郭庄水利枢纽工程土石坝毕业设计(编辑修改稿)

郭庄水利枢纽工程土石坝毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

规模由库容 5030万 m3控制，属中型。 主要建筑物为 3级，次要建筑物为 4级，临时建筑物为 5级。 永久性水工建筑物洪水标准，正常运用（设计）洪水重现期 100~50年；非常运用（校核）洪水重现期1000年。 建筑物类型及枢纽布置方 案比较及选定 建筑物类型 1 坝型选择 影响坝型选择的因素很多，最主要的是坝址附近的建筑材料，还有地形、地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理、抗震要求等。 应选择几种比较优越的坝型，拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，最后选定技术上可靠、经济上合理的坝型。 本设计可供选择的有重力坝、拱坝、土石坝。 1） 对于重力坝具有以下工作特点 （ 1）重力坝筑坝材料强度高，耐久性好，抵抗洪水漫顶、渗漏、冲刷、地震破坏等的能力强。 因而失事率低，工作安全可靠。 （ 2）对地质、地形条件适应性强。 由于坝底压应力 不高，对地质条件要求较低。 （ 3）由于重力坝可做成溢流的，也可在坝内设置泄水孔，故一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。 （ 4）结构作用明确。 由于横缝将重力坝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确。 （ 5）由于坝体剖面尺寸往往由稳定和坝体拉应力强度条件控制而做得较大。 材料用量多，坝内压应力较低，材料强度不能充分发挥。 且坝底面积大，因而扬压力也较大，对稳定不利。 （ 6）因坝体体积较大，施工期混凝土收缩应力也较大，为防止发生温度裂缝，施工时对混凝土温度控制的要求较高。 2） 对于拱坝，具有以下特点 （ 1） 具有双向传力的性能，拱坝荷载一部分通过拱的作用传给两岸岩体，另一部分通过竖直悬臂梁传给坝底基岩。 因此，拱坝的选择要由良好的地形地质条件，如 V 形U 形和梯形山谷。 拱坝理想的地质条件时基岩坚硬致密，质地均匀，有足够的强度，透水性小，抗风化能力强，无大的断裂构造和软弱夹层。 河北工程大学毕业设计 8 （ 2） 拱是推力结构，有利于发挥工材料的抗压性性能，可使坝体做得较薄，一般可节省同高重力坝工程量的 1/3～ 2/3，节省材料，减小造价，增加工程效益。 （ 3） 拱坝具有较高的超载能力。 （ 4） 拱坝轻韧，富有弹性和整体性好，借助岩基对地震 动能的吸收，具有较强的抗震能力。 此外，拱坝体型复杂，剖面较薄，设计施工难度大，对施工质量、筑坝材料强度和防渗要求，以及对地形、地质条件及地基处理的要求均较高。 3) 对土石坝，具有以下特点 （ 1）土石坝可就地取材，与混凝土坝相比，节省大量水泥、钢材和木材，且减少了筑坝材料远途运输费用。 （ 2）对地质、地形条件要求低，任何不良地基经处理后均可筑土石坝。 （ 3）施工方法灵活，技术简单，且管理方便，利于加高扩建。 它的缺点由： ① 不允许坝顶溢流（过水土石坝除外），所需溢洪道或其他泄水建筑物的造价往往很大； ②在河谷狭窄 、洪水流量大的河道上施工导流较混凝土坝困难； ③ 采用黏性土料作防渗体时，黏性土料施工受气候条件影响大。 根据郭庄水库坝址处资料，该地对外交通不便，也不具有适宜建拱坝的有利地形，河床部分基岩埋深 15~24m，但具有储量丰富的土石料。 综合考虑该坝址处的地形、地质条件、建筑材料及其工程效益，选择土石坝作为郭庄水利枢纽的挡水建筑物。 2 泄水建筑物的选择 考虑到郭庄水利枢纽该地区在丰水年汛期洪峰流量较大，千年一遇洪水为 2710 m3/s，该枢纽挡水建筑物为不过水土石坝，因此，泄水建筑物选择溢洪道和泄洪隧洞共同担任泄洪。 3 枢纽布置方案确定 挡水建筑物选择土石坝。 挡水建筑物按直线布置，坝布置在河湾地段上。 泄水建筑物包括泄洪隧洞和溢洪道。 由于坝址处 右边 山坡高峻，岩体完整，风化作用较轻， 左 岸山坡相对低矮平缓，岩石风化较河床右边重，岩石表面由较多的裂缝，情况不如右边，但仍是良好的地基。 对于泄洪隧洞，为了缩短长度，减小工程量，泄洪隧洞布置在右岸，而将溢洪道布置在 左岸山坡。 第 3 章 土坝设计 坝型选择 土石坝是由黏性土、非黏性土、堆石等材料组成。 过去常将土石坝按建筑材料组成而分为土坝和堆石坝。 土石坝根据坝体的防渗材 料及其结构分为均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。 河北工程大学毕业设计 9 均质坝坝体的绝大部分是由大体上均一的土料或相对均一的弱透水性材料组成，坝体的整个断面起防渗和稳定作用。 这种坝由于土料的渗透系数小，因此施工期坝体内要产生孔隙压力，加上其抗剪强度较小，所以这种坝型大多数为中低坝。 均质坝有以下优点： （ 1）由于材料基本是均质，所以坝体断面简单，施工容易，施工机械、施工方法比较单一。 （ 2）由于全断面防渗，所以一些相对弱透水性的材料也可以用来填筑均质坝。 （ 3）由于这种坝一般较低，坝坡比较平缓，在承载力相当低的软基上也可修建。 均质坝 的缺点是由于边坡较缓，工程量大，且需要大量的土料，因此往往要占用大量耕地。 分区坝可由土质防渗体与几种透水性不同的材料分区所组成，根据防渗体的位置，主要可分为心墙坝、斜心墙坝和斜墙坝。 心墙坝的防渗体设置在坝体中央，即坝轴线处。 这种坝适应变形的条件较好，特别是当两岸坝肩很陡时，是应优先选用的坝型。 其特点是：心墙与坝壳比较具有明显的较高压缩性，因此沿着心墙边界接触面出现的剪应力会使心墙有效垂直应力大幅度下降，即产生所谓拱效应。 因心墙必须与两侧坝壳平起上升，施工难度较大。 斜墙坝防渗墙设置在把提上游面或接近上游 面。 由于较低抗剪强度的防渗体位于上游面，故上游坝坡较缓，工程量大。 正因为防渗体处在上游，故坝壳可单独领先上升，施工比心墙坝容易，基础处理干扰较小，雨季施工亦便于安排，拦洪度汛也较容易。 斜心墙坝介于心墙坝与斜墙坝之间。 这种坝是为了克服心墙坝可能产生拱效应和斜墙坝对变形敏感等的不足而发展起来的，很适合高土石坝。 人工防渗材料坝的防渗体由钢筋混凝土、沥青混凝土、钢板、塑料薄膜或其他人工材料组成，而坝体其余部分仍由土、砂、石料组成。 考虑到充分利用坝址附近各种土石料，以及当地气候、工程造价、工期等各种因素，最终选择 斜墙坝方案。 地基处理及断面拟定 地基处理 土石坝对地基的要求比混凝土坝低，但从解决地基渗水承载力小，压缩性大，抗剪强度低及振动液化等问题方面，通常需对地基采取不同的处理措施。 无论哪种地基，筑坝前都需要进行清基，清除可能造成集中渗流和发生滑动的表层土石。 河床部分：该枢纽河床部分基岩埋深 15～ 24m，河床质为砂卵石，厚度为 20～ 22m。 对砂卵石地基的处理，主要是保证地基渗流稳定，控制渗流量，处理措施为：在坝体中上游侧设置垂直或水平防渗如黏土截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕或铺盖等，下右侧设排 水减压措施如排水井、反滤盖重等。 由于坝址处砂卵石层深度不大，可开挖深槽直达基岩，槽内回填黏土与斜墙连成整河北工程大学毕业设计 10 体。 由于坝基岩风化，节理发育，是防渗的薄弱环节。 为防止发生集中渗流在槽底设混凝土齿墙。 坝肩岸坡处理：挖黏土截水槽至半风化岩基，基岩与粘土接触面设置混凝 齿墙，齿墙与河床部分防渗相连，详见细部构造设计。 断面拟定 1 坝顶高程 (1) 正常情况下的坝顶超高（ 正常Y ） 正常Y = R e A （ 31） cos2 2gHDKVe  （ 32） R波浪爬高 ,m。 按蒲田试验站统计分析公式计算 ,先计算平均爬高 R ，平均爬高按按下式计算： R = LhmKK W21 （ 33） h = 22 VgDgV （ 34） T= h （ 35） 式中： K 与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，本设计采用砌石护面，查教材《水工建筑物》表 5— 1 得： K =～ ,取 K=。 静水位坝顶αh/2h/2eRA河北工程大学毕业设计 11 H沿水库吹程方向的平均水域深度，初拟时，可 近似 取坝前水深， m；H==； WK 经验系数 ,由风速 V=18m/s,坝前水深 H= 及重力加速度 g=2组成的无维量gHV=,查教材《水工建筑物》表 52 得 WK = V风速，正常运用条件下的 Ⅲ 级坝采用 V= 多V =12=18m/s K 折减系数 ,取风向与坝轴线垂直的夹角为 00，查教材《水工建筑物》表 54 可知：K =1 m坝坡系数， ,ctgm 为坝坡倾角，初拟时取 m=。 D水库吹程， m；由本设计资料查得 D=1200m； h 平均坡高， h = 0 . 4 5221 8 9 . 8 1 1 2 0 0 0 . 5 7 1 89 . 8 1 1 8 T 波浪平均周期； 4 .0 4 .0 0 .3 0 0 2 .9 1Th    L 平均波长 ,假设 2 2 21 . 5 6 1 . 5 6 2 . 9 1 7 . 4 82gTL T m    ，故为深水波； R 平均爬高 : R =20 . 7 8 1 . 0 2 1 0 . 3 0 0 7 . 4 8 0 . 4 31 2 . 5 m    波浪设计爬高 R 按建筑物的级别确定 ,对于 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 土石坝取保证率 P=1%的波浪爬高值 1%R ，该 土石坝 等级 属于 Ⅲ 级 ，故 P=1%。 根 据 h =,H=45m 得h /H=《水工建筑物》表 53 得 R/R = 则 :R=R == e风壅水面超出库水位的高度 ,m； cos2 2gHDKVe  K平均摩阻系数 , K ； β风向与坝轴垂线的夹角，（ 186。 ）； H平均水深 ,坝前水深为 67m, e＝ 10 18 1200 1 45 m    A安全加高 ,根据坝的等级和运用情况查教材《水工建筑物》表 111 则： A=，则正常运用情况下坝顶超高为 : 正常Y = R e A =++= 河北工程大学毕业设计 12 (2) 非常运用条件下的坝顶超高（ 非常Y ） R―― 波浪爬高，按蒲田试验站公式计算： V= 多V ＝ 12m/s h= 0 .4 5221 2 9 .8 1 1 2 0 09 .8 1 1 2 ＝   R=20 .7 8 1 0 .1 9 2 4 .7 21 2 .5  = 按 P＝ 1%， Hh ＝ ＝ ，RR＝ 则： R＝ R ＝ = e风壅水面超出库水位的高度 ,m。 e＝ 10 12 12 00 012 1 45 m    A―― 安全超高，查表得 A＝ 则：非常运用情况下坝顶超高为： 非常Y ＝ R e A ＝ ++＝ (3) 地震情况下坝顶超高（地震安全加高） Y： Y＝地震涌浪加高（ h） +地震附加沉陷值（ s） +安全加高（ A） （ 36） h―― 地震涌浪加高，一般为 ～ ,取为 s―― 地震附加沉陷值，因本区属 7 度地震区，则取为坝高的 1%，则为 A―― 安全加高，查表取为 则： Y＝ ++＝ (4) 坝顶高程的确定及坝高的确定 坝顶高程应分别按以下三种情况计算，并取最大值 , 坝顶高程＝ maxY450451 Y443 Y   正 常非 常地 震＝ 坝顶高程。 坝体施工沉陷超高 ，本设计取坝高的 ％，即 45％ =。 河北工程大学毕业设计 13 则坝顶高程＝ +＝ ≈453m。 2 坝顶宽度 坝顶宽度取决于施工、交通、构造、运行、抗震与防汛等要求。 由设计资料，本设计为中坝，坝顶无交通要求，岸边冬季冻层厚达 1m，以及为满足放浪墙顶和两侧反滤层的布置要求，坝顶宽度取 8m。 3 坝顶长度 本设计中坝顶高程 453m，坝基高程 ，坝高 =48m，在地形图上 Ⅰ— 坝轴线处，测量图上距离，然后按比例换算可得坝长。 4 上下游边坡 土石坝边坡的大小取决于坝型、坝高、筑坝材料、荷载、地基性质等因素。 上游在距坝基高 30m 处变坡一次，上部坡率取 ，下部坡率取。 变坡处设马道，宽。 下游距坝基高 30m 处变坡一次，变坡处设马道，宽。 上部坡率取 ，下部坡率。 设置马道以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼作交通。 检修观测之用，也有利于坝坡稳定。 5 排水体 为。