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心墙坝课程设计

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2020年4月19日
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第一章 绪论
1.1 前言

1.2 设计基本资料
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》教学中的一个重要的教学环节之一，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的一次专题实训环节，是在定岗实践的基础上经过对典型的，有代表性的已建或在建工程的实际资料分析，结合生产实际，进行水利水电工程枢纽设计，提高专业基本技能及工作能力的一次指导性实训课程。其任务主要有：
1、经过课程设计使学生学会综合运用基础知识和专业理论知识，进行水利工程设计的方法和步骤。
2、培养学生善于运用设计图册、国家标准规范、熟悉计算方法，提高计算能力，专业绘图以及编写设计文件等基本技能。
3、提高学生分析问题、解决问题、独立工作的能力。
4、经过课程设计全面考察，了解学生在校期间的学习质量，从而发现教学中存在的问题，为进一步进行教学改革提供依据。

1.2、工程概况：
水库位于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。枢纽工程包括大坝和位于左岸的输水洞。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20.9~94.5m/d。

1.3、设计任务：
1.3.1 坝体结构设计
根据工程概况确定合理土坝形式，其中包括坝体防渗体形式及材料，坝壳材料，排水体类型，以及坝基防渗处理措施。
1.3.2 坝体剖面设计
在已知坝顶高程坝顶宽度条件下，根据所确定的坝体结构，假定土坝的上游及下游坡率，并在米格纸上绘出土坝的最大剖面图。
1.3.3 渗流计算
根据已确定的坝体结构形式选用相应的水力学公式计算出最大剖面处单宽流量以及浸润线方程并会在米格纸上。（仅考虑外稳定渗流期一种工况，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所对应圆心的大致区域。并至少计算出一个安全系数k，并在米格纸上绘出过程。
1.3.5 细部构造设计
包括坝顶、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构造图。

2、坝体结构设计
2.1坝型选择
在选定下坝线的基础上，对可能利用的当地材料进行了研究分析。考虑了各种可能采用的坝型，由于坝址不具备相对对称的山体地形，山体也不够宽厚，同时坝基为深厚的砂砾石层，首先排除了采用拱坝及重力坝的方案。根据地质勘测，当地具有材质良好、储量丰富、运距短的砂砾石料，坝壳填筑料充分，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的土料。
根据工程地质条件、地形条件、当地建筑材料、交通状况，考虑大坝型式为：沥青混凝土心墙坝、土工膜斜墙砂砾石坝几种。
根据当地的地形、地质条件，及对筑坝材料分析，决定采用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
沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力以及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选取沥青混凝土作为心墙材料，主要原因有以下几点：
（1）施工时间：能够以相当快的速度铺筑沥青混凝土，非常经济适用。沥青混凝土一经压实，立即能够防水，特别是在潮湿的季节施工时，这一点非常重要。
（2）生理的适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生的观点来看，对其应用于水库完全没有异议。
（3）抗冻性：因为沥青混凝土具有极小的孔隙率，因此水就没有进入这些构件的机会，因此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）冰冻时期的铺筑：如果铺盖层的厚度适当，在零度以下都能够铺筑沥青混凝土，这就允许在高海拔的地方有较长的施工工期，这点特别适用于新疆。
2.2.2 心墙型式
沥青混凝土心墙有两种型式，一种为碾压式沥青混凝土心墙，一种为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在国内有不少成功先例，如黑龙江的西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林的白河坝；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，是高坝中常采用的形式。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用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，结合当前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定采用碾压式沥青混凝土。
2.2.3 心墙布置型式
在心墙布置上，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，设计采用混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合的垂直防渗形式，防渗墙顶部高程为2997~3281m，斜心墙受力条件好，但不能满足与基础防渗墙所有部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，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查。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现的剪切变形也较大。
根据《土坝设计》直心墙具有以下优点：
1、不受气候影响，能够使用性能较差的沥青或渣油；建成后也不易受冰冻、风浪、浮托力或机械的损伤。
2、一般只有一层，比斜墙施工简单，施工设备也简单。
3、心墙与坝基齿墙或岸坡连接较易；
4、防爆性好，抗震性也比较好；
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、心墙可与坝体同时施工，早期就可蓄水。
心墙与河床段连接处如图3-1所示。

图3-1 心墙与河床段连接图
下部直心墙上部斜心墙的第三种型式特点介于前两种之间，虽然能够有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游的干燥区域，有利于增加坝体深层滑动的稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用的是浅层滑弧，因此采用这样复杂的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与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、沥青心墙与基础防渗墙和两岸岩石的衔接等角度分析，本水利枢纽工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙。
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，因此坝壳材料选为砂砾石。
2.4排水方式
2.4.1 坝顶排水
为了便于排水，坝顶应做成向两侧或一侧的横坡，坡度为2%~3%，取为2%
。每隔100m设直径10cm的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，以汇集坝顶雨水，排水沟断面一般为0.2m*0.2m~0.4m*0.4m。
2.4.2 坝面排水
为防止雨水冲刷，下游坡面常设置纵横连通的排水沟，现沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡布置，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用0.2m到0.3m，本设计取0.3m。
2.4.3 坝体排水
常见的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。
（1） 贴坡排水
贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单用料节省，施工方便，易于检修，能够防止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的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它能够降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的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、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。
（3） 坝内排水
坝内排水包括褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。可是主要问题，褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低，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，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。
综合考虑以上几种排水方式，现在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据《水工建筑物》规定，棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m，一般为1~2m，顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于2.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度，应避免在棱体上游坡脚处出现锐角，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0至1：1.5，外坡根据坝基抗剪强度和施工条件确定，一般为1:1.5至1:2.0。
综合以上因素考虑，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
主要有水平防渗和垂直防渗两种设施，水平铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基的渗漏损失和渗流比降减小至容许范围内，可是它不能像垂直防渗设施那样能够完全截流，其防渗效果有一定的限度，因此本设计采用垂直防渗体。
坝基透水层厚度为59.9m, 采用混凝土防渗墙。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，故应采用机械造孔，浇筑混凝土防渗墙。防渗墙厚度根据防渗、强度与施工条件确定。按施工条件，墙厚在0.6~1.3m之间，一般为0.8m，现选为0.8m 。防渗墙顶部与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。防渗墙以下采用帷幕灌浆。

2.3.1 坝顶构造
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%。坝面虽然没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆的通行，因此路面采用混凝土结构形式。坝顶结构图如图3-2。

图3-2 坝顶结构图
2.3.2 护坡
土石坝的上下游坡面一般均需设置护坡，但上、下游护坡的形式应根据工程的具体情况进行选择。
2.3.2.1上游护坡
上游护坡的常见形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土板、沥青混凝土等。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况。上游坝坡主要考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。
根据工程的具体情况，上游护坡采用干砌石护坡，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
下游护坡的主要形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡主要考虑的因素有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。
根据具体情况，下游护坡同样采用干砌石护坡，护坡厚度1m。

3坝体剖面设计
3.1 基本剖面拟定
断面设计的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及基本尺寸。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据，并考虑本工程的具体情况，对本工程的各项数据设计如下。
2.2.4心墙的断面尺寸
根据《水工建筑物》的规定：沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于0.3m，心墙底部的厚度宜为坝高的1/60～1/40。。参考国内外工程的经验，考虑到本工程土石坝坝基的深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为0.8m。该值满足规范的要求。
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
上下游坝坡根据已知坝顶高程已建工程经验和本工程的坝料特性及计算分析确定。
拟定上游坝坡为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
坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。由已知数据取坝顶宽度为7m。
2.1.3 马道设置
根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274- ）的要求，土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道，且马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.5m。
根据以上要求，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，马道的宽度均设置为5m。
2.2 坝体分区
2.2.1 大坝分区原则
（1）利用天然砂砾石料抗压强度较高，不易破碎，无论天然和饱和情况下，都具有较高的承载能力，压缩模量较大，坝体沉降较小的特点，在坝体变形较大部位采用砂砾石料填筑，能够减少坝体的沉降变形，减小河床坝段和岸坡坝段的变形差；利用堆石料具有的较高的抗剪强度指标和良好的抗震性能，将堆石料布置在砂砾石料外侧，以得到较陡的上、下游坝坡，节省坝体方量，同时可使坝体获得较高的抗震稳定性能。
（2）沥青混凝土心墙处于坝体中间，坝体的渗透性从中间向上下游逐步增大。
（3）坝体填料的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）充分利用开挖材料，就近取材。
2.2.2 大坝分区
根据各坝料的特性和大坝各部位不同的工作条件，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：位于沥青混凝土心墙两侧，顶高程1825.0m，过渡层水平宽度为3m，等宽布置，过渡层填筑至心墙顶部，底部建在弱风化基岩建基面上，采用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，砂砾料区布置在上、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，与堆石料的分界坡为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的特点，增加坝坡的抗震稳定性。爆破料来源于P1、P2石料场开采的石料，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%。

第三章坝体构造设计
第四章地基处理
4.1 地基处理
4.1.1 地基开挖
地基的开挖情况如图4-1所示。

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的基础在河床部位要求清除基础至1661～1665m高程，落在约100米深的砂砾石覆盖层上。为增强防渗效果，心墙与河床基础的连接设置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，以适应其下部的帷幕灌浆。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16～85m。
为了增强覆盖层的防渗性能以及抗变形能力，在河床心墙基底下部的覆盖层中进行深15m的固结灌浆，孔距为3m，6排。
4.1.3坝肩处理
坝肩沥青心墙与坝基采用砼基座连接，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。并设置必要的伸缩缝，伸缩缝间距12m。以基座为盖板，进行帷幕灌浆。
沥青砼心墙坝的基础处理包括：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的边坡。坝肩坡脚分布有第四系崩坡积含土块碎石层，呈倒石锥状，其中范围较大的有二块，一块分布于右岸坡下游与3#冲沟交汇部位，最大厚度30m左右；另一块分布于坝轴线附近坡脚处，厚度7～23m。根据试验成果，其允许承载力一般为0.60Mpa～0.80Mpa，变形模量30Mpa～48Mpa，其承载力和变形指标基本满足堆石坝要求，但由于该层缺细粒充填，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进一步研究。
（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的边坡。
（2）固结灌浆
以心墙砼基座为平台，进行3排固结灌浆，在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌灌浆的灌浆效果。灌浆深度8m，孔距为3m，3排。
（3）帷幕灌浆
帷幕灌浆深度按q≤5Lu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55m～95m。坝肩设灌浆平洞，按q≤5Lu的控制标准，右岸平洞长度为80m，设2排帷幕灌浆，孔、排距2.0m，孔深为45m～95m。灌浆孔布置如图4-4所示。
（4）断层处理
根据地质报告，右岸坡分布规模较大的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1.5～3.5m，其余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。
一般规模较小断层，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。对于建基面出露的断层及其附近较破碎的节理裂隙，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的边坡。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，厚度变化较大，一般0.5～3m，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的边坡。
(2)固结灌浆
以心墙砼基座为平台，进行固结灌浆，在建基面表层基岩的张开裂隙带或中等透水带进行固结灌浆的目的是提高表层基岩的整体性和提高帷幕灌灌浆的灌浆效果。灌浆深度8m，孔距为3m，3排。
(3)帷幕灌浆
帷幕灌浆深度按q≤5Lu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70～125m。坝肩设灌浆平洞，按q≤5Lu的控制标准，左岸平洞长度为55m，设1排帷幕灌浆，孔距2.0m，孔深为25～70m。
(4)断层处理
根据地质报告，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的绕坝渗漏问题。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，但须加强断层带的防渗处理。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。对于建基面出露的断层及其附近较破碎的节理裂隙，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 坝体与地基岸坡的连接
（1）坝体与坝基及岸坡的连接必须妥善设计和处理。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的软弱层面，不应由于岸坡形状或坡度不当引起不均匀沉降面导致坝体裂缝。
（2）坝断面范围内必须清楚坝基与岸坡上的草皮、树根、含有植物的表皮、蛮石、垃圾及其它废料，并将清理后的坝基表面土层压实。
（3）坝体断面范围内的低强度、高压缩性软土及地震时易液化的土层，应清除或处理。
（4）坝断面范围内的岩石坝基与岸坡，应清除其表面松动十块、凹处积土和突出的岩石。
（5）对失水很快风化的软岩（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
根据地质报告提供的资料、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，本阶段按规范采用平面渗流计算。
5.1.1.1 计算目的
（1）确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体及地基内的等势线分布图，分析坝体渗流稳定。
（2）确定坝体渗流量，以便估计水库渗漏损失。
5.1.1.2 计算工况
本次计算为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）与下游相应水位。
上游设计洪水位（1821.65m）与下游相应水位。
（2）非常情况：
上游校核洪水位（1823.64m）与下游相应水位。
5.1.1.3计算参数
坝壳料、过渡料、心墙、覆盖层、基岩渗透系数采用如下数值。渗透系数取为：
（1）砂砾料Ks=1×10-2cm/s。
（2）爆破料Ks=5×10-2cm/s。
（3）过渡料Ks=1.0×10-3cm/s。
（4）沥青混凝土心墙Ks=1.0×10-7cm/s。
（5）河床覆盖层Ks=5.0×10-2cm/s。
（6）混凝土防渗墙Ks=1.0×10-6cm/s。
（7）基岩Ks=1.0×10-4cm/s。
（8）防渗帷幕Ks=1.0×10-7cm/s。
5.1.2 渗流基本理论
有限（单）元法是数值计算方法中应用最广的一种。有限单元法以剖分离散和分块插值为指导思想。其基本方法是将连续的求解区域离散化为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元组合体，利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表示整个求解域上待求的未知场函数。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又能够有多种形状，因此能够模型化几何形状复杂的求解域。单元内的近似函数一般由未知场函数或其导数在单元各个节点的数值和其插值函数来表示。这样一来，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。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的近似值，进而得到整个求解域上场函数的近似值。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进，只要单元满足收敛要求，近似解最后将收敛于精确解。
有限元法虽然类似于有限差分法，但其实施方法不同。有限差分法是直接从微分方程入手，以离散格式逐步近似逼近方程中的导数。有限元法的实施则相反，按照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的问题。
有限元法是一种分块近似兹（Ritz）法的应用，即首先把连续体或研究区域离散划分为有限个、且按一定方式相互连接一起的单元的组合体，再以连续的分片插值函数建立一个个的单元方程后，依靠各节点把单元与单元连接起来，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具有较大的灵活性。
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范围内施加相应工况下水位的压力，同时坝体上游做相应水位处理，下游水位定为4m。有限元网格为15m一格划分，划分情况如图5-1所示。

图5-1 渗流分析有限元划分网格图

运用GEO软件进行分析得出结果如图5-2~图5-4所示。

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
成果表如表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）
1820.00m
1821.65m
1823.64m
单宽渗流量 (m2/s)
2.5038×10-4
2.5305×10-4
2.5626×10-4

5.2 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，控制土石坝的稳定：
（1）正常情况：
正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期的上、下游坝坡。
（2）非常情况Ⅰ：
施工期（竣工时），上下游坝坡稳定。
上游水位骤降至死水位（1770.0m）的上游坝坡稳定。
（3）非常情况Ⅱ：
正常蓄水位（1820.0m）稳定渗流期加8度地震的上、下游坝坡。
5.2.1.2 参数采用
计算坝坡稳定分析选取的计算参数详见表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
Ф（°）
C（KPa）
容重
（g/cm3）
饱和容重
（g/cm3）
1
爆破料
41
15
2.195
2.385
2
砂砾料
39
0
2.26
2.426
3
过渡料
39
0
2.27
2.432
4
沥青
34.6
34
2.40
2.40
5
河床砂砾料
38
0
2.22
2.40

5.2.1.3 抗滑稳定安全系数
根据《碾压式土石坝设计规范》SL- ,水库大坝为1级建筑物，采用毕肖普法抗滑稳定最小安全系数按照坝的级别和规范要求选择如下：
正常运用条件：1.5
非常运用条件Ⅰ：1.3
非常运用条件Ⅱ：1.2
5.2.2 稳定分析理论基础
稳定分析是确定大坝剖面和安全的主要依据，稳定分析的可靠性对大坝的经济性安全性具有较为重要的影响。作为稳定分析基础的土强度与破坏理论，应用广泛的是摩尔—库仑理论。
在工程上采用的土坡稳定分析方法，主要是建立在极限平衡理论基础上，假设达到极限平衡状态时，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 简化的毕肖（Bishop）法计算原理
毕肖普采用的静定化条件是假定土条间垂直方向的作用力相等。考虑了条间力的作用，并按照各土条对圆心的力矩和为零的安全系数来定义，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。对多余未知力的假定，该法假定土条两侧切向作用力均为0，也就假定条间力的合力是水平的。
安全系数计算公式为：
K=W±Vsecα-ubsecαtanφ'+c'bsecα1/1+tanαtanφ'/KW±Vsinα+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-----作用土条底面的孔隙压力 
α-----条块重力线与经过此条块底面中点的半径之间的夹角
b-----土条宽度
c'、φ'-----土条底面的有效应力抗剪强度指标
Mc-----水平地震惯性力对圆心的力矩
R-----圆弧半径。
简化毕肖普法一般都能得出较为准确的答案，可是在某些情况下有可能出现数值上的问题。故常将毕肖普法和圆弧瑞典法的计算相比较，若出现毕肖普发的计算值小于圆弧瑞典法的计算值时，表现数值上有问题，此时要改变滑动面，毕肖普法的一个局限性是只适用圆弧滑动面。
5.2.3 计算结果
运用GEO软件进行分析得出结果如图5-5~图5-11所示。

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水位骤降工况的上游边坡

图5-10正常水位+地震的上游边坡

图5-11正常水位+地震的下游边坡

表5-3坝坡稳定安全系数表
计算工况
上游坝坡
下游坝坡
规范允许值
正常蓄水位
2.585
2.362
1.50
施工期
2.485
1.911
1.30
水位骤降
2.579
——
1.30
正常蓄水位运行期+地震
1.296
1.319
1.20

经计算坝坡抗滑稳定最小安全系数均大于允许值，上、下游坝坡是稳定的。
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
1500
0.45
2.385
砂砾料
1500
0.45
2.426
沥青
1400
0.2
2.40

5.3.2 沉降及应力分析理论
沉降量的计算公式相对比较粗略，因此对于1级、2级高坝和建于复杂软弱地基上的坝还要采用有限元法进行应力和变形分析。坝体竣工后预留的沉降超高则应根据沉降计算、有限元变形分析、施工期的观测成果和类似工程的对比等进行综合分析后加以确定。根据以往工程的经验，土质防渗墙坝竣工后的坝顶沉降量一般不超过坝高的1%，如果超过此值，SL274- 《碾压式土石坝设计规范》要求在分析成果的基础上，论证所选择的坝料填筑标准的合理性以及采取有关工程措施的必要性。
根据计算出的坝体各部位的不均匀沉降量和不均匀沉降梯度来判断发生裂缝的可能性，由于缺乏比较成熟的判别标准，当前只能参照类似工程的经验进行分析。
坝的稳定、固结沉降等现象都和坝的应力和变形状态密切相关。随着高土石坝建设的发展，人们逐渐认识到进行应力和应变分析对评价坝的稳定和安全能够提供更多、更有效的信息，有很好的发展潜力。20世纪60到70年代以后，岩土应力和变形分析特别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的资料和经验。可是，由于问题的复杂性，计算成果当前还仅限于对土石坝设计作定性的参考，达不到定量控制设计的程度。
5.3.3 计算结果
（1）建模及有限元划分
心墙坝拟定分五期施工，在Abaqus中建立二维模型及有限元划分如图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
因必须考虑到在施工过程中的沉降而并非只是最终的沉降，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
分期沉降情况如图5-21~图5-26所示。

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竣工期沉降

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）
0.186
0.371
0.742
1.021
1.113

经Abaqus计算，竣工期和蓄水期沉降及应力情况见图5-18~图5-21。

图5-20竣工期主应力

图5-21蓄水期主应力
计算结果见表5-6：

表5-6 应力与沉降计算结果表
主应力（MPa）
沉降
最大值（m）
占坝高比例
竣工期
1.569
1.113
0.67%
蓄水期
1.411
1.119
0.68%

在自重作用下，坝体竖向沉降明显。竣工期，坝体最大沉降发生在坝轴线附近约1/2坝高处，最大值为1.113m，是最大坝高的0.67%；而由于在运行期，由于蓄水后水的作用，坝体的最大沉降较竣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，是最大坝高的0.68%。
由此可见，竣工期和蓄水期最大沉降都满足坝高1%以内的标准，且影响因素对坝体整体变形影响较小，本设计方案具备良好的抵抗变形能力。

第六章 结论
本文设计内容为ATS水利枢纽设计中的心墙坝体设计。在确定坝址、坝型之后，主要设计成果总结如下：
（1）ATS水利枢纽心墙坝体剖面设计，参照相关规范，经过分析计算，最终确定坝高、坝顶宽度、坝坡等坝体剖面基本参数。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，根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规定和已建工程，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。本次设计采用沥青混凝土心墙，由于机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，因此采用碾压式沥青混凝土心墙，布置形式为直心墙式，根据《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的基础在河床部位要求清除基础至1661～1665m高程，落在约100米深的砂砾石覆盖层上。坝肩沥青心墙与坝基采用混凝土基座连接。上下游均采用干砌石护坡，厚1m，并以棱体排水作为其排水方式。
（5）ATS水利枢纽沥青混凝土心墙坝体计算，包括在各种工况下渗流、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。