土石坝设计说明书

南 昌 大学11水工毕业设计说 明书周小日2015年1月日42 / 44目录第一章工程概况1第二章设计的基本资料与水库工程特性1第一节设计的基本资料1第二节水库工程特性4第三章 工程等别与枢纽布置5第一节工程等别与建筑物的级别5第二节枢纽布置6第四章坝工设计7第一节坝型的选择7第二节坝的断面设计81. 坝顶高程82、坝顶宽度103、坝坡104、防渗体设计115 、排水设备11第三节土石坝的渗流计算12第四节土石坝坝坡稳定分析与计算184.1设计说明184.2 .稳定计算19第五节土石坝细部构造设计4351坝顶435.2护坡435.3 排水体455.4坝体与坝基防渗设计465.5土石坝土料的选择46第六节地基处与裂缝处理48参考文献50心得51第一章 工程概况伦潭水利枢纽工程位于铅山县天柱山乡境内,距县城约50km,坝址地处铅山河支流杨村水中游,是铅山河流域内具有防洪、灌溉、发电、供水与水产养殖等综合效益的控制性工程.铅山河是信江中上游南岸的一条主要支流,发源于闽赣边境的武夷山脉.流域东邻石溪水,西毗陈坊河,南靠武夷山,北抵信江,集雨面积1255km2.流域内山高林密 ,植被良好,气候温和,矿产资源丰富,尤以铜矿著称.铅山河流域理论电力蕴藏量约14108kWh,初步查明的可开发水电装机有18.46104kW,可开发电量6.7108kWh,其水力资源之丰富为信江之冠.铅山河流域是我省暴雨中心之一,也是我省小流域治理规划的重点流域.伦潭水利枢纽工程项目在20#7月已经国务院批准立项.第二章 设计的基本资料与水库工程特性第一节 设计的基本资料一、水文气象伦潭水利枢纽坝址处于铅山河支流杨村水中游.杨村水为信江二级支流,发源于武夷山脉读书尖.河流自南向北流经篁碧、港口、天柱山、港东、杨村、五都等地,在下坂与石塘水相汇后称铅山河.杨村水主河长70km,流域面积465km2,河道平均坡降6.6.伦潭水库坝址以上集雨面积242km2、主河长41.9km,流域平均宽度5.77km,主河道平均比降11.62.坝址附近无水文测站,选择铅山河流域内铁路坪水文站作为参证站,由1959年至20#共42年径流资料,推求坝址多年平均流量为11.0m3/s,Cv=0.31,Cs=2.5Cv,多年平均径流深1438.8mm,多年平均径流量3.48108m3.铅山河为雨洪式河流,洪水与暴雨相应,多发生在49月份,洪水主要由锋面雨形成,台风雨也能形成较大洪水.经分析计算,坝址设计洪水成果：校核洪水标准P=0.1%,相应洪峰流量为2640m3/s,洪量W1=87.73106m3、W3=154.17106m3；设计洪水标准P=1%、相应洪峰流量为1500m3/s,洪量W1=52.06106m3、W3=92.08106m3.铅山河属少泥沙河流,坝址多年平均悬移质输沙量4.55104t、推移质输沙量1.82104t.铅山河流域属亚热带季风气候区,流域内各地多年平均气温18.1,极端最高气温40.1,极端最低气温-10.6,多年平均相对湿度79%.多年平均降水量1908.9mm,最大年降水量2856.7mm1998年,最小年降水量1177.1mm1971年,多年平均蒸发量1550.4mm,多年平均风速1.9m/s,实测最大风速20.3m/s.二、工程地质 本区处华南褶皱系、赣中南褶隆、饶南拗陷区.区内地势东南高、西北低,下游为低山丘陵区,中上游属中低山中高山构造剥蚀地貌,不良物理地质现象不甚发育.区内出露地层主要为燕山早期花岗岩.枢纽与库区处于次一级的陈坊永平八都区域隆起构造带,未发现孕震断裂分布,不存在产生水库诱发地震的可能性,根据GB18306-2001中国地震动参数区划图,本区地震动峰值加速度小于0.05g,地震动反应谱周期小于0.35s,区域构造稳定性较好.水库区地层岩性单一,组成库盆、库岸的花岗岩体岩性坚硬,透水性弱,库周分水岭雄厚,库区产生永久性渗漏的可能性小,库岸稳定性较好.未来库区淤积问题不大.库区内未发现有工业开采价值的矿产资源与古文化遗址分布,淹没影响较小.不存在浸没问题.坝区含上、下两个坝址,均属构造剥蚀中低山地貌,位于燕山早期侵入的伦潭岩体上岩性,为细粒花岗岩,岩性单一,一般弱风化微新岩体为中等较好质量岩体.地质构造较简单,未发现较大的断裂构造与顺河断层.构造节理主要为北东向和北西向两组,卸荷裂隙发育不明显.坝区的地下水主要为基岩裂隙潜水.地下水埋深多受大气降水和地形条件与季节变化等因素所控制.岩体透水性则受地形条件、节理裂隙的密度与贯通,节理裂隙充填状况与岩体风化程度等多种因素影响,一般遵循自上而下,由大到小的规律.据水质分析结果,坝区河水和地下水对混凝土具中等溶出型侵蚀性.上、下坝址存在的工程地质问题,主要为渗漏与坝肩稳定问题.由于岩体风化与节理裂隙的影响,坝址基础开挖以后,建基面以下一般为弱中等透水岩体,需作防渗处理.上坝址可利用基岩埋深较大,建基面以下透水岩体厚度也较大.下坝址拱坝方案右坝肩,由于局部分布有缓倾角节理裂隙,其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合,存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面,有沿该组面产生滑动的可能,对拱肩稳定不利.就工程地质条件而言,上、下坝址均具备修建90m左右大坝的条件.而下坝址的工程地质条件优于上坝址.据本阶段对三条引水隧洞、一条导流隧洞、一个溢洪道与三个发电厂房和下坝址上、下游围堰作的地质勘探工作,这些建筑物均处于中低山地貌,围岩为细粒花岗岩,洞室大部分置于弱风化微新岩体,地下水量不丰,地质构造较简单,洞线进出口与厂房区未见较大的滑坡、崩塌等不良物理地质现象.各引水隧洞线与厂房均未发现大的工程地质问题.上、下游围堰不存在大的工程地质问题.三、筑坝材料与其物理力学性质一水库枢纽工程所需天然建材,石料可就地取材,储量与质量均可满足要求.砂砾料在坝址区缺乏,需在坝区下游较远处采运,其中砂料质量可满足规范要求,但粗骨料级配较差,粗细骨料储量均可满足需求.二重要物理力学设计指标1坝址处地基物理力学设计指标坝址处具有砂质亚粘土覆盖层,河床处覆盖深度约为5米,两岸垂直坡面覆盖左岸3米,右岸12米.砂质亚粘土覆盖层物理力学指标如下：干容重=1.59/3 饱和容重S=2.00/3浮容重=0.98/3 渗透系数K=4.510-6/凝聚力=0.38/2 内摩擦角=20.5702筑坝材料1.砂壤土干容重=1.70/3 饱和容重S=2.10/3浮容重=1.00/3 渗透系数K=2.510-5/凝聚力=0.29/2 内摩擦角=300湿容重=1.90/32、粘土防渗体干容重=1.65/3 饱和容重S=2.07/3浮容重=1.05/3 渗透系数K=310-6/凝聚力=0.35/2 内摩擦角=240湿容重=1.85/33、砂砾料干容重=1.67/3 饱和容重S=2.04/3浮容重=0.99/3 渗透系数K=210-2/凝聚力=0 内摩擦角=330湿容重=1.81/34、块石干容重=1.79/3 饱和容重S=2.14/3浮容重=1.19/3 内摩擦角=380湿容重=1.85/35、址区洪水期多年平均最大风速16/,吹程为2.5公里.三砼与基岩抗剪指标与基础承载力纯摩时 =0.6 =0剪摩时 =0.9 =2.8/2基础承载力 =30/2砼容重 =2.4/3工作桥与启闭机作用于一个墩上荷载45吨,弧形门重20吨四、水库的运用要求伦潭水利枢纽工程位于铅山河流域杨村水中游,是以防洪、灌溉为主,兼顾发电、供水和水产养殖的综合利用工程.经综合分析论证,伦潭工程规模基本选定为：水库正常蓄水位252.0m,死水位为230.0m,防洪限制水位250.0m,防洪高水位为254.70m,相应防洪库容为0.261108m3,调节库容0.938108m3,水库总库容1.798108m3；灌溉农田面10.62万亩；电站装机容量20.0MW；枯水季节能为下游工矿企业补充1500104m3生产生活用水.伦潭水利 枢纽工程综合利用效益显著.在防洪方面：经水库调蓄可使下游沿河两岸和港东、杨林、五铜、永平、鹅湖、福惠等7个乡镇的村镇和农田、永平铜矿的供水设施和尾矿污水排放设施、横 南铁路线和上饶联络段铁路线以与铅山县河口镇的防洪标准由5年一遇提高到20年一遇；在灌溉方面：从水库坝下取水可灌溉下游铅#部灌区的杨林、五铜、福惠、虹桥、汪二、河口茶场、新安埠、汪二垦殖场等九个乡镇、场的10.62万亩,农田灌溉保证率达90%；在发电方面：电站装机210.0MW,年发电量6074104kW.h,保证出力4520kW,年利用小时3037h；在供水方面：枯水季节能补充下游工矿企业生活生产用水1500104m3.第二节 水库工程特性正常蓄水位 252.00防洪高水位 254.70设计洪水位P=1 254.75相应下泻流量 9753/相应下游水位 176.43校核洪水位 256.45相应下泻流量 13103/相应下游水位 177.51死水位 230.00水电站装机容量 210MW总库容 1.798亿3河床地面高程 170m第三章 工程等别与枢纽布置第一节工程等别与建筑物的级别该水库总库容为1.798108m,电站装机容量为2104kw.按照水利水电枢纽工程等级划分与设计标准,综合考虑水库总库容,防洪效益,灌溉面积,电站装机容量,工程规模, 查教材水工建筑物表1-1工程等别工程规模分等指标水库库容亿m3 防洪灌溉面积万亩电站装机容量 万kw保护城市与工矿区保护农田万亩一大1型10特别重要的城市、工矿区50015075二大2型101重要城市、工矿区500100150507525三中型10.1中等城市、工矿区10030505252.5四小1型0.10.01一般城市、工矿区3050.52.50.05五小2型0.010.0010.50.05工程等别永久性建筑物的级别临时性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物123234345455555该工程等别为等,工程规模为大2型,主要建筑物为2级,次要建筑物为3级,临时性建筑物为4级.永久性水工建筑物洪水标准:正常运用洪水重现期100年;非常运用 洪水重现期20#.永久性水工建筑物的洪水标准：永久性挡水建筑物和泄水建筑物正常洪水设计时的重现期为100年,非常运用洪水校核时的重现期为20#；水电站厂房正常与非正常运用洪水标准分别为50年和500年；临时性水工建筑物采用洪水标准为2030年.第二节 枢纽布置一、布置原则选址的原则： 首先,应尽量选择地形上最有利的坝址,如坝轴线较短,河谷较窄,便于布置泄水建筑物等. 坝址与地质条件是影响坝址选择的最重要因素之一. 坝址附近的建筑物分布情况,影响到坝址的选择. 水库区的淹没情况也是选择坝址的重要因素. 坝址还必须结合河流规划统一考虑. 施工条件也是选择坝址的因素之一. 水库与水利枢纽的管理条件也应在选择坝址时予以应有注意. 施工工期长短也影响着坝址的选择. 综合以上所有因素充分进行调查研究,权衡利弊,综合考虑选定坝址. 在所有的坝型中,土石坝由于基础面积较大,承担的应力较低,对地基要求较低.二、坝址的选择根据设计基本资料工程地质分析,坝区含上、下两个坝址,上、下坝址均未发现较严重的地质问题,两处坝址均有条件建设90m左右的大坝,而下坝址的工程地质条件优于上坝址.故大坝选于下坝址.三、坝轴线选择为了较好地利用两岸的山体,坝轴线选在-,断面上.第四章 坝工设计第一节 坝型的选择坝型选择关系到整个地形的工程量、投资的工期,除筑坝材料是坝型选择的主要因素外,还要根据地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求等各种因素进行研究比较,最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型工程中主要的坝型有重力坝、拱坝、土石坝,现对各种坝型进行比较： 1、重力坝重力坝基本形状呈三角形,上游面铅直或稍微倾向上游,坝底与基岩固结,建成挡水后依靠自重维持稳定.重力坝的优点：筑坝材料强度高,耐久性好,抵抗洪水漫顶,渗漏冲刷,地震破坏等的能力强；对地质、地形条件适应性强,一般建与基岩上；重力坝可做成溢流的,也可在坝内设置泄水孔,枢纽布置紧凑；结构作用明确；施工方便.缺点：由于坝体剖面尺寸往往由于稳定和坝体拉应力强度条件控制而做的较大,材料用量多,坝内压应力较低,材料强度不能充分发挥,且坝底面积大,因而扬压力也较大,对稳定不利；因坝体体积较大,施工期混凝土温度收缩应力也较大,为防止温度裂缝,施工时对混凝土温度控制的要求较高. 2、拱坝 拱坝是三面固结与基岩上的空间壳体结构,拱向上游凸出,且不设永久性分缝. 拱坝的优点：具有双向传力的性能；拱是推力结构；拱坝具有较高的超载能力；拱坝轻韧,富有弹性而整体性好,借助岩基对地质功能的吸收,它又具有较强的抗震能力. 缺点：拱坝是不设永久性横缝的整体朝静定结构,设计时需计入温度变化和地基位移对坝体应力的影响；拱坝体形复杂；设计施工难度大,对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求,以与对地形地质条件与地基要求均较高. 3、选用土石坝 土石坝是指由当地土料石料或土石混合料填筑而成的坝. 土石坝的优点：就地取材,与混凝土相比,节省大量水泥,钢材和木材,且减少了筑坝材料远途运输费用；对地质地、形条件要求较低,任何不良地基经处理后也均可筑土坝；施工方法灵活,技术简单,且管理方便,易于加高扩建. 缺点：不允许坝顶溢流,所需溢洪道或其他泄水建筑物与造价往往很大,；在河谷狭窄,洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难；采用粘性土料施工受气候条件影响较大. 本设计中,伦潭水库的防护坝地处山区交通条件差,公路标准低,运输不方便,如从外运入筑坝材料,工程投资大大增加,因此不运用重力坝.拱坝应力分布均匀,不利于发挥材料强度,节省工程量,但对地质和地形要求严格,通常要求对称均匀,因此地形不对称,且地形地质条件也不甚好,如采用拱坝.坝体相对条件差,不利于坝体强度稳定,设计施工复杂.因此不宜选拱坝,伦潭水库防护坝因当地土料、沙砾料、石料丰富,可就地取材,节省大量运输费用,并且综合考虑土坝与其他坝型相比具有的特点,最终选择土石坝.影响土石坝坝型选择的因素很多,其主要的是坝址附近的筑坝材料,还有地形与地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等.通过对各种因素进行比较,选定技术上可行,经济上合理的坝型.由于坝址处雨水多,黏土施工较为困难,故也不易采用厚心墙坝和厚斜墙坝.沥青混凝土具有极佳的防渗性能与适应变形能力.故本设计采用沥青混凝土斜墙坝.第二节 坝的断面设计土石坝剖面的基本尺寸包括:坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡,防渗体与排水体的形式与尺寸等.1. 坝顶高程 为防止库水浸溢坝顶,坝顶水库静水位以上应有足够的波浪超高.碾压式土石坝设计规范,SDJ218-84规定,其值按下式计算： Y=R+e+A 4-1e=KV2D*cos/2gH 式中：风沿水面吹过所形成的水面升高 即风壅水面超出库水位的高度,m自风壅水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度,简称波浪爬高,m水库吹程,km或m沿水库吹程方向的平均水域深度,初拟时可近似取坝前水深,m综合摩阻系数,其值变化在1.55.0之间.计算一般取3.6 以km计或3.6以m计计算风速,m/s 正常运用条件下的、级坝采用1.52.0多年平均最大风速,正常运用条件下的 、级坝采用1.5,非常运用条件下的各级土石坝采用.风向与坝轴线的夹角,1 =0安全加高,见表3.1 正常A=1.5 非常A=1.0表4.1堤顶类型与运用情况堤 顶 级 别1234、5安 全 超 高土坝、土堤正常1.51.00.70.5非常1.00.70.50.3混凝土闸坝、浆砌块石闸坝正常0.70.50.40.3非常0.50.40.30.21.1.正常运用情况下计算坝顶高程 D=2.5km波浪爬高 式中：m = 3.0 n = 0.0155 A = 1.0则 = 0.1195 m = 0.218mY正常=R+e+A =0.218+0.000078+1=1.218=1.22m坝顶高程 =252+=254.75+1.22=255.97 m 1.2. 非常情况下计算坝顶高程 非常运用情况下的坝顶超高计算公式与正常情况下的一样,所不同的是风速来用多年平均最大风速V=,坝前水深H= 254.75-170=86.45mm = 0.9708 m = 3.0 n = 0.0155 R= = 1.77 m A = 0.5 查表= = 1.77 + 0.5 + 0.002 = 2.272 m 坝顶高程 = 256.45 + = 258.722 m 综上所述,坝顶高程取二者中最大值Y= 258.722 m ,考虑到上游设置1.2m的防浪墙,坝顶高程最终为258.722-1.2=257.522 m,取257.6 m, 防浪墙高程为258.8m , 坝高为257.6-170=87.6 m2、坝顶宽度 坝顶宽度取决于施工、构造、运行、抗震与防洪等要求.如坝顶设置公路或铁路时,应按交通要求确定.特殊要求时,高坝最小顶宽10m15m,中低坝为5m10m.对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求,在寒冷地区,还应使心墙或斜墙至坝面的最小距离大于冻土层厚度,以防防渗体冻坏,本设计坝高为87m,属于高坝且坝顶有交通要求,坝顶宽度为10m.3、坝坡 土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、菏载、坝基性质等因素,且直接影响到坝体的稳定和工程量大小. 由于石料在饱和状态下抗剪强度低于水位下降时渗流力指向上游对上游坝坡稳定不利,既土石坝相同时,上游坡比下游坡为缓； 从坝型上看,上游坝坡较下游为缓； 从荷载情况上,为适应向底部逐渐增加色特征,坝坡上陡下缓,故土石坝上、下游坡一般做成变坡时,由上至下逐渐放缓,相邻坝坡率差为0.250.5,若坝基较弱时,最后一级坝坡宜缓以利于坝坡稳定.综上所述,对拟坝坡时,坡度一般为1:2.01:4.0,上游面坝坡从坡顶向下分别在高程为230m,210m,190m.变坡坝坡为：1：2.75,1：3.0,1:3.25,1：3.5.下游面在210m,190m,变坡处设宽为2m马道,坝坡为1：2.5,1：2.75,1：3.0.在178.51m设置棱体排水.见图4-24、防渗体设计本设计采用沥青混凝土防渗体,它是有一定级配的碎石或卵石、沙、石料和沥青按一定比例配合并加热搅拌均匀的混合物,经滩铺、碾压达到一定密度变形成防渗体. 坝体防渗采用沥青混凝土斜墙,墙顶高程取257m,顶宽不小于0.5m,本设计取1m,底部厚度为1/80的坝高,取87.6/80106.8=1.1m,上游坡1：2.5,下游坡1：2.0.5 、排水设备土石坝防渗体采用沥青混凝土,虽然渗透系数很小,但仍会有一定的渗水,在坝体下游侧设置排水设备,其作用是控制和引导渗流安全的排出体外,降低坝体浸润线和孔隙水压力,增强坝坡稳定保护下游坝坡免受冻涨破坏,排水体由块石与其流层组成,要求其具有充分地排水能力,不堵塞,以保证坝体和坝基不发生渗透破坏,并且便于观测和检修.设计采用棱体排水,初拟定坝顶高程为178.51,棱体排水顶宽根据观测与施工的需要确定,一般不小于1-2m,本设计取4m,棱体内坡由施工条件确定,一般为1:11:1.5,本设计取1:1.5,外坡根据坝基抗剪强度和施工条件确定,一般为1:1.51:2.0,本设计取1:2.0.第三节 土石坝的渗流计算3.1 设计说明3.1.1 土石坝渗流分析的任务 土石坝的剖面尺寸初步拟定后,必须进行渗流分析和稳定分析,为确定经济可靠的坝体剖面提供依据,渗流分析的主要任务是： 确定坝体浸润线和下游溢出点的位置,为坝体稳定计算和排水体选择提供依据； 计算坝体与坝基的渗流量,以计算水库渗漏损失,和确定排水体尺寸；计算坝体与坝基的渗流溢出处的渗透坡降,以验算其渗透稳定性.3.1.2 渗流分析的工况 渗流计算时,应考虑水库运行中出现的不利条件,一般需考虑计算下列几种工况： 上游正常蓄水位252.0m与下游相应最低水位176.43m,此时坝内渗流的坡降最大,易产生渗透变形； 上游校核洪水位256.45m与下游相应最高水位177.51m,此时坝内浸润线最高,渗流也最大；分析时,常根据河谷地形情况,选若干、单宽坝坡,按二元渗流问题考虑,坝坡桩号为0+038、 0+068、0+098、0+128、0+158、0+188、0+235、0+280.3.1.3 渗流分析的方法 土石坝渗流分析的方法有公式计算法流体力学法、水力学法、有限单元法流网法和 电模拟法,本设计采用水力学法,水力学法建立在一些基本假定上,是一种近似解法,只能求得过水断面上渗流要素的平均值,但其计算简单,且精度一般可以满足工程要求.3.2 渗流计算3.2.1 基本假定 坝体土料为均质,坝体内任一点在各方向上的渗透系数相同且为常数； 渗流二元稳定层流,流动运动符合达西定律：V=KJV为渗透流速,K为渗透系数,J为渗透坡降 渗流为渐变流,任意过水断面上各点的坡降和流速相同.3.2.2 水力学分析方法选择水力学方法解土坝渗流问题.根据坝内各部分渗流状况的特点,应用达西定律近似解土坝渗流问题,计算假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等.斜墙与截水槽的单宽渗流量为：斜墙与截水槽下游坝体与坝基的单宽渗流量为：式中：、分别为防渗体、坝壳材料、河床质砂卵石的渗透系数；、斜墙与截水槽的平均厚度,m；斜墙的倾角,；下游坡坡率.由水流连续条件联立求解上两式可求得式中假设：不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用；由于砂石料渗透系数较大,防渗体又损耗了大部分水头,逸出水位与下游水位相差不是很大,认为不会形成逸出高度；对于岸坡断面,下游水位在坝底以下,水流从上往下流时由于横向落差,此时实际上不为平面渗流,但计算仍按平面渗流计算,近似认为下游水位为零.由于河床冲积层的作用,岸坡实际上不会形成逸出点,计算时假定浸润线末端为坝址.计算简图3.3总渗流量计算总渗流计算时,一般是根据地形和地基,透水层分布情况,将坝体沿坝轴线分成若干曲边坝段,见图4-1,先计算各坡交界处的坝体单宽渗流量,然后按下式计算全坝的总渗流,：4-5 式中： 各坝段长度 m各坝段交界处的坝体单宽流量 表3-1稳定渗流期渗流计算成果表上游=252m 下游=176.43m编号桩号LTH1H2K0KKTmA1A2A3hqL0+00000+0501.20130.5102500.510-10210-42.510-52.58.4710-61.4310-68.0410-80.0567.0810-8500+1001.33222.379.748.500.510-10210-42.510-52.6253.5810-64.2810-72.3510-70.191.07510-7500+1501.40308.7510.574.55.90.510-10210-42.510-52.752.610-64.3710-78.4510-55.842.1710-7500+2001.454365.6310.895.526.90.510-10210-42.510-52.752.6110-63.6910-71.16510-322.922.8010-7500+2501.49368.722.210031.40.510-10210-42.510-52.752.610-67.3210-71.5810-328.423.56710-7500+3001.33308.75974.55.90.510-10210-42.510-52.752.610-63.8210-78.3810-55.832.1010-7500+3501.239180.4910.533.500.510-10210-42.510-52.754.810-68.3610-71.4410-70.0927.0910-8500+4001.11811791000.510-1210-42.510-52.751.0210-61.4810-72.510-80.056.0910-8500+41212Q=10-70.70850+ 50+ 50+ 50+ 50+ 50+ 50+ 50+0.69512=418.410-7360024=3.61表4-2校核水位渗流计算成果表上游=256.45m 下游=177.51m编号桩号LTH1H2K0KKTmA1A2A3hqL0+00000+0501.2130.51030.400.510-10210-42.510-52.58.3310-61.4410-63.8810-90.0645.3510-8580+1001.33222.739.753.900.510-10210-42.510-52.6253.56810-65.9010-72.82210-70.2131.2110-7500+1501.40308.7510.579.96.80.510-10210-42.510-52.752.6310-64.4610-71.2810-45.962.5010-7500+2001.454365.6310.8100.927.80.510-10210-42.510-52.752.6310-63.6410-72.3110-323.233.1010-7500+2501.49368.722.2105.432.30.510-10210-42.510-52.752.63410-67.1810-72.78810-330.043.4610-7500+3001.33308.75979.96.80.510-10210-42.510-52.752.6310-63.8210-71.2810-46.082.3810-7500+3501.239180.9410.538.900.510-10210-42.510-52.754.78710-68.6210-71.8410-70.1069.0510-8500+4001.118117915.400.510-10210-42.510-52.751.0010-51.53810-64.6110-80.0642.1110-8500+41212Q=10-70.53550+ 50+ 50+ 50+ 50+50+ 50+ 50+0.21112=431.3810-7360024=3.733.4渗流稳定结果分析3.4.1 正常蓄水位下渗流稳定分析 渗流量：水库每日渗漏量3.61,故能满足防渗要求. 渗透稳定：对非黏性土,渗透破坏型式的判别可参考伊斯妥明娜法,根据土体的不均匀系数来判定：时为流土时为管涌时不定 根据砂砾料颗粒级配曲线查得； ,则；渗透破坏型式为管涌.管涌自上而下渗流的临界坡降公式为：4-6式中：相应于粘粒级配曲线上含量为3的粒径,土壤的渗透系数,土壤孔隙率,初步拟定为0.33对坝基内水平方向产生的临界坡降为：4-7式中：土的内摩擦角,管涌的允许坡降为： 4-8水平向渗流 4-9 式中：为安全系数,根据建筑物级别和土壤类别选用,一般取,则有：水平向渗流渗流逸出点的实际渗透坡降为： 已知；近似取计算长度 则 ；因为,故满足渗透稳定要求.3.4.2 校核洪水位下渗流稳定分析分析过程同正常蓄水位.第四节 土石坝坝坡稳定分析与计算4.1设计说明 设计任务对土石坝进行稳定分析的目的,是通过计算坝体剖面的稳定安全度来检验坝坡在各种工况下是否安全,断面尺寸是否经济合理.坝坡坍滑失稳滑裂面的形式主要与坝体结构型式、坝基情况和坝的工作条件等因素有关.主要有以下几种：1曲线形滑裂面.当为黏性土坝坡时,其失稳滑裂面呈上陡下缓的曲面,稳定计算时常假定为一圆柱面,其在坝体剖面的投影是一个圆弧,称滑弧.滑裂面的位置,如坝基为掩饰或坚硬的土层时,多从坝脚处滑出；当坝基土质与坝体相近或更软弱时,滑裂面可能深入坝基从坝脚滑出.2直线或折线形滑裂面.当滑裂面通过由砂,沙砾石等材料构成的无黏性土坝坡时,在坝坡剖面上的投影是一直线或折线.当坝坡干燥或完全浸入水中时呈直线,部分浸水时为折线,斜墙坝上游失稳时,常沿斜墙与坝体交界面滑动.3复合断裂面.当坝坡由几种不同性质的土料组成或坝基存在软弱层时,滑裂面往往是由直线和曲线组成的复合型,在黏土为曲线,在黏性土内或软弱层上为直线. 计算工况1库水位最不利时的上游坝坡,这种不利水位大致在坝底以上1/3坝高处；2上游为正常蓄水位,下游为相应最低水位的下游坝坡；3校核洪水位下有可能形成稳定渗流的下游坝坡；4施工或竣工期的上下游坝坡；4.1.3 计算方法本设计只针对最大剖面.本设计为无黏性土坝壳材料,故采用折线法对土石坝进行稳定分析计算.4.1.4 控制标准表41 容许最小抗滑稳定安全系数运用条件工 程 级 别正常运用非常运用正常运用加地震1.301.201.101.251.151.051.201.101.051.151.051.004.2 .稳定计算4.2.1基本原理与计算方法属于部分浸水的无黏性土坝坡稳定分析.对于部分浸水的无黏性土坝坡,因水上水下土壤力学性能不同,滑裂面近似为一折面,折点高程大致在水位附近.1） 滑动土体在折点处还形成块间破裂面DE,破裂面的方位当坝基土料内摩擦角大于坝体土料内摩擦角时倾向上游；反之倾向下游.为分析方便取为铅直方向.2） 破裂面作用力P与该面法线的夹角等于土料的内磨擦角,为方便计算,假定P与上滑块底裂面平行.用折线法计算滑动土体的稳定安全系数时,采用安全的极限平衡法.所谓极限平衡是认为滑动面上的静摩擦力达到最小值.安全是指上述极限平衡是在一定安全储备条件下的.假定各滑动面上有相似的安全系数K.滑动面上土料的抗剪力除以K后作为计算抗剪力.设图5-1ADC为任一滑动面,折点在D点,块间破裂面DE将滑动土体分为两块,其重量分别为W、W,两块间作用力为P,起方向平行与DC.两块土体底面土料内摩擦角分别为、.由于块BCDE沿DC方向力的平衡可得见图5-2aP-Wsin+W=0 由于土块ADE沿AD方向力的平衡得见图52b 联立以上两个公式即可得出以下一元二次方程5-3解出一元二次方程即可的到K值3在上述计算中,水位与、都是任意假定的.为求得最小安全系数,应假设不同的水位和、值.具体计算时,先假定若干个水位和、值具体计算时,先假定若干水位,在每一水位下假定至少3个,对每个至少假定3个,分别计算出安全系数,其中最小者即为所求坝体稳定安全系数.4.2.2上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡1. 假定上游水位为110.6m,按下式计算安全系数计算简图如下：图5-3稳定计算简图上游水位在坝底以上1 /3坝底处的上游坝坡已知：.为计算方便,上游坝坡m取平均： 取单宽,重量W1、W2分别按下式计算： 其中： 已知 : 由于： BC=257.6-199.2ctg31.-m257.6-199.2+ND 所以： S4=1/2257.6-199.2=3266.83m2. 已知 比重G2.68,孔隙率 则 浮容重为：则 将已知数据代入公式有：方程可简化为：即：解2.065 其中值0.086舍去 计算K值计算简图如5-4图5-4稳定计算简图上游水位在坝底以上1 /3坝底处的上游坝坡已知： 由于： BC=257.6-199.2ctg33.-m257.6-199.2+ND 所以： S4=1/2257.6-199.2=1475.783m2. 已知 比重G2.68,孔隙率 则 浮容重为：则 将已知数据代入公式有：方程可简化为：即:利用 EXCEL 解方程的出3.4551 在取不同的水深最少3个本设计选取199.2m 201.2m 200.0m 分别取不同的计算求得最小的安全系数.用计算如下表52:水库水位199.211 3121710.0451359.042.065 30.518548.646315.73.4551 31.817358.644417.332.36413 26.815920.8336420.611.926 27.221246.4644916.42.033 27.620321.5443440.912.15612 231653540017.751.983 23.524573.9852842.072.170 24.122769.5249963.472.465201.213 21.310420.7728530.542.275 2214779.2535483.492.794 20.918652.7941662.812.07312 21.112872.3435268.752.322 20.824357.9353591.322.165 21.521826.7749553.452.58111 20.7155411.4342652.462.315 2129906.3265775.662.500 21.428466.763479.082.643200.012 2017399.7940941.421.784 2122626.4449279.322.176 21.620361.6745666.412.55413 21.110984.2828177.092.098 22.213023.7131430.522.942 21.615171.7634857.232.39210 19.521494.5654027.341.861 2115251.1544067.432.691 2019313.7250548.332.061表4.2上游水位为在坝底1/3坝高处上游坝坡的安全系数计算表如下根据表4.2的结果可得当上游水位为200.0m时时K=1.2.满足稳定要求4.2.3 其他工况的稳定计算上游为正常蓄水位,下游为最低水位下的坝坡；校核洪水位下形成稳定渗流期的下游坝坡；施工或竣工期的上下游坝坡此几种工况采用圆弧法.4.2.3.1基本原理与计算方法 圆弧法主要用于黏性土坝坡如均质坝、厚斜墙坝、厚心墙坝等的稳定计算于是也用于非黏性土质坝.其基本原理是假定滑动面为一圆柱面,将滑动面内土体视为刚体,失稳是该土体绕圆弧的中心旋转,沿坝轴方向取单宽坝段按平面问题进行分析.计算时将滑动面以上的土划分成若干铅直土条,求出各土条对滑弧中心的抗滑力矩之和和滑动力矩之和,二者之比为该滑弧的抗滑稳定安全系数,即 按是否计与土条间的作用力,圆弧法又分为两种：一是不计土条间作用力的简单方法,又称瑞典圆弧法;二是考虑土条件水平力作用,忽略竖向力作用的简化的毕肖普法.前者计算简单,偏于安全 ,单精度较差；后者较合理,结果较精确,但需迭代计算,较麻烦.我国规范规定,对、级高中坝以与一些比较复杂的情况,应同时采用瑞典圆弧法和计土条件作用力的方法如简化的毕肖普法或其他严格的方法.对于后者,最小安全系数的容许值应比附表五中规定值提高10%左右,对级坝的正常运用情况,安全系数不小于1.5.最危险滑弧位置的确定 上述滑动圆弧的圆心和半径是任意选定的,求出的稳定安全系数不一定是最小的.最小安全系数必须经过试算才能得到.如何用最少的试算次数找到最小的安全系数,主要有两种方法.B.B方捷耶夫法.该法最小安全系数的滑弧圆心在扇形范围内,见图5-1.此扇形面积的两个边界为由坝坡中点引出的两条直线,一条铅垂线,一条与平均坝坡线成85角；另外两个边界为以为圆心所作的两个圆弧,内外弧半径.内外弧半径RR,查附表5-2所示.表5-2 R内、R外值表坝 坡1：11：21：31：41：51：6R/HR内0.750.751.01.52.23.0R外1.501.752.303.754.805.50费兰纽斯法该法认为最危险的滑弧的圆心在图43所示直线的延长线附近,图中H为坝高、值查附表5-3.表5-3 、值表坝坡的坡度1:1.51:2.01:3.014.0o26252525o35 353536 上述两种方法,适用于均质坝,其它坝型也可参考.实际运用时常将二者结合应用 ,即认为最危险的滑弧圆心在扇形面积中线附近, 并安以下步骤计算最小安全系数.1首先定出距坝顶为2H、距坝址B为4.5H的点再从坝址和坝顶引出直线和,它们分别与下游坝坡与坝顶成、角,并相交于点,连接直线,再用方捷耶夫法给出,这样即可定出线.2在线上选取几个圆心O、O、O等,分别作通过B点的滑弧,然后按公式分别计算安全系数K,并按比值将K值标在相应的圆心上,且连成曲线找出最小的K值.3再通过线上K值最小的点,作的垂线NN,并在NN上选几个圆心如O、O等,分别过B作圆弧并计算K,找出 NN上最小值,一般认为该K值即为通过B点的最小安全系数,按比例画在B点 有时为了更精确,还要通过NN线上K值最小的点再做垂线NN图中未画出求出其上最小K值 4而后根据坝基土质情况,在坝坡上或坝址外在选数点B、B、B等,同上方法求出最小安全系数K、K、K等并按比例标在B、B、B点上,与B点K连成曲线找K.4.2.3.2瑞典圆弧法求坝体稳定安全系数1基本公式 为简化分析,现只考虑自重荷载.对如图44,所示的坝坡,以 土条为例,其自重,式中为土条高度,为土条宽度,为土壤容重.自重在滑动面上的切向分力起促滑作用,法向分力在滑动面上产生摩擦力体抗滑作用.式中为土条底部重点所在半径与铅直线的夹角,是土条在滑动面处的内摩擦角.滑弧长度上的凝聚力起抗滑作用,为该土条在滑动面处土壤的单位凝聚力.在滑动面上总滑动力为,总抗滑力为,分别对圆心O取力矩,抗滑力矩,则坝坡稳定系数K为K=上式即为瑞典圆弧法的基本公式2 稳定渗流期坝坡稳定计算 当采用总应力法时,由于稳定渗流期土体已经固结,应采用固结不排水剪试验的总应力强度指标、.途中计算时,浸润线以上采用湿容重,浸润线与坝外水位之间采用饱和容重,坝外水位以下采用湿容重见图43.则滑弧稳定系数为k但采用有效应力法时,可应用流网确定土条的超静空隙水压力,为土条地面中心至坝外水面的高差,例如图44中土条,从自重的法向分力中扣除,同时采用有效应力强度指标,则滑弧稳定安全系数为k详细计算如下表格所示瑞典圆弧法验算坝坡稳定计算表工况：正常蓄水位 圆心：O1 半径：258m 土条宽度：20m 滑坡位置：下游坡土条编号堆石体坝体坝基土条宽度土条自重sincostgWcosWsinWcostgKhhh-4212202520-0. 103 0.951340.8392396.52-781.22010.681.70-31012207440 -0.2330.973 340.6757239.12 -1659.124886.41 -2217.915 122011520 -0.155 0.988340.67511381.76 -1785.67682.69-14.617.917 122014880 -0.078 0.997 340.67514835.36 -1160.6410013.89 08.117.932 1269.820170400 1340.675170400 115021