三峽大學(xué)土石壩本科畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書目錄第一節(jié)調(diào)洪計(jì)算......................................................................................11.1調(diào)洪演算原理概述.......................................................................11.2若干假定方案調(diào)洪演算...............................................................3第二節(jié)壩頂高程計(jì)算............................................................................82.1基本計(jì)算原理及計(jì)算公式：........................................................82.1.1設(shè)計(jì)水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高.............................102.1.2正常蓄水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高........................112.1.3校核洪水位加非常運(yùn)用條件下壩頂高程........................132.2計(jì)算結(jié)果整理.............................................................................14第三章土石料設(shè)計(jì)................................................................................153.1粘性土料設(shè)計(jì).............................................................................153.1.1計(jì)算公式............................................................................153.1.2計(jì)算結(jié)果............................................................................163.1.3土料選用............................................................................173.2砂礫料設(shè)計(jì).................................................................................183.2.1計(jì)算公式............................................................................183.2.2計(jì)算成果............................................................................183.2.3砂礫料選用........................................................................22第四章滲流計(jì)算....................................................................................234.1計(jì)算方法.....................................................................................234.2計(jì)算斷面與計(jì)算情況.................................................................244.2.11-1斷面...........................................................................244.2.22-2斷面...........................................................................254.2.33-3斷面...........................................................................27第五章土石壩邊坡穩(wěn)定分析................................................................285.1計(jì)算方法概述.............................................................................295.2工況選擇與穩(wěn)定計(jì)算成果分析..................................................30第六章土石壩細(xì)部結(jié)構(gòu)計(jì)算................................................................326.1土石壩反濾層設(shè)計(jì)計(jì)算.............................................................326.1.1防滲體反濾層....................................................................326.1.2壩殼與棱體排水，以及地基與棱體排水之間反濾層設(shè)計(jì)336.2土石壩護(hù)坡設(shè)計(jì).........................................................................34第七章泄水建筑物有關(guān)計(jì)算................................................................347.1隧洞有關(guān)水力計(jì)算.....................................................................357.1.1進(jìn)口堰面曲線部分............................................................357.1.2隧洞水力計(jì)算部分............................................................357.1.3隧洞水面曲線計(jì)算過程....................................................367.2隧洞有關(guān)尺寸確定.....................................................................407.2.1出口處斷面部分................................................................417.2.2收縮斷面部分：..............................................................417.2.3出口擴(kuò)散段部分：............................................................417.3出口消能驗(yàn)算.............................................................................427.3.1坎頂水深試算..................................................................427.3.2挑距計(jì)算.............................................................................42第一節(jié)調(diào)洪計(jì)算主要建筑物級別是2級，次要建筑物級別是3級，臨時(shí)建筑物級別是4級。永久建筑物洪水標(biāo)準(zhǔn)：正常運(yùn)用（設(shè)計(jì)）洪水重現(xiàn)期是100年；非常運(yùn)用（校核）洪水重現(xiàn)期是2000年。設(shè)計(jì)洪峰流量Q設(shè)=1680m3/s（P=1%）校核洪峰流量Q校=2320m3/s（P=0.05%）。1.1調(diào)洪演算原理概述用以峰控制同倍比放大法對典型洪水過程線進(jìn)行放大，可以得出設(shè)計(jì)與校核洪水過程線.單位洪水過程線中，洪峰流量為110m3/s,設(shè)計(jì)洪峰流量為1680m3/s，校核洪峰流量為2320m3/s，繼而得出對應(yīng)洪水過程線，計(jì)算結(jié)果如下表1-1-1，表1-1-2所示：表1-1-1設(shè)計(jì)洪水過程線流量1表1-1-2校核洪水過程線流量表1-1-3水庫高程～容積～面積表21.2若干假定方案調(diào)洪演算可以擬定幾組不同孔口寬度B和堰頂高程方案。堰頂自由泄流公式Q=σm?（2g）1/2H3/2可確定設(shè)計(jì)洪水與校核洪水情況下起調(diào)流量Q調(diào)，自Q調(diào)開始，假定三條四條或泄洪過程線，在洪水過程線上可以查出Q泄，然后求出相應(yīng)蓄水庫容V。根據(jù)庫容水位關(guān)系曲線可得相應(yīng)庫水位H，由三組（Q泄，H）繪制Q～H曲線與由Q=σm?（2g）1/2H3/2繪制Q～H曲線相交，所得交點(diǎn)即為所要求下泄流量及相應(yīng)水位。1.2.1方案一：?I=2816m,B=8m算出起調(diào)流量Q=Bm?(2g)1/2H3/2=0.86×0.502×2?9.81×7.23/2=339.51m3/s，側(cè)收縮系數(shù)??1?0.2[(n?1)?0??k]頭),n=1,故ε=0.86。1.2.1.1設(shè)計(jì)洪水情況Q設(shè)=1680m3/s,計(jì)算圖如下：H0，H0/B>1時(shí)取1,ξk=0.7(圓弧墩B圖1-2-2設(shè)計(jì)情況3Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄457.86m3/s，H=2825.01m,如圖1-2-1所示。1.2.2.2校核洪水情況Q校=2320m3/s,計(jì)算圖如下：圖1-2-2校核情況4Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄=546.03m3/s，H=2826.63m。1.2.2方案二：?I=2815m,B=7m32算出起調(diào)流量Q=Bm?(2g)H=0.86×0.502×2?9.81×8.2=358.419Hm3/s，側(cè)收縮系數(shù)??1?0.2[(n?1)?0??k]0，H0/B>1時(shí)取1,ξk=0.7(圓弧墩B頭),n=1,故ε=0.86。1.2.2.1設(shè)計(jì)洪水情況Q設(shè)=1680m3/s,計(jì)算圖如下：1/23/2圖1-2-3設(shè)計(jì)情況Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄==464.99m3/s，H=2824.96m,如圖1-2-1所示。51.2.2.2校核洪水情況Q校=2320m3/s,計(jì)算圖如下：圖1-2-4校核情況Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄=544.23m3/s，H=2826.15m。1.2.3方案三：?I=2816m,B=7m起調(diào)流量Q=Bm?(2g)1/2H3/2=0.86×0.502×7×2?9.81×7.23/2=302.58m3/s,側(cè)收縮系數(shù)??1?0.2[(n?1)?0??k]ε=0.86.。1.2.3.1設(shè)計(jì)洪水情況Q設(shè)=1680m3/s，計(jì)算圖如下：圖1-2-5設(shè)計(jì)情況H0，H0/B>1時(shí)取1,ξk=0.7(圓弧墩頭),n=1,故B6Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄418.608m3/s，H=2825.209m，如圖1-2-3所示。1.2.3.2校核洪水情況Q校=2320m3/s，計(jì)算圖如下：圖1-2-6校核情況7Q～H曲線與Q=Bm?(2g)1/2H3/2交點(diǎn)為：Q泄=495.260m3/s，H=2826.418m。1.3計(jì)算結(jié)果通過比較，只有方案三符合設(shè)計(jì)要求，最終選擇方案三即?∩=2816m,B=7m。設(shè)計(jì)洪水時(shí)：Q泄=418.608m3/s，H=2825.609m；校核洪水時(shí)：Q=495.260m3/s，H=2826.418m。泄第二節(jié)壩頂高程計(jì)算2.1基本計(jì)算原理及計(jì)算公式：由《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》中式（5.3.1）可知，壩頂在水庫靜水位以上超高按下式2-1確定：Y=R+e+A（2-1）式中：Y——壩頂超高，m；R——最大波浪在壩坡上爬高，m。（當(dāng)來波波向線與壩軸線法線成夾角時(shí)波浪爬高等于按正向來波計(jì)算爬高值乘以折減系數(shù)Kβ，Kβ應(yīng)按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》表A.1.15確定，插值得Kβ=0.95，用R=Kβ×R1%=0.95×R1%）e——最大風(fēng)壅水面高度；A——安全超高。該壩為二級建筑物，設(shè)計(jì)時(shí)取A=1.0，校核時(shí)取A=0.5。波浪平均波高和平均波周期宜采用官廳公式(W<20m/s，D<20000m)如下式2-2：8?（2-2）式中：hm——平均波高，mTm——平均波周期，sD——風(fēng)區(qū)長度，kmHm——水域平均水深，mW——計(jì)算風(fēng)速，m/s。正常運(yùn)用條件下2級壩，采用多年平均年最大風(fēng)速1.5~2.0倍；非常運(yùn)用條件下，采用多年平均年最大風(fēng)速。風(fēng)壅高度可按下式2-3計(jì)算?（2-3）式中：e——計(jì)算處風(fēng)壅水面高度，m；D——風(fēng)區(qū)長度，m；K——綜合摩阻系數(shù)，取3.6×10-6；β——計(jì)算風(fēng)向與壩軸線夾角22.5°(以8個方位角為準(zhǔn)，偏差在±22.5°)，為了使壩高取高更合理，取22.5°。設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%爬高值。當(dāng)m=1.5~5.0時(shí)，正向來波在單坡上平均波浪爬高可按下式2-4或有關(guān)規(guī)定計(jì)算：式中：Rm——平均波浪爬高，mm——單坡坡度系數(shù)，若坡角為α，即等于cotα；K△——斜坡糙率滲透系數(shù)，根據(jù)護(hù)面類型由表A.1.12-1查得，砌石護(hù)坡為0.75~0.8，取0.78；9Kw——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按表A.1.12-2查得，W/(gH)0.5<1，查得為1.0。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》5.3.3條，壩頂高程等于水庫靜水位與壩頂超高之和，應(yīng)按以下運(yùn)用條件計(jì)算，取其最大值：設(shè)計(jì)水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高；正常蓄水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高；校核洪水位加非常運(yùn)用條件下壩頂超高；正常蓄水位加非常運(yùn)用條件下壩頂超高。2.1.1設(shè)計(jì)水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高吹程D=15km，洪水期實(shí)測最大風(fēng)速為14m/s，計(jì)算風(fēng)速W=1.5×14=21m/s，壩前水深Hm=2825.609-2750=75.609m，β=22.5°，按下式計(jì)算：gD/W2=9.81*15000/21=333.673gh/W2=0.0076W-1/122(gD/W2)1/3=0.0076*(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387mgLm/W2=0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331*(21)-1/12(333.673)1/3=0.3782Lm=17.0019mgD/W2=333.673?(250，1000),h為累積頻率10%波高h(yuǎn)10%查《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》表A.1.8，得hm=hp/1.71，得hm=1.07526m由莆田試驗(yàn)站平均波周期公式，Tm=4.438×1.07526=4.602s2.1.1.1風(fēng)壅高度可按公式計(jì)算:100.5=[3.6×10×21×15000×cos(22.5°)]/(2×9.81×75.609)=0.014832.1.1.2波浪爬高設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%爬高值。正向來波在單坡上平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計(jì)算：m=1.5~5.0，m=2.5-62=0.78×1.0×(17.00191╳1.07526)/(1+2.5)=1.2386m大壩等級為2級，hm/H<0.1查規(guī)范1﹪?yán)鄯e頻率下爬高與平均爬高比值Rp/Rm=2.23R1%=2.23×1.2386=2.762078m壩頂在水庫靜水位以上超高按下式確定：y?0.95R?e?A=0.95*2.762078+0.01483+1.0=3.6388041m壩頂高程2825.609+3.6388041=2829.247804m壩高2829.247804-2750=79.2478m為預(yù)防壩體竣工后沉陷，預(yù)留0.3%壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+1.003×79.2478=2829.2478m2.1.2正常蓄水位加正常運(yùn)用條件下壩頂超高吹程D=15km，洪水期實(shí)測最大風(fēng)速為14m/s，計(jì)算風(fēng)速W=21m/s，壩前水深Hm=2823.2-2750=73.2m，β=22.5°，按下式計(jì)算：gD/W2=9.81*15000/212=333.673gh/W2=0.0076W-1/120.520.5(gD/W2)1/311=0.0076*(21)-1/12(333.673)1/3=0.040901h10%=1.8387mgLm/W2=0.331W-1/2.15(gD/W2)1/3.75=0.331*(21)-1/12(333.673)1/3=0.3782Lm=17.0019mgD/W2=333.673?(250，1000),h為累積頻率10%波高h(yuǎn)10%查《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》表A.1.8，得hm=hp/1.71，得hm=1.07526m由莆田試驗(yàn)站平均波周期公式，Tm=4.438×1.07526=4.602s2.1.2.1風(fēng)壅高度可按公式計(jì)算:0.5=[3.6×10×21×15000×cos(22.5°)]/(2×9.81×73.2)=0.0153m2.1.2.2波浪爬高設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%爬高值。正向來波在單坡上平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計(jì)算：m=1.5~5.0，m=2.5-62=0.78×1.0×(17.00191╳1.07526)/(1+2.5)=1.2386m大壩等級為2級，hm/H<0.1查規(guī)范1﹪?yán)鄯e頻率下爬高與平均爬高比值Rp/Rm=2.23R1%=2.23×1.2386=2.762078m壩頂在水庫靜水位以上超高按下式確定：y?0.95R?e?A=0.95*2.762078+0.0153+1.0=3.6392741m120.520.5壩頂高程2823.2+3.6392741=2826.839274m壩高2826.839274-2750=76.8392741m為預(yù)防壩體竣工后沉陷，預(yù)留0.3%壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+1.003×76.8392741=2827.0698m2.1.3校核洪水位加非常運(yùn)用條件下壩頂高程吹程D=15km，計(jì)算風(fēng)速W=14m/s，壩前水深Hm=2826.418-2750=76.418m，β=22.5°，按下式計(jì)算：gD/W2=9.81*15000/142=750.765gh/W2=0.0076W-1/12(gD/W2)1/3=0.0076*(14)-1/12(750.765)1/3=0.055438h10%=1.107622mgLm/W2=0.331W-1/2.15(gD/W)1/3.752=0.331*(14)-1/12(750.765)1/3=0.56695Lm=11.32744mgD/W2=750.765?(250，1000),h為累積頻率10%波高h(yuǎn)10%查《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范SL274——2001》表A.1.8，得hm=hp/1.71，得hm=0.64773m由莆田試驗(yàn)站平均波周期公式，Tm=4.438×0.64773=3.572s2.1.3.1風(fēng)壅高度可按公式計(jì)算:0.5=[3.6×10×14×15000×cos(22.5°)]/(2×9.81×76.418)13-62=0.0065215m2.1.3.2波浪爬高設(shè)計(jì)波浪爬高值應(yīng)根據(jù)工程等級確定，2級壩采用累積頻率為1%爬高值。正向來波在單坡上平均波浪爬高可按下式或有關(guān)規(guī)定計(jì)算：m=1.5~5.0，m=2.5=0.78×1.0×(11.32744╳0.64773)/(1+2.5)=0.7847m大壩等級為2級，hm/H<0.1查規(guī)范1﹪?yán)鄯e頻率下爬高與平均爬高比值Rp/Rm=2.23R1%=2.23×0.7847=1.7498m壩頂在水庫靜水位以上超高按下式確定：y?0.951R?e?A=0.951*1.7498+0.0065215+0.5=2.1705813m壩頂高程2826.418+2.1705813=2828.588581m壩高2828.588581-2750=78.5885813m為預(yù)防壩體竣工后沉陷，預(yù)留0.3%壩高。壩高+0.3%沉陷=2750+1.003×78.5885813=2828.824347m0.520.52.2計(jì)算結(jié)果整理此計(jì)算過程中采用了Excel，在此工具中直接輸入上述公式，然后帶入數(shù)據(jù)即得以下結(jié)果，如表2-2所示：表2-2官廳公式計(jì)算壩高結(jié)果整理14壩頂高程最終定為2830米，壩高80米。第三章土石料設(shè)計(jì)3.1粘性土料設(shè)計(jì)3.1.1計(jì)算公式粘性土料填筑密度以壓實(shí)干容重為設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且按壓實(shí)度確定，如式3-1：P（3-1）式中：P——填土壓實(shí)度；?d——設(shè)計(jì)填筑干容重；15??d/?dmax?dmax——標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最大干容重。對Ⅰ、Ⅱ級壩及各種等級高壩P應(yīng)不低于0.98～1.00，取0.99；對Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級壩（高壩除外）應(yīng)不低于0.96～0.98。設(shè)計(jì)最優(yōu)含水量取在塑限附近并略高于塑限，可用下式3-2擬定：式中：w——土料天然含水率；wp——土料塑限含水量，以小數(shù)計(jì)Ip——土料塑性指數(shù)，以小數(shù)計(jì)；IL土料液性指數(shù)，亦稱稠度，高壩可取-0.01～0.1，低壩可取0.10～0.20。粘性土料實(shí)際所能達(dá)到最大干容重如式3-3示：式中：Va——壓實(shí)土體單位體積中含氣率，粘土0.05，壤土0.04，砂壤土0.03；?s——土粒容重；wt——填筑含水量。要乘以P才可作為設(shè)計(jì)干容重。再用下式3-4校核式中:?d——設(shè)計(jì)干容重；(?d)o——土場自然干容重。3.1.2計(jì)算結(jié)果粘性土料設(shè)計(jì)計(jì)算成果見表3-1及3-1（續(xù)）。依據(jù)這些指標(biāo)來判斷需要選擇哪個料場。16表3-1粘性土料設(shè)計(jì)成果表表3-1（續(xù)）粘性土料設(shè)計(jì)成果表3.1.3土料選用上下游共有5個粘土料場，儲量豐富。因地理位置不同，各料場物理性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)也存在一定差異，土料采用以“近而好”為原則。粘粒含量為15%～40%之間，均滿足。規(guī)范指出粘土滲透系數(shù)小于10×10-6cm/s,所有料場均滿足要求?？扇茺}含量都不大于3%，1#上有機(jī)質(zhì)的含量為2.20%，大于規(guī)定2%，故不予采用。2#下和2#上塑性指數(shù)大于20%和液限大于40%，根據(jù)規(guī)范不能作為壩防滲體材料。3#下滲透系數(shù)比1#下小，防滲性能好，最大干容重比1#下大，壓縮性能好，且3#下填筑含水量比天然含水量大,施工時(shí)只需要加水，故選3#下為主料場，1#下為輔助及備用料場。173.2砂礫料設(shè)計(jì)3.2.1計(jì)算公式壩殼砂礫料填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)以相對密實(shí)度表示如下式3-5所示:式中符號意義如下所示，emax為最大孔隙比0.7857；emin為最小孔隙比0.36986（nmax=0.44，nmin=0.27，e=n/（1-n））；e為填筑砂、砂卵石或地基原狀砂、砂卵石的孔隙比；rd為填筑砂、砂卵石或原狀砂、砂卵石干容重。設(shè)計(jì)相對密實(shí)度Dr的要求不低于0.70～0.75；地震情況下，浸潤線以下的土體按設(shè)計(jì)烈度大小Dr不低于0.75～0.80。3.2.2計(jì)算成果砂礫料計(jì)算成果見表3-2，表3-3和表3-3續(xù)。表3-2相對密實(shí)度Dr計(jì)算18表3-3砂礫料計(jì)算成果匯總表表3-3續(xù)砂礫料計(jì)算成果匯總表19繪出各沙石料場級配曲線如下圖3-1所示：1#上料場砂礫石級配曲線1#下料場砂礫石級配曲線202#上料場砂礫石級配曲線2#下料場砂礫石級配曲線3#上料場砂礫石級配曲線213#下料場砂礫石級配曲線4#料場砂礫石級配曲線4#下砂礫石級配曲線3.2.3砂礫料選用土石壩壩殼砂礫石材料主要的目的為了保持壩體穩(wěn)定性，要求有較高強(qiáng)度。根據(jù)規(guī)范里面的要求砂礫石相對密實(shí)度Dr要求不低于0.75，上述料場中只有223#上和4#上料場滿足要求，其余料場不符合要求不予采用。下游的壩殼水下部位和上游壩殼水位變動區(qū)宜有較高透水性，且具有抗?jié)B和抗震穩(wěn)定性，應(yīng)優(yōu)先選用不均勻和連續(xù)級配砂石料。認(rèn)為不均勻系數(shù)η=30～100時(shí)較易壓實(shí)，Cu<5～10時(shí)則壓實(shí)性能不好。而3#上料場砂礫料不均勻系數(shù)Cu=25＜30,不滿足要求，從顆粒級配曲線上也可以看出，4#上料場砂礫料顆粒級配較好，物理力學(xué)指標(biāo)也較高，可優(yōu)先使用，故選擇4#料場作為砂礫料主料場。第四章滲流計(jì)算土石壩滲流計(jì)算應(yīng)該包括以下幾點(diǎn)內(nèi)容:確定壩體浸潤線及其下游出逸點(diǎn)位置，繪制壩體及其壩基內(nèi)等勢線分布圖或流網(wǎng)圖；確定壩體與壩基滲流量；確定壩坡出逸段與下游壩基表面出逸比降，以及不同土層之間滲透比降；確定庫水位降落時(shí)上游壩坡內(nèi)浸潤線位置空隙壓力；確定壩肩等勢線、滲流量和滲透比降。滲流計(jì)算應(yīng)包括以下水位組合情況：(1)上游正常蓄水位與下游相應(yīng)最低水位；(2)上游設(shè)計(jì)水位與下游相應(yīng)水位；(3)上游校核水位與下游相應(yīng)水位。4.1計(jì)算方法根據(jù)壩體內(nèi)部各部分滲流狀況特點(diǎn)，可以將壩體分為若干段。運(yùn)用水力學(xué)方法解決土壩滲流問題。根據(jù)達(dá)西定律近似解土石壩滲流問題。在計(jì)算中假定任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)滲透坡降相等。計(jì)算簡圖見圖4-1。通過防滲體流量如式4-1示：通過防滲體后流量如式4-2示：234.2計(jì)算斷面與計(jì)算情況對河床中間斷面1-1以及左右岸坡段各一斷面2-2、3-3三個典型斷面進(jìn)行滲流計(jì)算，參見圖4-1，4-2，4-3，計(jì)算按正常蓄水，設(shè)計(jì)洪水和校核洪水三種情況進(jìn)行。4.2.11-1斷面：4.2.1.1正常蓄水位+相應(yīng)下游水位正常蓄水位2823.2m，下游相應(yīng)最低水位為2752.2m（由滿發(fā)流量44.1m3/s確定）。k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2823.2-2750=73.2m，H2=2752.22750=2.2m，T=31.172m，δ1=0.8m，δ=?上??下2=20m，L1=168.75m，L=176mq1=3×10-8(73.22-h2)/(2×20)+1×10-11(73.2-h)×31.172/0.8q2=2×10-4(h2-2.22)/(2×168.75)+2×10-4(h-2.2)×31.172/(176+0.44×31.172)由q1=q2計(jì)算得：q=3.983×10-6m3/m.s,h=2.3167m4.2.1.2設(shè)計(jì)水位與下游相應(yīng)水位設(shè)計(jì)洪水位2825.609m，下游相應(yīng)最低水位查得為2755m。24k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10-2cm/s，kT取2.0×10-2cm/s，H1=2825.609-2750=75.609m，H2=2755-2750=5m，T=31.172m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=20m，L1=172.5m，L=176mq1=3×10-8(75.6092-h2)/(2×20)+1×10-11(75.609-h)×31.172/0.8q2=2×10-4(h2-52)/(2×172.5)+2×10-4(h-5)×31.172/(176+0.44×31.172)由q1=q2計(jì)算得：q=4.094×10-6m3/m.s,h=5.412m4.2.1.3校核水位與下游相應(yīng)水位校核洪水位2826.418m，下游相應(yīng)最低水位查得為2755.4m。k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2-6-9cm/s，H1=2826.418-2750=76.418m，H2=2755.4-2750=5.4m，T=31.172m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=20m，L1=173.1m，L=176mq1=3×10-8(76.4182-h2)/(2×20)+1×10-11(76.418-h)×31.172/0.8q2=2×10-4(h2-5.42)/(2×173.1)+2×10-4(h-5.4)×31.172/(176+0.44×31.172)由q1=q2計(jì)算得：q=4.2×10-6m3/m.s,h=5.5699m4.2.22-2斷面：上游壩底高程取在2803.13m處，下游壩底高程取在2753m處，由于心墻為主要防25滲體，經(jīng)簡化近似等效為上下游壩底高程均在心墻底高程，即2790m，壩與地基接觸面近似為一水平面，覆蓋層深28.031m。4.2.2.1正常蓄水位+相應(yīng)下游水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2823.2-2750=73.2m，H2=2752.2-2750=2.2m，T=28.031m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=12.2m，L1=91.49m，L=101.24mq1=3×10-8(73.22-h2)/(2×12.2)+1×10-11(73.2-h)×28.031/0.8q2=2×10-4(h2-2.22)/(2×91.49)+2×10-4(h-2.2)×28.031/(101.24+0.44×28.031)由q1=q2，計(jì)算得：q=1.403×10-6m3/m.s,h=0.025746m4.2.2.2設(shè)計(jì)水位與下游相應(yīng)水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2825.609-2750=75.609m，H2=2750-2750=5m，T=28.031m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=12.2m，L1=91.49m，L=101.24mq1=3×10-8(72.82-h2)/(2×12.2)+1×10-11(72.8-h)×28.031/0.8q2=2×10-4(h2-52)/(2×91.49)+2×10-4(h-5)×28.031/(101.24+0.44×28.031)由q1=q2，計(jì)算得：q=1.503×10-6m3/m.s,h=0.0276m4.2.2.3校核水位與下游相應(yīng)水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2826.418-2750=76.418m，H2=2755.4-2750=5.4m，T=28.031m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=12.2m，L1=91.49m，L=101.24mq1=3×10-8(76.4182-h2)/(2×12.2)+1×10-11(76.418-h)×28.031/0.8q2=2×10-4(h2-5.42)/(2×91.49)+2×10-4(h-5.4)×28.031/(101.24+0.44×28.031)由q1=q2，計(jì)算得：q=1.587×10-6m3/m.s,h=0.029m264.2.33-3斷面：圖4-3壩體右斷面上游壩底高程取在2750處，下游壩底高程取在2815.3034處，由于心墻為主要防滲體，經(jīng)簡化近似等效為上下游壩底高程均在心墻底高程，即2800m，壩與地基接觸面近似為一水平面，滲徑最遠(yuǎn)到壩址處，覆蓋層深14.277m。4.2.3.1正常蓄水位+相應(yīng)下游水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2823.2-2750=73.2m，H2=2752.2-2750=2.2m，T=14.273m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=10m，L1=62.45m，L=68.37mq1=3×10-8(72.82-h2)/(2×10)+1×10-11(73.2-h)×14.273/0.8q2=2×10-4(h2-2.22)/(2×62.45)+2×10-4(h-2.2)×14.273/(68.37+0.44×14.273)由q1=q2，計(jì)算得：q=1.787×10-6m3/m.s,h=0.1446m4.2.3.2設(shè)計(jì)水位與下游相應(yīng)水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2825.609-2750=75.609m，H2=2755-2750=5m，T=14.273m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=10m，L1=62.45m，L=68.37mq1=3×10-8(75.6092-h2)/(2×10)+1×10-11(75.609-h)×14.273/0.827q2=2×10-4(h2-52)/(2×62.45)+2×10-4(h-5)×14.273/(68.37+0.44×14.273)由q1=q2，計(jì)算得：q=1.921×10-6m3/m.s,h=0.1552m4.2.3.3校核洪水位與下游相應(yīng)水位k=3.0?10cm/s，k2=1×10cm/s，k1=2.0×10cm/s，kT取2.0×10-6-9-2-2cm/s，H1=2826.418-2750=76.418m，H2=2755.4-2750=5.4m，T=14.273m，δ1=0.8m，δ=（?上??下）/2=10m，L1=62.45m，L=68.37mq1=3×10-8(76.4182-h2)/(2×10)+1×10-11(76.418-h)×14.273/0.8q2=2×10-4(h2-5.42)/(2×62.45)+2×10-4(h-5.4)×14.273/(68.37+0.44×14.273)由q1=q2，計(jì)算得：q=2.032×10-6m3/m.s,h=0.164m結(jié)果整理如下表所示：表4-1滲流計(jì)算結(jié)果匯總表第五章土石壩邊坡穩(wěn)定分析土石壩在自重、水荷載、滲透壓力和地震荷載等作用下，若剖面尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)或壩體、壩基土料抗剪強(qiáng)度不足，壩體甚至壩體連同壩基都有可能發(fā)生失穩(wěn)。本設(shè)計(jì)中穩(wěn)定分析，主要指邊坡抗滑穩(wěn)定。穩(wěn)定分析計(jì)算目在于分28析壩坡在各種不同工作條件下可能產(chǎn)生失穩(wěn)形式，校核其穩(wěn)定性是否符合要求。5.1計(jì)算方法概述假設(shè)滑動面只在壩殼中，而心墻不連同壩殼一起滑動這樣可以在編程中作為坐標(biāo)確定標(biāo)準(zhǔn)，如圖5-1所示。初始安全系數(shù)假定為3.00，當(dāng)滿足判斷條件并且安全系數(shù)小于上次取出安全系數(shù)，取出安全系數(shù)，并繪出最危險(xiǎn)滑動面。三個點(diǎn)坐標(biāo)加安全系數(shù)計(jì)算循環(huán)。這樣，程序總共有4層循環(huán)嵌套。計(jì)算簡圖如下5-1及圖5-2。計(jì)算公式如下式5-129P1=W1*sin(α1)-0.74*w1×cos(α1)/kcP2=w2×cos(α2)×0.74/kc-w2×sin(α2)/[cos(α1-α2)-sin(α1-α2)/kc]注：4上料場天然休止角為?=36.5°，tan?=0.74）滑動面上抗剪強(qiáng)度利用充分程度應(yīng)該是一樣，其安全系數(shù)表達(dá)方式為式5-2：式中:Fs即為安全系數(shù)，tanΨ1為試驗(yàn)得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。圖中0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平壩坡向?yàn)閄軸，豎直向上為Y軸建立直角坐標(biāo)系統(tǒng)。假設(shè)滑動面三點(diǎn)A、D、C（據(jù)一定步長來確定這三點(diǎn)坐標(biāo)），滑動面不會切到心墻。其中A點(diǎn)在壩腳斜坡面上移動，但不會到達(dá)壩頂，D點(diǎn)為折坡點(diǎn)，C點(diǎn)在壩體計(jì)算那一面表面上移動，可以到達(dá)壩頂，但不會移動到壩體另一側(cè)。其他字母如圖所示。計(jì)算中把滑動土體ADC（構(gòu)成滑動面）分成兩個滑塊，Pi為相鄰兩土體滑面上作用力。計(jì)算時(shí)先假設(shè)不同安全系數(shù)Fs，從第一條土塊平衡條件中求出P1,然后求出第二塊P2,看求出是否滿足P1=P2，如不平衡則重新假定安全系數(shù)，重復(fù)上述步驟，直到為滿足，此時(shí)Fs即為該滑動面安全系數(shù)。多次計(jì)算求Fs最小值，對應(yīng)滑動面即為最危險(xiǎn)滑動面。其中，在下游水位以上土體所受重力，用面積乘以天然容重，在下游水位以下，由于浮力作用，所以乘以浮容重得到。Qij為水平地震慣性力，其值為慣性系數(shù)aij乘以相應(yīng)土體重量，所有力都可以簡化到形心處，編程中只考慮力平衡，不考慮力矩平衡。為簡化程序起見，還作了以下假定：滑面ED、PQ鉛直，條間力Pi，作用方向總是和上一個土體平行。這些假定會對計(jì)算結(jié)果精確度產(chǎn)生一定影響，但總體影響不是太大，近似計(jì)算中可以忽略。本程序采用VB編程，當(dāng)滿足判斷條件P1=P2.5.2工況選擇與穩(wěn)定計(jì)算成果分析主要建筑物土壩等級為Ⅱ級，查規(guī)范可知其壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足30以下條件：正常運(yùn)用條件下不低于1.35，非常運(yùn)用條件Ⅰ時(shí)不低于1.25，非常運(yùn)用條件Ⅱ時(shí)不低于1.15。穩(wěn)定計(jì)算中需選取不利工況和不利部位進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，本設(shè)計(jì)中對上下游坡分別計(jì)算以下幾種工況下安全系數(shù)：5.2.1上游坡5.2.1.1施工期水位在1/3壩高處水深H=26.67m，水位26.67m，坡度1：2.775時(shí)，安全系數(shù)為1.95。5.2.1.2穩(wěn)定滲流期水位H=73.2m，坡度1:2.775時(shí)，安全系數(shù)為1.93。5.2.1.3水位驟降到死水位2796m水位H=46m，坡度1:2.6731時(shí)，安全系數(shù)為1.93。5.2.1.4正常蓄水位2823.2m+地震水位H=73.2m，坡度1:2.6731時(shí)，安全系數(shù)為1.62。5.2.2下游坡5.2.2.1施工期水位在1/3壩高處水深H=26.67m，水位0m，坡度1：2.5時(shí)，安全系數(shù)為1.78。5.2.2.2穩(wěn)定滲流期水位2.2m，坡度1:2.5時(shí)，安全系數(shù)為1.78。5.2.2.3正常蓄水位2822.8m+地震水位2.2m，坡度1:2.5時(shí)，安全系數(shù)為1.50。31第六章土石壩細(xì)部結(jié)構(gòu)計(jì)算6.1土石壩反濾層設(shè)計(jì)計(jì)算反濾層設(shè)計(jì)要滿足兩個條件：（1）濾土要求；（2）排水要求。6.1.1防滲體反濾層按照規(guī)范，被保護(hù)土是粘性土，小于0.075mm顆粒含量70.6%，在40%到85%之間。按下式6-1，6-2判斷由濾土要求：D15≦0.7mm(6-1)由排水要求：D15(6-2)查得3#下料場粘土料0.005mm以下部分為37.6%,故4d15一定小于0.1mm,即D15應(yīng)在0.1mm～0.7mm之間。第一層反濾料從已探明料場中可以選擇1#下即可,1#下d15=0.537032mm,1#下d10=0.38mm.而d15在0.1mm到0.7mm之間,故d10上包線可能為<0.5mm或0.5mm～1.0m。根據(jù)不分離要求下包線D90與上包線D10有一定關(guān)系,查規(guī)范D90下限可能為20mm或25mm.1#下料場d90為81.28305mm,滿足要求。第一層反濾層與壩殼之間,壩殼無粘性土，不均勻系數(shù)為Cu=37.15≧5～8，按規(guī)范要求取5mm以下細(xì)顆粒（滿足Cu<5)d85,d15作為計(jì)算粒≧4d15,D15≧0.1mm32徑,d15=0.562341mm,d85=2.36592mm,須滿足下列判別式6-3，6-4:D15/d85≦4-5(6-3)D15/d15≧5(6-4)D15/d15=0.537032/0.562341=0.95499≤4～5,符合要求；D15/d85=0.537032/2.36592=0.2296865≤5,不滿足要求。故一道反濾層不滿足反濾要求，需要設(shè)置第二層反濾層。這時(shí)壩殼和第一道反濾層為被保護(hù)土,而著不均勻系數(shù)分別為37.15,46.77,均大于5～8,故均用小于5mm部分d15，d85為計(jì)算粒徑,由壩殼與棱體排水，以及地基與棱體排水之間反濾層設(shè)計(jì)得保護(hù)壩殼D15在2.811705mm～9.46368mm之間.第一層反濾層用1#下料場砂石料,小于5mm部分d15=0.295121mm,d85=2.754229mm,故D15<4～5×2.754229=11.0169mm～13.771mm,D15>5×0.295121=1.475605mm,這兩個范圍已有料場均不滿足,故自行配置,選D15=5mm,滿足壩殼和第一層反濾層共同要求.按D15-d15水平距離將1#下料場5mm以下顆粒級配曲線平移得第2層反濾層級配曲線,得配置出反濾層Cu=D60/D10=25.70396/4.120975=6.237348<5～8,不用選5mm以下部分D15,即D15=5mm即位所求.自行配置第二層反濾層級配曲線,不同粒徑顆粒百分比如下表6-1所示。6.1.2壩殼與棱體排水，以及地基與棱體排水之間反濾層設(shè)計(jì)反濾層所保護(hù)為無粘性土，不均勻系數(shù)為Cu=37.15≧5～8，按規(guī)范要求取5mm以下細(xì)顆粒（滿足Cu?5)d85,d15作為計(jì)算粒徑。第一層反濾層級配要滿足式6-3及6-4，即：D15/d85≦4-5;D15/d15≧54#上料場5mm以下細(xì)顆粒（滿足Cu?5）部分d15=0.562341mm，d85=2.36592mm。由這兩個條件可以求得D15≧2.8117mm，D15≦9.46368mm～3311.83mm。在料場中沒有合適土料可供使用，故需要人工配置。取D15=5mm.將4#上料場小于5mm部分級配曲線按D15-d15距離水平平移即得自行配置第一層反濾層級配曲線,不同粒徑顆粒百分比如下表6-2所示：6.2土石壩護(hù)坡設(shè)計(jì)本工程采用開挖出石料作為護(hù)坡材料，砌石護(hù)坡在最大浪壓力下所需要球形直徑和質(zhì)量，平均粒徑平均質(zhì)量和厚度計(jì)算按式6-5計(jì)算：由于護(hù)坡伸至死水位下6米,即自壩頂?shù)?790m高程,未到變坡處,m=2.75，查規(guī)范附錄A表A-2-1,插值得Kt=1.35，hp是累計(jì)頻率5%波高正常設(shè)計(jì)情況。hm/Hm<0.1，h5%=1.95hm,hm=1.07525m。故h5%=1.07525×1.95=2.0967375m,Lm=17.00151m。本工程采用開挖出石料作為護(hù)坡材料，可采用開挖半風(fēng)化玄武巖為護(hù)坡材料，干容重γd=29.6KN/m3，故ρk=29.6/9.81=3.017t/m3，求得D=0.319m。質(zhì)量為：Q=0.85Q50=0.525ρKD3=0.052t厚度為：Lm/hp=17.00151/2.0967375=8.10874<15t=1.67D/Kt,Kt=1.35t=1.67╳0.319/1.35=0.39m，取40cm。下游為草皮護(hù)坡，下面鋪種植土厚度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取20cm。第七章泄水建筑物有關(guān)計(jì)算347.1隧洞有關(guān)水力計(jì)算7.1.1進(jìn)口堰面曲線部分（以堰頂為坐標(biāo)原點(diǎn)）采用WES型堰面曲線，壩面鉛直，方程如式7-1：式中：Hd——定型設(shè)計(jì)水頭，低堰按堰頂最大作用水頭Hmax65%～85%計(jì)算，K，n——與上游面有關(guān)系數(shù)和指數(shù)，當(dāng)壩面鉛直時(shí)，K=2.0，n=1.85。Hd＝（2826.418-2816）×（65%～85%）=6.7717m～8.855m，取Hd＝8m。即曲線方程為：Х1.85=2.0Hd0.85Y=11.713y采用平板門，設(shè)在進(jìn)口處，閘門寬8.5m。正常蓄水位時(shí)：Hm=1.07525m，校核洪水位時(shí)：Hm=0.647732m。閘門高度=正常蓄水位-堰頂高程+浪高=2823.2-2816+1.07525=8.07525m，取8.5m。為保證無壓流,溢流孔口高度=校核水位-堰頂高程+相應(yīng)浪高=2826.418-2816+0.647732=11.065732m取12m。7.1.2隧洞水力計(jì)算部分?I=2816m，經(jīng)收縮，B隧洞=7m.設(shè)計(jì)洪水時(shí)：Q泄=418.608m3/s，H=2825.609m；校核洪水時(shí)：Q泄=495.260m3/s，H=2826.418m。平洞底坡確定如下式7-2所示：hc=αq2g=[1.1×(495.260/7)2/9.81]=7.99m(7-2)1/3臨界底坡坡度由下式7-3，7-4確定：Cc=(7-4)其中糙率n查水力學(xué)書得混凝土管無抹灰面層,用鋼模板施工良好,接縫平351nR1/6滑時(shí)最大值(安全考慮),具體計(jì)算參數(shù)有n=0.014，q=127.6m3/s,?c=26.98,A=7×7.99=55.93m2,R=2.5919m，Cc=83.7160。計(jì)算得臨界坡降為ic=0.00432，設(shè)計(jì)平洞底坡為陡坡，取ic=0.005。7.1.3隧洞水面曲線計(jì)算過程計(jì)算收縮斷面水深h1,以收縮段面為起始位置，按公式7-5求解：7.1.3.1計(jì)算長度L由公式7-6來求解H=2826.418-2750-87.6603×0.003=76.1550m計(jì)算收縮斷面水深H=h1+127.62/（2×9.81×0.92×h12)h1=76.1550-1024.51/h12h1=3.762m式中：H——堰前總有效水頭；φ——流速系數(shù)φ=1/?小于1,查水力學(xué)書表10-1,得由于溢流堰較長查得φ=0.9；h1——反弧段最低點(diǎn)水深。計(jì)算得平洞起始斷面（反弧段最低點(diǎn)）水深經(jīng)試算h1=3.762m。7.1.3.2水面曲線計(jì)算已知渠首水深h1=3.762m,以此斷面作為控制斷面，假設(shè)一系列下游斷面水深h為3.8,3.9m,4.0m,4.1m,4.2m,4.3m,4.4m,4.5m,4.6m,4.7m….應(yīng)用式逐段向下推算，即可求得各相應(yīng)流段長度△s，然后再根據(jù)已知渠道長度L=362.1844m，求渠末水深h，具體計(jì)算如下：已知第一流段斷面1和2水深分別為h1=3.762m,h2=3.8求流段長度△s。計(jì)算時(shí)取?1=?2=1.1，步驟如下：（1）計(jì)算斷面1和2斷面單位流量Es1和Es2已知：h1=3.762m，A1=b1h1=7×3.762=26.334mV1=Q/A1=495.260/26.334=18.807m/s2?1v122g=1.1×18.8072/2g=19.851m36Es1=h1+?1v122g=3.762+19.851=23.592m同樣可算得h2=3.8m,A2=26.6m2,v2=18.188m/s,Es2=21.988m（2）計(jì)算平均水力坡度Jv=(v1+v2)/2=(18.807+18.188)/2=18.4975m/s斷面1濕周?1、水力半徑R1、謝才系數(shù)C分別為：?1=b1+2h1=7+2×3.762=14.524mR1=A1/?1=26.334/14.524=1.813m,C1=(1/n)(R1)1/6=78.87m1/2/s同樣可算得：?2=14.6，R2=1.822m,C2=78.94m1/2/s所以：R?(R1?R2)/2=(1.813+1.822)/2=1.8175m,則J?????C?(C1?C2))/2?=（78.87+78.94）/2=78.905m1/2/sv?2???18.49752/78.9052/1.8175=0.0302CR2第Ⅰ流段長度為△s1=(Es1-Es2)/（J-i）=49.37m.。以第Ⅰ流段長度處△s1=49.370m水深h2=3.8m作為第Ⅱ流段控制面水深，再假設(shè)h1=3.8m，重復(fù)上述計(jì)算過程，又可求得第二流段長度△s2。如此逐段計(jì)算，即可求得各相應(yīng)流段長度及累加長度?△s。經(jīng)試算可得隧洞末端L=331.73m處水深h末=4.5931m。計(jì)算結(jié)果列至下表7-1表7-1水面曲線計(jì)算表格?37經(jīng)整理得出平洞段水面曲線，見表7-2表7-2整理后水面線表格由于隧洞泄流時(shí)流速較大（最大達(dá)18.81m/s），應(yīng)次必須考慮高速水流摻氣影響高流速水工隧洞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使水流空化數(shù)σ大于初生空化數(shù)σｉ。技施設(shè)計(jì)階段高流速水工隧洞重要部位σｉ值應(yīng)通過試驗(yàn)測定。各類不經(jīng)常使用水工隧洞（除導(dǎo)流洞門槽外）以及易于檢修洞身段可采用σ≥0.85σｉ。高流速水工隧洞應(yīng)按下式7-7進(jìn)行沿程水流空化數(shù)計(jì)算：38??7-7）(ho?ha?hv)（式Vo2/2g式中：ha-大氣壓力水頭，按ha=10.33-z/900-0.39確定；ho——計(jì)算斷面處平均動水壓力水頭；hv——水汽化壓力水頭,按《水工建筑物》表3-3,最高氣溫30.5度對