混凝土重力坝毕业设计

长 江 工 程 职 业 技 术 学 院 大专学生毕业设计 论文 题 目 混凝土重力坝设计混凝土重力坝设计 姓 名 学 号 系 部 水利工程系 专 业 水利水电建筑工程 指导教师 2008 年 12 月 25 日 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 设计题目 混凝土重力坝设计 二 设计题目 混凝土重力坝设计 二 适用专业 水利水电工程适用专业 水利水电工程 指导老师 指导老师 学生姓名 学生姓名 长江工程职业技术学院长江工程职业技术学院 1 目目 录录 第一部分第一部分 总则总则 一 设计目的及要求 2 二 设计方法 2 第二部分第二部分 设计资料和任务设计资料和任务 一 设计内容 3 二 基本资料 3 三 设计指导 4 四 设计内容和时间安排 6 五 设计成果要求 6 六 参考文献 7 2 第一部分 总 则 一 设计目的及要求 1 巩固 充实 加深 扩大学生的基本理论和专业知识 通过实际工程的设计 使学生掌握混凝土重力坝的结构选型 尺寸拟定 工作条件 作用荷载及设计依据 内容 方法 步骤等 从而达到较全面 系 统地巩固 充实 提高所学的基础理论和专业知识 使之系统化 2 培养学生独立工作 解决实际问题的能力 学生在全面了解设计任务和熟悉给定资料的基础上 学会查找规范 手册 技术文献等参考资料及前人经验 结合工程实际 在教师的指导下 独立进行 工程设计 3 训练学生的基本技能 培养学生初步掌握工程设计工作的流程和方法 在设计 计算 绘图 编 写设计文件等方面得到较全面的锻炼和提高 4 培养学生形成正确的设计思想 树立严肃认真 实事求是和刻苦钻研的 工作作风 二 设计方法 1 由于设计时间短 任务紧 应尽量避免重作或返工 但必须认识到 设 计工作是逐步深入的 因此某些重作是正常的 甚至是必要的 2 每个阶段设计中 趁进入角色之机 应及时收集资料 草写阶段设计说 明并备全草图 这样既可及时校对 发现错误 又为最后的文字成果整理提供 素材 3 在学生与教师研讨问题时 学生应在充分钻研的基础上 先提出自己的 3 看法和意见 不能请老师代作和决断 老师只向学生提出启发性的意见 解决 问题的途径和工作方向 建议等 在采纳教师建议时 也必须自我消化 理解 但不强求一定纳用 在设计过程中 提倡开拓精神 鼓励提出新的方案或见解 同时也要遵循严肃认真的科学态度 4 为保质 按时完成设计任务 学生应了解各阶段的设计内容份量和比重 结合自己的实际情况 参考下列建议的安排时 做出自己的控制计划 4 第二部分 设计资料和任务 混凝土重力坝设计 二 一 设计内容 本课程设计主要针对某水库的挡水重力坝段进行如下内容的设计 1 确定挡水重力坝的剖面 2 坝体强度验算 3 坝基接触面抗滑稳定验算 4 细部构造设计 要求在对基本资料认真分析的基础上 根据水工建筑物教材中相应的内容 进行设计 算参数的选取和方案的确定要有必要的论证 应提交的成果包括 设计书 1 份 图纸 1 张 1 号图纸 二 基本资料 1 坝基地质资料 坝基地质资料 各部分高程 河床高程 30 00m 河床弱风化岩顶线高程 26 00m 河床微风化岩顶线高程 24 00m 河床砂卵石盖层厚度 2 5m 岩石极限抗压强度标准值 弱风化岩顶面 100 120MPa 微风化岩顶面 150 160MPa 坝体混凝土与基岩的摩擦系数 5 与弱风化岩的抗剪断摩擦系数 0 85 抗剪断粘聚力 1 0Mpa 与微风化岩的抗剪断摩擦系数 1 05 抗剪断粘聚力 1 3Mpa 2 水库特征 水库特征 正常高水位 68 6m 死水位 47 0m 淤积高程 41 0m 总库容 9 21 108m3 正常与设计水位时的吹程为 4km 校核水位时的吹程为 4 5km 各种频率下的水位和流量见表 2 1 表 2 1 各种频率下的水位和流量 频率 510 10 05 上游水位 m 70 070 872 172 8 下游水位 m 35 035 636 036 4 流量 m3 S 1 3200400052006600 3 气象资料 气象资料 本地区的多年平均气温为 9 3 最高气温 35 3 最低气温 23 5 冰冻期为每年的 11 月上旬至第二年的 3 月中旬 每年春天都有约 15 天的流冰 期 河心最大冰层厚 0 73m 多年平均最大风速 15ngs 4 其它资料 该水库灌溉农田 83 6 万亩 淤砂干重度 14kN m3 孔隙率为 0 4 淤砂 内摩擦角 16 地震基本烈度为 7 度 设计烈度为 7 度 其它未经列出的 有关资料可由设计者自行决定 三 设计指导 设计者可以参照下面的步骤进行设计 6 1 熟悉基本资料 明确设计任务 确定工程建筑物的等级 2 挡水坝段剖面设计 1 初拟基本三角形 基本三角形顶点可以放在最高水位处 下游坝面坡比 可以正常蓄水位或防洪高水位时的水荷载为主要作用的基本组合为依据 并参 考已建工程初步拟定 2 确定坝顶高程及坝顶宽度 对于设计及校核洪水分别进行波浪高计算并 加上相应的安全超高 由此确定坝顶高程 坝顶宽度需考虑设备布置 检修 运行 施工和交通等方面的要求 最小宽度为 3m 3 确定作用及其组合 由指导教师指定一种作用组合 基本组合进行设计 基本作用组合或偶然 作用组合的一种 按表 2 2 列出作用组合表 表表 2 22 2 作用组合表作用组合表 作用 设计 状况 作 用 组 合 主 要考虑 情况 自重 静水 压力 扬压 力 淤砂 压力 浪压力冰压力 动水压 力 土压 力 地震作 用 附注 正 常蓄水 防 洪高水 位 持久 状况 基 本 组 合 冰 冻情况 注 注 表示该种作用不存在 表示该种作用不存在 4 作用计算 对已确定的作用组合分别进行作用计算 并按比例绘制计算草图 建议按 照表 2 3 计算 也可自己设计表格 表表 2 32 3 作作 用用 计计 算算 表表 组合情况 基本组合 序号 作用名称 计算式 重度 KN m 3 作用 每一坝段 KN 力臂 m 力矩 KN m 7 水平 H 垂直 V 1 2 3 作用之和 H V M 5 坝体强度和稳定承载能力极限状态验算 坝体强度和稳定承载能力极限状态验算只进行坝址抗压强度验算和坝基触 面抗滑稳定验算 对给定的作用组合情况用抗剪断强度指标进行坝基面抗滑稳 定极限状态验算 对验算结果进行评价 若不满足要求应提出修改措施 表表 2 42 4 应力计算结果应力计算结果 坝踵处坝址处 计算情况 yu u xu Iu IIu yd d xd Id IId 基本组合 特殊组合 6 细部设计 包括坝身止水和排水 坝基止水和排水 廊道 闸墩等的形状 尺寸及构 造设计 7 整理设计说明书及绘图 设计说明书应包括设计依据 计算过程和计算结果分析 对某些设计参数 的选取应有必要的分析论证 并附有必要的计算图表 要求文字简明扼要 条 理清楚 能表达出设计者的设计意图即可 设计图纸布局合理 图面美观 四 设计内容和时间安排 毕业设计时间共计 6 周 建议时间安排如下 设 计 内 容建议时间安排 周 了解任务及熟悉资料 重力坝设计 绘图及成果整理 评阅 答辩 0 5 3 5 1 5 0 5 合 计 6 8 五 设计成果要求 1 文字成果 设计说明书 计算书 是毕业设计的主要成果 是表达设计者的设计思想 方法和分析解决问题的体现 计算书也是表达设计者计算程序和计算成果的来 源 具体要求如下 1 对结构选型要有论证 2 要分章分节 并要对各章设计成果有简要的表格归纳活文字分析 3 对采用的参数要说明其依据 4 要在采用的计算公式或参数后标明其来源出处 5 计算成果要有汇总表 6 首页要有目录 末页要列出参考文献 2 图纸成果 工程设计图是设计成果的重要表达方式 学生应严格按照 水利水电工程 制图标准 进行绘制 具体要求是 制图投影正确 布局合理 比例得当 线 条清晰 高程 尺寸齐全 并有简要的注解说明 本次毕业设计绘制设计图的张数要求如下 1 重力坝结构布置图一张 包括枢纽平面布置示意图 溢流坝段和非溢流 坝段典型纵剖面图 用 1 号图纸绘制 2 坝体细部构造图一张 如坝顶构造 坝体廊道等 用 2 号图纸绘制 六 参考文献 1 混凝土重力坝设计规范 水利电力部编 水利电力出版社 2 重力坝设计 潘家铮编著 水利电力出版社 3 水工建筑物 任德林 张志军编著 河海大学出版社 4 水力计算手册 武汉水利电力学院编 上海科学出版社 5 水工设计手册 6 泄水与过坝建筑物 水利电力出版社 6 水工设计手册 7 混凝土 水利电力出版社 7 混凝土拱坝及重力坝坝体接缝设计与构造 水电部黄委会编 8 小型水利水电工程设计图集混凝土坝分册 湖南省水利水电勘测设计院编制 9 目 录 一 确定工程等级 规模及工程建筑物等级 10 二 水利枢纽的分类及布置原 则 10 三 坝址选 择 10 四 坝型的选 择 10 五 挡水坝段剖面设 计 12 1 初步拟定基本三角形 12 2 确定坝顶高程及坝顶宽度 13 六 确定作用及其组 合 16 10 一 作 用 16 二 作用组 合 16 七 作用计 算 17 八 坝体强度和稳定承载能力极限状态验 算 19 九 细部设 计 24 十 设计说明书及绘 图 38 十一 参考文 献 40 十二 致 谢 41 一 确定工程等级 规模及工程建筑物等级 由资料可知水库总库容为 9 21 灌溉农田 83 6 万亩 所以查阅 8 10 3 m 教 材 水工建筑物 表 1 1 水利水电枢纽工程的分等指标 可知 要求设计的 混凝土重力坝的工程等级为二级 工程规模为大 2 型 再查表 1 2 水工 11 建筑物级别的划分 可知 要求设计的混凝土重力坝主要建筑物级别为 2 级 次要建筑物级别为 3 级 临时建筑物级别为 4 级 二 水利枢纽的分类及布置原则 水利枢纽按承担任务的不同可分为防洪枢纽 灌溉枢纽 发电枢纽 航运 枢纽等 而大多情况下都是多目标的集合利用枢纽 按坝型可分为重力坝枢纽 拱坝枢纽 土石坝枢纽及水闸枢纽等 水利枢纽布置必须充分考虑地形 地质条件 使各种水工建筑物都能布置 在安全可靠的地基上 并能满足建筑物的尺度和布置要求以及施工的必需条件 枢纽布置使各个不同功能的建筑物在其位置上各得其所 在运行中相互协调 充分有效地发挥所承担的任务 在满足基本要求的前提下 力求建筑物布置紧 凑 一物多用 减少工程量 降低造价 同时要充分考虑美学要求 一个大型 水利枢纽工程的总体布置是一项复杂的工程 需要按系统工程分析方法进行论 证确定 三 坝址选择 坝址选择与枢纽布置密切相关 不同坝型轴线易采取不同的坝型和枢纽布 置 同一坝址也可以有不同的坝型和枢纽布置方案 通过经济比较择优选出坝 轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置 坝址选择与地质条件密切相关 理想坝址地质条件是强度高 透水性好 不易风化 没有构造缺陷的岩基 但一般来说 坝址在地质上总是存在缺陷 因此 在选用坝址时应用实际出发 不仅要慎重考虑坝基地质条件 还要求库 区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性 坝址地形条件与坝型选择和枢纽布置有 着密切关系 除此之外 地形条件在很大程度上会影响坝址 一般来说 坝址宜选在河 谷狭窄地段 坝轴线较短 可以减少坝体工程量 还要考虑便于施工导流等等 因此需要全面分析 结合考虑 选择最有利的坝址 对于此工程 1 从施工条件看 上坝线河床比较宽 显然相同条件下 上坝线更有利于 施工导流 截流期比较短 更容易截流 2 从水流条件看 由上 下坝线坝址水位流量关系看出 在同样情况下 上坝线更有利于抬高水位 对发电为主的枢纽是有利的 3 从经济方面考虑 下坝线虽然相对平坦一些 且对外交通比上坝线短 但其紧邻生活区 需要迁移居民 耗资较大 不利于经济合理原则 因此 选 上坝线比较好 综合以上所有因素来看 在满足枢纽布置和施工导流的前提下 上坝线工 程量较小 坝轴线构造更简单 因此 选上坝线作为坝址 四 坝型的选择 1 重力坝 1 重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求 同时依靠坝 体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求 重力 坝之所以得到广泛应用 是因为其具有以下几个方面的优点 12 安全可靠 重力坝剖面尺寸大 坝内应力较低 筑坝材料强度高 耐久 性好 因而抵抗洪水漫顶 渗漏 地震和战争破坏的能力都比较强 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 枢纽泄洪问题容易解决 重力坝可以做成溢流的 也可以在坝内不同高 程设置泄水孔 一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞 枢纽布置紧凑 便于施工导流 在施工期可以利用坝体导流 一般不需要另设导流隧洞 施工方便 大体积混凝土可以采用机械化施工 在放样 立模和混凝土 浇筑方面都比较简单 并且加强 修复 维护或扩建也比较方便 2 重力坝的缺点主要是坝体剖面尺寸大 材料用量多 把体应力较低 材料的强度不能充分发挥 而且需要严格的温度控制措施 坝基与地基的接触 面积大 相应的坝体扬压力大 对稳定不利 2 土石坝 土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型 它之所以 得到广泛应用和发展有以下优点 可以就地 就近取材 节省大量水泥 木材和钢材 减少工地的外线运 输量 能适应各种不同的地形 地质和气候条件 大容量 多功能 高效率施工机械的发展 提高了土石坝的施工质量 加快了进度 降低了造价 促进了高土石坝建设的发展 但土石坝坝顶不能溢流 施工导流不如混凝土坝方便 坝体的断面大 土 料填筑的质量易受气候的影响 3 拱坝 拱坝须是固接与基岩的空间壳体结构 在平面上呈凸向上游的拱形 其拱 冠剖面竖直的或向上游凸出的曲线形 坝体结构既有拱作用又有梁作用 由于 拱坝剖面较薄 坝体几何形状复杂 因此 对于施工质量 建筑材料强和防渗 要求等都较重力坝严格 除此之外 拱坝对地形的要求是左右两岸对称 岸坡 平顺无突变 在平面上向下游收缩的峡谷段 本设计的两岸地形不适合建拱坝 13 综合以上三种坝形的优缺点 考虑到本枢纽主要承担了防洪作用 而且在 校核洪水位时的流量和泄流量都较大 需要开敞式的坝体泄流形式 由于土石 坝自身不能在坝顶溢流的缺点 不能够满足防洪的需要 故选用重力坝作为设 计坝型 而重力坝的形式比较多 主要可分为实体重力坝 碾压混凝土重力坝 宽 缝重力坝等 下面介绍这几种坝型 1 实体重力坝的主要优点就是 结构相对比较简单 施工比较方便 并且 有丰富的经验技术 施工过程中质量容易控制 其不足之处就是坝体体积较大 扬压力也比较大 施工时不利于混凝土的散热 2 宽缝重力坝具有以下一些优点 充分利用了混凝土的抗压强度 扬压力 显著降低 节省混凝土方量 但也有一些缺点 如 增加了模板用量 立模也 较复杂 分期导流不便 在严寒地区 对宽缝需要采取保温措施 而且宽缝重 力坝的散热比较好 并且一般情况下 不易出现被坝体内部混凝土由于膨胀而 破坏坝体的稳定 3 碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比 具有以下一些优点 工艺 程序简单 可快速施工 缩短工期 提前发挥工程效益 胶凝材料用量少 又 特别是水泥用量减少 由于水泥用量减少 结合薄层大仓面浇筑 坝体内部混 凝土的水化热温升可大大降低 从而简化了温控措施 不设纵缝 节省了模板 和灌浆等费用 可使用大型施工机械设备 提高混凝土运输和填筑的工效 但 也有一定缺点 如 坝体混凝土分区 各区域内混凝土的级 再结合设计内容 结合工程中有丰富的砂石料场 地质条件不是很复杂 故确 定选择碾压混凝土重力坝方案 五 挡水坝段剖面设计 1 初步拟定基本三角形 由基本资料可知当频率为 0 05 时 上游水位最高 为 72 8m 基本三角 形顶点可以放在最高水位处 所以基本三角形的顶点高程为 72 8m 在一般情况下 常将上游面做成铅直的 即 a 90 根据工程经验 重力 坝基本断面的上游坡度宜采用 1 0 1 0 2 下游面的坡度宜采用 1 0 6 1 0 8 所以 此设计的混凝土重力坝 上游坡度取 1 0 下游坡度取 1 0 7 因为河床微风化岩顶线高程为 24 00 m 上游最高水位为 72 8 m 14 所以 此混凝土重力坝的坝高约为 H 72 8 24 00 48 8 m 所以 坝底宽度 B 48 8 0 7 34 16 m 综上所述 设计的混凝土重力坝基本断面为 基本三角形的顶点高程为 72 8m 上游坡面坡比为 1 0 下游坡面坡比为 1 0 7 坝底宽度为 34 16 m 具体尺寸及样式见图 1 重力坝的基本断面 所示 图 1 重力坝的基本断面 2 确定坝顶高程及坝顶宽度 因为正常水位为 68 6 m 河床高程为 30 00 m 所以 水域平均水深 68 6 30 00 2 m H 19 3 m 又因为正常与设计水位时的吹程为 4 校核水位时的吹程为 4 5 多年 平均最大风速为 15 m s 正常或设计水位的波浪高由 gD 9 8 4 174 22 在 2 0V 3 10 2 15 20 250 范围内可知为频率 P 5 的波浪高 5 h 由公式 0 0076可知 2 0 V gh 12 1 0 V 3 1 2 0 V gD 0 0076 g 5 h 12 1 0 V 3 1 2 0 V gD 2 0 V 15 0 0076 9 8 12 1 15 3 1 2 3 15 1048 9 2 15 0 78 又因为 0 04 查阅教材 水工建筑物 表 2 2 累积频率为 5 h m H 3 19 78 0 P 的波高与平均波高的比值 可知 1 95 p H m H 所以正常或设计水位的波高 0 4 m m h 95 1 p h 95 1 78 0 因为波浪长度 2L 8 12 这里取 12 m h m h 所以波浪长度 2L 12 12 0 4 4 8 m m h 由资料知死水位为 47 0 m 河床高程为 30 00 m 所以 坝前水深 47 0 30 00 17 m 1 H 又因为 17 m L 2L 2 4 8 2 2 4 m 1 H 所以 正常水位时的波浪中心线高出静水位的高度由公式 求得 hz L h 2 2 2 即 0 10 m hz L h 2 2 2 8 4 4 0 2 式中 2h 波浪高 米 2L 波浪长度 米 2L 8 12 m h 又因为该混凝土坝为 2 级坝 所以 查阅教材 水工建筑物 表 2 18 可知正常蓄水位时安全超高 0 5m hc 由公式 h 可知 m h z h c h 安全超高 0 4 0 10 0 5 1m 正 h m h z h c h 校核洪水位的波高由 gD 9 8 4 5 196 在 20 250 范 2 0V 3 10 2 15 围内可知为频率 P 5 的波浪高 5 h 16 由公式 0 0076可知 2 0 V gh 12 1 0 V 3 1 2 0 V gD 0 0076 g 5 h 12 1 0 V 3 1 2 0 V gD 2 0 V 0 0076 9 8 12 1 15 3 1 2 3 15 105 48 9 2 15 0 93 又因为 0 04 查阅教材 水工建筑物 表 2 2 累积频率 5 h m H 3 19 78 0 为 P 的波高与平均波高的比值 可知 1 95 p H m H 所以校核洪水位的波高 0 48 m m h 95 1 p h 95 1 93 0 因为波浪长度 2L 8 12 这里取 12 m h m h 所以波浪长度 2L 12 12 0 48 5 76 m m h 由资料知死水位为 47 0 m 河床高程为 30 00 m 所以 坝前水深 47 0 30 00 17 m 1 H 又因为 17 m L 2L 2 5 76 2 2 88 m 1 H 所以 正常水位时的波浪中心线高出静水位的高度由公式 求得 hzL h 2 2 2 即 0 13 m hzL h 2 2 2 76 5 48 0 2 式中 2h 波浪高 米 2L 波浪长度 米 2L 8 12 m h 又因为该混凝土坝为 2 级坝 所以 查阅教材 水工建筑物 表 2 18 可知正常蓄水位时安全超高 0 4m hc 由公式 h 可知 m h z h c h 17 安全超高 0 48 0 13 0 4 1 01m 校 h m h z h c h 坝顶高程按式 坝顶高程 正常水位 和坝顶高程 校核洪水位 正 h 计算 并选用其中的较大值 校 h 坝顶高程 正常水位 正 h 68 6 1 69 1 m 坝顶高程 校核洪水位 校 h 72 8 1 01 73 81 m 因为 73 81 m 69 1 m 所以 综上所述坝顶高程为 73 81 m 所以 坝高为 H 73 81 24 49 81 m 又因为坝顶宽度可采用坝高的 8 10 此设计的混凝土重力坝取 9 所以 坝顶宽度 b 49 81 9 4 4829 m 4 m 又因为坝顶宽度 b 最小为 3 m 计算 b 4 m 故符合最小设计要求 六 确定作用及其组合 一 作用 由资料可知作用在混凝土重力坝坝体上的主要作用有 坝体自重 静水压 力 动水压力 扬压力 淤砂压力 浪压力 冰压力 土压力 地震作用等 二 作用组合 设计混凝土坝时 应根据具体条件及各种荷载同时作用的实际可能性 来 选择计算的情况和确定最不利的荷载组合 表 1 中列出了本混凝土重力坝设计 中所应考虑的作用组合 表表 1 1 作用组合表作用组合表 作用 设计 状况 作用 组合 主要考 虑情况 自 重 静水 压力 扬压力 淤砂 压力 浪压 力 冰压 力 动水 压力 土压 力 地震 作用 附 注 正常蓄 水 持久 状况 基本 组合 防洪高 水位 18 冰冻情 况 注 表示该种作用不存在 七 作用计算 对已确定的作用分别进行计算 见附表 2 及计算过程说明 计算过程说明 1 坝体自重 G 坝体形状及尺寸如下图 2 混凝土重力坝形状及尺寸示意图 所示 图 2 混凝土重力坝形状及尺寸示意图 由 CAD 软件画图并查询可知 其横断面面积为 848 2535 或经计算此混 凝土重力坝的横断面面积 S 4 6 18 4 34 16 48 8 1 1 6 81 2 846 8772 所以取每米坝长的体积 V 848 2535 1 848 2535 3 m 因为一般混凝土的重度为 23 0 23 5KN 此重力坝的混凝土的重度取 3 m 23 5KN 砼 3 m 所以坝体自重 G V 砼 848 2535 23 5 19933 96KN 2 静水压力 19 作用于坝面的总静水压力 常分解为水平及竖向分力进行计算 水平力 P 1 17 8500 m 2 1 2 H 2 1 3 10 垂直力 W 1 0 0 1 A 3 10 3 扬压力 因为一般扬压力强度 可由水头乘以水的重度得到 且已知正常上位为 68 6m 河床高程为 30 00m 所以 扬压力 F H 68 6 30 00 1 38600 3 10 4 淤沙压力 根据朗肯主动土压力公式 作用于单位长度挡水结构上的水平淤砂压力标 准值可按下式计算 45 sk P 2 1 sb 2 s h 2 tan 2 s 1 n sb sd 式中 淤砂压力标准值 KN m sk P 淤砂的浮重度 KN sb 3 m 淤砂的干重度 KN sd 3 m 水的重度 KN 3 m n 淤砂空隙率 淤砂内摩擦角 s 坝前泥砂淤积厚度 m s h 由资料可知 淤砂干重度 14KN 淤砂孔隙率 n 0 4 sd 3 m 因为水的重度 1 KN 3 m 所以 淤砂的浮重度 1 n sb sd 14 1 0 4 1 13 4 KN 3 m 因为河床高程为 30 00 m 河床微风化岩顶线高程为 24 00 m 所以 坝前泥砂淤积厚度 30 00 24 00 s h 20 6 m 又因为淤砂内摩擦角 16 s 所以 淤砂压力标准值 45 sk P 2 1 sb 2 s h 2 tan 2 s 13 4 45 16 2 2 1 2 6 2 tan 181 76 KN m 5 冰压力 静冰压力 查阅教材 水工建筑物 表 2 4 静冰压力标准值 可知当冰层厚度为 0 6 m 时 静冰压力标准值为 180 KN m 当冰层厚度为 0 8 m 时 静冰压力标准 值为 215 KN m 由资料知 河心最大冰层厚度为 0 73 m 所以 静冰压力为 180 0 73 0 6 dk F 6 08 0 180215 202 75 KN m 动冰压力 由资料可知 多年平均最大风速为 15 m s 河心最大冰层厚度为 0 73 m 所以 冰块流速 v 15 3 0 45 m s 0 6 m s 故符合要求 流冰厚度 0 8 0 73 0 58 m i d 又由资料知校核水位为 72 8 m 河床高程为 30 m 所以 水库水深约为 72 8 30 42 8 m 再由资料得水库总库容为 9 21 8 10 3 m 所以 冰块面积 A 8 42 1021 9 8 2 15 7 10 又因为此计算冰压力为水库上的动冰压力 所以冰的抗压强度 0 3 ic f 所以 动冰压力为 0 07v bk F i d ic Af 0 07 0 45 0 58 3 01015 2 7 46 4 KN m 八 坝体强度和稳定承载能力极限状态验算 21 校核洪水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算 1 荷载组合 自重 静水压力 扬压力 淤沙压力 浪压力 冰压力 动水压 力 土压力 2 荷载组合计算 波浪要素计算 由计算可知 7 91m m L 3 955m R 2d 0 S 经计算可知 该重力坝在校核洪水位情况下坝基面的抗滑稳定性满足要 求 2 坝趾抗压强度承载能力极限状态 偶然组合 作用效应函数 S 1 R RR R R J TM A W 2 2 m 3 9 抗压强度极限状态抗力函数 或 R c f R R f 3 10 式中 坝基面上全部法向作用之和 KN 向下为正 R W 全部作用坝基面形心的力矩之和 KN m 逆时针方向 R M 为正 坝基面的面积 R A 2 m 坝基面形心轴到下游面的距离 m R T 坝基面对形心轴的惯性矩 R J 4 m 23 坝体下游坡度 2 m 混凝土抗压强度 KPa c f 基岩抗压强度 Kpa R f KNWR47 13326 2 36136mAR mTR18 mKNMR 34 7577696 151544 3 227321 4 3 3888 12 361 mJR 8 0 2 m8 0 1 1 0 8 1 2 d kpam J TM A W S R RR R R 58 1105 1 2 200 碾压混凝土选用 且材料的分项系数为 1 5 故 15C kpa Mpa fc67 13066 5 1 6 19 26 7259 8 1 67 13066 0 1 Skpa f d c 所以 经过计算 坝趾抗压强度满足要求 3 正常使用极限状态坝踵垂直应力不出现拉应力 计扬压力 坝踵垂直应力不出现拉应力 计扬压力 计算公式为 0 3 11 R RR R R J TM A W 坝基面形心轴到上游面的距离 m R T 按标准值计算 R W R M KNWR77 1375291 848168 22234 mKNMR 6 7148459 15084919 222334 18 R Tm 4 3888mJR 007 51 3888 18 6 71484 36 77 13752 KN 则 坝踵垂直应力不出现拉应力 24 正常蓄水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算 1 荷载组合 自重 静水压力 扬压力 淤沙压力 浪压力 冰压力 动水压 力 土压力 2 荷载组合计算 波浪要素计算 由前面已知 8 96m m L 4 48m R 1d 0 S 所以 正常蓄水位时坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定性满足要求 2 坝趾抗压强度承载能力极限状态 基本组合 作用效应函数 S 1 R RR R R J TM A W 2 2 m 抗力函数 或 R c f R R f KNWR32 14167 2 36136mAR mTR18 mKNMR 74 23323 4 3 3888 12 361 mJR 8 0 2 m0 1 1 1 0 8 1 1 d 25 kpam J TM A W S R RR R R 74 904 1 2 200 kpa Mpa fc67 13066 5 1 6 19 26 7259 8 1 67 13066 0 1 Skpa f d c 所以 经过计算 坝趾抗压强度满足要求 3 正常使用极限状态坝踵垂直应力不出现拉应力 计扬压力 坝踵垂直应力不出现拉应力 计扬压力 计算公式为 0 按标准值计算 R R R R R J TM A W R W R M KNWR 2 14565 4 7281 6 21846 mKNMR 71 1923919 16654148 147301 mTR18 4 3888mJR 2 36136mAR 052 315 3888 71 19239 36 2 14565 KN 则 坝踵垂直应力不出现拉应力 九 细部设计 一 坝身止水 重力坝横缝的上游面 下游面最高尾水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝 处的四周等部位应设置止水设施 因为 坝高为 49 米 所以此混凝土重力坝为中坝 所以横缝止水可以适当 简化 第二道止水片可采用橡胶止水片 具体止水设置见下图 3 横缝止水构 造示意图 26 剖面图 图 3 横缝止水构造示意图 1 第一道止水铜片 2 沥青井 3 第二道止水片 4 廊道止水 5 横缝 6 沥青麻片 7 电加热器 8 预制混凝土块 注 在坝底 横缝止水必须与坝基岩石妥善连接 在岩基上挖一深 40 方 槽 将止水片嵌入 然后用混凝土填实 二 坝身排水 为了减少渗水对坝体的不利影响 降低坝体中的渗透压力 靠近上游坝面 应设置排水管系 排水管将坝体渗水由排水管排入廊道 再由廊道汇集于集水 井 经由横向排水管自流或用水泵抽排至下游 排水管至上游坝面的距离不小于坝前水深的 1 10 且不小于 2m 排水管 道用预制多孔混凝土管 间距设为 3m 内径设为 20m 注 施工时应防止漏入及其他杂物堵塞 三 坝基止水 天然地基常存在着不同程度的缺陷 它们对坝体的安全有不利的影响 因 此必须经过处理才可以作为坝基础 地基处理的主要任务是 防渗 提高基 岩的强度和整体性 常用的处理方法有 开挖与清理 加固处理 坝基帷幕灌 浆 基础排水等方法 1 基础开挖与清理 参照 混凝土重力坝设计规范 DL 5018 1999 基础开挖的深度应根据坝基 应力 岩石强度及整体性 结合上部结构对地基的要求和加固处理的效果 工 期和费用等研究而定 因为坝高为 49m 小于 50m 可建在弱风化中部至上部基 岩上 以上部分全部清除 27 在本设计中 顺河流方向开挖成略向上游倾斜的锯齿状 一般坡度 1 8 1 10 长 4m 坡度 1 0 5 1 1 长 0 5m 具体拟定如图 4 所示 图图 4 4 地基锯齿状开挖与浅齿墙 单位 米 地基锯齿状开挖与浅齿墙 单位 米 2 坝基帷幕灌浆 帷幕灌浆是为了降低坝底的渗透压 力 提高基岩的整体性和强度 降低地 基的透水性 防止坝基内产生渗透破坏 参照 混凝土重力坝设计规范 在本设计中 帷幕灌浆的范围是河床 及两岸 灌浆的材料一般用水泥浆 必要时也可用化学浆 帷幕灌浆钻孔的方 向铅直 对中 小型工程 帷幕灌浆的深度可按照下式估算 图图 5 5 帷幕灌浆示意图帷幕灌浆示意图 h H 3 15m h 为帷幕深度 H 为坝高 对于中坝 帷幕的排数可采用一排 在 此 h 49 7 3 15 31 6m 采用一排帷幕灌浆 孔距 2m 孔径取 100mm 如图 5 所示 3 坝基的固结灌浆 固结灌浆是一种用低压浅层灌水泥浆的方法来加固地基 适用于裂隙发育 又无其它缺陷时的地基 目的是为了提高基岩的整体性和基岩的承载能力 减 少不均匀沉降 提高地基表层的防渗性能 4 灌浆帷幕 2 灌浆孔 3 排水孔 1 坝基灌浆排水廊道 2 1 3 4 28 根据勘测结果 本设计岩层性质坚硬致密 仅岩石上层 10 18 米深度存在有裂 缝和节理 不很严重 但须加以处理 因此 在坝踵 坝址附近采用固结灌浆 灌浆孔布置呈梅花形 灌浆孔的深度一般为 5 8m 取 8 m 灌浆孔的孔距 孔径应根据地质条件并参照灌浆试验确定 一般为 3 4m 取 3 m 为了增加渗透途径 防止渗透破坏 降低坝基面的渗透压力 以及减少坝 基的渗透量特对坝基进行防渗处理 坝基及两岸的防渗 可采用水泥帷幕灌浆 经论证坝基也可采用混凝土齿 墙 防渗墙或水平防渗铺面 此设计混凝土坝采用混凝土齿墙防渗止水 两岸 岸坡采用明挖后回填混凝土形成防渗墙 四 坝基排水 为了进一步降低坝体底面扬压力 应在防渗帷幕后设置排水孔幕 包括主 副排水孔幕 主排水孔幕可设一排 副排水孔幕因为此混凝土重力坝为中等坝 因此设 2 排 又因为设计坝的尾水位较高 因此在主排水孔幕下游坝基面上设 置由纵 横廊道组成的副排水系统 采取抽排措施 再因为高尾水位历时较久 所以在坝趾增设一道防渗帷幕 见下图 6 坝基排水系统 图 6 坝基排水系统 1 灌浆排水廊道 2 灌浆帷幕 3 主排水孔幕 4 纵向排水廊道 5 半圆混凝土管 6 辅助排水孔幕 7 灌浆孔 注 主排水孔幕设在坝基面的帷幕孔下游 2m 左右 主排水孔的距离设为 3m 副排水孔的距离设为 4m 孔径设为 200 排水 孔的孔深根据帷幕和固结灌浆的深度及基础工程地质 水文地质条件 将 主排水孔深度设为帷幕深的 0 5 倍 副排水孔深度设为 10 m 五 廊道 为了满足坝基灌浆 汇集并排除坝身及坝基的渗水 观测检查及交通等需 要 必须在坝内设置各种廊道 这些廊道根据需要可沿纵向 横向及竖向进行 布置 并互相连通 构成廊道系统 如下图 7 坝体排水和廊道布置示意图 所示 29 出水口 排水管 廊道 排水管 多孔混凝土管 图 7 坝体排水和廊道布置示意图 1 基础灌浆排水廊道 2 基础纵向排水廊道 3 基础横向排水廊道 4 纵向排水检查廊道 5 纵向检查廊道 6 横向检查廊道 7 坝体排水管 坝基灌浆廊道沿纵向布设在坝踵附近 距上游的坝面不应小于 0 1 倍水头 且不小于 5 m 廊道底距基岩面 4 m 在两岸则沿岸坡布置 如岸坡过陡 则分 层设置廊道并用竖井将它们连接 廊道尺寸要满足钻机尺寸 最小为 2 5 m 3 0 m 宽 高 检查和观测廊道用以检查坝身工作性能 并安放观测设备 此混凝土重力 坝沿坝高每 15 米设一道 此种廊道最小尺寸为 1 2 m 2 2 m 交通廊道和竖井用以通行与器材设备的运输 并将有关的廊道连通起来 坝基的排水廊道由坝基排水孔收集基岩排出的水 经过设在廊道底角的排 水沟流入集水井 并排至下游 因为排水廊道低于下游水位 则应用水泵将水 送至下游 收集坝身渗水的排水廊道沿坝高每隔 20 m 布置一道 渗水由坝身排 水管进入廊道排水沟 再沿岸坡排水沟流至最低排水廊道的集水井 坝内廊道的布置力求一道多用 综合布置 以减少廊道的数目 此混凝土 重力坝的廊道离上游的坝面不应小于 2 5 m 六 闸门与启闭设备的选型 1 闸门型式的选择 目前工程中应用比较广泛的有平面闸门和弧形闸门 弧形闸门和平面直开闸门均为方案选择中优先考虑的门型 弧形闸门的优 缺点如下 优点 可封闭相当大面积的孔口 所需要高度和厚度较小 没有影响水流流态的门槽 所需启闭力较小 缺点 需要较长的闸墩 30 闸门所占空间位置较大 不能提出孔以外进行检修维护 不能在孔口间互换 闸门所承受总水压力集中于支座处 对土建结构不利 平面闸门是使用广泛的一种门型 因为它能满足各种类型泄水孔道的需要 它的优缺点如下 优点 门叶可以移出出口便于检修闸门 所占顺水流方向的空间尺寸较小 门叶可以在孔口之间互换 故在孔数较多时 可兼做事故闸门和 检修闸门 对移动式启闭机的适应性较好 闸门所占空间位置较小 缺点 由于门槽的存在 特别是深孔平面闸门 会影响流道的平滑 容 易引起空蚀破坏 闸门启闭力较弧形闸门大 需用较大的启闭机 对于露顶闸门 由于泄水时 闸门底部需高出最高水位 故工作 桥排架较高 结合本设计的具体情况 故选用弧形闸门 采用顶露顶式弧形 闸门作为工作闸门 选用平面闸门作为检修闸门 2 闸门的布置 1 工作闸门的布置 参见 水工钢闸门设计 中 在露顶式闸门中 弧形板曲率半径与门高的 比值一般取 1 0 1 5 H 支铰位置布置在过流时不受水流及漂浮物冲击的高 程上 支铰可设在底坎以上 0 75 0 5 H 设闸门高 H 8m 则 R 1 0 1 5 H 8 12 m 所以取值为 R 10m h 0 75 0 50 H 6 4 m 所以取值为 h 5 m 支铰位置布置在高程为 171 6m 8 5m 176 6m 处 2 检修闸门的布置 检修闸门为平面闸门 布置在工作闸门上游 2m 处 闸门槽宽度取 80cm 深度取 50cm 为了方便检修闸门的启闭和移动 在溢流坝检修闸门顶部设置便 桥 3 闸门自重的估算 计算公式参照 水工钢结构 附录十一 露顶式弧形闸门 当 10 B 0 420 33 9 8 cbs GK K HBHKN 31 当 10 B 0 631 1 9 8 cbs GK K HB HKN 式中 闸门孔口高度和宽度 m HB 设计水头 m s H 材料系数 闸门用低合金钢时 0 8 闸门 c K c K 用普通碳素钢时 1 0 c K 孔口宽度系数 当m 时 0 29 当 b K 5 Bb K 时 0 472 当 mBm105 b K 时 0 75 当m 时 mBm2010 b K 20 B 0 472 b K 已知 闸门孔口高度 闸门孔口宽度 设计水头 mH8 mB9 mHs 5 10 0 472 采用普通碳素钢 1 0 b K c K 故 0 420 33 9 8 cbs GK K HBHKN 0 420 33 0 472 1 0 8910 5 9 8 240 2KN 4 启闭设备的选择 在本设计中 弧形闸门采用固定式卷扬启闭机 因为固定式卷扬启闭机在启闭 和扬程方面有宽广的使用范围 其主要靠自重 水柱或其它加重方式关闭孔口 闸门和要求在短时间内全部开启的闸门 另外固定式卷扬启闭机可增设飞摆调 速器装置 闭门速度快 因此 广泛应用于弧形闸门和平面闸门上 参照 闸门与启闭机 面板为弧形且其圆心就是铰心的弧形闸门 启门力按下 式计算 吨 3 21 1 GrnrTrTn R F GzszdTQ 32 闭门力 吨 321 1 GrnrTrTn R F GzszdTw 如果计算出的值为负值 则可依靠闸门的自重关闭 若为正值 则需要考虑 w F 加重 也可采用施加压力的螺杆式或油压式启闭机 铰轴的摩擦阻力 吨 公式为 PfTzd 1 止水的摩擦阻力 吨 公式为 zszs PfT 3 上式中 启闭力作用点对铰心的力臂 m R 作用在闸门上总水压力 P 轴与轴套的滑动摩擦系数 与平面闸门滚轮用的相同 1 f 铜合金轴套对钢轴为 0 3 胶木轴套对钢轴为 0 2 止水与止水座的话顶摩擦系数 橡皮对钢板为 0 65 橡皮对水泥砂浆面 3 f 或磨石子面为 0 70 止水摩擦阻力 吨 与平面闸门的计算相同 zs T zd T 铰轴的摩擦阻力 吨 zs P 作用在止水上的水压力 吨 可从侧止水和顶止水的总长度乘以止水 橡皮作用的宽度 再乘以平均水压力得出 铰轴的半径 m 1 r 止水作用力对铰心的力臂 m 2 r 闸门重心处对铰心的力臂 m 需按设计图纸算出的闸门重心位置求出 3 r 初估时可以采用 为闸门面板弧面的半径 rr8 0 3 r 摩擦阻力的安全系数 一般取 1 2 T n 计算闭门力用的门重修正系数 一般取 0 9 G n 计算启门力和持住力用的门重修正系数 一般取 1 1 G n 已知 取 10Rm 1 2 T n 1 1 G n 0 9 G n 33 1 0 2rm 2 10rm 3 0 8 108rm 图 8 弧门受力图 因 胶木轴套 取 1 0 2f 采用橡皮止水 取 3 0 65f 每侧止水宽度取 6cm 侧止水受压长度 8m 底止水受压长度 9m 则 总水压力 2 1 9 8 892822 4 2 PKN 所以 1 0 2 2822 4564 48 zd Tf PKN 又因 止水总长度 2 8925lm 平均水压力 2 1 1 9 8 88 2 2 969 7 2 PKN 所以 25 69 7 0 06104 55 zs PKN 3 0 65 104 5567 96 zszs Tf PKN 则 3 21 1 GrnrTrTn R F GzszdTQ 34 1 1 2564 48 0 267 96 101 1 240 2 8 10 306 531 3KNt 321 1 GrnrTrTn R F GzszdTw 1 1 2564 48 0 267 96 100 9 240 2 8 10 77 8KN 即 可以依靠自重关闭 故拟定闸门启闭力为 306 5kN 1 5 2 0 闸门当宽高比大于 1 0 时启闭机宜采用双吊点 因 9 8 1 故采用双吊点启闭机 查 闸门与启闭设备 选用 HPQ 2 25 型 吊点中心距 机架外形线 图 9 启闭机 七 公路桥 工作桥的设计 公路桥设计 1 目前 溢流坝顶设计中常受到闸门尺寸及启闭设备的限制 溢流坝段单孔的 宽度一般都不太大 所以坝顶公路桥都属于中 小跨度结构 多采用拱式桥或 预制装配式梁式桥 拱桥的特点 能充分发挥材料的性能 节约钢材 其缺点是施工不如板 梁方便 由于施工程序较多 安排不当会干扰闸室的施工 预制装配式梁式桥的特点 制造和安排方便 架好后就可以作为临时交 通以利于闸室的施工 其建筑高度小 又可以浸水 所以在钢材供应不是太困 难的情况下常被采用 根据以上特点 选用预制装配式梁式桥 35 2 坝顶公路桥的布置 常考虑以下因素 1 闸室底板的地基应力分布 一般情况下 公路桥布置在闸门的下游面 2 闸门形式才用弧形式闸门的 闸门下游的闸室空间大 可将公路布置在其 下游侧 3 与两岸的连接 若两岸的公路路面较低时 为避免车辆通过桥爬高 宜将 公路桥就低布置 4 桥梁在布置时 应注意要留有一定的桥下净空 梁式桥桥上净空要求梁底 高出设计水位 包括壅高和浪高 0 5 米以上 若有流冰 则应高出流冰面 0 75 米 公路桥的桥面总宽 7m 净宽 5 m 每边设 1 m 宽的人行道 公路桥顶部构造的底面高程 根据上述的桥下净空确定 公路桥面高程由上部 构造的底面高程加上部构造的建筑高度确定 同时也应该考虑非溢流坝段的顶 部高程 设定公路桥的顶部高程为 185 7 m 公路桥梁的设计 公路桥由 2 根预制的 T 型梁装配而成 梁高为跨度的 1 8 1 10 梁肋 宽约为梁高的 1 2 5 1 4 按照以上要求 公路桥单孔净跨 12 米 确定 梁高 1 8 1 10 12 1 5 1 2m 取 1 5m 梁肋宽 1 2 5 1 4 1 5 0 6 0 375m 取 0 5m 梁肋截面尺寸为 0 5 0 7 m 公路桥放在闸墩尾部 考虑不影响弧形闸门和墩的美观而距墩尾圆弧头部 1 25 m 具体尺寸见下图 10 工作桥的设计 由于工作桥供设置启闭机和管理操作之用 因而桥的位置是由启闭机设备 闸门类