重力坝分析与计算

1、一、计算荷载组合：坝体自重：区域 W11=10*125*24=30000KN 方向 区域 W12=0.5*113*73.45*24=99598.2KN 方向 W1=W11+W12=30000+99598.2=129598.2KN 方向静水压力：垂直水压力PV=0.5*17*17*0.65*9.8=920.47KN 方向 水平水压力，上游PH1=0.5*w*H²=0.5*9.8*120²=70560KN 方向 下游PH2=0.5*w*H²=0.5*9.8*17²=1416.1KN 方向淤沙压力：Ps=0.5*sb*hs²*tan²（45

2、-s/2） 0.5*8.5*21.8²*tan²（45-27/2）=758.47KN 方向 扬压力： 浮托力 U1=w*H*B=9.8*17*83.45=13902.77 KN 方向 渗流力，区域a U2= =0.5*（1-0.2）*103*7*9.80=2826.32KN 方向 区域b U3=7*0.2*103*9.80=1413.16KN 方向 区域c U4=0.5*0.2*103*76.45*9.80 =7716.86KN 方向 U=U1+U2+U3+U4=13902.77+2826.32+1413.16+7716.86 =25859.11KN 方向荷载计算如下图所示

3、：二、沿坝基面的抗滑稳定分析以单宽坝段作为计算单元，按抗剪断强度公式计算，认为坝体混凝土与基岩接触良好，接触面面积为A，采用接触面上的抗剪断参数和计算抗滑稳定安全系数。A=83.45=(0.92*（129598.2+920.47-25859.11）+750*83.45) /(70560-1416.1+758.47)=2.273 满足要求。三、软弱层面抗滑稳定分析 双层面抗滑稳定计算，采用剩余推力法。取坝趾处垂直方向左侧为主滑裂面，其中基岩自重W3=25.5*104.95*tan15*104.95*0.5=37665.28KN 方向坝体自重W1=129598.2KN 方向上游水重为W4=120*

4、21.8*9.8=25636.8KN 方向静水压力PV=920.46KN 方向W=W1+PV+W3+W4=129598.2+920.46+37665.28+25636.8 =193810.74KN 方向水平力 =69902.37KN 方向扬压力 浮托力 U1=9.8*17*104.95=17484.67KN 垂直接触面 渗流力 区域a U2= = 0.5*（1-0.2）*103*（28.5+21.5）*9.8=20188KN 垂直接触面 区域b U3=28.5*0.2*103*9.8=5753.58KN 垂直接触面 区域c U4=0.5*0.2*103*76.45*9.80 =7716.86K

5、N 方向计算简图如下图所示：第一次试算：区离坝址距离为m=20米处为辅助滑裂面 区域c增加扬压力U= =0.2*103*20/（20+76.45）*76.45*9.8/2 =1600.18KN 方向 则 =U1+U2+U3+U4+U =17484.67+20188+5753.58+7716.86+ 1600.18=52743.29KN 方向辅助滑裂面计算28.13*0.5*20*25.5+20*17*9.8=10506.34 KN 方向 =（0.2*103*20*20/（20+76.45）/2+20*17）*9.80=3750.62 KN 方向 先令主滑裂区处于极限平衡状态，其沿AB面的抗滑稳

6、定安全系数为1，求得R后再计算辅滑裂区沿BC面的抗滑稳定安全系数K2，K2即为整个坝段的抗滑稳定安全系数。由区处于极限平衡时可以列出工程经验采用=0， =0.3kpa，=0.08mpa 滑裂面面积A=34.52解得R=70981.58KN 带入公式=3.068公式中，取基岩的抗剪断系数，=1.0，=1.15，=281.35经过试算得出数据：向下游延伸长度20304043444546475060K3.07 2.47 2.30 2.29 2.29 2.29 2.29 2.29 2.30 2.38 由图表可知在45米处K值最小为2.29。稳定。四、坝体强度计算材料力学法计算，重力坝坝基面坝踵、坝趾的

7、垂直应力符合下列要求：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、坝趾的垂直应力符合水工建筑物抗震设计规范（SL 203-97）的要求；施工期坝址铅直应力应小于0.1mp的拉应力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（SL 203-97）的要求。施工期1) 坝体任何截面上的主应力不应大于混凝土容许压应力2) 在坝体下游，允许由不

8、大于0.2mp的主拉应力计算简图及荷载组合见下图;荷载组合竖直（向下为正）形心距上游坝面水平（向右为正）形心距坝基自重压力30000.00 5.00 99598.20 34.47 静水压力920.47 79.77 70560.00 40.00 -1416.10 5.67 淤泥压力758.47 4.45 扬压力U1-13902.77 41.73 U2-7716.86 32.48 U3-1413.16 3.50 U4-2826.32 2.33 合计104659.55 69902.37 应力计算取坝基面为计算截面 不计扬压力W=30000+99598.2+920.47=130518.67KN=300

9、00*（41.73-5）+99598.2*（41.73-34.47）+920.47*（41.75-79.77）-70560*40+1416.10*5.67-758.47*4.45=-1028773.46KN·m1. 水平截面上的正应力=130518.67/83.45+6*（-1028773.46）/83.45²=677.66mp=130518.67/83.45-6*（-1028773.46）/83.45²=2449.77mp2. 剪应力=（9.8*120-667.66）*0=0mp=（2449.77-9.80*17）*0.65=1484.06mp式中：为上游水压力

10、强度，Kpa;n为上游坝坡坡率；为下游水压力强度，Kpa；m为下游坝坡坡率。3. 水平正应力=9.8*120-0*0=1176mp=9.80*17+1484.06*0.65=1131.24mp4. 主应力=677.66mp=（1+0.65²）*2449.77-9.8*17*0.65²=3414.41mp坝面水压力也是主应力=9.8*120=1176mp=9.8*17=166.6mp考虑扬压力W=104659.55KN=-1265536.56KN·m1.水平截面上的正应力=104659.55/83.45+6*（-1265536.56）/83.45²=163

11、.79mp=104659.55/83.45-6*（-1265536.56）/83.45²=2344.53mp2.剪应力=（9.8*120-163.79）*0=0mp=（2344.53-9.80*17）*0.65=1415.65mp式中：为上游水压力强度，Kpa;n为上游坝坡坡率；为下游水压力强度，Kpa；m为下游坝坡坡率。3.水平正应力=9.8*120-0*0=1176mp=9.80*17+1415.65*0.65=1086.77mp4.主应力=163.79mp=（1+0.65²）*2344.53-9.8*17*0.65²=3264.71mp坝面水压力也是主应力=

12、9.8*120=1176mp=9.8*17=166.6mp分别计算其他截面应力：坝体应力计算yuydudxuxd1u1d2u2d不计扬压力坝基面677.66 2450.41 0.00 1484.48 1176.00 1131.51 677.66 3415.32 1176.00 166.60 20677.40 1953.18 0.00 1269.56 980.00 825.22 677.40 2778.39 980.00 0.00 40656.22 1501.00 0.00 975.65 784.00 634.17 656.22 2135.17 784.00 0.00 60638.08 1049

13、.66 0.00 682.28 588.00 443.48 638.08 1493.15 588.00 0.00 80608.75 618.23 0.00 401.85 392.00 261.20 608.75 879.43 392.00 0.00 100529.75 263.55 0.00 171.31 196.00 111.35 529.75 374.91 196.00 0.00 计入扬压力坝基面163.79 2344.53 0.00 1415.65 1176.00 1086.77 163.79 3264.70 1176.00 166.60 20276.85 1982.46 0.00 12

14、88.60 980.00 837.59 276.85 2820.05 980.00 0.00 40339.45 1565.44 0.00 1017.54 784.00 661.40 339.45 2226.84 784.00 0.00 60470.73 1062.38 0.00 690.54 588.00 448.85 470.73 1511.23 588.00 0.00 80392.70 668.63 0.00 434.61 392.00 282.50 392.70 951.13 392.00 0.00 100384.89 294.85 0.00 191.65 196.00 124.57 3

15、84.89 419.42 196.00 0.00 经计算均满足要求水闸设计1闸孔设计1）闸孔尺寸的确定1） 初拟闸孔尺寸 需满足防洪、排涝要求a，排涝要求 上游水深：=19.8-13.4=6.38m 下游水深：=19.63-13.4=6.23m Q=420m³/s A=（B+m*）*=（30+2.5*6.38）*6.38=283.16m² =420/283.16=1.433m/s =+=6.38+1.0*1.433²/2/9.81=6.485m=6.23/6.485=0.96>0.8 属于淹没出流淹没系数 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0

16、.85 0.86 0.87 0.88 0.89 1.00 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.84 0.81 0.78 0.74 0.70 0.65 0.59 0.50 0.40 所以=0.59e=18.7-13.4=5.3m =5.3/6.38=0.83>0.65 为堰流其中为闸敦系数，采用尖圆型=0.53；为边墩系数，采用圆弧型=0.70.n=1 m为流量系数，按无坎宽顶堰计算m=0.385解得=26.18mb，防洪要求 上游水深：=21

17、.28-13.4=7.88m 下游水深：=21.13-13.4=7.73m Q=750m³/s A=（B+m*）*=（30+2.5*7.88）*7.88=391.64m² =750/391.64=1.92m/s =+=7.88+1.0*1.92²/2/9.81=8.067m=7.73/8.067=0.96>0.8 属于淹没出流所以=0.59e=18.7-13.4=5.3m =5.3/8.067=0.66>0.65 为堰流其中为闸敦系数，采用尖圆型=0.53；为边墩系数，采用圆弧型=0.70.n=1 m为流量系数，按无坎宽顶堰计算m=0.385解得=33

18、.66m比较a、b的计算结果，B2>B1，可见引水灌溉情况是确定闸孔尺寸的控制情况，故闸孔净宽宜采用较大值33.66m。现拟闸孔分为7孔，取中孔尺寸为3.66m，其他孔尺寸为5m，则闸孔实际总净宽33.66m。 闸底板宜采用整体式平底板。拟将分缝设在底板的中间位置；中墩采用钢筋混凝土结构，厚1.0m，墩头采用半圆形（水流条件好，施工方便），墩尾采用流线型（有利于水流扩散）（2）复核过闸流量 根据初拟的闸孔尺寸，对于中孔：，查表得， 对于边孔： ，查表得，则有 查表可得，对于无坎平底宽顶堰，m=0.385，则 <5% 实际过流能力满足防洪的设计要求，同样可验证初拟的闸孔尺寸也符合引排

19、涝的要求。因此，该闸的孔口尺寸确定为：共分7孔，中孔宽3.66m，边孔宽5m，六个中墩各厚1.0m；闸孔总净宽为33.66m，闸室总宽度为43.72m。 闸室布置图2消能防冲设计 消能防冲建筑物主要包括消力池、海漫及防冲槽三部分；下面就此三种建筑物的设计进行计算说明：1.消力池的设计a、消力池池深：由上题可知，均在高淹没区，出闸水流已发生了淹没式水跃，故从理论上讲，可以不建消力池，但为了稳定水跃，通常需一建造消力池。取池深d=0.5m。b、消力池长度：L=10m。c、消力池底板厚度：取消力池底板厚度为1.0m，前后等厚。在消力池底板的后半部设排水孔，孔径10cm，间距2m，呈梅花形布置，孔内填

20、以砂、碎石。消力池与闸底板连接处留一宽为1.0m的平台，以便更好的促成出闸水流在池中产生水跃。消力池在平面上呈扩散状，扩散角取为10°。2.海漫的设计（1） 海漫的长度为： 为海漫长度计算系数，取=11 ，取海漫长度为28m。（2） 海漫的布置与构造由于下游水深较大，为了节省开挖量，海漫布置成水平的。海漫使用厚度40cm的块石材料，前10m采用浆砌石块，后18m采用干砌石块。海漫底部铺设15cm厚的砂砾垫层。 3、防冲槽的设计（1） 海漫末端河床冲刷深度为 海漫末端的平均宽度 水深大于3m，v0可取为1.1m/s,则有： >0，表示海漫出口形成冲刷坑，故在海漫末端建一防冲槽。（2） 防冲槽的构造：防冲槽为倒梯形断面。其底宽1.0m，深4.0m，边坡1:2，槽中抛以块石。