水工建筑物的课程设计—斜墙坝

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1、精 品水 工 建 筑 物课 程 设 计班 级 ： 姓 名 ： 学 号 ：水 工 建 筑 物 课 程 设 计 斜 墙 坝一 、 基 本 资 料 ：1、河谷地形见附图。2、天然材料。在坝址附近 3 公里范围内渗透系数为 k=10-5cm/s 的土料储量丰富，砂石料分布较为广泛。覆盖层厚度：岸坡 35m，河床 57m。覆盖层渗透系数平均为 10-2cm/s10-3cm/s.3、内外交通。工程紧靠公路，与铁路线相距约 10 公里，交通便利，不需另外修建对外临时施工道路。4、水库规划资料。该工程主要为下游城市和农田供水，供水工程的最大引用流量为 20m3/s。水库正常蓄水位 590 m、设计洪水位 59

2、2 m、校核洪水位593m。设计洪水流量 1200m3/s,下泄允许最大单宽流量 18m3/s。水库最大风速12m/s，吹程 D=5km。灌区位于左岸，灌溉输水渠渠首设计水位 572m。二 、 设 计 报 告(一) 土石坝的剖面尺寸及构造经分析，该设计选择斜墙坝。1、 坝顶高程：坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，取 4 种运用条件：1) 设计洪水位+坝顶正常超高值2) 正常蓄水位+坝顶正常超高值3) 校核洪水位+坝顶正常超高值4) 正常蓄水位+坝顶正常超高值+地震安全加高中的最大值。坝顶超高值： dReA式中：d坝顶超高，m；R波浪在坝坡上的设计爬高，m；e风浪引起的坝前水位壅高，m；A安全加高

3、，m。1) 风壅水面高度：2cosmKWDegH式中，K综合摩阻系数，取 ；D风区长度，取吹程 5km； 计63.10算风向与坝轴线的法线间的夹角，该坝 ； 风区内水域平均深度，mH设为 35m； 计算风速，m/s，2 级坝采用多年平均最大风速的 1.52.0倍，此处取 2 倍。算得，e=0.015m2) 波浪爬高 的计算：R平均波浪爬高 ：当坝坡系数 m=1.55.0 时，m。21wmKhL式中， 斜坡的糙率及渗透性系数，查表得 1.0； 经验系数， wK查表得 1.0； 平均波高，m ； 平均波长，m。hL平均波高与平均波长由经验公式得出:0.6315340.6lhWDm=7.2512.1

4、5.752.()mgLgL则， 20.63.8R设计波浪爬高 ：p对 2 级坝取累计频率 1%的爬高值 ，不同累计频率下的波浪爬高 ，1%hpR可由 的值和相应的累计频率 P（%）查表得出。mhH，查表得 =2.66，0.1pmR.682.1mpRQ所以， .3) 安全加高 A：根据坝的级别，按表 5-1 选用。表格 1 土石坝的安全加高 单位：m坝的级别 1 2 3正常运行条件 1.50 1.00 0.70非正常运行条件（a） 0.70 0.50 0.40非正常运行条件（b） 1.00 0.70 0.50该坝属于 2 级坝，所处地形属于山区、丘陵区。4 种运用条件成果如下：表格 2 土石坝的

5、坝顶高程 单位：m运用条件 水位 波浪爬高 R 风壅水高 e 安全加高 A 地震安全加高 坝顶高程（1） 592 1.81 0.015 1.0 - 594.83（2） 590 1.81 0.015 1.0 - 592.83（3） 593 1.81 0.015 0.5 - 595.33（4） 590 1.81 0.015 0.5 1.0 593.33选取 4 中运用条件中的最大值作为坝顶高程，即坝顶高程为 595.33m。考虑水库综合利用情况，取 596m。2、 坝顶构造：（1） 坝顶宽度：SL 274200J碾压式土石坝设计规范规定： 高坝顶宽可选为 10-15m，中、低坝顶宽可选为 5-10

6、m。由于该设计中无交通要求时，仅考虑抢险防汛及检修灌浆和运行管理要求，坝顶宽度 8m。（2） 坝顶构造：坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定，一般采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。本设计采用碎石路面。坝顶上游侧宜设防浪墙，墙顶一般高出坝顶 1.0-1.20m。防浪墙应坚固不透水，用砌石浆建造,取 1.2m。3、 坝坡构造：（1） 坝坡坡度：土坝坝坡比参考值坝高/m 上游坝坡 下游坝坡10(1:2.00)(1:2.50) (1:1.50)(1:2.00)1020 (1:2.25)(1:2.75) (1:2.00)(1:2.25)2030 (1:2.50)(1:3.0

7、0) (1:2.50)（1:2.75）30（1:3.00）（1:3.50） （1:2.50）（1:3.00）斜墙坝下游坝坡的坡率取值宜偏陡，上游则可适当放缓。该坝最大坝高 596-560=36m，采用两级边坡。故上游坝坡为 1：3.00，下游坝坡从坝顶到坝踵依次为 1:2.5, 1:3.00，土石坝下游坝坡常沿高程每隔 10-30m 设置一条马道，其宽度不小于为1.52.0m，马道一般设在坡度变化处，坡率相差 0.2-0.5。该坝在坝高处设置宽为 2m 的马道，坡度为 1:1.5，1:2.0。12（2） 护坡构造：土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、顺坡水流冲刷、冰层和漂浮物等的危害作用；下游坡面要

8、遭受雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的作用以及动物、冻胀、干裂等因素的破坏作用，因此，上下游八面必须设置护坡。该坝上游护坡采用浆砌石护坡，从坝顶一直到坝角，护坡厚度为 50cm，下部设厚度均为 40cm 的碎石或粗砂垫石。下游护坡设厚度为 50cm 的碎石护坡，护坡下面设厚度为 40cm 的粗砂垫层。4、 坝体防渗设置：（1） 防渗体：防渗体的厚度主要决定于土料的质量，如容许渗流比降、塑性、抗裂性能等。在设计中通常采用平均容许比降 作为控制标准，它等于作用水头 H 与防aJ渗体厚度 T 的比值，斜墙的 不宜大于 5。防渗体顶部的水平宽度不应小于3m，自上而下逐渐加厚，在坝底部不低于容许比

9、降所规定的要求。此斜墙坝顶部宽度定为 3m，上游坡度取为 1:2.5，上下游作用最大水头差H=596-560=36m，故墙厚 ，斜墙底宽取为 10m7.2m,斜墙367.25HTmJ下游与水平面夹角为 ， ，则其坡度为 。.8tan0412.tan斜墙上游应设置保护层，以防止冰冻和干裂。保护层可采用砂或碎石，其厚度不小于该地区的冻结和干燥深度，此处取 1.0m，分别铺 0.5m 厚的碎石和砂砾石。5、 坝基防渗设置：（1） 截水槽：截水槽是坝体防渗体向透水地基中的延伸，是构造简单、防渗有效、稳妥可靠的坝基防渗设施。槽底宽度应根据回填土料的容许渗透比降、与基岩接触面抗渗流冲刷的容许比降以及施工条

10、件确定。槽的边坡一般不陡于(1:1)(1:1.5)，槽两侧设置反滤层或过渡层。此处取槽的边坡 1:1.2。（2） 铺盖：铺盖是均质坝体心墙或斜墙上游水平的延伸，可以延长坝基渗流的渗径，以控制渗透坡降和渗流量在允许的范围内。铺盖土料的渗透系数应小于 10-5cm/s,且至少要小于坝基透水层渗透系数的 100 倍以上，此坝周围的砂石料符合这一要求。铺盖向上游伸展的长度一般最长不超过 68 倍水头，铺盖的厚度，上游端按构造要求，不小于 0.5m，取为 1m，向下游逐渐加厚使某断面处在顶、底水头差作用下其渗透比降在允许范围内，在与坝体防渗体连接处要适当加厚以防断裂。铺盖上应设保护层，以防止蓄水前干裂、

11、冻蚀和运用期的风浪或水流冲刷，铺盖底应设置反滤层保护铺盖土料不流失。6、 土坝排水设置：坝体排水用堆石棱柱体排水，它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体顶宽不小于 1.0m，顶面超出下游最高水位的高度，对 2 级坝不小于 1.0m，而且还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下，因下游无水，故取棱体顶高 3m,顶宽 2m。棱体内坡根据施工条件决定，一般为 1:1.01:1.5，外坡取为1:1.51:2.0，在此处取内坡 1:1.5，外坡 1:2.0。在棱体与坝体及土质地基之间均应设置反滤层，在棱体上游坡脚处应尽量避免出现锐角。7、 反滤层和过滤层反滤层的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流溢出处遭

12、受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面外的接触冲刷。反滤层一般由 1-3 层级配均匀，耐风化的砂、砾。卵石和碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大。水平反滤层的最小厚度可采用 0.3m；垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。过渡层主要对其两侧土料的变形起协调作用。反滤层可以起到过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。合理的反滤层设计要满足的要求：（1） 被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，而且能促进使裂缝自行愈合。要求反滤层有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。（2） 透水性大于被保护土层，能畅通的排除渗透水流，

13、同时不致被细粒土淤塞而失效。这要求反滤层必须有足够大的孔隙。8、 坝型剖面图（见图纸）(二) 土石坝防渗分析渗流分析的内容包括：确定坝体内浸润线；确定渗流的主要参数渗流流速与比降；确定渗流量。在渗流分析中，一般假定渗流流速和比降的关系符合达西定律，即 。斜1墙采用粘土料，渗透系数 ，坝壳采用砂土料，渗透系数51.0/ekcms，两者相差 倍，可以把粘土斜墙看做相对不透水层，因21.0/kcms3此计算时可以不考虑上游楔形降落的水头作用。坝体渗透计算斜墙的平均厚度： 12306.5m通过斜墙的 ： (1)q11eHhK通过坝壳的 ： (2)22L由公式（1） 、 （2）相等得：221ehKHh下

14、游无水， ，Q20H25216.530L堆石棱柱体排水体高度为 3m，计算 L 的长度：578454.517.L m则， ，.2ehm310/860/eKcs日2321 .8.64.58/eHq 日坝壳浸润线方程 ， ，2(017.)yxxq210/.64/Kcms日则坝壳浸润线方程可写为 20.134yx(172.5)坝壳浸润线方程 坐标点0xx 0 10 20 40 60 80 100 120 140 160y 0 1.16 1.64 2.32 2.84 3.27 3.66 4.01 4.33 4.63浸润线轮廓如图示：水力坡降 30.17425HJL渗漏总量约为 63.8.2.01/Qq

15、ms渗漏量控制 允 许平均流速 5610.741./vkJs(三) 土坝稳定性计算1、 土坝失稳的形式，主要是坝坡或坝坡连同部分坝基沿某一剪切破坏面的滑动。稳定计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各种运用情况下坝坡是否安全、经济。2、 土石坝滑动面的形式有：曲线滑动面； 直线或折线滑动面；复合滑动面。3、 荷载及其组合：1）荷载：自重、渗透力、孔隙水压力、地震荷载。2）荷载组合（正常运用条件）：水库蓄满水（正常高水位或设计洪水位）时，下游坝坡的稳定计算；上游库水位最不利时，上游坝坡的稳定计算；库水位正常行降落，上游坝坡内产生渗透力时，上游坝坡的稳定计算。 4、 要求的抗滑稳定系数：对于非常运用条件（考虑孔隙水压力时）下，2 级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为 1.15。5、 土石坝的稳定分析：对于该坝来说，滑动面接近于圆弧，故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。为了简化计算和得到较为准确的结果，常采用条分法。规范采用的圆弧滑动静力计算公式有两种：一是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法，一是考虑条块间作用力的毕肖普法。此坝用瑞典圆弧滑动法。1) 计算原理：假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体是