重力坝具体布置计算溢流荷载项目设计书

1 重力坝具体布置计算溢流荷载项目设计书 1 基本资料及枢纽布置 本资料 形地质 地形情况见附图。 河床高程 325m。约有 2 3石为磷状灰岩，较完整，节理不发育，风化层厚 l 2m，无特殊不利地质构造。 文 本枢纽属中型水库三等工程。永久性重要建筑物为三级，按规范要求，采用 50 年一遇洪水设计， 500年一遇洪水校核。 经水文水利计算，有关数据如下表 特征水位 上游水位 （ m） 下游水位 (m) 库容 (万 相应泄量 溢流坝 (m3/s) 校核洪水位 150 1560 设计洪水位 090 990 正常高水位 50 最低运用水位 341 38 2 淤沙高程 340 30 他有关数据 多年平均最大风速 15m s； 水库吹程 D= 混凝土重度 24 淤沙浮重度 内摩擦角 120度； 地震波计烈度 6度； 基岩允许抗压强度 3 103 混凝土与基岩之间抗剪断参数 f = c=700 岩石冲坑系数 a= 本枢纽选用混凝土重力坝 由非溢流重力坝段和溢流 坝段组成。 纽布置 址和坝型选择 坝址、坝型的选择是水利枢纽布置的重要内容，二者相互联系。不同的坝址可选择不同的坝型。本设计中河谷宽阔，地址条件好，所以选择为重力坝。 质条件 地质条件是坝址、坝型选择的重要条件，重力坝需建在岩基上，其重力坝枢纽布置关键因素是地质条件，所以在考虑地质条件时应注意，断层破碎带、软弱夹层，垂直水流的陡倾斜角断层， 应尽量避开岩溶地区查明潜伏溶洞、暗河、溶沟和沟槽等对建筑物的影响，应对不利影响作出研究和论证。 形条件 不同的坝对地形的要求也不一样，在山谷地区布置水利枢纽时，应尽量少高边坡开挖，坝址选在河谷段，坝轴线断减小坝体工程量，但对泄水和发电不利。在坝址选择时，要注意坝址位置是否对取水防沙及漂木有利。 筑材料 坝址附近有足够数量符合要求的建筑材料。采用混凝土时，要求可作骨料用的沙卵石或碎石料厂。 3 工要求 要便于施工导流，坝址附近应有开阔的地形，便于布置施工场地， 应从长远利益出发，正确对待施工条件问题。 合效益 对不同的坝址要综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游等部门的经济效益对环境的影响。 枢纽的等级和拦和坝的级别确定 本枢纽库容 1090万 他资料没有给出，所以根据水利水电枢纽等级划分标准确定本枢纽为三等工程。根据工程的级别查得，拦河坝为三级建筑物。 纽的总体布置 溢流坝 非溢流坝主要起挡水作用，布置与左右两岸，右岸非溢流坝段，从右往左， 1号 5号坝段，共 5个坝段，坝段长 8号 15号坝段，每个坝段长 18m，沿坝轴线全长为 136.5 m,坝顶高程 浪墙顶高程为 力坝最大坝高 大坝宽 床溢流坝 为使洪水下泄顺畅，溢流坝布置在河床主流上，分为 2坝段，每段长 17m，沿坝轴线长 34m，坝顶高程 大坝底宽 59m，为满足洪水的下泄要求，在溢流坝顶设 3个泄水孔， 每孔宽 8 m，溢流面采用 用挑流消能，同时为了满足工作桥与交通桥的要求，溢流坝设 4个闸墩，其中 2个中墩，每个长 15m，宽 3m,2个边墩，每个长15m，宽 2m,为了防止坝面水流向西，侧溢流边墩向下游延伸为导水墙，长 15m，高 3m。 纽沿坝轴线全长 分为 15个坝段，枢纽详细布置见图纸。 4 非溢流坝段 非溢流坝段溢流坝段2 非溢重力流坝剖面设计 体剖面尺寸 拟定 顶高程的确定 坝顶高程分别把按设计洪水位计校核洪水位两种情况进行设计，取二者中的较大值，作为选定的坝顶高程为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶必须高出静水位。其高出的 h=hc+hz+中： 浪高程 浪中心线高出静水位的高度 cm 全超高 浪长、浪高的确定采用官厅公式，计算风速 速的 2倍，在校核洪水位时采用多年平均最大风速，安全超高 计时取 核市取 官厅公式： c 5 c （ m） 式中： 算风速 D：风区长度 浪中心线高出正常蓄水位的高度 H：坝前水深 （ 1）设计水位情况：风区长度 D=算风速 北纬 30m/s。 波高 : hc=312012100 0 7 = 0 7 312121 = =长： L= = 8 3 6 3 5 =浪中心线至计算水位的校核： 22 HL 12 2 8 0 坝顶高程 = 2）校核洪水位情况，风区长度 D=2500计算风速为平均年最大风速的 1 倍为 15m/s。 波高 hc=312012100 0 7 6 =312121 = 9 5 9 5 8 7 =长： L= = 0 = 9 5 9 3 3 =浪中心线至计算静水位的高度： 8 6 坝顶高程 =防浪墙高度 设计坝顶高程为 核坝顶高程为 核最大拔高为 表计算坝顶高程 计算 项目 m/s) m) L (m) m) m) h (m) 防浪墙顶高程 (m) 坝顶高程(m) 设计 30 核 15 覆盖层为 3化层为 2行坝高计算。 顶宽度的确定 坝顶宽度在考虑交通要求按 图示坝宽为 m 坡的确定 根据工程经验 ,考虑利用部分水增加坝体稳定 ,上游坝面采用折坡 ,起坡点 ,按要求为1/3 坝高 ,该工程拟折坡点高程为 部铅直 , 下部为 1:斜坡 ,下游坝破取 1:本三角形顶点高程为 上铅直坝面。 7 体防渗排水 根据上述尺寸算得坝体最大宽度为 析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝距 水孔中心线距 防渗帷幕中心线 设廊道系统，实体重力坝剖面设计暂不计入廊道的影响，廊道为 75.3 m ，底距地面 5m，帷幕灌浆孔距廊道内壁 ，排水孔距廊道下游内壁 ，采取排水孔与重线的斜角 010 ，倾角下游这样的排水孔距帷幕灌浆孔在坝基的水平距离为 8 拟定的非溢流坝剖面如下所示 9 1:11:13 7 2 . 23 8 0 . 23 8 2 . 7非溢流坝剖面图1: 03 2 03 2 53 2 53 4 53 6 53 5 1 . 03 2 03 2 53 3 2 . 载作用及组合 以设计洪水位情况为例，进行稳定和应力的极限状态验算。根据荷载组合表 2计洪水情况的荷载组合包含：自重 +静水压力 +淤沙压力 +扬压力 +浪压力。沿坝轴线取单位长度 1 重 将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的形状暂不计入。 4*103321* 0 3 4 . 41*24*41*水压力 按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压力分别计算其标准值。 10 1 7 5 71*1直压力 80 7 1 4 1*219 1 4 沙压力 3 8 01*0*20*1 4 521245*t 0*1 H 水平：垂直：泥沙压力分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为 m/内摩擦角 ，水平淤沙压力标准值为 )2 s( 45t a 1P 。 压力 坝前水深大于 1/2，波长（ 2/取下式计算浪压力标准值）。 )(*41 21 1 压力 扬压力强度在坝址处为 1排水孔中心线上为 )2( 2 ，坝址处为 2。 托力 ： （ W ） 2 81*7* 透力 ： （ 4*U 4*13 424(*14 11 滑稳定分析 本次采用抗滑稳定极限状态法，经验算，设计洪水位坝基面满足抗滑稳定要求。 大坝以防洪为主， 3级建筑物对应可靠度设计中的结构安全级别为二级，结构重要系数 9.0体上的荷载分为两种组合。 ，结构系数为 2.1偶然组合省略。坝址抗压强度极限状态的设计状况系数为 =构系数为 3.1 可靠度设计要求均采用作用设计值和强度设计值，作用标准值乘以作用分项系数后的值的作用设计值。材料强度标准值乘以材料性能分项系数后的值为材料强度设计值。本社及有关作用分项系数查表 2重为 水压力为 透压力 沙压力为 压力为 凝土材料的强度系数为 大坝混凝土用90d ，龄期大坝混凝土抗压强度材料分项系数为 轧一级钢筋强度分项系数为 、三、四级为 料性能分项系数中队混凝土与基础康健强度摩擦系数聚力游坝踵不出现拉应力，极限状态的结构极限值为 0。下实体重力坝渗透力强度系数 2为 抗滑稳定极限状态计算： 坝体抗滑极限状态属承载力极限状态，核算时其作用和材料性能均以设计值代入。基本组合时 ,9.0 ， 2.1K p 00,6 9 2 1 (.)2121( 2221 s k )1(*1*2 )(1( . )111 )1* 由于 ,4 3 7 6 5 故基 本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。 力分析 址抗压强度极限状态计算 12 重力坝正常运行时，下游坝址发生最大主压应力，极限抗压强度承载能力极限状态，作用效应函数为： )1)( .) 22抗压强度极限状态抗力函数为 RC (.)(.) 或核算坝址抗压强度时应按材料的标准值和作用的标准值或代表值分别计算组合 。 坝址抗压强度极限状态，属承载能力极限状态核算时其作用和材料性均以设计值代入。 基本组合时： 9.0 3.1计算： ) .) 22 oo ) 13* 7(2 对坝址基岩： k p a 0 73 0 0 0*3 0 0 0*. )由于 以上游坝踵不会出现拉应力，满足要求。 3 溢流重力坝设计 流孔口设计 流形式 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要求，并使水流平顺不产生空蚀破坏，主要泄水方式有开场溢流式和孔口溢流式。根据比较本设计采用开场式溢流。 水标准确定 根据水工建筑物9陵区水利水电枢纽工程水工建筑洪水标准规范要求，采用 50年一遇洪水设计， 500年一遇洪水校核。 计流量的选择 确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算。求得各方案的防洪库容。设计洪水位和校核洪水位及相应的下泄流量，还必须考虑其他建筑物分担的泄洪任务： 式中：下泄流量 下泄影响系数 经过建筑物等的下泄流量 本设计取 Q 校 、 Q 设 宽流 量 q 的确定 单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据，单宽流量大，溢流孔口的宽度可以缩短。有利于枢纽的布置，但增加下游消能的困难，下游的局部冲刷可能更严重。反之，单宽流量小，有利于下游消能，但溢孔口的宽度增大，对枢纽的布置不利。因此，一个经济而安全的单宽流量必须综合地质条件、下游河流水深、枢纽布置、消能等各种困难。经技术经济比较 14 后确定。 工程实践证明对于软弱夹层岩石常取 35020 。中等坚硬的岩石取 310050 。特别坚硬的岩石 3150100 。本设计取 380 。 流孔口尺寸的确定 口净宽的计算 B 校 =Q 校 /q=1560/80= 设 =Q 设 /q=990/80=算情况 泄量 单宽流量 3 孔口净宽 设计情况 990 80 10 20 校核情况 1560 80 15 25 根据以上计算取溢流坝孔口净宽为 24m。假设每孔净宽为 8m,孔数为 3。 流坝总长度的确定 根据工程经验，拟定闸墩的厚度初拟中墩厚 d=3m，边墩厚 d=21为： B1=d+2t=24+2 3+2 2=34m 顶高程的确定 根据公式 32 初拟时 取 m 取 略行进流速水头，故堰顶高程即为设计洪水位减去堰上水头 H. 5 6 032 0 9 032 堰顶高程计算 计算情况 流量 m3/s 侧收缩 系数 流量系数 孔口净宽 m 堰上水头 m 水位高程 m 堰顶高程 m 校核情况 1560 4 计情况 990 4 据以上计算取堰顶高程为 门高度的确定 门高 =正常高水位 堰顶高程 +（ =15 =规范取门高 5m， 8/5=足闸门宽高比系（ 型设计水头的确定 堰上最大 水头 核洪水位 堰顶高程 =型设计水头为 75%95%） m， 表 2 14知，坝面最大负压为 超过 36 流能力校核 闸墩用半圆形 4.0k代入公式k 00 )1( n 溢流孔数 b 每孔的净宽 0H 堰顶水头 0 闸墩形状系数 k边墩形状系数 设 = 校 = 设 = P 校 =d 设 = =于 实用堰，在堰上游面垂直，且 33.1，可认为是高堰不考虑行进流速水头。在这种情况下，若 d，即实际工作全水头刚好等于设计水头时， 0， 力学 19查出。 设 m m 16 泄洪能力校核计算表 计算情况 m )()()( 3 %100 设计情况 4 58 校核情况 4 490 能防冲设计 据地形地质条件，选用挑流效能 挑流效能的原理：一是空中挑距，即利用鼻坎挑射出的水股在空中扩散掺气消耗一部分功能。二是水下消能即利用扩散了的水 舌落入下游河床时与下游河道水体发生碰撞。并在水舌入水点附近形成的两个旋滚消耗剩余的大部分功能。 挑流消能的优点：构造简单，不需修建大量的下游护坦，便于维修，但也有缺点。挑流引起的水流雾化严重，尾水波动大。根据工程经验，挑射角 025 。挑流鼻坎应高出下游最高水位 12m。鼻坎的高程为 = 流消能计算 算挑流的目的是为了明确冲刷坑最深点的位置。挑距由空 中挑距 L=1 中挑距 计算 空中挑距 21211210 s 2112s 式中 : 的高差上游水面至挑坎的顶部1s 挑坎高度a 鼻坎挑射角 冲刷坑后下游的水深1k 验公式计算坝面流速系数，可按经 17 其中 , 0 5 k 在 25s i i 下挑距计算： t1式中：o o o o o = t g 2 6 总挑距 L= 4 6 18 冲刷坑后坡 （ 1/） 故不会危及建筑物的安全。 S 校核 = 1 K 校核 = 校核 i 21125s i n 220 校核 1z 校核 c 2 ）（校校校校5/1计算表如下： 挑流计算表 计算情况 校核情况 设计情况 1S 7.1 k l（ m） 6.4 m） 5 7.1 z （ m） （ m） l （ m） l （ m） 19 反弧半径的确定： 坎顶水流流速 2 3 . 设 校 坎顶水深为 校设 反弧半径为 校设 取反弧半径为 15m. 反弧半径计算表 计算情况 1 H （ m） 坎顶水深 h（ m） 反弧半径 R（ m） 实际半径（ m） 设计情况 5 校核情况 流坝剖面设计 溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克奥曲线和线两种，经比较本工程选用 线，溢流坝的基本剖面为三角形。一般其上游面为铅直，溢流面有顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。 线坐标计算 算公式参数 原点上又采用椭 圆曲线，其方程为 1222 式中： a、 b系数 a a/b=a 20 m，取 a=入公式计算 b= 222 s s 圆点上游曲线计算表 222 x y 标计算 圆点下游采用 方程为 式中： n、 k系数 n= k=S定型设计水头 部的曲线段确定后，中部的直线段与顶部的反弧段相切，其坡度一般与非溢流坝下游坡率相同，即为 1： m，直线段与 点 x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y 弧段的计算已完成。 反弧段的圆心求法：先画一条平行与坝的下游面且相距圆弧半径 画一条与挑坝顶点相距为 水平线，两县的交点即为圆心。 21 水库校核洪水位6制溢流坝剖面 制 线 制基本剖面图 溢流坝剖面图 22 流坝顶布置 墩 闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用半圆形，其中上游布置于工作桥顶部，高程取非溢流坝顶高程。中墩的厚度为 3m，边墩的厚度为 2m，溢流坝的分缝设在闸空中件，故没有缝墩，工作闸 门槽深 1m，宽 1m，检修闸门槽深 图图 作桥布置 工作桥布置固定或移动式启闭机，当采用移动式启闭机时，工作桥和交通桥可以合二为一，当采用固定式启闭机时，二者可以分开布置工作桥和交通桥相互间的位置，应由非溢流坝坝顶的交通要求确定。本工程交通桥与工作桥合二为一，宽 7m，高程为 导墙布置，边墩向下游延伸成导墙，其中延伸到挑流鼻坎的末端，导墙需分缝，间距为 15m，其横断面为梯形，顶宽去 23 4 重力坝的主要构造及地基处理 力坝构造 顶构造 溢流坝段 根据交通要求坝顶做混凝土路面。横坡为 2%。两边每隔 10集路面的雨水，并排如水库中。坝顶设置防浪墙，与坝体连成整体。其结构为钢筋混凝土。防浪墙设在坝体横缝处留有伸缩缝，缝为防止水。墙高为 度为 25顶公路两侧设有 行道，并高出坝顶路面 20顶总宽度为 7m，下游设置栏杆及路灯。 流坝段 溢流坝的上部设有闸门、闸墩、门机。 通桥等结构和设备。 道的布置和尺寸 础灌浆廊道 位置：廊道底部距坝基面 5m，上游侧距上游坝面 5m。形状，城门洞形。底宽 部上游侧设排水沟，并在最底处设集水井。 体廊道 自基础廊道沿坝高每隔 20部高程分别为 345m， 365m。形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面 5m，底宽 了减小扬压力，在坝体内设置排水管， 5。间距为 3。无砂多孔混凝土管。排水管将渗水收集到廊道内排出。 逢布置 为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉陷而产生裂缝满足