鲤鱼塘水库混凝土重力坝设计说明书毕业论文.doc

混凝土重力坝设计说明书1. 工程等级、建筑物级别及防洪标准确定1.1工程等级确定根据工程基本资料和水利水电工程等级划分及洪水标准SL2522000（表11），确定：1) 根据水库总库容10433万m和供水保证率为95%判定，工程属于等工程，大（2）型规模；2) 根据电站装机1.5万KW判定，工程属于等工程，小（1）型规模；3) 根据水库设计灌溉面积24.28万亩，工程属于等工程，中型规模。综合以上数据，确定水利枢纽工程为等工程，大（2）型规模。表1-1 水利水电工程分等指标工程等别工程规模水 库总库容(）防 洪治 涝灌 溉供 水发 电保 护 城 镇及 工 矿 企 业的 重 要 性保护农田(亩)治涝面积(亩)灌溉面积(亩)供水对象重要性装机容量(KW)大（1）型10特别重要500200150特别重要120大（2）型101.0重要5001002006015050重要12030中 型1.00.10中等100306015505中等305小（1）型0.100.01一般30515350.5一般51小（2）型0.010.001530.51注: 水库总库容指水库最高水位以下的静库容； 治涝面积和灌溉面积均指设计面积。1.2 建筑物级别确定表 1-2 水工建筑物级别工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级 别主要建筑物次要建筑物13423434545555 根据工程基本资料和水利水电工程等级划分及洪水标准SL2522000（表12），确定：鲤鱼塘水库水工建筑物级别工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物2341.3 工程洪水标准确定根据水利水电工程等级划分及洪水标准SL2522000规定：表1-3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准重现期（年）项 目水工建筑物级别12345设 计10005005001001005050303020校核土石坝可能最大洪水（PMF）或10000500050002000200010001000300300200混凝土坝、浆砌石坝50002000200010001000500500200200100表1-4 临时性水工建筑物洪水标准重现期（年）临时性建筑物类型临时性水工建筑物级别345土石结构50202010105混凝土、浆砌石结构201010553根据表13、表14确定，有： 鲤鱼塘水库工程的洪水标准水工建筑物类型永久性水工建筑物级别临时性建筑物重现期（年）设计500100105校核20001000所以，永久性水工建筑物的洪水标准：正常运用情况下为100年一遇（）,非常运用情况下为1000年一遇（）；临时性建筑物的洪水标准：5年一遇（）。2.坝址和坝型的选择及枢纽布置2.1坝址选择2.1.1坝址地形地质条件鲤鱼塘水库坝段选择在桃溪河三溪口以下、大黑滩主要煤矿区以上约4km河段内。项目建议书阶段初选了九道拐、小黑滩、大黑滩三处坝址进行比较，从地形地质、水库水质、和工程技术经济等条件看，大黑滩坝址存在有明显缺点，根据项目建议书阶段审查意见，本阶段予以放弃。故主要勘探工作和技术经济分析工作重点放在在九道拐坝址（称上坝址）和小黑滩坝址（称下坝址），两处坝址各自的地形地质情况简述如下。2.1.1.1 上坝址上坝址位于三溪口下游1.1km，桃溪河在该坝址处的水流流向为NE45SW225，坝址下游河道转弯，并在右岸有支沟九道拐汇入。河谷较开阔，谷坡左缓右陡，为不对称“U”型纵向谷，左岸为顺向坡，坡角2535，坡面分布有残、坡积物和地滑堆积物，坡脚为级阶地，宽2050m，高程370374m。右岸为反向坡，坡角5070。枯水季节坝址处常水位362363m，河床宽3540m，正常蓄水位450.00m时，河床宽321340m。河床覆盖层厚03m，左岸岸坡覆盖层厚06m，地表覆盖有滑坡堆积物，方量约15万m3，右岸基岩裸露良好。本坝址出露地层主要为粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，岩性较软弱，强度低。左岸强风化层厚715m，弱风化层厚1520m。河床部位强风化层厚36m，弱风化层厚1012m。右岸强风化层厚610 m，弱风化层厚1216 m。坝址处为单斜岩层，构造简单，断层不发育，仅沿软硬岩层接触面发育一些层间错动带。坝址上游左岸约500m处有一方量为103.5万m3的陈家大院滑坡。岩体透水性与地质构造和风化程度有关，两岸地下水位均高于正常蓄水位，岩石透水率q3Lu的相对隔水层，两岸在地表以下6685m，河床59.5 m。2.1.1.2 下坝址下坝址位于九道拐下游约500m处，桃溪河出九道拐后流向SE，该坝址河道较为顺直，岸坡左陡右缓，河谷形态呈不对称“V”型横向谷。两岸山体完整、雄厚，左岸呈一陡崖状，坡角为6070，右岸地形稍缓，坡角为3050，部分地段分布有残、坡积物及崩积物。常水位355362m，水面宽1020 m ，河谷宽约50m，当正常蓄水位450.00m时，河谷宽222285m。 河床为第四系冲、洪积漂卵砾石夹砂，结构较松散，覆盖层厚03m。左岸基岩裸露，右岸除局部地段覆盖有15 m 的块、碎石夹亚粘土外，大部岸坡基岩裸露。下坝址地基岩石为砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩。河床部位强风化层厚05.0m，弱风化层厚2.013.00m。左岸强风化层厚017.35m，弱风化层厚2.063m。右岸强风化层厚013.0m，弱风化层厚2.034m。坝址区断层发育程度较低，已查明的6条断层中，F3、F4规模稍大，F1、F2、F5、F6规模均较小。F3断层位于坝址下段牛背脊石板河一带。F4断层位于坝线下游约30m，该断层走向近东西，倾向北西，倾角2040，破碎带宽度215m，在河谷左岸坡脚处出露宽度最大，向两岸延伸，渐趋尖灭，破碎带由页岩、粉砂岩及灰岩碎块组成。坝基岩层软硬相间，沿页岩发育有一系列层间错动破碎带（JC），其中JC1最大，贯穿左右岸，在河床坝基处与F4汇合后，出露宽度约15m。趾板范围内坝基岩石中砂岩占31.84%，粉砂岩占36.85%，泥质岩占31.31%地下水在高程450m以上埋藏较深，在高程450m以下埋藏稍浅，两岸地下水位均高于正常蓄水位450.00m。岩石透水率q3Lu的相对隔水层，左岸在地表以下52100.0m，河床5361m，右岸36.070.0m。2.1.2坝址比较与选择a)地形地质条件：上、下坝址地形差异较大，但出露的地层相同，两岸地下水位埋深也基本接近。上坝址为纵向河谷，河谷较宽，左坝肩山体较单薄，地形不完整；且坝址区左坝肩有体积约15万m3的滑坡堆积物，坝基处理工程量较大。右岸坝肩下游有一条宽6m，切割深达1090m的冲沟，对坝肩稳定不利。下坝址为横向河谷，河段较顺直，便于建筑物的布置。陈家大院滑坡体均位于两个坝址的库区内，上坝址距陈家大院约500m，滑坡体的稳定与否直接威胁着大坝施工期和运行期的安全，而下坝址与上坝址排距500m，其间河流形成近90的拐弯，相应也削弱弱了滑坡对大坝安全的威胁程度。因此，从地形地质条件来看，以下坝址为优。b)水库淹没情况：两坝址相距500m左右，其间无移民搬迁，下坝址仅水库占地略比上坝址有所增加。c)工程量及投资：两个坝址方案的主要工程量及投资列于表2.1.2-1。从表中可以看出，下坝址方案比上坝址方案可节约投资2650万元。综合以上分析，从地形地质条件、施工条件及投资效益等方面来看，下坝址均比上坝址更具有优越性，故采用下坝址。表2.1.2-1 坝址工程量及投资比较表项 目单位数 量备注上坝址下坝址覆盖层开挖万m311.5710.45石方明挖万m346.4984.68石方洞挖万m35.041.37土石方填筑万m3247.46197.52混凝土万m36.776.02含喷锚混凝土钢筋t48663385锚筋t136.0124钢材t178.4149.7帷幕灌浆m3170027824固结灌浆m154909296回填灌浆m60002150投资万元1710014450注：1. 表中未含施工导流等临建工程量； 2. 上、下坝址的排沙放空洞洞长相差不大，不影响坝址比较的结论，故表 中未列入其工程量和投资；3. 两个坝址金属工程量相同。2.2坝线、坝型比选2.2.1坝型坝线的初步选择从小黑滩到牛背脊共勘探了4条坝线，它们分别是I线、II线、III线和IV线，综合分析各项工程地质条件，以I、II线为优，结合考虑水工建筑物布置及工程量等方面的因素，本阶段选择I坝线布置混凝土重力坝方案，II坝线布置混凝土面板堆石坝方案进行比较。1） 地形地质条件：本坝址河谷较狭窄，为不对称的“V”型横向河谷，河段较顺直，便于建筑物的布置，两岸山体完整、雄厚，左岸边坡高陡，右岸地形稍缓地形上适宜修建重力坝。从工程地质条件来看，坝址以砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩为主，岩性相对较弱，两岸弱风化较深，若布置成面板堆石坝，岸边溢洪道开挖量大，堆石填筑量大，施工强度高，且场地狭小，施工道路布置困难，从地形地质条件看，本坝址宜修建混凝土重力坝。2)工程布置： 两个坝型方案布置都比较简单，引水隧洞、厂房与大坝分开布置，坝范围仅考虑挡水和泄洪，大坝下游消能影响区域内无重要设施和居民，故考虑坝体安全，两个方案均采用较简便的挑流消能方式。但混凝土重力坝布置相对较紧凑，管理运行方便。3) 施工条件：施工材料：坝区内石料的储量丰富，有工程需要的土料，但天然砂砾料较缺乏，水泥、粉煤灰需从外地购入，运距远、单价高。施工导流：两种坝型方案施工导流标准相同，导流方式均为一次性拦断隧洞导流。面板坝导流洞断面较小，但渡汛防护费用高，后期导流困难，而混凝土导流洞断面虽大，但后期可预留缺口易于解决。导流费用面板坝略大。弃渣场地：混凝土重力坝方案首部枢纽土石开挖41.04万m3，混凝土面板堆石坝方案首部枢纽土石开挖123.26万m3（含排沙放空洞），其中利用料约27%。扣除利用料后，面板坝方案弃渣量约为重力坝方案的两倍，鲤鱼塘水库工程坝址附近地形狭窄，只能采取分散多处弃渣的方式解决。因此，面板坝方案弃渣场地布置难度相对较大。综上所述，两种坝型比较，宜采用I坝线、混凝土重力坝方案。2.2.2混凝土重力坝岩基上的重力坝在水压力作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定。与常用坝型比较，混凝土重力坝具有如下优点：重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；由于坝体作用于地基面上的压应力不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑，泄洪问题容易解决；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导流隧洞；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。2.2.3坝型的进一步选择在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝、碾压混凝土重力坝等。 宽缝重力坝一般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽，又称实体重力坝。宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以扬压力显著降低，作用面积也相应减小；由于宽缝重力坝所受的扬压力小，坝体混凝土方量可较实体重力坝节省1020，甚至更多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；施工比较复杂，需要的人工多，且施工进度慢。因此本工程可不考虑宽缝重力坝。 空腹重力坝空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载直接由所谓的前后腿传到地基上。空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力，因而混凝土方量可较实体重力坝节省2030，并且可以节省坝基开挖量；上游坝踵的应力较大，扬压力可进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较复杂在实际工程中很少采用。因此，本工程不选空腹重力坝方案。 预应力混凝土重力坝坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力，以增加坝体的稳定性，并有效地改善坝身应力，从而可以大大消减坝体的断面，达到节约混凝土的用量。但这种坝也同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点，在实际工程中很少采用。因此，本工程不选预应力重力坝方案。 碾压式混凝土重力坝要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂，因为我们现在的水平有限，不能作出很好的论证，因而放弃此种很好的坝型。 实体重力坝实体重力坝是最原始也是最简单的型式。其优点是施工，计算，设计均较简单，应分布也较明确和有利。但其缺点是扬压力大，端面面积和工程量大。本工程所在坝址的地质条件较好，因而也无须建空腹重力坝，从而减少施工难度；由于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显，且其应力也复杂，故也无须修建宽缝重力坝；预应力重力坝的钢筋用量大，施工复杂，在此也不宜选用此重力坝；而实体重力坝其优点及本枢纽所在的地形地质条件（地质较好，河谷的宽高比较大）决定了实体重力坝是重力坝里的最佳坝型。最终方案采用混凝土实体重力坝根据横断面的结构形式，混凝土重力坝可分为实体重力坝、宽缝重力坝、和空腹重力坝。实体重力坝是指坝体内无空腔，实心坝段的重力坝，大坝上游面多为垂直，下游坝坡一般取1:0.71:0.9。宽缝重力坝和空腹重力坝具有工程量小、扬压力小的特点，可以适应某些不利的地形条件，但是施工较为复杂，技术不够纯熟，故采用传统的实体重力坝型式。3调洪计算3.1调洪计算方法调洪计算的方法很多，目前我国常用的是：列表试算法和半图解法。本工程采用列表试算法。此法用列表试算来联立求解水量平衡方程和动力方程，以求得水库得下泄流量过程线，其步骤如下：（1）由资料给出得关系曲线，并根据既定的泄洪建筑物尺寸和形式，由相应的水利学出流计算公式求得曲线（2）从第一时段开始调洪，由汛前水位查及关系曲线得到水量平衡方程中的、；由入库洪水过程线查得，；然后假设一个值，根据水量平衡方程算得相应的值，由在曲线上查得，若二者相等，即为所求。否则，重复上述计算过程，直到二者相等为止。（3）将上时段末的、值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即得出水库下泄流量过程线。（4）将入库洪水和计算的两条曲线点绘在同一张图上，若计算的最大下泄流量正好是二线的交点，说明计算的是正确的。否则，计算的有误差，应改变时段重新进行试算，直到计算的正好是二线的交点为止。（5）由查曲线，得最高洪水位时的总库容，从中减去堰顶以下的库容，得到防洪库容。由查曲线，得最高洪水位。显然，当入库洪水为设计标准的洪水时，求得的、 和即为设计标准的最大泄流量、设计防洪库容和设计洪水位。同理，当入库洪水为校核标准的洪水时，求得的、和即为、和。关于调洪计算的过程及结果详见计算书。3.2调洪计算中的公式（1）下泄流量的计算公式如下： （31）式中 下泄流量（）； 溢流坝下泄流量（）；发电引用流量（），这里取13.4。（2）实用堰堰流基本公式： （32）式中 通过溢流孔口的下泄流量，； 溢流孔孔口数；溢流孔单孔净宽，m；侧收缩系数，初取=0.8； 流量系数，初取=0.502；取； 堰顶水头，m。3.3调洪计算结果经过综合分析和比较，确定该水利枢纽工程的泄洪方式采用表孔溢流堰泄洪，表孔选择双孔，尺寸为911m(孔宽高)，堰顶高程=441（m）。计算过程见计算书。 设计洪水位时：，。 校核洪水位时：，。4.非溢流坝段设计4.1非溢流坝段剖面设计4.1.1基本资料由工程水文资料中的，坝址水位流量关系曲线查出： 设计洪水位时：，校核洪水位时：，4.1.2基本剖面的拟定图 4-1-1 重力坝基本剖面图根据工程经验，一般上游坡，下游坡，坝底宽约为坝高的0.70.9倍。该工程取，坝底宽度，上游坝坡率，折坡率，下游坡率。4.1.3实用剖面的确定（1）坝顶宽度坝顶需要有一定的宽度，以满足设备布置、运行、交通及设施的需要。非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%10%，并不小于2m。如作交通要道或有启闭机设施时，应根据实际情况确定。经过分析选取该水利枢纽工程的坝顶宽度为10m。（2）坝顶高程坝顶或坝顶上游防浪墙顶高程应超出水库静水面的高度按下式计算： （411）式中 为累计频率为1%时的波浪高度（m），可按官厅水库公式计算：h=0.0166D（m）； 波浪高出静水面的高度（m），按下式（m），其中（m）； 取决于坝的级别和计算情况的安全超高，查表43。表41 安全超高 （m）荷载组合（运用情况）坝的级别 1234、5基本组合（正常情况）0.70.50.40.3特殊组合（校核情况）0.50.40.30.2坝顶高程（或坝顶防浪墙顶高程）按下式计算，并选用其中的较大值。 （41）式中，和分别按式（41）的要求考虑。对于1、2级的坝，如果按照可能最大洪水校核时，坝顶高程不得低于相应静水位，防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。该工程的防浪墙高度一般取1.2m，应与坝体在结构上连成整体，墙身应有足够的厚度，以抵挡波浪及漂浮物的冲击。坝顶高程计算过程见计算书，最终取坝顶高程，并取防浪墙高度1.2m，则坝顶部高程为： 最大坝高为：452.5-349=103.5m。4.1.4实体重力坝剖面形态 图 4-1-2 非溢流坝实用剖面图4.2 荷载分析作用在重力坝的荷载主要有：坝体自重，上下游坝面上的水压力，扬压力，浪压力，泥沙压力，地震压力及冰压力等。设计重力坝时应根据具体的运用条件确定各种荷载的数值，并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。具体计算过程见计算书。4.2.1 荷载的计算1.坝体自重坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载，其数值可根据坝的体积和材料容重计算确定 （41）本工程采用常态混凝土筑坝，取容重。2.坝面上的静水压力可按水力学原理计算，坝面上任一点静水压强。式中，为水的容重，为该点距水面的深度，将沿坝面积分后，即可求出作用在坝面上的静水压力的合力。当坝面为倾斜时，为计算简便，常将水压力分解为水平水压力和垂直水压力两部分进行计算。 （42） （43）式中 坝前水深（m）； 上游坝坡系数； 水容重，取。3.扬压力（1）坝基面扬压力图 4-2-2 有防渗排水时坝底扬压力分布图对于坝基设有防渗帷幕和排水孔的实体重力坝，扬压力可按图（42）计算，在坝踵的扬压力强度为，在排水孔中心线上的扬压力强度为下游坝址扬压力强度为，其间均以直线连接，形成折线形扬压力分布。上式中的为扬压力折减系数，可根据坝基地质及防渗、排水等具体情况拟定。我国重力坝设计规范建议：河床坝段；岸坡坝段。本工程去。（2）坝体内部扬压力（折坡截面）坝体混凝土也有一定的渗透性，在水头作用下，库水仍会从上游坝面渗入坝体，并产生渗透压力。为了减小坝内渗透压力，常在坝体上游面附近35m的范围内，提高混凝土防渗性能，形成一定厚度的防渗层，并在防渗层后设坝身排水管。上游坝面扬压力强度为，在排水管线为，在下游面为，其间仍以直线连接。也取。4.浪压力由于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，采用已建水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算。对于库缘地势高峻的山区水库，风速风速=416m/s，水库吹程113km的情况，可按官厅水库公式计算： （44） （45）上两中，为计算风速，设计情况宜采用洪水期多年平均最大风速的1.5倍；校核情况宜采用洪水期多年平均最大风速。库面吹程系指坝前沿水面至对岸的最大直线距离，可根据水库形状确定，本工程中为已知0.9 Km。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，其值可按下式计算 （46）本工程属于深水波，求得、和等波浪要素后，浪压力便可按下式计算。 （47）5.泥沙压力淤积计算年限可取为50100年，对于多沙河流应专门研究决定。本工程在设计工况下取50年淤沙高程，校核工况下取100年淤沙高程。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 （48）式中 泥沙对上游坝面的总水平压力； 泥沙的浮容重； 泥沙的淤积高度； 泥沙的内摩擦角，对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，可取；对于较细的粘土质泥沙，可取；对于极细的泥沙、粘土和胶质颗粒，可取。当上游坝面倾斜时，除计算水平向泥沙压力外，尚应计算铅直向泥沙压力，即淤沙重。6.土压力坝基开挖后，一般还要进行回填，但由于方量较少，压力小。所以本工程中，不计算土压力。7.地震荷载设计烈度在6度以下的可不进行抗震设计，而在9度以上则专门进行专门研究。本工程的地震基本烈度小于6度，所以不进行抗震设计。8.冰压力冰压力在较高的重力坝设计荷载中常起控制作用，但冰冻作用会使混凝土表面剥蚀，破坏混凝土的耐久性。本工程海拔高程较低，不会产生冰冻。所以不考虑冰压力。4.2.2 荷载组合作用在坝上的荷载，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。荷载组合情况分为两大类：一类是基本组合，指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，又称设计情况，有基本荷载组成；另一类是特殊组合，指水库处于非常运用情况下的荷载组合，又称校核情况，由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。该水利枢纽工程采用的荷载组合为：表4-2-1 荷载组合荷 载 组合主 要 考 虑 情 况荷 载自 重静 水压 力泥 沙压 力扬 压力浪 压力冰 压力地 震荷 载动 水压 力土 压力基 本组 合（1）设 计 洪 水 位 情 况12345-特 殊组 合（1）校 核 洪 水 位 情 况12345-4.3 稳定分析工程实践和试验研究表明，岩基上混凝土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滑动，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斜破坏。图 4-3-1 重力坝失稳破坏示意图（a）沿软弱面深层滑动示意图 (b)倾倒破坏示意图在一般情况中只进行抗滑稳定分析。本工程也只进行抗滑稳定分析。4.3.1沿坝基面的抗滑稳定1 抗滑稳定计算公式目前常用的有两种公式。图 4-3-2 重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图（a）沿水平坝基面抗滑稳定 （b）沿倾斜坝基面抗滑稳定（1）摩擦公式此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数可按下式计算 （49） 式中 作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和； 作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和； 滑动面上的抗剪摩擦系数； 按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为 （410）式中，为滑动面与水平面的夹角，其他符号同式（49）。由式（410）看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，角由正变负，滑动力增大，抗滑力减小，对坝的稳定不利。（2）抗剪断强度公式此法认为，坝与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数和。其抗滑稳定安全系数由下式计算 （411）式中 坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数； 坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力； 坝体与坝基连接面的面积；按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。表4-3-1 抗滑稳定安全系数、安全系数荷载组合坝 的 级 别123基本组合特殊组合（1）特殊组合（2）1.101.051.001.051.001.001.051.001.00基本组合特殊组合（1）特殊组合（2）3.02.52.3抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了摩擦力和凝聚力，是比较符合坝的实际工作状态，物理概念也较明确。所以，该水利枢纽工程抗滑稳定计算时采用抗剪断强度公式验算。2 计算参数的确定抗剪断摩擦系数，凝聚力和抗剪摩擦系数的确定，一般是根据工程的实际情况，野外现场试验测定来选取。该水利枢纽工程的，。3 计算过程和结果计算过程见计算书，计算结果如表4-3-2所示表4-3-2 计算安全系数安全系数工作状况11截面22截面设计5.183.15校核5.073.02各工况下安全系数均大于表4-3-1中对应工况下的安全系数，因此该工程满足抗滑稳定要求。4.3.2 沿坝基深层的抗滑稳定分析由于坝基滑动面、抗裂面的阻滑力受岩石性质、产状等因素的影响，计算结果的精度比坝体与坝基接触面的阻滑力计算还要差。因此坝基抗滑稳定安全系数一般要求大于坝体的抗滑稳定安全系数。4.3.3 提高抗滑稳定性的工程措施从上述抗滑稳定分析可以看出，要提高重力坝的稳定性关键在于增加抗滑力。工程上常采用如下一些措施： 将坝的上游面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加的抗滑稳定，但倾斜坡度不宜过大，以防止上游坝面出现拉应力。 将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力提高稳定性。若基岩较为坚硬，也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，以提高坝基面的抗剪刀能力。 利用地形、地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，用以增加抗力提高稳定。 采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。 利用预加应力提高抗滑稳定性。4.4 应力分析4.4.1 应力分析方法该水利枢纽工程采用理论计算中的材料力学法进行分析。用材料力学法计算坝体应力时，一般沿坝轴线切取单宽坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁，按平面问题进行计算。图4-4-1表示非溢流坝横断面的计算简图，并规定坐标方向，作用力及应力的正方向如图所示，即水平外力以指向上游为正，铅直外力以向下为正，力矩以反时针方向为正，正应力以压为正，剪应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限为在正。4.4.2 应力计算1. 坝体边缘应力的计算坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘，而且要计算坝体内部应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时，应根据工程规模和具体情况，沿坝高方向每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。图 4-4-1 坝体应力计算图（1）水平截面上的边缘正应力和假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布，可用材料力学偏心受压公式计算。假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布。 式中 作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和； 作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和；计算截面沿上下有方向的宽度。 （2）边缘剪应力和求出和以后，可在上下游边缘、点分别切取三角形微元体。根据力的平衡条件即可求得： （413） （414）上两式中 、计算截面处上下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压力时也应计算在内）； 、上下游坝面坡率，、为上下游坝面与铅直面的交角。 （3）铅直面上的边缘正应力和 求得和以后，由上下游坝体微元体的平衡条件可求得和 。 （415） （416）（4）边缘主应力和取三角微元体，按力的平衡条件可得 （417） （418）显然另一主应力即为作用字坝面上的压力强度，分别为 （419） （420）当上游坝面倾斜时，由于，即使0，但如果,上游面主应力仍会出现拉应力。因此重力坝上游坡面率一般很小乃至为零，以防止上游坝面出现拉应力。（5）有扬压力时的边缘应力计算以上公式均未计入扬压力，当计入扬压力时边缘剪应力为 （421） （422）边缘正应力为 （423） （424）上游边缘主应力为 （425） （426）下游边缘主应力为 （427） （428）当有泥沙压力时，应加上泥沙压力。2.坝体内部应力计算图 4-4-2 坝内应力分布示意图（1）坝内垂直正应力 根据在水平截面上呈直线分布的假定，可得距下游坝面处的为 （429）式中，系数、可由边界条件和偏心受压公式确定。采用的、见图4-4-2。当 时，当时，（2）坝内剪应力根据呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力呈二次抛物线分布，即 （430）式中 （431）（3）坝内水平正应力根据在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可近似的取水平正应力呈二次抛物线分布 （432）（4）坝内主应力、求得坝内各点的三个应力分量后，利用材料力学公式可得= （433）4.4.3 应力计算过程和强度指标应力计算过程见计算书，坝体应力控制标准，对不同的计算方法有不同的规定。当采用材料力学方法分析坝体应力时，SL319-2005混凝土重力坝设计规范规定的强度指标如下。4.4.3.1 重力坝坝基面坝踵、坝址的铅直应力应符合下列要求1 运用期在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不应出现拉应力，坝址铅直应力小于坝基容许压应力。2 施工期坝址铅直应力允许有小于0.1 MPa的拉应力。4.4.3.2 重力坝坝体应力应符合下列要求1 运用期（1）坝体上游面的铅直应力不出现拉应力（计扬压力）。（2）坝体最大主应力，不应大于混凝土的容许压应力。2 施工期（1）坝体在任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力。（2）在坝体下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力4.4.4成果分析表4-4-1坝基面坝踵、坝址的铅直应力设计工况校核工况坝踵铅直应力坝址铅直应力坝踵铅直应力坝址铅直应力运用期不计扬压力821.4271758.06运用期不计扬压力814.391789.21计扬压力266.721724.49计扬压力255.381752.68施工期1819.95567.99施工期1819.95567.99注：单位：KPa表4-4-2 坝体应力2-2截面1-1截面上游面铅直应力坝体最大主应力1下游面主应力1，x=90.66上游面铅直应力坝体最大主应力1下游面主应力1，x=90.66设计工况运用期不计扬压力1758.062802.13-608.99998.74-计扬压力1724.492828.17-593.52973.38-施工期-1860.901285.43校核工况运用期不计扬压力1789.212851.16-627.371028.89-计扬压力1752.681848.1-611.71003.18-施工期-1860.901285.43注：单位：KPa坝基容许承载力为2MPa，该水利工程选用C15号混凝土，允许抗压强度为7.2MPa。混凝土的容许压应力，对于各级工程，混凝土的抗压安全系数在荷载基本组合情况下不小于4.0,；在特殊组合情况下（地震荷载除外）不小于3.5。由以上数据可知，两截面在设计和校核情况下，强度均满足要求，各点的应力也满足规范要求。5溢流坝剖面5.1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、较好体形的堰型，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产生空蚀破坏。其主要泄水方式有以下两种：1、开敞溢流式除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其它漂浮物。堰顶可以设闸门，其闸门顶高于正常蓄水位，堰顶高程较低可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量。由于闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H0的3/2次方成正比。随着库水位升高，下泄流量可以迅速增大，因此，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到了广泛的采用。2、大孔口溢流式，上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于胸墙时，下泄水流和开场流相同，库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。 综合以上情况，本工程本枢纽属大中型工程，所以为使水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。5.2 溢流坝剖面设计5.2.1溢流坝坝面的体形设计溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。堰顶上游做成椭圆曲线，下游做成WES曲线，反弧段末端接挑流鼻坎。选择：为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%95%。该坝堰顶高程为441米，校核洪水位为451.44米，则：，得到，取。由查规范附录一、附表2产生最大负压为,满足规范第29条：校核洪水位闸门全开时出现负压，一般要求负压值不超过水柱高。选择堰顶曲线段：堰顶曲线常用的有克奥曲线和WES曲线，由于WES坝面曲线的流量系数较大，且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克奥曲线用给定坐标值的方法设计、施工都比较方便，所以选择WES曲线。WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分，上游段采用椭圆曲线。（1）椭圆曲线方程： 式中 ，。溢流面曲线坐标x、y的原点取在堰顶点O。WES曲线方程： 由于上游面为铅直的，,， 则：，。取 ，则 。则AO段椭圆方程： （2）O点下游的曲线方程为：，即BO段WES曲线方程为：则 所以切点B的坐标为（13.538,9.147）将x=0，1,2,3，13.538代入式中求得相应的纵坐标，列表得：x01234567y0.0000.0740.2660.5630.9591.4492.0302.700891011121313.5383.4564.2985.2236.2307.3188.4869.147所得的堰面曲线如图所示。5.22消能防冲设计（1）选择消能方式：消能方式有面流消能、底流消能和挑流消能。面流消能利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且沿河床流向坝址，河床一般不需要加固，面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木的要求。底流消能是通过水跃将泄水建筑物泄出的急流转变成缓流，以消除多余动能的消能方式。底流消能具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头，但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量大，工程造价较高。挑流消能是利用泄水建筑物出口的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置，范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工维修方便，耗资省，对下游冲刷较严重，适用于基岩比较坚固的中、高水头等各类泄水建筑物。因为该坝址基岩情况较好，下游水也不是很深，下落有一定水垫深度，同时挑流消能具有结构简单，工程投资少，检修施工方便等特点，故该工程可以选用挑流消能。（2）挑流消能设计：挑流鼻坎型式：连续式鼻坎虽然存在水在空气中扩散掺气的消能作用较差动式鼻坎差，冲刷坑较深，引起下游水位波动也较剧烈的缺点，但由于它构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远的优点得到普遍采用，故该工程挑流鼻坎型式采用连续式。鼻坎挑设角度：根据实验，鼻坎挑射角度一般采用，可选取，如图所示。鼻坎高程：鼻坎高程与工程布置有关，一般应高于下游最高水位12m,以利于挑流水舌下缘的掺气。该工程下游最高水位为校核洪水位相应的下游水位361.99米，则可选取鼻坎高程为363.5米。反弧半径：设挑坎顶部的过流断面的流速为，平均水深为大坝的流速系数可有经验公式计算，即，泄流的单宽流量为 因此有 建立大坝上游断面和挑坎顶部断面的伯努利方程： 行近流速很小，可忽略。此外，,故有鼻坎处水流平均速度v按下式计算 堰面流速系数库水位至坎顶的高所以鼻坎平均水深为： 反弧段半径，取（3）设反弧段圆弧圆心的坐标为，则： ，即；P2 为下游堰高，取 则 （5）直线段下端点D（6）挑距和冲刷坑的估算连续式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外缘计算：根据混凝土重力坝设计规范SL319-2005中附录A中公式A.4.1-1：式中水舌抛距，m;坎顶水面流速，m/s,按鼻坎处平均流速的1.1倍计，即；鼻坎的挑角；坎顶垂直方向水深，m, （为坎顶平均水深，m）;坎顶至河床面高差， m，;堰面流速系数。所以 最大冲坑水垫厚度估算参见混凝土重力坝设计规范SL319-2005中附录A式中水垫厚度，自水面到坑底，m ；冲坑深度, m; 单宽流量，m/s;上下游水位