水工专业毕业设计

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设计课题：

土石坝工程设计

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目 录

第一章 综合说明 第一节 前言 第二节 气象和水文 第三节 工程地质 第四节 建筑材料 第五节 其它资料

第二章 工程总布置和建筑物设计 第一节 设计依据 第二节 大坝设计 第三节 溢洪道设计 附:参考文献

附图: 1、枢纽工程布置图——（SN—01）

2、大坝剖面图——（DB—01、02、03、3、溢洪道剖面图——（YH—01）

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）04 第一章 综合说明 第一节:前言

设计对象为我县某山区水库，水库控制径流面积166.1Km2。目前，公路、输电及通讯线路都已通到枢纽工地，具有良好的“三通一平”条件。

水库兴建的目的和任务：通过完全年调节蓄水，从根本上解决下游城镇供水、农田灌溉以及河道防洪等方面的问题，并可兴利发电及发展水产养殖。电站装机800千瓦，平均年发电量250万度。

第二节:气象和水文

该坝址所在地区，冬季时间较短，夏季降雨日数较多，年平均气温12.9℃。洪水期多年平均最大风速20m/s（库面10m高），吹程1.5Km。

水库主要建筑物按三级建筑物设计，防洪标准按期50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核，水库兴利按P=75%年径流量设计，浇灌流量为5m3/s。

水库主要水文数据见表1—1：

水库水文数据表

表1—1

标 准 水位 兴利水 设计洪水位（P=20%） 校核洪水位（P=0.2%） 水库特征水位(m) 244.0 261.0 263.5 267.5 相应库容43(10m) 100 820 1101.6 1500 入库洪峰流量3(m/s) 624 1300 调节后下泄流3量(m/s) 324 703 相应下游水位(m) 236.0 238.0 第三节:工程地质

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一、地质、地形条件

库区为变质岩系的片麻岩，地层大部倾向上游，对水库防渗有利。坝址的坝肩两面三刀岸和基础下部基岩，主要原因是角闪斜面长片麻石。质地竖硬，不够完整。河床覆盖层为第四纪砂卵石冲积层，其厚度为5—12m，下部其岩为角闪斜长片麻岩。已知水库所在地区基本地震烈度为6度。

地形情况，从坝址地形图中可看出，左岸高程式从235m到最高点85m，平距仅为6m，边坡比例为1：0.52，地势较陡；右岸高程从235m到最高点头300m，平距为70m，边坡比例1：1.08，地势相对左岸较缓。已知渠首的渠底高程为240m，且灌区在河流右岸。

二、坝基渗透情况

坝基砂砾石渗透系数K=1.5x10-2cm/s

坝基砂砾石水下抗剪内摩擦角а1=32o（水下），а2=35o（水上） 基岩在强风化层的单位吸水率ω＞0.03L/min/m。 基岩在弱风化层的单位吸水率ω＜0.03L/min/m。

第四节:建筑材料

一、石料储量及分布情况

坝址附近储有大量适于碾压筑坝的壤土，分布在河床高程附近。砂砾石储藏丰富，在坝址上、下游均运距为5Km。该地区建水库有处理砂砾石地基的经验。

二、筑坝材料物理力学性质

1、粘性土料：属壤土，在天然状态下主要物理力学指标如表 1—2和表1—3：

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表1—2 天然含水量 19～23％ 表1—3 石灰质含量 0.24％ 有机质含量 0.3％ 天然容重（克/厘米3） 1.6 土粒比重 2.71～2.72 液限 28～22 塑限 16～32 塑性指标 11～15 筑坝壤土试验有关指标见表1—4： 表1—4 干容重 浮容重 饱和容重 (g/cm3) 2.03 2.05 2.07 凝聚力 (kg/cm2) 0.15 0.17 0.20 内摩擦慢剪 24o 24.5 o 25.8 o 平均渗透系击实数 (cm/s) 2.7×10 3.1×10-5 2.8×10-5 -5(g/cm3) (g/cm3) 1.6 1.65 1.7 1.03 1.05 1.07 击 30 40 45 注：水上内摩擦角比表中大。 2、砂石筑坝材料现场试验成果表1—5： 比重土体容重(g/cm3) 抗剪内摩擦角 水下 33 o 32 o 31 o 渗 透 系 (cm/s) 数4×10-2 8×10-2 1.0×10-2 （g/cm3干容重 饱和容重 浮容重 湿容重 水上 2.7 2.7 2.7 2.00 1.95 1.90 2.30 2.23 2.16 1.30 1.23 1.16 2.10 2.03 1.96 36o 35 o 34 o 注：地基砂砾石试验资料，暂认为与上表中坝体资料相同。 砂砾料的含量P=43% (d＞5mm的部分)。

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粒径大于5mm的粗比重G′=2.8,计算砂砾料γd′时采用A=0.01。 3、砂土（去掉d＞0.5mm的砂土）

自然容重γ＝1.84g/cm3,含水量ω＝19.5％。 土粒比重G=2.65, γdmax＝1.58g/cm3。 γmin＝1.44g/cm3。

砂土的抗剪内摩擦角水上为30o,水下为30o。 堆石棱体：干容重γd=1.6g/cm3，孔隙率n＝40％。

第五节:其它资料

1、水库所在地区基本地震烈度为6度；

2、根据灌区要求，渠首的渠底高程为24.0m（灌区在河流右岸）； 3、溢洪道堰顶高程256.8m，进口段岸边开挖坡度1：0.5,下游河床安全泄洪920m3/s；

4、放空洞与发电引水洞采用两洞合一，可采用直径为1.8m的圆形压力洞；

5、坝顶交通要求可按单车道考虑（净宽不小于5m）； 6、坝顶设置防浪墙。

第二章 工程总布置和建筑物设计

第一节:设计依据

一、工程等别和主要建筑物

枢纽工程：根据给出的资料，初步选定坝型为粘土墙坝，坝壳料用砂砾石填筑，水库主要建筑物按三级建筑物设计，所以该水库的等别为三等，

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其主要水工建筑物有——大坝、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞四部分组成。根据《水工建筑物》表1－4水工建筑物的级别表，该水库主要建筑物（大坝、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞）属三级永久水工建筑物，按三级建筑物标准设计。其它永久性建筑物按四级建筑物设计，临时建筑物为五级。

渠系工程：渠系主要交叉建筑物按引水灌溉流量为5m3/s划分，其工程等别为四等中的主要建筑物，水工建筑物级别为四级。

二、设计中采用的主要技术规范及有关技术书籍

《碾压式土石坝设计规范》SL274－2001,中国水利水电出版社2002； 《水工建筑物》任德林、张志军编著，河海大学出版社 2001； 《溢洪道设计规范》SL253－2000,中国水利水电出版社 2002； 《土坝设计》（下册）水电五局，东勘院编； 《水工建筑物抗震设计规范》DL5073－2000；

《水工建筑物》（第二版）辽宁省水利学校 郭宗闵 主编 水利水电出版社出版。

三、设计中采用的基本参数 1、大坝防洪标准见表2—1 表2—1

洪水标准 运行情况 工程等级（三级） 设计（正常） 校核（非常） 50年一遇 500年一遇 （渡汛库容） 12月—4月枯季洪水 施工渡汛洪水 导流围堰 - 5 -

2、大坝坝坡抗滑稳定安全系数见表2—2 表2—2

编号 1 计算情况 基本组合 运行情况 正常运行情况 非常运行情况Ⅰ 2 特殊组合 非常运行情况Ⅱ 1.05 安全系数 1.2 1.1 3、抗震设计级别

由于水库所在地区基本地震烈度为6度，根据《水工建筑物抗震设计规范》DL5073—2000规定，结合工程实际及其遭受强震影响的危害性，在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度，即水库的设计烈度为7度。

第二节:大坝设计

一、坝型选择

根据坝址地形、地质、建筑材料和已知的相关地质水文资料，坝型宜为土石坝。坝址的坝肩两岸和坝基下部基岩，主要是角闪斜长片麻岩。质地坚硬，不够完整。左岸山体较陡，右岸山体相对较缓，河床覆盖层为第四纪砂卵石冲积层，其厚度为5—12m，下部基岩为角闪斜长片麻岩。工程地质条件决定了只能建柔性材料坝，坝位附近有理想的防渗粘土及砂砾石料，储量丰富，力学指标较高，运距短，施工条件好，故坝型选择粘土心墙砂砾石坝。

坝基防渗形式的选定，根据已知的地质资料，坝基砂砾石渗透系数K=1.5×10-2cm/s,河床覆盖层为第四纪砂卵石冲积层，其厚度为5—12m,下部基岩为角闪斜长片麻岩。施工清基时不需深挖即可进行回填，并且结构

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简单、工作可靠，防渗效果好，所以坝基河床防渗结构决定采用粘性土截水槽。

二、坝体剖面设计 1、专体剖面尺寸拟定 （1）坝坡

初步拟定坝高H＝26705－234＋1.0＝34.5m，根据《水工建筑物》（河海）一书中挡水建筑 物的划分，坝高H＝30—70m的为中坝，所以该坝高 H＝34.5m属中坝。

根据《水工建筑物》（河海）表3—6土坝坝坡参考值，并结合工程实践经验，初步拟定坝坡见表2—3：

表2—3

坝 坡 上游坝坡 下游坝坡

（2）坝顶高程

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001,坝顶高程应等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其最大值 ：

a设计洪水位加正常运用条件的超高； b正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高； c校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高； d正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高。 坝顶超高值计算：

取 值 1：3.00 1：2.75 - 7 -

△h=hB+e+hc——（《水工建筑物》河海）

式中hc为安全加高，按《水工建筑物》（河海）一书中表3—1的规定采用，该坝为三级，正常情况hc＝0.7m，非常情况hc＝0.4m;

e为坝前静水位因风浪引起的最大风壅高度， e＝（KV2Dcosβ/(2gH)——（《水工建筑物》河海） K——综合摩阻系数，取K＝306×10-6；

V——水面上10m处的风速，正常情况V＝（1.5～2）多年平均最大风速，所以V＝（1.5～2）×20＝（30～40）m,取40m/s；非常情况V=20m/s；

D——吹程，已知D＝1.5Km＝1500m； β——风向与坝轴线的夹角，度；

H——坝前水域的平均水深，由坝轴线地质剖面图中量算得， H=（24.5＋33.5＋33.5＋17.5）/4＝27.5m； hB——波浪在坝坡上的爬高，m；

计算浪高，计算公式：ghm÷v2＝0.13th[0.7(ghm÷v2)0.7]×th{0.0018(gD÷v2)0.45/0.13th[0.7(ghm÷v2)0.7]}

Tm＝4.438hm0.5。

坝顶超高值计算见表2—4： 表2—4 运行正常V(m/s40 hB(m) 4.708 e(m) 0.016 0.004 hC(m) 0.7 0.4 △h 5.424 3.357 非常20 2.953

各种情况下坝顶高程如表2—5：

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表2—5

运用条件 设计洪水位加正常运用 正常蓄水位加正常运用 校核洪水位加非常运用 正常蓄水位加非常运用 坝顶高程（m） 268.924 266.424 270.857 264.357 通过计算，最后确定最大坝顶高程为270.857m,坝高 H＝270.857－234.0＝36.857m 。 （3）坝顶宽度

坝顶宽度根据坝高、构造施工、交通及防汛要求并结合实际情况确定，要求坝顶交通按单车道考虑，净宽不小于5m，最后确定坝顶宽度为6m。

（4）护坡

为防止坝面被波浪淘涮，避免雨水冲涮、风扬、冻胀、干裂及动植物的破坏，坝体上、下游坝坡均采用30㎝厚干砌块石护坡，块石下面按反滤要求设200㎝厚碎石垫层。

三、坝顶构造

根据要求，坝顶上游侧设置防浪墙，高度1.2m，采用钢筋混凝土建造，墙顶高程270.857m，相应坝长168.15m，墙的基础与防渗体可靠连接，下游侧设0.4m宽的堆石排水沟，并设0.4m宽浆砌路肩石。坝顶护面采用密实的碎石的砂砾石混合材料铺筑，坝顶向下游一侧倾斜坡度为3％。

四、坝体防渗设施

大坝坝身采用粘土心墙防渗，心墙顶宽3.0m，心墙顶高程268.0m，比正常蓄水信高0.7m，比校核洪水位高0.5m.心墙上、下游面坡为1：0.2,

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深入截水槽，与截水槽开挖边坡1：0.5,心墙两侧与坝壳料设3m厚的复式反滤层。

坝基防渗采用粘土截水槽，截水槽底宽5.0m。 五、坝体排水

坝体排水根据规范和相关技术要求，参照已往工程实践经验，采用堆石棱体排水，堆石棱体顶部高程239.5m，高出下游最高水位1.5m，顶宽2.0m，内坡1：1,外坡1：1.5。

六、坝基防渗处理

根据坝基渗透资料，坝基及两肩基岩渗漏问题较严重，须采取防渗工程措施进行处理，经比较，对坝基及岸坡的防渗采用帷幕灌浆防渗措施处理。帷幕灌浆施工初拟分三个阶段进行：第一阶段在回填粘土截水槽后，即进行河床范围基岩的帷幕灌浆；第二阶段在大坝完成施工渡汛坝体后的汛期进行渡汛坝体范围两肩岸坡基岩的帷幕灌浆；第三阶段在完成全部坝体填筑后进行渡汛坝顶以上至大坝顶范围内两肩基岩的帷幕灌浆。

七、建筑材料指标选择

根据筑坝材料物理力学指标，详见表1—2、表1—3、表1—4、表1—5,与《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001对筑坝材料的要求对比，筑坝壤土（填筑心墙）和砂砾石（填筑坝壳）各项力学指标均能达到要求。

1、心墙土料的选择

坝址附近储有大量适于碾压筑坝的壤土，分布在河床高程附近，已知心墙粘土特性如下：

（1）有机质含量为0.3％＜2％；水溶盐含量0.24＜3％；

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（2）可塑性IP＝11～15＞10～11,为亚粘土：

（3）填筑含水量ω＝ωP＋BIP＝20％＋0.1×16％＝21.6％； 设计干密度γd＝η（γg）/(1+ωG)＝1.64g/㎝3。

说明库区壤土可用于心墙填筑，相应的设计含水量为19.6％—21.6％。 2、砂砾石坝体材料的选择

砂砾石设计干密度γd=（γdG′）/[γdp+ G′(1-p)]-A=2.15g/㎝3。 3、反滤砂料

设计干密度γd=γ/（1＋ω）=1.84/（1＋19.5％）1.54g/㎝3； 设计孔隙比e＝(G/γd)-1＝2.65/1.54-1＝0.72； 最大孔隙比emax＝(G/γdmax)-1＝2.65/1.58＝0.677； 最小孔隙比emin=（G/γdmin）-1=2.65/1.44-1=0.84； 砂土相对紧密度

Dr=(emax-e)/(emax-emin)=(0.677-0.72)/(0.677-0.84)=0.263。 4、堆石棱体

堆石棱体：干容重γd=1.6g/cm3,孔隙率n=40%，满足要求。 八、渗透及坝体稳定计算 （一）渗透计算 1、渗流量及浸润线计算

按下游有棱体排水设施，渗透地基深12m，下游有水状况计算，t=4m，心墙和截水墙的厚度δ=（δ1＋δ2）/2=（3+16.6）/2=9.8m。

通过心墙和截水墙的渗流量q1=[(H1+T)2-(h+T)2]/(2δ)；通过坝基和下游坝壳的渗流量q2=k2(h2-t2)/(2L)+k3(h-t)T/(L1+0.44T)；

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由q1＝q2联解得，q=0.000024m3/s，h=5.31m。

坝体浸润线计算由公式：X=k(y2-t2)/( 2q)计算如表2—6 表2—6

x 5 10 30 50 60 76.13 （二）坝体稳定计算

由于坝壳料为非粘性土，按直线法计算：

1、上游坝坡KC=F/T=mtg?=3×tg24.5ο=1.367＞1.20 2、下游坝坡KC=F/T=mtg?=2.75×24.5ο=1.253＞1.20 经计算，上、下游坝坡均满足要求。

第三节：溢洪道设计

一、溢洪道布置

溢洪道布置于顺流左岸山体的垭口，这样便于布置工程设施，开挖工程量小，陡槽段地形呈山梁，有利于开挖，其陡槽的基础也较稳定。溢洪道由进水渠、闸室、陡槽段、挑流段及坦护段组成。采用矩形断面，进口设八字形进水渠，进口段岸边开挖坡度为1：0.5,底板高程256.0M，设一闸室，长20M，三孔出流，每孔为6×7m2,考虑水库在非常应用时可能处于

y 4.07 4.14 4.51 4.78 4.91 5.31 - 12 -

高水位情况，堰顶高程定为256.8M，闸门顶高程263.8M，按设计洪水位（P=75%）时下泄流量324m3/s设计，校核洪水位（p=0.2%）时下泄流量703m3/s校核。设一工作桥以便于闸门操作、检修，桥底板高程274.60M，下游顺坡开挖成简最易明渠，将洪水泄入下游河道。

二、泄槽设计

1、宽顶堰过流设计与校核 （1）设计洪水位情况

根据设计尺寸，设计洪水位时下泄流量为324m2/s，堰宽3×6m，设计水深5m，按判别式2.5H＜δ=20＜10H，属于宽顶堰，泄流公式为

Q= εmB 2gH

23侧收缩系数ε=1-0.2[(n-1)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力学》 ε=0.895

流量系数m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.361

下泄流量Q=0.895×0.361×18×2?9.8×5.53/2=332.105m3/s＞703m3/s

(2)校核洪水位情况

根据设计尺寸，校核洪水位下泄流量为703m3/s，过水水深11m，泄流公式为

Q=εmB2gH

23侧收缩系数ε=1-0.2[(n-1)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力学》 ε=0.818

流量系数m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.369

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下泄流量Q=0.818×0.369×18×2?9.8×9.53/2=704.313m3/s＞703m3/s

三、消能计算

根据地形地貌、地质情况和下泄流量情况决定采用挑流消能。 初定挑射角θ=30o,反弧半径R=12.0m，首先计算挑距L，近《水工建筑物》（1－52）式计算

L=1/g[V21sin0θcosθ+V1cosθVsin?221?2g(h1cos??h2)]

=95.74m

最大冲坑水垫厚度tk=αq0.5H0.25=19.3m

已知河床深为4m，所以最大冲坑深度tkˊ=6.3＞5,即冲坑不会危及大坝和其他建筑物的安全。

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参 考 文 献

1、《碾压式土石坝设计规范》SL274－2001,中国水利水电出版社2002； 2、《水工建筑物》任德林、张志军编著，河海大学出版社 2001； 3、《溢洪道设计规范》SL253－2000,中国水利水电出版社 2002； 4、《土坝设计》（下册）水电五局，东勘院编； 5、《水工建筑物抗震设计规范》DL5073－2000；

6、《水工建筑物》（第二版）辽宁省水利学校 郭宗闵 主编

7、《水力学》刘润生（主编）李家星、王培莉编著 8、《土力学》河海大学 周萍编

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水利水电 出版社出版。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bz65.html