水工建筑物重力坝实例

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1、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。抗剪断fC强度取其分布的0.2分位值为标准值，则摩擦系数Jck =0.82，凝聚力ck =0.

2、6MPa。3. 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e=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=0.9km。坝体混凝土重度Y 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4000kPa。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) 荷载计算及作用组合 该例题

3、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。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II级，相应结构重要性系数Y=1.0。坝体上的荷载 分两种组合，基本组合（设计洪水位）取持久状况对应的设计状况系数4=1.0, 结构系数Yd =1.2；偶然组合（校核洪水位）取偶然状况对

4、应的设计状况系数 4=0.85,结构系数Yd=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Yd =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 1.35；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

5、； II、III、W级为1.10。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,凝聚力 L 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口为 0.25。（二）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=h +h +hl z c对于安全级别为I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， 平均年最大风速的2倍为30

6、m/s。v0计算风速在设计洪水情况下取多年 波高gD、1 v 2h = 0.0076v - ()3 -10- 2 g01 3023 X9.81=0.0076 x 301,9.81 x 900、12 ()302=0.0076X0.7532X2.1407X91.7431=1.124 (m) 波长1 , gD、工 V 2L = 0.331V - *( L)3.75 -0- 2 g0=0.331 x30-尢(9.81 x900)土 x 兆3029.81=0.331X0.2056X 1.8384X91.7431=11.478 (m) 波浪中心线至计算水位的高度:心2 2兀HLcth因 HL,cth 七

7、q1兀 h23.14 x 1.1242厂=0.346L 11.478(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(四)3 . -Z-2 g0=0.0076x 15- MS81 x900 )3152气=0.0076-0 -152x9.81=0.0076X0.7980X3.3970X22.935820.473 (m)L = 0.333 -尢(殴弟-吒 0 V 2 g 0波长=0.331 x 15- M98x900)土

8、x竺 1529.81=0.331X0.2838X2.6607X22.9358=5.733 (m)波浪中心线至计算静水位的高度:Z-L3.14 x 0.47325.733=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，则坝顶高程为357.296-1.2-0.1Q356.0m最大坝高为356.0-326.0=30m2. 坝顶宽度。因该水利枢纽位于山区峡谷，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.

9、 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，上游1 2坝面采用折坡，起坡点按要求为33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

10、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。（三）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Y（H2+aH）, 坝趾处为YH2a为0.25，按图中4块分别计算其扬压力标准值4. 淤沙压力

11、分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为6.5kN/m3，内1s摩擦角es=18。水平淤沙压力标准值为Psk= 2 Y sbhs2tg （45 - 2 ）。15. 浪压力 坝前水深大于2波长（HL/2）采取下式计算浪压力标准值：1Pwk= 4 YwLm （hl+hz）荷载作用标准值和设计值成果如下表（四）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Y0=1.0； 4=1.0，Yd=1.2； f d=0.82/1.3=0.6308； c d=600/3=200.00kP1Yos(,)=Yo( 2 y H12 - 2 y H22

12、+P k+P kh) =1X1X(4125.11-122.63+49.66+253.64) =4305.78 (kN)_1Yd R()=d (fz dEW+Cz dA) = 1-2 (0.6308X7190.35+200.00X26.5X1)1=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。(五)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，Y=1;P

13、=1.0，Yd=1.3；(头 _ 6 M)Y0S () =Y0 bb2(1+m2)7190.35 6 x 19078.19 +=1.0X1.0 ( 26.526.52) (1+0.752)=(271.33+163.00) 1.5625=678.64kPa对于坝趾岩基：_1_1Y d R()=Y d 4000= 1.3 X4000=3076.92kPa由于678.64kPaV3076.92kPa，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 C10：11110000xd R(*) = d fckd/ Y m=1.32.0 =3846.15kPa由于678.64kPa3846.15kPa，故基本组合时坝趾混凝土 C10抗压强度极限状 态满足要求。