珠江龙川混凝土重力坝设计(大连理工网络函授)

1、珠江龙川混凝土重力坝设计 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目： 珠江龙川混凝土重力坝设计 学习中心： xxxx奥鹏学习中心 层 次： 专科起点本科 专 业： 水利水电工程 年 级： 20xx年秋季 学 号： 1111111111111 学 生： xxx 指导教师： xxx 完成日期： 20xx年 x 月 x 日20珠江龙川混凝土重力坝设计目录内容摘要- 1 -引言- 2 -1设计资料- 3 -1.1重力坝基本资料- 3 -1.1.1流域概况- 3 -1.1.2地形、地质- 3 -1.1.3水文地质- 3 -1.1.4气象资料- 3 -1.1.5淤泥- 3 -1.2重力坝工

2、程综合说明- 3 -2坝型、坝址选择- 4 -2.1坝型选择- 4 -2.2坝址选择- 4 -3重力坝非溢流坝段设计- 5 -3.1非溢流坝剖面设计- 5 -3.2荷载组合计算- 7 -3.3坝体抗滑稳定分析123.4应力分析124坝体细部构造144.1坝顶构造144.2坝内廊道144.3坝体分缝及止水144.4坝体坝基排水155地基处理155.1坝基开挖165.2帷幕灌浆165.3坝基排水165.4固结灌浆166结论18珠江龙川混凝土重力坝设计内容摘要重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重,在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座

3、。重力坝之所以得到广泛应用,是由于有以下优点：相对安全可靠,耐久性好，反抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；设计、施工技术简单，易于机械化施工；对不同的地形和地质条件适应性强，任何外形河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。本文通过对混凝土重力坝设计过程中的设计资料；坝型、坝址；挡水建筑物；坝体细部结构以及地基处理等方面的归纳。并对其中的坝体尺寸、抗滑、应力等进行数据计算。总结出了一般重力坝的设计步骤。关键词：混凝土重力坝；剖面尺寸；抗滑稳定；应力分析。引言人类建坝历史已近5000年，重力坝是出现最早的一种坝型。

4、主要依靠自身质量在地基上产生的摩擦力和坝与地基之间的凝聚力来抵抗坝前水压力，以保持抗滑稳定，其中混凝土重力坝是在浆砌石重力坝的基础上发展起来的。本文通过对基本资料的分析，综合考虑各种因素对坝型、坝址；挡水建筑物；坝体细部结构以及地基处理等方面的进行了简要说明。1设计资料1.1重力坝基本资料1.1.1流域概况龙川位于珠江流域东江上游，广东省龙川县枫树坝镇，距县城老隆镇65 km，是一个具有发电、航运等综合效益的水利枢纽工程。水电站的总装机容量15.0万千瓦。水库集雨面积5150km2，总库容19.4亿m3，有效库容12.5亿m3。开挖后，坝基面高程269m。千年一遇洪水的下泄流量.13770m/

5、s，相应下流水位271.90m，五千年一遇洪水的下泄流量15110m/s，相应下流水位272.63m。1.1.2地形、地质坝址位于峡谷出口段,左岸地势较低,山坡较缓,右岸地势较高,山坡较陡,坝址出露岩层为志留系圣母山绿色含砾片岩,岩性坚硬完整。新鲜岩石饱和极限抗压强度在6080mpa以上,坝上游坡角为绢云母绿泥石英片岩。饱和极限抗压强度在3040mpa。坝基坑剪断擦系数f经野外试验及分析研究确定为1.01.1: 坝基坑剪断凝聚力为为0.60.8mpa。1.1.3水文地质 坝址水文地质较简单.相对不透水层埋藏深度一般在35m以内，库区无渗漏问题。1.1.4气象资料 最高气温为42度，最低气温为-

6、8度，多年平均最大风速为14m/s。水库吹程为1.4km。1.1.5淤泥百年后坝前淤沙高程为286.6m，淤积泥沙内摩擦角取0度，淤沙浮容重为8000n/m。1.2重力坝工程综合说明水利部、能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级。永久性建筑物系指工程运行期间使用的建筑物。根据其重要性分为：主要建筑物，如堤坝、水闸、电站厂房及泵站等。次要建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，入导流

7、建筑物、施工围堰的。对于本枢纽工程，由于工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用，所以枢纽工程等别等为等，相应的永久性主要建筑物为1级，永久性次要建筑物为3级。2坝型、坝址选择2.1坝型选择坝型选择应根据当地地址，地形条件，施工条件，建筑材料，中和效益，宣泄供水能力，以及抗震性等特点，通过定性分析，初步选择两种坝型进行较详细的技术比较，选取既满足工程要求，有比较经济的坝型，经济比较紧要求对坝体的砼方量及三材用量作初略的计算和比较。实体重力坝安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，施工方便，结构作用明确，基于以上各种坝型的比较分析，本水库应采用砼重力坝。2.2

8、坝址选择坝址和轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的。就地形而言，坝址一般以选在狭窄河谷处，一节省工程量；但对于一个具体的枢纽来说，必须从各个方面综合考虑：是否便于布置泄洪、发电建筑物，是否便于施工导流，技术可行，经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然的地基很少，因而在选择坝址时应从实际出发，针对不同的情况采取不同的地基处理方式，来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件，同时应考虑两岸的地质因素，使库区及两岸

9、便颇有足够的稳定性，以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势，坝址要选在河流顺直段，靠近坝址上、下有河流如有急湾队不利，因予避免；枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚，并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些；水库周缘应没有难处理的缺口。3重力坝非溢流坝段设计重力坝剖面设计的原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝安全；工程量小，造价低；结构合理，运用方便；利于施工，方便维修。重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。3.1非溢

10、流坝剖面设计 坝顶高程。坝顶高程有静水位相应情况下的风浪壅高和安全超高定出。即： 静水位h hhlhzhchl0.0166v05/4d1/3 l=10.4(hl)0.8 由于建筑物级别为1级，查规范可知，设计工况下安全加高hc0.7m，校核工况下安全加高hc0.5m。 设计工况设计洪水位h349.9 m 实测最大风速v021m/s 吹程d1.4由以上公式可得 hl0.834826m 由公式得l9.00140m 由 公式可得 hz0.243115m 又 hc0.7m则 hhlhzhc0.8348260.2431150.71.777941m坝顶高程 静水位h349.91.777941=1351.6

11、779m 校核工况设计洪水位h350.4m 多年平均最大风速v014m/s 吹程d1.4由以上公式可得 hl0.502895m 由公式得l6.00088m由 公式可得 hz0.132333m 又 hc0.5m则 hhlhzhc0.5028950.1323330.51.35228m坝顶高程 静水位h350.41.35228=351.75228m经过比较选取大者，可以得出坝顶或放浪墙顶高程为351.75228m，并取放浪墙高1.2 m，则坝顶高程为：351.75228+1.2352.95228m 最大坝高为：352.9522826982.75228m坝顶及坝底宽度的确定因无特殊要求，根据规范的规定

12、，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。我取10%的坝高，即为8.27m.取整为9m。坝底的宽度约为坝高的0.70.9倍，这里取0.8倍，即b=0.8*82.75228 =66.201824m。取66.5m。根据工程经验，上游坝坡系数常采用n=00.2；下游坝坡系数常采用m=0.60.8；在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=0.2, 上游起坡点高度82.75228*1/2=41.376144经过m取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=0.7。非溢流坝剖面图及有关计算尺寸3.2荷载组合计算 设计工况下的荷载计算 自重 w 取c=24.0 kn/m3 根据自

13、重公式：w=vc得： w1=1/28.2841.38244111.5168kn w2=982.752417874 kn w3=（82.7512.79）（66.517.28）241/241321.1744 kn 水压力 水深为h时，单位宽度上的水平静水压力p为 p1/2h2斜面、折面、曲面承受的总静水压力，除水平静水压力外，还应计入其垂直分力。垂直水压力按水重计算。水9.81kn/m3。 ph11/29.81（351.75269）233587.294knph21/29.81（271.9269）241.25knpv1（349.9310.38）8.289.813210knpv21/241.388.2

14、89.811680.58knpv31/2（271.9269）8.289.81117.78kn 泥沙压力 百年后坝前淤沙高程为286.6m，淤沙浮容重为8 kn/m3，内摩擦角为0。竖直方向的泥沙压力pskv按作用面上的淤沙重量（按淤沙的浮重度）计算，水平压力按pskh1/2sbhs2tg2（45s/2）计算。pskh1/2sbhs2tg2（45s/2）1/28（286.6269）2tg2（4502）1239.04knpskvv=1/2（286.6269）20.28247.8kn 浪压力 当l2时，可假定浪顶以及水深等于l2处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，并呈三角形分布。l9m，hlhz0

15、.8348260.243115pi=r(h1+hz) l/4=23.79knpl1（hlhzl/2）l/21/29.81123.12knpl2l/2l/29.81198.65kn 扬压力 扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力是由上下游水位差h产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游水面淹没计算截面而产生向上的水压力。扬压力分布图如计算简图所示。扬压力折减系数0.25。u1bh266.59.81（271.9269）1892knu212h120.259.81（349.9271.9）2296knu3（b12）h1/2（66.512）0.259.81781/25213knu412（

16、h1h2h）1/212（9.8180.99.812.90.259.8178）1/23443kn合力计算以及力矩计算如下表所示：非溢流坝荷载计算成果汇总（设计工况）荷载作用小 计扬压力垂直力（kn）水平力（kn）对截面形心力臂(m)力矩（kn*m）自 重w14111.516827.74114053.476w21787420.48366059.52w341321.17440.4317768.1水压力ph133587.29427.56925665.82ph241.250.9740水压力pv1321029.11593458.15pv21680.5830.4951240.88pv3117.7832.57

17、3836泥沙压力pskh1239.045.877273.16pskv247.830.497555.422浪压力pl1123.1276.959474.pl2198.6576.7515246.39小 计68562.8534709.55316363.24扬压力u1189200u22296u35213u43443总 计55718.8534709.55316363.24 校核工况下的荷载计算 因为两种工况下的坝体自重和泥沙压力相同，故仅计算水压力、浪压力以及扬压力。各种压力计算原理、计算公式和计算参数同设计工况下的荷载计算。 水压力ph11/29.81（350.4269）232500knph21/29.

18、81（272.63296）264.63knpv1（350.426941.38）8.289.813250.7knpv21/241.388.289.811680.58knpv31/2（272.63269）8.289.81147.43kn 浪压力 l6m ， hlhz0.5028950.132333pi=r(h1+hz) l/4=12.158knpl1（hlhzl/2）l/21/29.8128.15knpl2= l/2l/29.8122.07kn3扬压力u1bh266.59.81（272.63269）2368knu212h120.259.81（350.4272.63）2289knu3（b12）h1/

19、2（66.512）0.259.8177.771/25197knu412（h1h2h）1/212（9.8181.49.813.630.259.8177.77）1/23433kn合力计算以及力矩计算如下页表所示。 库空情况下的荷载计算库空情况下的荷载只有坝体自重，力以及力矩值汇总如下： w4111.51681787441321.174463306.7knm=114053.476366059.5217768.1462344.896 kn*m非溢流坝荷载计算成果汇总（校核工况）荷载作用小 计扬压力垂直力（kn）水平力（kn）对截面形心力臂(m)力矩（kn*m）自 重w14111.516827.7411

20、4053.476w21787420.48366059.52w341321.17440.4317768.1水压力ph13250027.58896350ph264.631.21 78.2水压力pv13250.729.11594644.13pv21680.5830.4951240.88pv3147.4331.524647泥沙压力pskh1239.045.877273.16pskv247.830.497555.42浪压力pl128.1576.95 2166.14pl222.0776.751693.87小 计 68633.233680.5292878.9扬压力u12368u22289u35197u434

21、33总 计55346.2 292878.9 3.3坝体抗滑稳定分析重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。表 抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别12、3ks 基本组合1.101.05特殊组合（1）1.051.00特殊组合（2）1.001.00计算以一个坝段（单宽）作为计算单元，公式采用抗剪强度公式，将坝体与基岩看成是一个接触面，而不是胶结面。当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数ks为ksf（wu）p ，f取1.0。 设计工况下的抗滑稳定分析ksf（wu

22、）p1.055718.8534709.551.605根据设计规范，1.6051.10，有以上计算可知，设计洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。 校核工况下的抗滑稳定分析ksf（wu）p1.055346.233680.51.643根据设计规范，1.6431.05，有以上计算可知，校核洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。3.4应力分析应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。应力分析采用材料力学法，其基本假定为：坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传

23、力。假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以应该校核坝体边缘应力是否满足强度要求。用材料力学分析坝体应力时，重力坝设计规范规定的强度指标。1、坝基面的y应符合下列要求（1）运用期：在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝基面的最大铅直正应力应小于坝基容许应力（计算时应计入扬压力）。最小铅直正应力应大于零（计算时应计入扬压力）。（2）施工期：下游坝面允许有不大于0.1mpa的拉应力。2、坝体应力要求（1）运用期。坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：在作用力中计入扬压力时，要求0，即为压应力；当作用力中不计入扬压力时

24、，要求0.25h。坝体下游面的最大主压应力，不得大于混凝土的容许压应力。（2）施工期。坝体主压应力不得大于混凝土的容许压应力，在坝的下游面可以有不大于0.2mpa的主拉应力。本设计分设计情况和校核情况两种情况分别分析水平截面上的正应力。因为假定按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力。设计工况下：yu=wi/t+6*mi/t2=68562.85/66.5+6*(-316363.24)/(66.5*66.5)=601.76kpayu=wi/t6*mi/t2=68562.85/66.56*(-316363.24)/(66.5*66.5)=1460.24kpa校核工况下yu=wi/t+6

25、*mi/t2=68633.2/66.5+6*(-292878.9)/(66.5*66.5)=634.62 kpayu=wi/t6*mi/t2=68633.2/66.56*(-292878.9)/(66.5*66.5)=1429.92kpa各项均满足要求。4坝体细部构造重力坝的细部构造包括坝顶结构、坝体分缝、排水廊道布置等的内容，这些构造的合理选型和布置，可以改善大坝的工作状态，提高坝体的抗滑稳定性，改善坝体应力，满足运用个施工要求，保证大坝的正常工作。4.1坝顶构造对于非溢流坝，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

26、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2030cm。对于溢流重力坝，溢流坝的上部构造，应根据运行要求布置。有交通要求时，应按公路等级设置交通桥;无交通要求时，需设置人行道。对于大中型工程溢流坝，坝顶常设置闸门、闸敦、工作桥、启闭机等。 本工程有双线交通要求，故取路面宽9m，两旁设人行道各1人m，人行道上设栏杆，路面呈弧形，以将路面积水排向两侧，以排水管排向上游水库。4.2坝内廊道重力坝内有纵向(沿坝

27、轴线)和横向(垂至于坝轴线)廊道，纵向廊道按高程分层设置，一般沿坝高每隔1530m设置一层，其断面形状为城门洞形。当有多层廊道时，应在两岸将各层互相连通。若廊道较长，沿坝长每隔200300m，应在上下层廊道之间设置交通通道。对高坝应设置12座电梯及便梯，对中坝和中型工程的高坝，视需要设置电梯或便梯。本工程坝内廊道包括基础灌浆廊道和坝体排水检查廊道，其设计按规范要求确定。因坝体存在空腔，故 重力坝的廊道与各坝段空腔相通，在空腔内设置1.5m宽的悬臂检查平台，形成环行通道。跨横缝的横向廊道可用三角形尖顶和平底断面。4.3坝体分缝及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

28、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。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1220m，缝宽12cm。横缝一般为永久性缝，缝面为水平面，缝内设置止水。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1530m，深孔坝段、寒冷地区，宜选用较小的间距。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1.54m，靠近基岩面层厚度为1.52m，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

29、间设沥青井，两道止水片均为紫铜片，厚度为1.01.6mm。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3050cm，沥青井也埋入基岩内.对于本枢纽，为满足混凝土的浇筑能力和温度控制的需要，沿坝轴线方向每隔20m设一横缝(厂房坝段考虑机组间距取18m，上下游方向因坝段宽度较大，设两道垂直纵缝，遇钢管处，纵缝与钢管轴线垂直。4.4坝体坝基排水为了减小坝体的渗透压力，在靠近坝的上游防渗层后面，沿坝轴线方向，布置一排竖向排水管。其中心线距离上游坝面(1/101/12)倍坝前水深，一般为25m。排水管间

30、距23m，采用无砂混凝土预制管，管径不小于110mm，一般取150250mm。排水管的上部延伸至最高水位以上，下部直通廊道，竖直布置，不宜有弯头。坝基排水目的：通过排除渗水降低坝基底面的渗透压力。坝基排水范围：基础排水一般设一排主排水孔。对于地址条件良好的基础应充分利用排水作用，除设主排水孔外，高坝可设置辅助排水孔23排，中坝可设置辅助排水孔12排。排水孔的位置及方向：防渗帷幕下游设置主排水孔，辅助排水孔可设置在基础纵向排水廊道内。在坝基面上，主排水孔与帷幕灌浆孔的距离不宜小于2m。主排水方向一般向下游倾斜，与帷幕的夹角为10o15o。对于本工程，为减小坝体内的渗透压力，在距上游面5m设一排坝

31、体排水管，与上游面平行布置，排水管与各层廊道内的排水沟相连，渗水经排水管流至排水沟，再由排水沟流至集水井排走。排水管间距3m，多孔混凝土管内径为15cm。由于 的存在，不设置坝基排水廊道。5地基处理天然地基常存在着不同程度的缺陷，必须经过处理才可作为基础。常用的处理方法有：开挖与清理、加固处理、坝基帷幕灌浆、基础排水等方法。5.1坝基开挖高坝需修建在新鲜岩面上，故将覆盖层全部开挖，左岸覆盖层厚度较薄，130m高程以下几乎无覆盖层，130m高层以上逐渐加厚。坝基开挖量主要集中在右岸，45m高程以上覆盖层厚约10m左右，故全部挖除。为提高坝体的测向稳定性，沿岸坡开挖成台阶状。5.2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