西安市烏河土石壩的結構設計摘要陜西烏河位于陜西省西安市內，采用其水文資料、地形地貌的相關資料，依據河北農業大學本科畢業設計數據要求，對土石壩的形狀和大小進行分析，對土石壩附近的地基做一定的工序，對各種必須的計算進行分析，對土石壩后續解決流量過多的設施進行設計分析。不僅要求此次按給定的數據計算，還要把已完工的工程獲得的經驗參照在設計中。關鍵字：壩基本剖面；大壩設計；滲流計算目錄TOC\o"1-3"\h\u20941工程提要 工程提要陜西烏河土石壩是水利樞紐工程。1.1工程等級及建筑物等級根據SDJ12-1978《水利水電樞紐工程等級劃分設計標準》之規定，水利水電樞紐工程根據其工程規模﹑效益及在國民經濟中的重要性劃分為五類，綜合考慮水庫的總庫容、防洪庫容、灌溉面積、電站的裝機容量等，工程規模由庫容決定，由于該工程正常蓄水位為594m，庫容約為2億m3，估計校核情況下的庫容不會超過10億m3，故根據標準（SDJ12-1978），該工程等別為二等，工程規模屬于大（2）型，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時性建筑物級別為4級。1.2洪水調節計算200年一遇2000年一遇設計情況校核情況4300m3/s6500m3/s調洪計算表設計洪水位校核洪水位設計泄洪流量校核泄洪流量594600430065001.3壩型選擇與樞紐布置陜西烏河土石壩通過各種壩型分析比較，選擇土石壩的方案最優。此次建設土石壩需要對經濟呀，什么的，各種必須要考慮的方面進行分析。土石壩后續，需要解決流量過多的設施需要結合使用，減少流量過多對那些設施的損害。1.4大壩設計據方案分析，斜心墻大壩具有獨特特點，符合此次設計要求，此次設計大壩使用黏土斜心墻壩的壩型。我認為這是十分符合這個陜西烏河的設計要求的，比其他的壩型有其獨特的優點。大壩壩頂高程不難分析，依據相關給定的陜西烏河數據分析可得，在校核條件下為600m,取600m,最大壩高為130m,屬于高壩，故綜合考慮確定該土石壩壩頂寬度為10m。據規范與實際共同考慮。這次河北農業大學要求的陜西烏河土石壩畢業設計。陜西烏河土石壩的最低與地基接觸部分，排水體要按實際與經驗來說，我覺得棱體排水這種設施，符合陜西烏河的實際情況。經過多方查找資料，結合實際可得出結論。這種排水體應該它的最大下游水位有1m。有數據表明，陜西烏河土石壩在校核情況的下游水位得有545m，壩頂高程由給定數據可得是600m，查找相關最新設計規范可得，內坡比1：1.5，外坡比1：2，2m的壩頂寬，排水體后面不與水面接觸的部分按實際考慮，貼坡排水是相符合的。黏土斜心墻是對陜西烏河土石壩壩身部分有效果的，壩基部分沒有比混凝土更有效解決滲流這種問題的了。1.5泄水建筑物設計如果使用開挖泄洪道的方案，那么是與陜西烏河土石壩設計需要是一致的。經查相關規范的要求和實際計算的結果，溢流孔口是7m*7m，洞身有8m*12m。實際施工中一般認為，溢流孔口后與相連接的設施坡度有45°。半徑有60m的圓弧足夠下泄水流的排放。2基本資料2.1水文2.1.1流域概況烏河位置烏河長度流域面積烏河流域東經107°73′~108°24′,北緯33°42′~34°13約為125.8km2258km2。扇形東西寬度主要支流流域平均寬度峪口上流干流60km陳家河、大蟒河、清水河、太平河、王家河等6km91.2km,流域面積大約占全流域面積干流河床比降森林覆蓋率1481km265%14.7%46.5%2.1.2氣象降雨氣象烏河流域氣候四季差異多年平均氣溫最低溫度溫帶半干旱氣候較大13.2℃-18.1℃,最高溫度多年平均最大風速最深凍土深度42.4℃20米每秒24cm降雨流域內降雨情況山區年降雨多年平均降雨量周圍年平均降雨量南多北少900mm841.3mm670mm2.1.3徑流多年平均徑流深降雨分布占全年降雨量60%的月份月最大降雨量多年平均水溫472.8mm不均勻7~10月份342.9mm11.3℃最高溫度最低溫度多年平均蒸發量水面蒸發強度36℃0℃1100.5mm525.4mm（1）洪峰流量。經頻率分析可得數據見表2.1.1。2.2工程地質2.2.1水庫地質水庫區地層巖性表層巖石下部構成第四系覆蓋層坡積碎石沖擊卵石層2.2.2壩址地質基巖構成巖層發育風化程度巖體形成風化程度云母石英片巖夾鈣質石英巖片理發育劇烈碎裂厚度15~30m壩址無基巖滑坡，因此基巖穩定。云母石英片巖顏色結構構成灰白色鱗片變晶5%石榴石、20%白云母、70%石英（2）鈣質石英巖顏色結構構成灰黑色變晶細粒石英、黃鐵礦、鈣質礦物表2.2.1陜西烏河土石壩壩基巖石物理力學性質表巖石名稱長石石英巖石英巖云母石英巖鈣質石英巖比重2.502.652.753.00容重γ（KN/m3）2.502.502.502.50抗壓強度（MPa）1802002252602.2.3地質構造因此東西向的構造呈主體構架，復式鄒褶，斷層和巖漿的出露，大概都東西延申。2.2.4水文地質條件河谷兩岸以基巖裂隙水為主的地下水，由河水補給而來，以下降泉的方式出現。該處水質良好，據分析可得，屬于低礦物水，適合工農業和生活使用。2.2.5地震烈度陜西烏河流域發生地震的可能性很小，一般建筑有7級的烈度便認為可以符合當地的要求，借鑒陜西烏河流域其他水利建筑物的經驗可得，摩擦系數分析為0.65.2.3建筑材料2.3.1料場的位置和儲量各料場的位置與儲量不同，具體什么情況，按陜西烏河流域的實際分布為準。古河道適合做運輸的道路，快捷迅速，堆石壩材料易于開采，儲量多。2.3.2各建筑的物理性質3工程等別及建筑物級別詳情見上面1.14洪水調洪計算4.1防洪標準主要建筑物等級土石壩防洪標準設計情況200年一遇校核情況2000年一遇2級水電站廠房設計情況100年一遇校核情況1000年一遇臨時建筑物設計標準20年一遇4.2設計洪水陜西烏河土石壩遭遇洪水是很有可能的事，所以一開始就把洪水當作考慮因素。4.2.1設計洪峰流量此河流屬于山區河流。據資料分析可得下表。設計情況校核情況200年一遇2000年一遇4300m3/s6500m3/s4.2.2設計洪水過程線依據如今陜西烏河流域其他已建成土石壩的相關經驗可得，陜西烏河土石壩的設計洪峰流量以及其他數據均可得到，一般都用同倍放大法這種方式對一些數據處理，得到應得合理的結果。相關數據見表4.2.1表4.2.1陜西烏河設計洪水過程線時段（Δt=3）典型洪水設計洪水校核洪水時段（Δt=3）典型洪水設計洪水校核洪水1000171521229325709818131842543152112951911165225430423585201014119558011301560211014119561204300m3/s6500m3/s229134186790127017552381131568608481170245719895070597525457781040565780263435911354956822722939123042458528114201325353488290001422318439Max(m3/s)120430065001520283391洪量（萬m3）910012946184421616247341倍比1.520.54.3調洪驗算4.3.1庫容曲線此水庫庫容曲線據數據可得見表4.3.1表4.3.1陜西烏河水庫相關數據表高程H庫容V面積A高程H庫容V面積A587968416455942000022585881066217545952103522965891122618755962208526325901366819565972313527225911783620985982416029675921892321325992521030125931997322236002629032654.3.2泄洪方式此樞紐定為土石壩，需再建泄洪建筑物。據地質資料分析壩址兩岸陡峭，適合隧洞泄洪的方式，避免開敞溢洪道的開挖。使用無壓流，受地形影響，進水口使用WES型實用堰，如果閘門過大而造價高且管理難度大。4.3.3防洪水位和水庫運行方式據資料分析，此水庫正常蓄水位為594m，此水庫的洪水位與設計書上的數據一致。陜西烏河水庫運行方式與其他水庫一樣，洪水到了一定的界限，才選擇開閘門把多余流量排出。剛開始洪水較小，不需要開閘門；當洪水大了之后，才按不同情況開關閘門。4.3.4泄洪能力經查相關數據與當地實際，表明陜西烏河土石壩的的排放洪水要按無壓隧洞自由出流這種方法，來解決問題。泄流公式查設計書可得：m——自由出流系數，取0.485；b——溢流孔寬；4.3.5調洪驗算泄洪洞進口高程汛期水位線滿足要求590m594m無壓、經濟和下游防洪陜西烏河土石壩要先確認5組方案考慮可行性，水庫調洪計算表見表4.3.1表4.3.1方案堰頂高程洞寬工況下泄流量庫容庫水位15947設計67320000594校核75420023594.225927設計104120054594.3校核111520062594.535946設計109020075594.8校核165020098594.945926設計90620106595校核97920132595.355948設計75320154595.4校核838201755964.3.6方案選擇陜西烏河土石壩的五種方案，經有關專家研究認為，第一種是與烏河實際需要符合的。5壩型選擇與樞紐布置5.1壩址及壩型選擇5.1.1壩址選擇依據老師給定的設計書中數據可得，選擇陜西烏河土石壩需要的地形當作壩址。經實際分析，有兩條符合條件的壩軸線，這兩軸線的位置接近，工程量相等，由圖可見：第一條壩軸線，河床覆蓋層厚度均為25m，河床中部有35m，壩肩有15m～30m的風化巖，有13條破碎帶，剩下的部分為前震旦系寬坪群教場組，石英巖，地質構造相對良好。Ⅱ-Ⅱ除此之外，繞陜西烏河土石壩發生滲透破壞，如果對后續的地基作相應的操作，難度大。這幾種方案第一種最適合。5.1.2壩型選擇第一處的壩軸線各項指標都不錯，符合設計要求，陜西烏河土石壩下面的巖石的強度不足以支撐。據地質條件分析拱壩和支墩壩不適合，混凝土重力壩也不符合條件且造價高、不經濟。所以土石壩對地基的要求低，易于取料，比較各類壩型，以定性分析的方法，對實際設計情況分析，確定選擇使用土石壩。5.2樞紐布置依據陜西烏河土石壩工程的需要，這個水利樞紐以土石壩為主的一系列相關建筑物組成。5.2.1擋水建筑物——土石壩5.2.2泄水建筑物——泄洪隧洞泄洪隧洞符合流態的要求，綜合考慮陜西烏河引水發電隧洞的位置，把泄洪隧洞安排在離相關建筑物很遠的地方。進出口要遠離100m的距離，以此避免泄洪對發電的影響，沖沙放空洞要處于泄洪隧洞之后。6大壩設計6.1土石壩壩型選擇筑壩材料、地基處理等因素影響土石壩壩型選擇。此次選擇幾種適合的大壩壩型，對土石壩的大小進行計算，分析比較，最后選擇符合各項條件，并且可以實際運用的壩型。這次設計根據老師給定數據，來確定壩型。均質壩受壩坡角度、剖面、工程量和施工季節的影響，應用的范圍不大。此工程的條件不符合均質壩的運用要求，土石壩周圍的材料不足以修建均質壩，所以從材料的角度均質壩的想法不合理。心墻壩土質防滲體用料不多，施工不受季節的影響。但施工期間心墻與壩體相互影響。斜心墻土壩防滲體的優點與心墻基本一致，抗裂性能優良。非土質材料的防滲體壩的材料通常由混凝土組成，剩下的部分用土石流構成，但當地的材料豐富，方便取料，因此，不適合使用這種壩型。綜上可得，斜心墻壩具有足夠的斜度、減小拱效應、對下游支撐體的深陷不敏感和應力狀態良好的優點，因此采用斜心墻的方案。6.2大壩尺寸的確定6.2.1壩頂高程計算依據相關規范，壩頂高程有四種計算方式。最終取這四種情況的最大值，此外還需給沉降值留余地。其超高值y按如下的公式：正常情況y=1.6*30+0.04+1=49.04m非正常情況y=30+0.02+0.5=30.52m依據相關參考文獻，爬高要用到設計風速，一般默認是1.6倍的多年平均最大風速，特殊情況直接用原數。有關數據可得，烏河水庫多年平均最大風速是30米每秒，最大吹程是24千米。平均波高和平均波長要按如下公式計算：由于計算過程太過復雜，使用軟件求解。正常情況：4.438*0.30.5=2.43m非正常情況：4.4.38*0.40.5=2.81m正常情況：9.8*2.432/2*3.14=9.21m非正常情況：9.8*2.81*2.81/2*3.14=12.32m正常情況：0.75*1*(0.3*9.21)0.5/(1+2.5*2.5)0.5=0.46m非正常情況：0.75*1(0.4*12.32)0.5/(1+2.5*2.5)0.5=0.62m正常情況：經計算0.04m。非正常情況：經計算0.02m。其他公式符號不變。計算結果見下表。表6.2.1超高計算結果表工況水位設計風速平均波長平均波高平均波浪爬高風浪壅高設計爬高安全加高壩頂超高設計（P=0.5%）594309.210.30.40.040.911.98校核（P=0.05%）6001612.320.40.60.021.40.51.93水庫區域的地震烈度為7度，按《規范》規定，水工建筑物抗震計算所使用的上游水位可以以正常蓄水位，陜西烏河土石壩水庫的地震涌浪高度，經過分析，認為是1m是符合要求的。忽略其他的影響因素。據《規范》要求，堰頂高程有多種計算方法，分析比較，選擇極大值。方法一：594+1.98=595.98m方法二：594+1.93=595.93m方法三：600+1.93=601.93m方法四：594+1.93+1=596.93m經對比分析取602m.6.2.2壩頂寬度壩頂寬度由三方面共同影響。要陜西烏河土石壩實際需要，一些數據根據一起分析。一般認為高壩的壩頂寬度可取為10m到15m，中低壩可取5m到10m，水庫壩基高程是470m，據計算壩高是132m，符合高壩，因此選擇土石壩壩頂寬度為13m。6.2.3壩坡與戧道斜心墻土石壩的壩坡是由壩高、筑壩用料、使用狀況等因素影響的，通常是參照已完工的經驗數據來確定壩坡，之后經計算分析，漸漸完善數據的精準性，除滿足穩定要求，為減小工程量，壩坡應建的陡些。在壩坡變坡處，一般設計1.5m到2m寬的馬道用來收集雨水，降低沖刷壩坡的風險，也可用作交通、檢修用途，綜合分析取寬度2.0m。6.2.4壩體排水此地的石料豐富，符合堆石棱體排水的條件。據規范規定棱體高程要高于下游最高水位1m，在校核洪水的情況下下游水位據分析545m，最后確定棱體壩體高程為602m，棱體內坡取1：1.5，外坡確定為1：2，頂寬為2m，下游以貼破排水為最終方案。6.2.5大壩防滲體壩體的防滲壩體防滲要參考相關文獻，計算防滲體厚度。600÷5=120m。參照已建成的實際案例，一般工程上認為斜心墻的頂部寬度有5m就符合需要了，黏土斜心墻的上游壩坡據規定和資料分析，確定為1：0.4。壩基防滲據壩址剖面圖，可得此壩基是云母石英巖，對此地基的防滲方法有很多，就不一一列舉了。6.3土料設計筑壩材料與各個方面息息相關，規定范圍很寬，不需要太過于考慮，顧此失彼。6.3.1粘性土料設計計算公式最優含水量隨壓實的大小不斷變化，要根據實際情況而定。據實際經驗可得，黏土的填筑含水量基本與最優含水量相等。一切數據均以烏河當地實際監測為準。設計干容重：1下=0.98*0.257=0.2522下=0.98*0.258=0.2531上=0.98*0.3=0.2942上=0.98*0.253=0.2483下=0.98*0.29=0.286下面按上面的排列順序計算。1下=1.57+0.07*25=3.322下=1.62+0.07*24=3.31上=1.53+0.07*26=2.78462上=1.51+0.07*27=3.43下=1.77+0.07*16=2.891下=2.63*（1-0.05）/（1+2.63*3.32）=0.2572下=2.63*（1-0.05）/（1+2.63*3.3）=0.2581上=2.66*（1-0.05）/（1+2.66*2.7846）=0.32上=2.76*（1-0.05）/（1+2.76*3.4）=0.2533下=2.71*（1-0.05）/（1+2.71*2.89）=0.29計算結果黏土料的計算成果見表6.3.1粘性土料設計成果表料場1#下2#下1#上2#上3#下比重2.632.632.662.762.71設計干容重1.621.631.541.521.79自然含水量21.6821.7422.3524.318.84孔隙比19.5221.7124.3823.612內摩擦角0.9781.0210.9650.9651.126濕密度0.710.6580.7250.850.54浮密度35.636.936.337.2636.26.4滲流計算預估滲流變形發生的可能性，從而選擇合適的應對方式。6.4.1計算方式使用水力學的計算方式計算滲流。據大壩壩體內各部分分別計算，最后相加得總的滲流量。先認為同一鉛直面的各點的滲透坡降均為同一值。計算過程太過復雜，借助軟件解決。6.4.2計算斷面及計算情況的選擇分別對正常蓄水位和設計洪水位的不同情況進行分析，對斷面Ⅰ-Ⅰ和兩邊典型斷面Ⅱ-Ⅱ，Ⅲ-Ⅲ進行滲流計算分析。6.4.3計算成果滲流計算成果見表6.4.1表6.4.1滲流計算結果表計算情況（m）（m）（m）（m）δq×10-4（m）正常蓄水位59454552.2025.208.875186.3132.141.1825.26設計洪水位59454552.3026.708.875186.3132.141.1426.76校核洪水位60056254.2028.108.875186.3132.141.2128.16據實際經驗分析，滲流很小，反濾層再作保障，滲透破壞可能性很小。6.4.4結果分析與結論由滲流分析的結果可知，最終計算的滲流結果滿足此工程的要求。6.4.5反濾層設計

(1)設計標準設計結果設計結果見表6.7.1表6.7.1反濾層設計結果第一層第二層D50hcD50hc防滲體周邊0.2211.232排水部分232191646.4.6護坡設計上游面，用漿砌石護坡，其范圍從壩頂到壩腳，厚40cm，下部設厚度為20.0cm碎石墊和20.0cm粗砂墊層。上部從壩頂開始，下部死水位以下不應小于1.5m，取1.50m，則上游護坡下部高程600-1.50=598.50m。下游面應由壩的頂部護至排水棱體，采用厚度40.0cm碎石護坡，40cm碎石