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1、土石坝课程设计目录一、基本资料11.1坝址区自然条件11.2坝址区地质条件21.3建筑材料物理力学指标31.4其它资料4二、枢纽布置62.1坝轴线选择62.2坝型选择62.3挡水建筑物布置72.4泄水建筑物7三、剖面设计73.1坝坡确定83.2坝顶高程83.3坝顶宽度143.4基本剖面15四、土料设计154.1土料设计154.2填筑标准设计16五 、防渗排水设计175.1渗流计算175.2防渗排水设施设计235.3抗渗稳定验算255.4计算渗透压力26六 、土石坝稳定计算266.1计算原理-瑞典圆弧法266.2计算工况28七、土石坝的地基处理427.1河床部分437.2坝肩处理43八、土石坝两
2、岸连接建筑物设计448.1坝体与坝基及岸坡的连接448.2坝体与混凝土建筑物的连接45九 、土石坝细部构造设计479.1坝顶构造479.2护坡及排水479.3防渗体设计499.4反滤层和过滤层499.5堆石棱体排水尺寸52参考文献5253一、基本资料小浪底水利枢纽工程是以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电、蓄清排浑，除害兴利的综合利用的水利枢纽。小浪底水利枢纽工程属一等工程，主要建筑物为1级，按千年一遇洪水设计，洪峰流量为40000m3/s（三门峡水库不控制的情况下）。水库防洪限制水位275m，总库容126.5亿m3，长期有效库容51亿m3为不完全年调节水库。电站总装机容量180
3、万千瓦，正常运用期的保证出力为30万千瓦。1.1坝址区自然条件小浪底工程位于黄河中游最后一个峡谷的出口，上距三门峡水库130km，下游是黄淮海平原。坝址处河道自西向东，水面宽约200m，河床底宽400m600m，河床最低高程约130m，河滩分布在南岸。距离地面十米处的风速为15m/s，吹程为6km。本地区地震基本烈度为7度，挡水建筑物要求按8度地震烈度设计，非挡水建筑物设防烈度为7度，峰值加速度为0.215g。混凝土与基岩之间的抗剪摩擦系数f=0.65。由于受地形、气候、产流条件的影响，黄河径流的地区分布很不平衡。大部分径流来自兰州以上及龙门到三门峡区间。受大气环流和季风的影响，黄河径流的年际
4、变化较大，年内分配很不均衡。干流及较大支流汛期径流量占全年的60%左右，每年3月份-6月份，径流量只占全年的10%-20%，小浪底水利枢纽控制黄河90%的水量。黄河流域的洪水主要由暴雨形成，发生时间为6-10月，其中大洪水和特大洪水的发生时间，兰州以上一般在7月-9月，三门峡-花园口之间在7月中旬到8月中旬。黄河洪水的洪峰形式，上游为矮胖型，洪水历时较长，洪峰较低。中游洪水形式为高瘦型，洪水历时较短，洪峰较高。小浪底枢纽2000年水平年设计多年平均年径流为277.6亿m3，设计年均输沙量13.5亿t，年平均含沙量48.6kg/m3，在天然情况下汛期7月9月来沙量占85%。不同频率的洪峰流量见下
5、。表1-1 不同频率的洪峰流量表频率0.010.11洪峰流量（Q/m3）523004000027500黄河径流的泥沙含量居世界首位，多年平均含沙量37.6kg/m3，多年平均输沙量13.51亿T。在一年之中，泥沙主要集中在汛期，干流站7-9月沙量占全年沙量的80%左右，支流站接近100%；汛期沙量又集中在几次暴雨洪水之中。黄河泥沙约有1/4沉积在下游河床，致使下游河床每年以10cm速度抬高。小浪底水利枢纽控制近100%的沙量。1.2坝址区地质条件小浪底工程坝址河床覆盖层最深达74m。坝址区出露基岩为二、三叠系砂岩和黏土岩互层，坝址左岸岸坡较陡，由紫红色砂岩夹薄层黏土岩组成，基岩出露高程为290
6、m300m，出露的地程其上为黄土覆盖，厚10m20m。坝址右岸岸坡较缓，离河岸较远处基岩出露高程为380m400m，由青灰色砂岩和紫红色黏土岩组成。坝址区断裂构造发育，沿坝轴线有13条断层，其中对大坝影响较大的F1断层位于河床右岸岸边，走向大致与河道平行，断层带物质为断层泥、角砾及岩粉，为一隔水断层。河床砂卵石覆盖层厚度一般为30m40m，最厚约80m，河床右侧覆盖层下有一基岩陡坎，坝轴线处陡坎高45m，坎的坡度约为1：0.35，向上游陡坎逐渐变缓直至消失。坝址区两岸及坝肩基岩泥化夹层发育，其抗剪强度指标：f=0.230.28，C=10 kpa。夹层抗剪强度低，给坝体、坝肩均带来严重的稳定问题
7、。1.3 建筑材料物理力学指标黏土在天然状态下：黏粒含量30%40%；天然含水量23%24%；塑性指数1517；不均匀系数50；有机质含量0.4%；水溶盐含量2%；塑限17%19%；比重2.72.72。扰动后的主要物理力学指标为干容重15.0kN/m3;饱和容重19.0kN/m3；浮容重11.0kN/m3；渗透系数110-6cm/s。砂砾石渗透系数310-3cm/s；内摩擦角：=25；比重2.72，不均匀系数=15。表1-2 不同砾石含量设计干容重参考值表大于5mm的含砾量P（%）102021303140415051606170设计干容重（kN/m3）17.0017.5018.5019.001
8、9.5020.001.4其它资料1.4.1 工程规模小浪底水利枢纽位于三门峡水利枢纽下游130公里、河南省洛阳市以北40公里的黄河干流上，下距郑州花园口128公里，工程以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电、蓄清排浑，除害兴利，枢纽是由拦河大坝及泄水排沙等建筑物组成。拦河大坝总长1667m，泄洪建筑物由泄洪底孔和溢洪道组成，溢洪道布置3孔闸门，闸门尺寸11.517.5m。工程总库容126.5亿m3，按水利部、能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，确定枢纽为等工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为2级，临时建筑物为3级。洪水设计标准按千年一遇设计，万年校核。1.4.2 水文、水利计算
9、及调洪演算成果经洪水调节计算，确定的水库特征水位及库容成果如下表所示：表1-3 水库水位与库容表序号项 目单位数值备 注1 死水位m230.02 汛限水位m252.03 正常蓄水位m275.04 设计洪水位m274.0P=0.1%5 校核洪水位m275.0P=0.01%6 下游最高水位m141.57防洪库容亿m340.5 8有效库容亿m351.09 初始库容亿m317.110 总库容亿m3126.511溢洪道泄流量m3/s3700P=0.01%根据水库防洪要求，遇千年一遇洪水，库水位274m，要求总泄流量不得小于13480m3/s；遇万年一遇洪水，库水位275m，要求总泄流量不得小于17000
10、 m3/s，并应留有足够的余地。工程坝体部分设有9孔泄洪洞,泄流能力为13500 m3/s。二、枢纽布置2.1坝轴线选择图2-1 所选坝址纵剖面图2.2坝型选择所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩的强度较底，且不完整。从地质条件看不宜建拱坝。支墩坝本身的应力较高，对地基的要求也很高，在这种地质条件下修建支墩坝也是不可能的。较高的混凝土重力坝也要求修建在岩石基础上，因此也是不可行的。而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低。从当地的材料来看材料比较丰富，土石坝又有就地取材特点。通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益
11、等因素，最终选择土石坝的方案2.3挡水建筑物布置挡水建筑物采用土石坝，按直线布置，坝布置在河弯地段上。2.4泄水建筑物泄水建筑物采用溢洪道，溢洪道布置在坝体的左侧。枢纽总布置图见下图：图2-1 枢纽总平面布置图三、剖面设计土石坝的基本剖面根据坝高、坝的等级、坝型、筑坝材料特性、坝基情况以及施工、运行条件等。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据，并考虑本工程的具体情况，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的剖面形状，对本工程的各项数据设计如下。3.1坝坡确定土石坝坝坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、坝基性质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。根据SL2742001碾压式
12、土石坝设计规范规定：高度在30m以下的为低坝，高度在3070m之间的土石坝坝高为中坝，高度超过70m的为高坝。由于小浪底水库属于等工程，以防洪发电为主，校核洪水位为275m，水库最低高程为130m，坝高至少150m，预估为高坝，故本坝采用五级变坡。（1）上游坝坡坡率：从坝踵至坝顶依次为1:3.5,1：3.,1:3,1:3,1:2.5；（2）下游坝坡坡率：从坝顶至坝趾依次为1:2.5,1:2.5,1:2.5，1:2.5,1:2.5（3）上游马道：因土石坝高程相隔1030m之间设马道，故第一级马道高程为161.5m，第二级马道高程191.50m，第三级马道高程221.50m，第四级马道高程251.
13、50m，马道宽度取2.0m。（4）下游马道：第一级马道高程为251.50m，第二级马道高程221.50m，第三级马道高程191.50m，第四级马道高程161.50m，马道宽度取2.0m。3.2坝顶高程坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大值：设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高再加地震安全加高（根据地震烈度和坝前水深情况，地震涌浪高度可取为0.51.5m，取自水工建筑物第五版中国水利水电出版社P218）。当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高是指水库静水位与防
14、浪墙顶顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件，坝顶不得低于静水位。坝顶超高d按式（1-1）计算，对特殊重要的工程，可取d大于此计算值。d=R+e+A （1-1）式中：R-为波浪在坝顶上的设计爬高，m； e-为风浪引起的坝前水位壅高，m； A-安全加高，m，根据坝的级别按表1-1选用，其中非常运行条件（a）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b）适用于平原区、滨海区。对于安全级别为1级的坝，正常运行条件下的安全超高为1.5m，非正常运行条件的超高为0.7m。查碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）按式（1-2）算得风壅高度： e=KW2D2gHmcos （1-2） 式中：e 计算处的风壅水面高度，m；D 风区长度，m；K 综合摩阻系数，其值在（1.55.0）10-6之间，计算时一般取3.610-6 计算风向与坝轴线法线的夹角,0；W 计算风速, m/s. 在正常运用情况，12级坝，取W=(1.52.0)Wmax，35级坝取1.5Wmax；取W=Wmax。Wmax坝址多年平均最大风速。坝前平均水深，m。正常运用条件（正常蓄水位和设计洪水位）风区有效吹程为D=6
