水工建筑物重力坝课程方案设计书.docx

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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月

10-3月

11-6月

11-2月

12-2月

备注

5%

2087

1772

1367

1367

884

824

10%

1673

1410

1072

1072

654

596

20%

1275

1045

784

784

434

332

3.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7

1.3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%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100M，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

27.3

28.1

2.3

210

190

22000

0.70

0.75

0.75

1.20

0.5（基岩与混凝土

0.2

解理面

0.65

0.75

1.0（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Ⅲ等中型工程。

保护某城镇和某平原，属于一般，属于Ⅳ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Ⅲ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=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9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Δh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Δh，可由式（3-1）计算。

Δh=h1%+hz+hc（3-1）

Δh—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3－1采用,对于Ⅲ级工程，设计情况hc＝0.5m，校核情况hc＝0.4m。

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）

0.7

0.5

0.4

校核情况（特殊情况）

0.5

0.4

0.3

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=20～250时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000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1.41。

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Δh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=0.0166V05/4D1/3=0.946m

波长L=10.4（h1）0.8=9.48m

壅高hz=πhl2/L=0.285m

gD/V02=152.595

h1%=1.24h5%=1.17m；hz=0.31m；hc=0.5m

Δh=h1%+hz+hc=1.98m

（2）校核洪水位时Δh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=0.0166V05/4D1/3=0.65m

波长L=10.4（h1）0.8=7.37m

壅高hz=πhl2/L=0.18m

gD/V02=231.95；

h1%=1.41h10%=0.915m；hz=0.02m；hc=0.4m

Δh=h1%+hz+hc=1.3365m

2、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+Δh设

坝顶高程=校核洪水位+Δh校（3-5）

根据以上两种水位时Δh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+Δh

=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+Δh

=189.60+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5.5～6.5m，微风化层厚6～7m，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、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10.8M，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，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1∶0～1∶0.2，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1∶0.6～1∶0.8；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0.7～0.9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2.5～3m，高为3～4m，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3.0×3.5m，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0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m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1ｍ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

W12

W2’

H1W2’W13W3

PdH2

b3

U4γH2

γH1U2U3αγH1

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=Vγc（kN）（3-6）

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3-3所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；

γc——坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）

四种情况下自重相同。

W11=24×0.5×8.25×82.5=8167.5kN

W12=24×11×108.44=28628.16kN

W13=24×0.5×89.593×67.75=72839.109kN

W1=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，ε1=1，σs=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

101.75

30.21

71.54

设计洪水位

104.14

31.65

72.49

校核洪水位

107.1

33.0

74.1

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：

Ｈ—计算点处的作用水头，ｍ；

γw—水的重度，常取9.81kN／ｍ3；

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’=1557.95kN

PV2=W2”=3338.47kN

下游垂直水压力：

PV3=W3=3356.28kN

b.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’=1751.38kN

PV2=W2”=3338.47kN

下游垂直水压力：

PV3=W3=3685.087kN

c.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’=1990.94kN

PV2=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：

α=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=1/2×10×（71.54-0.25×71.54）×9.81=2631.78kN

U2=9.81×0.25×71.54×10=1754.52kN

U3=1/2×9.81×0.25×71.54×77=6754.896kN

U4=9.81×30.21×87=25783.33kN

U=U1+U2+U3+U4=36924.496kN

b.设计洪水位：

U1=1/2×10×（72.49-0.25×72.49）×9.81=2666.73kN

U2=9.81×0.25×72.49×10=1777.82kN

U3=1/2×9.81×0.25×72.49×77=6844.596kN

U4=9.81×31.65×87=27012.33kN

U=U1+U2+U3+U4=38301.476kN

c.校核洪水位：

U1=1/2×10×（74.1-0.25×74.1）×9.81=2725.95kN

U2=9.81×0.25×74.1×10=1817.30kN

U3=1/2×9.81×0.25×74.1×77=6996.61kN

U4=9.81×33.0×87=28164.51kN

U=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50～100年，水平泥沙压力Ps为：

式中：

γsb——泥沙的浮容重，kN/m3；

hs——坝前淤沙厚度，ｍ；

Φs——淤沙的内摩擦角，（°）。

黄河流域几座水库泥沙取样实验结果，浮容重为7.8～10.8kN/m3。

淤沙以粉砂和砂粒为主时，φs在26°～30°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，φs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4.38×30=131.4万t，约87.6万m3，由Z～V曲线查得泥沙水位2897.5m。

淤沙厚度58m。

故泥沙压力为

Ps=1/2×8.5×32.52×tan2（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）

17

17

13

有效吹程D（m）

4500

4500

4000

重力加速度g（m/s2）

9.8

9.8

9.8

水位高程（m）

184.25

186.64

189.60

坝基高程（m）

82.5

82.5

82.5

安全超高hc（m）

0.5

0.5

0.4

迎水面深度H（m）

101.75

104.14

107.1

2.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V0<20m/s及D<20km）：

h——当gD/V02=20～250时，为累积频率5%的波高h5%；

当gD/V02=250～1000时，为累积频率10%的波高h10%

Lm——平均波长（m）；

波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算：

平均波长按下式计算：

a.正常蓄水位：

Lm=0.331V0-1/2.15（gD/V02）1/3.75×V02/g

=0.331×17-1/2.15（9.8×4500/172）1/3.75×172/9.8=10m

hl=0.0076V0-1/12（gD/V02）1/3×V02/g

=0.0076×17-1/12（9.8×4500/172）1/3×172/9.8=0.945m

h1%=1.24×h5%=1.172m

hz=3.14×1.242/10.44=0.4313m

因H>Lm/2，属于深水波。

b.设计洪水位：

Lm=0.331×17-1/2.15（9.8×4500/172）1/3.75×202/9.8=10m

h1%=1.172m

hz=0.4313m

因H>Lm/2，属于深水波。

c.校核洪水位

Lm=0.331×13/2.15（9.8×40002）1/3.75×13/9.8=7.393m

h1%=0.8067m

hz=0.2764m

因H>Lm/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=γLm（h1%+hz）/4=39.28kN

b.设计洪水位：

Pl=γLm（h1%+hz）/4=39.28kN

c.校核洪水位：

Pl=γLm（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，αh取0.1g，ξ一般取0.25，αi为质点i的动态分布系数，按式