【《某重力坝非溢流坝段和溢流坝段设计计算过程案例》5100字】

某重力坝非溢流坝段和溢流坝段设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u163871非溢流坝段设计 126831.1非溢流坝经济剖面选择 1142041.1.1非溢流坝剖面初拟 1224481.1.2剖面优化 3235811.2非溢流坝段稳定及边缘应力计算 5203901.2.1非溢流坝段稳定及边缘应力手算 589121.2.2非溢流坝段稳定及边缘应力电算 10203392溢流坝段设计 1322642.1溢流坝段剖面形状的确定 13188642.1.1上游堰头曲线 13325812.1.2下游幂曲线 13308772.1.3中间直线段 14304662.2消能设计 14211162.2.1消能方式的选择 15149122.2.2反弧段设计 15229892.2.3消能验算 16261892.3闸门、闸墩及导墙设计 161非溢流坝段设计1.1非溢流坝经济剖面选择1.1.1非溢流坝剖面初拟1.1.1.1坝顶高程确定坝顶高程=max{设计洪水位+；校核洪水位+}和分别是设计工况和校核工况下的超高，按式（1.1）计算。 （1.1）式中：——波浪高度，m，按照鹤地水库公式（1.2）和（1.3）计算；——波浪中心线高出静水位的高度，m，按式（1.4）计算；——安全超高，查询规范可知，2级大坝设计情况取0.5m，校核情况取0.4m。 （1.2） （1.3）式中：v0——计算风速，m/s，设计情况取24m/s，校核情况取16m/s；D——水库吹程10000m；Lm——平均波长，m。 （1.4）式中：H——上游面水深，m。综合上述4个公式，计算设计情况和校核情况的坝顶高程见表1.1表1.1坝顶高程计算表h1%LmHhzhcΔhh坝顶正常1.4529.5825.001.270.505.22350.22校核1.8819.7229.350.560.402.84352.19取两种工况下的较大值，最终将坝顶高程设为352.2m。1.1.1.2坝顶宽度的确定坝顶无交通要求，只需满足设备布置和运行要求，初步拟定坝顶宽度为5m。1.1.1.3坝坡的确定上游折坡点高程定为泥沙淤积高程320m，上游坡度一般取n=0~0.3，初步拟定n=0.2。下游坡度一般取m=0.6~0.8，初步拟定m=0.75，基本三角形顶点高程取校核洪水位349.35m。1.1.1.4排水廊道及基础灌浆廊道位置和尺寸为了满足防渗要求，坝基需要设置基础灌浆廊道，坝身要设置排水管和排水廊道。查询《水工设计手册第五卷混凝土坝》可知，排水管到上游面的距离要求不小于坝前水深的1/10~1/15，且不小于2.5~1.0m，故设为3m，廊道上游面至坝轴线的距离为3m，基础灌浆廊道尺寸定为2.5×3m2（宽×高），顶部圆弧半径取为1.5m，廊道底部高程306m。排水廊道定在基础灌浆廊道上方20m处，即326m高程处，尺寸定为1.5×2.5m2（宽×高），顶部圆弧半径取为1m。综合以上数据，绘制挡水坝段剖面图1.1。图1.1挡水坝段初拟图1.1.2剖面优化剖面优化是对初步设计的基本剖面反复修改，使之在满足工程要求的情况下更加经济合理的过程。本设计使用原水工教研室的剖面优化计算程序SAOGD进行剖面优化。结合前文的数据，编写SAOGD程序计算所需的原始数据如下：352.2,320,0.2,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,12,345,320,314.0,1.45,0,04,346.3,320,314.9,1.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330,3,0,0.25,0,0,0,0,0320,3,0,0.25,0,0,0,0,0302,10.5,0.2,0.25,0,0,0,0,0第1行的数据分别为坝顶高程，上游折坡点，上游坡度，下游坡度，混凝土容重，淤砂容重，计算点间距，淤砂内摩擦角。第2行的数据分别为计算工况组数，计算坝段数，不打印操作，计算经济剖面操作。第3~5行的数据分别为计算工况代码（2为正常工况，考虑扬压力；4为设计工况，考虑扬压力；5为校核工况，考虑扬压力），上游水位，泥沙淤积高程，下游水位，波浪高度，地震系数，鼻坎处单宽流量。第6行的数据分别为坝基面高程，下游折坡点高程，坝顶宽度，坝顶其他重量，坝顶其他重量对坝轴线的弯矩，摩擦系数，接触面的抗剪断摩擦系数，接触面的抗剪断凝聚力。第7行的数据分别为坝段类型（非溢流坝段），坝段编号，计算截面数，廊道数量。第8行的数据分别为廊道底板高程，廊道上游面至坝轴线距离，廊道宽度，廊道高度，廊道底板高程，廊道上游面至坝轴线距离，廊道宽度，廊道高度。第9~12行的数据分别为计算截面高程，排水中心至上游面距离，排水坡度，渗压系数，坝基面上残余扬压力上游侧到上游坝面的距离，坝基面上残余扬压力上游侧连线的坡度，坝基面上残余扬压力系数，坝基面上残余扬压力下游侧到上游坝面的距离，坝基面上残余扬压力下游侧连线的坡度。运行SAOGD程序，输出35个方案，查询坝基面抗滑稳定容许系数可知，按抗剪断强度公式计算的抗滑稳定安全系数K’在基本荷载组合情况下应不小于1.0，在特殊荷载组合情况下应不小于2.5。同时，坝基面的垂直正应力应大于0，筛选出满足这两个条件的为有效方案，再从这些方案中选择一个体积接近最小且坝基面垂直正应力稍大的方案，最终确定经济剖面采用方案20：NPROF=20ZU=320.00ZX=342.70N=.25M=.750VOL=902.35ICASE=2ZSEC=302.00SY=17.20S2U=12.76S1D=97.95KSH=5.0454ICASE=4ZSEC=302.00SY=11.77S2U=9.88S1D=104.42KSH=4.7944ICASE=5ZSEC=302.00SY=1.64S2U=1.46S1D=115.13KSH=4.3766剖面尺寸数据见表1.2，稳定应力计算成果见表1.3。表1.2经济剖面尺寸坝顶高程（m）上游坝坡下游坝坡下游折坡点高程（m）上游折坡点高程（m）坝顶宽度（m）352.20.250.75342.73205表1.3经济剖面稳定应力计算成果计算工况垂直正应力上游第二主应力下游第一主应力抗滑稳定安全系数K’正常高水位0.1720.12760.97955.0454设计洪水位0.11770.09881.04424.7944校核洪水位0.01640.01461.15134.3766根据经济剖面的数据重新绘制挡水坝段剖面图，见图1.2。图1.2挡水坝段经济剖面图1.2非溢流坝段稳定及边缘应力计算1.2.1非溢流坝段稳定及边缘应力手算1.2.1.1稳定计算稳定分析是为了验算重力坝在利用抗剪断强度公式（1.5）计算抗滑稳定安全系数K’： （1.5）式中：——坝基面抗剪断摩擦系数，取1.2；——坝基面垂直方向总荷载，kN/m；——坝基面水平方向总荷载，kN/m；U——坝基面扬压力，kN/m；——坝基面抗剪断凝聚力，取0.7MPa；A——坝基面面积，m2。作用在重力坝上的荷载主要有：坝体自重，上下游坝面上的水压力，浪压力，泥沙压力，扬压力等，沿坝轴线方向截取1m长坝段进行稳定分析和边缘应力计算，计算工况定为设计洪水位加考虑扬压力。荷载计算简图见图1.3，荷载计算成果见表1.4。图1.3荷载计算简图1.2.1.2边缘应力计算为了满足在施工和运行时的强度和稳定要求，重力坝在设计时需要满足规定的应力条件：在基本荷载组合情况下，重力坝坝基面的最小垂直正应力应大于零，最大垂直正应力应小于坝基允许压应力，坝体下游面最大主压应力不大于混凝土的允许压应力值，上游面最小主压应力应大于零。为了确定重力坝是否满足上述要求，通常要进行应力分析，材料力学法是计算重力坝应力的基本方法，沿坝轴线切取1m宽坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁，作为平面问题计算，应力计算简图见图1.4。表1.4荷载计算成果荷载种类公式荷载大小（kN）稳定系数坝体自重972602414908.41水重396.91160.7611.56水压力9624.89815.41淤砂压力972243浪压力342.06扬压力5056.8808.281212.421135.44图1.4应力计算简图应用材料力学偏心受压公式计算边缘垂直正应力： （1.6） （1.7）式中：——坝基面所有荷载对形心力矩和和，kN·m；——坝基面纵向宽度，m。上、下游面剪应力： （1.8） （1.9）式中：、——坝基面上、下游边缘处水压力强度（包括泥沙压力）；、——坝基面上、下游边缘处扬压力强度；——上游坝坡；——下游坝坡。上、下游面水平正应力： （1.10） （1.11）上游面主应力： （1.12） （1.13）下游面主应力： （1.14） （1.15）计算成果见表1.5。表1.5应力手算成果（MPa）垂直正应力剪应力水平正应力第一主应力第二主应力0.148-0.0080.110.2090.1080.6570.4930.372.01201.2.1.3分析查坝基面抗滑稳定容许安全系数表1.6可知，本坝体在设计工况下按抗剪断强度公式计算的抗滑稳定安全系数K’=4.28>3，满足抗滑稳定安全要求。表1.6坝基面抗滑稳定容许安全系数荷载组合K’基本组合1.0特殊组合（1）2.5特殊组合（2）2.3坝基面的最小垂直正应力=0.148MPa>0，下游面最大主压应力=2.012MPa，小于混凝土的允许压应力值5MPa，故该设计满足所需应力要求。1.2.2非溢流坝段稳定及边缘应力电算利用剖面优化得到的经济剖面的数据修改SAOGD程序的原始数据为：352.2,320,0.25,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,02,345,320,314.0,1.45,0,04,346.3,320,314.9,1.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330,3,0,0.25,0,0,0,0,0320,3,0,0.25,0,0,0,0,0302,10.5,0.2,0.25,0,0,0,0,0运行程序，得到3种工况下的4个断面的若干点处的垂直正应力，水平正应力，剪应力，主应力及其方向，整理应力计算成果见表1.7~1.9，绘出主应力图见图1.4~1.6。表1.7正常水位应力电算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑稳定系数K’342.70.2640.1730.2640.2705.0453300.2480.2510.2480.3923200.2700.3970.2700.6213020.1720.6270.1080.979表1.8设计水位应力电算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑稳定系数K’342.70.1330.2920.1330.4574.7943300.1820.3100.1820.4843200.2060.4570.2060.7133020.1180.6680.1181.044表1.9校核水位应力电算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑稳定系数K’342.70.1020.4720.1020.7384.3773300.0990.3790.0990.5923200.1050.5460.1050.8533020.0160.7370.1081.151图1.5正常水位主应力图图1.6设计水位主应力图图1.7校核水位主应力图分析主应力图可知，坝体上游面无拉应力，坝基面最小垂直正应力大于0，该断面满足规定的应力条件。

2溢流坝段设计2.1溢流坝段剖面形状的确定溢流坝段作为挡水建筑物需要满足稳定和强度要求，作为泄水建筑物，溢流坝的泄水能力需要满足工程所需泄水能力要求，并且在泄水过程中，溢流坝应尽可能使水流在流经坝面使保持平顺，否则水流会产生空蚀现象，危害坝体安全，另外，溢流坝还应做好消能防冲措施，以免下泄水流冲击河床产生冲刷坑，影响其他建筑物的正常运行。调洪演算选定的方案中，溢流前缘宽度B=45m，可以设置5个表孔，孔宽9m，堰顶高程337m。设计洪水位346.32m，相应下泄流量2784m³/s；校核洪水位349.35m，相应下泄流量4430m³/s。溢流坝采用WES实用堰，堰顶上游堰头曲线采用三圆弧曲线，堰顶下游堰面曲线采用WES幂曲线。2.1.1上游堰头曲线堰面曲线定型设计水头Hd按堰顶最大作用水头的75%~95%计算，考虑容许负压，在校核洪水位闸门全开时出现的负压不得超过3~6m，取Hd=0.85Hmax=10.5m。经检验在此时在校核洪水位闸门全开时产生的负压为2.1m，满足设计规范要求。上游堰面采用三圆弧曲线，各圆弧直径分别为：=5.25m，=1.84m；=2.1m，=2.90m；=0.42m，=2.96m。2.1.2下游幂曲线WES曲线按式（2.1）计算： （2.1）式中：Hd——设计水头10.5m；x、y——堰顶下游侧曲线横、纵坐标；n——与上游堰坡有关的指数，当上游面垂直时，n=1.85；k——上游面垂直时取2.0。方程可以简化为：，以堰顶为原点，计算幂曲线上的坐标见表2.1。表2.1幂曲线点坐标横坐标x（m）纵坐标y（m）横坐标x（m）纵坐标y（m）0.000.009.003.951.000.0710.002.802.000.2411.005.723.000.5212.006.722.000.8813.007.795.001.3312.008.946.001.8615.0010.167.002.4816.0011.448.003.17绘制堰顶曲线见图2.1。图2.1WES堰顶曲线图2.1.3中间直线段中间直线段与顶部幂曲线和底部反弧段相切，坡度与挡水坝段下游坡度相同，m=0.75时，对幂曲线求一阶导数。设直线段与幂曲线的切点为（x0，y0），则有0.1258=1/0.75，解得x0=16.14，y0=11.63，则切点坐标为（13.14，11.63）2.2消能设计2.2.1消能方式的选择已经修建完成并投入使用的大坝，上下游水位存在水位差，上游的水流流至下游，重力势能转化为动能，高速水流冲刷河床会破坏坝址和下游地基，因此必须设置消能防冲措施。常见的消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能等。挑流消能优点是施工难度低、挑流射程较远、消能作用明显，缺点是冲刷坑较深，引起下游水位波动较剧烈。挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝。底流消能适用于地基强度低，河床脆弱不耐冲的情况，优点是运行可靠，下游流态平稳，但土石方开挖量和混凝土浇筑量大，经济性不好。面流消能优点是无需护坦，缺点是下游水位波动强烈，不仅冲刷两岸，而且影响通航和发电。消力戽消能适用于尾水较深且下游河床和两岸具有一定抗冲能力的情况，优点是对河床冲刷小，缺点和面流消能相同。本工程坝址处地质条件良好，可以采用挑流消能，初步拟定鼻坎高程比校核情况下游水位高1m，即318.4m，鼻坎挑射角θ=25°。2.2.2反弧段设计对挑流效能，反弧段半径按式（2.2）计算： （2.2）式中：h——校核洪水位时反弧最低点处的水深，m。则R=16.8~42m，取R=17m。由能量方程可得，鼻坎处平均水流流速v: （2.3）式中：——流速系数，取0.95；H——上游水位到鼻坎高差，m。计算得v=23.4m/s。 （2.4）式中：Q——校核洪水位时溢流堰下泄流量4430m³/s；B——溢流前缘宽度45m。计算得h=2.2m。反弧段及鼻坎细部构造见图2.2。图2.2反弧段及鼻坎细部构造2.2.3消能验算水舌抛距按式（2.5）计算： （2.5）式中：——坎顶水面流速，m/s，取m/s；——坎顶垂直方向水深，m，3.8m；——坎顶至河床面高差，m，=13.4m。计算得L=66.5m。