土石坝电算范本.docx
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土石坝电算范本
第一章设计工程概况
1.1流域概况及枢纽任务
某水库枢纽位于某河上游,全河流域面积6156km2,流向自北向南,干流的平均比降为2%--3%。
流域内多石山,小部分为丘陵,水土流失不严重。
本枢纽工程是以发电为主兼顾灌溉和供水的综合利用工程,水库的总库容为1400万m3,发电引水高程为197.5m,最大引水流量为73m3/s,发电装机容量4万kW。
灌溉下游左岸耕地2.5万m2,灌溉最大引水流量40m3/s,引水高程202.5m。
1.2地形地质
坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、弱风化、强风化及河床卵石覆盖层。
河槽高程为182.0m,河槽处卵石覆盖层为5m,强风化层厚度为3m,弱风化层厚度为10m,基岩岩体较完整,无特殊不利地质构造。
两岸风化较深呈带状,覆盖层较少,厚度一般地2---3m,强风化层厚1—2m,弱风化层厚度为5-8m,坝址两岸均为花岗岩,岩石坚硬,裂隙不发育。
1.3建筑材料
粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有,坝址下游5公里以内砂储量丰富,可供建筑使用。
土石料计算参数
材料
容重
kN/m3
摩擦角
(度)
凝聚力
kPa
渗透系数
K(10-4cm/s)
粘土
18.7
17
15.3
3.6
砂砾料
19.5
35
0
600
土石料
20
28
10
18
堆石料
22
38
0
1.4水文
坝址以上控制集雨面积123km2,多年平均流量3.1m3/s,平均年径流量9776.2m3。
经水文水利规划(工程等别为三等,经调洪演算)得:
上游设计洪水位为235.4m,相应的下游水位为184.3m,库容为1140万m3,岸边溢洪道相应的泄量为1250m3/s;上游校核洪水位为236.7m,相应的下游水位为185.2m,库容为1200万m3,岸边溢洪道相应的泄量为1680m3/s;上游正常高水位为233.5m,相应的下游水位为183.7m,库容为895万m3;死水位为200m,相应的库容为40m3。
1.5气象
本地区洪水期多年平均最大风速14m/s,水库的风区长度(吹程)为2.6km。
1.6其他有关资料
坝基弱风化上限高程为175.0m,岸边溢洪道堰顶高程取为226.4m。
第二章坝体设计
2.1坝顶高程的确定
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和予以确定,超高d按下式计算:
—波浪在坝坡上的设计爬高,m
—风浪引起的坝前水位壅高,m
—安全加高,m
安全超高A,
该坝工程等别为三等,其值按下表采用。
表2-1
坝的级别
1
2
3
4,5
正常运行
1.50
1.00
0.70
0.50
非常运行(a)
0.70
0.50
0.40
0.30
非常运行(b)
1.00
0.70
0.50
0.30
非常运行条件(a)适用于山区,丘陵区,所以根据资料所给的地形校核情况下应该加的非常运用条件(a)
风壅水高
和波浪爬高R
对于中、小型土石坝,R+e的高度可按坝前水库中风的吹程D做近似估计,参见表2-2
风在水库中的吹程D(km)
波浪爬高和风浪壅高R+e(m)
风在水库中的吹程D(km)
波浪爬高和风浪壅高R+e(m)
<1.6
0.9~1.2
8.0
1.8~2.4
1.6
1.2~1.5
16.0
2.1~3.0
4.0
1.5~1.8
根据资料D=2.6km可知,R+e=1.2~1.8,取1.6m,
坝高程的确定计算列表
表2-3
工况
安全超高(m)
吹程(km/s)
波浪爬高和风浪壅高R+e(m)
超高(m)
正常运用条件
0.7
2.6
1.6
2.3
非常运用条件
0.4
2.6
1.6
2.0
表2-4
工况
超高(m)
上游水位(m)
坝顶高程(m)
取大值(m)
防浪墙
高(m)
设计水位加正常运用条件的坝顶超高(m)
2.3
185.4
187.7
188.7
1.2
正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高(m)
2.3
183.5
185.8
校核水位加非常运用条件的坝顶超高(m)
2.0
186.7
188.7
预留沉降量1%
坝顶高程(m)
正常水位加非常运用条件的坝顶超高再加地震安全加高(不考虑)(m)
2.0
183.5
185.5
191.0
189.8
防浪墙的墙顶高程在正常情况下,坝顶最少应高出相应的静水位0.5m,在非常情况运用下,坝顶不低于相应的静水位。
当地震烈度不大于6度时,不考虑地震影响。
坝高=坝顶高程-河槽高程=189.8-132.0=57.8m
30m<坝高57.8m<70m属于中坝。
2.2确定建基面
粘土心墙土石坝基础开挖深度,一般除心墙部分挖至强风化带下限外,因河槽高程为132.0m,河槽处卵石覆盖层为5m,强风化层厚度为3m,弱风化层厚度为10m,可确定河床处截水槽底高程为114m。
2.3剖面设计
2.3.1坝顶宽度的确定
由我国土石坝设计规范要求中坝的最小顶宽为5~10m。
综合考虑交通等因素,坝顶宽度设为8m。
2.3.2坝坡确定
对于土石粘土心墙坝,上游常用坡度为1:
1.7~1:
1:
3.5
下游常用坡度为1:
1.5~1:
3.0.设置马道有利于土石坝的坝坡稳定,也有利于维护和检修,但粘土心墙土石坝上游坝坡可少设马道,下游坝坡沿高程每隔10~30m设置一条马道,宽度不小于1.5~2m.上游破率应比下游为缓,上部的陡于下部。
则本坝上游面高程162m处设置一条马道,下游面在其高程162m处设置一条马道,宽度取2m.上游面的马道以上的坝坡为1:
2.5,以下为1:
3.0,下游面的马道以上的坝坡为1:
2.25,以下为1:
2.5。
2.3.3防渗体确定
2.3.3.1防渗体形式
选取防渗体的结构形式为:
心墙。
2.3.3.2防渗体的结构
心墙的厚度,决定于土料的容许坡降。
设计中通常采用容许坡降Ja为控制标准。
Ja=H/T
式中:
H—最大作用水头;
T—防渗体厚度;。
防渗体在正常运行情况下,心墙超高应为0.6~0.3m;在非正常运行情况下均不应低于该公况下的最高水位。
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,可将防渗体顶部高程放宽至正常运用静水位以上即可。
186.7-132=54.7m取心墙高度h=56
取T=26.4Ja=56.0/26.4=2.12<4
根据SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定:
心墙的Ja不宜大于4
心墙顶厚考虑机械化施工的要求取4m,边坡1:
0.2,底厚26.4m。
则截水槽边坡1:
0.62,底厚4m。
下游设置堆石排水棱体,控制和引导渗流,降低浸润线,加速空隙水压力消散,以增强坝的稳定,并保护下游坝坡免遭冻胀破坏,不受尾水淘刷有支持坝体增加稳定性的作用。
对三级坝排水棱体顶面需超过下游最高水位的高度不小于0.5m。
棱体内坡一般取1:
1.0~1:
1.5,外坡取1:
1.5~1:
2.0。
棱体与坝体以及土质地基之间应设置反层滤。
确定排水棱体顶面设在142m处高,内坡取1:
1外坡1:
1.5,顶宽2m。
下设反层滤。
护坡:
上下游坝坡要受到冲刷损坏等作用,因此需要设护坡。
上游设水泥土护坡比较经济。
护坡范围应自防浪墙起延伸至水库一下一定距离,一般为2.5m.下游采用草皮护坡。
坝剖面如图:
图2-1
第三章计算分析
3.1渗流分析
渗流分析的内容包括:
1确定浸润线的位置;2确定渗流的主要参数—渗流流速与坡降;3确定渗流量。
渗流分析的目的在于:
1对初选的坝的形式与尺寸进行检验,确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力,为核算坝坡稳定提供依据。
2进行坝体防渗布置与土料配置,根据坝体内部的渗流参数与渗流溢出坡降,检验土体的渗流稳定,防止发生管涌和流土,此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施的容量和尺寸。
3确定通过坝和河岸的渗流水量损失并设计排水系统的容量。
浸润线计算
坝壳浸润线方程
心墙浸润线方程
对于透水地基坝壳内
防渗体内
H1,H2—上、下游水位m
Ke、k—心墙、坝壳渗透系数cm/s
δ—心墙等效厚度m
L—浸润线水平长度m
Lo-坝体全长m
n—坝基渗经修正系数
T—透水层厚度m
L0/T
20
5
4
3
2
1
n
1.15
1.18
1.23
1.3
1.44
1.87
n'=(n+1)/2
由于坝体内渗流量相等则有:
由设计资料得K=36*10-4cm/sKe=3.6*10-4cm/s
经过计算得
=15.2m
(1)计算校核工况
54.7m
3.2mL=98.55m
代入上公式计算得
37.31m
由此可解出
263.94*10-6
将
值带回下游浸润线方程
得:
y= (10.24+14.02x)1/2
校核工况的下游浸润线
表3-1
校核
x
0
20
40
60
80
100
y
3.20
17.05
23.90
29.18
33.64
37.58
将
值带回黏土浸润方程
得:
y=(54.72-146.63x)1/2
校核工况的心墙浸润线
表3-2
校核
x
0
1
2
3
4
5
y
54.7
53.34
51.95
50.52
49.05
47.53
浸润线如图
图3-1
(2)计算设计工况
53.4m
2.3mL=97.65m
代入上公式计算得
36.34m
由此可解出
254.07*10-6
将
值带回下游浸润线方程
得:
y=(5.29+13.39x)1/2
设计工况的下游浸润线
表3-3
设计
x
0
20
40
60
80
96.56
y
2.3
16.53
23.26
28.44
32.81
36.66
将
值带回黏土浸润线方程
得:
y=(53.42-141.15x)1/2
设计工况的心墙浸润线
表3-4
设计
x
0
1
2
3
4
5
y
53.4
52.06
5069
49.28
47.82
46.32
浸润线如图
图3-2
(3)计算正常工况
51.5m
1.7mL=97.05m
代入上公式计算得
28.49m
由此可解出
316.02*10-6
将
值带回下游浸润线方程
得:
y=(2.89+8.33x)1/2
正常工况的下游浸润线表3-5
正常
x
0
20
40
60
80
93.11
y
1.7
13.02
18.33
22.42
25.87
29.81
将
值带回黏土浸润线方程
得:
y=(51.52-175.57x)1/2
正常工况的心墙浸润线
表3-6
正常
x
0
1
2
3
4
5
y
51.5
49.77
47.97
46.10
44.16
42.12
浸润线如图
图3-3
(3)计算水位骤降工况
假设库水位从正常蓄水位骤然降落至死水位时下游水位,土中水体来不及变化仍为正常水位情况下的浸润线,上游浸润线简化如下
图3-4
3.2坝坡稳定分析
3.2.1计算工况
土石坝的坝坡稳定分析需要考虑以下具有代表性的几种工况:
施工期、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震。
具体情况为,正常蓄水位及下游水位、设计洪水位及相应下游水位、校核洪水位及下游相应水位的下游坝坡稳定;1/3坝高处水位及下游正常水位和水库水位降落的上游坝坡稳定。
由于施工期上游没有水,采用容重为饱和容重,这种工况,粘性土坝坡和防渗体在填筑过程中产生的压力来不及消散,将对上游坝坡稳定产生不利的影响。
3.2.2稳定分析方法
采用简单条分法---瑞典圆弧法
该法假定土坡失稳破坏可以简化为一平面应力问题,破坏滑动面为一圆弧面,将面上作用力相对与圆心形成的阻滑力矩与滑动力矩的比值定义为土坡的稳定安全系数。
计算是将可能滑动面上的土体划分成若干铅直土条,略去土条间的相互作用力影响,以计算出作用于土底面上的法象力得出阻滑力。
其稳定安全系数
需
满足下表要求。
圆弧法原理图如下:
容许最小抗滑稳定安全系数
表3-7
运行情况
工程等级
一
二
三
四五
正常运行
1.5
1.35
1.30
1.25
非常运行
1.3
1.25
1.20
1.15
其有效应力分析稳定安全系数
计算公式如下:
—下标,代表土条标号
W—土条重量
Kc—稳定安全系数
μ—孔隙水压力,竣工情况下取0
、
—有效抗剪强度指标
—分别为土条沿滑裂面的长度和坡角
本课程设计中采用总应力法计算时,可在公式中令孔隙压力u=0,同时把c’、φ’换成总应力强度指标即可导出用总应力法计算的瑞典圆弧法公式。
3.2.3稳定分析(手算部分)
计算工况:
施工期
坝面分块计算简图
图3-5
经计算机读图计算得下计算数据表
表3-8
土条编号
Ai
Li
CLi+
1
104.18
2083.6
27.28
3.25
1473.8
118.12
2
272.91
5458.2
27.58
9.75
3381.6
924.34
3
360.27
7205.4
28.23
16.25
4276.1
2016.3
4
366.58
7331.6
29.29
22.75
4196.5
2051.6
5
299.67
5993.4
30.90
29.25
3328.1
2928.5
6
134.53
2690.6
33.37
35.25
1594.3
1572.0
18250.5
9610.8
由计算资料知:
=10Kpa
=
代入
计算方程得:
=1.899>[
]=1.3
判定该土石坝在施工期稳定满足要求
3.2.3稳定分析(电算部分)
利用滑楔法对坝体进行分块,运用电算程序寻找最危险截面,计算最危险处的
值,计算其是否满足要求。
按滑楔法计算时,常将滑动体以折点为界分为若干滑楔。
滑楔间的相互作用力方向一般按两种方向拟定:
一种是水平方向;另一种是平行于滑动斜面,前者计算的稳定安全系数比后者小。
因此,假定滑楔间作用力的方向不同,对稳定安全系数的要求也不同.
最小安全系数的滑动面需反复试算才能确定。
粘性土由于其土粒间具有粘聚性,滑动面切入坝体或坝基一般都比较深;无粘性土则切入较浅。
对于均质(包括粘性或无粘性)的简单坝坡,可认为最小安全系数对应的滑动面圆心在坝坡中点上方一封闭的曲线形范围内,而且只有一个极小值点。
对于非均质多土层(各层土料性质不同)的复杂坝坡,则存在着多极值问题。
浸润线至下游水位之间用饱和容重。
3.2.3.1电算原理:
平面填土平面滑动楔块稳定分析法
程序数据输入说明
READ(5,10)TITLE 标题(长度小于80个字母)
READ(5,*)NSET(需解的问题数),IPBW,IPUW(输出方式长列式都为0)
READ(5,*)(C(I),PHI(I),I=1,3),PHIMA(C(I),PHI(I)沿底部楔块破坏面的土的凝聚力和摩擦角,如果是两个楔块,则C(3),PHI(3)空白或任何数字。
PHIMA两个楔块间的摩擦角,推荐为0)
READ(5,*)DSBM,DSTP,DSME,LNS2,LNS,RU,SEIC,GAMMA
(DSBM代表底部楔块底面的坡角度数,DSTP代表顶部楔块底面的坡角度数,DSME代表中间楔块底面的坡角度数,LNS2代表顶部破坏面的长度,LNS代表中间破坏面的长度,RU代表孔隙压力比,SEIC代表地震系数,GAMMA代表土的容重。
READ(5,*)ANOUT,BW
READ(5,*)W1,W2,W,AL1
(如果GAMMA不等于零,读入外坡角ANOUT和顶宽BW,当GAMMA=0读入W1,W2,W和底部楔块滑动面长度AL1。
重复NSET次
3.2.3.2电算操作
校核工况:
(1)计算简图
电算输入:
校核电算1
SlidingWedge
1,2,5
10.00,30.00
10.00,30.00
10.00,30.00
0.00
11.92,31.74,13.48,54.72,12.35,0.00,0.00,0
4664.71,7155.03,2439.72,52.62
电算输出:
校核电算1
SlidingWedge
PROGRAMOPTIONS
NO.OFDATASETS1
STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVEN
STARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVEN
COHESIONATBOTTOMBLOCK10.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK30.000
COHESIONATTOPBLOCK10.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK30.000
COHESIONATMIDDLEBLOCK10.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK30.000
ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000
DATASET1
DEGREEOFSLOPEATBOTTOM11.920
DEGREEFSLOPEATTOP31.740
DEGREEOFSLOPEATMIDDLE13.480
LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP54.720
LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE12.350
WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000
SEISMICCOFFICIENT.000
WEIGHTOFBOTTOMBLOCK4664.710
WEIGHTOFTOPBLOCK7155.030
WEIGHTOFMIDDLEBLOCK2439.720
LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM52.620
THEFACTOROFSAFETY1.849〉[Ke]满足稳定要求
正常工况:
(1)计算简图:
电算输入:
正常1
SlidingWedge
1,2,5
10.00,30.00
10.00,30.00
10.00,30.00
0.00
13.21,37.88,10.19,46.96,22.70,0.00,0.00,0
6781.00,6950.53,5912.62,64.88
电算输出:
正常1
SlidingWedge
PROGRAMOPTIONS
NO.OFDATASETS1
STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVEN
STARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVEN
COHESIONATBOTTOMBLOCK10.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK30.000
COHESIONATTOPBLOCK10.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK30.000
COHESIONATMIDDLEBLOCK10.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK30.000
ANGLEOFINTERNALFRICTIONOFFILL.000
DATASET1
DEGREEOFSLOPEATBOTTOM13.210
DEGREEFSLOPEATTOP37.880
DEGREEOFSLOPEATMIDDLE10.190
LENGTHOFNATURALSLOPEATTOP46.960
LENGTHOFNATURALSLOPEATMIDDLE22.700
WEIGHTOFBOTTOMBLOCK.000
SEISMICCOFFICIENT.000
WEIGHTOFBOTTOMBLOCK6781.000
WEIGHTOFTOPBLOCK6950.530
WEIGHTOFMIDDLEBLOCK5912.620
LENGTHOFNATURALSLOPEATBOTTOM64.880
THEFACTOROFSAFETY1.981〉[Ke]满足稳定要求
设计情况
(1)计算简图:
电算输入:
SlidingWedge
1,2,5
10.00,30.00
10.00,30.00
10.00,30.00
0.00
6.43,35.10,17.59,60.84,7.86,0.00,0.00,0
8662.34,9683.35,2545.01,54.85
电算输出:
设计1
SlidingWedge
PROGRAMOPTIONS
NO.OFDATASETS1
STARTINGFROMDATASETNO.2USETABULARPRINTOUTWITHBLOCKWEIGHTSGIVEN
STARTINGFROMDATASETNO.5USETABULARPRINTOUTWITHUNITWEIGHTSGIVEN
COHESIONATBOTTOMBLOCK10.000FRICTIONANGLEATBOTTOMBLOCK30.000
COHESIONATTOPBLOCK10.000FRICTIONANGLEATTOPBLOCK30.000
COHESIONATMIDDLEB
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