重力坝课程设计

1、重力坝课程设计目录一、基本资料- 1 -1.1工程概况- 1 -1.2设计基本资料- 4 -1.3水库特征表- 7 -1.4电站建筑物基本数据- 8 -二、非溢流坝剖面设计- 8 -2.1剖面尺寸的确定- 8 -三、挡水坝稳定计算- 13 -3.1荷载计算及组合- 13 -四、挡水坝应力分析- 15 -4.1抗滑稳定分析- 15 -4.2应力状态分析- 17 -五、重力坝的地基处理- 19 -5.1坝基的开挖与清理- 19 -5.2坝基的固结灌浆- 19 -5.3帷幕灌浆和排水- 19 -5.4断层的破碎带和软弱夹层的处理- 20 -六、重力坝的细部构造设计- 21 -6.1坝顶构造- 21

2、-6.2坝体排水- 21 -6.3分缝与止水- 22 -6.4廊道系统- 23 -七、附录- 23 -主要参考文献- 24 -27一、 基本资料1.1 工程概况1.1.1 概述大黑山水利工程是以发电为主，兼顾灌溉的综合利用的水利枢纽。经过上游水库的调节，其入库洪峰流量为：百年一遇6500m/s，千年一遇8350m/s,水库总库容0.9亿m3。本枢纽电站设三台轴流转浆水轮机发电机组，电站总装机容量30万千瓦。主厂房坝段长81m，安装间长52.4m。发电机层地面高度471.50m，尾水管高程434.60m。三个机组间设置出口断面为4.42m的两个排沙孔，孔口出口底高程为442.00m，洪水期电站仍

3、发电运行，过流能力 1000 m3/s计。1.1.2 水库特性如下表所示表11 水库特性表工程名称大黑山水利枢纽所在河流函河水库库容0.9亿大坝等级大坝类型混凝土重力坝坝顶高程482.0m大坝全长249m最大坝高69m坝顶宽度15m设计标准100年校核标准1000年地震烈度7度上游水位(m)下游水位(m)水文特性频率入库流量正常蓄水位m480.00溢洪道设计洪水位462.2016500设计洪水位m475.50校核洪水位463.450.18350校核洪水位m481.00水电站设计洪水位465.0016500汛期运行水位m472.00极限死水位m467.00校核洪水位464.000.183501.

4、1.3 主要建筑物及其尺寸主体工程表如图12所示表12 主体工程表坝段挡水坝段 溢流坝段底孔坝段电站坝段底孔坝段挡水坝段编号坝段长m45.045.024.081.024.030.0最大坝高m35.041.069.069.047.035.0坝宽m15.015.021.021.021.015.0 其中，主体工程中的泄洪设施包括溢流坝，泄水底孔，电站及排沙孔，具体尺寸如表13所示。表13 泄流设施表泄流部分溢流坝泄水底孔电站排沙孔孔数3232进口尺寸(b×h)11.0×12.08×1011.5×20.54.4×2.0高程（m）462.00446.00

5、452.00442.00出口尺寸(b×h)11.0×12.08×911.5×10.04.4×2.0高程（m）462.00446.00434.60462.00闸门工作闸门平板闸门弧形闸门平板闸门检修闸门平板闸门平板闸门平板闸门消力池型式底流底流池长(m)104008200池深(m)600350泄量设计(m3/s)320025001000200校核(m3/s)4400280010002001.2 设计基本资料11.11.21.2.1 地址区自然条件简况大黑山水利枢纽工程位于某市航河干流上，其上游100公里处已建成另一个水电站，坝区流道顺直，水面宽1

6、30140m，两岸为不对称河谷，岸坡陡峭。本枢纽处于大陆腹地，气候干燥，年降水量为328.5mm，蒸发量为1468.5mm，平均湿度为58%，全年平均气温为9.3，气温日变差大。汛期（79月）最大风速的多年平均值为11.7m /s，水库吹程约1，本地区地震基本烈度为7度。1.2.2 税文特性本枢纽上游附近两水文站，测量流量资料分别始于1934年和1947年，精度较高。所测多年平均流量为1030m/s，多年平均含沙量为2.1/m3，年输沙量为0.68亿吨。实测最大含沙量为329/m3。坝前库内淤积平衡高程为464.1m。淤积计算高程：厂房前沿为450.00m，泄水孔前沿为446.00m，溢流坝前

7、沿为460.00m。不同频率的洪水流量见表21。表21 不同频率的洪水流量频率（%）0.10.51510流量（m/s）835079306500605056401.2.3 地质概况（1）库区工程地质水库区分川峡两部分，峡谷为相对高度在200米以上的中、高山，全长21.16公里，两岸发育有三级侵蚀堆积阶地，其侵蚀基准面高出河水面约3040米。河流蜿蜒曲折，滩多水急。水库末端为小川盆地，长约7.15公里，两岸宽度约12公里，地势开阔，阶地发育。水库呈带状，峡谷为基岩所环抱，回水位位于三级侵蚀阶地面，川地内回水位位于一级阶地陡坎之下，不存在永久性渗漏通道。当正常蓄水位480米时，神川地区可能发生微小塌

8、坡，不会造成塌岸问题。二里沟位于坝址以东150米处，其沟向与河流流向相反，经勘探与连通实验，证明库水不可能沿该沟产生邻谷渗漏。（2）地址区工程地质 水库区分川、峡两部分，峡谷为相对高度在200m以上的中、高山，全长21.16公里，河流蜿蜒曲折，滩多水急。水库末端为小川盆地，长约7.15公里，两岸宽度约12公里，地形开阔。坝址区出露岩层主要为黑云角闪石英片岩，该岩石致密坚硬，不透水，耐风化性强。右岸哑口部位出露有砂岩、砂砾岩等，与前寒武系变质岩系呈不整合接触。坝址区有四组断层。主要断层有八层，破碎带宽度一般仅0.20.8m，断层破碎带内的物质挤压紧密，胶结良好，极少有泥质材料充填，对坝基抗滑稳定

9、不起控制作用。河床冲积层主要为砂砾石、中细砂和合砾砂土壤，并夹有少量的大小孤石，冲积层最大厚度为34.13m。1.2.4 建筑材料及水源坝址下游五公里的大兴滩有混凝土用砂、石料场，蓄量丰富，粗骨料可满足要求，细骨料储料不足。位于坝址下游三公里处，砂石储量丰富，可补足大兴滩砂子的不足。1.2.5 坝基岩石及砂砾石的物理力学性质1.2.6 本枢纽坝基岩石黑云角闪石英片岩的物理力学指标如下：1、抗压强度 160MPa (1600Kg/cm2)2、弹性模量 2×104 MPa (210 Kg/2)3、混凝土与结晶片岩间的抗剪指标 f=0.7, f=1.0, c=1.0MPa (10Kg/cm

10、2) 2.5.2 各类岩土开挖边坡值1、河床复盖值 1：22、黄土类土 1：13、全风化结晶片岩 1：14、强风化结晶片岩 3：15、弱、微风化结晶片岩 5：12.5.3 岩石、砂砾石及淤沙的力学指标1、岩石容重 2.7T/m32、砂砾石容重 2.2T/m33、淤沙容重(干) 1.8T/m34、淤沙内摩擦角 =14°1.3 水库特征表（）水库水位 ）正常蓄水位 480.00m）设计洪水位（P=1%） 475.50m）校核洪水位（P=0.1%） 481.00m）汛期运行水位 472.00m）极限死水位 467.00m（）挡水坝下游水位）设计洪水位 465.00m）校核洪水位 464.0

11、0m）正常尾水位 460.00m）最高尾水位 465.00m（）溢洪道下游水位）设计洪水位 462.20m）校核洪水位 463.45m1.4 电站建筑物基本数据本枢纽电站设三台轴流转浆式水轮机发电机组，每台装机容量为100千瓦。主厂房坝段长81m，安装间长52.4m。发电机层地面高度471.50m，尾水管高程434.60m。三个机组间设置出口断面为4.42m的两个排沙孔，孔口出口底高程为462.00m，洪水期电站仍发电运行，过流能力1000 m3/s计。二、 非溢流坝剖面设计122.1 剖面尺寸的确定查SL 319-2005混泥土重力坝设计规范及课本水工建筑物则：1 坝顶高程：水库的静水位以上

12、的超高h=h1%+hz+hc式中h-防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m； h1%-波高，m； hz-波浪中心线至校核洪水位的高差，m； hc-安全超高，按表安全超高可得。根据SL 319-2005混泥土重力坝设计规范可得安全超高hc相应水位坝的安全级别123正常蓄水位0.70.50.4校核洪水位0.50.40.3北京官厅波浪要素计算公式hl=0.0166V054D13L=10.4(hl)0.8hz=hl2Lcth2HL式中D-风速长度，m； L-波长，m； H-上游平均水深，m。坝顶上游防浪墙高程：防浪墙顶高程=设计洪水位+h设防浪墙顶高程=校核洪水位+h校该大坝水工建筑物为3级建筑物

13、，对应得安全级别为级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。分别按正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位三种情况计算。（1）设计洪水位风区有效吹程为D=1km，最大风速vf=11.7m/s，计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为23.4m/s。本设计才用北京官厅水力计算式，根据课本水工建筑物（第5版）可得 波高：hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×23.454×113=0.85m 波长：L=10.4hl0.8=10.4×0.850.8=9.17m 波浪中心线到计算水位的距离：hz=hl2Lcth2HL,因HL

14、，cth2HL1（H为坝前水深，m）hz=hl2L=3.14×0.8529.17=0.25m 根据SL 319-2005混泥土重力坝设计规范可得官厅水库公式，适用于V0<20m/s及D<20km的山区水库。波高hl，当gD/V02=20250时，为累计频率为5%的波高h5%；当gD/V02=2501000时，为累计频率为10%的波高h10%。又因为gD/V02=（9.81×1000）/（11.72）=71.66，所以为累计频率为5%的波高h5%。根据累计频率为P(%)的波高与平均波高的比值可以推算出：累计频率为h1%=1.241h5%=1.241×0.

15、85=1.05m。h=h1%+hz+hc=1.05+0.25+0.5=1.80m正常蓄水位时：坝顶高程=480.00+1.80=481.80m设计洪水位时：坝顶高程=475.50+1.80=477.30m（2）校核洪水位风区有效吹程为D=1km，最大风速vf=11.7m/s，计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的1倍为11.7m/s。 波高：hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×11.754×113=0.36m 波长：L=10.4hl0.8=10.4×0.360.8=4.58m 波浪中心线到计算水位的距离：hz=hl2Lcth2HL,因HL，

16、cth2HL1hz=hl2L=3.14×0.3624.58=0.09m 根据SL 319-2005混泥土重力坝设计规范可得因为gD/V02=（9.81×1000）/（11.72）=71.66，所以为累计频率为5%的波高h5%。根据累计频率为P(%)的波高与平均波高的比值可以推算出：累计频率为h1%=1.241h5%=1.241×0.36=0.45mh=h1%+hz+hc=0.45+0.09+0.4=0.94m校核洪水位时：坝顶高程=481.00+0.94=481.94m取上述三种情况坝顶高程中的大值，即最大坝顶高程为481.94m。防浪墙宜采用钢筋混泥土结构，墙身

17、要有足够的厚度，来抵抗波浪及漂浮物的冲，并设置止水，墙身高度取1.2m，坝的下游应设置栏杆。防浪墙顶高程为481.94+1.20=483.14m。取厂房坝段进行稳定分析：根据课本水工建筑物（第5版）及SL 319-2005混泥土重力坝设计规范可得1. 最大坝高=481.94-413.00=68.94m，为了便于施工取坝高为69.00m。2. 坝顶宽度取坝高的8%10%（5.52m6.9m），且不小于2m，又无交通要求，为使坝顶维修要求取坝顶宽为6m。3. 坝坡的确定。根据工程经验，考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为1323坝高，该工程拟折坡点高程为453.00m，上

18、部铅直，下部为n=1：0.05的斜坡，下游坝坡取m=1：0.75，469.00m以上为铅直坝面。4. 坝体的防渗排水。根据经验坝底的宽度约为坝高的(0.70.9)H倍。则取坝底宽为50m。要求设防渗灌浆帷幕和排水孔，灌浆帷幕中心线距上游坝踵一般取（0.050.1）H，且不小于3m,这里取为4m，距基础底为5m,距排水孔中心线距防渗帷幕中心线3m。5. 坝内廊道断面力求标准化，可采用城门洞形或矩形。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定，宽度可取2.53.0m，高度可为3.03.5m。本设计取为城门洞形宽度3m，高度为3.5m。拟定的基本剖面尺寸如图：三、 挡水坝稳定计算123

19、3.1 荷载计算及组合1233.13.1.1 计算情况选择根据SL 319-2005混凝土重力坝设计规范中作用（荷载）组合，正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位荷载组合包含：自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。沿坝轴线取单位长度1m计算。3.1.2 荷载计算分别对正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位对坝体的作用情况进行计算。有关参数的选择：混泥土的容重为24KN/m3、水的容重9.81 KN/m3、淤沙浮容重7.84 KN/m3、淤沙内摩擦角140。自重：将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的影响暂时不计入；W=cV静水压力：按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压

20、力分别计算其标准值。P=12WV扬压力：扬压力强度在坝踵处为H1，在排水孔幕中心线处由我国的SL 319-2005混泥土重力坝设计规范规定：在排水孔幕处的折减系数1=0.200.25；在排水管帷幕处的折减系数2=0.150.20，坝趾处为H2。按图中4块分别计算其扬压力标准值。本设计取1=0.2，2=0.2。淤沙压力：分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为7.84kN/m3，内摩擦角n=140。水平淤沙压力标准值为Ps=12sbhs2tan2(450-s2)。浪压力:坝前水深大于1/2波长（HL/2）采取下式计算浪压力标准值：Pl=Lm4(hl+hz)。坝体剖面简图及压力分布情况：（1）正常蓄

21、水位工况计算见附表一； 上游水位：480.00m，下游水位：460.00m（2）设计洪水位工况计算见附表二； 上游水位：475.50m，下游水位：465.00m（3）校核水位工况计算见附表三。 上游水位：481.00m，下游水位：464.00m四、 挡水坝应力分析12344.1 抗滑稳定分析1）正常蓄水位情况:坝体抗滑稳定极限状态，属承载能力极限状态。根据SL3192005混凝土重力坝设计规范本题的有关系数：混凝土与结晶片岩间的抗剪指标 f=0.7, f=1.0, c=1.0MPa。（1）根据抗剪强度公式则：Ks=fW-UP=0.7×(48490.49-24772.21)15146.

22、75 =1.09Ks=1.09>K=1.05 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。根据规范可得：抗剪公式的安全系数Ks见下表:荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合（1）1.051.001.00（2）1.001.001.00（2）根据抗剪断公式：Ks'=f'W-U+c'APKs'=1.0×48490.49-24772.21+1000×50×115146.75Ks'=4.87>K=3.0 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。根据规范可得：抗剪公式的安全系数Ks'见下表:荷载组合K

23、s基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.32）设计洪水位情况：(1)Ks=1.65>K=1.05 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。(2)Ks'=7.44>K=3.0 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。3）校核洪水位情况：(1)Ks=1.16>K=1.05 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。(2)Ks'=5.45>K=3.0 故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。4.2 应力状态分析查课本水工钢筋混泥土结构学（第5版）可得相应的结构系数1）正常蓄水位情况：大坝以发电为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为级，相应结构重要性系数

24、0=1.0。坝址抗压强度极限状态的设计状况系数=1.0，结构系数 d=1.2。 a.坝址抗压强度的极限状态计算：S=0WB-6MB2（1+m2）=1.0×1.0×23718.2850-6×（-167101.13）502(1+0.752)=1328.68kPa对于基岩处：又1dR=11.3×3500=2692.31kPa1328.68kPa<2692.31kPa 故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满足要求。b.坝体上下游面拉应力正常使用极限状态计算：在坝踵处S=0WB+6MB2=1.0×23951.0650-6×-156663.

25、52502=103.03kPa因103.03kPa0，故上游坝踵处不出现拉应力，满足要求。2）设计洪水位情况：坝址抗压强度的极限状态计算：S=804.42kPa<2692.31kPa 坝踵处拉应力极限状态计算：S=444.01kPa>03）校核洪水位情况：坝址抗压强度的极限状态计算：S=1174.33kPa<2692.31kPa 坝踵处拉应力极限状态计算：S=155.17kPa>0五、 重力坝的地基处理123455.1 坝基的开挖与清理根据SL 319-2005混泥土重力坝设计规范要求：混泥土重力坝的建立基面应根据岩体物理性质，稳定性，坝基应力，地基变形和稳定性，上部构

26、造对地基的要求，进行地基加固。靠近坝基面的缓倾角软弱夹层应尽可能地清除。基岩面应避免由高低悬殊的突变，以避免坝体内的应力集中，在坝踵或坝址处可开挖齿墙槽以利于稳定。在平行于坝轴线的方向应开挖程阶梯状，但要避免尖角，以保证侧向稳定。浇筑混泥土前，需要进行彻底的清理和冲洗。5.2 坝基的固结灌浆 在应力较大的坝踵和坝址的附近，以及节理发育和破碎带的范围内，灌浆孔呈梅花状方格状布置。孔距和排距一般重1020m开始，采用内插逐步加密，最终为34m，孔深58m。灌浆钻孔应正交与主要的裂隙面，灌浆压力以不能抬动地基岩石为原则，一般取为0.20.4MPa。5.3 帷幕灌浆和排水用帷幕灌浆来降低坝底渗流压力，

27、防止坝基产生管涌，钻孔和灌浆常在坝体的内部特别设置的廊道内进行，帷幕的孔数对于本设计来说只设置一排就可以了，孔距一般为1.54.0m，注意灌浆时的压力应以不破坏岩体为原则。为了进一步降低扬压力，应在防渗帷幕后设置排水孔，排水孔一般略向下游倾斜，与帷幕成10°15°交角。排水孔孔距为23m,孔径约为150200mm，不宜过小，以防止堵塞，孔深为帷幕的深度的0.40.6倍。对于本设计可以采用下游抽排水来降低扬压力。5.4 断层的破碎带和软弱夹层的处理对于倾角较陡的走向近于顺河流流向的破碎带，采用开挖回填混泥土做成混泥土塞。对于倾角较缓的走向近于顺河流流向的破碎带，埋藏较浅的应给

28、与挖除，埋藏较深的做成混泥土塞。必要时可在破碎带内开挖斜井和平洞，回填混泥土，形成刚性骨架封闭该范围内破碎物。对于软弱夹层，多采用明基开挖，清楚夹层，回填混泥土。结合具体情况采用不同的措施：在坝踵出开挖深齿墙，切断断层，到达完整岩基；对埋藏较深的、较厚、倾角平缓的夹层，可在该处内部做混泥土塞；在坝址处建混泥土深齿墙以加大尾岩抗力；在坝址下游采用预应力锚索以加大岩体的抗力，此办法适用于已建成的工程加固处理。有时情况比较复杂，同一个工程可能采用几种不同的办法处理。六、 重力坝的细部构造设计1234566.1 坝顶构造坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，下游侧设置防护栏。其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水