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1、 水工建筑物课程设计 课题名称： 土 石 坝 设 计 专业班级： 水 工(本科) 13-3 姓 名： 袁 明 炜 编写日期： 2016年7月1日 水利与环境学院摘要适当修建大坝可以实现一个流域地区发电、防洪、灌溉的综合效益。通过对地形地质、水文资料、气候特征的分析，结合当地的建筑材料，设计适合的枢纽工程来帮助流域地区实现很好的经济效益。根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；详细作出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面与轮廓尺寸，拟定地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；对泄
2、水建筑物进行设计，选择建筑物的形式、轮廓尺寸，确定布置方案。水库配合下游河道整治等措施，可以很大程度的减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路以及旅游景点的威胁；可为发展养殖创造有利条件。目录 第1章 基本资料11.1工程概况11.2水文与水利规划11气象12 水利计算11.3地形地质条件11.库区工程地质条件22.坝址区工程地质条件31.4建筑材料及筑坝材料技术指标的选定43当地建筑材料62 枢纽布置82.1 坝轴线选择82.2 工程等级及建筑物级别92.3 枢纽布置102.3.1 导流泄洪洞112.3.2 溢洪道112.3.3灌溉发电洞及枢纽电站113.1 坝型确定12第3章 坝工设计1
3、43.1 土石坝断面设计143.1.1坝顶高程143.1.2坝顶宽度163.1.3上下游边坡163.1.4 坝底宽度173.2 防渗体设计173.2.1.坝体的防渗173.2.2防渗体的土料要求18第4章 坝体渗流计算194.1 设计说明194.1.1土石坝渗流分析的任务194.1.2渗流分析的工况194.1.3渗流分析的方法194.2 渗流计算204.2.1基本假定204.2.2计算公式204.2.3三种工况计算214.2.4渗流校核234.2.5浸润线计算244.2.6理正软件校核27第5章 土石坝坝坡稳定分析及计算305.1 坝体荷载305.1.1渗流力305.1.2孔隙压力305.1.
4、3地震力305.2 稳定分析方法305.3 计算工况315.4稳定计算315.4.1瑞典圆弧滑动法315.4.2理正软件计算33第6章 细部构造366.1 坝顶构造366.2 护坡366.3 反滤层376.4 排水体406.5 马道42第1章 基本资料1.1工程概况ZF水库位于QH河干流上，水库控制流域面积4990km2，库容5.05108m3。水库以灌溉发电为主，结合防洪，可引水灌溉农田71.2104亩，远期可发展到104104亩。灌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31.45MW，年发电量1.12910
5、8kWh。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、导流泄洪洞、灌溉发电洞及枢纽电站组成。1.2水文与水利规划1气象流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在69月，多年年平均气温89，多年平均最高气温29.1(6月)，多年平均最低气温-14.3(1月)，多年平均最大风速9m/s，水位768.1m时水库吹程5.5km。2 水利计算防洪运用原则及设计洪水的确定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作为非常保坝标准对水工建筑物进行复核。水库排沙和淤沙计算。ZF水库回水长25km，河道
6、弯曲，河床宽300m左右，河床比降为2.2%，是个典型的河道型水库。1.3地形地质条件1:2000坝址附近地形图、建议坝轴线地质图见附图。1.库区工程地质条件库区两岸分水岭高程均在820m以上，基岩出露高程，大部分在800m左右，主要为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发现大的构造断裂，水库蓄水条件良好。QH河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发现重要矿产。表2 ZF水库工程特征值序号名 称单 位数 量备 注1设计洪水时最大泄流量m3/s2 000.00其中溢洪道815相应下游水位m700.552校核洪水时最大泄流量m
7、3/s6 830.00其中溢洪道5600相应下游水位m705.603水库水位校核洪水位(P=0.01%)m770.40设计洪水位(P=1%)m768.10兴利水位m767.20汛限水位m760.70死水位m737.004水库容积总库容108m35.05校核洪水位设计洪水位库容108m34.63防洪库容108m31.36兴利库容108m33.51其中共用库容108m31.10死库容108m31.055库容系数%50.506调节特性多年2.坝址区工程地质条件QH河在ZF水库坝址区呈一弯度很大的“S”形。坝段位于“S”形的中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有约300 m长的
8、低平山梁(单薄分水岭)，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是QH河环绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀的结果。坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。地层岩相变化剧烈，第四系除厚度不大的砂层、卵石层外，主要是黄土类土，在大地构造上处于相对稳定区，未发现有大的断裂构造迹象。坝址区左岸有一大塌滑体，体积约45104m3，对工程布置有一定影响。本区地震基本烈度为6度，建筑物按7度设防。(1) 上坝址上坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向QH河上游。河床宽约300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5m，渗透系数110-2cm/s。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷
9、性。左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。岩基未发现大范围的夹层，基岩的透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111- 115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下2147m深度范围内，有一强透水带，W=5.4630 l/sm2，下限最深至基岩下约80m。基岩透水性从上游向下游有逐渐增大的趋势，左岸台地黄土与基岩交界处的砾岩(最大厚度6m)透水性强，渗透系数K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性，平均W=0.48l/sm2，应考虑排水，增加岩体稳定。(2) 下坝址位于上坝址同一背斜的东南翼，岩层倾向下游；河床宽约120m，左岸为二、三级阶地，右岸731m高程
10、以下为基岩，以上为三级阶地。土层的物理力学性质见“工程地质剖面图”。左岸基岩有一条宽200250m呈北北东方向的强透水带，右岸Z沟单薄分水岭的透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80m左右。河床地段基岩透水性与中等透水带厚度具有从上游向下游逐渐变小的趋势。下游发现承压水，二、三级阶地砾石层透水性与上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。1.4建筑材料及筑坝材料技术指标的选定库区及坝址下游土石料丰富，有利于修建当地材料坝。(1) 土料。坝址上、下游均有土料场，储量丰富，平均运距小于l.5km。根据155组试验成果统计，土料平均粘粒含量为26.4%，粉粒55.9，粉砂17.6%，其中25%属
11、粉质粘土，60.7属重粉质壤土，14.3%属中粉质壤土。平均塑性指数11.1，比重27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3，最优含水量20.5%，渗透系数0.4410-5cm/s。具有中等压缩性，强度特性见表3。(2) 砂砾料。主要分布在河滩上，储量为205104m3，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用的砂砾料约100151104m3。其颗粒级配不连续，缺少中间粒径，根据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计成果分析如下：天然重度18.7kN/m3，软弱颗粒含量2.64%。颗粒组成见表4。砂的储量很少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂(D2mm)的相对紧密度为0
12、.895。(3) 石料。坝址区石料较多，运距均在1km以内，为厚层砂岩，储量可满足需要。溢洪道、导流洞出碴也可利用。表3 土料的强度特性试验方法统计方法抗剪强度指标(o)C(kN.cm-2)饱和固结快剪(25组)算术平均23.272.80算术小值平均20.961.93快剪(82组)算术平均21.542.93算术小值平均21.302.93快剪(18组)算术平均21.302.93算术小值平均21.001.94算术平均22.685.83算术小值平均20.033.56算术平均22.505.83算术小值平均23.803.56快剪(8组)算术平均28.804.51算术小值平均25.752.93算术平均29
13、.004.51算术小值平均28.702.93三轴不排水剪(10组)算术平均20.002.88算术小值平均25.201.30三轴不排水剪(6组)算术平均13.302.80算术小值平均25.200.80三轴饱和固结不排水剪(6组)算术平均18.204.20算术小值平均22.303.50野外自然坡度角(29组)算术平均35.70算术小值平均31.20室内剪切试验算术平均31.10算术小值平均29.10算术平均31.00算术小值平均29.00表4 砂砾料颗粒组成粒径(mm)2008040205210.50.2510特别重要33.3013.3310特别重要1200二101.0重要33.306.6713.
14、334.0103.33重要1200300三1.00.1中等6.672.04.01.03.330.33中等30050四0.10.01一般2.00.331.00.20.330.03一般5010五0.010.330.20.03.渗漏量：大坝在校核洪水位的库容为5050万。而每日渗漏量仅0.21，故满足防渗要求。2.渗透稳定：对于非粘性土，渗透破坏形式的判别可参考下式：20时为管涌1020时不定允许坡降可参考采用下列数字：1020, 允许=0.1。=0.02允许=0.1，所以满足要求。4.2.5浸润线计算1、上游正常蓄水位与下游相应的最高水位上游校核洪水位取为兴利水位767.2，下游相应高水位取为70
15、0.55m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后的浸润线方程=h=6.97m简化得心墙后的浸润线方程： y2 +0.26x=48.7x/m060120180y/m6.985.754.181.552、上游设计洪水位与下游相应的最高水位上游校核洪水位取为兴利水位770.4，下游相应高水位取为705.60m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后的浸润线方程计算公式：=h=7.05简化得： y2 +0.27x=49.7x/m060120180y/m7.055.794.161.053、上游校核洪水位与下游相应的最高水位上游校核洪水位取为兴利水位770.
16、4，下游相应高水位取为705.60m。基础采用防渗处理，视为基础不透水。（1）计算示意图（2）心墙后的浸润线方程计算公式：=h=9.67m简化得： y2 +0.28x=93.5x/m060120180y/m9.578.767.746.574.2.6理正软件校核项目 水位上游正常水位和下游最低水位上游设计洪水位和下游相应最高水位上游校核洪水位和下游相应最高水位土堤顶部宽度b12.000(m)12.000(m)12.000(m)土堤顶部高度h71.660(m)71.660(m)71.660(m)上游坡坡率1:m13.03.03.0下游坡坡率1:m22.52.52.5堤身渗透系数k0.003(m/d
17、)0.003(m/d)0.003(m/d)上游水位h168.200(m)69.100(m)71.400(m)下游水位h21.550(m)1.550(m)6.600(m)心墙顶部宽度3.000(m)3.000(m)3.000(m)心墙底部宽度37.800(m)37.800(m)37.800(m)心墙渗透系数0.003(m/d)0.003(m/d)0.003(m/d)透水地基深度5.000(m)5.000(m)5.000(m)透水地基渗透系数8.400(m/d)8.400(m/d)8.400(m/d)排水棱体高度8.000(m)8.000(m)8.000(m)排水棱体宽度2.000(m)2.000(m)2.000(m)L169.530(m)166.830(m)159.930(m)透水地基有效深度374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线计算公式原点374.130(m)374.130(m)374.130(m)浸润线起点x坐标204.6(m)207.3(m)214.2(m)浸润线终
