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1、土石坝课程设计20180902土石坝课程设计专 业： 水利水电工程 班 级： 水电XXXX 姓 名: XXXX 学 号： XX 指导教师： 成 绩： I目录一、基本资料- 1 -1.1 坝址区自然条件- 1 -1.2 坝址区地质条件- 2 -1.3 建筑材料物理力学指标- 3 -1.4 其它资料- 4 -二、枢纽布置- 5 -2.1 坝型选择- 5 -2.2 枢纽建筑物及其布置- 6 -三、剖面设计- 8 -3.1坝顶高程- 8 -3.2坝顶宽度- 13 -3.3坝坡- 13 -3.4坝底宽度- 13 -四、土料设计- 14 -4.1土料设计- 14 -4.2填筑标准设计- 15 -五、防渗排
2、水设计- 16 -5.1渗流计算（电算）- 16 -5.2渗透破坏验算- 24 -5.3排水设施选择- 25 -六、土石坝稳定计算- 26 -七、土石坝的地基处理- 33 -7.1土石坝的坝基清理- 33 -7.2土石坝的防渗处理- 34 -八、土石坝两岸连接建筑物设计- 34 -8.1土石坝与坝基的连接- 34 -8.2土石坝与岸坡的连接- 35 -九、土石坝细部构造设计- 35 -9.1坝顶- 35 -9.2防渗体- 36 -9.3排水设施- 37 -9.4护坡与贴坡排水- 37 -主要参考文献- 40 -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
3、、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
4、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
5、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。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
6、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、三叠系砂岩和粘土岩互层，坝址左岸岸坡较陡，由紫红色砂岩夹薄层粘土岩组成，基岩出露高程为290m300m，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粘土岩组成。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
7、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。1.3 建筑材料物理力学指标粘土在天然状态下：粘粒含量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
8、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）17.0017.5018.5019.0019.5020.001.4 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
9、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m3
10、40.5 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 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 坝型选择图2-1 所选坝址纵剖面图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
11、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、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。2.2 枢纽建筑物及其布置2.2.1 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：土石坝。（2）泄水建筑物：包括泄洪隧洞和溢洪道结合。2.2.2 枢纽总体布置（1）挡水建筑物土坝挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。（2）泄水建筑物溢洪道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：
12、图2-1 枢纽总平面布置图三、 剖面设计1233.1 坝顶高程根据SL 274-2001碾压式土石坝设计规范可得：1) 坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和。应按以下4种运行条件计算，取其最大值： 设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高； 正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高； 校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高； 正常蓄水位+非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。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浪墙顶之间的高差，但在正常运营条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非正常条件下，坝顶应不得低于静水位。坝顶超高d按下式计算，对于特殊重要的工程，可取d大与此设计值。d=R+e+A式中
13、R波浪在坝坡上的设计爬高值，m； e风浪引起的坝前水位壅高，m；A安全加高，m；根据坝的级别按照表3-1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。2) 波浪的平均波高和平均波周期宜采用莆田试验站公式：hm=0.13th0.7gHmw20.7th0.0018gDw20.450.13th0.7gHmw20.7Tm=4.438hm0.5当HmLm0.5时，称为深水波，其波长与周期有关：Lm=gTm221.56Tm2当HmLm0.5时，称为浅水波，其波长与周期有关：Lm=gTm22th2HmLm以式中：hm-平均坡高，m； Hm-坝前水域平均水深，m； T
14、m-平均坡周期，s。3) 计算波浪的平均爬高Rm。当坡度系数m=1.55.0时，平均爬高Rm计算公式为:Rm=KKw1+m2hmLm式中K斜坡的糙率渗流系数，可查表3-2,；Kw经验系数，由计算风速v0（m/s）、水域平均水深Hm（m）和重力加速度g组成的无维量v0gHm按表3-3确定；m单坡的坡度系数，若单坡坡角为，则m=cot；hm、Lm-平均坡高和波长，m。计算设计爬高值R。不同累积频率的爬高RP和Rm的比，可根据爬高统计分布表3-4确定。设计爬高值按建筑物的级别而定，对于、级土石坝取累计频率P=1%的爬高值R1%，对于、级坝取P=5%的R5%。4) 风壅水面高度e=Kv02D2gHmcos式中：Hm坝前水域平均水深，m； K综合摩擦系数，其值变化在（1.5
