水工建筑物重力坝课程设计交大水利级.docx

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水工建筑物重力坝课程设计交大水利级

第一章工程综合说明

1.1工程等别及建筑物级别

水电站装机容量20万千瓦，平均发电量5.09亿度。

工程建成后，可增加保灌面积50万亩。

根据工程的效益、库容、灌溉面积、防洪标准及重要程度等综合因素确定本工程属于Ⅲ等工程，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑为5级。

1.2枢纽总体布置

本枢纽河谷底宽100米左右，主厂房平面尺寸81×18㎡，根据初步布置，溢流坝段与主厂房并列布置。

厂房坝段布置在偏左岸。

由于坝址上游30公里处有铁路干线另有公路相通，所以进厂公路布置在左岸便于运送设备。

开关站布置在进厂公路一侧。

过木筏道布置在右岸，与厂方隔开，以防筏道运行时木材滑落，影响进厂交通。

第二章坝型及主要建筑物的型式选择

2.1坝型选择

坝址地形地质条件：

河谷断面比较宽浅，近似梯形。

坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，岩层新鲜坚硬完整。

筑坝材料：

坝区大部分为花岗斑岩,基岩埋深浅,极易开采,在坝址下游勘探有6个沙料场,储量丰富,符合规范要求。

但坝址处缺乏筑坝土料。

根据以上情况分析如下：

拱坝方案：

此处河谷断面呈梯形状，不是v字形。

没有适宜的地形条件，故该方案不可取。

土石坝方案：

由于当地缺乏土料，故该方案也不可取。

重力坝方案：

混凝土重力坝和浆砌石重力坝都能充分利用当地的地形地质条件，泄洪问题容易解决，施工导流容易。

浆砌石重力坝虽可以节约水泥用量，但不能实现机械化施工，施工速度慢，施工质量难以控制，故此方案也不可取。

混凝土重力坝采用机械化施工，施工方便，施工速度快，工期短。

综合以上方案：

本工程坝型宜用混凝土重力坝。

2.2枢纽组成建筑物

（1）挡水建筑物：

混凝土重力坝

（2）泄水建筑物：

坝身泄水

（3）水电站建筑物：

坝后式厂房、引水管道及开关站等

（4）其他建筑物：

过木筏道等

第三章、非溢流坝面设计

3.1剖面拟定

3.1.1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。

3.1.2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，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7ψ

3.1.3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h＝0.4m，校核情况hc＝0.3m。

V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，采用重现期为50年的最大风速20m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速13m/s。

D为吹程，km，按回水长度计算：

正常蓄水位时回水长度为4.50km，设计洪水位时回水长度为4.50km，校核洪水位时回水长度为4.00km。

波高h1，当gD/V2=20～250时，为累计频率5%的波高

；当gD/V2=250～1000时，为累计频率10%的波高

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50年一遇的风速17m/s，吹程D=4.5km。

波浪三要素计算如下：

波高

=0.0166×17（5/4）×4.5（1/3）=0.95m

=10.4×0.95（0.8）=9.95m

=3.14×0.95×0.95/9.98m=0.28m

9.8×4500/17/17=152

1.24×0.95=1.18m；hz=0.28m；hc=0.4m

Δh=h1%+hz+hc=1.18+0.28+0.4=1.86m

（2）校核洪水位时Δh计算

风速采用多年平均风速13m/s，D=4km。

波浪三要素计算如下：

0.0166×13（5/4）×4（1/3）=0.65

10.4×0.65（0.8）=7.37

3.14×0.65×0.65/7.37=0.18

9.8×4000/13/13=231

=1.24×0.65=0.806m；hz=0.18m；hc=0.3m

Δh=h1%+hz+hc=0.806+0.18+0.3=1.29m

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）设计洪水位时的防浪墙顶高程：

防浪墙顶高程=设计洪水位+Δh=186.64+1.86=188.5m

（2）校核洪水位时的防浪墙顶高程：

防浪墙顶高程=校核洪水位+Δh=189.6+1.29=190.89m

为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽防浪墙顶＝190.9m

取防浪墙高1.2米。

水库坝顶高程190.9-1.2=189.7m

二、坝确定基高程

河床高程100m，校核洪水位为189.60m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除。

弱风化层厚5.5～6.5m，微风化层厚6～7m，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。

基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。

初步定出开挖深度6m，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▽94m，因此，最大坝高为95.7m，属于中坝。

三、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9.6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10m，以满足大坝维修作业通行需要。

四、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，一般折点取在坝高1/3～2/3附近，取128米。

通过最优方案的比较，上游坝坡取1：

0.2，下游坝坡取1：

0.7。

五、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95.7m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=73.72m。

3.2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3-2所示。

（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，通常把它分成如图3-3所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；

γc—坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度24kN/m）

四种情况下自重相同。

W11=24×0.5×34×6.8=2774.4kN

W12=24×10×95.7=22968kN

W13=24×0.5×56.92×81.31=55537.98kN

W1=W11+W12+W13=81280.38kN

（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。

表3-3不同情况下上下游水深

特征水位H

上游水深H1（m）

下游水深H2（m）

上下游水位差（m）

正常蓄水位

90.25

9.5

80.75

设计洪水位

92.64

20.15

72.49

校核洪水位

95.60

21.5

74.10

a.正常蓄水位：

上游水平水压力：

PH1=Pu=1/2×9.81×90.25×90.25=39951.53KN

下游水平水压力：

PH2=Pd=1/2×9.81×9.5×9.5=442.68KN

上游垂直水压力：

PV1=9.81×6.8×56.25=3752.33KN

PV2=9.81×1/2×6.8×34=1134.04KN

下游垂直水压力：

PV3=9.81×1/2×9.5×0.7×9.5=309.87KN

b.设计洪水位：

上游水平水压力：

PH1=Pu=1/2×9.81×

=42095.54KN

下游水平水压力：

PH2=Pd=1/2×9.81×

=1991.54KN

上游垂直水压力：

PV1=9.81×6.8×58.64=3911.76KN

PV2=9.81×1/2×6.8×34=1134.04KN

下游垂直水压力：

PV3=W3=9.81×1/2×20.15×21.5×0.7=1394.08KN

c.校核洪水位：

上游水平水压力：

PH1=Pu=1/2×9.81×

=44828.56KN

下游水平水压力：

PH2=Pd=1/2×9.81×

=2267.34KN

上游垂直水压力：

PV1=9.81×6.8×61.6=4109.21KN

PV2=1134.04KN

下游垂直水压力：

PV3=9.81×1/2×21.5×21.5×0.7=1587.14KN

地震情况按正常蓄水位情况考虑。

（3）扬压力U

根据规范，排水处扬压力折减系数：

α=0.25,如图3-3所示，将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。

a.正常蓄水位：

U1=1/2×10×（80.75-0.25×80.75）×9.81=2970.59KN

U2=9.81×0.25×80.75×10=1980.39KN

U3=1/2×9.81×0.25×80.75×63.72=6309.50KN

U4=9.81×9.5×73.72=6870.34KN

U=U1+U2+U3+U4=18127.78KN

b.设计洪水位：

U1=1/2×10×（72.49-0.25×72.49）×9.81=2666.75KN

U2=9.81×0.25×72.49×10=1777.82KN

U3=1/2×9.81×0.25×72.49×63.72=5664.10KN

U4=9.81×20.15×73.72=14572.34KN

U=U1+U2+U3+U4=24681.0KN

c.校核洪水位：

U1=1/2×10×（74.10-0.25×74.10）×9.81=2726.0KN

U2=9.81×0.25×74.10×10=1817.30KN

U3=1/2×9.81×0.25×74.10×63.72=5784.06KN

U4=9.81×21.5×73.72=15548.66KNU=U1+U2+U3+U4=25876.02KN

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/m；

hs——坝前淤沙厚度，ｍ；

Φs——淤沙的内摩擦角，（°）

故泥沙压力

Psh=1/2×8.5×21×21×

（45°-5°）=1319.64kN

Psv=1/2×21×4.2×8.5=374.85kN

（5）浪压力

1.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）：

a．正常蓄水位

=0.331

（gD/

）1/3.75×

/g=0.95m

1.178m

3.14×1.178×1.178/9.95=0.28m

因H>Lm/2，属于深水波。

b.设计洪水位：

=9.95m

=1.18m

=0.28

因H>Lm/2，属于深水波。

c.校核洪水位

Lm=7.4m

h1%=0.806m

=3.14×0.806×0.806/7.4=0.276m

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，如图3-4所示。

a.正常蓄水位：

P1=γL（h1%+hz）/4=36.36kN

b.设计洪水位：

Pl=36.36kN

c.校核洪水位：

Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.8×7.4×（0.806+0.276）/4=17.89kN

地震情况按正常蓄水位计算。

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

H1为坝前水深，m。

作用点位于水面以下0.54H1处。

因设计的重力坝迎水面有折坡，且水面以下直立部分的高度小于水深的一半，所以应取水面与坝面的交点和坡脚点的连线作为替代坡度。

计算地震动水压力时，乘以折减系数θ/90°，θ为建筑物迎水面与水平面的夹角。

经计算，θ=90°，故

F0=0.65×0.1×9.8×0.25×10×90.25×90.25=12737.55kN

（6）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，稳定和应力分析时可以不计入。

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。

荷载计算结果汇总及相关荷载弯矩值参见附表（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4）。

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。

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′=500

KPa；

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。

2.分项系数极限状态设计法：

承载能力极限状态设计式

抗滑稳定极限状态作用效应函数为

∑P,坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和。

抗滑稳定极限状态抗力函数

∑W为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。

各基本变量及扬压力系数α应以设计值代入计算。

各分项系数可查附录一附表。

下面对不同荷载组合情况下大坝抗滑稳定进行分析。

（1）基本组合

a.正常蓄水位

单一安全系数法：

=4.5>3

满足规范要求。

b.设计洪水位：

承载能力极限状态设计法：

荷载设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。

（1）计算作用效应函数

S（.）=∑P=41460kN

（2）抗滑稳定抗力函数

查得f′的分项系数为1.3，C′的分项系数为3.0。

坝基面抗剪断系数设计值f′=1.35/1.3=1.04

坝基面抗剪断黏聚力设计值C′=1300/3.0=433.33kPa

抗滑稳定抗力函数

R（.）=f′∑W+c′A=1.04×61466.14+433.33×73.72=95874.21kN

（3）验算抗滑稳定性

持久状况（基本组合）设计状况系数ψ=1.0；结构重要性参数γ0=1.0；基本组合结构系数γd=1.2。

根据式

左边=1.0×1.0×41460=41460kN

右边=1/1.2×95874.21=79895.18kN

41460kN<79895.18kN

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

c.校核洪水位：

承载能力极限状态设计法：

荷载设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。

（1）计算作用效应函数

S（.）=∑P=44166.26kN

（2）抗滑稳定抗力函数

查得f′的分项系数为1.3，C′的分项系数为3.0。

坝基面抗剪断系数设计值f′=1.35/1.3=1.04

坝基面抗剪断黏聚力设计值C′=1300/3.0=433.33kPa

抗滑稳定抗力函数

R（.）=f′∑W+c′A=1.04×60619.17+433.33×73.72=94986.81kN

（3）验算抗滑稳定性

偶然状况（偶然组合）设计状况系数ψ=0.85；结构重要性参数γ0

=1.0；根据《水工建筑物抗震设计规范》抗滑稳定结构系数γd=1.2。

根据式

左边=1.0×0.85×44166.26=37541.32kN

右边=1/1.2×94986.81=79155.68kN

37541.32kN<79155.68kN

计算结果表明，重力坝在校核洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

3.4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。

1.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：

2.分项系数极限状态设计法：

（1）坝趾抗压强度承载能力极限状态：

坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为

坝趾抗压强度极限状态抗力函数为

式中：

Ra为混凝土抗压强度。

（2）坝踵应力约束条件的正常使用极限状态

以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态。

a.正常蓄水位：

利用承载能力极限状态设计式和正常使用极限状态设计判别大坝是否满足强度要求。

荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。

（1）计算作用效应函数

=（66651.61/73.72-6×（-557529）/73.72/73.72）×（1+0.75×

0.75）

=2374.45kN/m2

（2）验算抗压强度

持久状况（基本组合）设计状况系数ψ=1.0；结构重要性参数γ0=1.0；抗压基本组合结构系数γd=1.8，混凝土性能分项系数1.5。

根据式

左边=1.0×1.0×2374.45=2374.45kN/m2

右边=5345kN/m2

2374.45<5345

（3）坝踵垂直应力不出现拉应力极限状态验算（正常使用极限状态）：

=1.0×（66651.61/73.72+6×（-557528.8）/73.72/73.72）

=802>0

计算结果表明，重力坝在正常蓄水位情况下应力满足规范要求。

b.设计洪水位：

=61466/73.72+6×（-648132）/73.72/73.72

=112.3>0

坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。

=61466/73.72-6×（-648132）/73.72/73.72

=1549.33kN/m2

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。

坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：

=（1+0.75×0.75）×1549.33=2420kN/m2

小于混凝土的容许压应力。

c.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。

荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。

（1）计算作用效应函数

=（60619.17/73.72-6×（-775831）/73.72/73.72）×（1+0.75×0.75）

=2663kN/m2

（2）验算抗压强度

偶然状况（特殊组合）设计状况系数ψ=0.85；结构重要性参数γ0

=1.0；抗压基本组合结