蓄水工程重力坝挡水建筑物设计

蓄水工程重力坝挡水建筑物设计导读：就爱阅读网友为您分享以下“蓄水工程重力坝挡水建筑物设计”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对92to.com的支持!蓄水工程重力坝挡水建筑物设计1水利枢纽基本资料1.1流域概况及枢纽任务某水库工程是河北省和水利部“八·五”重点工程建设项目之一。该工程是以供水、灌溉等综合利用为主的大型控制枢纽工程。青龙河流域水量充沛，控制流域面积6340km2，，多年平均径流量9.6亿m42 3，是滦河流域较大的一条支流。但由于降雨、径流的年际年内分配极不均匀，必须修建大型控制工程调节水量，丰富的水资源才能得以充分开发利用。水库按满足秦皇岛市生活、工业用水和滦河中下游农业用水的需要设计，工程规模是：正常蓄水位141m，调节库容7.09亿m3，水库库容系数0.77，水量利用系数为70%。坝后式电站装机容量20Mw。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SDJ12-78的规定，一期工程为二等工程，大坝为2级建筑物，正常应用洪水为100年一遇，非常运用洪水为1000年一遇。在青龙河上游新建水利枢纽，本设计主要完成该枢纽工程的挡水建筑物设计（混凝土实体重力坝设计）。根据现有的设计资料和水文、地质资料等基本资料和设计要求，选择修建土实体重力坝。包括坝址、坝型选择、枢纽布置及设计分工、混凝土实体重力坝非溢流坝段设计、大坝的稳定分析和应力分析、细部构造、地基处理等。本设计通过对工程概况的介绍及设计方案的选择，对混凝土实体重力坝设计制定详细的规划步骤，并编制详细的设计计算书，完成对重力坝挡水建筑物的设计。1.2坝址地形地质(1)地形：见1:2000坝址地形图。(2)库区工程地质条件。水库位于高山区，构造剥蚀地形。青龙河侵蚀能力较强，沿河形成不对称河谷，由于构造运动影响，河流不断下切，形成岸边阶地、陡岸。流域内地形北高南低，平均高程与500m42 ，最高峰海拔1680m。河道蜿蜒曲折，1河谷宽度400—100m不等，河道比降1/400—1/600。库区两岸基岩出露高程大部分在200米左右，库区左岸非可溶性岩层分布广泛，其中主要由绢云母、千枚岩、石英、砂质页岩组成。透水性较小，也没有发现沟通库内外的大断层。库区可溶性岩层分布于青龙河右岸，从隔水层分布、熔岩发育情况分析，水库蓄水后向邻近河流渗透的可能性很小。经过对库区断层的分析，水库向外流域及下游渗漏的可能性很小。库区外岩层抗风化作用较强，库岸基本上是稳定的。青龙河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区亦未发现重要矿产。(3)坝址区工程地质条件坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向青龙河上游，两岸山体较厚。河床宽约300米，河床地面高程85m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5—7米，渗透系数K=1×10-2cm/s。水库坝址选在青龙河下游的山谷河段上，共选出2条坝线，经过比较，确定第一坝线，出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬、构造简单、渗透性小。坝址区为剥蚀——中低山地形，河流经坝址处急转弯向北流向下游，由于受乔麦岭背斜控制，岩层倾向上游，呈单斜构造状。坝线区河谷呈不对称“U42 ”字形，较开阔。右岸下游形成半岛状，因河流侧向侵蚀，使右岸形成陡壁，近于直立，已查明的小段层有6-7条，软弱夹层有13条；左岸山坡平缓，覆盖着31m厚的山麓堆积物，有断层一条。河床坝基岩石构造较为发育，开挖揭露出断层40余条，其中相对较大的有10多条。1.3水文气象（1）气象资料根据资料统计，青龙河流域属季风型大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。多年平均气温约10℃，年绝对最低气温为-29.2℃，最高气温为38.7℃，月平均温度变化较大，离坝址较远的迁安站实测最高气温39℃。多年平均降雨量为700mm，且多集中在夏季七、八月份。全年无霜期约180天，结冰期约120天，河道一般在12月封冻，次年三月上旬解冻，冻层厚0.4—0.6m，岸边可达1.0m。多年平均最大风速23.7m/s，水库吹程为3km。2（2）水文分析(Ⅰ)洪水青龙河洪水由暴雨形成，据统计七～八月发生最大洪峰流量的机会占88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量为2200秒立米(1962年)，最小洪峰流量184秒立米(1965年)42 ，相差12倍，流域洪水峰高、历时短，陡涨陡落。一次洪水持续时间一般3—5天。(Ⅱ)年来水量青龙河流域年径流由年降雨产生，年径流在地区与时间上分布与年降雨量基本一致，但年际间变化悬殊，实测径流资料1929—1983年共35年资料中丰水年1961年达21.34×104m3，枯水年1965年仅16.77×104m3，相似枯水年连续发生，多年平均径流量9.6×108m3。实测径流资料如表1所示。考虑到流域内人类活动对产流的影响，分别对未来规划年2000年和2020年流域内耗水量进行了预测，得到个规划年的径流系列，如表1所示。根据径流年内和年际变化特征，分别选择1986年，2000年和2020年为设计水平年，(Ⅲ)年输沙量青龙河流域植被较好，泥沙来源在地区分布和洪水分布上一致。主要是土门子与某之间，其间来沙量约占某以上总输沙量的95%以上，而汛期输沙量又集中在几次特大洪水上。年际间泥沙量的变化悬殊。由统计分析得知，某站多年平均淤沙量为389t,多年平均含沙量为4.0kg/m3，多年平均侵蚀模数为762.8t/km2。从泥沙的组成情况来看，泥沙颗粒较粗，中值粒径为0.075mm42 ，淤沙浮容重0.9t/m3，内摩擦角为12度。根据以上水文气象资料，结合气象、洪水最大、最小洪峰流量以及年来水量等得出水文分析成果表.包括多年平均径流量、代表性流量、多年平均流量、历史调查最大流量、以及设计洪水洪峰流量、校核洪水洪峰流量、设计洪水量、校核洪水洪量等，详细见下表1—13表1—1水文分析成果表12名称利用水文系列年限代表性流量多年平均流量调查历史最大流量设计洪水洪峰流量(P=1%)校核洪水洪峰流量(P=0.1%)单位立米/秒立米/秒立米/秒立米/秒数量3530.5340036005200备注345保坝洪水洪峰流量(P=0.01%)洪量设计洪水洪量(P=1%)校核洪水洪量(P=0.1%)多年平均年径流量多年平均输沙量立米/秒亿立米亿立米亿立米吨76006.58.29.642 431五天五天2枢纽布置及设计分工2.1坝轴线的确定及坝型的选择2.1.1坝址的地质、地形条件，定性分析确定坝轴线位置坝址区河谷呈不对称“U”字形，较开阔；右岸下游形成半岛状，因河流侧向侵蚀，使右岸形成陡壁，近于直立，已查明的小断层有6-7条，软弱夹层有13条；左岸山坡平缓，覆盖着31m厚的山麓堆积物，有断层一条。河床坝基岩石构造较为发育，开挖揭露出断层40余条，其中相对较大的有10多条。根据地形和地质剖面图，坝址位于坝区中部背斜的西北，岩层倾向青龙河上游，两岸山体较厚；坝址区为剥蚀中低山地形，河流经坝址处急转弯向北流向下游，由于受乔麦岭背斜控制，岩层倾向上游，呈单斜构造状。河床宽约300米，河床地面高程85m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5—7米，渗透系数K=1×10-2厘米/秒。水库坝址选在青龙河下游的山谷河段上，出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬、构造简单、渗透性小；由此可选出条坝轴线；4再结合地形、地质条件，确定出I—I坝轴线；见附图Ⅰ42 所示。2.1.2坝型的选择结合设计基本资料，从地形地质条件看，本坝址适合修建混凝土重力坝、大头坝和堆石坝。通过对各种坝型的定性比较，综合考虑地形地质条件、建筑材料、施工条件后发现：堆石坝方案需另行考虑泄水建筑物和水电站建筑物的型式选择及其布置问题，工程量大；大头坝抗震和侧向稳定性差；从理论上说，任何形状的河谷都适合修建重力坝，因为坝体作用与地基面上的压应力不高，实体重力坝的坝体断面大，材料的强度得不到充分的利用，但是实体重力坝构造简单，对地形、地质条件适应性强；而且大体积混凝土可采用机械化施工，整体施工方便。故最终选择的坝型是混凝土实体重力坝。2.2枢纽总体布置和枢纽建筑物组成在进行水力枢纽总体布置时应全面考虑运用、施工、管理、经济等问题。在保证方便和安全可靠的前提下，力求做到节省工程量、优选技术经济效益最佳方案。枢纽建筑物组成：左岸非溢流坝段、溢流坝段、右岸非溢流坝段溢流坝段非本设计内容所要完成的，直接采用结果；根据基本资料所给的地形图知坝址区河谷呈不对称“U42 ”字形，溢流坝段选在河谷处，左右两岸依次再布置非溢流坝段；根据基本资料河宽300m左右,我们枢纽布置的如附图Ⅰ所示这样的布置使整体枢纽完成了其挡水的基本任务；由于本设计主要完成供水、灌溉等任务，未设置其他建筑物。2.2.1本设计主要完成非溢流坝段的设计在枢纽整体布置后、设计分两部分经行，本设计只需完成非溢流坝段的设计。2.2.2工程等别及建筑物级别水利部、原能源部的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程枢纽按照其规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。水利水电枢纽工程中的水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中得作用和重要性划分为五级。由基本资料得库容为7.09亿m，根据DL5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》规定，工程等别属于Ⅱ等大（2）型工程；对应的建筑物中53的混凝土挡水建筑物则属2级建筑物；结构安全级别为Ⅱ级。细部构造所包括的次级建筑物则属3级建筑物；结构安全级别为Ⅱ级。（参考资料：水工建筑物教材第五版，中国水利水电出版社，第2章第17页，表2—1、表2—2、表2—3、和表2—4）3洪水调节分析3.142 水库的调节作用与任务当水库下游有防洪任务时，它的作用主要是削减下泄洪水流量，使其不超过下游的河床的安全泄量。水库的任务主要是滞洪，即在一次洪峰到来时，将超过安全泄量的那部分洪水暂时拦蓄在水库中，待洪峰过后，再将拦蓄的洪水泄掉，腾出库容来迎接下一次洪水。若水库不需要承担下游防洪任务，则洪水期下泄流量可不受限制。在水库调蓄洪水的过程中，入库洪水、下泄洪水、拦蓄洪水的库容、水库水位的变化及泄洪建筑物型式和尺寸等之间的关系，以便为解决水库的有关参数和泄洪建筑物型式、尺寸提供依据。3.2水力计算由于时间关系，调洪演算的具体步骤不在详细列出。包括死水位选择、水库调洪性能选定、兴利水位的确定原则和指标、防洪运用原则及设计洪水的确定、水库特征值等。所给出的径流系列表见下表3—1所示6表3—1桃林口站径流系列表年份19291930193119321933193419351936193719381939194019411942194319441945194619481949195042 195119521953195419551956天然11.09921.2994.7296.1817.57216.7749.0272.11412.98615.43110.8964.2092.3409.82412.4874.7257.2228.3728.23537.0027.5115.5656.36217.91714.97613.6907.996198610.90021.0304.5305.9827.37316.5758.8281.19512.78715.23210.6974.0102.1419.62512.2884.5267.0238.1738.03636.8037.3125.3866.16317.71814.77713.4917.797200010.49520.6254.1255.5937.01516.1708.4291.15012.38214.82710.2923.6061.7369.22011.8824.1216.6187.7687.5077.37036.1376.6464.7385.55917.31313.0867.392202010.23420.3833.8645.3966.81815.9448.2391.30312.12114.56610.0713.3531.5288.95911.6223.8606.3757.5077.37036.1376.6464.7385.55917.05214.11112.8257.131年份19571958195919601961196219631964196519661967196819691970197119721973197419761977197819791980198119821983天然2.9324.39819.854.6643.42518.193.62813.414.32810.486.1682.62418.554.9743.1083.4289.3159.10511.3242 21.3413.0610.122.2331.7361.8912.09119862.7334.19919.654.4653.22617.993.43313.204.12910.285.9692.42618.344.7752.9093.2299.1168.90611.1321.1412.869.922.0341.5371.6921.89220002.3573.80519.244.0662.82117.593.07812.803.7349.8765.5642.02317.944.3702.5192.8248.7118.50110.7220.749.5151.6451.1481.29812.451.51720202.1603.60318.9953.8692.58317.3502.81712.5563.5379.6155.3461.82617.684.1452.3222.6278.4508.26110.4620.4712.1929.2541.4480.9513.3水文水利规划成果(Ⅰ)调节性能的选定灌溉保证率选取P=75%，水库上游来水，首先满足灌区工农业用水，电站则利用余水发电，从年调节和多年调节两方案的水电量利用系数和坝高都相差不大，但是多年调节性能的水库能提供的电量和装机利用小时都较年调节性能水库提高720%。故确定该水库为多年调节性能水库。(Ⅱ)兴利水位的确定原则和指标42 根据青龙河洪水特性，汛期限制水位在七、八月定为140.5米。七、八月以后可重复利用一部分防洪库容蓄水兴利以不降工程防洪标准，以防洪兴利兼顾为原则，确定九、十月限制水位，提高为136.2米汛期末可以多蓄水。但蓄水位按不超超过百年设计洪水位考虑，确定汛末兴利水位为141.0米。电站的主要任务是满足本灌区提灌用电的要求，因此在保证灌区工农业用水的基础上，确定电站的运用原则是灌溉季节多引水发电，非灌溉季节少引水发电，遇丰水年则充分利用弃水多发电，提高年水量的利用系数。(Ⅲ)防洪运用原则及设计洪水的确定某水库属一级工程。水库大坝建筑物按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。由于采用的洪水计算数值中未考虑历史特大洪水的影响，故用万年一遇洪水作非常保坝标准对水工建筑物进行复核。调洪运用原则：入库洪水为百年一遇时，为提高下游河道的电站、桥梁等建筑物的防洪标准，水库控制下流量为2000秒立米。当入库洪水为千年一遇时，溢洪道单宽流量以70每秒立米控制泄流。当入库洪水为万年一遇时，按上述原则操作，即库水位接近校核水位时，水库水位仍继续上涨，为确保大坝安全，溢洪道敞开洪，允许溢洪道局部破坏。(Ⅳ42 )水库排沙和淤沙计算某水库回水长25公里，河道弯曲，河床比降为2.2%，河床宽300米左右，是个典型的河道型水库。水库利用异重流排沙。在蓄水过程中，只能用灌溉、发电有盈余水进行排沙，经计算，多年平均排沙量只占5.2%，94.8%的泥沙都要淤积在库区内侵占兴利库容。淤沙高程为97.6m，堆沙库容为1.66×108m3。3.4水库工程特征值枢纽下泄流量及相应下游水位水库上游设计洪水位为142.0m，相应下游水位为92.0m，库容为8.32×108m3，溢流坝相应的泄量为15243m3/s；上游校核洪水位为143.3m，相应下游水位为892.4m，库容为8.70×108m3，溢流坝相应的泄量为19857m3/s；上游正常蓄水位为141m（与汛限水位同高），相应下游水位为86.1m；死水位为90.0m，相应的库容为0.78×108m3。见水库技术经济指标表3—2表3—2水库技术经济指标表序号12序号34防洪库容兴利库容其中共用库容死库容库容系数调节特性水库水位校核洪水位(P=0.01%)设计洪水位(P=1%)兴利水位汛限制水位死水位水库容积总库容42 设计洪水位库容名称名称单位米米米米米亿立米亿立米单位亿立米亿立米亿立米亿立米%数量143.3142.037.0140.5104.05.054.63数量14.930.0780.77多年备注考虑淤积20年考虑淤积20年考虑淤积20年考虑淤积20年考虑淤积20年校核洪水位备注4混凝土实体重力坝非溢流坝段设计4.1非溢流坝段剖面设计主要包括剖面设计原则、基本剖面分析和坝体断面设计。4.1.1剖面设计原则1、本设计主要考虑满足稳定和强度要求，保证大坝安全。2、外形轮廓简单，便于施工。3、满足运行要求。4.1.2实用剖面的选择9根据工程经验，一般情况下，上游坡率n=42 0～0.2，常作成铅直或上部铅直下部向上游倾斜；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；非溢流坝段坝底宽约为非溢流坝段坝高的0.7～0.9倍。此设计中上游取铅直（ψ＝0°），下游坝坡坡率取m=0.7。本设计及中采用上游坝面铅直，依据剖面设计原则，简单、便于施工等；剖面形态图如图4—1所示图4—1非溢流坝剖面形态4.1.3坝体断面设计1、基本资料水库上游设计洪水位为142.0m，相应下游水位为92.0m，库容为8.32×108m3，溢流坝相应的泄量为15243m3/s；上游校核洪水位为143.3m，相应下游水位为92.4m，库容为8.70×108m3，溢流坝相应的泄量为19857m3/s；上游正常蓄水位为141m（与汛期限水位同高），相应下游水位为86.1m；死水位为90.0m，相应的库容为0.78×108m；河床高程为85.0m；混凝土容重：24KN/m。332、坝基面高程的确定由于河床高程为85.0m，河床砂卵石覆盖层平均厚度5-7m，故取坝基面高程为80m。3、坝顶高程的确定水库静水位的超高按公式∆h=hl+hc+hz42 （3—1）10计算，计算分设计和校核两种情况分别计算。1计算波浪爬高。已知D=3km,多年平均最大风速v=23.7m/s。设计洪水时采用1.8倍的多年平均最大风速v0=23.7⨯1.8=42.66m/s,校核情况采用多∏hl2∏Hcthhcv0（3—2）年平均最大风速v0=23.7m/s，将D、v0值代入式hz=LL5/41/30.8h=0.0166vDL=10.4hl0l计算，其中，。2式中hl-波浪高度，mhc-安全加高，mhz-波浪中心线高于静水位的高度，mv0-计算风速。水库为设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5-2.0倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/sD-风区长度，mL-波长，mH-坝前水深，m（1）设计洪水位状况H=142-80=62mhl=0.0166v05/4D1/3=0.0166⨯42.665/4⨯31/3=2.61m0.80.8L=10.4h=10.4⨯2.61=22.41m42 l带入式（3—2）得∏hl22∏H3.14⨯2.6122⨯3.14⨯62hz=cthhcv0=cth=0.95LL22.4122.41（2）校核洪水状况H=143.3-80=63.3mmhl=0.0166v05/4D1/3=0.0166⨯23.75/4⨯31/3=1.25mL=10.4hl0.8=10.4⨯1.250.8=12.45m11∏hl22∏H3.14⨯1.2522⨯3.14⨯63.3hz=cthhcv0=cth=0.39LL12.4512.452安全加高hc（参考参考资料：水工建筑物教材第五版，中国水利水电出版社，第3章，第76页，表3—10），见表4—1表4—1安全加高hc运用情况1.设计情况校核情况0.70.5坝的级别2.0.50.43.0.40.342 根据已知资料知大坝为2级建筑物，故设计洪水状况：安全超高hc=0.5m，校核洪水状况：安全加高hc=0.4m。3坝顶超高∆h(1)设计洪水状况∆h=hl+hc+hz=2.61+0.5+0.95=3.86m相应坝顶高程为142+3.86=145.86m(2)校核洪水状况∆h=hl+hc+hz=1.25+0.4+0.39=2.04m相应坝顶高程为143.3+2.04=145.34m可见设计洪水状况为控制高程，选择坝顶高程为145.86m。由于河床高程为85m，坝基高程为80m；故坝高为145.86-80=65.86m，取坝高为65.86。4坝顶宽度b一般取坝高的8﹪~10﹪，且不小于2m，则坝顶宽度的取值范围为5.28m~6.61m，考虑交通要求初步取坝顶宽度为6m。4、坝体断面设计12根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0-0.2，常做成上部铅直下部倾向上游，此处取n=42 0，即上游坝坡为铅直面；下游坝坡坡率m=0.6-0.8,取下游坝坡坡率m=0.7；底宽约为坝高的0.7-0.9倍，则底宽的取值范围为46.2m-59.4m，初步取底宽为50m。图3—1为重力坝非溢流坝段剖面图（草图），在坝体的断面设计过程中根据图3—1中的正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位、坝顶高程及下游各水位的高程去确定设计尺寸等。图4—1左岸非溢流坝段剖面图单位(m)5大坝的稳定分析和应力分析5.1大坝的抗滑稳定分析抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。因为重力坝沿坝轴线方向用横缝分隔成若干个独立的坝段，所以稳定分析可以按平面问题进行。5.1.1计算条件①建筑物等级：2级建筑②地震烈度：6°，不考虑地震荷载③上下游水位13取坝基面高程80.0m，为零参考面，便于计算。正常蓄水位：141.0m，下游尾水位86.142 m。设计洪水位：142.0m，下游尾水位92.0m。校核洪水位：143.3m，下游尾水位92.4m。④抗剪断摩擦系数f´和抗剪断粘聚力c´坝基河床段岩性大红峪组石砂岩与板状粉细砂岩互层，坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数f´取0.95，抗剪断粘聚力c´取1.0MPa；混凝土抗压强度材料性能分项系数为1.4,选C10混凝土，则设计值：Ra=10/1.4=7.14MPa；扬压力分项系数ad为1.4，则设计值：ad=1.4×0.25=0.35；水压力、浪压力、混凝土容重的分项系数均取1.0。⑤材料容重及泥沙内摩擦角混凝土：24kN/m3；岩石：2kN/m3；水：9.81kN/m3。5.1.2荷载组合作用在坝上的荷载，按其性质分为基本荷载和特殊荷载两种。参照SL—319—2005《混凝土重力坝设计规范》中所规定的集中情况。（参考水工建筑物教材，第五版，第三章，第43页，表3—3荷载组合）1基本荷载：○坝体及其上永久设备的自重；正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；相应正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力42 。2特殊荷载：○校核洪水位时的静水压力；相应校核洪水位时的扬压力；相应校核洪水位时的浪压力；5.1.3坝基面荷载作用的标准值计算(以单宽计算)本工程中，基本组合即正常蓄水位时作用于重力坝上的荷载主要有：①自重14坝体自重由坝体体积和材料的容重算出：G=γV（5—1）式中：γ——混凝土容重，t/m3；V——坝段体积，m3。G1=rν1=65.86⨯6⨯1⨯24=9512.64kNG2=γυ2=44.6⨯55.8⨯1⨯24=29890.94kN则总自重荷载G=G1+G2=9152.64+29890.94=39043.98kN②42 静水压力作用在坝面上的静水压力可按静水力学原理计算。受力面铅直时，直接用下公式计算，受力面有倾角时，分解为水平向及竖向分力分别进行计算：p=1γH22（5—2）式中：H—上游水深或下游水深，m；γ—水容重，9.81kN/m。上游水平水压力112P=γH=⨯9.81⨯(141-80)2=18251.51kN11223下游水平水压力112=⨯9.81⨯(86.1-80)2=182.52kNP2=γH222下游垂直水压力1W1=γA1=9.81⨯⨯6.1⨯4.88=146.01kN2③扬压力由于基岩节理裂隙很不规则，难以求出坝底扬压力的准确分布，故通常假定扬压力从坝踵到坝趾成直线变化。扬压力包括上浮力及渗流压力。上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力；渗流压力是上、下游水位差作用下，水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水压力。1542 目前在重力坝设计中采用的坝底扬压力分布图如图5—1所示，图中abcd是下游水深产生的浮托力；defc是上、下游水位差产生的渗流压力。在排水孔幕处得渗流压力为αγH，其中α为扬压力折减系数，与岩体的性质和构造、帷幕的深度和厚度、灌浆质量、排水孔的直径、间距和深度等因素有关。我国SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定：河床坝段α=0.2～0.25；岸坡坝段α=0.3～0.35，初步假设α=0.25。图5—1扬压力分布图U1=γH2B=9.81⨯6.1⨯50=3293.65kN11U2=αγHb2=⨯0.25⨯9.81⨯(61-6.1)⨯40=3025.41kN2211U3=(αγH+γH)b1=⨯(0.25⨯9.81⨯54.9+9.81⨯54.9)⨯10=3399.72kN22则U=U1+U2+U3=33293.65+3025.41+3399.72=9718.78kN④浪压力浪压力与风速和水库吹程有关。当坝前水深大于Ll时，可按下式计算：P浪=γL4(hl+hz)（5—3）式中：h1—波浪高度，m；hZ—波浪中心线至水库静水位的高度，m；L—波长，m42 。其中：16hl=0.0166v05/4D1/3=0.0166⨯42.665/4⨯31/3=2.61mL=10.4hl0.8=10.4⨯2.610.8=22.41m∏hl22∏H3.14⨯2.6122⨯3.14⨯61代入hz=cth=cth=0.95LL22.4122.41由于正常蓄水位坝前水深H1=61m，故H1＞L/2。当坝前水深大于半平均波长，波浪运动不受库底的约束，这样条件约束下的波浪为深水波。单位长度波压力标准值：11p浪=γL(hl+hz)=⨯9.81⨯22.41⨯(2.61+0.95)=195.66kN44⑤淤沙压力淤沙的容重及内摩擦角与淤积物的颗粒组成及沉积过程有关。淤沙逐渐固结，容重与内摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确计算，一般按如下公式计算：ϕ12tan2(450-s)（5—4）Ps=γsbhs22式中：Ps为坝面单位宽度上的水平泥沙压力，kN/m；γsb42 为泥沙的浮容重，kN/m3；hs为坝前泥沙淤积厚度，m，；ϕs为泥沙的内摩擦角，(°)。黄河流域几座水库泥沙取样试验结果，浮容重为7.8～10.8kN/m3，初步假设γsb=9.0kN/m3，初步选用泥沙的内摩擦角ϕs=12°，已知淤沙高程为97.6m，坝基面高程为80.0m，则坝前泥沙淤积厚度hs=97.6-80=17.6m。水平淤沙压力：ϕs11120220220)=914.06kNPs=γsbhstan(45-)=⨯9⨯17.6⨯tan(45-2222垂直淤沙压力：112=⨯0.2⨯9⨯17.62=278.78kNpv=⨯0.2γsbhs2217本工程中，特殊组合即校核洪水位时作用于重力坝上的荷载主要有：①自重荷载G1=rν1=65.86⨯6⨯1⨯24=9512.64kNG2=γυ2=44.6⨯55.8⨯1⨯24=29890.94kN则总自重荷载G=G1+G2=9152.64+29890.94=39043.42 98kN②静水压力上游水平水压力P1=11γH12=⨯9.81⨯(143.3-80)2=19653.80kN22下游水平水压力112=⨯9.81⨯(92.4-80)2=754.19kNP2=γH222下游垂直水压力1W1=γA1=9.81⨯⨯12.4⨯9.92=603.35kN2③扬压力U1=γH2B=9.81⨯12.4⨯50=6695.29kN11U2=αγHb2=⨯0.25⨯9.81⨯(63.3-12.4)⨯40=2804.98kN2211U3=(αγH+γH)b1=⨯(0.25⨯9.81⨯50.9+9.81⨯50.9)⨯10=3152.01kN22则U=6695.29+2804.98+3152.01=12652.28kN④波浪压力hl=0.0166v05/4D1/3=0.0166⨯23.75/4⨯31/3=1.25mL=10.4hl0.8=10.4⨯1.250.8=12.45m∏hl22∏H3.14⨯1.2522⨯3.14⨯63.3hz=cthhcv0=cth=0.39LL12.4512.45由于校核洪水位时的坝前水深H1=63.3m，故H1＞L/2。当坝前水深大于半42 18平均波长，波浪运动不受库底的约束，这样条件约束下的波浪为深水波。单位长度波压力标准值：11p浪=γL(hl+hz)=⨯9.81⨯12.45⨯(1.25+0.39)=100.15kN44⑤淤沙压力水平淤沙压力：ϕs11120220220Ps=γsbhstan(45-)=⨯9⨯17.6⨯tan(45-)=914.06kN2222垂直淤沙压力：112=⨯0.2⨯9⨯17.62=278.78kNpv=⨯0.2γsbhs225.1.4沿坝基面的抗滑稳定分析本设计中根据设计基本资料关于坝基地质情况的描述，认为坝体混凝土与基岩接触良好故采用抗剪断公式；以单宽作为计算单元，接触面面积为A,直接采用接触面上的抗剪断摩擦系数f‘和抗剪断凝聚力c‘计算抗滑稳定参数。抗剪断公式：Ks=式中：‘f‘(W-U)+c‘AP（5—5）∑W--接触面以上的总铅直力；∑P42 --接触面以上的总水平力；U--作用在接触面上的扬压力；f‘--接触面间的摩擦系数；c‘-凝聚力，MPa；A-坝基接触面面积；注：公式（4—5）中关于安全系数Ks’SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定，不分工程等级，基本荷载组合时，采用3.0；特殊荷载组合（1）采用2.5；特殊荷载组合（2）采用2.3；同时抗剪断公式（式4—5）直接采用接触面上的抗剪断强度参数，比较符合坝的实际工作情况，已日益为各国采用。故本设计采用了抗剪断公式来进行大坝的抗滑稳定分析。19安全系数Ks’规范表见表5—1；表5—1坝基面抗滑稳定安全系数Ks特殊组合⑴⑵2.52.3荷载组合‘Ks‘3.0基本组合①42 正常蓄水情况∑W=42856.78kNU=9718.78kN∑P=19178.71kNKs=‘f‘(∑W-U)+c‘AP=0.95⨯（42856.78-9718.78）+1000⨯55.04=4.5＞3.019178.71②校核洪水情况∑W=42498.72kNU=12652.68kN∑P=19913.82kNKs‘=f‘(∑W-U)+c‘AP=0.95⨯（42498.72-12652.68）+1000⨯55.04=4.219913.82＞2.5故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。205.2重力坝的应力分析重力坝应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据42 。重力坝的应力状态与许多因素有关，如坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、施工过程、温度变化以及地震特性等。由于在应力分析中，还不能确切考虑各种因素，所以，无论采用哪种方法得出的结果都不同程度地带有一定的近似性。应力分析的过程：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后验证坝体各部分的应力是否满足强度要求。重力坝的应力分析方法可以归结为理论计算和模型试验两大类，这两类方法是彼此补充、互相验证的，其结果都要受到原型观测的检验。坝体应力计算，对中等高度的重力坝可采用材料力学法；由于该重力坝属于中等坝，故采用材料力学法。5.2.1其基本假定：①坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。②视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。③假定坝体水平截面上的正应力影响。5.2.2边缘应力的计算在一般情况下，坝体的最大和最小应力出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。①42 大坝垂直应力分析根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》，按下列公式进行应力计算：上游面垂直正应力：σyu=σy按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的∑W+6∑M（5—6）BB2下游面垂直正应力：21σyd=∑W-6∑M（5—7）BB2式中：∑W--作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；∑M--作用于计算截面以上全部荷载对垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN⋅m；B—计算截面的长度，m；②大坝垂直应力满足要求根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》可知：重力坝坝基面：1)运用期：在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不应出现拉应力即不小于0，坝址铅直应力小于坝基容许压应力4.0MPa。2)42 施工期：坝址铅直应力允许有小于0.1MPa的拉应力。重力坝坝体截面：1)运用期：坝体上游面的铅直应力不出现拉应力(计扬压力)；坝体最大主应力，不应大于混凝土的容许压应力。2)施工期：坝体任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力；在坝体的下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力。③荷载力矩计算表5—2作用荷载力矩计算表单位：kN项目基本组合自重G特殊组合基本组合水压力特殊组合基本组合扬压力特殊组合基本组合浪压力特殊组合淤沙压力42 278.78100.15914.06-5633.447017.8212652.28195.66-77669.81-10436.501653.79718.7818899.6118822.17-83773.7140566.242011.7618063.9926939.8450507.61竖直荷载40566.24水平荷载弯距286939.8442 22④运用期(基本组合，不计扬压力情况)上游面垂直正应力：σyu=∑W6∑M42856.786⨯54396.7+=-=670.91kPa0BB250502下游面垂直正应力：σyd=∑W6∑M42856.786⨯54396.7-=+=886.39kPa22BB5050运用期(基本组合，考虑扬压力情况)上游面垂直正应力：σyu=∑W6∑M331386⨯138170.41+=-=328.41kPa0BB250502∑W6∑M331386⨯138170.41-=+=857.73kPa22BB5050下游面垂直正应力：σyd=故满足设计规范要求。5.2.3坝址抗压强度极限状态①基本组合(考虑扬压力)基本组合时，取持久状况对应的设计状况系数ψ=1.0,结构系数γd=2.0。作用效应：γ0ψS(·)=γ0ψ(∑W/B-6∑M/B2)×(1+m2)（5—8）式中：∑W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和(包括扬压力)，KN42 ；B——坝底宽度，M；∑M——抗滑力和滑动力的力矩之和，kN⋅m；m——作用效应折减系数，取0.7；Rd——结构系数。则γ0ψS(·)=γ0ψ(∑W/B-6∑M/B2)×(1+m2)=1.0⨯1.0⨯(331386⨯138170.41+)⨯(1+0.72)=1304.84KPa255.0455.0423由于Ra=9800kpaR6533.33=6533.33KPa，α==3266.67kPa＞1304.84KPa1.5γd2.0即γ0ψS(·)＜故满足规范要求。②偶然组合(考虑扬压力)Rα（5—9）γd偶然组合时，取偶然状况对应的设计状况系数ψ=0.85,结构系数γd=2.0。r0ψS(·)=γ0ψ(∑W/B-6∑M/B2)×(1+m2)=1.0⨯0.85⨯(由于Ra=29846.446⨯192828.77+)⨯(1+0.72)=1170.48KPa255.0455.049800kpaR6533.33=6533.33KPa，α==3266.67kPa＞1170.48KPa1.5γd2.0即γ0ψS(·)42 ＜故满足规范要求。Rαγd5.2.4上游坝踵不出现拉应力的极限状态上游坝踵不出现拉应力的极限状态属于正常使用极限状态，故设计状况系数、作用分项系数和材料性能系数均取1.0。γ0ψS(∙)=1.0⨯1.0⨯(W+6M)=33138-6⨯138170.41=328.41kPa＞0BB255.0455.042由此可见，上游坝踵处未出现拉应力。6大坝细部构造混凝土实体重力坝的细部构造包括坝顶构造、分缝与止水、廊道系统设置、坝体防渗与排水等内容，这些构造经合理选型与布置，可以改善大坝的工作性态，提高坝体的抗滑稳定性，改善坝体应力，满足运用和施工要求，保证大坝正常工作。6.1坝顶构造在坝体上游侧设置护栏，下游侧设置灯柱，以保护行人和行车的安全。坝顶的路面采用混凝土路面，坝顶路面应有一定的横向坡度，坡度为5%，两边设置24相应的排水设施，以便排除路面雨水。路面排水应与坝体排水相连通，通过排水管排向上游水库。坝顶公路左右两侧各设有宽0.5m的人行道，并高出坝顶路面20cm42 .坝顶总宽度设为6m.如图6-1所示。图6-1坝顶构造图（单位：m）6.2分缝与止水分缝的目的：为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉降而产生裂缝，满足混凝土的浇注能力和温度控制的需要，所以将坝体分缝。(1)横缝。垂直于坝轴线布置，将坝体分为若干个坝段。间距为15~20m，一般取15m，缝宽取2cm，内设止水。（2）纵缝。采用铅直纵缝，缝的间距为15m到30m，此处为15m为了灌浆时不时浆液从缝内流出，必须在缝的四周设置止浆片。止浆片采用塑料，厚度为1.5cm，宽24cm。（3）止水。设有一道止水片和一道防渗沥青井，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。6.3廊道系统设置坝内廊道包括基础灌浆廊道和坝体排水检查廊道，其设计参照设计规范要求确定。坝内设一层坝基础灌浆廊道，距上游铅直坝2.0m，廊道用混凝土预制件拼接而成。廊道断面为城门洞形，底宽2.5m，高3.0m，底面距坝基面为5m42 ，满足要求如图6—2所示25图6—2础灌浆廊道图（单位：m）在距坝基面25m高处布置一层排水廊道，廊道距上游面距离为2.3m，底宽1.6m，高为2.4m，断面形式为城门洞形。见图6—3图6—3排水廊道图（单位：m）6.4坝体防渗及排水上游坝面应尽可能采取抗渗性较强的混凝土层，在坝底防渗层的下游应设置垂直的或近乎垂直的排水管系。为了减少坝体的渗透压力，在靠近坝的上游防渗层后面，沿坝轴方向布置一排竖向排水管。参照《混凝土重力坝设计规范》，26坝体排水的设计图见附图Ⅱ排水管中心线距上游坝面一般为2~5m本设计中距上游面间距设为2.3m，排水管用多孔混凝土制成，其管的内径一般为15~25cm，此处管径取15cm42 ，采用预制多孔混凝土管。7大坝地基处理由于长期受地质作用，天然的地基一般都存在风化、节理、裂缝等缺陷，有时也存在断层、破碎带和软弱夹层等，尤其应注意施工或蓄水对稳定带来的变化，必要时采取相应的处理措施；再加上重力坝的地基需要有足够的承载能力、抗渗能力、抗水能力及稳定性；因此必须进行地基处理。地基处理的措施，包括开挖清理、固结灌浆、破碎带或软弱夹层带的专门处理，断层防渗帷幕灌浆、钻孔排水等。7.1地基开挖与清理坝基开挖清理的目的是将坝体坐落在稳定、坚固的地基上，坝基的开挖深度应根据坝基应力情况、岩石强度及其完整性，结合上部结构对基础的要求确定。地基开挖的形状顺水流方向宜开挖成略向上倾斜的锯齿形（坡度1：8~1:10，长4m；坡度1:0.5~1:1，长0.5m）；在上游（或下游）坝基面开挖成浅齿墙（深2.5~4m，底宽2~3m）；以增加坝体的抗滑稳定。平行于坝轴线方向应尽量开挖足够宽度（一般为坝段长的30%~42 50%）的分级平台，以利于坝的侧向稳定。基坑的清理：在浇注前必须清理碎渣、松动岩块，并用高压水枪冲洗干净，原有的钻孔、探井等也应回填。7.2地基的固结灌浆固结灌浆的目的是提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，提高基岩的抗压、抗剪强度，减少坝基的渗透性，减少渗流量。在坝踵坝址附近灌注孔相对较密，其他部位疏一些；在防渗帷幕灌浆的范围内先压力以不掀动基岩为原则而去取尽量较大值。7.3坝基的帷幕灌浆帷幕灌浆的目的：降低坝底的渗透压力，减少绕坝渗漏，防止坝基内产生渗27透破坏，使帷幕后的坝基面渗透压力降至允许值以内。灌浆材料最常用的是水泥浆，有时也采用化学浆。化学灌浆可灌性好，抗渗性强，但比较昂贵，且污染地下水质。故本设计采用水泥灌浆。防渗帷幕的布置条件应根据坝址区的工程地质条件，靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸。防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质、水文地质情况确定。当地基内的透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3~5m。本设计灌到相对隔水层以下4m。帷幕深度为（0.3~0.7）H，H为坝高。本设计取20m，孔距为3.0m。7.4坝基排水坝基排水的目的：为了进一步降低坝底面的扬压力，应在防渗帷幕后设置排水孔幕，排水孔幕与防渗帷幕下游面的距离在坝基面处不宜小于2m42 ，排水孔幕一般略向下游倾斜，与帷幕的夹角为10°~15°。排水孔孔距为2~3m，此处取3m；孔径约150~200mm，此处取200mm，不宜过小，以防堵塞。孔深不宜小于10m。排水孔幕在混凝土坝体内的部分要预埋钢管，待防渗帷幕灌浆后才能钻孔。渗水通过钢管进入排水沟，在汇入集水井，最终经横向排水管自流排向下游。28百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆42