【正文】 良好 。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第三章 土壩設(shè)計(jì) 壩型選擇 土石壩是由黏性土、非黏性土、堆石等材料組成。土石壩根據(jù)壩體的防滲材料及其結(jié)構(gòu)分為均質(zhì)壩、分區(qū)壩、人工防滲材料壩。這種壩由于土料的滲透系數(shù)小，因此施工期壩體內(nèi)要產(chǎn)生孔隙壓力，加上其抗剪強(qiáng)度較小，所以這種壩型大多數(shù)為中低壩。 （ 2）由于全斷面防 滲，所以一些相對(duì)弱透水性的材料也可以用來(lái)填筑均質(zhì)壩。均質(zhì)壩的缺點(diǎn)是由于邊坡較緩，工程量大，且需要大量的土料，因此往往要占用大量耕地。 心墻壩的防滲體設(shè)置在壩體中央，即壩軸線處。其特點(diǎn)是：心墻與壩殼比較具有明顯的較高壓縮性，因此沿著心墻邊界接觸面出現(xiàn)的剪應(yīng)力會(huì) 使心墻有效垂直應(yīng)力大幅度下降，即產(chǎn)生所謂拱效應(yīng)。 斜墻壩防滲墻設(shè)置在把提上游面或接近上游面。正因?yàn)榉罎B體處在上游，故壩殼可單獨(dú)領(lǐng)先上升，施工比心墻壩容易，基礎(chǔ)處理干擾較小，雨季施工亦便于安排，攔洪度汛也較容易。這種壩是為了克服心墻壩可能產(chǎn)生拱效應(yīng)和斜墻壩對(duì)變形敏感等的不足而發(fā)展起來(lái)的，很適合高土石壩?？紤]壩址附近 的地形地質(zhì)、當(dāng)?shù)亟ㄖ牧稀⒔煌l件 ，以及當(dāng)?shù)貧夂?、工程造價(jià)、工期等各種因素，最終選擇 均質(zhì)壩方案 。無(wú)論哪種地基，筑壩前都需要進(jìn)行清基，清除可能造成集中滲流和發(fā)生滑動(dòng)的表層土石 . 由地形地質(zhì)來(lái)看，郭莊水利樞紐為砂礫石地基，對(duì)砂礫石地基處理，主要是保證地基滲流穩(wěn)定、控制滲流 量。 截水槽底部是防滲的薄弱環(huán)節(jié)，為防止發(fā)生集中滲流，可在槽底設(shè)混凝土齒墻。 斷面尺寸 壩頂高程： 為防止庫(kù)水漫溢壩頂，壩頂在水庫(kù)靜水位以上應(yīng)有足夠的波浪超高。按蒲田試驗(yàn)站統(tǒng)計(jì)分析公式計(jì)算 ,先計(jì)算平均爬高 R ，平均爬高按按下式計(jì)算： R = LhmKK W21?? （ 33） 式中： ?K 與壩坡的糙率和滲透性有關(guān)的系數(shù)，按表 31 采用。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 M壩坡系數(shù)， m=ctg? ， ? 為壩坡傾角。 壩頂寬度 壩頂寬度取決于施工、交通、構(gòu)造、運(yùn)行、抗震與防汛要求。 在變坡處設(shè)置馬道，其寬取兩米，以攔截并排除雨水，防止嚴(yán)重沖刷壩面，并兼做交通、檢修、觀測(cè)之用，也有利于壩坡穩(wěn)定。 本設(shè)計(jì)中開(kāi)挖泄洪隧洞以及溢洪道，因此石料豐富，在下游壩腳用塊石堆成棱體作用壩體排水，排水體的寬度應(yīng)不小于 1m，以利于行走檢查，頂部高出最高水位~2m，下游校核洪水位時(shí)下游水位 407m，則排水體頂部高程為 米，棱柱體內(nèi)坡去 1:，外坡取 1:2 截水槽 當(dāng)砂礫石深度不大，一般在 10~15m 以內(nèi)時(shí)，可開(kāi)挖深槽直達(dá)不透水層或基巖，槽內(nèi)回填重壤土，形成截水槽。 截水槽底寬根據(jù)回填土料的容許坡降及槽底與基巖間接觸沖刷的容許坡降而定：當(dāng)黏土與基巖結(jié)合時(shí)不小于（ 1/3~1/5） H,本設(shè)計(jì)中正常蓄水位情況下的作用水頭H=443405=38m，則截水槽底寬取 10 米，為延長(zhǎng)槽底與地基的接觸滲徑，在槽底設(shè)置混凝土齒墻，齒 墻底部嵌入基巖 ，底座厚 ，上部深入槽底 ，齒墻隔 20m設(shè)變形奉 ，縫內(nèi)設(shè)止水，兩側(cè)坡度 1:，開(kāi)挖邊坡 1:，開(kāi)挖深度為 18m，截水槽坡度取 1:，則上寬為 10+2*（ 18*） =28 米。 滲流分析工況 （ 1） 上游水深為 1/3 壩高時(shí)，下游相應(yīng)最低水位 （ 2） 上游設(shè)計(jì)洪水位，下游相應(yīng)最高水位，此時(shí)壩內(nèi)浸潤(rùn)線高，滲流量大 （ 3） 上游校核洪水位，下游相應(yīng)最高水位，此時(shí)壩內(nèi)浸潤(rùn)線最高，滲流量最大 計(jì)算內(nèi)容 在壩址上選取 5 個(gè)斷面，壩頂?shù)妮S長(zhǎng)為 ，根據(jù)河 道的剖面圖，選取了 5個(gè)特征斷面，樁號(hào)分別為： （ 1） 斷面為 0+56，不透水地基，無(wú)棱體排水，無(wú)截水槽 （ 2） 斷面為 0+56，不透水地基，無(wú)棱體排水，無(wú)截水槽 （ 3） 斷面為 0+56，不透水地基，無(wú)棱體排水，無(wú)截水槽 （ 4） 斷面為 0+56，不透水地基，無(wú)棱體排水，無(wú)截水槽 （ 5） 斷面為 0+56，不透水地基，無(wú)棱體排水，無(wú)截水槽 根據(jù)河道地形地貌特征，可近似認(rèn)為斷面（ 2）、（ 4）為同型剖面，（ 1）、（ 5）為同型剖面，因此只計(jì)算（ 1）、（ 2）、（ 3） 此計(jì)算的正常蓄水位為 ，相應(yīng)下游水位為 405m 校核洪水位為 ，相應(yīng)下游水位為 407m （ 1） 樁號(hào)（ 1） ①正常蓄水位時(shí) L? =111m21 m H? ( 41 ) 郭莊水利樞紐 21 Q=k* ， qq22)a( 2021 ????LHH （ 42） 已知上游坡率 1m =，下游坡率 2m = 由 cad 圖量得 H1 =16m， H2 =0， 土料滲透系數(shù) K=*107 m/s a0 為滲流溢出點(diǎn)到下游水面的高 差 帶入數(shù)據(jù)到 (41 )得 L? =，則 L’ = L? +10*+6+26* = 把 L’帶到（ 32）得 a0 =， q=*107 m/s， L’ = 壩內(nèi)浸潤(rùn)線方程為： y= XKQH 221 ?= ? ②同理，校核洪水位時(shí)， H1 =24m， H2 =0m L? = L’ = L? +（ 453451） *+6+26* = 則 a0 =， q=*107 M/s ③當(dāng) 1/3 壩高時(shí)，在該斷面處上下游均無(wú)水，無(wú)需計(jì)算。39。2 h2021 LHK ? (44) 得壩體單款滲流量 q=*107 浸潤(rùn)線方程為由 （ y0） 2 = 2h0 [x(L’+ 2h0 )] ( 45) 得 y2 = 5（ ） =5x+ ②校核洪水位時(shí)， 郭莊水利樞紐 23 H1 =45m， H2 =1m L? =， L’= 根據(jù)式 h0 = 39。 2212 LHHL ??? （ 46） 得 h0 = 則壩體單款滲量根據(jù)式 q= 39。 計(jì)算斷面 土石壩的穩(wěn)定分析計(jì)算應(yīng)選取不同高程的幾個(gè)壩體斷面進(jìn)行計(jì)算，以確保整個(gè)壩體的穩(wěn)定，但是限于設(shè)計(jì)時(shí)間及計(jì)算量，本設(shè)計(jì)中僅計(jì)算河床中部的最大剖面。 非常運(yùn)用情況 (校核情況 )包括： ① 施工或竣工期的上、下游壩坡； ② 庫(kù)水位驟降時(shí)的壩坡； ③ 校核洪水位下有可能形成穩(wěn)定滲流時(shí)的下游壩坡； ④ 正常運(yùn)用情況加地震影響的上、下游壩坡； ⑤ 水庫(kù)蓄滿，排水設(shè)備失效時(shí)的下游壩坡。 分析方法 按壩坡滑裂面型式不同， 壩坡穩(wěn)定分析的方法分為：圓弧法、直線或者 折線滑動(dòng)面法和復(fù)式滑動(dòng)面法。 控制標(biāo)準(zhǔn) 在本設(shè)計(jì)中，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的容許值 按照《水工建筑物（上冊(cè)）》表 57采用。 圖 51 求最小穩(wěn)定安全系數(shù)示意圖 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 （ 1）首先結(jié)合 bb 方捷耶夫法和費(fèi)藍(lán)紐斯法確定最危險(xiǎn)滑弧所對(duì)應(yīng)圓心的范圍，在扇形范圍內(nèi)的 M1， M2 延長(zhǎng)線附近。 （ 3）再通過(guò) eg 線上 k 值最小的點(diǎn)，作 eg的垂線，并在垂線上選取幾個(gè)圓心再通過(guò) b 點(diǎn)做圓弧并計(jì)算 k 值，找出最小的 k，算出的 5 個(gè)點(diǎn)中， k 值最小的點(diǎn)所做出的面為最危險(xiǎn)滑弧面。 圖 52 上游正常蓄水，下游相應(yīng)最低水位最危險(xiǎn)滑弧 郭莊水利樞紐 29 表 52上游正常蓄水位，下游相應(yīng)最低水位形成穩(wěn)定滲流時(shí)下游壩坡最小的 k 值 上游為正常蓄水位 ， 下游相應(yīng)最低水位編號(hào) 壤土各部分面積土條寬度 bai（度）對(duì)應(yīng)弧度 對(duì)應(yīng)弧度 k浸潤(rùn)線以上（ 按壤土濕容重計(jì)算 ）y=N/m3浸潤(rùn)線以下 ，壩腳以上按飽和容重計(jì)算（ysat=2m3 ）壩腳以下按浮容重計(jì)算（y=N/m3 ）壤土自重（ 內(nèi)摩擦角 度 ）6 0 0 52 5 0 0 42 4 0 0 31 3 0 0 23 2 0 0 15 1 0 8 0 1 1 6 2 13 3 19 cuiitgc o s ??Wib ?se cccuiis i n ?Wcu?河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 B:校核洪水位時(shí)下游壩坡 圖 53 校核洪水位下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧 C： 1/3 壩高時(shí)，對(duì)應(yīng)的上游壩坡 圖 54 1/3 壩高時(shí)上游壩坡最危險(xiǎn)滑弧 郭莊水利樞紐 31 表 53 校核洪水位時(shí)的下游壩坡 對(duì)應(yīng)的最小 k值 校核洪水位時(shí)下游壩坡編號(hào) 壤土各部分面積土條寬度 bai（ 度）對(duì)應(yīng)弧度 對(duì)應(yīng)弧度 k浸潤(rùn)線以上 （ 按壤土濕容重計(jì)算 ）y=/m3浸潤(rùn)線以下 ， 壩腳以上按飽和容重計(jì)算（ysat=20.5KN/m3 ）壩腳以下按浮容重計(jì)算（y=/m3 ）壤土自重（ 內(nèi)摩擦角 度 ）6 0 0 56 5 0 0 44 4 0 0 35 3 26 2 18 1 10 0 3 1 5 2 12 3 20 cuiitgc o s ??Wib ?s e cccu iis i n ?Wcu? 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 32 表 54 1/3 壩高時(shí)的上游壩坡對(duì)應(yīng)的最小 k值 1/3 壩高時(shí)上游壩坡編號(hào) 壤土各部分面積土條寬度 bai（度）對(duì)應(yīng)弧度 對(duì)應(yīng)弧度 k浸潤(rùn)線以上（ 按壤土濕容重計(jì)算 ）y=kN/m3浸潤(rùn)線以下 ， 壩腳以上按飽和容重計(jì)算（ysat=20.5KN/m3 ）壩腳以下按浮容重計(jì)算（y=/m3 ）壤土自重（ 內(nèi)摩擦角 度 ） 1 0 8 0 0 3 1 0 3 2 8 3 14 13004 20 5 0 26 6 0 32 7 0 39 8 0 46 11596 cuiitgc os ??Wib ?se cccu iis i n ?Wcu?郭莊水利樞紐 33 在本設(shè)計(jì)中，建筑物級(jí)別為三級(jí)，壩坡康華穩(wěn)定安全系數(shù)容許值按《水工建筑物（上冊(cè)）》表 57 查得在正常運(yùn)用情況下，容許最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為 k=，由以上抗滑穩(wěn)定安全計(jì)算得出的 k 值均大于 ，故本設(shè)計(jì)符合抗滑穩(wěn)定要求。 本設(shè)計(jì)采用瀝青碎石護(hù)面 ，并在其下設(shè) 。 在壩頂上游設(shè)防浪墻，本地石料豐富，防浪墻用漿砌石建造，防浪墻高取 ，墻厚取為 ，基礎(chǔ)埋入壩內(nèi) ，并與防滲體緊密結(jié)合，壩頂下游側(cè)設(shè)邊石，邊石采用漿砌石修筑，厚 。 護(hù)坡 土石壩的上游面要承受波浪淘刷、冰層 和漂浮物的撞擊、順坡水流的沖刷等破壞作用。 護(hù)坡范圍：上游壩面從壩頂護(hù)至。 為防止雨水沖刷，下游壩面設(shè)置縱橫連通的排水溝，沿壩體與岸坡接合處，也設(shè)置排水溝以攔截山坡上雨水。橫向排水溝每隔 50m設(shè)一條，縱橫排水溝斷面寬深為 。 郭莊水利樞紐 35 圖 61 截水槽 圖 62 混凝土齒墻 排水設(shè)備 土石壩防滲后仍會(huì)有一定量得滲水，故在壩體下游部分還需設(shè)置排水設(shè)備 ，其作用是控制和引導(dǎo)滲流安全地排出壩外，降低壩體浸潤(rùn)線及孔隙水壓力，增強(qiáng)壩坡穩(wěn)定，保護(hù)下游免受凍脹破壞，本設(shè)計(jì)采用棱體排水，在下游壩腳用堆石堆成棱體，棱體內(nèi)坡坡率為 1： ，外坡為 1:2，棱體底部高程為 。 壩體與巖石地基及岸坡的連接 壩體與 巖石地基及岸坡的連接必須做到： （ 1） 壩斷面范圍內(nèi)的巖石地基與岸坡，應(yīng)清除其表面松動(dòng)石塊、凹處基土和突出的巖石。在開(kāi)挖清理完畢后，用混凝土或沙漿封堵清理后的張開(kāi)節(jié)理裂隙和斷