水工建筑工程物土石坝专业课程设计.doc

水工建筑物课程设计 课题名称： 土 石 坝 设 计 专业班级： 水 工(本科) 13-3 姓 名： 袁 明 炜 编写日期： 7月1日 水利和环境学院摘要合适修建大坝能够实现一个流域地域发电、防洪、浇灌综合效益。经过对地形地质、水文资料、气候特征分析，结合当地建筑材料，设计适合枢纽工程来帮助流域地域实现很好经济效益。依据防洪要求，对水库进行洪水调整计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；经过分析，对可能方案进行比较，确定枢纽组成建筑物形式、轮廓尺寸及水利枢纽部署方案；具体作出大坝设计，经过比较，确定坝基础剖面和轮廓尺寸，确定地基处理方案和坝身结构，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物形式、轮廓尺寸，确定部署方案。水库配合下游河道整改等方法，能够很大程度减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路和旅游景点威胁；可为发展养殖发明有利条件。目录 第1章 基础资料11.1工程概况11.2水文和水利计划11气象12 水利计算11.3地形地质条件11.库区工程地质条件22.坝址区工程地质条件31.4建筑材料及筑坝材料技术指标选定43当地建筑材料62 枢纽部署82.1 坝轴线选择82.2 工程等级及建筑物等级92.3 枢纽部署102.3.1 导流泄洪洞112.3.2 溢洪道112.3.3浇灌发电洞及枢纽电站113.1 坝型确定12第3章 坝工设计143.1 土石坝断面设计143.1.1坝顶高程143.1.2坝顶宽度163.1.3上下游边坡163.1.4 坝底宽度173.2 防渗体设计173.2.1.坝体防渗173.2.2防渗体土料要求18第4章 坝体渗流计算194.1 设计说明194.1.1土石坝渗流分析任务194.1.2渗流分析工况194.1.3渗流分析方法194.2 渗流计算204.2.1基础假定204.2.2计算公式204.2.3三种工况计算214.2.4渗流校核234.2.5浸润线计算244.2.6理正软件校核27第5章 土石坝坝坡稳定分析及计算305.1 坝体荷载305.1.1渗流力305.1.2孔隙压力305.1.3地震力305.2 稳定分析方法305.3 计算工况315.4稳定计算315.4.1瑞典圆弧滑动法315.4.2理正软件计算33第6章 细部结构366.1 坝顶结构366.2 护坡366.3 反滤层376.4 排水体406.5 马道42第1章 基础资料1.1工程概况ZF水库在QH河干流上，水库控制流域面积4990km2，库容5.05108m3。水库以浇灌发电为主，结合防洪，可引水浇灌农田71.2104亩，远期可发展到104104亩。灌区由一个引水流量为45m3/s总干渠和四条分干渠组成，在总干渠渠首及下游24km处分别修建枢纽电站和HZ电站，总装机容量31.45MW，年发电量1.129108kWh。水库防洪标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、浇灌发电洞及枢纽电站组成。1.2水文和水利计划1气象流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在69月，多年年平均气温89，多年平均最高气温29.1(6月)，多年平均最低气温-14.3(1月)，多年平均最大风速9m/s，水位768.1m时水库吹程5.5km。2 水利计算防洪利用标准及设计洪水确实定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。因为采取洪水计算数值中未考虑历史特大洪水影响，故用万年一遇洪水作为很保坝标准对水工建筑物进行复核。水库排沙和淤沙计算。ZF水库回水长25km，河道弯曲，河床宽300m左右，河床比降为2.2%，是个经典河道型水库。1.3地形地质条件1:坝址周围地形图、提议坝轴线地质图见附图。1.库区工程地质条件库区两岸分水岭高程均在820m以上，基岩出露高程，大部分在800m左右，关键为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发觉大结构断裂，水库蓄水条件良好。QH河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发觉关键矿产。表2 ZF水库工程特征值序号名 称单 位数 量备 注1设计洪水时最大泄流量m3/s2 000.00其中溢洪道815对应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m3/s6 830.00其中溢洪道5600对应下游水位m705.603水库水位校核洪水位(P=0.01%)m770.40设计洪水位(P=1%)m768.10兴利水位m767.20汛限水位m760.70死水位m737.004水库容积总库容108m35.05校核洪水位设计洪水位库容108m34.63防洪库容108m31.36兴利库容108m33.51其中共用库容108m31.10死库容108m31.055库容系数%50.506调整特征多年2.坝址区工程地质条件QH河在ZF水库坝址区呈一弯度很大“S”形。坝段在“S”形中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有约300 m长低平山梁(单薄分水岭)，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是QH河围绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。地层岩相改变猛烈，第四系除厚度不大砂层、卵石层外，关键是黄土类土，在大地结构上处于相对稳定区，未发觉有大断裂结构迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体积约45104m3，对工程部署有一定影响。本区地震基础烈度为6度，建筑物按7度设防。(1) 上坝址上坝址在坝区中部背斜西北，岩层倾向QH河上游。河床宽约300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5m，渗透系数110-2cm/s。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性。左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。岩基未发觉大范围夹层，基岩透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111- 115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下2147m深度范围内，有一强透水带，W=5.4630 l/sm2，下限最深至基岩下约80m。基岩透水性从上游向下游有逐步增大趋势，左岸台地黄土和基岩交界处砾岩(最大厚度6m)透水性强，渗透系数K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性，平均W=0.48l/sm2，应考虑排水，增加岩体稳定。(2) 下坝址在上坝址同一背斜东南翼，岩层倾向下游；河床宽约120m，左岸为二、三级阶地，右岸731m高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层物理力学性质见“工程地质剖面图”。左岸基岩有一条宽200250m呈北北东方向强透水带，右岸Z沟单薄分水岭透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80m左右。河床地段基岩透水性和中等透水带厚度含有从上游向下游逐步变小趋势。下游发觉承压水，二、三级阶地砾石层透水性和上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。1.4建筑材料及筑坝材料技术指标选定库区及坝址下游土石料丰富，有利于修建当地材料坝。(1) 土料。坝址上、下游全部有土料场，储量丰富，平均运距小于l.5km。依据155组试验结果统计，土料平均粘粒含量为26.4%，粉粒55.9，粉砂17.6%，其中25%属粉质粘土，60.7属重粉质壤土，14.3%属中粉质壤土。平均塑性指数11.1，比重27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3，最优含水量20.5%，渗透系数0.4410-5cm/s。含有中等压缩性，强度特征见表3。(2) 砂砾料。关键分布在河滩上，储量为205104m3，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用砂砾料约100151104m3。其颗粒级配不连续，缺乏中间粒径，依据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计结果分析以下：天然重度18.7kN/m3，软弱颗粒含量2.64%。颗粒组成见表4。砂储量极少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂(D2mm)相对紧密度为0.895。(3) 石料。坝址区石料较多，运距均在1km以内，为厚层砂岩，储量可满足需要。溢洪道、导流洞出碴也可利用。表3 土料强度特征试验方法统计方法抗剪强度指标(o)C(kN.cm-2)饱和固结快剪(25组)算术平均23.272.80算术小值平均20.961.93快剪(82组)算术平均21.542.93算术小值平均21.302.93快剪(18组)算术平均21.302.93算术小值平均21.001.94算术平均22.685.83算术小值平均20.033.56算术平均22.505.83算术小值平均23.803.56快剪(8组)算术平均28.804.51算术小值平均25.752.93算术平均29.004.51算术小值平均28.702.93三轴不排水剪(10组)算术平均20.002.88算术小值平均25.201.30三轴不排水剪(6组)算术平均13.302.80算术小值平均25.200.80三轴饱和固结不排水剪(6组)算术平均18.204.20算术小值平均22.303.50野外自然坡度角(29组)算术平均35.70算术小值平均31.20室内剪切试验算术平均31.10算术小值平均29.10算术平均31.00算术小值平均29.00表4 砂砾料颗粒组成粒径(mm)2008040205210.50.2510尤其关键33.3013.3310尤其关键1200二101.0关键33.306.6713.334.0103.33关键1200300三1.00.1中等6.672.04.01.03.330.33中等30050四0.10.01通常2.00.331.00.20.330.03通常5010五0.010.330.20.03.渗漏量：大坝在校核洪水位库容为5050万。而每日渗漏量仅0.21，故满足防渗要求。2.渗透稳定：对于非粘性土，渗透破坏形式判别可参考下式：20时为管涌1020时不定许可坡降可参考采取下列数字：1020, 许可=0.1。=0.02许可=0.1，所以满足要求。4.2.5浸润线计算1、上游正常蓄水位和下游对应最高水位上游校核洪水位取为兴利水位767.2，下游对应高水位取为700.55m。基础采取防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后浸润线方程=h=6.97m简化得心墙后浸润线方程： y2 +0.26x=48.7x/m060120180y/m6.985.754.181.552、上游设计洪水位和下游对应最高水位上游校核洪水位取为兴利水位770.4，下游对应高水位取为705.60m。基础采取防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后浸润线方程计算公式：=h=7.05简化得： y2 +0.27x=49.7x/m060120180y/m7.055.794.161.053、上游校核洪水位和下游对应最高水位上游校核洪水位取为兴利水位770.4，下游对应高水位取为705.60m。基础采取防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后浸润线方程计算公式：=h=9.67m简化得： y2 +0.28x=93.5x/m060120180y/m9.578.767.746.574.2.6理正软件校核项目 水位上游正常水位和下游最低水位上游设计洪水位和下游对应最高水位上游校核洪水位和下游对应最高水位土堤顶部宽度b12.000(m)12.000(m)12.000(m)土堤顶部高度h71.660(m)71.660(m)71.660(m)上游坡坡率1:m13.03.03.0下游坡坡率1:m22.52.52.5堤身渗透系数k0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)上游水位h168.200(m)69.100(m)71.400(m)下游水位h21.550(m)1.550(m)6.600(m)心墙顶部宽度3.000(m)3.000(m)3.000(m)心墙底部宽度37.800(m)37.800(m)37.800(m)心墙渗透系数0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)透水地基深度5.000(m)5.000(m)5.000(m)透水地基渗透系数8.400(m/d)8.400(m/d)8.400(m/d)排水棱体高度8.000(m)8.000(m)8.000(m)排水棱体宽度2.000(m)2.000(m)2.000(m)L169.530(m)166.830(m)159.930(m)透水地基有效深度374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线计算公式原点374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线起点x坐标204.6(m)207.3(m)214.2(m)浸润线终点x坐标376.31(m)376.31(m)376.31(m)q1.824*10-5（m3/s）1.972*10-5（m3/s）2.26*10-5（m3/s）正常蓄水位出图设计洪水位出图校核洪水位出图 结论：（1）正常蓄水位下，简化得心墙后浸润线方程：y2 +0.26x=48.7 当x=169.53m时，y=2.15m8m，校核安全