d江重力坝设计报告.doc

D江枢纽初步设计方案前 言本次毕业设计根据教学要求，对水利工程管理专业专科毕业生进行的最后一项教学环节。本毕业设计内容为D江水利枢纽工程初步设计，它基本包括了一般水利枢纽所需进行的水工初步设计的全过程。其基本内容包括枢纽任务，坝型选择及枢纽布置，洪水调节计算，大坝细部构造及地基处理，重力坝非溢流坝段及溢流坝段等。根据设计总要求，设计内容偏重于坝型选择与重力坝非溢流坝段、溢流坝段设计，而对建筑物中电站厂房坝段只进行简单的设计。其中很多内容设计者采用了各种图表，力求做到设计清晰明了。本次设计时设计者经过一个多月的辛劳而完成的，在此过程中得到了各位老师和相关单位专业技术工程师的悉心指导，在此对它们表示衷心的感谢。由于时间限制和设计者缺乏实际的工作经验，设计的缺点及错误在所难免，敬请读者予以指正。二OO九年二月1 枢纽任务1.1 基本资料本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用。（1）发电:本电站装机三台7.25 万kw机组。正常蓄水位：110.5 ，死水位：86.5 ，三台机满载时的流量：3135 m3/s。厂房型式为坝后式厂房 。（2）灌溉:增加保灌面积 90万亩。（3）防洪:可减轻洪水对D市的威胁，在遇 P=0.02%和P=0.1%频率的洪水时，经过水库调节后，洪峰流量可由原来的18200m3/s、14100m3/s分别削减为6800m3/s和6350m3/s。（4）渔业:正常蓄水位时，水库可形成大面积水域，为发展渔业及其水产养殖创造有利条件。1.2 D江水利枢纽设计资料说明1.2.1自然地理1.2.1.1流域概况D江是我国某省的一条江河，流向自西北向东南，流经D省部分地区，最后流入大江丁江，干流全长120km，流域面积3650km2。坝址距河口约9km，控制面积3504km2，流域境内为丘陵山区。 河道纵向坡降0.471.12，平均坡降0.81，河道较宽，水流较缓，在坝址处河面束窄，水流较急。坝址以下约80km处有一重要城市D市（位于丁江右岸），公路和水运均可直接到达D市。1.2.1.2 气候特性气温:略（无实测资料）；湿度:略（无实测资料）；降雨量:略（无实测资料）；蒸发量:略（无实测资料）；风向风力:实测最大风速为24.4m/s，多年平均最大风速为20m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程为4.0km。1.2.1.3水文特征（1）正常径流（略）（2）洪峰流量及总量（略）（3）固体径流量及水库淤积（略）（4）其它：本坝址地震烈度为7。1.2.2工程地质（1） 库区工程地质（略）（2）坝址工程地质地貌：坝址处的河床宽约120.0m，河底高程约28.0m，水深约1.54.0m。河谷似梯形，两岸基本对称，岸坡约3045。 岩性和地质构造：坝基岩性为花岗岩，风化较深，两岸达10.0m左右。新鲜花岗岩的饱和抗压强度为100200MPa，风化花岗岩为5080MPa。岩石的物理力学性质：见表1-1。表1-1岩石的物理力学性质岩性或地质构造新鲜花岗岩风化花岗岩节理面容量干27.827.1湿28.127.5孔 隙 率2.783.82抗压强度MPa干210.0110.0饱和180.094.0弹性模量（MPa）2.21041.2104单位吸水率（升/分米）0.05摩擦系数砼/基岩f0.680.640.40f1.00.7基岩内f0.800.66f1.20.75粘着力（MPa）c0.50.10c1.00.2泊松比（）0.20.25备 注砼与砼的摩擦系数为0.751.2.3 筑坝材料卵砾石：坝址上、下游河床覆盖有丰富的卵砾石，估计在2530km范围内,卵砾石、碎石供应充足。此外，花岗岩埋深浅，极易开采。砂料：河床覆盖层还有丰富的砂石料，估计在30km范围内，砂料供应充足。卵砾、碎石及砂料的质量符合规范要求。1.2.4 库区经济（略）1.2.5 其它对外交通与D市有公路和水运相接、对外交通较为方便。附属工厂和生活建筑区（略）负荷位置）（略）坝顶有双线公路布置的要求。附录：1、坝址地形图。2、 坝型选择及枢纽布置 。2.1坝址坝型选择 根据流域规划，水利枢纽的位置和规模已大致定局，但枢纽的具体位置并未完全确定。枢纽布置和坝址、坝型是相互联系的，不同的坝址将会有不同的坝型和枢纽布置。坝址、坝型的选择与地址地形条件，坝址附近藏有的建筑材料，施工条件，综合效益等有关。根据地形及地质剖面图：-坝轴线相对较短，坝址处为花岗岩，断面处地质构造简单，无明显的断层，夹层和软弱破碎带，虽然节理发育，节理面夹泥，两岸覆盖层厚约10.0m，但较容易处理，且经初步布置能满足各建筑物布置的要求，故选择-坝轴线合理。从地形条件来看，本坝址不适合建拱坝，但可建混凝土重力坝（包括实体重力坝、宽缝重力坝和空腹重力坝）、混凝土面板堆石坝、土石坝、浆砌石重力坝。从D江建筑材料来看，首先可以排除土石坝方案；实体重力坝剖面尺寸大，筑坝材料用量较多，坝体边缘应力较大，坝内应力较小、坝体材料强度不能充分发挥，混凝土方量大；空腹重力坝的腹拱设计比较复杂，需要进行大量的设计计算和试验，且腹拱施工复杂，有倒悬模板，钢筋用量较多；大头坝抗震和侧向稳定能力差；堆石坝方案需另行考虑泄水建筑物和水电站建筑物的型式选择及布置问题，工程量大；浆砌石重力坝的主要缺点是人工砌筑，施工质量难于控制；不能采用机械化施工；砌体孔隙率较大，需另设防渗设备；在缺乏石料地区不易采用。故最后选择混凝土宽缝重力坝。2.2 枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物混凝土宽缝重力坝水利枢纽前沿主要是由挡水建筑物（拦河坝）构成。挡水建筑物在平面上沿直线布置，这样使坝轴线最短，节约工程量，简化建筑物受力情况，并便于相临建筑物的衔接。（2）泄水建筑物坝身溢洪道（溢流坝）泄水建筑物就是坝的一部分，即溢流坝段。溢流坝段的布置应充分注意有良好的水流条件，所以溢流坝轴线应与上游来水主流方向垂直，使坝前流速均匀分布。溢流坝下游出口方向与原河道主槽流向一致，便于下游河床保持稳定。为此在两建筑物之间布置导墙使彼此隔开，以减少干扰。因为此地河谷较窄，在河床布置溢流坝，而把水电站布置在下游，用隧洞，管道自水库引水，以避免溢流坝下泄水流对电站运行的干扰。泄水建筑物用于泄水排沙，其进口布置垭口以节省工程量，且进口为水流顺畅的喇叭型，出口河道下游远离电站尾水及通航建筑物出口处，以尽量减少泄水时对这些建筑物的干扰。 （3）水电站建筑物水电站建筑物包括坝后式水电站厂房，坝体引水道，开关站等。具体选择：因水头较大，机组及厂房的尺寸相对较小，厂房难于独立承受上游水压力，因此用坝挡水，将厂房置于坝后，即选择坝后式水电站。因坝体足够大，故选择坝内式厂房，坝体引水管道。水电站在布置上要采取措施使其不致被泥沙淤塞，也不致被漂浮物及木材堵塞。进水口前应使水流顺畅，水头损失小，不发生旋涡及横向水流。压力管道直径的确定：根据规范取经济流速 V=6.5m/sA=Q/V=135/6.5=20.77m2故压力管道直径 D=5.14m 取D=5.2m2.3枢纽总体布置在进行水利枢纽布置时应全面考虑运用、施工、管理、技术、经济等问题。在保证方便和安全可靠的前提下，力求作到节省工程量，便于施工、缩短工期，优选技术经济效益最佳的方案。经以上分析及已知的材料数据分析知，本枢纽河谷底部宽120m左右，坝顶高程处坝轴线长380m，经后面水力计算得泄水建筑物进口净宽54m，三台机组进口净宽在5060m之间，根据初步布置，溢流坝段和厂房坝段并列布置。溢流坝段考虑孔口净宽要求取为22m，其布置在河床中间略偏左岸；厂房坝段考虑机组间距取为18m，其布置在右岸。（因右岸一方面相对平缓，可布置开关站，电厂办公管理用房和生活设施；另一方面，右岸对外交通方便，原有交通道路与D市相连。）3.洪水调节计算由于已确定出为宽缝重力坝，故从提高泄流能力，便于运用管理和闸门维修，节省工程投资的角度出发，泄洪方式以坝顶泄流最为经济。故按坝顶泄流的泄洪方式进行洪水调节计算。3.1确定工程等别和建筑物级别 SDJ12-78水利水电工程枢纽等级划分和设计标准（山区、丘陵区部分）结合D江枢纽给定的特征水位和基本资料，通盘考虑水库总库容，防洪效益，装机容量等因素来确定。 由此可知D江水利枢纽为大（1）型工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级 ，临时建筑物为4级永久性建筑物设计洪水标准：正常运用洪水重现期：1000年非常运用洪水重现期：5000年3.2水库运用方式本工程拦河大坝确定采用混凝土宽缝重力坝为充分利用混凝土坝坝身能泄水的特点，泄水建筑物选坝顶溢流式。水库运用期为尽量提高发电水头，洪水到来之前，不提前泄洪，即汛前限制水位与正常蓄水位同高，但堰顶高程低于正常蓄水位。正常运用期用闸门挡，洪水到来时，当上游来水量大于闸门全开时的泄量时，开始调洪，此时泄量为起调流量，起调水位即为正常蓄水位。3.3调洪验算起调水位为正常蓄水位：110.5m，溢流能力根据洪水计算成果进行比选，将甲乙两组共四个方案的成果列于下表所示：表31 洪水调节计算方案堰顶高程(m)孔口净宽B(m)工况下泄流量Q(m3/s)H上(m)H下（m）甲组19854设计6350112.5535.8校核7150113.8040.3298.554设计6350112.6035.8校核6800113.9539.2乙组19955设计5925113.2532.8校核6550114.6036.0299.555设计5925113.3032.8校核6300114.7535.33.4方案比较以上方案中，甲组方案一在设计工况下，下泄流量为6350m3/s,与设计洪水最大下泄流量限制值相同，但校核洪水位时下泄流量为7150 m3/s，将水库下游水位较高，下游防洪任务加重，故不符合要求。因此不用作校核演算。甲组方案二在设计工况下和校核工况，下泄流量与设计洪水最大下泄流量限值相同，下游库水位与一方案比相对较低，可适当提高下游防洪能力，故可用作校核演算。即堰顶高程为98.5m，孔口净宽为54m，设计洪水位为112.60m，相应的下泄流量为6350 m3/s；校核洪水位为113.95m,相应下泄流量为6800 m3/s。乙组两方案均因设计工况下，下泄流量不能满足设计洪水最大下泄流量限制值的要求。因此，乙组两方案不能用作校核演算。4大坝细部构造宽缝重力坝的细部构造包括坝顶结构，坝体分缝，排水廊道布置等内容，这些构造经合理选型和布置，可以改善大坝的工作性态，提高坝体的抗滑稳定性，改善坝体应力，满足运用和施工要求，保证大坝正常工作。4.1坝顶构造坝顶宽度按交通和管理的需要确定。坝顶有交通要求时，坝顶按路面等级决定；没有交通要求时，坝顶宽度一般取最大坝高8%-10%,且不小于2.0m。本工程有双线交通要求，故取路面宽8.0m,两旁设人行道各1.0m，人行道上设栏杆，路面呈弧形，以将路面积水排向两侧，以排水管排向上游水库。坝顶公路侧的人行道，宜高出路面2030.0cm，本设计取25.0cm。坝顶的上下游侧须设置栏杆。溢流坝的坝顶由闸墩，工作桥等构成。4.2闸墩的布置为了减少溢洪时水流的侧面收缩，闸墩可向上游方向伸出坝外，其首部的平面轮廊应平顺。闸墩的平面形状，上游端应使水流平顺，减小孔口水流的侧收缩，下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。本设计上游端采用半圆型，下游端采用圆弧曲线。闸墩在平面上的位置应与每个溢流坝对称，闸墩位于溢流坝段的中心线上，这样布置墩较薄，溢流坝总长度较短。4.3坝体分缝及止水为满足混凝土的浇注能力和温度控制的需要，沿坝轴线方向每隔20.0m设一横缝（厂房坝段考虑机组间距取18.0m，溢流坝段考虑孔口宽度要求取22.0m）,缝内设两道紫铜片和一道沥青共三道止水，上下游方向因大坝宽度较大，设两道垂直纵缝，遇钢管处，纵缝与钢管轴线垂直。有关图示见附图4.4坝体、坝基排水上游坝面应尽可能采取抗渗性强的混凝土层，在坝底防渗层的下游应设置垂直的或近乎垂直的排水管系。排水管中心线距上游面一般为25.0m。为减小坝体内的渗透压力，在距上游面3.0m处设一排坝体排水管，与上游面平行布置，排水管与各层廊道内的排水沟相连，渗水经排水管流至排水沟，再由排水沟流至集水井排出。排水管的间距一般为23.0m，此处取排水管间距为3.0m。排水管用多孔混凝土制成，其内径一般为1525cm，此处取15cm。由于宽缝的存在，不设置坝基排水廊道。4.5坝内廊道 坝内廊道包括基础灌浆廊道和坝体排水检查廊道，其设计按规范要求确定。由坝体存在空腔，故宽缝重力坝的廊道与各坝段空腔相通，在空腔内设置1.5m宽的悬臂检查平台，形成环形通道。有关图示见附图5地基处理天然岩基常存在着不同程度的缺陷，必须经过处理才可作为坝基础。进行坝基处理设计的同时应注意坝上下游附近地区和两岸接头部委的地质条件，泄洪，输水等建筑物选用的影响，研究其稳定，变形和渗漏情况，尤其应注意施工或蓄水对稳定带来的变化，必要时应采取相应的处理措施。重力坝的地基需有足够的承载能力，抗渗能力，抗水能力及稳定性。5.1坝基开挖高坝需修建在新鲜岩面上，且将覆盖层全部开挖，左岸覆盖层厚度较薄，130m高程以下几乎无覆盖层，130m高程以上逐渐加厚。坝基开挖量主要集中在右岸，45m高程以上覆盖层厚约10m左右，故全部开挖。为提高坝体的侧向稳定性，沿岸坡开挖成台阶状。5.2固结灌浆在此采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆，以提高基岩的弹性模量，抗渗性和强度等。在坝踵坝址附近灌注孔相对较密，呈梅花形布置，其他部位疏一些，孔距排距由灌浆试验确定，一般36m，在此取为5m；孔深一般58m，在此取6m。5.3帷幕灌浆帷幕灌浆的设置条件应根据坝址区的工程地质，水文地质条件和灌浆实验资料，并结合坝高考虑决定，在此采用水泥灌浆。在此为减小渗透压力对坝体稳定的影响，减小扬压力，在灌浆廊道设一排帷幕灌浆孔，利用高压灌浆填塞基岩内的裂缝和空隙等渗水通道，帷幕深度打入相对不透水层12m，在此取2m。6 重力坝非溢流坝段设计6.1非溢流坝剖面设计6.1.1 坝顶高程坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出，即=静水位+h （61）6.1.1.1 风浪要素计算h=hl+h0+hc （62）其中：hl-波浪高(m)h0-波浪中心线高出静水位的高度（m）hc-安全超高h0= （63）其中：H挡水面前水深hl波浪高mL波浪长m对于山区峡谷水库利用官厅水库公式计算（适用于风速4-16m/s，吹程1-13Km）hl=0.0166VfD（m） （64）L=10.4(hl) （m） （65）其中：Vf计算风速（m/s），正常蓄水位及设计洪水位时，宜采用相应水期多年平均最大风速的1.25-2.0倍；校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速； D吹程（Km），由坝前烟沿水面至对岸的最大直线距离；若库面长L大于5倍水库平均宽度B的狭长水库，可采用D=5B。由于D市是重要城市，增加保灌面积90万亩，且属山区，查设计规范选得工程规模为大（）型，主要建筑物为级，次要建筑物为3级，临时性建筑物为4级设计洪水时：Vf=(1.252.0)V， =（1.252.0）24.4 =30.548.8 （m/s） 取Vf=32 m/s为计算风速 hl=0.0166VfD =0.0166324=2.00（m） L=10.4(2hl) =10.4（2.00）=18.11m 校核洪水时：Vf取相应洪水期多年平均最大风速，即为20 m/s。 hl=0.0166VfD =0.0166204=1.11（m） L=10.4(hl) =10.4（1.11）=11.31（m）设计洪水时：h0= =0.69（m）校核洪水时：h0= =0.34（m）6.1.1.2 安全超高正常运用hc=0.7m非常运用hc=0.5m6.1.1.3 相应情况下的风浪涌高和安全超高h设计洪水时：h=hl+h0+hc =2.00+0.69+0.7=3.39（m）校核洪水时：h=hl+h0+hc =1.11+0.34+0.5=1.95 (m)6.1.1.4 坝顶高程=静水位+h设计情况下的洪水位静=112.6(m) 校核情况下的洪水位静=113.95(m) 设计情况下的坝顶高程：=112.6+3.39=115.99（m） 校核情况下的坝高：=113.95+1.95=115.9（m） 经计算校核洪水位加相应情况下的风浪涌高和安全超高使坝顶高程最大为115.99m，取坝顶高程为116.0 m。 坝高h=116.0-28=88.0（m）6.1.2 坝顶宽度由5.1确定路面宽8.0 m ，两边人行道各1.0 m ，则坝顶宽度为B=10.0 m 。6.1.3剖面形态常用的剖面形态有：（）上游坝面铅直，适用于混凝土与基岩接触面间的f,c值较大或坝体内设有泄水孔或水管道，有进口控制设备的情况；（）上游坝面上部铅直，下部倾斜，既便于布置进口控制设备，又可利用部分水重帮助坝体维持稳定；（）上游坝面略向上倾斜，适用于混凝土与基岩面间的f,c值较低的情况。经比较，本设计采用第2种，即上游坝面上部铅直，下部倾斜的剖面形态。6.1.4上游折坡点高程根据工程经验，一般情况下，实体重力坝上游坝坡坡率通常取n=00.2，下游边坡系数m=0.60.8。宽缝重力坝上下游坡度n、m的选择与实体重力坝一样，也是在满足稳定和应力条件下力求经济，上游坡比实体重力坝略缓，一般在0.150.35之间采用，下游坡则在0.50.8之间，上游坝面底宽约为坝高的0.70.9倍，上游起坡点高度，一般在坝高的1/32/3范围内。(）坝高m =（）88.=（29.3358.67）m上游折坡点高程=（29.3358.67）+28=57.3386.67m 为尽量利用水重，在满足应力要求前提下，上游坡尽可能缓。同时考虑电站进水口闸门拦污栅和操作便利，折坡点高程初步定在70m处。（见图）6.1.5 宽缝比2S/L为减少扬压力和充分利用材料强度，2S/L应尽可能大，宽缝比愈大，愈省混凝土，但太大宽缝头部易产生拉应力。坝段宽度L一般采用1624m，可根据坝的高度、施工条件、泄水道布置、混凝土浇注能力、溢流坝闸门宽度以及厂房机组间距等选定，取L=18m，宽缝2S一般为坝段宽的（20%35%），如宽缝过小，宽缝坝的优点就不显著，但如宽缝过大又可能在坝体腹部产生较大的主拉应力，综合考虑2S取5m。6.1.6 宽缝内边坡n、m为施工方便，取n=n、m=m，为了减小变厚突变引起的应力集中，在变厚处坡率n，m一般在12之间，本设计取n=1.0,m=1.0。宽缝顶高程与折坡点齐平，上游头部厚度tu应当满足强度，防渗，人防和布置灌浆廊道等的需要，通常取tu（0.080.12）h(h为截面以上的水深)，且不小于3m。下游尾部厚度td通常采用35m，考虑强度和施工的要求，不宜小于2m，在寒冷地区还应适当加厚。本设计取tu=10m，td=4m。6.1.7 上下游边坡n、m 由前所述，由规范可得n的取值范围在0.150.35之间，m的取值范围在0.50.8之间。经稳定和应力条件确定n，m的具体数值。选择过程祥见后面：选定3组n、m值，经过稳定与应力计算后得既符合稳定同时又符合应力要求的剖面为n=0.3，m=0.8，即为相对经济的实用剖面。此方案即为最优。其特点是上游坝面上部铅垂，而下部呈倾斜，既可利用部分水重来增强坝的稳定性，又可保留铅垂的上部便于管道进口布置设备和操作的优点。非溢流坝剖面图见附图6.2 稳定分析对所选五组方案，分别施加各种荷载组合下相应的荷载进行稳定分析，得到不同荷载组合情况下的安全系数。计算时采用摩擦公式或抗剪断公式。稳定分析的主要目的是验算重力坝在各种可能荷载组合下的稳定安全度。工程实践和试验研究表明，岩基上重力坝的失稳破坏可能有两种类型：一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生，包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉力产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾倒滑动破坏。6.2.1第一组方案：n=0.3、m=0.75（折坡点高程为70m）6.2.1.1 首先确定截面尺寸坝顶宽取10m，坝底宽B=10+0.3（70-28）+0.7565.28=71.56m具体尺寸如图所示，其中缝宽取2.5 m。6.2.1.2 计算荷载作用在重力坝上的主要荷载：坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力和地震荷载。（1） 坝体自重（混凝土重度=24KN/m）首先求宽缝的面积：外侧梯形的面积：A1= （71.56-10-4+71.56-10-4-0.342-0.7542）42=1491.42m2 内侧梯形的面积：A2=(71.56-10-4-2.52+71.56-10-4-2.52-0.339.5-0.7539.5) 39.5 =1256.99m2 宽缝的面积：A缝=A1-A2=1491.42-1256.99=234.43m2坝剖面的面积为：A=A梯-A缝=420.342+1088.0+65.280.7565.28-234.43=2508.22m2坝体自重：N=V=242508.22=60197.28KN（2） 上下游坝坡上的水压力由于是非溢流坝面，所以作用在坝面上的静水压力是重力坝所承受的主要荷载。当坝面倾斜或呈折线、曲线形时，通常将水压力分解为水平分力及垂直分力以利计算。由水力学可知，作用在每米长坝上的总水平压力为P=0gH02 (其中H为水深) （66）W=0gA （67）(A为上游坝面、水面和通过坝踵的垂线所包围的面积值)正常蓄水位情况下：P1=19.882.5233350.63KN（） P2=19.84278.40 KN（） A1=（82.5-42+82.5）12.6774.90m2 W2=19.8774.90=7594.02KN() W3=440.751.09.8=58.80KN（）设计洪水位情况下：P1=19.884.62=35070.08KN（） P2=19.87.82298.12 KN（）A1=（84.6-42+84.6）12.6801.36m2 W2=19.8801.36=7853.33KN() W3=7.87.80.751.09.8=223.59KN（） 校核洪水位情况下：P1=19.885.952=36198.27KN（） P2=19.811.22614.66 KN（） A1=（85.95-42+85.95）12.6818.37m2 W2=19.8818.37=8020.03KN() W3=11.211.20.751.09.8=460.99KN（）（3） 扬压力重力坝挡水后，由于上下游水位差的作用，库水将通过坝基向下游渗透，并在坝底产生渗透压力，通常把坝底水平面承受垂直向上的总水压力成为坝体扬压力，它包括由下游水深H2所引起的浮托力和上下游水头差产生的渗透压力。由于扬压力会引起消减坝体自重的作用，因此对重力坝的稳定和应力是不利的。为了降低坝底扬压力，常在坝踵附近的坝基中进行灌浆，以构成防渗帷幕并在帷幕后设置排水孔。前者用以阻挡渗水，延长渗径，消减水头，后者可使渗透水流通过排水孔自由溢出，进一步降低渗透压力。 坝踵处的扬压力压强为0H1坝址处为0H2排水孔线上为0H2+0H其中：H1为上游水深 （m）H为上下游水位差（m）H2为下游水深（m）正常蓄水位情况下：U坝踵=0H1=1082.5=825KN U坝址=0H2=104=40 KNU排=0H2+0H=104+0.310(82.5-4)=275.5 KNU1= 1/2(275.5+825）（420.3+3）=8583.90 KNU2= 1/2（40+275.5）（71.56-420.3-3）= 8827.69KN U杨=U1+U2=8583.90+8827.69=17411.59 KN设计洪水位情况下：U坝踵=0H1=1084.6=846KN U坝址=0H2=107.8=78 KNU排=0H2+0H=107.8+0.310(84.6-7.8)=308.4 KNU1= 1/2(308.4+846）（420.3+3）=9004.32 KNU2= 1/2（78+308.4）（71.56-420.3-3）= 10811.47KN U杨=U1+U2=9004.32+10811.47=19815.79 KN校核洪水位情况下：U坝踵=0H1=1085.95=859.5KN U坝址=0H2=1011.2=112 KNU排=0H2+0H=1011.2+0.310(85.95-11.2)=336.25 KNU1= 1/2(336.25+859.5）（420.3+3）=9326.85 KNU2= 1/2（112+336.25）（71.56-420.3-3）= 12542.04 KNU杨=U1+U2=9326.85+12542.04=21868.89KN（4） 浪压力水库蓄水后，库面空阔，在风力推动下形成波浪，对坝面产生浪压力，这是由于波浪遇坝反射，产生高度超过浪高一倍的立波所造成的。 影响波浪的因素很多，目前主要根据风速和吹程结合水库所在位置的地形，采用已建成水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算，本设计采用官厅水库公式计算。正常蓄水位，设计洪水时：Vf=(1.252.0)V， =（1.252.0）24.4 =30.548.8 （m/s） 取Vf=32 m/s为计算风速 hl=0.0166VfD =0.0166324 =2.00（m） L=10.4(hl) =10.4（2.00）=18.11m校核洪水时：Vf取相应洪水期多年平均最大风速，即为20 m/s。 hl=0.0166VfD =0.0166204=1.11（m） L=10.4(hl) =10.4（1.11）=11.31（m）由于空气的阻力比水的阻力小，波峰在静水面以上的高度大于波谷在静水位以下的深度，所以平均波浪中心线高出静水面h0，即按下式计算：设计洪水时：h0= =0.69（m）校核洪水时：h0= =0.34（m）以上公式中符号：hl波浪高(m) h0波浪中心线高出静水位的高度（m）Vf-计算风速m/s D-吹程mH挡水面前水深L波浪长m对于坝前水深H1LL的深水波，在静水面以下半波长LL处，波浪压力很小，为简化计算可假定等于零，而静水面处波浪压强最大，这样，铅垂坝面上总的浪压力为：正常蓄水位，设计洪水时:PL=L/4（hl+h0） （68）=1018.1142+0.69=121.79KN/m校核洪水时：PL=L/4（hl+h0） （69）=1011.3141.11+0.34 =41.00KN/m（5） 泥沙压力水库建成蓄水后，过水断面加大，流速减缓，入库水流挟带的泥沙逐渐淤积在坝前，对坝体产生了泥沙压力。由于泥沙淤积高程是随时间而逐 渐增加的。因此在确定泥沙压力时，先要规定一个淤积年限，然后再根据河流的挟沙量估算坝前淤积高程。淤积计算年限取100年。由于坝前泥沙不仅逐年淤高，而且也逐年固结，淤沙的容重和内摩擦角既随时间化，又因层而异，因此要准确计算泥沙压力是比较困难的。一般可参照经验数据，按土压力公式计算：Pn=n2tg2(45-) （610） 其中：Pn泥沙对上游坝面的总水平压力； n泥沙的浮容重，一般n=6.59.0KN/m hn泥沙的淤积高度（m） n泥沙的内摩擦角。对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，可取=1820，对于较细的粘土质泥沙可取=1214，极细的泥沙粘土和胶质颗粒可取=0。 Pn=n2tg2(45-) =362.08KN（6） 地震荷载地震引起的作用于重力坝的动荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和动土压力。因建筑物所在地区的地震烈度在7度，所以对于中小型灌排工程中低级别的建筑物，应进行抗震设计。地震力的计算可根据水工建筑物抗震设计规范DL5073-1997中的规定进行计算。即 地震惯性力地震惯性力可按拟静力法计算，水平地震时坝体的总惯性力按下式计算： Q0=KHCzFW （611）式中：KH水平向地震系数，为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值。根据查水平向地震系数KH表查得，当设计烈度为7度，KH=0.1； Cz综合影响系数，取0.25； F地震惯性力系数，反映结构的弹性对动力反映的影响，查表得F=1.5 W产生地震惯性力的建筑物总重量Q0=KHCzFW=0.10.251.585977=32241.375KN 地震动水压力地震时，坝前坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力。单位宽度上的总地震动水压力为：P0=0.65KHCZH12 （612）其中：KH水平向地震系数，为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值。根据查水平向地震系数KH表查得，当设计烈度为7度，KH=0.1； Cz综合影响系数，取0.25； 水的容重 KN/m3 正常蓄水位情况下：P0=0.65KHCZ0H12 =0.650.10.251082.52=1106.02 KN设计洪水位情况下：P0=0.65KHCZ0H12 =0.650.10.251084.62=1163.04 KN校核洪水位情况下：P0=0.65KHCZ0H12 =0.650.10.251085.952=1200.45KN6.2.1.3 沿坝基面的抗滑稳定分析由于坝体和岩体的接触面是两种材料的结合物，而且受施工条件的限制，其抗剪强度较低，坝体所受的水平推力也较大。因此，在重力坝设计中，都要验算沿坝基面的抗滑稳定性，并必须满足规范中关于抗滑稳定安全度的要求。利用摩擦公式进行计算，滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数K可由下式计算： =阻滑力/滑动力= （613） 式中：作用于接触面以上的总铅直力 作用于接触面以上的总水平力 作用于接触面上的扬压力； 作用于接触面上的抗剪摩擦系数；荷载组合：1、基本荷载 坝体自重及其上永久设备的重量正常蓄水位或设计洪水时的静水压力相应的扬压力泥沙压力相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力相应于设计洪水位时的动水压力2、特殊荷载校核洪水位时的静水压力校核洪水位时的扬压力相应校核洪水位时的浪压力相应校核洪水位时的动水压力地震核载基本组合：正常蓄水位情况：、设计洪水位情况：、特殊荷载：校核情况：、地震情况：、抗滑稳定安全系数。（1） 正常蓄水位情况下：=60197.28+7594.02+58.80=67850.10KN U=17411.59KN =33350.63-78.4+362.08+121.79=33756.07KN = =0.961.10不满足稳定要求。 （2） 设计洪水位情况下：=60197.28+7853.33+58.80=68109.41KNU=19815.79KN =35070.08-298.12+362.08+121.79=35255.83KN = =0.881.10 不满足稳定要求。特殊组合：因前两种工况均不满足稳定要求，固不再继续验算n=0.3,m=0.75 。6.2.2 第二组方案：n=0.3、m=0.8 （折坡点高程为70m）经采用北京理正软件理正岩土5.11版进行稳定分析，这组方案在设计洪水和校核洪水时均不满足稳定要求。其计算过程和结果详见附录一。6.2.3第三组方案：n=0.25、m=0.8（折坡点为75m）6.2.3.1 首先确定截面尺寸坝顶宽取10m，坝底宽B=10+0.25（70-28）+0.872.81=80m，具体尺寸如图所示，其中缝宽取2.5m。 6.2.3.2 计算荷载 作用在重力坝上的主要荷载：坝体自重、上下游坝面上的水压力、扬压力、浪压力、泥沙压力和地震荷载。（1）坝体自重（混凝土重度=24KN/m） 首先求宽缝的面积： 外侧梯形的面积：A1= （80-10-4+80-10-4-0.2547-0.847）47=1942.275m2 内侧梯形的面积：A2=(80-10-4-5+80-10-4-5-0.2544.5-0.844.5) 44.5=1674.87m2 宽缝的面积：A缝=A1-A2=1942.275-1674.87=267.405m2 坝剖面的面积为：A=A梯-A缝 =11.7547+1088.0+58.2572.81-267.405 =3009.31m2 坝体自重：N=V=243009.31=72223.44KN（2）上下游坝坡上的水压力 由水力学可知，作用在每米长坝上的总水平压力为 P=0gH02 (其中H为总水深) w=0gA (A为上游坝面、水面和通过坝踵的垂线所包围的面积值) 正常蓄水位情况下：P1=19.882.5233350.63KN（） P2=19.84278.4KN（） A1=（82.5-47+82.5）11.75=693.25m2 w2=19.8693.25=6793.85KN() W3=440.81.09.8=62.72KN（） 设计洪水位情况下：P1=19.884.62=35070.08KN（） P2=19.87.82=298.12 KN（）A1=（84.6-47+84.6）11.75=717.93m2 w2=19.8717.93=7035.71KN() W3=7.87.80.81.09.8=238.49KN（） 校核洪水位情况下：P1=19.885.952=36198.27KN（） P2=19.811.22614.66 KN（） A1=（85.95-47+85.95）11.75=733.79m2 w2=19.8733.79=7191.14KN() W3=11.211.20.81.09.8=491.72KN（）（3） 扬压力重力坝挡水后，由于上下游水位差的作用，库水将通过坝基向下游 渗透，并在坝底产生渗透压力，通常把坝底水平面承受垂直向上的总水压力成为坝体扬压力，它包括由下游水深H2所引起的浮托力和上下游水头差产生的渗透压力。由于扬压力会引起消减坝体自重的作用，因此对重力坝的稳定和应力是不利的。为了降低坝底扬压力，常在坝踵附近的坝基中进行灌浆，以构成防渗帷幕并在帷幕后设置排水孔。前者用以阻挡渗水，延长渗径，消减水头，后者可使渗透水流通过排水孔自由溢出，进一步降低渗透压力。 坝踵处的扬压力压强为0H1坝址处为0H2排水孔线上为0H2+0H其中：H1为上游水深 （m）H为上下游水位差（m）H2为下游水深（m）正常蓄水位情况下：U坝踵=0H1=1082.5=825KN U坝址=0H2=104=40 KNU排=0H2+0H=104+0.2510(82.5-4)=236.25 KNU1=（236.25+825）8=4245KNU2=（40+275.5）72=11358KN U杨=U1+U2=4245+11358=15603 KN设计洪水位情况下：U坝踵=0H1