非溢流重力坝设计

第三章 非溢流重力坝设计 3.1基本剖面设计 3.1.1剖面设计原则

重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，并以特殊荷载组合复合。设计断面要满足强度和强度要求。非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量最小；③优选体形，运用方便；④便于施工，避免出现不利的应力状态。 3.1.2基本剖面拟定

图3.1

重力坝的基本剖面是指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，可以求的工程量最小的三角形剖面尺寸。 3.1.3实用剖面的拟定 一、坝顶高程的拟定

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。坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。即＝静+h式中：h＝hlhzhc。式中：hl----为波浪高度；hz----为波浪中心线超出静水位的高度；hc----为安全超高。 1、超高值h的计算 （1）基本公式

坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，h可由式计算，应选择三者中防浪墙较高者作为选定高程。

hh1%hzhc （2.1）

式中h—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%的波浪高度m；

hz —波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m； hc——安全超高 ；

hc的取值，根据下表3.1

表3.1

故本设计坝的级别为2级，所以设计安全超高为0.5m，校核安全超高为0.4m。 对于hl%和hz的计算采用官厅公式计算：

hl0.0166V0

hz

5/4

D1/3，L10.4(hc)0.8

hl2

L

cth

2H

式中： L

V0----计算风速，m/s, 在计算h1%和hz时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。计算风速在水库正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用多年平均最大风速的1.5~2.0倍，校核洪水位时宜采用相应多年平均最大风速。

D----吹程，km; L----波长，m；

H----坝前水深，m；

（2）正常蓄水位h时计算

风速采用C 江地区多年平均风速的1.5～2.0倍，即： 风速V014228，吹程D5km。

各波浪计算要素计算如下: 波高hl0.0166V0

2

5/4

D1/30.0166285/451/31.828m

由于gD/V020~250之间,则为累计频率5%的波高，根据换算累计频率为1%的波高为h1%1.24h5%1.241.8282.267m。 波长L=10.4(hl)0.810.41.8280.816.851m

2H3.141.8282

hz(cth)10.623m

LL16.851

hl2

则hh1%hzhc2.2670.50.6233.39m （3）设计洪水位时h计算

风速采用C 江地区多年平均风速的1.5～2.0倍，即： 风速V0141.521m各波浪计算要素计算如下: 波高hl0.0166V0

2

，吹程D5km。

5/4

D1/30.0166215/451/31.276m

由于gD/V020~250之间,则为累计频率5%的波高，根据换算累计频率为1%的波高为h1%1.24h5%1.241.2761.582m。 波长L=10.4(hl)0.810.41.2760.812.639m

2H3.141.2762hz(cth)0.404m

LL12.639 则hh1%hzhc1.5820.50.4042.49m （4）校核洪水位时h计算

风速采用C 江地区多年平均最大风速，即： 风速V014m

hl2

，吹程D5km。

各波浪计算要素计算如下: 波高hl0.0166V0

2

5/4

D1/30.0166145/451/30.769m

由于gD/V0250~1000之间,则为累计频率10%的波高，根据换算累计频率为1%的波高为h1%1.41h5%1.410.7691.09m。 波长L=10.4(hl)0.810.40.7690.88.426m

2H3.140.7692

hz(cth)0.22m

LL8.426

hl2

则hh1%hzhc1.090.40.221.71m

2、坝顶高程计算

根据以上设计及校核水位时的h计算结果，得出俩种状况下的坝顶高程： （1）设计洪水位时的坝顶高程：

▽坝顶=设计蓄水位+h=236+2.486=238.49m （3）校核洪水位时的坝顶高程：

▽坝顶=校核蓄水位+h=236.5+1.71=238.21m

保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝238.49m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽238.49m。为保证大坝的安全运行，当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙，高为1.2m时，可降低坝顶的高程，所以取坝顶高程为▽238.49-1.2=237.3m。 3、确定坝基高程

河床高程 137m，校核洪水位为 236.5m，地基开挖时河床上为冲积砂质粘土、沙砾

石等，所以开挖应按 100m 以上坝高标准要求考虑。根据规范，坝高超过 100m 时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。 根据地质条件，河床底部有砂砾石覆盖层2m，河床底部片岩石英岩相间存在，风化较轻，故初步定出开挖深度为2.7m，地基考虑技术加固。可确定坝基高程平均为134.3m。

因此，坝高H=坝顶高程-坝基高程=237.3-134.3=103m，取坝高为103m，即坝高H=103m，故坝顶高程为237.3m。 二、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。

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 10.3米，由于本设计对公路要求不高，故设置为二级公路，根据《二级公路技术标准及主要指标》，双向俩车道行车道宽3.527.0m，俩边路肩各0.75m，即路基宽度为8.5m，有考虑到坝顶行人要求，俩边各设置1m行人道，各0.25m宽排水沟。故去坝顶宽度为11m，以满足大坝维修作业的通行的需要。

三、拟定实用剖面尺寸

图3.2

根据规范SL319-2005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。常用的剖面形态，如图3.2，有三种，根据f、c的情况各有特点。本坝址河床岩层走向大致与河流平行，倾向上游，为了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。该形式在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。 实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，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。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。且根据《水利水电工程专业毕业设计指南》可知，折点一般在坝高1/3~2/3处，当在2/3

处时，

折点距河床坝基为2/3×103=68.67m,故折点取在上游坝面距坝基高程68m处，即折点高程为202.3m。通过比较，可取上游坝坡为1：0.1，下游坝坡取1：0.8。 四、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 103m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，计算得B=88.56m，为施工方便取B=85m，在0.7～0.9范围之内。 五、基础灌浆廊道尺寸拟定 为了后续扬压力的计算，对灌浆廊道进行拟定。基础灌浆廊道有灌浆、排水和检查之用。 基础灌浆廊道的断面尺寸，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 3.0×4.0m，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，本设计水头为103m，本次设计取10m，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。 六、初步拟定实用剖面图 如图

3.3

图3.3

3.2荷载计算

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，为计算方便取 1ｍ坝长进行计算。本设计进行的荷载组合有基本荷载组合和特殊荷载组合，其中基本荷载组合为正常蓄水位；特殊荷载组合为校核水位和地震情况。计算示意图如下图3.4

图3.4 各高程结合图3.3进行计算。 3.2.1正常水位 （1）自重W

坝体自重的计算公式：W=Vc （kN）

式中Ｖ----坝体体积，ｍ3；由于取 1ｍ坝长，可以用断面面积代替。通常把它分成如图 3.4所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；

----坝体混凝土容重，取钢砼为25KN/m3

W11=25×0.5×68×6.8=5780kN W12=25×11×103=28325kN W13=25×0.5×67.2×84=70560kN W1=W11+W12+W13=104665kN （2）静水压力

静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力 PH和垂直水压力 PV 两种。计算公式为

1

WH2 PVWV 式中， 2

H ——计算点处的作用水头，ｍ； PH

w——水的重度，常取9.81 kN/ｍ3；

V ——斜坡面上水体的体积，m3；

正常水位时：上游水位232.2m 下游水位136.5m

所以，H1=232.2-134.3=97.9 H2=136.5-134.3=2.2m H= H1- H2=95.7m

计算各种情况下的静水压力：

2

上游水平压力 Pu=0.5×9.81×97.9=47011.53KN 上游垂直压力 P22=0.5×9.81×6.8×68=2268.07KN P21=9.81×6.8×29.9=1994.57 KN 下游水平压力 Pd=0.5×9.81×2.22=23.74 KN

下游垂直压力 P3=0.5×9.8×2.2×2.2×0.8=18.97KN （3）扬压力

扬压力包括上浮力及渗流压力。扬压力分布如图3.4. 将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。根据《混凝土重力坝设计规范》在排水孔幕处的渗流压力为arH，a为折减系数。根据规范河床坝段取为0.25.b=13m。

U10.5b(H1H2H)0.5139.81(97.92.20.2595.7)4576.73KNU2Hb0.259.8195.7133051.16KN

U30.5H(Bb)0.50.259.8195.7(8513)8449.35KNU4BH2859.812.21834.47KNUU1U2U317911.71KN

(4)泥沙压力

根据库容关系，当为正常水位是，库容为9亿m3,根据已知条件，泥沙平均多年平均输沙量为215×104m3/年，即库容/输沙量=418>100，故水库淤沙缓慢，一般不考

虑泥沙淤积的影响。 （5）浪压力 判断波浪类型 部分数据引用3.1.3节

水工建筑作业

重力坝 土坝 拱坝 学号：[1**********]31

姓名：黄才渝 班级：农水3班