重力坝设计[苍松书苑].doc

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1、重力坝课程设计一、目的1、学会初拟重力坝尺寸的方法；2、掌握重力坝抗滑稳定计算和应力计算；3、进一步认识重力坝的结构特点。二、基本资料（一）、水文、气象及泥沙资料通过对区域内水文气象资料的调查和分析计算，设计中所采用的水文、气象及泥沙参数见下表1。表1 设计采用的水文、气象参数表序号项目名称单位数量备注1集雨面积km225342多年平均径流量m3/s413P=90%保证流量m3/s4.824最小流量m3/s1.345多年平均雨日D27.3日降雨量大于10mm6多年平均蒸发量Mm1398.220cm蒸发器7多年平均日照时数H1495.48多年平均气温13.89极端最高气温32.41998年5月6

2、日8极端最低气温-11.71977年2月9日10多年平均风速m/s2.411最大风速m/s15.712多年平均含沙量kg/m31.6313多年平均输沙模数t/km283214泥沙浮容重t/m30.9（二）、地质资料 1、坝址地质资料选定坝址河谷呈基本对称的“V”形谷，左岸山体坡角48，右岸山体坡角46，两岸地貌主要为侵蚀切割形成的平缓脊状山岭地貌，河谷地貌为侵蚀-构造类型。坝址处出露地层为峨嵋山玄武岩(P2)，岩层无产状，岩层倾向总体倾向河床下游偏右岸。坝址处左右岸坡残坡积层厚度为02m，局部地段深达7m以上，河床上第四纪冲积覆盖层厚度为5m左右。地表裸露的玄武岩呈强风化状，玄武岩地层上部强风

3、化层在河床部位厚3.6m，在河床左岸坡厚7.5m，在河床右岸坡厚8m，下部呈弱风化状，弱风化层在河床部位厚3m，在河床左岸坡厚4m，在河床右岸坡厚3.5m。再往下为微风化和新鲜岩石。经取样试验，结合有关工程经验类比，参考有关设计规范，地质专业提出了岩石（体）物理、力学参数，见表5-2表5-4。表5-2 岩土质物理力学性质建议指标岩 性项 目玄武岩(强风化)玄武岩(弱风化)玄武岩(微风化)粘 土(含碎石)砂砾及卵石层饱和重度（kN/m3）27.528.028.21720湿抗压强度（MPa）35.040.080.0抗拉强度（MPa）1.502.002.20软化系数0.60.80.8泊松比0.290

4、.270.25弹性模量（GPa）6.07.634内聚力（kPa）600.0700.0750.0内摩擦角()272830承载力fa（kPa）150025004000150200表5-3 坝基岩体力学参数名称 项目玄武岩(强风化)玄武岩(弱风化)玄武岩(微风化)岩石与岩石抗剪强度f0.40.490.53C(MPa)岩石与岩石抗剪断强度f0.550.70.71.01.11.3C(MPa)0.20.51.0砼与岩石抗剪强度f0.420.480.50C(MPa)砼与岩石抗剪断强度f0.60.80.9C(MPa)0.250.450.75（三）特征水位表5-5 主要建筑物特征水位及流量序号部位项 目单位数

5、量备 注1水库校核洪水位（P=0.2%）m1389.212设计洪水位（P=2%）m1388.003正常蓄水位m1388.004死水位m1385.005校核洪水位最大下泄流量m3/s20806相应下游水位m1350.867设计洪水位最大下泄流量m3/s14408相应下游水位m1349.349淤沙高程m1368.00（四）坝址处地形图三、要求1、拟定坝体尺寸，进行重力坝稳定计算及应力计算；2、提交成果（1）重力坝非溢流坝段剖面图，溢流坝段剖面图；（2）重力坝平面布置图。1.坝基开挖深度的确定初步确定坝高在50100m的范围内，可建在微风化至弱风化的上部基岩上。由地质资料，坝址处左右岸坡残坡积层厚度

6、为02m，局部地段深达7m以上，河床上第四纪冲积覆盖层厚度为5m左右。地表裸露的玄武岩呈强风化状，玄武岩地层上部强风化层在河床部位厚3.6m，在河床左岸坡厚7.5m，在河床右岸坡厚8m，下部呈弱风化状，弱风化层在河床部位厚3m，在河床左岸坡厚4m，在河床右岸坡厚3.5m。再往下为微风化和新鲜岩石。综合考虑工程量、工程造价、坝的稳定决定开挖12m相对比较合理，由地质图可知开挖高程为1328m。2.校核洪水位，设计洪水位的确定设计洪水流量 校核洪水流量 一般软弱岩石单宽流量q=设计洪水流量下溢流坝宽L=812m校核洪水流量下溢流坝宽L=1220m取L=20mm=0.5，=1，L=20m 正常蓄水位

7、 1388m 得 4.338m 5.684m=1388+4.338=1392.338m =1388+5.684=1393.684m3.累计频率为1%时的波浪高度和波浪中心线高于静水位的计算官厅公式 波高h，当=20250 时，为累计频率5%的波高h5%；当=2501000 时，为累计频率10%的波高h10%。吹程 D Km1.2多年平均风速V0 m/s15.7设计洪水位情况下： =9.81.210/15.7=47.709波浪高度 hl%=1.2400.01665/4D1/3 =1.2400.016615.75/41.21/3=0.684m波浪长度 L=10.4hl%0.8=10.40.6840

8、.8=6.456m波浪中心线到静水面的高度 hz=hl2/ Lcth2H/ L =3.140.6842/6.456=0.191m校核洪水位情况下： =9.81.210/15.7=47.709波浪高度 hl%=1.2400.01665/4D1/3 =1.2400.016615.75/41.21/3=0.684m波浪长度 L=10.4hl%0.8=10.40.6840.8=6.456m波浪中心线到静水面的高度 Hz=hl2/ Lcth2H/ L =3.140.6842/6.456=0.191m安全超高3级建筑物取值 设计情况hc=0.4m 校核情况hc=0.4m4.坝顶高程的确定 H=+hl%+

9、hc +hz=1393.613m H=+hl%+ hc +hz=1394.859m取较大值 H=1394.859m 初步拟定坝体的剖面尺寸主要特征参数正常蓄水位m1388.000 开挖高程 m1328.000 设计洪水位m1392.338 坝顶高程 m1394.859 相应下游水位m1349.340 上游折点高程m1368.000 校核洪水位1393.684 上游坡率相应下游水位m 1350.860 下游坡率淤沙高程 m1368.000 坝顶宽度m6.000 坝高 m66.859 扬压力折减系数0.250 水的容重KN/m39.800 砼的容重 KN/m325.000 初步拟定坝体的剖面尺寸坝

10、顶宽度的确定 一般取坝高的8%10%，坝高为66.859m，取6m。坝坡坡率的确定 经过试算上游坝坡坡率采用0.2，下游坝坡坡率采用0.75.坝底宽度的确定 B=0.2（1368-1328）（1388-1328）0.5=53m 坝体的基本尺寸坝的稳定和应力验算计算简图坝体自重和水重的计算 取单位宽度1m砼的容重=25 KN/m3 水的容重 =9.8KN/m3坝体自重W1=0.5B1H1= 4000 KN/m3 力臂 L=21.167m 力矩 M= L W1=84666.667 KN/m3W2=0.5B1H3= 10028.850 KN/m3 力臂 L=15.5m 力矩 M= L W1=1554

11、47.175 KN/m3W3=0.5B3H4=25350 KN/m3 力臂 L=-0.5m 力矩 M= L W1=-12675 KN/m3水重W水1=0.5B1H1= 1568 KN/m3 力臂 L=23.833m 力矩 M= L W水1 =37370.667 KN.m设计情况W水2=0.5 B1H2=1908.009 KN/m3 力臂 L=22.5m 力矩 M= L W水2 =42932.232 KN.m校核情况W水2=0.5 B1H2=2013.626 KN/m3 力臂 L=22.5m 力矩 M= L W水2 =45306.567 KN.m设计情况W水3=0.5 B4H5= 1673.57

12、9KN/m3 力臂 L=-21.165m力矩M= L W水2 =-35421.296KN.m校核情况W水3=0.5 B4H5= 1920.480KN/m3 力臂 L=-21.165m 力矩 M= L W水2 = -40646.960KN.m上游水平静水压力设计情况P1=0.5H=20282.953 KN/m3 力臂 L=-21.446 m力矩 M= LP1=-434988.219 KN.m 校核情况P1=0.5H=21140.500 KN/m3 力臂 L=-21.895 m力矩 M= LP2=-462864.211 KN.m 下游水平静水压力设计情况P1=0.5H=20282.953 KN/m

13、3 力臂 L=7.113 m力矩 M= LP1=15872.965 KN.m 校核情况P2=0.5（H5）=2231.438KN/m3 力臂 L=7.620 m力矩 M= LP2=19512.007 KN.m 浮托力水平淤沙压力淤沙浮容重9KN/m3 淤沙内摩擦角 30水平淤沙压力 Ps=0.5tan(45-0.5)=2397.059KN 力臂 L=-13.333m 力矩 M= LPs=-31960.785 KN.m 扬压力排水管幕距离上游面的距离 一般不小于坝前水深的1/101/12取L1=7m设计情况U1=HL1=737.416KN 力臂 L=-23m力矩 M= LU1=-16960.56

14、1KN.m校核情况U1=HL1=734.432KN 力臂 L=-23m力矩 M= LU1=-16891.927KN.m设计情况U2=0.5H（B-L1）=2264.920KN 力臂 L=-4.167m力矩 M= LU2=-10095.572KN.m校核情况U2=0.5H（B-L1）=2422.937KN 力臂 L=-4.1677m力矩 M= LU2=-10054.718KN.m设计情况U3=0.5HL1=1106.124KN 力臂 L=-24.167m力矩 M= LU2=-26731.319KN.m校核情况U3=0.5HL1=1101.647KN 力臂 L=-24.167m力矩 M= LU2=

15、-26623.146KN.m浮托力设计情况U4=BH2=11083.996KN 力臂 L=0m力矩 M= LU4=0KN.m校核情况U4=0BH2=11873.484KN 力臂 L=0m 力矩 M= LU2=0KN.m抗滑稳定分析f=0.9 c=0.75Mpa A=50m 设计状况校核状况 KN44528.528 44880.956 U KN15350.473 16122.695 KN20448.574 20976.919 Ks3.228 3.129 满足稳定要求。=水平截面应力计算（不计扬压力）设计状况校核状况 KN44528.528 44880.956 KN.m-157533.685 -1

16、65196.835 KN503.670 493.951 KN1176.652 1199.670 水平截面应力计算水平截面应力计算 （考虑扬压力）设计状况校核状况 KN29178.055 28758.260 KN.m-211321.137 -218766.626 KN99.149 75.325 KN1001.909 1009.892 两种情况下坝踵均不出现拉应力满足要求。溢流坝段的设计孔口形式：开敞溢流式 采用WES型溢流堰顶部曲线上部曲线段=2.0y H定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%95%。校核洪水位时 5.684m， H=4.398m5.339m取H=5.0m。X与y的关系

17、如下表x0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000 10.000 y0.000 0.127 0.459 0.972 1.654 2.500 3.503 4.659 5.964 7.416 9.013 校核洪水位时 5.684m， H=4.398m5.339m取H=5.0m。对堰面曲线求一阶导数 下游坡率为0.75 = Xa= 7.688m Ya=5.541m中间直线段 坡率与非溢流坝段的坡率相同为0.75下游反弧段校核情况反弧段最低点水流速的计算 = 长江流域规划办公室流速系数 的经验公式 流能比 单宽流量q=30代入

18、公式得 =27.78 m/s ，所以鼻坝平均水深为： Q下泄流量 B鼻坎处水面宽度设计情况 反弧半径 10.8m 但是实际工程中远远超过此值。用经验公式m 取R=15m 同理可计算出 设计情况下的流速 V= 24.76 m/s反弧段曲线如图所示：反弧段的上端与直线AB相切于B点，下端与河床相切于C点。A点C点以及反弧段的圆心点的坐标的确定。下游的堰高 堰顶高程为 设计情况 校核情况 反弧曲线圆心的确定 m=0.75 堰顶高程 1388m下游堰高P2=1388-1350=38m= +m(P2-) +Rcot() =P2-R =7.668+0.75(38-5.541) +15cot(63.5)=3

19、9.59m 高程为1365m=38-15=23m 高程为1365m B点坐标确定 =-Rsin=39.59-150.797=27.635m 高程为1355.97m =+Rcos=23+150.602=32.03mC点坐标的确定 =39.59m 高程为1350=P2=38.m下游消能采用挑流式消能挑坎尺寸的选择在同样的水利条件下射程最大，冲刷坑深度较浅采用连续式挑砍1.挑砍高程的确定在实际工程中挑砍的最低高程应等于或略低于下有最高水位，才能取到较好的消能效果。校核洪水下下游水位高程为1350.86m，取挑砍高程为1350m.。2.反弧半径R的确定鼻坎反弧半径一般为（810）h h=1.08m 若

20、反弧半径太小，水流转向不平顺，太大讲师鼻坎向下游延伸太长增加工程量 ，在（810）h的范围内进行试算均不满足鼻坎坎顶高程高出下游水位12m，综合考虑 取R=R=15m 3.挑角的确定根据工程经验，挑射角一般取，挑射角取23,鼻坎坎顶高程高出下游水位12m，所以鼻坎高程为1350+ R(1-cos)=1351.29m4. 挑流射程的计算在溢洪道设计规范SL253-2000 中关于挑流水舌射程的计算公式如下校核情况式中：L 自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距m为坎顶水面流速； 鼻坎的挑角（单位 度）；为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcos ；h2 为坎顶至河床面的高差. 水

21、垫厚度由 ，满足要求。设计情况式中：L 自挑流鼻坎末端算起至下游河床床面的挑流水舌外缘挑距m为坎顶水面流速； 鼻坎的挑角（单位 度）；为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcos ；h2 为坎顶至河床面的高差. 水垫厚度由 ， 满足要求。校核情况 ， 满足要求。（1）橫缝布置 橫缝的划分主要取决于地基的特性，河谷变化，温度变化，结构布置和浇筑能力，作用为减小温度应力，适应地基的不均匀变形和满足施工要求。考虑溢流坝的的尺寸，取橫缝间距为20(m) 。永久性橫缝做成做成铅直平面，不设健槽，橫缝内不灌浆。使各坝段独立工作，设置止水，采用两道金属止水片，中间设置沥青井，金属止水片采用1.01.6（mm）厚的紫铜片，每恻埋入混混凝土的长度去25（cm) (2)坝顶的布置 坝顶上下游设置栏杆，取高为1.2（m） （3）橫缝灌浆，固结灌浆，排水措施和断层软弱夹层处理。 帷幕灌浆的目的是降低坝低渗流压力，防止坝基产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。帷幕深入相对隔水层35（m）.帷幕灌浆灌浆设于两排。灌浆廊道宽取3（m），高取4（m） （4）固结灌浆的目的是提高基岩的整体稳定性和强度，降低地基的透水性。骨节灌浆布置在坝踵和坝址附近，孔距和排距一般从1020m开始，采用内插逐步加密的方法，最终间距约为34（m）。孔深58（m)16详参照