水工建筑物課程設計—斜墻壩

1、水工建筑物課程設計班級： 姓名： 學號：水工建筑物課程設計斜墻壩一、 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，供水工程的最大引用流量為20m3/s。水庫正常蓄水位590 m、設計洪水位592 m、校核洪水位593m。設計洪水流量1200m3/s,下泄允許最大單寬流量18m3/

2、s。水庫最大風速12m/s，吹程D=5km。灌區(qū)位于左岸，灌溉輸水渠渠首設計水位572m。二、 設計報告(一) 土石壩的剖面尺寸及構(gòu)造 經(jīng)分析，該設計選擇斜墻壩。1、 壩頂高程：壩頂高程=水庫靜水位+壩頂超高，取4種運用條件：1) 設計洪水位+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波浪在壩坡上的設計爬高，m；e風浪引起的壩前水位壅高，m；A安全加高，m。1) 風壅水面高度： 式中，K綜合摩阻系數(shù)，??；D風區(qū)長度，取吹程5km；計算風向與壩軸線的法線間的夾角，

3、該壩；風區(qū)內(nèi)水域平均深度，設為35m；計算風速，m/s，2級壩采用多年平均最大風速的1.52.0倍，此處取2倍。 算得，e=0.015m2) 波浪爬高的計算：平均波浪爬高：當壩坡系數(shù)m=1.55.0時，。式中，斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，查表得1.0；經(jīng)驗系數(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)驗公式得出:0.63=7.25 則， 設計波浪爬高：對2級壩取累計頻率1%的爬高值，不同累計頻率下的波浪爬高，可由的值和相應的累計頻率P（%）查表得出。 ，查表得=2.66，所以，3) 安全加高A：根據(jù)壩的級別，按表5-1選用。表格 1 土石壩的安全加高 單位：m壩的級別12

4、3正常運行條件1.501.000.70非正常運行條件（a）0.700.500.40非正常運行條件（b）1.000.700.50該壩屬于2級壩，所處地形屬于山區(qū)、丘陵區(qū)。4種運用條件成果如下：表格2 土石壩的壩頂高程 單位：m運用條件水位波浪爬高R風壅水高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、 壩

5、頂構(gòu)造：（1） 壩頂寬度：SL 274200J碾壓式土石壩設計規(guī)范規(guī)定： 高壩頂寬可選為10-15m，中、低壩頂寬可選為5-10m。由于該設計中無交通要求時，僅考慮搶險防汛及檢修灌漿和運行管理要求，壩頂寬度8m。（2） 壩頂構(gòu)造： 壩頂蓋面材料應根據(jù)當?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。本設計采用碎石路面。 壩頂上游側(cè)宜設防浪墻，墻頂一般高出壩頂1.0-1.20m。防浪墻應堅固不透水，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)(1:2.0

6、0)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，上游則可適當放緩。該壩最大壩高596-560=36m，采用兩級邊坡。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設置一條馬道，其寬度不小于為1.52.0m，馬道一般設在坡度變化處，坡率相差0.2-0.5。該壩在壩高處設置寬為2m的馬道，坡度為1:1.5，1:2.0。（2） 護坡構(gòu)造

7、： 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、尾水部位的風浪、冰層和水流的作用以及動物、凍脹、干裂等因素的破壞作用，因此，上下游八面必須設置護坡。 該壩上游護坡采用漿砌石護坡，從壩頂一直到壩角，護坡厚度為50cm，下部設厚度均為40cm的碎石或粗砂墊石。下游護坡設厚度為50cm的碎石護坡，護坡下面設厚度為40cm的粗砂墊層。4、 壩體防滲設置：（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。在設計中通常采用平均容許比降作為控制標準，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。防滲體頂部的水平寬

8、度不應小于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。斜墻上游應設置保護層，以防止冰凍和干裂。保護層可采用砂或碎石，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施。槽底寬度應根據(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。槽的

9、邊坡一般不陡于(1:1)(1:1.5)，槽兩側(cè)設置反濾層或過渡層。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加厚以防斷裂。鋪蓋上應設保護層，以防止蓄水前干裂、凍蝕和運用期的風浪或水流沖刷

10、，鋪蓋底應設置反濾層保護鋪蓋土料不流失。6、 土壩排水設置：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2級壩不小于1.0m，而且還應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)地基之間均應設置反濾層，在棱體上游坡腳處應盡量避免出現(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面外

11、的接觸沖刷。反濾層一般由1-3層級配均勻，耐風化的砂、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。合理的反濾層設計要滿足的要求：（1） 被保護土層不發(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） 透水性大于被保護土層，能暢通的排除滲透水流，同時不致被細粒土淤塞而失效。這要求反濾層必須有足夠大

12、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系符合達西定律，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點x010204060801001201401

13、60y01.161.642.322.843.273.664.014.334.63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用情況下壩坡是否安全、經(jīng)濟。2、 土石壩滑動面的形式有：曲線滑動面； 直線或折線滑動面；復合滑動面。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（正常運用條件）：水庫蓄滿水（正常高水位或設計洪水位）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

14、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：對于該壩來說，滑動面接近于圓弧，故采用圓弧滑動法進行壩坡穩(wěn)定分析。為了簡化計算和得到較為準確的結(jié)果，常采用條分法。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

15、（通常寬度b=0.1R）分為若干個鉛直土條，不計相鄰土條間的作用力分別計算出土條對圓心O的抗滑力矩和滑動力矩，再分別求其總和。當土體繞O點的抗滑力矩大于滑動力矩，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12個條塊，為方便計算，取各土條塊寬度，對各土條進行編號，以圓心正下方的一條編號為i=0,并依次向上游為i=1,2,3,向下游為i=-1,-2,-3,如圖示 不計相鄰條塊間的作用力，任取第i條為例進行分析，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應土層的重度；分別表示相應的土層高度，b為土層寬度，可以將沿滑弧面

16、的法向和切向進行分解，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)為式中，為i土條底面上的弧長，。若計算時考慮孔隙水壓力作用，可采用總應力法或有效應力法?？倯Ψㄓ嬎憧够r采用快剪或三軸不排水剪強度指標；有效應力法計算滑動面的滑動力時，采用有效應力指標和，根據(jù)以往實際工程經(jīng)驗取， 此時，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。部分計算結(jié)果見下表土條編號-35.779.11103.86182

17、.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