水工建筑物課程設計-心墻壩

水工建筑物課程設計班級：姓名：學號:一、水工建筑物課程設計心墻壩IIJ基本資料:1、 河谷地形見附圖。2、 天然材料。在壩址附近3公里范圍內(nèi)滲透系數(shù)為k=10-5cm/s的土料儲量豐富，砂石料分布較為廣泛。覆蓋層厚度：岸坡3——5m，河床5 7m。覆蓋層滲透系數(shù)平均為10-2cm/s 10-3cm/s.3、 內(nèi)外交通。工程緊靠公路，與鐵路線相距約10公里，交通便利，不需另外修建對外臨時施工道路。4、 水庫規(guī)劃資料。該工程主要為下游城市和農(nóng)田供水，供水工程的最大引用流量為20m3/s。水庫正常蓄水位590m、設計洪水位592m、校核洪水位593m。設計洪水流量1200m3/s,下泄允許最大單寬流量18m3/s。水庫最大風速12m/s，吹程D=5km。二、設計報告（一）土石壩的剖面尺寸與構造該工程主要為下游城市和農(nóng)田供水，供水工程的最大引用流量為20m3/s。由于該地區(qū)土料儲量豐富，故采用土石壩，用壩下涵管供水，溢洪道進行泄洪。由于該水利工程為供水工程，故土壩采用不過水非溢流土壩。大壩壩址覆蓋層厚度最大為7m，故采用帷幕灌漿處理地基，帷幕厚度取5m。溢洪道不知在馬鞍形地帶，由于該設計用土石壩，故采用開敞式河岸溢洪道，布置在右岸。1、壩頂高程：壩頂高程二水庫靜水位+壩頂超高，取：1） 設計洪水位+壩頂超高（正常）2） 正常蓄水位+壩頂超高（正常）3） 校核洪水位+壩頂超高（非常）4） 正常蓄水位+壩頂超高（非常）+地震安全加高中的最大值。壩頂超高值：d=R+e+A式中：d一壩頂超高，m；R一波浪在壩坡上的設計爬高，m；e一風浪引起的壩前水位壅高，m；A—安全加高，m。

1） 風壅水面高度：e="可"cos&2gHm式中，K—綜合摩阻系數(shù)，取3.6x10-6;D—風區(qū)長度，取吹程5km；&—計算風向與壩軸線的法線間的夾角；h一風區(qū)內(nèi)水域平均深度，設為33m；w一計算風速，m/s，2級壩米用多年平均最大風速的1.5—2.0倍。算得，e=5.677x10-4m2） 波浪爬高人的計算：平均波浪爬高R:當壩坡系數(shù)m=1.5口5.0時，RmRm式中，Ka一斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，查表得1.0；K一經(jīng)驗系數(shù)，查表得1.0；h一平均波高，m；l一平均波長，mo平均波高與平均波長由官廳水庫公式得出：5 1h5 1h=0.0166W4D3h=0.63L=7.25gLm=0.331W-?。I(yè)L=7.25W2 W2貝U，R=尸—.0.63x7.25=0.68m設計波浪爬高R:p對2級壩取累計頻率1%的爬高值h對2級壩取累計頻率1%的爬高值h，不同累計頻率下的波浪爬高1%可由如的值和相應的累計頻率P（%）查表得出。H如<0.1，查表得Rp=2.66,H RmR=0.68R=2.66x0.68=1.81所以，R=R=1.81m3）安全加高A：根據(jù)壩的級別，按表5-1選用。土石壩的壩頂高程 單位：m運用條件水位波浪爬高R風壅水高e安全加高A地震安全加高壩頂高程（1）5921.815.677x10-41.0-594.81（2）5901.815.677x10-41.0-592.81（3）5931.815.677x10-40.5-595.31（4）5921.815.677x10-40.51.0595.31選取4中運用條件中的最大值作為壩頂高程，即壩頂高程為595.31m。考慮水庫綜合利用情況，取596m，取防浪墻高度1.2m。則帶有防浪墻的壩頂高為596-1.2-565+5=34.8m。2、 壩頂構造：（1） 壩頂寬度SL274—200J《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定：高壩頂寬可選為10--15m，中、低壩頂寬可選為5--10m。由于該設計中無交通要求時，僅考慮搶險防汛及檢修灌漿和運行管理要求，根據(jù)我省工程經(jīng)驗，壩頂寬度9m（2） 壩頂構造壩頂結構與布置應經(jīng)濟實用，建筑藝術處理應美觀大方，并于周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。壩頂蓋面材料應根據(jù)當?shù)夭牧锨闆r及壩頂用途確定，一般采用密實的砂礫石、碎石、單層砌石或瀝青混凝土等柔性材料。該壩選用碎石做壩頂蓋面。壩頂上游側設防浪墻，墻頂一般高出壩頂1.00—1.20m。防浪墻應堅固不透水，用漿砌石或混凝土建造，其基礎應牢固地埋入壩內(nèi)，并于壩的防滲體緊密連接。壩頂下游側根據(jù)運用條件設路肩石作為安全防護措施。3、 壩坡構造：（1）壩坡坡度對于土質(zhì)防滲體的心墻壩：當下游壩殼采用堆石時，常用坡率為1:1.5—1:2.5，采用土料時，常用坡率為1:2.0—1:3.0，當上游壩殼采用堆石時，常用坡率為1:1.7—1:2.7,采用土料時，常用坡率為1:2.5—1:3.5。土石壩下游壩坡常沿高程每隔10--30m設置一條馬道，馬道寬度為1.5m，坡率相差0.2--0.5。由于該壩壩高大于30m，最終確定上游壩坡1:3.5；下游壩坡1:3.0、1:2.5兩級邊坡。下游壩高1處設置馬道，寬度為1.5m。2（2）護坡構造土石壩上、下游坡面要遭受多種外界自然因素的危害，必須設置護坡。為了經(jīng)濟，應可能就地取材、施工簡便、維修方便，上游護坡常用形式為砌石和堆石。為了防止雨水集中沖刷下游壩坡，下游壩坡上應設置縱橫連通的壩面排水溝系統(tǒng)，若下游為堆石、干砌石護坡，其下有墊層時可不設排水溝系統(tǒng)?？v向（壩軸內(nèi)）排水溝常設置于馬道的內(nèi)側，橫向排水溝間距約50—100m。塊石護坡的單層砌石的石塊直徑不宜小于0.2—0.35m，下面墊0.15—0.25m厚的碎石或礫石。馬道內(nèi)側應設置阻滑基腳，如果仍有滑動可能時，可在坡中設置阻滑齒墻。4、 壩體防身設置：心墻位于壩體中央或稍偏上游，由透水性很小的黏性土筑成。心墻頂部在靜水位以上的超高正常運用情況下不小于0.3—0.6，非常運用情況不得低于非常運用的靜水位。心墻頂部厚度按構造和施工要求不得小于1.0—3.0m；頂部厚度根據(jù)防身要求及土料的允許滲透坡降決定，一般不宜小于水頭的1/4且不得小于3.0m。心墻自頂?shù)降字饾u加厚，邊坡通常采用（1:0.15）--（1:0.25）。此處取心墻坡率為1:0.2，心墻頂部寬度為6m。5、 壩基防滲設置：鋪蓋是均質(zhì)壩體心墻或斜墻上游水平的延伸，可以延長壩基滲流的滲徑，以控制滲透坡降和滲流量在允許的范圍內(nèi)。鋪蓋土料的滲透系數(shù)應小于10-Cm/s,且至少要小于壩基透水層滲透系數(shù)的100倍以上，此壩周圍的砂石料符合這一要求。鋪蓋向上游伸展的長度一般最長不超過6—8倍水頭，鋪蓋的厚度，上游端按構造要求，不小于0.5m，取為1m，向下游逐漸加厚使某斷面處在頂、底水頭差作用下其滲透比降在允許范圍內(nèi)，在與壩體防滲體連接處要適當加厚以防斷裂。鋪蓋上應設保護層，以防止蓄水前十裂、凍蝕和運用期的風浪或水流沖刷，鋪蓋底應設置反濾層保護鋪蓋土料不流失。6、 土壩排水設施：壩體排水用堆石棱柱體排水，它是在下游壩腳處用塊石堆成的棱體。棱體頂寬不小于1.0m，頂面超出下游最高水位的高度，對2級壩不小于1.0m，而且還應保證浸潤線位于下游壩坡面的凍層以下，因下游無水，故取棱體頂高3m，頂寬2m。棱體內(nèi)坡根據(jù)施工條件決定，一般為1:1.0—1:1.5,外坡取為1:1.5—1:2.0，在此處取內(nèi)坡1:1.5，外坡1:2.0。在棱體與壩體及土質(zhì)地基之間均應設置反濾層，在棱體上游坡腳處應盡量避免出現(xiàn)銳角。7、 反濾層和過渡層反濾層的作用是濾土排水，防止土工建筑物在滲流溢出處遭受管涌、流土等滲流變形的破壞以及不同土層界面外的接觸沖刷。反濾層一般由1--3層級配均勻，耐風化的砂、礫、卵石和碎石構成，每層粒徑隨滲流方向而增大。水平反濾層的最小厚度可采用0.3m；垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用0.5m。過渡層主要對其兩側土料的變形起協(xié)調(diào)作用。反濾層可以起到過渡層的作用，而過渡層卻不一定能滿足反濾的要求。合理的反濾層設計要滿足的要求：（1） 被保護土層不發(fā)生管涌等有害的滲流變形，在防滲體出現(xiàn)裂縫的情況下，土顆粒不會被帶出反濾層，而且能促進使裂縫自行愈合。要求反濾層有足夠小的孔隙，以防土粒被沖入孔隙或通過孔隙而被沖走。（2） 透水性大于被保護土層，能暢通的排除滲透水流，同時不致被細粒土淤塞而失效。這要求反濾層必須有足夠大的孔隙。8、 壩型剖面圖（見圖紙）（二）土石壩防滲分析滲流分析的內(nèi)容包括：①確定壩體內(nèi)浸潤線；②確定滲流的主要參數(shù)——滲流流速與比降；③確定滲流量。在滲流分析中，一般假定滲流流速和比降的關系符合達西定律，即&=1。斜墻采用粘土料，滲透系數(shù)k=1.0X10-5cm/s，壩殼采用砂土料，滲透系數(shù)k=1.0X10-2cm/s，兩者相差103倍，可以把粘土斜墻看做相對不透水層，因此計算時可以不考慮上游楔形降落的水頭作用。

壩體滲透計算心墻的平均厚度:8=日獸=壩體滲透計算心墻的平均厚度:8=日獸=6±18=12m2 2通過心墻的％：qKH2—h2qe 28e通過下游壩殼的q:由公式（1）、（2）相等得：烏=h—H2■28K2L H2—h2下游無水，10-5 h2 2X12下游無水，=-—■10-2 2L302—h2e堆石棱柱體排水體高度為3m，計算L的長度:L=4.5+17.4x2.5+1.5+14.4x3.0—3x1.5=88.2m貝U，h=2.56m，K,=10-5cm/s=8.64x10-3m/日q=KH12―h^=8.64x10-3x302―2'562=0.32m2/日e 28 2X12下游浸潤線方程x=K(h—，2)(0<x<90.7)，K=10-2cm/s=8.64m/日，2q則壩殼浸潤線方程可寫為y2=6.76—0.074x(0<x<90.7)下游壩殼浸潤線方程y2=6.76—0.074x(0<x<90.7)坐標點x1102030405060708090.7y2.592.452.302.132.001.751.521.260.920.22心墻浸潤線方程x=Ke(H12U(0<x<90.7)，K=10-5cm/s=8.64x10-3m/日2q e則心墻浸潤線方程可寫為y2=900—74.07x（0<x<12）心墻浸潤線方程y2=900—74.07x(0<x<12)坐標點x123456789101112y28.7427.4226.0324.5723.0121.3419.5317.5315.2812.629.233.34

浸潤線輪廓如圖示:水力坡降3088.2=0.34滲漏總量約為Q=qL=3.72x10-4x607.54=0.23m3/浸潤線輪廓如圖示:水力坡降3088.2=0.34滲漏總量約為滲漏量控制 q<rq]滲透變形控制:1P= x滲透變形控制:1P= x100%對于不均勻系數(shù)大于5的不連續(xù)級配圖，當土的細粒含量P<25%時，只發(fā)生管涌型破壞；當P>35%時只發(fā)生流土型破壞，介于其之間時，發(fā)生過渡型破壞。但此題中實際資料中沒有n值，故無法判斷。（三）土壩穩(wěn)定性計算1、 土壩失穩(wěn)的形式，主要是壩坡或壩坡連同部分壩基沿某一剪切破壞面的滑動。穩(wěn)定計算的目的是核算初擬的壩剖面尺寸在各種運用情況下壩坡是否安全、經(jīng)濟。2、土石壩滑動面的形式有：曲線滑動面；直線或折線滑動面；復合滑動面。3、 荷載及其組合：1） 荷載：自重、滲透力、孔隙水壓力、地震荷載。2） 荷載組合（正常運用條件）：水庫蓄滿水（正常高水位或設計洪水位）時，下游壩坡的穩(wěn)定計算；上游庫水位最不利時，上游壩坡的穩(wěn)定計算；庫水位正常行降落，上游壩坡內(nèi)產(chǎn)生滲透力時，上游壩坡的穩(wěn)定計算。4、 要求的抗滑穩(wěn)定系數(shù)：

對于非常運用條件（考慮孔隙水壓力時）下，2級水工建筑物的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.15。5、土石壩的穩(wěn)定分析：5、對于均質(zhì)壩、厚墻壩和厚心墻壩來說，滑動面往往接近于圓弧，故采用圓弧滑動法進行壩坡穩(wěn)定分析。為了簡化計算和得到較為準確的結果，常采用條分法。規(guī)范采用的圓弧滑動靜力計算公式有兩種：一是不考慮條塊間作用力的瑞典圓弧法，一是考慮條塊間作用力的畢肖普法。此壩用瑞典圓弧滑動法。1） 計算原理：假定滑動面為圓柱面，將滑動面內(nèi)土體是為剛體，邊坡失穩(wěn)時該土體繞滑弧圓心0作轉動。分析計算時常沿壩軸線取單寬壩體，按平面問題采用條分法，將滑動土體按一定的寬度（通常寬度b=0.1R）分為若干個鉛直土條，不計相鄰土條間的作用力分別計算出土條對圓心0的抗滑力矩m和滑動力矩M，再分別求其總和。當土體繞0點的抗滑力矩M大于滑動力矩M，壩坡保持穩(wěn)定，反之，壩坡則喪失穩(wěn)定。2）計算步驟：將滑弧內(nèi)土體用鉛直線分成12個條塊，為方便計算，取各土條塊寬度b=-=日=6.74m，對各土條進行編號，以圓心正下方的一條編號為i=0,10 10并依次向上游為i=1,2,3,……向下游為i=-1,-2,-3,……如圖示力如下：其值為G=(yh'+yh'')b，其中y、y分別i 1i2i 1 2表示該土條中對應土層的重度；力如下：其值為G=(yh'+yh'')b，其中y、y分別i 1i2i 1 2表示該土條中對應土層的重度；h\h”分別表示相應的土層高度，b為土層寬（1） 作用于該土條底面上的法向反力川與N大小相等、方向相反。（2） 作用于土條底面上的抗剪力Tf，其可能發(fā)揮的最大值等于土條底面上土體的抗剪強度與滑弧長度的乘積，方向與滑動方向相反。根據(jù)以上作用力，可求得邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為M￡Gcosatan中+￡clKcM ￡Gsinas i i式中，l為i土條底面上的弧長，l=bseca。若計算時考慮孔隙水壓力作用，可采用總應力法或有效應力法。總應力法計算抗滑力時采用快剪或三軸不排水剪強度指標；有效應力法計算滑動面的滑動力時，采用有效應力指標中'和c，根據(jù)以往實際工程經(jīng)驗取中'=400，c=40kPa，y心墻=19.48kN/m3，y濕=19.45kN/m3，y飽=19.52kN/m3，此時，“ ￡（Gcosa一ul）tan9+￡clK=ii i~i iL壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)為c ￡Gisinai式中，u為