水工建筑物课程设计—心墙坝

水工建筑物课程设计
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水工建筑物课程设计——心墙坝
一、基本资料：
1、河谷地形见附图。

2、天然材料。

在坝址附近3公里围渗透系数为k=10-5cm/s的土料储量丰
富，砂石料分布较为广泛。

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、外交通。

工程紧靠公路，与铁路线相距约10公里，交通便利，不需另
外修建对外临时施工道路。

4、水库规划资料。

该工程主要为下游城市和农田供水，供水工程的最大
引用流量为20m3/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1200m3/s,下泄允许最大单宽流量
18m3/s。

水库最大风速12m/s，吹程D=5km。

二、设计报告
(一)土石坝的剖面尺寸与构造
该工程主要为下游城市和农田供水，供水工程的最大引用流量为20m3/s。

由于该地区土料储量丰富，故采用土石坝，用坝下涵管供水，溢洪道进行泄洪。

由于该水利工程为供水工程，故土坝采用不过水非溢流土坝。

大坝坝址覆盖层厚度最大为7m，故采用帷幕灌浆处理地基，帷幕厚度取5m。

溢洪道不知在马鞍形地带，由于该设计用土石坝，故采用开敞式河岸溢洪道，布置在右岸。

1、坝顶高程：
坝顶高程=水库静水位+坝顶超高，取：
1) 设计洪水位+坝顶超高（正常）
2) 正常蓄水位+坝顶超高（正常）
3) 校核洪水位+坝顶超高（非常）
4) 正常蓄水位+坝顶超高（非常）+地震安全加高
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 —风浪引起的坝
前水位壅高，m ；A —安全加高，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；m H —风区水域平均深度，设为33m ；W —计算风速，m/s ，2级坝采用多年平均最大风速的1.5—2.0倍。

算得，45.67710e m -=⨯
2) 波浪爬高R 的计算：
平均波浪爬高m R ：当坝坡系数 1.5 5.0m =时，
m R =
式中，K ∆—斜坡的糙率及渗透性系数，查表得1.0；w K —经验系数，
查表得1.0；m h —平均波高，m ；m L —平均波长，m 。

平均波高与平均波长由官厅水库公式得出:
15
340.0166l h W D = ⇒ m h =0.63
112.15 3.75220.331()m gL gD W W W
-= ⇒ m L =7.25
则，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 =2.66， 0.68
2.660.68 1.81m p R R =∴=⨯=
所以， 1.81p R R m ==
3) 安全加高A ：
根据坝的级别，按表5-1选用。

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595.31m 。

考虑水库综合利用情况，取596m ，取防浪墙高度1.2m 。

则带有防浪墙的坝顶高为596-1.2-565+5=34.8m 。

2、 坝顶构造：
（1） 坝顶宽度
SL 274—200J 《碾压式土石坝设计规》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管理要求，根据我省工程经验，坝顶宽度9m。

（2）坝顶构造
坝顶结构与布置应经济实用，建筑艺术处理应美观大方，并于周围环境相协调。

坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定，一般采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料。

该坝选用碎石做坝顶盖面。

坝顶上游侧设防浪墙，墙顶一般高出坝顶1.00—1.20m。

防浪墙应坚固不透水，用浆砌石或混凝土建造，其基础应牢固地埋入坝，并于坝的防渗体紧密连接。

坝顶下游侧根据运用条件设路肩石作为安全防护措施。

3、坝坡构造：
（1）坝坡坡度
对于土质防渗体的心墙坝：
当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.5—1:2.5，
采用土料时，常用坡率为1:2.0—1:3.0，
当上游坝壳采用堆石时，常用坡率为1:1.7—1:2.7，
采用土料时，常用坡率为1:2.5—1:3.5。

土石坝下游坝坡常沿高程每隔10--30m设置一条马道，马道宽度为1.5m，坡率相差0.2--0.5。

由于该坝坝高大于30m，最终确定上游坝坡1:3.5；下游坝坡1:3.0、1:2.5两
级边坡。

下游坝高1
2
处设置马道，宽度为1.5m。

（2）护坡构造
土石坝上、下游坡面要遭受多种外界自然因素的危害，必须设置护坡。

为
了经济，应可能就地取材、施工简便、维修方便，上游护坡常用形式为砌石和堆石。

为了防止雨水集中冲刷下游坝坡，下游坝坡上应设置纵横连通的坝面排水沟系统，若下游为堆石、干砌石护坡，其下有垫层时可不设排水沟系统。

纵向（坝轴）排水沟常设置于马道的侧，横向排水沟间距约50—100m。

块石护坡的单层砌石的石块直径不宜小于0.2—0.35m，下面垫
0.15—0.25m厚的碎石或砾石。

马道侧应设置阻滑基脚，如果仍有滑动可能时，
可在坡中设置阻滑齿墙。

4、坝体防身设置：
心墙位于坝体中央或稍偏上游，由透水性很小的黏性土筑成。

心墙顶部在静水位以上的超高正常运用情况下不小于0.3—0.6，非常运用情况不得低于非常运用的静水位。

心墙顶部厚度按构造和施工要求不得小于1.0—3.0m；顶部厚度根据防身要求及土料的允许渗透坡降决定，一般不宜小于水头的1/4且不得小于3.0m。

心墙自顶到底逐渐加厚，边坡通常采用（1:0.15）--（1:0.25）。

此处取心墙坡率为1:0.2，心墙顶部宽度为6m。

5、坝基防渗设置：
铺盖是均质坝体心墙或斜墙上游水平的延伸，可以延长坝基渗流的渗径，以控制渗透坡降和渗流量在允许的围。

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般最长不超过6—8倍水头，铺盖的厚度，上游端按构造要求，不小于0.5m，取为1m，向下游逐渐加厚使某断面处在顶、底水头差作用下其渗透比降在允许围，在与坝体防渗体连接处要适当加厚以防断裂。

铺盖上应设保护层，以防止蓄水前干裂、冻蚀和运用期的风浪或水流冲刷，铺盖底应设置反滤层保护铺盖土料不流失。

6、土坝排水设施：
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1.0m，顶面超出下游最高水位的高度，对2级坝不小于1.0m，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。

棱体坡根据施工条件决定，一般为1:1.0—1:1.5，外坡取为1:1.5—1:2.0，在此处取坡1:1.5，外坡1:2.0。

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量避免出现锐角。

7、反滤层和过渡层
反滤层的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流溢出处遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面外的接触冲刷。

反滤层一般由1--3层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石和碎石构成，每层粒径随渗流方向而增大。

水平反滤层的最小厚度可采用0.3m；垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。

过渡层主要对其两侧土料的变形起协调作用。

反滤层可以起到过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。

合理的反滤层设计要满足的要求：
（1）被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，而且能促进使裂缝自行愈合。

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）透水性大于被保护土层，能畅通的排除渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。

这要求反滤层必须有足够大的孔隙。

8、坝型剖面图（见图纸）
(二)土石坝防渗分析
渗流分析的容包括：①确定坝体浸润线；②确定渗流的主要参数——渗流流速
与比降；③确定渗流量。

在渗流分析中，一般假定渗流流速和比降的关系符合达西定律，即1β=。

斜墙采用粘土料，渗透系数51.010/e k cm s -=⨯，坝壳采用砂土料，渗透系数21.010/k cm s -=⨯，两者相差310倍，可以把粘土斜墙看做相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔形降落的水头作用。

坝体渗透计算 心墙的平均厚度：12
6181222
m δδδ++=== 通过心墙的q ：2212e e H h q K δ
-= …………………(1) 通过下游坝壳的q ：2222e h H q K L
-= …………………(2) 由公式（1）、（2）相等得：22222
122e e e K h H K L H h δ-=⋅- 下游无水，20H =，∴252221021210230e e
h L h --⨯=⋅- 堆石棱柱体排水体高度为3m ，计算L 的长度：
4.517.4 2.5 1.514.4 3.03 1.588.2L m =+⨯++⨯-⨯=
则， 2.56e h m =，5310/8.6410/e K cm s m --==⨯日
2222
32130 2.568.64100.32/2212
e e H h q K m δ---==⨯⨯=⨯日 下游浸润线方程22()(090.7)2e K h y x x q
-=≤≤，210/8.64/K cm s m -==日， 则坝壳浸润线方程可写为2 6.760.074y x =-(090.7)x ≤≤
下游坝壳浸润线方程2 6.760.074y x =-(090.7)x ≤≤坐标点
心墙浸润线方程221()(090.7)2e K H y x x q
-=≤≤，5310/8.6410/e K cm s m --==⨯日 则心墙浸润线方程可写为290074.07y x =-(012)x ≤≤
心墙浸润线方程290074.07y x =-(012)x ≤≤坐标点
浸润线轮廓如图示：
水力坡降 300.3488.2
H J L === 渗漏总量约为 433.7210607.540.23/Q qL m s -==⨯⨯=
渗漏量控制 Q Q ⎡⎤≤⎣⎦允许
渗透变形控制： 1100%4(1)
c P n =⨯- 对于不均匀系数大于5的不连续级配图，当土的细粒含量25%c P <时，只发生管涌型破坏；当35%c P >时只发生流土型破坏，介于其之间时，发生过渡型破
坏。

但此题中实际资料中没有n值，故无法判断。

(三)土坝稳定性计算
1、土坝失稳的形式，主要是坝坡或坝坡连同部分坝基沿某一剪切破坏面的滑动。

稳定计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各种运用情况下坝坡是否安全、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，下游坝坡的稳定计算；
上游库水位最不利时，上游坝坡的稳定计算；
库水位正常行降落，上游坝坡产生渗透力时，上游坝坡的稳定计算。

4、要求的抗滑稳定系数：
对于非常运用条件（考虑孔隙水压力时）下，2级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。

5、土石坝的稳定分析：
对于均质坝、厚墙坝和厚心墙坝来说，滑动面往往接近于圆弧，故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。

为了简化计算和得到较为准确的结果，常采用条分法。

规采用的圆弧滑动静力计算公式有两种：一是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法，一是考虑条块间作用力的毕肖普法。

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，按平面问题采用条分法，将滑
动土体按一定的宽度（通常宽度b=0.1R ）分为若干个铅直土条，不计相邻土条间的作用力分别计算出土条对圆心O 的抗滑力矩r M 和滑动力矩s M ，再分别求其总和。

当土体绕O 点的抗滑力矩r M 大于滑动力矩s M ，坝坡保持稳定，反之，坝坡则丧失稳定。

2)
计算步骤：
将滑弧土体用铅直线分成12个条块，为方便计算，取各土条块宽度
67.4 6.741010
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用力，任取第i 条为例进行分析，作用在该条块上的作用力如下：
（1） 土条自重i G ，方向垂直向下，其值为'''12()i i i G h h b γγ=+，其中12γγ、分别表示该土条中对应土层的重度；'''i i h h 、分别表示相应的土层高度，b 为土层宽度，可以将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=。

（1） 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。

（2）
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。

根据以上作用力，可求得边坡稳定安全系数为
cos tan sin i i i i i
r c s i i
G c l M K M G αϕα∑+∑=
=∑ 式中，i l 为i 土条底面上的弧长，sec i i l b α=。

若计算时考虑孔隙水压力作用，可采用总应力法或有效应力法。

总应力法计算抗滑力时采用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，采用有效应力指标'ϕ和'c ，根据以往实际工程经验取'400ϕ=，40c kPa =，
319.48/kN m γ=心墙，319.45/kN m γ=湿，319.52/kN m γ=饱， 此时，
坝坡稳定安全系数为
(cos )tan sin i i i i i i i
c i i
G u l c l K G αϕα∑-+∑=
∑
式中，i u 为作用于i 土条底面的孔隙压力。

部分计算结果见下表
瑞典条分法计算结果
在非常运用条件下，即考虑孔隙水压力时，坝坡稳定安全系数为
(cos )tan sin i i i i i i i
c i i
G u l c l K G αϕα∑-+∑=
∑
(36940.098743)tan 403708
14509.05
-⨯︒+=
1.89 1.15=≥
故该坝设计是稳定合理的。

(四) 参考文献
1、 林继镛，水工建筑物-中国水利水电，，2010年
2、 颜宏亮，水工建筑物-化学工业，，2007年。