水工建筑物的課程設(shè)計(jì)—斜墻壩

1、精品水工建筑物課程設(shè)計(jì)班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)：水工建筑物課程設(shè)計(jì)斜墻壩一、 基本資料：1、河谷地形見附圖。2、天然材料。在壩址附近3公里范圍內(nèi)滲透系數(shù)為k=10-5cm/s的土料儲(chǔ)量豐富，砂石料分布較為廣泛。覆蓋層厚度：岸坡35m，河床57m。覆蓋層滲透系數(shù)平均為10-2cm/s10-3cm/s.3、內(nèi)外交通。工程緊靠公路，與鐵路線相距約10公里，交通便利，不需另外修建對(duì)外臨時(shí)施工道路。4、水庫規(guī)劃資料。該工程主要為下游城市和農(nóng)田供水，供水工程的最大引用流量為20m3/s。水庫正常蓄水位590 m、設(shè)計(jì)洪水位592 m、校核洪水位593m。設(shè)計(jì)洪水流量1200m3/s,下泄允許最大單寬流量18m

2、3/s。水庫最大風(fēng)速12m/s，吹程D=5km。灌區(qū)位于左岸，灌溉輸水渠渠首設(shè)計(jì)水位572m。二、 設(shè)計(jì)報(bào)告(一) 土石壩的剖面尺寸及構(gòu)造 經(jīng)分析，該設(shè)計(jì)選擇斜墻壩。1、 壩頂高程：壩頂高程=水庫靜水位+壩頂超高，取4種運(yùn)用條件：1) 設(shè)計(jì)洪水位+壩頂正常超高值2) 正常蓄水位+壩頂正常超高值3) 校核洪水位+壩頂正常超高值4) 正常蓄水位+壩頂正常超高值+地震安全加高中的最大值。 壩頂超高值： 式中：d壩頂超高，m；R波浪在壩坡上的設(shè)計(jì)爬高，m；e風(fēng)浪引起的壩前水位壅高，m；A安全加高，m。1) 風(fēng)壅水面高度： 式中，K綜合摩阻系數(shù)，??；D風(fēng)區(qū)長度，取吹程5km；計(jì)算風(fēng)向與壩軸線的法線間的夾

3、角，該壩；風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度，設(shè)為35m；計(jì)算風(fēng)速，m/s，2級(jí)壩采用多年平均最大風(fēng)速的1.52.0倍，此處取2倍。 算得，e=0.015m2) 波浪爬高的計(jì)算：平均波浪爬高：當(dāng)壩坡系數(shù)m=1.55.0時(shí)，。式中，斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，查表得1.0；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表得1.0；平均波高，m ；平均波長，m。平均波高與平均波長由經(jīng)驗(yàn)公式得出:0.63=7.25 則， 設(shè)計(jì)波浪爬高：對(duì)2級(jí)壩取累計(jì)頻率1%的爬高值，不同累計(jì)頻率下的波浪爬高，可由的值和相應(yīng)的累計(jì)頻率P（%）查表得出。 ，查表得=2.66，所以，3) 安全加高A：根據(jù)壩的級(jí)別，按表5-1選用。表格 1 土石壩的安全加高 單位：m壩的級(jí)別

4、123正常運(yùn)行條件1.501.000.70非正常運(yùn)行條件（a）0.700.500.40非正常運(yùn)行條件（b）1.000.700.50該壩屬于2級(jí)壩，所處地形屬于山區(qū)、丘陵區(qū)。4種運(yùn)用條件成果如下：表格2 土石壩的壩頂高程 單位：m運(yùn)用條件水位波浪爬高R風(fēng)壅水高e安全加高A地震安全加高壩頂高程（1）5921.810.0151.0-594.83（2）5901.810.0151.0-592.83（3）5931.810.0150.5-595.33（4）5901.810.0150.51.0593.33選取4中運(yùn)用條件中的最大值作為壩頂高程，即壩頂高程為595.33m?？紤]水庫綜合利用情況，取596m。2、

5、 壩頂構(gòu)造：（1） 壩頂寬度：SL 274200J碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定： 高壩頂寬可選為10-15m，中、低壩頂寬可選為5-10m。由于該設(shè)計(jì)中無交通要求時(shí)，僅考慮搶險(xiǎn)防汛及檢修灌漿和運(yùn)行管理要求，壩頂寬度8m。（2） 壩頂構(gòu)造： 壩頂蓋面材料應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧锨闆r及壩頂用途確定，一般采用密實(shí)的砂礫石、碎石、單層砌石或?yàn)r青混凝土等柔性材料。本設(shè)計(jì)采用碎石路面。 壩頂上游側(cè)宜設(shè)防浪墻，墻頂一般高出壩頂1.0-1.20m。防浪墻應(yīng)堅(jiān)固不透水，用砌石漿建造,取1.2m。3、 壩坡構(gòu)造：（1） 壩坡坡度： 土壩壩坡比參考值壩高/m上游壩坡下游壩坡(1:2.00)(1:2.50)(1:1.50)(1:2

6、.00)1020(1:2.25)(1:2.75)(1:2.00)(1:2.25)2030(1:2.50)(1:3.00)(1:2.50)（1:2.75）（1:3.00）（1:3.50）（1:2.50）（1:3.00）斜墻壩下游壩坡的坡率取值宜偏陡，上游則可適當(dāng)放緩。該壩最大壩高596-560=36m，采用兩級(jí)邊坡。故上游壩坡為1：3.00，下游壩坡從壩頂?shù)綁熙嘁来螢?:2.5, 1:3.00，土石壩下游壩坡常沿高程每隔10-30m設(shè)置一條馬道，其寬度不小于為1.52.0m，馬道一般設(shè)在坡度變化處，坡率相差0.2-0.5。該壩在壩高處設(shè)置寬為2m的馬道，坡度為1:1.5，1:2.0。（2） 護(hù)坡

7、構(gòu)造： 土石壩上游坡面要經(jīng)受波浪淘刷、順坡水流沖刷、冰層和漂浮物等的危害作用；下游坡面要遭受雨水、大風(fēng)、尾水部位的風(fēng)浪、冰層和水流的作用以及動(dòng)物、凍脹、干裂等因素的破壞作用，因此，上下游八面必須設(shè)置護(hù)坡。 該壩上游護(hù)坡采用漿砌石護(hù)坡，從壩頂一直到壩角，護(hù)坡厚度為50cm，下部設(shè)厚度均為40cm的碎石或粗砂墊石。下游護(hù)坡設(shè)厚度為50cm的碎石護(hù)坡，護(hù)坡下面設(shè)厚度為40cm的粗砂墊層。4、 壩體防滲設(shè)置：（1） 防滲體：防滲體的厚度主要決定于土料的質(zhì)量，如容許滲流比降、塑性、抗裂性能等。在設(shè)計(jì)中通常采用平均容許比降作為控制標(biāo)準(zhǔn)，它等于作用水頭H與防滲體厚度T的比值，斜墻的不宜大于5。防滲體頂部的水

8、平寬度不應(yīng)小于3m，自上而下逐漸加厚，在壩底部不低于容許比降所規(guī)定的要求。此斜墻壩頂部寬度定為3m，上游坡度取為1:2.5，上下游作用最大水頭差H=596-560=36m，故墻厚，斜墻底寬取為10m7.2m,斜墻下游與水平面夾角為，則其坡度為。斜墻上游應(yīng)設(shè)置保護(hù)層，以防止冰凍和干裂。保護(hù)層可采用砂或碎石，其厚度不小于該地區(qū)的凍結(jié)和干燥深度，此處取1.0m，分別鋪0.5m厚的碎石和砂礫石。5、 壩基防滲設(shè)置：（1） 截水槽： 截水槽是壩體防滲體向透水地基中的延伸，是構(gòu)造簡單、防滲有效、穩(wěn)妥可靠的壩基防滲設(shè)施。槽底寬度應(yīng)根據(jù)回填土料的容許滲透比降、與基巖接觸面抗?jié)B流沖刷的容許比降以及施工條件確定。

9、槽的邊坡一般不陡于(1:1)(1:1.5)，槽兩側(cè)設(shè)置反濾層或過渡層。此處取槽的邊坡1:1.2。（2） 鋪蓋：鋪蓋是均質(zhì)壩體心墻或斜墻上游水平的延伸，可以延長壩基滲流的滲徑，以控制滲透坡降和滲流量在允許的范圍內(nèi)。鋪蓋土料的滲透系數(shù)應(yīng)小于10-5cm/s,且至少要小于壩基透水層滲透系數(shù)的100倍以上，此壩周圍的砂石料符合這一要求。鋪蓋向上游伸展的長度一般最長不超過68倍水頭，鋪蓋的厚度，上游端按構(gòu)造要求，不小于0.5m，取為1m，向下游逐漸加厚使某斷面處在頂、底水頭差作用下其滲透比降在允許范圍內(nèi)，在與壩體防滲體連接處要適當(dāng)加厚以防斷裂。鋪蓋上應(yīng)設(shè)保護(hù)層，以防止蓄水前干裂、凍蝕和運(yùn)用期的風(fēng)浪或水流

10、沖刷，鋪蓋底應(yīng)設(shè)置反濾層保護(hù)鋪蓋土料不流失。6、 土壩排水設(shè)置：壩體排水用堆石棱柱體排水，它是在下游壩腳處用塊石堆成的棱體。棱體頂寬不小于1.0m，頂面超出下游最高水位的高度，對(duì)2級(jí)壩不小于1.0m，而且還應(yīng)保證浸潤線位于下游壩坡面的凍層以下，因下游無水，故取棱體頂高3m,頂寬2m。棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件決定，一般為1:1.01:1.5，外坡取為1:1.51:2.0，在此處取內(nèi)坡1:1.5，外坡1:2.0。在棱體與壩體及土質(zhì)地基之間均應(yīng)設(shè)置反濾層，在棱體上游坡腳處應(yīng)盡量避免出現(xiàn)銳角。7、 反濾層和過濾層反濾層的作用是濾土排水，防止土工建筑物在滲流溢出處遭受管涌、流土等滲流變形的破壞以及不同土層界

11、面外的接觸沖刷。反濾層一般由1-3層級(jí)配均勻，耐風(fēng)化的砂、礫。卵石和碎石構(gòu)成，每層粒徑隨滲流方向而增大。水平反濾層的最小厚度可采用0.3m；垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用0.5m。過渡層主要對(duì)其兩側(cè)土料的變形起協(xié)調(diào)作用。反濾層可以起到過渡層的作用，而過渡層卻不一定能滿足反濾的要求。合理的反濾層設(shè)計(jì)要滿足的要求：（1） 被保護(hù)土層不發(fā)生管涌等有害的滲流變形，在防滲體出現(xiàn)裂縫的情況下，土顆粒不會(huì)被帶出反濾層，而且能促進(jìn)使裂縫自行愈合。要求反濾層有足夠小的孔隙，以防土粒被沖入孔隙或通過孔隙而被沖走。（2） 透水性大于被保護(hù)土層，能暢通的排除滲透水流，同時(shí)不致被細(xì)粒土淤塞而失效。這要求反濾層必須有足

12、夠大的孔隙。8、 壩型剖面圖（見圖紙）(二) 土石壩防滲分析滲流分析的內(nèi)容包括：確定壩體內(nèi)浸潤線；確定滲流的主要參數(shù)滲流流速與比降；確定滲流量。在滲流分析中，一般假定滲流流速和比降的關(guān)系符合達(dá)西定律，即。斜墻采用粘土料，滲透系數(shù)，壩殼采用砂土料，滲透系數(shù)，兩者相差倍，可以把粘土斜墻看做相對(duì)不透水層，因此計(jì)算時(shí)可以不考慮上游楔形降落的水頭作用。壩體滲透計(jì)算斜墻的平均厚度：通過斜墻的： (1)通過壩殼的： (2)由公式（1）、（2）相等得： 下游無水，堆石棱柱體排水體高度為3m，計(jì)算L的長度： 則， 壩殼浸潤線方程，則壩殼浸潤線方程可寫為壩殼浸潤線方程坐標(biāo)點(diǎn)x0102040608010012014

13、0160y01.161.642.322.843.273.664.014.334.63浸潤線輪廓如圖示：水力坡降 滲漏總量約為 滲漏量控制 平均流速 (三) 土壩穩(wěn)定性計(jì)算1、 土壩失穩(wěn)的形式，主要是壩坡或壩坡連同部分壩基沿某一剪切破壞面的滑動(dòng)。穩(wěn)定計(jì)算的目的是核算初擬的壩剖面尺寸在各種運(yùn)用情況下壩坡是否安全、經(jīng)濟(jì)。2、 土石壩滑動(dòng)面的形式有：曲線滑動(dòng)面； 直線或折線滑動(dòng)面；復(fù)合滑動(dòng)面。3、 荷載及其組合：1）荷載：自重、滲透力、孔隙水壓力、地震荷載。2）荷載組合（正常運(yùn)用條件）：水庫蓄滿水（正常高水位或設(shè)計(jì)洪水位）時(shí)，下游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算；上游庫水位最不利時(shí)，上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算；庫水位正常行降落

14、，上游壩坡內(nèi)產(chǎn)生滲透力時(shí)，上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算。 4、 要求的抗滑穩(wěn)定系數(shù)：對(duì)于非常運(yùn)用條件（考慮孔隙水壓力時(shí)）下，2級(jí)水工建筑物的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.15。5、 土石壩的穩(wěn)定分析：對(duì)于該壩來說，滑動(dòng)面接近于圓弧，故采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。為了簡化計(jì)算和得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，常采用條分法。規(guī)范采用的圓弧滑動(dòng)靜力計(jì)算公式有兩種：一是不考慮條塊間作用力的瑞典圓弧法，一是考慮條塊間作用力的畢肖普法。此壩用瑞典圓弧滑動(dòng)法。1) 計(jì)算原理：假定滑動(dòng)面為圓柱面，將滑動(dòng)面內(nèi)土體是為剛體，邊坡失穩(wěn)時(shí)該土體繞滑弧圓心O作轉(zhuǎn)動(dòng)。分析計(jì)算時(shí)常沿壩軸線取單寬壩體，按平面問題采用條分法，將滑動(dòng)土體按一定的

15、寬度（通常寬度b=0.1R）分為若干個(gè)鉛直土條，不計(jì)相鄰?fù)翖l間的作用力分別計(jì)算出土條對(duì)圓心O的抗滑力矩和滑動(dòng)力矩，再分別求其總和。當(dāng)土體繞O點(diǎn)的抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩，壩坡保持穩(wěn)定，反之，壩坡則喪失穩(wěn)定。2) 計(jì)算步驟：將滑弧內(nèi)土體用鉛直線分成12個(gè)條塊，為方便計(jì)算，取各土條塊寬度，對(duì)各土條進(jìn)行編號(hào)，以圓心正下方的一條編號(hào)為i=0,并依次向上游為i=1,2,3,向下游為i=-1,-2,-3,如圖示 不計(jì)相鄰條塊間的作用力，任取第i條為例進(jìn)行分析，作用在該條塊上的作用力如下：（1） 土條自重，方向垂直向下，其值為，其中分別表示該土條中對(duì)應(yīng)土層的重度；分別表示相應(yīng)的土層高度，b為土層寬度，可以將沿滑

16、弧面的法向和切向進(jìn)行分解，得法向分力，切向分力。（2） 作用于該土條底面上的法向反力與大小相等、方向相反。（3） 作用于土條底面上的抗剪力，其可能發(fā)揮的最大值等于土條底面上土體的抗剪強(qiáng)度與滑弧長度的乘積，方向與滑動(dòng)方向相反。根據(jù)以上作用力，可求得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為式中，為i土條底面上的弧長，。若計(jì)算時(shí)考慮孔隙水壓力作用，可采用總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法。總應(yīng)力法計(jì)算抗滑力時(shí)采用快剪或三軸不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)；有效應(yīng)力法計(jì)算滑動(dòng)面的滑動(dòng)力時(shí)，采用有效應(yīng)力指標(biāo)和，根據(jù)以往實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)取， 此時(shí)，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為式中，為作用于i土條底面的孔隙壓力。部分計(jì)算結(jié)果見下表土條編號(hào)-35.779.11103.861

17、82.26.84623.124241894.61831.65273.6-27.5111.45135.182296.57752.265172441.022441262.8-19.5212.78171.36255.66.4817.92122927.172927.17256011.6213.38209.16267.66.3842.9463323.323323.31252113.7113.28246.78265.66.27832.65603591.273591.27250.8215.5612.48280.08249.66.3786.2463692.23692.19252317.6610.94317.88218.86.4700.16123679.373679.39256420.298.61365.22172.26.57565.677173602.2