第一章课程设计目的课程设计包括土石坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。
学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成土石坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。
培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。
培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。
提高查阅和应用参考文献和资料的能力。
第二章课程设计题目描述和要求（一）课程设计题目描述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5863km2，流向自西向东，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1450万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3万kW。
灌溉下游左岸耕地2.3万m2，灌溉最大引水流量35m3/s，引水高程202.5m。
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181.8m，河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为6m，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。
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。
土石料计算参数粘土18.7 28 e=0.65 18 15 3.6⨯10-4砂砾料19.5 19 n=25% 35 0 6.0⨯10-2土石料20 22 e=0.45 27 10 1.8⨯10-3堆石料22 15 n=25% 38 04、水文坝址以上控制集雨面积128km2，多年平均流量3.5m3/s，平均年径流量9776.2 m3。
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235.0m，相应的下游水位为184.2m，库容为1135万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1238 m3/s；上游校核洪水位为236.5m，相应的下游水位为185.3m，库容为1243万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1675 m3/s；上游正常高水位为233.5m，相应的下游水位为183.5m，库容为898万m3；死水位为200m，相应的库容为42万m3。
5、气象本地区洪水期多年平均最大风速12m/s，水库的风区长度（吹程）为2.6km。
6、其他有关资料坝基弱风化上限高程为174.8m，岸边溢洪道堰顶高程取为226.5m。
（二）设计内容本课程设计选择粘土心墙土石坝，对土石坝最大剖面进行剖面设计并绘制设计图。
课程设计的内容包括：1、确定合理经济土石坝剖面尺寸。
2、计算施工期（竣工时）上游坝坡的稳定安全系数。
3、分别计算正常高水位、设计洪水位、校核洪水位下游坝坡的稳定安全系数和坝体的浸润线4、计算正常高水位骤降至死水位上游坝坡的稳定安全系数和坝体的浸润线。
5、最后要求绘制土石坝剖面设计图及部分细部构造图。
（三）成果要求课程设计结束时提交的成果为：设计2号图纸一张，设计计算说明书一份。
A．设计图纸：设计2号图纸一张，提倡学生用计算机绘图。
设计图纸要求布局合理、设计正确，图面整洁、清晰，图幅尺寸、比例、线条、标注高程、符号和说明等均符合工程制图标准。
B．设计说明书编写内容1．设计题目；2．目录与前言；3．正文(包括工程概况、计算原理与方法、计算过程及结果汇总)；4．结束语：成果评价、问题展望（成果的分析及结论一定要有分析和判断，并说明存在的问题和改进措施）；5．参考文献。
C．设计说明书编写要求1．课程设计计算说明书要求条理清楚、文字通顺、整齐美观、格式规范。
2．课程设计计算说明书不少于5千字，并有必要的图表。
3．课程设计计算说明书纸张用统一的毕业设计纸张，并尽可能用计算机打印。
第三章确定合理经济土石坝剖面尺寸土石坝的基本剖面根据坝高、坝的等级、坝型、筑坝材料特性、坝基情况以及施工、运行条件等参照现有工程的时间经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理地剖面形状。
第一节基岩高程的确定土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定的适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性。
所以，土石坝对天然地基的强度和变形要求，以及地基处理的标准等，都可以略低于混凝土坝。
但是，土石坝坝基本身的承载力、强度、变形和抗渗能力等条件一般远不如混凝土坝，所以，对坝基处理的要求丝毫不能放松。
坝基（包括坝头）处理应满足渗流控制（包括渗流稳定和控制渗流量）、静力和动力稳定、允许沉降量和不均匀沉降量等发面要求，保证坝的安全运行。
处理的标准与要求应根据具体情况在设计中确定。
竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%。
对于特殊土的坝基，允许总沉降量应视具体情况确定。
本设计工程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181.8m，河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，弱风化层厚度为6m，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。
为了满足坝基稳定的要求，开挖掉河槽处卵石覆盖层为4m，强风化层厚度为3m，即确定基岩高程为181.8-4-3=174.8m。
第二节坝坡坡率、马道和心墙尺寸的确定I）坝坡坡率的确定土石坝的坝坡初选可参照已有工程的实践经验拟定。
中、低高度的均质坝，其平均坡率约为1:3。
上游坝坡长期处于饱和状态，加之水库水位有可能快速下降，使坝坡稳定处于不利地位，故其坡率应比下游坝坡为缓。
土质防渗体的心墙坝，当下游坝壳采用堆石时，常用坡率为为1:1.5—1:2.5，采用土料时，常用1:2.0—1:3.0；上游坝壳采用堆石时，常用1:1.7—1：2.7，采用土料，常用1:2.5—1:3.5。
斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用，取值宜偏陡；上游坝坡可适当放缓，石质坝坡放缓0.2，土质坝坡放缓0.5。
本设计为粘土心墙土石坝，粘土料、砂料、石料在坝址上、下游均有。
上、下游坝壳都采用砂粒料，上游坡率确定为1:3.0下游坡率确定为1:2.5。
II）从土石坝建设的发展情况看，土质防渗体分区坝和均质坝，上游坝坡除观测需要外，已趋向于不设马道或少设马道，非土质防渗材料面板坝则上游坝坡不设马道。
根据施工、交通需要，下游坝坡可设置斜马道，其坡度、宽度、转弯半径、弯道加宽和超高等要满足施工车辆的行驶要求。
斜马道之间的实际坝坡可局部变陡，但平均坝坡不应陡于设计坝坡。
马道宽度按用途确定，一般不小于1.5m。
本设计粘土心墙土石坝，上游不设马道，下游为了便于施工和满足交通需求设置一个马道，马道宽度取为3米，马道上下坡度取一样，都为1:2.5。
III）心墙和斜墙的厚度，主要取决于土料的质量，如容许渗流比降、塑性、抗裂性能等。
渗流分析表明，土石坝防渗体中的水头损失并不是按直线分布的。
在设计中通常采用平均容许比降[a J ]作为控制标准，它等于作用水头H 与防渗体厚度T 的比值，这是一个半经验性的数据。
SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定：心墙的a J 不宜大于4，斜墙的a J 不宜大于5。
在国内外土石坝的建设实践中，厚心墙的底部厚度常取为水头的30%—50%，薄心墙的底部厚度常取为水头的15%—20%。
土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。
应自上而下逐渐加厚，顶部的水平宽度不宜小于3.00m ；底部厚度，斜墙不宜小于水头的1/5，心墙不宜小于水头的1/4。
土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，应按表5-2-1的规定取值。
非常运行条件下，防渗体顶部不应低于非常运行条件的静水位。
并应核算风浪爬高高度的影响。
当防渗体顶部设有防浪墙时，防渗体顶部高程可不受上述限制，但不得低于正常运用的静水位。
防渗体顶部应预留竣工后的沉降超高。
表3-2-1 正常运用情况下防渗体顶部超高 （m ）本设计粘土心墙土石坝，校核水位为236.5m ，开挖掉河槽处卵石覆盖层为4m ，强风化层厚度为3m 后确定的基岩高程174.8m ，故作用水头为236.5-174.8=61.7m 。
故心墙顶部的水平宽度确定为4m ，底部厚度取为16m 。
由于坝顶设高为1.2m 的防浪墙，故心墙顶部高程取为跟静水位一致，沉降超高暂不考虑，在心墙顶部暂不预留。
第三节 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，应按以下4种运用条件计算，取其最大值：①设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；②正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；④正常蓄水位加非常运用调价的坝顶超高，再加地震安全加高。
当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶超高时值水库静水位与防浪墙顶之间的高差，但在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m ，在非常运用条件下，坝顶不得低于静水位。
坝顶超高d 按照式：d=R+e+A 计算，对特殊重要的工程，可取d 大于此计算值。
式中：R 为波浪在坝坡上的设计爬高，m ；e 为风浪引起的坝前水位雍高，m ；A 为安全加高，m ，根据坝的级别按表3-3-1选用，其中非常运行条件（a ）适用于山区、丘陵区，非常运行条件（b ）适用于平原区、滨海区。
表3-3-1 土石坝的安全加高 单位：m上式中R 和e 的计算公式很多，主要都是经验和半经验性的，适用于一定的具体条件，按照SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》推荐的公式计算确定。
本设计工程属于山区、丘陵区地带，查规范可知，波浪的平均波高和平均周期宜采取莆田试验站公式，按下式计算：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=]7.0[13.00018.0]7.0[13.07.0245.027.022W gH th W gD th W gH th W gh m m m 5.0438.4m m h T =式中 m h ——平均波高，m ；m T ——平均波周期，s ；W ——计算风速，m/s ； D ——风区长度，m ；m H ——水域平均水深，m ；g ——重力加速度，取9.81m/2s 。
th （x ）=xx x x --+-λλλλ平均波长可按下式计算：222mm m qT H L th L ⎛⎫∏= ⎪∏⎝⎭对于深水波，即当H≥0.5mL时，上式可简化为22mm qTL=∏式中mL——平均波长，m；H——坝迎水面前水深，m。
本设计工程：上游设计洪水位为235.0m，相应的下游水位为184.2m，库容为1135万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1238 m3/s；上游校核洪水位为236.5m，相应的下游水位为185.3m，库容为1243万m3，岸边溢洪道相应的泄量为1675m3/s；上游正常高水位为233.2m，相应的下游水位为183.5m，库容为898万m3；死水位为200m，相应的库容为42万m3。