水工建筑物重力坝课程设计.docx
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水工建筑物重力坝课程设计
1工程总体布置
工程等别及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。
灌溉农田在50万亩以上，属于Ⅱ等中型工程。
发电在20万千瓦。
根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：
综合取水库工程等级为Ⅱ等中型工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1级。
其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为2级，而洪水标准不提高。
2非溢流坝坝体设计
2.1剖面拟定
2.1.1剖面设计原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求；
2、力求剖面较小；
3、外形轮廓简单；
4、工程量小，运用方便，便于施工。
2.1.2拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3—1，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9倍。
图3-1重力坝的基本剖面图示
2.1.3拟定实用剖面
一、确定坝顶高程
1、超高值Δh的计算
（1）基本公式
坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。
Δh=h1%+hz+hc（3-1）
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
H1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
hc—安全加高，按表3－1采用,对于Ⅲ级工程，设计情况hc＝0.4m，校核情况hc＝0.3m。
表2－1坝的安全加高hc
运用情况
坝的级别
123
设计情况（基本情况）
0.7
0.5
0.4
校核情况（特殊情况）
0.5
0.4
0.3
下面按官厅公式计算h1%，hz。
（适用于V0小于２０m/s，Ｄ小于２０km的峡谷水库）
V0为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。
正
常蓄水位和设计洪水位时，采用的最大风速１７m/s，西北偏西；校核洪水位时，采用多年平均最大风速１２m/s。
D为吹程，km，按回水长度计算：
正常蓄水位时回水长度为4.5km，设计洪水位时回水长度为4km，校核洪水位时回水长度为4km。
波高hl，当gD/V02=20～250时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000时，为累计频率10%的波高h10%。
规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41。
首先计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。
（1）设计洪水位时Δh计算
风速采用的风速217m/s，吹程D=4.5km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×175/4×4.51/3=0.95m
波长L=10.4（h1）0.8=10.4×0.950.8=9.98m
壅高hz=πhl2/L=3.14×0.952/9.98=0.28m
gD/V02=9.8×4500/172=152.60<250；
h1%=1.24h5%=1.24×0.95=1.18m；hz=0.28m；hc=0.7m
Δh=h1%+hz+hc=1.18+0.28+0.7=2.16m
（2）校核洪水位时Δh计算
风速采用多年平均风速12m/s，D=4km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×125/4×41/3=0.59m
波长L=10.4（h1）0.8=10.4×0.590.8=6.86m
壅高hz=πhl2/L=3.14×0.592/6.86m=0.16m
gD/V02=9.8×4000/122=272.22>250；
h1%=1.41h10%=1.41×0.59=0.83m；hz=0.16m；hc=0.5m
Δh=h1%+hz+hc=0.83+0.16+0.5=1.49m
2、坝顶高程计算
坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh设
坝顶高程=校核洪水位+Δh校（3-5）
根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。
（1）设计洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=设计洪水位+Δh
=186.60+2.16=188.76m
（2）校核洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=189.60+1.49=191.09m
为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝191.09m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽191.09m。
2.2、确定坝基高程
河床高程100m，校核洪水位为191.09m，地基开挖时河床上的大块石、卵石必须清除5-6m，所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。
根据规范，坝高超过100m时，可建在新鲜下部基岩上，故挖6m。
坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一新鲜完整坚硬。
坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性小。
但倾角节理较发育，以节理构造为主，应结合基础开挖予以挖除7m。
通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽87m，因此，最大坝高为104m，属于高坝。
2.3、拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%取值，且
不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。
按坝高的10%计算，即为10.4米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为12m，以满足大坝维修作业通行需要。
2.4、拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2005规定，非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝
顶附近。
基本断面上部设坝顶结构。
坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。
实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应
结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同
时选定。
下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。
拟定坝体形状为基本三角形。
坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。
该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。
上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资
料可知，淤沙高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为151m的位置。
通过最优方案的比较，上游坝坡取1：
0.18，下游坝坡取1：
0.7。
2.5、坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，本工程的坝高为104m，通过已经确定的
上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=12+73=85m。
2.6、基础灌浆廊道尺寸拟定
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8m，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。
3.荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有：
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。
特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-1所示。
表3-1荷载组合
荷载
组合
主要考虑情况
荷载
自重
静水
压力
扬压
力
泥沙
压力
浪压
力
地震
荷载
动水
压力
土压
力
基本
组合
（1）正常蓄水位情况
√
√
√
√
√
√
（2）设计洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
特殊
组合
（1）校核洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
（2）地震情况
√
√
√
√
√
√
√
注：
1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。
3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6.表中的“+”表示应考虑的荷载。
（1）自重W
坝体自重的计算公式：
W=Vγc（kN）（3-6）
式中V——坝体体积，ｍ3；由于取1ｍ坝长，可以用断面面积代替
γc——坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）
四种情况下自重相同。
W11=24×0.5×64×12=9216kN
W12=24×12×104=29952kN
W13=24×0.5×61×88.86=76089.36kN
W1=W11+W12+W13=115257.36kN
（2）静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。
计算各种情况下的上下游水深：
根据水力学公式
式中：
根据相关规范，C=1，m=0.49，ε1=1，σs=1；
溢流坝宽度10m，B=10m；
表3-2不同情况下上下游水深
特征水位
上游水深H1（m）
下游水深H2（m）
上下游水位差H（m）
正常蓄水位
184.25
103.5
80.75
设计洪水位
186.64
114.15
72.49
校核洪水位
189.60
115.50
74.1
计算各种情况下静水压力：
水平水压力PH计算公式为：
（3-8）
式中：
Ｈ—计算点处的作用水头，ｍ；
γw—水的重度，常取9.81kN／ｍ3；
垂直水压力PV按水重计算。
a.正常蓄水位：
上游水平水压力：
PH1=Pu=1/2×9.81×97.25×97.25=46389.34kN（→）
下游水平水压力：
PH2=Pd=1/2×9.81×16.5×16.5=1335.39kN（←）
上游垂直水压力：
PV1=W2’=9.81×12×33.25=3914.19kN
PV2=W2”=9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：
PV3=W3=9.81×1/2×16.5×16.5×0.7=934.77kN
b.设计洪水位：
上游水平水压力：
PH1=Pu=1/2×9.81×99.64×99.64=48697.46kN（→）
下游水平水压力：
PH2=Pd=1/2×9.81×27.15×27.15=3615.59kN（←）
上游垂直水压力：
PV1=W2’=9.81×35.64×12=4195.54kN
PV2=W2”=9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：
PV3=W3=9.81×1/2×27.15×19.01=2531.58kN
c.校核洪水位：
上游水平水压力：
PH1=Pu=1/2×9.81×102.6×102.6=51633.76kN（→）
下游水平水压力：
PH2=Pd=1/2×9.81×28.5×28.5=3984.09kN（←）
上游垂直水压力：
PV1=W2’=9.81×12×38.6=4543.99kN
PV2=W2”=9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：
PV3=W3=9.81×1/2×28.5×19.95=2788.86kN
（3）扬压力U
根据规范，排水处扬压力折减系数：
α=0.25,将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。
a.正常蓄水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×80.75×9.81=3564.71kN
U2=9.81×0.25×80.75×12=2376.47kN
U3=1/2×9.81×0.25×80.75×73=7228.44kN
U4=9.81×85×16.5=13758.53kN
U=U1+U2+U3+U4=226928.15kN
b.设计洪水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×72.49×9.81=3200.07kN
U2=9.81×0.25×72.49×12=2133.38kN
U3=1/2×9.81×0.25×72.49×73=6489.03kN
U4=9.81×85×28.5=23764.73kN
U=U1+U2+U3+U4=34461.51kN
c.校核洪水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×74.1×9.81=3205.9kN
U2=9.81×0.25×74.1×12=2180.76kN
U3=1/2×9.81×0.25×74.1×73=6633.15kN
U4=9.81×28.5×85=23764.73kN
U=U1+U2+U3+U4=35849.78kN
地震情况按正常蓄水位计算。
（4）泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100年，水平泥沙压力Ps为：
式中：
γsb——泥沙的浮容重，kN/m3；
hs——坝前淤沙厚度，ｍ；
Φs——淤沙的内摩擦角，（°）。
浮容重为8.5kN/m3，,φs=10°。
水库坝址处多年平均年固体径流总量331万t百年水库淤积高程115m。
故泥沙压力为
Ps=1/2×8.5×28×28×tan2（45°-5°）=2346.02kN
（5）浪压力
1.基本数据
表3-3浪压力计算基本数据表
正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
计算风速V0（m/s）
17
17
12
有效吹程D（m）
4500
4000
4000
重力加速度g（m/s2）
9.81
9.81
9.81
水位高程（m）
184.25
186.64
189.60
坝基高程（m）
87
87
87
安全超高hc（m）
0.7
0.7
0.5
迎水面深度H（m）
97.25
99.64
102.6
2.波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V0<20m/s及D<20km）：
h——当gD/V02=20～250时，为累积频率5%的波高h5%；
当gD/V02=250～1000时，为累积频率10%的波高h10%
Lm——平均波长（m）；
波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算：
平均波长按下式计算：
a.正常蓄水位：
Lm=0.331V0-1/2.15（gD/V02）1/3.75×V02/g
=0.331×17-1/2.15（9.8×4500/172）1/3.75×172/9.8=9.99m
hl=0.0076V0-1/12（gD/V02）1/3×V02/g
=0.0076×17-1/12（9.8×4500/172）1/3×172/9.8=0.945m
h1%=1.24×h5%=1.17m
hz=3.14×1.172/9.99=0.431m
因H>Lm/2，属于深水波。
b.设计洪水位：
Lm=0.331×17-1/2.15（9.8×4000/172）1/3.75×172/9.8=9.99m
h1%=1.178m
hz=0.28m
因H>Lm/2，属于深水波。
c.校核洪水位
Lm=0.331×12-1/2.15（9.8×4000/122）1/3.75×122/9.8=6.82m
h1%=0.83m
hz=0.16m
因H>Lm/2，属于深水波。
3.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力，浪压力计算公式为
a.正常蓄水位：
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.8×9.99×（1.172+0.431）/4=39.27kN
b.设计洪水位：
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.8×9.99×（1.178+0.28）/4=35.72kN
c.校核洪水位：
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.8×6.82×（0.83+0.16）/4=16.56kN
地震情况按正常蓄水位计算。
（6）地震荷载
工程区地震烈度为7度，设计时考虑水平向地震惯性力代表值Fi，按式（3-15）计算
当设计烈度为7度时，αh取0.1g，ξ一般取0.25，αi为质点i的动态分布系数，按式（3-16）计算
地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力。
在水平地震作用下，单位宽度上的总地震动水压力F0为
F0=86.56/90×0.65×0.1×9.8×0.25×1.0×99.642=1520.62kN
（7）其它荷载
冰压力、土压力应根据具体情况来定。
温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分时可以不计入。
风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。
3.3稳定分析
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。
抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。
抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
正常蓄水位情况和地震情况按单一安全系数法验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。
图为坝体抗滑稳定计算简图
1.单一安全系数法：
因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下：
式中：
K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f′=0.75；
c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c′=500KPa；
A——坝基接触面截面积，m2。
ΣW——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；
ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；
按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数K′值应不小于
表3-6的规定。
表3-4坝基面抗滑稳定安全系数K′
荷载组合
K′
基本组合
3.0
特殊组合
（1）
2.5
（2）
2.3
（1）基本组合
a.正常蓄水位
单一安全系数法：
KS’=[0.75×72708.91+500×85]/47439.24=2.43<3.0
不满足规范要求。
b.设计洪水位：
单一安全系数法：
KS’=[0.75×68467.39+500×85]/47463.61=2.33<2.5
不满足规范要求。
b.校核洪水位：
单一安全系数法：
KS’=[0.75×67880.63+500×85]/50012.25=2.21<2.5
不满足规范要求。
采取措施
1.利用水重将坝的上游面向上游倾斜，利用坝面的水重来提高坝的稳定性。
2.采用有利的开挖轮廓线开挖地基时利用沿免得自然坡度，使坝基倾向上游。
有时将坝址高程降低，使坝基面倾向上游。
3.设置齿墙。
4.预应力采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，可增加坝体稳定性。
4应力分析
用材料力学法计算边缘应力。
在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。
当采用材料力学法分析坝体应力时，SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。
重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：
运用期
1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；
2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求；
重力坝坝体应力应符合下列要求：
运用期
1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。
2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。
3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求。
同样采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计式对四种情况分别分析水平截面上的正应力。
单一安全系数法：
因为假定σy按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力
σyu和σyd。
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：
正常蓄水
=123873.36/85+6×（-820200）/852=776.2kN>0
坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。
=123873.36/85-6×（-820214）/852=2138.46kN
坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
=（1+0.49）×2138.46=3186.31kN
设计洪水
=125751.52/85+6×（-820214）/852=798.28kN>0
坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。
=12571.52/85-6×（-820214）/852=2160.58kN
坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
=（1+0.49）×2160.58=3219.26kN
小于混凝土的容许压应力。
校核洪水位
偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求。
（1）计算作用效应函数
=[126357.25/85-6×（-1016450.82）/852]×（1+0.49）=3472.7kN
满足强度要求。
地震情况
=125751.52/85+6×（-820214）/852=798.28kN
=12571.52/85-6×（-820214）/852=2160.58kN
地震荷载作用下，铅直应力符合SL203-97《水工建筑物抗震设计规范》的要求。
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
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