水工建筑物重力坝课程方案设计书.docx

1、水工建筑物重力坝课程方案设计书第一章 基本资料1.1 工程简况该河流自西向东汇入东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。罢职以上流域面积2761平方公里，流于境内为山区，平均海拔高度662M，最高峰达1921M，流域境内气候湿润，雨量充沛，属热带气候。径流主要来自降雨，小部分由地下水补给，每年4-9月份为汛期，其中5、6份为梅雨季节，河道坡道上上游陡下游缓，平均坡降6.32-0.97%，因河道陡，蓄水能力低，汇流快，有暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。流于境内，一以农林为主，森林繁茂，植被良好，水土流失不严重枢纽下游为谋省的主要农副业生产基地某平原。坝

2、址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处有省辖市一座。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是防洪、发电、灌溉、渔业养殖。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为三等工程，主坝为3级建筑物，其它建筑物按4级建筑物考虑。1.2 水文条件1.年径流：根据资料分析，坝址处的多年平均流量100m/s，多年平均总量为31.5m/s，年内分配很不均匀，主要集中在汛期4-9月份。丰水年时占全年80%，枯水年占20%。2.洪水：根据统计资料推算1000年一遇的浑水流量为11700m/s，5000年一遇的洪水14900m/s。施工期间各设计洪水频率流量见下表。频率时 段10-4月9-6

3、月10-3月11-6月11-2月12-2月备注5%208717721367136788482410%167314101072107265459620%127510457847844343323.固体流量及水库淤积：根据水文站实测资料分析，年固体径流量为331万吨，百年之后水库淤积高程115m。淤沙浮容重为8.5kn/m，内摩擦角10。4.其他。本坝址地震烈度为71.3 气象条件(1)气温：坝址处的多年气温为17.3，月平均气温5（一月份）、最高29（七月份)。实测极端气温-8.2（一月份）、最高气温40.6（七月份）。(2)湿度：年平均相对湿度为79%左右，其中六月份87%为最大，一月份72%

4、最小，日变化较大。(3)降雨量：坝址以上流域的年平均降雨量1860毫M，实测最大降雨量为2574毫M，最少降雨量1242毫M。雨量在年内分配不均，其中4-9月份占全年雨量的80%，5-6月份站全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。(4)蒸发量：坝址处多年平均蒸发量为1349毫M其中以七月份最大，月蒸发量为217毫M，二月份最少，月蒸发量为45.5毫M。(5)风向风力：实测最大风速为17M/分，风向西北偏西，吹程4.5公里，多年平均风速成为：汛期为12M/分，非汛期为13M/分。风行基本垂直坝轴线，吹程4公里。1.4 工程地质1、坝址工程地质（1）地貌：坝址河床宽度约100M。河底高程约10

5、0M，水深1-3M。河床覆盖层，厚度为5-10M左右。河谷近似梯形，两岸约40-60。（2）岩性及工程地质：坝基为花岗斑岩，分化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120-200MPa。坝址构造简单，无大的地质构造，缓倾角解理延伸短，整体滑动的可能行小。但陡倾角解理较发育，以构造解理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组解理。解理的倾角约35-90度（3）岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质表岩性或地质构造容重（KN/m）孔隙率（%）抗压强度（MPa）弹性模量（MPa）摩擦系数粘着力（MPa）泊松比（u）抗剪系数抗剪短系数干湿干饱和混凝土与基岩基岩内部混凝土与基岩基岩内部花岗斑岩27.328.

6、12.3210190220000.700.750.751.200.5（基岩与混凝土0.2解理面0.650.751.0（基岩内）（4）库区工程地质：库区岩性以火山岩和沉积岩为主，褶皱规模不大，均为背斜，两翼底层平缓，切不对称。有较大的断层两条，这些褶皱和断层成北东走向，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几十公里，断层单宽一M左右，个别达十M以上。断层破碎都已胶结。库区水文地质较简单，一裂隙水为主，地下分别水岭高程均高出库水位以上。1.5 建筑材料1、石料 坝区大部分为花岗岩，基岩埋省深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石也可利用由此筑坝石料极易解决。 2、 砂料 在坝下游勘探6个砂料场，最远

7、料厂离坝约9公里，以石英带料场为主，估计砂料储量430万方。经质量检测，砂料符合规范规定。坝址处缺乏筑坝材料。1.6 库区经济 库区出有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。耕地主要分布在小片盆地上，高山森林茂密。在正常蓄水位时，需迁移21444人，拆迁房屋19240间，淹没耕地面积16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的两座水电站（装机容量2210KW）共需赔偿费4120万元。本坝址上游左岸30公里处有铁路干线，车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县城相连对外交通较方便。本电站主要供应坝下游某平原的农村生产生活用电，比担负某电网的调峰任务。第2章工程总体布置工程等别及建筑物级别根

8、据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000），确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。该水利枢纽水电站装机容量为20千万时；工程建成后，可增加保灌面积50万亩，可以列为中等，属于等中型工程。保护某城镇和某平原，属于一般，属于等小（1）型工程。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：该水利枢纽水库工程等级为等中型工程。根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1级。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为3级，而洪水标准

9、不提高。第3章非溢流坝坝体设计3.1 剖面拟定3.1.1 剖面设计原则1、设计断面要满足稳定和强度要求；2、力求剖面较小；3、外形轮廓简单；4、工程量小，运用方便，便于施工。3.1.2 拟定基本剖面重力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31，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，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.60.8；底宽约为坝高的0.70

10、.9 倍。图3-1 重力坝的基本剖面图示3.1.3 拟定实用剖面一、确定坝顶高程1、超高值h 的计算（1）基本公式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，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差h，可由式（3-1）计算。h = h1% + hz + hc（3-1）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%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 采用,对于级工程，设计情况hc0.5m，校核情况hc0.4m。表31 坝的安全加高hc运用情况坝的级别12 3设计情况（基本情况）0. 70. 50. 4校

11、核情况（特殊情况）0. 50. 40. 3下面按官厅公式计算h1% ， hz。V0 为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。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17m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速13m/s。D 为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时为4.5km，设计洪水位时为4.5km，校核洪水位时为4km。波高hl，当gD/V02=20250 时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=2501000 时，为累计频率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，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1

12、.41。首先计算波浪高度hl和波浪长度L 和波浪中心线超出静水面的高度hz。（1）设计洪水位时h 计算风速采用50 年一遇的风速17m/s，吹程D=4.5km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166 V05/4 D1/3=0.946m波长L=10.4(h1)0.8 =9.48m壅高hz=hl2/L=0.285mgD/V02=152.595h1%=1.24h5%=1.17m ； hz = 0.31m ； hc = 0.5mh = h1% + hz + hc=1.98m（2）校核洪水位时h 计算风速采用多年平均风速13m/s，D=4km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166 V05/4

13、D1/3=0.65m波长L=10.4(h1)0.8 =7.37m壅高hz=hl2/L=0.18mgD/V02=231.95；h1%=1.41h10%=0.915m ； hz = 0.02m ； hc = 0.4mh = h1% + hz + hc=1.3365m2、坝顶高程计算坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值坝顶高程=设计洪水位+h 设坝顶高程=校核洪水位+h 校（3-5）根据以上两种水位时h 计算结果，得出两种状况下坝顶高程。（1）设计洪水位时的坝顶高程：坝顶=设计洪水位+h=186.64+1.98=188.62m（2）校核洪水位时的坝顶高程：坝顶=校核洪水位+h=189.60+

14、1.3365=190.9365m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值坝顶190.94m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为190.94m。二、确定坝基高程河床高程约100m，校核洪水位为189.60m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地质剖面图上量得大多在10m 以上），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。弱风化层厚5.56.5m，微风化层厚67m，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、

15、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。初步定出开挖深度7.5m，通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为82.5m。因此，最大坝高为108.44m，属于高坝。三、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。因无特殊要求，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10.8 M，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为11m，以满足大坝维修作业通行需要。四、拟定剖面尺寸根据规范SL319-2005规定，

16、非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。实体重力坝上游坝坡宜采用1010.2，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。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10.610.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。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最高库水位处，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

17、的形式。该形式为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。上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，百年后水库的淤积高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为165m 的位置。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.1，下游坝坡取1：0.75。五、坝底宽度拟定坝底宽度约为坝高的0.70.9 倍，本工程的坝高为108.44m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=87m。六、基础灌浆廊道尺寸拟定高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。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

18、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。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。初步拟定坝体形状剖面如图（3-2）所示。图3-2 非溢流坝段剖面尺寸图3.2 荷载计算及其组合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，常取1坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊

19、组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-2 所示。表3-2 荷载组合荷载组合主要考虑情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力地震荷载动水压力土压力基本组合（1）正常蓄水位情况（2）设计洪水位情况特殊组合（1）校核洪水位情况（2）地震情况注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工

20、期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。6.表中的“”表示应考虑的荷载。下面就各种情况计算相应荷载，计算示意图如下W12W2H1W2 W13W3 Pd H2 b3 U4H2H1U2 U3H1 U1图3-3 重力坝荷载计算示意图（1）自重W坝体自重的计算公式：W =Vc（kN）（3-6）式中 V坝体体积，3；由于取1坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3-3 所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；c坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的

21、重度为24kN/m3）四种情况下自重相同。W11=240.58.2582.5=8167.5kNW12=2411108.44=28628.16kNW13=240.589.59367.75=72839.109kNW1=W11+W12+W13=109634.769kN（2）静水压力P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。计算各种情况下的上下游水深：根据水力学公式式中：根据相关规范，C=1，m=0.49，1=1，s=1；溢流坝宽度10m，B=10m；H0 为堰上水头，堰顶高程与正常蓄水位平齐。（地震情况按正常蓄水位考虑）所得结果列表如下：表3-3 不

22、同情况下上下游水深特征水位上游水深H1 （m）下游水深H2（m）上下游水位差H(m)正常蓄水位101.7530.2171.54设计洪水位104.1431.6572.49校核洪水位107.133.074.1计算各种情况下静水压力：水平水压力PH 计算公式为：（3-8）式中：计算点处的作用水头，；w水的重度，常取9.81 kN3；垂直水压力PV按水重计算。a.正常蓄水位：上游水平水压力：PH1=Pu=50781.77kN （）下游水平水压力：PH2=Pd=4476.52kN （）上游垂直水压力：PV1=W2=1557.95kNPV2=W2”=3338.47kN下游垂直水压力：PV3=W3=3356

23、.28kNb.设计洪水位：上游水平水压力：PH1=Pu=53195.4kN （）下游水平水压力：PH2=Pd=4913.4kN （）上游垂直水压力：PV1=W2=1751.38kNPV2=W2”=3338.47kN下游垂直水压力：PV3=W3=3685.087kNc.校核洪水位：上游水平水压力：PH1=Pu=56262.36kN （）下游水平水压力：PH2=Pd=5341.545kN （）上游垂直水压力：PV1=W2=1990.94kNPV2=W2”=3338.47kN下游垂直水压力：PV3=W3=4006.16kN地震情况按正常蓄水位情况考虑。(3) 扬压力U根据规范，排水处扬压力折减系数：

24、=0.25,如图3-3 所示，将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。a.正常蓄水位：U1=1/210（71.54-0.2571.54）9.81=2631.78kNU2=9.810.2571.5410=1754.52kNU3=1/29.810.2571.5477=6754.896kNU4=9.8130.2187=25783.33kNU=U1+U2+U3+U4=36924.496kNb.设计洪水位：U1=1/210（72.49-0.2572.49）9.81=2666.73kNU2=9.810.2572.4910=1777.82kNU3=1/29.810.2572.4977=6844.596k

25、NU4=9.8131.6587=27012.33kNU=U1+U2+U3+U4=38301.476kNc.校核洪水位：U1=1/210（74.1-0.2574.1）9.81=2725.95kNU2=9.810.2574.110=1817.30kNU3=1/29.810.2574.177=6996.61kNU4=9.8133.087=28164.51kNU=U1+U2+U3+U4=39704.37kN地震情况按正常蓄水位计算。（4）泥沙压力Ps一般计算年限取50100 年，水平泥沙压力Ps为：式中：sb泥沙的浮容重，kN/m3；hs坝前淤沙厚度，；s淤沙的内摩擦角，( )。黄河流域几座水库泥沙取

26、样实验结果，浮容重为7.810.8kN/m3。淤沙以粉砂和砂粒为主时，s在2630之间。结合夕昌水库河流地质情况，本次设计取泥沙浮容重为8.8kN/m3，s取28。水库坝址处多年平均输沙量为4.38 万t，按30 年，全部淤积计算，总淤积量为4.3830=131.4 万t，约87.6 万m3，由ZV 曲线查得泥沙水位2897.5m。淤沙厚度58m。故泥沙压力为Ps=1/28.532.52tan2（45- 5）=3160.696kN（5）浪压力1.基本数据表3-4 浪压力计算基本数据表正常蓄水位设计洪水位校核洪水位计算风速V0(m/s)171713有效吹程D(m)450045004000重力加速

27、度g(m/s2)9.89.89.8水位高程(m)184.25186.64189.60坝基高程(m)82.582.582.5安全超高hc(m)0.50.50.4迎水面深度H(m)101.75104.14107.12.波浪要素计算及波态判别根据规范SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V020m/s 及DLm /2，属于深水波。b.设计洪水位：Lm=0.33117-1/2.15(9.84500/172)1/3.75202/9.8=10mh1%=1.172mhz=0.4313m因HLm /2，属于深水波。c.校核洪水位Lm=0.33113/2.15(9.840002)1/3.7513/9.8=7.393mh1%=0.8067mhz=0.2764m因HLm /2，属于深水波。3.波浪压力计算各种情况均按深水波计算浪压力，如图3-4 所示。图3-4 深水波浪压力分布浪压力计算公式为a.正常蓄水位：Pl=Lm(h1%+hz)/4=39.28kNb.设计洪水位：Pl=Lm(h1%+hz)/4=39.28kNc.校核洪水位：Pl=Lm(h1%+hz)/4=19.62kN地震情况按正常蓄水位计算。（6）地震荷载工程区地震烈度为7 度，设计时考虑水平向地震惯性力代表值Fi，按式（3-15）计算当设计烈度为7 度时，h取0.1g，一般取0.25，i为质点i 的动态分布系数，按式