水工專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)---土石壩工程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　水工專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)課題：土石壩工程設(shè)計(jì)</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　綜合說明</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>&l

2、t;b>　　氣象和水文</b></p><p><b>　　工程地質(zhì)</b></p><p><b>　　建筑材料</b></p><p><b>　　其它資料</b></p><p>　　工程總布置和建筑物設(shè)計(jì)</p><p><

3、;b>　　設(shè)計(jì)依據(jù)</b></p><p><b>　　大壩設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　溢洪道設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　附:參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　附圖: 1、樞紐工程布置圖——（SN—01）</p>

4、<p>　　2、大壩剖面圖——（DB—01、02、03、04）</p><p>　　3、溢洪道剖面圖——（YH—01）</p><p><b>　　綜合說明</b></p><p><b>　　第一節(jié):前言</b></p><p>　　設(shè)計(jì)對象為我縣某山區(qū)水庫，水庫控制徑流面積166.1

5、Km2。目前，公路、輸電及通訊線路都已通到樞紐工地，具有良好的“三通一平”條件。</p><p>　　水庫興建的目的和任務(wù)：通過完全年調(diào)節(jié)蓄水，從根本上解決下游城鎮(zhèn)供水、農(nóng)田灌溉以及河道防洪等方面的問題，并可興利發(fā)電及發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖。電站裝機(jī)800千瓦，平均年發(fā)電量250萬度。</p><p><b>　　第二節(jié):氣象和水文</b></p><p&g

6、t;　　該壩址所在地區(qū)，冬季時(shí)間較短，夏季降雨日數(shù)較多，年平均氣溫12.9℃。洪水期多年平均最大風(fēng)速20m/s（庫面10m高），吹程1.5Km。</p><p>　　水庫主要建筑物按三級建筑物設(shè)計(jì)，防洪標(biāo)準(zhǔn)按期50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核，水庫興利按P=75%年徑流量設(shè)計(jì)，澆灌流量為5m3/s。</p><p>　　水庫主要水文數(shù)據(jù)見表1—1：</p><p

7、><b>　　水庫水文數(shù)據(jù)表</b></p><p><b>　　表1—1</b></p><p><b>　　第三節(jié):工程地質(zhì)</b></p><p><b>　　一、地質(zhì)、地形條件</b></p><p>　　庫區(qū)為變質(zhì)巖系的片麻巖，地層大部傾向

8、上游，對水庫防滲有利。壩址的壩肩兩面三刀岸和基礎(chǔ)下部基巖，主要原因是角閃斜面長片麻石。質(zhì)地豎硬，不夠完整。河床覆蓋層為第四紀(jì)砂卵石沖積層，其厚度為5—12m，下部其巖為角閃斜長片麻巖。已知水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度。</p><p>　　地形情況，從壩址地形圖中可看出，左岸高程式從235m到最高點(diǎn)85m，平距僅為6m，邊坡比例為1：0.52，地勢較陡；右岸高程從235m到最高點(diǎn)頭300m，平距為70m，邊坡比

9、例1：1.08，地勢相對左岸較緩。已知渠首的渠底高程為240m，且灌區(qū)在河流右岸。</p><p><b>　　二、壩基滲透情況</b></p><p>　　壩基砂礫石滲透系數(shù)K=1.5x10-2cm/s</p><p>　　壩基砂礫石水下抗剪內(nèi)摩擦角а1=32o（水下），а2=35o（水上）</p><p>　　基巖在

10、強(qiáng)風(fēng)化層的單位吸水率ω＞0.03L/min/m。 </p><p>　　基巖在弱風(fēng)化層的單位吸水率ω＜0.03L/min/m。</p><p><b>　　第四節(jié):建筑材料</b></p><p>　　一、石料儲量及分布情況</p><p>　　壩址附近儲有大量適于碾壓筑壩的壤土，分布在河床高程附近。砂礫石儲藏豐富，在壩

11、址上、下游均運(yùn)距為5Km。該地區(qū)建水庫有處理砂礫石地基的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　二、筑壩材料物理力學(xué)性質(zhì)</p><p>　　1、粘性土料：屬壤土，在天然狀態(tài)下主要物理力學(xué)指標(biāo)如表</p><p><b>　　1—2和表1—3：</b></p><p><b>　　表1—2</b></p&

12、gt;<p><b>　　表1—3</b></p><p>　　筑壩壤土試驗(yàn)有關(guān)指標(biāo)見表1—4：</p><p><b>　　表1—4</b></p><p>　　2、砂石筑壩材料現(xiàn)場試驗(yàn)成果表1—5：</p><p>　　砂礫料的含量P=43% (d＞5mm的部分)。</p&g

13、t;<p>　　粒徑大于5mm的粗比重G´=2.8,計(jì)算砂礫料γd′時(shí)采用A=0.01。</p><p>　　3、砂土（去掉d＞0.5mm的砂土）</p><p>　　自然容重γ＝1.84g/cm3,含水量ω＝19.5％。</p><p>　　土粒比重G=2.65, γdmax＝1.58g/cm3。</p><p>　

14、　γmin＝1.44g/cm3。</p><p>　　砂土的抗剪內(nèi)摩擦角水上為30o,水下為30o。</p><p>　　堆石棱體：干容重γd=1.6g/cm3，孔隙率n＝40％。</p><p><b>　　第五節(jié):其它資料</b></p><p>　　1、水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度；</p><

15、;p>　　2、根據(jù)灌區(qū)要求，渠首的渠底高程為24.0m（灌區(qū)在河流右岸）；</p><p>　　3、溢洪道堰頂高程256.8m，進(jìn)口段岸邊開挖坡度1：0.5,下游河床安全泄洪920m3/s；</p><p>　　4、放空洞與發(fā)電引水洞采用兩洞合一，可采用直徑為1.8m的圓形壓力洞；</p><p>　　5、壩頂交通要求可按單車道考慮（凈寬不小于5m）；<

16、/p><p>　　6、壩頂設(shè)置防浪墻。</p><p>　　第二章 工程總布置和建筑物設(shè)計(jì)</p><p><b>　　第一節(jié):設(shè)計(jì)依據(jù)</b></p><p>　　一、工程等別和主要建筑物</p><p>　　樞紐工程：根據(jù)給出的資料，初步選定壩型為粘土墻壩，壩殼料用砂礫石填筑，水庫主要建筑物按三

17、級建筑物設(shè)計(jì)，所以該水庫的等別為三等，其主要水工建筑物有——大壩、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞四部分組成。根據(jù)《水工建筑物》表1－4水工建筑物的級別表，該水庫主要建筑物（大壩、泄洪隧洞、溢洪道、灌溉引水隧洞）屬三級永久水工建筑物，按三級建筑物標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。其它永久性建筑物按四級建筑物設(shè)計(jì)，臨時(shí)建筑物為五級。</p><p>　　渠系工程：渠系主要交叉建筑物按引水灌溉流量為5m3/s劃分，其工程等別為四等中的主要建筑

18、物，水工建筑物級別為四級。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)中采用的主要技術(shù)規(guī)范及有關(guān)技術(shù)書籍</p><p>　　《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274－2001,中國水利水電出版社2002；</p><p>　　《水工建筑物》任德林、張志軍編著，河海大學(xué)出版社 2001；</p><p>　　《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253－2000,中國水利水電出

19、版社 2002；</p><p>　　《土壩設(shè)計(jì)》（下冊）水電五局，東勘院編；</p><p>　　《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5073－2000；</p><p>　　《水工建筑物》（第二版）遼寧省水利學(xué)校 郭宗閔 主編 水利水電出版社出版。</p><p>　　三、設(shè)計(jì)中采用的基本參數(shù)</p><p>　　1、

20、大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)見表2—1</p><p><b>　　表2—1</b></p><p>　　2、大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表2—2</p><p><b>　　表2—2</b></p><p><b>　　3、抗震設(shè)計(jì)級別</b></p><p>　　由于

21、水庫所在地區(qū)基本地震烈度為6度，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5073—2000規(guī)定，結(jié)合工程實(shí)際及其遭受強(qiáng)震影響的危害性，在基本烈度基礎(chǔ)上提高1度作為設(shè)計(jì)烈度，即水庫的設(shè)計(jì)烈度為7度。</p><p><b>　　第二節(jié):大壩設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　一、壩型選擇</b></p><p>　　根據(jù)壩址

22、地形、地質(zhì)、建筑材料和已知的相關(guān)地質(zhì)水文資料，壩型宜為土石壩。壩址的壩肩兩岸和壩基下部基巖，主要是角閃斜長片麻巖。質(zhì)地堅(jiān)硬，不夠完整。左岸山體較陡，右岸山體相對較緩，河床覆蓋層為第四紀(jì)砂卵石沖積層，其厚度為5—12m，下部基巖為角閃斜長片麻巖。工程地質(zhì)條件決定了只能建柔性材料壩，壩位附近有理想的防滲粘土及砂礫石料，儲量豐富，力學(xué)指標(biāo)較高，運(yùn)距短，施工條件好，故壩型選擇粘土心墻砂礫石壩。</p><p>　　壩基防

23、滲形式的選定，根據(jù)已知的地質(zhì)資料，壩基砂礫石滲透系數(shù)K=1.5×10-2cm/s,河床覆蓋層為第四紀(jì)砂卵石沖積層，其厚度為5—12m,下部基巖為角閃斜長片麻巖。施工清基時(shí)不需深挖即可進(jìn)行回填，并且結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，防滲效果好，所以壩基河床防滲結(jié)構(gòu)決定采用粘性土截水槽。</p><p><b>　　二、壩體剖面設(shè)計(jì) </b></p><p>　　1、專體剖面

24、尺寸擬定</p><p><b>　?。?）壩坡</b></p><p>　　初步擬定壩高H＝26705－234＋1.0＝34.5m，根據(jù)《水工建筑物》（河海）一書中擋水建筑 物的劃分，壩高H＝30—70m的為中壩，所以該壩高</p><p>　　H＝34.5m屬中壩。</p><p>　　根據(jù)《水工建筑物》（河海）表3

25、—6土壩壩坡參考值，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初步擬定壩坡見表2—3：</p><p><b>　　表2—3</b></p><p><b>　　（2）壩頂高程</b></p><p>　　根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001,壩頂高程應(yīng)等于水庫靜水位與壩頂超高之和，應(yīng)按以下運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值 ：</p&

26、gt;<p>　　a設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用條件的超高；</p><p>　　b正常蓄水位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；</p><p>　　c校核洪水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高；</p><p>　　d正常蓄水位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高。</p><p><b>　　壩頂超高值計(jì)算：</b></p>

27、<p>　　△h=hB+e+hc——（《水工建筑物》河海）</p><p>　　式中hc為安全加高，按《水工建筑物》（河海）一書中表3—1的規(guī)定采用，該壩為三級，正常情況hc＝0.7m，非常情況hc＝0.4m;</p><p>　　e為壩前靜水位因風(fēng)浪引起的最大風(fēng)壅高度，</p><p>　　e＝（KV2Dcosβ/(2gH)——（《水工建筑物》河海）&

28、lt;/p><p>　　K——綜合摩阻系數(shù)，取K＝306×10-6；</p><p>　　V——水面上10m處的風(fēng)速，正常情況V＝（1.5～2）多年平均最大風(fēng)速，所以V＝（1.5～2）×20＝（30～40）m,取40m/s；非常情況V=20m/s；</p><p>　　D——吹程，已知D＝1.5Km＝1500m；</p><p&g

29、t;　　β——風(fēng)向與壩軸線的夾角，度；</p><p>　　H——壩前水域的平均水深，由壩軸線地質(zhì)剖面圖中量算得，</p><p>　　H=（24.5＋33.5＋33.5＋17.5）/4＝27.5m；</p><p>　　hB——波浪在壩坡上的爬高，m；</p><p>　　計(jì)算浪高，計(jì)算公式：ghm÷v2＝0.13th[0.7(g

30、hm÷v2)0.7]×th{0.0018(gD÷v2)0.45/0.13th[0.7(ghm÷v2)0.7]}</p><p>　　Tm＝4.438hm0.5。</p><p>　　壩頂超高值計(jì)算見表2—4：</p><p><b>　　表2—4</b></p><p>　　各種情

31、況下壩頂高程如表2—5：</p><p><b>　　表2—5</b></p><p>　　通過計(jì)算，最后確定最大壩頂高程為270.857m,壩高</p><p>　　H＝270.857－234.0＝36.857m 。</p><p><b>　　（3）壩頂寬度</b></p><

32、;p>　　壩頂寬度根據(jù)壩高、構(gòu)造施工、交通及防汛要求并結(jié)合實(shí)際情況確定，要求壩頂交通按單車道考慮，凈寬不小于5m，最后確定壩頂寬度為6m。</p><p><b>　?。?）護(hù)坡</b></p><p>　　為防止壩面被波浪淘涮，避免雨水沖涮、風(fēng)揚(yáng)、凍脹、干裂及動植物的破壞，壩體上、下游壩坡均采用30㎝厚干砌塊石護(hù)坡，塊石下面按反濾要求設(shè)200㎝厚碎石墊層。&l

33、t;/p><p><b>　　三、壩頂構(gòu)造</b></p><p>　　根據(jù)要求，壩頂上游側(cè)設(shè)置防浪墻，高度1.2m，采用鋼筋混凝土建造，墻頂高程270.857m，相應(yīng)壩長168.15m，墻的基礎(chǔ)與防滲體可靠連接，下游側(cè)設(shè)0.4m寬的堆石排水溝，并設(shè)0.4m寬漿砌路肩石。壩頂護(hù)面采用密實(shí)的碎石的砂礫石混合材料鋪筑，壩頂向下游一側(cè)傾斜坡度為3％。</p>&l

34、t;p><b>　　四、壩體防滲設(shè)施</b></p><p>　　大壩壩身采用粘土心墻防滲，心墻頂寬3.0m，心墻頂高程268.0m，比正常蓄水信高0.7m，比校核洪水位高0.5m.心墻上、下游面坡為1：0.2,深入截水槽，與截水槽開挖邊坡1：0.5,心墻兩側(cè)與壩殼料設(shè)3m厚的復(fù)式反濾層。</p><p>　　壩基防滲采用粘土截水槽，截水槽底寬5.0m。<

35、/p><p><b>　　五、壩體排水</b></p><p>　　壩體排水根據(jù)規(guī)范和相關(guān)技術(shù)要求，參照已往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用堆石棱體排水，堆石棱體頂部高程239.5m，高出下游最高水位1.5m，頂寬2.0m，內(nèi)坡1：1,外坡1：1.5。</p><p><b>　　六、壩基防滲處理</b></p><p&

36、gt;　　根據(jù)壩基滲透資料，壩基及兩肩基巖滲漏問題較嚴(yán)重，須采取防滲工程措施進(jìn)行處理，經(jīng)比較，對壩基及岸坡的防滲采用帷幕灌漿防滲措施處理。帷幕灌漿施工初擬分三個(gè)階段進(jìn)行：第一階段在回填粘土截水槽后，即進(jìn)行河床范圍基巖的帷幕灌漿；第二階段在大壩完成施工渡汛壩體后的汛期進(jìn)行渡汛壩體范圍兩肩岸坡基巖的帷幕灌漿；第三階段在完成全部壩體填筑后進(jìn)行渡汛壩頂以上至大壩頂范圍內(nèi)兩肩基巖的帷幕灌漿。</p><p>　　七、建筑材

37、料指標(biāo)選擇</p><p>　　根據(jù)筑壩材料物理力學(xué)指標(biāo)，詳見表1—2、表1—3、表1—4、表1—5,與《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274—2001對筑壩材料的要求對比，筑壩壤土（填筑心墻）和砂礫石（填筑壩殼）各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均能達(dá)到要求。</p><p><b>　　1、心墻土料的選擇</b></p><p>　　壩址附近儲有大量適于碾壓筑壩的壤

38、土，分布在河床高程附近，已知心墻粘土特性如下：</p><p>　　（1）有機(jī)質(zhì)含量為0.3％＜2％；水溶鹽含量0.24＜3％；</p><p>　?。?）可塑性IP＝11～15＞10～11,為亞粘土：</p><p>　　（3）填筑含水量ω＝ωP＋BIP＝20％＋0.1×16％＝21.6％；</p><p>　　設(shè)計(jì)干密度γd＝η

39、（γg）/(1+ωG)＝1.64g/㎝3。</p><p>　　說明庫區(qū)壤土可用于心墻填筑，相應(yīng)的設(shè)計(jì)含水量為19.6％—21.6％。</p><p>　　2、砂礫石壩體材料的選擇</p><p>　　砂礫石設(shè)計(jì)干密度γd=（γdG´）/[γdp+ G´(1-p)]-A=2.15g/㎝3。</p><p><b>

40、;　　3、反濾砂料</b></p><p>　　設(shè)計(jì)干密度γd=γ/（1＋ω）=1.84/（1＋19.5％）1.54g/㎝3；</p><p>　　設(shè)計(jì)孔隙比e＝(G/γd)-1＝2.65/1.54-1＝0.72；</p><p>　　最大孔隙比emax＝(G/γdmax)-1＝2.65/1.58＝0.677；</p><p>　

41、　最小孔隙比emin=（G/γdmin）-1=2.65/1.44-1=0.84；</p><p><b>　　砂土相對緊密度</b></p><p>　　Dr=(emax-e)/(emax-emin)=(0.677-0.72)/(0.677-0.84)=0.263。</p><p><b>　　4、堆石棱體</b><

42、/p><p>　　堆石棱體：干容重γd=1.6g/cm3,孔隙率n=40%，滿足要求。</p><p>　　八、滲透及壩體穩(wěn)定計(jì)算</p><p><b>　?。ㄒ唬B透計(jì)算</b></p><p>　　1、滲流量及浸潤線計(jì)算</p><p>　　按下游有棱體排水設(shè)施，滲透地基深12m，下游有水狀況計(jì)

43、算，t=4m，心墻和截水墻的厚度δ=（δ1＋δ2）/2=（3+16.6）/2=9.8m。</p><p>　　通過心墻和截水墻的滲流量q1=[(H1+T)2-(h+T)2]/(2δ)；通過壩基和下游壩殼的滲流量q2=k2(h2-t2)/(2L)+k3(h-t)T/(L1+0.44T)；</p><p>　　由q1＝q2聯(lián)解得，q=0.000024m3/s，h=5.31m。</p>

44、;<p>　　壩體浸潤線計(jì)算由公式：X=k(y2-t2)/( 2q)計(jì)算如表2—6</p><p><b>　　表2—6</b></p><p><b>　?。ǘ误w穩(wěn)定計(jì)算</b></p><p>　　由于壩殼料為非粘性土，按直線法計(jì)算：</p><p>　　1、上游壩坡KC=F/

45、T=mtg=3×tg24.5ο=1.367＞1.20</p><p>　　2、下游壩坡KC=F/T=mtg=2.75×24.5ο=1.253＞1.20</p><p>　　經(jīng)計(jì)算，上、下游壩坡均滿足要求。</p><p><b>　　第三節(jié)：溢洪道設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　一

46、、溢洪道布置</b></p><p>　　溢洪道布置于順流左岸山體的埡口，這樣便于布置工程設(shè)施，開挖工程量小，陡槽段地形呈山梁，有利于開挖，其陡槽的基礎(chǔ)也較穩(wěn)定。溢洪道由進(jìn)水渠、閘室、陡槽段、挑流段及坦護(hù)段組成。采用矩形斷面，進(jìn)口設(shè)八字形進(jìn)水渠，進(jìn)口段岸邊開挖坡度為1：0.5,底板高程256.0M，設(shè)一閘室，長20M，三孔出流，每孔為6×7m2,考慮水庫在非常應(yīng)用時(shí)可能處于高水位情況，堰頂高

47、程定為256.8M，閘門頂高程263.8M，按設(shè)計(jì)洪水位（P=75%）時(shí)下泄流量324m3/s設(shè)計(jì)，校核洪水位（p=0.2%）時(shí)下泄流量703m3/s校核。設(shè)一工作橋以便于閘門操作、檢修，橋底板高程274.60M，下游順坡開挖成簡最易明渠，將洪水泄入下游河道。</p><p><b>　　二、泄槽設(shè)計(jì)</b></p><p>　　1、寬頂堰過流設(shè)計(jì)與校核</p&

48、gt;<p>　?。?）設(shè)計(jì)洪水位情況</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)下泄流量為324m2/s，堰寬3×6m，設(shè)計(jì)水深5m，按判別式2.5H＜δ=20＜10H，屬于寬頂堰，泄流公式為 </p><p><b>　　Q=εmB </b></p><p>　　側(cè)收縮系數(shù)ε=1-0.2[(n-1

49、)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力學(xué)》</p><p><b>　　ε=0.895</b></p><p>　　流量系數(shù)m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.361</p><p>　　下泄流量Q=0.895×0.361×18××5.53/2=332.105m3

50、/s＞703m3/s</p><p>　　(2)校核洪水位情況</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，校核洪水位下泄流量為703m3/s，過水水深11m，泄流公式為</p><p><b>　　Q=εmB </b></p><p>　　側(cè)收縮系數(shù)ε=1-0.2[(n-1)(ζ0+ζk)]H0/(nb)——《水力學(xué)》</

51、p><p><b>　　ε=0.818</b></p><p>　　流量系數(shù)m=0.32+0.01[(3-a/H)(0.4++0.75a/H)]=0.369</p><p>　　下泄流量Q=0.818×0.369×18××9.53/2=704.313m3/s＞703m3/s</p><p&

52、gt;<b>　　三、消能計(jì)算</b></p><p>　　根據(jù)地形地貌、地質(zhì)情況和下泄流量情況決定采用挑流消能。</p><p>　　初定挑射角θ=30º,反弧半徑R=12.0m，首先計(jì)算挑距L，近《水工建筑物》（1－52）式計(jì)算</p><p>　　L=1/g[V21sin0θcosθ+V1cosθ]</p><

53、;p><b>　　=95.74m</b></p><p>　　最大沖坑水墊厚度tk=αq0.5H0.25=19.3m</p><p>　　已知河床深為4m，所以最大沖坑深度tkˊ=6.3＞5,即沖坑不會危及大壩和其他建筑物的安全。</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p><p>　　1、《碾壓

54、式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274－2001,中國水利水電出版社2002；</p><p>　　2、《水工建筑物》任德林、張志軍編著，河海大學(xué)出版社 2001；</p><p>　　3、《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》SL253－2000,中國水利水電出版社 2002；</p><p>　　4、《土壩設(shè)計(jì)》（下冊）水電五局，東勘院編；</p><p>　　5、《