重力坝课程设计

混凝土坝设计与施工专业：水利水电建筑工程班级：水工1105班组别：第三组组长：张凤剑指导老师：陈一华混凝土坝设计与施工组 长： 张凤剑 副 组 长： 韦倩婷 张维组 员： 胡文学 袁凯 李志文张洪江 李齐彪指导老师： 陈一华班级：水工1105班组别：第三组前言本设计说明书是根据水工建筑物、混凝土重力坝设计规范、混凝土坝设计与施工实训指导书，在教师陈一华的指导下和全组人员的努力下完成的。本设计说明书编写人员及编写分工如下：袁凯（第一章基本资料的整理，第二章中第一、二节基本尺寸的分析及拟定）；胡文学（第二章中第三节荷载计算及其组合）；张凤剑（第三章的溢流坝剖面设计）；张维（第二章中第四节稳定计算和书中所用图片的绘画）；李志文（第四章的编写及第三章的部分细部构造）；张洪江、李齐彪（第三章的部分细部构造及审核）；韦倩婷（参与报告全部章节的编写）。本设计说明书在编写过程中得到了第二组组长邱冬悦、第三组张凤剑、第四组组长杨志伟、第五组组长王思翱和指导老师陈一华的热情帮助，报告中还参考并引用了有关教材和技术文献资料，除部分列出，其余的还未一一注明。由于编者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。编 者2013年10月目录第一章 基本资料 .1一、工程概况 1二、水文分析 1三、气象 2四、工程地质 2五、枢纽建筑物特性指标 3第二章 坝体基本剖面设计 5一、确定枢纽等级及水利工程建筑物的等级 .5二、坝体设计 5三、荷载计算 8四、稳定计算 11第三章 细部构造设计 .13一、 坝顶构造 13二、 分缝止水 13三、 混凝土标号分区 15四、坝体排水 17五、廊道系统 18第4章溢流坝坝体设计 19一、 泄水方式的选择 19二、 溢流坝剖面拟定 20三、 消能防冲设计 .26第四章 闸墩设计 30一、闸墩布置 30二、闸墩的尺寸 .30三、边墩 .301第一章 基本资料一、工程概况顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区，最窄处仅10余公里。通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上，控制流域面积33700平方公里，总库容为25.5亿立方米。水库距迁西县城35公里，有公路相通。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。根据水库的工程规模及在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为I 级建筑物，其他建筑物按II 级建筑物考虑。二、水文分析（1）.年径流：顺河水量较充沛，顺河站多年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。丰水年时占全年5060%，枯水年占3040%，而且年际变化也很大。2（2）.洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由红痕估算洪峰流量约为2440027400m3/s,实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m3/s(3).泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7.45公斤/立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。淤砂浮容量为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。淤砂高程157.5米。三、气象库区年平均气温为10左右，一月最低月平均产气温为零下6.8，绝对最低气温达零下21.7（1969年）7月份最高月平均气温25，绝对最高达39（1955年）,本流域无霜期较短（90180天）冰冻期较长（120200天），顺河站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70100天，冰厚0.40.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/秒，水库吹程D=3公里。3四、工程地质库区地质：顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现不对称，区域内无严重的坍岸及渗透问题。第四大岩层（Arl4）为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒千状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本岩层体厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。岩石物理力学性质：岩石容重2.682.70吨/ 立米，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650公斤/ 厘米2以上，有的可达1100公斤/厘米2以上，混凝土与岩石的摩擦系数微分化及弱风化化下部，可取f=1.10、c=7.5kg/cm。地震：库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。弱震任不断发生，其中1936年和1976年两年内发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为6度，考虑到枢纽的重要性，和水库激发地震的可能性 拦河坝设防烈度采用7度五、枢纽建筑物特性指标项目 单位 指标 备注坝基高程 米 153.5校核洪水位 米 227.2设计洪水位 米 225.7 =0.01%水 正常蓄水位 米 224.7 =0.1%4汛期限制水位 米 216.0死水位（发电） 米 180.0校核洪水位尾水位 米 176.8设计洪水尾水位 米 172.0位正常尾水位 米 158.4总库容 亿立米 25.5 计入十年淤积调洪库容 亿立米 7.4兴利库容 亿立米 19.5共用库容 亿立米 5.6库容死库容 亿立米 4.2 计入十年淤积坝型 混凝土重力坝坝顶溢孔数 孔 19堰顶高程 米 210.0 闸墩的中墩厚度为3米每孔净宽 米 15.0 （横缝设在闸墩中间）工作闸门尺寸 米 米15 15 弧形钢闸门启闭机（2 ）70吨 台 19 固定式卷扬机5设计洪水下泄能力 米 3秒 32800校核水位下泄量 42900 限泄275003第二章 坝体基本剖面设计一、确定枢纽等级及水利工程建筑物的等级由该枢纽工程概况知该水库总库容为 亿m，并根据水库的5.2工程规模在国民经济中的作用枢，属于大（1）型，主坝为级建筑物，其他建筑物为级建筑物。二、坝体设计、 剖面拟定1、 剖面设计原则设计断面要满足稳定和强度要求；力求剖面较小；外形轮廓简单；工程量小，运用方便，便于施工。（二）、 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，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6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0.70.9 倍。（三）、确定基本尺寸1、确定坝顶高程图1 坝基剖面图超高值的计算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 ，可由式（3-1 ）计算。（3-1）=+防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m ；7累计频率的波浪高度， m；波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m ；安全加高，按表31 采用,对于级工程，设计情况 0.7m，校核情况 0.5m 。 表 1 坝的安全加高 坝的级别运用情况 1 2 3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=+（ ）=0.1 ,=0.6 ,设 =0.7 ， 设 =0.58坝顶高程计=0.6+0.1+0.7=1.4m设=0.6+0.1+0.5=1.2m设坝顶高程= + =225.7+1.4=227.1m设坝顶高程= + =227.2+1.2=228.4m设因为考虑安全性，则坝顶高程取大值所以坝顶高程为228.4m坝顶宽度 顶坝高 顶 =(8%10%)=(8%10%)(228.4153.5)=5.997.49则坝顶高程取7m坝底宽度 底 (=00.2 ,=0.60.8)9取n=0 ,m=0.7底 =0.7(224.7153.5)=49.84三、荷载计算混凝土重度 水重度=24/3 =24/3自重（混凝土自重 ， ）1 21=7(228.4153.5)=12583.202=12(49.847)(49.847)0.7=31461.70=1+2=12583.20+31461.70=44044.9010图2 重力坝荷载计算示意图水压力上游上 =12(224.7153.5)2=24865.60下游下 =12(158.4153.5)2=117.77下游下 =12(158.4153.5)0.7(158.4153.5)=82.44=上 +下 +下 =25065.81扬压力（浮托力 和渗透压力 ）1 21=(158.4153.5)49.841=2395.762=12(158.4153.5)49.841=2395.76=1+2=18603.80淤沙压力 ( s=0.9t39.8=8.823 , =12 ， )=157.5153.5=4 =1222(452)=128.82422(45122)=46.05校核洪水位的水压力上游上 校 =12(227.2153.5)2=26642.44下游下校 =12(176.8153.5)2=2662.8811下游下校 =12(176.8153.5)0.7(176.8153.5)=1864.02校 =上校 +下校 +下校 =31169.34校核洪水位的扬压力1校 =(176.8153.5)49.841=11392.082校 =12(227.2176.8)49.841=12321.45校 =1校 +2校 =23713.53四、稳定计算基本抗滑稳定极限状态0 ( , ,)11 ( ,)0=1.1 ， =1.0 ， 1=1.2 , =30 ()=1.11.0( , ,)=1.11.01.0(24865.60117.77)+1.246.07+1.2100=27415.4311()=11 ( ,)=11.21.3(44044.90+82.4418603.80)+349.841=27775.100 ( , ,)11 ( ,)满足抗滑稳定12校核抗滑稳定极限状态0=1.1 ， =0.85 ， 1=1.2 , =30 ()=1.10.85( , ,)=1.10.851.0(26642.442662.88)+1.246.07+1.2100=22584.7811()=11 ( ,)=11.21.3(44044.90+1864.0223713.53)+349.841=24169.610 ( , ,)11 ( ,)满足抗滑稳定第三章 细部构造设计一、 坝顶构造坝顶路面应具有23的横向坡度，并设置混凝土排水沟(3030cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.4m，高2.1m ）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据13大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。二、 分缝止水（一）、坝体分缝1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、纵缝：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。143、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.54.0m；在靠近基岩面附近用0.751.0m 的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。（二）、止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.01.6mm 后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.52.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入混凝土的长度约为2025cm （本设计采用25cm ），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.01.5m，厚510cm （本设计采用1m 10cm），沥青井尺寸大致为15cm15cm 至25cm25cm（本设计采用 20cm20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为1520cm。15图3 止水设计1第一道止水铜片；2沥青井；3第二道止水铜片；4预制块；5横缝6沥青油毡；7加热电极区上、下游水位以上坝体表层混凝土，其特点是受大气影响；区上、下游水位变化区坝体表层混凝土，既受水位的作用也受大气影响；区上、下游最低水位以下坝体表层混凝土；区坝体基础混凝土；区把体内部混凝土；区抗冲刷部分的混凝土。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约3050cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。三、 混凝土标号分区混凝土重力坝坝体各部分的工作条件及受力条件不同,对混凝土材料性能指标的要求也不同,为了满足坝体各部分的不同要求,节省水泥用量及工程费用,把安全与经济统一起来，通常将坝体混凝土按不同工作条件进行分区,选用不同的强度等级和性能指标,一般分为6 个区,见上图16为了便于施工，选定各区域混凝土等级时，各类别应尽量少,相邻区的强度等级不得超过两级，分区的厚度一般不得小于25m，以便浇筑施工，分区对混凝土性能的要求见下表，表中“+ ”表示选择各区同等级的主要控制因素，有“+” 的表示需要提出要求；有“-”的为不需要提出要求。表2 坝体各区对混凝土性能的要求最大水灰比分区强度 抗渗抗冻抗冲刷抗侵蚀低热严寒寒冷地区温和地区选择各区厚度的主要因素I + - + - - + 0.55 0.60 抗冻II + + + - + + 0.45 0.50 抗冻、17抗裂III + + + - + + 0.50 0.55 抗渗、抗裂IV + + + - + + 0.50 0.55 抗裂V + + + - - + 0.65 0.65VI + - + + + + 0.45 0.45 抗冲、耐磨四、坝体排水坝体排水为了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，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/151/25 ，且不少于2m，（1/151/25）（224.7-153.5）=（2.854.75）m故根据规定排水管设置在距上游面4m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm 25cm（取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm30cm ，低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式.18五、廊道系统为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。1、坝基灌浆廊道19帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取3.02.5m，形状采用城门水洞型。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，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。灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。2、检查及坝体排水廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔1530m设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m，距上游面的距离应不少于0.050.07 倍水头，且不小于3m,该重力坝选取4m，上游测设排水沟。各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通。排水廊道断面尺寸统一拟定为3m 2.5m，城门洞形。20第4章溢流坝坝体设计一、 泄水方式的选择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。故本设计采用开敞溢流式孔口形式，堰顶设置门。二、 溢流坝剖面拟定溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体形简单，造价低，便于施工。本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为直线面，即取上游的坡率为n=0，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。1、定型设计水头的确定：初步估算H，可假定 。由于收缩系数与上游作用水头有关0，则可先假设侧收缩系数 ，求出H，在核算侧收缩系数 值。因堰顶 21高程和水头 未知，先按自由出流计算，则取 ，然后再校0 s=1.0核。由题意知Q=32800 ，取m=0.502，设 =0.90，则3 = =14.90=( s2)23( 328001.00.90.502191529.8)23m计算实际水头H。查图和表得边墩形状系数 为0.7，闸墩形状系k数 为0.45 ，因 1，00b =14.915=10.2k+(n1)00=1 0.2 =0.910.7+(191)0.45 14.91915用求得的 近似值代入上式重新计算 0=14.82m0=( 328001.00.910.502191529.8)23，则所求的 值不变，这说明以上所求的 =14.820=14.82151 0m已知上游河道宽为1000m，上游设计水位为 225.7m，河床高程为153.5m，近似按矩形断面计算上游过水断面面积=1000 =722000 (225.7153.5) m2=0.45m/sv=0=3280072200则堰的设计水头22=14.81md=022=14.82