水工建筑物课程设计 完整版 - 图文

速排泄，有利于上游坝坡稳定，使上游坝坡比均质坝或斜墙坝陡；下游坝壳浸润线也比较低，下游坝坡也可以设计得比较陡；在防渗效果相同的情况下，土料用量比斜墙坝少，施工受气候影响相对小些；位于坝轴线上的心墙与岸坡及混凝土建筑物连接比较方便。

通过以上分析认为宜选用心墙坝。

3.2坝体剖面设计

土石坝的剖面设计指坝坡、坝顶宽度、坝顶高程。 3.2.1 坝坡

因最大坝高约115.60-62.50=53.10m,故采用三级变坡。

1）上游坝坡：从坝顶至坝踵依次为1：2.5；1：2.75；1：3.0。 2）下游坝坡：从坝顶至坝趾依次为1：2.0；1：2.50；1：2.75。

3）马道：第一级马道高程为82.50m，第二级马道高程102.50m，马道宽度取2.0m。 3.2.2 坝顶宽度

本坝顶无交通要求，对中低坝的坝顶宽度B取5-10m，本设计取B=6.0m。 3.2.3 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 设计洪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。

最后需预留一定的坝体沉降量，此处取坝高的0.4%。计算公式采用下列两式：

Y=R+e+A (3.1)

KV02D e=cosb (3.2)

2gHm 式中：Y——坝顶超高；

R——波浪在坝坡上的最大爬高，m；

e——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； Hm——坝前水域平均水深，m； K——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）×10-6之间，计算时一般取K=3.6×10-6； b——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，（°）；

V0、D——计算风速和水库吹程，m3/s、Km;

A——安全加高，m，根据坝的等级和运用情况，按表3.1确定。

表3.1 安全加高A （单位：m） 坝的级别 运用情况 1级 2级 3级 4、5级 正常 1.5 1.0 0.7 0.5 非常 0.7 0.5 0.4 0.3 该坝属于2级水工建筑物，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。

27

参考林昭著的《碾压式土石坝》一书，以往计算坝顶超高公式中多包括风壅水面高度e，由于该值不大，一般不到10cm，故可忽略，坝顶超高计算式可简化为Y=R+A。

下面采用我国水利水电科学研究院推荐的计算波浪在坝坡上的爬高R，

R=0.45hlm-1n-0.6 （3.3）

式中：hl——设计波高，hl=0.0166V04D3m；

m——坝坡坡率，取m=2.5；

n——坝坡护面糙率,上游拟采用浆砌石勾缝，取n=0.025。

由于所给的设计资料中只有多年平均风速V0=10m/s，故取正常和非常运用情况波高均为：

m。 hl?0.0166?105/4?91/3?0.614m，则R?0.45?0.614?2.5?1?0.025?0.6?1.010851两种计算成果见表3.2。 运用情况 设计情况 较核情况 静水位 （m） 113.1 113.5 波浪爬高 R（m） 1.0108 1.0108 表3.2 坝顶高程计算结果 壅高 安全超高 计算坝顶 0.4%沉陷 e (m) A（m） 高程Z计（m） （m） 0 1.0 115.1108 0.46044 0 0.5 115.0108 0.46004 竣工时的坝顶高程Z(m） 115.5712 115.4708 坝顶高程最终结果为：115.60m。

验算：坝顶高程115.60m均大于：设计洪水位+0.50m，即113.10+0.50=113.60m；校核洪水位113.50m。 所以满足要求。

自行绘制剖面简图。

3.3防渗体设计

本土石坝的防渗体为粘土心墙。 3.3.1防渗体尺寸

1）心墙顶宽及坡率

土质防渗体的尺寸应满足控制渗透比降和渗流量要求，还要便于施工。参考教材及规范，心墙顶部考虑机械化施工的要求，取3.0m，边坡可取1:0.3。 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（如正常蓄水位、设计洪水位）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。

3）心墙底宽

本设计粘土允许坡降[J]?4，上下游最大作用水头差H=113.50-62.50=51.00m（下游无水工况），故墙厚T≥H/[J]=51.00/4=12.75m。

由以上数据，心墙底宽＝3+（51.00+0.5）×0.3×2=33.90m>12.75m，满足要求。 3.3.2防渗体保护层

28

心墙顶部应设保护层，防止冰冻和干裂。保护层可采用砂、砂砾或碎石，其厚度不小于该地区的冻深或干燥深度，此处取0.80m，上部碎石厚50cm；下部砾石厚30cm，具体见坝顶部构造。

自行绘制构造简图。

3.4 坝体排水设计

3.4.1 排水设施选择

常用的坝体排水有以下几种型式：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，多用于浸润线很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，保护下游坝脚不受尾水冲刷，且有支撑坝体增加稳定的作用，且易于检修，是效果较好的一种排水型式。

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。

坝址附近有丰富的石料可开采，其石料质地坚硬，可以利用，做堆石料棱体排水。综合以上分析选择棱体排水方式。

3.4.2 堆石棱体排水尺寸 顶宽：2.0m。

内坡：1：1.5，外坡1：2.0。

顶部高程：须高出下游最高水位对1、2级坝不小于1.0m。通过设计洪水位113.10m流量时，相应下游最高洪水位74.30m；假定通过校核洪水位113.50m流量时，相应下游最高洪水位75.00m。超高取1.3m，所以顶部高程为75.00+1.3=76.30m 。

3.5 反滤层和过渡层

3.5.1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：

D15/d85≤4-5 ，D15/d15≥5。同时要求两者的不均匀系数Cu=d60/d10及D60/D10≯5～8，级配曲线形状最好相似。

式中：D15——反滤料的特征粒径，小于该粒径的土占总土重的15%；

d15、d85——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。

29

按此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d85。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d85。

a.对于小于0.075mm的颗粒含量大于85%的粘性土，按式D15≤9 d85设计反滤层，当

9d85<0.2mm，取D15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D15≤0.7mm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

D15?0.7?1(40?A)(4d85?0.7)mm设计反滤层。式中，A为小于0.075mm时颗粒含量1%。若254d85<0.7mm，应取0.7mm。

②满足排水要求

以上三种土还应符合式D15<4d15，以满足排水要求。式中d15应为被保护粘性土全料的d15，若4d15<0.1mm时D15不小于0.1mm 。

3）护坡垫层

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。

D15(块石)/d85(垫层)?10，D15(垫层)/d85(垫层下被保护土层)?5。

3.5.2设计结果

由于设计原始资料中没有提供各土、砂、石料的颗粒级配情况，这里无法用计算的方法进行反滤层的设计，只能参考相关规范和已建工程进行初步设计。初步拟定结果分述如下。

1）防渗体周边部位

第一层：d50=0.5mm，厚20cm；第二层：d50=2.0mm，厚30cm。 2）排水部位

第一层：d50=30mm，厚20cm；第二层：d50=90mm，厚60cm。 坝顶及心墙反滤层，棱体排水及反滤层、岸坡排水、护坡详图见图纸。 3）护坡垫层 见下面的护坡设计。 自行绘制构造简图。

210