第四章 土石坝剖面设计
4.1 土石坝坝型选择
影响土石坝坝型选择的因素很多，其中最主要的是坝址附近的筑坝材料，其次还有地形地质条件、气候因素、施工条件、坝基处理、抗震要求等。坝型的选择应该具有综合优越性，首先要拟定剖面轮廓尺寸，进而比较工程量、工期、造价，可行性，最后选定技术上可靠，经济上合理的坝型。 下面详细比较几种坝型，最终定案。
4.1.1 均质坝
均质坝，施工简单，材料单一，但是坝坡较缓，剖面大，粘性土料受气候影响大，坝体孔隙水压力大，雨季冬季施工较为不便，且无足够适宜的土料来做均质坝，通常很少采用这种坝型，因而不宜采用均质坝坝型方案。
4.1.2面板坝
首先面板坝整个坝体都是受力结构，填筑量是土石坝所有坝型中最小的，设计中坝高为63，属于中坝，不宜选择面板坝。面板坝没有防渗体的粘性土填方，所以施工受气候影响较小，施工干扰也较小，可以全年持续施工。但是面板抗震性能较差，对基础沉陷非常敏感。而本设计中地质条件较差，坝址地区地震烈度为7度，明显不宜选用面板坝方案。
4.1.3堆石坝
堆石坝坝坡较陡，剖面小，造价低，施工干扰相对较小，施工速度较快，抗震性能好，工程量小。坝址附近有坚硬玄武岩石料场一处，储量丰富，开采容易，可方便用于堆石坝材料，从材料角度可以考虑选择堆石坝方案，但由于河床地质条件较差，冲积层最大32m，平均也有20m，作堆石坝可能导致大量开挖，工期长，此方案也不予考虑。
4.1.4 斜墙坝和心墙坝
塑性心墙坝（以砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体，在坝剖面的中心部位合
做心墙）与斜墙坝相比工程量相对较小，适应不均匀变形，抗震性能较好，但要求心墙粘土料与坝壳砂砾料同时上升，施工干扰大，工期长，不方便；塑性斜墙坝(用砂砾料作为坝壳，以粘土料作防渗体设在坝体上游做斜墙)的斜墙与坝壳两者施工干扰相对较小，工期较短，但对坝体、坝基的沉降比较敏感，抗震性能较差，易产生裂缝。从筑坝材料来看，由于坝址上下游内有足够可供筑坝的土料作为防渗体之用，又有足够的沙砾料作坝壳，心墙坝和斜墙坝都是可行的。本地区为地震区，基本烈度为７度，从抗震性能及适应不均匀变形来看宜采用心墙坝；从施工及环境气候条件来看宜采用斜墙坝。但是由于本地区粘性土料自然含水量较高，不宜大量采用粘性土料，以薄心墙、薄斜墙较有利，又因坝基条件复杂，处理工程量大，工期长，所以采用斜墙为宜。
4.1.5 斜心墙坝
斜心墙坝综合了心墙坝与斜墙坝的优缺点：心墙有足够的斜度，坝壳对心墙的拱效应作用减弱；斜心墙对下游支承棱体的沉陷不如斜墙那样敏感，斜心墙应力状态较好，工期较短，因而最终选择斜心墙坝方案。
4.2坝顶高程
坝顶高程根据正常运用和非正常运用的静水位相应的超高Υ予以确定，应分别按以下三种情况进行计算，然后取其中最大值为坝顶高程。 （1）设计洪水位+正常运用情况下的坝顶超高
（2）校核洪水位+非正常运用情况下的坝顶超高 （3） 正常蓄水位+地震安全超高 一、计算公式
1、坝顶超高： Y?R?e?A (4-1)
kV2DCOS? (4-2) e?2gH 式中：e—风雍高渡，m;
D—水库吹程，m，由资料知D=15km=15000m; H—近似取坝前水深，m;
K—综合摩阻系数，值在（1.5-5.0）×10?3之间，计算时，一般取3.6×10?3； V—计算风速，m/s;正常运用情况下的Ⅰ、Ⅱ级坝采用V?（1.5?2.0）V多，
非常运用条件下的各级土石坝采用V?V多，故可得正常运用条件下
V?（1.5?2.0）V多=1.5×14=21m/s,非正常运用情况下V?V多=14m/s；
β—风速与坝轴线的夹角β=22.5°；
A—安全加高，根据坝的等级和运用情况。查《水工建筑物》表1-11采用，
土坝正常运用情况下安全超高0.7m,非正常运用情况下安全超高0.5m.
R—自风雍水面算起的波浪沿倾斜坝坡爬升的垂直高度，称波浪爬高；m; 确定波浪爬高R.它与坝前的波浪要素（波高和波长）、坝坡坡度、坡面糙率、坝前水深、风速等因素有关。波浪爬高R的计算，有以下计算公式: (1) 计算波浪的平均爬高R。当坝坡系数m=1.5-5.0时，平均爬高R为：
R?K?KW1?m2hL (4-3)
式中：K?—与坝坡的糙率和渗透性有关的系数，按《水工建筑物》表5-1得砌石护
面K?=0.75；
KW—经验系数，由风速、坝前水深及重力加速度组成的无维量纲《水工建筑物》表5-2采用；
m—坡度系数;
h、L—平均坡高与波长，m.
h平均波高的计算公式：
V,按gHgD0.45)2ghgH0.7V?0.13th（0.（72））?th（) (4-4) 2gHVV0.13th（0.（72)0.7)V0.0018（ex?e?x thx?x?x (4-5)
e?e
注：式中的水库吹程D以米计。 计算波浪平均周期T，公式为：
T=4.0h （4-6） 计算平均波长L:
2gTH 当≥0.5时为深水波 L? ≈ 1.56T (4-7)
2?L2 当
2?HgTHth<0.5时为浅水波 L? (4-7′)
L2?L2
(2) 计算波浪设计爬高R。
在工程设计中，波浪设计爬高R按建筑物的级别确定，对Ⅱ级坝取保证率P=1%
hh的波浪爬高R?R1%，查《水工建筑物》表5-3，<0.1，取P=2.23%，∈（0.1-0.3）
HH取P=2.08。
当风向与坝轴线垂线夹角为β时，波浪设计爬高R应乘以折减系数K?,查《水工建筑物》表5-4，利用线性插值法（β=22.5°）得K?=0.95.
R=P.K?.R
2、地震安全加高
地震安全加高=地震波浪加高+地震附加沉陷值+安全加高。地震安全加高一般为0.5-1.5m，应根据地震烈度大小和不同的坝前水深取大、中、小值。地震附加沉陷值，根据海域地震调查，对8-9度地震区，可取坝高的1.2%-1.44%，地震烈度较低时，可相应减小，此坝址处地震烈度为7级，沉陷超高不予考虑。安全加高按《水工建筑物》表1-11取。因此： 地震安全加高=0.5+0.5=1m
3、坝体施工沉降超高
考虑压缩沉降时，土石坝竣工时的坝顶高程应等于设计高程加坝体施工沉降超高。对施工质量一般的中小型土石坝，如地基内无压缩性很大的土层，坝体施工沉降可取坝高的0.2%-0.4%，在此可取坝高的0.2%。 二、计算结果
利用上述计算公式可得以下计算表
表5-1 坝高计算表
工况 设计+正常运用 2823.00 2765 58 0.0000036 21 15000 0.3925 0.0195 1 1.078 26.92 3 0.75 校核+非常运用 正常蓄水+地震 2822.5 备注 ? ?河底高程 H(m) K V(m/s) D(m) β e A h 2823.55 2765 58.55 0.0000036 14 15000 0.3925 0.0185 0.7 0.678 16.93 3 0.75 0.55 1 0.803 2.23 0.95 1.7 0 2.42 0.117 2826.09 L 2765 57.5 - - - 注: - 1) 表中各符- 号同前 0.7 2) V均小gh- 于1，查《水工建筑物》表5-2- - - - - - - - 0 1 1.5 0.115 2824.12 3) 得K=1； wm k? VghH>0.5为L深水波，L计算 0.89 1 1.278 2.23 0.95 2.71 0 3.73 0.116 2826.85 kw R P k? 采用公式4-6； 4) 计算公式采用式4-1～4-6； (5) “-”代表没有此数。 R 地震安全超高 Υ 地基沉陷超高 坝顶高程 坝顶高程应取3种结果中的最大值，因此以坝顶高程为2826.85为坝顶高程，取坝顶高程为2828m，坝高为63m（2828-2765=63）。
4.3坝顶宽度