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 =