TL混凝土重力坝设计.docx

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TL混凝土重力坝设计

网络教育学院

本科生毕业论文（设计）

题目：

TL混凝土重力坝设计

学习中心：

奥鹏远程教育

层次：

专科起点本科

专业：

水利水电工程

内容摘要

重力坝是一种古老而迄今应用很广的坝型，因主要依靠自重维持稳定而得名。

重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。

在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重。

本次设计为TL混凝土重力坝设计，设计的准备工作主要包括基本资料的分析、坝型选择和枢纽布置。

设计的主要内容首先是进行坝体的设计，进行坝型选择，设计采用混凝土重力坝方案，设计内容包括挡水坝段的设计，溢流坝段的设计，底孔坝段的设计等。

然后是细节构造与坝基处理，有坝基清理、坝基加固、坝基防渗及坝基排水设计、断层处理等。

关键词：

水利工程；混凝土重力坝；剖面设计；荷载计算；应力分析

引言

重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石，整体是由若干坝段组成。

重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

重力坝便于泄洪和施工导流、对地形、地质条件适应性好，混凝土重力坝需要温控散热措施，材料强度不能充分发挥，受扬压力影响大；重力坝按筑坝材料的不同分为:

混凝土重力坝和浆砌石重力坝。

重力坝按其结构形式分为:

①实体重力坝;②宽缝重力坝;③空腹重力坝。

重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。

在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。

重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。

据统计,在各国修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。

早在公元前2900年埃及便在尼罗河上修建了一座高15m、顶长240m的浆砌石重力坝。

19世纪以前，重力坝基本上都采用毛石砌体修建，19世纪后期由于新材料出现才逐渐采用混凝土筑坝。

随着筑坝技术、设计理论的提高，高坝不断增多，1962年瑞士建成了世界上最高的大狄克逊重力坝，最大坝高为285m。

20世纪80年代后，碾压混凝土技术开始应用于重力坝，使重力坝发展步伐脚步加快。

在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重,在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。

重力坝之所以得到广泛应用,是由于有以下优点:

①相对安全可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强;②设计、施工技术简单，易于机械化施工;③对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对来说不太高;④在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。

重力坝的缺点是:

①坝体应力较低，材料强度不能充分发挥;②坝体体积大，耗用水泥多;③施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。

本文通过对基本资料的分析，综合考虑各种因素对坝型、坝址；挡水建筑物；坝体细部结构以及地基处理等方面的进行了简要说明。

内容安排如下：

第一章介绍了选取的重力坝的基本设计资料，包括流域概况、地形地质、建筑材料、水文和气象条件等等；第二章对坝型和坝址的选择进行了阐述；第三章对混凝土重力坝挡水建筑物的计算过程和计算结果，绘制了非溢流坝剖面图；第四章介绍了重力坝的坝顶细部构造；第六章对重力坝的基础开挖、帷幕灌浆等等基础处理方法进行了介绍；最后给出本文的结论。

1设计资料

1.1某重力坝基本资料

1.1.1流域概况

某水利枢纽位于某河上游，全河流域面积，流向自北向南，干流的平均比降为。

流域内多石山，小部分为丘陵，水土流失不严重。

本枢纽工程是以发电为主兼顾灌溉和供水的综合利用工程，水库的总库容为，发电引水高程为，最大引水流量为，发电装机容量4万kW。

灌溉下游左岸耕地2.5万km2，灌溉最大引水流量，引水高程。

1.1.2地形地质

坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、微风化及覆盖层。

河槽高程为，河槽处为半风化的花岗岩，风化层厚度为，基岩具有足够的抗压强度，岩体较完整，无特殊不利地质构造。

两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般，风化层厚，坝址两岸均为花岗岩，岩石坚硬，裂隙不发育。

坝基的力学参数：

抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为。

基岩的允许抗压强度。

地震的基本烈度为6度。

河流泥沙计算年限采用50年，坝前淤沙高程为345m，泥沙的浮重度为，内摩擦角为。

坝体混凝土重度采用。

1.1.3建筑材料

砂料、卵石在坝址上、下游均有，坝址下游以内砂储量丰富，可供建筑使用。

1.1.4水文条件

坝址以上控制集雨面积，多年平均流量，平均年径流量。

水文水利规划成果如下：

上游设计洪水位为385.4m，相应的下游水位334.3m，库容为，溢流坝相应的泄量为；上游校核洪水位为386.7m，相应的下游水位为335.2m，库容为，溢流坝相应的泄量为；上游正常高水位为383.5m，相应的下游水位为331.7m，库容为；死水位为350m，相应的库容为。

淤沙高程为345m，相应的库容为。

1.1.5气象条件

本地区洪水期多年平均最大风速14m/s，水库的风区长度为2.6km。

1.2某重力坝工程综合说明

根据工程的效益、库容确定本工程属于Ⅲ等工程，其主要建筑物为3级。

次要建筑物为4级，临时性建筑物为5级。

本工程是以发电为主的综合利用工程，溢流坝段应布置在主河槽处，冲沙孔应布置在电站进水口附近，另外电站布置应考虑地形、交通及电站附属建筑物布置等条件。

本枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物组成。

电站为坝后式，该重力坝由18个坝段组成，每个坝段的长度大约为15m，从右岸至左岸依次为：

1号-6号坝段为挡水坝段，7号、8号坝段为溢流坝段，9号、10号坝段为底孔坝段，11号-18号坝段为左岸挡水坝段，该坝的坝基面最低高程为327.0m，坝顶高程为386.7m，最大坝高为59.7m，坝体总长为277.5m。

枢纽工程布置见图1-1，主要技术指标见表1-2。

图1-1枢纽工程布置

表1-2主要技术指标

序号

项目

单位

数量

序号

项目

单位

数量

流域面积

km2

3200

校核洪水位时最大泄量

m3/s

1680

装机容量

万kw

坝顶长度

277.5

灌溉面积

万hm2

2.5

最大坝高

59.7

校核洪水位

386.7

坝顶高程

386.7

设计洪水位

385.4

溢流堰顶高程

376.4

正常高水位

383.5

电站进水口中心线高程

348.5

死水位

350

坝段总数

个

淤沙高程

345

总库容

万m3

1200

设计洪水位时最大泄量

m3/s

1250

2坝型及坝址选择

2.1坝型选择

由基本资料知，水库的总库容为，发电引水高程为，最大引水流量为，发电装机容量4万kW。

灌溉下游左岸耕地2.5万km2，灌溉最大引水流量，引水高程。

TL水库坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、微风化及覆盖层。

河槽高程为，河槽处为半风化的花岗岩，风化层厚度为，基岩具有足够的抗压强度，岩体较完整，无特殊不利地质构造。

两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，厚度一般，风化层厚，坝址两岸均为花岗岩，岩石坚硬，裂隙不发育。

根据本地区的气象特点及坝址区地形、地质条件的实际情况，首先考虑土重力坝、土石坝、拱坝三种基本坝型。

（1）从地质上看，重力坝是用混凝土或石料等材料修筑，主要依靠坝身自重保持稳定的坝，对地形、地质适应性强。

任何形状的河谷都可以修建重力坝。

在地基上也可修建高度不高的重力坝。

拱坝坝体的稳定主要依靠两岸拱段的反力作用，不像重力坝那样依靠自重维持稳定，因此拱坝对坝址的地形地质条件要求较高，对地基要求也较严格。

再者由于左右岸岩性不均一，不适于建拱坝。

土石坝能适应不同的地形、地质和气候条件。

除极少数例外，几乎任何不良地基，经处理后均可建设土石坝，但因洪水泄量及导流河度汛流量大的特点，不适合修建土石坝。

顾考虑地质条件以修建混凝土重力坝较为适宜。

（2）从地形条件上看，河谷狭窄，地质条件良好适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石砂砾等当地材料储量丰富适宜修建土石坝。

由于坝址处河床狭窄但地质条件较差，且左右岸岩性不均一，不适于建拱坝，若是修建拱坝，开挖量较大，不符合经济效益。

同时在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。

因洪水泄量及导流河度汛流量大的特点，坝址处不适宜修建土石坝。

故此处修建重力坝最为适宜。

（3）从筑坝材料考虑，土石坝可用任何土石料筑坝，坝址附近有足够的符合要求的天然建筑材料，可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，以减少工地的外线运输量。

重力坝和拱坝因建坝材料的不同可分为多种类型，但都不及土石坝，能就地取材。

经综合考虑，选择混凝土重力坝比较合适。

2.2坝址选择

根据基本资料中坝址的地质、地形、施工条件，通过定性分析，确定坝轴线位置。

在遵循枢纽布置一般原则的前提条件下，从若干具有有代表性的枢纽布置方案中选择一个技术上可行、经济上合理、运用安全、施工期短、管理维修方便的最优方案是一个反复优化的过程。

需要对各个方案进行具体分析、全面论证、综合比较而定。

溢流坝的位置应与河床主流方向一致，以使过流通畅，避免下泄水流发生旋涡和产生折冲水流现象。

3挡水建筑物设计

3.1非溢流坝剖面设计

重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。

在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。

3.1.1坝顶高程的拟定

设计过程包括：

坝顶高程分别按设计和校核两种情况，用以下公式进行计算：

波浪要素按官厅公式计算。

公式如下：

—计算风速，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，；

D—风区长度，m；

L—波长，m。

H—坝前水深，m。

库水位以上的超高：

式中：

—波浪高度，m；

—波浪中心线超出静水位的高度，m；

—安全超高，m，可以在下表3-1中查找；

表3-1非溢流坝坝顶安全超高值

水工建筑物安全级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

（水工建筑物级别）

（1）

（2、3）

（4、5）

设计情况

0.7

0.5

0.4

校核情况

0.5

0.4

0.3

注：

单位（m）

官厅公式适用于。

（1）在设计洪水位情况下计算：

已知=21m/s，D=2.6km，g=9.81，根据公式求得：

h1==1.03m

===10.67m

=，因H＞L,≈1，===0.31m

由于本工程属于Ⅲ等工程，其主要建筑物为3级。

次要建筑物为4级，临时性建筑物为5级，根据《非溢流坝坝顶安全超高值》表格中得，所以设计安全超高取0.5，校核取0.4。

库水位以上的超高：

=1.03+0.5+0.31=1.84m

坝顶或防浪墙顶高程=静水位+=385.4+1.84=387.24m

（2）在校核洪水位情况下计算：

已知=14m/s，D=2.6km，g=9.81，根据公式求得：

h1==0.62m

===7.1m

=，因H＞L,≈1，===0.17m

库水位以上的超高：

=0.62+0.4+0.17=1.19m

坝顶或防浪墙顶高程=静水位+=386.7+1.19=387.89m

以上两种情况下取最大值387.89m，并取防浪墙高度1.2m。

坝顶高程=坝顶或防浪墙顶高程－防浪墙高度=387.89－1.2=386.69m。

计算成果见表3-2。

表3-2坝顶高程计算成果

计算情况

风速v（m/s）

波高（m）

波长（m）

风壅水面高度（m）

安全加高（m）

静水位以上的超高（m）

坝顶高程（m）

设计情况

1.03

10.67

1.842

0.5

0.312

386.69

校核情况

0.62

7.1

1.19

0.4

0.17

3.1.2坝顶宽度的拟定

最大坝高=坝顶高程-坝基面最低高程=386.69-327=59.7m

坝顶宽度B=最大坝高×（8%~10%）=4.78~5.97m。

为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。

一般地，坝顶宽度取最大坝高的，且不小于。

所以坝顶宽度取5m。

3.1.3坝坡的拟定

考虑坝体利用部分水重增加其抗滑稳定，根据工程实践，上游边坡系数，下游边坡系数。

在本次设计中上游边坡系数取n=0.1，下游边坡系数取m=0.75。

3.1.4上、下游起坡点位置的确定

上游起坡点位置应结合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来确定，一般起坡点在坝高的附近。

下游起坡点的位置应根据坝的实用剖面型式、坝顶宽度，结合坝的基本剖面计算得到（最常用的是其基本剖面的顶点位于校核洪水位处）。

由于起坡点处的断面发生突变，故应对该截面进行强度和稳定校核。

上游折坡点高程为347m，下游折坡点高程为380m。

根据以上几个方面，初拟非溢流重力坝实用剖面如下图3-3所示。

图3-3非溢流重力坝实用剖面

3.2荷载计算及组合

重力坝承受的荷载主要有：

自重，静水压力，动水压力，扬压力，泥沙压力，浪压力及其地震荷载。

图3-4重力坝荷载计算示意图

3.2.1自重

坝体自重的计算公式：

式中—坝体体积，，由于取坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图所示的若干个简单的几何图形分别计算。

—坝体混凝土的重度，一般取。

本次计算取24KN/m3

W=W1+W2+W3

3.2.2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和垂直水压力两种。

计算公式为：

式中：

—计算点处的作用水头，；

—水的重度，常取。

（1）设计洪水位情况下

水平水压力：

=PH1+PH2==16990.2KN

垂直水压力：

PV=Pv1+Pv2+Pv3==1145.65KN

（2）校核洪水位情况下

力水平水压力=PH1+PH2==17811.6KN

垂直水压力：

PV=Pv1+Pv2+Pv3==1222.47KN

3.2.3扬压力

扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。

渗透压力是由上下游水位差产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游水面淹没计算截面而产生向上的水压力。

扬压力的分布与坝体结构、上下游水位、防渗排水等因素有关。

下面以坝基面上的扬压力计算为例来说明，坝踵处的扬压力强度为，坝趾处的扬压力强度为，排水孔幕处的渗透压力为（为扬压力折减系数，河床坝段，岸坡坝段。

扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。

只要把扬压力分布图画正确，扬压力就不难计算了。

（1）设计洪水位情况下

U1=9.81×46.75×7.3×1=3347.9KN

U2=9.81×0.25×51.1×5×1=626.6KN

U3=KN

U4=939.9KN

（2）校核洪水位情况下

U1=9.81×46.75×8.2×1=3760.7KN

U2=9.81×0.25×51.4×5×1=630.3KN

U3=KN

U4=945.4KN

3.2.4泥沙压力

一般计算年限取年，水平泥沙压力为：

式中—泥沙的浮重度，；

—坝前淤沙厚度，m；

—淤沙的内摩擦角，（）。

竖直方向的泥沙压力按作用面上的淤沙重量（按淤沙的浮重度）计算。

由上述材料可知，河流泥沙计算年限采用50年，坝前淤沙高程为345m，泥沙的浮重度为，内摩擦角为。

坝体混凝土重度采用。

=1/2×9.5×182×tan2（45°-12°/2）=1009.6KN

=1/2×9.5×18×（18×0.2）×1=307.8KN

3.2.5浪压力

当时，可假定浪顶及水深等于处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，并呈三角形分布，如下图所示。

图3-5浪压力分布图

因H＞L，即采取下式计算浪压力标准值：

（1）、设计洪水位情况下：

hl1%=1.24hl=1.24×1.03=1.28m

=0.25×9.81×10.67×（1.28+0.312）=41.66KN

浪压力对坝底中点的力矩为：

y1=58.4-0.5×10.67+1/3（10.67/2+1.28+0.312）=55.37m

y2=58.4-10.67/3=54.84m

M1=0.25×9.81（10.67/2+1.28+0.312）×10.67×55.37-1/2×9.81

×（10.67/2）^2×54.84=2380.69KN.M

（2）、校核洪水位情况下：

hl1%=1.24hl=1.24×0.62=0.77m

=0.25×9.81×7.1×（0.77+0.17）=16.37KN

y1=59.7-0.5×7.1+1/3（7.1/2+0.77+0.17）=57.65m

y2=59.7-7.1/3=57.33m

M1=0.25×9.81（7.1/2+0.77+0.17）×7.1×57.65-1/2×9.81（7.1/2）^2

×57.33=963.4KN.M

3.2.6荷载组合

荷载组合可分为基本组合和偶然组合，它们分别考虑的荷载见下表3-6，表3-7。

表3-6重力坝荷载组合

设计情况

荷载作用

自重

静水压力

扬压力

泥沙压力

浪压力

冰压力

动水压力

土压力

地震力

基本组合

正常蓄水情况

设计洪水情况

偶然组合

冰冻情况

校核洪水情况

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）表中的“+”表示应考虑的荷载，“0”表示不考虑的荷载。

表3-7荷载作用的分项系数

序号

作用类别

分项系数

序号

作用类别

分项系数

自重（永久作用）

1.0

浪压力（可变作用）

1.2

水压力（可变作用）

冰压力（可变作用）土压力（永久作用）

1.11.2

（1）静水压力

1.0

（2）动水压力

1.1

扬压力

未规定的永久作用对结构不利

1.05

（1）渗透压力

1.2

未规定的永久作用对结构有利

0.95

（2）浮托力

1.0

未规定的不可控制可变作用

1.2

淤沙压力（永久作用）

1.2

未规定的可控制可变作用

1.1

3.2.7．荷载计算成果

荷载计算成果分为表3-8设计洪水位（荷载）作用标准值、设计值计算表和表3-9校核洪水位（荷载）作用标准值、设计值计算表。

（注：

表中荷载作用标准值与作用设计值中，自重、水平压力、垂直水压力、泥沙压力、浪压力及扬压力数据均由3.2.1自重W、3.2.2静水压力、3.2.3扬压力、3.2.4泥沙压力、3.2.5浪压力计算得出，因此在表中不进行列式分析计算。

）

表3-8设计洪水位（荷载）作用标准值、设计值计算表

（荷载）作用（分项系数）

作用标准值

作用设计值

对截面形心的力臂L（m）

力矩标准值M（KN.m）

力矩设计值M（KN.m）

垂直力

水平力

垂直力

水平力

↙＋

↘-

↙＋

↘-

↓

↑

→

←

↓

↑

→

←

自重（1.0）

480

23.4-2/3×2=22.07

10593.6

7164

23.4-（2+2.5）=18.9

135399.6

25281

23.4-2/3×39.75=-3.1

78371.1

水平压力（1.0）

PH1

16728.8

1/3×58.4=19.47

325709.74

PH2

261.39

1/3×7.3=2.43

635.18

垂直水压力（1.0）

PV1

753.408

23.4-（1/2）×2=22.4

16876.34

PV2

196.2

23.4-（1/3）×2=22.73

4459.63

PV3

196.04

23.4-（1/3）×5.475=21.575

4229.563

泥沙压力（1.2）

PSKH

1009.6

1211.52

（1/3）×18=6

6057.6

7269.12

PSKV

307.8

369.36

23.4-（1/3）×18×0.2=22.2

6833.16

8199.79

浪压力（1.2）

PWK

41.66

49.99

MWK

y1=55.37,y2=54.84

2380.69

2856.83

小计

34378.4

17780.1

261.39

34440.01

17990.3

261.39

174797.5

416748.69

176164.1

418436.353

↓34378.45

→17518.67

↓34440.01

→17728.92

-↘241951.193

-↘242272.3

扬压力

浮托力U1（1.0）

3347.9

渗透力U2（1.2）

626.6

751.9

23.4-5/2=20.9

13095.94

15715.13

渗透力U3（1.2）

2616.1

3139.3

23.4-（2/3）×41.75=-4.43

11589.32

13907.18

渗透力U4（1.2）

939.8

1127.76

23.4-（1/3）×5=21.73

20421.854

24506.22

小计

7530.4

8366.86

45107.114

54128.53

↑7530.4

↑8366.86

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