重力坝课程设计.docx
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重力坝课程设计
班级：
水利水电工程
（1）班
姓名：
学号：
指导老师：
完成时间：
2013年6月15号
目录
设计说明书
1基本资料及设计数据………………………………………………………………4
1.1基本资料………………………………………………………………………4
1.1.1概况………………………………………………………………………4
1.1.2枢纽任务…………………………………………………………………4
1.1.3地形，地质概况…………………………………………………………4
1.1.4水文，气象概况…………………………………………………………4
1.2设计数据………………………………………………………………………5
2重力坝设计…………………………………………………………………………5
2.1工程等别及建筑物级别的确定………………………………………………5
2.2剖面设计………………………………………………………………………5
2.2.1剖面设计原则……………………………………………………………6
2.2.2基本剖面设计……………………………………………………………7
2.2.3实用剖面设计……………………………………………………………7
2.2.3.1坝顶宽度，坝底宽度………………………………………………8
2.2.3.2坝顶高程……………………………………………………………9
2.2.3.3坝底高程……………………………………………………………9
2.3稳定设计………………………………………………………………………10
2.3.1沿坝基面的抗滑稳定分析………………………………………………10
2.3.2深层抗滑稳定分析………………………………………………………10
2.3.3岸坡坝段的抗滑稳定分析………………………………………………10
2.4应力分析………………………………………………………………………12
2.4.1分析目的…………………………………………………………………12
2.4.2分析方法…………………………………………………………………12
2.4.3单一安全系数法…………………………………………………………12
2.5构造设计………………………………………………………………………13
2.5.1横缝………………………………………………………………………13
2.5.2纵缝………………………………………………………………………13
2.5.3坝体排水…………………………………………………………………13
2.5.4廊道系统…………………………………………………………………13
2.5.4.1坝基灌浆廊道………………………………………………………13
2.5.4.2检查和坝体排水廊道………………………………………………13
2.5.5坝顶………………………………………………………………………13
2.6地基处理………………………………………………………………………14
2.6.1坝基的开挖与清理………………………………………………………14
2.6.2坝基的固结灌浆…………………………………………………………14
2.6.3帷幕灌浆…………………………………………………………………14
2.6.4坝基排水…………………………………………………………………14
2.7溢流重力坝和泄水孔的孔口设计……………………………………………14
2.7.1泄水方式…………………………………………………………………14
2.7.2孔口设计…………………………………………………………………15
2.7.2.1洪水标准……………………………………………………………15
2.7.2.2孔口型式……………………………………………………………15
2.7.2.3孔口尺寸……………………………………………………………15
2.7.2.4闸门和启闭机………………………………………………………16
2.7.2.5闸墩和工作桥………………………………………………………16
2.7.3溢流面体形设计…………………………………………………………16
2.7.3.1顶部曲线段…………………………………………………………16
2.7.3.2反弧段………………………………………………………………16
2.7.3.3中间直线段…………………………………………………………17
2.7.3.4剖面设计………………………………………………………………17
2.7.4消能防冲设计……………………………………………………………17
设计说明书
1基本资料及设计数据
1.1基本资料
1.1.1概况
驿前河是抚河，源区支流，源出赣闽边界武夷山脉西麓的广昌驿前镇梨木庄，流域面积474平方公里（赤水以上），赤水以下至南城段为抚河中上游段，称为旴江，南城以下为抚河中下游主流，杨溪水库坝址位于驿前河杨溪附近，坝址以上流域面积为138平方公里，主河道长27.8公里，平均比降0.0082。
1.1.2枢纽任务
枢纽主要任务以灌溉发电为主，并结合防洪，航运，养鱼及供水等任务进行开发。
1.1.3地形，地质概况
1）地形情况：
库区内地形三面环山，地势西南高，北部低，其中以西南部河流发源地灵花仙山山峰最高达991米（黄河标高，后同）库区河流大致为自西南向东再转向北，流域面积范围在东经116º15′至116º22′，北纬26º31′至26º36′之间。
2）区域地质情况：
广昌县杨溪电站在大地构造上处武夷山地背斜的西北翼，属于我国东部地区新华厦构造体系，构造线大致呈北东方向，发育走向北北东的褶皱系和断裂带。
根据江西——福建等震线图，本区的地震烈度为六度。
区内出露的岩性主要有前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩及零星的第四纪覆盖物。
3）库区工程地质条件：
库区出露地层为前震旦系的变粒岩和加里东期的混合花岗岩，此外零星分布的厚度很小的冲击沙，卵，石层及坡亚粘沙土层。
库区仅见驿前大断层通过，但远离坝区，此断层为压扭性断裂，破碎带挤压紧密，且被第四纪坡残土层覆盖，因此不成为库区渗漏通道。
此外，库区主要有变粒岩和混花岗岩组成，岩石渗透性小，四周山体雄厚，又无大的临谷，故库区无渗漏之虑。
库区尚未发现大的滑坡，坍塌，大的崩塌堆集等不良的物理地质现象，山坡是稳定的。
建坝不后不致产生大的边岸再造问题。
库区植被发育，水土保持良好，固体径流来源不丰富，因此，库区淤积问题不致严重。
此外，库区除了下陌村及部分田外，尚无有价值的矿产资源和文物古籍被淹没，故淹没损失小。
1.1.4水文，气象概况
1）降水量：
每年平均降水量1720毫米，实测最大年降水量2336毫米（1957年），年最小降水量1140.2毫米（1971年），降水量年分配不均匀，主要集中在3——6月，约占全年降水量的62%。
2）气温：
每年平均气温为18度,实测极端最高温度40度（1983年8月），极端最低气温-9.8度（1955年1月），月平均最高气温30度（1983年7月），月平均最低气温2.3度（1977年1月）。
3）蒸发：
多年平均蒸发量1504.9毫米，月最大蒸发量309.7毫米（1956年7月），月最小蒸发量22.4毫米（1957年2月）。
4）湿度：
多年平均相对湿度80%，月最小相对湿度8%。
5）风速及风向：
多年平均风速1.8米/秒，多年最大风速20米/秒，相应风向为南风。
6）日照：
多年平均时数为1828.5小时，无霜期多年平均为273天。
1.2设计数据
（1）杨溪水库的设计洪水位为236.26米，校核洪水位为237.17米，下游水位高分别为189.69、190.6米。
（2）风速及吹程：
由基本资料可知，多年平均最大风速为1.8米/秒，洪水期的多年平均最大风速为20米/秒，吹程为1.2KM。
（3）坝顶高程的确定：
设计水位和校核水位均进行计算，取其较大者，作为最后的坝顶高程。
（4）基础开挖：
根据基本资料中河谷的地质情况确定开挖高程为182.4米。
（5）混凝土的弹性模量Ec=1.0×106T/m2
（6）基岩的弹性模量EF=1.0×106T/m2
（7）淤沙浮容重Rs=0.8T/m3
（8）淤沙内摩擦角14度
（9）该种重力坝的洪峰流量比较大，校核洪水最大下泄流量1100m³/s，设计洪水下泄流量690m³/s
（10）校核洪水位（0.2%）黄海237.17米
（11）设计洪水位（2%）236.26米
（12）正常蓄水位236.0米
（13）死水位220.00米
（14）总库容2840万米
（15）电站总装机容量Ng2500*2千瓦
（16）水电站最大引用流量11.02秒/立方米
（17）淤沙高程203米
（18）坝址下游校核水位190.6米
（19）坝址下游设计水位189.69米
2重力坝设计
2.1工程等别及建筑物级别的确定
水利部，原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模，效益和在国民经济中的重要性分为5等，见表：
在本设计中，水库总库容为V=2840万立方米，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ级。
水利水电工程中的永久水工建筑物和临时性水工建筑物，根据所属工程等别及其在工程中的作用和重要性分为五级和三级，见表：
由于确定了水利工程为Ⅲ级，查表可知主要建筑物级别确定为3级，次要建筑物级别确定为4级。
2.2剖面设计
2.2.1剖面设计原则
重力坝在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持抗滑稳定；同时依靠坝体自重产生大扬压力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。
非溢流坝剖面设计的基本原则是：
①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。
遵循以上原则拟订出的剖面，需要经过稳定及强度验算，分析是否满足安全和经济的要求，坝体剖面可以参照以前的工程实例，结合本工程的实际情况，先行拟定，然后根据稳定和应力分析进行必要的修正。
重复以上过程直至得到一个经济的剖面。
2.2.2基本剖面设计
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，坝前淤沙高程为203m，故折点可取在高程为203m的位置。
参考其他相似工程，初步拟定坝面坡度：
上游坝坡取1：
0.1，下游坝坡取1：
0.7。
图3-1重力坝的基本剖面图示
2.2.3实用剖面设计
根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。
为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。
2.2.3.1坝顶宽度B和坝底宽度
1.坝顶宽度B：
（1）无特殊要求
B＝（8%～10%）H
B≥（2%～3%）H
常态砼坝:
B≥3m
碾压砼坝:
B≥5m
（2）有特殊要求
当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。
当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。
2.坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍
2.2.2坝顶高程（分别按照设计情况和校核情况计算）
坝顶高程由静水位与相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。
防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh可由下式计算：
式中：
为累计频率为1%时的波浪高度，m;
为波浪中心线高于静水位的高度，m；
hc为安全超高，m。
安全超高hc如表：
根据官厅水库公式：
式中：
hl为波高；L为波长；D为吹程（风作用于水域的长度）；V0为计算风速。
H为坝前水深。
官厅水库公式，适用于V0小于20m/s及D小于20km的山峡谷水库。
当gD/V02=20~250时，为累计频率为5%的波高h5%；当gD/V02=250~1000时，为累计频率10%的波高h10%。
且h1%=1.24h5%。
在正常蓄水位和设计洪水位时，库面风速宜采用多年平均最大风速的1.5-2.0倍；在校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。
该混凝土重力坝结构安全级别为3级，设计情况和校核情况的安全加高hc分别取0.4m和0.3m。
坝顶高程H（选用其中的较大值）：
设计情况：
H设=设计洪水位+
校核情况：
H校=校核洪水位+
2.2.3坝底高程
坝底高程=开挖高程
坝高=坝顶高程-坝底高程
2.3稳定设计
2.3.1分析的目的
核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面的抗滑稳定的安全度。
2.3.2滑动面的选择
滑动面选择的基本原则：
研究坝基地质条件和坝体剖面形式，选择受力较大,抗剪强度低,最容易产生滑动的截面作为计算截面。
一般有以下几种情况：
①坝基面②坝基内软弱层面③基岩缓倾角结构面④不利的地形⑤碾压混凝土层面等。
由已知基本资料知，坝址处为震旦纪砂岩。
左岸风化较严重，深达22m，且夹有页岩。
基坑抗滑稳定控制面为混凝土与基岩接触面,故对非溢流坝段只需对坝基面进行抗滑稳定分析。
2.3.3沿坝基面的抗滑稳定分析
1）抗剪强度公式，计算公式如下：
式中：
为接触面以上的总铅直力；
为接触面以上的总水平力；
为作用在接触面上的扬压力；
为接触面间的摩擦系数。
坝基面抗滑稳定安全系数
荷载组合
坝的级别
1
2
3
基本组合
1.10
1.05
1.05
特殊组合
（1）
1.05
1.00
1.00
（2）
1.00
1.00
1.00
（2）抗剪断公式，计算公式如下：
——抗滑稳定安全系数，不小于下表的规定：
抗滑稳定安全系数
荷载组合
1
2、3
基本组合
3.0
3.0
特殊组合
2.5
2.5
式中：
——作用于接触面上竖直方向的合力，kN;
——作用于接触面上水平方向的合力，kN;
——抗剪断摩擦系数；
——抗剪断凝聚力，kPa；
——计算截面面积；
坝基岩体力学参数
岩体分类
混凝土与坝基接触面
岩体
变形模量（GPa）
（MPa）
（MPa）
Ⅰ
1.50～1.30
1.50～1.30
0.85～0.75
1.60～1.40
2.50～2.00
40.0～20.0
Ⅱ
1.30～1.10
1.30～1.10
0.75～0.65
1.40～1.20
2.00～1.50
20.0～10.0
Ⅲ
1.10～0.90
1.10～0.70
0.65～0.55
1.20～0.80
1.50～0.70
10.0～5.0
Ⅳ
0.90～0.70
0.70～0.30
0.55～0.40
0.80～0.55
0.70～0.30
5.0～2.0
Ⅴ
0.70～0.40
0.30～0.05
－
0.55～0.40
0.30～0.05
2.0～0.2
2.4应力分析
2.4.1分析的目的
检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区，某些部位配筋提供依据。
2.4.2分析方法
应力分析的方法有理论计算和模型试验两类。
理论计算又分为材料力学法和弹性理论法，材料力学法计算简便，适应面广，并有一套比较成熟的应力控制标准，目前仍被普遍采用，适应于地质比较简单的中低坝；本工程坝高239.098-182.4=56.698在30~70范围内，属中坝，故采用材料力学分析法。
2.4.3单一安全系数法
因为假定σy按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力
σyu和σyd。
ΣW——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM——作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；
B——计算截面的长度，m。
坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：
2.分项系数极限状态设计法：
（1）坝趾抗压强度承载能力极限状态：
坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为
坝趾抗压强度极限状态抗力函数为
式中：
Ra为混凝土抗压强度。
（2）坝踵应力约束条件的正常使用极限状态
以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态。
2.5构造设计
2.5.1横缝
为了减少温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求，沿坝轴线方向设置横缝。
横缝间距一般为15～20m。
缝宽2cm，内有止水。
坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。
止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。
两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。
2.5.2纵缝
为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度压力，在平行坝轴线方向设铅直纵缝。
纵缝间距一般为15～30m。
2.5.3坝体排水
为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕。
排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的1/10～1/12，且不小于2m。
排水管间距2～3m,内径15～25cm。
2.5.4廊道系统
为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需求在坝体内设置各种不同用途的廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。
其中包括：
坝基灌浆廊道、检查和坝体排水廊道。
2.5.4.1坝基灌浆廊道
廊道为城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作业的要求，一般宽为2.5～3m,高为3～4m，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。
廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高，坡度不宜陡于40°～45°。
2.5.4.2检查和坝体排水廊道
在靠近坝体上游面沿高度每隔15～30m设置检查和排水廊道，断面形式采用城门洞形，最小宽度1.2m，最小高度2.2m，至上游面的距离应不小于0.05～0.07倍水头，且不小于3m，上游侧设排水沟。
2.5.5坝顶
坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。
防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。
墙高为1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。
坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。
坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为5m，下游侧设置栏杆及路灯。
2.6地基处理
2.6.1坝基的开挖与清理
DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》要求：
混凝土重力坝的建基面应根据岩体物理性质，大坝稳定性，坝基应力，地基变形和稳定性，上部结构对地基要求，地基加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经济技术条件比较确定。
原则上应在考虑地基加固处理后，在满足坝的强度和稳定性的前提下减少开挖量。
坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化的或弱风化下部基岩上；坝高在50～100m时，可建在微风化致弱风化上部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化中部至上部基岩上；两岸岸坡较高部位的坝段，其利用基岩的标准可适当放宽。
2.6.2坝基的固结灌浆
固结灌浆也一般布置在应力较大的坝踵和坝址附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。
灌浆也呈梅花状或方格状布置，孔距、排距和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。
孔距和排距一般从10～20m开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为3～4m。
孔深5～8m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为8～15m。
2.6.3帷幕灌浆
DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》规定：
岩体相对隔水层的透水率q根据不同坝高可采用下列标准：
坝高100m以上，q=1～3Lu[1Lu=0.01L/（min·m）]；坝高在100～50m之间，q=3～5Lu；坝高在50m以下，q=5Lu。
2.6.4坝基排水
排水孔幕与防渗帷幕下游面的距离，在坝基面处不宜小于2m。
排水孔幕一般略向下游倾斜，与帷幕成10°～15°交角。
排水孔孔距为2～3m，孔径约为150～200mm，不宜过小，以防堵塞。
孔深一般为帷幕深度的0.4～0.6倍，高、中坝的排水孔深不宜小于10m。
2.7溢流重力坝和泄水孔的孔口设计
2.7.1泄水方式
溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。
因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。
重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。
选用表面溢流式，表面溢流孔泄流能力大，宣泄同样的流量，表面溢流孔造价远小于深水泄水孔。
2.7.2孔口设计
溢流坝的孔口设计涉及很多因素，如洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高有无限制、是否利用洪水预报、泄水方式以及枢纽所在地段的地形、地质条件等。
2.7.2.1洪水标准
洪水标准包括洪峰流量和洪水总量，是确定孔口尺寸、进行水库调洪演算的重要依据，可根据SL252-2000《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》的标定，参照下表选用。
山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物洪水标准[重现期（年）]
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