水工建筑物課程設(shè)計(jì)-心墻壩

水工建筑物課程設(shè)計(jì)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào):一、水工建筑物課程設(shè)計(jì)心墻壩IIJ基本資料:1、 河谷地形見(jiàn)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3——5m，河床5 7m。覆蓋層滲透系數(shù)平均為10-2cm/s 10-3cm/s.3、 內(nèi)外交通。工程緊靠公路，與鐵路線(xiàn)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(kù)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(kù)正常蓄水位590m、設(shè)計(jì)洪水位592m、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18m3/s。水庫(kù)最大風(fēng)速12m/s，吹程D=5km。二、設(shè)計(jì)報(bào)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(chǔ)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(guò)水非溢流土壩。大壩壩址覆蓋層厚度最大為7m，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(jì)用土石壩，故采用開(kāi)敞式河岸溢洪道，布置在右岸。1、壩頂高程：壩頂高程二水庫(kù)靜水位+壩頂超高，取：1） 設(shè)計(jì)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一壩頂超高，m；R一波浪在壩坡上的設(shè)計(jì)爬高，m；e一風(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：e="可"cos&2gHm式中，K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6x10-6;D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，取吹程5km；&—計(jì)算風(fēng)向與壩軸線(xiàn)的法線(xiàn)間的夾角；h一風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度，設(shè)為33m；w一計(jì)算風(fēng)速，m/s，2級(jí)壩米用多年平均最大風(fēng)速的1.5—2.0倍。算得，e=5.677x10-4m2） 波浪爬高人的計(jì)算：平均波浪爬高R:當(dāng)壩坡系數(shù)m=1.5口5.0時(shí)，RmRm式中，Ka一斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，查表得1.0；K一經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表得1.0；h一平均波高，m；l一平均波長(zhǎng)，mo平均波高與平均波長(zhǎng)由官?gòu)d水庫(kù)公式得出：5 1h5 1h=0.0166W4D3h=0.63L=7.25gLm=0.331W-?。I(yè)L=7.25W2 W2貝U，R=尸—.0.63x7.25=0.68m設(shè)計(jì)波浪爬高R:p對(duì)2級(jí)壩取累計(jì)頻率1%的爬高值h對(duì)2級(jí)壩取累計(jì)頻率1%的爬高值h，不同累計(jì)頻率下的波浪爬高1%可由如的值和相應(yīng)的累計(jì)頻率P（%）查表得出。H如<0.1，查表得Rp=2.66,H RmR=0.68R=2.66x0.68=1.81所以，R=R=1.81m3）安全加高A：根據(jù)壩的級(jí)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）5921.815.677x10-41.0-594.81（2）5901.815.677x10-41.0-592.81（3）5931.815.677x10-40.5-595.31（4）5921.815.677x10-40.51.0595.31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(kù)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SL274—200J《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(wú)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，根據(jù)我省工程經(jīng)驗(yàn)，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(shí)用，建筑藝術(shù)處理應(yīng)美觀(guān)大方，并于周?chē)h(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(shí)的砂礫石、碎石、單層砌石或?yàn)r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(jiān)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(duì)于土質(zhì)防滲體的心墻壩：當(dāng)下游壩殼采用堆石時(shí)，常用坡率為1:1.5—1:2.5，采用土料時(shí)，常用坡率為1:2.0—1:3.0，當(dāng)上游壩殼采用堆石時(shí)，常用坡率為1:1.7—1:2.7,采用土料時(shí)，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、1:2.5兩級(jí)邊坡。下游壩高1處設(shè)置馬道，寬度為1.5m。2（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(jiǎn)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(shí)可不設(shè)排水溝系統(tǒng)?？v向（壩軸內(nèi)）排水溝常設(shè)置于馬道的內(nèi)側(cè)，橫向排水溝間距約50—100m。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(dòng)可能時(shí)，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（1:0.15）--（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(zhǎng)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-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?chē)纳笆戏线@一要求。鋪蓋向上游伸展的長(zhǎng)度一般最長(zhǎng)不超過(guò)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，以防止蓄水前十裂、凍蝕和運(yùn)用期的風(fēng)浪或水流沖刷，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(duì)2級(jí)壩不小于1.0m，而且還應(yīng)保證浸潤(rùn)線(xiàn)位于下游壩坡面的凍層以下，因下游無(wú)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(guò)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(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(guò)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(guò)渡層的作用，而過(guò)渡層卻不一定能滿(mǎn)足反濾的要求。合理的反濾層設(shè)計(jì)要滿(mǎn)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(guò)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夠大的孔隙。8、 壩型剖面圖（見(jiàn)圖紙）（二）土石壩防滲分析滲流分析的內(nèi)容包括：①確定壩體內(nèi)浸潤(rùn)線(xiàn)；②確定滲流的主要參數(shù)——滲流流速與比降；③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)k=1.0X10-5cm/s，壩殼采用砂土料，滲透系數(shù)k=1.0X10-2cm/s，兩者相差103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)算心墻的平均厚度:8=日獸=壩體滲透計(jì)算心墻的平均厚度:8=日獸=6±18=12m2 2通過(guò)心墻的％：qKH2—h2qe 28e通過(guò)下游壩殼的q:由公式（1）、（2）相等得：烏=h—H2■28K2L H2—h2下游無(wú)水，10-5 h2 2X12下游無(wú)水，=-—■10-2 2L302—h2e堆石棱柱體排水體高度為3m，計(jì)算L的長(zhǎng)度:L=4.5+17.4x2.5+1.5+14.4x3.0—3x1.5=88.2m貝U，h=2.56m，K,=10-5cm/s=8.64x10-3m/日q=KH12―h^=8.64x10-3x302―2'562=0.32m2/日e 28 2X12下游浸潤(rùn)線(xiàn)方程x=K(h—，2)(0<x<90.7)，K=10-2cm/s=8.64m/日，2q則壩殼浸潤(rùn)線(xiàn)方程可寫(xiě)為y2=6.76—0.074x(0<x<90.7)下游壩殼浸潤(rùn)線(xiàn)方程y2=6.76—0.074x(0<x<90.7)坐標(biāo)點(diǎn)x1102030405060708090.7y2.592.452.302.132.001.751.521.260.920.22心墻浸潤(rùn)線(xiàn)方程x=Ke(H12U(0<x<90.7)，K=10-5cm/s=8.64x10-3m/日2q e則心墻浸潤(rùn)線(xiàn)方程可寫(xiě)為y2=900—74.07x（0<x<12）心墻浸潤(rùn)線(xiàn)方程y2=900—74.07x(0<x<12)坐標(biāo)點(diǎn)x123456789101112y28.7427.4226.0324.5723.0121.3419.5317.5315.2812.629.233.34

浸潤(rùn)線(xiàn)輪廓如圖示:水力坡降3088.2=0.34滲漏總量約為Q=qL=3.72x10-4x607.54=0.23m3/浸潤(rùn)線(xiàn)輪廓如圖示:水力坡降3088.2=0.34滲漏總量約為滲漏量控制 q<rq]滲透變形控制:1P= x滲透變形控制:1P= x100%對(duì)于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級(jí)配圖，當(dāng)土的細(xì)粒含量P<25%時(shí)，只發(fā)生管涌型破壞；當(dāng)P>35%時(shí)只發(fā)生流土型破壞，介于其之間時(shí)，發(fā)生過(guò)渡型破壞。但此題中實(shí)際資料中沒(méi)有n值，故無(wú)法判斷。（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(xiàn)滑動(dòng)面；直線(xiàn)或折線(xiàn)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(kù)蓄滿(mǎn)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(kù)水位最不利時(shí)，上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算；庫(kù)水位正常行降落，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：5、對(duì)于均質(zhì)壩、厚墻壩和厚心墻壩來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)面往往接近于圓弧，故采用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行壩坡穩(wěn)定分析。為了簡(jiǎn)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0作轉(zhuǎn)動(dòng)。分析計(jì)算時(shí)常沿壩軸線(xiàn)取單寬壩體，按平面問(wèn)題采用條分法，將滑動(dòng)土體按一定的寬度（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0的抗滑力矩m和滑動(dòng)力矩M，再分別求其總和。當(dāng)土體繞0點(diǎn)的抗滑力矩M大于滑動(dòng)力矩M，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(xiàn)分成12個(gè)條塊，為方便計(jì)算，取各土條塊寬度b=-=日=6.74m，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=0,10 10并依次向上游為i=1,2,3,……向下游為i=-1,-2,-3,……如圖示力如下：其值為G=(yh'+yh'')b，其中y、y分別i 1i2i 1 2表示該土條中對(duì)應(yīng)土層的重度；力如下：其值為G=(yh'+yh'')b，其中y、y分別i 1i2i 1 2表示該土條中對(duì)應(yīng)土層的重度；h\h”分別表示相應(yīng)的土層高度，b為土層寬（1） 作用于該土條底面上的法向反力川與N大小相等、方向相反。（2） 作用于土條底面上的抗剪力Tf，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(zhǎng)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M￡Gcosatan中+￡clKcM ￡Gsinas i i式中，l為i土條底面上的弧長(zhǎng)，l=bseca。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?？倯?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)中'和c，根據(jù)以往實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)取中'=400，c=40kPa，y心墻=19.48kN/m3，y濕=19.45kN/m3，y飽=19.52kN/m3，此時(shí)，“ ￡（Gcosa一ul）tan9+￡clK=ii i~i iL壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為c ￡Gisinai式中，u為