黑河土石坝施工课程设计

土石坝施工课程设计

第一章设计基本资料

黑河引水工程粘土心墙堆石坝

1．工程概况

西安市黑河引水工程金盆水利枢纽位于西安市周至县黔江河干流峪口以上1.5km处，东距西安市约86km，北距周至县城约14km。枢纽是一项以向西安市供水为主、兼顾灌溉、结合发电、防洪等综合利用的大型水利工程。水库总库容为2亿m3，有效库容1.774亿m3。工程建成后每年可向城市供水3.05亿m3，提供农业灌溉用水1.23亿m3，灌溉农田37万亩。电站装机容量20MW，多年平均发电量7308万kW·h。

枢纽属Ⅱ等大（2）型工程，由粘土心墙砂砾石坝、左岸泄洪洞、右岸溢洪洞及引水洞、坝后电站等建筑物组成。大坝为1级建筑物。枢纽设计洪水标准为500年一遇，相应洪峰流量为5100m3/s，校核洪水标准为5000年一遇，相应洪峰流量7400m3/s，保坝洪水为10000年一遇，相应洪峰流量为8000m3/s。枢纽区地震基本烈度为7度，大坝设计地震烈度为8度。其工程特性见附表。工程平面图见图1。

2．坝体设计

1）大坝坝顶及坝坡设计

大坝坝顶高程600m，顶宽11m，坝顶长440m。设计坝基最低开挖高程466m，设计最大坝高134m。实际开挖高程472.5m，最大坝高127.5m。坝顶上游侧设置1.2m高的混凝土防浪墙，墙顶高程601.2m，防浪墙底部深入心墙。

大坝上游坝坡坡比为1：2.2，高程在565m及515m各设一戗台，宽度分别为3m和5m，下游坝坡坡比为1：1.8，高程在570m、540m和510m各设一戗台，宽度依次分别为2m、3m、3m。在下游坝坡设置贴坡式上坝道路，道路宽12m，贴坡比为1：1.5。

上游高水围堰和下游低水围堰采用与坝体结合方式布置。高水围堰堰顶高程527m，上游坡比为1：2.5，高程在517m处，设15m宽的马道，下游坡比为1：2。下游围堰兼作坝体排水棱体，堰顶高程493.5m，外坡比为1：1.8，内坡比为1：1.2。

坝壳采用下游河床砂卵石填筑，排水棱体采用堆石填筑。大坝横剖面见图2。

2）心墙设计

心墙顶高程598m，顶宽7m。河床段心墙坡比为1：0.3，考虑到由于岸坡对心墙沉降的约束，在纵向心墙也会出现拱效应现象，给抗渗带来不利影响，为了提高岸坡段心墙的抗渗能力，将两岸坡段坡比由1：0.3变为1：0.6。

为提高心墙在两岸坡适应变形的能力，在心墙底部铺设厚2m左右的高塑性土，采用粘粒含量较高的土填筑，填筑干密度为1.66g/cm3，填筑含水量为20.2%～23%。

3）反滤层设计

从坝料的级配过渡及变形模量过渡考虑，在心墙上下游均设置两道反滤层，第一层为粒径小于5mm的砂反滤层，第二层为粒径小于80mm的混合砂砾料反滤层。下游的砂反滤层水平宽度为2m，混合料反滤层水平宽度为3m，上游的砂反滤层水平面宽度为1m，混合料反滤层水平宽度为2m。

4）大坝填筑方量

大坝总填筑方量为771.6万m3，其中心墙土料158万m3，反滤料29万m3，坝壳砂卵石料584.6万m3。

3．坝址地形地质情况

坝址位于金盆古河道出口至蔺家湾S形河道腰部，距峪口约1.5km。坝址地形为不对称的V形谷。右岸山体高程约823m，边坡为300～500。左岸是现代河谷与古河道间长约800m、

正常水位处宽度为270m的单薄山梁，河道一侧山坡坡度在520左右。

坝址区内出露的基岩为前震旦系宽平群大镇沟组变质岩。岩性主要为云母石英片岩、绿泥石片岩、钙质石英岩以及后期沿断层入侵的石英岩脉、云煌斑岩脉、斜长斑岩脉。在地形较平缓的山坡、河谷阶地广泛分布着第四系松散堆积物，岩性主要为碎块石、碎石质壤土、砂卵石等。

坝址位于西骆峪～田峪背斜的南翼，岩层走向近东西向，倾向上游。由于主要受南北向压应力作用，东西向的构造断层裂隙发育。在坝址区的断层构造有80多条，主要为层间挤压的逆断层。坝址区以近南北向的裂隙构造发育。河床部位岩体全～强风化带较薄，一般厚5m左右。两岸全～强风化带较厚，一般厚5～20m。

4．气候特征：

1）气温，多年实测资料分析，见表1，年平均气温9.6℃。

5．料场分布

1）心墙土料场。在各设计阶段，对心墙土料的勘探试验进行了大量的工作，先后完成了金盆、武家庄、永泉、毛家湾、田家沟等料场的勘探工作，根据勘探试验成果选定了金盆、武家庄、永泉三个料场，对选定的三个料场在初查的基础上又进一步做了详查。

金盆料场位于黑河左岸上金盆古河道内，属水库淹没区，武家庄料场位于金盆东北边缘的山坡上，永泉料场位于金盆西北周城公路之西的山坡上。三个料场土料普遍存在的问题是天然含水量偏高，土料均需要翻晒后方可上坝。

初设阶段在考虑土料的物理力学指标，特别是土料的击实性能及天然含水量、储量等因素后，本着尽量少占用耕地、减少征地、增加库容的原则，确定心墙填筑以金盆料场为主料场，武家庄料场作为辅助料场，永泉料场为备用料场。

施工单位于截流前进行了金盆料场土料现场碾压试验。在试验中发现翻晒时，土料结块难以粉碎，土块外干内湿，在碾压后的土层中，发现夹有碎土块，土层在碾压过程中发生剪切破坏。经研究，决定将金盆料场转为备用料场，加紧对武家庄、永泉料场的复查和碾压试验工作，同时尽快寻找新的土料场。

在综合考虑了土料性质、储量、运距、天然含水量等因素后，选择荞麦窝、猴子头、上黄池、钟楼山、武家庄料场Ⅰ区、Ⅱ区土料及金盆料场含砾土作为心墙土料，所选用的料场土料从颗分看，绝大部分为粉质粘土，少部分为重粉质壤土。

上述料场存在的问题为天然含水量偏高需翻晒，储量均较小，场地面积小，土料翻晒强度低。

2）土料的压实设计标准

土料现场碾压试验采用英格索兰17.6t自行式凸块振动碾和气胎碾进行，四个料场的试验结果见表4。

大，土料的设计干密度为1.68g/cm3，同时，规定土料的压实系数不小于0.99，这样可以避免压实性能好的土料得不到充分压实。

3）砂卵石设计干密度

坝壳砂卵石料采用黑河大桥下游0.5～6km范围内的河床砂卵石。根据SDJ18-84《碾压式土石坝设计规范》及SDJ10-78《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定，砂卵石水上部分的填筑相对密度为0.7，水下部分的填筑相对密度为0.8。在考虑了料场砂卵石料含砾量的分布范围后，确定砂卵石的设计干密度为2.33g/cm3，Dr=0.7，干密度为2.24g/cm3，Dr=0.8。

6．开竣工要求：

1998年10月开工，2001年12月竣工。

说明：在本次设计中可不考虑基础开挖与处理事宜，但应考虑导流时段对坝体上升的要求（即拦洪渡汛、施工进度计划安排）。要求同学们初拟施工进度计划。

7．水文资料

可采用的水文资料如下：C v=0.63，C s=3；X p50=3557.69m³/s，X p100=4096.65m³/s，X p200=4628.03m³/s，X p20=2846.66m³/s。

8．设计分类要求

为避免抄袭现象，同学们设计时，坝壳砂卵石料采用黑河大桥下游0.5~6km范围内的河床砂卵石。规定如下：每个0.5km作为一个同学的设计坝壳砂卵石料的距离，即按学号，每班的1号同学选择0.5km，2号同学选择1km，…，第12号同学选择6km。第13号同学开始重复上述距离。