重力坝课程设计

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1、设计内容一、 确定工程等级由校核洪水位446.31 m查水库水位容积曲线读出库容为1.58亿，属于大（2）型，永久性水工建筑物中的主要建筑物为级，次要建筑物和临时建筑物为3级。一、 确定坝顶高程(1)超高值h 的计算h = h1% + hz + hch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%时的波浪高度，m；hz 波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；hc 安全加高，按表31 采 表3-1 坝的安全加高hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于20m/s 及

2、D20km）下面按官厅公式计算h1% ， hz。式中：D吹程，km，按回水长度计。波长，m壅高，mV0 计算风速h当 时，为累积频率5%的波高h5%;当 时，为累积频率10%的波高h10%。规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P（%）的波高hp 与平均波高的关系可按表B.6.3-1 进行换超高值h 的计算的基本数据设计洪水位校核洪水位吹程D（m）524.19965.34风速（m）2718安全加高（m）0.40.3断面面积S（）1890.5719277.25断面宽度B（m）311.80314.44正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50 年的最大风速，本次设计；

3、校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计。a.设计洪水位时h 计算： 波浪三要素计算如下：波高： h=0.82m波长： =8.95m 壅高： ，故按累计频率为计算，由表B.6.3-1查表换算 故 b.校核洪水位时h 计算：波高： h=0.27m波长： =7.03m壅高：，故按频率为计算,由由表B.6.3-1查表换算故 (2)、坝顶高程：a.设计洪水位的坝顶高程： b.校核洪水位的坝顶高程： 为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为447.2m三、 非溢流坝实用剖面的设计和静力校核(1) 非溢流坝实用剖面的拟定拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于

4、最高库水位处，本次设计采用上游坝面铅直，下下游面倾斜的形式，坡度为1:0.75，折点设在高程为446.31m将坝底修建在弱风化基岩上，开挖高程a.坝高为：447.72-328=119.72m 取120mb.坝顶宽度：坝顶宽度取坝高的即为12mc.坝底宽度： d.基础灌浆廊道尺寸拟定：基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.53m，高为34m，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3.03.5m，形状采用城门洞型。e.廊道的位置：廊道的上游避距离上游面10.5m廊道底部距离坝底面6m初步拟定坝体形状剖面如图：(2) 确定正常和非正常情况下的荷载

5、组合及荷载计算；PSPS 1.自重：, 坝身自重：下游水自重： a. 设计洪水位时： b.校核洪水位时： 2.静水压力：不同情况下上下游水深及水位差特征水位上游水深下游水深上下游水位差设计洪水位11731.4985.51校核洪水位118.3134.2884.03a.设计洪水位时： b.校核洪水位时: 3.扬压力：扬压力折减系数 a.设计洪水位时： b.校核洪水位时： 4.泥沙压力： ， ， 5.浪压力： a.设计洪水位时：b.校核洪水位时： (3) 对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算，校核其安全性；重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，设计洪水位情况和

6、校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。1.单一安全系数法: 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数 f 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数, c 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa， A 坝基接触面截面积，W 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；P 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN； 按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于下表的规定。 荷载组合基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.3 故=3.0设计洪水位时： ，满足要求校核洪水位时： ，满足要求2.分项系数极限状态设计法： 承载能力极限状态设计式：抗滑稳定极限状态作用

7、效应函数为：P,坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和抗滑稳定极限状态抗力函数： W 为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。和的分项系数由附表5可查：，a.设计洪水位时：作用效应函数： 坝基面抗剪断系数设计值：坝基面抗剪断黏聚力设计值：抗滑稳定抗力函数： 验算抗滑稳定性： 查附表4知：持久状况（基本组合）设计状况系数；结构重要性参数，本组合结构系数。根据式 计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。b.校核洪水位时： 作用效应函数： 坝基面抗剪断系数设计值： 坝基面抗剪断黏聚力设计值： 抗滑稳定抗力函数： 验算抗滑稳定性

8、： 持久状况（基本组合）设计状况系数；结构重要性参数，本组合结构系数。根据式 计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。(4) 对非溢流坝的几个代表性水平截面(坝底及变截面处)的边缘应力以及底部截面的内部应力计算，校核其强度。1.用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力10.05MPaa.设计洪水位：采用单一安全系数法： 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

9、载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；B计算截面的长度，m。 坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。 坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算： 小于混凝土的容许压应力，满足要求。b.校核洪水位：坝趾抗压强度承载能力极限状态：坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为 ： 坝趾抗压强度极限状态抗力函数为： 式中：Ra为混凝土抗压强度 偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求 计算作用效应函数： 验算抗压强度： 查附表4知：偶然状况（特殊组合）设计状况系数；结构重要性参数；抗压基本组合结构系数。根据式 满足

10、强度要求。2.对给定的作用组合情况用抗剪强度指标进行坝基面抗滑稳定极限状态验算，对验算结果进行评价。基本公式:上、下游坝面垂直正应力： 上、下游面剪应力: 上、下游面水平正应力 上、下游面主应力 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坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；B计算截面的长度，m。 上游坝坡； 下游坝坡；为泥沙压强（，为泥沙压力），故、计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应计入在内）；、计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度；a.设计洪水位时：上、下游坝面垂直正应力 上游面垂直正应力: 下游面垂直正应力: 上、

11、下游面剪应力:上游面剪应力： 下游面剪应力： 上、下游面水平正应力上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上、下游面主应力上游面主应力： 下游面主应力： b.校核洪水位时：上、下游坝面垂直正应力 上游面垂直正应力: 下游面垂直正应力: 上、下游面剪应力:上游面剪应力： 下游面剪应力： 上、下游面水平正应力上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上、下游面主应力上游面主应力： 下游面主应力： 应力计算结果计算情况坝堹处坝趾处基本组合（设计洪水位）479.18039.97497.1839.971682.441261.83946.372628.810特殊组合（校核洪水位）401.1039.97401

12、.139.971735.61301.7976.282711.880表中数据单位都是。由上表应力都小于10.05Mpa，所以满足要求。四、溢流坝剖面的拟定和消能设计(1).泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。故本设计采用开敞溢流式孔口形式，堰顶不设闸门，故堰顶高程与正常蓄水位齐平。(2). 溢流坝剖面拟定溢流

13、曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求：a.有较高的流量系数，泄流能力大；b.水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；c.体形简单，造价低，便于施工。本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面铅直，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。定型设计水头的确定：堰顶最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=446.31-443=3.31m定型设计水头Hd 为Hd=（75%95%）Hmax，取Hd=3m，由Hd/Hmax=3/3.31=0.91。1.坝顶曲线段溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克奥曲线和WES 曲线。本工程选用WES

14、曲线。首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES 型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。该设计上游段曲线采用三圆弧型曲线。堰顶O点上游三圆弧的半径及其坐标值为：R1=0.5Hd=1.5； x1=-0.175Hd=-0.525R2=0.2Hd=0.6； x2=-0.276Hd=-0.828R3=0.04Hd=0.12；x3=-0.282Hd=-846开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES 幂曲线,可按下式计算：式中：堰面曲线定型设计水头, m，可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头 的75%95%计算。x、y原点下游堰面曲线横、纵坐标；n与上游堰坡有关的指数,见下表；k当P1 /

15、Hd 1.0 时,k 值见下表,当P1/Hd 1.0 时,取k2.02.2， 为上游相对堰高。 堰面曲线参数 上游面为铅直面由上表可查的n=1.85，k=2.0，故原点下游堰面曲线方程为:按上式计算的坐标值入下表所示： 计算WES 下游曲面坐标值表xyxyxy 1 0.197 65.407 1116.596 2 0.708 77.192 1219.494 3 1.5 89.207 1322.605 42.554 911.449 1425.927 53.859 1013.913 1529.4572.中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取1：0.753.反弧段

16、a. 溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。本次设计选用挑流消能。对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径：R=(410)h式中： h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m；反弧段流速v16m/s 时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值，以致取上限。上式为迭代公式，迭代初值取h=0。 -单宽流量，本次设计取35-上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游水位齐平。=446.31-362.28=84.03m ， =0.9初始令 故 取 又因 弗劳德数： 取 b.挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加。一般在之

17、间，在此取c.挑坎高度：挑坎应高出下游水位，一般以12m 为宜。计算时按设计洪水位情况考虑。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高点与最低点间距离为R(1-cos)。故挑坎高度h2=359.49-351+9（1-cos）=9.70md.反弧段坐标确定圆心O距坝底距离yo9.43+9cos=17.22m圆心O距C点距离xo=根据以上数据，就可以确定溢流坝曲面了。下图就是本次设计的溢流坝曲面。(3)消能防冲设计1.选择孔口尺寸和闸墩型式及尺寸： 基本公式： 总下泄流量 溢流孔口的下泄流量 通过电站和泄水孔等下泄流量，取1000 系数，校核情况是取1.0 校核洪水位时： 溢流坝净宽为 ： q单宽流量，

18、本次设计取35 故： 本次设计选用平板闸门，闸门厚度最小为1.52.0m，取d=2m。因为本次设计属于大中型坝，故孔口宽度取为b=12m，孔口宽高比1.02.0 本次取1.5，所以孔高8m。 则孔口数为： 取 所以溢流坝前沿总长为： 本次设计选用上游段为椭圆形，下游段为方形的闸墩。2.确定消能方式水工建筑物及混凝土重力坝设计规范可知消能的设计原则是：a.尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；b.不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；c.下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；d.结构简单，工作可靠，工程量小。 分析比较各种消能工的优缺点，考虑到本

19、次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况，决定选用挑流消能。挑流鼻坎设计a.挑流鼻坎有连续式和差动式，该设计选用连续式鼻坎；b.鼻坎高程=351+9.7=360.7m；c.反弧半径R=10m；d.根据实际工程情况，该设计挑射角取=25； 水舌挑距L 的估算 根据规范，水舌挑距L可按下式计算： 式中：水舌抛距，m，如有水流向心集中影响者，则抛距还应乘以0.900.95 的折减系数；坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速的1.1倍计，即 = 1.1 = （为水库水位至坎顶的落差=446.31-360.7=85.61m）； 鼻坎的挑角； 坎顶垂直方向水深，m， (h为坎顶平均水深，m)； 坎

20、顶至河床面高差，m，如冲坑已经形成，可算至坑底； 堰面流速系数。 可按下式计算： 按校核洪水位计算： =101.98m最大冲坑水垫厚度的计算 根据规范，最大冲坑水垫厚度可按下式计算： 式中： 水垫厚度，自水面算至坑底，m；单宽流量，m3/（sm）；上下游水位差，m；冲刷系数，其数值见下表基岩冲刷系数值由下表可查：本次设计取=1.6，则可计算得： 则 ，一般要求2.55，满足要求。五、细部构造设计（1）坝基的连接、灌浆和排水天然地基，由于经受长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层，所有这些都需要采取适当的处理措施，地基处理的主要任务是：（1）防渗；（2）提

21、高基岩的强度和整体性。基岩开挖后，在浇灌混凝土前，需要进行彻底的清理和冲洗，包括：清除松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆，以提高基岩的弹性模量、抗渗性和强度等。在坝踵、坝址附近灌注孔相对较密，呈梅花形布置，其他部位疏一些。孔距排距由灌浆试验确定，一般从1020m 开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为34m，本设计取4m。孔深58m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为815m。钻孔方向垂直于基岩面。当存在裂隙时，为了提高灌浆效果，钻孔方向尽可能

22、正交于主要裂隙面，但倾角不能太大。防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸，钻孔和灌浆常在坝体内特设的廊道内进行，靠近岸坡处也可在坝顶、岸坡或平洞内进行。平洞还可以起排水作用，有利于岸坡的稳定。钻孔方向一般为铅直，必要时也可有一定斜度，以便穿过主节理裂隙，但角度不宜太大，一般在10以下，以便施工。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。当地质内的不透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层深入相对隔水层35m。当相对隔水层埋藏较深，则帷幕深度可根据防渗要求确定，通常采用坝高的0.30.7倍。帷幕深入两岸的部分，原则上也应达到上述标准，并与河床部位的帷幕保持连续，形成连

23、续的不透水的防渗墙。当相对隔水层距地面不远时，帷幕应深入岸坡与该层相衔接。当相对隔水层埋藏较深时，可深到原地下水位线与最高枯水位的交点B 处，如图在BC以上设置排水，以降低水库蓄水后库岸的地下水位。1灌浆廊道；2山坡钻进；3坝顶钻进；4灌浆平洞；5排水孔；6最高库水位；7原河水位；8防渗帷幕底线；9原地下水位线；10蓄水后地下水位线为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。根据规定要求，坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为15，孔距取3m，孔径为200mm。孔深为10m，沿坝轴线方向设置一排。具有软弱夹层的坝基，由于夹层的抗剪强度很低，遇水易软化或泥化，

24、通常都须进行加固处理，以满足抗滑稳定要求。根据软弱夹层的埋深、产状、厚度、充填物的性质，结合工程的具体情况，为了阻止软弱夹层滑动，一般采用的处理措施有：对于浅埋的夹层，多用明挖处理，将软弱夹层清除，回填混凝土或者在上游坝踵、下游坝趾设置深齿坎，切断软弱夹层直达完整基岩。当夹层埋藏较浅时，此方法施工方便，工程量小，采用的较多。对于埋藏较深、较厚，倾角较缓的软弱夹层，可在夹层内设置混凝土洞塞。采用大型钢筋混凝土抗滑桩。若有两层以上的软弱夹层时，可采用预应力锚索，锚索可在水库正常运行的情况下施工，特别适合于已建工程的施工。（2）坝身廊道和排水坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要

25、设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/101/12，且不少于2m，故根据规定排水管设置在距上游面9m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm25cm（取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm30cm，低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式。为了满足施工运用

26、要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取3.03.5m，形状采用城门洞型。灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。（3）纵横缝构造及止水1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、纵缝：适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝

27、体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.01.6mm 后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.52.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为2025cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制

28、砼块，预制块长1.01.5m，厚510cm（本设计采用1m10cm），沥青井尺寸大致为15cm15cm 至25cm25cm（本设计采用20cm20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为1520cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约3050cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。1第一道止水铜片；2沥青井；3第二道止水铜片；4预制块；5横缝6沥青油毡；7加热电极（4）坝顶布置坝顶路面应具

29、有23的横向坡度，并设置砼排水沟(3030cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出六、总结 通过本次课程设计，发现了很多的问题，在用电力规范计算的时候很多参数的取值很模糊；坝基高程的选择不是很明确；对非溢流坝段的稳定验算时具体验算到什么程度不是很明确；对溢流坝段的水利计算也存在数值上的误差。不过在不断深入的设计过程中学会了很多的知识和技能；对大坝的设计过程有了深入了解；对典型断面的稳定分析和应力计算有所掌握；对帷幕灌浆和廊道的选择及处理有了初步了解；CAD的制图水平提高了很多，相信通过本次课程设计，以后遇到大坝此类设计，自己能够用上本次设计所掌握的知识与技能去解决问题。