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土石坝设计

土石坝设计
基本资料:
某土坝等级:2级,该地区多年平均最大风速为16.9m/s ,风区长度D=1.544km,
洪水标准:设计洪水标准100年(相应水位▽32.59m),校核洪水标准2000年(相应水位▽33.73m);水库平均高程取10m;
地震列度:Ⅵ度,附近多粘性土,重度18.6kN/m3,土样试验慢剪C、Φ小值平均值分别为10.9kPa 、28.3°,渗透系数k为8.79×10-4 cm/s ;设计该土坝。

解:
一.坝型选择:
因为附近多粘性土,所以该土坝采用土石坝的均质坝类型,按百年一遇设计洪水标准进行设计,由于粘性土的防渗性能好,所以不用设计防渗心墙。

二.计算坝顶高程:
1. 土坝设计标准及参数:
采用百年一遇的洪水标准设计,相应水位为32.59m,坝底高程为10m,所以坝前水深H1=32.59-10=22.59m,计算风速v0=16.9×2=33.8 (m/s) ,吹程D=1.544 km=1544 (m)。

2. 计算坝顶超高 Y=R+e+A 。

(1) 计算最大风壅水面高度e ,
e=
kv 0
2D 2gH m
cos β (取β=90°,则cos β=cos90°=1;综合摩阻
系数k 取3×10−6 ) 所以 e=3.6×10−6×33.82×1544
2×9.8×22.59
×1=0.01434204
(2) 计算最大波浪在坝坡上的爬高R
1) 计算波高 公式:
gℎm
v 0
2=0.13th [0.7(
gH m v 0
2)0.7
] th{ 0.0018(gD
v
2)0.45
0.13tℎ [0.7(gH m
v 0
2)0.7
]
}
代入数据计算:
9.8ℎm 33.82
= (0.13×th0.22193)×th 0.202808458
解得 h m =0.66207277≈0.662 (m)
2) 计算波长L m
先假设为深水波,用公式 L m =
gT m
22π
≈1.56T m 2
;
T m =4.438ℎm 0.5
代入数据:T m =4.438ℎm 0.5 = 4.438×0.6620.5 =3.611
L m =
gT m
22π
=
9.8×3.61122×3.14
=20.338 (m )
所以,
H m T m
=
22.59
20.338
=1.111>0.5 , 故该波为深水波。

综上计算,得出: 波高h m =0.662m ; 波长L m =20.338m 。

3)计算设计频率波浪爬高R P
a.上游坝坡无变坡,坡度为1:3 ,即m=3.0 ;
b.护面类型采用混凝土板,所以糙率系数k∆=0.90 (查课本P62页,表3-2);
c.经验系数k w(查课本P62页,表3-3,0
√gH m =
√9.8×22.59
=1.1368 ,
运用内插法计算k w,经计算得k w=1.00544。

由公式R m=∆w
√1+m2
√ℎm L m代入数据,得:
R m=
√1+32
√0.662×20.338= 1.05 (m)
按P=1%设计洪水标准,查课本表3-4,计算百年一遇频率下的
波浪爬高R P ;ℎm
H m = 0.662
22.59
= 0.0293 <0.1 ,查表3-4得该乘以
2.23 ;所以R P=R m×2.23=1.05×2.23=2.3415 (m)
(3)安全加高A (查P61页,表3-1),取A=1 (m) 。

综上计算,坝顶超高Y=R+e+A =2.3415+0.01434204+1=3.35584204 m≈3.356 (m)。

校核洪水用2000年一遇校核,计算坝顶超高的方法与百年一遇的设计洪水的方法一样,只是将计算风速v0取16.9m/s;经计算,按2000年一遇设计校核洪水的坝顶超高Y=1.902 m,经过比较,坝顶超高采用百年一遇的设计洪水标准的超高,即Y=3.356 m。

所以,坝顶高程为:32.59+3.356=35.946 m ,为施工方便,取坝顶高程为36.0 m。

三.确定土坝的剖面尺寸和各部分建筑物的尺寸
1.坝顶宽度:
本土坝不考虑抗震等因素,坝高为36.0-10=26 m<30 m ;所以该土坝属于低坝,因此坝顶宽度定为5 m 。

2.坝坡:
本土坝为土石混合坝的均质坝,所以不用做粘土心墙防渗,土坝的坝坡选取参考课本“P63页,表3-6”。

上游无马道,坝坡为1:3.0
下游马道宽度为1.5 m ,上下坝坡均为1:2.5 。

3.排水设备:
该土坝的设计等级为2级,为了坝坡的稳定,采用棱体排水的排水设备,在下游坝脚处用块石堆成棱体形成的排水体,同时还需设反滤层。

1)棱体排水建筑物的高度运用经验,采用坝高的1/6,即26/6=4.333m,
为施工方便取排水体的高度为4.5m。

顶部宽度为1.5m,左边坡度为1:1,右边坡度为1:1.5,反滤层共三层,厚度为150+150+250=550mm=0.55m。

排水体顶部宽为1.5m , 右边部分长
为4.5×1.5=6.75 (m) , 排水体右下角部分水平延长0.875m , 所以整个排水体的底部长度L

=0.778+4.5+1.5+4.5×1.5+
0.875=14.403 (m)
具体形式和尺寸见下图:
4. 坝底宽的计算:
根据前面的拟定和计算结果,分段计算坝底的宽度:
1)上游坡的水平长度:(H
坝−H

)×m1=(36−10)×3=78 (m)
2)坝顶宽度为5m , 下游马道宽为1.5m
3)下游马道上坡段水平长度:
(H
坝−H

)×m2=(36−24)×2.5=30 (m)
4)下游马道下坡到排水体顶部的水平长度:
(H
马−H

)×m2=(24−14.5)×2.5=23.75 (m)
5)排水体左边部分的水平长:
=0.778 (m),所以排水体左边长为反滤层水平厚度x = 0.55×2
√2
4.5+0.778=
5.278 (m)
6)整个排水体的底部长度:
L
=0.778+4.5+1.5+4.5×1.5+0.875=14.403 (m)排
所以土坝的坝底总宽度:
=78+5+30+1.5+23.75−5.278+14.403=147.375 (m) L
坝宽
具体形式和尺寸见下图示:
四.土石坝的渗流分析:
下游排水体采用棱体排水的形式,由资料可知渗透系数k=8.79×10-4 cm/s = 8.79×10-6 m/s 。

设计洪水位H设=32.59 m ; 坝顶高程H坝=36 m ;坝前水深H1=22.59
m ;上游坝坡m1=3.0 ;下游水深H2=0 m 。

计算单宽流量和浸润线方程,公式如下:
h0= √L′2+(H1−H2)2−L′
q= k
2L′
[H12−(H1+ℎ0)2] (1)计算各段长度:
虚拟矩形宽度∆L= m1H1
2m1+1= 3×22.59
2×3+1
= 9.681 (m);
(H
坝−H

)×m2= (36−32.59)×3.0=10.23 (m);
坝顶宽度为5 m;
(H
坝−H

)×m2= (36−24)×2.5=30 (m);
下游马道宽1.5 m;
(H
马−H

)×m2= (24−14.5)×2.5=23.75 (m);
排水体高为4.5 m ,反滤层水平厚度x=0.55×2
√2
=0.778 (m),故排水体部分长为4.5+0.778=5.278(m);
所以L′=9.681+10.23+5+30+1.5+(23.75−5.275)= 74.883(m)故h0= √L′2+(H1−H2)2−L′= √74.8832+(22.59−0)2−74.883= 3.333 (m)
单宽流量q=k
2L′[H12−(H1+ℎ0)2]= 8.79×10−6
2×74.883
×[22.592−
(0+3.333)2=2.93×10−5(m2/s)
浸润线方程y2=H12−2q
k
x; 代入数据,得:
y2=22.592−2×2.93×10−5 8.79×10−6
x
即y2=510.3081−6.667x
(2)在土坝横剖面图上画出坐标系,用试算法计算点坐标,描出各点,绘制出浸润线。

各点坐标如下图表所示:
土坝横剖面图和浸润线图如下所示:。

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