重力坝毕业设计计算书

1、四川大学本科毕业设计 草溪河水库重力坝设计 目录 第一章 调洪演算- 1 -1.1 建筑物级别- 1 -1.2 设计洪水的计算- 1 -1.2.1 流域特征值- 1 -1.2.2 设计暴雨- 2 -1.2.3 产、汇流参数- 2 -1.2.4 设计洪峰流量计算- 2 -1.2.5 设计洪量计算- 2 -1.2.6 洪水标准- 3 -1.3 洪水及上下游水位流量关系- 3 -第二章 非溢流坝段设计- 4 -2.1 非溢流坝段剖面设计原则- 4 -2.1.1 坝顶高程的计算- 4 -坝顶高程：- 5 -2.1.2 非溢流坝段坝高的计算- 5 -2.1.3 坝顶宽度的确定- 5 -2.1.4 坝底宽

2、度的确定- 6 -2.1.5 上下游坝坡率的确定- 6 -2.2 确定荷载作用力（取单位宽度坝体研究）- 6 -2.2.1 确定各分项系数- 6 -2.2.2 坝体自重- 7 -2.2.3 静水压力- 7 -2.2.4 扬压力- 9 -2.2.5 淤沙压力- 10 -2.2.6 波浪压力- 11 -2.2.7 土压力- 12 -2.2.8 荷载统计- 14 -2.2.9 坝体稳定分析- 14 -2.3 非溢流坝段新剖面荷载计算- 15 -2.3.1 坝体自重- 15 -2.3.2 新剖面静水压力- 16 -2.3.3 新剖面扬压力- 18 -2.3.4 淤沙压力- 19 -2.3.5 波浪压力

3、- 19 -2.3.6 土压力- 21 -2.3.7 新剖面荷载统计- 22 -2.3.8 新剖面稳定分析- 23 -2.4 承载能力极限状态设计- 23 -2.4.1 抗滑稳定极限状态- 24 -2.5 应力计算- 25 -2.5.1 水平截面上的正应力- 25 -2.5.2 剪应力 （计扬压力）- 26 -2.5.3 水平正应力(计扬压力）- 26 -2.5.4 边缘主应力（计扬压力）- 26 -2.5.5 应力规范要求- 27 -第三章 溢流坝段设计- 28 -3.1 泄流方式的选择- 28 -3.2 堰顶高程- 28 -3.3 顶部曲线段- 30 -3.3.1 反弧段半径及特征点的确定

4、- 32 -3.3.2 水面线的计算- 33 -3.3.3 直线段与曲线段的切点计算- 34 -3.3.4自然掺气后水面线的确定- 35 -3.4 闸门设计- 35 -3.5 边墙设计- 36 -3.6 堰顶上游剖面设计- 36 -第四章 挑流消能设计- 37 -4.1 挑流鼻坎型式- 37 -4.2 挑射角- 37 -4.3 反弧半径- 37 -4.4 鼻坎高程- 37 -4.5 水舌挑射距离计算- 37 -4.6 冲刷坑深度计算- 40 -第五章 坝体防渗与排水- 42 -5.1 坝体材料分区- 42 -5.2 坝体防渗- 43 -5.3 坝体排水- 43 -5.4 坝内廊道- 43 -参

5、考文献- 44 - 43 - 第一章 调洪演算1.1 建筑物级别 根据防洪标准（gb50201-94）及水利水电工程等级划分及洪水标准（sl252-2000）的规定，枢纽工程属于等中型工程，其主要建筑物拦河大坝、溢洪道、放空隧洞及取水隧洞等枢纽永久主要建筑物按3级设计，枢纽永久次要建筑物按四级设计，枢纽临时建筑物按5级设计。 根据灌溉与排水工程设计规范（gb50288-99）的规定，灌溉渠道工程级别及建筑物级别为5级。1.2 设计洪水的计算 *流域洪水主要由暴雨形成，*水库流域内无实测水文资料，计算采用历史洪水调查结果，*水库上坝址集水面积9.44km3，与晓坝水文站集水面积相差较大，*水库设

6、计洪水根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册，采用推理公式法，由设计暴雨推求。基本公式： 式中：-最大流量，； -洪水径流系数； s-流域汇流时间，h； n-暴雨公式指数； f-流域面积，km2.1.2.1 流域特征值 *水库流域特征值在1/10000航测图上量算，河道比降采用加权平均计算，成果见表1-1。 表1-1 *水库流域特征值成果表断面集水面积（km2)河长(km)比降(%)m上坝址9.445.88.915.9670.5591.2.2 设计暴雨 各时段最大降雨量及变差系数由2005年出版的四川省暴雨统计参数等值线图册中查读，见表1-2。 表1-2 *水库坝址设计洪水暴雨参数成果表时段均值

7、1/6小时170.373.51.2951小时460.433.51.5056小时800.573.5199524小时1250.623.62.171.2.3 产、汇流参数 根据流域下垫面条件和手册区域，选取产汇流参数计算公式如下： 流域产流参数：属盆缘山区，计算式如下： 流域汇流系数m： 属盆缘山区，计算式如下: 时， 时，式中：-流域特征参数，； l-河长，km； j-比降，绝对数； f-流域面积，km2。1.2.4 设计洪峰流量计算 采用所选取的产汇流计算参数，用推理公式计算出各频率设计洪峰流量。1.2.5 设计洪量计算 由设计暴雨推求洪水总量，洪水总量采用四川省中小流域暴雨洪水计算手册中的计算

8、公式计算，即： 计算洪水总量的暴雨历时，采用单峰洪水计算公式： *水路坝址设计洪水成果见表1-3，由于设计流域面积较小，而推理公式法在小流域的暴雨洪水计算中使用广泛，精度较高，因此认为推理公式法的计算成果可作为*水库设计洪水采用结果. 表1-3 *水库上坝址设计洪水成果表p（%）h24nspqpwpm0.16000.526149.53.7124.6470.9373.781183531.10.55914110.563111.94.0973.9140.9214.196120348.10.5592354.50.580100.24.2593.6770.9134.373102296.80.5595280

9、.30.60784.64.5303.3440.8994.67478.3231.60.55910224.70.63472.44.8033.0720.8824.98560.51820.55920169.90.66959.75.1762.7710.8555.42443.2134.30.5591.2.6 洪水标准 水利水电枢纽工程永久挡水和泄水建筑物所采用的正常运用和非正常运用洪水标准，应根据建筑物等级确定。由1.1章节知： 正常运用（设计）洪水重现期为50年，频率为2%。 非正常运用（校核）洪水重现期为1000年，频率为0.1%。1.3 洪水及上下游水位流量关系 *工程无调洪功能要求，由章节1.2可

10、知，设计洪水时下泄流量为102m3/s，校核洪水时下泄流量为183m3/s。根据水库流量-容积曲线q-v图及相关水文资料的出成果如表1-4. 第二章 非溢流坝段设计 2.1 非溢流坝段剖面设计原则重力坝剖面设计原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝的安全；工程量要小；运用方便；便于施工。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。根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。2.1.1 坝顶高程的计算坝坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙高程，应高于波浪顶高程。坝顶高程=设计/校核洪水位+安全超高，选用其中较大者

11、。 安全超高： 式中：坝顶超高，即防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；累计频率为1%的波浪高度，m；波浪中心线高于静水位的高度，m；安全加高，取值按表2-1.表2-1 安全超高 （m）荷载组合（运用情况）坝的级别 1234、5基本组合（正常情况）0.70.50.40.3特殊组合（校核情况）0.50.40.30.2 设计情况：，根据资料可得，坝区计算风速=18m/s；吹程d=746m。可采用 lm为平均波长 查混凝土重力坝设计规范表b.6.3-1 得： 波浪中心线至计算水位的高度: =0.5424m校核情况：其中计算风速取12m/s，安全超高取0.3米。计算结果：=0.2421m.防浪墙

12、高程：设计情况：h=573+0.24+1.02+0.4=574.66m 校核情况：h=573.6+0.56+0.24+0.3=574.70m坝顶高程： 设计状况：h0=h-1.2=573.46m 校核情况：h0=h-1.2=573.50m综合考虑坝顶交通以及对比方案坝顶高程，最终取h0=575m2.1.2 非溢流坝段坝高的计算由基本资料可知，*上坝址为不对称的“u”型河谷，河水面宽5.9-9.5m，两岸i级阶地发育，阶地平坦开阔。谷底宽195241m,左岸岸坡为缓坡，右岸565575高程为iii级阶地。河谷覆盖层厚度为1.23.5m。坝基为泥质粉砂岩,强风化带厚度1.255.8m.该坝坝高不大

13、故只需挖除表层松弛带岩体并清基后筑坝，对强风化岩体作防渗处理。根据坝轴线地质剖面图，取建基面高程为538m，故最大坝高为575-538=38m。2.1.3 坝顶宽度的确定根据重力坝设计规范考虑设备布置、运行、检修、施工交通等要求混凝土，故初选非溢流坝段的坝顶宽度为6m。2.1.4 坝底宽度的确定根据工程经验，底宽一般为坝高的0.70.9倍，初步设计取坝底宽度为b=30m左右。2.1.5 上下游坝坡率的确定根据工程经验一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.60.8；参考已建成工程的经验在本工程中可取上游坝坡坡率为 n=0.2，下游坝坡坡率为m

14、=0.75。由剖面设计软件计算出最优剖面。初步拟定其实用剖面如下图2.1所示，其中坝底宽度为29.7m。： 图2.1非溢流坝段剖面图2.2 确定荷载作用力（取单位宽度坝体研究）2.2.1 确定各分项系数根据国家防洪标准（gb50201-94），确定该工程为等工程。其主要水工建筑物按3级建筑物设计，建筑物亦按4级建筑物设计。其结构安全级别为级，相应的结构重要性系数为0=0.9又由混凝土重力坝设计规范（dl5108-1999）中查得自重、静水压力的作用分项系数为1.0，渗透压力的作用分项系数为1.2，浮托力的作用分项系数为1.0，淤沙压力的作用分项系数为1.2，波浪压力的作用分项系数为1.2。材料

15、分项系数中，混凝土/基岩的抗剪断摩擦系数为1.3，粘聚力分项系数为3.0，混凝土抗压强度分项系数为1.5由混凝土重力坝设计规范（dl5108-1999）中查得抗滑稳定极限状态设计式中基本组合和偶然组合的结构系数都为d=1.2，混凝土抗压极限状态设计式中的基本组合和偶然组合的结构系数为d=1.82.2.2 坝体自重设计采用的混凝土为r18020.0mpa，三级配，其理论容重为24kg/m3。分三块计算： 图2.2 自重计算简图 w1=0.531524=540kn g1=6939kn.m w3=637.124=5342.4kn g2 =47280.24kn.m w2=0.520.727.624=6

16、855.84kn g3=-7198.63kn.m荷载值： w=w1+w2+w3=12738.24kn 力矩值： g=g1+g2 +g3=47020.61kn.m2.2.3 静水压力将水压力分解为水平水压力p和铅直水压力w（又叫水重）两部分计算： 式中 水的容重，取9.81kn/m； h计算点以上水深，m； 坝斜坡面以上水的体积，m。 正常蓄水位情况：上游水位573m，相应下游水位546.15m。上游：水平水压力: 力臂l1= 水平力矩值： m1=p1*l1=6008.6-11.667=-70102.3kn.m 铅直水压力: 力臂l=29.7/2=14.85m 铅直力矩值： g1=-w1*l=-

17、1203kn.m 下游： 水平水压力： 力臂l2= 水平力矩值： m2=p2*l2=-325.82.717=-885.2kn.m 铅直水压力： 力臂l=14.85m 铅直力矩值： g2=w2*l=3623kn.m校核洪水位情况：上游洪水位573.6m，相应下游水位546.53m.上游： 水平水压力: 力臂: l1= 水平力矩值： m1=p1*l1=6216.4-11.867=-73770kn.m 铅直水压力: 力臂: l=29.7/2=14.85m 铅直力矩值： g1=w1*l=12268kn.m下游： 水平水压力： 力臂: l2= 水平力矩值： m2=p2*l2=-356.9-2.843=1

18、014.7kn.m 铅直水压力： 力臂: l=14.85m 铅直力矩值： g2=w2*l=3970kn.m 2.2.4 扬压力坝基设有防渗帷幕和排水孔，孔中心距上游面6m，见下图所示。 图2.3扬压力计算图由混凝土重力坝设计规范中表b.3.1查得河床坝段底面的渗透压力系数=0.25，又由混凝土重力坝设计规范（dl5108-1999）中表8.2.1-1查得扬压力中渗透压力的作用分项系数为1.2，浮托力的作用分项系数为1.其中=0.2，hu为上游水深，hd为下游水深。正常蓄水位情况：第一部分渗透压力： = -586.7kn 力臂： =12.87m m1k=-7551kn.m 第二部分渗透压力 =-

19、782.3kn 力臂： =0.99m m2k=-774kn.m 第三部分渗透压力： =-391.1kn 力臂： =11.87m m3k=-4646kn.m 第四部分浮托力： =2374.6kn 合计： 表2-2 正常蓄水位扬压力统计： wbhuhdl1l2l39.810.20.2529.7358.1512.870.9911.88标准值u1ku2ku3ku4km1km2km3km4k-586.7-782.3-391.1-2374.6-7551-774-46460设计值u1u2u3u4m1m2m3m4-704-938.8-469.3-2374.6-9060-929-55750 合计：标准值： uk

20、=-4134.7kn mk=-12971kn.m 设计值： u=-4486.6kn m=-15564kn.m 校核洪水位情况：其中相应上游水深hu=35.6m,相应下游水深hd=8.53m。 表2-3 校核洪水位扬压力统计：wbhuhdl1l2l39.810.20.2529.735.68.5312.870.9911.88标准值u1ku2ku3ku4km1km2km3km4k-591.5-788.7-394.4-2485.3-7613-781-46850设计值u1u2u3u4m1m2m3m4-709.8-946.4-473.3-2485.3-9135-937-56230合计：标准值： uk=-4

21、259.9kn mk=-13079kn.m 设计值： u=-4614.8kn m=-15695kn.m 2.2.5 淤沙压力 由资料知水库泥沙淤积高程为10m，淤沙浮容重为0.887kg/m3，内摩擦角，其作用分项系数为1.2。淤沙压力标准值 ： 力臂l=3.33淤沙压力设计值：p=53.3kn力矩标准值：msk=-148kn.m力矩设计值：mk=-177.6kn. 2.2.6 波浪压力 表2-4 基本情况统计表正常蓄水位情况校核洪水位情况计算风速0(m/s)1812有效吹程d(m)746746重力加速度g(m/s2)9.819.81水位高程(m)573573.6坝基高程(m)538538安全

22、超高hc(m)0.40.3迎水面深度h(m)3535.6浪压力作用分项系数q4=1.2，水容重w=9.81kn/m3波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算：h1%采用鹤地公式计算：h1%=h2%/2.23*2.42使波浪破碎的临界水深hcr按下式计算： 正常蓄水位情况： 表2-5 正常蓄水位波浪要素计算成果表hdv0gd/v02lmhh1%h1%2/lm2h/lmcth(2h/lm)hzhcrp0357461822.5876.5450.5580.6920.2333.610.230.8348.486因为hhcr和h=，所以按第一种浪压力分布计算。 pwk=wlm(h1%+hz)/4代入基本水

23、文数据计算得：标准值： pwk=14.8kn设计值： pw=17.76kn力臂l=-35m力矩标准值：mw=-518kn.m力矩设计值：m=-621.6kn.m校核洪水位情况： 表2-6 校核洪水位波浪要素计算成果表hdv0gd/v02lmhh1%h1%2/lm2h/lmcth(2h/lm)hzhcrp035.67461250.8214.360.3360.4170.12551.30310.1250.4825.113因为hhcr和h=，所以按第一种浪压力分布计算。 pwk=wlm(h1%+hz)/4代入基本水文数据计算得：标准值： pwk=5.8kn设计值： pw=6.96kn力臂l=-35.6

24、m力矩标准值：mw=-206.48kn.m力矩设计值：m=-247.78kn.m2.2.7 土压力上游回填土高度10.2m，下游回填土高度8.1m。 图2-4 土压力计算简图上游为主动土压力：土的容重=13kg/m3ka为主动土压力系数，查表得ka=0.42,sa为上游坝上填土面积，sb为下游坝上填土面积。水平： p1=0.5h2ka=0.5*13*10.2*10.2*0.42=273kn.m m1=273*1/3*10.2=910kn.m竖直： w1=-*sa=13*10.2=132kn.m g1=-130*(2/3*2-29.7/2)=-1846kn.m下游以被动土压力计算：ka为被动土压

25、力系数取2.39水平： p2=-0.5*h2ka=-0.5*13*8.1*8.1*2.39=-994.24kn.m m2=-994.24*8/3=2651kn.m竖直： w2=13*0.5*8.1*0.75*8.1=312kn.m g2=312*(-2/3*8.1*0.75+29.7/2)=3385kn.m2.2.8 荷载统计 表2-7 正常蓄水位时荷载计算结果(设计值)序号作用名称作用（单位坝段）kn水平（h）垂直（w）1自重127382上游水压力60088093下游水压力-325.82444浮托力-2374.65渗透力-21126波浪压力17.87淤沙压力53.308上游土压力273130

26、9下游土压力-994.24312总和50329763.42.2.9 坝体稳定分析 坝体混凝土和基岩基础面抗滑稳定验算：采用抗剪断公式：其中： 为接触面上的总铅直力，=9763.4kn 为接触面上的总水平力，=5030knu为接触面上的扬压力：u=4486.6kn抗剪断摩擦系数f取0.95，凝聚力c取150mpa。接触面积a=29.7所以ks=2.16基本荷载时，安全系数为ks取3,因kshcr和h=，所以按第一种浪压力分布计算。 pwk=wlm(h1%+hz)/4代入基本水文数据计算得：标准值： pwk=14.8kn设计值： pw=17.76kn力臂l=-35m力矩标准值：mw=-518kn.

27、m力矩设计值：m=-621.6kn.m校核洪水位情况： 表2-9 校核洪水位波浪要素计算成果表 hdv0gd/v02lmhh1%h1%2/lm2h/lmcth(2h/lm)hzhcrp035.67461250.8214.360.3360.4170.12551.30310.1250.4825.113因为hhcr和h=，所以按第一种浪压力分布计算。 pwk=wlm(h1%+hz)/4代入基本水文数据计算得：标准值： pwk=5.8kn设计值： pw=6.96kn力臂l=-35.6m力矩标准值：mw=-206.48kn.m力矩设计值：m=-247.78kn.m2.3.6 土压力 图2.7 新截面土压

28、力计算简图上游为主动土压力：土的容重=13kg/m3，上游填土高10.20米，下游填土高8.1米。ka为主动土压力系数，查表得ka=0.42,sa为上游坝上填土面积，sb为下游坝上填土面积。水平： p1=0.5h2ka=0.5*13*10.2*10.2*0.42=283kn.m m1=283*1/3*10.2=961n.m竖直： w1=-*sa=13*18.3=238kn.m g1=-238*15.8=-3758kn.m下游以被动土压力计算：ka为被动土压力系数取2.39水平力： p2=-0.5*h2ka=-0.5*13*8.1*8.1*2.39=-1020kn.m m2=-1020*8/3=

29、-2750kn.m竖直力： w1=*sa=13*20=260kn.m g1=260*15.8=4108kn.m2.3.7 新剖面荷载统计 表2-10 正常蓄水位时荷载计算结果(设计值)序号作用名称作用（单位坝段）kn力矩knm水平（h）垂直（w）1自重14901-625842上游水压力60081860414583下游水压力-325.81471543.74扬压力-281.2-2962112575波浪压力17.8621.66淤沙压力53.30177.67上游土压力283238-27978下游土压力-10202601358总和4735.314444-8965 表2-11 校核洪水位情况荷载统计序号作

30、用名称作用（单位坝段）kn力矩knm水平（h）垂直（w）1自重14901-625842上游水压力62201990449483下游水压力-357196.220634扬压力-281.2-2962112575波浪压力17.8621.66淤沙压力53.30177.67上游土压力283238-27978下游土压力-10202601358总和491614623-49552.3.8 新剖面稳定分析 坝体混凝土和基岩基础面抗滑稳定验算：采用抗剪断公式：正常蓄水位情况： 为接触面上的总铅直力，=14444kn 为接触面上的总水平力，=4916knu为接触面上的扬压力： u=2962kn抗剪断摩擦系数f取0.95

31、，凝聚力c取150mpa。接触面积a=29.7所以ks=3.25基本荷载时，由sl319-2005混凝土重力坝设计规范规定，不分工程级别，基本荷载组合时，安全系数为ks取3,因ks3,所以符合安全要求。校核洪水位情况：其中为接触面上的总铅直力，=14623kn为接触面上的总水平力，=4735knu为接触面上的扬压力: u=2962kn抗剪断摩擦系数f取0.95，凝聚力c取150mpa。接触面积a=29.7所以ks=3.16基本荷载时，由sl319-2005混凝土重力坝设计规范规定，不分工程级别，基本荷载组合时，安全系数为ks取3,因ks3,2.4 承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计式为：

32、 式中：作用效应函数；抗力函数；结构重要性系数；设计状况系数；作用设计值；材料性能设计值；结构系数。2.4.1 抗滑稳定极限状态抗滑稳定极限状态作用效应函数为： 抗滑稳定极限状态抗力函数为： 抗剪段摩擦系数；抗剪段凝聚力。基本组合时校核洪水位情况取持久状况对应的设计状况系数=1.0，结构系数d=1.2 所以可得： k=3.5 正常蓄水位情况取偶然状况对应的设计状况系数=0.85，结构系数d=1.2所以可得： k=3.3综上所述可知非溢流坝段满足抗滑稳定要求。 2.5 应力计算 图2.8 应力计算简图 2.5.1 水平截面上的正应力 假定y按直线分布，所以可以按照偏心受压公式计算： 上游面垂直正

33、应力： 下游面垂直正应力： 式中：为作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和； 为作用在计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心軸的力矩总和，b为计算截面的长度。 计算得： 正常蓄水位情况： =14444/37.5+6*（-8965）/（37.5*37.5）=364kn =14444/37.5-6*（-8965）/37.5/37.5=406kn 校核洪水位情况： =14623/37.5+6*（-4955）/（37.5*37.5）=368kn =14623/37.5-6*（-4955）/37.5/37.5=412kn均为出现负值，符合应力要求。2.5.2 剪应力 （计扬压力） 已知上下游垂直正应力后，可以根据边缘分体的平衡条件解出上下游边缘剪应力和，见图，根据平衡条件解： =（pu- -puu)n =( -pd+pud)m其中，pu为上游面水压力强度，n为上游面坡率； pd为下游面水压力强度，m为下游面坡率； puu和pud是计算截面上，下游坡面处的扬压力强度。在本次设计中，因为淤沙压力相对来说太小，可忽略不计，此时pu=puu,pd=pud。 计算得： 正常蓄水位情况： =（6008-364-6008)*0.2=72.8kn =(406-(-326)-326*0.75=304kn 校核洪水位情况： =（6220-3