水工建筑物重力坝设计计算书.docx
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水工建筑物重力坝设计计算书
一、非溢流坝设计
（一）、初步拟定坝型的轮廓尺寸
（1）坝顶高程的确定
①校核洪水位情况下：
波浪高度2hl=4D1/3=×185/4×41/3=
波浪长度2Ll=×（2hl）=×波浪中心线到静水面的高度h0=π（2hl）2/2Ll=×=
安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=
坝顶高出水库静水位的高度△h校=2hl+h0+hc=++=
②设计洪水位情况下：
波浪高度2hl=5/4D1/3=××18）5/4×41/3=1.62m
波浪长度2Ll=×（2hl）=×15.3m波浪中心线到静水面的高度h0=π（2hl）2/2Ll=×=
安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=
坝顶高出水库静水位的高度△h设=2hl+h0+hc=++=2.56m
③两种情况下的坝顶高程分别如下：
校核洪水位时：
+=
设计洪水位时：
+=226.56m
坝顶高程选两种情况最大值m，可按设计，则坝高。
（2）坝顶宽度的确定
本工程按人行行道要求并设置有发电进水口，布置闸门设备，应适当加宽以满足闸门设备的布置，运行和工作交通要求，故取8米。
（3）坝坡的确定
考虑到利用部分水重增加稳定，根据工程经验，上游坡采用1：
，下游坡按坝底宽度约为坝高的～倍，挡水坝段和厂房坝段均采用1：
。
（4）上下游折坡点高程的确定
理论分析和工程实验证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3~2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。
根据坝高确定为，则1/3H=1/3×=，折坡点高程=+=192m；2/3H=2/3×=35m，折坡点高程=+35=，所以折坡点高程适合位于192m~之间，则取折坡点高程为。
挡水坝段和厂房坝段的下游折坡点在统一高程处。
（5）坝底宽度的确定
由几何关系可得坝底宽度为T=（）×+8+×=
（6）廊道的确定
坝内设有基础灌浆排水廊道，距上游坝面6.1m，廊道底距基岩面4m，尺寸
×（宽×高）。
（7）非溢流坝段纵剖面示意图
（二）、基本组合荷载计算及稳定分析
由上述非溢流剖面设计计算得知校核洪水位情况下的波浪三要数：
波浪中心线到静水面的高度h0=0.3m
波浪高度2hl=0.98m
波浪长2Ll=10.23m
因为gD/v2=×4000/182=121.11m,在20～250m之间
所以波高应安转换为累计频率1%时的波高：
2hl（1%）=×=1.22m。
又因为半个波长Ll=2=所以浪压力Pl按深水波计算。
式中：
其中灌浆处及排水处扬压力折减系数取α=
水重度Υ=m3
混泥土等级强度C10
混泥土重度24KN/m3
坝前淤沙浮容重m3=m3
水下淤沙内摩擦角Φ=18°。
（1）正常洪水位情况
正常洪水位情况下荷载计算示意图
正常洪水位情况下的荷载计算过程见附表1
附表1···---非溢流重力坝基本荷载计算表
上游水位：
--------下游水位:
--------坝高：
-------------------------计算情形：
正常洪水位情况
荷载
符号
计算公式
垂直力（KN）
水平力（KN）
对坝底面中点的偏心距（m）
力矩（KN·m）
↓
↑
←
→
正
负
自重
W1
1/2×××24
W2
8××24
W3
1/2××42×24
水平水压力
P1
1/2××
P2
1/2××
垂直水压力
Q1
×14×
Q2
1/2×××
Q3
1/2×××
扬压力
U1
××
U2
1/2×××
U3
××
U4
1/2×××
浪压力
P11
1/2××++×
P12
1/2××
水平泥沙压力
Pn1
1/2××202×tg（45°-18°/2）
垂直泥沙压力
Pn2
1/2×4×20×
合计
总计
∑W=
∑P=
∑M=
注：
垂直力以↓为正，↑为负；水平力以→为正，←为负；力矩以顺时针为正，逆时针为负
②抗滑稳定分析
＝[×（）＋700×]／
＝＞[]，满足抗滑稳定要求。
（2）校核洪水位情况
校核洪水位情况下荷载计算示意图
1校核洪水位情况下的荷载计算过程见附表2
附表2----------···-----非溢流重力坝基本荷载计算表
上游水位：
-------下游水位:
坝高：
计算情形：
校核洪水位情况
荷载
符号
计算公式
垂直力（KN）
水平力（KN）
对坝底面中点的偏心距（m）
力矩（KN·m）
↓
↑
←
→
正
负
自重
W1
1/2×××24
W2
8××24
W3
1/2××42×24
水平水压力
P1
1/2××
P2
1/2××
垂直水压力
Q1
××
Q2
1/2×××
Q3
1/2×××
扬压力
U1
××
U2
1/2×××
U3
××
U4
1/2×××
浪压力
P11
1/2××++×
P12
1/2××
水平泥沙压力
Pn1
1/2××202×tg（45°-18°/2）
垂直泥沙压力
Pn2
×1/2×4×20
合计
总计
∑W=
∑P=
∑M=
注：
垂直力以↓为正，↑为负；水平力以→为正，←为负；力矩以顺时针为正，逆时针为负。
2抗滑稳定分析
＝[×（）＋700×]／
＝＞[]，满足抗滑稳定要求。
四、应力分析（运行期）
（一）正常洪水位情况下
1、水平截面上的正应力
2、剪应力
上游面水压力强度：
下游面水压力强度：
剪应力：
3、水平应力
4、主应力
（二）校核洪水位情况下
1、水平截面上的正应力
2、剪应力
上游面水压力强度：
下游面水压力强度：
剪应力
3、水平应力
4、主应力
五、内部应力计算
（一）正常洪水位情况下
坐标原点设在下游坝面，由偏心受压公式可以得出系数a和b，如下
具体坝内应力计算过程见附表3
（二）校核洪水位情况下
坐标原点设在下游坝面，由偏心受压公式可以得出系数a和b，如下
具体坝内应力计算过程见附表4
附表3
非溢流坝坝内应力分析计算表
正常洪水位情况下
选取点距坝址距离X
0
10
20
30
40
a=∑W/B-6∑M/B²
b=12∑M/B³
水平截面正应力σy=a+bX
a1=τd
b1=（-1/B）×（6∑P/B+2τu+4τd）
c1=﹙1/B²﹚×（6∑P/B+3τu+3τd）
坝内剪应力τ=a1+b1X+c1X²
a2=σxd
b2=（σxu-σxd）/B
坝内水平正应力σx=a2+b2X
坝内主应力
坝内主应力
第一主应力方向
﹣35°0′
29°37′
39°27′
40°36′
36°38′
12°35′
附表4
非溢流坝坝内应力分析计算表
校核洪水位情况下
选取点距坝址距离X
0
10
20
30
40
a=∑W/B-6∑M/B²
b=12∑M/B³
水平截面正应力σy=a+bX
a1=τd
b1=（-1/B）×（6∑P/B+2τu+4τd）
c1=﹙1/B²﹚×（6∑P/B+3τu+3τd）
坝内剪应力τ=a1+b1X+c1X²
a2=σxd
b2=（σxu-σxd）/B
坝内水平正应力σx=a2+b2X
坝内主应力
坝内主应力
第一主应力方向
﹣34°58′
41°57′
41°03′
38°28′
25°12′
6°12′
六、坝内应力分析图
根据坝内应力分析计算成果，可做出坝内应力分布图，如下所示：
（1）正常洪水位情况下
（2）校核洪水位情况下
二、溢流坝设计
一、孔口型式及尺寸拟定
已知：
校核洪水位时泄流量为3340m³/s
设计洪水位时泄流量2600m³/s
设：
单宽流量为q=80m³/s·m
闸门孔口数为5孔，每孔净宽为8m。
①前缘净宽
校核洪水位时：
L=Q溢/q=3340/80=（m）
设计洪水位时：
L=Q溢/q=2600/80=（m）
综上所述，取L=40m
2堰顶高程
由资料可知，堰顶高程为。
二、溢流坝的堰面曲线设计
①顶部曲线段
开敞式溢流堰面曲线，采用幂曲线时按下式计算：
定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75%-95%计算，m；
n、K—与上游坝面坡度有关的指数和系数；
x、y——溢流面曲线的坐标，其原点设在颜面曲线的最高点。
按85%计算，则：
上游坝面铅直：
k=2,n=
x-y关系如下表：
x
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
y
0
3原点上游曲线段
R1==×=（m）,=×=（m）；
R2==×=（m）,=×=（m）；
R3==×=（m）,=×=（m）。
4堰面曲线与直线段的切点坐标
上游坡度垂直：
A=B=a=b=
直线段与溢流曲线的切点坐标：
θ1==55°
切点高程=堰顶高程-==（m）
5底部反弧段
取=时，坝顶水面流速为V1
H0=校核洪水位-坎顶高程=因为q=80m³/s·m,则q/V1=80/=
所以h=。
又因为R=（4—10）h，所以取R=6h=6×=（m）
取挑射角θ2=20°
则：
圆心高程=坎顶高程+Rcosθ2=+°=（m）
圆心纵坐标y0=堰顶高程-圆心高程==（m）
反弧段和直线段的切点坐标：
圆心坐标：
E点坐标（坎顶坐标）：
离心力作用点坐标：
⑥溢流坝段纵剖面示意图
根据溢流坝的堰面曲线设计数据画出溢流坝段的纵剖面示意图，如下：
溢流坝段纵剖面示意图
三、基本组合荷载计算及稳定分析
波浪三要数：
波浪中心线到静水面的高度h0=
波浪高度2hl=4D1/3=×185/4×41/3=
波浪长度2Ll=×（2hl）=×因为gD/v2=×4000/182=121.11m,在20～250m之间
所以波高应安转换为累计频率1%时的波高：
2hl（1%）=×=1.22m。
又因为半个波长Ll=2=所以浪压力Pl按深水波计算。
式中：
灌浆处及排水处扬压力折减系数取α=
水重度Υ=m3
混泥土等级强度C10
混泥土重度24KN/m3
坝前淤沙浮容重m3=m3
水下淤沙内摩擦角Φ=18°。
（1）基本组合荷载计算
在CAD中绘制溢流坝段纵剖面图，并利用面域查出一个坝段坝体面积A1=²,坝体重心距坝踵X1=；一个闸墩面积A2=m²，闸墩重心距坝踵X2=。
溢流坝段基本组合荷载计算过程见附表5，基本组合荷载示意图如下：
溢流坝段基本组合荷载计算示意图
附表5溢流重力坝基本荷载计算表
上游水位：
下游水位:
溢流坝高：
计算情形：
校核洪水位情况
荷载
符号
计算公式
垂直力（KN）
水平力（KN）
对坝底面中点的偏心距（m）
力矩（KN·m）
↓
↑
←
→
正
负
自重
W1
×24
W2
×24
水平水压力
P1
1/2××
P2
1/2××
垂直水压力
Q1
××
Q2
1/2×××
扬压力
U1
××
U2
1/2×××
U3
××
U4
1/2×××
浪压力
P11
1/2××++×
P12
1/2××
水平泥沙压力
Pn1
1/2××202×tg²（45°-18°/2）
垂直泥沙压力
Pn2
×1/2×4×20
合计
总计
∑W=
∑P=
∑M=
（2）抗滑稳定分析
＝[0..9×（）＋700×]／
＝＞[]，满足抗滑稳定要求。
（3）上下游边缘应力计算
根据材料力学可知，C20混凝土抗压强度为20MPa，抗拉强度为,所以坝体应力满足稳定要求。
四、消能防冲设计
鼻坎高程为：
反弧半径：
R=
挑射角：
θ=20°
挑距：
L′=L+ΔL
由上诉可知：
V1=m³/s;
h1=hcosθ=°=
h2=冲刷坑深度：
取冲刷坑系数为k=，q=80m³/s·m，H=所以最大冲刷坑水垫厚度：
冲刷坑深度：
所以：
满足要求
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