水工建筑工程物土石坝专业课程设计.doc

《水工建筑物课程设计》

课题名称： 土 石 坝 设 计
专业班级： 水 工(本科) 13-3
姓 名： 袁 明 炜
编写日期： 7月1日

水利和环境学院

摘要

合适修建大坝能够实现一个流域地域发电、防洪、浇灌综合效益。经过对地形地质、水文资料、气候特征分析，结合当地建筑材料，设计适合枢纽工程来帮助流域地域实现很好经济效益。依据防洪要求，对水库进行洪水调整计算，确定坝顶高程及泄洪建筑物尺寸；经过分析，对可能方案进行比较，确定枢纽组成建筑物形式、轮廓尺寸及水利枢纽部署方案；具体作出大坝设计，经过比较，确定坝基础剖面和轮廓尺寸，确定地基处理方案和坝身结构，进行水力、静力计算；对泄水建筑物进行设计，选择建筑物形式、轮廓尺寸，确定部署方案。水库配合下游河道整改等方法，能够很大程度减轻洪水对下游城镇、厂矿、农村、公路、铁路和旅游景点威胁；可为发展养殖发明有利条件。

目录

第1章 基础资料 1
1.1工程概况 1
1.2水文和水利计划 1
1．气象 1
2． 水利计算 1
1.3地形地质条件 1
1.库区工程地质条件 2
2.坝址区工程地质条件 3
1.4建筑材料及筑坝材料技术指标选定 4
3．当地建筑材料 6
2 枢纽部署 8
2.1 坝轴线选择 8
2.2 工程等级及建筑物等级 9
2.3 枢纽部署 10
2.3.1 导流泄洪洞 11
2.3.2 溢洪道 11
2.3.3浇灌发电洞及枢纽电站 11
3.1 坝型确定 12
第3章 坝工设计 14
3.1 土石坝断面设计 14
3.1.1坝顶高程 14
3.1.2坝顶宽度 16
3.1.3上下游边坡 16
3.1.4 坝底宽度 17
3.2 防渗体设计 17
3.2.1.坝体防渗 17
3.2.2防渗体土料要求 18
第4章 坝体渗流计算 19
4.1 设计说明 19
4.1.1土石坝渗流分析任务 19
4.1.2渗流分析工况 19
4.1.3渗流分析方法 19
4.2 渗流计算 20
4.2.1基础假定 20
4.2.2计算公式 20
4.2.3三种工况计算 21
4.2.4渗流校核 23
4.2.5浸润线计算 24
4.2.6理正软件校核 27
第5章 土石坝坝坡稳定分析及计算 30
5.1 坝体荷载 30
5.1.1渗流力 30
5.1.2孔隙压力 30
5.1.3地震力 30
5.2 稳定分析方法 30
5.3 计算工况 31
5.4稳定计算 31
5.4.1瑞典圆弧滑动法 31
5.4.2理正软件计算 33
第6章 细部结构 36
6.1 坝顶结构 36
6.2 护坡 36
6.3 反滤层 37
6.4 排水体 40
6.5 马道 42

第1章 基础资料
1.1工程概况
ZF水库在QH河干流上，水库控制流域面积4990km2，库容5.05×108m3。水库以浇灌发电为主，结合防洪，可引水浇灌农田71.2×104亩，远期可发展到104×104亩。灌区由一个引水流量为45m3/s总干渠和四条分干渠组成，在总干渠渠首及下游24km处分别修建枢纽电站和HZ电站，总装机容量31.45MW，年发电量1.129×108kW·h。水库防洪标准为百年设计，万年校核。枢纽工程由挡水坝、溢洪道、导流泄洪洞、浇灌发电洞及枢纽电站组成。
1.2水文和水利计划
1．气象
流域年平均降雨量686.1mm，70%集中在6~9月，多年年平均气温8~9℃，多年平均最高气温29.1℃(6月)，多年平均最低气温-14.3℃(1月)，多年平均最大风速9m/s，水位768.1m时水库吹程5.5km。
2． 水利计算
防洪利用标准及设计洪水确实定。本水库属二级工程。水库建筑物按百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核。因为采取洪水计算数值中未考虑历史特大洪水影响，故用万年一遇洪水作为很保坝标准对水工建筑物进行复核。
水库排沙和淤沙计算。ZF水库回水长25km，河道弯曲，河床宽300m左右，河床比降为2.2%，是个经典河道型水库。

1.3地形地质条件
1:坝址周围地形图、提议坝轴线地质图见附图。
1.库区工程地质条件
库区两岸分水岭高程均在820m以上，基岩出露高程，大部分在800m左右，关键为紫红色砂岩，间夹砾岩、粉砂岩和砂质页岩。新鲜基岩透水性不大。未发觉大结构断裂，水库蓄水条件良好。
QH河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区也未发觉关键矿产。

表2 ZF水库工程特征值
序号
名 称
单 位
数 量
备 注
1
设计洪水时最大泄流量
m3/s
2 000.00
其中溢洪道815

对应下游水位
m
700.55

2
校核洪水时最大泄流量
m3/s
6 830.00
其中溢洪道5600

对应下游水位
m
705.60

3
水库水位

校核洪水位(P=0.01%)
m
770.40

设计洪水位(P=1%)
m
768.10

兴利水位
m
767.20

汛限水位
m
760.70

死水位
m
737.00

4
水库容积

总库容
108m3
5.05
校核洪水位

设计洪水位库容
108m3
4.63

防洪库容
108m3
1.36

兴利库容
108m3
3.51

其中共用库容
108m3
1.10

死库容
108m3
1.05

5
库容系数
%
50.50

6
调整特征

多年

2.坝址区工程地质条件
QH河在ZF水库坝址区呈一弯度很大“S”形。坝段在“S”形中、上段。坝段右岸为侵蚀型河岸，岸坡较陡，基岩出露。上下坝线有约300 m长低平山梁(单薄分水岭)，左岸为侵蚀堆积岸，岸坡较缓，有大片土层覆盖。右岸单薄分水岭是QH河围绕坝段左岸山体相对侧向侵蚀结果。
坝址区基岩以紫红色、紫灰色细砂岩为主，间夹砾岩、粉砂岩和少数砂质页岩。地层岩相改变猛烈，第四系除厚度不大砂层、卵石层外，关键是黄土类土，在大地结构上处于相对稳定区，未发觉有大断裂结构迹象。
坝址区左岸有一大塌滑体，体积约45×104m3，对工程部署有一定影响。
本区地震基础烈度为6度，建筑物按7度设防。
(1) 上坝址
上坝址在坝区中部背斜西北，岩层倾向QH河上游。河床宽约300m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5m，渗透系数1×10-2cm/s。一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性。左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。
岩基未发觉大范围夹层，基岩透水性不大。河床中段及近右岸地段，沿113-111- 115-104-114各钻孔连线方向，在岩面下21~47m深度范围内，有一强透水带，W=5.46~30 l/s·m2，下限最深至基岩下约80m。基岩透水性从上游向下游有逐步增大趋势，左岸台地黄土和基岩交界处砾岩(最大厚度6m)透水性强，渗透系数K=10m/d。左岸单薄分水岭岩层仍属于中强透水性，平均W=0.48l/s·m2，应考虑排水，增加岩体稳定。
(2) 下坝址
在上坝址同一背斜东南翼，岩层倾向下游；河床宽约120m，左岸为二、三级阶地，右岸731m高程以下为基岩，以上为三级阶地。土层物理力学性质见“工程地质剖面图”。
左岸基岩有一条宽200~250m呈北北东方向强透水带，右岸Z沟单薄分水岭透水性亦很大，左右岸岩石中等透水带下限均可达岩面下80m左右。河床地段基岩透水性和中等透水带厚度含有从上游向下游逐步变小趋势。下游发觉承压水，二、三级阶地砾石层透水性和上坝线相同，左岸坝脚靠近塌滑体。
1.4建筑材料及筑坝材料技术指标选定
库区及坝址下游土石料丰富，有利于修建当地材料坝。
(1) 土料。坝址上、下游全部有土料场，储量丰富，平均运距小于l.5km。依据155组试验结果统计，土料平均粘粒含量为26.4%，粉粒55.9％，粉砂17.6%，其中25%属粉质粘土，60.7％属重粉质壤土，14.3%属中粉质壤土。平均塑性指数11.1，比重27.5kN/m3。最大干重度16.7kN/m3，最优含水量20.5%，渗透系数0.44×10-5cm/s。含有中等压缩性，强度特征见表3。
(2) 砂砾料。关键分布在河滩上，储量为205×104m3，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用砂砾料约100~151×104m3。其颗粒级配不连续，缺乏中间粒径，依据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计结果分析以下：天然重度18.7kN/m3，软弱颗粒含量2.64%。颗粒组成见表4。
砂储量极少，且石英颗粒少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂(D<2mm)相对紧密度为0.895。
(3) 石料。坝址区石料较多，运距均在1km以内，为厚层砂岩，储量可满足需要。溢洪道、导流洞出碴也可利用。

表3 土料强度特征
试验方法
统计方法
抗剪强度指标
φ(o)
C(kN.cm-2)
饱和固结快剪(25组)
算术平均
23.27
2.80
算术小值平均
20.96
1.93
快剪
(82组)
算术平均
21.54
2.93
算术小值平均
21.30
2.93
快剪
(18组)
算术平均
21.30
2.93
算术小值平均
21.00
1.94
算术平均
22.68
5.83
算术小值平均
20.03
3.56
算术平均
22.50
5.83
算术小值平均
23.80
3.56
快剪
(8组)
算术平均
28.80
4.51
算术小值平均
25.75
2.93
算术平均
29.00
4.51
算术小值平均
28.70
2.93
三轴不排水剪
(10组)
算术平均
20.00
2.88
算术小值平均
25.20
1.30
三轴不排水剪
(6组)
算术平均
13.30
2.80
算术小值平均
25.20
0.80
三轴饱和固结
不排水剪(6组)
算术平均
18.20
4.20
算术小值平均
22.30
3.50
野外自然坡度角
(29组)
算术平均
35.70

算术小值平均
31.20

室内
剪切
试验
算术平均
31.10

算术小值平均
29.10

算术平均
31.00

算术小值平均
29.00

表4 砂砾料颗粒组成
粒径(mm)
<200
<80
<40
<20
<5
<2
<1
<0.5
<0.25
<0.05
含量(%)
83.7
74.2
57.7
46.2
38.6
34.6
32.8
29.7
24.7
4.9

(4) 筑坝材料技术指标选定。经过试验，并参考相关文件资料及其它工程经验，最终选定其筑坝材料各项技术指标，见表5。
3．当地建筑材料
(1) 土料。依据当地建筑材料调查汇报，土料场有五个。依据试井和钻孔情况，从1:地形图初步计算四个土场总储量为2 248.6×104m3，为需要量4倍多。各土料场储量如表6。
(2) 砂砾料。依据调查，坝址周围三个砂砾场，开采总量约 100~151×104m3(水上部分)，不够使用。
(3) 石料。未进行石场储量调查试验工作。在坝址右岸有两个石料场。石场空间不够开阔，运输困难。
(4) 骨料。沿河调查，当地砂只能用于浆砌石和混凝土，其它用砂需外运。

表5 筑坝材料技术指标
筑 坝 材 料
坝 体
坝 基
土料
砂砾料
堆石
砂砾料
黄土
比重(kN/m3)
27.5

27.0

重度
湿重度(kN/m3)
16.5
18.0
18.0
18.0
16.0
饱和重度(kN/m3)
19.8

19.1
干重度(kN/m3)
10.4
11.0
10.5

10.2
孔隙率n

0.33

内摩擦角
施工期
总应力
10
31
40
31
20
有效应力
22
稳定渗流期
有效应力
23
水位降落
有效应力
23
粘聚力C(kN/cm2)
2.0

渗透系数K(cm/s1)
1×10-6
1×10-2

1×10-2
1×10-5
初始孔隙水压力系数
0.3

表6 各土料场储量
土场
南坪沟
川坡
上山
大河滩
累计
高程(m)
746~805
720~760
710~749
722~778

储量(104m3)
913.6
855.7
119.9
359.4
2248.6

2 枢纽部署
2.1 坝轴线选择
坝轴线应依据坝址区地形地质条件、坝型、坝基处理方法、枢纽中各建筑物（尤其是泄洪建筑物）部署和施工条件等，经多方案技术经济比较确定。坝轴线应因地制宜地选定。宜采取直线；当采取折线时，在转折处应部署曲线段。设计烈度为8度、9度地地域不宜采取折线。9·当坝址处存在喀斯特、大断层或软粘土等不良地质条件时，应研究避开可能性。根据现有给定资料,经过技术经济比较分析确定坝轴线位置，关键考虑上坝线和下坝线两个方案。
方案原因
上 坝 线
下 坝 线
地形条件
在坝区中部背斜西北，岩层倾向QH河上游,河床宽约300m一级阶地(Q4)表层具中偏强湿陷性,左岸730m高程以上为三级阶地(Q2)具中偏弱湿陷性。
在上坝址同一背斜东南翼，岩层倾向下游,河床宽约120m左岸为二、三级阶地，右岸731m高程以下为基岩，以上为三级阶地。
地质条件
基岩无夹层,透水性不大, 透水性从上游向下游有逐步增大趋势, 左岸台地黄土和基岩交界处砾岩透水性强,左岸有单薄分水岭.
左岸基岩有一条呈东北方向强透水带,左右岸皆有强透水性,透水性从上游向下游有逐步变小趋势, 左岸坝脚靠近塌滑体,右岸有有单薄分水岭.
筑坝材料
坝体:土料,沙砾料,堆石;坝基:沙砾料,黄土.
坝体:土料,沙砾料,堆石;坝基:沙砾料,黄土.
施工条件
施工部署较为困难,开挖排水不困难
施工部署较为困难,开挖排水不困难
枢纽部署
导流泄洪洞、溢洪道均部署在左岸单薄分水岭，浇灌发电洞则部署在左岸东凹沟周围三级阶地上。
溢洪道可部署在右岸Z沟，浇灌发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右,导流泄洪洞部署在左岸.
比较结果
分析后，初步选定坝轴线位置在上坝线，关键考虑到下坝线塌滑体，对工程存在不利隐患。
2.2 工程等级及建筑物等级
水利部、能源部颁布水利水电工程分等分级指标，将水利水电工程，依据工程规模、效益和在国民经济中关键性分为五等，见表4。
水利水电工程中水工建筑物，依据其所属工程等别及其在工程中作用和关键性划分为五级，见表5。
水工建筑物安全等级，应依据建筑物关键性及破坏可能产生后果严重性而定，和水工建筑物等级对应而分为三级，如表6所表示。
表4 水利水电工程分等指标表
工程等别
水库总库容 （108m3）
防洪
排涝
浇灌
供水
水力发电
保护城市及工矿区
保护农田（万亩）
排涝面积（104ha）
浇灌面积（104ha）
供给城镇及矿区
装机容量（MW）
一
>10
尤其关键
>33.30
>13.33
>10
尤其关键
>1200
二
10～1.0
关键
33.30～6.67
13.33～4.0
10～3.33
关键
1200～300
三
1.0～0.1
中等
6.67～2.0
4.0～1.0
3.33～0.33
中等
300～50
四
0.1～0.01
通常
2.0～0.33
1.0～0.2
0.33～0.03
通常
50～10
五
<0.01

<0.33
<0.2
<0.03

<10
工程等别
永久性建筑物等级
临时性建筑物等级
关键建筑物
次要建筑物
一
1
3
4
二
2
3
4
三
3
4
5
四
4
5
5
五
5
5

表5 水工建筑物等级

表6 水工建筑物结构安全等级
水工建筑物等级
水工建筑物结构安全等级
1
Ⅰ
2、3
Ⅱ
4、5
Ⅲ
本工程水库库容为5.05×108m3，所以该工程为Ⅱ等工程。
关键建筑物大坝、溢洪道等级为2级。
2.3 枢纽部署
2.3.1 导流泄洪洞
沿洞线周围岩石厚度大于三倍开挖洞径，出口段已避开塌滑体东边界，沿线岩层、岩性关键为粉砂岩、细砂岩及砾岩，岩石较为坚硬，坚固系数Fk=4，单位弹性抗力系数K0=20MPa/cm，弹模E=0.4×104MPa，透水性较大。岩层倾向下游，出口段节剪发育，应采取有效方法给予处理。为深入确保出口段岩体稳定，免去由内水压力引发后果，提议该段修建无压洞。
2.3.2 溢洪道
上坝线方案溢洪道堰顶高程757m，沿建筑物轴线岩层倾向下游。岩性关键为坚硬细砂岩，其中软弱层多为透镜体，溢洪道各部分抗滑稳定条件是好。下坝线溢洪道堰项高程750m。基础以下10m左右为砂质页岩及夹泥层，且单薄分水岭岩层风化严重，透水性大，对建筑物安全不利。
2.3.3浇灌发电洞及枢纽电站
上坝线方案沿线基岩以厚层粉砂岩为主，岩石完整，透水性不大，洞顶以上岩层厚度较小。在建筑物基岩岩面上有0~5m厚砾岩及厚度不等亚粘土层，电站厂房处岩石风化层厚度约5~6m，对其产生渗漏及土体坍塌应采取必需工程方法,浇灌发电洞则部署在左岸东凹沟周围三级阶地上。下坝线方案沿线全为基岩，工程安全比较可靠。可将浇灌发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右.
结论：导流泄洪洞，上下方案部署位置相同,均为左岸；溢洪道，上坝线方案宜部署在左岸单薄分水岭,下坝线方案宜部署在右岸Z沟；浇灌发电洞及枢纽电站，上坝线方案可部署在左岸东凹沟周围三级阶地上。下坝线方案沿线全为基岩，工程安全比较可靠。可将浇灌发电洞移至上坝线溢洪道轴线西侧40m左右.

3.1 坝型确定
土石坝按坝高可分为：低坝、中坝和高坝。中国《碾压式土石坝设计规范》（SDJ218—84）要求：高度在30米以下为低坝，高度在30～70米间为中坝，高度超出70米为高坝。土石坝坝高均从清基后地面算起。
土石坝按其施工方法可分：碾压式土石坝、充填式土石坝、水中填土坝和定向爆破坝等。应用最为广泛是碾压式土石坝。
土石坝坝型选择相关原因很多，其中关键是坝址周围筑坝材料。除了含腐殖质太多土料外，全部土石料全部可筑坝，只要合适配置在坝体部位即可。不适合作防渗体土料，用一定施工方法或加工处理后也可作防渗料。除筑坝材料是坝型选择关键原因外，还要依据地形、地质条件、气候条件、施工条件、坝基处理方案、抗震要求、人防要求等多种原因进行研究比较，初选多个坝型，确定断面轮廓，深入比较工程量、工期、造价，最终选择技术上可靠、经济上合理坝型。
根据土料在坝身内配置和防渗体所用材料种类，碾压式土石坝可分为以下多个关键类型：
a.均质坝：坝体关键有一个土料组成，同时起防渗和稳定作用。
b.土质心墙坝：由相对不透水或弱透水土料组成中央防渗体，而以透水土石料作为下游支撑体。
c.土质斜墙坝：由相对不透水或弱透水土料组成上游防渗体，而以透水土石料作为下游支撑体。
d.多个土质坝：坝体由多个土料组成，以细粒土料建成中央或靠近上游防渗体，坝体其它部位则由多种粗粒土料组成。
e.人工材料心墙坝：中央防渗体由沥青混凝土或混凝土、钢筋混凝土组成，坝壳由透水或半透水土石料组成。
f.人工材料面板坝：坝支撑体由透水或半透水土石料组成，上游防渗面板由钢筋混凝土、沥青混凝土或塑料薄膜等材料组成。
依据地形、地质、建筑材料、施工情况、工程量、投资等方面，综合比较选定坝型。
类别
土质防渗心墙
土质防渗斜墙
均质坝
地形条件
对地形无尤其要求
对地形无尤其要求
对地形无尤其要求
地质条件
对地质无尤其要求
对地质无尤其要求
对地质无尤其要求
工程量

只需要根据卸料→铺料→碾压→取样等工序流水作业,相对来说,工程量较小.

斜墙坝因为抗剪强度较低防渗体在上游面，故上游坝坡较缓，工程量大。
通常来说，所用土料渗透系数小，施工期坝体内会产生孔隙水压力，影响抗剪强度，所以坝坡较缓，工程量大。
建筑材料
库区当地下游土石料丰富，有利于修建防渗墙多种材料，无需另外购置
库区当地下游土石料丰富，有利于修建防渗墙多种材料，无需另外购置
库区当地下游土石料丰富，有利于修建防渗墙多种材料，无需另外购置
适用条件
不仅适宜低坝，也适宜于髙坝
不仅适宜低坝，也适宜于髙坝
通常使用于中、低高度坝
比较结果
本设计土坝是高坝，所以均质坝不适合，而斜墙对于沉降和
地震适应能力比心墙小，所以防渗体定为粘土心墙。

结论：本设计土坝选择坝型为心墙坝。
第3章 坝工设计
3.1 土石坝断面设计
土石坝断面设计基础尺寸关键包含：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备形式及基础尺寸。依据设计规范要求及参考已建工程经验数据，并考虑本工程具体情况，对本工程各项数据设计以下。
3.1.1坝顶高程
因为土石坝是不许可漫项溢流，所以坝顶高程由水库静水位加上风浪壅水增加高度、坝面波浪爬高及安全超高确定，同时坝顶高程计算，应同时考虑以下3种情况：
（1）设计洪水位加正常利用情况坝顶超高；
（2）校核洪水位加很利用情况坝顶超高；
（3）正常高水位加很利用情况坝顶超高再加地震区安全超高。
坝顶超高按下式计算：
Y=R+e+A
式中：Y—坝顶在水库静水位以上超高；
R—最大波浪在坝坡上爬高
e—最大风壅水面高度；
A—安全加高
查碾压式土石坝设计规范有：

式中：e —— 计算处风壅水面高度，m
D —— 风区长度， D=5.5Km
K —— 综合摩阻系数3.6×10-6
β—— 计算风向和坝轴线法线夹角15°
W —— 计算风速, m/s. W=（1.5～2）V=29=18m/s
——坝前平均水深768.1m；

可忽略不计
因为D≤10km，且v=10~20m/s，（查《土坝设计》3-12）

m
上游坝坡较缓初步采取1：3.0故tanθ=1/3.0=0.33
外层上游坝壳为砌石 取k=0.8（查《水利水电工程建筑物》表2-14）
R=3.2k×2h×tanθ=3.2×0.8×1.144×0.33=0.96m 《水利水电工程建筑物》2-47
正常运行情况下坝顶超高Y=R+e+A=0.96+1=1.96m
非正常运行情况下坝顶超高Y=R+e+A=0.96+0.5=1.46m
坝顶高程取以下三种情况最大值
(1) 校核洪水位加很利用条件下坝顶超高：
H=770.40m+1.46m=771.86m
(2) 正常蓄水位加正常利用条件下坝顶超高：
H=767.20m+1.96m=769.16m
(3) 正常蓄水位加很利用条件下坝顶超高加地震安全加高：
H=767.20m+1.46m+1.5m=770.16m
因为（2）（3）计算结果小于校核洪水位，故计算坝顶高程取（1）情况771.86m考虑坝顶上设防渗体1.2m高防渗墙，故取设计坝顶高程为771.86m-1.2m=770.66m
坝顶高程计算结果表
计算工况
水库水位(m)
坝顶超高Y(m)
坝顶高程(m)
设计洪水位
767.20
1.96
769.16
校核洪水位
767.20
1.46
770.16

考虑沉降量为坝高0.2%~0.4%，取为0.3%，则沉降量为62.86×0.3%=0.19m
则坝顶防浪墙高程为Y设计=771.86+0.19=772.05m。
3.1.2坝顶宽度
坝顶宽度依据结构、施工等原因确定，由《碾压式土石坝设计规范（SL274—）》高坝选择10～15 m，中低坝可选择5～10 m，依据所给资料，初步确定坝体断面，坝顶宽度为12m。
3.1.3上下游边坡
坝坡确实定应依据坝型、坝高、坝等级、坝体和坝基材料性质、坝所承受和施工和利用条件等原因，经技术经济比较确定。

上下游边坡比见表
坝高(m)
上游
下游
〈10
1：2～1：2.5
1：1.5～1：2
10～20
1：2.25～1：2.75
1：2～1：2.5
20～30
1：2.5～1：3
1：2.25～1：2.75
〉30
1：3.0～1：3.5
1：2.5～1：3

坝高为772.05-699-1.2=71.85m(防浪墙高1.2米)，坝顶高程：770.85，坡度取值为：
1、上游坝坡：1:3.0。
2、下游坝坡：1:2.5。
3.1.4 坝底宽度
推算最大底宽为:71.85×（3+2.5）+12+10=417.18m。

3.2 防渗体设计
3.2.1.坝体防渗
1、防渗体尺寸确定
考虑采取机械施工，防渗体顶面宽度为3m；顶面高程满足高于正常利用情况下静水位0.3-0.6m，且不低于很利用情况下静水位。实际选择0.5m，则防渗体顶面高程为768.1+0.5=768.6m；上游坡度均为1:3，下游坡度为1:2.5，则底宽为3+（768.6-699）×（3 -2.5）=37.8m，满足斜墙底宽大于H/4=（768.9-699）÷4=17.4m。
所以，本坝防渗体采取碾压式粘土心墙，顶宽3m，底厚37.8m。
2、尺寸确定
心墙顶部和上游坡设保护层，以防冲刷、冰冻和干裂，保护层材料常见砂、砾石或碎石，其厚度不得小于当地冰冻和干裂厚度。
3.2.2防渗体土料要求
防渗体要含有足够不透水性和塑性，要求防渗体渗透系数比坝主体最少小100～1000倍，且其透水系数不宜大于10，防渗体要有足够塑性。这么，防渗体能适应坝基和坝体沉陷和不均匀变形，从而不致断裂。长久筑坝经验告诉我们，粘粒含量为15～30%或塑性指数为10～17中壤土、重壤土粘粒含量为35～40～%或塑性指数为17～20粘土全部是填筑防渗体适宜土料。粘性土天然含水量最好，稍高于塑限含水量，使土料处于硬塑状态。
第4章 坝体渗流计算
4.1 设计说明
4.1.1土石坝渗流分析任务
土石坝剖面尺寸初步确定后，必需进行渗流分析和稳定分析，为确定经济可靠坝体剖面提供依据，渗流分析关键任务是：
⑴ 确定坝体浸润线和下游溢出点位置，为坝体稳定计算和排水体选择提供依据；
⑵ 计算坝体和坝基渗流量，以计算水库渗漏损失，和确定排水体尺寸；
⑶计算坝体和坝基渗流溢出处渗透坡降，以验算其渗透稳定性。
4.1.2渗流分析工况
渗流计算时，应考虑水库运行中出现不利条件，通常需考虑计算下列多个工况：
⑴ 上游正常蓄水位767.20m和下游对应最低水位700.55m，此时坝内渗流坡降最大，易产生渗透变形；
⑵ 上游校核洪水位774.40m和下游对应最高水位705.60m，此时坝内浸润线最高，渗流也最大；
分析时，常依据河谷地形情况，选若干、单宽坝坡，按二元渗流问题考虑，对河床中间断面及左右对称Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ、Ⅲ－Ⅲ三个经典断面进行渗流计算。
4.1.3渗流分析方法
土石坝渗流分析方法有公式计算法（流体力学法、水力学法、有限单元法）流网法和电模拟法。
本设计采取水力学法，水力学法建立在部分基础假定上，是一个近似解法，只能求得过水断面上渗流要素平均值，但其计算简单，且精度通常能够满足工程要求。
4.2 渗流计算
4.2.1基础假定
⑴ 坝体土料为均质，坝体内任一点在各方向上渗透系数相同且为常数；
⑵ 渗流二元稳定层流，流动运动符合达西定律：V=KJ（V为渗透流速，K为渗透系数，J为渗透坡降）
⑶ 渗流为渐变流，任意过水断面上各点坡降和流速相同。
4.2.2计算公式
在众多渗流分析方法中，较水力学法和流网法比较简单实用，流网法即使能够求解渗流场内任意一点渗流要素，但对不一样土质和渗透系数相差较大情况难以采取；水力学法是在部分假设条件基础上近似解法，能满足工程精度要求。本设计采取水力学方法进行渗流分析。
计算公式：
单宽渗流量 q =
浸润线方程 y =
单宽渗流计算公式：
经过心墙渗流量为： q1 =
心墙后渗流量为： q2 =
其中：
—上游水深；
—墙后逸出水深，m；
—基岩透水深度，取最大值15m；
—黏土心墙平均厚度；
—防渗体后堆石体渗透系数，1.3×10-4m/s；
—下游水深；
—粘土渗透系数，1.5×10-7 m/s；
—下游坡比。
总渗流量计算
全坝总渗流量为：

式中：、、……、—断面1、2、……、单宽渗流量；、、……、、—相邻两断面之间距离。
4.2.3三种工况计算
三种工况：上游为设计洪水位、校核洪水位、正常蓄水位和对应下游水位见图。
各水位示意图

（1）正常蓄水位时，上游正常高水位取为兴利水位767.2m，下游对应低水位取为700.55m。河床高度为699m，坝顶宽度为12m，坝高为71.85m，m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =48.7m2

联立方程可得h=6.98m , q=1.69×10-5

（2）设计洪水位时，上游正常高水位取为设计洪水位768.1m，下游对应低水位取为700.55m。河床高度为699m，坝顶宽度为12m，坝高为71.85m，m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =49.70m2,

联立方程可得h=7.05m , q=1.73×10-5

（3）校核洪水位时，上游正常高水位取为兴利水位770.4m，下游对应低水位取为705.6m。河床高度为699m，坝顶宽度为12m，坝高为71.85m，m=3.0 m=2.5。
联立方程可得h2= =93.85m2

联立方程可得h=9.67m , q=1.83×10-5

已知三种工况单宽流量则最大总渗流量为：

则一天总渗流量为 ：
4.2.4渗流校核
1>.渗漏量：大坝在校核洪水位库容为5050万。而每日渗漏量仅0.21，故满足防渗要求。
2>.渗透稳定：对于非粘性土，渗透破坏形式判别可参考下式：
η<10时为流土
η>20时为管涌
10<η<20时不定
许可坡降可参考采取下列数字：10<η<20；=0.2；＞20，=0.1
渗流逸出点实际坡降为：Ｊ=
已知：ΔH=h-H2=3.07m，ΔL可近似取为计算长度L=177.7m，则：Ｊ=0.017
依据表4砂砾料颗粒组成可得 d60=45.57，d10=0.1又：η=d60/d10=455.7>20, Ｊ许可=0.1。
Ｊ=0.02<Ｊ许可=0.1，所以满足要求。
4.2.5浸润线计算
1、上游正常蓄水位和下游对应最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位767.2，下游对应高水位取为700.55m。
基础采取防渗处理，视为基础不透水。
（1）计算示意图

（2）心墙后浸润线方程

=h=6.97m
简化得心墙后浸润线方程：
y2 +0.26x=48.7
x/m
0
60
120
180
y/m
6.98
5.75
4.18
1.55

2、上游设计洪水位和下游对应最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位770.4，下游对应高水位取为705.60m。
基础采取防渗处理，视为基础不透水。
（1）计算示意图

（2）心墙后浸润线方程
计算公式：

=h=7.05
简化得： y2 +0.27x=49.7
x/m
0
60
120
180
y/m
7.05
5.79
4.16
1.05

3、上游校核洪水位和下游对应最高水位
上游校核洪水位取为兴利水位770.4，下游对应高水位取为705.60m。
基础采取防渗处理，视为基础不透水。
（1）计算示意图

（2）心墙后浸润线方程
计算公式：

=h=9.67m
简化得： y2 +0.28x=93.5
x/m
0
60
120
180
y/m
9.57
8.76
7.74
6.57

4.2.6理正软件校核
项目 水位
上游正常水位和下游最低水位
上游设计洪水位和下游对应最高水位
上游校核洪水位和下游对应最高水位
土堤顶部宽度b
12.000(m)
12.000(m)
12.000(m)
土堤顶部高度h
71.660(m)
71.660(m)
71.660(m)
上游坡坡率1:m1
3.0
3.0
3.0
下游坡坡率1:m2
2.5
2.5
2.5
堤身渗透系数k
0.003(m/d)
0.003(m/d)
0.003(m/d)
上游水位h1
68.200(m)
69.100(m)
71.400(m)
下游水位h2
1.550(m)
1.550(m)
6.600(m)
心墙顶部宽度
3.000(m)
3.000(m)
3.000(m)
心墙底部宽度
37.800(m)
37.800(m)
37.800(m)
心墙渗透系数
0.003(m/d)
0.003(m/d)
0.003(m/d)
透水地基深度
5.000(m)
5.000(m)
5.000(m)
透水地基渗透系数
8.400(m/d)
8.400(m/d)
8.400(m/d)
排水棱体高度
8.000(m)
8.000(m)
8.000(m)
排水棱体宽度
2.000(m)
2.000(m)
2.000(m)
L
169.530(m)
166.830(m)
159.930(m)
透水地基有效深度
374.130(m)
374.130(m)
374.130(m)
浸润线计算公式原点
374.130(m)
374.130(m)
374.130(m)
浸润线起点x坐标
204.6(m)
207.3(m)
214.2(m)
浸润线终点x坐标
376.31(m)
376.31(m)
376.31(m)
q'
1.824*10-5（m3/s）
1.972*10-5（m3/s）
2.26*10-5（m3/s）

正常蓄水位出图

设计洪水位出图

校核洪水位出图

结论：
（1）正常蓄水位下，简化得心墙后浸润线方程：
y2 +0.26x=48.7 当x=169.53m时，y=2.15m<8m，校核安全