水工建筑物课程设计南岗粘土心墙土坝枢纽设计

水工建筑物课程设计

题目：南岗粘土心墙土坝枢纽设计姓名：

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第一章基本资料

（一）概况

南岗土坝枢纽位于南岗河上，距南柳村三公里，控制流域面积517平方公里，流域主要为土石山区，岩石大部分为砂岩页岩及一部分石灰岩，其上覆盖有薄层黄土，水土流失严重。枢纽以上河道长43千米，河道平均纵坡为2‰，枢纽以下流域主要为冲积平原，是重要的粮棉产区。修建该枢纽的主要目的是灌溉、防洪、兼顾养鱼及乡镇企业供水。

（二）基本资料

1. 地形资料

南岗河在坝址以上约3千米处进入一个葫芦形地带，至此河南岗河在该坝址以上河谷收缩，为一建坝的良好地形。

枢纽附近河谷宽约600米，河床最低高程94.0米，右岸坡度较缓，在高程105米处有一宽约60米的台地，左岸坡度较陡。

左岸有一天然冲沟，右岸有一山凹，此两处均可作为溢洪道的比较线路。

2. 地质资料

库区岩石均为砂页岩，左岸覆盖有厚层黄土，河底为细沙及砂卵石。

在枢纽附近，右岸为砂质砂岩，岩石质地坚硬，无断层裂隙，左岸高程102.5米以上为黄土，以下为砂岩。黄土可溶盐含量约0.043%，并含有18%的钙质结核。河库覆盖有细沙及砂卵石，细砂厚约一米，砂卵石最深处5米，下为砂岩。

坝基砂卵石浮容重10.5kN/m3，内摩擦角33.0°，粘结力为0，渗透系数1x10-2cm/s。左岸壤土干容重15.0kN/m3，孔隙比0.818，含水量17%，比重2.75，塑限16.6%，塑性指数13.6，湿容重17.6kN/m3, 饱和容重19.5kN/m3，渗透系数4.5x10-4cm/s，内摩擦角23.3°，粘结力为22kPa。

3.建筑材料

（1）在坝址附近有足够的壤土可供开采，主要分布在左岸及上游小孤山处。

（2）壤土物理指标：干容重16.0kN/m3，饱和容重19.5kN/m3，比重2.72，塑限18.9%，塑性指数14.0，渗透系数9.76x10-5cm/s，内摩擦角20°，粘结力14kPa。

（3）枢纽附近分布有大量砂质砂岩，除表面风化部分外，内含新鲜基岩质地良好，湿容重26kN/m3，内摩擦角31°。

4 水文水利资料

（1）多年平均年径流量760万m3。

（2）正常蓄水位114.50m，相应下游水位96.0m;

（3）50年一遇设计洪峰流量215m3/s，设计洪水总量160万方。（4）500年一遇校核洪峰流量320m3/s，校核洪水总量225万方。

（5）死水位107.0m；

（6）水位~库容关系曲线如下表所示。

水位～库容关系曲线表

水位（米）98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 库容（万m3）8 28 56 94 140 192 252 320 396 488 596 718

5 气象资料

水库最大吹程2.8km；多年平均最大风速16m/s，多年平均最大冻土层深度0.64m。

6 其他资料

（1）设计灌溉面积4.0万亩，灌区在左岸；

（2）坝顶无交通要求；

（3）灌溉引水涵管设计流量2.0m3/s，加大流量2.4m3/s.

（4）坝轴线河床最低点高程94.0m.

第二章调洪计算

思路：采用简化三角形法（水资源规划课本86页）

（1）作图：绘制q=f（v）曲线

1QmT得B点，

（2）图解：在纵坐标上取Qm得A点；横坐标上取W=

连接AB交q=f（v）曲线于C点的横坐标OD=Vm；对应C点的纵坐标

OE即为q m，

（3）在此中根据已知校核和设计的Qm及W便得两条直线与q=f（v）

曲线相交，最终q m，取较大值

作图

（1）取泄洪建筑物为无闸门溢洪道，其堰顶高程与正常蓄

水位齐平114.5m，堰顶净宽B由高坝顶宽可选为10-15m（水工课本

P218）取B=10m

（2) q=f(v)关系曲线计算表

思路首先在正常蓄水位114.5基础上每隔0.5m取一系列水位

值；其次根据假定的一系列水位值减去正常蓄水位Z=114.5便得堰顶

水头H; 再次由q溢=MBH3/2求得对应水位下的q溢；最后根据已知Z-V

关系和求得的q溢对应的水位Z，运用线性内差法求得库容V,从而得

q=f(v)关系；

由水力学课本第262页查得M=0.35

114.5 115 115.5 116 116.5 117 117.5 118 118.5 库水位Z

（m）

溢洪道堰

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

顶水头

H(m）

库容V 的线性内差法计算例如当Z=114.5时 V=

114

116396

488--ⅹ(114.5-114)+396

=419万m 3 图解

在纵坐标上取Qm=215m 3/s 得A 点；横坐标上取W=160得B 点，连接AB 交q=f （v ）曲线于C 点的横坐标OD=Vm ；对应C 点的纵坐标OE 即为q m 设计，同理取当Qm=320m 3/s ，W=225得q m 校核

得q m =75m 3/s

后由q m =75m 3/s 查Z-V 得Vmax(总），再由Vmax(总）查q-V 曲线得Zmax ，利用公式V 需=Vmax(总）-V(死水位）得调洪所需库容

V(死水位）由Z-V 曲线查当Z=107m 时，V(死水位）=188万m 3 q-V 曲线

q 溢（m 3/s 0 1.24 3.5 6.43 9.90 13.83 18.19 22.92 28 库容V （万m 3）

419 442

465

488

515

542

569

596

626.5

Z-V曲线

查得V需=220万m3

第三章枢纽布置

3.1 枢纽等别和建筑物级别的确定

工程等级工程规

模

水库总

库容

（亿m3）

防洪治涝灌溉供水发电

保护

城镇

及工

矿业

保护

农田

（万

亩）

治涝

面积

（万

亩）

灌溉

面积

（万

亩）

供水

对象

重要

性

发电

容量

（万

KW）

重要性

Ⅰ大（1）

型≥10 特别

重要

≥

500

≥

200

≥150 特别

重要

≥

120

Ⅱ大（2）

型10~1.0 重要500~

100

200~

150~5

重要120~

Ⅲ中型 1.0~0.

1 中等100~

60~1

50~5 中等30~5

Ⅳ小（1）

型0.1~0.

一般30~5 15~3 5~0.5 一般5~1

Ⅴ小（2）

型0.01~0

.001

<5 <3 <0.5 <1

由灌溉面积为4.0万亩确定主要建筑物等级为Ⅳ级，次要建筑物为Ⅴ级，临时建筑物为Ⅴ级。

3.2枢纽总体布置

1）坝型选择过程论述分析

1. 地形资料

南岗河在坝址以上约3千米处进入一个葫芦形地带，至此河南岗河在该坝址以上河谷收缩，为一建坝的良好地形。

枢纽附近河谷宽约600米，河床最低高程94.0米，右岸坡度较缓，在高程105米处有一宽约60米的台地，左岸坡度较陡。

左岸有一天然冲沟，右岸有一山凹，此两处均可作为溢洪道的比较线路。

2. 地质条件

库区岩石均为砂页岩，左岸覆盖有厚层黄土，河底为细沙及砂卵石。

3. 建筑材料

在坝址附近有足够的壤土可供开采，主要分布在左岸及上游小孤山处。

壤土物理指标：干容重16.0kN/m3，饱和容重19.5kN/m3，比重2.72，塑限18.9%，塑性指数14.0，渗透系数9.76x10-5cm/s，内摩擦角20°，粘结力14kPa。

枢纽附近分布有大量砂质砂岩，除表面风化部分外，内含新鲜基岩质地良好，湿容重26kN/m3，内摩擦角31。

综上在坝址附近有足够的壤土可供开采，主要分布在左岸及上游小孤山处，即可满足就地取材，节省大量水泥，木材和刚才，减少工地的外线运输量的要求确定采用土石坝。

2）说明建筑物总体布置情况，画出布置图；

根据地形条件南岗河在坝址以上约3千米处进入一个葫芦形地带，至此河南岗河在该坝址以上河谷收缩，为一建坝的良好地形。枢纽附近河谷宽约600米，河床最低高程94.0米，右岸坡度较缓，在高程105米处有一宽约60米的台地，左岸坡度较陡。

左岸有一天然冲沟，右岸有一山凹，此两处均可作为溢洪道的比较线路

则确定坝址选在葫芦形地带收缩口处，溢洪道设在左岸天然冲沟处。枢纽布置图附后。

第四章土坝设计

4.1剖面拟定

(1)坝顶高程确定

根据碾压土石坝设计规范，其坝顶高程可取以下几种情况中的最大值

1）设计水位加正常运行条件下的超高

2）正常蓄水位加正常运行条件下的超高

3）校核洪水位加非正常运行条件下的超高

4）正常蓄水位加非正常运行条件下的超高

坝顶超高计算

由d=R+e+A

R ——波浪在坝坡上的设计爬高 e ——风浪引起的坝前水位壅高 A ——安全加高

R 的计算根据官厅水库公式h 5%=0.0166 V 05/4D 1/3

算出累计

频率为5%的波高，则可根据h 1%=1.24h 5% h 5%=0.0166V 05/4

1/3

=0.0166ⅹ165/4ⅹ2.81/3

=0.0166ⅹ32ⅹ1.409

≈ 0.906

h 1%=1.24h 5%

=1.24ⅹ0.748

≈ 1.13m

则R=h 1%=1.24h 5%≈ 1.13m e 的确定根据

e=D

gH KW 22

COS β

K ——综合摩阻系数，取3.6ⅹ10

-6

W ——计算风速

D ——吹程

取Hm 等于正常蓄水位114.5m ，β=0°

则e=(2.8ⅹ103

ⅹ3.6ⅹ10-6

ⅹ162

)/(2ⅹ9.8ⅹ114.5) =1.15m

A确定（水工P217)

安全加高

坝的级别 1 2 3 4,5 正常运行条件 1.5 1.0 0.7 0.5

非正常运行条件（a）0.7 0.5 0.4 0.3 非正常运行条件（b） 1.0 0.7 0.5 0.3 正常运行条件下的超高

d=2.78m

正常运行条件下的超高

d=2.58m

Z正=114.50m

根据已知Z-V关系由线性内差法得校核和设计水位如下

Z校核=216.1m

Z设计=213.75m

设计水位加正常运行条件下的超高

H=213.75+2.78=216.53m

正常蓄水位加正常运行条件下的超高

H=114.50+2.78=117.28m

校核洪水位加非正常运行条件下的超高

H=216.1+2.58=218.68m

正常蓄水位加非正常运行条件下的超高

H=114.50+2.58=117.08m

综上H max=218.68m

（2）坝顶宽度B

根据SL-274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：高坝顶宽可选为10-15m，中低坝顶宽可选为5-10m

则该坝坝顶宽度B=12m

4.2 稳定计算

1、土坝失稳的形式，主要是坝坡或坝坡连同部分坝基沿某一剪切破坏面的滑动。稳定计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各种运用情况下坝坡是否安全、经济。

2、土石坝滑动面的形式有：曲线滑动面；直线或折线

滑动面；复合滑动面。

3、荷载及其组合：

1）荷载：自重、渗透力、孔隙水压力、地震荷载。

2）荷载组合（正常运用条件）：

水库蓄满水（正常高水位或设计洪水位）时，下游坝坡的稳定计算；

上游库水位最不利时，上游坝坡的稳定计算；

库水位正常行降落，上游坝坡内产生渗透力时，上游坝坡的稳定计算。

4、要求的抗滑稳定系数

对于非常运用条件（考虑孔隙水压力时）下，2级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。

5、土石坝的稳定分析

对于均质坝、厚墙坝和厚心墙坝来说，滑动面往往接近于圆弧，故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。为了简化计算和得到较为准确的结果，常采用条分法。规范采用的圆弧滑动静力计算公式有两种：一是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法，一是考虑条块间作用力的毕肖普法。由于瑞典圆弧法不考虑相邻土条间的作用力，因而计算结果偏于保守。若计算时假定相邻土条界面上切向力为零，即只考虑条块间的水平作用力，就是简化毕肖普法。此坝用瑞典圆弧滑动法。

假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体是为刚体，边坡失稳时该土体绕滑弧圆心O作转动。分析计算时常沿坝轴线取单宽坝体，按平面问题采用条分法，将滑动土体按一定的宽度（通常宽度b=0.1R）分为若干个铅直土条，不计相邻土条间的作用力分别计算出土条对圆心O的抗滑力矩Mr和滑动力矩Ms,再分别求其总和。当土体绕O点的抗滑力矩Mr 大于滑动力矩Ms，坝坡保持稳定，反之，坝坡则丧失稳定。

将滑弧内土体用铅直线分成12个条块，为方便计算，取各土条块宽度b=R/10=7.92m （取R=79.2m ）。对各土条进行编号，以圆心正下方的一条编号为i=0,并依次向上游为i=1,2,3,……向下游为i=-1,-2,-3,……如图示

图二瑞典条分法稳定分析

不计相邻条块间的作用力，任取第i 条为例进行分析，作用在该条块上的作用力如下：

1）土条自重G i ,方向垂直向下，其值为

''''''123()i i i i G h h h b

γγγ=++，其中1γ、2γ

、3γ分别表示该土条中

对应土层的重度，'i h 、''i h 、'''i h 分别表示相应的土层高度，b

为土层宽度，可以将G i 沿滑弧面的法向和切向进行分解，得法向分力

'cos i i i

N G α=，切向分力

'sin i i i

T G α=。

2）作用于该土条底面上的法向反力i

N 与

'N 大小相等、

方向相反。

3）作用于土条底面上的抗剪力

T ，其可能发挥的最大值

等于土条底面上土体的抗剪强度与滑弧长度的乘积，方向与滑动方向相反。

根据以上作用力，可求得边坡稳定安全系数为

cos tan sin i i i i i

r c s i i

G c l M K M G α?α∑+∑==

∑

式中，

l 为i 土条底面上的弧长，sec i i

l b α=。

若计算时考虑孔隙水压力作用，可采用总应力法或有效应力法：总应力法计算抗滑力时采用快剪或三轴不排水剪强度指标：有效应力法计算滑动面的滑动力时，采用有效应力指标?和c ，根据以往实际工程经验取?=400

，c=40kPa,

3=19.48/kN m γ心墙,3

19.45/kN m γ=湿 ,

19.52/kN m γ=饱,此时，坝坡稳

定安全系数为

(cos )tan sin i i i i i i i

c i i

G u l c l K G α?α∑-+∑=

∑

式中，i u

为作用于i 土条底面的孔隙压力。部分计算结果见下表

表4 瑞典条分法计算结果土条编号

'()

i h m

''()

i h m

()

i b m

()

i l m

sin i

cos i

(/)kN m (_)c kPa

-3 5.4 6.6 7.9

2 8.5 0.3

0.9

1850.

096 40

-2 7.9 9 7.9

2 8.5 0.2

0.9

2605.

482 40

-1 10.1 10.6 7.9

2 8.5 0.1

0.9

3194.

587 40

0 12.6 11.4 7.9

2 8.5 0 1

3703.

376 40

1 15 11.4 7.9

2 8.5 0.1

0.9

4026.

702 40

2 17.6 10.

3 7.9

2 8.5 0.2

0.9

4303.

538 40

3 20.3 8.6 7.9

2 8.5 0.3

0.9

4455.

277 40

4 22.8 6 7.9

2 8.5 0.4

0.9

4439.

794 40

5 25.2 2.

6 7.9

2 8.5 0.5

0.8

4283.

865 40

6 26.

7 0 7.9

2 8.5 0.6 0.8

4112.

974 40

7 23.3 0 7.9

2 8.5 0.7

0.7

3589.

225 40

8 5.5

7.9

8.5 0.8 0.6 848.1

在非常运用条件下，即考虑孔隙水压力时，坝坡稳定安全系数为

(cos )tan sin i i i i i i i

c i i

G u l c l K G α?α∑-+∑=

∑

0(37809.626372.45)tan 40408024291.27-?+=

1.25 1.15=> 故该坝设计是稳定合理的。

4.3 渗流计算

1、防渗体布置：

由于在坝址附近土料的渗透系数为k=10-5

cm/s ，即土料透水性小，故可用土质防渗体，防渗体的结构形式为心墙。心墙顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于0.3—0.6m ，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位。当防渗体顶部设有稳定、坚固、不透水且与防渗体紧密结合的防浪墙时，可将防渗体顶部放宽至正常运用静水位以上即可，故心墙顶部高程于正常运用静水位一样。心墙的坡度取1:0.2，顶部厚度不得小于1.0—3.0m ，顶部厚度取为5m ；底部厚度不宜小于水头的1/4且不得小于3m,底部厚度取为17.8m 。心墙自顶到底逐渐加厚。

2、坝体渗透计算：

在有限深透水地基上，截水槽修筑到不透水层，设棱柱体排水下游无水情况。

首

先

计算出心墙的平均厚度

1211()(517.8)11.42

δδδ=+=+=，用于心墙的渗透系数e K 远小于

坝壳的渗透系数K ，而渗透通过心墙的水头损失较大，浸润线在心墙中形成很大跌落。

通过心墙坝的q 为 22

12e

H h q K δ-=；通过下游坝壳的q 为 222

2e h H q K

L -=；

由于渗透量相等，故有

222212

22e e e H h h h K K

L δ--=

22122e e e K h K L H h δ

=?-

2522210211.410232e e h L h --?=?- 堆石棱柱体排水体高度为3m ，计算L 的长度：

=314.9+17.9 2.5+1.5-4.5+4=90.45m L ??

则 2.84e h m =

22322218.6410(32 2.84)

0.38/2211.4e e H h q K m δ--??-===?日