钟吕水利枢纽堆石坝设计计算书（一）

目录第一章 调洪演算- 4 -1.1 洪水调节计算- 4 -1.1.1 洪水调节计算方法- 4 -1.1.2 洪水调节具体计算- 4 -1.1.3 计算结果统计- 5 -1.2 防浪墙顶高确定- 5 -1.2.1 正常蓄水位和设计设计洪水位状况- 6 -1.2.2 校核状况- 7 -第二章 L型挡墙计算- 9 -2.1 L型挡墙荷载计算方法- 9 -2.1.1荷载计算方法- 9 -2.1.2抗滑稳定演算方法- 11 -2.1.3L型挡墙的基底应力计算方法- 11 -2.2 各工况下的L型挡墙计算- 11 -2.2.1工况一：刚完建时- 12 -2.2.2工况二：校核洪水工况下- 14 -2.2.3L型挡墙抗倾覆稳定计算- 17 -2.3 L型挡墙配筋计算- 17 -2.3.1墙身配筋计算- 17 -2.3.2底板配筋计算- 19 -第三章 复合土工膜设计中的相关计算- 21 -3.1复合土工膜与垫层间的抗滑稳定计算- 21 -3.1.1、混凝土护坡与复合土工膜间抗滑稳定计算- 21 -3.1.2复合土工膜与下垫层间的抗滑稳定计算- 22 -3.2复合土工膜的应力校核计算- 23 -3.2.1应力校核计算方法- 23 -3.2.2 0.4mm厚土工膜应力校核计算- 23 -3.2.3 0.6mm厚土工膜应力校核计算- 25 -第四章 坝坡稳定计算- 27 -4.1 第一组滑动面- 27 -4.2 第二组滑动面- 28 -4.3 第三组滑动面- 29 -第五章 第二建筑物设计(非专题)- 30 -5.1控制堰设计- 30 -5.2出口消能设计- 31 -5.2.1反弧段设计- 31 -5.2.2挑射距离与冲刷坑深度的估算- 32 -第六章趾板设计- 34 -6.1趾板剖面设计（具体方法见说明书）- 34 -6.2趾板配筋- 36 -第七章 副坝设计- 37 -7.1最大剖面设计- 37 -7.2副坝的稳定验算- 38 -7.2.1荷载计算：- 39 -7.2.2稳定验算（抗剪强度公式）：- 40 -7.2.3坝体强度验算- 40 -7.2.4副坝与主坝的连接- 40 -7.2.5副坝的地基处理防渗设计- 41 -第八章 拦洪水位确定- 42 -8.1洪水调节原理- 42 -8.2隧洞下泄能力曲线的确定- 42 -第九章 工程量计算- 46 -9.1堆石体施工- 46 -9.1.1施工强度计算- 46 -9.1.2施工机械选择及数量分析- 49 -9.2混凝土工程量及机械数量计算- 52 -9.2.1 趾板- 52 -9.2.2 混凝土面板- 52 -9.2.3 挡浪墙- 54 -9.2.4 副坝- 54 -9.2.5 混凝土工程机械选择数量计算- 54 -第十章 导流洞施工计算- 56 -10.1基本资料- 56 -10.2开挖方法选择- 56 -10.3钻机爆破循环作业项目及机械设备的选择- 56 -10.4开挖循环作业组织- 56 -10.4.1 确定开挖断面面积S- 56 -10.4.2炮眼数量的确定和布置- 57 -10.4.3循环作业进尺计算- 57 -10.4.4确定钻孔、出渣机械数量- 58 -10.4.5计算总工期- 58 -图1-1：水库水位-库容关系曲线- 60 -图1-2：坝址水位-流量关系曲线- 60 -图1-3：设计洪水过程线(P=2%)- 61 -图1-4：校核洪水过程线(P=0.1%)- 61 -图1-5：调洪演算QH曲线(设计与校核状况)- 62 -图1-6：拦洪水位确定- 67 -图1-7：0.4mm土工膜厚度验算- 68 -图1-8：0.6mm土工膜厚度验算- 68 -第一章 调洪演算1.1 洪水调节计算1.1.1 洪水调节计算方法利用瞬态法，结合水库特有条件，得初专用于水库调洪计算的实用公式如下： Q-q=v/t (1-1)式中Q 计算时段中的平均入库流量（m3/s）；q 计算时段中的平均下泄流量（m3/s）；v 时段初末水库蓄水量之差(m3)；t 计算时段，一般取1-6小时，本设计取4小时。即在一个计算时段内，入库水量与下泄水量之差为该时段中蓄水量的变化。1.1.2 洪水调节具体计算用三角形法（高切林法）拟出洪水过程线，如附图3、4。根据本工程软弱岩基，选用单宽流量约为2040 m3/s，允许设计洪水最大下泄流量255 m3/s，故闸门宽度约为6.375m12.75m，选择三种宽度进行比较，假定溢流前缘净宽分别为8m、9m和10m,并假定三个堰顶高程，绘制出ZQ曲线。并根据公式求得的溢流堰的泄水能力曲线。设计时用AutoCAD作图计算，在设计和校核洪水过程线图中，每单位面积代表库容360m3。正常蓄水位276.0m，库容为1910.0万m3；本工程汛前限制水位设为取为堰顶高程绘图（如附图），列表计算各曲线坐标点参数如下：表1-1 溢洪道下泄能力曲线表（B=8m）H(m)123456789Q(m3/s)17.477448.552987.5799132.3476181.481233.988289.093346.16404.648表1-2 溢洪道下泄能力曲线表（B=9m）H(m)123456789Q(m3/s)21.924561.1314110.688167.9249231.2018299.347371.456446.788524.721表1-3 溢洪道下泄能力曲线表（B=10m）H(m)123456789Q(m3/s)26.371773.7099133.796203.5023280.9226364.707453.818547.416644.7941.1.3 计算结果统计表1-4 方案比较表方案堰顶宽(m)设计洪水位(m)设计下泄流量(m3/s)校核洪水位(m)校核下泄流量(m3/s)超高（m）Q/B1堰顶高程272.0(m) 8272.2195279.12993.124.375210277221278.63402.622.1312276.6242278370220.166674堰顶高程272.5(m)8277.6190279.52903.523.75510277.3215278.93302.921.5612277235278.53652.519.583337堰顶高程273(m) 8278180279.92853.922.5810277.6205279.33253.320.5912277.3230278.93552.919.1666710堰顶高程273.5(m) 8278.4175280.32764.321.8751110278200279.73153.7201212277.7220279.33453.318.3333313堰顶高程274(m) 8278.7170280.62704.621.251410278.4195280.13104.119.51512278.1215279.73403.717.91667注：1.超高Z =校核洪水位-正常蓄水位；2.发电引用最大流量5m3/s，相对较小，在计算时不予考虑。3.计算见附图。1.2 防浪墙顶高确定根据碾压式土石坝设计规范,堰顶上游L型挡墙在水库静水位以上高度按下式确定： y=R+e+A式中y-坝顶超高；R-最大波浪在坝坡上的爬高，按h1%算；e-最大风雍水面高度，按hz算；A-安全超高。库区多年平均最大风速12.6 m/s，吹程1.6Km。表1-6 土坝坝顶安全超高值(m)运用情况坝 的 级 别IIIIIIIV、V正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3波浪要素采用鹤地水库公式：，式中累积频率为2%的波高(m)； Lm平均波长(m) ； V0为水面以上10m处的风速，正常运用条件下III级坝，采用多年平均最大风速的1.5倍；非常运用条件下的各级土石坝，采用多年平均最大风速。设计波浪爬高值根据工程等级确定，3级坝采用累积频率为1%的爬高值。按上述公式算出的为，再根据频率法按下表可得出。表1-7不同累积频率下的波高与平均波高比值(hp/hm)hm/Hm0.010.1124510142050900.13.422.972.422.232.021.951.711.61.430.940.370.10.23.252.822.32.131.931.871.641.541.380.950.431.2.1 正常蓄水位和设计设计洪水位状况V =1.512.6=18.9m/s.查表1-7，因为hm/Hm接近于0，故，则A =0.7m得，h正=h设= R+e+A =1.259+0.534+0.7=2.4924m 正=Z正+h正 =276.0+2.4924=278.4924m 顶=Z设+h设 =277.0+2.4924=279.4924m1.2.2 校核状况V =12.6m/s查表1-7，因为hm/Hm接近于0，故，则A =0.4m得，h校= R+e+A =0.697+0.246+0.4=1.343m校=Z校+h校 =278.6+1.343=279.943m综上，暂取堰顶高程为280m。因为考虑预留沉降：(280-227.5)(0.2%0.4%)=0.1050.21m取为0.2m，所以放浪墙顶高程修至280.2m，则坝顶高程为280.2-1.2=279m(规范中要求防浪墙超高1.2m或以上)第二章 L型挡墙计算2.1 L型挡墙荷载计算方法2.1.1荷载计算方法 2.1.1.1土压力计算方法：土压力采用朗肯土压力理论计算，取单宽1m。 （2-1）式中E土压力；土的容重；H土体厚度；K土压力系数。1）主动土压力系数：= （2-2）式中 内摩擦角，由于挡墙后坝顶路面，采用的是细堆石料，故试验参数选用A组，=38.58=0.2322）被动土压力系数 =4.314 （2-3）3）静止土压力系数： （2-4）式中 墙后填土的泊松比，取为0.25计算得K0=0.332.1.1.2静水压力计算方法： （2-5）式中水的容重；H 水深。2.1.1.3浪压力计算方法：坝前水深H大于，为深水波。 （2-6）式中 水的容重； 累积频率1%的波高；波浪中心线高出计算静水位； L1、L2见图2-1。图2-1 浪压力计算示意图2.1.2抗滑稳定演算方法摩擦公式： （2-7）式中KC 沿基底面的抗滑稳定安全系数，基本组合为1.25，特殊组合为1.1 f 摩擦系数，f=0.50.6,取f=0.5； 作用在挡墙上全部垂直于基底面的荷载（kN）； 作用在挡墙上全部平行于基底面的荷载（kN）2.1.3L型挡墙的基底应力计算方法 （2-8）式中挡墙基底应力的最大值或最小值； 作用在挡墙上全部垂直于基底面的荷载（kN）；作用在挡墙上的全部荷载对于挡墙底板底部中点的力矩之和；A 挡墙基底面的面积（A=14=4m2）；W 挡墙基底面对于基底面中点平行前墙方向的截面矩（）。2.2 各工况下的L型挡墙计算挡土墙受到的荷载有：挡墙自重、挡墙上堆石土料重、墙后土压力、静水压力、前趾上水重和风浪压力。以上荷载有以下四种组合：完建后未蓄水、正常蓄水位、设计洪水位以及校核洪水位。以上工况中有两种极限情况：刚刚完建墙前无水和校核洪水位。下面就这两种工况进行最危险工况的判断：2.2.1工况一：刚完建时此时挡墙前无水，故荷载只有自重、土重以及土压力由于挡墙后坝顶路面，采用的是细堆石料，故试验参数选用A组。由于在墙后填土的作用下墙有背离填土移动的趋势，故墙后填土压力应为主动土压力。IIE0GW2W1图2-2 L型挡墙受力图1）挡墙自重；。2）堆石体自重；3）土压力初步估计作用在挡墙上的力只有墙后填土压力。由于在墙后填土的作用下墙有背离填土移动的趋势，故墙后填土压力应为主动土压力。土压力采用朗肯土压力理论计算，取单宽1m。主动土压力系数：=主动土压力：；4）对I-I截面的弯矩；（逆时针）；5）对-截面的弯矩Pz （顺时针）； （顺时针）；作用点距L型挡墙底板的距离为：；作用点距底板中轴线的竖向距离；则 （顺时针）；则 (顺时针）。6）基底应力的计算墙身自重对底板底部中点的力矩（逆时针）；盖土重对底板底部中点的力矩（顺时针）；主动土压力对底板底部中点的 (逆时针)(顺时针)计算得：2.2.2工况二：校核洪水工况下工况二校核洪水位情况下：此时的荷载有：自重、土重、挡墙后土压力、前挡墙前静水压力及浪压力IIPwPcPzEaW1W2G278.6图2-3校核洪水位工况1）W1、W2、G均与前相同2）前趾上水重；3）静水压力Pc；4）浪压力m可得,故为深水波。波浪中心线至静水位高度： 浪压力: =12.71作用点距离墙身底截面：e=1.3853在墙身底截产生的弯矩：5）土压力判断墙后填土压力是何种土压力： 若是被动土压力，则被动土压力系数：= 由上可算出：；远大于静止压力与浪压力的和，故可判断在此种情况下土压力不可能是被动土压力。且静止水压力和浪压力之和亦大于主动土压力，故该工况下土压力近似为静止土压力。静止侧压力系数：；上式中：取0.25。则静止土压力：；6）对I-I的弯矩 （顺时针）； （顺时针）； （逆时针）；弯矩之和： （顺时针）7）对-截面的弯矩 （顺时针）； （顺时针）；作用点距L型挡墙底板的距离为：；作用点距底板中轴线的竖向距离；则 （顺时针）；则 (顺时针）。8）基底应力的计算；墙身自重对底板底部中点的力矩（逆时针）；盖土重对底板底部中点的力矩（顺时针）；水重对底板底部中点的力矩 (逆时针)；静止土压力对底板底部中点的 (逆时针)；静止水压力对底板底部中点的 (顺时针)；浪压力对底板底部中点的力矩 (顺时针)；(顺时针)计算得：（3）综上所述：无论是I-I还是-截面都是在校核洪水位时弯距最大，故此时为最危险状态，在以后的计算中只须考虑最危险情况，对此种情况进行应力分析及配筋计算。两种工况下挡墙基底应力均大于0，无拉应力出现。平均基底应力均小于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；且挡墙基底应力的最大值与最小值之比为1.10和1.24，均小于规范允许的2.5。所以基底应力满足要求。2.2.3L型挡墙抗倾覆稳定计算43.8564.18根据水工挡土墙设计规范（SL379-2007）规定，土质地基上的挡土墙，在同时满足以下2个规定的要求时，可不进行抗倾覆稳定计算。在各种计算情况下，挡土墙平 均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍； 图2-4校核洪水位基底反力图挡土墙基地应力的最大值与最小值之比不大于2.5（特殊组合）。 本设计挡土墙同时满足以上2个规定，故不进行抗倾覆稳定计算。2.3 L型挡墙配筋计算（注：以下钢筋 代表II级钢、代表I级钢）2.3.1墙身配筋计算最危险工况判定：工况一：正常蓄水位墙身底截面上只受到主动土压力产生的弯矩。其产生的弯矩M19.6922 kNm（逆时针）工况二：校核洪水位(如图2-5)静止土压力产生的弯矩M1=11.21kNm（逆时针） 静止水压力产生的弯矩M2=17.61 kNm（顺时针） 图2-5荷载分布图浪压力产生的弯矩M3=14.052885 kNm（顺时针） 合弯矩M2=14.77 kNm（顺时针）故最危险工况为工况二配筋计算： （2-9）式中： 安全级别，该防浪墙属3级，结构安全级别为II级，； 设计状况系数，； 、 永久、可变荷载分项系数，浪压力取1.2； 静止土压力和主动土压力取1.2 ；静水压力取1.0 根据水工挡土墙设计规范SL_379-2007,墙身配筋可按固支在底板上的悬臂板按受弯构件计算。由于防浪墙处于水位变动区，故环境类级为三类，混凝土保护层厚度c=30mm，a=35mm,取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C20，则轴心抗压强度设计值。钢筋采用级钢筋，截面抵抗矩系数： （2-10）式中： 结构系数，=0.00479=0.0048145的设计要求。且满足一般安全调距约为可能冲刷坑深度的2.55.0倍范围内要求。第六章趾板设计图6-1 趾板最大剖面图6.1趾板剖面设计（具体方法见说明书）根据混凝土面板坝工程得横剖面上趾板坡角，公式如下： （6-1）式中B,C为BC段趾板两端点的高程；L趾板BC段在坝轴线方向上的投影长度；m面板垂直于坝轴线方向上的设计坡度，即堆石坝上游坡面。当CB垂直于坝轴线时，L=0,则=0。当CB平行于坝轴线时，则公式变为： 由上述公式可计算出趾板坡角，从而可确定趾板各剖面尺寸，各剖面趾板坡角及尺寸计算结果如下表：趾板位置高程范围平均水深允许水力坡度趾板宽度s长度m在坝轴线方向上的投影m余弦值迎水面与水平线的夹角CBL左岸1#段276.22591152.20(取3) 32.165.50.993296.64左岸2#段25924427.183.39（取3.5） 36.5430.130.89580426.4左岸3#段24422544.1104.41(取4.5) 62.7458.570.86672629.93河床段22522553.6105.36（取5.5） 53.3653.360.8320533.71右岸1#段22523847.1104.71（取5.0） 13.591.590.9989832.59右岸2#段23826626.683.33（取3.5） 80.5668.740.8808828.27右岸3#段2662777.151.42（取3） 22.0412.720.94090519.81- 67 -6.2趾板配筋趾板的结构应力较小，一般在趾板内布置一定数量的温度钢筋。趾板钢筋的各向含筋率可按照平板段设计厚度的0.3才采用。钢筋采用单层双向配筋，保护层厚度为10cm。在周边接缝处加配构造钢筋。钢筋布置在趾板顶部，单层双向，各向含钢筋率为0.30.4。本设计采用单层双向配筋，保护层厚度取为15cm。横向配筋率取为0.3，纵向配筋率取为0.3。取单宽1m，=0.3% ，则： =1000(400-100)0.3%=900mm2查水工钢筋混凝土结构学附录三表2，选用18280，As=909mm2。由于趾板地基的帷幕与固结灌浆，一般都在趾板上进行，底座又起了灌浆顶盖的作用，在底座内设置锚筋将趾板固定在基岩上。锚筋按经验设计：采用直径28mm钢筋两向间距1m，伸入基岩5m，顶端弯成180,弯钩与顶面钢筋勾连。第七章 副坝设计7.1最大剖面设计副坝最低的底高程为271m，顶部与主坝平齐，为279m，顶宽与主坝顶宽相同，取5m，挡墙高与主坝相同，取1.2m。剖面设计类似于重力坝：按重力坝公式进行底宽计算： （7-1）式中H 坝高，； 混凝土容重，=24kN/m3； 水容重，=9.81kN/m3； 扬压力折减系数，河岸取为0.35。则：，故取底宽。图7-1副坝最大剖面设计图7.2副坝的稳定验算取单宽计算。采用摩擦公式，计算校核水位下的抗滑稳定安全系数： （7-2）式中作用于滑动面以上的力在铅直方向分量代数和；作用于滑动面以上的力在水平方向分量代数和； 作用于滑动面上的扬压力； 滑动面上抗剪摩擦系数，根据资料，混凝土与弱风化千枚岩之间的摩擦系数为，取；7.2.1荷载计算：图6-13 副坝计算简图1）扬压力；考虑在河岸段，扬压力折减系数=0.35，故排水孔处扬压力折减为： ；排水孔设置在离上游面2.5m处，故总扬压力为：2）浪压力 （7-3）式中 水的容重； 波浪波长； 波浪浪高； 波浪中心线高出静水位高度。 3）静水压力 4）坝体自重7.2.2稳定验算（抗剪强度公式）：由水工建筑物表2-7得：3级建筑物，特殊组合下挡墙的最小安全系数 满足要求。7.2.3坝体强度验算可按混凝土重力坝设计规范DL5108-1999采用分项系数极限状态设计方法，用材料力学法可以算出坝址、坝踵处的应力以及折点截面处坝体的上下游面应力，鉴于坝高很小且时间有限，故不具体计算，大致认定坝体的强度满足要求。7.2.4副坝与主坝的连接副坝与主坝采用圆弧连接，考虑行车的要求，副坝与主坝坝顶的连接采用63.7m的转弯半径，转角为43。同时在副坝侧面设置锚固钢筋，插入主坝堆石体中，使其紧密连接。主坝堆石体堆筑到副坝挡水垂直面，混凝土趾板与副坝挡水面紧密相连，其接缝采用与主坝一致的止水措施。具体布置如枢纽布置图。7.2.5副坝的地基处理防渗设计副坝为一重力式混凝土挡墙，坝基采用垂直防渗。在坝基面进行帷幕灌浆，灌至相对不透水层以下5m。同时注意堆石坝防渗体和重力式混凝土副坝防渗体的连接，防止出现渗漏通道。将主坝堆筑面延伸至挡墙面，同时将主坝土工膜插入副坝挡水面混凝土中，使其紧密连接，其接缝采用沥青进行灌填来保证接触缝不漏水，可加强防渗，避免集中渗漏。这样就组成了复合土工膜与混凝土挡墙的一个整体的防渗体。主坝趾板处的灌浆与副坝的帷幕灌浆相连接，在交接处进行交叉灌浆，即趾板的灌浆穿过挡墙的帷幕灌浆，这样就组成复合土工膜趾板帷幕灌浆副坝本身混凝土挡墙帷幕灌浆的一个整体防渗体。第八章 拦洪水位确定8.1洪水调节原理洪水过程线采用频率为5%的设计流量。洪峰流量近似为182.25m3/s与第四章洪水调节相同，通过假定下泻流量，在图中求出增加的库容，再通过库容查库容水位关系曲线，得到流量水位曲线1。计算隧洞下泻能力曲线2。曲线1和曲线2的交点即为拦洪水位及其对应的下泄流量。8.2隧洞下泄能力曲线的确定 明流计算： （8-1）式中 进口洞内水深 出口洞内水深 进口洞内流速 出口洞内流速 平均谢才系数 平均水力半径 隧洞长度由于下泻流量较小,无须考虑无压段及半有压段情况.有压流计算：半有压流与有压流的临界点B2（Q2，H2）， H2=KmA （8-2）式中（采用喇叭口）， n=0.014面积湿周水力半径则谢才系数取 =1， L=250m，则m-1H2=KmA=2.2592.4=5.4216m可解得。则半有压流与有压流的临界点B2（22.961，232.92）由公式 （8-3）式中 出口计算水深自由出流时： 淹没出流时： 局部水头损失之和，进口采用喇叭口时， 谢才系数 混凝土衬砌：n=0.014；木衬砌：n=0.035分别假定不同的Q，用公式（8-3）计算相应的上游水位H，显系计算如下表：有压段计算列表： 表8-1 有压段计算表下泄流量Q流速Vh2CRiLHo上游水位22.91232.92255.53 2.040.2565.60.60.003032506.19003233.69306.63 2.040.2565.60.60.003032508.349343235.8493357.74 2.040.2565.60.60.0030325010.90126238.4013408.85 2.040.2565.60.60.0030325013.84578241.3458459.95 2.040.2565.60.60.0030325017.1829244.68295011.06 2.040.2565.60.60.0030325020.91262248.41265512.16 2.040.2565.60.60.0030325025.03494252.53496013.27 2.040.2565.60.60.0030325029.54987257.0499表8-2 流量水位曲线1：Q库容水位20268.7994249.559530279.0699249