土石坝毕业设计

陕西广播电视大学

ZF水库水利枢纽工程

土石坝课程设计

分校(工作站) 水利厅工作站

专业 2014水利水电本科学号

学生姓名魏铎

2016 年 1 月

第一章基本资料

第一节、工程概况及工程目的

ZF水库位于QH河干流上，控制面积4990km2总库容×108m3。该工程以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田万亩，远期可发展到万亩。灌溉区由一个引水流量为45m3/s的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,年发电量11290完千瓦时。水库建成后，除为市区居民生活和工业提供给水外，还可使城市防洪能力得到有效的提高。水库防洪标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道和输水洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。

第二节、基本资料

1、特征水位及流量

挡水坝、溢洪道、输水洞的特征水位及流量见表2-1。

表2-1 ZF水库工程特征值

2、气象

气象资料见表2-2。

表2-2 气象资料表

3、地质

1、坝址区工程地质条件

ZF水库的右岸较陡，坡度为30°左右，大部分基岩出露高程为770~810m。主河槽在右岸，河宽月100米左右；左岸为堆积岸，左岸台地宽200m左右，山岭高程在775m 左右，岸坡较平缓，大都为土层覆盖。水库枢纽处施工场地狭窄，枢纽建筑物全部布置在左岸，施工布置较为困难。

坝区为上二迭系石千峰组的紫红色、紫灰色细砂岩，间夹同色砾岩及砂质页岩等岩层。右岸全部为基岩，河床砂卵石层总厚度约50m，覆盖层厚度约5m。高漫滩表层亚砂土厚5~15m，左岸728m高程以下为基岩。基岩面向下游逐渐降低，土层增厚。砂卵石层透水性不会很强，施工开挖排水作业估计不会很困难。

2、溢洪道工程地质条件

上坝线方案溢洪道堰顶高程757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性主要为坚硬的细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分的抗滑稳定条件是好的。下坝线溢洪道高程750m。基础以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑安全不利。

第二章、枢纽布置

第一节、坝轴线选择

选择坝址时，应根据地形、地址、工程规模及施工条件，经过经济和技术的综合分析比较来选定。

应尽量选在河谷的狭窄段。这样坝轴线短，工程量小，但必须与施工场地和泄水建筑物的布置情况以及运用上的要求等同时考虑对于两岸坝段要有足够的高程和厚度。坝基和两岸山体应无大的不利地质构成问题。岩石应较完整，并应将坝基置于透水性小的坚实地层或厚度不大的透水地基上。坝址附近要有足够数量符合设计要求的土、砂、石料且便于开采运输。

通过以上分析，ZF水库坝轴线的选择，在地形上，应尽量选在河谷狭窄段。由地形图上可知，上游坡坝轴线、坝轴线以及和下游坝轴线三者的比见地形图，下游的坝轴线最符合。因为它是河谷的狭窄段，这样坝轴线短，工程量小，可减少投资，库容较大，淹没少。

第二节、枢纽布置

枢纽布置应做到安全可靠，经济合理，施工互不干扰，管理运用方便。

高中坝和地震区的坝，不得采用布置在非岩石地基上的坝下埋管型式，低坝采用非岩石地基上的坝下埋管时，必须对埋管周围填土的压实方法，可能达到的压实密度及其抵抗渗透破坏的能力能否满足要求进行保证。枢纽布置应考虑建筑物开挖料的应用。土石坝枢纽通常包括拦河坝、溢洪道、泄洪洞输水或引水洞及水电站等，应通过地形地质条件以及经济和技术等方面来确定。

坝址应选在地形地质有利的地方，使坝轴线较短，库容较大，淹没少。附近有丰富

的筑坝材料，便于布置泄水建筑物。在高山深谷区常将坝址选在弯曲河段，把坝布置在弯道上，利用凸岸山脊抗滑稳定和渗透稳定，并采取排水灌浆等相应加固措施，应尽量避免将坝址选在工程地质条件不良的地段。如活断层含形成整体滑动的软弱夹层，以及粉细砂、软粘土和淤泥等软弱地基上。坝轴线一般宜顺直，如布置成折线，转折处山曲线连接。如坝轴平面形成弧形，最好试凸向上游，如受地形限制，不得凸向下游，曲度应小些，防渗体不要过薄，以免蓄水后防渗体产生拉力而出现顺水流方向的裂缝。

根据枢纽布置原则，枢纽中的泄水建筑物应做到安全可靠、经济合理、施工互不干扰、管理运用方便。枢纽布置应满足以下原则：

枢纽中的泄水建筑物应满足设计规范的运用条件和要求。选择泄洪建筑物形式时，宜优先考虑采用开敞式溢洪道为主要泄洪建筑物，并经济比较确定。泄水引水建筑物进口附近的岸坡应有可靠的防护措施，当有平行坝坡方向的水流可能会冲刷坝坡时，坝坡也应有防护措施。应确保泄水建筑物进口附近的岸坡的整体稳定性和局部稳定性。当泄水建筑物出口消能后的水流从刷下游坝坡时，应比较调整尾水渠和采取工程措施保护坝坡脚的可靠性和经济性，可采取其中一种措施，也可同时采用两种措施。对于多泥沙河流，应考虑布置排沙建筑物，并在进水口采取放淤措施。

溢洪道应选择在地形开阔、岸坡稳定、岩土坚实和地下水位较低的地点，宜选用地质条件好良好的天然地基。壤土、中砂、粗砂、砂砾石适于作为水闸地基，尽量避免淤泥质土和粉砂、细砂地基，必要时应采取妥善处理措施。从地质地形图可知坝体右岸有天然的垭口，地质条件好，且有天然的石料厂，上下游均有较缓的滩地，两岸岩体较陡，岩体条件好，施工起来更快捷更经济合理。

因此，溢洪道修建于QH右岸山坡上，紧邻右坝肩。由于闸址段地形条件好，所以采用正槽式溢洪道。

第三章、坝工设计

第一节、坝型确定

根据所给资料，选择大坝型式，还应根据地形、地质、建筑材料、工程量以及施工条件等综合方面确定坝型。

水库处于平原地区。由基本资料可知，库区土料丰富，料场距坝址较近，运输条件良好。施工简便，地质条件合理，造价低。通过以上几方面的综合分析比较，所以选用土石坝方案。

第二节、挡水坝体断面设计

1、坝顶高程的确定

、风区长度

由题目已知该流域多年平均最大风速为9m/s，水位时水库吹程为。

、坝顶高程计算

坝顶在静水位以上的超高值按下式计算;

y=R+e+A

式中 y—坝顶超高，m;

R—最大波浪在坝坡上的爬高，m;

A—安全加高，m ；

由上可知等效吹程>，近似估计R+e在～之间。

所以，正常运行条件时 R+e 取

非常运行条件时 R+e 取

由基本资料可知大坝级别为3级

正常运行条件时安全加高 A取

非常运行条件时安全加高 A取

坝顶高程等于水库静水位与超高之和，应按下列四种情况计算，并取其中最大值；

设计洪水位+正常情况的坝顶超高；

H=

正常蓄水位+正常情况的坝顶超高；

H=

校核洪水位+非常情况的坝顶超高；

H=

正常蓄水位+非常情况的坝顶超高；

H=

由计算可知，计算坝顶高程为，考虑坝顶上设与防渗体紧密连接的高防浪墙，取设计坝顶高程为。

2、坝顶宽度

坝顶宽度根据构造、施工等因素确定，由《碾压式土石坝设计规范（SL274—2001）》[5]高坝选用10～15 m，中低坝可选用5～10 m，根据所给资料，初步拟定坝体断面，坝顶宽度为8m见图3-1。

图3-1 坝顶结构图

3、上下游边坡

上下游边坡比见表3-2。

表3-2 上下游边坡比

根据资料，大坝为中低坝，故定上游坝坡1：，下游坝坡1：。

4、马道

为了拦截雨水，防止坝面被冲刷，同时便于交通、检测和观测，并且利于坝坡稳定，下游常沿高程每隔10～30 m设置一条马道，其宽度不小于 m，马道一般设在坡度变化处，均质坝上游不宜或少设马道，故本坝不设马道。

第三节、坝体渗流计算

渗流计算方法采用有限深透水地基上设灌浆帷幕的土石坝渗流，帷幕灌浆的防渗作用可以用相当于不透水底版的等效长度代替。

渗流分三种情况：上游为设计洪水位、校核洪水位、正常蓄水位和相应的下游水位见图3-2。

图3-2 各水位示意图

设计洪水位时坝顶高程为，设计洪水位为，河床高度为，坝顶宽度为8m，坝高

为38m，m

1=

2

=。

L=L

2

+ m

1

m

2

·H

=

1

1

1

1

2

H

m

m

+

1

+B+ m

2

·H

=123m

L

1

=L-L

3

=117m

上游水深H

1= 下游水深H

2

=。

h=

1

2

2

1

2

1

)

(L

H

H

L-

-

+

= m

q=]

)

(

[

2

2

2

2

1

'

h

H

H

L

k

+

-

=×106-

m

s

m

?

3

y=x

k

q

H

2

2

1

-

=x

4.

11

9.

1325- x(0,表3-3 设计水位浸润线计算成果表

校核洪水位时坝顶高程为，设计洪水位为，河床高度为，坝顶宽度为8m，坝高为

38m，m

1= m

2

=。

L=L

2

+ m

1

m

2

·H

=

1

1

1

1

2

H

m

m

+

+ m

1

+B+ m

2

·H

=120m

L 1=L-L

3

=

上游水深H

1= 下游水深H

2

=。

h=

1

2

2

1

2

1

)

(L

H

H

L-

-

+

= m

q=]

)

(

[

2

2

2

2

1

'

h

H

H

L

k

+

-

=×106-

m

s

m

?

3

y=x

k

q

H

2

2

1

-

=x

12

6.

1342- x(0,表3-4 校核水位浸润线计算成果表

正常蓄水位时坝顶高程为，正常蓄水位为 m，河床高度为 m，坝顶宽度为8m，

坝高为38m，m

1= m

2

=。

L=L

2

+ m

1

m

2

·H

=

111

1

2H m m ++ m 1+B+ m 2·H

= m

L 1=L-L 3= m

上游水深H 1= 下游水深H 2=

h=12212

1)(L H H L --+ = m

q=

])([22

221' h H H L

k +- =×106-m

s m

?3

y=x k

q H 221-

=x 33.932.1136- x∈(0,

表3-5 正常蓄水位浸润线计算成果表

第四节、 土坝稳定计算

坝坡稳定计算采用计及条块间作用力的简化毕肖普法公式如下。

K=

∑∑+±++-±]

/sin )[()]

/tan tan 1/(1}[sec tan ]sec sec ){[('

'

'

R M V W K b c ub V W c

α?

αα?αα

式中 W —土条重量；

Q 、V —分别为水平和垂直的地震惯性力； U —作用于土条底面的空隙压力；

α—土条重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角； b —土条宽度；

'c 、'?—土条地面的有效应力和抗剪强度指标；

M c —水平地震惯性力对圆心的力矩； R —圆弧半径； 稳定计算系数见表3-6。

表 3-6 物理力学指标表

稳定计算有三种情况 施工期、稳定渗流期和水库水位骤降期 均质坝材料为粘土 湿容重 γ= 3m KN 饱和容重 sat γ= 3m KN 浮容重 'γ= 3m KN 坝基为砂砾料

湿容重 γ=183m KN 饱和容重 sat γ= 3m KN 浮容重 'γ= 3m KN

施工期上游边坡稳定计算见表3-7计算图见附图1下游边坡表3-8计算图见附1

第一次试算假定 k=1, 求得 k=

25.17

.50853

.6371=

第二次试算假定 k= 求得 k=

25.17

.50857

.6375= 故取 k=

第一次试算假定 k=1 求得 k=

23.11

.51715

.6360=

第二次试算假定 k= 求得 k=

23.11

.51712

.6386= 故取 k=

稳定渗流期下游边坡稳定计算见表 4-9 计算见附图 2

第一次试算假定 k=1 求得 k=

31.12

.49316460

=

第二次试算假定 k= 求得 k=

31.12

.49317

.6480= 故取 k=

水位降落期上游边坡稳定计算见表 4-10 计算见附图3

第一次试算假定 k=1, 求得 k=8714.9

1.21 720

2.4

=

第二次试算假定 k= 求得 k=8694.4

1.21

7202.4

=故取 k=

表3-7 施工期上游边坡稳定计算成果表

表3-8 施工期下游边坡稳定计算成果表