毕业论文-西南地区某水利工程斜心墙土石坝设计.doc

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1、第一章 土石坝工程概况1.1 工程流域概述该江位于我国西南地区，该江从东南向西北流向，全长约为122公里，该流域面积2558平方公里，在坝址以上流域面积约为780平方公里。本流域大多部分为山岭地带，山脉山丘和盆地交错于其间，地形变化多端，流域内支流很多，但多为小的山区流河流，汛期河流的含沙量较大，流速快。全区农田面积仅占总面积的20，林木面积约占全区的30，其种类有松、杉等。其余为荒山及草皮覆盖，冲积层较厚，土多，两岸有崩塌现象。本流域内因山脉连绵，纵横交错，交通不便，故居民较少。1.2工程地质资料1.2.1坝址地质资料 该坝址位于该江中游地段的峡谷地带，河床比较平缓，坡降不太大，两岸高山耸立

2、，纵横交错构成高山深谷的地貌特征，汛期河流的含沙量较大，流速快，冲积层较厚，土多，两岸有崩塌现象，适合用土石坝。1.2.2地震资料本地区地震烈度定为7度，基岩与混凝土之间的摩擦系数取0.65。1.3当地气候特征1.3.1气温情况 该地年平均气温约为12.8度，最高气温为30.5度，平均发生在7-8月，最低气温为-5.3度，平均发生在1-2月份。 表1-1 月平均气温统计表（度）123456789101112年平均4.88.311.214.816.318.018.818.316.012.48.65.912.8 表1-5 平均温度日数月份 日数平均温度1123145678910111261.20.

3、3000000003.125.026.830.7303130313130313027.90000000000001.3.2降水量情况 该地最大年降水量可达1213毫米，最小为617毫米，多年平均降水量为905毫米。 表1-2 各月降雨日数统计表日数月份平均降雨量12345678910111230mm000000000000 1.3.3风力和风向 通常1-4月风力较大，实测最大风速为19.1 m/s，相当于8级风力，风向为西北偏西。水库平均吹程为15公里。实测多年平均风速14m/s。1.4当地水文特征该江水量的主要来源为降水，在此山区流域内无湖泊，河流调节径流。根据实测水文气象资料研究研讨，通常

4、是每年五月底六月初河水开始上涨，汛期开始后，到十月以后洪水开始逐渐下降，导致枯水期开始，直至次年五月。该江洪水形式陡涨猛落，迅速而快，峰高而瘦，具有山区河流的特性，实测最大流量为700秒立米，而最小流量为0.5秒立米。1.4.1日常径流资料 坝址附近水文站有实测资料8年，参考临近测站水文记录延长后有22年水文系列，多年年平均流量为17秒立米。1.4.2洪峰流量资料 经过频率的分析，可以求得不同频率的洪峰流量如下表1-7，1-8所示，山区洪水的特性是暴涨暴落，迅速飞快的。表1-3 不同频率洪峰流量（秒立米）频率0.0512510流量25201880142011801040 表1-4 各月不同频率

5、洪峰流量（秒立米）1234567891011121461912196001240155012106703902837236171115530112013601090600310233352314911420850110083048025016281019117937076098072041021015231.4.3固体径流资料 该江为山区性河流，含沙量大小均随降水强度及降水量的大小而变化，平均含沙量达0.5公斤立米。枯水极少，河水清彻见底，初步估算30年后坝前淤积高程为2765米。1.5建筑材料物理力学性质1.5.1物理力学性质概述（1）土料：（见表1-5，表1-6）（2）石料：坚硬玄武岩可作

6、为堆石坝石料，储量较丰富，在坝址附近有石料场一处，覆盖层浅，开采条件较好。表1-5料场名称物理性质渗透系数10-6cm/s力学性质化学性自然含水量%自然容重比重孔隙率%孔隙比稠度饱和度颗粒级配（成分%，粒径d）击实剪力固结压缩系数cm2/kg有机含量灼热法%可溶盐含量%流限%塑限%塑性指数砾砂粘土最大干密度g/cm3最优含水量%内摩擦角deg凝聚力kPa湿干粗中细粉2mm20.5mm0.50.05mm0.050.005mm0.005mmKN/m31#下24.818.9115.162.6742.260.73442.6023.1419.460.937.475.9517.8735.4833.231.

7、6022.074.31724.6724.00.0211.730.0702#下24.218.9115.182.6741.900.72143.9022.2021.700.917.254.1514.3541.7532.251.6521.024.8025.5023.00.0201.900.0191#上25.617.3513.032.6549.800.99049.5725.0024.570.878.838.0017.5031.0034.671.5622.301.9023.1725.00.0262.200.1102#上26.316.3712.842.7452.301.09349.9026.3023.500

8、.694.504.3320.6736.2034.301.5423.803.9621.5038.00.0330.250.1103#下15.919.1116.642.7037.000.58034.0020.0014.000.676.409.0012.0035.0019.601.8016.903.0028.0017.00.0101.900.080表1-6 砂砾石的颗粒级配颗粒直径 料场300100100606020202.52.51.21.20.60.60.30.30.150.151#上5.218.621.412.318.613.95.44.60.32#上4.817.820.314.117.814.

9、84.65.30.53#上3.815.418.515.316.420.53.56.20.44#上6.018.319.416.415.616.74.82.50.31#下4.514.120.123.214.97.28.67.20.22#下3.919.222.418.719.18.35.72.80.13#下5.023.119.114.218.48.96.34.10.94#下4.122.418.714.117.914.44.13.60.7表1-7 砂砾石的物理性质名称1#上2#上3#上4#上1#下2#下3#下4#下容重kN/m318.617.919.119.018.618.518.418.0比重2.7

10、52.742.762.752.752.732.732.72孔隙率%32.534.731.031.532.532.232.533.8软弱粒%2.01.50.91.22.50.81.01.2有机物淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色淡色注：各砂砾石料场渗透系数k值为2.010-2厘米/秒左右。最大孔隙率0.44，最小孔隙率0.27。 表1-8 各料场天然休止角料场名称最小值最大值平均值1#上3430355035102#上3500371036003#上3440364035404#上3510374036301#下3410363035202#下3520380036403#下3430371035504#下3600

11、382037101.6 工程说明本工程正常蓄水位为2822.5m，对应水库库容为454.5106 m3，装机24MW。根据GB5020194防洪标准及SL 2522000水利水电工程等级划分及洪水标准的有关规定，查水利水电工程等级划分及设计标准（山脉、丘陵部分）由总库容在1-10亿立方米初定该工程为大（2）型工程，由装机容量等指标定位小（1）型，根据“各不同标准指标分属时，采用其中最高级别来控制”的原则，最终由水库库容确定该工程规模为大（2）型。所以判别出枢纽的主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。为了贯彻执行国家的水利技术政策，为了达到既经济又安全的目的，把该水利水电枢纽

12、工程按其规模、收益以及在国民经济中的重要性分为不同等级，为其后面的计算与施工提供基本基础依据。第二章 坝型的选择2.1坝址选择选择坝址的时候，不仅要综合考虑防洪、灌溉、航运、生产、发电各部门的经济效益，还要考虑对枢纽上下游的生态环境影响和库区的淹没损失等，要使得综合效益最大，有害影响最小，经过，研究，比较，选择资料地形图所示河弯地段作为坝址，在选定坝址之后在坝址处根据地形条件比较、建筑材料比较、地质条件比较、施工条件、施工环境及工程量比较确定坝址的具体位置。2.2 坝型选择一、 坝型的选择坝型选择是大坝设计中首先而且必须要解决的一个至关重要的问题，它关系到整个枢纽的工期、投资以及工程量。地形、

13、地质、环境、气候、坝高、筑坝材料、施工和运行条件等都是影响坝型选择的重要因素。水利枢纽中的拦河坝的型式主要有：支墩坝、重力坝、土石坝、拱坝及新型坝型如碾压混凝土坝、面板堆石坝等等。根据该地地形、地质条件和材料储备情况选出土石坝是最适合该地址的坝型。土石坝的坝型优点：施工方法选择灵活性大，结构简单，造价低廉，运行管理方便，工作可靠，便于维系性加高。能适应不同的施工方法，且施工速度快，工序简单、质量容易保证；筑坝材料就地取材，节省大量钢材、水泥、木材等建筑材料；适应地形变形能力强，土石坝三立体结构具有适应地基变形的良好条件，对地基的要求比混凝土坝的低，施工条件方便。土石坝坝型缺陷：施工导流不如其它

14、坝型方便，工程造价因而相应也增加；由于坝体断面大，土料填筑质量会受气候影响；土石坝坝顶不能溢流，需另开泄洪隧洞或溢洪道。本工程坝址附近河谷内地地形平坦、有丰富的质量较好的堆石料，为了达到既经济又安全的目的，通过对各种不同的坝型进行定性分析，综合考虑地形、地质条件、建筑材料、施工条件、综合效益等因素，最终选择土石坝方案。2.3建筑物组成此水利枢纽中，枢纽建筑物以土石坝为主体，并包括泄洪建筑物、灌溉建筑物、发电引水建筑物、工业引水建筑物、水电厂房、开关站、排沙建筑物、放空水库的泄水建筑物、施工导流建筑物、过船建筑物、过木建筑物等。通常土石坝蓄水枢纽“三大件”即土石坝、溢洪道和水工隧洞。土石坝用以拦

15、蓄洪水、形成水库，溢洪道用以宣泄洪水，确保大坝安全；水工隧洞则用以灌溉、发电、导流、泄洪、排沙等。2.4 枢纽的总体布置2.4.1 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。2.4.2 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，水流经隧洞流出直接入主河道，对流态也有利。电站引水发电洞布置在凸岸，泄洪隧洞布置以远离坝脚和厂房为宜。为减小泄洪时引起的电站尾水波动，以及防止冲刷坝脚，进出口相距3040m以上。2.4.3 水电站建筑物引水隧洞、电站厂房布置在凸岸，在泄洪隧洞与大坝之间。风化岩层较厚，厂房布置在开挖后的坚硬玄武岩上，开关站布置在厂房附

16、近。总之，枢纽布置效果应该考虑到方方面面，以确保工程效益达到最理想值。不仅要综合考虑防洪、航运、发电、灌溉等部门的经济效益，还要考虑库区的淹没损失和枢纽上下游的生态影响等，要做到综合效益最大，有害影响最小。枢纽布置图见下图2-1所示。 图2-1 土石坝枢纽布置图第三章 调洪计算3.1工程等别及建筑物级别的判定 本工程正常蓄水位为2822.5m，初始水库库容为，装机24MW。根据SDJ1278水利水电工程等级划分及设计标准（山脉、丘陵部分），由水库总库容指标（估计校核情况下库容不会超过10亿m3）定该工程为大（2）型；由防洪效益，灌溉面积，装机容量等指标定该工程为小（1）型；根据“各不同标准指标

17、分属时，采用其中最高级别来控制”的原则，最终由水库库容确定该工程规模为大（2）型。所以判别出枢纽的主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。3.2洪水调节计算原理3.2.1 确定洪水标准永久建筑物洪水标准可以根据建筑物级别查得：正常运用（设计工况）洪水重现期100年；非常运用（校核工况）洪水重现期2000年。设计洪峰流量Q设 = 1680（P=1%），校核洪峰流量Q校 = 2320（P=0.05%）。3.2.2方案假定原理 由实测资料分析研究可获得洪水过程线，假设拟定三组溢流孔口尺寸、及堰顶高程的方案，首先根据洪水过程线可得各时段平均来水量，然后由泄洪道口堰流公式，可求出在不同

18、孔口尺寸下求得不同的下泄流量，对应可求的得各时段下的下泄洪水量，来水量减去泄水量可得本时段的增加水量，以满库开洪水调节，满库库容加上新增洪水量可得第一时段末的库容，查库容-水位曲线可得新库容下的坝前水位，由该坝前水位作为下一时段的下泄流量计算的依据，依次可求得不同时段的上游水位及下泄流量，从中选择最大者即：设计水位及设计下泄流量校核水位及校核下泄流量水位。3.3堰顶高程及孔口尺寸选择原则 如果堰顶高程n取的过低，溢流孔口净宽B选的过大，则下泄能力也会加大，故而所需水库防洪库容可减小，挡水建筑物所在高度也可减小，淹没损失也减小；但是隧洞本身造价及工程量会加高。已知本工程允许下泄流量为900 m3

19、/s，过大的下泄流量为下游抗冲所不能允许。如果堰顶高程n取的过高，孔口净宽B取的过小，结果则与上述相反。3.4初步方案拟定要得到孔口尺寸与堰顶高程的最佳方案，可依据在施工技术可行的前提下，结合工程经验，和泄水隧洞以及包括拦河坝在内的总造价最小方案来选择，通过各种可行方案的经济类比来最终决定最后的方案。参照已建工程经验，拟定六组孔口尺寸与堰顶高程如下（采用单孔泄洪）方案一：n=2810m，B=8m； 方案二：n=2811m，B=7m；方案三：n=2812m，B=9m；n：堰顶高程，B：孔口净宽3.5调洪演算已知：=2822.5m =2765m ，H=i-2810/2811，Q设=1680/s Q

20、校=2320/s m=0.385 g=9.8 根据洪水过程线（附图1）、坝址处库容水位曲线（附图2）可求调洪计算表由库容曲线H-V表得初始库容=454.53.5.1调洪计算表方案一 Q设=1680/s，n=2810m，B=8m时段 4109.201.57602.638.68-7.11454.50447.392821.1111.118378.005.44504.967.27-1.83447.39445.562821.0411.04121075.2015.48500.207.208.28445.56453.842821.3411.34161596.0022.98520.727.5015.48453

21、.84469.322821.9011.90201470.0021.17559.288.0313.11469.32482.432822.3712.3724898.8012.94593.268.544.40482.43486.832823.0013.004386.405.56602.638.68-3.12486.83483.712822.4012.408213.363.07595.418.57-5.50483.71478.212822.2112.20Q校=2320/s时段 4150.802.17602.638.68-6.51454.50447.992821.1311.138522.007.5250

22、6.337.290.23447.99448.222821.1411.14121484.8021.38507.007.3014.08448.22462.302821.6411.64162204.0031.74541.527.8023.94462.30486.242822.5012.15202030.0029.32602.638.6820.64486.24506.882823.2413.24241241.2017.87656.939.508.37506.88515.252823.5513.554533.607.68680.149.79-2.11515.25513.142823.1713.17829

23、4.644.24651.739.38-5.14513.14508.002823.4912.49综上得：设计 max=2823.00m Q泄max=602.63/s 校核 max=2823.55m Q泄max=680.14/s方案二 Q设=1680/s ，n=2811m，B=7m时段 4109.201.57465.256.70-5.13454.50449.372821.1810.188378.005.44387.495.58-0.14449.37449.232821.1710.17121075.2015.48396.925.579.91449.23459.142821.5310.53161596

24、.0022.98407.655.8717.11459.14476.252823.0912.09201470.0021.17501.517.2213.95476.25490.202822.6511.6524898.8012.94474.386.836.11490.20496.312822.8711.874386.405.56487.887.03-1.47496.31494.842822.8111.818213.363.07484.196.97-3.90494.84490.942822.6711.67Q校=2320/s时段 4150.802.17465.256.70-4.53454.5449.97

25、2821.2010.208522.007.52388.635.601.92449.97451.892821.2710.27121484.8021.38392.645.6515.74451.89467.632821.8310.83162204.0031.74425.196.1225.62467.63493.252822.7611.76202030.0029.32481.126.9322.39493.25515.642823.5612.56241241.2017.87531.047.6510.22515.64525.862823.9312.934533.607.68554.677.99-0.315

26、25.86525.552823.9212.928294.644.24554.037.98-3.74525.55521.812823.7912.79综上得：设计 max=2823.09m Q泄max=501.51/s 校核 max=2823.93m Q泄max=554.67/s方案三 Q设=1680/s n=2812m，B=9m时段 4109.201.57521.937.52-5.95459.50488.552821.159.158378.005.44424.586.11-0.67448.55447.882821.129.12121075.2015.48424.496.089.40447.884

27、57.282821.469.46161596.0022.98446.346.4316.55457.28473.832822.0610.06201470.0021.17489.477.0514.12473.83487.952822.5710.5724898.8012.94527.157.595.35487.95492.852822.7410.744386.405.56539.927.77-2.21492.85490.642822.6610.66Q校=2320/s时段 4150.802.17521.937.52-5.35454.50449.152821.179.178522.007.52425.9

28、76.131.39449.15450.542121.229.22121484.8021.38429.466.1815.2450.54465.742821.779.77162204.0031.74468.456.7524.99465.74490.732822.6710.67202030.0029.32534.657.7021.62490.73512.352823.4411.44241241.2017.87593.568.559.32512.35521.672823.7911.794533.607.68621.008.94-1.26521.67520.412823.7311.73综上得: 设计 m

29、ax=2822.74m Q泄max=539.92/s 校核 max=2823.79m Q泄max=621/s由方案1、2、3的调洪计算表可得以下的调洪计算结果表：方案堰顶高程n孔口尺寸B工况Q上游水位超高Z1n=2810m设计602.62823.000.5B=8m校核6802822.351.052n=2811m设计501.512823.090.59B=7m校核554.672823.931.433n=2812m设计539.922822.740.24B=9m校核6212823.791.29注：1、发电引水量Q=44.1/s,与总泄流量相比较小，调洪演算未做考虑； 2、超高表示正常蓄水位以上的超高，

30、需满足小于3.5.3.6 方案的选择由方案结果中可以看出三组方案均能满足下泄流量(Q900/s)及超高（z3.5m）的要求，故需从中选择最为经济合理的方案，通常n越大，大坝就要增高，造价也会加大，另外流量不宜过小否则对泄洪不利。故最总选定方案1，即; n=2810m，B=8m，对应设计水位为2823.00m，校核水位为2823.55m，设计泄洪流量为602.6/s,校核流量为680/s。第四章 土石坝剖面设计4.1 土石坝坝型选择影响土石坝坝型选择的因素很多，其中最主要的是坝址附近的筑坝材料，其次还有地形地质条件、气候因素、施工条件、坝基处理、抗震要求等。坝型的选择应该具有综合优越性，首先要拟

31、定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，可行性，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。下面详细比较几种坝型，最终定案。4.1.1 均质坝均质坝，施工简单，材料单一，但是坝坡较缓，剖面大，粘性土料受气候影响大，坝体孔隙水压力大，雨季冬季施工较为不便，且无足够适宜的土料来做均质坝，通常很少采用这种坝型，因而不宜采用均质坝坝型方案。4.1.2面板坝首先面板坝整个坝体都是受力结构，填筑量是土石坝所有坝型中最小的，设计中坝高为63，属于中坝，不宜选择面板坝。面板坝没有防渗体的粘性土填方，所以施工受气候影响较小，施工干扰也较小，可以全年持续施工。但是面板抗震性能较差，对基础沉陷非常敏感。而本设计中地质

32、条件较差，坝址地区地震烈度为7度，明显不宜选用面板坝方案。4.1.3堆石坝堆石坝坝坡较陡，剖面小，造价低，施工干扰相对较小，施工速度较快，抗震性能好，工程量小。坝址附近有坚硬玄武岩石料场一处，储量丰富，开采容易，可方便用于堆石坝材料，从材料角度可以考虑选择堆石坝方案，但由于河床地质条件较差，冲积层最大32m，平均也有20m，作堆石坝可能导致大量开挖，工期长，此方案也不予考虑。4.1.4 斜墙坝和心墙坝塑性心墙坝（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体，在坝剖面的中心部位合做心墙）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砂砾料同时上升，施工干扰大，工期长，不方

33、便；塑性斜墙坝(用砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体上游做斜墙)的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短，但对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝。从筑坝材料来看，由于坝址上下游内有足够可供筑坝的土料作为防渗体之用，又有足够的沙砾料作坝壳，心墙坝和斜墙坝都是可行的。本地区为地震区，基本烈度为度，从抗震性能及适应不均匀变形来看宜采用心墙坝；从施工及环境气候条件来看宜采用斜墙坝。但是由于本地区粘性土料自然含水量较高，不宜大量采用粘性土料，以薄心墙、薄斜墙较有利，又因坝基条件复杂，处理工程量大，工期长，所以采用斜墙为宜。4.1.5 斜心墙坝斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：

34、心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱；斜心墙对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙应力状态较好，工期较短，因而最终选择斜心墙坝方案。4.2坝顶高程坝顶高程根据正常运用和非正常运用的静水位相应的超高予以确定，应分别按以下三种情况进行计算，然后取其中最大值为坝顶高程。（1） 设计洪水位+正常运用情况下的坝顶超高（2） 校核洪水位+非正常运用情况下的坝顶超高（3） 正常蓄水位+地震安全超高一、 计算公式1、 坝顶超高： (4-1) (4-2) 式中：e风雍高渡，m; D水库吹程，m，由资料知D=15km=15000m; H近似取坝前水深，m; K综合摩阻系数，值在（1.5-5.0）之间

35、，计算时，一般取3.6； V计算风速，;正常运用情况下的、级坝采用，非常运用条件下的各级土石坝采用，故可得正常运用条件下=1.514=21,非正常运用情况下=14； 风速与坝轴线的夹角=22.5； A安全加高，根据坝的等级和运用情况。查水工建筑物表1-11采用，土坝正常运用情况下安全超高0.7m,非正常运用情况下安全超高0.5m. R自风雍水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度，称波浪爬高；m; 确定波浪爬高R.它与坝前的波浪要素（波高和波长）、坝坡坡度、坡面糙率、坝前水深、风速等因素有关。波浪爬高R的计算，有以下计算公式:(1) 计算波浪的平均爬高。当坝坡系数m=1.5-5.0时，平均爬高为

36、： (4-3)式中：与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，按水工建筑物表5-1得砌石护面=0.75； 经验系数，由风速、坝前水深及重力加速度组成的无维量纲,按水工建筑物表5-2采用； 坡度系数; 、平均坡高与波长，m.平均波高的计算公式： (4-4) (4-5) 注：式中的水库吹程D以米计。 计算波浪平均周期，公式为： =4.0 （4-6） 计算平均波长: 当0.5时为深水波 (4-7) 当0.5时为浅水波 (4-7)(2) 计算波浪设计爬高R。在工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对级坝取保证率P=1%的波浪爬高，查水工建筑物表5-3，0.5为深水波，计算采用公式4-6；(4) 计算公式采用式4-1