土石坝设计步骤

一、工程等别及建筑物级别根据SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准或DL5180-2003水电枢纽工程等级划分及设计安全标准，综合考虑水库总库容、防洪效益、电站装机容量、灌溉面积等指标，工程规模由库容(正常蓄水位时23.28亿立方米)控制，属于大(1)型。拦河大坝、溢洪道、发电引水建筑物等为1级建筑物，电站厂房为引水式岸边厂房，属次要建筑物，确定为2级，围堰、导流隧洞等临时建筑物为3级建筑物。拦河坝为粘土心墙土石坝正常运用（设计）洪水重现期为年；非常运用（校核）洪水重现期为年。电站厂房设计洪水标准为洪水重现期年，校核洪水标准为洪水重现期年。消能防冲设计洪水标准为洪水重现期年；导流建筑物洪水标准为洪水重现期年。二、洪水调节计算1、防洪库容的确定珊溪工程以发电灌溉为主，兼有防洪等综合利用效益的枢纽。为减免沿江两岸10万亩农田和居民的洪涝灾害，要求珊溪水库建成后，控制二十年以下的洪水，在下游峃口处最大流量不超过3300秒立方米。为满足峃口处二十年洪水流量不超过3300秒立方米（二十年洪水天然洪峰流量9580秒立米），考虑了坝址与区间的洪水组合。今以峃口处同样发生二十年一遇洪水为准，分别取坝址也发生二十年一遇洪水、区间发生相应洪水与区间也发生二十年一遇洪水(2520秒立米)、坝址发生相应洪水两种组合情况进行分析，分析计算坝址控制的下泄流量取区间洪峰流量与控制泄量3300秒立米之差，计算结果以区间发生二十年一遇洪水(2520秒立米)、坝址发生相应洪水的组合，要求珊溪水库蓄洪库容最大。故以此作为对下游控制泄量(3300－2520＝780)秒立米。当洪水流量Q来水780秒立米时，来多少放多少，水库水位保持不变；当Q来水＞780秒立米时，就需要控制下泄流量，使Q下泄＝780秒立米，将超过下游安全泄量的的那部分来水暂时拦蓄在水库中，这部分库容即为防洪库容V防。资料给定正常高水位为160m，查水位～库容曲线可得到正常库容V正常。V正常＋V防＝V总防，查水位～库容曲线可得到防洪限制水位高程Z防2、设计洪水位、校核洪水位的确定设计洪水位、校核洪水位的调洪演算必然要涉及泄洪建筑物和过水能力问题，因此必须注意与后续阶段中有关设计工作的配合，有时甚至交叉进行设计。一般可以先拟定几组泄洪建筑物的孔口尺寸，进行调洪演算得出相应的上游水位和下泄流量，在满足防洪要求的前提下，经分析比较选定合理的设计方案。现采用坝顶溢流或河岸式溢洪道4孔，每孔12米，堰顶高程150.0米，初步估算时m取0.40。设计洪水位、校核洪水位的调洪演算：洪水来临初期，按“20年一遇”洪水标准处理，即Q来水780m3/s时，来多少放多少，水库不蓄水，水位仍处于正常水位高程；当Q来水＞780m3/s时，为满足防洪要求，就需要控制下泄流量，只能宣泄780m3/s，其余来水暂时拦蓄在水库中，水位逐渐升高，当水库水位达到防洪限制水位时，进行设计洪水位、校核洪水位的调洪演算。Q来水q下泄能力时，控制闸门开度，放走Q来水Q来水q下泄能力时，闸门全打开，按最大q下泄能力放水，多余水量继续蓄在水库内，水位上升到最高时，即为设计洪水位或校核洪水位。三、坝型选择及枢纽布置1、坝址及坝型选择坝轴线的位置，应根据坝址附近的地质、地形条件通过定性分析确定；坝型选择，应根据坝址处的地形、地质、建筑材料，宣泄洪水的能力以及抗震性能等特点，通过定性分析，初步选择2～3种坝型。由于时间的原因，每人独立完成指导老师指定的坝型设计，可主要对原则与要求进行阐述，然后说出本工程所选方案的理由和优缺点。本工程在选定的坝址河段，从上到下顺次布置了5条勘探线，第V勘探线离第I勘探线270米，已处在河流折向段，所以实际上可供选择的坝轴线只能在第I～III勘探线。而且从这三条勘探线的地形、地质条件来看，拱坝轴线只能布置在第I、II勘探线间；当地材料坝坝轴线只能布置在第II勘探线附近；重力坝坝轴线可以在第II、III勘探线范围内任意选择。因此，坝轴线选择与坝型选择密切相关。2、枢纽组成建筑物1）挡水建筑物：拦河大坝2）泄水建筑物：溢流坝或河岸式溢洪道、泄空洞3）水电站建筑物：引水系统、电站厂房、开关站4）导流建筑物：导流隧洞、上下游围堰3、枢纽总体布置四、挡水建筑物设计坝体布置按如下步骤进行：1)先要进行地基处理，得到开挖后可利用基岩的河谷断面图和地形等高线图；2)计算坝顶高程；3)在坝址的地形地质剖面上确定坝长（坝顶高程线与开挖线交点之间的距离），并确定始末桩号；4)在平面图上确定坝轴线位置及始末桩号；5)布置各坝段及其始末桩号，确定特征剖面位置及其桩号。1、坝顶高程的确定根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001规定，坝顶高程分别按照正常蓄水位加正常运用条件下的坝顶超高、设计水位加正常运用条件下的坝顶超高、校核水位加非常运用下的坝顶超高进行计算，若该地区地震烈度大于7º，还需考虑正常蓄水位加非常运用时的坝顶超高再加上地震涌浪高度，最后取以上四种工况最大值，同时并保留一定的沉降值。①设计洪水位+正常运用条件的坝顶超高d②校核洪水位+非常运用条件的坝顶超高d③正常蓄水位+正常运用条件的坝顶超高d+地震安全加高坝顶高程在水库正常运用和非常运用期间的静水位以上应该有足够的超高，以保证水库不漫顶，其超高值d按下式计算：dReA坝顶超高计算成果表工况水位(m)设计风速(m/s)平均波长(m)平均波高(m)平均波浪爬高(m)风浪壅高(m)设计爬高(m)安全加高(m)坝顶超高(m)设计校核2、坝坡坝坡应综合考虑坝型、坝高、坝的级别、坝体及坝基材料的性质、荷载、施工和运用条件等因素，经技术经济比较后确定。土质防渗体土石坝、沥青混凝土心墙和面板坝可参照已建成坝的经验或近似方法初步拟定坝坡，最终坝坡须经稳定计算确定。表1、表2分别给出，均质坝和分区坝坝坡参考值。一般情况下，上游坝坡应较下游坝坡缓；下部坝坡应比上部缓。常用土石坝坝坡一般在1:2~1:4之间。表1均质坝坝坡参考值坝壳部分心墙部分坝高（m）平台顶宽（m）平台级数上游坡（由上而下）下游坡(由上而下)顶宽(m)边坡＜151.5级数1:(2.0~2.25)1:(2.25~2.5)1:(1.75~2.0)1:(2.0~2.25)1.51：0.215~252.01~21:(2.25~2.5)1:(2.5~2.75)1:(2.0~2.25）1:(2.25~2.50)2.01：(0.15~0.25)25~352.021:(2.5~2.75)1:(2.75~3.0)1:(3.0~3.50)1:(2.25~2.50)1:(2.5~2.75)1:(2.75~3.0)2.51：(0.15~0.25)表2分区坝坝坡参考值塑性指数较高的亚黏土塑性指数较低的亚黏土坝高（m）平台上游坡下游坡坝高（m）平台上游坡下游坡顶宽（m）级数由上而下由上而下由上而下由上而下由上而下由上而下＜151.511：2.51：2.751：2.251：2.5＜151.511：2.251：2.501：2.001：2.2515~25221：2.751：3.01：2.51：2.7515~25221：2.501：2.751：2.251：2.5025~35231：2.751：3.01：3.501：2.51：2.751：3.5025~35231：2.501：2.751：3.251：2.251：2.501：2.753、坝顶宽度坝顶宽度应综合考虑构造、施工、运行、抗震等因素确定。高坝的最小坝顶宽度可选用10~15m，中低坝可选用5~10m，坝的级别高时应选大值，反之选小值。4、坝体排水5、大坝防渗体:包括坝体防渗和坝基防渗两个方面6、绘制大坝剖面7、土料设计:粘性土料设计、坝壳砂砾料设计8、渗流计算9、坝坡稳定分析大坝上下游坝坡稳定计算成果表部位计算工况上游水位（m）下游水位（m）最小安全系数(Kmin)规范值上游坡施工期1/3坝高稳定渗流期水位降落期正常蓄水位+地震下游坡稳定渗流期(正常)稳定渗流期(设计)稳定渗流期(校核)正常蓄水位+地震10、细部构造设计1)坝顶构造2)廊道系统3)坝体分缝4)止水5)坝体排水6)坝体混凝土的强度等级7)护坡8)排水设备9)反滤层的设计11、地基处理设计1)坝基的帷幕灌浆2)坝基排水3)坝基的加固处理12、大坝工程量计算土石方开挖：弱风化、新鲜1：0.3；强风化1：0.5；剧风化1：1五、泄水建筑物设计1、定性分析所选择溢洪道型式2、溢洪道布置包括平面和剖面:溢流堰型式-----驼峰堰、低实用堰、宽顶堰；3、进行水力学计算六、水电站引水建筑物设计由深式进水口、压力隧洞、调压井及高压钢管等主要建筑物组成。1、隧洞洞线选择(根据给定的资料定性分析)2、洞径的计算：洞径D小，水能损失大，造价小；洞径D大，水能损失小，造价大3、进水口的布置与设计:①位置：根据枢纽总体布置要求，引水系统布置在右岸。②进口高程：进水口采用河岸斜坡式，位于坝轴线上游，进口中心高程为110米。底板高程应在水库设计淤沙高程以上0.5～1.0米，以免堵塞进水口；顶部高程应考虑在水库最低运行水位下有一定的淹没深度，以免产生旋涡而吸入空气和漂浮物，引起振动和噪音，减小引用流量，降低水轮机的出力。③进口段、渐变段和闸门段的设计：进口曲线形状必须适合水流收缩状态，以免在曲线段形成负压区，进口顶板曲线目前常用1/4椭圆曲线，坝式进水口顶板常做成斜坡，以便于施工。渐变段是由矩形闸门到圆形隧洞的过渡段，其长度L＝（1～2）D。进口段横断面一般为矩形，进口流速不宜过大，一般控制在1.5m/s左右。④拦污栅的设计：拦污设备的功用是防止漂木、树枝等漂浮物随水流带入进水口。洞式进水口的拦污栅常布置为倾斜的，倾角为60～70度左右，洞式进水口一般采用平面拦污栅。拦污栅净面积由拦污栅的总面积按电站的引用流量和过栅流速摊牌得出(平均过栅流速一般取0.8～1.0m/s)4、水力计算：引水隧洞的水头损失主要有沿程水头损失、局部水头损失两部分。5、压力管道的设计1)管道内径的估算2)岔管处管道直径的确定6、调压井1)设置调压井的条件2)调压井最高最低涌波计算3)调压室的面积洞身结构计算：荷载计算，内力计算，应力及配筋（计算计算各种荷载组合情况下各代表性隧洞断面的内力与配筋，并画出配筋图）；细部构造设计，如灌浆孔布置、分缝、排水等。七、水电站厂房设计1、位置：位于右岸牛坑溪出口左侧山坡坡脚处2、厂房建筑物级别的确定-----洪水标准3、水轮机选型1）水头Hmax、Hmin、Hr选择①Hmax的确定校核洪水位＋机组满发设计洪水位＋机组满发正常蓄水位＋一台机组发电②Hmin的确定设计低水位(即设计死水位)＋机组满发③Hav的确定加权平均水头可近似为(Hmax+Hmin)/2，对于引水式水电站设计水头Hr=Hav。2）水轮机主要参数选择根据水头工作范围和设计水头查资料初选水轮机型号。①转轮直径D1的计算②计算单位转速③计算效率修正值和单位流量的修正值④检验水轮机实际工程范围⑤计算允许吸出高度Hs4、主厂房的尺寸1)主厂房的长度：机组段长度×机组数＋装配场长度＋边机组段加长2)主厂房的宽度：由发电机层、水轮机层和蜗壳层三层的布置要求来共同决定。3)主厂房的高度首先定出各层的高程，才能确定主厂房的高度。水轮机安装高程、尾水管底板高程、水轮机层地面高程、发电机层地面高程、吊车轨顶高程、厂房顶高程八、泄空洞设计1、设计标准：在10～15天内，从正常高水位160放水至死水位，拟定冲砂放空孔的洞径2、型式：即确定或说明洞内流态及出口消能方式，需要考虑放空孔是设计成有压孔洞不是无压孔洞？或者利用导流隧洞改建。另外还闸门如何布置？3、位置及高程：布置在左岸还是右岸、进口高程(淤沙高程以下1～2米)九、导流建筑物---导流隧洞1、导流标准２、导流建筑物的级别３、导流方式：导流隧洞(一次断流)、分期导流若采用导流隧洞：要考虑布置在左岸或右岸、确定进口底板高程、出口底板高程、隧洞洞径D