "" Or Wr = True Then MsgBox "请正确输入计算所需数据！", 48, "错误提示" Else H = Val(Text_H.Text) WH = Val(Text_WH.Text) m = Val(Text_m.Text) R = Val(Text_R.Text) RF = Val(Text_RF.Text) D = Val(Text_D.Text) xb = H * m For xa = 0 To xb - ed Step ed ya = xa / m For xd = xa + ed To xb Step ed For yd = ya + ed To xd / m - ed Step ed a2 = Atn((yd - ya) / (xd - xa)) ye = xd / m xc_max = xb + D If xa + (H - ya) / Tan(a2) < xc_max Then xc_max = xa + (H - ya) / Tan(a2) End If For xc = xb To xc_max Step ed If xd <> xc Then a1 = Atn((H - yd) / (xc - xd)) If WH < ya Or WH = ya Then W1 = ((ye - yd) * (xb - xd) + (xc - xb) * (H - yd)) * R / 2 W2 = (ye - yd) * (xd - xa) * R / 2 ElseIf WH > ya And WH < yd Or WH = yd Then xf = WH * m xg = xa + (WH - ya) / Tan(a2) W1 = ((ye - yd) * (xb - xd) + (xc - xb) * (H - yd)) * R / 2 W2 = ((xg - xf) * (WH - ya) * RF + ((xg - xf) * (ye - WH) + (ye - yd) * (xd - xg)) * R) / 2 ElseIf WH > yd And WH < ye Or WH = ye Then xf = WH * m xg = xd + (WH - yd) / Tan(a1) W1 = (((ye - WH) * (xb - xd) + (xc - xb) * (H - WH) + (xg - xd) * (H - WH)) * R + (xg - xd) * (WH - yd) * RF) / 2 W2 = ((xd - xf) * (ye - WH) * R + ((xd - xf) * (WH - ya) + (WH - yd) * (xd - xa)) * RF) / 2 ElseIf WH > ye Then xf = WH * m xg = xd + (WH - yd) / Tan(a1) W1 = (((xg - xf) + (xc - xb)) * (H - WH) * R + ((xg - xf) * (WH - ye) + (ye - yd) * (xg - xd)) * RF) / 2 W2 = (ye - yd) * (xd - xa) * RF / 2 End If If Option1.Value = True Then a = W1 * Sin(a1) * Cos(a1 - a2) + W2 * Sin(a2) b = -W1 * Cos(a1) * Cos(a1 - a2) * 0.74 - W1 * Sin(a1) * Sin(a1 - a2) * 0.71 - W2 * Cos(a2) * 0.71 c = W1 * Cos(a1) * Sin(a1 - a2) * 0.71 * 0.74 ElseIf Option2.Value = True Then h1 = (ya + yd + ye) / 3 If xc = xb Then h2 = (ye + yd + H) / 3 Else h2 = (ye + yd + H + H) / 4 End If If H < 40 Or H = 40 Then Alf1 = 1 + h1 / H * (am - 1) Alf2 = 1 + h2 / H * (am - 1) Else If h1 < 0.6 * H Or h1 = 0.6 * H Then Alf1 = 1 + (am - 1) / 3 * h1 / (0.6 * H) Else Alf1 = 1 + (am - 1) / 3 + (h1 - 0.6 * H) / (0.4 * H) * (am - 1 - (am - 1) / 3) End If If h2 < 0.6 * H Or h2 = 0.6 * H Then Alf2 = 1 + (am - 1) / 3 * h2 / (0.6 * H) Else Alf2 = 1 + (am - 1) / 3 + (h2 - 0.6 * H) / (0.4 * H) * (am - 1 - (am - 1) / 3) End If End If F1 = ah * 0.25 * W1 * Alf1 F2 = ah * 0.25 * W2 * Alf2 a = (W1 * Sin(a1) + F1 * Cos(a1)) * Cos(a1 - a2) + W2 * Sin(a2) + F2 * Cos(a2) b = -W1 * Cos(a1) * Cos(a1 - a2) * 0.74 - (W1 * Sin(a1) + F1 * Cos(a1)) * Sin(a1 - a2) * 0.71 - W2 * Cos(a2) * 0.71 c = W1 * Cos(a1) * Sin(a1 - a2) * 0.71 * 0.74 End If Dlt = b ^ 2 - 4 * a * c k = (-b + Sqr(Dlt)) / (2 * a) If k < kc Then kc = k xd_f = xd yd_f = yd End If End If Next xc Next yd Next xd Next xa Text_Out.Text = Text_Out.Text & "水位" & Str(WH) & "m，" & "坡度1:" & Str(m) & "时，滑坡面折点坐标为" & "(" & Str(xd_f) & "," & Str(yd_f) & ")" & "，" & "安全系数为" & Str(kc) & "。" & Chr(13) & Chr(10) End If End Sub Private Sub Command2_Click() Text_D.Text = 8 Text_H.Text = 62 Text_WH.Text = "" Text_m.Text = "" Text_R.Text = 19.402 Text_RF.Text = 11.759 Text_am.Text = 7 Text_Out.Text = "" End Sub Private Sub Form_Load() Text_D.Text = 8 Text_H.Text = 62 Text_WH.Text = "" Text_m.Text = "" Text_R.Text = 19.402 Text_RF.Text = 11.759 Text_am.Text = 7 Text_Out.Text = "" Option1.Value = True End Sub Private Sub Form_Unload(Cancel As Integer) Form_main.Show End Sub Private Sub Form_Load() Text_Help.Text = "1.本程序所涉及计算公式、参数等均遵照《水工建筑物荷载设计规范(DL+5077-1997)》、《水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)》、《碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)》的相关解释说明；" & Chr(13) & Chr(10) & Chr(13) & Chr(10) & "2.本土石坝边坡稳定分析程序采用折线法原理，模型有所简化；" & Chr(13) & Chr(10) & Chr(13) & Chr(10) & "3.滑坡折点坐标循环步长的设定值推荐为1m，过高的计算精度会严重影响您的计算机的响应速度，由此我们推荐您的计算机配置有双(多)核心的中央处理器；" & Chr(13) & Chr(10) & Chr(13) & Chr(10) & "4.由本程序之运算结果误差或错误而导致其他严重后果，本程序不负任何 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 。" & Chr(13) & Chr(10) & Chr(13) & Chr(10) & "2015/5/7""" End Sub 附录2 GeoStudio计算结果 1. 河床中间2-2断面渗流 图2-1 正常蓄水位渗流计算图 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-2 设计洪水位位渗流计算图 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-3 校核洪水位位渗流计算图 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 2. 最危险滑裂面稳定计算 图2-4 1/3坝高时边坡稳定分析 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-5 死水位时边坡稳定分析 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-6 稳定渗流时边坡稳定分析 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-7 校核水位时边坡稳定分析 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 图2-8 正常蓄水位时边坡稳定分析 注：纵坐标坝高，横坐标坝长 谢 辞 在设计过程中我遇到了很多难以解决的问题。在屈春来老师的指导之下，我克服了设计中的难题，独立的完成了整个斜心墙土石坝的初步设计。感谢他对我的在设计上的指导以及独立设计能力的培养，让我在毕业以后有信心参加相关的设计的工作，对以后的人生旅程产生了重要的影响。在此，谨向导师屈春来老师致以崇高的敬意和由衷的感谢！ 参考文献 1．中华人民共和国水利部，2002．碾压式土石坝设计规范SL274—2001．北京：中国水利水电出版社 2．王世夏，2000．水工设计的理论和方法．北京：中国水利水电出版社 3．土石坝技术2005年 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集．北京：中国电力出版社 4．水利工程施工，袁光裕主编，2002．北京：中国水利水电出版社 5．王柏乐，2004．中国当代土石坝工程．北京：中国水利水电出版社 6．郑秀培，1979．土石坝地基混凝土防渗墙设计与计算．北京：水利电力出版社 7．索丽生，任旭华，胡明，2001．水利水电工程专业毕业设计指南．北京：中国水利水电出版社． 8．左东启等．水工建筑物．南京:河海大学出版社，1995 9．GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》，中华人民共和国建设部，1999 10．SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》，水利部，2001 11．土力学，卢廷浩主编．南京：河海大学出版社 12．1984．水工设计手册——土石坝．北京：中国水利水电出版社 13．L．Muller， Removing Misconception on The NATM． Tunnels & Tunnelling 14．L．Muller，The Use of Shotcrete for Under-ground Support，Principle of The NATM． Water Power & Dam Constructon 15．L．P．Mikhai-lov， Techniques for Soviet Pumped Storage Plant Construction． Water Power & Dam Constructon � EMBED AutoCAD.Drawing.17 ��� IV 1 _1493804297.dwg Administrator _1493977267.dwg Administrator _1493977318.dwg Administrator _1493926565.dwg Administrator _1493284057.dwg Administrator _1493390292.dwg asus _1493390399.dwg asus _1493390113.dwg asus _1493269007.dwg Administrator _1493230549.dwg Administrator