挡水坝初步设计.docx

目录第一章 基本资料11.1 枢纽任务11.2 自然地理与水文气象特性11.3 工程地质31.4 建筑材料41.5 其他资料5第二章 枢纽布置62.1 工程等别及建筑物级别62.2 枢纽组成及布置72.3 地基处理7第三章 土石坝设计83.1 坝型选择83.2 坝体剖面设计83.3土料设计12第四章 渗流计算134.1 渗流计算的内容134.2 渗流计算的水位组合134.3 水力学法计算渗流13第五章 稳定分析175.1稳定计算条件175.2瑞典圆弧法计算原理175.3瑞典圆弧法计算18附录 设计指导书26 第一章 基本资料1.1 枢纽任务本工程以形成环境景观水库为主，工程建成后，可以形成6000070000m2面积的水域，蓄水30万m3，可以在一定程度上减少流域内的水土流失，减轻山洪对下游村镇、交通线路的危害，进一步改善和美化环境，调节小气候，改善周边植物生长条件。同时为农业灌溉和生活用水提供补充水源。1.2 自然地理与水文气象特性1.2.1 流域概况XX沟发源于京郊XX北麓，自南而北流经XX区XX镇，为温榆河水系之南沙河的支流，流域面积4.2km。拟建的XX水库坝址位于XX镇XX村南、XX沟出山口的河道狭窄处。距方（庄）颐（和园）公路约1.5km，有简易公路相通。工程区距中关村科技开发区约15km，距上地科技园区约10km，距XX园亦仅13km，水库上游及下游均有密集的住宅区。坝址以上主沟长2.95km，流域面积2.90km2，沟底平均坡降11.3%。1.2.2 水文气象特征流域内无水文测站和气象站。可参照借鉴的XXXX站和XX站，至水库的直线距离分别为12km和20km。（1）河流水文特性XX沟为间歇性河流，除遇较大降雨时沟中有径流外，一般均为干沟。根据北京市山区水文资料，流域多年平均降水量640mm，多年平均径流深为240mm（相应多年平均年径流量为69.6104m3）。代表性水文年的年径流量如表1-1所列。表1-1 代表性水文年的年径流量代表性水文年丰水年（P=25%）平水年（P=50%）枯水年（P=75%）年径流量(m3)91.410455.110430.5104（2）洪水历史资料说明，洪水多发生在78月，洪水过程多为单峰型，一次洪水历时不超过15h。设计洪水过程线见表1-2。表1-2 典型洪水过程线时段（天）00.51.01.523456流量（m3/s）017.377.055.038.625.218.814.211.2（3）库水位与面积、库容关系表1-3 水库高程与面积、库容关系高程(m)面积(m2)库容(m3)8678546187300123548872497479891171516961901797531806912076851177922627974701933239010403594343011373819538294173678964408621486897468982603609851246309432（4） 温度：据现有资料，工程区属于温带大陆季风气候，多年平均气温11.7C。多年平均陆面蒸发量450mm。（5） 泥沙：坝址以上流域面积内，林木茂密，植被良好，水土流失较轻。（6） 蒸发：流域内多年平均陆面蒸发量为450mm。根据北京市水文手册资料，按20cm口径蒸发器测量库区内多年平均水面蒸发量为1950mm。（7） 其他： 洪水期多年平均离地面10m高的最大风速v=18.5m/s，吹程D=392m，风向垂直上游坝面。冻土深1.0m。坝顶交通要求通行单行道（7m）。坝、库区基本地震烈度为6。1.3 工程地质1.3.1 水库区工程地质条件 水库区为一由西北方向（坝前）向东南方向渐扩的扇形谷地，北、东、南三面环山，相对高差2080m，西面为山前堆积阶地，相对高差1015m。库区内第四纪冲积洪积层广为分布，厚度在15m以上，水库的北、东、南三面及库盆下，基岩均为石炭二叠系或二叠系地层，透水性弱。西面广泛分布的洪积碎石（含粉质土）层，以及坝下沉积的粉质粘土、漂石夹粉质粘土层，是未来渗漏的主要设防地段，也是影响大坝安全的主要因素。淹没损失小，无浸没及大的库岸稳定和淤积问题。 在地质构造上，处于九龙山碧云寺向斜东北翼端部的转折端。基岩内节理、裂隙发育，但未发现较大规模断裂构造，区域稳定性好。 基岩中分布有裂隙潜水。第四系松散层中有孔隙潜水，水面埋深13.4015.5m，其补给来源为大气降水及山区基岩裂隙水，其排泄流向基本上与河道流向一致。1.3.2 坝址工程地质条件 坝址区呈“U”形河谷，谷底宽约35m，高程84.50m。上部（高程100m处）宽约120m，主河道由南向北流经库区后，改向为由南东向北西方向穿过坝址。谷底沉积有深达19.60m的第四系沉积层。左坝头亦为山前冲积洪积阶地沉积物。右坝头为古生代二叠纪板岩，其产状为倾向南，倾角50。未发现较大规模断裂构造。 板岩为黄绿色，主要成分为粘土矿物，含白云母、绢云母和绿泥石等变质矿物，节理、板理发育，裂隙面上有氧化铁薄膜，裂隙中有红色粘土充填。露头岩石呈强风化。经分析和钻探资料证实，坝基覆盖层下基岩亦为板岩。坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层等，其中的孔隙潜水水面埋深13.5m。岩性在水平方向和垂直方向均存在明显的交替、穿插，透水性变化较大。对分布于坝基和左坝头的覆盖层，需采取可靠有效的防渗措施，方能确保大坝安全和水库的正常运转。1.4 建筑材料坝基覆盖层表层为卵砾石，向下依次为碎石、漂石、粉土层。经勘察，选定的土料场位于水库主坝两坝肩，左坝肩土料场位于主坝左坝肩下游，共占用耕地79.8亩。00.4m为耕植土，0.43.5m为黄土状壤土。勘探深度内未见地下水。右坝肩土料场位于主坝右坝肩上游库区内，不占用耕地。00.3m为耕植土，0.33.5m为黄土状壤土。勘探深度内未见地下水。两个料场土料总储量可满足大坝对土料用量的要求。位于上游左岸1km处有一料场，占地50亩，00.3m为耕植土，0.31m为粘土。粘土料颗粒组成见表1-4。表1-4 粘土颗粒组成粒径20-2mm2-0.5mm0.5-0.05mm0.05-0.005mm0时，最危险滑动面也通过坡脚，其圆心在ED的延长线上，见图5-2。E点的位置距坡脚B点的水平距离为4.5H，距坡顶垂直距离为2H 。值越大，圆心越向外移。计算时从D点向外延伸取几个试算圆心O1，O2，分别求得其相应的滑动稳定安全系数K1，K2，绘出K值曲线可得到最小安全系数值Kmin，其相应圆心Om即为最危险滑动面的圆心。实际上土坡的最危险滑动面圆心位置有时并不一定在ED的延长线上，而可能在其左右附近，因此圆心Om可能并不是最危险滑动面的圆心，这时可以通过Om点作DE线的垂线FG，在FG上取几个试算滑动面的圆心O1，O2，求得其相应的滑动稳定安全系数K1，K2，绘得K值曲线，相应于Kmin值的圆心Omin才是最危险滑动面的圆心。 图5-2 最危险滑动面圆心的确定示意简图应用到本例中，作图得图5-3：图5-3 瑞典圆弧法稳定分析（2）以O点至坡脚A作为半径r，作滑弧面AC；（3）将滑动面以上土体竖直分成几个等宽土条，土条宽为0.1r；（4）计算土条自重：分别量取浸润线以上面积A1，浸润线以下坝基以上面积A2，坝基以下面积A3。；浸润线以上为饱和容重，浸润线以下坝基以上分为两种：计算滑动力时， 取饱和容重，计算抗滑力时， 取浮容重。将沿弧面分解，法向分力为，切向分力为。（5）计算各土条底面的长度，作用在该土条的抗剪力，方向与滑动方向相反。坝基碎石无抗剪力。（6）计算抗滑力矩；滑动力矩。（7）最后可求得边坡的稳定系数：根据以上步骤，制作计算表格，如下：当r=40.83m时的计算结果b = 0.1r = 4.08m；5级坝中：=1.15故满足稳定要求。当r=41.97m时的计算结果b = 0.1r = 4.20m；5级坝中：=1.15故满足稳定要求。当r=43.78 m时的计算结果b = 0.1r = 4.38m；5级坝中：=1.15满足稳定要求。当r=45.67m时的计算结果b = 0.1r = 4.57m；5级坝中：=1.15满足稳定要求。由计算可见，随着r的增加，的值随之减小，当r=43.78时最小，之后随着r的增加而增大，故r=43.78时的滑动面为最危险滑动面，对应的圆心既是最危险滑动面圆心。附录 设计指导书一、课程设计的目的（1） 巩固、联系、充实、加深、扩大所基本理论和专业知识，并使之系统化；（2） 培养学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力，提倡创新精神与科学态度相结合，鼓励大胆提出新的设计方案和技术措施；（3） 培养学生初步掌握工程设计工作的流程和方法，在设计、计算、绘图、编写设计文件等方面得到较全面的锻炼和提高；（4） 培养学生形成正确的设计思想，树立严肃认真、实事求是和刻苦钻研的工作作风。（5） 通过这次设计，进一步掌握水工建筑物课程中“土石坝”的总体布置、渗流计算和稳定分析以及轮廓形状、主要构造的选择等。二、设计内容及要求1确定枢纽组成、枢纽等别和各建筑物的级别根据任务，枢纽由挡水建筑物、泄水建筑物、放空建筑物等组成。要求学生根据拟设计枢纽的工程规模以及在国民经济有关部门的重要性进行分等分级，建立安全经济有机统一的概念。枢纽等别根据规范中五项指标中最大的一项确定，建筑物的级别根据规范相应确定。2枢纽布置和建筑物选型根据地形、地质、筑坝材料、水文气象、施工条件和枢纽建筑物的组成等因素进行枢纽建筑物的平面布置、导流设施和地基处理措施等。根据基本资料，确定各建筑物的型式。3挡水坝剖面设计根据坝顶高程在地形图上沿坝轴线选取最大高度的土坝断面进行设计，包括：（1）坝顶宽度 根据交通及运用要求确定坝顶宽度。高坝（坝高70m）不小于1015m；中、低坝不小于510m。（2）坝顶高程根据已给的洪水位，考虑风浪及安全加高等，确定坝顶及防浪墙顶高程等，参考规范P15P16。坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶的高程按下式计算，并选用较大值：坝顶高程 =设计洪水位+正常运用条件的 =校核洪水位+非常运用条件的=正常蓄水位+非常运用条件的+ -平均波高，官厅公式(计算风速的选取，与的换算见规范P51)-平均波长，鹤地公式所求坝顶高程是指坝体沉降稳定以后的数值。竣工时的坝顶高程应有足够的预留沉降值，约占坝高的0.2%0.4%。（3）坝坡与马道应考虑坝型、坝高、坝体及坝基土石的性质与其密实度、坝体所承受的荷载以及坝的施工和运用条件等因素拟定坝坡或根据经验拟定等。如果需要设置马道应在上下游变坡处设置。（4）坝底高程：是指清基后的高程。（5）防渗设施坝体防渗：各种防渗体的比较；坝基防渗：各种防渗措施选择；坝身与坝基、岸坡及其它建筑物连接的接触防渗。（6）排水设施坝体排水：棱体排水、贴坡排水、坝内排水；坝基排水：坝址下游做反滤排水沟和减压井。（7）坝体剖面图4挡水坝渗流计算 根据选定的防渗设施选择合适的渗流计算公式。5挡水坝稳定计算计算情况：正常蓄水位情况下，稳定渗流期，下游边坡稳定计算。（1）斜墙坝或心墙坝：折线法（2）均质坝：采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法，计算下游边坡稳定。由于坝坡最小稳定安全系数存在极值点，所以至少计算两个滑出点，经过每个滑出点的圆弧至少三条，找出最小的安全系数作为坝坡的安全系数。如有时间尽量找出最小安全系数。6挡水坝细部构造（1）坝顶的布置（包括防浪墙的构造等）（2）坝体和地基的防渗排水布置（3）上下游护坡（4）坝坡马道（5）反滤层在进行以上设计过程中，均应配合绘制相应的各种草图。三、设计成果和要求1图纸（1）CAD绘制A2号图纸一张：在地形图上绘制枢纽平面布置图，在地质剖面图上绘制下游立视图，交电子版图纸。（2）手绘A1号图纸一张：大坝典型剖面图，细部结构图23个（项目自定），比例尺自定。2设计说明计算书 给出设计说明计算书一份，字数不应少于1万字。力求简明扼要，做到有分析、有结论。说明计算书内容一般包括：（1）基本资料：对