罗重力坝设计作业

重力坝设计

目录

一、工程概况.....................................................1

二、资料分析.....................................................8

三、荷载计算与组合..............................................9

1.坝顶高程的确定..............................................................9

2.坝高的确定...................................................................9

3.坝顶宽度的确定...............................................................9

4.坝坡的确定.................................................................10

5.基本剖面初步抗滑稳定计算....................................................11

6.实用坝面拟定.............................................................11.

5.防渗帷幕与排水孔设计........................................................12.

四、重力坝抗滑稳定分析........................................13

1.荷载计算...................................................................13

2稳定验算.....................................................................22

五、重力坝应力分析.............................................24

1.计算公式....................................................................24

2.正常蓄水位应力分析........................................................26..

3.设计洪水位应力分析.........................................................27

4.校核洪水位应力分析..........................................................28.

5.强度、稳定指标分析总结：...................................................31

六、地基处理....................................................33

七、细部构造设计................................................34

八、参考文献....................................................34

工程概况

1.概述

(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4.4x2m的两个排沙孔，孔口出口底高程

为442.00m,洪水期电站仍发电运行，过流能力1000m3/s计。

(2).水库特性

如下表所示

表1—1水库特性表

大黑山水利水库库0.9亿

工程名称所在河流函河

枢纽容加3

混凝土重坝顶高

大坝等级III大坝类型482.0m

力坝程

坝顶宽

大坝全长249m最大坝高69m15m

度

地震烈

设计标准100年校核标准1000年7度

度

上游水位(m)下游水位(m)水文特性

1

入库流

频率％量

m3/s

正常蓄水设计洪462.20

480.0016500

位m溢洪水位

设计洪水道校核洪463.45

475.500.18350

位m水位

校核洪水481.00

位m设计洪

465.0016500

汛期运行472.00水电水位

水位m站

极限死水467.00校核洪

464.000.18350

位m水位

(3).主要建筑物及其尺寸

主体工程表如图1—2所示

表1—2主体工程表

挡水坝溢流坝底孔坝电站坝底孔坝挡水坝

坝段

段段段段段段

编号①②③④(5)•

坝段长m45.045.024.081.024.030.0

最大坝35.041.069.069.047.035.0

2

高m

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1—3所示。

表1—3泄流设施表

泄流部分溢流坝泄水底孔电站排沙孔

孔数3232

11.0X11.5X

进尺寸(bXh)8X104.4X2.0

12.020.5

口

高程(m)462.00446.00452.00442.00

11.0X11.5X

出尺寸(bXh)8X94.4X2.0

12.010.0

口

高程(m)462.00446.00434.60462.00

例工作闸门平板闸门弧形闸门平板闸门

n检修闸门平板闸门平板闸门平板闸门

消型式底流底流

力池长(m)104.0082.00

池池深(m)6.003.50

泄设计(m'/s)320025001000200

量校核(ID3/S)440028001000200

3

2.设计基本资料

(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130~140m,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(7~9月)最大风速的多年平均值为11.7m/s,水库吹程约

1km,本地区地震基本烈度为7度。

(2).水文特性

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2.1kg/m3,年输沙量为0.68亿吨。实测最大含沙量为329kg/m3。

坝前库内淤积平衡高程为464.0mo淤积计算高程：厂房前沿为

450.00m,泄水孔前沿为446.00m,溢流坝前沿为460.00m。不同频率

的洪水流量见表2—lo

表2—1不同频率的洪水流量

频率(%)0.10.51510

流量(m/s)83507930650060505640

4

(3).地质概况

3.1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30—40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1—2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。

3.2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，两岸宽度约广2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

0.2〜0.8m,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

5

34.13mo

3.3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。

3.4坝基岩石及砂砾石的物理力学性质

本枢纽坝基岩石一一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2X104MPa(210Kg/cm2)

3、混凝土与结晶片岩间的抗剪指标f=0.7,f'=1.0,cz=1.0MPa

(10Kg/cm2)

2.5.2各类岩土开挖边坡值

1、河床复盖值1：2

2、黄土类土1：1

3、全风化结晶片岩1：1

4、强风化结晶片岩3：1

5、弱、微风化结晶片岩5：1

2.5.3岩石、砂砾石及淤沙的力学指标

1、岩石容重2.7T/m3

2、砂砾石容重2.2T/m3

6

3、淤沙容重（干）1.8T/m3

4、淤沙内摩擦角①=14°

3.水库特征表

（1）水库水位

1）正常蓄水位480.00m

2）设计洪水位（P=l%）475.50m

3）校核洪水位（P=0.1%）481.00m

4）汛期运行水位472.00m

5）极限死水位467.00m

（2）挡水坝下游水位

1）设计洪水位465.00m

2）校核洪水位464.00m

3）正常尾水位460.00m

4）最高尾水位465.00m

（3）溢洪道下游水位

1）设计洪水位462.20m

2）校核洪水位463.45m

4.电站建筑物基本数据

7

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4.4义2m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1000m'/s计。

5.图纸

（1）坝址区地形图（1：1000）一张

（2）沿坝轴线地址、地形剖面图（1：500）一张

（3）挡水和溢流坝段平面、剖面参考图及下游立视参考图（1：1000,

1：500）各一张

二、资料分析

该重力坝位于山区，波浪要素的计算可选用官厅公式。

因地震烈度为6度，故不计地震影响。

该重力坝属于III级水工建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为II级,

相应结构重要性系数为=l.Oo

基本组合（设计洪水位）取持久状况对应的设计状况系数山=1.0,结构系

数=1.2。

基础抗压强度极限状态的设计状况系数叨=1.0,结构系数为=1.3o

本重力坝有关（荷载）作用的分项系数根据SL319-2005《混凝土重力坝设

计规范》查得：自重为1.0；静水压力为1.0；渗透压力为1.2；浮托力为1.0；淤

8

沙压力为1.2；浪压力为1.2o

三、重力坝剖面设计

1.坝顶高程的尺寸

正常蓄水位时

既=0.0166%5/4。1/3=0.0166x(1.8x11.7)5/411/3=0,749(m)

L=10.4(/1,)°-8=10.4xO.74908=6.9l(m)

nh(2271H

hz=——cth——=0.214(m)

LJL

△h=/i1%+hz+hc=0.74+0.214+0.4=1.363(m)

则设计洪水位时坝高顶高程H=480+1.363=481.363

校核洪水位时

5413

hi=0.016645/4°I/3=0.0166x(11.7)/1/=0.359

36(m)

L=10.4(%)°8=10.4xO.3608=4.583(m)

2

nht27rH

hz=LcthL=0.088(m)

由于外<20m/s及D<20Km,且物/欧=71.6,根据SL319—2005《混凝

土重力坝设计规范》有：

月％=1.24x俺％=1.24xht=0.45(m)

Ah=h1%+hz+hc=0.45+0.09+0.3=0.747(m)

校核洪水位，坝顶高程=481+0.747=481.747(m)

取三种情况下的最大值481.747m作为坝顶高程，坝顶高程取为482m。

2.坝高的确定

坝基高程取为435m,所以坝高=482-435=47m

3.坝顶宽度的确定

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满足抗震、

特大洪水时维护等要求。

无特殊要求，且不小于3m。本题中取为坝高的10%计算，即为4.7m。考

虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽度为10m,

以满足大坝维修作业通行需求。

4剖面设计

9

根据工程经验：f取0.7,k取1.05,yc=24kN/m,y0=9.8kN/m

公式：

rB_K

Hf焉+"的)

<B_1

/—(1—A)+A(1—A)—

17yo

11

ayH=YiH2B+-a1Y(Hi-H2)x(l-X)B+aiV(Hi-H2)入B+—(1-aJy(H「H2)xAB

符号：

B-----坝底宽，（米）；

H------坝高,（米）；

Hi、出---上F游水位

X一一上游坝坡的水平宽度与坝底宽的比值入=nH/B；

n一一上游坝面坡度比；

V一一水的容重，取9.8KN/m）

Yh-----混凝土的容重，取24KN/rr|3；

a—一扬压力的折减系数，河床坝段a=0.2〜0.3,

岸坡坝段a=0.3〜0.35：

f一一混凝土与基岩之间的摩擦系数，一般取0.5〜0.8之间；

Ks——抗滑稳定安全系数，基本组合1.05,特殊组合1.00。

坝基高程取为435m,所以坝高=482-435=47m

（取oq=oc2=0.2）廊道尺寸2x3m,距离坝底4m,距离坝踵6m。

其中f=0.7,K=1.05,,yc=24kN/m，Yo=9.8kN/m,H=35m。

解得入=0.5B=27,o

上游坡度n=X^=0,3,取0下游坡度m='i丁B=

HH06o

6.实用坝面拟定

10

5

坝顶宽5m,坝底宽25m,上游坡率n取0,下游坡率m为0.65,

自重w=VxYc=24x[47x10+1/2x(27-10)x(27-10)]

17400KN

2

水平压力P=|xY0H=1x10x35x35=6125KN

扬压力U=1xaYoHB=0.39x10x25x35=1706.25KN

f(?W—U)

=1.794>K=1.05

IP

满足抗滑稳定需求。

应力分析

“2-

a

yu=Hyc(l-A)+y0^(2一入)一a2一薜

=47

x24x(1-0.5)+9.8x0,5X(2-0.5)-0.3x9.8-9.8

47X47]

x-----------=6,45>0

27X27]

H3

0yd=入H("一为+y0A)+Yo霹=1395.7>0

符合要求。

11

四、挡水坝稳定计算

1.荷载计算

根据设计洪水位情况进行抗滑稳定性和应力状态验算，荷载包括：

自重，静水压力，淤沙压力，淤沙浮容重力=8.19kN/m3,（ps=14°O

浪压力：由于坝前水深大于波长，采用马=1（/11%+七）计算浪压力标准

值。

-：正常蓄水位时

正常蓄水位高480m,下游水位460m,泥沙高程464.1m。

1、自重：混凝土容重在设计阶段取24KN/m3，廊道自重不计。

//；=与九=24x10x47=11280陋，力臂

=27/2-10/2=18.5m

W2=rrJZ„=24x1/2x30x17=6120KN>力臂

=25/2-10-17/3=2.16m

12

W=W,+W2=17400KN

W3=Y0V3=9.8x1x25x0.65x25=1837.5KN,力臂=27/2-25/3X0.6=8.5m

2、静水压力：6=0.5田：

=0.5X9.8X452

=9922.5KN,力臂=15m。

2

P2=0.5rH2

=0.5X9.8X252=3062.5KN,力臂=8.3m。

3.浪压力：由确定坝顶高程可知，在正常蓄水位时波长/=4.59加，坝前水深为

H=33.0ZZ/O则H>L/2,波浪运动不受库底约束，属于深水波，深水波的浪压力计算公式

为：

教材《水工建筑物》

Pn=?(〃+h:)[2—8]

9.8x4.59

x(0.45+0.09),

4

=6.20KN

Pl2=下游水较浅忽略不计

弯矩：M=597.15KN.M

式中：

hi-----波高,m；

hz——波浪中心线高于静水面的高度，m。

4、泥沙压力：

114°

-x8x17.I2xd(45°---------)

22

=2067.6KN,力臂=29.1/3=9.7m

13

式中:

Ps——坝面每米宽度上的水平泥沙压力，KN/m；

Vsb一一淤沙的浮容重，KN/m3,泥沙饱和容重为18KN/n?,浮容重力=18-9.8=8.2KN/加*

取8KN//W3。

hs——坝段前泥沙淤积厚度，mo泥沙淤积高程已知为464.0m,泥沙厚度为

464.1-447=17.1m；

(ps一一淤沙的内摩擦角，已知心=14。。

5^扬压力：

U^y0H2B=9.8*27*25=6615KN,力臂=0m

U2=2*cqyo(H/-H广)=2*03*9.8*(45-25)=117.6KN,力臂

=25/2-2/2=12.5m

g=2*卜0〃/-九”下一3「H?.-)]*4=137.2KN,力臂=27/2-2/3=13.3m

禽=3*ay()(H八-H，=3*0.2*10*633-13;=120KN,力臂=25/2-4-3/2=10m

U5=l/2*ay0f.-Hx)*(B-7)=l/2*0.3*9.8*(45-25)*(27-5)=646.8KN,力臂=1/3*

(27-6)+3+2-27/2=5.5m

塞良力ODO水平力(KN)力矩

苞数对裁温形g的力哥(a)

IT--£ft

114200.0010.00«2000.00

BI

127392.000.836135.36

■宜木压力»3549.259.68S316.74

水平太压力P1S44i.0011.005989500

n845.004.33M5a.88

民“医力Ps7119040M23

微氏力PvazoJt.47IM.11

12141.255320.1017M1.S7

Ul3250.000.00

U2160.0010.501680.00

U3320.0011.17357C40

场笈力

V4120.007.00840.00

U5360.000L50180.00

zu4210.00

总计7931.255320.123596.27

-：设计洪水位

设计洪水位高475.50m,下游水位465m,泥沙高程464.1m。

14

1、自重：刈=r,/1=24x10x47=11280KN，力臂

=27/2-10/2=18.5m

/=/»=24x1/2x30x17=6120KN，力臂

=27/2-5-17/3=1.83m

W=+W2=17400KN

2、静水压力：o

W3=y0V3=9.8x|x30x0.6x30=2646KN,力臂=27/2-10/3X0.6=87.5m

上游水位差〃।=475.50-435=40.50m,下游水位差为=465-435=30m。

则P,=0.5/H-

=0.5X9.8X40.52

=8037.23KN,力臂=40.5/3=13.5m。

2

P2=0.5rH2

=0.5X9.8X302=4410KN,力臂=30/3=10m。

15

3、浪压力：在正常蓄水位时波长£=6.9访…属于深水波，深水波的浪压力计算公式

为:

rI

P"=丁（怎+也）教材《水工建筑物》[2-8]

9.8x6.91

x(0.74+0.16),

4

=15.55KN,

匕2=下游水较浅忽略不计

弯矩：M=1074.06

式中：

h|---波高，m；

h2一一波浪中心线高于静水面的高度，mo

4、泥沙压力：

p_Lr,2/45_—）教材《水工建筑物》[2—11]

32sbsoII

=2067.6KN,力臂=29.1/3=9.7m

式中：

Ps——坝面每米宽度上的水平泥沙压力，KN/m；

Ysb——淤沙的浮容重，KN/m3,泥沙饱和容重为18KN/n?,浮容重％=18-9.8=&2KN/,"3

取8KN//W3o

hs一一坝段前泥沙淤积厚度，m。泥沙淤积高程已知为464.0m,泥沙厚度为

464.1-447=17.1m,

(ps一一淤沙的内摩擦角，已知4=14。。

5、扬压力：

U1=Y0H2B=9.8*30*27=7938KN,力臂=0m

U2=2*oq%(H-Hk)=2*0.2*9.8*(40.5-30)=41.16KN,力臂

=27/2-4/2=12.5m

y3=1*[yowf-y0H下一ay(H/-H/]*4=117.6KN,力臂=13.3m

U4=3*ay0(H卜-Hj=3*0.2*10*(28.5-18；=176.4KN,力臂=10m

16

力臂

U5=l/2*ay0(Hj-/77-)*(B-8.5)=l/2*0.3*9.8*(45-25)*(27-5)=646.8KN,=1/3*

(27-6)+4+3-25/2=5.5m

垂直力ODO水平力（DO力矩（EC/«）

荷载对餐暨花，&的力臂⑹

T--正ft

1142(X10010.0042000.00

at

T27392000.836135.36

■■水压力131051008.609055.SO

水平水压力P14061.259.503858188

P21620.006.009720.00

雅沙氏力Ps71X90S.70406923

浪后力Pv1&,S920.20407.41

1264S.003170.705741.04

VI4500.000.00

U284.0010.50882.00

U3168.0011.171S76.56

场反力

U43.007.00441.00

U5173.250.5086.63

XU4988.25

总计76M.753170.72628.11

三：校核洪水位

校核洪水位高481.00m,下游水位464.0m,泥沙高程464.1m。

=27/2-10/2=18.5m

17

w2=r(JZ=24x1/2x30X17=6120KN，力臂

=25/2-5-17/3=1.83m

W=%+W2=17400KN

2、静水压力：

吟%匕=9.8X|x29x0.6X29=2472.54KN,力臂=27/2-29/3X0.6=7.7m

上游水位差〃I=481.0-435.0=46股，下游水位差儿=4640-435=29卬。

则々=0.5田；

=0.5X9.8X462

=2472.54KN,力臂=46/3=15.3m。

2

P2=0.5田,

=0.5X9.8X292=4120.9KN,力臂=29/3=9.6m。

3、浪压力：由确定坝顶高程可知，在正常蓄水位时波长£=4.59加，坝前水深为

H=34.00/zzo则H>L/2,波浪运动不受库底约束，属于深水波，深水波的浪压力计算公式

为：

I

=拳r（阳+机）教材《水工建筑物》[2—8]

9.8x4.59

x(0.36+0.09),

4

=6.20KN,

Pl2=下游水较浅忽略不计

弯矩：M=617.92

式中：

h|-----波高，m；

h2——波浪中心线高于静水面的高度，m。

4、泥沙压力：

18

=2067.6

式中：

Ps——坝面每米宽度上的水平泥沙压力，KN/m：

Vsb-淤沙的浮容重，KN/n?,泥沙饱和容重为18KN/m-浮容重力=18_9.8=8.2KN/,/

取8KN/m3o

1%——坝段前泥沙淤积厚度，m,,泥沙淤积高程已知为464.0m,泥沙厚度为

464.1-447=17.；

9,一一淤沙的内摩擦角，已知痣=14°。

5、扬压力：

力臂

U1=YQH2B=9.8*29*27=7673.4KN,=0m

卜

U2=2*oqY0(H-Hj=2*0.2*9.8*(46-29)=66.64KN,力臂

=25/2-4/2=12.5m

下一

y3=1*\Y0H,-YOHay(H/：-HF)]*4=133.28KM力臂=13.3m

t/4=3*ay0A-HJ=3*0.2*10*<34-17)=99.96KN,力臂=10m

U5=l/2*ay0(Hy-WJ*(B-8.5)=l/2*0.2*10*(34-17)*(25-7)=1666KN,力臂=5.5m

垂直力(KN)水中力(KN)力矩《3・〉

荷收对旅工子6的力臂就

0f--正负

1142C0.0010.0042000.0(

SB

127392.000L836135.36

・・水压力13939.258.8282S4.19

水平大笈力PI5780.00