水工建筑物重力坝课程设计

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1工程总体布置

工程等别及建筑物级别

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。浇灌农田在50万亩以上，属于Ⅱ等中型工程。发电在20万千瓦。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：综合取水库工程等级为Ⅱ等中型工程。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》中“水库大坝提级指标〞表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1级。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为2级，而洪水标准不提高。

2非溢流坝坝体设计

2.1剖面拟定

2.1.1剖面设计原则

1、设计断面要满足稳定和强度要求；2、力求剖面较小；3、外形轮廓简单；

4、工程量小，运用便利，便于施工。2.1.2拟定基本剖面

重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3—1，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般状况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9倍。

图3-1重力坝的基本剖面图示

2.1.3拟定实用剖面一、确定坝顶高程

1、超高值Δh的计算（1）基本公式

坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。

Δh=h1%+hz+hc（3-1）

Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；H1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；

hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；

hc—安全加高，按表3－1采用,对于Ⅲ级工程，设计状况hc＝0.4m，校核状况hc＝0.3m。

表2－1坝的安全加高hc

运用状况设计状况（基本状况）校核状况（特别状况）坝的级别1230.70.50.50.40.40.3下面按官厅公式计算h1%，hz。（适用于V0小于２０m/s，Ｄ小于２０km的峡谷水库）

V0为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位和设计洪水位时，采用的最大风速１７m/s，西北偏西；校核洪水位时，采用多年平均最大风速１２m/s。

D为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时回水长度为4.5km，设计洪水位时回水长度为4km，校核洪水位时回水长度为4km。

波高hl，当gD/V02=20～250时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000时，为累计频率10%的波高h10%。规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41。

首先计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。（1）设计洪水位时Δh计算

风速采用的风速217m/s，吹程D=4.5km。波浪三要素计算如下：

波高hl=0.0166V0D=0.0166×17×4.5=0.95m波长L=10.4(h1)=10.4×0.95=9.98m壅高hz=πhl/L=3.14×0.95/9.98=0.28mgD/V0=9.8×4500/17=152.60250；

h1%=1.41h10%=1.41×0.59=0.83m；hz=0.16m；hc=0.5mΔh=h1%+hz+hc=0.83+0.16+0.5=1.49m2、坝顶高程计算

坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值

坝顶高程=设计洪水位+Δh设

坝顶高程=校核洪水位+Δh校（3-5）根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。（1）设计洪水位时的坝顶高程：

▽坝顶=设计洪水位+Δh

=186.60+2.16=188.76m

（2）校核洪水位时的坝顶高程：

▽坝顶=校核洪水位+Δh

=189.60+1.49=191.09m

为保证大坝的安全运行，应选中用其中的较大值▽坝顶＝191.09m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽191.09m。

2.2、确定坝基高程

2

2

2

2

0.8

0.8

5/4

1/3

5/4

1/3

2

2

2

2

0.8

0.8

5/4

1/3

5/4

1/3

河床高程100m，校核洪水位为191.09m，地基开挖时河床上的大块石、卵石必需清除5-6m，所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。根据规范，坝高明过100m时，可建在新鲜下部基岩上，故挖6m。

坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一新鲜完整坚硬。坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性小。但倾角节理较发育，以节理构造为主，应结合基础开挖予以挖除7m。通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽87m，因此，最大坝高为104m，属于高坝。2.3、拟定坝顶宽度

坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。

因无特别要求，根据规范的规定，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。按坝高的10%计算，即为10.4米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为12m，以满足大坝维修作业通行需要。2.4、拟定剖面尺寸

根据规范SL319-2023规定，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。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。

实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。

下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。

上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，淤沙高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为151m的位置。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.18，下游坝坡取1：0.7。2.5、坝底宽度拟定

坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，本工程的坝高为104m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=12+73=85m。2.6、基础灌浆廊道尺寸拟定

高、中坝内必需设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.5～3m，高为3～4m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌

浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。

廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m处设置，本次设计取8m，为满足压力

灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，取5m。

3.荷载计算及其组合

重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ坝长进行计算。

荷载组合可分为基本组合与特别组合两类。基本组合属于设计状况或正常状况，由同时出现的基本荷载组成。特别组合属校核状况或十分状况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特别荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合状况进行计算，使之满足规范中规定的要求。

本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特别组合为校核洪水位和地震状况，它们分别考虑的荷载如表3-1所示。

表3-1荷载组合

荷载主要考虑情组合况（1）正常蓄基本水位状况组合（2）设计洪√√√√√√√水位状况（1）校核洪√√√√√√√特别水位状况组合√√√√√√√（2）地震情况注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；

2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工期的状况应作必要核算，作为特别组合。

4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的状况，作为特别组合。

5.地震状况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。6.表中的“+〞表示应考虑的荷载。（1）自重W

坝体自重的计算公式：W=Vγ

c（kN）（3-6）

荷载自重静水扬压泥沙浪