土石坝设计实例

土石坝设计实例

土石坝设计实例

一、坝型选择

在坝趾附近颖河左岸有丰富土料，大部分为中粉质壤土，坝趾下游有少量重粉质壤上，可作为防渗材料，坝趾上下游及两岸滩地又有大量砂、砾石及卵石，可作为地壳材料，溢洪道开挖弃料可用作坝壳材料，从建筑材料上说，均质坝、心墙坝、斜墙坝均可。

1) 心墙坝用作心墙坝防渗材料的重粉质壤土在坝下游，运距远，施工困难，造价高。

2) 斜墙坝断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，对溢洪道和输水洞进口布置有一定影响，防渗体座落在黄土地基上，由于黄土有湿陷性，易断裂。

3) 均质坝坝趾附近有中粉质壤土，天然含水量按近塑限含水量17%，渗透系数K=1.2×10-5cm/s，满足K<1.0×10-4cm/s，内摩擦角22°，较大，同其它坝型比较，造价较低，且对地基要求低，施工简单，干扰不大，材料单一，便于群众性施工。

通过分析认为宜选用均质坝。

二、地基处理

结合本坝坝基情况，从坝轴线剖面图可知，地基处理如下：

①从坝右肩到钻2，覆盖层厚。清基开挖量大，故表面5~8m的黄土覆盖层，处理的方法是：预先浸水，促其湿陷，即在坝基上开挖纵横沟槽或坑，灌水，必要时随着浸水的过程预加荷重。我国黄土地区筑坝实践说明如不预加荷重，仅靠浸水使黄水湿陷的效果不大，而将在水库初蓄和二次蓄水时发生很大沉陷。下面3~5m厚的砂卵石层可用钻孔灌浆的方法。

②从钻2到河槽覆盖层厚4~8m，可开挖截水槽，挖至弱风化层0.5m深处，内填中粉质壤土，截水槽横断面拟定：边坡采用1:1.5~1:2.0，底宽：渗径不小于(1/3~1/5)H，H一最大作用水头。

③河槽处，水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强。坝体与岩基结合面，是防渗的薄弱环节，需设砼齿墙，以增加接触渗径。延长后的渗径L长为（1.05~1.10）倍原渗径，一般可布置4排。

④左滩地到左坝肩，黄土厚3~7m，处理可采用预先浸水法，然且灌浆处理。

⑤坝体与岸坡的连接。坝肩结合面范围内的所有腐植土层树根草根，均需彻底清除。岸坡应削成平顺的斜面，右岸削成1:4缓坡，岸坡上修建砼齿墙，左岸较陡，边坡开挖成1:0.75坡度。

三、体剖面设计

土石坝的剖面是指坝坡大小，坝顶宽度和坝顶高程。

1、坝坡

坝高约30m，故采用三级变坡。

①上游坝坡：1:3.0; 1:3.25; 1:3.5。

②下游坝坡：1:2.5; 1:2.75; 1:3.0。

③马道：第一级马道高程为343m，第二级马道高程为353m。

2、坝顶宽度

本坝顶无交通要求，对中低坝最小宽度B>B min=5m取B=6m。

3、坝顶高程

坝顶高程等于水库静水位与超高之和，并分别按以下运用情况计算，取其最大值。 ①设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高，②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。 由式4-1、式4-2及下式：

式中：K △—与糙率有关的系数，采用砌石护面， K △=0.75；

Kw —经验系数；K B —折减系数；m —计算坡度系数。代入数据，两种计算成果列表(1)。

验算：坝顶高程

>⎩⎨

⎧=++m

m m 81.36412.3645.062.3635.0校核洪水位，即设计洪水位

四、坝体排水设备选择及尺寸拟定

常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、褥垫式排水。 贴坡排水不能降低浸润线。多用于润浸线很低和下游无水的情况。

棱体排水可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，是效果较好的一种排水型式。

褥垫排水，对不均匀沉陷的适应性差，不易检修。

本土坝坝体排水设备可选用棱体排水，尺寸为顶宽2m ，内坡1:1.5; 外坡1:2.0；顶部高程须高出下游最高水位1.0~2.0 m ，故顶部高程为340.1m 。

在排水设备与坝体和土基接合处，设反滤层。 作出坝体最大剖面见图1。

图 1 坝体最大剖面图（单位：m ）

c

C C

c W h L V gD g V c h L h m

K K K R 2252)

(20018.0222145

.0222

⋅==⋅+=

∆β

五、渗流计算 1、计算情况选择。

渗流计算应考虑下列水位组合情况：

1) 上游正常高水位与下游相应的最低水位。 2）上游设计洪水位与下游相应的水位。 3) 上游水位为3

1

坝高处。

2、渗流分析的方法

采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速，渗透流量和浸润线等。

3、计算断面及公式

本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。计算公式采用表1中的不透水地基情况。

4、单宽流量计算结果列表1。

表1 单宽流量计算表

5、绘制浸洞线

①正常蓄水位情况下，浸润线方程：x y 92.735.757-=

x ∈（0，95，63）

列表2如下，绘于图1。

表2 正常蓄水位情况下浸润线表

六、稳定计算

1、分析情况选择

以上游正常高水位，而下游无水：上游设计洪水位而下游相应水位来验证下游坝坡的稳定。以库水位为1/3坝高处，而下游无水来验证上游坝坡稳定分析。

2、滑裂面形式

对于均质坝，上下游坝坡均为曲线滑裂面。采用圆弧法进行稳定计算。

3、不计条块间作用力的总应力法的稳定分析

步骤如下：

1) 利用B.B 方捷耶夫法和费兰纽斯法确定最危险滑弧所对应圆心的范围。在一扇形范围内的M 1、M 2延长线附近。

2) 取0为圆心，以R =75m 为半径，作滑弧。

3) 分条编号：b =0.1R ，从圆心作垂线为0号土条的中心线，向上依次为1，2，3，…；向下依次为-1，-2，….

4) 列表计算荷载，参见下表1，表2，表3。 5) 利用公式计算抗滑稳定安全系数kc 。

式中：w i =r 1h 1+r 3(h 2+h 3)+r 4h 4

r 1、r 3—坝体土的湿重度、浮重度，r 4、h 4本设计不考虑 w i ’=r 1h 1+r 2h 2+r 3h 3+r 4h 4

r 1、r 2、r 3—坝体上的湿容重、饱和容重、浮容重。 由提供的资料可知，本建筑物是3级建筑物。

r 1=19.5KN/m 3 ， r 2=20.1KN/m 3 ， r 3=20.5-9.81=10.7KN/m 3。 三种情况计算结果如下： ①正常运用期

87.156.8415

.95765.71

366.019.16645

.9573180

75

14.3180=⨯⨯+⨯=∴=⨯⨯=

∙=

∑K R

Li θπ

i i i i i i i a w e c b tg a w kc sin '1cos ∑∑+∑=

ϕ