W水库土石坝工程设计
3 土石坝设计
本章是土石坝的坝体设计部分，综合本章设计要求绘制土石坝坝体剖面图，包含基本的剖面设计，心墙设计及坝料的设计绘制和说明。
3.1 坝型选择
首先对坝型进行选择，比较重力坝、拱坝、土石坝三种坝型所要求的地形地质条件和各自的优缺点如下：
重力坝对地形、地质条件适应性强，对地质条件的要求也较拱坝低，但由于体积大，材料特性不能充分利用，水化热不易散发，温控要求高。
拱坝对基础及坝肩地质条件要求比较高，从本次设计的地质地形条件来看，修建拱坝条件不具备，因此不予考虑。
土石坝应用有以下优点：
（1）筑坝材料可以就地取材，可节省大量钢材和水泥； （2）较能适应地基变形，对地基承载的要求低； （3）结构简单，工作可靠，便于维修；
（4）施工技术成熟，便于组织机械化快速施工。而且坝址附近筑坝材料包括防渗土料充足，工程造价低。
通过上述比较，综合选择土石坝，土石坝中包括垂直心墙和斜墙形式。 土质心墙坝和斜墙坝防渗体易于与坝基垂直或水平防渗体连接，可建在较深的覆盖层上，适于各种高度的坝。一般来说，心墙坝较适于高坝，坝的剖面较小，在同一水力坡降时，土心墙剖面小于斜墙，如土料用量相同时，土心墙的水力坡降便较小，抗渗性比斜心墙较高；不论心墙的建基高程有何变化，心墙轴线总是不变，而土斜墙的中心线则是随建基高程而变；土心墙坝的施工经验多，质量易保证，防渗效果较好。心墙坝的防渗体位于坝体中央或偏上游，不均匀变形和抗震能力较强，经比较，心墙坝较斜墙坝优越。
3.2 坝体剖面设计
主要是土石坝基本剖面，包括坝高、坝宽及坝坡和心墙设计。 3.2.1 坝顶高程的确定
考虑土石坝的特点，为防止库水漫溢坝顶，坝顶在水库静水位以上应有足够的波浪超高，必须防止水在波浪的作用下漫过坝顶，根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001的相关规定，坝顶高程分别根据设计洪水位与校核洪水位按照下式计算并选取较大值：
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坝顶高程h设=设计洪水位+正常运行安全超高d设=111.68m 坝顶高程h校=校核洪水位+非常运行安全超高d校=114.49m 坝顶高程h校=正常蓄水位+地震安全加高d震=112.6m
超高公式计算推荐采用水利水电科学研究院建议公式（如下）。
d?ha?e?A
式中：ha：波浪在坝坡上的爬高且ha?0.45hlm?1n?0.6=0.02/0.028m
其中hl：设计波高，hl?0.0166V054D13=0.125/0.173m
v0：计算风速；D：吹程；m：坝坡坡率；n：坝坡护面糙率；
e：风浪引起的坝前水位雍高且e?KV2Dcos?/2gH=0.002/0.005； 其中K：综合摩阻系数，计算时取k?3.6?10?3； V：设计风速；
?：风向与坝轴线法线方向的夹角，取??0?；
H：水库水域的平均水深；取19m
A：安全加高。坝高小于50m，属中低Ⅱ坝取0.7m/1m
地震安全加高=地震涌浪加高（h）+地震附加沉陷值（s）+安全加高（A） 在震区的土石坝，要考虑振动使坝沉陷和地震造成的水面涌浪，安全超高要适当加大，因库区无滑坡地质，所以滑坡产生的涌浪不予考虑，(1) 根据《水工建筑物抗震设计规范》SL203-97的相关规定，地震涌浪加高h一般为0.5 ~1.5m，本拟建水库地震烈度为7度，坝前水深为19米，取0.7m。
(2) 地震附加沉陷值s取1.0%的最大坝高，则为0.40m (3) 安全加高A，取0.5m
综合三种情况选取最大值，确定坝顶高程为114.49m，则最大坝高为48.49m。 3.2.2 坝顶宽度的确定
坝顶宽度取决于施工、运行、构造、地震、人防等要求。根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001的相关规定，按照构造、施工、运行和抗震因素确定，如无特殊要求时，高坝顶宽可选用10~15m，中、低坝可选用为5~10m，初拟为8.0m。坝顶宽度必须满足心墙顶部及反滤层布置的需要，寒冷地带还应考虑对反滤料保护。 3.2.3 坝坡
土石坝上下游坝坡取决于坝型、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大小。根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001
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的相关规定，坝坡的选择从以下几方面考虑：
(1) 由于土石料在饱和状态下抗剪强度低，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，上游坡应比下游坡更缓。
(2) 从受载情况看，为适应愈向底部荷载逐渐增加的特征，坝坡应上陡下缓，坝高愈大坡度应愈缓。
(3) 土石坝上下游坡一般做成变坡，自上至下逐渐放缓，每隔10~20m变坡一次，相邻坡率差0.25，最末一级坝坡宜更缓些，以利于坝坡稳定。
(4) 在碾压式土石坝中用粘土筑成的坝坡，参考工程实例，上游采用堆石护坡1:2.5~1:3.0，下游采用砌石护坡1:2.25~1:2.75，各设2级马道，马道宽度2m，土石坝上下游坝坡设置马道，以拦截并排除雨水，防止严重冲刷坝面，并兼作交通、检修、观测之用，也有利于坝坡稳定。
(5) 土石坝防渗体后仍有一定量的渗水，故在坝体下游部分还必须设置排水设备。本设计采用棱体排水。棱体排水的作用：控制和引导渗流安全地排出坝外，降低坝体浸润线及孔隙水压力，增强坝坡稳定，保护下游坝坡免受冻胀破坏。棱体顶面高程应高出下游最高水位，超出高度应大于波浪爬高，并应保证坝体浸润线位于下游坝面冻层以下。棱体顶面高程设在76m处，棱体顶宽设2.0m，棱体内坡设为1：1.5，外坡设为1：2.25，为使渗流逸出坡降分布得更均匀，在棱体上游坡脚处削去锐角。（剖面图详见附件2）
3.3 心墙的设计
根据料场材料特性及运距分析，考虑经济因素，本设计防渗体采用土质防渗体，即粘土心墙防渗体，心墙中心位于坝体中心。
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001的相关规定，心墙顶高程应高出设计洪水位0.3~0.6m，且不低于校核洪水位，墙顶高程为113.46+0.4= 113.86m。
考虑到机械施工的需要，墙顶宽度应不小于3.0m，墙顶宽度取6.0m，逐渐加宽，两侧坡比为1：0.25。
心墙体底部厚度决定于土料的容许坡降[J]，应不小于H，H为计算断面的
?J?作用水头H，根据经验，容许坡降取[J]=4，H=113.46-66=47.46m。
心墙建基高程设在建基面下约5.0m处。
H心墙底部宽度29.93m>=11.87m，满足要求。底部用截水槽与地基相对不
?J?透水层连接。
心墙顶宽6m，边坡1:0.25，底宽29.93m。则截水槽边坡1:1.5，底厚4m。
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对砂砾石地基处理，主要是保证地基渗流稳定，控制渗流量处理措施采用粘土截水槽，与心墙连成整体，其上部厚度与心墙底部宽度相同，为31.96m。
H截水槽底宽：粘土与基岩结合时不小于（1~1）H，即15>=9.49m。
3553.4 防渗料的设计
3.4.1 防渗料选择的考虑因素
防渗料应有较小的渗透系数、较好的渗透稳定性和一定的塑性。粘性土一般都可用作防渗料，但膨胀土、冻土、干硬粘土、沼泽土、地表土及含有未完全分解有机质的土料不宜采用。防渗料盐类含量不得超过规范的允许值。上坝土料的含水量（水和干土的重量比）应控制在最优含水量附近，使施加相同的压实功能可获得最大干容重（单位体积干土重）。从渗流角度考虑，为使土石坝在施工期能够挡水渡汛，并在正常运用期透过上游渗水不会在坝体内积蓄，必须遵循土石坝的“上截下排”的原则，以利于坝体稳定。渗透系数不大于1×10-5cm/s，水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于2%。
用于填筑防渗体的砾石土粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，粒径在0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%，填筑时不得发生粗料集中架空现象。 3.4.2 料场的分析与防渗料的选取
坝体填筑料的分区必须满足在施工期结束之前，能拦洪挡水渡汛；在运用期应力求坝体变形量最小，且边坡稳定。各区石料的抗剪强度、压缩性、渗透性及耐久性有着不同的要求。为此，筑坝材料的分区应遵循以下原则：料场选取情况详见表4
各区坝料之间应满足水力过渡的要求，从上游向下游，坝料的渗透系数递增，相邻区下游坝料对上游区有反滤保护作用，以防止产生内部管涌和冲蚀；从上游到下游坝料变形模量可递减，以保证蓄水后坝体变形尽可能小，从而减小面板和止水系统遭到破坏的可能性；充分利用枢纽的开挖石渣，以达到经济的目的。
W水库大坝为土石坝，根据相关土工试验结果，坝区基岩以古老的花岗岩为主，岩性坚硬，比较完整，节理不甚发育，抗风化能力较强，弱风化岩单体抗压强度在750kg/cm2左右。根据土工试验结果并参照同类工程，分别确定其指标参数。
（1） 土料场
①粘土Ⅰ料场：该料场处于山麓坡地，高程76m以上，覆盖层0.6m，可采厚5~7m，距左岸上游5km，储量相对较大，运距相对较远，该料场土料颗粒最大干
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容重1.68g/cm3，压缩系数0.022，属中等压缩性土，粘粒含量35%，可塑性好，渗透系数为3.7×10-6cm/s，属品质较好的防渗土料。结论：该料场的土料工程特性都较为良好，可作为防渗材料。储量大，考虑经济因素，综合比较，选作主料场。
②粘土Ⅱ料场：该料场处于山麓坡地，高程74m以上，覆盖层厚1m，可采料厚4m左右，距右岸下游4km，储量相对较小，但运距相对较近。该料场土料颗粒最大干容重1.72g/cm3，压缩系数0.015，属中等压缩性土，粘粒含量31%，可塑性好，渗透系数为2.1×10-6cm/s，属品质较好的防渗土料。结论：该料场的土料工程特性都较为良好，可作为防渗材料。考虑经济因素，综合比较，选作备用粘土料场。
③壤土料Ⅱ料场评价：该料场位于河岸台地，地面高程75m，腐殖层厚0.3m，土层厚约6m，距左岸下游2km，便于开采，储量较大，且运距相对较近。该料场土料颗粒最大干容重1.64g/cm3，压缩系数0.018，属中等压缩性土，粘粒含量14%，渗透系数为1.9×10-5cm/s，渗透系数偏大，砂粒含量为23.5%，砂性重，不适合作为防渗料。
④粘土Ⅲ料场：该料场处于河岸坡地，高程73m以上，覆盖层0.5m，可采厚1.45m左右，距左岸下游3km，储量相对较小，且运距相对较近，不考虑作为粘土料场。
⑤壤土料Ⅲ料场评价：该料场位于河岸台地，地面高程79m，腐殖层厚0.5m，土层厚约8m，距左岸上游3km，储量大且便于开采，但运距相对较远。不考虑选作料场。
⑥壤土料Ⅰ料场评价：该料场位于河岸台地，地面高程76m，腐殖层厚0.5m，土层厚约5m，距左岸上游10km，便于开采，但运距相对最远。不考虑选作料场。
3.5 坝壳料的设计
针对给定的三个料场进行分析，设计选取坝壳料的主料场和备用料场。计算选用主料场的级配，包括d60，d30，d10等计算不均匀系数和曲率系数，分析级配。
坝壳料用来填筑坝体，支撑防渗体，保持坝坡稳定，将通过防渗体和坝基的渗水排往下游。砂、砂砾、卵砾石、碎石、石料以及从基坑挖出来的渣料经测定相关指标满足规范要求后可用作坝壳料。均匀粉细砂不易压实，遇地震易液化，应慎用。料场选取情况详见表4
⑴砂砾料场：
①砂砾卵石Ⅲ料场评价分析：该料场处于河床，地面高出枯水位1.5m，距河
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水库土石坝工程设计毕业论文
