心墙坝设计(参考资料)

1第一章绪论1.1前言1.2设计基本资料1.2.1工程概况1.2.2气象水文资料1.2.2.1气象条件1.2.2.2径流1.2.2.3洪水1.2.2.4泥沙1.2.2.5冰情1.2.2.6水化学1.2.3工程地质条件1.2.3.1区域地质概况1.2.3.2库区工程地质条件1.3设计内容1.4设计依据2第二章坝体剖面设计2.1基本剖面拟定断面设计的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及基本尺寸。根据设计规范的要求及参照已建工程的经验数据，并考虑本工程的具体情况，对本工程的各项数据设计如下。2.1.1坝坡上下游坝坡根据已建工程经验和本工程的坝料特性及计算分析确定。已建工程上下游坝坡如表2-1所示。表2-1高心墙坝坝坡资料序号工程名称坝高（m）坝料上/下游坝坡地震设防烈度建设期备注1下板地78砂砾料爆破料1:2.2/1:2.092008沥青砼心墙坝2五一水库103.7砂砾料1:2.5/1:2.08在建沥青砼心墙坝3三峡茅坪溪104石渣料1:2.25/1:2.0、1:2.2572003沥青砼心墙坝4冶勒水电站125.5堆石料1:2.0/1:1.892005沥青砼心墙坝5瀑布沟水电站186堆石料1:2、1:2.25/1:1.882009砾石土心墙坝覆盖层厚75m6糯扎渡水电站261.5爆破料1:1.9/1:1.8在建粘土心墙堆石坝拟定上游坝坡为1:2.5，下游坝坡从上到下为1:2、1:2、1:1.7。2.1.2坝顶宽度坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。如无特殊要求，高坝的顶部宽度可选用10~15m，因此取坝顶宽度为13m。2.1.3坝顶高程设计2.1.3.1坝顶超高计算根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，坝顶超高值按下式计算：（2-1）式中：—坝顶超高，m；3—波浪爬高，m；—最大风壅水面高度，m；—安全加高，m。2.1.3.2坝顶高程确定坝顶高程等于水库静水位加坝顶超高。并按下列四种情况计算，取其最大值。（1）设计洪水位1821.65m加正常运用情况的坝顶超高。（2）正常蓄水位1820.00m加正常运用情况的坝顶超高。（3）校核洪水位1823.64m加非常运用情况的坝顶超高。（4）正常蓄水位1820.00m加非常运用情况的坝顶超高加地震安全加高。经计算，最终确定坝顶高程为1826.00m，防浪墙顶高程1827.20m，最大坝高165m。具体计算过程详见计算书。2.1.3.3防浪墙设计防浪墙尺寸如图2-1。图2-1防浪墙横剖图防浪墙的具体计算过程见附录。2.1.4马道设置根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的要求，土质防渗体分区坝和均质坝上游坝坡宜少设马道，且马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.5m。根据以上要求，上游坝坡处设置2道马道，高程设在1776m、1706m处，马4道宽度分别为5m和5m。下游坝坡2道马道，分别在高程1776m、1716m处，马道的宽度均设置为5m。2.2坝体分区2.2.1大坝分区原则（1）利用天然砂砾石料抗压强度较高，不易破碎，无论天然和饱和情况下，都具有较高的承载能力，压缩模量较大，坝体沉降较小的特点，在坝体变形较大部位采用砂砾石料填筑，可以减少坝体的沉降变形，减小河床坝段和岸坡坝段的变形差；利用堆石料具有的较高的抗剪强度指标和良好的抗震性能，将堆石料布置在砂砾石料外侧，以得到较陡的上、下游坝坡，节省坝体方量，同时可使坝体获得较高的抗震稳定性能。（2）沥青混凝土心墙处于坝体中间，坝体的渗透性从中间向上下游逐步增大。（3）坝体填料的变形模量从中间向上下游协调过渡。（4）坝址区砂砾料储量丰富，经比较，砂砾料填筑较经济，坝壳填筑以砂砾料为主。（5）充分利用开挖材料，就近取材。2.2.2大坝分区根据各坝料的特性和大坝各部位不同的工作条件，坝体填筑分区从上游至下游分为上游爆破料区，上游砂砾料区，上游过渡层区，沥青砼心墙，下游过渡层区，下游砂砾料区，下游爆破料区。按坝体抗震和结构要求，其分区见坝体标准横剖面图2-2。图2-2坝体分区横剖图防渗体：碾压沥青砼心墙为垂直式，墙体轴线偏向上游。心墙顶高程1825.0m，最低墙底高程1660.0m。心墙宽1m。过渡层：位于沥青混凝土心墙两侧，顶高程1825.0m，过渡层水平宽度为3m，等宽布置，过渡层填筑至心墙顶部，底部建在弱风化基岩建基面上，采用C3料场砂砾石料筛分，相对密度不低于0.85。5坝壳料分区：坝址区砂砾料储量丰富，经分析比较，砂砾料填筑较经济合理，坝壳填筑以砂砾料为主，砂砾料区布置在上、下过渡料区外侧，坝壳砂砾料填筑至1790.0m高程，上、下游砂砾料区顶部宽8m，与堆石料的分界坡为1:1.8。在上下游砂砾料区外部设置了堆石料填筑区，利用堆石料休止角高的特点，增加坝坡的抗震稳定性。爆破料来源于P1、P2石料场开采的石料，弱风化及新鲜岩石开挖料可作为利用料，填筑在上下游爆破料区。砂砾石料填筑相对密度不低于0.85，爆破料及利用料填筑孔隙率小于19%。6第三章坝体构造设计3.1防渗体设计3.1.1心墙材料选择沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲蚀能力、抗老化能力以及整个心墙无须设置结构缝，因此，沥青混凝土心墙可在任何气候条件和任何海拔高度使用。本坝体选取沥青混凝土作为心墙材料，主要原因有以下几点：（1）施工时间：可以以相当快的速度铺筑沥青混凝土，非常经济适用。沥青混凝土一经压实，立即可以防水，特别是在潮湿的季节施工时，这一点非常重要。（2）生理的适宜性：沥青在生理方面完全适宜于饮水，从水质卫生的观点来看，对其应用于水库完全没有异议。（3）抗冻性：因为沥青混凝土具有极小的孔隙率，因此水就没有进入这些构件的机会，所以冰冻作用不会影响到沥青材料，故沥青构件不需要防水保护。（4）冰冻时期的铺筑：如果铺盖层的厚度适当，在零度以下都可以铺筑沥青混凝土，这就允许在高海拔的地方有较长的施工工期，这点特别适用于新疆。3.1.2心墙型式沥青混凝土心墙有两种型式，一种为碾压式沥青混凝土心墙，一种为浇筑式沥青混凝土心墙。浇筑式沥青混凝土心墙，可采用人工方式在严寒地区冬季施工，沥青用量最高可达16%，塑性好，在国内有不少成功先例，如黑龙江的西沟坝、尼尔基坝、库尔宾坝，吉林的白河坝；碾压式沥青混凝土心墙，机械化施工程度高，施工方法简单易控，进度快，沥青用量少，是高坝中常采用的形式。从国内的相似工程来看，三峡茅坪溪、四川冶勒均采用碾压式沥青混凝土心墙。ATS水利枢纽工程项目属高坝、地震设防烈度高（8度设防）、碾压式沥青各项指标优于浇注式等特点，结合目前国内碾压式沥青心墙的发展现状，确定采用碾压式沥青混凝土。3.1.3心墙布置型式在心墙布置上，有直心墙，斜心墙，下部直心墙上部斜心墙三种型式。坝基覆盖层厚达100m，设计采用混凝土防渗墙和灌浆帷幕结合的垂直防渗形式，防渗墙顶部高程为1661~1665m，斜心墙受力条件好，但不能满足与基础防渗墙所有部位直接衔接，基础灌浆钻孔不能直线布置，若按折线布置，造成基础防渗工程量增加。阿尔塔什地震设防烈度高，一旦在地震情况下坝体发生永久剪切变形，沥青混凝土心墙出现开裂，斜心墙不易检修和检查。其右坝肩岸坡陡直，斜心墙斜线与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量大，心墙出现的剪切变形也较7大。直心墙具有以下优点：在坝基和坝壳沉降大的情况下适应性好，在心墙出现裂缝后有利于自愈，与岸坡及坝基防渗墙衔接相对容易。墙体位于大坝中心部位，受温度影响很小，有利于早期蓄水。同时便于与不同部位混凝土防渗墙和左、右岸衔接，便于基础处理和工程布置。心墙与河床段连接处如图3-1所示。图3-1心墙与河床段连接图下部直心墙上部斜心墙的第三种型式特点介于前两种之间，虽然可以有效降低下游坝坡浸润线，增加坝体下游的干燥区域，有利于增加坝体深层滑动的稳定性。但对本工程下游坝坡稳定起控制作用的是浅层滑弧，所以采用这样复杂的心墙形式对坝体稳定意义不大。同时下部直心墙上部斜心墙与岸坡岩石基础衔接难度大，沥青混凝土用量较大。综合以上分析，从抗震、沥青心墙与基础防渗墙和两岸岩石的衔接等角度分析，阿尔塔什水利枢纽工程大坝心墙布置型式确定采用直心墙。3.1.4心墙的断面尺寸根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（DL/T5411-2009）第8.0.2条的规定：“沥青混凝土心墙顶部的厚度不宜小于40cm，心墙底部的厚度宜为坝高的1/70～1/130。”。参考国内外工程的经验，考虑到阿尔塔什坝址地处高地震烈度区和坝基的深厚覆盖层，从有利于抗震角度出发，心墙厚度定为1m。该值满足规范的要求。3.2坝体细部构造83.2.1坝顶构造大坝路面为了排除雨水，坝顶面向大坝下游侧倾斜，倾斜坡度设为2%。坝面虽然没有交通要求，但考虑到大坝维护运行及大坝防洪任务中车辆的通行，因此路面采用混凝土结构形式。坝顶结构图如图3-2。图3-2坝顶结构图3.2.2护坡土石坝的上下游坡面一般均需设置护坡，但上、下游护坡的形式应根据工程的具体情况进行选择。3.2.2.1上游护坡上游护坡的常用形式为堆石、抛石、干砌石、浆砌石、预制或现浇的混凝土板、沥青混凝土等。护坡的形式、厚度及材料粒径应根据坝的等级、运用条件和当地材料情况。上游坝坡主要考虑波浪淘刷、顺坝水流冲刷及漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。根据工程的具体情况，上游护坡采用干砌石护坡，护坡厚度1m，护坡所用石料要求新鲜坚硬、耐久、饱和抗压强度小于40Mpa。对于干砌石护坡砌筑要求为：将块石错缝竖砌，紧靠密实，填塞稳固，表面平整、美观。3.2.2.2下游护坡下游护坡的主要形式为干堆石、堆石、碎石及草皮护坡。同时下游护坡主要考虑的因素有：冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏，雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。下游护坡应由坝顶至排水棱体。根据具体情况，下游护坡同样采用干砌石护坡，护坡厚度1m。3.2.3排水方式3.2.3.1坝顶排水9为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为2%。每隔100m设直径10cm的排水孔将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。3.2.3.2坝面排水沿坝轴线每隔100m设置1条横向排水沟，顺坡布置，垂直于坝轴线，横向排水沟自坝顶直至棱体排水处。坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。根据以往已建工程的经验，排水沟宽度及深度一般采用20到40cm，本设计取30cm。3.2.3.3坝体排水常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。（1）贴坡排水贴坡排水又称为表面排水，这种形式的排水结构构造简单用料节省，施工方便，易于检修，可以防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。但不能有效地降低浸润线，且易因冰冻而失效。（2）棱体排水棱体排水又称滤水坝趾，在下游坝脚处用堆石体堆成的棱体。棱体排水适用于下游有水的各种坝型，它可以降低浸润线，防止坝坡冻胀，保护尾水范围内的下游坝脚不受波浪淘刷，还可以和坝基排水相连接。当坝基强度足够时，可以发挥支撑坝体、增加稳定的作用。但所需石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修较困难。（3）坝内排水坝内排水包括褥垫排水、网状带排水、排水管、竖式排水体等。但是主要问题，褥垫排水对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低，网状排水施工麻烦，而且排水效果较褥垫排水差。（4）综合式排水实际工程中，常根据具体情况将几种不同形式的排水组合在一起称为综合式排水，以兼取各型式的优点。在下游坝脚处用块石堆成棱体，根据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定，棱体顶宽宽度应根据施工条件及检查观测需要确定，不小于1.0m，顶部高程应超过下游最高水位，超过高度，1级、2级坝应不小于1.0m，3级、4级、5级坝应不小于0.5m，并应超过波浪沿坡面的爬高，顶部高程应使坝体浸润线距坝面的距离大于该地区的冻结深度，应避免在棱体上游坡脚处出现锐角，棱体内坡根据施工条件确定，一般为1:1.0至1：1.5，外坡为1:1.5至1:2.0。10综合以上因素考虑