重力坝设计说明书

《重力坝计算说明书》成员姓名：张业灿梁荣泽李壮伟学号：080310232080310238080310227班级：08水工（2）班指导老师：周卫民2010年5月8日目录第一部分设计资料………（2）一、设计资料………（2）二、设计依据………（2）第二部分混凝土重力坝设计…………………（4）非溢流坝设计…………………（4）二、溢流坝设计……………………（20）第三部分细部构造………………（25）第一部分：设计资料设计资料概况本工程属于山区峡谷水库，水库总库容为15×104m3 ，坝址以上流域面积为20Km2地质条件坝址所处的河床高程为，砂砾石覆盖层厚度为0.5～，风化岩层厚度为。坝基岩石允许承载力为3000kpa，坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪摩擦系数0.65，坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪断摩擦系数0.9，坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪断凝聚力为1.0Mpa，河床最大抗冲单宽流量为40m3／(s·m)。设计依据本工程以发电为主，拦河坝为混凝土重力坝，总库容为15（104m3），电站为引水式电站，装机容量为800kw，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，本工程等别为“V”等，建筑物按5级设计。2.洪水标准按照《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的规定，各建筑物按如下洪水标准进行设计：拦河坝设计洪水标准20年一遇洪水设计即（P=5%），校核洪水标准为100年一遇校核即（P=1%）；厂房设计洪水标准为30年一遇即（P=3.33%），校核洪水标准为50年一遇即（P=2%）。抗滑稳定安全系数按抗剪强度公式计算基本荷载组合k≥1.05特殊荷载组合k≥坝顶安全超高正常运用：△H=0.3m非正常运用：△H=地震烈度根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）知，该工程区的地震动峰值加速度小于0.05g，故不考虑地震设防。主要采用数据水位及下泄流量：洪水标准上游水位(m)下游水位（m）下泄流量(m3/s)校核洪水（P=1%）设计洪水（P=5%）正常蓄水位死水位风速、吹程、淤沙、容重等数据实测最大风速：20m/s多年（10min）平均最大风速：50年一遇风速（10min）:/s最大吹程：3700m淤沙内摩擦角：水的容重10kN/m3混凝土的容重24KN/m3浆砌石的容重22KN/m3混凝土的弹性模量1.8(104)Mpa岩石物理指标坝基岩石允许承载力：3000kpa坝体混凝土与坝基的接触面间的抗剪摩擦系数：坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪断摩擦系数：坝体混凝土与坝基接触面间的抗剪断凝聚力：河床最大抗冲单宽流量：40m3／(s·m)第二部分：混凝土重力坝设计非溢流坝设计坝顶高程由于本工程属于山区峡谷水库，故选用官厅公式来计算h和:为了交通和运用管理安全，非溢流坝坝顶或坝顶上游侧防浪墙必须高出水库的静水位的高度，式中各参数由波浪计算确定，式中：—坝顶高于水库静水位的高度，m—累计频率为1%时的波浪高度，m—波浪中心线至静水面的高度，m—安全超高，m（按重力坝设计规范选用）正常蓄水位情况由本工程资料可知:吹程为Dm,查得。浪高：m浪长：m坝前水深m即有且D20km,即符合官厅公式的条件。m波高：mmm设计洪水位情况由于，即有与（1）的计算情况相同，即=m校核洪水位情况校核情况风速取多年平均风速原值即=14.1m/s，安全超高浪高：m浪长：m坝前水深m即有且D20km,=14.1m/s，即符合官厅公式的条件。m波高：mmm综上所述，取坝顶高程=687.40m,取防浪墙高度为1m，基础开挖2m,则坝高为：m.非溢流坝剖面尺寸的拟定坝顶宽度因该水利枢纽位于山区峡谷，无交通要求，按构造要求取坝顶宽度5m，同时满足维修时的单车道要求。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，起坡点按要求为坝高，该工程拟折坡点高程为672.00m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，下游坝坡取1：0.75，基本三角形顶点位于坝顶，681.40m以上为铅直坝面。廊道布置本工程基础灌浆和基础排水廊道是共同用同一廊道，根据规范要求宽度1.5~3.0m。本工程廊道采用廊道尺寸宽：2.5m，高：3m荷载及其组合设计洪水情况的荷载组合包含：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。正常蓄水位的荷载组合包含：自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。计算时沿坝轴线取单位长度1m计算。荷载作用标准值和设计值成果如下表：荷载符号计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底面中点的偏心距（m）力矩（）↓↑←→↙+－↘自重W124×5×352826989W224×××535813.15－5090W324×15×3×54013.15－36021上游水重Q110×15×3×22513.15－32734Q210××341013.15－34785下游水重Q310××××8713.15－1039垂直泥沙压力×××12513.15－1560浮托力U1×10×12680渗透压力U2××10×838213.15－3495U310××××436414U4××23.85×10)×8×76313.15－859747上游水平压力P1×10×411039292下游水平压力P2×10×116187浪压力×5.11××101002646×××10761981水平泥沙压力3061019合计10273284919245163585162328总计74244324－26477(校核洪水位情况)坝基面抗滑稳定性核算：已知,,,则，因此，在设计洪水位情况下，坝基面的抗稳定性满足要求。坝趾和坝踵应力核算已知计及扬压力时坝基面上的，.m；不计扬压力时坝基面上的.m坝踵垂直正应力（计扬压力）：坝趾垂直正应力（计及扬压力）：不计扬压力时计扬压力时远小于坝基和坝体允许压应力。因此，在设计洪水位情况下，坝趾和坝踵应力满足要求。荷载符号计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底面中点的偏心距（m）力矩（kN.m）↓↑←→↙+－↘自重W124535285-3-=26989W2245358-18.3=5090W324153540-3=12.156021上游水重Q1310-3=4564Q2315102255-3=2734下游水重Q310=823垂直泥沙压力10125-2=1560浮托力U110000渗透压力U2=414U38-8=3484U48-8=7982上游水平压力P1106÷3=36809下游水平压力P210÷3=129浪压力10=532410171.41=4141水平泥沙压力10tan(45-20/2)30610÷3=1019合计2698.324655260531总计－13979(设计洪水位情况)坝基面抗滑稳定性核算：已知,,,则，因此，在设计洪水位情况下，坝基面的抗稳定性满足要求。坝趾和坝踵应力核算已知计及扬压力时坝基面上的，.m；不计扬压力时坝基面上的.m坝踵垂直正应力（计扬压力）：坝趾垂直正应力（计及扬压力）：不计扬压力时计扬压力时远小于坝基和坝体允许压应力。因此，在设计洪水位情况下，坝趾和坝踵应力满足要求荷载符号计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底面中点的偏心距（m）力矩（kN.m）↓↑←→↙+－↘自重W1352826989W253585090W35406021上游水重Q12703146Q22252734垂直泥沙压力1251560渗透压力U15765270U2767729U36727043上游水平压力P1288023040浪压力31064391713437水平泥沙压力3061019合计10046201517134964461647901总计83013325-3285(正常洪水位情况)坝基面抗滑稳定性核算：已知,,,则，因此，在设计洪水位情况下，坝基面的抗稳定性满足要求。坝趾和坝踵应力核算已知计及扬压力时坝基面上的，.m；不计扬压力时坝基面上的.m坝踵垂直正应力（计扬压力）：坝趾垂直正应力（计及扬压力）：不计扬压力时计扬压力时远小于坝基和坝体允许压应力。因此，在设计洪水位情况下，坝趾和坝踵应力满足要求完建期：荷载符号计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底面中点的偏心距（m）力矩（kN.m）↓↑←→↙+－↘自重W124535285-3-=26989W2245358-18.3=5090W324153540-36021合计9426330105090总计942627920坝趾和坝踵应力核算已知坝基面上的，.m；则坝踵垂直正应力：坝趾垂直正应力：远小于坝基和坝体允许压应力。因此，在完建期的情况下，坝趾和坝踵应力满足要求公式说明自重（包括永久设备自重）坝体自重W标准值计算公式：W=Vc（kN/m）式中：V——坝体体积（），常将坝体断面分解成矩形、三角形计算。c——坝体混凝土的重度（/）。根据选定的配合比通过实验确定，一般采用23.5～24.0/。静水压力静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载。分解为水平水压力（PH）和垂直水压力（PV）。PV=Vww（kN/m）PH=H2（kN/m）式中Vw——斜坡面上水体体积（）；H——计算点处的作用水头（m）；h——堰顶溢流水深（m）；w——水的重度（/）。淤沙压力淤沙压力：入库水流挟带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力。淤沙压力计算图淤积的规律是从库首至坝前，随水深的增加而流速减小，沉积的粒径由粗到细，坝前淤积的是极细的泥沙，淤积泥沙的深度和内摩擦角随时间在变化，一般计算年限取50～100年。单位坝长上的水平淤沙压力标准值Psk为Psk=（kN/m）式中sb——淤沙的浮重度（/），sb=sd-（1-n）wsd——淤沙的干重度（/）；w——水的重度（/）；n——淤沙的孔隙率；hs——坝前估算的泥沙淤积厚度（m）；s——淤沙的内摩擦角（°）。当上游坝面倾斜时，应计入竖向淤沙压力，按淤沙的浮重度计算。淤沙压力的作用分项系数采用1.2。浪压力浪压力：水库表面波浪对建筑物产生的拍击力。浪压力的影响因素较多，呈动态变化，可取不利情况计算。浪压力的作用分项系数应采用1.2。波浪压力分布（a）深水波；（b）浅水波；（c）破碎波临界水深Hcr的计算公式：三种波态情况的浪压力分布不同，浪压力计算公式如下：①深水波：当坝前水深大于半波长，即H＞时，波浪运动不受库底的约束。（kN/m）②浅水波：水深小于半波长而大于临界水深Hcr，即＞H＞Hcr时，波浪运动受到库底的影响。PL=[（h1%+hZ）（H+PLf）+HPLf]PLf=h1%sech③破碎波：水深小于临界水深，即H＜Hcr时，波浪发生破碎。PL=λ）h1%+（0.7+λ）H]P0=K0h1%溢流坝设计孔口尺寸当大坝通过P=1%校核洪水时下泄流量Q，由资料可知：河床最大抗冲单宽流量为40。出于安全考虑，本设计采用溢流单宽流量q=35，则所需的溢流孔口总宽为：B=取12m初步拟定闸孔宽b=6m，分2孔即n=2,闸墩厚为2m。则溢流前缘总长度为：L=nb+(n+1)d=12+(2+1)×2=18m堰顶高程按两种种不同情况分别来计算，公式，取，不同情况上游水位（m）（m）下泄流量Q（）堰顶高程(m)校核情况设计情况坝顶高程定得高些将可较经济，但得必须通过最大洪水校核。取坝顶高程为679.6m.6－679.6=，则有:,不满足，且超过了其5%，故需要降低堰顶高程。取－679.22=，则有：满足要求，最后选定坝顶高程为溢流坝面曲线设计定型设计水头通过调洪演算，溢流坝坝顶高程定为679.2m，取=5m，堰上最大水头，则溢流坝面曲线设计坝顶上游曲线本工程采用的是上游面垂直的WES实用堰，通过下表可以查到相关数据：WES实用堰标准剖面方程参数：上游堰面坡度kn垂直3:11.5:11:100故可得，=2.5m=1m=0.875m=1.41m，则改堰顶下游的曲线方程为：溢流剖面堰型采用幂曲线，其方程为：故可得幂曲线方程为：直线段和堰曲线切点、的确定。由a和b步骤中可以联立下列方程组：求得=3.91直线段和反弧段切点D和反弧圆心坐标的确定根据鼻高于下游水位1m左右的要求，确定鼻坎高程为，挑角，下游水位为61.82m。，闸墩厚d=2m，n=2孔，b=6m，则反弧半径的确定。拟定R=9m此时反弧最低点高程为：S=上游水位－反弧最低点高程=685.67－662.16=为了保证有较好的挑流条件，反弧半径R至少应大于反弧段最低点处水深的5~6倍，故取反弧半径R=9m是符合要求的。圆心高程直线段和反弧切点D为（圆心到堰顶水平距离）溢流坝坝基宽度：鼻坎到堰顶的水平距离附加上鼻坎削角厚度0.4m，堰顶上游侧曲线水平距离挑流消能计算已知条件：挑射角为7－661.82=23.85m；鼻坎高程为663m，上游水位和鼻坎高差，下游河床高程为657m，鼻坎和下游河床面高差a=663－657=6m，下游水位和下游河床面高差t=661.82－657=4.82m，.流能比：流速系数：入水角：即=，tan空中挑距：冲刷坑深度T：，则水下挑距：总挑距：冲刷坑后坡：故不会危及建筑物的安全。第三部分：细部构造1.坝顶构造1.1非溢流坝坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，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。墙高为1.0m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为1%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶总宽度为5m，下游侧设置栏杆，细部构造图附后。1.2溢流坝溢流坝的上部设有闸门、闸墩、门机、交通桥等机构和设备。闸门的布置工作闸门布置在溢流坝的顶稍微偏向下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面而形成负压。采用平面钢闸门，门的尺寸为高××6m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的净距为2m。闸墩闸墩的墩头形状为上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程即687.40m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝顶高程679.20m。中墩的厚度2.0m，边墩厚度1.5m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深0.5m，宽0.6m，检修闸门槽深0.3m，宽0.4m。导水墙边墩向下游延伸成导水墙，其长度延伸到挑流鼻坎的末端。边墩的高度应高出掺气后水深0.5～1.5m，平直段掺气后水深估算公式为：hb=h（1+ξv/100）h、hb—掺气前、后的水深，m；v—掺气前计算断面的平均流速，m/s；ξ—修正系数，一般为1.0～1.4m/s，v＞20m/s时，取较大值。2.1横缝垂直于坝轴线布置，缝距为15m（缝距在10—20米范围内），缝宽2cm，内有止水。2.2止水坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。2.3纵缝纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面正交，缝距为10m（缝距在10—20米范围内）。3.1基础廊道位置：廊道底部距坝基面3m，廊道底部高程为660m，廊道底部上游侧距上游坝面的水平距离为5.5m；形状：城门洞形，底宽2.5m，高2.5m，内部下游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度