张斌土石坝课程设计

水工建筑物课程设计

——联平水利枢纽

指导老师：邓晓

姓名：张斌

学号：1011070223

专业：水利施工技术

班级：水利施工技术2班

                                     

 

一  基本资料及数据设计

第一节 基本资料

1  概况

  联平水库位于颍河干流上，控制流域面积94.1平方千米。流域内南部多石山，小部分为丘陵，已耕种，北部为丘陵，大部分为梯田，山区平均地面坡度为1/10～1/15，丘陵山区平均地面坡度1/50左右，水土流失严重，河流平均纵坡为1/130。

2  枢纽任务

  该水库主要任务以灌溉为主，结合灌溉进行发电。灌溉下游左岸2万亩耕地，灌溉最大引水量4m³/s，引水高程347.49m，发电装机容量75kW。

3  地形地质概况

水库位于低山丘陵地区，南部多山，高程在400~500m之间，发育南北向冲沟。北、西、东多位第四纪黄土覆盖的丘陵阶地，高程在300~400m之间，颍河由西向东流经坝区。

坝址两岸河谷狭窄。

坝址及库区岩层均为第三季砂页岩，无大的不利地质构造。

坝址岩层为黄色石英砂岩与紫色砂质页岩互层，岩层走向SE110^o~120^o，倾向NE20^o~30^o，倾角20^o~40^o。

坝址两岸为黄色石英砂岩，岩石坚硬，但裂隙较为发育，上覆6~10m黄土，左岸有部分粘土。地震基本烈度为6度。

4  水文、气象

1）水文：坝址处河流多年平均流量0.5m³/s，年总径流量1684.39万m³。

2）气象：多年最大风速14m/s，水库吹程D=3Km，多年平均降雨量690mm/年，其中2/3降于6-9月，约有45%的降水集中于7、8两个月。

5  其他

1）地震：本地区为5～6度，设计时可不考虑。

2）气象：气温:气温温和

第二节  设计数据

1 工程等级：Ⅲ级。

2 水库规划资料

1、死水位340m。

2、最高兴利水位360.00m，相应库容1413.07万m³，相应下游水深0

3、设计洪水位363.50m（频率2%）相应库容1998.36万m³，相应最大泄洪量540 m³/s，相应下游水位338.0m

4、校核洪水位364.50m（频率0.2%），相应库容2299.68万m³，相应最大泄洪量800 m³/s，相应下游水位339.0m。

5、水能指标：装机容量75kW，安装高程348.69m。

3   枢纽组成建筑物

1）大坝：布置在1＃坝轴线上；

3）水电站：装机容量75kW，安装高程348.69m。

4    筑坝材料

    1）土料

在坝址附近400~1500m的河道右岸有丰富的土料，大部分为中粉质壤土，储量在150万方以上，坝址下游有30万方左右的重粉质壤土。

2）砂卵石料

颍河河槽及两岸滩地也有大量砂、砾石及卵石，上下游河滩地表层0~2m黄土覆盖，下为3~7m厚砂卵石，在枯水季节河水位降低，上游在坝脚100m以外2000m以内卵石平均取深为1.5m，约86万方，下游在坝脚100m以外2000m以内平均取深1.3m，约86万方，其休止角经现场试验最小30^o，最大37^o，平均值33^o。物理力学性质指标如下

二   枢纽布置

（一）  工程等别及建筑物级别

 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。

    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2万亩，属小（Ⅰ）等工程；根据电站装机容量75千瓦即75kW，小于10MW，属小（Ⅰ）等工程；根据总库容为0.1413亿m3，在1.01～0.1亿m3，属Ⅲ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、溢洪道、水电站建筑物、灌溉渠道，水库放空隧洞为3级水工建筑物；次要建筑物筏道为4级水工建筑物。

（二）  各组成建筑物的选择

    1. 挡水建筑物型式的选择

    在岩基上有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。

   （1）重力坝方案

    从枢纽布置处地形地质平面图及1#坝轴线地质剖面图上可以看出，坝址上部岩层为黄色石英砂岩与紫色砂质页岩互层，但裂隙较为发育，上覆6~10m黄土，左岸有部分粘土若建重力坝清基开挖量大，故修建重力坝不经济。

（2）拱坝方案

    修建拱坝理想的地形条件是左右岸地形对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的河谷段；而且坝端下游侧要有足够的岩体支撑，以保证坝体的稳定。该河道弯曲相当厉害，尤其枢纽布置处更为显著形成S形，1#坝址处没有雄厚的山脊作为坝肩，左岸陡峭，右岸相对平缓，峡谷不对称，成不对称的“U”型，下游河床开阔，无建拱坝的可能。

   （3）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，覆盖层也不必挖去，因此造价相对较低，所以采用土石坝方案。

    2. 泄水建筑物型式的选择

    土石坝最适合采用岸边溢洪道进行泄洪，在坝轴线下游300m处的两岸河谷呈马鞍形，左岸有马鞍形垭口，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。

（三）  枢纽总体布置方案的确定

挡水建筑物——土石坝（包括副坝在内）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的天然垭口处；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），在副坝和主坝之间，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。综合考虑各方面因素，最后确定枢纽布置直接绘制在蓝图上（地形地质平面图）。

（四）坝轴线选择

选择坝址时，应根据地形、地址、工程规模及施工条件，经过经济和技术的综合分析比较来选定。

应尽量选在河谷的狭窄段。这样坝轴线短，工程量小，但必须与施工场地和泄水建筑物的布置情况以及运用上的要求等同时考虑对于两岸坝段要有足够的高程和厚度。坝基和两岸山体应无大的不利地质构成问题。岩石应较完整，并应将坝基置于透水性小的坚实地层或厚度不大的透水地基上。坝址附近要有足够数量符合设计要求的土、砂、石料且便于开采运输。

通过以上分析，联平水库坝轴线的选择，在地形上，应尽量选在河谷狭窄段。由地形图上可知，上游坡坝轴线、坝轴线以及和下游坝轴线三者的比见地形图，下游的坝轴线最符合。因为它是河谷的狭窄段，这样坝轴线短，工程量小，可减少投资，库容较大，淹没少。

三  土坝设计

 （一） 坝型选择

影响土石坝坝型的因素有：坝高；建筑材料；坝址区的地形地质条件；施工导流、施工进度与分期、填筑强度、气象条件、施工场地、运输条件、初期度汛等施工条件；枢纽布置、坝基处理型式、坝体与泄水引水建筑物等的连接；枢纽开发目标和运行条件；土石坝以及枢纽的总工程量、总工期和总造价

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左岸丘陵与平原地区的土料，且储量特别多，一般质量尚佳，可作筑坝之用。砂料可在坝坝址附近400~1500m河道右岸开采。石料利用采石场开采，采石场可用坝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。

从建筑材料上说，均质坝、多种土质分区坝、心墙坝、斜墙坝均可。

 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，最终选择均质坝。

（二） 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、防渗排水设备等。

 1. 坝顶宽度

     本坝顶无交通要求，根据施工条件和防汛抢险需要以及以往工程的统计资料，对于中低坝取5-10m。本设计坝顶宽度采用B=6.0m。

2. 坝坡

        因最大坝高约30m,故采用三级变坡。

(1)上游坝坡 ： 从坝顶到坝踵依次为1:2.75；1:3;1:3.5

(2)下游坝坡 :  从坝顶到坝踵依次为1:2.5;1:2.75;1:3.0

(3)马道:马道高程为333+20=353m,马道宽度取2.0m。

     3. 坝顶高程

        坝顶高程等于水库静水位与超高Y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。最后需预流一定的坝体沉降量，此处取坝高的1%。计算公式采用下列算式：

,

      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；   

           

           ——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32m；

           ——综合摩阻系数，其值变化在（1.5-5.0）×10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；

V₀正常运用条件下取1.5V=1.5×14=21 m/s

V₀非正常运用条件下取V=14m/s

              表1-1    安全加高    （单位：m）

该坝属于3水工建筑物，安全加高分别取：正常运用情况下0.7常运用情况下0.4

下面采用水利水利水电工程专业毕业设计指南推荐的计算波浪在坝顶上的爬高：

=0.6m

                    =0.343

                    =4.324

式中：——与粗糙有关的系数，采用砌石护面，=0.75；

——经验系数，=1.0；

    ——折减系数，=1.0；

——平均波高，m；

——平均波长，m；

D——吹程，D=3km；

v——计算风速，v=14m/s；

R——波浪平均爬高，m；

m——计算坡度系数，m=3

——由所给的设计资料中只有多年最大风速=14m/s，则=0.6m

两种计算成果见表1-３

坝顶高程最后结果：368.88m。

     验算：坝顶高程368.88m均大于 设计洪水位（正常蓄水位）+0.50m即363.50+0.50=364m； 校核洪水位364.50m。

     所以满足要求。

（三）  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）363.50m，相应的下游最低水位为338.0m；校核洪水位364.50m，相应的下游水深为339.0m。

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 ：

                   ;

D=3.5+(368.88-353)3+2+(353-333) 3=113.14m

L=144.5-65-9.475=70.03（设计情况）

L=144.5-62-9.475=73.03（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=0.8×400×4.5×10=1.44×m³/s

 Q校=0.8×400×5.13×10=1.64×m³/s

6  浸润线方程

 正常水位  =  

 校核水位  = 

（四）坝坡稳定计算

面板坝下游采用的是是堆石，所以C=0，常形成折线状的滑弧面，形状如图所示：

图中所示的各数据应满足以下关系：

φ´-β）-ctg（θ-φ´）-（1+）tg（φ-б）=0

φ´=tg（tgφ/K）φ´= tg（tgφ/ K）    φ´= tg（tgφ/ K）

查设计资料沙土的抗剪强度指标，φ=φ=φ=30º，由于设计原始资料中无相关的数据，在此也无法提供实验资料，所以假定  θ=25 º，  б=5 º，   β=10 º，

φ´=φ´=  φ´=13 º，带入上面三个式子中解得K=2.5> K=1.35。2级水工建筑物正常运行情况下=。因而该假定的滑动坡面是稳定的。（此处须 了解原因）

心得体会

此次课程设计是在我们学习了《水工建筑物》课程后，为了使我们能够达到学以致用，更好的领会课程的要求而安排的一个重要课程设计，是培养我们综合素质和工程实践能力的一个教学过程。

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．通过这次设计，本人在多方面都有所提高，巩固与扩充了《水工建筑物》等课程所学的内容，掌握设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

    在此次课程设计中，计算量和绘图量都比较复杂。特别是在计算过程中，很多地方都比较容易出错，用Excel工作表计算、和CAD绘图可以大大减少这方面的难度，使其变得相对比较容易些。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢！