水工建筑物土石坝设计

四川大学课程设计报告

题目土石坝设计

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指导教师

水利水电学院

二〇一四年十二月

第一章、设计基本资料

拟建的朝阳水库工程区位于开县赵家镇朝阳村境内，属长江上游小江水系浦里河朝阳沟支流。水库距离开县县城28.7km。

1.1工程任务及规划数据

本水利枢纽以灌溉为主，兼顾防洪。

设计灌溉面积为0.85万亩，设计放水流量0.8m3/s。根据兴利及调洪演算，确定出该水库规划指标为：水库正常蓄水位：374.5+0.7*8=380.1m时相应有效库容186.48万m3；30年一遇设计洪水位：375.2+0.7*8=380.8m（溢洪道最大下泄流量约20m3/s）；300年一遇校核洪水位：376.1+0.7*8=381.7 m时相应总库容218.44万m3（溢洪道最大下泄流量32m3/s）；水库死水位362.00m。

1.2地形地质条件

坝址处河谷断面河床宽度约20～30m，两岸岸坡基本对称，坡角约35°。

河床基岩高程350m，岩基为弱风化岩层，k=0.8×10-6cm/s。地基表面高程354.6m，高程350m～354.6m为砂砾石覆盖层。（351+0.9*4=354.6m）.地形地质情况详见图纸。

1.3水文气象

水库集雨面积为3.67km2，流域属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量1236.4mm，多年平均径流深

590.0mm。

库区汛期多年平均最大风速10.5m/s，方向垂直坝面，水库吹程

0.3km。

1.4天然建筑材料

工程区附近土料及天然沙砾石、块石、石渣料均较为丰富。上游1～1.5km范围内可供开采的土料，主要为棕红色砂质粘土，粘性很强，是很好的防渗材料，总储量约9万m3；坝址下游1～2km范围内有约6万m3的石料可供开采，该石料主要为石英砂岩；在坝址下游2～2.5km范围内有丰富的石渣料，储量约10万m3。砂砾石覆盖层及天然材料物理力学性质见表1。

1.5其他资料

当地有较丰富的土石坝施工经验，缺少混凝土坝施工经验。

工程单价可按下式估算：粘土填筑30元/m3；干砌块石88元/m3；石渣料填筑45元/m3；土石方开挖20元/m3。

表1 天然材料物理性质表

1.6设计任务

（1）根据提供的设计资料和图纸，确定较为合理可行的枢纽布

置，即确定大坝、泄水建筑物、取水建筑物等枢纽建筑物的布置。由于时间关系，大坝选定为土石坝，在此基础上确定泄水建筑物、取水建筑物的位置及形式。

（2）通过坝型方案比较，确定推荐坝型，并对推荐坝型进行计算分析和详细设计。

1.7提交成果

（1）设计说明书（包括计算原理）一份。

论述枢纽布置；论证坝型选择并进行材料分区布置；计算坝顶高程；进行正常水位时的渗流计算，包括渗流量、浸润线和渗透变形分析；进行正常水位工况时下游坝坡一个滑移面的稳定分析；论述主要构造与尺寸，论述地基处理措施。

（2）设计图纸两张（2号图）

枢纽平面布置图一张；土石坝横断面设计图一张，包括坝顶、护坡、马道、排水设备和坝基防渗等的细部构造。

1.8参考资料

SL252—2000 《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》SL274-2001 《碾压式土石坝设计规范》

SL189—96 《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》第二章、工程等别及建筑物级别

根据水利水电工程等级划分依据，综合考虑水库的总库容、防洪库容、灌溉面积、电站的装机容量等，工程规模有库容决定，此水库

工程的正常蓄水位时有效库容186.48万m3，校核洪水位时相应总库容186.48万m3，灌溉面积为0.85万亩，查参考资料可得其工程等别为Ⅳ，工程规模为小（1）型。

又由水工建筑物的级别划分依据得知，该类小（1）型的主要水工建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。

第三章、坝型选择及枢纽布置

3.1、坝型选择

（一）坝型选择论证

所选的坝轴线处河床冲积层较深，两岸风化岩石透水性大，基岩为弱风化岩层，强度较低，地基到地表为砂砾石覆盖层，地基不完整。从地质条件看不宜建拱坝。较高的混凝土重力坝要求修建在岩石基础上，且当地缺少混凝土坝施工经验，因此也是不可行的。而土石坝适应地基变形能力较强，对地基的要求较低；从当地的材料来看土石材料比较丰富，况且土石坝有就地取材特点；当地有较丰富的土石坝施工经验，为修建土石坝提供了施工基础。通过各种不同的坝型进行定性的分析比较，综合考虑地形条件、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝的方案。

（二）枢纽组成建筑物

(1)、挡水建筑物;土石坝。

(2)、取水建筑物;取水隧洞。

(3)、泄水建筑物;该工程兼顾防洪，故其包括泄洪隧洞和冲沙放空洞，均与导流隧洞结合。

3.2、枢纽总体布置

1、挡水建筑物─土石坝；挡水建筑物按直线布置，坝布置在河弯地段上。

2、取水建筑物—取水隧洞；进行灌溉的取水采用隧洞形式，取水口布置在凸岸，隧洞出口与总干渠相连接。

3、泄水建筑物—泄洪隧洞；泄洪采用隧洞方案，为缩短长度、减小工程量，泄洪隧洞布置在凸岸，这样对流态也较为有利，考虑到引水发电隧洞也布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。

综合考虑各方面因素，最后决定枢纽布置如地形图所示。

第四章、大坝设计

4、1、土石坝坝型的选型

影响土石坝坝型选择的因素很多，最主要的乃至起决定性的是附近的筑坝材料，还有地形地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理等。应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进行比选工程量、工期、造价、最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。

均质坝：

材料比较单一，施工简单，但坝身粘性较大，断面大，用料多，填筑施工易受将于和冰冻的影响。除此之外，该坝址处无足够适宜的土

料来作均质坝（坝址附近可筑坝的土料只有9万m3 ，远远不能满足要求），因此均质坝方案不可行。

堆石坝：

坝坡较陡，工程量减小。堆石坝施工干扰相对较小。坝址附近有储量为6万m3 的石料，其主要为石英砂岩，开采条件较好，可作为堆石坝石料，从材料角度可以考虑堆石坝方案。但是由于河床地质条件较差，岩基为弱风化岩层，如果用堆石坝可能导致大量的开挖，此方案不予考虑。

塑性心墙（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设置在坝剖面的中部作心墙，与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳沙砾料同时上升。从筑坝材料来看，由于坝址上游1~1.5km内有可供开采的筑坝的土料9万m3 ，其粘性很强，是很好的防渗材料，可作防渗体之用；又坝址下游1~2km范围内有约6万m3 的石英砂岩和10万m3的石渣料作为坝壳，由此可知心墙坝是可行的，因而最终采用斜心墙坝的方案。

4.2、大坝轮廓尺寸的拟定

大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程，坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。

1、坡顶高程

坝顶高程分别按设计工况、校核工况来计算大坝的高程，最后计算出数据取最大值，同时并保留一定的沉降值。坝顶高程在水库正常运用和非常─运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫

顶，其超高值y 按下式而定：

y=R ＋e ＋hc

式中 R ───波浪在坝坡上的设计爬高（m ）；e ──最大风壅水面高度；

hc ──安全加高（m ），根据坝的等级及运用情况按下表选用 土石坝坝顶的安全超高值：

最大风雍水面高度按下式计算

20c o s 2m

v D e K gH β= 式中 K —综合摩阻系数，取3.6×10-6

；0v —为计算风速（m/s ），

本设计为多年平均最大风速10.5 m/s ；D ─风区长度（m ），D=0.3km=300m ；β─风向与坝轴线的法线方向所成的夹角，因风向垂直于坝面，故β=0°；m H —坝前水域的平均水深，可查地形剖面图得。

m gH D v K e m 42

620

1022.512

.268.9230075.15106.3cos 2--?=?????==β m gH D v K e m 426201024.211

.278.923005.10106.3cos 2--?=?????==β 平均波浪爬高Rm 可按下述公式计算：m R =

式中：K ?───坝坡的糙率渗透性系数，块石为0.75～0.8；v K —经验系数，按《水工建筑物》取1.0。,m m h L ──平均波高与平均波长，选用《水工建筑物》公式计算可得；m —边坡系数，据经验取2.5。

坡顶高程计算成果表

坝顶高程结果取两者之大者，并预留一定的沉降值.结果见下表，设计竣工时坝顶高程为383.70m.所以坝高为383.70－354.6=29.1m.

2、坝顶宽度

坝顶宽度主要取决于交通需要、构造要求和施工条件，同时还要考虑防汛抢险、防空、防震等特殊需要。坝顶的最小宽度按下面的方法确定：当坝高H小于lOOm时，坝顶最小宽度Bmin取为H／10，并不小于3m；本设计坝高为29.1m故拟定坝顶宽度为5.0m。

3、坝坡设计

土石坝的坝面坡度取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。其范围大致在1：2~1：4之间。当坝较高时，可每隔8-15m变一次坡，相邻坡率差取0.25-0.5，变坡处下游通常设置1.5—2.0m宽的马道。在满足稳定要求的前提下，应尽可能使坝坡陡些，以减小坝体工程量。

根据规范规定与实际结合，上游坡率取1:3.0。此坝高度不大，可仅在下游设置变坡，下游上部坡度1:2.5，下部坡率1:3.0。

在下游坝坡改变处，设置2m宽的马道以使汇集坝面的雨水，防止冲刷坝坡，并同时兼作交通、观测、检修之用。

4、坝体排水

坝体浸润线位置不高，没有必要降低坝体浸润线，故采用贴坡排水。此种排水形式石料用量少，施工方便，便于检修。排水层厚度取为0.5m，顶部按规范要求高出浸润线逸出点1.5m。

5、大坝防渗体

大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面. （1）、坝体的防渗

坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求，同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙，心墙的顶部宽度取为4m（满足大于3m 机械化施工要求），粘土斜心墙的上游坝坡的坡度为1:0.15～1:0.25之间，本设计取为1:0.15，底宽为5+(380.8-354.6)*0.15*2=12.86m。心墙的顶部高程以设计水位加一定的超高（超高0.6m）并高于校核洪水位为原则，最终取其墙顶高程为380.8m，墙顶的上部预留有0.5m 的保护层。

（2）、坝基防渗体

坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：1.2。

第五章、渗流计算

土石坝的渗流计算主要确定坝体的浸润线的位置，为坝体的稳定分析和布置观测设备提供依据；同时确定坝体与坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失，而且还要确定坝体和坝基渗流区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便取适合的控制措施。

5.1、计算方法

(1)选择水力学法解土坝渗流问题。假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速都是相等的，将坝体分为若干段，

根据坝内各部分渗流状况的特点，应用达西定律近视解土坝渗流问题。计算如下：

22

2111

(+)(h+T)2H H q k δ-=

22

22

21222(L )h H q k m H -=-

233

1(h H )T 0.44q k L T -=+

. 由于沙砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，逸出水与下游水位相差不是很大，认为不会影响逸出高度；对于岸坡断面，下游水位在坝底以下，水流从上往下流时由于横向落差，此时实际上不是平面渗流，但计算仍按平面渗流计算，近视认为下游水位为零。由于河床冲积层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址。

5.2、计算断面及计算情况的选择

对河床中间断面I —I （1）,及左右岸坝肩处的两典型特殊断面II —II （2）、III —III （3）进行渗流计算，计算主要针对正常蓄水及设计洪水时进行。 5.3、计算结果：

5.4、成果分析与结论

该坝的总渗流在正常蓄水时为12.05m3/d，设计洪水时为14.18m3/d，与同类工程相比是很小的，说明把基本不会存在什么渗漏问题，设计合理。

第六章、稳定分析计算

6.1、计算方法

在正常水位工况时（稳定渗流期）取下游坝坡的一个滑移面核算土石坝的稳定。斜心墙坝的下游坝坡滑动时形成近于圆弧形滑动面。运用瑞典圆弧法（不考虑土条间的作用力）计算土坡出最小安全系数，并据此确定出土坝的滑移面。

6.2、计算结果

下游坝坡圆弧滑动面计算结果如下所示：

由计算所得滑动安全系数Kmin=1.38，大于1.25，故其正常水位工况时安全系数满足设计要求。

6.3、稳定成果分析

由于下游坡较缓，正常情况Kmin=1.38，坝的稳定安全系数满足要求，维持原拟订的剖面。

第七章、基础处理部分

7.1、河床部分

砂砾石地基主要是解决渗流问题。可分为垂直防渗和水平防渗。（1）垂直防渗控制方案可以参照第四章讲到的坝基防渗体。【坝址河床的砂砾石层深度不是很大，垂直防渗设置截水槽。截水槽贯穿整个河床并延伸至两岸。截水槽底宽由回填土料（与大坝防渗体相同）的允许渗透坡降确定。则底宽为，取为5.0m（大于机械施工的最小宽度3.0m），边坡坡度选为1：1.2。】

（2）水平防渗控制方案。由于站址处粘土的渗透系数为4.73×10-6 cm/s，大于铺盖填土要求的渗透系数 1.0×10-6 cm/s，故不能使用该地材料进行铺盖防渗。

7.2、坝肩处理

坝肩两岸为覆盖层及弱风化岩层，深约4m，承载力较好，但是透水性较差，故坝肩处理的主要任务也是防渗。可以采用帷幕灌浆提高岩层的不透水性，减少坝基的渗漏量。

第八章、细部构造设计

8.1、坝的防渗体，排水设备

具体的防渗措施按照上面的设计为主；下游戗道设置排水沟，并在坝坡设置横向排水沟以汇集雨水，岸坡与坝坡交接处也设置排水沟，以汇集岸坡雨水，防止雨水淘刷坝坡。

8.2、护坡设计

上游护坡用砌石，因其抵御风浪的能力较强，下游坝面直接铺上20cm 的石料作为护坡。上游护坡上做至坝顶，下做至死水位以下362m。

8.3．坝顶布置

坝顶设置碎石路面，坝顶向下游设1%横坡以便汇集雨水，并设置纵向排水沟，经坡面排水排至下游，坝顶设置拦杆以便安全。

第九章、泄水建筑物设计

9.1、泄水方案选择

坝址地带河谷较窄、山坡陡峻、山脊高，经过比较枢纽布置于河弯地段。由于两岸山坡陡峻，无天然垭口。如采取明挖溢洪道的泄洪方案，开挖量较大，造价较高，故采用了隧洞泄洪方案。隧洞布置于凸岸（左岸）。

9.2、隧洞选择与布置

枢纽布置于河弯地段。从地形上来看隧洞应当布置于凸岸，这样不仅工程量省，而且水力条件也较好。从地质来看这个此处除表面有一层弱风化岩外，.下部大部分为坚硬的岩石，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但走向大都与隧洞轴线成较大的角度。因此将泄洪洞布置于右岸凸出的山梁里面。

9.3、隧洞的体型设计

（1）隧洞的的形式

由于进口岸坡地质条件较好，岩体完整，岸坡稳定，坚固，因而采用竖井式进口，井底设置闸门，顶部安装启闭设备。设为喇叭口，闸门型式及尺寸。工作及检修闸门均采用平板门，设在进口处，闸门宽3m，高为4.5m。

（2）、洞身断面型式和尺寸

本无压隧洞采用城门洞型断面。水流流经进口段后拟定洞宽不变，高度渐变为4.0m，渐变段长度为3m。圆拱中心角选180°，半径

取1.5m，直墙高度为2.5m。

（3）、出口消能段。

隧洞出口高程定为365.0m，由于下游出口离大坝较远，较大的冲坑不致影响坝的安全，下游也没有需要特别保护的建筑物，且地质条件容许。因而采用挑流消能。由于隧洞出口宽度小，单宽流量集中，

θ=°，因出口为平段，为了水流能因而在出口设置扩散段。挑角取25

平顺挑出采用了较大的反弧半径R=50m。

（4）、隧洞水力计算

设计洪水位：380.8m；下泄流量：20m3/s；校核洪水位：381.7m；下泄流量：32 m3/s。因在宣泄校核洪水时也要满足各项要求。因而对校核情况进行水力计算。为不影响遂洞的泄流能力，隧洞应做成陡坡。坡度太大施工不便，底坡取i=0.06。

（5）、隧洞的细部构造

洞身衬砌,工程为无压泄洪隧洞采用城门洞形断面，整体式单层混凝土衬砌。衬砌厚度，取1/12洞径，最后取0.2m。衬砌分缝、止水,为适应施工能力、防止混凝土干缩和温度应力而产生的裂缝，沿洞轴线方向设置永久性横向伸缩缝，分缝间距为10.0m，缝间设止水。为防止不均匀沉陷而开裂，衬砌突变处设横向沉降缝。灌浆,洞顶部进行回填灌浆，充填围岩与衬砌的空隙，使之紧密结合，共同工作，改善传力条件和减少渗漏.对围岩进行固结灌浆，提高其整体性，保证围岩的弹性抗力，减少渗漏。回填灌浆与固结灌浆孔间隔布置。掺气

槽,在反弧段前沿及其后设置掺气槽，向水流边界通气，提高低压区的压力，缓冲气泡溃灭时的破坏作用。

第十章、取水建筑物设计

10.1、取水方案的选择与布置

观察地形图可知，左岸山体坡度陡峭，地质条件稳定，可以采用隧洞取水方案。为了节省工程量，缩短隧洞长度，故将其布置在凸岸。工作闸门设置在进水口处。

10.2、隧洞的体型设计

引水流量为0.8m3/s，仍做为竖井式无压隧洞，洞身仍采用城门洞型断面。根据以往工程经验，取隧洞的坡降为i=0.003，且采用混凝土护面，查得糙率系数n=0.017。取隧洞宽度为1.6m，高度为2.0m，圆拱段半径为0.8m。

假设水流只在直线流动，则其水深为h=1.2m。取水口位置，因为该水库的死水位为362m，为了满足在死水位时能够满足设计流量，洞口应该在死水位以下，设洞口在死水位以下0.7m，即高程为

=

361.3m。校核在此水位能否取到引水流量。由公式Q?

?=，b=1.6m，Q=0.8 m3/s，0H=0.5m，c h为闸门开度，经试已知0.95

算c h=0.48597，故闸室开度为0.48597时可以取到设计流量，所以取水口在水下0.7m满足要求。

第十一章、工程经济计算

一、土石填筑量计算 1、粘土料填筑方量

坝体横断面面积：11471.924.761.824.7174.722?+?-??=（）m 2， 截水槽断面积：1

4.1310.15642.842

?+?=（）m 2，则粘土的最大填筑方量为： （174.7+42.84）×140=30455.6m 3

，因其类似于一个锥体，取其最大填筑方量的1/3, 故有粘土填筑方量为：130455.610151.83

?=m 3

。

2、石渣料填筑方量 横断面面积：

1163.0563.0525.2227.3610.721647.0222

?+?+?+?=（）（）m 2， 石渣料最大填筑方量：1647.02×140=230582.8 m 3

，取其1/3,则有石渣料填筑方量为：

1

230582.876860.93

?=m 3。 3、干砌块石填筑量

横断面面积：8.235+0.5)24.7=107.8??1

（2

m 2，干砌块石最大填筑方量： 107.8×140=15102.8m 3

，取1/3，为15102.8÷3=5034.3m 3

。 4、土石方开挖量 据地形图可知，最大截面上开挖量为19.7 m 2，则总的最大开挖量为：19.7×140=2758 m 3,取1/3有：2758÷3=919.3m 3

。 二、工程造价估算

总造价3510151.82576860.9485034.315919.32532271.4A =?+?+?+?=元。