1、 Zhejiang University of Water Resources and Electric Power 水工建筑物課程設計 土石壩設計 水工（本科）13-3 袁 明 煒 2016 年7月1日 水利與環境學院課題名稱： 專業班級： 姓 名: 編寫日期： 摘要 適當修建大壩可以實現一個流域地區發電、防洪、灌溉的綜合效益。 通過對地形地質、水文資料、氣候特征的分析，結合當地的建筑材料，設 計適合的樞紐工程來幫助流域地區實現很好的經濟效益。根據防洪要求， 對水庫進行洪水調節計算，確定壩頂高程及泄洪建筑物尺寸；通過分析， 對可能的方案進行比較，確定樞紐組成建筑物的形式、輪廓尺寸及水利樞 紐

2、布置方案；詳細作出大壩設計，通過比較，確定壩的基本剖面與輪廓尺 寸，擬定地基處理方案與壩身構造，進行水力、靜力計算；對泄水建筑物 進行設計，選擇建筑物的形式、輪廓尺寸，確定布置方案。水庫配合下游 河道整治等措施，可以很大程度的減輕洪水對下游城鎮、廠礦、農村、公 路、鐵路以及旅游景點的威脅；可為發展養殖創造有利條件。目錄 第 1 章基本資料 . 1 1.1 工程概況 . 1 1.2 水文與水利規劃 . 1 1 .氣象 . 1 2. 水利計算 . 1 1.3 地形地質條件 . 1 1. 庫區工程地質條件 . 2 2. 壩址區工程地質條件 . 3 1.4 建筑材料及筑壩材料技術指標的選定 . 4 3

3、 .當地建筑材料 . 6 2 樞紐布置 . 8 2.1 壩軸線選擇 . 8 2.2 工程等級及建筑物級別 . 9 2.3 樞紐布置 . 1 0 2.3.1導流泄洪洞 . 11 2.3.2溢洪道 . 1 1 2.3.3灌溉發電洞及樞紐電站 . 11 3.1 壩型確定 . 12 第 3 章壩工設計 . 14 3.1 土石壩斷面設計 . 14 3.1.1壩頂高程 . 14 3.1.2壩頂寬度 . 16 3.1.3上下游邊坡 . 16 3.1.4壩底寬度 . 17 3.2 防滲體設計 . 17 3.2.1.壩體的防滲 . 17 3.2.2防滲體的土料要求 . 18 第 4 章 壩體滲流計算 . 19

4、4.1 設計說明 . 19 4.1.1 土石壩滲流分析的任務 . 19 4.1.2滲流分析的工況 . 19 4.1.3滲流分析的方法 . 19 4.2 滲流計算 . 20 4.2.1基本假定 . 20 4.2.2計算公式 . 20 4.2.3三種工況計算 . 21 4.2.4滲流校核 . 23 4.2.5浸潤線計算 . 24 4.2.6理正軟件校核 . 27 第 5 章 土石壩壩坡穩定分析及計算 . 30 5.1 壩體荷載 . 30 5.1.1滲流力 . 30 5.1.2孔隙壓力 . 30 5.1.3地震力 . 30 5.2 穩定分析方法 . 30 5.3 計算工況 . 31 5.4 穩定計算

5、 . 31 5.4.1瑞典圓弧滑動法 . 31 5.4.2理正軟件計算 . 33 第 6 章細部構造 . 36 6.1壩頂構造. 36 6.2護坡. 36 6.3反濾層. 37 6.4排水體. 40 6.5馬道. 42第1章基本資料 1.1 工程概況 ZF水庫位于 QH河干流上，水庫控制流域面積 4990km2，庫容 5.05 X08m3。水庫以灌溉發電為主，結合防洪，可引水灌溉農田 71.2 X04 畝，遠期可發展到104X104畝。灌區由一個引水流量為45m3/s的總干渠和 四條分干渠組成，在總干渠渠首及下游 24km處分別修建樞紐電站和 HZ 電站，總裝機容量31.45MW，年發電量1.

6、129為08kWh。水庫防洪標準為 百年設計，萬年校核。樞紐工程由擋水壩、溢洪道、導流泄洪洞、灌溉發 電洞及樞紐電站組成。 1.2 水文與水利規劃 1 氣象 流域年平均降雨量 686.1mm, 70%集中在69月，多年年平均氣溫 89C，多年平均最高氣溫29.1 T （6月），多年平均最低氣溫-143C （1月）， 多年平均最大風速9m/s，水位768.1m時水庫吹程5.5km。 2.水利計算 防洪運用原則及設計洪水的確定。本水庫屬二級工程。水庫建筑物按 百年一遇洪水設計，千年一遇洪水校核。由于采用的洪水計算數值中未考 慮歷史特大洪水的影響，故用萬年一遇洪水作為非常保壩標準對水工建筑 物進行復

7、核。 水庫排沙和淤沙計算。ZF水庫回水長25km，河道彎曲，河床寬300m 左右，河床比降為2.2%，是個典型的河道型水庫。 1.3 地形地質條件 1:2000壩址附近地形圖、建議壩軸線地質圖見附圖。 1. 庫區工程地質條件 庫區兩岸分水嶺高程均在820m以上，基巖出露高程，大部分在800m 左右，主要為紫紅色砂巖，間夾礫巖、粉砂巖和砂質頁巖。新鮮基巖透水 性不大。未發現大的構造斷裂，水庫蓄水條件良好。 QH河為山區性河流，兩岸居民及耕地分散，除庫水位以下有一定淹 沒外，浸沒問題不大，庫區也未發現重要礦產。 表 2 ZF 水庫工程特征值 序 號 名 稱 單 位 數 量 備注 1 設計洪水時最大

8、泄 流里 m3 /s 2 000.00 其中溢洪道 815 相應下游水位 m 700.55 2 校核洪水時最大泄 流里 m3 /s 6 830.00 其中溢洪道 5600 相應下游水位 m 705.60 3 1 水庫水位 校核洪水位 (P=0.01%) m 770.40 設計洪水位(P=1%) m 768.10 興利水位 m 767.20 汛限水位 m 760.70 死水位 m 737.00 4 丁 水庫容積 總庫容 10 8m3 5.05 校核洪水位 設計洪水位庫容 10 8m3 4.63 防洪庫容 10 8m3 1.36 興利庫容 10 8m3 3.51 其中共用庫容 10 8m3 1.1

9、0 死庫容 10 8m3 1.05 5 庫容系數 % 50.50 2. 壩址區工程地質條件 6 QH河在ZF水庫壩址區呈一彎度很大的“ S”形。壩段位于“S”形的 中、上段。壩段右岸為侵蝕型河岸，岸坡較陡，基巖出露。上下壩線有約 300 m長的低平山梁（單薄分水嶺），左岸為侵蝕堆積岸，岸坡較緩，有大片 土層覆蓋。右岸單薄分水嶺是 QH河環繞壩段左岸山體相對側向侵蝕的結 果。 壩址區基巖以紫紅色、紫灰色細砂巖為主，間夾礫巖、粉砂巖和少數 砂質頁巖。地層巖相變化劇烈，第四系除厚度不大的砂層、卵石層外，主 要是黃土類土，在大地構造上處于相對穩定區，未發現有大的斷裂構造跡 象。 壩址區左岸有一大塌滑體

10、，體積約 45X 104m3，對工程布置有一定影 響。 本區地震基本烈度為6度，建筑物按7度設防。 （1）上壩址 上壩址位于壩區中部背斜的西北，巖層傾向 QH河上游。河床寬約 300m，河床砂卵石覆蓋層平均厚度 5m，滲透系數1xi0-2cm/s。一級階地 （Q4）表層具中偏強濕陷性。左岸 730m高程以上為三級階地（Q2）具中偏弱 濕陷性。 巖基未發現大范圍的夾層，基巖的透水性不大。河床中段及近右岸地 段，沿113-111- 115-104-114各鉆孔連線方向，在巖面下2147m深度范圍 內，有一強透水帶，W=5.4630 l/s m2，下限最深至基巖下約80m。基巖 透水性從上游向下游有

11、逐漸增大的趨勢，左岸臺地黃土與基巖交界處的礫 巖（最大厚度6m）透水性強，滲透系數K=10m/d。左岸單薄分水嶺巖層仍屬 于中強透水性，平均 W=0.48l/s m2，應考慮排水，增加巖體穩定。 (2) 下壩址 位于上壩址同一背斜的東南翼，巖層傾向下游；河床寬約 120 m,左 岸為二、三級階地，右岸731m高程以下為基巖，以上為三級階地。土層 的物理力學性質見“工程地質剖面圖”。 左岸基巖有一條寬200250m呈北北東方向的強透水帶，右岸 Z溝單 薄分水嶺的透水性亦很大，左右岸巖石中等透水帶下限均可達巖面下 80m 左右。河床地段基巖透水性與中等透水帶厚度具有從上游向下游逐漸變小 的趨勢。下

12、游發現承壓水，二、三級階地礫石層透水性與上壩線相同，左 岸壩腳靠近塌滑體。 1.4 建筑材料及筑壩材料技術指標的選定 庫區及壩址下游土石料豐富，有利于修建當地材料壩。 (1) 土料。壩址上、下游均有土料場，儲量豐富，平均運距小于1.5km。 根據155組試驗成果統計，土料平均粘粒含量為 26.4%，粉粒55.9%,粉 砂17.6%，其中25%屬粉質粘土，60.7%屬重粉質壤土，14.3%屬中粉質壤 土。平均塑性指數11.1，比重27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3,最優含 水量20.5%， 滲透系數0.44X 10-5cm/s。具有中等壓縮性，強度特性見表3。 (2) 砂礫料。主要

13、分布在河灘上，儲量為 205 X 104m3，扣除漂石及圍 堰淹沒部分，可利用的砂礫料約100151X 104m3。其顆粒級配不連續，缺 少中間粒徑，根據野外29組自然坡度角試驗，34組室內試驗分析，統計 成果分析如下：天然重度18.7kN/m3,軟弱顆粒含量2.64%。顆粒組成見表 4。 砂的儲量很少，且石英顆粒少，細度模數很低，不宜作混凝土骨料， 砂(D2mm)的相對緊密度為0.895。 （3）石料。壩址區石料較多，運距均在 1km以內，為厚層砂巖，儲量 可滿足需要。溢洪道、導流洞出碴也可利用 表 3 土料的強度特性 試驗方法 統計方法 抗剪強度指標 煮） C(kN.cm-2) 飽和固結快

14、剪（25 組） 算術平均 23.27 2.80 算術小值平均 20.96 1.93 快剪 （82 組） 算術平均 21.54 2.93 算術小值平均 21.30 2.93 快剪 （18 組） 算術平均 21.30 2.93 算術小值平均 21.00 1.94 算術平均 22.68 5.83 算術小值平均 20.03 3.56 算術平均 22.50 5.83 算術小值平均 23.80 3.56 快剪 （8 組） 算術平均 28.80 4.51 算術小值平均 25.75 2.93 算術平均 29.00 4.51 算術小值平均 P 28.70 2.93 三軸不排水剪 （10 組） 算術平均 20.0

15、0 2.88 算術小值平均 P 25.20 1.30 三軸不排水剪 （6 組） 算術平均 13.30 2.80 算術小值平均 25.20 0.80 三軸飽和固結 不排水剪（6 組） 算術平均 18.20 4.20 算術小值平均 22.30 3.50 野外自然坡度角 （29 組） 算術平均 35.70 算術小值平均 31.20 室內 剪切 試驗 算術平均 31.10 算術小值平均 29.10 算術平均 31.00 算術小值平均 29.00 表 4 砂礫料顆粒組成 粒 0 0. 徑(mm) 200 80 40 20 5 2 1 0.5 .25 05 含 8 7 5 43 3 3 2 24 4.9

16、量(%) 3.7 4.2 7.7 6.2 8.6 4.6 2.8 9.7 .7 (4) 筑壩材料技術指標的選定。經過試驗，并參考有關文獻資料及其 他工程的經驗，最后選定其筑壩材料的各項技術指標，見表 5。 3. 當地建筑材料 (1) 土料。根據當地建筑材料調查報告，土料場有五個。根據試井和 鉆孔情況，從1:2000地形圖初步計算四個土場的總儲量為 2 248.6X 104m3, 為需要量的4倍多。各土料場的儲量如表6。 (2) 砂礫料。根據調查，壩址附近的三個砂礫場，開采總量約100151 x 104m3(水上部分)，不夠使用。 (3) 石料。未進行石場儲量的調查試驗工作。在壩址右岸有兩個石料

17、 場。石場空間不夠開闊，運輸困難。 (4) 骨料。沿河調查，本地砂只能用于漿砌石和混凝土，其他用砂需 外運。 表 5 筑壩材料技術指標 筑壩材料 壩 體 壩基 土 料 砂 礫料 堆 石 砂 礫料 黃 土 比重(kN/m 3) 27. 5 27.0 度 濕重度(kN/m 3) 16. 5 18.0 18.0 18.0 16.0 重 - 飽和重度(kN/m 3) 19. 8 19.1 干重度(kN/m 3) 10. 4 11.0 10.5 10.2 孔隙率 n 0.33 摩 擦 角 , 施工期 內 總應力 10 31 40 31 20 有效應 力 22 穩定滲 流期 有效應 力 23 水位降 落

18、有效應 力 23 粘聚力 C(kN/cm 2) 2.0 滲透系數 K(cm/s1) 1 X 10-6 1 X 0-2 1 X 02 1 X 0-5 初始孔隙水壓力系數 0.3 表 6 各土料場的儲量 土場 南坪溝 川坡 上山 大河灘 合計 高程 74680 72076 71074 72277 (m) 5 0 9 8 卄日 儲量 (104m3) 913.6 855.7 119.9 359.4 2248.6 2樞紐布置 2.1壩軸線選擇 壩軸線應根據壩址區的地形地質條件、壩型、壩基處理方式、樞紐中 各建筑物（特別是泄洪建筑物）的布置和施工條件等，經多方案的技術經 濟比較確定。壩軸線應因地制宜地選定

19、。宜采用直線；當采用折線時，在 轉折處應布置曲線段。設計烈度為 8度、9度地地區不宜采用折線。9 當 壩址處存在喀斯特、大斷層或軟粘土等不良地質條件時，應研究避開的可 能性。按照現有給定資料，通過技術經濟比較分析確定壩軸線位置，主要考 慮上壩線和下壩線兩個方案 方案因素 上壩線 下壩線 地形條件 位于壩區中部背斜的西 北，巖層傾向QH河上游，河 床寬約300m 級階地（Q4）表 層具中偏強濕陷性，左岸730m 高程以上為三級階地 （Q2）具 中偏弱濕陷性。 位于上壩址同一背斜的東南 翼，巖層傾向下游，河床寬約 120m 左岸為一、三級階地，右岸 731m 高程以下為基巖，以上為三級階地。 地質

20、條件 基巖無夾層，透水性不大，透水性 從上游向下游有逐漸增大的趨 勢，左岸臺地黃土與基巖交界處 的礫巖透水性強，左岸有單薄分 水嶺. 左岸基巖有一條呈東北方向的強透 水帶，左右岸皆有強透水性，透水性 從上游向下游有逐漸變小的趨勢 ， 左岸壩腳靠近塌滑體，右岸有有單 薄分水嶺. 筑壩材料 壩體:土料,沙礫料，堆石;壩基:沙礫 料，黃土 . 壩體：土料，沙礫料，堆石；壩基:沙礫 料，黃土 . 施工條件 施工布置較為困難，開挖排水不困 難 施工布置較為困難，開挖排水不困 難 樞紐布置 導流泄洪洞、溢洪道均布置在左 溢洪道可布置在右岸 Z 溝，灌溉發 岸單薄分水嶺，灌溉發電洞則布 置在左岸東凹 溝附近

21、三級 階地 上。 電洞移至上壩線溢洪道軸線西側 40m 左右,導流泄洪洞布置在左岸. 比較結果 分析后，初步選定壩軸線位置在上壩線，主要考慮到下壩 線的塌滑體，對工程存在不利的隱患。 2.2工程等級及建筑物級別 水利部、能源部頒布的水利水電工程的分等分級指標，將水利水電工 程，根據工程規模、效益和在國民經濟中的重要性分為五等，見表 410 特別 重要 33. 30 13. 33 10 特 別重要 1200 二二二 10 1.0 重要 33.3C 6.67 13.3 3 4.0 10 3.33 重 要 1200 300 -三 1.0 中等 6.67 4.0 3.33 中 30050 0.1 2.

22、0 1.0 0.33 等 四 0.1 0.01 一般 2.0 0.33 1.0 0.2 0.33 0.03 般 50 10 五 0.01 0.3 3 0.2 0.0 3 10 表5 水工建筑物級別 工程等別 永久性建筑物級別 臨時性建筑物級別 主要建筑 物 次要建筑物 -一一 1 3 4 二二二 2 3 4 3 4 5 四 4 5 5 五 5 5 表6 水工建筑物的結構安全級別 水工建筑物級別 水工建筑物的結構安全級別 1 I 2、3 n 4、5 本工程水庫庫容為5.05X 108m3，所以該工程為U等工程。 主要建筑物大壩、溢洪道級別為 2級。 2.3 樞紐布置 2.3.1導流泄洪洞 沿洞線

23、周圍巖石厚度大于三倍開挖洞徑，出口段已避開塌滑體的東邊 界，沿線巖層、巖性主要為粉砂巖、細砂巖及礫巖，巖石較為堅硬，堅固 系數Fk=4，單位彈性抗力系數 Ko=2OMPa/cm,彈模E=0.4X 104MPa,透水 性較大。巖層傾向下游，出口段節理發育，應采取有效措施予以處理。為 進一步保證出口段巖體穩定，免除由內水壓力引起的后果，建議該段修建 無壓洞。 2.3.2溢洪道 上壩線方案溢洪道堰頂高程 757m，沿建筑物軸線巖層傾向下游。巖 性主要為堅硬的細砂巖，其中軟弱層多為透鏡體，溢洪道各部分的抗滑穩 定條件是好的。下壩線溢洪道堰項高程 750m。基礎以下10m左右為砂質 頁巖及夾泥層，且單薄

24、分水嶺巖層風化嚴重，透水性大，對建筑物安全不 利。 2.3.3灌溉發電洞及樞紐電站 上壩線方案沿線基巖以厚層粉砂巖為主，巖石完整，透水性不大，洞 頂以上巖層厚度較小。在建筑物的基巖巖面上有05m厚的礫巖及厚度不等 的亞粘土層，電站廠房處巖石風化層厚度約 56m， 對其產生的滲漏及土體 坍塌應采取必要的工程措施，灌溉發電洞則布置在左岸東凹溝附近三級階地 上。下壩線方案沿線全為基巖，工程安全比較可靠。可將灌溉發電洞移至 上壩線溢洪道軸線西側40m左右. 結論：導流泄洪洞，上下方案布置位置相同，均為左岸；溢洪道，上壩 線方案宜布置在左岸單薄分水嶺，下壩線方案宜布置在右岸Z溝；灌溉發電 洞及樞紐電站，

25、上壩線方案可布置在左岸東凹溝附近三級階地上。下壩線 方案沿線全為基巖，工程安全比較可靠。可將灌溉發電洞移至上壩線溢洪 道軸線西側40m左右. 3.1壩型確定 土石壩按壩高可分為： 低壩、 中壩和高壩。 我國 碾壓式土石壩設計 規范 (SDJ218 84)規定：高度在30米以下的為低壩，高度在 3070 米間的為中壩，高度超過70米的 為高壩。土石壩壩高均從清基后的地面算 起。 土石壩按其施工方法可分：碾壓式土石壩、充填式土石壩、水中 填土壩和定向爆破壩等。應用最為廣泛的是碾壓式土石壩。 土石壩壩型的選擇的有關因素很多，其中主要的是壩址附近的筑壩材 料。除了含腐殖質太多的土料外，所有的土石料都可

26、筑壩，只要適當的配 置在壩體部位即可。不適合作防滲體的土料，用一定的施工方法或加工處 理后也可作防滲料。除筑壩材料是壩型選擇的主要因素外，還要根據地形、 地質條件、氣候條件、施工條件、壩基處理方案、抗震要求、人防要求等 各種因素進行研究比較，初選幾種壩型，擬定斷面輪廓，進一步比較工程 量、工期、造價，最后選擇技術上可靠、經濟上合理的壩型。 按照土料在壩身內的配置和防滲體所用的材料種類，碾壓式土石壩可 分為以下幾種主要類型： a. 均質壩：壩體主要有一種土料組成，同時起防滲和穩定的作用。 b. 土質心墻壩：由相對不透水或弱透水土料構成中央防滲體，而以透水土 石料作為下游支撐體。 c. 土質斜墻壩

27、：由相對不透水或弱透水土料構成上游防滲體，而以透水土 石料作為下游支撐體。 d. 多種土質壩：壩體由多種土料構成，以細粒土料建成中央或靠近上游的 防滲體，壩體其他部位則由各種粗粒土料構成。 e. 人工材料心墻壩：中央防滲體由瀝青混凝土或混凝土、鋼筋混凝土構成, 壩殼由透水或半透水土石料組成。 f. 人工材料面板壩：壩的支撐體由透水或半透水土石料組成，上游防滲面 板由鋼筋混凝土、瀝青混凝土或塑料薄膜等材料構成。 根據地形、地質、建筑材料、施工情況、工程量、投資等方面，綜合 比較選定壩型。 類別 土質防滲心墻 土質防滲斜墻 均質壩 地形條件 對地形無特別要求 對地形無特別要求 對地形無特別要求 地

28、質條件 對地質無特別要求 對地質無特別要求 對地質無特別要求 工程量 只需要按照卸料T鋪 料T碾壓T取樣等工 序流水作業，相對來 說,工程量較小. 斜墻壩由于抗剪強度 較低的防滲體位于上 游面，故上游壩坡較 緩，工程量大。 般來說， 所用的土料滲 透系數小，施工期壩體內 會產生孔隙水壓力， 影響 抗剪強度，所以壩坡較 緩，工程量大。 建筑材料 庫區當地下游土石料 豐富，有利于修建防滲 墻的各種材料，無需另 外購買 庫區當地下游土石料 豐富，有利于修建防滲 墻的各種材料，無需另 外購買 庫區當地下游土石料豐 富，有利于修建防滲墻的 各種材料，無需另外購買 適用條件 不僅適宜低壩，也適宜 于髙壩

29、不僅適宜低壩，也適宜 于髙壩 一般使用于中、低高度壩 比較結果 本設計土壩是高壩，因此均質壩不適合，而斜墻對于沉降以及 地震的適應能力比心墻小，因此防滲體定為粘土心墻。 結本設計土壩選擇壩型為心墻壩。 第3章壩工設計 3.1 土石壩斷面設計 土石壩斷面設計的基本尺寸主要包括：壩頂高程、壩頂寬、上下游坡 度、防滲結構、排水設備的形式及基本尺寸。根據設計規范的要求及參照 已建工程的經驗數據，并考慮本工程的具體情況，對本工程的各項數據設 計如下。 3.1.1壩頂高程 由于土石壩是不允許漫項溢流的，因此壩頂高程由水庫靜水位加上風 浪壅水增加高度、壩面波浪爬高及安全超高確定，同時壩頂高程的計算， 應同時

30、考慮以下3種情況： （1） 設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高； （2） 校核洪水位加非常運用情況的壩頂超高； （3） 正常高水位加非常運用情況的壩頂超高再加地震區安全超高。 壩頂超高按下式計算： Y=R+e+A 式中：丫一壩頂在水庫靜水位以上的超高; R最大波浪在壩坡上的爬高 e最大風壅水面咼度； A安全加高 查碾壓式土石壩設計規范有： KW 2D e cos 2gH m 式中：e 計算處的風壅水面高度， m 風區長度，D=5.5Km 綜合摩阻系數3.6X 10-6 B 計算風向與壩軸線法線的夾角15 W 計算風速,m/s. W= (1.52) V=2 9=18m/s Hm壩前平均水深768

31、.1m； 4 1 2h 0.026 -v -D 3 3 2h 1. 144m 上游壩坡較緩初步采用1: 3.0故tan 9 =1/3.0=0.33 外層上游壩殼為砌石 取k=0.8 (查水利水電工程建筑物表 2-14) R=3.2kx 2hx tan 9 =3.2 x 0.8 x 1.144 x 0.33=0.96m 水利水電工程 建筑物2-47 正常運行情況下壩頂超高 Y=R+e+A=0.96+仁1.96m 非正常運行情況下壩頂超高 Y=R+e+A=0.96+0.5=1.46m 壩頂高程取以下三種情況的最大值 (1) 校核洪水位加非常運用條件下的壩頂超高： H=770.40m+1.46m=7

32、71.86m (2) 正常蓄水位加正常運用條件下的壩頂超高： H=767.20m+1.96m=769.16m KVW cos 2gHm 4.12 104m可忽略不計 由于 D 30 1: 3.0 1: 3.5 1: 2.5 1 : 3 壩高為772.05-699-1.2=71.85m(防浪墻高1.2米)，壩頂高程:770.85, 坡度取值為： 1、 上游壩坡：1:3.0 。 2、 下游壩坡：1:2.5。 3.1.4壩底寬度 推算最大底寬為:71.85 X( 3+2.5) +12+10=417.18m 3.2 防滲體設計 3.2.1壩體的防滲 1、防滲體尺寸確定 考慮采用機械施工，防滲體頂面寬度

33、為3m頂面高程滿足高于正常運 用情況下的靜水位0.3-0.6m，且不低于非常運用情況下的靜水位。實際選 取0.5m,則防滲體頂面高程為768.1+0.5=768.6m ;上游坡度均為1:3， 下 游坡度為 1:2.5， 則底寬為 3+ (768.6-699 )X( 3 -2.5 ) =37.8m,滿足斜 墻底寬不小于 H/4= (768.9-699 )- 4=17.4葉 因此，本壩防滲體采用碾壓式粘土心墻，頂寬 3m底厚37.8m。 2、尺寸確定 心墻頂部和上游坡設保護層，以防沖刷、冰凍和干裂，保護層材料常 用砂、礫石或碎石，其厚度不得小于當地冰凍和干裂厚度。 3.2.2防滲體的土料要求 防滲

34、體要具有足夠的不透水性和塑性，要求防滲體的滲透系數比壩主 體至少小1001000倍，且其透水系數不宜大于10 5cmS，防滲體要有足 夠的塑性。這樣，防滲體能適應壩基和壩體的沉陷和不均勻變形，從而不 致斷裂。長期的筑壩經驗告訴我們，粘粒含量為 1530%或塑性指數為 1017的中壤土、重壤土粘粒含量為 3540或塑性指數為1720的 粘土都是填筑防滲體的合適土料。粘性土的天然含水量最好，稍高于塑限 含水量，使土料處于硬塑狀態。 第4章壩體滲流計算 4.1 設計說明 4.1.1 土石壩滲流分析的任務 土石壩的剖面尺寸初步擬定后，必須進行滲流分析和穩定分析，為確 定經濟可靠的壩體剖面提供依據，滲流

35、分析的主要任務是： 確定壩體浸潤線和下游溢出點的位置，為壩體穩定計算和排水體選 擇提供依據； 計算壩體與壩基的滲流量，以計算水庫滲漏損失，和確定排水體尺 寸； 計算壩體與壩基的滲流溢出處的滲透坡降，以驗算其滲透穩定性。 4.1.2滲流分析的工況 滲流計算時，應考慮水庫運行中出現的不利條件，一般需考慮計算下 列幾種工況： 上游正常蓄水位767.20m與下游相應最低水位700.55m,此時壩內 滲流的坡降最大，易產生滲透變形； 上游校核洪水位774.40m與下游相應最高水位705.60m,此時壩內 浸潤線最高，滲流也最大； 分析時，常根據河谷地形情況，選若干、單寬壩坡，按二元滲流問題 考慮，對河床

36、中間斷面及左右對稱的 i-i、n-n、m-m三個典型斷面 進行滲流計算。 4.1.3滲流分析的方法 土石壩滲流分析的方法有公式計算法（流體力學法、水力學法、有限 單兀法）流網法和電模擬法。 本設計采用水力學法，水力學法建立在一些基本假定上，是一種近似 解法，只能求得過水斷面上滲流要素的平均值，但其計算簡單，且精度一 般可以滿足工程要求 4.2 滲流計算 4.2.1基本假定 壩體土料為均質，壩體內任一點在各方向上的滲透系數相同且為常 數； 滲流二元穩定層流，流動運動符合達西定律： V=KJ（ V為滲透流 速，K為滲透系數，J為滲透坡降） 滲流為漸變流，任意過水斷面上各點的坡降和流速相同。 4.2

37、.2計算公式 在眾多滲流分析方法中，較水力學法和流網法比較簡單實用，流網法 雖然能夠求解滲流場內任意一點滲流要素，但對不同土質和滲透系數相差 較大的情況難以采用；水力學法是在一些假設條件基礎上的近似解法，能 滿足工程精度要求。本設計采用水力學方法進行滲流分析 計算公式: 浸潤線方程 y =、出2 2qx 單寬滲流計算公式： 心墻后的滲流量為： 2 2 K2h2 H2 q2 = H 2L 單寬滲流量 2 2 K H, H2 2L 通過心墻的滲流量為: qi = 2 2 K1H, h2 2 其中: Hi 上游水深； h 墻后逸出水深，m； T 基巖透水深度，取最大值15m； 黏土心墻平均厚度； K

38、2 防滲體后堆石體滲透系數，1.3X 10-4m/s； H2 下游水深； k1 粘土滲透系數，1.5X 10-7 m/s； m2 下游坡比。 總滲流量的計算 全壩的總滲流量為： 1 Q 一 q,1 q1 q2 I2 qn 1 qn In qnln 1 2 式中：q1、q2、qn 斷面1、2、n的單寬滲流量；h、 I 2、 . 、In、In 1 相鄰兩斷面之間的距離。 4.2.3三種工況計算 三種工況：上游為設計洪水位、校核洪水位、正常蓄水位和相應的下 游水位見圖 校核水位 - 設計水位 正常蓄水位 各水位示意圖 (1) 正常蓄水位時，上游正常高水位取為興利水位 767.2m,下游相 應低水位取

39、為700.55m。河床高度為699m,壩頂寬度為12m，壩高為 71.85m， m 1=3.0 m 2 =2.5。 聯立方程可得 2 2 2 K2H2 LK1H1 2 h2= 2 - =48.7m2 LK1 K2 聯立方程可得 h=6.98m , q=1.69 x 10-5 m/ m (2) 設計洪水位時，上游正常高水位取為設計洪水位 768.1m，下游 H L L I -W 、 相應低水位取為700.55m。河床高度為699m，壩頂寬度為12m，壩高為 71.85m， m 1=3.0 m2 =2.5。聯立方程可得化毅1嘗1=49歸, 聯立方程可得 h=7.05m , q= 1.73X 10-

40、5 mS 口 (3) 校核洪水位時，上游正常高水位取為興利水位 770.4m,下游相 應低水位取為705.6m。河床高度為699m,壩頂寬度為12m，壩高為71.85m, m1 =3.0 m2 =2.5o 2 2 2 K2H2 LK1H1 2 聯立方程可得h = - =93.85m LK1 K2 聯立方程可得h=9.67m , q= 1.83X 10-5說 m 已知三種工況單寬流量則最大總滲流量為： 1 Qmax : q1 q1 q2 L2 q2 q? L3 2 75. 70 10 4m3 / s 則一天的總滲流量為 ：75.70 10 4 24 3600 654m3 4.2.4滲流校核 1.

41、滲漏量：大壩在校核洪水位的庫容為 5050萬m3。而每日滲漏量僅 0.21m3，故滿足防滲要求。 2 2 2.滲透穩定：對于非粘性土，滲透破壞形式的判別可參考下式： n 20時為管涌 10 n 20時不定 允許坡降可參考采用下列數字：10n 20, J允許=0.1 滲流逸出點的實際坡降為：J = L 已知： H=h-H2=3.07m,A L可近似取為計算長度 L=177.7m,貝 J =0.017 根據表4砂礫料顆粒組成可得 d60=45.57, d10=0.1又：n =d60/d10=455.720, J 允許=0.1。 J =0.02 J允許=0.1,所以滿足要求。 4.2.5浸潤線計算

42、1、上游正常蓄水位與下游相應的最高水位 上游校核洪水位取為興利水位767.2，下游相應高水位取為700.55m。 基礎采用防滲處理，視為基礎不透水。 (1)計算示意圖 斜墻壩滲流計算圖 (2)心墻后的浸潤線方程Hi2 y 2 H1 =h=6.97m 簡化得心墻后的浸潤線方程: y2 +0.26x=48.7 x/m 0 60 120 180 y/m 6.98 5.75 4.18 1.55 2、上游設計洪水位與下游相應的最高水位 上游校核洪水位取為興利水位770.4，下游相應高水位取為705.60m 基礎采用防滲處理，視為基礎不透水。 (1) 計算示意圖 (2) 心墻后的浸潤線方程 計算公式: H

43、1 =h=7.05 簡化得：y2 +0.27x=49.72q Hi2 斜墻壩滲流計算圖 x/m 0 60 120 180 y/m 7.05 5.79 4.16 1.05 3、上游校核洪水位與下游相應的最高水位 上游校核洪水位取為興利水位770.4， 下游相應高水位取為705.60m 基礎采用防滲處理，視為基礎不透水。 (1)計算示意圖 y H 1 h 一 亠 -3.0 -一 K - 1：3.5 . S * _ r b KO - a T 冷 L 斜墻壩滲流計算圖 (2)心墻后的浸潤線方程 計算公式： 2q 2 2 x 比 y k H1 =h=9.67m 簡化得：y2 +0.28x=93.5 x/

44、m 0 60 120 180 y/m 9.57 8.76 7.74 6.57 426理正軟件校核 項目一、水位 上游正常水位和 下游最低水位 上游設計洪水位和 下游相應最高水位 上游校核洪水位和下 游相應最高水位 土堤頂部寬度 b b 12.000(m) 12.000(m) 12.000(m) 土堤頂部高度 h h 71.660(m) 71.660(m) 71.660(m) 上游坡坡率 1:m11:m1 3.0 3.0 3.0 下游坡坡率 1:m21:m2 2.5 2.5 2.5 堤身滲透系數 k k 0.003(m/d) 0.003(m/d) 0.003(m/d) 上游水位 hlhl 68.

45、200(m) 69.100(m) 71.400(m) 下游水位 h2h2 1.550(m) 1.550(m) 6.600(m) 心墻頂部寬度 3.000(m) 3.000(m) 3.000(m) 心墻底部寬度 37.800(m) 37.800(m) 37.800(m) 心墻滲透系數 0.003(m/d) 0.003(m/d) 0.003(m/d) 透水地基深度 5.000(m) 5.000(m) 5.000(m) 透水地基滲透系數 8.400(m/d) 8.400(m/d) 8.400(m/d) 排水棱體高度 8.000(m) 8.000(m) 8.000(m) 排水棱體寬度 2.000(m)

46、 2.000(m) 2.000(m) L L 169.530(m) 166.830(m) 159.930(m) 透水地基有效深度 374.130(m) 374.130(m) 374.130(m) 浸潤線計算公式原點 374.130(m) 374.130(m) 374.130(m) 浸潤線起點 x x 坐標 204.6(m) 207.3(m) 214.2(m) 浸潤線終點 x x 坐標 376.31(m) 376.31(m) 376.31(m) qq 1.824*10-5 ( m3/s) 1.972*10-5 ( m3/s) 2.26*10-5 ( m3/s) 正常蓄水位出圖 WCO 設計洪水位

47、出圖 QC0 校核洪水位出圖 *7.00 結論: （1） 正常蓄水位下，簡化得心墻后的浸潤線方程： y2 +0.26x=48.7 當 x=169.53m 時，y=2.15m8m，校核安全 （2） 設計洪水位下，簡化得心墻后的浸潤線方程： y2 +0.27x=49.7 當 x=166.83m 時，y=2.16m8m，校核安全 （3） 校核洪水位下，簡化得心墻后的浸潤線方程： y2 +0.28x=93.5 當 x=159.93m 時，y=6.98mK=1.25 2 1 0 -1 -2 -3 4.5H=323.325 542理正軟件計算 理正軟件計算所需參數表 計算方式 項目、 施工期穩定計算 穩定

48、滲流期穩定計算 水位驟降期穩定計算 采用規范：水利水電工程邊坡設計規范 SL 386-2007 計算工期 施工期 穩定滲流期 水位降落期 計算目標 安全系數計算 安全系數計算 安全系數計算 滑裂面形狀 圓弧滑動法 圓弧滑動法 圓弧滑動法 不考慮地震 圓弧穩定分析法 瑞典條分法 瑞典條分法 瑞典條分法 土條重切向分力與 滑動方向反向時 當下滑力對待 當下滑力對待 當下滑力對待 穩定計算目標 自動搜索最危險滑裂面 自動搜索最危險滑裂面 自動搜索最危險滑裂面 條分法土條寬度 10.000(m) 10.000(m) 10.000(m) 搜索時圓心步長 5.000(m) 5.000(m) 5.000(m

49、) 搜索時半徑步長 5.000(m) 5.000(m) 5.000(m) 滑動圓心 (55.080,166.455)(m) (83.620,140.915)(m) (77.124,145.685)(m) 滑動半徑 189.010(m) 186.335(m) 179.126(m) 滑動安全系數 1.500 3.260 2.438 軟件計算結果 (1) 施工期穩定計算 最不利滑動面： 滑動圓心=(55.080,166.455)(m) 滑動半徑=189.010(m) 滑動安全系數=1.500 (2) 穩定滲流期穩定計算 最不利滑動面： 滑動圓心=(83.620,140.915)(m) 滑動半徑=18

50、6.335(m) 滑動安全系數=3.260 (3) 水位驟降期穩定計算 最不利滑動面： 滑動圓心=(77.124,145.685)(m) 滑動半徑=179.162(m) 滑動安全系數=2.438 安全系數結果對照表 計算安全系數 校核安全系數 施工期穩定計算 1.500 1.25 滲流穩定期穩定計算 3.260 1.25 水位驟降期穩定計算 2.438 1.15 本設計的安全系數大于校核安全系數，故本設計安全穩定 第6章細部構造 6.1 壩頂構造 壩頂設置黃泥灌漿碎石路面，壩頂向下游設 1%橫坡以便匯集雨水, 并設置縱向排水溝，經坡面排水排至下游。壩頂設置攔桿以策安全。 6.2 護坡 土石壩的

51、上游面，為防止波浪淘刷、冰層和漂浮物的損害、順壩水流 的沖刷等對壩坡的危害，必須設置護坡。土石壩下游面，為防止雨水、大 風、水下部位的風浪、冰層和水流作用、動物穴居、凍脹干裂等對壩坡的 破壞，也需設置護坡。 壩表面為土、砂、砂礫石等材料時應設專門的護坡。上下游護坡均米 用碎石、堆石護坡。碎石護坡在最大浪壓力作用下的計算直徑 ： D 1.018K Hh g rw m(m 2) =1.018 X.4 9.8/(21.08-9.8) (1+32)1/2/3 )(3+2)送.67 =0.700 m 碎石塊計算重量： Q 0.525rwD3 =0.525 23.08(0.70003 = 4.156 KN 碎石護坡厚度 t 1.67 D k =1.67 0.700/1.4 =0.835 m 注:經計算對1.67的系數不作修改 上游護坡用于堆石，因其抵御風浪的能力較強；下游壩面直接鋪上 20cm的碎石作為護坡。上游護坡做至壩頂，下做至死水位以下（加設計浪 高）。壩頂設置攔桿以策安全。下游坡面上要設置表面排水系統，縱橫向 排水溝及壩坡與岸坡連接處的排水溝。此外，還應布置階梯等通行道路。 6.3 反濾層 既要求把壩體滲水排除壩外，又要求不產生土壤的滲透破壞，在滲流 的出口或進入排水處。由于水力坡降往往很大，流速較高，土壤易發生管