水工專業(yè)畢業(yè)設計---土石壩工程設計

1、<p><b>　　水工專業(yè)畢業(yè)設計</b></p><p>　　設計課題：土石壩工程設計</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　綜合說明</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>&l

2、t;b>　　氣象和水文</b></p><p><b>　　工程地質</b></p><p><b>　　建筑材料</b></p><p><b>　　其它資料</b></p><p>　　工程總布置和建筑物設計</p><p><

3、;b>　　設計依據</b></p><p><b>　　大壩設計</b></p><p><b>　　溢洪道設計</b></p><p><b>　　附:參考文獻</b></p><p>　　附圖: 1、樞紐工程布置圖——（SN—01）</p>

4、<p>　　2、大壩剖面圖——（DB—01、02、03、04）</p><p>　　3、溢洪道剖面圖——（YH—01）</p><p><b>　　綜合說明</b></p><p><b>　　第一節(jié):前言</b></p><p>　　設計對象為我縣某山區(qū)水庫，水庫控制徑流面積166.1

5、Km2。目前，公路、輸電及通訊線路都已通到樞紐工地，具有良好的“三通一平”條件。</p><p>　　水庫興建的目的和任務：通過完全年調節(jié)蓄水，從根本上解決下游城鎮(zhèn)供水、農田灌溉以及河道防洪等方面的問題，并可興利發(fā)電及發(fā)展水產養(yǎng)殖。電站裝機800千瓦，平均年發(fā)電量250萬度。</p><p><b>　　第二節(jié):氣象和水文</b></p><p&g

6、t;　　該壩址所在地區(qū)，冬季時間較短，夏季降雨日數較多，年平均氣溫12.9℃。洪水期多年平均最大風速20m/s（庫面10m高），吹程1.5Km。</p><p>　　水庫主要建筑物按三級建筑物設計，防洪標準按期50年一遇洪水設計，500年一遇洪水校核，水庫興利按P=75%年徑流量設計，澆灌流量為5m3/s。</p><p>　　水庫主要水文數據見表1—1：</p><p

7、><b>　　水庫水文數據表</b></p><p><b>　　表1—1</b></p><p><b>　　第三節(jié):工程地質</b></p><p><b>　　一、地質、地形條件</b></p><p>　　庫區(qū)為變質巖系的片麻巖，地層大部傾向

8、上游，對水庫防滲有利。壩址的壩肩兩面三刀岸和基礎下部基巖，主要原因是角閃斜面長片麻石。質地豎硬，不夠完整。河床覆蓋層為第四紀砂卵石沖積層，其厚度為5—12m，下部其巖為角閃斜長片麻巖。已知水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度。</p><p>　　地形情況，從壩址地形圖中可看出，左岸高程式從235m到最高點85m，平距僅為6m，邊坡比例為1：0.52，地勢較陡；右岸高程從235m到最高點頭300m，平距為70m，邊坡比

9、例1：1.08，地勢相對左岸較緩。已知渠首的渠底高程為240m，且灌區(qū)在河流右岸。</p><p><b>　　二、壩基滲透情況</b></p><p>　　壩基砂礫石滲透系數K=1.5x10-2cm/s</p><p>　　壩基砂礫石水下抗剪內摩擦角а1=32o（水下），а2=35o（水上）</p><p>　　基巖在

10、強風化層的單位吸水率ω＞0.03L/min/m。 </p><p>　　基巖在弱風化層的單位吸水率ω＜0.03L/min/m。</p><p><b>　　第四節(jié):建筑材料</b></p><p>　　一、石料儲量及分布情況</p><p>　　壩址附近儲有大量適于碾壓筑壩的壤土，分布在河床高程附近。砂礫石儲藏豐富，在壩

11、址上、下游均運距為5Km。該地區(qū)建水庫有處理砂礫石地基的經驗。</p><p>　　二、筑壩材料物理力學性質</p><p>　　1、粘性土料：屬壤土，在天然狀態(tài)下主要物理力學指標如表</p><p><b>　　1—2和表1—3：</b></p><p><b>　　表1—2</b></p&

12、gt;<p><b>　　表1—3</b></p><p>　　筑壩壤土試驗有關指標見表1—4：</p><p><b>　　表1—4</b></p><p>　　2、砂石筑壩材料現場試驗成果表1—5：</p><p>　　砂礫料的含量P=43% (d＞5mm的部分)。</p&g

13、t;<p>　　粒徑大于5mm的粗比重G´=2.8,計算砂礫料γd′時采用A=0.01。</p><p>　　3、砂土（去掉d＞0.5mm的砂土）</p><p>　　自然容重γ＝1.84g/cm3,含水量ω＝19.5％。</p><p>　　土粒比重G=2.65, γdmax＝1.58g/cm3。</p><p>　

14、　γmin＝1.44g/cm3。</p><p>　　砂土的抗剪內摩擦角水上為30o,水下為30o。</p><p>　　堆石棱體：干容重γd=1.6g/cm3，孔隙率n＝40％。</p><p><b>　　第五節(jié):其它資料</b></p><p>　　1、水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度；</p><

15、;p>　　2、根據灌區(qū)要求，渠首的渠底高程為24.0m（灌區(qū)在河流右岸）；</p><p>　　3、溢洪道堰頂高程256.8m，進口段岸邊開挖坡度1：0.5,下游河床安全泄洪920m3/s；</p><p>　　4、放空洞與發(fā)電引水洞采用兩洞合一，可采用直徑為1.8m的圓形壓力洞；</p><p>　　5、壩頂交通要求可按單車道考慮（凈寬不小于5m）；<

16、/p><p>　　6、壩頂設置防浪墻。</p><p>　　第二章 工程總布置和建筑物設計</p><p><b>　　第一節(jié):設計依據</b></p><p>　　一、工程等別和主要建筑物</p><p>　　樞紐工程：根據給出的資料，初步選定壩型為粘土墻壩，壩殼料用砂礫石填筑，水庫主要建筑物按三

17、級建筑物設計，所以該水庫的等別為三等，其主要水工建筑物有——大壩、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞四部分組成。根據《水工建筑物》表1－4水工建筑物的級別表，該水庫主要建筑物（大壩、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞）屬三級永久水工建筑物，按三級建筑物標準設計。其它永久性建筑物按四級建筑物設計，臨時建筑物為五級。</p><p>　　渠系工程：渠系主要交叉建筑物按引水灌溉流量為5m3/s劃分，其工程等別為四等中的主要建筑

18、物，水工建筑物級別為四級。</p><p>　　二、設計中采用的主要技術規(guī)范及有關技術書籍</p><p>　　《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274－2001,中國水利水電出版社2002；</p><p>　　《水工建筑物》任德林、張志軍編著，河海大學出版社 2001；</p><p>　　《溢洪道設計規(guī)范》SL253－2000,中國水利水電出

19、版社 2002；</p><p>　　《土壩設計》（下冊）水電五局，東勘院編；</p><p>　　《水工建筑物抗震設計規(guī)范》DL5073－2000；</p><p>　　《水工建筑物》（第二版）遼寧省水利學校 郭宗閔 主編 水利水電出版社出版。</p><p>　　三、設計中采用的基本參數</p><p>　　1、

20、大壩防洪標準見表2—1</p><p><b>　　表2—1</b></p><p>　　2、大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數見表2—2</p><p><b>　　表2—2</b></p><p><b>　　3、抗震設計級別</b></p><p>　　由于

21、水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度，根據《水工建筑物抗震設計規(guī)范》DL5073—2000規(guī)定，結合工程實際及其遭受強震影響的危害性，在基本烈度基礎上提高1度作為設計烈度，即水庫的設計烈度為7度。</p><p><b>　　第二節(jié):大壩設計</b></p><p><b>　　一、壩型選擇</b></p><p>　　根據壩址

22、地形、地質、建筑材料和已知的相關地質水文資料，壩型宜為土石壩。壩址的壩肩兩岸和壩基下部基巖，主要是角閃斜長片麻巖。質地堅硬，不夠完整。左岸山體較陡，右岸山體相對較緩，河床覆蓋層為第四紀砂卵石沖積層，其厚度為5—12m，下部基巖為角閃斜長片麻巖。工程地質條件決定了只能建柔性材料壩，壩位附近有理想的防滲粘土及砂礫石料，儲量豐富，力學指標較高，運距短，施工條件好，故壩型選擇粘土心墻砂礫石壩。</p><p>　　壩基防

23、滲形式的選定，根據已知的地質資料，壩基砂礫石滲透系數K=1.5×10-2cm/s,河床覆蓋層為第四紀砂卵石沖積層，其厚度為5—12m,下部基巖為角閃斜長片麻巖。施工清基時不需深挖即可進行回填，并且結構簡單、工作可靠，防滲效果好，所以壩基河床防滲結構決定采用粘性土截水槽。</p><p><b>　　二、壩體剖面設計 </b></p><p>　　1、專體剖面

24、尺寸擬定</p><p><b>　　（1）壩坡</b></p><p>　　初步擬定壩高H＝26705－234＋1.0＝34.5m，根據《水工建筑物》（河海）一書中擋水建筑 物的劃分，壩高H＝30—70m的為中壩，所以該壩高</p><p>　　H＝34.5m屬中壩。</p><p>　　根據《水工建筑物》（河海）表3

25、—6土壩壩坡參考值，并結合工程實踐經驗，初步擬定壩坡見表2—3：</p><p><b>　　表2—3</b></p><p><b>　?。?）壩頂高程</b></p><p>　　根據《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274—2001,壩頂高程應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 ：</p&

26、gt;<p>　　a設計洪水位加正常運用條件的超高；</p><p>　　b正常蓄水位加正常運用條件的壩頂超高；</p><p>　　c校核洪水位加非常運用條件的壩頂超高；</p><p>　　d正常蓄水位加非常運用條件的壩頂超高。</p><p><b>　　壩頂超高值計算：</b></p>

27、<p>　　△h=hB+e+hc——（《水工建筑物》河海）</p><p>　　式中hc為安全加高，按《水工建筑物》（河海）一書中表3—1的規(guī)定采用，該壩為三級，正常情況hc＝0.7m，非常情況hc＝0.4m;</p><p>　　e為壩前靜水位因風浪引起的最大風壅高度，</p><p>　　e＝（KV2Dcosβ/(2gH)——（《水工建筑物》河海）&

28、lt;/p><p>　　K——綜合摩阻系數，取K＝306×10-6；</p><p>　　V——水面上10m處的風速，正常情況V＝（1.5～2）多年平均最大風速，所以V＝（1.5～2）×20＝（30～40）m,取40m/s；非常情況V=20m/s；</p><p>　　D——吹程，已知D＝1.5Km＝1500m；</p><p&g

29、t;　　β——風向與壩軸線的夾角，度；</p><p>　　H——壩前水域的平均水深，由壩軸線地質剖面圖中量算得，</p><p>　　H=（24.5＋33.5＋33.5＋17.5）/4＝27.5m；</p><p>　　hB——波浪在壩坡上的爬高，m；</p><p>　　計算浪高，計算公式：ghm÷v2＝0.13th[0.7(g

30、hm÷v2)0.7]×th{0.0018(gD÷v2)0.45/0.13th[0.7(ghm÷v2)0.7]}</p><p>　　Tm＝4.438hm0.5。</p><p>　　壩頂超高值計算見表2—4：</p><p><b>　　表2—4</b></p><p>　　各種情

31、況下壩頂高程如表2—5：</p><p><b>　　表2—5</b></p><p>　　通過計算，最后確定最大壩頂高程為270.857m,壩高</p><p>　　H＝270.857－234.0＝36.857m 。</p><p><b>　　（3）壩頂寬度</b></p><

32、;p>　　壩頂寬度根據壩高、構造施工、交通及防汛要求并結合實際情況確定，要求壩頂交通按單車道考慮，凈寬不小于5m，最后確定壩頂寬度為6m。</p><p><b>　　（4）護坡</b></p><p>　　為防止壩面被波浪淘涮，避免雨水沖涮、風揚、凍脹、干裂及動植物的破壞，壩體上、下游壩坡均采用30㎝厚干砌塊石護坡，塊石下面按反濾要求設200㎝厚碎石墊層。&l

33、t;/p><p><b>　　三、壩頂構造</b></p><p>　　根據要求，壩頂上游側設置防浪墻，高度1.2m，采用鋼筋混凝土建造，墻頂高程270.857m，相應壩長168.15m，墻的基礎與防滲體可靠連接，下游側設0.4m寬的堆石排水溝，并設0.4m寬漿砌路肩石。壩頂護面采用密實的碎石的砂礫石混合材料鋪筑，壩頂向下游一側傾斜坡度為3％。</p>&l

34、t;p><b>　　四、壩體防滲設施</b></p><p>　　大壩壩身采用粘土心墻防滲，心墻頂寬3.0m，心墻頂高程268.0m，比正常蓄水信高0.7m，比校核洪水位高0.5m.心墻上、下游面坡為1：0.2,深入截水槽，與截水槽開挖邊坡1：0.5,心墻兩側與壩殼料設3m厚的復式反濾層。</p><p>　　壩基防滲采用粘土截水槽，截水槽底寬5.0m。<

35、/p><p><b>　　五、壩體排水</b></p><p>　　壩體排水根據規(guī)范和相關技術要求，參照已往工程實踐經驗，采用堆石棱體排水，堆石棱體頂部高程239.5m，高出下游最高水位1.5m，頂寬2.0m，內坡1：1,外坡1：1.5。</p><p><b>　　六、壩基防滲處理</b></p><p&

36、gt;　　根據壩基滲透資料，壩基及兩肩基巖滲漏問題較嚴重，須采取防滲工程措施進行處理，經比較，對壩基及岸坡的防滲采用帷幕灌漿防滲措施處理。帷幕灌漿施工初擬分三個階段進行：第一階段在回填粘土截水槽后，即進行河床范圍基巖的帷幕灌漿；第二階段在大壩完成施工渡汛壩體后的汛期進行渡汛壩體范圍兩肩岸坡基巖的帷幕灌漿；第三階段在完成全部壩體填筑后進行渡汛壩頂以上至大壩頂范圍內兩肩基巖的帷幕灌漿。</p><p>　　七、建筑材

37、料指標選擇</p><p>　　根據筑壩材料物理力學指標，詳見表1—2、表1—3、表1—4、表1—5,與《碾壓式土石壩設計規(guī)范》SL274—2001對筑壩材料的要求對比，筑壩壤土（填筑心墻）和砂礫石（填筑壩殼）各項力學指標均能達到要求。</p><p><b>　　1、心墻土料的選擇</b></p><p>　　壩址附近儲有大量適于碾壓筑壩的壤

38、土，分布在河床高程附近，已知心墻粘土特性如下：</p><p>　?。?）有機質含量為0.3％＜2％；水溶鹽含量0.24＜3％；</p><p>　?。?）可塑性IP＝11～15＞10～11,為亞粘土：</p><p>　　（3）填筑含水量ω＝ωP＋BIP＝20％＋0.1×16％＝21.6％；</p><p>　　設計干密度γd＝η

39、（γg）/(1+ωG)＝1.64g/㎝3。</p><p>　　說明庫區(qū)壤土可用于心墻填筑，相應的設計含水量為19.6％—21.6％。</p><p>　　2、砂礫石壩體材料的選擇</p><p>　　砂礫石設計干密度γd=（γdG´）/[γdp+ G´(1-p)]-A=2.15g/㎝3。</p><p><b>

40、;　　3、反濾砂料</b></p><p>　　設計干密度γd=γ/（1＋ω）=1.84/（1＋19.5％）1.54g/㎝3；</p><p>　　設計孔隙比e＝(G/γd)-1＝2.65/1.54-1＝0.72；</p><p>　　最大孔隙比emax＝(G/γdmax)-1＝2.65/1.58＝0.677；</p><p>　

41、　最小孔隙比emin=（G/γdmin）-1=2.65/1.44-1=0.84；</p><p><b>　　砂土相對緊密度</b></p><p>　　Dr=(emax-e)/(emax-emin)=(0.677-0.72)/(0.677-0.84)=0.263。</p><p><b>　　4、堆石棱體</b><

42、/p><p>　　堆石棱體：干容重γd=1.6g/cm3,孔隙率n=40%，滿足要求。</p><p>　　八、滲透及壩體穩(wěn)定計算</p><p><b>　?。ㄒ唬B透計算</b></p><p>　　1、滲流量及浸潤線計算</p><p>　　按下游有棱體排水設施，滲透地基深12m，下游有水狀況計

43、算，t=4m，心墻和截水墻的厚度δ=（δ1＋δ2）/2=（3+16.6）/2=9.8m。</p><p>　　通過心墻和截水墻的滲流量q1=[(H1+T)2-(h+T)2]/(2δ)；通過壩基和下游壩殼的滲流量q2=k2(h2-t2)/(2L)+k3(h-t)T/(L1+0.44T)；</p><p>　　由q1＝q2聯解得，q=0.000024m3/s，h=5.31m。</p>

44、;<p>　　壩體浸潤線計算由公式：X=k(y2-t2)/( 2q)計算如表2—6</p><p><b>　　表2—6</b></p><p><b>　?。ǘ误w穩(wěn)定計算</b></p><p>　　由于壩殼料為非粘性土，按直線法計算：</p><p>　　1、上游壩坡KC=F/

45、T=mtg=3×tg24.5ο=1.367＞1.20</p><p>　　2、下游壩坡KC=F/T=mtg=2.75×24.5ο=1.253＞1.20</p><p>　　經計算，上、下游壩坡均滿足要求。</p><p><b>　　第三節(jié)：溢洪道設計</b></p><p><b>　　一

46、、溢洪道布置</b></p><p>　　溢洪道布置于順流左岸山體的埡口，這樣便于布置工程設施，開挖工程量小，陡槽段地形呈山梁，有利于開挖，其陡槽的基礎也較穩(wěn)定。溢洪道由進水渠、閘室、陡槽段、挑流段及坦護段組成。采用矩形斷面，進口設八字形進水渠，進口段岸邊開挖坡度為1：0.5,底板高程256.0M，設一閘室，長20M，三孔出流，每孔為6×7m2,考慮水庫在非常應用時可能處于高水位情況，堰頂高

47、程定為256.8M，閘門頂高程263.8M，按設計洪水位（P=75%）時下泄流量324m3/s設計，校核洪水位（p=0.2%）時下泄流量703m3/s校核。設一工作橋以便于閘門操作、檢修，橋底板高程274.60M，下游順坡開挖成簡最易明渠，將洪水泄入下游河道。</p><p><b>　　二、泄槽設計</b></p><p>　　1、寬頂堰過流設計與校核</p&

48、gt;<p>　?。?）設計洪水位情況</p><p>　　根據設計尺寸，設計洪水位時下泄流量為324m2/s，堰寬3×6m，設計水深5m，按判別式2.5H＜δ=20＜10H，屬于寬頂堰，泄流公式為 </p><p><b>　　Q=εmB </b></p><p>　　側收縮系數ε=1-0.2[(n-1

49、)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力學》</p><p><b>　　ε=0.895</b></p><p>　　流量系數m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.361</p><p>　　下泄流量Q=0.895×0.361×18××5.53/2=332.105m3

50、/s＞703m3/s</p><p>　　(2)校核洪水位情況</p><p>　　根據設計尺寸，校核洪水位下泄流量為703m3/s，過水水深11m，泄流公式為</p><p><b>　　Q=εmB </b></p><p>　　側收縮系數ε=1-0.2[(n-1)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力學》</

51、p><p><b>　　ε=0.818</b></p><p>　　流量系數m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.369</p><p>　　下泄流量Q=0.818×0.369×18××9.53/2=704.313m3/s＞703m3/s</p><p&

52、gt;<b>　　三、消能計算</b></p><p>　　根據地形地貌、地質情況和下泄流量情況決定采用挑流消能。</p><p>　　初定挑射角θ=30º,反弧半徑R=12.0m，首先計算挑距L，近《水工建筑物》（1－52）式計算</p><p>　　L=1/g[V21sin0θcosθ+V1cosθ]</p><

53、;p><b>　　=95.74m</b></p><p>　　最大沖坑水墊厚度tk=αq0.5H0.25=19.3m</p><p>　　已知河床深為4m，所以最大沖坑深度tkˊ=6.3＞5,即沖坑不會危及大壩和其他建筑物的安全。</p><p>　　參 考 文 獻</p><p>　　1、《碾壓

54、式土石壩設計規(guī)范》SL274－2001,中國水利水電出版社2002；</p><p>　　2、《水工建筑物》任德林、張志軍編著，河海大學出版社 2001；</p><p>　　3、《溢洪道設計規(guī)范》SL253－2000,中國水利水電出版社 2002；</p><p>　　4、《土壩設計》（下冊）水電五局，東勘院編；</p><p>　　5、《