水工建筑物課程設(shè)計—心墻壩

1、.水工建筑物課程設(shè)計班級 ：姓名 ：學(xué)號 ：.水工建筑物課程設(shè)計心墻壩一、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 -5 cm/s 的 土 料 儲量 豐 富 ， 砂 石 料 分 布 較 為 廣 泛 。 覆 蓋 層 厚 度 ： 岸 坡 3 5m ， 河 床 5 7m 。 覆 蓋 層 滲 透 系 數(shù) 平 均 為 10 - 2 cm/s 10 - 3 cm/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，不需另外修建對外臨時施工道路。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

2、程的最大引 用 流 量 為 20m 3 /s 。 水 庫 正 常 蓄 水 位 590 m 、設(shè) 計 洪 水 位 592 m 、 校 核洪 水 位 593m 。設(shè) 計 洪 水 流 量 1200m 3 /s, 下 泄 允 許 最 大 單 寬 流 量 18m 3 /s。水 庫 最 大 風(fēng) 速 12m/s ， 吹 程 D=5km 。二、設(shè)計報告( 一 )土石壩的剖面尺寸與構(gòu)造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。由于該地區(qū)土料儲量豐富，故采用土石壩，用壩下涵管供水，溢洪道進(jìn)行泄洪。由于該水利工程為供水工程， 故土壩采用不過水非溢流土壩。 大壩壩址覆蓋層厚度最大為 7m

3、，故采用帷幕灌漿處理地基，帷幕厚度取 5m。溢洪道不知在馬鞍形地帶，由于該設(shè)計用土石壩，故采用開敞式河岸溢洪道，布置在右岸。1、 壩頂高程：壩頂高程 =水庫靜水位 +壩頂超高，?。?) 設(shè)計洪水位 +壩頂超高（正常）2) 正常蓄水位 +壩頂超高（正常）3) 校核洪水位 +壩頂超高（非常）4) 正常蓄水位 +壩頂超高（非常） +地震安全加高中的最大值。壩頂超高值： d R e A式中： d壩頂超高， m；R波浪在壩坡上的設(shè)計爬高，m； e風(fēng)浪引起的壩前水位壅高， m； A安全加高， m。.21)風(fēng)壅水面高度： eKW D cos2 gHm式中， K綜合摩阻系數(shù)，取3.610 6 ； D風(fēng)區(qū)長度，

4、取吹程5km；計算風(fēng)向與壩軸線的法線間的夾角；H m 風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度， 設(shè)為 33m；W計算風(fēng)速， m/s，2 級壩采用多年平均最大風(fēng)速的1.5 2.0 倍。算得， e 5.67710 4 m2) 波浪爬高 R 的計算：平均波浪爬高 Rm ：當(dāng)壩坡系數(shù) m1.5 : 5.0 時，K K whmLm 。Rm1 m2式中， K斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，查表得1.0 ； K w 經(jīng)驗系數(shù)，查表得 1.0 ； hm 平均波高， m ； Lm 平均波長， m。平均波高與平均波長由官廳水庫公式得出:51hl0.0166W 4 D 3hm 0.63gLm110.331W2.15 (gDLm =7.25W2

5、W2 )3.7510.63 7.250.68m則， Rm321設(shè)計波浪爬高 Rp ：對 2 級壩取累計頻率 1%的爬高值 h1% ，不同累計頻率下的波浪爬高 Rp ，可由 hm 的值和相應(yīng)的累計頻率 P（ %）查表得出。Hhm0.1，查表得 Rp =2.66 ，HRmQ Rm0.68Rp2.66 0.681.81所以， RRp1.81m3) 安全加高 A：.根據(jù)壩的級別，按表 5-1選用。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）5921.815.6771041.0-594.81（2）5901.815.6771041.0-592.81（

6、3）5931.815.6771040.5-595.31（4）5921.815.6771040.51.0595.31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595.31m?？紤]水庫綜合利用情況，取596m，取防浪墻高度 1.2m。則帶有防浪墻的壩頂高為596-1.2-565+5=34.8m 。2、 壩頂構(gòu)造：（1） 壩頂寬度SL 274200J碾壓式土石壩設(shè)計規(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)計中無交通要求時，僅考慮搶險防汛及檢修灌漿和運(yùn)行管理要求，根據(jù)我省工程經(jīng)驗， 壩頂寬度 9m。（2） 壩頂構(gòu)造壩頂結(jié)構(gòu)與布置應(yīng)經(jīng)濟(jì)實用，建筑藝

7、術(shù)處理應(yīng)美觀大方，并于周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。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，一般采用密實的砂礫石、碎石、單層砌石或瀝青混凝土等柔性材料。該壩選用碎石做壩頂蓋面。壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻， 墻頂一般高出壩頂 1.00 1.20m。防浪墻應(yīng)堅固不透水，用漿砌石或混凝土建造，其基礎(chǔ)應(yīng)牢固地埋入壩內(nèi)，并于壩的防滲體緊密連接。壩頂下游側(cè)根據(jù)運(yùn)用條件設(shè)路肩石作為安全防護(hù)措施。3、 壩坡構(gòu)造：（1） 壩坡坡度對于土質(zhì)防滲體的心墻壩：當(dāng)下游壩殼采用堆石時，常用坡率為1:1.5 1:2.5 ，采用土料時，常用坡率為1:2.0 1:3.0 ，.當(dāng)上游壩殼采用堆石時，常用坡率為1:1.7 1:2.7 ，采用土料時

8、，常用坡率為1:2.5 1:3.5 。土石壩下游壩坡常沿高程每隔10-30m 設(shè)置一條馬道， 馬道寬度為 1.5m，坡率相差 0.2-0.5。由于該壩壩高大于30m，最終確定上游壩坡 1:3.5 ；下游壩坡 1:3.0 、1:2.5 兩1級邊坡。下游壩高處設(shè)置馬道，寬度為1.5m。（2） 護(hù)坡構(gòu)造土石壩上、下游坡面要遭受多種外界自然因素的危害，必須設(shè)置護(hù)坡。為了經(jīng)濟(jì)，應(yīng)可能就地取材、施工簡便、維修方便，上游護(hù)坡常用形式為砌石和堆石。為了防止雨水集中沖刷下游壩坡，下游壩坡上應(yīng)設(shè)置縱橫連通的壩面排水溝系統(tǒng)，若下游為堆石、干砌石護(hù)坡，其下有墊層時可不設(shè)排水溝系統(tǒng)。縱向（壩軸內(nèi)）排水溝常設(shè)置于馬道的內(nèi)

9、側(cè)，橫向排水溝間距約50100m。塊石 護(hù)坡 的單 層 砌石 的石 塊 直 徑 不宜 小于0.2 0.35m ， 下 面 墊0.15 0.25m 厚的碎石或礫石。馬道內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)置阻滑基腳，如果仍有滑動可能時，可在坡中設(shè)置阻滑齒墻。4、 壩體防身設(shè)置：心墻位于壩體中央或稍偏上游，由透水性很小的黏性土筑成。心墻頂部在靜水位以上的超高正常運(yùn)用情況下不小于0.3 0.6 ，非常運(yùn)用情況不得低于非常運(yùn)用的靜水位。心墻頂部厚度按構(gòu)造和施工要求不得小于1.0 3.0m；頂部厚度根據(jù)防身要求及土料的允許滲透坡降決定，一般不宜小于水頭的1/4 且不得小于 3.0m。心墻自頂?shù)降字饾u加厚， 邊坡通常采用（1:0.1

10、5 ）-（1:0.25 ）。此處取心墻坡率為1:0.2 ，心墻頂部寬度為6m。5、 壩基防滲設(shè)置：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10-5 cm/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6 8 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

11、流沖刷，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)施：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2 級壩不小于 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1:1.0 1:1.5 ，外坡取為1:1.5 1:2.0 ，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、反濾層和過渡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

12、流變形的破壞以及不同土層界面外的接觸沖刷。反濾層一般由 1-3 層級配均勻，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，同時不致被細(xì)

13、粒土淤塞而失效。這要求反濾層必須有足夠大的孔隙。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1 。斜墻采用粘土料，滲透系數(shù)ke1.010 5 cm/ s ，壩殼采用砂土料，滲透系數(shù)k 1.0 10 2 cm / s ，兩者相差 103 倍，可以把粘土斜墻看做相對不透水層，因此計算時可以不考慮上游楔形降落的水頭作用。.壩體滲透計算心墻的平均厚度：1261812m22通過心墻的 q ： q K eH 12he2 (1)2通過下游壩殼的 q ： qK

14、 he2H 22 (2)2L由公式（ 1）、（ 2）相等得： K ehe2H 222he2K2LH12Q 下游無水， H 20 ，10 5he221210 22L302he2堆石棱柱體排水體高度為3m，計算 L 的長度：L4.5 17.4 2.5 1.5 14.4 3.0 3 1.588.2m則， he2.56 m ， K e105 cm / s 8.64 10 3 m /日qK e H 12he28.6410 330 22.56 20.32 m2 /日2212下游浸潤線方程 xK (he2y2 ) (0x90.7) ， K10 2 cm / s8.64m /日 ，2q則壩殼浸潤線方程可寫為y

15、 26.760.074x (0 x90.7)下游壩殼浸潤線方程 y26.76 0.074 x (0 x90.7) 坐標(biāo)點x1102030405060708090.7y2.592.452.302.132.001.751.521.260.920.22心墻浸潤線方程 xKe (H 12y 2 ) (0x90.7) ，K e 10 5 cm / s8.6410 3 m /日2q則心墻浸潤線方程可寫為y290074.07 x (0 x12)心墻浸潤線方程y290074.07 x (0x12) 坐標(biāo)點x123456789101112y28.7427.4226.0324.5723.0121.3419.531

16、7.5315.2812.629.233.34.浸潤線輪廓如圖示：水力坡降JH300.34L88.2滲漏總量約為QqL3.7210 4 607.54 0.23m3 / s滲漏量控制QQ允許滲透變形控制：Pc1100%4(1n)對于不均勻系數(shù)大于5 的不連續(xù)級配圖， 當(dāng)土的細(xì)粒含量 Pc25% 時，只發(fā)生管涌型破壞；當(dāng) Pc35% 時只發(fā)生流土型破壞，介于其之間時，發(fā)生過渡型破壞。但此題中實際資料中沒有n 值，故無法判斷。( 三 ) 土壩穩(wěn)定性計算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。穩(wěn)定計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、

17、土石壩滑動面的形式有：曲線滑動面；直線或折線滑動面；復(fù)合滑動面。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)計洪水位）時，下游壩坡的穩(wěn)定計算；上游庫水位最不利時，上游壩坡的穩(wěn)定計算；庫水位正常行降落，上游壩坡內(nèi)產(chǎn)生滲透力時，上游壩坡的穩(wěn)定計算。.4、 要求的抗滑穩(wěn)定系數(shù)：對于非常運(yùn)用條件（考慮孔隙水壓力時）下，2 級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：對于均質(zhì)壩、厚墻壩和厚心墻壩來說，滑動面往往接近于圓弧，故采用圓弧滑動法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。 為了簡化計算和得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，常

18、采用條分法。規(guī)范采用的圓弧滑動靜力計算公式有兩種：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法。1) 計算原理：假定滑動面為圓柱面， 將滑動面內(nèi)土體是為剛體， 邊坡失穩(wěn)時該土體繞滑弧圓心 O作轉(zhuǎn)動。分析計算時常沿壩軸線取單寬壩體，按平面問題采用條分法，將滑動土體按一定的寬度（通常寬度 b=0.1R）分為若干個鉛直土條，不計相鄰?fù)翖l間的作用力分別計算出土條對圓心O的抗滑力矩 M r 和滑動力矩 M s ，再分別求其總和。當(dāng)土體繞O點的抗滑力矩 M r 大于滑動力矩 M s ，壩坡保持穩(wěn)定，反之，壩坡則喪失穩(wěn)定。2) 計算步驟：將滑弧內(nèi)土體用鉛直線分成1

19、2 個條塊，為方便計算，取各土條塊寬度R67.4，對各土條進(jìn)行編號，以圓心正下方的一條編號為i=0,b6.74m1010并依次向上游為i=1,2,3,向下游為 i=-1,-2,-3,如圖示.不計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 Gi ，方向垂直向下，其值為Gi( 1hi2 hi )b ，其中 1、 2 分別表示該土條中對應(yīng)土層的重度； hi、 hi 分別表示相應(yīng)的土層高度， b 為土層寬度，可以將 Gi 沿滑弧面的法向和切向進(jìn)行分解，得法向分力 N i Gi cos i ，切向分力 Ti Gi sini 。（ 1）作用于該土條底

20、面上的法向反力N i 與 N 大小相等、方向相反。（ 2） 作用于土條底面上的抗剪力 Tfi ， 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M rGi cos i tan icil iK cGi sinM si式中， l i 為 i 土條底面上的弧長，libsec i 。若計算時考慮孔隙水壓力作用，可采用總應(yīng)力法或有效應(yīng)力法?？倯?yīng)力法計算抗滑力時采用快剪或三軸不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)；有效應(yīng)力法計算滑動面的滑動力時，采用有效應(yīng)力指標(biāo)40kPa和 c ，根據(jù)以往實際工程經(jīng)驗取400 ，c心墻 19.48kN / m3 ， 濕19.45kN / m3 ， 飽19.52kN / m3 ， 此時，K c(Gi cos i ui li ) tan ici l iGi sin壩坡穩(wěn)定安