土石坝设计实例

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黑龙江农垦林业职业技术学院

土石坝设计实例

一、坝型选择

在坝趾附近颖河左岸有丰富土料，大部分为中粉质壤土，坝趾下游有少量重粉质壤上，可作为防渗材料，坝趾上下游及两岸滩地又有大量砂、砾石及卵石，可作为地壳材料，溢洪道开挖弃料可用作坝壳材料，从建筑材料上说，均质坝、心墙坝、斜墙坝均可。

1) 心墙坝 用作心墙坝防渗材料的重粉质壤土在坝下游，运距远，施工困难，造价高。 2) 斜墙坝 断面较大，特别是上游坡较缓，坝脚伸出较远，对溢洪道和输水洞进口布置有一定影响，防渗体座落在黄土地基上，由于黄土有湿陷性，易断裂。

3) 均质坝 坝趾附近有中粉质壤土，天然含水量按近塑限含水量17%，渗透系数K=1.2×10-5cm/s，满足K<1.0×10-4cm/s，内摩擦角22°，较大，同其它坝型比较，造价较低，且对地基要求低，施工简单，干扰不大，材料单一，便于群众性施工。 通过分析认为宜选用均质坝。

二、地基处理

结合本坝坝基情况，从坝轴线剖面图可知，地基处理如下：

① 从坝右肩到钻2，覆盖层厚。清基开挖量大，故表面5~8m的黄土覆盖层，处理的方法是：预先浸水，促其湿陷，即在坝基上开挖纵横沟槽或坑，灌水，必要时随着浸水的过程预加荷重。我国黄土地区筑坝实践说明如不预加荷重，仅靠浸水使黄水湿陷的效果不大，而将在水库初蓄和二次蓄水时发生很大沉陷。下面3~5m厚的砂卵石层可用钻孔灌浆的方法。

② 从钻2到河槽 覆盖层厚4~8m，可开挖截水槽，挖至弱风化层0.5m深处，内填中粉质壤土，截水槽横断面拟定：边坡采用1:1.5~1:2.0，底宽：渗径不小于(1/3~1/5)H，H一最大作用水头。

③ 河槽处，水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强。坝体与岩基结合面，是防渗的薄弱环节，需设砼齿墙，以增加接触渗径。延长后的渗径L长为（1.05~1.10）倍原渗径，一般可布置4排。

④ 左滩地到左坝肩，黄土厚3~7m，处理可采用预先浸水法，然且灌浆处理。

⑤ 坝体与岸坡的连接。坝肩结合面范围内的所有腐植土层树根草根，均需彻底清除。岸坡应削成平顺的斜面，右岸削成1:4缓坡，岸坡上修建砼齿墙，左岸较陡，边坡开挖成1:0.75坡度。

三、体剖面设计

土石坝的剖面是指坝坡大小，坝顶宽度和坝顶高程。

1、坝坡

坝高约30m，故采用三级变坡。

① 上游坝坡：1:3.0; 1:3.25; 1:3.5。 ② 下游坝坡：1:2.5; 1:2.75; 1:3.0。

③ 马道：第一级马道高程为343m，第二级马道高程为353m。

2、坝顶宽度

本坝顶无交通要求，对中低坝最小宽度B>Bmin=5m取B=6m。

3、坝顶高程

坝顶高程等于水库静水位与超高之和，并分别按以下运用情况计算，取其最大值。 ①设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高，②校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高。 由式4-1、式4-2及下式：

KWKKR1m22hc2LCV2gD0.452hc0.0018()22gV2LC252hc

式中：K△—与糙率有关的系数，采用砌石护面， K△=0.75；

Kw—经验系数；KB—折减系数；m—计算坡度系数。代入数据，两种计算成果列表(1)。

表1 坝顶高程计算表 运用情况 静水位(m) 设计情况 校核情况 363.62 364.81 R(m) e(m) A(m) 0.7 0.4 △h(m) 防浪墙顶高程(m) 2.566 1.569 366.19 366.38

366.38 坝顶高程(m) 365.18 1.853 0.013 1.164 0.005 验算：坝顶高程>设计洪水位0.5m，即363.620.5364.12m校核洪水位364.81m四、坝体排水设备选择及尺寸拟定

常用的坝体排水有以下几种型式：贴坡排水、棱体排水、褥垫式排水。 贴坡排水不能降低浸润线。多用于润浸线很低和下游无水的情况。

棱体排水可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，是效果较好的一种排水型式。

褥垫排水，对不均匀沉陷的适应性差，不易检修。

本土坝坝体排水设备可选用棱体排水，尺寸为顶宽2m，内坡1:1.5; 外坡1:2.0；顶部高程须高出下游最高水位1.0~2.0 m，故顶部高程为340.1m。

在排水设备与坝体和土基接合处，设反滤层。 作出坝体最大剖面见图1。

图 1 坝体最大剖面图（单位：m）

五、渗流计算 1、计算情况选择。

渗流计算应考虑下列水位组合情况：

1) 上游正常高水位与下游相应的最低水位。 2）上游设计洪水位与下游相应的水位。 13) 上游水位为坝高处。

32、渗流分析的方法

采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速，渗透流量和浸润线等。

3、计算断面及公式

本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。计算公式采用表1中的不透水地基情况。

4、单宽流量计算结果列表1。

表1 单宽流量计算表

计算情况 正常蓄水位 设计洪水位 1坝高水位 3ho(m) 3.96 7.97 0.403 q(m3/s.m) 4.75×10-5 6.2×10-5 0.483×10-5 5、绘制浸洞线

①正常蓄水位情况下，浸润线方程：y757.357.92x x∈（0，95，63）

列表2如下，绘于图1。

表2 正常蓄水位情况下浸润线表

x (m) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 93.65 95.63 3.96 0 y(m) 27.52 26.04 24.47 22.8 20.99 19.01 16.8 14.25 11.12 6.67 六、稳定计算

1、分析情况选择

以上游正常高水位，而下游无水：上游设计洪水位而下游相应水位来验证下游坝坡的稳定。以库水位为1/3坝高处，而下游无水来验证上游坝坡稳定分析。

2、滑裂面形式

对于均质坝，上下游坝坡均为曲线滑裂面。采用圆弧法进行稳定计算。

3、不计条块间作用力的总应力法的稳定分析

步骤如下：

1) 利用B.B方捷耶夫法和费兰纽斯法确定最危险滑弧所对应圆心的范围。在一扇形范围内的M1、M2延长线附近。

2) 取0为圆心，以R=75m为半径，作滑弧。

3) 分条编号：b=0.1R，从圆心作垂线为0号土条的中心线，向上依次为1，2，3，…；向下依次为-1，-2，….

4) 列表计算荷载，参见下表1，表2，表3。 5) 利用公式计算抗滑稳定安全系数kc。

1 wicosaitgicieibkcwi'sinai

式中：wi=r1h1+r3(h2+h3)+r4h4

r1、r3—坝体土的湿重度、浮重度，r4、h4本设计不考虑 wi’=r1h1+r2h2+r3h3+r4h4

r1、r2、r3—坝体上的湿容重、饱和容重、浮容重。 由提供的资料可知，本建筑物是3级建筑物。

r1=19.5KN/m3 ， r2=20.1KN/m3 ， r3=20.5-9.81=10.7KN/m3。 三种情况计算结果如下： ①正常运用期

3.14757395.5180180 11664.190.3667695.57.5K1.87841.56LiR表1 正常蓄水位情况下下游坝坡稳定计算表 土条 编号 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 h1 (1) 1.6 9 9 7.5 6.5 5.5 4 4 3.5 4 6.5 1.33 h2 (2) 0 1.5 6.5 12 11.5 12.5 10.5 6.5 0 0 r1h1 (3) 31.2 r3h2 (4) 0 r2h2 (5) 0 wi wi’ sinαi cosαi wicosαi Wi’sinαi (9) 0.6 0.71 0.8 0.87 0.92 0.95 0.98 0.99 0 0.99 0.98 0.95 (10) 18.72 13.6 109.04 224.98 234.4 239.12 197.03 209.63 0 146.07 124.22 24.64 (11) 24.96 144.38 185.25 180.75 149.1 115.2 62.75 33.43 0 -21.13 -25.35 -7.78 (6)= (7)= (8) (3)+(4) (3)+(5) 31.2 31.2 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 175.5 16.05 30.75 191.55 206.25 175.5 69.55 133.25 245.05 308.75 126.75 128.4 78 78 78 126.75 25.94 246 255.15 372.75 3.84 10.5 146.25 112.35 215.25 258.6 361.5 13.5 107.25 144.45 276.75 251.7 123.05 235.75 201.05 313.75 133.75 256.25 211.75 334.25 68.25 112.35 215.25 180.6 283.5 0 0 0 0 69.55 133.25 147.55 211.23 -0.1 126.75 126.75 -0.2 25.94 25.94 -0.3 合计

1664.19 841.56 ②上游为设计洪水，下游相应水位

11504.340.3667689.147K1.85 818.65表2 设计洪水位情况下下游坡坝稳定计算表

土条 h1 编号 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 合计

1③当上游水位为坝高处，上游坝坡的K为：

3h2 (2) 1.7 h3 0 0 0 0 0 r1h1 (3) r2h2 (4) r3h2 r3h3 (5) 0 wi wi’ sinαi cosαi wicosαi Wi’sinαi (9) 0.8 (10) 61.35 (11) 74.68 145.83 170.7 163.5 139.2 103.73 61.58 5.94 0 -15.9 -17.93 -12.68 (1) 3 (6) (7) (8) (3)+(4) (3)+(5) 76.69 93.25 0.8 171.8 284.5 0.6 180 186.3 327 348 58.5 34.85 18.19 75.08 133.25 69.55 19.5 307.5 160.5 3.85 6.5 2.5 11.5 1 0.5 0.75 15 0.5 16.5 13 0 144.63 208.33 0.7 0.71 102.69 0.8 137.44 0 0.5 0.87 158.6 0.4 0.93 123.26 48.75 235.75 123.05 0 9.75 338.25 176.55 0 16 0.75 9.75 328 171.2 8.03 188.98 345.78 0.3 0.95 179.53 0.1 0.99 1 160 140.36 2.5 14.63 266.5 139.1 26.75 180.48 307.88 0.2 0.98 176.87 4 2 14.63 158.88 82.93 42.8 140.36 216.31 0 68.25 0 0 0 0 0.6 10.5 3.5 11.7 10.25 112.35 37.45 161.5 59.4 0.75 7.75 1.5 3.5 1.4 0 0 4.5 3.5 29.25 92.25 48.15 37.45 114.85 158.95 -0.1 0.99 113.7 21.4 89.65 89.65 -0.2 0.98 87.86 14.98 42.28 42.28 -0.3 0.95 12.68 1.4 27.3 1504.34 818.65 LiR180102.27 10.3661602.7276102.278.75K2.79529.2

1表3 上游水位为坝高处上游坝坡抗滑稳定计算表

3土条 编号 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 合计 h1 (1) 0.1 5 9 13 13.5 10 7.5 4.5 1.5 0 0 0 h2 (2) 0 0 0 0 1 5 7.5 9 10 8.5 4.5 0.55 r1h1 (3) 1.95 91.5 175.5 253.5 263.25 195 87.75 29.25 0 0 0 r3h3 (4) 0 0 0 0 10.7 53.5 96.3 107 90.95 48.15 5.89 wi wi’ sinαi cosαi wicosαi (7) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 (8) 0.6 0.71 0.8 0.87 0.92 0.95 0.98 0.99 1 0.99 0.98 0.95 (9) 1.17 69.23 140.4 220.55 252.03 236.08 221.97 182.21 136.25 90.04 41.19 5.60 1602.72 Wi’sinαi (10) 1.56 68.25 105.3 126.75 109.58 74.55 45.3 18.41 0 -9.1 -9.63 -1.27 529.2 (5) (6) (3)+(4) (3)+(4) 1.95 97.5 175.5 253.5 248.5 226.5 1.95 97.5 175.5 253.5 248.5 226.5 275.95 273.95 146.25 80.25 184.05 184.05 136.25 136.25 90.95 48.15 5.89 90.95 48.15 5.89