心墙坝专业课程设计.docx

第一章 绪论1.1 序言1.2 设计基础资料1.2.1工程概况1.2.2 气象水文资料1.2.2.1气象条件1.2.2.2径流1.2.2.3洪水1.2.2.4泥沙1.2.2.5冰情1.2.2.6水化学1.2.3 工程地质条件1.2.3.1区域地质概况1.2.3.2库区工程地质条件1.3 设计内容1.4 设计依据土石坝设计1、土石坝设计任务书1.1、课程地位、作用：土石坝课程设计是水工建筑物教学中一个关键教学步骤之一，它是高等教育中培养水利水电工程专业应用型高等专门人才一次专题实训步骤，是在定岗实践基础上经过对经典，有代表性已建或在建工程实际资料分析，结合生产实际，进行水利水电工程枢纽设计，提升专业基础技能及工作能力一次指导性实训课程。其任务关键有：1、经过课程设计使学生学会综合利用基础知识和专业理论知识，进行水利工程设计方法和步骤。2、培养学生善于利用设计图册、国家标准规范、熟悉计算方法，提升计算能力，专业绘图和编写设计文件等基础技能。3、提升学生分析问题、处理问题、独立工作能力。4、经过课程设计全方面考察，了解学生在校期间学习质量，从而发觉教学中存在问题，为深入进行教学改革提供依据。1.2、工程概况：水库在G县H河支流Q河上游，控制流域面积198km2，水库总库容330万m3。枢纽工程包含大坝和在左岸输水洞。其中主坝坝高为71m，坝轴线全长265m，顶宽7m。坝顶高程3281m，设计、校核洪水位和正常蓄水位均为3278m，大坝按三级建筑物设计，设计标准按50年一遇洪水设计，5一遇校核。坝址处河床为洪积、冲积砂砾石覆盖层，最大厚度13m。在施工中进行覆盖层探深试验，平均干容重达23.5k，渗透系数为20.994.5m/d。1.3、设计任务：1.3.1 坝体结构设计依据工程概况确定合理土坝形式，其中包含坝体防渗体形式及材料，坝壳材料，排水体类型，和坝基防渗处理方法。1.3.2 坝体剖面设计在已知坝顶高程坝顶宽度条件下，依据所确定坝体结构，假定土坝上游及下游坡率，并在米格纸上绘出土坝最大剖面图。1.3.3 渗流计算依据已确定坝体结构形式选择对应水力学公式计算出最大剖面处单宽流量和浸润线方程并会在米格纸上。（仅考虑外稳定渗流期一个工况，此时下游水深为5m）1.3.4 坝坡稳定计算应用圆弧滑动法，找出稳定渗流期坝体下游坡最小安全系数kmin所对应圆心大致区域。并最少计算出一个安全系数k，并在米格纸上绘出过程。1.3.5 细部结构设计包含坝顶、护坡、反滤层、坝体及坝基有防渗透、排水、坝坡排水沟等并绘出各个细部结构图。2、坝体结构设计2.1坝型选择在选定下坝线基础上，对可能利用当地材料进行了研究分析。考虑了多种可能采取坝型，因为坝址不含有相对对称山体地形，山体也不够宽厚，同时坝基为深厚砂砾石层，首先排除了采取拱坝及重力坝方案。依据地质勘测，当地含有材质良好、储量丰富、运距短砂砾石料，坝壳填筑料充足，适宜建造土石坝 土石坝能够分为土石心墙坝，土石斜墙坝，心墙堆石坝，混凝土面板堆石坝。心墙土石坝、土石斜墙坝、心墙堆石坝需要有建筑心墙土料。依据工程地质条件、地形条件、当地建筑材料、交通情况，考虑大坝型式为：沥青混凝土心墙坝、土工膜斜墙砂砾石坝多个。依据当地地形、地质条件，及对筑坝材料分析，决定采取沥青混凝土心墙砂砾石坝。2.2防渗体设计2.2.1心墙材料选择沥青混凝土心墙含有良好适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力和整个心墙无须设置结构缝，所以，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选择沥青混凝土作为心墙材料，关键原因有以下几点：（1）施工时间：能够以相当快速度铺筑沥青混凝土，很经济适用。沥青混凝土一经压实，立即能够防水，尤其是在潮湿季节施工时，这一点很关键。（2）生理适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生见解来看，对其应用于水库完全没有异议。（3）抗冻性：因为沥青混凝土含有极小孔隙率，所以水就没有进入这些构件机会，所以冰冻作用不会影响到沥青材料，故沥青构件不需要防水保护。（4）冰冻时期铺筑：假如铺盖层厚度合适，在零度以下全部能够铺筑沥青混凝土，这就许可在高海拔地方有较长施工工期，这点尤其适适用于新疆。2.2.2 心墙型式沥青混凝土心墙有两种型式，一个为碾压式沥青混凝土心墙，一个为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采取人工方法在严寒地域冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在中国有不少成功先例，如黑龙江西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林白河坝；碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采取形式。从中国相同工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采取碾压式沥青混凝土心墙。本水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高（8度设防）、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点，结合现在中国碾压式沥青心墙发展现实状况，确定采取碾压式沥青混凝土。2.2.3 心墙部署型式在心墙部署上，有直心墙，斜心墙，下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达13m，设计采取混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合垂直防渗形式，防渗墙顶部高程为29973281m，斜心墙受力条件好，但不能满足和基础防渗墙全部部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线部署，若按折线部署，造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高，一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形，沥青混凝土心墙出现开裂，斜心墙不易检修和检验。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线和岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现剪切变形也较大。依据土坝设计直心墙含有以下优点：1、不受气候影响，能够使用性能较差沥青或渣油；建成后也不易受冰冻、风浪、浮托力或机械损伤。2、通常只有一层，比斜墙施工简单，施工设备也简单。3、心墙和坝基齿墙或岸坡连接较易；4、防爆性好，抗震性也比很好；5、坝体沉陷对心墙影响小，而对斜墙影响大，易使斜墙开裂；6、心墙可和坝体同时施工，早期就可蓄水。心墙和河床段连接处图3-1所表示。图3-1 心墙和河床段连接图下部直心墙上部斜心墙第三种型式特点介于前两种之间，即使能够有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游干燥区域，有利于增加坝体深层滑动稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用是浅层滑弧，所以采取这么复杂心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙和岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量较大。综合以上分析，从抗震、沥青心墙和基础防渗墙和两岸岩石衔接等角度分析，本水利枢纽工程大坝心墙部署型式确定采取直心墙。2.3坝壳材料 由任务书可知，该土石坝坝址处河床为洪积、冲积砂砾石覆盖层，砂砾石材料丰富，所以坝壳材料选为砂砾石。2.4排水方法2.4.1 坝顶排水为了便于排水，坝顶应做成向两侧或一侧横坡，坡度为2%3%，取为2%。每隔100m设直径10cm排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。坡面末端设纵向排水沟，以聚集坝顶雨水，排水沟断面通常为0.2m*0.2m0.4m*0.4m。2.4.2 坝面排水为预防雨水冲刷，下游坡面常设置纵横连通排水沟，现沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡部署，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体和岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来雨水。依据以往已建工程经验，排水沟宽度及深度通常采取0.2m到0.3m，本设计取0.3m。2.4.3 坝体排水常见坝体排水有以下多个型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水和综合式排水。（1） 贴坡排水贴坡排水又称为表面排水，这种形式排水结构结构简单用料节省，施工方便，易于检修，能够预防坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。（2） 棱体排水棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成棱体。棱体排水适适用于下游有水多种坝型，它能够降低浸润线，预防坝坡冻胀，保护尾水范围内下游坝脚不受波浪淘刷，还能够和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，能够发挥支撑坝体、增加稳定作用。但所需石料用量大，费用较高，和坝体施工有干扰，检修较困难。（3） 坝内排水坝内排水包含褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。不过关键问题，褥垫排水对不均匀沉降适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线效果将显著降低，网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。（4） 综合式排水实际工程中，常依据具体情况将多个不一样形式排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式优点。综合考虑以上多个排水方法，现在下游坝脚处用块石堆成棱体，依据水工建筑物要求，棱体顶宽宽度应依据施工条件及检验观察需要确定，大于1.0m，通常为12m，顶部高程应超出下游最高水位，超出高度，1级、2级坝应大于2.0m，3级、4级、5级坝应大于0.5m，并应超出波浪沿坡面爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面距离大于该地域冻结深度，应避免在棱体上游坡脚处出现锐角，棱体内坡依据施工条件确定，通常为1:1.0至1：1.5，外坡依据坝基抗剪强度和施工条件确定，通常为1:1.5至1:2.0。综合以上原因考虑，该设计顶宽取2.0m。棱体内坡取1：1.5，棱体外坡取1:2。顶部高程为3215.5m。2.5坝基防渗关键有水平防渗和垂直防渗两种设施，水平铺盖作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流比降减小至许可范围内，不过它不能像垂直防渗设施那样能够完全截流，其防渗效果有一定程度，所以本设计采取垂直防渗体。坝基透水层厚度为59.9m, 采取混凝土防渗墙。如用支撑法开挖直井，浇筑混凝土截水墙，则施工困难，工期长，造价高，故应采取机械造孔，浇筑混凝土防渗墙。防渗墙厚度依据防渗、强度和施工条件确定。按施工条件，墙厚在0.61.3m之间，通常为0.8m，现选为0.8m 。防渗墙顶部和沥青混凝土心墙底部连接，防渗墙高度应长于坝基透水层厚度，取65m。防渗墙以下采取帷幕灌浆。2.3.1 坝顶结构大坝路面为了排除雨水，坝顶面向大坝下游侧倾斜，倾斜坡度设为2%。坝面即使没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆通行，所以路面采取混凝土结构形式。坝顶结构图图3-2。图3-2 坝顶结构图2.3.2 护坡土石坝上下游坡面通常均需设置护坡，但上、下游护坡形式应依据工程具体情况进行选择。2.3.2.1上游护坡上游护坡常见形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇混凝土板、沥青混凝土等。护坡形式、厚度及材料粒径应依据坝等级、利用条件和当地材料情况。上游坝坡关键考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层撞击及冻冰挤压。依据工程具体情况，上游护坡采取干砌石护坡，护坡厚度1m，护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为：将块石错缝竖砌，紧靠密实，填塞稳固，表面平整、美观。2.3.2.2 下游护坡下游护坡关键形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡关键考虑原因有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。依据具体情况，下游护坡一样采取干砌石护坡，护坡厚度1m。3坝体剖面设计3.1 基础剖面确定断面设计基础尺寸关键包含：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备形式及基础尺寸。依据设计规范要求及参考已建工程经验数据，并考虑本工程具体情况，对本工程各项数据设计以下。2.2.4心墙断面尺寸依据水工建筑物要求：沥青混凝土心墙顶部厚度不宜小于0.3m，心墙底部厚度宜为坝高1/601/40。参考中国外工程经验，考虑到本工程土石坝坝基深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为0.8m。该值满足规范要求。3.1.1已知坝体细则由任务书得，已知主坝坝高为71m，坝轴线全长265m。坝顶高程3281m。3.1.2 坝坡上下游坝坡依据已知坝顶高程已建工程经验和本工程坝料特征及计算分析确定。确定上游坝坡为1:2.5，下游坝坡从上到下为1:2、1:2、1:1.7。2.1.2 坝顶宽度坝顶宽度应依据结构、施工、运行和抗震等原因确定。由已知数据取坝顶宽度为7m。2.1.3 马道设置依据碾压式土石坝设计规范（SL274-）要求，土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道，且马道宽度应依据用途确定，但最小宽度不宜小于1.5m。依据以上要求，上游坝坡处设置2道马道，高程设在1776m、1706m处，马道宽度分别为5m和5m。下游坝坡2道马道，分别在高程1776m、1716m处，马道宽度均设置为5m。2.2 坝体分区2.2.1 大坝分区标准（1）利用天然砂砾石料抗压强度较高，不易破碎，不管天然和饱和情况下，全部含有较高承载能力，压缩模量较大，坝体沉降较小特点，在坝体变形较大部位采取砂砾石料填筑，能够降低坝体沉降变形，减小河床坝段和岸坡坝段变形差；利用堆石料含有较高抗剪强度指标和良好抗震性能，将堆石料部署在砂砾石料外侧，以得到较陡上、下游坝坡，节省坝体方量，同时可使坝体取得较高抗震稳定性能。（2）沥青混凝土心墙处于坝体中间，坝体渗透性从中间向上下游逐步增大。（3）坝体填料变形模量从中间向上下游协调过渡。（4）坝址区砂砾料储量丰富，经比较，砂砾料填筑较经济，坝壳填筑以砂砾料为主。（5）充足利用开挖材料，就近取材。2.2.2 大坝分区依据各坝料特征和大坝各部位不一样工作条件，坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料区，上游砂砾料区，上游过渡层区，沥青砼心墙，下游过渡层区，下游砂砾料区，下游爆破料区。按坝体抗震和结构要求，其分区见坝体标准横剖面图2-2。图2-2坝体分区横剖图防渗体：碾压沥青砼心墙为垂直式，墙体轴线偏向上游。心墙顶高程1825.0m，最低墙底高程1660.0m。心墙宽1m。过渡层：在沥青混凝土心墙两侧，顶高程1825.0m，过渡层水平宽度为3m，等宽部署，过渡层填筑至心墙顶部，底部建在弱风化基岩建基面上，采取C3料场砂砾石料筛分，相对密度不低于0.85。坝壳料分区：坝址区砂砾料储量丰富，经分析比较，砂砾料填筑较经济合理，坝壳填筑以砂砾料为主，砂砾料区部署在上、下过渡料区外侧，坝壳砂砾料填筑至1790.0m高程，上、下游砂砾料区顶部宽8m，和堆石料分界坡为1:1.8。在上下游砂砾料区外部设置了堆石料填筑区，利用堆石料休止角高特点，增加坝坡抗震稳定性。爆破料起源于P1、P2石料场开采石料，弱风化及新鲜岩石开挖料可作为利用料，填筑在上下游爆破料区。砂砾石料填筑相对密度不低于0.85，爆破料及利用料填筑孔隙率小于19%。第三章坝体结构设计第四章地基处理4.1 地基处理4.1.1 地基开挖地基开挖情况图4-1所表示。图4-1 开挖轮廓线图图中粉色线为开挖轮廓线图。4.1.2 河床基础处理沥青混凝土心墙和过渡料基础在河床部位要求清除基础至16611665m高程，落在约100米深砂砾石覆盖层上。为增强防渗效果，心墙和河床基础连接设置C25钢筋混凝土基座。混凝土防渗墙厚1.2m，深入基岩内1m，最大墙深为96m。设置1道墙。防渗墙内预埋帷幕灌浆管，以适应其下部帷幕灌浆。帷幕灌浆设两排，孔距为2m，帷幕灌浆深度以进入基岩透水率5Lu线以下5.0m及1/2坝高作为控制标准，深度为墙下1685m。为了增强覆盖层防渗性能和抗变形能力，在河床心墙基底下部覆盖层中进行深15m固结灌浆，孔距为3m，6排。4.1.3坝肩处理坝肩沥青心墙和坝基采取砼基座连接，砼基座宽6m，厚1.5m，砼标号为C25，基座基础挖至较坚硬、较完整岩石上，即弱风化上限。并设置必需伸缩缝，伸缩缝间距12m。以基座为盖板，进行帷幕灌浆。沥青砼心墙坝基础处理包含：基础开挖、固结灌浆、帷幕灌浆和断层处理。4.2 两岸处理4.2.1 右坝肩处理对右坝肩做岸坡处理，要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺边坡。坝肩坡脚分布有第四系崩坡积含土块碎石层，呈倒石锥状，其中范围较大有二块，一块分布于右岸坡下游和3#冲沟交汇部位，最大厚度30m左右；另一块分布于坝轴线周围坡脚处，厚度723m。依据试验结果，其许可承载力通常为0.60Mpa0.80Mpa，变形模量30Mpa48Mpa，其承载力和变形指标基础满足堆石坝要求，但因为该层缺细粒充填，具架空结构，本阶段清除处理，是否可作为天然坝体保留下阶段深入研究。（1）基础开挖沥青心墙基础：心墙基础坐在弱风化上限，心墙砼基础开挖要求顺直，平整，无突变。心墙两侧上下游岩石开挖1:0.5，砂砾石覆盖层开挖边坡1:1.5。过渡料基础：同心墙基础。坝壳基础：要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺边坡。（2）固结灌浆以心墙砼基座为平台，进行3排固结灌浆，在建基面表层基岩张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆目标是提升表层基岩整体性和提升帷幕灌灌浆灌浆效果。灌浆深度8m，孔距为3m，3排。（3）帷幕灌浆帷幕灌浆深度按q5Lu以下5.0m作为控制标准。帷幕灌浆右岸为2排，孔距2.0m，排距2.0m，深度为55m95m。坝肩设灌浆平洞，按q5Lu控制标准，右岸平洞长度为80m，设2排帷幕灌浆，孔、排距2.0m，孔深为45m95m。灌浆孔部署图4-4所表示。（4）断层处理依据地质汇报，右岸坡分布规模较大F9断层，出露在坝线1832m高程以上，缓倾岸内，断层破碎带宽45m左右，其中，糜棱岩厚1.53.5m，其它以碎裂岩和角砾岩为主。右岸灌浆平洞垂直穿过F9断层，需对灌浆平洞进行临时支护，帷幕灌浆增加一排。通常规模较小断层，处理方法是：一是开挖回填混凝土，二是灌浆加密，视开挖后实际情况确定。对于建基面出露断层及其周围较破碎节理裂隙，均作断层影响带挖除，用混凝土塞回填处理，并加强固结灌浆。4.2.2 左坝肩处理对左坝肩做岸坡处理，要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺边坡。坝肩坡脚、冲沟底分布有第四系崩坡积含土块碎石和冲洪积碎石土覆盖，厚度改变较大，通常0.53m，清除处理。(1)基础开挖沥青心墙基础：心墙基础坐在弱风化上限，心墙砼基础开挖要求顺直，平整，无突变。心墙两侧上下游岩石开挖1:0.5，砂砾石覆盖层开挖边坡1:1.5。过渡料基础：同心墙基础。坝壳基础：要求挖去不稳定体，将表层松散体清除，把岸坡修正成较为平顺边坡。(2)固结灌浆以心墙砼基座为平台，进行固结灌浆，在建基面表层基岩张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆目标是提升表层基岩整体性和提升帷幕灌灌浆灌浆效果。灌浆深度8m，孔距为3m，3排。(3)帷幕灌浆帷幕灌浆深度按q5Lu线以下5.0m作为控制标准。帷幕灌浆左岸为2排，孔距2.0m，排距2.0m，深度为70125m。坝肩设灌浆平洞，按q5Lu控制标准，左岸平洞长度为55m，设1排帷幕灌浆，孔距2.0m，孔深为2570m。(4)断层处理依据地质汇报，左岸发育有F3和F16张性顺河向断层，存在沿断层带及弱透水岩体绕坝渗漏问题。从断层规模及断层带组成物分析，沿断层不存在渗透稳定问题，但须加强断层带防渗处理。处理方法是：一是开挖回填混凝土，二是灌浆加密，视开挖后实际情况确定。对于建基面出露断层及其周围较破碎节理裂隙，均作断层影响带挖除，用混凝土塞回填处理，并加强固结灌浆。4.3 坝体和地基岸坡连接（1）坝体和坝基及岸坡连接必需妥善设计和处理。连接面不应发生水力劈裂和邻近接触面岩石大量漏水，不得形成影响坝体稳定软弱层面，不应因为岸坡形状或坡度不妥引发不均匀沉降面造成坝体裂缝。（2）坝断面范围内必需清楚坝基和岸坡上草皮、树根、含有植物表皮、蛮石、垃圾及其它废料，并将清理后坝基表面土层压实。（3）坝体断面范围内低强度、高压缩性软土及地震时易液化土层，应清除或处理。（4）坝断面范围内岩石坝基和岸坡，应清除其表面松动十块、凹处积土和突出岩石。（5）对失水很快风化软岩（如页岩、泥岩等），开挖时宜预留保护层，待开始回填时，随挖除，随挖填，或开挖后用喷水泥砂浆或喷混凝土保护。第五章 坝体安全复核5.1 渗流计算5.1.1 渗流计算基础依据地质汇报提供资料、试验参数进行渗流计算，河床地基为第四系砂卵砾石深厚覆盖层。坝基防渗采混凝土防渗墙下接帷幕灌浆，本阶段按规范采取平面渗流计算。5.1.1.1 计算目标（1）确定坝体浸润线及其下游逸出点位置，绘制坝体及地基内等势线分布图，分析坝体渗流稳定。（2）确定坝体渗流量，方便估量水库渗漏损失。5.1.1.2 计算工况此次计算为ATS工程沥青心墙坝渗流计算。以最大剖面为计算剖面。计算主坝标准剖面以下工况，确定渗流量：（1）正常情况：上游正常蓄水位（1820.00m）和下游对应水位。上游设计洪水位（1821.65m）和下游对应水位。（2）很情况：上游校核洪水位（1823.64m）和下游对应水位。5.1.1.3计算参数坝壳料、过渡料、心墙、覆盖层、基岩渗透系数采取以下数值。渗透系数取为：（1）砂砾料Ks=110-2cm/s。（2）爆破料Ks=510-2cm/s。（3）过渡料Ks=1.010-3cm/s。（4）沥青混凝土心墙Ks=1.010-7cm/s。（5）河床覆盖层Ks=5.010-2cm/s。（6）混凝土防渗墙Ks=1.010-6cm/s。（7）基岩Ks=1.010-4cm/s。（8）防渗帷幕Ks=1.010-7cm/s。5.1.2 渗流基础理论有限（单）元法是数值计算方法中应用最广一个。有限单元法以剖分离散和分块插值为指导思想。其基础方法是将连续求解区域离散化为一组有限个、且按一定方法相互连接在一起单元组合体，利用每一个单元内假设近似函数来分片地表示整个求解域上待求未知场函数。因为单元能按不一样连接方法进行组合，且单元本身又能够有多个形状，所以能够模型化几何形状复杂求解域。单元内近似函数通常由未知场函数或其导数在单元各个节点数值和其插值函数来表示。这么一来，未知场函数或其导数在各个节点上数值就成为新未知量，从而使一个连续无限自由度问题变成离散有限自由度问题。一经求出这些未知量，就能够经过插值函数计算出各个单元内场函数近似值，进而得到整个求解域上场函数近似值。显然伴随单元数目标增加，或伴随单元自由度增加及插值函数精度提升，解近似程度将不停改善，只要单元满足收敛要求，近似解最终将收敛于正确解。有限元法即使类似于有限差分法，但其实施方法不一样。有限差分法是直接从微分方程入手，以离散格式逐步近似迫近方程中导数。有限元法实施则相反，根据变分原理求泛函积分找其函数值，即把微分方程及其边界条件转变为一个泛函求极值问题。有限元法是一个分块近似兹（Ritz）法应用，即首先把连续体或研究区域离散划分为有限个、且按一定方法相互连接一起单元组合体，再以连续分片插值函数建立一个个单元方程后，依靠各节点把单元和单元连接起来，集合为整体，形成代数方程组进行求解。有限单元法在模拟曲线边界和向异性渗透介质方面比有限差分法含有较大灵活性。5.1.3 计算结果边界条件及网格划分边界条件施加为：坝体前50m范围内施加对应工况下水位压力，同时坝体上游做对应水位处理，下游水位定为4m。有限元网格为15m一格划分，划分情况图5-1所表示。图5-1 渗流分析有限元划分网格图利用GEO软件进行分析得出结果图5-2图5-4所表示。图5-2正常蓄水位渗流分析结果图图5-3设计洪水位渗流分析结果图图5-4校核洪水位渗流分析结果图结果表如表5-1。表5-1 渗流分析结果统计表工况正常蓄水位设计洪水位校核洪水位上游水位（m）1820.00m1821.65m1823.64m单宽渗流量 (m2/s)2.503810-42.530510-42.562610-45.2 坝坡稳定计算5.2.1 坝坡稳定计算基础5.2.1.1 计算工况计算主坝标准剖面以下三种工况，控制土石坝稳定：（1）正常情况：正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期上、下游坝坡。（2）很情况：施工期（完工时），上下游坝坡稳定。上游水位骤降至死水位（1770.0m）上游坝坡稳定。（3）很情况：正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期加8度地震上、下游坝坡。5.2.1.2 参数采取计算坝坡稳定分析选择计算参数详见表5-2，大坝抗震设计烈度为8度。表5-2沥青心墙坝坝坡稳定分析计算参数表序号筑坝材料（）C（KPa）容重（g/cm3）饱和容重（g/cm3）1爆破料41152.1952.3852砂砾料3902.262.4263过渡料3902.272.4324沥青34.6342.402.405河床砂砾料3802.222.405.2.1.3 抗滑稳定安全系数依据碾压式土石坝设计规范SL-,水库大坝为1级建筑物，采取毕肖普法抗滑稳定最小安全系数根据坝等级和规范要求选择以下：正常利用条件：1.5很利用条件：1.3很利用条件：1.25.2.2 稳定分析理论基础稳定分析是确定大坝剖面和安全关键依据，稳定分析可靠性对大坝经济性安全性含有较为关键影响。作为稳定分析基础土强度和破坏理论，应用广泛是摩尔库仑理论。在工程上采取土坡稳定分析方法，关键是建立在极限平衡理论基础上，假设达成极限平衡状态时，土体将沿某一滑裂面产生剪切破坏而失稳，滑裂面上各点，土体均处于极限平衡状态，满足摩尔库仑强度条件。5.2.2.2 简化毕肖（Bishop）法计算原理 毕肖普采取静定化条件是假定土条间垂直方向作用力相等。考虑了条间力作用，并根据各土条对圆心力矩和为零安全系数来定义，在1955年提出了一个安全系数计算公式毕肖普简化法使用圆弧滑裂面。对多出未知力假定，该法假定土条两侧切向作用力均为0，也就假定条间力协力是水平。安全系数计算公式为：K=WVsec-ubsectan+cbsec1/1+tantan/KWVsin+Mc/R（5-1）式中W-土条重量 Q、V-分别表示水平和垂直地震惯性力（向上为正，向下为负）u-作用土条底面孔隙压力 -条块重力线和经过此条块底面中点半径之间夹角 b-土条宽度c、-土条底面有效应力抗剪强度指标Mc-水平地震惯性力对圆心力矩 R-圆弧半径。简化毕肖普法通常全部能得出较为正确答案，不过在一些情况下有可能出现数值上问题。故常将毕肖普法和圆弧瑞典法计算相比较，若出现毕肖普发计算值小于圆弧瑞典法计算值时，表现数值上有问题，此时要改变滑动面，毕肖普法一个不足是只适用圆弧滑动面。5.2.3 计算结果利用GEO软件进行分析得出结果图5-5图5-11所表示。图5-5施工期上游边坡图5-6施工期下游边坡图5-7正常水位上游边坡图5-8正常水位下游边坡图5-9水位骤降工况上游边坡图5-10正常水位+地震上游边坡图5-11正常水位+地震下游边坡表5-3坝坡稳定安全系数表计算工况上游坝坡下游坝坡规范许可值正常蓄水位2.5852.3621.50施工期2.4851.9111.30水位骤降2.5791.30正常蓄水位运行期+地震1.2961.3191.20经计算坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于许可值，上、下游坝坡是稳定。5.3 沉降及应力计算5.3.1 计算参数计算参数详见表5-4。表5-4沉降计算参数表弹性模量（MPa）泊松比容重（g/cm3）爆破料15000.452.385砂砾料15000.452.426沥青14000.22.405.3.2 沉降及应力分析理论沉降量计算公式相对比较粗略，所以对于1级、2级高坝和建于复杂软弱地基上坝还要采取有限元法进行应力和变形分析。坝体完工后预留沉降超高则应依据沉降计算、有限元变形分析、施工期观察结果和类似工程对比等进行综合分析后加以确定。依据以往工程经验，土质防渗墙坝完工后坝顶沉降量通常不超出坝高1%，假如超出此值，SL274-碾压式土石坝设计规范要求在分析结果基础上，论证所选择坝料填筑标准合理性和采取相关工程方法必需性。依据计算出坝体各部位不均匀沉降量和不均匀沉降梯度来判定发生裂缝可能性，因为缺乏比较成熟判别标准，现在只能参考类似工程经验进行分析。坝稳定、固结沉降等现象全部和坝应力和变形状态亲密相关。伴随高土石坝建设发展，大家逐步认识到进行应力和应变分析对评价坝稳定和安全能够提供更多、更有效信息，有很好发展潜力。20世纪60到70年代以后，岩土应力和变形分析尤其是沿途塑性分析技术得到很大发展，并在工程应用中积累了较丰富资料和经验。不过，因为问题复杂性，计算结果现在还仅限于对土石坝设计作定性参考，达不到定量控制设计程度。5.3.3 计算结果（1）建模及有限元划分心墙坝确定分五期施工，在Abaqus中建立二维模型及有限元划分图5-12图5-13。图5-12分期分区图图5-13有限元网格划分图（2）边界条件及荷载施加因必需考虑到在施工过程中沉降而并非只是最终沉降，边界条件设置为坝底x、y方向受到约束，模型分5层施加荷载。（3）计算结果分期沉降情况图5-21图5-26所表示。图5-141期沉降图5-152期沉降图5-163期沉降图5-174期沉降图5-18完工期沉降图5-19运行期沉降分期沉降值如表5-5。表5-5 分期沉降值一期二期三期四期五期沉降量（m）0.1860.3710.7421.0211.113经Abaqus计算，完工期和蓄水期沉降及应力情况见图5-18图5-21。图5-20完工期主应力图5-21蓄水期主应力计算结果见表5-6：表5-6 应力和沉降计算结果表主应力（MPa）沉降最大值（m）占坝高百分比完工期1.5691.1130.67%蓄水期1.4111.1190.68%在自重作用下，坝体竖向沉降显著。完工期，坝体最大沉降发生在坝轴线周围约1/2坝高处，最大值为1.113m，是最大坝高0.67%；而因为在运行期，因为蓄水后水作用，坝体最大沉降较完工期来说向上游偏移了一段距离，发生在约1/2坝高处，最大值为1.119m，是最大坝高0.68%。由此可见，完工期和蓄水期最大沉降全部满足坝高1%以内标准，且影响原因对坝体整体变形影响较小，本设计方案含有良好抵御变形能力。第六章 结论本文设计内容为ATS水利枢纽设计中心墙坝体设计。在确定坝址、坝型以后，关键设计结果总结以下：（1）ATS水利枢纽心墙坝体剖面设计，参摄影关规范，经过分析计算，最终确定坝高、坝顶宽度、坝坡等坝体剖面基础参数。具体结果：大坝坝顶高程1826.00m，最大坝高165.00m，坝顶宽13.0m，坝长737m，上游坝坡为1:2.5，下游坝坡从上到下为1:2、1:2、1:1.7。坝顶设钢筋混凝土防浪墙，防浪墙墙顶高程1827.20m。（2）坝体分区及填料设计，依据坝址区工程地质条件及料场情况，进行坝体分区设计及填料设计。大坝分区设计依据规范要求和已建工程，共分上游爆破料区、上游砂砾料区、上游过渡料区、沥青混凝土心墙区、下游过渡料区、下游砂砾料区、下游爆破料区共7个区。（3）ATS水利枢纽心墙防渗体设计。此次设计采取沥青混凝土心墙，因为机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，所以采取碾压式沥青混凝土心墙，部署形式为直心墙式，依据土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范（DL/T5411-），心墙厚度定为1m。（4）ATS水利枢纽心墙坝方案地基处理。沥青混凝土心墙和过渡料基础在河床部位要求清除基础至16611665m高程，落在约100米深砂砾石覆盖层上。坝肩沥青心墙和坝基采取混凝土基座连接。上下游均采取干砌石护坡，厚1m，并以棱体排水作为其排水方法。（5）ATS水利枢纽沥青混凝土心墙坝体计算，包含在多种工况下渗流、稳定、应力应变分析。渗流稳定经过GEO软件计算满足相关规范要求。应力应变分析经过有限元分析软件Abaqus计算也满足设计要求。