水利水電工程畢業(yè)設計計算書

粘土心墻土石壩設計與泄洪洞襯砌內(nèi)力計算水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計30-31-畢業(yè)設計計算書目錄第一節(jié)調(diào)洪計算 -4-1.1調(diào)洪演算的原理概述 -4-1.2若干假定方案的調(diào)洪演算 -6-1.2.1方案一：I=2811m,B=7m -6-1.2.1.1設計洪水情況 -6-1.2.1.2校核洪水情況 -6-1.2.2方案二：I=2812m,B=7m -7-1.2.2.1設計洪水情況 -7-1.2.2.2校核洪水情況 -8-1.2.3方案三：I=2811m,B=8m -9-1.2.3.1設計洪水情況 -9-1.2.3.2校核洪水情況 -9-1.2.4方案四：I=2812m,B=8m -10-1.2.4.1設計洪水情況 -10-1.2.4.2校核洪水情況 -10-1.2.5方案五：I=2813m,B=8m -11-1.2.5.1設計洪水情況 -11-1.2.5.2校核洪水情況 -12-1.2.6方案六：I=2810m,B=8m -13-1.2.6.1設計洪水情況 -13-1.2.6.2校核洪水情況 -13-第二節(jié)土石壩壩高的確定 -14-2.1基本計算原理及計算公式： -14-2.1.1設計水位加正常運用條件下的壩頂超高 -16-2.1.1.1風壅高度 -16-2.1.1.2波浪爬高 -16-2.1.2正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高 -17-2.1.2.1風壅高度 -18-2.1.2.2波浪爬高 -18-2.1.3校核洪水位加非常運用條件下的壩頂高程 -19-2.1.3.1風壅高度 -19-2.1.3.2波浪爬高 -19-2.1.4正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高加地震安全加高 -20-2.1.4.1風壅高度 -21-2.1.4.2波浪爬高 -21-2.2計算結(jié)果整理 -21-第三節(jié)土石料的設計 -23-3.1粘性土料的設計 -23-3.1.1計算公式 -23-3.1.2計算結(jié)果 -24-3.1.3土料的選用 -24-3.2砂礫料設計 -25-3.2.1計算公式 -25-3.2.2計算成果 -25-3.2.3砂礫料的選用 -29-第四節(jié)滲流計算 -29-4.1計算方法 -29-4.2計算斷面與計算情況 -30-4.2.11-1斷面： -30-4.2.1.1正常蓄水位+相應下游水位 -30-4.2.1.2設計水位與下游相應的水位 -30-4.2.1.3校核水位與下游相應水位 -31-4.2.22-2斷面： -31-4.2.2.1正常蓄水位+相應下游水位 -31-4.2.2.2設計水位與下游相應的水位 -31-4.2.2.3校核水位與下游相應水位 -32-4.2.33-3斷面： -32-4.2.3.1正常蓄水位+相應下游水位 -32-4.2.3.2設計水位與下游相應的水位 -33-4.2.3.3校核洪水位與下游相應的水位 -33-4.3逸出點坡降計算： -34-4.3.1心墻內(nèi)滲流最大滲透坡降 -34-4.3.1.1正常蓄水位情況 -34-4.3.1.2設計洪水位情況 -34-4.3.1.3校核洪水位情況 -34-4.3.2逸出點滲透坡降 -34-4.3.2.1正常蓄水位情況 -34-4.3.2.2設計水位情況 -34-4.3.2.3校核洪水位情況 -35-第五節(jié)土石壩邊坡穩(wěn)定分析 -35-5.1計算方法概述 -35-5.2源程序代碼簡示 -37-5.3工況選擇與穩(wěn)定計算成果分析 -44-5.3.1上游坡 -44-5.3.1.1施工期水位在1/3壩高處 -44-5.3.1.2穩(wěn)定滲流期 -44-5.3.1.3水位驟降到死水位2796m -44-5.3.2下游坡 -44-5.3.2.1施工期水位在1/3壩高處 -44-5.3.2.2穩(wěn)定滲流期 -45-5.3.2.3正常蓄水位2822.5m+地震 -45-第六節(jié)土石壩細部結(jié)構(gòu)計算 -45-6.1土石壩反濾層的設計計算 -45-6.1.1防滲體的反濾層： -45-6.1.2．壩殼與棱體排水，以及地基與棱體排水之間的反濾層的設計 -46-6.2土石壩護坡設計 -47-第七節(jié)泄水建筑物的有關(guān)計算 -48-7.1隧洞有關(guān)水力計算 -48-7.1.1進口堰面曲線部分（以堰頂為坐標原點） -48-7.1.2隧洞的水力計算部分 -48-7.1.3隧洞水面曲線的計算過程 -49-7.1.3.1計算長度L -49-7.1.3.2水面曲線計算 -50-7.2隧洞的有關(guān)尺寸確定 -54-7.2.1出口處斷面部分 -54-7.2.2收縮斷面部分： -55-7.2.3出口擴散段部分： -55-7.3出口消能驗算 -55-7.3.1坎頂水深h1試算 -55-7.3.2挑距計算 -56-7.3.3沖坑深度按下式計算 -56-第八節(jié)施工組織設計 -57-8.1工日分析 -57-8.2施工導流計算 -59-8.3封堵日期的確定 -63-8.4工程量計算 -64-第九節(jié) 隧洞襯砌內(nèi)力計算 -65-9.1基本資料。 -65-9.1.1洞身襯砌斷面形式及尺寸 -65-9.1.2設計荷載 -66-9.1.3襯砌材料 -66-9.2計算方法簡述 -66-9.3計算 -67-9.3.1計算簡圖及基本原理 -67-9.3.2應力驗算 -69-9.3.2.1按承載能力極限狀態(tài)設計配筋： -69-9.3.2.2按正常使用極限狀態(tài)的驗算 -77-第一節(jié)調(diào)洪計算主要建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。永久建筑物的洪水標準：正常運用（設計）洪水重現(xiàn)期是100年；非常運用（校核）洪水重現(xiàn)期是2000年。設計洪峰流量Q設=1680m3/s（P=1%），校核洪峰流量Q校=2320m3/s（P=0.05%）。。1.1調(diào)洪演算的原理概述用以峰控制的同倍比放大法對典型洪水過程線進行放大，可以得出設計與校核洪水過程線.單位洪水過程線中，洪峰流量為120m3/s,設計洪峰流量為1680m3/s，校核洪峰流量為2320m3/s，繼而得出對應的洪水過程線，計算結(jié)果如下表1-1-1，表1-1-2所示：表1-1-1設計洪水過程線流量單位洪水過程線流量（）設計洪水過程線流量（）157025070031101540455770537.552562839272230881723891318210101401179812570132.53514114表1-1-2校核洪水過程線流量單位洪水過程線流量（）校核洪水過程線流量（）1596.67250966.6731102126.674551063.33537.5725.00628541.33722425.33817328.67913251.331010193.33117135.3312596.67132.548.3314119.33表1-1-3水庫高程～容積～面積表高程H（m）庫容V（萬m3）面積A（km2）高程H（m）庫容V（萬m3）面積A（km2）277010001.2528203670017652821.43850017.70278028002.5028234200019.00278547003.4028254620020.50279067004.5028275090021.80279595005.7528295760024.002800129007.6028336490026.002805170009.2028357000026.4028102220011.5028377500028.5028152860014.2028408160030.351.2若干假定方案的調(diào)洪演算可以擬定幾組不同孔口寬度B及堰頂高程∩的方案。堰頂自由泄流公式Q=σm?（2g）1/2H3/2可確定設計洪水與校核洪水情況下的起調(diào)流量Q調(diào)，自Q調(diào)開始，假定三條四條或泄洪過程線，在洪水過程線上可以查出Q泄，然后求出相應的蓄水庫容V。根據(jù)庫容水位關(guān)系曲線可得相應的庫水位H，由三組（Q泄，H）繪制的Q～H曲線與由Q=σm?（2g）1/2H3/2繪制的Q～H曲線相交，所得的交點即為所要求的下泄流量及相應水位。1.2.1方案一：I=2811m,B=7m算出起調(diào)流量=0.860.502711.5=522.031m3/s，側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86。1.2.1.1設計洪水情況Q設=1680m3/s,計算Q～H曲線列表如下：表1-2-1設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）70028.261437.6012823.94463030.536439.876282456032.878442.2182824.18Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=627.5m3/s，H=2824m,如圖1-2-1所示。1.2.1.2校核洪水情況Q校=2320m3/s,計算Q～H曲線列表如下：表1-2-2校核情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）773.3351.557460.8972825.014676.6655.96465.32825.20858061.451469.8822825.412Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=707.5m3/s，H=2825.133m,如圖1-2-1：圖1-2-11.2.2方案二：I=2812m,B=7m起調(diào)流量=0.860.502710.5=455.443m3/s，側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86。1.2.2.1設計洪水情況Q設=1680m3/s，計算Q～H曲線列表如下：表1-2-3設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）63032.325441.6652824.15256034.957444.2972824.2849037.702447.0422824.4Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=577.143m3/s，H=2824.2m，如圖1-2-2所示1.2.2.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計算出Q～H曲線列表如下：表1-2-4校核情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）676.6658.464467.8042825.3258063.425472.7652825.54483.3368.658477.9982825.77Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點是：Q泄=657.142m3/s，H=2825.36m，如圖1-2-2所示：圖1-2-21.2.3方案三：I=2811m,B=8m起調(diào)流量=0.860.502811.5=596.607m3/s,側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86.。1.2.3.1設計洪水情況Q設=1680m3/s，計算出Q～H曲線列表如下：表1-2-5設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）77023.891433.2312823.7270026.478435.8182823.85263028.494437.8342823.956Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=700m3/s，H=2823.867m，如圖1-2-3所示。1.2.3.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計算Q～H曲線列表如下：表1-2-6校核情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）87045.4996454.842824.746773.3349.281458.6212824.914676.6653.248462.5882825.088Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=784.615m3/s，H=2824.867m，如圖1-2-3所示：圖1-2-31.2.4方案四：I=2812m,B=8m起調(diào)流量=0.860.502810.5=520.506m3/s,側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86。1.2.4.1設計洪水情況Q設=1680m3/s，計算得Q～H曲線列表如下：表1-2-7設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）70028.299437.639282463030.579439.9192824.06656032.927442.2672824.236Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點是：Q泄=638.46m3/s，H=2824.067m，如圖1-2-4所示。1.2.4.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計算Q～H曲線列表如下：表1-2-8校核情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）87951.603460.9432825.016773.3356.015465.3552825.212676.6660.604469.9442825.414Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點是：Q泄=723.076m3/s，H=2825.067m，如圖1-2-4所示：圖1-2-41.2.5方案五：I=2813m,B=8m起調(diào)流量=0.860.50289.5=447.947m3/s,側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86。1.2.5.1設計洪水情況Q設=1680m3/s，計算得Q～H曲線列表如下：表1-2-9設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）70029.974439.3142824.06663032.523441.8632824.16256035.189444.5292824.292Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點是：Q泄=580.5m3/s，H=2824.6m，如圖1-2-5所示。1.2.5.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計算得Q～H曲線列表如下：表1-2-10校核情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）773.3353.808463.1482825.144676.6658.648467.9882825.32858063.747473.0872825.552Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=668.02m3/s，H=2825.37m，如圖1-2-5所示：圖1-2-51.2.6方案六：I=2810m,B=8m起調(diào)流量=0.860.502812.5=676.093m3/s,側(cè)收縮系數(shù)，H0/B>1時取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故ε=0.86。1.2.6.1設計洪水情況Q設=1680m3/s，計算得Q～H曲線列表如下：表1-2-11設計情況假設泄水流量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）84021.162430.5022823.58277022.837432.1772823.66670024.576433.9162823.756Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=769.23m3/s，H=2823.68m，如圖1-2-6所示。1.2.6.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計算Q～H曲線列表如下：表1-2-12校核情況假設泄水量Q泄（/s）水庫攔蓄洪水V（10）水庫總水量V（10）水庫水位H（m）87043.37452.712824.652773.3346.803456.1432824.804676.6650.338459.6782824.96Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2的交點為：Q泄=861.538m3/s，H=2824.64m，如圖1-2-6所示：圖1-2-6通過比較，最終選擇方案五即∩=2810m,B=8m。設計洪水時：Q泄=769.23m3/s，H=2823.68m；校核洪水時：Q泄=861.538m3/s，H=2824.64m。第二節(jié)土石壩壩高的確定2.1基本計算原理及計算公式：壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式2-1確定：（式2-1）式中：Y壩頂超高；R最大波浪在壩頂?shù)呐栏撸籩最大風壅水面高度；A安全超高。該壩為二級建筑物，設計時取A=1.0，校核時取A=0.5壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，應按以下運用條件計算，取其最大值:設計水位加正常運用條件下的壩頂超高；正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高；校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高；正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高。波浪的平均波高和平均波周期宜采用官廳公式，下式2-2(W<20m/s,D<20000m)（式2-2）式中：hm——平均波高，mTm——平均波周期，sD——風區(qū)長度kmHm——水域平均水深，mW——計算風速,m/s風壅高度可按下式2-3計算:（式2-3）式中：e——計算處的風壅水面高度m；D——風區(qū)長度km；K——綜合摩阻系數(shù)3.6×10；β——計算風向與壩軸線的夾角22.5°(以8個方位角為準，偏差在±22.50)，為了使壩高取高更合理，取22.5°。壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式2-4確定：（式2-4）式中：y——壩頂超高R——最大波浪在壩坡上的爬高，m（按規(guī)范二級大壩設計情況為1.0,山區(qū)丘陵去校核情況0.5。當來波波向線與壩軸線的法線成夾角時波浪爬高等于按正向來波計算爬高值乘以折減系數(shù)Kβ,Kβ應按表A.1.15確定,插值得Kβ=0.951,用R=Kβ×R1%=0.951×R1%,）e——最大風壅水面高度A——安全加高（按規(guī)范二級大壩設計情況為1.0,山區(qū)丘陵區(qū)校核情況0.5）設計波浪爬高值應根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%的爬高值。正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式2-5或有關(guān)規(guī)定計算：m，（式2-5）2.1.1設計水位加正常運用條件下的壩頂超高吹程D=15km,風速W=21km/s,壩前水深Hm，73.68m,β=22.5，按下式計算：=9.81×15000/21=333.673=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387m=0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(21)-1/2.15×(333.673)1/3.75=0.3782Lm=17.00191m=333.673,,h為累積頻率10%的波高h10%查表A.1.8， hm=hp/1.71，hm=1.07525mTm=4.438×1.07525=4.601951s2.1.1.1風壅高度可按下式計算:=3.6×10×212×15×COS(22.5°)/(2×9.81×73.68)=0.0152192.1.1.2波浪爬高設計波浪爬高值應根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%的爬高值。正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計算：m =0.78×1.0×(17.00191╳1.07525)0.5/(1+2.752)0.5 =1.139719m式中：Rm——平均波浪爬高m——單坡的坡度系數(shù),若坡角為a,即等于cotaK△——斜坡的糙率滲透性系數(shù)，根據(jù)護面類型查規(guī)范得0.78Kw——經(jīng)驗系數(shù),查規(guī)范得1.0,W/(gH)0.5<1大壩等級為2級,查規(guī)范1﹪累積頻率下的爬高與平均爬高的比值為2.23。(hm/H<0.1)R1%=2.23×1.139719=2.541573m壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：=2.541573×0.951+0.015219+1.00=3.432256m壩頂高程2823.68+3.432256=2827.112壩高2827.237-2750=77.112m為預防壩體竣工后的沉陷,預留0.3%的壩高。壩高+0.4%沉陷=2750+77.112×1.003=2827.34359m2.1.2正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高吹程D=15㎞,風速W=21㎞/s,壩前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5o=9.81×15000/21=333.673=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(21)-1/2.15×(333.673)1/3.75=0.3782Lm=17.00191m=333.673,h為累積頻率10%的波高h10%查表A.1.8 hm=hp/1.71hm=1.07525mT=4.438×1.07525=4.601951s2.1.2.1風壅高度可按下式計算:=3.6×10×212×15×COS(22.5°)/(2×9.81×72.5)=3.6×10×142×15×103/(2×9.81×72.5)/COS(22.5°)=0.015467m2.1.2.2波浪爬高設計波浪爬高值應根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%的爬高值。正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計算：m=1.5～2.0=0.78×1.0×(1.07525×17.00191)/(1+2.752)0.5=1.139719m查規(guī)范1%頻率下的爬高與平均爬高的比值為2.23。R/R=2.23R1%=2.23×1.139719=2.541573m壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：=2.541573×0.951+0.0015467+1=3.432504m壩頂高程2822.5+3.432504=2825.9325m壩高2826.057-2750=75.9325m為預防壩體竣工后的沉陷,預留0.3%的壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+75.9325×1.003=2826.16m2.1.3校核洪水位加非常運用條件下的壩頂高程吹程D=15㎞,風速W=14㎞/s,壩前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5=9.81×15000/14=750.765=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(14)-1/12(750.765)1/3=0.055438h10%=1.107622m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(14)-1/2.15×(750.765)1/3.75=0.56695Lm=11.32748m=750.765,,h為累積頻率10%的波高h10%查表A.1.8 ，hm=hp/1.71，hm=0.647732mT=4.438×0.647732=3.571782s2.1.3.1風壅高度可按下式計算:=3.6×10×142×15×COS(22.5°)/(2×9.81×74.64)=0.006677m2.1.3.2波浪爬高設計波浪爬高值應根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%的爬高值。正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計算:m=0.78×1.0×(0.647732╳11.32678)0.5/(1+2.752)0.5=0.722036m查規(guī)范不同累積頻率下的爬高與平均爬高的比值為2.23。R1%=2.23×0.722036=1.610139m壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：=1.610139×0.951+0.006677+1=2.03792壩頂高程2824.64+2.03792=2826.678m壩高2826.757-2750=76.678m為預防壩體竣工后的沉陷,預留0.3%的壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+1.003×76.678=2826.908m2.1.4正常蓄水位加非常運用條件下的壩頂超高加地震安全加高吹程D=15㎞,風速W=14㎞/s,壩前水深Hm=(2824.64-2750)=74.64m,β=22.5o=9.81×15000/14=750.765=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076×(14)-1/12(750.765)1/3=0.055438h10%=1.107622m =0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331×(14)-1/2.15×(750.765)1/3.75=0.56695Lm=11.32748m=750.765,h為累積頻率10%的波高h10%查表A.1.8， hm=hp/1.71，hm=0.647732mT=4.438×0.647732=3.571782s2.1.4.1風壅高度可按下式計算:=3.6×10×142×15×COS(22.5°)/(2×9.81×72.5)=0.006874m2.1.4.2波浪爬高設計波浪爬高值應根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%的爬高值。正向來波在單坡上的平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計算：m=0.78×1.0×(0.647732╳11.32678)0.5/(1+2.752)0.5=0.722036m查規(guī)范不同累積頻率下的爬高與平均爬高的比值為2.23。R1%=2.23×0.722036=1.610139m考慮地震，涌浪水位在0.5m～1.5m之間，所以加1.5米超高。壩頂在水庫靜水位以上的超高按下式確定：=1.610139×0.951+0.006874+1.5=3.038117m壩頂高程2822.5+3.038117=2825.538m壩高2826.117-2750=75.538m為預防壩體竣工后的沉陷,預留0.3%的壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+1.003×75.538=2825.76473m2.2計算結(jié)果整理此計算過程中采用了Excel，在此工具中直接輸入上述公式，然后帶入數(shù)據(jù)即得以下結(jié)果,如表2-2所示：表2-2官廳公式計算壩高結(jié)果整理項目設計+正常運用正常+正常運用校核+非常運用正常+非常運用+地震上游靜水位2823.682822.52824.642822.5河底高程2750275027502750壩前水深Hm73.6872.574.6472.5吹程D15000150001500015000風向夾角β22.522.522.522.5風速w21211414gD/w2333.67333.67750.77750.77波高h10%1.841.841.111.11Lm17.0017.0011.3311.33hm1.081.080.650.65護坡粗糙系數(shù)0.780.780.780.78上游壩面坡腳2.82.82.82.8經(jīng)驗系數(shù)kw1111波浪沿壩坡爬高R1.141.140.720.72R1%2.542.541.611.61安全超高A110.51.5風浪引起壩前壅高e0.020.020.010.01超高y3.563.562.123.12壩頂高程2827.112825.932826.682825.54壩高77.1175.9376.6875.54壩高計算沉陷后0.3%2827.342826.162826.912825.76壩頂高程最終定為2828米,壩高78米。第三節(jié)土石料的設計3.1粘性土料的設計3.1.1計算公式粘性土料的填筑密度以壓實干容重為設計指標，并按壓實度確定，如式3-1：（式3-1）式中：P——填土的壓實度； d——設計填筑干容重；dmax——標準擊實試驗最大干容重。對Ⅰ、Ⅱ級壩和各種等級的高壩P應不低于0.98～1.00；對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級壩（高壩除外）應不低于0.96～0.98。設計最優(yōu)含水量取在塑限附近略高于塑限，可用下式3-2擬定：(式3-2)式中：ω——土料天然含水率；ωp——土料的塑限含水量，以小數(shù)計；Ip——土料的塑性指數(shù)，以小數(shù)計；IL——土料的液性指數(shù)，亦稱稠度，高壩可取-0.01～0.1，低壩可取0.10～0.20。粘性土料實際所能達到的最大干容重如式3-3示：d(式3-3)式中：Va——壓實土體單位體積中的含氣率，粘土0.05，壤土0.04，砂壤土0.03；s——土粒容重；ωt——填筑含水量。要乘以P才可作為設計干容重。再用下式3-4校核(式3-4)式中：γd——設計干容重；(γd)o——土場自然干容重。3.1.2計算結(jié)果粘性土料設計的計算成果見表3-1及3-1（續(xù)）。依據(jù)這些指標來判斷需要選擇哪個料場。表3-1粘性土料設計成果表料場比重GS最大干容重dma最優(yōu)含水量設計干容重塑限含水量ωp塑性指數(shù)Ip填筑含水量ωkN/m3%kN/m3%%1#下2.6715.722.0715.5423.1419.4622.52#下2.6716.221.0216.0222.2021.7020.71#上2.6515.322.3015.1525.0024.5723.82#上2.7415.123.8014.9626.3023.5025.83#下2.7017.716.9017.4820.0014.0016.3表3-1（續(xù)）粘性土料設計成果表自然含水量孔隙比e濕容重Rw浮容重r,內(nèi)摩擦角φ液限K(10-6)有機含量可溶鹽含量%kN/m3kN/m3o%m/s%%24.80.73419.0399.44824.6742.64.311.730.07024.20.72119.3429.51925.5043.94.801.900.01925.60.99018.7538.13423.1749.51.902.200.11026.31.09318.8178.15521.5049.93.960.250.11015.90.58020.32610.5528.0034.03.001.900.0803.1.3土料的選用上下游共有5個粘土料場，儲量豐富。因地理位置不同，各料場的物理性質(zhì)，力學性質(zhì)和化學性質(zhì)也存在一定差異，土料采用以“近而好”為原則。粘粒含量為15%～40%之間，均滿足。規(guī)范指出粘土的滲透系數(shù)小于10×10-6cm/s,所有料場均滿足要求。可溶鹽含量都不大于3%，1#上的有機質(zhì)含量為2.20%，大于規(guī)定的2%，故不予采用。2#下和2#上的塑性指數(shù)大于20%和液限大于40%，根據(jù)規(guī)范不能作為壩的防滲體材料。3#下的滲透系數(shù)比1#下的小，防滲性能好，最大干容重比1#下的大，壓縮性能好，且3#下的填筑含水量比天然含水量大,施工時只需加水，故選3#下為主料場，1#下為輔助及備用料場。3.2砂礫料設計3.2.1計算公式壩殼砂礫料填筑的設計指標以相對密實度表示如下式3-5所示:(式3-5)(式3-6)濕容重(式3-7)浮容重(式3-8)式中的符號意義如下所示,emax為最大孔隙比0.7857；emin為最小孔隙比0.36986(nmax=0.44,nmin=0.27,e=n/(1-n))；e為填筑的砂、砂卵石或地基原狀砂、砂卵石的孔隙比；rd為填筑的砂、砂卵石或原狀砂、砂卵石干容重。設計相對密實度Dr要求不低于0.70～0.75；地震情況下，浸潤線以下土體按設計烈度大小Dr不低于0.75～0.80。3.2.2計算成果砂礫料的計算成果見表3-2,表3-3和表3-3續(xù)。表3-2相對密實度Dr的計算料場emaxemineDr1#上0.78570.369860.4810.7322#上0.78570.369860.5310.6123#上0.78570.369860.4490.8104#上0.78570.369860.4600.7841#下0.78570.369860.4810.7322#下0.78570.369860.4750.7483#下0.78570.369860.4810.7324#下0.78570.369860.5110.662表3-3砂礫料計算成果匯總表不均勻系數(shù)Cu>5mm礫石比重Gs天然孔隙比相對密實度Dr設計干容重d設計孔隙比e%g/cm31#上50.1252.52.750.4810.73218.2160.4802#上45.7152.22.740.5310.61217.560.5303#上24.54747.72.760.4490.81018.6860.4504#上37.1553.82.750.4600.78418.4780.4601#下46.7753.52.750.4810.73218.2160.4802#下40.7455.92.730.4750.74818.1570.4753#下64.5755.32.730.4810.73218.0830.4804#下44.6753.52.720.5110.66217.6590.510表3-3續(xù)砂礫料計算成果匯總表料場保持含水量ω濕容重w浮容重內(nèi)摩擦角φ粘聚力c滲透系數(shù)K%g/cm3g/cm3kPa10-2cm/s1#上519.12711.59235°10′02.02#上518.43811.14936°00′02.03#上519.6211.91635°40′02.04#上519.40211.75936°30′02.01#下519.12711.59235°20′02.02#下519.06511.50636°40′02.03#下518.98711.45935°50′02.04#下518.54211.16737°10′02.0繪出各沙石料場的級配曲線如下圖3-1所示：圖3-13.2.3砂礫料的選用土石壩的壩殼砂礫石材料主要為了保持壩體的穩(wěn)定性，要求有較高的強度。根據(jù)規(guī)范要求砂礫石的相對密實度Dr要求不低于0.75，上述料場中只有3#上和4#上料場滿足要求，其余料場不符合要求不予采用。下游壩殼水下部位和上游壩殼水位變動區(qū)宜有較高的透水性，且具有抗?jié)B和抗震穩(wěn)定性，應優(yōu)先選用不均勻和連續(xù)級配的砂石料。認為不均勻系數(shù)η=30～100時較易壓實，Cu<5～10時則壓實性能不好。而3#上料場砂礫料的不均勻系數(shù)Cu=25＜30,不滿足要求，從顆粒級配曲線上也可以看出，4#上料場的砂礫料顆粒級配較好，物理力學指標也較高，可優(yōu)先使用，故選擇4#上料場作為砂礫料的主料場。第四節(jié)滲流計算土石壩的滲流計算應該包括以下幾點內(nèi)容:確定壩體浸潤線及其下游出逸點的位置，繪制壩體及其壩基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖；確定壩體與壩基的滲流量；確定壩坡出逸段與下游壩基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降；確定庫水位降落時上游壩坡內(nèi)的浸潤線位置空隙壓力；確定壩肩的的等勢線、滲流量和滲透比降。滲流計算應包括以下水位組合情況：(1)上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；(2)上游設計水位與下游相應的水位；(3)上游校核水位與下游相應水位。4.1計算方法根據(jù)壩體內(nèi)部各部分滲流狀況的特點，可以將壩體分為若干段。運用水力學方法解決土壩滲流問題。根據(jù)達西定律近似解土石壩的滲流問題。在計算中假定任一鉛直過水斷面內(nèi)各點的滲透坡降相等。計算簡圖見圖4-1。通過防滲體流量如式4-1示：（式4-1）通過防滲體后的流量如式4-2示：（式4-2）4.2計算斷面與計算情況對河床中間斷面1-1以及左右岸坡段各一斷面2-2、3-3三個典型斷面進行滲流計算，參見圖4-1,4-2,4-3，計算按正常蓄水和設計洪水兩種情情況進行。4.2.11-1斷面：圖4-14.2.1.1正常蓄水位+相應下游水位正常蓄水位2822.5m下游相應的最低水位為2752.2m（由發(fā)電所需引水量44.1m3/s確定）。k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，T1=2.2m，T=28.264m,D=0.8m，H=72.5m，δ==20m,L1=161.675mL=169.975m由=計算得：=3.983×10-6,H1=2.3167m4.2.1.2設計水位與下游相應的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，H=73.68m，T1=5.3036m，L1=166.3304m，L=167.975m。由q1=q2計算得：=4.094×,H1=5.412m4.2.1.3校核水位與下游相應水位H=74.64m，k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s,H=74.64m,T1=5.4592m，L1=166.5638m，L=167.975m。由=計算得：=4.2,H1=5.5699m4.2.22-2斷面：圖4-2上游壩底高程取在2803m處，下游壩底高程取在2753m處，經(jīng)簡化近似等效為上下游壩底高程均在2789m，壩與地基的接觸面近似為一水平面，覆蓋層深28.062m。4.2.2.1正常蓄水位+相應下游水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，T1=0mT=28.062m，D=0.8m，H=33.5m，δ==12.2m，L1=90.65mL=96.35m由=計算得：=1.403,H1=0.025746m。4.2.2.2設計水位與下游相應的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s，T1=0m，T=28.062m，D=0.8m，H=34.68m，δ==12.2m，L1=90.65m，L=96.35m由=計算得：=1.503,H1=0.0276m。4.2.2.3校核水位與下游相應水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/，k1=2.0×10-2cm/s，kT=2.0×10-2cm/s，T1=0m，T=28.062m，D=0.8m，H=34.68m，δ==12.2m，L1=90.65m，L=96.35m由=計算得：=1.587,H1=0.029m。4.2.33-3斷面：圖4-3上游壩底高程取在2765m處，下游壩底高程取在2814m處，經(jīng)簡化近似等效為上下游壩底高程均在2800m，壩與地基的接觸面近似為一個水平面，覆蓋層深度14.275m。4.2.3.1正常蓄水位+相應下游水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(經(jīng)試驗得出玄武巖基的k值為4.14～7.36米/晝夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=22.5m，δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m由=計算得：=1.787,H1=0.1446m。4.2.3.2設計水位與下游相應的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(經(jīng)試驗得出玄武巖基的k值為4.14~7.36米/晝夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=23.68m,δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m。由=經(jīng)過試算得：=1.921,H1=0.1552m。4.2.3.3校核洪水位與下游相應的水位k=3.010-6cm/s,k2=1×10-9cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取6.0×10-3cm/s(經(jīng)試驗得出玄武巖基的k值為4.14~7.36米/晝夜)，T1=0m，T=14.275m，D=0.8m，H=24.64m,δ==10m，L,=64.25m，L,=L=64.25m。由=經(jīng)過試算得：=2.032,H1=0.164m。結(jié)果整理如下表所示：表4-1滲流計算結(jié)果匯總表計算情況正常蓄水位設計洪水位校核洪水位上游水深H（m）1-172.573.6874.642-233.534.6835.643-322.523.6824.64下游水深T1（m）1-12.25.3045.4592-20003-3000逸出水深H1（m）1-12.3175.4125.572-20.0260.0280.0293-30.1450.1550.164單寬流量q(10-6m3/s.m)1-13.9834.0944.22-21.4031.5011.5873-31.7881.922.0324.3逸出點坡降計算：用流網(wǎng)法可準確求出滲流區(qū)任一點的滲透壓力、滲透坡降和滲流量。繪制等勢線和流網(wǎng)時，兩者互相正交，并且分割的網(wǎng)格大致長寬相等。在Ⅰ-Ⅰ斷面（2750高程），壩及壩基最大滲透坡降分下列情況羅列如下：4.3.1心墻內(nèi)滲流最大滲透坡降4.3.1.1正常蓄水位情況△h=70.183/10=7.0183,△l=1.8m,i=△h/△l=7.0183/1.8=3.8994.3.1.2設計洪水位情況△h=68.268/10=6.8268,△l=1.6m,i=△h/△l=6.8268/1.6=4.274.3.1.3校核洪水位情況△h=69.07/10=6.907,△l=1.6m,i=△h/△l=6.907/1.6=4.317心墻內(nèi)滲流最大滲透坡降計算結(jié)果如下表4-2所示表4-2心墻內(nèi)滲流最大滲透坡降成果表1-1情況正常設計校核庫水位驟降J3.8994.274.3170.1914.3.2逸出點滲透坡降4.3.2.1正常蓄水位情況△h=70.183/10=7.0183,△l=4.4m,i=△h/△l=7.0183/4.4=1.5954.3.2.2設計水位情況△h=68.268/10=6.8268,△l=4m,i=△h/△l=6.8268/4=1.70674.3.2.3校核洪水位情況△h=69.07/10=6.907,△l=4.8m,i=△h/△l=6.907/4=1.439庫水位驟降時,砂礫壩殼的最大滲透坡降:△h=(2824.64-2796)/10=2.864,△l=30m,i=△h/△l=2.864/30=0.191在各種工況下滲流逸出點坡降計算成果如下表4-3：表4-3逸出點滲透坡降成果表1-1情況正常設計校核庫水位驟降J1.5951.70671.4390.191第五節(jié)土石壩邊坡穩(wěn)定分析土石壩在自重、水荷載、滲透壓力和地震荷載等作用下，若剖面尺寸設計不當或壩體、壩基土料的抗剪強度不足，壩體甚至壩體連同壩基都有可能發(fā)生失穩(wěn)。本設計中的穩(wěn)定分析，主要指邊坡的抗滑穩(wěn)定。穩(wěn)定分析計算的目的在于分析壩坡在各種不同工作條件下可能產(chǎn)生的失穩(wěn)形式，校核其穩(wěn)定性是否符合要求。5.1計算方法概述假設滑動面只在壩殼中，而心墻不連同壩殼一起滑動這樣可以在編程中作為坐標確定標準，如圖5-1所示。初始安全系數(shù)假定為3.00，當滿足判斷條件并且安全系數(shù)小于上次取出的安全系數(shù)，取出安全系數(shù)，并繪出最危險滑動面。三個點的坐標加安全系數(shù)的計算循環(huán)。這樣，程序總共有4層循環(huán)嵌套。計算簡圖如下5-1及圖5-2。圖5-1邊坡穩(wěn)定計算簡圖圖5-2穩(wěn)定計算圖計算公式如下式5-1（式5-1）（注：4上料場的天然休止角為θ=36.5o,tanθ=0.74）滑動面上的抗剪強度利用充分程度應該是一樣的，其安全系數(shù)表達方式為式5-2：（式5-2）式中：即為安全系數(shù)，為試驗得到的抗剪強度指標。圖中0點為坐標原點，水平的壩坡向為X軸，豎直向上為Y軸建立直角坐標系統(tǒng)。假設滑動面的三點A、D、C（據(jù)一定步長來確定這三點的坐標），滑動面不會切到心墻。其中A點在壩腳斜坡面上移動，但不會到達壩頂，D點為折坡點，C點在壩體計算那一面的表面上移動，可以到達壩頂，但不會移動到壩體的另一側(cè)。其他字母如圖所示。計算中把滑動土體ADC（構(gòu)成的滑動面）分成兩個滑塊，Pi為相鄰兩土體滑面上的作用力。計算時先假設不同的安全系數(shù)Fs，從第一條土塊的平衡條件中求出P1，然后求出第二塊的P2，看求出是否滿足P1=P2，如不平衡則重新假定安全系數(shù)，重復上述步驟，直到為滿足，此時的Fs即為該滑動面的安全系數(shù)。多次計算求Fs最小值,對應的滑動面即為最危險滑動面。其中，在下游水位以上的土體所受的重力，用面積乘以天然容重，在下游水位以下，由于浮力作用，所以乘以浮容重得到。Qij為水平地震慣性力，其值為慣性系數(shù)aij乘以相應土體的重量，所有力都可以簡化到形心處，編程中只考慮力的平衡，不考慮力矩的平衡。為簡化程序起見，還作了以下假定：滑面ED、PQ鉛直，條間力Pi，作用方向總是和上一個土體平行。這些假定會對計算結(jié)果的精確度產(chǎn)生一定影響，但總體影響不是太大，近似計算中可以忽略。本程序采用VB編程，當滿足判斷條件P1=P2,并且安全系數(shù)小于上次取出的安全系數(shù)，取出新安全系數(shù)，直至得到最小的安全系數(shù)，并給出最危險滑動面A、B，D、C的坐標。5.2源程序代碼簡示OptionExplicitPrivateSubAbout_Click()Form_About.ShowForm_About.Left=(Screen.Width-Form_About.Width)/2Form_About.Top=(Screen.Height-Form_About.Height)/2EndSubPrivateSubCal_U_Click()Form_main.HideForm_Cal.ShowForm_Cal.Left=(Screen.Width-Form_Cal.Width)/2Form_Cal.Top=(Screen.Height-Form_Cal.Height)/2Form_Cal.Caption="上游坡面計算"Form_Cal.Label_WH.Caption="上游水位H1(m)"Form_Cal.Label_m.Caption="上游壩面坡度m1"EndSubPrivateSubCal_D_Click()Form_main.HideForm_Cal.ShowForm_Cal.Left=(Screen.Width-Form_Cal.Width)/2Form_Cal.Top=(Screen.Height-Form