面板堆石坝初步设计.docx
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面板堆石坝初步设计.docx
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面板堆石坝初步设计
毕业论文资料
学院:
水利水电与建筑学院
专业:
水利水电工程
年级:
2009级
学号20090956
日期:
2013年4月
云南农业大学教务处制
水利水电与建筑学院
本科生毕业论文
包罗水库大坝工程初步设计
BaoLuoReservoirDamProjectPreliminaryDesign
黄洁荣
指导教师:
王福来助教
云南农业大学昆明黑龙潭650201
学院:
水利水电与建筑学院
专业:
水利水电工程年级:
2009级
论文提交日期:
2013年4月26日答辩日期:
2013年5月12号
云南农业大学
2013年4月
包罗水库大坝工程初步设计
黄洁荣
(云南农业大学水利水电与建筑学院,昆明6502010)
摘要
通过对云龙县包罗水库大坝工程初步设计,使我们对新建水库设计有一定的理解,也对整个水利水电工程行业设计有一定的了解,为毕业后工作打下扎实的基础。
结合包罗水库地形、地质情况完成云龙县包罗水库水库挡水建筑物(大坝)的平面布置,在此基础上完成挡水建筑物工程初步设计。
通过完成云龙县包罗水库挡水建筑物的初步设计,使我了解并掌握了水库工程挡水建筑物的平面布置,建筑物结构体型布置与分析计算;使设计成果直接用于工程,较好地发挥生产效益和社会效益也使我们对水库新建步骤及其内容有一定的了解和认识也使我了解到水利水电工程行业设计都应该要按照规范进行,一切都要有依据。
通过完成云龙县包罗水库挡水建筑物的初步设计,我对工程设计、计算、绘图、编写设计说明书及计算书的能力有一定提高,巩固了大学四年里所学的知识,为我毕业后的工作打下了扎实的基础。
关键词:
水库区;坝址区;工程地质;水利水电工程;设计规范;堆石坝;天然建筑材料。
BaoluoReservoirDamProjectPreliminaryDesign
HuangJieRong
(Yunnanagricultureuniversityinstituteofwaterconservancyandhydropowerandarchitecture,Kunming650201)
ABSTRACT
Throughtotheyunlongcountybaoluoreservoirdamprojectpreliminarydesign,
Enablesustonewreservoirdesignhaveacertainunderstanding,alsoforthewholewaterresourcesandhydropowerengineeringdesignindustryhasacertainunderstanding,tolayasolidfoundationforaftergraduationwork.Topographyandgeologyinbaoluoreservoiryunlongcountyreservoirwaterretainingcoverreservoir(dam)theplanelayoutofbuildings,onthebasisofthecompletewaterretainingstructureprojectpreliminarydesign.Bycompletingyunlongcountybaoluoreservoirforpreliminarydesignofwaterretainingstructure,mademeunderstandandgraspthereservoirprojectplanearrangementofthewaterretainingstructure,thestructuresizelayoutandcalculation;Directlyusedinengineeringdesigns,betterplaytoproductionefficiencyandthesocialbenefitsalsomakeustoreservoirconstructionstepanditscontentshavecertainunderstandingandalsomademeunderstandtothewaterresourcesandhydropowerengineeringdesignshouldbecarriedoutinaccordancewiththespecification,everythingallwanttohavethepletingyunlongcountybaoluoreservoirwaterretainingstructurepreliminarydesign,Iforengineeringdesign,calculation,drawing,writing,designspecificationandcalculationabilityhavecertaintoimprove,toconsolidatewhattheyhavelearnedintheuniversityfouryearsofknowledge,foraftergraduation,Iworkhaslaidasolidfoundation.
Keywords:
Reservoirarea;Damarea;Engineeringgeology;Waterconservancyandhydropowerengineering;Designspecification;Rockfilldam;Naturalbuildingmaterials.
工程附图
1.基本资料
1.1坝址区自然条件
坝址位于峡谷河段内,地形较窄河道基本顺直,河谷断面呈“U”型。
河床面高程为2140.02m,坝高69.9m,坝顶高程,2209.9m。
根据坝址河床漂卵砾石砂层厚达27~29m,出露基岩为泥质言类夹石英砂岩、细砂岩、软弱~较软弱岩组(湿抗压强度小于50Mpa)的岩石,水库坝高为69.9m,可研阶段已经明确坝址只适宜修建土石坝,根据当地建材情况,进行了粘土心墙风化料坝和粘土心墙堆石坝两种坝型勘察设计工作,推荐粘土心墙风化料坝作为推荐坝型。
该库区多年平均最大风速的多年平均值为11.5m/s,水库吹程约1700m,据地震资料记录,该区未发生过4.0级以上地震。
根据GB18306~2001《中国地震动参数区划图》,本区动峰值加速度为0.2g,地震动反应谱特征周期为0.45s,坝址区相应地震基本烈度为Ⅷ度。
1.2地址概况
水库区位于大达河中游河段的深山峡谷中,岸坡陡峻,大达河河床下切和溯源侵蚀较强烈,岸坡陡峻,河谷成“U”“V”型,出露碎屑岩地层,多为软弱岩,抗软化、风化能力差。
沿大达河两岸小冲沟、箐沟发育,地形复杂,沿山麓和陡坡脚堆积有较厚第四系坡积、崩塌堆积,厚达2~30m,小规模活动性坍塌体多件。
该区村民毁林开荒活动日益突出,生存发展与周边土地资源、森林植被保护之间矛盾日益加剧,造成了库岸坡及径流区地表扰动、植被破坏产生的水土流失、和、泥石流的危害,直接增加了书库淤积,也给库岸区山坡稳定带来一些潜在的不利因素。
1.3建筑材料
1.3.1防渗粘土料
水库工程附近防渗土料较缺,根据料区储量、质量情况和由近到远的原则,选择了大地处土区和新坟村土区、库岸土区。
大地处土区储量较丰富,作为主料区;新坟村土区储量较少,运距远,作为辅料区;库岸土区土层薄,储量少,质量偏差,作为前期截流临时围堰工程防渗土料。
1.3.2粘土的物理性质指标
在天然状态下:
粘粒含量23%~55.47%;天然含水量23%~24%;塑性指数11.1~23.7;;有机质含量0.4%;含水率13.4~23%。
扰动后的主要物理力学指标为干容重1.64~2.02g/
;饱和容重2.05~2.22g/
;;渗透系数1.84×
~3.99×
cm/s。
根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251-2000),土料均满足防渗土料质量指标要求,见表1
序号
项目
规范值
实验值
1
粘粒含量
15~40%为宜
23~55.47%
2
塑性指数
10~20
11.1~23.7
3
渗透系数
<10×
cm/s
1.84×
~3.99×
cm/s
1.3.3坝壳料(风化料)
风化料位于大达河右岸南塘村公所北东侧,高程约为2220~2400m一带,该料区地形坡度为20~33°,开采地较为开阔。
坡脚有相间简易公路经过,料区至坝址约1.5~2km,开采及运输条件相对较好。
1.3.4坝壳料(风化料)的物理性质指标
紧密密度:
1.64~2.02g/cm3;含泥量:
2.4~5.4%;
内摩擦角:
35.6~38.7°;渗透系数:
4×10-2~9.98×10-2cm/s。
1.3.5堆石料
堆石料场位于大达河左岸原上、下坝址之间,据料场地形成划分为A区和B区,A区紧靠原下游坝址左坝肩,B区位于A区东侧,两料场地形坡度均较陡,约50~60°,局部为陡崖,中间为一相对较缓的地带,坡度为20~30°,开采条件相对较好。
料区无公路,坝址需要新修公路。
1.3.6堆石料的物理性质指标
紧密密度:
1.93~1.94g/cm3;含泥量:
2.1~2.6%;
内摩擦角:
39.4°~40.8°;渗透系数:
1.88×10-2~4.08×10-2cm/s。
1.3.7反滤料
工程区坝址大达河床以及沘江河床漫滩,分布着大量冲洪积漂卵砾石夹砂层,工程本着经济原则,结合坝基河床漂卵砾石砂层清基,选了坝址河床清基和下游沘江漫滩2个反虑砂砾石料场。
1.3.8反滤料的物理性质指标
比重2.64,级配0.075~20mm含量52.76~60.8%,含泥量4.96~5.69%,
渗透系数:
2.77×10-3~1.93×10-2cm/s。
自然休止角33.17~33.42°;不均匀系数为89.5~137.5。
2.坝型确定及其坝轴线选取
根据包罗水库给定的地形、地址、水文及施工运行方面的资料及结合地形图对选定的坝轴线,坝型进行论证。
确定枢纽主要建筑物的组成,根据建筑物及其要求确定主要建筑物在枢纽布置中的现对位置。
结合地形图及其工程地质报告选取坝轴线,选取坝轴线如图所示,选取该地主要原因(粘土心墙土石坝):
(1)该处地质条件相对较好,无断层及难压实的膨胀土等存在;
(2)处地势较高,可以获得较高水头;
(3)该处等高线密集,地势相对陡及狭窄;
(4)该坝址右岸距离公路近,交通便捷;
(5)该处离料场近,施工等方便;
(6)坝址选取见下图(坝轴线):
3.坝型选择
包罗水库坝型选择要根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、坝基处理等各种因素,初步拟定几种坝型进行定性比较,选定技术上可靠、经济上合理的坝型。
3.1均质坝
均质坝坝体材料单一,施工方便,当坝址附近有数量足够的适宜土料时可以选用,这种坝所用的土料的渗透系数较小,施工期坝体内会产生空隙水压力,影响土料的抗剪度,所以坝坡较缓,工程量大;此外铺土厚度薄、填筑速度慢、施工容易受降雨和冰冻影响,不利于加快进度、缩短工期。
一般适用于中、低坝。
工程量太大,故不采用此方案。
3.1.1斜墙坝
雨季和寒冷季节可先上透水料争取工期;坝基处理可与斜墙及坝壳填筑同时进行,不影响坝体施工;斜墙位于透水坝壳之上,如坝壳沉陷较多,将影响斜墙开裂;库水位降落时斜墙孔隙水来不及排出时,影响上游坡稳定;与岸坡及混凝土建筑物连接不如心墙坝;斜墙与地基接触应力比心墙小,与基础结合不如心墙坝,故不采用此方案。
3.1.2面板堆石坝
工程量较小,施工方便。
在具有大型振动碾等条件下,有很强的竞争力坝型。
堆石坝施工干扰相对较小。
但是由于大达河床地质条件较差,河床覆盖层一般为30米~40米,最大深度达70余米,作为堆石坝可能导致大量的开挖,此方案不予考虑。
3.1.3心墙坝
适应变形能力强,抗震性能较好,两岸的连接较为方便,坝址附近料场满足供应要求,故优先考虑此坝型,且根据地形条件、地质条件、筑坝材料、施工条件、气候条件等,最终决定采用心墙坝方案。
因此最终选用心墙坝方案。
3.1.4粘土心墙土石坝比较
根据当地建材情况,进行了粘土心墙风化料坝和粘土心墙堆石坝两种坝型勘察设计工作,最终推荐粘土心墙风化料坝作为推荐坝型。
3.2.包罗水库工程规模
通过泥沙淤积、兴利、洪水调节计算,确定包罗水库死水位为2172.00m,死库容为130万m3,正常蓄水位为2205.81m,正常库容为1038.9万m3,兴利库容908.9万m3,防洪汛限水位为2203.81m,结合库容为82万m3,设计洪水位为2207.21m,校核洪水位为2209.19m,总库容为1184万m3。
所以根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,包罗水库库容在
之间,规模为中型。
3.3包罗水库水工建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定包罗水库工程等别为Ⅲ等,主要建筑物为三级(挡水建筑物),次要建筑物为四级。
3.4枢纽建筑物布置
挡水建筑物——粘土心墙风化料坝,挡水建筑物轴线直线布置。
4.大坝结构尺寸确定
大坝剖面轮廓尺寸包括坝顶高程,坝顶宽度、上下游坝坡、防渗体等排水设备。
4.1确定坝顶高程
结合《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001),《混凝土面板堆石坝设计规范》、《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)及其水文、地质报告求出坝顶高程
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,包罗水库库容在
之间,规模为中型,工程等别为Ⅲ等,主要建筑物为三级(挡水建筑物),次要建筑物为四级;包罗水库属于山区、丘陵区工程;
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定,水库校核洪水标准取1000年(p=0.10%),设计洪水标准取50年(p=2.0%);
坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,从《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)得出坝顶超过Y=R+e+A及其计算R、e的公式如下:
(1)
;
(2)
;
风吹程选取D=1.7km;风速
;坝迎水面前水深正常蓄水位65.81m、设计洪水位67.21m、校核洪水位69.19m、
;
计算过程:
a.对于包罗水库属于丘陵区水库,
、D<7500m所以波高和平均波长可采用鹤地水库公式
D——区长度,m;
——平均波长,m;
W——平均风速,
;
——累计频率为2%的波高,m。
所以
查表A.1.8得
,
,
b.计算风雍水面高度
公式为
E——计算点处的风雍水面高度,m;
K——综合摩擦系数,取
;
β——计算风向与坝轴线法线的夹角,为0°;
D——风区长度,m,
Hm——为水域平均水深,m。
所以,
校核情况
设计情况
C.计算平均波浪爬高
公式为
——平均波浪爬高,m;
m——单坡的坡度系数,若坡角为α,即等于cotα,其中
;
——平均波长,m;
——斜坡的糙率渗透性系数,根据护面类型由A.1.12——1查出,选取砌石护坡取为0.8;
——经验系数,按表A.1.12——2查出;由于
故
=1;
——平均波高,m。
所以
设计情况
校核情况
根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001查表5.3.1
坝的级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ、Ⅴ
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
表5.3.1土坝坝顶的安全超高
得设计洪水位情况下A=0.7m;校核洪水位情况下A=0.4m。
所以,Y=0.589+0.0037+0.7=1.293m设计情况
Y=0.505+0.0037+0.4=0.942m校核情况
坝高=67.21+1.293=69.5m
坝高=69.19+0.942=70.1m
坝顶高程=70.1+2140.02=2210.1m。
最终计算成果表2
表2坝顶高程计算成果表
计算情况
计算项目
设计情况
校核情况
上游水位(m)
2207.21
2209.19
河地变程(m)
2140.02
水域平均水深H(m)
25.32
26.84
吹程D(km)
1.7
风向与坝轴线法线夹角β
0
风速v(m/s)
17.25
17.25
经验系数Kw
1.00
坝坡糙率系数KΔ
0.80
初拟上游坝坡m
2.75
波浪爬高R(m)
0.589
0.505
风壅水面高度e(m)
0.0037
0.0035
安全超高A(m)
0.7
0.4
地震涌浪高度(m)
坝高
69.5
70.1
处于安全考虑取用校核洪水位情况下的坝顶高程,并结合防浪墙选取坝顶高程为2209.9m,设1.2m高的防浪墙,坝高为69.9m(不包括防浪墙)。
回水曲线范围<1>由坝顶高程2209.9m与所选坝址绘制坝轴线,使其与高程为2209.9m的等高线垂直相交;
<2>在校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位、正常蓄水位中,选取正常蓄水位勾画出回水曲线范围,由正常蓄水位为2205.81km,勾画出在等高线2205.81m内的范围。
回水曲线范围见下图:
4.2坝顶宽度选取
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定:
高坝坝顶宽度可选为10~15m,中低坝选为5~10m。
对心墙或斜墙坝还需要满足其墙顶和两侧反滤层的布置要求。
在寒冷地区,还应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。
包罗水库粘土心墙风化料坝坝高为69.9m,属于中型且不属于寒冷地区,不需要考虑心墙至坝面的距离,所以选取坝顶宽度为8m。
4.3坝坡坡度初拟
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的大小,边坡选择一般从以下几方面选择:
(1)由于土石料在饱和状态下抗剪强度降低,且库水位下降时,渗流力指向上游,对上游坝坡稳定不利。
所以土料相同时,上游坡应比下游坡缓;
(2)从坝型上看,心墙坝其下游坡稳定受心墙土料特性影响较大,故下游坡一般较斜墙坝缓;
(3)从受载情况看,为适应越向底部荷载逐渐增加的特征,坝坡应上陡下缓,且土石坝上下游一般做成变坡的,自上而下逐渐变缓,相邻坡率差为0.25~0.5。
综上,并参考已建工程,拟定该粘土心墙坝坝坡分别为:
<1>上游坝坡坡比分别选取1:
2.25、1:
2.5、1:
2.75;
<2>下游坝坡坡比分别选取1:
1.75、1:
2、1:
2.25;
<3>上下游分别在坝高程为2168.02m、2192.02m处设2m宽的戗台。
4.4坝体排水设备选取
坝体排水主要是控制和引导渗流,降低浸润线,加速孔隙水压力消散,以增强坝的稳定性,防止渗透变形,并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。
坝体排水有一下几种形式:
(1)棱体排水,又称为滤水坝趾。
是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。
棱体与坝体以及土质之间均应设置反滤层。
在棱体上游坡脚出应该尽量避免出现锐角。
棱体排水可以降低浸润线,防止坝坡冻胀,保护尾水范围内的下游坝坡不受波浪淘刷,还可以与坝基排水相连。
(2)贴坡排水,又称为表面排水。
排水顶部必须高于浸润线逸出点,对于1级、2级坝不小于2m,对于3~5级坝不小于1.5m。
贴坡排水可以防止坝坡土发生渗流破坏,保护坝坡免受下游波浪淘刷,但不能有效的降低浸润线,且易因冰冻而失效。
(3)坝内排水。
包括褥垫排水层,网状排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体等。
当下游无水时,褥垫排水能有效地降低浸润线,有助于坝基排水,加速软粘土地基的固结。
主要缺点是对不均匀沉降的适应性差,易断裂.,且难以检修。
当下游水位高于排水设施时,降低浸润线的效果将显著降低。
结合综上所述及考虑本地区石料比较丰富,决定采用堆石棱体排水比较适宜,它可以降低坝体浸润线,防止坝坡冻涨和渗透变形,保护下游坝址免受尾水淘刷,并可支撑坝体,增加下游坝坡的稳定性。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252-2000)规定:
棱体顶面高程高出下游最高水位1m为原则,并考虑到包罗水库规模等,取堆石棱体内坡取1:
1.5,外坡取1:
1,顶宽3.0m,高度10.0m。
在下游坝坡设纵横连通的排水沟,沿坝与岸坡的结合处,也设置排水沟,沿坝轴线方向在坝坡踏步两边横向设置横向排水沟。
4.5包罗水库大坝防渗体
所谓防渗体,就是该部分土体比坝壳其他部位更不透水,它的作用是控制坝体内浸润线的位置,并保持渗流稳定。
大坝防渗体的设计主要包括坝体防渗和坝基防渗两个方面。
(1)坝体的防渗
坝体防渗的结构和尺寸必须满足减小渗透流量、降低浸润线控制渗透坡降的要求,同时还要满足构造、施工、防裂、稳定等方面的要求.该坝体采用粘土心墙,其底部最小厚度由粘土的允许坡降而顶,根据经验本设计允许渗透坡降取[J]=4,参考以往工程的经验,心墙的顶部宽度取为4m,粘土心墙坝坡的坡度为1:
0.2,粘土心墙的顶部高程等于校核洪水位,最终取其心墙顶高程为2209.21m,心墙两侧设2米厚的过度层和3米厚的反滤层。
(2).坝基防渗体
坝址选择于新塘村口处,河谷呈“U”型,河道基本顺直,右岸凸出,地形较窄,河床面高程为2140.02m,坝高69.9m,坝顶长度为262.3m,坝顶高程为2209.9m,该区出露J2h1紫红色泥岩、粉砂质泥岩、浅灰色团状泥岩,夹紫色细砂岩及石英砂岩,河床地带覆盖第四系冲洪积漂卵砾石砂地层。
单斜构造,岩层产状170°~200°<30°~40°。
根据地勘资料,左坝肩岸坡平均坡度约36°,表层覆盖有坡积紫红色块碎石夹沙土,松散,石(>5mm)含量约30~50%,成分以石英砂岩、粉细砂岩为主,厚3~10.6m;基岩为灰紫色石英砂岩、细砂岩夹紫红色砂岩;由于距离下游F14较近,也是破碎,SZK1钻孔强风化层较厚,底界埋深约47.5m,ZK11钻孔强风化层底界埋深约29.5m,弱风化层底界埋深约51.8m,也是节理发育。
右坝肩岸坡平均坡度为34°,ZK12钻孔高程2160.00m附近有侵蚀阶地面,堆积坡积的紫红色含碎石粘土层,厚约1.2~8m,中密,石含量约5~20%,其余地段岸坡出露紫红色泥岩、浅灰色团块状泥岩为主夹细砂岩,岩石完整性相对较好,SZK5孔强风化底界埋深约14m,弱风化底界约43m,ZK12孔强风化底界埋深约22.6m,弱风化底界约51m。
河床冲洪积层为漂卵砾石砂层,厚0~27m,主河道上部1m属于流动性河床,漂卵石砂堆积物受洪水
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