土石坝设计

1土石坝设计计算说明书一、基本资料1.1工程概况S水库位于G县城西南3公里处的S河中游，该河系睦水的主要支流，全长28公里，流域面积为556平方公里，坝址以上控制流域面积431平方公里；沿河道有地势比较平坦的小平原，地势自西南向东由高变低。河床比降3‰，河流发源于苏塘乡大源锭子，整个流域物产丰富，土地肥沃，下游盛产稻麦，上游蕴藏着丰富的木材、竹子等土特产。由于S河为山区性河流，雨后山洪常给农作物和村镇造成灾害，另外，当雨量分布不均时，又易造成干旱现象，因此有关部门对本地区作了多次勘测规划以开发这里的水利资源。1.2枢纽任务枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪、航运、养鱼及供水等任务进行开发。根据初步规划，本工程灌溉面积为20万亩，装机7200千瓦。防洪方面，由于水库调洪作用，使S河下游不致洪水成灾，同时配合下游睦水水利枢纽，对睦水下游也能起到一定的防洪作用，在流域900m3/s。在航运方面，上游库区能增加航运里程20公里，下游可利用发电尾水等航运条件，使S河下游四季都能筏运，并拟建竹木最大过坝能力为25吨的筏道。1.3地形、地质概况21.3.1地形情况库区属于低山区，两岸山体雄厚，分水岭山顶高程在550m~750m左右。山体多呈北东向展布，山高坡陡，坡度在30°~50°，局部60°~70°，地形险峻。库区植被茂盛。沿河两岸冲沟发育，以北东—南西向为主。基岩在河流两岸及冲沟处出露良好。坝址附近河流流向总体向南，河床宽约8-15m。两岸山体雄厚，山顶高程在370m以上。坝址两岸上、下游均发育有冲沟，冲沟切割深度20m左右。1.3.2地质情况库区地质构造以断层和裂隙为主，断裂构造较为发育，以小断层为主，未发现有区域性大断裂通过。库区主要发育以下几组节理裂隙：①北东东组：产状N70～80°E/NW∠65～85°，裂面平直，闭合～微张，延伸长短不一，约3～4条/m。②北西组：产状N30～40°W/SW∠50～75°、NE∠65～85°，裂面平直～稍起伏，闭合～微张，延伸一般较短，约4～5条/m。产状N60～70°W/NE∠50～75°，裂面平直，闭合～微张，延伸一般较长，约3～4条/m。坝址区断裂构造不发育，勘察所发现的断层构造均分布在坝址下游,有北东和北西两组。在坝址区地震折射时距曲线，未发现明显的时间间隔变缓跳跃点，推测所测量的物探剖面中没有断裂构造带。31.4水文、气象1.4.1水文该水流域缺乏实测洪水资料，坝址的设计洪水本次对可行性研究阶段推理公式法和综合单位线法进行复核计算。又采用C站实测洪水进行水文比拟法计算，作为比较复核其成果与推理公式法十分相近，为使各阶段成果统一，仍采用推理公式法计算成果，见表1。表1设计洪水洪峰流量成果表（单位：m3/s）频率（%）0.20.330.5123.33520推理公式法15801470138012301070961871562本工程大坝防洪设计标准为30年一遇，校核标准为200年一遇，因此，设计洪水洪峰流量为961m3/s，校核洪水洪峰流量1380m3/s.1.4.2气象工程所在地属亚热带气候，冬半年受东北季风控制，气候寒冷略干燥，夏半年受西南和东南季风控制，气候炎热多雨。多年平均气温20.2℃。年极端最高气温39.2℃，年极端最低气温-5.1℃。年平均降雨量在1897.8mm，最大降雨量2859mm，最小降雨量827mm。降雨量年内分配不均，4～9月雨量占全年降雨量的75%，10月～3月占全年的25%。多年平均相对湿度77%。多年平均最大风速14.3m/s。多年平均蒸发量1210mm。1.5其它(1)坝顶无交通要求(2)对外交通情况4水路：由B城至溪口为南江段上水，自溪口至C城系睦水主流，为内河航运，全长256公里，可通行3~6吨木船，枯水季只能通行3吨以下船只，水运较为困难。公路：附近公路线为AF干道，B城至C城段全长365Km，晴雨畅通无阻，但目前C城至坝址尚无公路通行。铁路：D城为乐万铁路车站，由B城至D城180Km，至工地有53公里。(3)地震：本地区为5~6度，设计时可不考虑。二、设计数据2.1工程等级：根据规范自定2.2水库规划资料(1)正常水位：295m；(2)最高洪水位（校核）：298.85m；(3)死水位：285.0m；(4)灌溉最低库水位：284.0m；(5)总库容：444万m3；(6)库容系数：0.0017；(7)设计引用流量Q=9.87m3/s(8)风速风向多年平均风速1.8m/s，多年平均最大风速14.3m/s，历年最大风速20.7m/s。最多风向为东北风。5(9)吹程可取正常蓄水位时的河谷宽度的5倍进行计算。(10)水位及淤砂高程上游正常蓄水位相应下游最低水位：260.00m上游设计洪水位相应下游水位：269.04m上游校核洪水位相应下游水位：270.70m死水位：285.00m相应下游水位：260.00m上游淤砂高程：280.00m2.3枢纽组成建筑物(1)大坝：布置在1#坝轴线上；(2)溢洪道：堰顶高程为295m；(3)水电站：装机容量3600千瓦，2台机组，主厂房由主机间和安装间两部分组成，其中主机间尺寸为长×宽×高=27.0m×16.0m×19.3m，安装间尺寸为长×宽×高=8.98m×16.0m×19.3m；(4)灌溉：主要灌区位于河流右岸；(5)水库放空隧洞：为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞，洞底高程为277.0m，洞直径为1.0m。2.4筑坝材料枢纽大坝采用当地材料筑坝，据初步勘察，土料可以采用坝轴线下游1.5～3.5公里的丘陵区与平原地带的土料，且储量很多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝轴线下游1～3公里河滩范围内及S河出口处两岸河滩开采。石料可以用采石场开采，采石场可用坝6轴线下游左岸山沟较合适，其石质为石灰岩、砂岩，质量良好，质地坚硬，岩石出露，覆盖浅，易开采。(1)土料：主要有粘土和壤土，储量多，质量尚佳，可作为筑坝材料，其性能见表2；(2)砂土：可从坝上下游0.3~3.5公里河滩上开采，储量多，可供筑坝使用，见表3；(3)石料：石质为石灰岩及砂岩，质地坚硬，储量丰富，性能见表4。表2土料特性表土壤类别干容重c(3/KNm)最优含水率(%)孔隙率n(%)内摩擦角粘聚力C（Kpa）渗透系数k（cm/s）粘土15.42540'1830376110壤土15.814.541.7'2341125110坡土16.022.539.822(湿)33(干)7.5（湿）3110表3砂土特性表土壤类别干容重c3/KNm孔隙率n(%)内摩擦角渗透系数k（cm/s）浮容重'3/KNm砂土1640.630211010.067表4石料特性表干容重c(3/KNm)孔隙率n(%)内摩擦角183338三、枢纽布置3.1工程等别及建筑物级别3.1.1水库枢纽建筑物组成根据水库枢纽的任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道、水库放空隧洞（拟利用导流洞作放空洞）、筏道。3.1.2工程规模根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程规模如下：（1）各效益指标等别：根据枢纽灌溉面积为20万亩，属Ⅲ等工程；根据电站装机容量7200千瓦，属Ⅴ等工程；根据总库容为0.0444亿m3，属Ⅳ等工程。（2）水库枢纽等别：根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同等别时，整个工程的等别应按其最高的等别确定，故本水库枢纽为Ⅲ等工程。（3）水工建筑物的级别：根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅲ等工程的主要建筑物为3级水工建筑物，所以本枢纽中的拦河大坝、8溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道，水库放空隧洞等主要建筑物为3级水工建筑物；筏道等次要建筑物为4级水工建筑物。3.2各组成建筑物的选择3.2.1挡水建筑物型式的选择土石坝方案：土石坝对地形、地质条件要求低，几乎在所有的条件下都可以修建，且施工技术简单，可实行机械化施工，也能充分利用当地建筑材料，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案，布置在坝址工程地形地质图的1#上。3.2.2枢纽其他组成建筑物型式的选择（1）溢洪道土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在大坝坝体右岸，采用正槽式溢洪道泄洪，泄水槽与堰上水流方向一致，水流平顺，泄洪能力大，结构简单，运行安全可靠，适用于各种水头和流量。（2）灌溉引水建筑物采用有压式引水隧洞与灌溉渠首连接。进口设有拦污栅、进水喇叭口、闸门室及渐变段；洞身用钢筋混凝土衬砌；出口段设有一弯曲段连接渠首，并采用设置扩散段的底流消能方式。主要灌区位于河流右岸。（3）水电站建筑物因为土石坝不宜采用坝式水电站，而宜采用引水式发电，所以这里用单元供水式引水发电。9（4）过坝建筑物主要是筏道，采用干筏道。（5）施工导流洞及水库放空洞施工导流洞及水库放空洞，均采用有压式。为便于检修大坝和其它建筑物，拟利用导流隧洞作放空洞。3.3枢纽总体布置方案的确定挡水建筑物——土石坝，按直线布置在河弯地段的1#坝址线上；泄水建筑物——溢洪道布置在大坝右岸，堰顶高程为295m；灌溉引水建筑物——引水隧洞紧靠在溢洪道的右侧布置；水电站建筑物——引水隧洞、电站厂房、开关站等布置在右岸（凸岸），厂房布置在开挖的基岩上，开关站布置在厂房旁边；施工导流洞及水库放空洞布置在左岸的山体内。四、土石坝设计4.1坝型选择选择心墙坝，心墙位于坝体中间而不依靠在透水坝壳上，其自重通过本身传到基础，不受坝壳沉降影响，依靠心墙填土自重，使得沿心墙与地基接触面产生较大的接触应力，有利于心墙与地基结合，提高接触面的渗透稳定性；使其因坝主体的变形而产生裂缝的可能性小，粘土用量少，受气候影响相对小，粘土心墙冬季施工时暖棚跨度比斜墙小。移动和升高较便利。综合以上分析，最终选择心墙坝，心10墙材料为粘土。4.2大坝轮廓尺寸的拟定大坝轮廓尺寸包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡。4.2.1坝顶高程（1）坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下4种运用条件计算，取其最大值：①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；④正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高。当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高是指水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。（2）坝顶超高的计算①正常运用情况：河谷宽度B=84.95m，吹程D=5B=424.75m，风速取多年平均最大风速的1.5倍，W=1.5×14.3=21.45m/s，由莆田试验站公式：45.07.0245.027.022][7.013.00018.07.013.0WgHthWgDthWgHthWghmmm其中Hm=1/2(H正+H设)=1/2(38.3+42.15)=40.23m可解得hm=0.19mTm＝4.438h0.5m解得Tm=1.93s11式中hm-----平均波高，m；Tm-----平均波周期，sW-----计算风速，m/s；D-----风区长度，m；Hm------水域平均水深，m；g-----重力加速度，取9.81m/s2。平均波长可按式计算：mmmLHthgTL222式中Lm-----平均波长，m；H-----坝迎水面前水深，m。解得Lm=5.82mcos22mgHDKWe式中e-----计算点处的风壅水面高度，m；D-----风区长度，m；K-----综合摩阻系数，取3.6×10－6；β-----计算风向与坝轴线法线的夹角，(°)。mmWmLhmKKR21式中Rm-----平均波浪爬高，m；m-----单坡的坡度系数，若坡角为α，即等于cotα；12KΔ-----斜坡的糙率渗透性系数，根据护面类型由表A.1.12－1查得；Kｗ-----经验系数，按表A.1.12－2查得。表A.1.12－1糙率及渗透性系数KΔ护面类型KΔ光滑不透水护面(沥青混凝土)1