水工建筑物的课程设计—斜墙坝

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水工建筑物课程设计
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水工建筑物课程设计——斜墙坝
一、 大体资料：
一、河谷地形见附图。

二、天然材料。

在坝址周围3千米范围内渗透系数为k=10-5cm/s 的土料储量丰硕，砂石料散布较为普遍。

覆盖层厚度：岸坡3——5m ，河床5——7m 。

覆盖层渗透系数平均为10-2cm/s ——10-3cm/s.
3、内外交通。

工程紧靠公路，与铁线路相距约10千米，交通便利，不需另外修建对外临时施工道路。

4、水库计划资料。

该工程要紧为下游城市和农田供水，供水工程的最大引用流量为20m 3/s 。

水库正常蓄水位590 m 、设计洪水位592 m 、校核洪水位593m 。

设计洪水流量1200m 3/s,下泄许诺最大单宽流量18m 3/s 。

水库最大风速12m/s ，吹程D=5km 。

灌区位于左岸，浇灌输沟渠渠首设计水位572m 。

二、 设计报告
(一) 土石坝的剖面尺寸及构造 经分析，该设计选择斜墙坝。

1、 坝顶高程：
坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，取4种运用条件： 1) 设计洪水位+坝顶正常超高值 2) 正常蓄水位+坝顶正常超高值 3) 校核洪水位+坝顶正常超高值
4) 正常蓄水位+坝顶正常超高值+地震平安加高 中的最大值。

坝顶超高值：d R e A =++
式中：d —坝顶超高，m ；R —波浪在坝坡上的设计爬高，m ；e —风浪引发的坝前水位壅高，m ；A —平安加高，m 。

1) 风壅水面高度：2cos 2m
KW D
e gH β=
式中，K —综合摩阻系数，取63.610-⨯；D —风区长度，取吹程5km ；β—计
算风向与坝轴线的法线间的夹角，该坝0β=︒；m H —风区内水域平均深度，设为35m ；W —计算风速，m/s ，2级坝采纳连年平均最大风速的—倍，此
处取2倍。

算得，e=
2) 波浪爬高R 的计算：
平均波浪爬高m R ：当坝坡系数m=～时，
m R =
式中，K ∆—斜坡的糙率及渗透性系数，查表得；w K —体会系数，查表得；m h —平均波高，m ；m L —平均波长，m 。

平均波高与平均波长由体会公式得出:
15
3
40.0166l h W D =⇒m h =
112.15 3.752
20.331()m gL gD
W W W
-=⇒m L =
那么，0.68m R m =
=
设计波浪爬高p R ：
对2级坝取累计频率1%的爬高值1%h ，不同累计频率下的波浪爬高p R ，可由
m
h H
的值和相应的累计频率P （%）查表得出。

0.1m
h H <，查表得p m
R R =， 0.68
2.660.68 1.81m p R R =∴=⨯=
因此， 1.81p R R m == 3) 平安加高A ：
依照坝的级别，按表5-1选用。

表格 1 土石坝的平安加高
单位：m
该坝属于2级坝，所处地形属于山区、丘陵区。

4种运用条件功效如下：
表格2 土石坝的坝顶高程单位：m
选取4中运用条件中的最大值作为坝顶高程，即坝顶高程为。

考虑水库综合利用情形，取596m。

2、坝顶构造：
（1）坝顶宽度：
SL 274—200J《碾压式土石坝设计标准》规定：高坝顶宽可选为10--15m，中、低坝顶宽可选为5--10m。

由于该设计中无交通要求时，仅考虑抢险防汛及检修灌浆和运行治理要求，坝顶宽度8m。

（2）坝顶构造：
坝顶盖面材料应依照本地材料情形及坝顶用途确信，一样采纳密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。

本设计采纳碎石路面。

坝顶上游侧宜设防浪墙，墙顶一样高出坝顶。

防浪墙应牢固不透水，用砌石浆建造,取。

3、坝坡构造：
（1）坝坡坡度：
土坝坝坡比参考值
斜墙坝下游坝坡的坡率取值宜偏陡，上游那么可适当放缓。

该坝最大坝高596-560=36m，采纳两级边坡。

故上游坝坡为1：，下游坝坡从坝顶到坝踵依次为1:, 1:，
土石坝下游坝坡常沿高程每隔10--30m设置一条马道，其宽度不小于为—，
马道一样设在坡度转变处，坡率相差。

该坝在坝高1
2
处设置宽为2m的马道，
坡度为1:，1:。

（2）护坡构造：
土石坝上游坡面要经受波浪淘刷、顺坡水流冲洗、冰层和漂浮物等的危害作用；下游坡面要蒙受雨水、大风、尾水部位的风浪、冰层和水流的作用和动物、冻胀、干裂等因素的破坏作用，因此，上下游八面必需设置护坡。

该坝上游护坡采纳浆砌石护坡，从坝顶一直到坝角，护坡厚度为50cm，下部设厚度均为40cm的碎石或粗砂垫石。

下游护坡设厚度为50cm的碎石护坡，护坡下面设厚度为40cm的粗砂垫层。

4、坝体防渗设置：
（1）防渗体：
防渗体的厚度要紧决定于土料的质量，如允许渗流比降、塑性、抗裂性能等。

在设计中通常采纳平均允许比降[]a J作为操纵标准，它等于作用水头H与防渗体厚度T的比值，斜墙的
a
J不宜大于5。

防渗体顶部的水平宽度不该小于3m，自上而下慢慢加厚，在坝底部不低于允许比降所规定的要求。

此斜墙坝顶部宽度定为3m，上游坡度取为1:，上下游作用最大水头差
H=596-560=36m，故墙厚
[]36
7.2 5
H
T m
J
≥==，斜墙底宽取为10m＞,斜墙下
游与水平面夹角为θ，
32.8
tan0.456
72
θ==，那么其坡度为
1
2.2
tan
m
θ
==。

斜墙上游应设置爱惜层，以避免冰冻和干裂。

爱惜层可采纳砂或碎石，其厚度不小于该地域的冻结和干燥深度，此处取，别离铺厚的碎石和砂砾石。

5、坝基防渗设置：
（1）截水槽：
截水槽是坝体防渗体向透水地基中的延伸，是构造简单、防渗有效、稳妥靠得住的坝基防渗设施。

槽底宽度应依照回填土料的允许渗透比降、与基岩接触面抗渗流冲洗的允许比降和施工条件确信。

槽的边坡一样不陡于(1:1)～(1:，槽双侧设置反滤层或过渡层。

此处取槽的边坡1:。

（2）铺盖：
铺盖是均质坝体心墙或斜墙上游水平的延伸，能够延长坝基渗流的渗径，以操纵渗透坡降和渗流量在许诺的范围内。

铺盖土料的渗透系数应小于
10-5cm/s,且至少要小于坝基透水层渗透系数的100倍以上，此坝周围的砂石料符合这一要求。

铺盖向上游伸展的长度一样最长不超过6—8倍水头，铺盖的厚度，上游端按构造要求，不小于，取为1m，向下游慢慢加厚使某断面处在顶、底水头差作用下其渗透比降在许诺范围内，在与坝体防渗体连接处要适当加厚以防断裂。

铺盖上应设爱惜层，以避免蓄水前干裂、冻蚀和运用期的风浪或水流冲洗，铺盖底应设置反滤层爱惜铺盖土料不流失。

6、土坝排水设置：
坝体排水用堆石棱柱体排水，它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。

棱体顶宽不小于，顶面超出下游最高水位的高度，对2级坝不小于，而且还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下，因下游无水，故取棱体顶高3m,顶宽2m。

棱体内坡依照施工条件决定，一样为1:—1:，外坡取为1:—1:，在此处取内坡1:，外坡1:。

在棱体与坝体及土质地基之间均应设置反滤层，在棱体上游坡脚处应尽可能幸免显现锐角。

7、反滤层和过滤层
反滤层的作用是滤土排水，避免土工建筑物在渗流溢出处蒙受管涌、流土等渗流变形的破坏和不同土层界面外的接触冲洗。

反滤层一样由1--3层级配均匀，耐风化的砂、砾。

卵石和碎石组成，每层粒径随渗流方向而增大。

水平反滤层的最小厚度可采纳；垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采纳。

过渡层要紧对其双侧土料的变形起和谐作用。

反滤层能够起到过渡层的作用，而过渡层却不必然能知足反滤的要求。

合理的反滤层设计要知足的要求：
（1）被爱惜土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗体显现裂痕的情形
下，土颗粒可不能被带出反滤层，而且能增进使裂痕自行愈合。

要求反滤层有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。

（2） 透水性大于被爱惜土层，能畅通的排除渗透水流，同时不致被细粒土
淤塞而失效。

这要求反滤层必需有足够大的孔隙。

8、 坝型剖面图（见图纸） (二) 土石坝防渗分析
渗流分析的内容包括：①确信坝体内浸润线；②确信渗流的要紧参数——渗流流速与比降；③确信渗流量。

在渗流分析中，一样假定渗流流速和比降的关系符合达西定律，即1β=。

斜墙采纳粘土料，渗透系数51.010/e k cm s -=⨯，坝壳采纳砂土料，渗透系数
21.010/k cm s -=⨯，二者相差310倍，能够把粘土斜墙看做相对不透水层，因此计算时能够不考虑上游楔形降落的水头作用。

坝体渗透计算 斜墙的平均厚度：12
310
6.52
2
m δδδ++=
=
= 通过斜墙的q 1：22
12e H h q K δ
-=1 (1)
通过坝壳的q 2：22
2
22h H q K L
-= (2)
由公式（1）、（2）相等得：22
222122e K h H K L H h
δ
-=⋅-
下游无水，20H =，∴25222102 6.5
10230h L h --⨯=⋅-
堆石棱柱体排水体高度为3m ，计算L 的长度：
572845245 4.5172.5L m =+++++-= 那么， 4.82e h m =，5310/8.6410/e K cm s m --==⨯日
22223
2130 4.828.64100.58/22 6.5
e
H h q K m δ---==⨯⨯=⨯日
坝壳浸润线方程2
(0172.5)2Ky x x q =≤≤，210/8.64/K cm s m -==日，
那么坝壳浸润线方程可写为20.134y x =(0172.5)x ≤≤
坝壳浸润线方程20.134y x =(0172.5)x ≤<坐标点
x 0 10 20 40 60 80 100 120 140 160 y
浸润线轮廓如图示：
水力坡降 300.174172.5
H J L =
== 渗漏总量约为 6336.7110608.42 4.0810/Q qL m s --==⨯⨯=⨯ 渗漏量操纵 Q Q ⎡⎤≤⎣⎦允许
平均流速 56100.174 1.7410/v kJ m s --==⨯=⨯ (三) 土坝稳固性计算
1、 土坝失稳的形式，主若是坝坡或坝坡连同部份坝基沿某一剪切破坏面的滑
动。

稳固计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各类运用情形下坝坡是不是平安、经济。

2、 土石坝滑动面的形式有：曲线滑动面； 直线或折线滑动面；复合滑动面。

3、 荷载及其组合：
1）荷载：自重、渗透力、孔隙水压力、地震荷载。

2）荷载组合（正常运用条件）：
水库蓄满水（正常高水位或设计洪水位）时，下游坝坡的稳固计算； 上游库水位最不利时，上游坝坡的稳固计算；
库水位正常行降落，上游坝坡内产生渗透力时，上游坝坡的稳固计算。

4、 要求的抗滑稳固系数：
关于超级运用条件（考虑孔隙水压力时）下，2级水工建筑物的坝坡抗滑稳固最小平安系数为。

5、 土石坝的稳固分析：
关于该坝来讲，滑动面接近于圆弧，故采纳圆弧滑动法进行坝坡稳固分析。

为了简化计算和取得较为准确的结果，常采纳条分法。

标准采纳的圆弧滑动静力计算公式有两种：一是不考虑条块间作使劲的瑞典圆弧法，一是考虑条块间作使劲的毕肖普法。

此坝用瑞典圆弧滑动法。

1) 计算原理：
假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体是为刚体，边坡失稳时该土体绕滑弧圆心O 作转动。

分析计算时常沿坝轴线取单宽坝体，按平面问题采纳条分法，将滑动土体按必然的宽度（通常宽度b=）分为假设干个铅直土条，不计相邻土条间的作使劲别离计算出土条对圆心O 的抗滑力矩r M 和滑动力矩s M ，再别离求其总和。

当土体绕O 点的抗滑力矩r M 大于滑动力矩s M ，坝坡维持稳固，反之，坝坡那么丧失稳固。

2) 计算步骤：
将滑弧内土体用铅直线分成12个条块，为方便计算，取各土条块宽度
70.09
7.0091010
R b m =
==，对各土条进行编号，以圆心正下方的一条编号为i=0,并依次向上游为i=1,2,3,……向下游为i=-1,-2,-3,……如图示 不计相邻条块间的作使劲，任取第i 条为例进行分析，作用在该条块上的作使劲如下：
（1） 土条自重i G ，方向垂直向下，其值为1122()i G h h b γγ=+，其中12
γγ、别离表示该土条中对应土层的重度；12h h 、别离表示相应的土层高度，b 为土层宽度，能够将i G 沿滑弧面的法向和切向进行分解，得法向分力
'cos i i i N G α=，切向分力'sin i i i T G α=。

（2）作用于该土条底面上的法向反力
i
N与'N大小相等、方向相反。

（3）作用于土条底面上的抗剪力
fi
T，其可能发挥的最大值等于土条底面上土体的抗剪强度与滑弧长度的乘积，方向与滑动方向相反。

依照以上作使劲，可求得边坡稳固平安系数为
cos tan
sin
i i i i i
r
c
s i i
G c l
M
K
M G
αϕ
α
∑+∑
==
∑
式中，
i
l为i土条底面上的弧长，sec
i i
l bα
=。

假设计算时考虑孔隙水压力作用，可采纳总应力法或有效应力法。

总应力法计算抗滑力时采纳快剪或三轴不排水剪强度指标；有效应力法计算滑动面的滑动力时，采纳有效应力指标'ϕ和'c，依照以往实际工程体会取'14
ϕ=︒，40
c kPa
=，3
19.52/
kN m
γ=
斜墙
，3
18/
kN m
γ=
湿
，3
20/
kN m
γ=
饱
，现在，
坝坡稳固平安系数为
(cos)tan
sin
i i i i i i i
c
i i
G u l c l
K
G
αϕ
α
∑-+∑
=
∑
式中，
i
u为作用于i土条底面的孔隙压力。

部份计算结果见下表
瑞典条分法计算结果
在超级运用条件下，即考虑孔隙水压力时，坝坡稳固平安系数为
(cos )tan sin i i i i i i i
c i i
G u l c l K G αϕα∑-+∑=
∑
(35723.756418.708)tan 403295.6
12877.62
-⨯︒+=
2.17 1.15=≥
故该坝设计是稳固合理的。