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：满足稳定和强度要求，保证大坝安全; 工程量最小；优选体形，运用方便；便于施工，避免出现不利的应力状态。3.1.2 基本剖面拟定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 = h h h。式 lzc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。lzc1、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 h h h（2.1）1% z c式中h防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差m；气 累计频率为1%的波浪高度m ;h 波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m；Zhc 安全超高 ；c h 的取值，根据下表 3.1c表 3.1安全级别IIIIII运用情况（1级）（2级）（3级）设计洪水位0.70.50.4校核洪水位0.50.40.3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hp/和h的计算采用官厅公式计算：l%zh 0.0166V 5/4D1/3， L 10.4（h ）0.8 l0c式中：h 22 Hicth L LV o计算风速，m/s,在计算人和人时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风1/z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 1.52.0 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1.5一2.0倍，即：风速V。14 228/，吹程 D 5km。各波浪计算要素计算如下:波高 h 0.0166V 5/4D 1/3 0.0166 285/4 51/3 1.828m l0由于 gD /V 2 20 250 之间,则为累计频率 5/的波高，根据换算累计频率为01/的波高为 h 1.24 h 1.24 1.828 2.267m 。1/5/波长 L=10.4 (h)0.8l10.4 1 .8280.816.851mh 22 Hh (cth)3.14 1.82821 0.623mzLL16.851则 h h h h 2.267 0.5 0.623 3.39m1% z c3）设计洪水位时 h 计算风速采用C江地区多年平均风速的1.5一2.0倍，即:风速V。14 1.521m /s，吹程D 5km。各波浪计算要素计算如下:波高 h 0.0166V 5/4D 1/3 0.0166 215/4 51/3 1.276m l0由于gD /V 220 250之间，则为累计频率5%的波高，根据换算累计频率为01%的波高为h1.24 h 1.24 1.276 1.582m。1%5%波长 L=10.4 (h)o.810.4 1.276o.812.639mlh 22 H 3.14 1.2762h l (cth )0.404mz LL12.639则 h h h h 1.582 0.5 0.404 2.49m 1% z c(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V。14m ，吹程D 5km。各波浪计算要素计算如下:波高 h 0.0166V 5/4 D 1/3 0.0166 145/4 51/3 0.769m l0由于gD /V 2250 1000之间,则为累计频率10%的波高，根据换算累计频率0为 1%的波高为 h 1.41 h 1.41 0.7691.09m o1%5%波长 L =10.4 (h )0.8l10.40.7690.88.426mhh 22 H(cth)3.14 0.76920.22mzLL8.426则h h h h1.090.4 0.221.71m1% z c2、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=237.3134.3=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%一10%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 270m，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 : 0一1 : 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 : 0.6一1 : 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1/32/3处,当在2/3处时,折点距河床坝基为2/3 x 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07一0.9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0.7一0.9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2.53m，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3.0x4.0m，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0.050.1倍 作用水头、且不小于45m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3.33.2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/m3W =25x0.5x68x 6.8=5780kN11W =25x11x103=28325kN12W =25x0.5x67.2x84=70560kN13W=W +W +W =104665kN1111213(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P 1 H 2P V 式中，H 2 W V WH 计算点处的作用水头，：rn;水的重度，常取9.81 kN/ m3；w3下游水位136.5mH=136. 5-134. 3=2. 2m2V 斜坡面上水体的体积，m3； 正常水位时：上游水位232.2m 所以， H=232.2-134.3=97.9H= H-H=95.7m12 计算各种情况下的静水压力：上游水平压力上游垂直压力P =0.5 x 9. 8 1 x 97. 92=470 1 1 . 5 3KNuP=0.5x9.81x6.8x68=2268.07KN22P21=9.81x6.8x29.9=1994.57 KN下游水平压力 下游垂直压力 (3)扬压力P=0.5x9.81x2.22=23.74 KNdP=0.5x9.8x2.2x2.2x0.8=18.97KN3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，q, 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。U 0.5 b (H H H) 0.5 13 9.81 (97.9 2.2 0.25 95.7) 4576.73KN 1 1 2U H b 0.25 9.81 95.7 13 3051.16KN2U 0.5 H (B b) 0.5