土石坝设计
一.坝型选择
影响土石坝坝型的主要因素有:坝的高度、筑坝材料、地址地形、地质条件、施工条件、枢纽布置及运用要求等。
碾压式土石坝按筑坝材料和防渗体的位置可分为以下几种类型:
1. 均质坝 坝体材料单一,施工工序简单,干扰少;坝体防渗部分厚大,渗透比降较小,有利于渗流稳定和减少坝体的渗流量,此外坝体和坝基、岸坡及混凝土建筑物的接触渗径比较长,可简化防渗处理。但是,由于土料抗剪强度比其他坝型坝壳的石料、砂砾和砂等材料的抗剪强度小,故其上下游坝坡比其他坝型缓,填筑工程量比较大。坝体施工受严寒及降雨影响,有效工日会减少,工期延长,故在寒冷和多雨地区的使用受限制,故不选择均质坝。
2. 多种土质坝 该坝型显然可以因地制宜,充分利用包括石渣在内的当地各种筑坝;土料用量较均质坝少,施工气候的影响也相对小一些,但是由于多种材料分区填筑,工序复杂,施工干扰大,故也不选用多种土质分区坝。
3. 斜墙坝 斜墙坝与心墙坝,一般的优缺点无显著差别,粘土斜墙坝沙砾料填筑不受粘土填筑影响和牵制,沙砾料工作面大,施工方便;考虑坝址的地质条件,由于坝基有破碎带和覆盖层,截水槽开挖和断层处理要花费很多时间,并且不容易准确的预计,斜墙截水槽接近坝脚,处理时不影响下游沙砾料填筑,处理坝基和填筑沙砾料都有充裕的时间,工期较心墙坝有把握;土料及石料储量丰富,填筑材料不受限制。
4. 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。
二.坝体剖面设计
2.1坝顶高程的确定
坝顶高程等于水库静水位与超高d之和,并分别按以下运用情况计算,取最大值:①正常蓄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。由于设计的坝顶高程是针对坝沉降稳定以后的情况而言的,因此这里应预留一定的坝体沉降量,由于使用土质防渗体,根据工程经验此处沉降量取坝高的1%。
由已知条件绘出坝顶超高计算图2-1
计算公式采用下列算式:
d=R+e+A,
式中:——波浪在坝坡上的最大爬高,m;
——最大风壅水面高度,即风壅水面超出原库水位高度的最大值,m; =0.01m;
——安全加高,m,根据坝的等级和运用情况,按表1-1确定。
——坝前水域平均水深,粗略估计为50m;
——综合摩阻系数,其值变化在(6~12)之间,计算时一般取;
b——风向与水域中线的夹角,();
——计算风速和水库吹程;其中Vo=10 m/s;D=9Km
根据教材表2-1,本水库总库容为2.0亿m^3,属于2级水工建筑物。其中,由参考资料可知,平山河流域多为丘陵山区,非常运行条件按(a)选择。
表2-1 安全加高 (单位:m)
通过上表可知,安全加高分别取:正常运用情况下1.0m,非常运用情况下0.5m。
下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝顶上的爬高:
式中:——设计波高,;
m——坝坡坡率,由于心墙坝采用土料时,坡率常用2~3,本设计取m=3;
n——坝坡护面糙率 ,取n =0.025
由所给的设计资料中只有多年平均风速=10m/s,故取正常运用情况和非正常运用情况波高均为
==0.614m,则。
两种计算成果见表2-2
坝顶高程最后结果:116.10m。
验算:坝顶高程116.10m均大于 设计洪水位(正常蓄水位)+0.50m即113.10+0.50=113.60m; 校核洪水位113.50m。所以满足要求。
2.2坝顶宽度
根据上述求得的坝顶高程可知,最大坝高约为116.10-62.50=53.6m,属于中坝。根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》要求,对于中低坝的坝体宽度B取5-10m。本设计坝顶宽度采用B=7.0m。
2.3坝坡
因最大坝高为53.6m,采用自上至下分级变缓的多级坡,一般沿高程每隔10~20米变坡一次,相邻坝率差值可取0.25~0.5。故此处采用三级变坡。
表1-3 土坝坝坡参考值
根据上表数据设定:
上游坝坡从坝顶至坝踵依次为1:2.75;1:3.0;1:3.25;
下游坝坡从坝顶至坝踵依次为1:2.5;1:2.75;1:3.0;
此外在变坡处还应设置马道,第一级马道高程为62.5+20=82.5m,第二级马道高程为102.5m,马道宽度取2.0m。
三.防渗体设计
由于粘性土料的渗透性很小,容易满足防渗要求,故本设计采用黏性土心墙作为防渗体。
1.防渗体尺寸
1.1 心墙顶宽和坡率
土质防渗体的尺寸应满足控制防渗比降和渗流量要求,还要便于施工。防渗体顶部考虑机械化施工的要求,不应小于3m,本设计取3.5m,心墙两侧变坡多在1:0.15~1:0.3之间,本设计取1:0.3。
1.2 防渗体超高
防渗体顶部在静水位以上超高,对于正常运用情况心墙为0.3-0.6m,取0.5m,最后防渗体顶部高程取为113.10+0.50=113.60m。(在非常运用情况下,不应低于该工况下的最高水位)
1.3心墙底宽
上下游最大作用水头差,H=113.50-62.50=51.00(下游无水工况),根据规定,粘土心墙的容许渗透坡降[J]不宜大于4,这里取[J]=4,故墙厚T>=H/[J]=51.00/4=12.75m。
心墙底宽为3.5+(51.00+0.5)0.32=34.4m>12.75m.,满足要求。为便于计算,本设计不设置截水槽。
2. 防渗体保护层
心墙顶部以及心墙的上游侧均应设保护层,防止冰冻和干裂。保护层可采用砂或者碎石,其厚度不小于该地区的冻结或干燥深度,且不小于1.0m,此处取1.0m,上部碎石厚0.50m,下部砾石石厚0.50m。心墙上游保护层应分层碾压填筑,达到和坝体相同的标准。其外坡坡度应按稳定计算确定,使保护层不至沿斜墙面或连同心墙一起滑动。
3. 防渗体绘制见附图1
四.排水反滤层设计
1.坝体排水设计
1.1排水设施选择
常用的坝体排水有以下几种形式:贴坡排水、棱体排水、坝内排水以及综合式排水。
(1)贴坡排水:不能降低浸润线,多用于浸润线较低和下游无水的情况,故不选用。
(2)棱体排水:可降低浸润线,防止坝坡冻胀和渗透变形,保护上游坝脚不受尾水冲刷,且有支撑坝体增加坝体稳定的作用,且易于检修,是效果较好的一种排水形式。
(3)坝内排水:其中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。
综合以上分析选择棱体排水方式。
1.2堆石棱体排水尺寸
顶宽2.0m,内坡1:1.5,外坡1:2.0,顶部最高水位须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m,根据资料给出,下游最高洪水位为68.00m,超高取1.5m,所以顶部高程为68.00+1.5=69.5m。结构详图见附图2
2.反滤层和过滤层
2.1 设计规范及标准
1)保护无粘性土料(粉砂、砂、砂砾卵砾石、碎石等)
碾压式土石坝设计规范规定,对于与被保护土相邻的第一层反滤料,建议按下述准则选用,,同时要求两者的不均匀系数及不大于5~8,级配曲线形状最好相似。
式中:——反滤料的特征粒径,小于该粒径的土占总土重的15%;
——被保护土的控制粒径和特征粒径,小于该粒径的土分别占总重的15%及85%。
上述两式同样适用于选择第二、三层反滤料,当选择第二层反滤料时,以第一层反滤料为被保护土,二选择第三层反滤料时,则以第二层反滤料为被保护土。
按次标准天然砂砾料一般不能满足要求,须对土料进行筛选。
2)保护粘性土料
粘性土有粘聚力,抗管涌能力一般比无粘性土强,通常不用上述两式设计反滤层,而用以下方法设计。
①满足被保护粘性土的细粒不会流失
根据被保护土的小于0.075mm含量的百分数不同,而采用不同的方法。当被保护土含有大于5mm的颗粒时,则取其小于5mm的级配确定小于0.075mm的颗粒含量百分数及计算粒径。如被保护土不含有大于5mm的颗粒时,则按全料确定小于0.0075mm的颗粒含量百分数及。
a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土,按式.设计反滤层,当,取等于0.2mm 。
b.对于小于0.075mm的颗粒含量为40%~85%的粘性土按式.设计反滤层。
c.对于小于0.075mm的颗粒含量为15%~39%的粘性土按式设计反滤层。式中,为小于0.075mm时颗粒含量1%。若,应取0.7mm。
②满足排水要求
以上三种土还应符合式,以满足排水要求。式中应为被保护粘性土全料的,若时不小于0.1mm 。
3)护坡垫层
垫层料的粒径不能过大,而且含有适量的细料。本坝属于中坝,取最大粒径为80-100mm,粒径小于5mm的颗粒含量宜选为30%-50%, 同样应满足土粒不流失及足够的透水性要求,但标准可降低些,建议按下式的简便方法选择粒径。
., .。
2.2设计结果
根据参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟结果如下:
⑴防渗体周边部位:(参照模板)
第一层:
⑵排水部位
第一层
⑶护坡垫层
1. 上游护坡:采用目前最常用的浆砌石护坡。护坡范围从坝顶一直到坝脚,厚度为40cm,下部设厚度均为30cm的碎石和粗沙垫层.结构图见附图2
2. 2.下游护坡:下游设厚度为40cm的碎石护坡,护坡下面设厚度为45cm的粗沙垫层。见附图2
3. 顶部设计
3.1坝顶宽度
对中低坝可取5-10m,此处取B=7.0m
3.2防浪墙
采用C15水泥浆砌快石防浪墙,高度常取1.0-1.3,本设计取1.2m,基本尺寸见图3
以防止防渗体干裂、冻结和雨水冲蚀,在粘土心墙顶部设置保护层,厚度为80cm,分为两层,上层碎石厚度为50cm,下层砂砾厚度为30cm。
4.马道和坝顶,坝面排水设计
4.1马道:第一级马道高层为62.5+20=82.50m,第二级马道高层为102.50m,马道宽为2.0m。
4.2坝顶排水:坝顶设有防浪墙,为了便于排水,把顶做成自上游\倾向下游的坡,坡度为3%,将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。
4.3坝面排水
4.3.1布置
在下游坝坡设纵横向排水沟。纵向排水沟(与坝轴线平行)设在各级马道内侧。沿坝轴线每隔200m设置1条横向排水沟(顺坡布置,垂直于坝轴线),横向排水工自坝顶直至棱体排水处的排水沟,再排至坝址排水沟。纵横排水沟互相连通,横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两侧倾斜,坡度取0.2%,以便将雨水排向横向排水沟。坝体与岸坡连接处应设计排水沟,以排除岸坡上游下来的雨水。
4.3.2排水沟尺寸及材料
1)尺寸拟定:由于缺乏暴雨资料,所以无法用计算的方法确定断面尺寸,根据以往已建工程的经验,排水沟宽度及深度一般采用20-40cm。
2)材料:排水沟通常采用浆砌石或混凝土预制块。综合考虑选用浆砌石块石。
坝顶构造和坝坡排水构造见附图3
5.地基处理及坝体与岸坡的连接
5.1地基处理
坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。处理的主要要求是:①控制渗流,减小渗流比降,避免管涌等有害的渗流变形,控制渗流量;②保持坝体和坝基的静力和动力稳定,不产生过大的有害变形,不发生明显的不均匀沉降,竣工后,坝基和坝体的总沉降量一般不大于坝高的1%;③在保证坝安全运行的条件下节省投资。此处借鉴设计的地形,地质概况做出一下处理:
(1) 河槽处:由于岩基出露好,抗风化能力强,只需清除覆盖层,挖至基岩即可;
(2) 坝区右岸:覆盖层和坡积物相对较厚,坝区右岸破碎达60米的钻孔岩芯获得率只有20%,岩层裂隙较为发育,拟采用局部帷幕灌浆。
(3)平山咀大溶洞:经勘探后分析对大坝及库区均无影响,为安全起见,可修筑土铺盖,用水泥砂浆填缝。铺盖同时还应与粘土斜墙相连,向上库区及右岸延伸展布,将岩溶封闭。
5.2 坝体与地基的连接
(1) 河槽部位:岩芯获得率及吸水量均能达到要求,采用在斜墙底端局部加厚的方式与地基相连。
(2)右岸河滩:上部岩层裂隙较发育,岩芯获得率只有20%。而覆盖层也较左岸厚,采用截水槽的方式与基岩相连。截水槽可挖至基岩以下0.5m深处,内填壤土。截水槽横断面拟定:边坡采用1:2.0;底宽,渗径不小于(1/3~1/5)H,其中H为最大作用水头(下游无水时为51.00m),底宽取1/3.4×51.00=15.0m
5.3 坝体与岸坡的连接
土坝与岸坡的接合面是工程中较软弱的环节,应妥加处理,避免沿接合面发生集中渗流,土坝裂缝等现象。左坝肩到左滩地,坡积风化层5~10m,需彻底清除,左岸坡上修建混凝土齿墙,岸坡较陡,开挖时基本与基岩大致平行。右坝肩到右滩地坡积风化层处理与左岸相同,基岩开挖角不宜太大。
五. 渗流计算
1. 渗流计算的基本假定
1)心墙采用粘土料,渗透系数,坝壳采用砂土料,渗透系数,两者相差倍,可以把粘土心墙看做相对不透水层,因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。
2)土体中渗流流速不大,且处于层流状态,渗流服从达西定律平均流速v等于渗透系数K与渗透比降i的乘积,v=Ki;
3)发生渗流时土体的空隙体积不变,饱和度不变,渗流为连续的。
2. 渗流计算条件:
流计算时应考虑以下组合情况,取其最不利情况作为控制条件:1)上游正常水位,下游相应的最低水位;2)上游校核洪水位相应的下游最低水位;3)对上游坝坡最不利的库水降落后的落差。
由于缺乏资料所以拟定如下工况进行计算:设计洪水位(取与正常蓄水位)113.10m,相应的下游最低水位为74.3m;校核洪水位113.50m,相应的下游水深为75.00m。
3. 渗流分析的方法
采用水利学法进行土坝渗流计算。将坝内渗流分为若干等份,应用维尔金斯公式和水流连续方程求解渗流流量和浸润线方程。
4. 计算断面及公式
本设计仅对河槽截面处进行最大断面的渗流计算,并假设地基为不透水。采用的公式:
5 单宽流量
将心墙看作等厚的矩形,则平均宽度为 :
;
=144.5m
L=144.5-33.3-9.475=101.73(设计情况)
L=144.5-32.5-9.475=102.53(校核情况)
已知
通过心墙的单宽流量
通过心墙下游坝壳的单宽流量为
计算结果见表
6. 总的渗流量计算
从地质地形平面图上可以看出大坝沿轴线大约长为400m,沿整个坝段的渗流量为:Q=μLq 式中μ是考虑到坝宽,厚度,渗流量沿坝轴线的不均匀分布而加的折减系数,μ=0.8
Q正=0.8×400×6.50×10=m³/s
Q校=0.8×400×6.36×10=m³/s
6 浸润线方程
正常水位 =
校核水位 =