重力坝具体布置计算溢流荷载项目设计书.doc

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1.1 基本资料1.1.1 地形地质 地形情况见附图。河床高程325m。约有23m复盖层，岩石为磷状灰岩，较完整，节理不发育，风化层厚l2m，无特殊不利地质构造。1.1.2 水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m3)相应泄量溢流坝(m3/s)校核洪水位381.5330.011501560设计洪水位380.2332.11090990正常高水位377.3326.5850最低运用水位34138淤沙高程340301.1.3 其他有关数据多年平均最大风速15ms；水库吹程D=2.5公里；混凝土重度24kNm3；淤沙浮重度9.5KN/m3；内摩擦角120度；地震波计烈度6度；基岩允许抗压强度3103kpa；混凝土与基岩之间抗剪断参数f=0.9； c=700kpa；岩石冲坑系数a=1.31.1.4 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。1.2 枢纽布置1.2.1 坝址和坝型选择坝址、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。1.2.1.1 地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。1.2.1.2 地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。1.2.1.3 建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。1.2.1.4 施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。1.2.1.5 综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。1.2.2 本枢纽的等级和拦和坝的级别确定本枢纽库容1090万m3，其他资料没有给出，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。1.2.3 枢纽的总体布置1.2.3.1 非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18.5m，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381.5m，防浪墙顶高程为382.7m，重力坝最大坝高61.5m，最大坝宽47.2m。1.2.3.2 河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 372.9m，最大坝底宽 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WES剖面曲线，采用挑流消能，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。1.2.3.3 枢纽沿坝轴线全长270.5m，共分为15个坝段，枢纽详细布置见图纸。2 非溢重力流坝剖面设计2.1 坝体剖面尺寸拟定2.1.1 坝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为： h=hc+hz+hc其中：hc：波浪高程hz：波浪中心线高出静水位的高度cmhc：安全超高浪长、浪高的确定采用官厅公式，计算风速V0在设计洪水位时采用多年平均最大风速的2倍，在校核洪水位时采用多年平均最大风速，安全超高hc根据规范规定，设计时取0.5m。校核市取0.4m。 官厅公式： （m）式中：v0：计算风速D：风区长度hz：波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=2.5km，计算风速v0在设计洪水情况下取多年平均风速的2北纬30m/s。 波高: hc= = = =1.581m波长：L= = =15.084m波浪中心线至计算水位的校核：hz= HL hz=坝顶高程=380.2+2.501=382.701m（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= = = =0.665m波长：L= = = =7.533m波浪中心线至计算静水位的高度： hz=坝顶高程=381.5+1.149=382.649m取防浪墙高度1.2m,则设计坝顶高程为382.701-1.2=381.5m，设计坝顶高381.5-320=61.5m，校核坝顶高程为382.649-1.2=381.4m，校核最大拔高为381.4-320=61.4列表计算坝顶高程计算项目v0(m/s)hc(m)L(m)hz(m)hc(m)h(m)防浪墙顶高程(m)坝顶高程(m)设计301.58115.0840.5200.42.501382.701381.5校核150.6657.5330.1840.31.149382.649381.4取覆盖层为3cm，风化层为2cm，进行坝高计算。2.1.2 坝顶宽度的确定坝顶宽度在考虑交通要求按cm拟定，如图示坝宽为7-0.25-.05-0.25=6m2.1.3 坝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1/3-2/3坝高,该工程拟折坡点高程为361.0m,上部铅直,下部为1:0.2的斜坡,下游坝破取1:0.75,基本三角形顶点高程为372.17372.2以上铅直坝面。2.1.4 坝体防渗排水 根据上述尺寸算得坝体最大宽度为54.3m，分析地基条件，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6.047，排水孔中心线距防渗帷幕中心线3.26m，拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计暂不计入廊道的影响，廊道为2.5，底距地面5m，帷幕灌浆孔距廊道内壁0.5处，排水孔距廊道下游内壁0.5m处，采取排水孔与重线的斜角，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拟定的非溢流坝剖面如下所示2.2 荷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2-8，设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1m计算。2.2.1 自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。 2.2.2 静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。 2.2.3 垂直压力 2.2.4 泥沙压力 泥沙压力分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为9.5，内摩擦角，水平淤沙压力标准值为。2.2.5 浪压力坝前水深大于1/2，波长（采取下式计算浪压力标准值）。 2.2.6 扬压力扬压力强度在坝址处为，排水孔中心线上为，坝址处为 。2.2.7 浮托力：（） 2.2.8 渗透力：（1.2） KN KN KN2.3 抗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，坝体上的荷载分为两种组合。基本组合取偶然状况对应的设计状况系数，结构系数为，偶然组合省略。坝址抗压强度极限状态的设计状况系数为=0.85,结构系数为。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2-9得，自重为1.0，静水压力为1.0，渗透压力1.2，浮托力为1.0，淤沙压力为1.2，浪压力为1.2，混凝土材料的强度系数为1.35。因大坝混凝土用90 ，龄期大坝混凝土抗压强度材料分项系数为2.0，热轧一级钢筋强度分项系数为1.15，二、三、四级为1.0。材料性能分项系数中队混凝土与基础康健强度摩擦系数为1.3，凝聚力为3.0。上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0.285 。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 ， ， 由于故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。2.4 应力分析2.4.1 坝址抗压强度极限状态计算重力坝正常运行时，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：抗压强度极限状态抗力函数为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： =0.85 取单位1计算： 对坝址基岩： 由于541.22kpa2307.69kpa，故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满足要求。对于抗震6级混凝土强度为C10. 对于坝址混凝土C10 ,强度标准值为10Mpa。由于541.22kpa0所以上游坝踵不会出现拉应力，满足要求。3 溢流重力坝设计3.1 溢流孔口设计3.1.1溢流形式 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。3.1.2 洪水标准确定根据水工建筑物山区、丘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。3.1.3 设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3.1.4 单宽流量 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。经技术经济比较后确定。工程实践证明对于软弱夹层岩石常取。中等坚硬的岩石取。特别坚硬的岩石。本设计取。3.1.5 溢流孔口尺寸的确定3.1.5.1 孔口净宽的计算B校=Q校/q=1560/80=19.5mB设=Q设/q=990/80=12.38m计算情况泄量单宽流量孔口净宽设计情况990801020校核情况1560801525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。3.1.5.2 溢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=2m则溢流坝总长度B1为：B1=nb+(n-1)d+2t=24+23+22=34m3.1.5.3 堰顶高程的确定根据公式 初拟时取0.95，取0.502，忽略行进流速水头，故堰顶高程即为设计洪水位减去堰上水头H.H0校H0设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15600.950.502249.82381.5371.68设计情况9900.950.502247.25380.2372.95根据以上计算取堰顶高程为372.95m。3.1.6 闸门高度的确定门高=正常高水位堰顶高程+（0.10.2） =377.3372.5+0.1 =4.9m按规范取门高5m，8/5=1.6，满足闸门宽高比系（1.52.0）。3.1.7 定型设计水头的确定Hs堰上最大水头Hmax的确定。Hmax=校核洪水位堰顶高程 =381.5372.95=8.55m =381.5371.68=9.82m定型设计水头为Hs=（75%95%） Hmax=6.48.1 Hmax=7.39.3取Hs=7m，718.55=0.81。查表P50，214知，坝面最大负压为0.3Hs，即0.3Hs=2.27m小于规定的允许值（不超过36m水柱）。3.1.8 泄流能力校核闸墩用半圆形 代入公式溢流孔数每孔的净宽堰顶水头闸墩形状系数边墩形状系数设=0.92 校=0.89P设=372.95-320=72.95m P校=371.68-320=71.68mHd设=7.25 Pd校=9.82对于WES型实用堰，在堰上游面垂直，且时，可认为是高堰不考虑行进流速水头。在这种情况下，若H0=Hd，即实际工作全水头刚好等于设计水头时，WES型堰的流量系数md=0.502。若，m值由水力学P269图819查出。 泄洪能力校核计算表计算情况设计情况0.5020.92247.259583.3%校核情况0.5120.89249.8214904.7%3.2 消能防冲设计3.2.1 根据地形地质条件，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。挑流鼻坎应高出下游最高水位12m。鼻坎的高程为332.1+1=333.1m。3.2.2 挑流消能计算3.2.2.1 计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L0和水下挑距L1组成L=L0+L13.2.2.2 空中挑距L0的计算空中挑距L0是指挑坎末端至水舌轴线与下游水面交点间的水平距离：式中: 其中,k为流能比 q为单宽流量 在0.0040.15范围内3.2.2.3 水下挑距计算： 式中： = 总挑距 L=冲刷坑后坡 （1/1.251/5）故不会危及建筑物的安全。 S校核= K校核=计算表如下：挑流计算表计算情况校核情况设计情况48.447.10.0760.0560.930.91 （m）68.1763.7825.626.4（m）57.1 （m）51.548.1 （m）26.1523.52 （m）65.0261.68 （m）133.19125.46反弧半径的确定：坎顶水流流速v按下式计算H为堰上水头高程坎顶水深为反弧半径为取反弧半径为15m.反弧半径计算表计算情况H（m）坎顶水深h（m）反弧半径R（m）实际半径（m）设计情况0.9147.11.197.2818.215校核情况0.9348.41.824.811.93.3 溢流坝剖面设计 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WES曲线两种，经比较本工程选用WES曲线，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。3.3.1 WES曲线坐标计算3.3.1.1计算公式参数原点上又采用椭圆曲线，其方程为式中： a、b系数 a a/b=0.87+3ahs为定型设计水头，m根据计算为7m，取a=0.28代入公式计算 b=0.16圆点上游曲线计算表x0.30.61.21.51.96y0.0130.0540.230.61.123.3.1.2 WES坐标计算圆点下游采用WES曲线，其方程为式中：n、k系数.上游面垂直时.n=0.85 k=2.0HS定型设计水头.m顶部的曲线段确定后，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WES曲线相切时，切点C的横坐标WES堰计算表x1234567891010.76y0.0960.340.731.241.882.633.54.485.576.777.75反弧段的计算已完成。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r的直线，在画一条与挑坝顶点相距为的水平线，两县的交点即为圆心。3.3.2 绘制溢流坝剖面3.3.2.1 绘制WES曲线3.3.2.2 绘制基本剖面图3.3.3 溢流坝顶布置3.3.3.1 闸墩 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0.5m，宽0.5m。图图3.3.3.2工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381.5m。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0.5m。 4 重力坝的主要构造及地基处理4.1 重力坝构造 4.1.1 坝顶构造4.1.1.1 非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10m设置排水管，汇集路面的雨水，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1.2m，厚度为25cm。.以满足运用安全的要求，坝顶公路两侧设有0.75m人行道，并高出坝顶路面20cm。坝顶总宽度为7m，下游设置栏杆及路灯。4.1.1.2 溢流坝段溢流坝的上部设有闸门、闸墩、门机。4.1.1.3 交通桥等结构和设备。4.1.2廊道的布置和尺寸4.1.2.1 基础灌浆廊道位置：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2.5m。高3.75m。内部上游侧设排水沟，并在最底处设集水井。4.1.2.2 坝体廊道自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道共两层，底部高程分别为345m，365m。形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面5m，底宽2.5m，高3.75m。为了减小扬压力，在坝体内设置排水管，d为15。间距为3。无砂多孔混凝土管。排水管将渗水收集