擋水壩初步設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 基本資料11.1 樞紐任務(wù)11.2 自然地理與水文氣象特性11.3 工程地質(zhì)31.4 建筑材料41.5 其他資料5第二章 樞紐布置62.1 工程等別及建筑物級(jí)別62.2 樞紐組成及布置72.3 地基處理7第三章 土石壩設(shè)計(jì)83.1 壩型選擇83.2 壩體剖面設(shè)計(jì)83.3土料設(shè)計(jì)12第四章 滲流計(jì)算134.1 滲流計(jì)算的內(nèi)容134.2 滲流計(jì)算的水位組合134.3 水力學(xué)法計(jì)算滲流13第五章 穩(wěn)定分析175.1穩(wěn)定計(jì)算條件175.2瑞典圓弧法計(jì)算原理175.3瑞典圓弧法計(jì)算18附錄 設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)26 第一章 基本資料1.1 樞紐任務(wù)本工程以形成環(huán)境景觀水庫(kù)為主，工程建成后，可以形成60

2、00070000m2面積的水域，蓄水30萬(wàn)m3，可以在一定程度上減少流域內(nèi)的水土流失，減輕山洪對(duì)下游村鎮(zhèn)、交通線路的危害，進(jìn)一步改善和美化環(huán)境，調(diào)節(jié)小氣候，改善周邊植物生長(zhǎng)條件。同時(shí)為農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水提供補(bǔ)充水源。1.2 自然地理與水文氣象特性1.2.1 流域概況XX溝發(fā)源于京郊XX北麓，自南而北流經(jīng)XX區(qū)XX鎮(zhèn)，為溫榆河水系之南沙河的支流，流域面積4.2km。擬建的XX水庫(kù)壩址位于XX鎮(zhèn)XX村南、XX溝出山口的河道狹窄處。距方（莊）頤（和園）公路約1.5km，有簡(jiǎn)易公路相通。工程區(qū)距中關(guān)村科技開(kāi)發(fā)區(qū)約15km，距上地科技園區(qū)約10km，距XX園亦僅13km，水庫(kù)上游及下游均有密集的住宅區(qū)。

3、壩址以上主溝長(zhǎng)2.95km，流域面積2.90km2，溝底平均坡降11.3%。1.2.2 水文氣象特征流域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站和氣象站。可參照借鑒的XXXX站和XX站，至水庫(kù)的直線距離分別為12km和20km。（1）河流水文特性XX溝為間歇性河流，除遇較大降雨時(shí)溝中有徑流外，一般均為干溝。根據(jù)北京市山區(qū)水文資料，流域多年平均降水量640mm，多年平均徑流深為240mm（相應(yīng)多年平均年徑流量為69.6´104m3）。代表性水文年的年徑流量如表1-1所列。表1-1 代表性水文年的年徑流量代表性水文年豐水年（P=25%）平水年（P=50%）枯水年（P=75%）年徑流量(m3)91.4´10

4、455.1´10430.5´104（2）洪水歷史資料說(shuō)明，洪水多發(fā)生在78月，洪水過(guò)程多為單峰型，一次洪水歷時(shí)不超過(guò)15h。設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線見(jiàn)表1-2。表1-2 典型洪水過(guò)程線時(shí)段（天）00.51.01.523456流量（m3/s）017.377.055.038.625.218.814.211.2（3）庫(kù)水位與面積、庫(kù)容關(guān)系表1-3 水庫(kù)高程與面積、庫(kù)容關(guān)系高程(m)面積(m2)庫(kù)容(m3)8678546187300123548872497479891171516961901797531806912076851177922627974701933239010403594343

5、011373819538294173678964408621486897468982603609851246309432（4） 溫度：據(jù)現(xiàn)有資料，工程區(qū)屬于溫帶大陸季風(fēng)氣候，多年平均氣溫11.7°C。多年平均陸面蒸發(fā)量450mm。（5） 泥沙：壩址以上流域面積內(nèi)，林木茂密，植被良好，水土流失較輕。（6） 蒸發(fā)：流域內(nèi)多年平均陸面蒸發(fā)量為450mm。根據(jù)北京市水文手冊(cè)資料，按20cm口徑蒸發(fā)器測(cè)量庫(kù)區(qū)內(nèi)多年平均水面蒸發(fā)量為1950mm。（7） 其他： 洪水期多年平均離地面10m高的最大風(fēng)速v=18.5m/s，吹程D=392m，風(fēng)向垂直上游壩面。凍土深1.0m。壩頂交通要求通行單行道（7

6、m）。壩、庫(kù)區(qū)基本地震烈度為6°。1.3 工程地質(zhì)1.3.1 水庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件 水庫(kù)區(qū)為一由西北方向（壩前）向東南方向漸擴(kuò)的扇形谷地，北、東、南三面環(huán)山，相對(duì)高差2080m，西面為山前堆積階地，相對(duì)高差1015m。庫(kù)區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沖積洪積層廣為分布，厚度在15m以上，水庫(kù)的北、東、南三面及庫(kù)盆下，基巖均為石炭二疊系或二疊系地層，透水性弱。西面廣泛分布的洪積碎石（含粉質(zhì)土）層，以及壩下沉積的粉質(zhì)粘土、漂石夾粉質(zhì)粘土層，是未來(lái)滲漏的主要設(shè)防地段，也是影響大壩安全的主要因素。淹沒(méi)損失小，無(wú)浸沒(méi)及大的庫(kù)岸穩(wěn)定和淤積問(wèn)題。 在地質(zhì)構(gòu)造上，處于九龍山碧云寺向斜東北翼端部的轉(zhuǎn)折端?；鶐r內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)

7、育，但未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性好。 基巖中分布有裂隙潛水。第四系松散層中有孔隙潛水，水面埋深13.4015.5m，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及山區(qū)基巖裂隙水，其排泄流向基本上與河道流向一致。1.3.2 壩址工程地質(zhì)條件 壩址區(qū)呈“U”形河谷，谷底寬約35m，高程84.50m。上部（高程100m處）寬約120m，主河道由南向北流經(jīng)庫(kù)區(qū)后，改向?yàn)橛赡蠔|向北西方向穿過(guò)壩址。谷底沉積有深達(dá)19.60m的第四系沉積層。左壩頭亦為山前沖積洪積階地沉積物。右壩頭為古生代二疊紀(jì)板巖，其產(chǎn)狀為傾向南，傾角50°。未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構(gòu)造。 板巖為黃綠色，主要成分為粘土礦物，含白云母、絹云母和綠泥石等

8、變質(zhì)礦物，節(jié)理、板理發(fā)育，裂隙面上有氧化鐵薄膜，裂隙中有紅色粘土充填。露頭巖石呈強(qiáng)風(fēng)化。經(jīng)分析和鉆探資料證實(shí)，壩基覆蓋層下基巖亦為板巖。壩基覆蓋層表層為卵礫石，向下依次為碎石、漂石、粉土層等，其中的孔隙潛水水面埋深13.5m。巖性在水平方向和垂直方向均存在明顯的交替、穿插，透水性變化較大。對(duì)分布于壩基和左壩頭的覆蓋層，需采取可靠有效的防滲措施，方能確保大壩安全和水庫(kù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1.4 建筑材料壩基覆蓋層表層為卵礫石，向下依次為碎石、漂石、粉土層。經(jīng)勘察，選定的土料場(chǎng)位于水庫(kù)主壩兩壩肩，左壩肩土料場(chǎng)位于主壩左壩肩下游，共占用耕地79.8畝。00.4m為耕植土，0.43.5m為黃土狀壤土?？碧缴疃?/p>

9、內(nèi)未見(jiàn)地下水。右壩肩土料場(chǎng)位于主壩右壩肩上游庫(kù)區(qū)內(nèi)，不占用耕地。00.3m為耕植土，0.33.5m為黃土狀壤土?？碧缴疃葍?nèi)未見(jiàn)地下水。兩個(gè)料場(chǎng)土料總儲(chǔ)量可滿足大壩對(duì)土料用量的要求。位于上游左岸1km處有一料場(chǎng)，占地50畝，00.3m為耕植土，0.31m為粘土。粘土料顆粒組成見(jiàn)表1-4。表1-4 粘土顆粒組成粒徑20-2mm2-0.5mm0.5-0.05mm0.05-0.005mm<0.005合計(jì)含量（）2.069.202.0335.451.3100各種材料的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1-5。表1-5 各種材料物理力學(xué)性質(zhì) 土料特性粘土黃土狀壤土壩基碎石砂卵石鋼筋混凝土飽和容重（kN/m3）21.3

10、20.8522.2522.8天然容重（kN/m3）19.519.8520.6含水量17%9.0%12.1%塑性指標(biāo)119.910.7滲透系數(shù)（cm/s）5×10-63.01×10-61×10-31.12×10-23.7×10-7內(nèi)摩擦角水上22°水下19°水上23°水下15°水上35°水下32°水上28°凝聚力c（kN/m2）水上16.52水下13.72水上20 水下171.5 其他資料（1）外來(lái)材料工程使用的主材水泥、鋼材等，均可市購(gòu)。其他生活、生產(chǎn)資料，均可由當(dāng)?shù)夭少?gòu)。（

11、2）交通工程場(chǎng)區(qū)位于XX村南1.0km，距溫（泉）頤（和園）干線公路1.5km，且有簡(jiǎn)易公路通過(guò)壩址和庫(kù)區(qū)（其中有0.5km公路需在工程建設(shè)前改線建設(shè)）。（3）施工動(dòng)力、勞動(dòng)力情況施工用水（僅限于攪制混凝土和生活用水）由當(dāng)?shù)毓┧芫W(wǎng)供給。施工用電直接接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，只增加一臺(tái)變壓器與相應(yīng)數(shù)量的控制開(kāi)關(guān)即可。當(dāng)?shù)赜泻芏嚅e散勞動(dòng)力。第二章 樞紐布置2.1 工程等別及建筑物級(jí)別根據(jù)SL252-2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2-12-2），綜合考慮水庫(kù)總庫(kù)容，防洪效益，治澇面積，灌溉面積，電站裝機(jī)級(jí)容量，工程規(guī)模由庫(kù)容控制，正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為0.003×108m3,初估時(shí)，校

12、核情況下庫(kù)容不會(huì)超過(guò)0.01×108m3,屬?。?）型。主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物為5級(jí)。表2-1 水利水電工程分等指標(biāo)工程等別工程規(guī)模防洪庫(kù)容（108m3）防洪治澇灌溉供水發(fā)電保護(hù)城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)的重要性保護(hù)農(nóng)田（104畝）治澇面積（104畝）灌溉面積（104畝）供水對(duì)象重要性裝機(jī)容量（104kW）大(1)型10特別重要500200150特別重要120大(2)型101.0重要5001002006015050重要12030中型1.00.10中等100306015505中等305小(1)型0.100.01一般30515350.5一般51小(2)型0.010.001530.51表2-2

13、永久性水工建筑物級(jí)別工程等別主要建筑物次要建筑2 樞紐組成及布置2.2.1 壩型選擇通過(guò)分析所選壩軸線處地質(zhì)條件可知，由于重力壩不能利用地基開(kāi)挖的材料，且材料造價(jià)較高，不可使用；由地形條件：左岸為洪積堆積階地，階面由北向南逐漸抬高可知,拱壩不能夠滿足地形條件的要求；通過(guò)對(duì)各種不同壩型進(jìn)行定性分析，綜合考慮地形，地質(zhì)條件、建筑材料、施工條件、綜合效益等因素，最終選擇土石壩方案。2.2.2 泄水建筑物選型根據(jù)壩址地形地質(zhì)分析，壩址處岸坡平緩，又能很快使下泄洪水歸原河道，故選擇正槽式溢洪道，即泄水槽與堰上水流方向一致，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水流平穩(wěn)。2.2.3 樞紐組成建筑物（1）擋水

14、建筑物：土石壩（2）泄水建筑物：正槽式溢洪道2.2.4 樞紐總體布置（1）擋水建筑物土石壩擋水建筑物按直線布置，壩布置在河彎地段上。（2）泄水建筑物正槽式溢洪道溢洪道布置在大壩右側(cè)，通向河道下游。綜合考慮各方面因素，最后確定樞紐平面布置如圖01。2.3 地基處理地基覆蓋層表層為卵礫石，需處理掉。根據(jù)壩址工程地質(zhì)剖面圖。清基0.6m，壩底高程為83.5m第三章 土石壩設(shè)計(jì)3.1 壩型選擇影響土石壩壩型選擇的最主要因素是壩址附近的筑壩材料，還有地形地質(zhì)條件，氣候條件，施工條件，壩基處理，抗震要求等。碾壓式土石壩由土料分層分層填筑碾壓而成，一般的土料，砂卵石料及風(fēng)化石渣均可用于這種壩型。碾壓式土石壩

15、按壩體的防滲材料和結(jié)構(gòu)，可分為以下幾類：（1）均質(zhì)壩：整個(gè)壩體起防滲作用并保持自身的穩(wěn)定。壩體材料單一，施工簡(jiǎn)單。據(jù)勘察，土料場(chǎng)有豐富的黃土狀壤土，可滿足筑壩材料需求，同時(shí)壤土的滲透系數(shù)為3.01×10-6cm/s，小于均質(zhì)壩滲透系數(shù)要求的10-4cm/s，滿足滲透穩(wěn)定要求。壩高小于30m，為低壩，滿足抗剪強(qiáng)度要求。壩址附近兩個(gè)料場(chǎng)土料總儲(chǔ)量可滿足大壩對(duì)土料用量的要求。故可選擇均質(zhì)壩作為設(shè)計(jì)壩型。（2）斜墻壩：斜墻壩的上游壩坡較緩，防滲體的粘土用量和壩體總工程量大，不經(jīng)濟(jì)。故不選擇。（3）心墻壩：心墻壩的工程量大，施工難度大，對(duì)于此工程并不適用。故不選擇。由以上分析，最終確定均質(zhì)壩方

16、案。3.2 壩體剖面設(shè)計(jì)壩頂寬度壩頂寬度取決于施工、運(yùn)行、構(gòu)造、抗震、人防及其他專門(mén)要求。根據(jù)規(guī)范SL274-2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范，壩頂最小寬度對(duì)高壩可選用1015米，對(duì)中低壩可選用510米。壩頂交通要求單行道7m，故選擇壩頂寬度8m。壩頂高程壩頂高程由水庫(kù)靜水位加波浪爬高和壅水面高度及安全加高確定。壩頂高程或壩頂上游防浪墻頂?shù)母叱贪聪率接?jì)算：壩頂高程 =設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的 =校核洪水位+非常運(yùn)用條件的=正常蓄水位+非常運(yùn)用條件的+壩頂靜水位超高值按下式計(jì)算： 式中： 波浪在壩坡上的設(shè)計(jì)爬高，m；風(fēng)壅水面高度，m；安全加高，m。表3-1 安全加高規(guī)范值運(yùn)用情況壩的級(jí)別1級(jí)2級(jí)3

17、級(jí)4、5級(jí)正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3該壩的級(jí)別為5級(jí)，則正常運(yùn)行的安全加高A=0.5m，非常運(yùn)行的安全加高A=0.3m。（1）風(fēng)壅水面高度的計(jì)算： 式中：K綜合摩阻系數(shù)，??；v計(jì)算風(fēng)速，正常運(yùn)用條件下的5級(jí)壩，采用多年平均離地面10m高的最大風(fēng)速的1.5倍，離地面10m高的最大風(fēng)速為18.5m/s。非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速；D風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，為392m；計(jì)算風(fēng)向與壩軸線法線的夾角，風(fēng)向垂直上游壩面，故為0o；Hm水域平均水深，取壩前水深的2/3，為9.4m。 正常運(yùn)用條件下：非常運(yùn)用條件下：（2）波浪平均波高和波長(zhǎng)的計(jì)算平均波高采用官?gòu)d公式：平均波長(zhǎng)采用鶴

18、地公式：正常運(yùn)用情況下： 本設(shè)計(jì)采用累計(jì)頻率5時(shí)的平均波高，根據(jù)規(guī)范得，則 非常運(yùn)用情況下：根據(jù)規(guī)范得，則（3）平均波浪爬高的計(jì)算 平均波浪爬高，m； 單坡的坡度系數(shù)，取2.5； 斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型為砌石，??； 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。正常運(yùn)用條件下取，本設(shè)計(jì)采用累計(jì)頻率5時(shí)的平均爬高，則非常運(yùn)用條件下取，根據(jù)規(guī)范得：則（4）壩頂高程計(jì)算：表3-2 壩頂超高0.725.78×10-30.50.492.62×10-30.3設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的校核洪水位+非常運(yùn)用條件的正常蓄水位+非常運(yùn)用條件的+，根據(jù)規(guī)范，取=0.6m。壩頂高程取三者最大值，即100.83m。所求壩頂

19、高程是壩體沉降穩(wěn)定以后的數(shù)值?？⒐r(shí)的壩頂高程應(yīng)有足夠的預(yù)留沉降值，約占?jí)胃叩?.2%0.4%。故壩頂高程為100.9m。當(dāng)壩頂上游側(cè)設(shè)有防浪墻時(shí)，則超高指靜水位到防浪墻頂?shù)母卟?，防浪墻高出壩?.8m，所以最終的壩頂高程為100.90.8即100.1。正常情況壩頂應(yīng)高出靜水位0.5m，非常情況不低于靜水位，壩頂高程為100.1大于正常情況壩頂應(yīng)高出靜水位0.5m（98.00+0.5=98.5m），不低于校核洪水位（100.1m）。壩坡和馬道（1）壩坡土石壩壩坡的坡度取決于壩型、壩高、筑壩的涂土料要求、地形條件及地震情況因素。上游壩坡取1:2.5，下游壩坡取1:2.0。（2）馬道上游下游均不設(shè)

20、置馬道。 壩底高程地基覆蓋層表層為卵礫石，需處理掉。清基0.6m，壩底高程為83.9m防滲設(shè)施（1）壩體防滲：壩體自身能夠滿足防滲要求，故不再設(shè)置其他防滲體。（2）壩基防滲：壩基覆蓋層表層為卵礫石，向下依次為碎石、漂石、粉土層等，其中的孔隙潛水水面埋深13.5m。巖性在水平方向和垂直方向均存在明顯的交替、穿插，透水性變化較大。對(duì)分布于壩基和左壩頭的覆蓋層，需采取可靠有效的防滲措施，方能確保大壩安全和水庫(kù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)分析選用混凝土防滲墻。根據(jù)規(guī)范，防身墻厚度一般取0.60.8m，墻頂插入防滲體的深度應(yīng)大于1/10壩高且不小于2m，墻底嵌入風(fēng)化巖基不小于0.51m，均質(zhì)壩可設(shè)置在壩腳1/31/2

21、壩底寬處。設(shè)計(jì)混凝土防滲墻厚度0.8m，墻頂插入防滲體2m，墻底插入巖基0.8m。在上游40m處修建防滲墻。（3）接觸防滲：壩體與土質(zhì)地基及岸坡的連接：清除壩斷面范圍內(nèi)地基與岸坡上的草皮、樹(shù)根、含有植物的表土、蠻石、垃圾及其他廢料，并將清理后的地基表面土層壓實(shí)； 清基1m；壩基與土石壩下游接觸部位設(shè)置反濾層。壩身與其他建筑物的防滲：防止接觸面的集中滲流，因不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫，以及水流對(duì)上游壩坡和壩腳的沖刷危害影響。排水設(shè)施（1）壩體排水壩體排水主要形式是棱體排水，貼坡排水，壩內(nèi)排水和綜合式排水。棱體排水：在下游壩腳處用塊石堆成的棱體，可以降低浸潤(rùn)線，防止壩坡凍脹且有支持壩體穩(wěn)定作用。由于下游

22、無(wú)水，棱體寬取3.0m，頂面高程取86.90m，根據(jù)施工條件，棱體內(nèi)坡取1:1.5，外坡取1:1.5，棱體與壩體及地基間設(shè)置反濾層。貼坡排水：用堆石或砌石加反濾層直接鋪設(shè)在下游壩坡表面，施工簡(jiǎn)單，用料節(jié)省，施工方便，易于檢修。但不能降低浸潤(rùn)線。故不作為選擇之一。壩內(nèi)排水：包括褥墊排水層，網(wǎng)狀排水帶和豎式排水體，下游無(wú)水時(shí)可以降低浸潤(rùn)線，但對(duì)不均勻沉降適應(yīng)性差，易斷裂，難于檢修。（2）壩基排水壩基地下有裂隙潛水面，需進(jìn)行濾土排水。壩址下游做反濾排水溝和減壓井。3.3土料設(shè)計(jì)本壩中使用黃土狀壤土作為筑壩材料，壩基使用碎石。第四章 滲流計(jì)算4.1 滲流計(jì)算的內(nèi)容（1）確定壩體浸潤(rùn)線及其下游逸出點(diǎn)的位

23、置繪制壩體及壩基內(nèi)的等勢(shì)線分布圖或流網(wǎng)圖；（2）確定壩體與壩基的滲流量；（3）確定壩坡逸出段與下游壩基表面的逸出比降，以及不同土層之間的滲透比降；（4）確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡內(nèi)的浸潤(rùn)線位置或孔隙壓力；（5）確定壩肩的等勢(shì)線滲流量和滲透比降。4.2 滲流計(jì)算的水位組合（1）上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；（2）上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；（3）上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；（4）庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。4.3 水力學(xué)法計(jì)算滲流基本假定（1）壩體土是均質(zhì)的，壩內(nèi)各點(diǎn)在各方向上的滲透系數(shù)相同；（2）滲透水流為二元穩(wěn)定流，屬層流運(yùn)動(dòng)，符合達(dá)西定律；（3）滲透水流是漸變的，過(guò)水

24、斷面上各點(diǎn)的坡降和流速是常數(shù)。計(jì)算過(guò)程均質(zhì)土石壩的滲流計(jì)算可先假定地基不透水確定壩體的滲流量和浸潤(rùn)線；然后再假定壩體不透水,計(jì)算壩基的滲流量；最后將和相加,即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。（1）確定浸潤(rùn)線不考慮壩基滲透的影響,仍用地基不透水情況下的結(jié)果。當(dāng)下游無(wú)水時(shí)，浸潤(rùn)線可近似認(rèn)為是以排水起點(diǎn)為焦點(diǎn)的的拋物線，如圖4-1。則排水起點(diǎn)處浸潤(rùn)線的高度h0與排水起點(diǎn)之浸潤(rùn)線與x軸焦點(diǎn)之間的距離Lg有如下的關(guān)系：h0=2Lg，則浸潤(rùn)線方程為：y=2h0x+ho2圖4-1 下游無(wú)水棱體排水的均質(zhì)土壩滲透計(jì)算簡(jiǎn)圖根據(jù)邊界條件：，y=H1，得：上游三角形ABE用高為H1，長(zhǎng)為的矩形來(lái)代替，公式為：式中：

25、n上游壩坡的坡度，n=0.4。計(jì)算：得：將不同的x值代入公式，求的對(duì)應(yīng)的結(jié)果如表4-1：表4-1 浸潤(rùn)線計(jì)算表格根據(jù)結(jié)果繪圖4-2：圖4-2 土石壩浸潤(rùn)線（2）確定滲流量對(duì)于下游無(wú)水的棱體排水情況，與有褥墊排水的情況相似,因地基滲水而使浸潤(rùn)線稍有下降,可近似地假定浸潤(rùn)線與排水起點(diǎn)相交。由于滲流滲入地基時(shí)要轉(zhuǎn)一個(gè)90的彎,流線長(zhǎng)度比壩底長(zhǎng)度要增大些。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和流體力學(xué)分析,增大的長(zhǎng)度約為0.44T。這時(shí),通過(guò)壩體和壩基的滲流量可按下式計(jì)算: 而當(dāng)?shù)鼗杏蟹罎B墻是，公式需要變?yōu)椋篖es=Ls+?+L-?式中： _D_Dd_T 地基透水層的厚度，m； Ls等效長(zhǎng)度，m；，y=KsK0，其中：Ks截水

26、墻滲透系數(shù)，m/s；K0地基滲透系數(shù)，m/s；。K ()_D_Dd_；計(jì)算：；Ls=2162（m）； m3/s第五章 穩(wěn)定分析5.1穩(wěn)定計(jì)算條件本設(shè)計(jì)中壩型使用均質(zhì)壩，在正常蓄水位穩(wěn)定滲流條件下，采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法計(jì)算下游邊坡穩(wěn)定。壩體使用黃土狀壤土，壩基使用碎石，防滲墻使用鋼筋混凝土。各種材料的物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表5-1：表5-1 材料的物理力學(xué)性質(zhì)特性黃土狀壤土壩基碎石鋼筋混凝土飽和容重（KN/m3）20.8522.25天然容重（KN/m3）19.8520.6含水量9.0%12.1%塑性指標(biāo)9.910.7滲透系數(shù)（cm/s）3.01×10-61×10-33.7

27、×10-7內(nèi)摩擦角水上23°水下15°水上35°水下32°凝聚力c （KN/m2）水上20水下175.2瑞典圓弧法計(jì)算原理假定土坡沿圓弧面滑動(dòng)，見(jiàn)圖5-1，ABCD為滑動(dòng)土體，AD為圓弧滑動(dòng)面。條分法就是將圓弧滑動(dòng)體分成若干豎直的土條，計(jì)算各土條對(duì)圓弧圓心O的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩，由抗滑力矩與滑動(dòng)力矩之比，即穩(wěn)定安全系數(shù)，來(lái)判別土坡的穩(wěn)定性。這時(shí)需要選擇多個(gè)滑動(dòng)圓心，分別計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)，其中最小的安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)面為最危險(xiǎn)的滑動(dòng)圓。經(jīng)查閱規(guī)范，對(duì)于5級(jí)壩，正常運(yùn)用條件下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.15。圖5-1 瑞典圓弧法計(jì)算原理圖5.3

28、瑞典圓弧法計(jì)算（1）確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心；本設(shè)計(jì)中使用費(fèi)倫紐斯法確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心。費(fèi)倫紐斯提出當(dāng)土的內(nèi)摩擦角=0時(shí)，土坡的最危險(xiǎn)圓弧滑動(dòng)面通過(guò)坡腳，然后由坡角或坡度1:n查表5-2得出角1以及2 。圖5-2中過(guò)坡腳B和坡頂C分別作與坡面和水平面夾角為1、2的線BD和CD，得交點(diǎn)D即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧圓心。 表5-2 1及2數(shù)值表土的內(nèi)摩擦角>0時(shí)，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面也通過(guò)坡腳，其圓心在ED的延長(zhǎng)線上，見(jiàn)圖5-2。E點(diǎn)的位置距坡腳B點(diǎn)的水平距離為4.5H，距坡頂垂直距離為2H 。值越大，圓心越向外移。計(jì)算時(shí)從D點(diǎn)向外延伸取幾個(gè)試算圓心O1，O2，分別求得其相應(yīng)的滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)K1，K2，繪出

29、K值曲線可得到最小安全系數(shù)值Kmin，其相應(yīng)圓心Om即為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心。實(shí)際上土坡的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心位置有時(shí)并不一定在ED的延長(zhǎng)線上，而可能在其左右附近，因此圓心Om可能并不是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心，這時(shí)可以通過(guò)Om點(diǎn)作DE線的垂線FG，在FG上取幾個(gè)試算滑動(dòng)面的圓心O1，O2，求得其相應(yīng)的滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)K1，K2，繪得K值曲線，相應(yīng)于Kmin值的圓心Omin才是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心。  圖5-2 最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心的確定示意簡(jiǎn)圖應(yīng)用到本例中，作圖得圖5-3：圖5-3 瑞典圓弧法穩(wěn)定分析（2）以O(shè)點(diǎn)至坡腳A作為半徑r，作滑弧面AC；（3）將滑動(dòng)面以上土體豎直分成幾個(gè)等寬土條，土條寬為0

30、.1r；（4）計(jì)算土條自重：分別量取浸潤(rùn)線以上面積A1，浸潤(rùn)線以下壩基以上面積A2，壩基以下面積A3。；浸潤(rùn)線以上為飽和容重，浸潤(rùn)線以下壩基以上分為兩種：計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)， 取飽和容重，計(jì)算抗滑力時(shí)， 取浮容重。將沿弧面分解，法向分力為，切向分力為。（5）計(jì)算各土條底面的長(zhǎng)度，作用在該土條的抗剪力，方向與滑動(dòng)方向相反。壩基碎石無(wú)抗剪力。（6）計(jì)算抗滑力矩；滑動(dòng)力矩。（7）最后可求得邊坡的穩(wěn)定系數(shù)：根據(jù)以上步驟，制作計(jì)算表格，如下：當(dāng)r=40.83m時(shí)的計(jì)算結(jié)果b = 0.1r = 4.08m；5級(jí)壩中：=1.15故滿足穩(wěn)定要求。當(dāng)r=41.97m時(shí)的計(jì)算結(jié)果b = 0.1r = 4.20m；5級(jí)壩

31、中：=1.15故滿足穩(wěn)定要求。當(dāng)r=43.78 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果b = 0.1r = 4.38m；5級(jí)壩中：=1.15滿足穩(wěn)定要求。當(dāng)r=45.67m時(shí)的計(jì)算結(jié)果b = 0.1r = 4.57m；5級(jí)壩中：=1.15滿足穩(wěn)定要求。由計(jì)算可見(jiàn)，隨著r的增加，的值隨之減小，當(dāng)r=43.78時(shí)最小，之后隨著r的增加而增大，故r=43.78時(shí)的滑動(dòng)面為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，對(duì)應(yīng)的圓心既是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面圓心。附錄 設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)一、課程設(shè)計(jì)的目的（1） 鞏固、聯(lián)系、充實(shí)、加深、擴(kuò)大所基本理論和專業(yè)知識(shí)，并使之系統(tǒng)化；（2） 培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提倡創(chuàng)新精神與科學(xué)態(tài)度相結(jié)合，鼓勵(lì)大膽提出新的

32、設(shè)計(jì)方案和技術(shù)措施；（3） 培養(yǎng)學(xué)生初步掌握工程設(shè)計(jì)工作的流程和方法，在設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖、編寫(xiě)設(shè)計(jì)文件等方面得到較全面的鍛煉和提高；（4） 培養(yǎng)學(xué)生形成正確的設(shè)計(jì)思想，樹(shù)立嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是和刻苦鉆研的工作作風(fēng)。（5） 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步掌握水工建筑物課程中“土石壩”的總體布置、滲流計(jì)算和穩(wěn)定分析以及輪廓形狀、主要構(gòu)造的選擇等。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1確定樞紐組成、樞紐等別和各建筑物的級(jí)別根據(jù)任務(wù)，樞紐由擋水建筑物、泄水建筑物、放空建筑物等組成。要求學(xué)生根據(jù)擬設(shè)計(jì)樞紐的工程規(guī)模以及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)有關(guān)部門(mén)的重要性進(jìn)行分等分級(jí)，建立安全經(jīng)濟(jì)有機(jī)統(tǒng)一的概念。樞紐等別根據(jù)規(guī)范中五項(xiàng)指標(biāo)中最大的一項(xiàng)確定，建筑

33、物的級(jí)別根據(jù)規(guī)范相應(yīng)確定。2樞紐布置和建筑物選型根據(jù)地形、地質(zhì)、筑壩材料、水文氣象、施工條件和樞紐建筑物的組成等因素進(jìn)行樞紐建筑物的平面布置、導(dǎo)流設(shè)施和地基處理措施等。根據(jù)基本資料，確定各建筑物的型式。3擋水壩剖面設(shè)計(jì)根據(jù)壩頂高程在地形圖上沿壩軸線選取最大高度的土壩斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：（1）壩頂寬度 根據(jù)交通及運(yùn)用要求確定壩頂寬度。高壩（壩高>70m）不小于1015m；中、低壩不小于510m。（2）壩頂高程根據(jù)已給的洪水位，考慮風(fēng)浪及安全加高等，確定壩頂及防浪墻頂高程等，參考規(guī)范P15P16。壩頂高程或壩頂上游防浪墻頂?shù)母叱贪聪率接?jì)算，并選用較大值：壩頂高程 =設(shè)計(jì)洪水位+正常運(yùn)用條件的

34、 =校核洪水位+非常運(yùn)用條件的=正常蓄水位+非常運(yùn)用條件的+ -平均波高，官?gòu)d公式(計(jì)算風(fēng)速的選取，與的換算見(jiàn)規(guī)范P51)-平均波長(zhǎng)，鶴地公式所求壩頂高程是指壩體沉降穩(wěn)定以后的數(shù)值。竣工時(shí)的壩頂高程應(yīng)有足夠的預(yù)留沉降值，約占?jí)胃叩?.2%0.4%。（3）壩坡與馬道應(yīng)考慮壩型、壩高、壩體及壩基土石的性質(zhì)與其密實(shí)度、壩體所承受的荷載以及壩的施工和運(yùn)用條件等因素?cái)M定壩坡或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬定等。如果需要設(shè)置馬道應(yīng)在上下游變坡處設(shè)置。（4）壩底高程：是指清基后的高程。（5）防滲設(shè)施壩體防滲：各種防滲體的比較；壩基防滲：各種防滲措施選擇；壩身與壩基、岸坡及其它建筑物連接的接觸防滲。（6）排水設(shè)施壩體排水：棱體排

35、水、貼坡排水、壩內(nèi)排水；壩基排水：壩址下游做反濾排水溝和減壓井。（7）壩體剖面圖4擋水壩滲流計(jì)算 根據(jù)選定的防滲設(shè)施選擇合適的滲流計(jì)算公式。5擋水壩穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算情況：正常蓄水位情況下，穩(wěn)定滲流期，下游邊坡穩(wěn)定計(jì)算。（1）斜墻壩或心墻壩：折線法（2）均質(zhì)壩：采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法，計(jì)算下游邊坡穩(wěn)定。由于壩坡最小穩(wěn)定安全系數(shù)存在極值點(diǎn)，所以至少計(jì)算兩個(gè)滑出點(diǎn)，經(jīng)過(guò)每個(gè)滑出點(diǎn)的圓弧至少三條，找出最小的安全系數(shù)作為壩坡的安全系數(shù)。如有時(shí)間盡量找出最小安全系數(shù)。6擋水壩細(xì)部構(gòu)造（1）壩頂?shù)牟贾茫òǚ览藟Φ臉?gòu)造等）（2）壩體和地基的防滲排水布置（3）上下游護(hù)坡（4）壩坡馬道（5）反濾層在進(jìn)行以

36、上設(shè)計(jì)過(guò)程中，均應(yīng)配合繪制相應(yīng)的各種草圖。三、設(shè)計(jì)成果和要求1圖紙（1）CAD繪制A2號(hào)圖紙一張：在地形圖上繪制樞紐平面布置圖，在地質(zhì)剖面圖上繪制下游立視圖，交電子版圖紙。（2）手繪A1號(hào)圖紙一張：大壩典型剖面圖，細(xì)部結(jié)構(gòu)圖23個(gè)（項(xiàng)目自定），比例尺自定。2設(shè)計(jì)說(shuō)明計(jì)算書(shū) 給出設(shè)計(jì)說(shuō)明計(jì)算書(shū)一份，字?jǐn)?shù)不應(yīng)少于1萬(wàn)字。力求簡(jiǎn)明扼要，做到有分析、有結(jié)論。說(shuō)明計(jì)算書(shū)內(nèi)容一般包括：（1）基本資料：對(duì)水文、地質(zhì)、地形的簡(jiǎn)要評(píng)述，列出設(shè)計(jì)依據(jù)的數(shù)字。樞紐的任務(wù)及組成；工程等級(jí)及建筑物級(jí)別。（2）樞紐布置：各組成建筑物的相對(duì)位置，進(jìn)行樞紐布置時(shí)對(duì)壩體、壩基防滲排水、建筑物進(jìn)水條件、交通等的考慮及所采取的措施

37、。（3）土壩的剖面和構(gòu)造設(shè)計(jì)：壩的輪廓形狀、基本尺寸、主要構(gòu)造。（4）土壩的滲流計(jì)算。（5）土壩的穩(wěn)定計(jì)算。其中計(jì)算的內(nèi)容包括：壩頂高程的計(jì)算、穩(wěn)定和滲流計(jì)算等。計(jì)算應(yīng)盡量采用表格并有必要的附圖。對(duì)采用公式應(yīng)說(shuō)明符號(hào)的意義，對(duì)計(jì)算結(jié)果應(yīng)做出評(píng)價(jià)，或說(shuō)明應(yīng)采取的工程措施。四、進(jìn)度計(jì)劃以上全部工作的總時(shí)數(shù)為兩周，同學(xué)應(yīng)配合教師共同掌握進(jìn)度和要求，避免負(fù)擔(dān)過(guò)重或不滿足要求。設(shè)計(jì)期間應(yīng)注意德、智、體全面發(fā)展。各階段學(xué)時(shí)分配：講解0.5天；熟悉和查閱資料0.5天；計(jì)算5天；畫(huà)圖2天；整理1天；答辯1天。五、成績(jī)?cè)u(píng)定設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)將圖紙及說(shuō)明計(jì)算書(shū)交指導(dǎo)教師審閱并準(zhǔn)備接受適當(dāng)?shù)乜疾?，最后給予成績(jī)。根據(jù)學(xué)生

38、在課程設(shè)計(jì)中的表現(xiàn)及課程設(shè)計(jì)成果進(jìn)行綜合評(píng)定，成績(jī)分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級(jí)，成績(jī)不合格者要求重做。 附錄1 基本資料 第一節(jié) 流域概況XX溝發(fā)源于京郊XX北麓，自南而北流經(jīng)XX區(qū)XX鎮(zhèn)，為溫榆河水系之南沙河的支流，流域面積4.2km。擬建的XX水庫(kù)壩址位于XX鎮(zhèn)XX村南、XX溝出山口的河道狹窄處。距方（莊）頤（和園）公路約1.5km，有簡(jiǎn)易公路相通。工程區(qū)距中關(guān)村科技開(kāi)發(fā)區(qū)約15km，距上地科技園區(qū)約10km，距XX園亦僅13km，水庫(kù)上游及下游均有密集的住宅區(qū)。壩址以上主溝長(zhǎng)2.95km，流域面積2.90km2，溝底平均坡降11.3%。第二節(jié) 樞紐任務(wù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)本工程以形成環(huán)境

39、景觀水庫(kù)為主，工程建成后，可以形成6000070000m2面積的水域，蓄水30萬(wàn)m3，可以在一定程度上減少流域內(nèi)的水土流失，減輕山洪對(duì)下游村鎮(zhèn)、交通線路的危害，進(jìn)一步改善和美化環(huán)境，調(diào)節(jié)小氣候，改善周邊植物生長(zhǎng)條件。同時(shí)為農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水提供補(bǔ)充水源。水利樞紐經(jīng)過(guò)可行性研究，提出如下參數(shù)作為建筑物設(shè)計(jì)依據(jù)。一、特征水位（表1）表1 水庫(kù)特征水位正常蓄水位98.00m設(shè)計(jì)洪水位（2%）99.6m校核洪水位（0.5%）100.0m 注：下游無(wú)水二、防洪標(biāo)準(zhǔn)與安全泄量（表2）考慮到工程特點(diǎn)及工程區(qū)下游現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。 表2 防洪標(biāo)準(zhǔn)與安全泄量

40、 洪水標(biāo)準(zhǔn)洪水流量安全泄量50年一遇（P=2%）77m3/s50200年一遇（P=0.5 %）100m3/s60第三節(jié) 自然條件一、地形工程區(qū)位于九龍山碧云寺向斜東北翼。在微地貌上處于山前過(guò)渡區(qū)，相對(duì)高度20100m。庫(kù)區(qū)左岸為沖積洪積堆積階地，階面由北向南逐漸抬升，高程自左壩頭至庫(kù)尾由100m遞升至120m，平均坡比0.056。庫(kù)盤(pán)區(qū)為河漫灘。壩址位于溝口河道狹窄處，溝底河道寬約35m，高程84.50m。二、地質(zhì)1、水庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)條件 水庫(kù)區(qū)為一由西北方向（壩前）向東南方向漸擴(kuò)的扇形谷地，北、東、南三面環(huán)山，相對(duì)高差2080m，西面為山前堆積階地，相對(duì)高差1015m。庫(kù)區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沖積洪積層廣

41、為分布，厚度在15m以上，水庫(kù)的北、東、南三面及庫(kù)盆下，基巖均為石炭二疊系或二疊系地層，透水性弱。西面廣泛分布的洪積碎石（含粉質(zhì)土）層，以及壩下沉積的粉質(zhì)粘土、漂石夾粉質(zhì)粘土層，是未來(lái)滲漏的主要設(shè)防地段，也是影響大壩安全的主要因素。淹沒(méi)損失小，無(wú)浸沒(méi)及大的庫(kù)岸穩(wěn)定和淤積問(wèn)題。 在地質(zhì)構(gòu)造上，處于九龍山碧云寺向斜東北翼端部的轉(zhuǎn)折端?；鶐r內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，但未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性好。 基巖中分布有裂隙潛水。第四系松散層中有孔隙潛水，水面埋深13.4015.5m，其補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及山區(qū)基巖裂隙水，其排泄流向基本上與河道流向一致。2、壩址工程地質(zhì)條件 壩址區(qū)呈“U”形河谷，谷底寬約35

42、m，高程84.50m。上部（高程100m處）寬約120m，主河道由南向北流經(jīng)庫(kù)區(qū)后，改向?yàn)橛赡蠔|向北西方向穿過(guò)壩址。谷底沉積有深達(dá)19.60m的第四系沉積層。左壩頭亦為山前沖積洪積階地沉積物。右壩頭為古生代二疊紀(jì)板巖，其產(chǎn)狀為傾向南，傾角50°。未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模斷裂構(gòu)造。 板巖為黃綠色，主要成分為粘土礦物，含白云母、絹云母和綠泥石等變質(zhì)礦物，節(jié)理、板理發(fā)育，裂隙面上有氧化鐵薄膜，裂隙中有紅色粘土充填。露頭巖石呈強(qiáng)風(fēng)化。經(jīng)分析和鉆探資料證實(shí)，壩基覆蓋層下基巖亦為板巖。壩基覆蓋層表層為卵礫石，向下依次為碎石、漂石、粉土層等，其中的孔隙潛水水面埋深13.5m。巖性在水平方向和垂直方向均存在明

43、顯的交替、穿插，透水性變化較大。對(duì)分布于壩基和左壩頭的覆蓋層，需采取可靠有效的防滲措施，方能確保大壩安全和水庫(kù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。三、水文氣象流域內(nèi)無(wú)水文測(cè)站和氣象站?？蓞⒄战梃b的XXXX站和XX站，至水庫(kù)的直線距離分別為12km和20km。1、 河流水文特性XX溝為間歇性河流，除遇較大降雨時(shí)溝中有徑流外，一般均為干溝。根據(jù)北京市山區(qū)水文資料，流域多年平均降水量640mm，多年平均徑流深為240mm（相應(yīng)多年平均年徑流量為69.6´104m3）。代表性水文年的年徑流量如表3所列。表3 代表性水文年的年徑流量代表性水文年豐水年（P=25%）平水年（P=50%）枯水年（P=75%）年徑流量(m3)91.4´10455.1´104