水工建筑物课程设计说明书

地震安全加高=地震涌浪加高+地震附加沉陷值+安全加高 地震涌浪加高一般为0.5m～1.5m，应根据地震烈度大小和不同的坝 前水深取不同值，本设计取1m，地震附加沉陷值，本设计取1%的坝高， 即（343.717-306）×1%=0.37
安全加高A=1.0 地震安全加高=1+0.37+1.0=2.37m 坝顶高程=339+2.38=341.37m 2.2.1.4确定坝顶高程及坝高 坝顶高程取上述最大值，取坝高为345m，考虑在上游侧设置1.2m 的防浪墙，最终确定坝顶高程为345-1.2=343.8m(不考虑压缩沉降) 坝高=343.8-306=37.8m 2.2.2坝体宽度 坝顶宽度取决于施工、构造、运行、抗震及防洪等要求。如坝顶设 置公路或铁路时，应按交通要求确定，无特殊要求时，高坝最小顶宽为 10～15m,中低坝为5～10m。对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两次反 滤层的布置要求。在寒冷地区，还需要使心墙或斜墙至坝面的最小距离 大于当地冻土层厚度，以免防渗体冻融破坏。本设计坝高37.8m，属于 中坝，且坝顶无交通要求，拟定坝顶顶宽为6m. 2.2.3 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、坝基性 质等因素，且直接影响到坝体的稳定和工程量大小。 （1）由于石料在饱和状态下抗剪强度低，水位下降时渗透力指向 上游，对上游坝坡稳定不利。即土石坝相同时上游坡比下游坡较
（2） 水库水位正常降落时的上游坝坡； （3） 库水位最不利时的上游坝坡，这种不利水位大致在坝底以上1/3
坝高处，对于复杂的坝剖面应进行试算。 非常运用情况包括： （1） 施工或竣工期的上下游坝坡； （2） 库水位骤降时的上游坡； （3） 校核洪水位下可能形成稳定渗流时的下游坝坡；
尺寸。
⑶ 计算坝体和坝基的渗流溢出处的渗透坡降，以验算其渗透稳定
性。
.1.2 渗流分析方法
土石坝渗流分析的方法有公式计算法（流体力学法、水力学法、
有限元法、流网法和电模拟法），本设计采用水力学法，其计算
简单且精度可以满足工程要求
.1.3 渗流计算公式
根据试验资料，截水槽的最佳位置是位于水面与上游坝坡
土石坝剖面设计包含：坝顶高程，坝体长度，最大坝高，最大剖面 和特征剖面。 2.2.1 确定坝顶高程
为了防止库水漫溢坝顶，坝顶在水库静水位以上应有足够的波浪超 高，见图2-1，《碾压式土石坝设计规范》（SD7218-84）规定。其值按 下式计算
Y=R+e+A（2-1） e=cos（2-2）
式中：e—风沿水面吹过的所形成的水面升高，即风壅水面超出库水位的高度 （m）
曲面，稳定计算时常假定为一圆柱面，其在坝体剖面的投影是一 个圆弧，称滑弧。滑裂面的位置，如坝基为岩石或坚硬的土层时 多从坝脚处滑出；当坝基土质与坝体相近或更软弱时，滑裂面可 能深入坝基从坝脚滑出。 （2） 直线或折线形滑裂面。当滑裂面通过由砂、砂砾石等材料组成的 无粘性土坝坡时，在坝坡剖面上的投影是一直线或折线。当坝坡 干燥或完全浸入水中时成直线，部分浸水时是折线，斜墙坝上游 失稳时，常沿斜墙与坝体交界面滑动。 （3） 复合断裂面。当坝坡由几种不同性质的土料组成或坝基存在软弱 层时，滑裂面往往是由直线和曲线组成的复合型，在粘土上为曲 线，在粘性土内或软弱层上为直线。 4.1.2荷载组合 土石坝应对以下几种荷载组合情况下的坝坡进行稳定计算。 正常运行情况下 （1） 上游为正常蓄水位，下游为相应最低水位或上游为设计洪水位， 下游为相应最高水位形成稳定渗流时的下游坝坡；
堆 2.07
20.0 21.0 11.0
40
石
渗透系 数 k(cm/s) 0.5×
2×
2×
第二章 坝型选择和剖面设计
2.1坝型选择 1〉该坝在40m以下，属于中坝，并且周边土料丰富。故首先均质坝 2〉为了保证地基渗透稳定，在坝底设一截水槽。 综上，本次课程设计选择带截水槽的均质土石坝。 2.2 剖面设计
交点的垂线上，此时浸润线最低，设截水槽用平均厚度代替，
其渗透系数与坝体土料的相同，均为k，槽末端1-1断面渗流水
深为h，通过x=0和H断面间的渗流量为
（3-1）
同理可得1-1与2-2断面的渗流量为
（3-2）
联立（3-1）式与（3-2）式可求得h，进而可求得q
在1-1断面 上游侧任意距离x处取3-3断面，设该断面渗流水深为
4.1设计说明 4.1.1设计任务 对土石坝进行稳定分析的目的是通过计算坝体剖面的稳定安全度来 检验坝坡在各种工况下是否安全，断面尺寸是否经济合理。 坝坡坍滑失稳滑裂面的形式主要与坝体结构型式、坝基情况和坝的 工作条件等因素有关。主要有以下几种： （1） 曲线形滑裂面。当为粘性土坝坡时，其失稳滑裂面呈上陡下缓的
桩号
L
T
K
h
Q
0+000 0+10
39
1.05 0
5
0+48.78
167
24.5 0
5
0+142.74 14.5 81.38 6.5 33
0
5
0+239.74 0+252.83
167
24.5 0
5
0
2
0.07
10
2
12.8
38.78
2 0.13
2.3
93.96
2
12.8
97
13.09
=2.3
第四章、土石坝坝坡稳定分析和计算
y，3-3与H断面间的渗流区域应用式可求得浸润线方程为
（3-3）
断面1-1与2-2之间浸润线可由公式
x=
（3-4）
确定，但式中应代换为h .2 渗流计算
经计算得=14.06m，h=0.13m，q=2.3 .3 总的渗流量计算（示意图如上） Q=1/2（） （3-5） 式中 , ，…—各段坝长m
，，…—各坝段交界处的坝体单宽流量 .4 渗流计算结果汇总分析 .4.1 渗流计算结果(正常蓄水位)
R—自风壅水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度（m）
D—水库吹程（Km或m）
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）
K—综合摩擦阻力系数，其值变化在（1.5～5.0）×之间，计算时一般取 3.6×（D以km计）或3.6×（D以m计）
V—计算风速，m/s，正常运用条件下的ⅠⅡ坝条取V=（1.5～2.0（多年平 均最大风速）正常运用条件下的Ⅱ Ⅳ Ⅴ级采用V=1.5，非常运用条件下 的各级土石坝采用V=
本设计为碾压式土石坝且为均质坝，故不设置心墙防渗体。 但坝址处有一定的透水层厚度，只设置截水槽从而起到对坝基防渗 的作用。计算点的作用水头为H=343-313=30m。根据经验取渗透坡 降[J]=4，，取8m。截水槽的厚度为6.5m，其底部与地基相对不透 水层连接。 2.25排水体设备 本设计均质土石坝全断面防渗，但仍会有一定的渗水，故在坝体下 游侧设置排水设备。其作用是控制和引导渗流安全的排出体外，降 低坝体浸润线和空隙水压力，增强坝坡稳定保护下游坝坡免受冻胀 破坏。排水体由块石及其流层组成，要求其具有充分的排水能力， 不堵塞，以保证坝体和坝基不发生渗流破坏，并且便于观测和检 修。 （1）贴破排水构造简单，便于检修，但不能降低浸润线且易受水 冻胀失效； （2）棱体排水可降低浸润线，防止坝体冻胀，保护坝脚，免受尾 水冲刷，且对坝坡有稳定作用。对于增加坝坡稳定性是一种可靠有 效、应用广泛的排水形式，适用于坝体河槽部位，较高的坝，石料 丰富的地区； （3）褥垫排水对地基不均匀沉陷的适应性差，易断裂，维修困 难，故单独采用这种形式的不多； （4）管网式排水较为复杂，不便采用； （5）综合排水也较为复杂，不便采用。 综上所述，本设计采用棱体排水。初拟定坝顶高程为314.5m，其坝 顶根据检查观测及施工要求确定不小于1.0m时，一般为1.0～
项比 目重
含水 湿容 饱和 浮容 凝聚力
量
重 容重 重 （）
（%） （） （） （）
内摩擦角 Φ（度°）
粉 2.69 17 质 壤 土
19.3 20.5 10.5 16.0/12.0 22.0/18.0
砂 2.65
19.8 20.6 10.6
36
砾
坝 2.65
19.8 20.6 1Biblioteka Baidu.6
36
基
砂
砾
料
2.0m，本设计取1.5m。棱体内破由施工条件确定，一般为1：1～
1:1.5，本设计采用1：1.5。外破根据坝基抗剪强度和施工条件确
定，一般为1:1.5～1:2.0，本设计取1:2.0，为使渗流溢出坡降分
布的更均匀，在棱体上游坝脚处应避免出现锐角，目的是使渗出的
渗流坡降分布更加均匀和减少最大水利坡降。
第五章、土石坝的构造设计……………………… （20）
第一章 基本资料
.1 地形地质情况 坝址处河床宽约为190m，坝轴线处河床最低高程为306m，河床覆盖 层上层为湿陷性黄土夹有砾石，下部为沙砾石层，坝址岩为花岗岩，透
水性很小，详见坝轴线地质剖面图。
1.2 水位
死水位
325m
正常蓄水位
339m
设计洪水位1%
非常运用情况下的坝顶高程与正常情况一样，仅风速采用V=10m/s，坝前
水深H=343-306=37m
e=cos=
（1）计算波浪平均爬高 故取
（2）计算波长平均周期 （3）计算平均波长
， R=2.23×0.197=0.439 坝顶高程=343+1.14=344.14m 2.2.1.3 考虑地震影响计算坝顶高程
水工建筑物课程设计说明书
设计坝型：均质土坝
指导老师：宋志斌
系别：水利系 班级：水工专2班 姓名:王培华 学号：093520206
目录
第一章、设计基本资料…………………………… （3）
第二章、坝型选择和剖面设计…………………… （5）
第三章 （11）
渗流计算……………………………
第四章、土石坝坝坡稳定分析和计算………… （14）
= （2-3） 式中：—与坝坡的粗糙率和渗透性有关=0.8
—经验系数，由风速V，坝前水深H及重力坝加速度g组成的无维量，=1
m—坝坡系数，m=ctg，为坝坡倾角，本设计平均坡率m=2.75
—平均波高与波长，m
①用下式计算平均坡高：=0.13th[0.7]th{}
在水深较大，吹程较小的情况下，即当时（1-4）可简化为=0.0018
—风向与坝轴垂直线的夹角；（°）（大于1°，=0）
A—安全加高，根据坝的等级和运用，正常A=1.0 非常A=0.7
2.2.1.1按正常情况下计算坝顶高程
=10 m/s，V=1.5=15m/s H=33m D=1km
e=cos= 规范（SD7218-84）推荐采用莆田试验站统计分析公式计算R，其步骤 如下 （1）计算波浪平均爬高
342m
校核洪水位0.1%
343m
正常蓄水位时下游水位 306m
校核洪水位时下游水位 313m
1.3 气象资料
多年平均最大风速 10m/s
冻土深
1.1m
1.4 筑坝材料及坝基沙砾物理学性质（见附表1）
1.5 其它
工程等级：枢纽为二等，建筑物为二级
水库次程 1Km 地震基本烈度 7度
附表1
筑坝材料及坝基砂砾石物理学性质
第 三 章 渗流计算
.1 设计说明
.1.1 土石坝渗流分析的任务
土石坝的剖面尺寸初步拟定后，必须进行渗流分析和稳定分
析，为确定经济稳定的坝体剖面提供依据，渗流分析的主要
任务是：
⑴ 确定坝体浸润线和下游溢出点的位置，为坝体稳定计算和排水
体选择提供依据。
⑵ 计算坝体和坝基的渗流量，以计算水库渗漏损失，确定排水体
缓； （2）从坝型上看，上游坝坡较下游为缓； （3）从荷载情况上，为适应从底部逐渐增加的特征，坝坡上陡下 缓，故土石坝上、下游坡一般做成变坡，由上至下逐渐放缓，相邻 坝坡率差为0.25～0.5。若坝基较弱，最后一级坝坡宜缓，以利于 坝坡稳定。 综上所述，对拟坝坡时，坡度一般为1:2～1:4，在下游坝面的边坡 处一般设置马道，其长度取1.5～2.0m ，以拦截并排除雨水，防止 严重冲刷坝面，并兼做交通、检查观测之用，也有利于坝坡稳定。 拟定上游坝坡自上而下为1:2.75和1:3.0，下游边坡自上而下为 1:2.5，1:2.75，在高程为326m处设置宽为1.5m的马道。 2.24 截水槽尺寸
式中水库吹程D以m计经计算可知用上式计算m
②计算波浪平均周期，公式为
③计算平均波长，
（2）计算波浪爬高R
在工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对 Ⅱ级土石坝取保证率P=1%的波浪爬高作为设计爬高即R=，由 其相应波浪爬高保证率P，平均爬高R及爬高统计分布表计算 爬高R
R=2.23×0.321=0.716 m 坝顶高程=342+1.717=343.717m 2.2.1.2 按非常情况计算坝顶高程