水工建筑物课程设计—斜墙坝(2)

2020-02-22 14:14

靠的坝基防渗设施。槽底宽度应根据回填土料的容许渗透比降、与基岩接触面抗渗流冲刷的容许比降以及施工条件确定。槽的边坡一般不陡于(1:1)~(1:1.5),槽两侧设置反滤层或过渡层。此处取槽的边坡1:1.2。 (2) 铺盖:

铺盖是均质坝体心墙或斜墙上游水平的延伸,可以延长坝基渗流的渗径,以控制渗透坡降和渗流量在允许的范围内。铺盖土料的渗透系数应小于10-5cm/s,且至少要小于坝基透水层渗透系数的100倍以上,此坝周围的砂石料符合这一要求。铺盖向上游伸展的长度一般最长不超过6—8倍水头,铺盖的厚度,上游端按构造要求,不小于0.5m,取为1m,向下游逐渐加厚使某断面处在顶、底水头差作用下其渗透比降在允许范围内,在与坝体防渗体连接处要适当加厚以防断裂。铺盖上应设保护层,以防止蓄水前干裂、冻蚀和运用期的风浪或水流冲刷,铺盖底应设置反滤层保护铺盖土料不流失。 6、 土坝排水设置:

坝体排水用堆石棱柱体排水,它是在下游坝脚处用块石堆成的棱体。棱体顶宽不小于1.0m,顶面超出下游最高水位的高度,对2级坝不小于1.0m,而且还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下,因下游无水,故取棱体顶高3m,顶宽2m。棱体内坡根据施工条件决定,一般为1:1.0—1:1.5,外坡取为1:1.5—1:2.0,在此处取内坡1:1.5,外坡1:2.0。在棱体与坝体及土质地基之间均应设置反滤层,在棱体上游坡脚处应尽量避免出现锐角。 7、 反滤层和过滤层

反滤层的作用是滤土排水,防止土工建筑物在渗流溢出处遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面外的接触冲刷。反滤层一般由1--3层级配均匀,耐风化的砂、砾。卵石和碎石构成,每层粒径随渗流方向而增大。水平反滤层的最小厚度可采用0.3m;垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。

过渡层主要对其两侧土料的变形起协调作用。反滤层可以起到过渡层的作用,而过渡层却不一定能满足反滤的要求。 合理的反滤层设计要满足的要求:

(1) 被保护土层不发生管涌等有害的渗流变形,在防渗体出现裂缝的情况

下,土颗粒不会被带出反滤层,而且能促进使裂缝自行愈合。要求反滤层有足够小的孔隙,以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。

(2) 透水性大于被保护土层,能畅通的排除渗透水流,同时不致被细粒土淤

塞而失效。这要求反滤层必须有足够大的孔隙。

8、 坝型剖面图(见图纸) (二) 土石坝防渗分析

渗流分析的内容包括:①确定坝体内浸润线;②确定渗流的主要参数——渗流流速与比降;③确定渗流量。

在渗流分析中,一般假定渗流流速和比降的关系符合达西定律,即??1。斜墙采用粘土料,渗透系数ke?1.0?10?5cm/s,坝壳采用砂土料,渗透系数

k?1.0?10?2cm/s,两者相差103倍,可以把粘土斜墙看做相对不透水层,因此计算时可以不考虑上游楔形降落的水头作用。 坝体渗透计算 斜墙的平均厚度:???1??22?3?10?6.5m 2H12?h2通过斜墙的q1:q1?Ke …………………(1)

2?2h2?H2通过坝壳的q2:q2?K …………………(2)

2L2Keh2?H22?由公式(1)、(2)相等得:??22

K2LH1?h10?5h22?6.5 ?下游无水,H2?0,??2??22

102L30?h堆石棱柱体排水体高度为3m,计算L的长度:

L?5?72?8?45?2?45?4.5?172.5m 则,he?4.82m,Ke?10?5cm/s?8.64?10?3m/日

H12?h2302?4.822?3?8.64?10??0.58m2/日 q?Ke2?2?6.5Ky2坝壳浸润线方程x?(0?x?172.5),K?10?2cm/s?8.64m/日,

2q则坝壳浸润线方程可写为y2?0.134x(0?x?172.5)

坝壳浸润线方程y2?0.134x(0?x?172.5)坐标点

x y 0 0 10 20 40 60 80 100 120 140 160 1.16 1.64 2.32 2.84 3.27 3.66 4.01 4.33 4.63 浸润线轮廓如图示:

水力坡降 J?H30??0.174 L172.5渗漏总量约为 Q?qL?6.71?10?6?608.42?4.08?10?3m3/s 渗漏量控制 Q???Q允许??

平均流速 v?kJ?10?5?0.174?1.74?10?6m/s (三) 土坝稳定性计算

1、 土坝失稳的形式,主要是坝坡或坝坡连同部分坝基沿某一剪切破坏面的滑动。

稳定计算的目的是核算初拟的坝剖面尺寸在各种运用情况下坝坡是否安全、经济。

2、 土石坝滑动面的形式有:曲线滑动面; 直线或折线滑动面;复合滑动面。 3、 荷载及其组合:

1)荷载:自重、渗透力、孔隙水压力、地震荷载。 2)荷载组合(正常运用条件):

水库蓄满水(正常高水位或设计洪水位)时,下游坝坡的稳定计算; 上游库水位最不利时,上游坝坡的稳定计算;

库水位正常行降落,上游坝坡内产生渗透力时,上游坝坡的稳定计算。

4、 要求的抗滑稳定系数:

对于非常运用条件(考虑孔隙水压力时)下,2级水工建筑物的坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。 5、 土石坝的稳定分析:

对于该坝来说,滑动面接近于圆弧,故采用圆弧滑动法进行坝坡稳定分析。为了简化计算和得到较为准确的结果,常采用条分法。规范采用的圆弧滑动静力计算公式有两种:一是不考虑条块间作用力的瑞典圆弧法,一是考虑条块间作用力的毕肖普法。此坝用瑞典圆弧滑动法。 1) 计算原理:

假定滑动面为圆柱面,将滑动面内土体是为刚体,边坡失稳时该土体绕滑弧圆心O作转动。分析计算时常沿坝轴线取单宽坝体,按平面问题采用条分法,将滑动土体按一定的宽度(通常宽度b=0.1R)分为若干个铅直土条,不计相邻土条间的作用力分别计算出土条对圆心O的抗滑力矩Mr和滑动力矩

Ms,再分别求其总和。当土体绕O点的抗滑力矩Mr大于滑动力矩Ms,坝坡保持稳定,反之,坝坡则丧失稳定。 2) 计算步骤:

将滑弧内土体用铅直线分成12个条块,为方便计算,取各土条块宽度

b?R70.09??7.009m,对各土条进行编号,以圆心正下方的一条编号为1010i=0,并依次向上游为i=1,2,3,……向下游为i=-1,-2,-3,……如图示 不计相邻条块间的作用力,任取第i条为例进行分析,作用在该条块上的作用力如下:

(1) 土条自重Gi,方向垂直向下,其值为Gi?(?1h1??2h2)b,其中?1、?2分别表示该土条中对应土层的重度;h1、h2分别表示相应的土层高度,b为土层宽度,可以将Gi沿滑弧面的法向和切向进行分解,得法向分力

Ni'?Gicos?i,切向分力Ti'?Gisin?i。

(2) 作用于该土条底面上的法向反力Ni与N'大小相等、方向相反。 (3) 作用于土条底面上的抗剪力Tfi,其可能发挥的最大值等于土条底面上土体的抗剪强度与滑弧长度的乘积,方向与滑动方向相反。

根据以上作用力,可求得边坡稳定安全系数为

Kc?Mr?Gicos?itan?i??cili ?Ms?Gisin?i式中,li为i土条底面上的弧长,li?bsec?i。

若计算时考虑孔隙水压力作用,可采用总应力法或有效应力法。总应力法计算抗滑力时采用快剪或三轴不排水剪强度指标;有效应力法计算滑动面的滑动力时,采用有效应力指标?'和c',根据以往实际工程经验取?'?14?,

c?40kPa,?斜墙?19.52kN/m3,?湿?18kN/m3,?饱?20kN/m3, 此时,

Kc?坝坡稳定安全系数为

?(Gicos?i?uili)tan?i??cili?Gisin?i

式中,ui为作用于i土条底面的孔隙压力。部分计算结果见下表

瑞典条分法计算结果

土条编号 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 h1 5.77 h2 ?湿h1 ?饱h2 229 li uili ?i Gicos?i Gisin?i 1894.6 2441.02 2927.17 3323.32 3591.27 3692.2 3679.37 3602.21 2334.42 3010.93 2844.39 2382.85 1831.65 2441 2927.17 3323.31 3591.27 3692.19 3679.39 3602.19 3333.04 3010.95 2844.55 2803.37 cili 273.6 262.8 256 252 250.8 252 256 262.8 273.6 290 314 352 9.11 103.86 182.2 6.84 623.124 24 6.57 752.265 17 6.4 6.3 6.3 6.4 817.92 842.94 786.24 700.16 12 6 0 6 12 7.51 11.45 135.18 9.52 12.78 171.36 255.6 11.62 13.38 209.16 267.6 13.71 13.28 246.78 265.6 15.56 12.48 280.08 249.6 17.66 10.94 317.88 218.8 20.29 8.61 365.22 172.2 22.93 5.39 412.74 107.8 25.58 1.78 460.44 28.23 30.89 - 0 0 - 508.14 556.02 - 35.6 0 0 - 6.27 832.656 6.57 565.677 17 6.84 368.676 24 7.25 7.85 8.8 - 129.05 0 0 30 37 44 ? 6418.708 - 35723.75 12877.62 3295.6

在非常运用条件下,即考虑孔隙水压力时,坝坡稳定安全系数为

Kc??(Gicos?i?uili)tan?i??cili

?Gisin?i(35723.75?6418.708)?tan40??3295.6

12877.62 ? ?2.17?1.15

故该坝设计是稳定合理的。


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