重力坝设计内容Word文件下载.docx

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波浪要素按官厅公式计算:

Δh=h1+hz+hc

Δh—库水位以上的超高，m；

h1—波浪高度，m；

hz—波浪中心线超出静水位的高度，m；

hc—安全超高，按表2-1采用,对于2级工程，设计情况hc＝0.5m，校核情况hc＝0.4m。

D—风区长度，m。

—计算风速，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍，校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。

L—波长，m。

（2）荷载计算

下游设计水位=565.11+66/100=565.7（m），下游校核水位=567.64+66/100=566.3（m）

下游设计水深=565.7-550=15.7m，下游校核水深=566.3-550=16.3m

1）、自重W

W=V×

γ混泥土=94.1×

75×

0.5×

1×

24=84690（KN）

2）、静水压力

P上设=0.5×

γ水×

×

1=4215.1（KN）

P上校=0.5×

1=43064.4（KN）

P下设=0.5×

1=1209.0（KN）

P下校=0.5×

1=1303.2（KN）

P设=P上设－P下设=40942.1（KN）

P校=P上校－P下校=41761.2（KN）

3）扬压力

U设=0.5×

（h上设－h下设）×

T×

1

=0.5×

9.81×

（92.7－15.7）×

1=28326.4（KN）

U校=0.5×

（h上校－h下校）×

（93.7－16.3）×

1=28473.5（KN）

（3）抗滑稳定分析

1）抗剪强度计算

基本组合：

K1=0.8*（84690-28326.4）÷

40942.1=1.10（满足）

特殊组合：

K2=0.8*（84690-28473.5）÷

41761.2=1.07（满足）

3）抗剪断强度

抗剪断摩擦系数1.0-1.1，抗剪断凝聚力09.-1.1MPa。

f′=1.1c′=1100KPa

=3.5（满足）

特殊组合：

=3.4（满足）

（4）应力分析

ΣW——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；

ΣM——作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·

m；

B——计算截面的长度，m。

坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：

=G*LG=W*（T/2-T/3）

=84690×

（75|6）

=1058625（KN*M）（逆时针方向）

=P设*（H设/3）

=40942.1×

（92.7/3）

=1265110.89（KN*M）（顺时针方向）

=U设*LX=U*（T/2-T/3）

=28326.4×

（75/6）

=354080（KN*M）（顺时针方向）

∑M=1058625－1265110.89－354080=-560565.89（KN*M）

σyu=∑W/T+6∑M/

=576.4＞0

σyd=∑W/T+6∑M/

=1772.3＞0

∴满足条件

特殊组合

=P校*（H校/3）

=41761.2*（93.7/3）

=1304341.48（KN*M）（顺时针方向）

=U校*LX=U*（T/2-T/3）

=28473.5*（75/6）

=4355918.75（KN*M）（顺时针方向）

∑M=1058625－1304341.48－4355918.7

=-601635.2（KN*M）

=581.6＞0

σyd=∑W/T－6∑M/

=1816.1＞0

∴经计算初拟的方案满足应力和稳定的要求，且其折点处的应力和稳定也均满足要求，初步符合要求。

第四部分溢流坝段设计

（1）孔口设计

1）泄水方式的选择

为使得水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口

2）洪水标准的确定

本次设计的重力坝是3级建筑物，查表可知采用50年一遇的洪水标准设计，500年一遇的洪水标准校核。

3）流量的确定

上游水位（m）

最大下泄流量（

）

正常

642.00

设计

642.71

1059.4

校核

643.69

1137.94

设计成果如表：

4）单宽流量的选择

坝址河段长350m，河床宽20m-30m。

坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置和下游的消能防冲要求，单宽流量取50~100

5）孔口净宽拟定

由已知可列表：

计算情况

流量

单宽流量

孔口净宽

设计情况

50~100

10~21

校核情况

11~23

根据以上计算，溢流坝段孔口净宽取18m，假设每孔宽度b为6m，则孔数n为3。

6）溢流坝段总长度（溢流孔口总宽度）的确定

拟定中墩厚度d为3m，边墩厚度t为2m，则溢流坝段总长度

为：

=nb+（n-1）d+2t=28m

7）堰顶高程的确定取侧收缩系数为0.95，流量系数为0.502.因为过堰水流为自由出流，故σ=1。

溢流坝高程为638m，计算结果见下表：

侧收缩系数

流量系数

堰上水头

堰顶高程

0.95

0.502

18

9.1

638

9.7

堰上最大水头：

堰顶最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程

即堰顶最大水头Hmax=9.7m

定型水头为：

=90%x9.7=8.7

8）闸门高程

门高=正常高水位-堰顶高程+（0.1~0.2）=4.1m

按规定取门高5m

（2）消能防冲设计

（一）确定消能方式

1）挑流消能:

挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。

2）流式消能:

底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在底限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.底流消能具有流态稳定，消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点。

但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道,高坝采用底流消能需经论证。

3）面流式消能:

面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。

面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。

面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。

4）消力戽消能：

消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。

戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。

消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。

消力戽的优点是：

工程量较底流消能小；

冲刷坑比挑流消能浅；

不存在雾化问题。

缺点是：

下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。

5）最终确定消能型式

根据地质条件，选取挑流消能。

根据建工经验，挑射角θ取25度，挑流鼻坎应高出下游最高水位（568.3m）1~2m，鼻坎的高程为：

569.3m

（二）、反弧半径的确定

V1=0.96X（19.6X73.3）^（1/2）=36.4（m/s）

坎顶水深为：

h=1137.94/（28x36.4）=1.56m

反弧半径R:

R=（4~10）h=6.24~15.6（m）

取R=14（m）

（三）、水舌的挑距L及可能最大冲的深度

估算。

L 

——水舌挑距，m；

v1 

——坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1 

倍计算；

θ——鼻坎的挑角；

h1 

——坎顶平均水深h 

在铅直向的投影，h1=hcosθ；

h2 

——坎顶至河床面高差，m；

计算水舌挑距：

L=（1/9.81）×

（36.4^2×

0.9×

0.42+36.4×

（（36.4×

0.42）^2+2×

9.81x（1.41+3.6））^（1/2））=109（m）

（四）冲刷坑深度工程上常按下式进行估算。

—水垫厚度，自水面算至坑底，m；

q 

—单宽流量

；

q=75

H 

—上下游水位差，m；

取H=设计水位-校核水位=76.94（m）

α—冲坑系数，坚硬完整的基岩取0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩取1.2～1.5，软弱破碎裂隙发育的基岩取1.5～2.0。

该设计取1.0.

=1x75^（0.5）x76.94^（0.25）=25.6

经计算：

/

=109/25.6=4.25>

2.5,可知道形成的冲坑不会影响大坝的安全

（3）、溢流面剖面设计

溢流坝的基本剖面为三角形。

一般其上游面为铅直或者折线面，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧段三部份组成。

一、闸门与门槽

在进水口处设置拦污栅和平面事故闸门、平面工作闸门。

事故闸门紧贴上游坝面。

事故闸门紧贴上游坝面布置，闸门槽尺寸为0.5x0.5为矩形闸门槽。

二、渐变段

在进水闸门后需设置渐变段，渐变段采用圆角过渡，其长度为（2~3）D

第五部分地基处理

（一）、坝基开挖

由于坝址基岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗，河岸边及冲沟底部坝址基岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗，河岸边及冲沟底部见有弱风化基岩出露。

河床冲积层厚度一般为2.0-2.5m，左岸覆盖层厚度为3-8m，右岸覆盖层厚度为0.5-5.0m，地基开挖时应该把覆盖层和严重风化层全部挖出，坝底最低高程为550m，顺水流方向开挖成锯齿状，并在上下游坝基面开挖一个浅齿墙。

沿坝轴方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的k宽度最少为1/3坝段长，相邻两平台的高差不超过10m。

（二）、坝基的加固处理

坝基加固的目的，在于提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩得受李力变形，提高基岩的抗压，抗剪强度，降低坝基的渗透性。

固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。

采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆，以提高基岩的弹性模量、抗渗性和强度等。

在坝踵、坝址附近灌注孔相对较密，呈梅花形布置，其他部位疏一些。

孔距排距由灌浆试验确定，一般从10～20m 

开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为3～4m，本设计取4m。

孔深5～8m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为8～15m。

钻孔方向垂直于基岩面。

当存在裂隙时，为了提高灌浆效果，钻孔方向尽可能正交于主要裂隙面，但倾角不能太大。

（三）、断层破碎带和软弱夹层的处理

1、在坝基范围内单独出露的断层破碎带，其主要为坚硬的构造岩、断层泥为主，对基础的强度和压缩并不大时，可适当在深度内，将断层破碎带及其两侧风化岩石挖除或挖至比较完整的岩体。

2、当断层破碎带规模不大，但其组成物以软弱的构造岩、断层泥为主对基础的强度和压缩变形有一定的影响时，可用混泥土加固。

混泥土塞得的高度可取断层破碎带宽度的1.0-1.5倍，但在开挖中如发现破碎带组成物的性质明显好转时，则适当减少混泥土塞得高度

3、对于软弱夹层，可采用明挖清除：

对于浅埋的夹层，可采用明挖清除，在回填混泥土加固；

对于深层的夹层，视其坝体稳定和基础沉降危害的程度。

确定是否需要处理，如需要处理，可采用洞挖后回填混泥土的方式进行加固。

为阻止坝体沿软弱夹层滑动，有的在下游坝趾处设置深齿坎或采用大型混泥土抗滑桩；

或采用预应力锚索措施进行。

第六部分细部构造

（1）坝顶构造

1）非溢流坝，坝顶上游侧应设置防浪墙，宜采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，墙身应有足够的厚度以抵挡波浪及漂浮物冲击，墙高为1.0～1.2m，在坝体的横缝处应留伸缩缝，并设置止水。

下游侧应设置栏杆、灯柱，以保护行人和行车安全。

坝顶路面应有适当的横向坡度，并设置相应的排水设施，以便排除路面雨水。

路面排水应与坝体内排水连通或直接排入把体内。

当设置人行道时，宜高出坝顶路面20～30cm。

2）溢流坝段：

溢流坝段的上部设有闸门、闸蹲、门机、交通桥等结构和设备。

闸门的布置：

工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏向下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面而形成而负压。

采用平面钢闸门，门的尺寸：

高x宽=7x7，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的净距离为2m。

闸蹲：

闸蹲的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线形。

其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，既643.69m；

下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝顶高程。

中墩厚度3m，边墩的厚度2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝隙。

工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5。

导水墙：

边墩向下游延伸成导水墙。

其长度延伸到挑流鼻坎的末端；

高度经计算得3.5.导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取0.5m。

（2）分缝与止水

为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉陷而产生裂缝，满足施工（混凝土的浇筑能力和施工期的温控）的需要，坝体需要分缝。

常见的缝有：

横缝、纵缝、水平施工缝。

①横缝。

垂至于坝轴线，将坝体分成若干各坝段。

间距（一般是相等的）为12～20m，缝

宽1～2cm。

横缝一般为永久性缝，缝面为水平面，缝内设置止水。

②纵缝。

一般为竖缝形式，缝面应设置键槽，并埋设灌浆系统，并在蓄水前进行灌浆。

纵缝与坝面应垂直相交，避免浇筑块有尖角。

间距为15～30m，深孔坝段、寒冷地区，宜选用较小的间距。

③水平施工缝。

坝体上下层浇筑块之间的结合面称水平施工缝。

一般浇筑块厚1.5～4m，靠近基岩面层厚度为1.5～2m，同一坝相邻浇筑块水平施工缝的高程应错开。

止水与坝的级别和高度有关。

高坝：

止水采用两道止水片，止水片间设沥青井，两道止水片均为紫铜片，厚度为1.0～1.6mm。

中低坝的止水可适当简化，中坝第一道止水片为紫铜片，第二道止水片可采用塑料或橡胶止水片.横缝止水必须与坝基岩石妥善连接，止水片一般埋入基岩内的深度为30～50cm，沥青井也埋入基岩内.

（3）廊道系统

1）基础灌浆廊道

高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.5～3m，高为3～4m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×

3.5m，形状采用城门洞型。

廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m处设置，本次设计取10m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，取5m。

2）检查和坝体廊道

为了检查和排除坝体渗水，在坝体上游面沿高度每隔15-30设一检查兼做排水用的廊道。

廊道断面性质多位城门洞型其上游侧距离上游坝面应不小于0.05-0.07倍水头，但不小于3M，廊道最小宽度1.2M.最小高度2.2米，各层廊道在左、右岸至少应各有一个出口，各层廊道之间用水户井连通。

如坝内设有电梯井，则各层廊道均应与电梯井相通。

本设计取检查和排水廊道断面2×

2.5M。

（4）坝体防渗与止水

1）固结灌浆 

为了提高基岩的整体性和基岩的承载能力，减少不均匀沉陷，提高地基表层防渗性能，需要对坝基进行加固处理。

固结灌浆孔时一种用低压浅层灌水泥浆的方法来加固地基，适用于裂隙发育又无其他缺陷时。

固结灌浆孔一般布置在坝踵、坝址附近，以及节理裂隙发育和破碎带的范围内。

灌浆孔布置呈梅花形或方格形。

本工程采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆，以提高基岩的弹性模量、抗渗性和强度等。

在坝踵坝址附近关注孔相对较密，呈梅花形布置，其他部位树疏一些。

孔距排距由灌浆试验确定，一般为3～6m。

2）帷幕灌浆 

帷幕灌浆的目的：

降低坝底的渗透压力，减少绕坝渗透，防止坝基内产生渗透破坏，使幕后的坝基面渗透压力降至允许值以内。

帷幕灌浆的范围：

河床及两岸。

灌浆的材料：

一般采用水泥浆，必要时也可采用化学浆。

位置：

应在靠近上游坝面的坝轴线附近，自河床向两岸延伸。

钻孔和灌浆常在基础廊道内，靠近两岸可在坝顶或平洞内进行。

帷幕灌浆钻孔的方向：

原则上应尽量穿过最多的裂隙和岩层层面。

一般向上游倾斜的角度为0～10，本工程为减小渗透压力对坝体稳定的影响，减小扬压力，在灌浆廊道设一排帷幕灌浆孔，利用高压灌浆填塞岩内的裂缝和空隙等污水通道，帷幕深度打入相对不透水层1～2m。

3）坝基排水处理

坝基排水孔布置在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与帷幕灌浆的夹角为10。

孔距取3m，孔深为10~15m，沿坝轴线方向设置一排。

（5）混泥土坝的材料分区

混泥土坝的各工作条件不同，对混泥土上的要求也不同，为了节约和合理的使用水泥，通常将坝体混泥土分为若干区，分区混泥土的各种特性指标。

Ⅰ～区为上、下游最高水位以上坝体表层混泥土。

在寒冷地区

2～3m的抗冻混泥土，标号一般为C14、S4、D150；

Ⅱ～区为上下游水位变化区的坝体表层混泥土，多采用厚3～5m的抗渗，抗冻并具有抗侵蚀性混泥土，标号一般为C15、S8、D200；

Ⅲ～区和Ⅳ～区取分别为上下游最低水位以下坝体表层混泥靠近地基的基础混泥土，对抗渗、强度和低热要求较高，多采用厚2～3m，标号C20、S12、D300,对于区还要求为低热混泥土Dw；

Ⅴ～区为坝体内部混泥土，多采用低标号低热混泥土，强度根据坝面的应力大小，上部多采用C10、S4、Dw，下部多采用C15、S4、Dw混泥土；

Ⅵ～区抗冲刷部位混泥土，如溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等。

抗压强度不低于20MPa～25MPa（90天龄期），在严寒地区应满足D150～D250要求

主要参考资料

（1）水工设计手册（基础理论）

（2）水工设计手册（混泥土重力坝）

（3）水工建筑物

（4）水力学（上、下册）

（5）AutoCAD工程制图

（6）水工建筑物荷载计算规范

（7）水利工程水利计算规范

（8）水利水电工程等级划分标准

（9）防洪标准