重力坝设计例题.docx

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1、讲解重力坝设计例题：一. 基本资料某高山峡谷地区规划的水利枢纽，拟定坝型为混凝土重力坝，其任务以 防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物，试根据提供的资料设计非溢流 坝剖面。1. 水电规划成果 上游设计洪水位为355.0 m相应的下游水位为331.0 m上游校核洪水位356.3 m，相应的下游水位为332.0 m正常高水位354.0 m死水位339.5 m。2. 地质资料 河床高程328.0 m约有12 m覆盖层，清基后新鲜岩石 表面最低高程为326.0m。岩基为石炭岩，节理裂隙少，地质构造良好。抗剪FF断强度取其分布的0.2分位值为标准值，则摩擦系数 G =0.82，凝聚力cck =0.6M

2、Pa3. 其它有关资料 河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高 程337.1 m。泥沙浮重度为6.5kN/ m3，内摩擦角© =18°。枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15m/s，水库最大风区长度由库区地形图上量得D=0.9kmb坝体混凝土重度丫 c =24kN/m3,地震设计烈度为6度。拟采用混凝土强 度等级C10, 90d龄期，80%保证率，fckd强度标准值为10MPa坝基岩石允 许压应力设计值为4000kP&二. 设计要求：(1) 拟定坝体剖面尺寸确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高 程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。(2) 荷载

3、计算及作用组合该例题只计算一种作用组合，选设计洪水 位情况计算，取常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪 压力。列表计算其作用标准值和设计值。(3) 抗滑稳定验算可用极限状态设计法进行可靠度计算。（4）坝基面上下游处垂直正应力的计算，以便验算地基的承载能力和 混凝土的极限抗压强度。重力坝剖面设计图（单位：m三非溢流坝剖面的设计资料分析该水利枢纽位于高山峡谷地区，波浪要素的计算可选用官厅公式。因地 震设计烈度为6度，故不计地震影响。大坝以防洪为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为U级，相应结构重要性系数丫 0=1.0。坝体上的荷载分两种组合，基本组合（设计洪水位）取持久

4、状况对应的设计状况 系数书=1.0，结构系数丫 d =1.2 ;偶然组合（校核洪水位）取偶然状况对应 的设计状况系数书=0.85，结构系数丫 d =1.2。坝趾抗压强度极限状态的设计状况系数同前，结构系数丫 d =1.3可靠度设计要求均采用作用（荷载）设计值和材料强度设计值。作用（荷 载）标准值乘以作用（荷载）分项系数后的值为作用（荷载）设计值；材料 强度标准值除以材料性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关（荷载）作用的分项系数查表2-10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 ;淤沙压力为1.2 ;浪压力为1.2。混凝土材料的 强度分项系数为1.

5、35 ;因大坝混凝土用90 d龄期，大坝混凝土抗压强度材 料分项系数取2.0 ;热扎I级钢筋强度分项系数为1.15 ;U、IH、IV级为1.10。P材料性能分项系数中，对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数fck为1.3 ,F凝聚力cck为3.0。上游坝踵不出现拉应力极限状态的结构功能极限值为 0。 下游坝基不能被压坏而允许的抗压强度功能极限值为 4000kPa。实体重力坝 渗透压力强度系数:为0.25。非溢流坝剖面尺寸拟定1 坝顶高程的确定。坝顶在水库静水位以上的超高 h=hl+hz+hc对于安全级别为U级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。分设计洪水位和校核洪

6、水位两种情况计算。（1）设计洪水位情况D风区长度（有效吹程）为0.9kM，v0计算风速在设计洪水情况下取多 年平均年最大风速的2倍为30m/s。 波高2Voh0.0076v (-gD )Vo19.81 900)=0.0076 30 12302=0.0076X 0.7532 X 2.1407 X 91.7431=1.124 (m) 波长2VoL =0.33角0一2(聖)预Vo115 / 9.81 900、 = 0.331 30(13.75302302x9.81=0.331 X 0.2056 X 1.8384 X 91.7431=11.478 ( m) 波浪中心线至计算水位的高度：hz二 hict

7、h2：HL2二 H因 H> L, cth L 心 1hzhl23.14 1.124211.478二 0.346(m h=1.124+0.346+0.5=1.97(m)坝顶高程=355+1.97=356.97 (m)(2)校核洪水位情况D风区长度为0.9km, v0计算风速在校核洪水位情况取多年平均年最大 风速的1倍为15m/s。 波高hl =0.0076v° 冷(铝)V。2V。g丄= 0.0076 15 11 29.81 900)1521529.81=0.0076 X 0.7980 X 3.3970 X 22.9358 0.473 (m) 波长1 D 丄 2L =0.33仏一2

8、75(鸟)预也vog112152= 0.331 15 巴 9.81 900严 竺9.81=0.331 X 0.2838 X 2.6607 X 22.9358=5.733 (m) 波浪中心线至计算静水位的高度：hz二 h：L23.14 0.4735.733-0.123(m) h=0.473+0.123+0.4=0.996(m)坝顶高程=356.3+0.996=357.296 (m)取上述两种情况坝顶高程中的大值，并取防浪墙高度1.2m,防浪墙基座高0.1m并外伸0.3m，贝U坝顶高程为357.296-1.2-0.1356.0m最大坝高为 356.0-326.0=30m2 坝顶宽度。因该水利枢纽位

9、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。3 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1 2游坝面采用折坡，起坡点按要求为3 3坝高，该工程拟折坡点高程为346.0m,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，349.3m以上为铅直坝面。4. 坝体防渗排水。根据上述尺寸算得坝体最大宽度为 26.5m。分析地基 条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵5.3m,排 水孔中心线距防渗帷幕中心线1.5m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时 暂不计入廊道的影响。拟定的非溢流坝剖面如图

10、 2-23所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初 拟尺寸稳定和应力校核修改尺寸稳定和应力校核，静过几次反复，得到满意的结果为止。该例题只要求计算一个过程荷载计算及组合。以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算（其它情况略）。 根据作用（荷载）组合表2-8，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。1 自重 将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊 道的影响暂时不计入。2 静水压力按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压 力分别计算其标准值。3 扬压力扬压力强度在坝踵处为yH1 ,排水孔中心线上为丫（ H2+a H

11、）,坝趾处为丫 H2。a为0.25，按图中4块分别计算其扬压力标准值4 淤沙压力 分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为6.5kN/m3，内摩擦角© s=18°。水平淤沙压力标准值为Psk=2 丫 sbhs2tg （45° - 2 ）。丄5 浪压力坝前水深大于2波长（H> L/2 ）采取下式计算浪压力标准值：Pwk=4 丫 wLm（ hl+hz ）荷载作用标准值和设计值成果如下表960计算公式(1/2) X 4X 20X 24X 15X 30X 24X 1(1/2) X 17.5 X 23.3 X 24X 1(1/2) X 9.81 X 292 X 1(1/

12、2) X 9.81 X 52X 19.81 X 4X 9X 1(1/2) X 9.81 X 4X 20X 1(1/2) X 9.81 X 3.75 X 5X 1(1/2) X 6.5 X 11.12 X tg2(45-18 ° / 2)(1/2) X 6.5 X 11.1 X (11.1 X 0.2)X 1(1/4)X 9.8111.478(1.124+0.346)(Y1/2) X 0.98 X 7.209 X5.739-(Y2/2) X 9.81 X5.7392=5208.04-4066.9=1141.14小计9.81 X 26.5 X 5X 19.81 X 0.25 X 24X

13、6.8 X 1(1/2) X 9.81 X 0.25 X 24X19.7 X 1(1/2) X 9.81 X (24-24 X0.25) X 6.8 X 196036004893353.16392.4091.97小计垂直力作用标准值水平力4125.11(荷载)作用标准值、设计值计算表作用设计值垂直力水平力对截面形心的力臂L(m)'| +力矩标准值M(KN.m)力矩设计值M(KN.m122.6336004893353.16392.4091.974125.11122.6313.25-(2/3) X 4=10.5813.25-(4+2.5)=6.7513.25-(2/3) X 17.5=1.

14、58(1/3) X 29=9.67(1/3) X 5=1.6713.25-2=11.2513.25-(1/3) X 4=11.9213.25-(1/3) X 3.75=12.10156.8024300.00204.793973.054677.41211.37253.64(1/3) X 11.1=3.780.0910370.6296.1113.25-(1/3) X 11.1 X0.2=12.511001.93J 10370.6241.384377.861299.83400.25579.77600.372880.22122.634255.2310386.64J 10386.6449.661299.

15、837730.9439889.811103.64782.0810156.8024300.00207.793973.054677.411202.34Y1=29-5.739+(1/3)7.209=25.664Y2=29-(2/3)5.739=25.1744428.41122.634305.78480.30695.72720.441141.1413.25-3.4=9.8544313.9850647.6144514.39-> 6333.63-> 6517.8503942.4613.25-(6.8+6.57)=-0.1213.25-(1/3) X 6.8=10.9869.573196.296

16、9.576594.0610536.528.4抗滑稳定极限状态计算坝体抗滑稳定极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能 均应以设计值代入。基本组合时丫 0=1.0 ；书=1.0 , 丫 d=1.2 ; f/ d=0.82/1.3=0.6308 ; cz d=600/3=200.00kP丄1丫 0书 S ( = 丫 0书(2 丫 H12 -2 丫 H22+Pwk+Psk)=1 X 1X( 4125.11-122.63+49.66+253.64 )=4305.78 (kN)1 1Yd R ( = Yd (f / dE W+C dA)= 1.2 (0.6308 X 7190.35+200

17、.00 X 26.5 X 1)丄= 1.2 (4535.67+5300.00 ) =8196.39 ( kN)由于4305.78kNv8196.39kN,故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。偶然组合与基本组合计算方法类同，该例题省略。深层抗滑稳定分析省略。坝址抗压强度极限状态计算坝趾抗压强度极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能 均以设计值代入。基本组合时，丫 0=1;书=1.0， 丫 d=1.3 ;/ W 6、M、( 2)丫 0书 S () = 丫 0书 B B(1+m27190.356 19078.19=1.0 X 1.0 ( 26.526.52) (1+0.752)=(

18、271.33+163.00) 1.5625=678.64kPa对于坝趾岩基：1 1 1yyd R (- ) = d 4000=1.3 X 4000=3076.92kPa由于678.64kPav 3076.92kPa，故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满 足要求。对于坝趾混凝土 C101 1 1 100003 X ?d R( =?d fckd/ 丫 m=1.32.0 =3846.15kPa由于678.64kPav 3846.15kPa，故基本组合时坝趾混凝土 C10抗压强度极限 状态满足要求。偶然组合与基本组合计算方法类同，计算省略,坝体上下游面拉应力正常使用极限状态计算:因上下游坝面不出现拉

19、应力属于正常使用极限状态，（要求计入扬压力），故 设计状况系数书作用分项系数yG Y Q,材料性能分项系数Ym均采用1.0，扬 压力也采用标准值。规范规定上游坝踵不出现拉应力结构功能的极限值C仁0O.IMPa的拉应当坝上游有倒坡、施工期和完建无水期时下游坝趾允许出现小于 力，结构功能的极限值 C2=0.1MPa下面只对坝踵进行验算。(' W 6、M、2 /丫 OS (二 丫 0 B B=1.0 X( 26.57490.406 16800.58 )26.52=282.66-143.54=139.12kPa> 0因139.12kPa> 0,故上游坝踵不出现拉应力，满足要求。根据现有计算成果，所拟剖面在基本组合情况下满足设计要求， 抗滑稳定验 算差值较大，抗压强度极限值计算比较后，坝基岩石允许抗压设计值较实际垂直 压应力大4.5倍，混凝土抗压强度设计极限值较实际垂直压应力大5.7倍，坝坡可调整的再陡一些。