坝址一混凝土重力坝设计.docx
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坝址一混凝土重力坝设计
郑州大学毕业设计（论文）
题目：
焦作市孤山湖水库坝址一混凝土重力坝设计
指导教师：
胡良明职称：
教授
学生姓名：
谢小雨学号：
***********
专业：
水利水电工程
院（系）：
水利与环境学院
完成时间：
2010年6月
2010年6月2日
摘要
孤山湖水库是一座综合利用的小型水利工程，其开发主要任务是城市供水，兼顾发电、旅游、防洪及发展水产养殖。
本次设计为混凝土重力坝设计，设计内容主要包括挡水建筑物即挡水坝的
设计和泄水建筑物即溢流坝的设计。
枢纽按五十年一遇洪水设计，五百年一遇洪水校核。
水库正常蓄水位401米，设计洪水位406.78米，校核洪水位409.11米。
电站装机2台320千瓦，总装机640千瓦。
设计的准备工作有基本资料分析、坝址选择。
挡水坝设计包括剖面基本尺寸的拟订、抗剪断稳定分析和应力分析；溢流坝设计包括剖面拟定、泄流能力验算、消能水力计算、稳定分析和应力分析。
后期工作有细部构造及地基处理。
关键词：
混凝土重力坝、应力分析、稳定分析
Abstract
GuShanlakereservoirisacomprehensiveutilizingsmallwaterconservancyprojection,themaindevelopingofurbaniswatersupply,bothpowerandtourism,thefloodcontrolanddevelopmentofaquaculture.
Thedesignoftheconcretegravitydamhubdesign,Designfeaturesincluderetainingthatbuildingthedamdesignanddischargestructuresthatspillwaydesign.Waterprojectplanisdesignedaccordingtomeetingflooddesignonceinfiftyyears,andmeetfloodcheckonceinfivehundredyears.Thenormalwaterleveloftheprojectis401m,thedesignfloodlevelis406.78m,andthecheckfloodlevelis409.11m.Thetotalvolumeofthepowergenerationunitsis640KW.
Designofabasicpreparationsfortheanalysisoftheinformation,Pa-choiceandthegenerallayout.Damdesignincludesprofilesbasicdimensionsintheformulation,stability-cutanalysisandstressanalysis;spillwaydesignincludesprofilesdrawnup,checkingdischargecapacity,hydrauliccalculationofenergydissipation,stabilityanalysisandstressanalysis.Lateworkdetailingandgroundtreatment,andthemainengineeringcalculations.
Keyword:
concretegravitydamstressanalysisstabilityanalysis
前言
毕业设计是各工科高校为大学生安排的最后一次全面性、总结性的教学实践环节，既是学生在教师指导下运用所学知识和技能，解决具体问题的一次尝试，也是学生走向工作岗位前的一次实战演习。
本次设计的目的是：
参加毕业设计的同学，首先应熟悉本枢纽的基本资料，明确设计任务。
要严肃认真地对待设计工作，树立正确的设计思想和观点，设计中应实事求是，刻苦钻研，勇于探索、创新，并应注意贯彻党的建设方针和政策。
要认真总结、运用几年来所学的理论知识及专业知识，结合毕业设计的任务进行思考、分析应用。
在设计中注意培养与提高独立思考与独立工作的能力，并加强计算、绘图、编写设计文件，使用规范、手册能力的培养。
设计中既应遵循技术规范，亦应尽量采用国内、外成熟的先进技术与经验，出色地、创造性地按期完成设计任务。
本次设计的范围：
本次设计是依据有关规范主要进行混凝土重力坝及相关部分的设计。
本次设计我的题目为焦作孤山湖水库坝址一混凝土重力坝方案，基本要求是先熟悉基本资料，通过坝址选择和枢纽布置，来设计主要建筑物（挡水坝、溢流坝），最后设计细部构造。
通过本次设计，提高了我的动手能力，加强了我的整体思维能力，推进了理论联系实际的实用能力，贯穿我们四年所学知识的综和利用能力。
使之了解相关的水利水电建筑工程的知识：
水位及工程地质在实际工程中的应用；重点掌握坝址的选择、枢纽的布置，尤其是水工部分的挡水坝、溢流坝的设计及应力计算。
在这次设计中对于所遇到的问题主要应用所学的知识加以解决，辅以指导老师的耐心、细致的解答，同时查阅资料以及参考以建工程的资料等。
焦作孤山湖水库坝址一混凝土重力坝的毕业设计使我掌握了水利水电学科的基本理论和基本知识，了解对于水利水电建筑工程师的基本素质和实际工作能力的要求，对于今后成为高级的应用型人才打下了良好的基础。
第一章设计基本资料
1.1工程概况
为了进一步开发建设峰林峡旅游风景区，焦作市群英湖水库管理处拟在大沙河上修建一小型水库——孤山湖，以营造景区观光旅游景点，同时进行城市供水、发电等，特委托郑州大学进行孤山湖水库枢纽工程可行性研究。
拟建孤山湖水库位于焦作市北部山区，距焦作市约18km。
坝址位于群英水库大坝下游约6.5km处。
行政位置隶属焦作市中站区龙洞乡。
库间控制流域面积66.9km2。
水库下游的焦作市是我国主要的煤炭基地和晋东南能源南下的重要门户，焦作现已发展成为一个以能源、化工、冶金、建材工业为主，机械、轻纺、食品等综合性的新兴工业城市。
孤山湖水库是一座综合利用的小型水利工程，其开发主要任务是城市供水，兼顾发电、旅游、防洪及发展水产养殖。
焦作市位于河南省西北部，地处太行山南麓，座落在山前坡地和平原交接地带。
城区位于北纬34°48′～35°30′，东经112°02′～113°02′，北依太行山，南接武陟，东邻修武，西靠博爱，总面积4072km2。
按焦作市城市总体规划，为加快城市现代化进程，提升整个城市的功能，规划扩大中心城区的规模，新建高新经济技术开发区和中铝工业区，形成一市辖六区（解放区、山阳区、中站区、马村区、高新区和中铝工业区）的基本格局，到2020年，规划城区面积将达到424平方公里，人口达到150万人。
根据2003年焦作市人民政府《关于全面建设小康社会的规划纲要》，到2015年人均GDP超过3000美元，到2020年人均GDP达到4300美元。
根据《焦作市中心城总体规划》，焦作市的定位是以能源、化工、冶金、建材、旅游业为主的区域性中心城市。
其总体发展战略是：
逐步将焦作市建设成为联系东西、贯穿南北的交通枢纽城市，功能齐全、设施先进、产业结构合理的现代化工业城市，生态平衡、环境优美的园林式城市。
要想达到上述目的，水—自然成为焦作未来发展的关键所在。
随着经济的发展和城市化人口的增加，对水的需求量越来越大，水已成为经济社会发展的瓶颈。
焦作是全国缺水城市之一，年平均降雨量641.7mm，主要集中在7-9月份；由于降雨时间的分布不均，缺水已经影响到焦作市经济社会发展。
目前，城市大量超采地下水，在城区周围形成地下水漏斗。
兴建孤山湖水库，每年可向焦作市区供水1247～2462万m3（供水保证率为75%），大大缓解了用水矛盾。
因此，为满足城市供水，兼顾发电、旅游等，建设孤山湖水库工程不仅完全必要而且非常紧迫。
为了做好孤山湖水库的前期准备工作，2006年焦作市水利局组织河南省有关专家对孤山湖水库库区进行了多次考查，在大沙河上拟选了坝址一、坝址二、坝址三共三处坝址。
1.2、基本资料
1.2.1地质资料
1.2.1.1区域地质
拟建库区位于山西台隆向华北平原的过渡地带，伴随着山西地台的强烈上升和平原的剧烈下降运动，地形切割强烈。
库区一带表现为典型的中山特征。
本区出露地层主要为一套浅海相沉积岩系，岩性主要为寒武系厚层，巨厚层状白云岩、灰质白云岩，奥陶系中厚层、厚层状灰岩夹泥质灰岩，局部残留石炭系铁铝质粘土岩、页岩和灰岩。
新生代以来，受加里东运动影响，出现强烈的造山运动，产生新华夏经向构造体系与秦岭纬向构造体系两大一级构造体系，受该两大体系的共同作用和控制，产生晋东南“山”字型二级构造体系。
库区即位于该“山”字型构造东翼之反射弧部位。
区内构造形迹多以东西向或北东向高角度正断层为主。
伴随着断裂的产生，区内断层破碎带、网状节理、裂隙、溶洞、溶孔广泛发育。
晚第三纪至第四纪以后，伴随着喜玛拉雅运动的发生，区内差异升降运动加剧，以河谷阶地形态分析，该区新构造运动仍表现为较强烈的上升运动。
焦作处在河北平原地震带、汾渭地震带、河淮地震带三个地震带的交汇部位。
焦作历史上地震虽不强烈，但从整体地震构造上看，具备发生中强地震的构造背景。
近几年来，与焦作相邻的河北平原地震带和汾渭地震带，地震比较活跃，特别是河北平原地震带相继发生了几次中强地震，焦作及附近地区未来的地震活动受到人们的密切关注。
1978年第二次全国抗震工作会议将焦作确定为全国重点抗震城市，地震基本烈度为7度。
本区从地震地质背景和地震活动特征来看，都具有发生中强地震活动的危险性。
根据2001年国家质量技术监督局发布的《中国地震动参数区划图（1:
400万）》（GB18306—2001），水库区地震动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为VII度，地震动反应谱特征周期为0.40S。
1.2.1.2地形地貌
孤山湖水库坝址位于孤山村北约1.5km处，大沙河近南北走向，在坝址区下游向东延伸呈一‘S’型弯曲。
两岸支沟不发育，仅在小滚水坝左岸有一较大支沟，宽25～40m，走向北东，入口处与大沙河近直交。
大沙河两岸均为高大雄厚山体，山顶高程450～578m，两岸岸坡坡度均在50°以上，且多处近直立。
河底高程为340～348m，河床比降1/100～1.5/100，河谷呈狭窄的‘U’型，二、三坝址间河底宽40～80m。
两岸阶地不发育，仅零星残留有二级阶地，二级阶地由上更新统（Q3）冲洪积物组成，零星分布于坝址区左右岸缓坡上，分布高程为350～390m，高出现代河床20～40m。
左岸局部有崩积物，河床中漫滩有冲洪积物覆盖，由全新统（Q4）冲洪积物组成。
1.2.1.3物理地质现象
坝址区两岸岸坡陡峻，沟谷两侧岩石裸露，风化轻微，在大沙河左岸局部有小范围崩塌体及不稳定体。
如在小滚水坝下游左岸有孤立的危岩体，坡脚有脱落的崩塌体，但规模均不大。
另外，坝址区地层主要为碳酸盐岩，右岸支沟中见有沿裂隙、小断层局部形成小的溶蚀洞穴，深度一般小于2m，连通性差。
1.2.1.4水文地质条件
坝址区地下水可划分为基岩裂隙水、第四系松散层孔隙水两大类。
基岩裂隙水岩性主要为鲕粒白云质灰岩、灰质白云岩、薄层状泥质条带灰岩。
地下水主要沿断层破碎带和裂隙密集带发育。
据51组压水试验，坝基岩体透水率q为0.05～14.4Lu,其中中等透水1组，占2%；弱透水42组，占82.4%;微-极微透水8组，占15.6%。
坝基岩体以弱-极微透水性为主。
第四系松散岩类孔隙水由粘性土、卵石层及漂石层组成，地下水属孔隙潜水型。
卵石层及漂石层主要分布于河床内，为主要含水层。
地下水主要由地表水和地下径流补给，据经验，其渗透系数K=200～500m/d，属强透水。
坝址区地下水类型虽有不同，但二者联系密切，坝址区地下水化学类型为HCO3-CaMg型水。
矿化度0.227g/l，均属淡水。
pH值8.17，属弱碱性水。
总硬度12.4H°，属微硬水。
根据水质分析结果，按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）附录G评价，坝址区地下水对混凝土无腐蚀性。
1.2.1.5岩土物理力学性质
表1坝址岩土体物理力学参数建议值
项目
岩性
块体密度g/cm3
弹性
模量
GPa
泊松比
岩体
抗剪断强度
砼与岩体
抗剪断强度
岩体抗剪强度
允许
承载力
f'
c'（MPa）
f'
c'（MPa）
f
MPa
弱风化白云质灰岩
2.75
8
0.24
1.1
1.0
1.0
0.9
0.65
7
微风化白云质灰岩
2.8
10
0.23
1.3
1.6
1.2
1.2
0.70
9
备注：
坝基与卵石摩擦系数f=0.50～0.53。
（1）松散岩类
1）Q4低液限粘土
坝址区Q4低液限粘土呈透镜体状分布于Q4卵石层中，灰色，属软塑-可塑状态，标贯击数3-4击。
2）Q3低液限粘土
呈透镜体状分布于Q3卵石层中，棕黄色，硬塑状态，标贯击数19-22击。
3）Q4卵石
在坝址及其附近上、下游河槽中，对表层卵石混合土层取样进行了试验，粒度成分中漂石含量占23%～40%，卵石占17%～45%；砾石占12%～25%，小于砾石的颗粒占15%～40%，不均匀系数值为120～190，属不均匀土类。
4）Q3砾砂、卵石
Q3砾砂、卵石分布于河槽下部，属中密-密实土类。
（2）基岩类
坝址区岩石种类有鲕粒灰质白云岩、鲕粒白云质灰岩、白云质灰岩、泥质条带灰岩等。
均属坚硬岩，其单轴饱和抗压强度为83.4～143MPa，平均113.9Mpa。
饱和抗剪断试验所得凝聚力范围值为4.39～5.18MPa，平均值为4.85MPa，内摩擦角为53.2°～58.6°，平均值为55.67°。
岩土体参数建议值见表1。
1.2.2水文资料
1.2.2.1气象
大沙河流域地处暖温带，属大陆季风型气候。
据当地气象局资料，该区春季温暖多风干旱，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季干冷少雪。
年平均气温14.3℃，1月份最冷，平均气温-0.1℃，年极端最低气温-20℃，7月份最热，平均气温27.3℃，年极端最高气温43.3℃，年平均降雨量641.7mm，主要集中在7-9月份，年最高降雨量为1012.7mm，年最低降雨量为376.6mm。
年水面蒸发量1350mm，陆面蒸发量490mm。
最大风速33m/s，多年平均最大风速22.5m/s。
多年平均径流深160mm。
1.2.2.2洪水
孤山湖水库位于焦作市郊，流域主要由山丘区组成。
上游群英水库设计洪水和群英水库下游至孤山湖水库区间设计洪水均依据河南省水利勘测设计院1984年编制的《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（以下简称《洪水图集》）进行计算。
群英水库调节后的洪水，与区间洪水相叠加作为孤山湖水库设计洪水。
洪水计算结果见表2。
表2各坝址洪水计算结果
坝址一（b=60m）
起调水位：
401m
对应库容：
969.08万m3
设计标准
洪峰流量（m3/s）
水位（m）
库容（万m3）
泄量（m3/s）
50年一遇
2335.86
406.78
1240.21
1768.1
500年一遇
3730.97
409.11
1349.58
2930.1
坝址二（b=55m）
起调水位：
397m
对应库容：
964.6万m3
设计标准
洪峰流量（m3/s）
水位（m）
库容（万m3）
泄量（m3/s）
50年一遇
2335.86
402.83
1239.96
1797.25
500年一遇
3730.97
405.3
1362.06
2841.01
坝址三（b=65m）
起调水位：
395m
对应库容：
1208.19万m3
设计标准
洪峰流量（m3/s）
水位（m）
库容（万m3）
泄量（m3/s）
50年一遇
2575.01
400.76
1321.72
1904.27
500年一遇
3788.9
402.77
1426.22
2975.16
坝下游设计水位
50年一遇水位（m）
500年一遇水位（m）
坝址一
352.65
353.98
坝址二
348.73
350.70
坝址三
346.47
348.29
1.2.2.3泥沙
孤山湖水库坝址附近没有实测泥沙资料。
查《河南省水利工程水文计算常用图》，大沙河流域实测输沙量模数200t/km2～500t/km2。
由于孤山湖库区内植被良好，故选取孤山湖水库坝址输沙量模数为200t/km2，则孤山湖水库坝址悬移质输沙量为1.338万t，推移质输沙量为0.201万t，多年平均输沙量为1.539万t。
由此算得泥沙淤积库容及相应水位：
坝址一21.7万m3，淤积高程为358.2m；
坝址二22.4万m3，淤积高程为354.2m；
坝址三29.2万m3，淤积高程为353.44m；
1.2.2.4水库死水位确定
考虑水库泥沙淤积对进水口高程的影响，水库死水位应高于坝前淤沙高程。
通过综合比较，取水库死水位坝址一取为358.3m，相应库容22.19万m3；坝址二取为354.3m，相应库容22.57万m3；坝址三取为353.5m，相应库容29.54万m3，可以满足设计年限内泥沙淤积和各部门正常工作的最低要求。
1.2.2.5水库正常蓄水位及其库容确定
根据孤山湖水库来水由群英水库下泄流量和区间来水两部分组成，经群英水库调节后，各月来水相对较为均匀，对城市供水有利。
焦作市工业及居民生活用水有多个水源，孤山湖水库建成后将成为新的补给供水水源，群英水库不再直接供给焦作市用水。
正常情况下孤山湖水库需向焦作市供水0.9m3/s，无水情况可不供给。
现根据孤山湖水库来水、焦作市综合用水以及水库坝址地形、地质条件，拟定三个孤山湖水库正常蓄水位比选方案如表3所列。
表3孤山湖水库各坝址防洪方案
坝址位置
起调水位（m）
相应库容（104m3）
溢流坝宽度（m）
运用方式
坝址一
401
969.08
60
无闸门控制
坝址二
397
964.6
55
无闸门控制
坝址三
395
1208.19
65
无闸门控制
1.2.3其它资料
电站机组主要技术指标见表4基本参数。
表4电站机组主要技术指标
序号
项目
坝一（2×320KW）
坝二、三（2×400KW）
1
水轮机型号
HL220-WJ-42
HL220-WJ-50
2
水轮发电机型号
TSWN85/31-6
TSWN99/37-8
3
调速器型号
TT-150
YT-300
4
设计水头（m）
36.7
33
5
设计流量（m3/s）
1.18
1.70
6
水轮机效率（%）
82.5
83
7
发电机效率（%）
91.5
93
8
水轮机出力（KW）
350
459
9
设计点模型汽蚀系数
0.133
0.133
10
水轮机单价（万元）
14.5
16.5
11
发电机单价（万元）
18.3
25.0
12
装机年利用小时数（h）
2283
1744
第二章枢纽布置
2.1工程等级和设计标准
2.1.1工程等级及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000有
表1-1水利水电工程分等指标
工程等别
工程
规模
水库总
库容
（10
m
）
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业的重要性
保护
农田
（10
亩）
治涝
面积
（10
亩）
灌溉
面积
（10
亩）
供水对象重要性
装机
容量
（10
KW）
Ⅰ
大
（1）型
≥10
特别重要
≥500
≥200
≥150
特别重要
≥120
Ⅱ
大
（2）型
10～1.0
重要
500～100
200～60
150～50
重要
120～30
Ⅲ
中型
1.0～0.10
中等
100～30
60～15
50～5
中等
30～5
Ⅳ
小
（1）型
0.10～0.01
一般
30～5
15～3
5～0.5
一般
5～1
Ⅴ
小
（2）型
0.01～0.001
<5
<3
<0.5
<1
注:
①水库总库容指水库最高水位以下的静库容；
②治涝面积和灌溉面积均指设计面积。
确定孤山湖水利枢纽工程为Ⅳ等工程，小
（1）型规模。
表1-2水工建筑物级别
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
Ⅰ
1
3
3
Ⅱ
2
3
4
Ⅲ
3
4
5
Ⅳ
4
5
5
Ⅴ
5
5
5
确定孤山湖水利枢纽的水工建筑物级别为：
主要建筑物4级，次要建筑物5级，临时性建筑物级别5级。
2.1.2工程洪水标准
表1-3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准[重现期（年）]
项目
水工建筑物级别
1
2
3
4
5
设计
1000～500
500～100
100～50
50～30
30～20
校核
土石坝
可能最大洪水（PMF）或10000～5000
5000～2000
2000～1000
1000～300
300～200
混凝土坝、浆砌石坝
5000～2000
2000～1000
1000～500
500～200
200～100
本工程采用混凝土重力坝，所以永久性水工建筑物的洪水标准：
正常运用情况下为50年一遇,非常运用情况下为500年一遇。
表1-4临时性水工建筑物洪水标准[重现期（年）]
临时性建筑物类型
临时性水工建筑物级别
3
4
5
土石结构
50～20
20～10
10～5
混凝土、浆砌石结构
20～10
10～5
5～3
确定临时性建筑物的洪水标准：
5年一遇。
2.2．枢纽总体布置
枢纽的整体布置要综合考虑上、下坝址的地形和地质条件，结合所给工程的实际要求，全面考虑运用、施工、管理、技术、经济等问题。
在保证方便和安全可靠的前提下，力求作到节省工程量，便于施工、缩短工期，优选技术经济效益最佳的方案。
2.2.1坝型的选择
目前，应用比较多的坝型有重力坝、拱坝和土石坝。
在选择坝型时，要根据坝区的地质、地形条件、筑坝材料、施工技术、施工条件、施工导流等众多因素来定。
由于坝址区河道曲折，在坝址区下游向东延伸呈一“S”型弯曲，河床礁滩密布，坡降大，地质构造主要表现为大面积间歇抬升，因此，很明显不适合拱坝的修筑，重力坝和土石坝都在考虑范围之内。
对这两种坝型进行比较后再作选择。
考虑到本枢纽主要承担了发电、防洪任务，而且在
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