水工建筑物课程设计-九甸峡

水工建筑物课程设计-九甸峡内容摘要：

荐的计算波浪在坝坡上的爬高 R， 1 5 lR h m n= （ ） 式中： lh ——设计波高， V D= m； m——坝坡坡率，取 m=； n——坝坡护面糙率 ,上游拟采用浆砌石勾缝，取 n=。 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： mh l 6 16 3/14/5  ，则 mR 0 1 0 2 1  。 两种计算成果见表。 表 坝顶高程计算结果 运用情况 静水位 （ m） 波浪爬高 R（ m） 壅高 e (m) 安全超高 A（ m） 计算坝顶 高程 Z 计（ m） %沉陷 （ m） 竣工时的坝顶高程 Z(m） 设计情况 0 较核情况 0 坝顶高程最终结果为：。 验算：坝顶高程 ： 设计洪水位 +， 即 +=；校核洪水位。 所以满足要求。 自行绘制剖面简图。 本土石坝的防渗体为粘土心墙。 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 ，边坡可取 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（如正常蓄水位、设计洪水位）心墙为～ ，取 ，最后防渗体顶部高程取为 +=。 3）心墙底宽 本设计粘土允许坡降 4][ J ， 上下游最大作用水头差 H==（下游无水工况），故墙厚 T≥ H/[J]=。 由以上数据，心墙底宽＝ 3+（ +） 2=，满足 要求。 防渗体保护层 215 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 ，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。 坝体排水设计 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。 堆石棱体排水尺寸 顶宽：。 内坡： 1： ，外坡 1：。 顶部高程：须高出下游最高水位对 2级坝不小于。 通过设计洪水位 流量时，相应下游最高洪水位 ；假定通过校核洪水位 流量时，相应下游最高洪水位。 超高取 ，所以顶部高程为 +=。 反滤层和过渡层 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≤ 45 ， 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%； d1 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。 216 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 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 的颗粒含量百分数及计算粒径 85d。 如被保护土不含有大于 5mm的颗粒时，则按全料确定小于 85d。 的颗粒含量大于 85%的粘性土，按式 D15≤ 9 d85设计反滤层，当859 mm ，取 15D 等于。 的颗粒含量为 40%～ 85%的粘性土按式 D15≤ 设计反滤层。 的颗粒含量为 15%～ 39%的粘性土按式mmdAD ))(40( 8515  设计反滤层。 式中， A 为小于 时颗粒含量 1%。 若854 0 7d mm. ，应取。 ②满足排水要求 以上三种土还应符合式 15 154Dd ，以满足排水要求。 式中 15d 应为被保护粘性土全料的 15d ，若 154 mm 时 15D 不小于。 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。 10)(/)( 8515 垫层块石 dD ， 5)(/)( 8515 垫层下被保护土层垫层 dD。 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=，厚 20cm ；第二层： d50= ，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。 217 护坡设计 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 20cm 的碎石和粗砂垫层。 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 40cm 的粗砂垫层。 自行绘制构造简图。 顶部构造 1）坝顶宽度 对中低坝可取 5～ 10m，此处取 B=。 2）防浪墙 采用 C20水泥浆砌块石防浪墙。 墙身每隔 15m布置一道设有止水的沉陷逢，墙顶设有高 的灯柱。 3）坝顶盖面 以防止防渗体（粘土心墙）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。 马道和坝顶、坝面排水设计 马道 第一级马道高程为 ，第二级马道高程为 ，马道宽为。 坝顶排水 坝顶设有防浪墙，为了便于排水，坝顶做成自上游倾向下游的坡，坡度为 2%，将坝顶雨水排向下游坝面排水沟。 坝面排水 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），横向排水沟自坝顶直至棱体排水处的排水沟，再排至坝趾排水沟。 纵横向排水沟互相连通，横向排水沟之间的纵向排水沟应从中间向两端倾斜，坡度取 %，以便将雨水排向横向排 水沟。 坝体与岸坡连接处应设置排水沟，以排除岸坡上游下来的雨水。 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 218 程的经验，排水沟宽度及深度一般采用 20～ 40cm，本设计取 30cm。 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。 自行绘制构造简图。 地基处理及坝体与地基岸坡的连接 地基处理 结合本坝坝基情况，据坝轴线剖面图： 1）河槽处：水流常年冲刷，基岩裸露，抗风化能力强，且钻 1处岩芯获得率都比较高。 吸水量 也较低，故只需清除覆盖层即可，挖至基岩即可。 2）钻 2及右岸河滩：覆盖层和坡积物相对较厚，钻 2 处的上层岩芯获得率只有 12%，岩层裂隙较为发育，拟采用局部帷幕灌浆。 3）平山 嘴大溶洞：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心墙相连，向上库区及右岸延伸展布，将岩溶封闭。 坝体与地基的连接 1）河槽部位（即钻 1部位），岩芯获得率及吸水量均能达到要求，采用在心墙底端局部加厚的方式与地基相连。 2）钻 2到右岸河滩：上部岩层裂隙较发育，岩芯获得率只有 12%。 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 深处，内填壤土。 截水槽横断面拟定：边坡采用 1： ；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 ），底宽取 1/ =。 坝体与岸坡的连接 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。 渗流计算 渗 流计算的基本假定 1）心墙采用粘土料，渗透系数 K＝ 1 106cm/s；坝壳采用砂土料， 渗透系数 K＝ 1 102cm/s，两者相差 104 倍，可以把粘土心墙看作相对不透水层，因此计算时可以不考虑上游楔行降落水头的作用。 下游设有棱体排水，可近似的假设浸润线的逸出点为下游水位与堆石棱体内坡的交点。 下游坝壳的浸润线也较平缓，接近水平，水头主要在心墙部位损失。 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，即平均流速 v 等于渗透系 219 数 K与渗透比降 i 的乘积， v=K i。 3）发生渗流量时土体孔隙尺寸不变，饱和度 不变，渗流为连续的。 渗流计算条件 渗流计算应考虑如下组合，取其最不利者作为控制条件： 1）上游正常高水位，下游相应的最低水位； 2）上游设计或校核洪水水位，分别相应的下游水位； 3）对山游坝坡稳定最不利的库水降落后的水位。 这里缺乏有关设计数据，所以拟定用如下工况进行渗流计算： 1）设计洪水位（即正常水位） ，相应下游的最低水位（取 发电调节流量 Qp=时，相应下游水位 ） ； 2）校核洪水位 ，相应下游的水位 （取发电最大引用流量 Qmax=28 m3/s 时，相应下游水位 ）。 渗流分析的方法 采用水力学法进行土石坝渗流计算，将坝内渗流分为若干段，应用达西定律和杜平假设，建立各段的运动方程式，然后根据水流的连续性求解渗透流速、渗透流量和浸润线等。 计算断面及公式 本设计仅对河槽处最大断面进行渗流计算。 假设地基为不透水地基。 222qy x Hk=+ ， 2222ehHqk L= 大坝剖面图1: 1: 3. 2 51: 1: 1: 2. 7 51 : 3 .01: 1: 2 . 02 . 02 . 02 . 0浸润线 单宽流量 将心墙看作等厚的矩形，则其平均宽度为： )(21)(2121  。 坝轴线到下游坝趾处的宽度： D=3+（ ） +2+（ ） +（ ） +2+（ ） = L=Dδ /2[（ ） ++（ Z 下 ） ]=+ 下。 已知 Ke＝ 1 106cm/s； K＝ 1 102cm/s。 通过心墙段的单宽流量 为 2211 ()2eek H Hq d=； 220 通过心墙下游坝壳段的单宽流量为 2222 ()2ek H Hq L=。 计算简图见图 自己画 ，具体计算结果见表。 表 心墙及其下游坝壳单宽流量计算结果 计算情况 Z 上 （ m） Z 下 （ m） H1 （ m） H2（ m） d （ m） D （ m） L (m) q (1 105m3/(s m) He (m) 正常蓄水位 校核洪水为 总渗流量的计算 从地形地质平面图上可大致量得大坝沿坝轴线长 L=400m，沿整个坝段的总渗流量 Q=m Lq,式中 m 是考虑到坝宽、坝厚、渗流量沿坝轴线的不均匀性而加的折减系数，取 = ， Q 正 = 400 105=。