土石壩課程設(shè)計

1、土石壩設(shè)計一壩型選擇影響土石壩壩型的主要因素有：壩的高度、筑壩材料、地址地形、地質(zhì)條件、施工條件、樞紐布置及運(yùn)用要求等。碾壓式土石壩按筑壩材料和防滲體的位置可分為以下幾種類型： 1. 均質(zhì)壩 壩體材料單一，施工工序簡單，干擾少；壩體防滲部分厚大，滲透比降較小，有利于滲流穩(wěn)定和減少壩體的滲流量，此外壩體和壩基、岸坡及混凝土建筑物的接觸滲徑比較長，可簡化防滲處理。但是，由于土料抗剪強(qiáng)度比其他壩型壩殼的石料、砂礫和砂等材料的抗剪強(qiáng)度小，故其上下游壩坡比其他壩型緩，填筑工程量比較大。壩體施工受嚴(yán)寒及降雨影響，有效工日會減少，工期延長，故在寒冷和多雨地區(qū)的使用受限制，故不選擇均質(zhì)壩。 2. 多種土質(zhì)壩

2、該壩型顯然可以因地制宜，充分利用包括石渣在內(nèi)的當(dāng)?shù)馗鞣N筑壩；土料用量較均質(zhì)壩少，施工氣候的影響也相對小一些，但是由于多種材料分區(qū)填筑，工序復(fù)雜，施工干擾大，故也不選用多種土質(zhì)分區(qū)壩。3. 斜墻壩 斜墻壩與心墻壩，一般的優(yōu)缺點無顯著差別，粘土斜墻壩沙礫料填筑不受粘土填筑影響和牽制，沙礫料工作面大，施工方便；考慮壩址的地質(zhì)條件，由于壩基有破碎帶和覆蓋層，截水槽開挖和斷層處理要花費(fèi)很多時間，并且不容易準(zhǔn)確的預(yù)計，斜墻截水槽接近壩腳，處理時不影響下游沙礫料填筑，處理壩基和填筑沙礫料都有充裕的時間，工期較心墻壩有把握；土料及石料儲量豐富，填筑材料不受限制。 4. 心墻壩 心墻位于壩體中間而不依靠在透水壩

3、殼上，其自重通過本身傳到基礎(chǔ)，不受壩殼沉降影響，依靠心墻填土自重，使得沿心墻與地基接觸面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，有利于心墻與地基結(jié)合，提高接觸面的滲透穩(wěn)定性；使其因壩主體的變形而產(chǎn)生裂縫的可能性小，粘土用量少，受氣候影響相對小，粘土心墻冬季施工時暖棚跨度比斜墻小。移動和升高較便利。綜合以上分析，最終選擇心墻壩。二壩體剖面設(shè)計2.1壩頂高程的確定壩頂高程等于水庫靜水位與超高d之和，并分別按以下運(yùn)用情況計算，取最大值：正常蓄水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高；校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高。由于設(shè)計的壩頂高程是針對壩沉降穩(wěn)定以后的情況而言的，因此這里應(yīng)預(yù)留一定的壩體沉降量，由于使用土質(zhì)防滲體，根據(jù)工程經(jīng)

4、驗此處沉降量取壩高的1%。由已知條件繪出壩頂超高計算圖2-1計算公式采用下列算式：d=R+e+A, 式中：波浪在壩坡上的最大爬高，m； 最大風(fēng)壅水面高度，即風(fēng)壅水面超出原庫水位高度的最大值，m； =0.01m; 安全加高，m，根據(jù)壩的等級和運(yùn)用情況，按表1-1確定。 壩前水域平均水深，粗略估計為50m； 綜合摩阻系數(shù)，其值變化在（612）之間，計算時一般取; b風(fēng)向與水域中線的夾角，（）； 計算風(fēng)速和水庫吹程；其中Vo=10 m/s；D=9Km根據(jù)教材表2-1，本水庫總庫容為2.0億m3，屬于2級水工建筑物。其中，由參考資料可知，平山河流域多為丘陵山區(qū)，非常運(yùn)行條件按（a）選擇。 表2-1 安

5、全加高 （單位：m）運(yùn)用情況壩的級別1級2級3級4、5級正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3通過上表可知，安全加高分別取：正常運(yùn)用情況下1.0m，非常運(yùn)用情況下0.5m。下面采用我國水利水電科學(xué)研究院推薦的計算波浪在壩頂上的爬高：式中：設(shè)計波高，； m壩坡坡率，由于心墻壩采用土料時，坡率常用23，本設(shè)計取m=3； n壩坡護(hù)面糙率 ，取n =0.025由所給的設(shè)計資料中只有多年平均風(fēng)速=10m/s，故取正常運(yùn)用情況和非正常運(yùn)用情況波高均為=0.614m，則。兩種計算成果見表2-2運(yùn)用情況靜水位（m）（m）e(m)A(m)壩頂高程（m）考慮1%沉陷設(shè)計洪水113.10.8423

6、0.011114.95114.95116.09校核洪水113.50.84230.010.5114.85壩頂高程最后結(jié)果：116.10m。 驗算：壩頂高程116.10m均大于 設(shè)計洪水位（正常蓄水位）+0.50m即113.10+0.50=113.60m； 校核洪水位113.50m。所以滿足要求。2.2壩頂寬度 根據(jù)上述求得的壩頂高程可知，最大壩高約為116.10-62.50=53.6m，屬于中壩。根據(jù)SL274-2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范要求，對于中低壩的壩體寬度B取5-10m。本設(shè)計壩頂寬度采用B=7.0m。2.3壩坡因最大壩高為53.6m，采用自上至下分級變緩的多級坡，一般沿高程每隔102

7、0米變坡一次，相鄰壩率差值可取0.250.5。故此處采用三級變坡。表1-3 土壩壩坡參考值壩高(m)上游壩坡下游壩坡<101:2.0-1:2.51:1.5-1:2.010-201:2.25-1:2.751:2.0-1:2.520-301:2.5-1:3.01:2.25-1:2.75>301:3.0-1:3.51:2.5-1:3.0根據(jù)上表數(shù)據(jù)設(shè)定：上游壩坡從壩頂至壩踵依次為1:2.75；1:3.0；1:3.25；下游壩坡從壩頂至壩踵依次為1:2.5；1:2.75；1:3.0；此外在變坡處還應(yīng)設(shè)置馬道，第一級馬道高程為62.5+20=82.5m,第二級馬道高程為102.5m,馬道寬度

8、取2.0m。三防滲體設(shè)計由于粘性土料的滲透性很小，容易滿足防滲要求，故本設(shè)計采用黏性土心墻作為防滲體。1.防滲體尺寸1.1 心墻頂寬和坡率土質(zhì)防滲體的尺寸應(yīng)滿足控制防滲比降和滲流量要求,還要便于施工。防滲體頂部考慮機(jī)械化施工的要求,不應(yīng)小于3m，本設(shè)計取3.5m,心墻兩側(cè)變坡多在1:0.151:0.3之間，本設(shè)計取1:0.3。1.2 防滲體超高防滲體頂部在靜水位以上超高，對于正常運(yùn)用情況心墻為0.3-0.6m，取0.5m，最后防滲體頂部高程取為113.10+0.50=113.60m。（在非常運(yùn)用情況下，不應(yīng)低于該工況下的最高水位）1.3心墻底寬上下游最大作用水頭差，H=113.50-62.50

9、=51.00（下游無水工況），根據(jù)規(guī)定，粘土心墻的容許滲透坡降J不宜大于4，這里取J=4，故墻厚T>=H/J=51.00/4=12.75m。心墻底寬為3.5+（51.00+0.5）0.32=34.4m>12.75m.，滿足要求。為便于計算，本設(shè)計不設(shè)置截水槽。2. 防滲體保護(hù)層心墻頂部以及心墻的上游側(cè)均應(yīng)設(shè)保護(hù)層，防止冰凍和干裂。保護(hù)層可采用砂或者碎石，其厚度不小于該地區(qū)的凍結(jié)或干燥深度，且不小于1.0m，此處取1.0m，上部碎石厚0.50m，下部礫石石厚0.50m。心墻上游保護(hù)層應(yīng)分層碾壓填筑，達(dá)到和壩體相同的標(biāo)準(zhǔn)。其外坡坡度應(yīng)按穩(wěn)定計算確定，使保護(hù)層不至沿斜墻面或連同心墻一起滑

10、動。3. 防滲體繪制見附圖1四排水反濾層設(shè)計1.壩體排水設(shè)計1.1排水設(shè)施選擇常用的壩體排水有以下幾種形式：貼坡排水、棱體排水、壩內(nèi)排水以及綜合式排水。（1）貼坡排水：不能降低浸潤線，多用于浸潤線較低和下游無水的情況，故不選用。（2）棱體排水：可降低浸潤線，防止壩坡凍脹和滲透變形，保護(hù)上游壩腳不受尾水沖刷，且有支撐壩體增加壩體穩(wěn)定的作用，且易于檢修，是效果較好的一種排水形式。（3）壩內(nèi)排水：其中褥墊排水對不均勻沉降的適應(yīng)性差，易斷裂，且難以檢修，當(dāng)下游水位高過排水設(shè)施時，降低浸潤線的效果將顯著降低；網(wǎng)狀排水施工麻煩，而且排水效果較褥墊排水差。綜合以上分析選擇棱體排水方式。1.2堆石棱體排水尺寸

11、頂寬2.0m，內(nèi)坡1：1.5，外坡1：2.0，頂部最高水位須高出下游最高水位對1、2級壩不小于1.0m，根據(jù)資料給出，下游最高洪水位為68.00m，超高取1.5m，所以頂部高程為68.00+1.5=69.5m。結(jié)構(gòu)詳圖見附圖22.反濾層和過濾層 2.1 設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn) 1）保護(hù)無粘性土料（粉砂、砂、砂礫卵礫石、碎石等） 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范規(guī)定，對于與被保護(hù)土相鄰的第一層反濾料，建議按下述準(zhǔn)則選用，同時要求兩者的不均勻系數(shù)及不大于58，級配曲線形狀最好相似。 式中：反濾料的特征粒徑，小于該粒徑的土占總土重的15%； 被保護(hù)土的控制粒徑和特征粒徑，小于該粒徑的土分別占總重的15%及85%。 上述

12、兩式同樣適用于選擇第二、三層反濾料,當(dāng)選擇第二層反濾料時，以第一層反濾料為被保護(hù)土，二選擇第三層反濾料時，則以第二層反濾料為被保護(hù)土。按次標(biāo)準(zhǔn)天然砂礫料一般不能滿足要求，須對土料進(jìn)行篩選。2）保護(hù)粘性土料 粘性土有粘聚力，抗管涌能力一般比無粘性土強(qiáng)，通常不用上述兩式設(shè)計反濾層，而用以下方法設(shè)計。滿足被保護(hù)粘性土的細(xì)粒不會流失 根據(jù)被保護(hù)土的小于0.075mm含量的百分?jǐn)?shù)不同，而采用不同的方法。當(dāng)被保護(hù)土含有大于5mm的顆粒時，則取其小于5mm的級配確定小于0.075mm的顆粒含量百分?jǐn)?shù)及計算粒徑。如被保護(hù)土不含有大于5mm的顆粒時，則按全料確定小于0.0075mm的顆粒含量百分?jǐn)?shù)及。a.對于小

13、于0.075mm的顆粒含量大于85%的粘性土，按式.設(shè)計反濾層，當(dāng)，取等于0.2mm 。b.對于小于0.075mm的顆粒含量為40%85%的粘性土按式.設(shè)計反濾層。c.對于小于0.075mm的顆粒含量為15%39%的粘性土按式設(shè)計反濾層。式中，為小于0.075mm時顆粒含量1%。若，應(yīng)取0.7mm。滿足排水要求 以上三種土還應(yīng)符合式，以滿足排水要求。式中應(yīng)為被保護(hù)粘性土全料的，若時不小于0.1mm 。 3）護(hù)坡墊層 墊層料的粒徑不能過大，而且含有適量的細(xì)料。本壩屬于中壩，取最大粒徑為80-100mm,粒徑小于5mm的顆粒含量宜選為30%-50%， 同樣應(yīng)滿足土粒不流失及足夠的透水性要求，但標(biāo)準(zhǔn)

14、可降低些，建議按下式的簡便方法選擇粒徑。.， .。2.2設(shè)計結(jié)果根據(jù)參考相關(guān)規(guī)范和已建工程進(jìn)行初步設(shè)計。初步擬結(jié)果如下：防滲體周邊部位：（參照模板）第一層：排水部位第一層護(hù)坡墊層1. 上游護(hù)坡：采用目前最常用的漿砌石護(hù)坡。護(hù)坡范圍從壩頂一直到壩腳，厚度為40cm，下部設(shè)厚度均為30cm的碎石和粗沙墊層.結(jié)構(gòu)圖見附圖22. 2.下游護(hù)坡：下游設(shè)厚度為40cm的碎石護(hù)坡，護(hù)坡下面設(shè)厚度為45cm的粗沙墊層。見附圖23. 頂部設(shè)計3.1壩頂寬度對中低壩可取5-10m，此處取B=7.0m3.2防浪墻采用C15水泥漿砌快石防浪墻，高度常取1.0-1.3，本設(shè)計取1.2m，基本尺寸見圖3以防止防滲體干裂、

15、凍結(jié)和雨水沖蝕，在粘土心墻頂部設(shè)置保護(hù)層，厚度為80cm，分為兩層，上層碎石厚度為50cm，下層砂礫厚度為30cm。4.馬道和壩頂，壩面排水設(shè)計4.1馬道：第一級馬道高層為62.5+20=82.50m，第二級馬道高層為102.50m，馬道寬為2.0m。4.2壩頂排水：壩頂設(shè)有防浪墻，為了便于排水，把頂做成自上游傾向下游的坡，坡度為3%，將壩頂雨水排向下游壩面排水溝。4.3壩面排水4.3.1布置在下游壩坡設(shè)縱橫向排水溝。縱向排水溝（與壩軸線平行）設(shè)在各級馬道內(nèi)側(cè)。沿壩軸線每隔200m設(shè)置1條橫向排水溝（順坡布置，垂直于壩軸線），橫向排水工自壩頂直至棱體排水處的排水溝，再排至壩址排水溝。縱橫排水溝

16、互相連通，橫向排水溝之間的縱向排水溝應(yīng)從中間向兩側(cè)傾斜，坡度取0.2%，以便將雨水排向橫向排水溝。壩體與岸坡連接處應(yīng)設(shè)計排水溝，以排除岸坡上游下來的雨水。4.3.2排水溝尺寸及材料1）尺寸擬定：由于缺乏暴雨資料，所以無法用計算的方法確定斷面尺寸，根據(jù)以往已建工程的經(jīng)驗，排水溝寬度及深度一般采用20-40cm。2）材料：排水溝通常采用漿砌石或混凝土預(yù)制塊。綜合考慮選用漿砌石塊石。壩頂構(gòu)造和壩坡排水構(gòu)造見附圖35.地基處理及壩體與岸坡的連接5.1地基處理壩基處理的范圍包括河床和兩岸岸坡。處理的主要要求是：控制滲流，減小滲流比降，避免管涌等有害的滲流變形，控制滲流量；保持壩體和壩基的靜力和動力穩(wěn)定，

17、不產(chǎn)生過大的有害變形，不發(fā)生明顯的不均勻沉降，竣工后，壩基和壩體的總沉降量一般不大于壩高的1%；在保證壩安全運(yùn)行的條件下節(jié)省投資。此處借鑒設(shè)計的地形，地質(zhì)概況做出一下處理： （1） 河槽處：由于巖基出露好，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，只需清除覆蓋層，挖至基巖即可； （2） 壩區(qū)右岸：覆蓋層和坡積物相對較厚，壩區(qū)右岸破碎達(dá)60米的鉆孔巖芯獲得率只有20%，巖層裂隙較為發(fā)育，擬采用局部帷幕灌漿。 （3）平山咀大溶洞：經(jīng)勘探后分析對大壩及庫區(qū)均無影響，為安全起見，可修筑土鋪蓋，用水泥砂漿填縫。鋪蓋同時還應(yīng)與粘土斜墻相連，向上庫區(qū)及右岸延伸展布，將巖溶封閉。5.2 壩體與地基的連接 （1） 河槽部位：巖芯獲得率及吸

18、水量均能達(dá)到要求，采用在斜墻底端局部加厚的方式與地基相連。 （2）右岸河灘：上部巖層裂隙較發(fā)育，巖芯獲得率只有20%。而覆蓋層也較左岸厚，采用截水槽的方式與基巖相連。截水槽可挖至基巖以下0.5m深處，內(nèi)填壤土。截水槽橫斷面擬定：邊坡采用1：2.0；底寬，滲徑不小于（1/31/5）H，其中H為最大作用水頭（下游無水時為51.00m），底寬取1/3.4×51.00=15.0m5.3 壩體與岸坡的連接 土壩與岸坡的接合面是工程中較軟弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)妥加處理，避免沿接合面發(fā)生集中滲流，土壩裂縫等現(xiàn)象。左壩肩到左灘地，坡積風(fēng)化層510m，需徹底清除，左岸坡上修建混凝土齒墻，岸坡較陡，開挖時基本與基

19、巖大致平行。右壩肩到右灘地坡積風(fēng)化層處理與左岸相同，基巖開挖角不宜太大。五 滲流計算1.滲流計算的基本假定1）心墻采用粘土料，滲透系數(shù),壩殼采用砂土料，滲透系數(shù),兩者相差倍，可以把粘土心墻看做相對不透水層，因此計算時可以不考慮上游楔行降落水頭的作用。2）土體中滲流流速不大，且處于層流狀態(tài)，滲流服從達(dá)西定律平均流速v等于滲透系數(shù)與滲透比降i的乘積，v=Ki；3）發(fā)生滲流時土體的空隙體積不變，飽和度不變，滲流為連續(xù)的。2.滲流計算條件： 流計算時應(yīng)考慮以下組合情況，取其最不利情況作為控制條件：1）上游正常水位，下游相應(yīng)的最低水位；2）上游校核洪水位相應(yīng)的下游最低水位；3）對上游壩坡最不利的庫水降落后的落差。 由于缺乏資料所以擬定