重力坝设计例题

1、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。抗剪断强度取其分布的 0.2 分位值为标准值，则摩擦系数 =0.82，凝聚 ckf力 =0.6MPa。 ckc3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=0.9km。坝体混凝土重度 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，fck

2、d 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。2（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级，相应结构重要性系数 0=1.0。坝体上的荷载分两种组合，基本组合（设计洪水位）取持久状况对应的设计状况系数 =1.0，结构系数 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 =0.85，结构系数 d =1.2。坝趾抗压强度极限3状态的设计状况系数同前，结构系

3、数 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 1.35；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；热扎级钢筋强度分项系数为1.15；、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为 1.3，凝聚力 为 3.0。上游坝踵不出现拉应力 ckf ckc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。

4、（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81. 930 3090081. 9300076. 00076. 02 3121212 0312 01210）（）（gvvgDvhl=0.00760.75322.140791.7431=1.124（m）波长481. 930 3090081. 930331. 0331. 02 75. 31215. 212 075. 312 015. 210）（）（gvvgDvL=0.3310.20561.838491.7431=11.478（m）波浪中心线至计算水位的高度：因 HL，cth1LHcthLhhl z22 LH2（m）346. 0478.11124. 114. 322 Lhhl zh=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 81. 915 1590081. 9150076.

5、 00076. 02 3121212 0312 01210）（）（gvvgDvhl=0.00760.79803.397022.93580.473（m）波长81. 915 1590081. 915331. 0331. 0 2 75. 31215. 212 075. 312 015. 210）（）（gvvgDvL5= 0.3310.28382.660722.9358=5.733（m）波浪中心线至计算静水位的高度：（m）123. 0733. 5473. 014. 322 Lhhl zh=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357.296-1.2-0.1356.0m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，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为坝高，该工程拟折坡点

6、高程为3231346.0m，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6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 H1 ，排水孔中心线上为（H2+H） ，

7、坝趾处为 H2。 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=sbhs2tg（45- 21） 。2s5浪压力 坝前水深大于波长（HL/2）采取下式计算浪压力标准21值：Pwk=wLm（hl+hz）41荷载作用标准值和设计值成果如下表 7(荷载)作用标准值、设计值计算表作用标准值作用设计值垂直力水平力垂直力水平力力矩标准值 M(KN.m)力矩设计值 M(KN.m)(荷载)作用(分项系数)计算公式对截面形心的力臂 L(m)+-+-W1（1/2)42024196096013.25-(2/3)4=10.5810156.8010156.80W25302413600360013.25-(4+2.5)=6.7524300.0024300.00自重 (1.0) W3(1/2)17.523.32414893489313.25-(2/3)17.5=1.587730.947730.94PH1(1/2)9.8129214125.114125.11(1/3)29=9.6739889.81

8、39889.81水平压力(1.0)PH2(1/2)9.81521122.63122.63(1/3)5=1.67204.79207.79PV19.81491353.16353.1613.25-2=11.253973.053973.05PV2(1/2)9.814201392.40392.4013.25-(1/3)4=11.924677.414677.41垂直水压力(1.0)PV3(1/2)9.813.755191.9791.9713.25-(1/3)3.75=12.1103.641103.64PSKH(1/2)6.511.12tg2(45- 18/ 2)211.37253.64(1/3)11.1=3.7782.08938.48泥沙压力(1.2)PSKV(1/2)6.511.1(11.10.2) 180.0996.1113.25- (1/3)11.10.2=12.511001.931202.34PWK(1/4)9.8111.478(1.124+0.3 46)41.3849.66浪压力(1.2)MWK(Y1/2)0.987.2095.739- (Y2/2)9.815.7392=5208.04-

9、 4066.9=1141.14Y1=29- 5.739+(1/3)7.209=25.66 4Y2=29- (2/3)5.739=25.1741141.141369.3710370.624377.86122.6310386.644428.41122.6344313.9850647.6144514.3951032.24小计 10370.624255.2310386.644305.78-6333.63-6517.85浮托力 U1(1.0)9.8126.5511299.831299.83000U29.810.25246.81400.25480.3013.25-3.4=9.853942.464730.95U3(1/2)9.810.252419 .71579.77695.7213.25-(6.8+6.57)=-0.1269.5783.48扬压 力渗透 力(1.2) U4(1/2)9.81(24- 240.25) 6.81600.37720.4413.25-(1/3)6.8=10.986594.067912.878小计2880.223196.2969.5710536.5283.4812643.829 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0=1.0；=1.0，d=1.2；fd=0.82/1.3=0.6308；cd=600/3=200.00kP 0S（）=0（H12 - H22+Pwk+Pskh）21 21=11（4125.11-122.63+49.66+253.64）=4305.78（kN）R（）=（fdW+CdA）d1d1=（0.63087190.35+200.0026.51）2

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