兩河口心墻堆石壩工程常規(guī)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11494兩河口心墻堆石壩工程常規(guī)設(shè)計(jì)案例 常規(guī)設(shè)計(jì)3.1樞紐總體布置（1）擋水建筑物（堆石壩）：大壩建于主河床，布置呈直線(xiàn)。（2）泄水建筑物（溢洪道）：采用洞式溢洪道，建于左岸山體內(nèi)。（3）水電站建筑物：電站廠(chǎng)房和開(kāi)關(guān)站等布置在右岸，在開(kāi)挖的基巖上布置廠(chǎng)房，將開(kāi)關(guān)站布置在廠(chǎng)房旁邊。（4）施工導(dǎo)流洞及水庫(kù)放空洞：洞式溢洪道和導(dǎo)流洞均位于在左岸，布置在山體之中。樞紐總體布置見(jiàn)圖3.1。圖3.1樞紐布置圖3.2大壩剖面設(shè)計(jì)堆石壩的剖面設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)出大壩的典型剖面圖，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要確定壩頂高程、壩頂寬度、上下游壩坡及心墻的斷面尺寸。大壩的剖面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3.2。圖3.2大壩剖面設(shè)計(jì)圖3.2.1壩頂高程大壩壩頂高程的確定取決于水庫(kù)靜水位與超高，兩者加起來(lái)即為壩頂高程。其中壩頂超高的確定主要依據(jù)最大波浪在壩坡上的爬高、安全加高以及最大風(fēng)壅水面高度。本設(shè)計(jì)中壩頂高程取為2878.00m。3.2.2壩頂寬度本設(shè)計(jì)中，綜合考慮運(yùn)行、施工、構(gòu)造、交通和人防等方面的要求后，確定堆石壩壩頂寬度為16m。3.2.3上下游壩坡坡度對(duì)心墻壩，上下游壩坡一般在1:2~1:4之間選取，而且一般上游壩坡的坡度比下游壩坡的稍緩。沿壩坡每一定高度改變一次壩坡，并設(shè)置一級(jí)馬道。本設(shè)計(jì)中，最大壩高約為298m。本設(shè)計(jì)中，大壩壩高較高，需要布置多級(jí)馬道，故大壩下游壩坡采用了五級(jí)變坡，第一級(jí)到第四級(jí)馬道的高程依次為2640.0m、2700.0m、2760.0m、2820.0m。每級(jí)馬道寬取為5.0m。大壩下游壩坡坡度從壩頂至壩趾依次取為1:1.6；1:1.8；1:1.6；1:1.8；1:2.0。上游采用兩級(jí)變坡，馬道的高程為2790.0m，坡度為1:1.8；1:2.0。3.2.4心墻斷面尺寸（1）心墻位置：心墻位于大壩斷面的中心線(xiàn)。（2）心墻頂寬及坡度：確定心墻頂部的水平寬度需要綜合考慮多種因素，首先應(yīng)當(dāng)考慮滿(mǎn)足控制滲流量和滲透比降的要求，且由于施工填筑過(guò)程中會(huì)使用機(jī)械碾壓，因此心墻頂寬也應(yīng)該滿(mǎn)足施工機(jī)械碾壓的要求，依據(jù)規(guī)范心墻頂寬一般不能小于3m。本設(shè)計(jì)中取心墻的頂寬為6m。通常，心墻體上、下游坡度取為1:0.15~1:0.3。在本設(shè)計(jì)中取上下游坡度為1:0.2。（3）心墻頂部高程：為了防止漫頂，在設(shè)計(jì)時(shí)通常要使心墻頂部在水庫(kù)靜水位以上存在超高。在正常運(yùn)用情況下，心墻頂部超高取0.3~0.6m，本設(shè)計(jì)中取超高為0.5m，則心墻頂部高程取2865.5m。在非常運(yùn)用情況下，心墻的頂部高程則不能低于此情況下的靜水位。綜合考慮這兩種情況，最終心墻頂部高程取為2876m。（4）心墻底寬：心墻的底部寬度首先取決于防滲。為了滿(mǎn)足防滲要求，心墻底寬不宜小于水頭的四分之一，本工程中上下游最大作用水頭為249.11m，故心墻厚應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足T≥62.28m。本設(shè)計(jì)中心墻底部寬度為140m，能夠滿(mǎn)足上述要求。（5）心墻保護(hù)層：心墻頂部應(yīng)設(shè)保護(hù)層，防止冰凍和干裂。保護(hù)層可采用砂、砂礫或碎石，其厚度不小于該地區(qū)的凍深或干燥深度，此處取2.00m。（6）反濾層：本設(shè)計(jì)設(shè)置兩層反濾層，坡度取1:0.2，上游寬度為4.0m，下游取6.0m。3.3滲流計(jì)算3.3.1滲流計(jì)算的基本假定滲流計(jì)算中，基本假定如下：（1）本設(shè)計(jì)中，心墻粘土料的滲透系數(shù)為K＝5×10-6cm/s，壩殼堆石體的滲透系數(shù)為K＝3×10-1cm/s，可以發(fā)現(xiàn)，心墻粘土料與堆石體的滲透系數(shù)相差了105倍，因?yàn)闈B透系數(shù)相差很大，粘土心墻透水量相對(duì)堆石體非常小，故把心墻看作是相對(duì)不透水層，因此在計(jì)算中，可以對(duì)上游楔行降落水頭的作用不予考慮。在大壩下游設(shè)有棱體排水，可近似地假定下游水位與堆石棱體內(nèi)坡的交點(diǎn)就是浸潤(rùn)線(xiàn)的逸出點(diǎn)。（2）滲流在土體中的流動(dòng)速度比較小而且滲流處于層流狀態(tài)，且滿(mǎn)足達(dá)西定律。（3）滲流為連續(xù)的，且當(dāng)滲流發(fā)生時(shí)土體孔隙尺寸以及飽和度不發(fā)生變化[13]。3.3.2計(jì)算條件在進(jìn)行滲流計(jì)算時(shí)，對(duì)計(jì)算條件的選取需要考慮如下幾種情況，綜合對(duì)比考慮后選擇這幾種情況中最不利的情況作為計(jì)算時(shí)的控制條件：（1）上游正常高水位，下游相應(yīng)的最低水位；（2）上游設(shè)計(jì)或校核洪水水位，分別相應(yīng)的下游水位；（3）對(duì)山游壩坡穩(wěn)定最不利的庫(kù)水降落后的水位。本設(shè)計(jì)取定計(jì)算條件為上游設(shè)計(jì)洪水位+相對(duì)應(yīng)的下游水位根據(jù)工程的基本資料可以得到滲流計(jì)算的計(jì)算條件為：上游設(shè)計(jì)洪水位為2867.11m，下游水位取對(duì)應(yīng)的水位，為2618.00m。3.3.3計(jì)算方法根據(jù)工程資料給出的大壩圖紙，將如美心墻堆石壩最大斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化，近似將壩基看作不透水地基，且壩下游無(wú)排水設(shè)備，故可用水力學(xué)方法進(jìn)行滲流計(jì)算。其中有幾種不同的方法，本次計(jì)算選用分段法進(jìn)行計(jì)算[14]。分段法計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3.3圖3.3兩河口壩滲流計(jì)算簡(jiǎn)圖分段法，顧名思義是將壩內(nèi)滲流分為兩段，然后根據(jù)達(dá)西定律和杜平假設(shè)，可以列出各段的運(yùn)動(dòng)方程，又因?yàn)樗骶哂羞B續(xù)性，故可以據(jù)此對(duì)滲透流速、滲透流量和浸潤(rùn)線(xiàn)等進(jìn)行計(jì)算求解。為計(jì)算方便，可以對(duì)心墻斷面進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將心墻簡(jiǎn)化為厚度為的bc等厚矩形斷面。由于心墻的滲透系數(shù)K遠(yuǎn)小于壩殼的滲透系數(shù)K，故當(dāng)滲流通過(guò)心墻時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的水頭損失，浸潤(rùn)線(xiàn)在心墻中發(fā)生很大跌落。因此，可以近似假定心墻上游浸潤(rùn)線(xiàn)與水庫(kù)水位處于相同位置。當(dāng)下游有堆石排水時(shí)，可以近似假定將下游水面與堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)處作為浸潤(rùn)線(xiàn)逸出點(diǎn)。3.3.4計(jì)算過(guò)程及計(jì)算結(jié)果分析假設(shè)壩址處地基為不透水地基。滲流的計(jì)算公式如下：q=qq=kh

式中：k——壩殼料滲透系數(shù)，取3×10-1cm/s；k1——防滲心墻滲透系數(shù)，取k=5×10-6cm/s；H1——上游設(shè)計(jì)水深，H1=287.11m；H2——下游相應(yīng)水深，H2=38.0m；bc——防滲心墻平均厚度；bc=（b1+b0）/2=73m；L——防滲心墻右側(cè)到溢出點(diǎn)的水平距離。L=D-bc/2，D為心墻重心到溢出點(diǎn)的水平距離:D=459.5m。故L=423m；h——心墻下游浸潤(rùn)線(xiàn)高度,m；T——透水地基厚度，取T=0m；聯(lián)立計(jì)算可得h=38.103m、q=2.736×10-5m3/(s·m)大壩沿壩軸線(xiàn)方向的長(zhǎng)度可以根據(jù)地形地質(zhì)圖測(cè)量得到，為L(zhǎng)=668m，沿整個(gè)壩段的總滲流量Q=Lq,式中m是折減系數(shù)，因?yàn)閴螌挕魏?、滲流量沿壩軸線(xiàn)并非是均勻的，所以增加了該折減系數(shù)，取m=0.8，得Q=1.462×10-2m3/s。則浸潤(rùn)線(xiàn)方程為：y=h3.4壩坡穩(wěn)定性計(jì)算3.4.1滑動(dòng)面的選擇堆石壩下游壩坡的堆石體內(nèi)摩擦角=49.2○，堆石粘聚力忽略不計(jì)取為0。壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化的Bishop法，首先需要做的就是確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧位置。本設(shè)計(jì)只取一個(gè)滑動(dòng)面做穩(wěn)定計(jì)算（滑動(dòng)面的起點(diǎn)在壩頂、與心墻相交、與壩基接近或切入壩基、終點(diǎn)在壩坡腳附近），取圓弧半徑為R=800m，然后對(duì)滑動(dòng)面以上土體進(jìn)行分條并編號(hào)，大壩條分如圖3.4所示。圖3.4大壩條分示意圖3.4.2計(jì)算條件本設(shè)計(jì)選取為上游設(shè)計(jì)洪水位+下游相應(yīng)水位作為壩坡穩(wěn)定計(jì)算的計(jì)算工況。即取上游水位高程2867.11m，下游相應(yīng)水位為2618m。3.4.3計(jì)算過(guò)程及結(jié)果分析簡(jiǎn)化的Bishop法計(jì)算公式如下：K=W在本設(shè)計(jì)中不考慮壩區(qū)地震，故可以將Q、V、Mc忽略不考慮，用容重代替法考慮孔隙水壓力的影響，則將計(jì)算公式（3.3）簡(jiǎn)化為：K=W'tan計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)K時(shí)，第一步需要預(yù)先估計(jì)一個(gè)K值代入公式（3.4）的等號(hào)右部的方程計(jì)算出K值，將新計(jì)算出的K值繼續(xù)代入（3.4）重新計(jì)算出新的K值，如此重復(fù)計(jì)算下去，直到代入的K值與新計(jì)算得的K值相等或者兩者相差不大為止，此時(shí)所得的K值即代表計(jì)算滑動(dòng)圓弧的穩(wěn)定安全系數(shù)值?；∶娴姆€(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.1。表3.1壩坡抗滑穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算表土條編號(hào)S(m2)W(KN)α土條長(zhǎng)度l(m)W'*tanφ'+c'b

(KN)W*sinα(KN)1.00849.9018077.3749.0075.6020942.6414830.732.001760.2037439.4543.0068.8043373.6127986.353.002559.4054438.4439.0064.0063066.9337730.664.003011.3064050.3534.0060.4074202.3339653.265.003249.5069116.8730.0057.7080071.8938399.356.003037.8064614.0126.0055.8074855.3331571.847.002765.4058820.0622.0053.9068143.0424625.648.002220.4047227.9118.0052.6054713.5316346.4290.201211.3918.001403.39419.289.001042.7022178.2314.0051.6025693.486020.08704.309458.7514.0010957.962567.4910.00110.602352.4611.0050.902725.33504.161195.2016051.5411.0018595.703440.0011.00900.9012099.096.0076.5014016.791422.10總和245517.38預(yù)估K=1，代入公式（3.4）進(jìn)行第一次計(jì)算，迭代過(guò)程見(jiàn)表3.2。表3.2壩坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)迭代表土條編號(hào)ABABABABAB10.6213036.240.7916493.800.8417686.880.8618027.740.8718120.2120.6327153.610.7733609.980.8235773.290.8436385.450.8436551.0830.6339913.550.7748678.420.8251557.940.8352367.660.8352586.3540.6547988.310.7757426.510.8160450.290.8361293.920.8361521.2650.6653039.890.7862478.150.8265439.770.8366260.790.8366481.6560.6851100.580.7959207.480.8261696.850.8362382.450.8462566.5570.7148253.040.8154938.720.8456945.400.8457494.330.8557641.4680.7440467.580.8345219.430.8546611.460.8646989.560.8647090.710.741037.980.831159.870.851195.570.861205.270.861207.8790.7819998.660.8521897.790.8722439.760.8822585.870.8822624.880.788529.190.859339.150.879570.290.889632.600.889649.24100.812215.880.882386.590.892434.290.902447.070.902450.480.8115119.630.8816284.410.8916609.85