【《某重力坝工程的溢流重力坝设计计算过程案例》6000字】

某重力坝工程的溢流重力坝设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u30605第一章基本资料 192511.1流域概况 2302201.2水文资料 251861.2.1径流资料 2278981.2.2洪水资料 2151571.2.3泥沙资料 2123021.2.4冰情资料 2145521.2.5水位-流量关系 258011.3工程地质资料 4189691.2.1区域地质 4268311.2.2库区地质 4170421.2.3坝址区工程地质 4124891.4工程地质问题评价与建议 4235731.4.1建基面的选择 4325221.4.2坝基抗滑稳定性评价 5213901.4.3坝基渗漏 5230541.4.4左坝段分析 5178811.4.5右坝段分析 587721.4.6泄洪排沙底孔设计 65259第二章溢流重力坝 7128752.1泄水方式的选择 765892.2孔口设计 715392.2.1洪水标准的确定 7274712.2.2流量的确定 7182432.2.3单宽流量的确定 8126192.2.4闸门选型布置 8218192.2.5孔口设计 9287432.2.6堰顶高程的确定 9173412.3溢流面剖面设计 11286692.3.1顶部曲线段设计 11312412.3.2反弧段设计 13264782.4闸墩的设计 1353342.5溢流坝段剖面设计图 14第一章基本资料1.1流域概况本次设计的供水工程坝址位于LJX乡，在黄河干流水温控制站所在河流的上游，其面积大约为九百平方公里。该工程的修建目的是为了给LJX乡供水。1.2水文资料通过调查，发现LJX乡存在有四十一年的径流数据，其时间段为一九七零年至二零一零年。1.2.1径流资料LJX乡有一个水文观测站，经过调查及整理该水文站收集的观测数据（具体数据见附录），发现LJX乡年均径流量约为两千八百万立方米，年均自然径流量约为两千九百万立方米，年均入库径流量约为两千六百万立方米。1.2.2洪水资料LJX乡在1888年、1969年与1977年发生过三次特大洪水，其中1888年的洪水总量最多。经过计算，专家确认，1888年特大洪水的重现期大约为一百三十年。经过实地测量，LJX屈产河的多年平均洪峰流量为582m³/s。具体资料见附录1表3。1.2.3泥沙资料经过对收集的基本资料进行研究分析（附录1表4），发现LJX多年平均输沙量为793万t。其中，1977年LJX乡的输沙量为5020万吨，悬移质的平均输沙量为661万吨，推移质按照百分之二十计算为132万t。通过对比LJX多年泥沙资料，确定1977年是LJX输沙量最大的一年。1.2.4冰情资料经过对LJX观测站收集的数据进行分析研究，发现其并无实际测量的冰情资料。于是我们对LJX进行了实地调查，通过对河流实际情况的调查以及对当地民众进行的走访，发现LJX乡的结冰期一般为当年十一月到次年三月。1.2.5水位-流量关系通过对LJX观测站收集的数据进行整理、分析，总结出了LJX的水位、流量等资料。数据如下：表1.1LJX水文控制站流量Q～A⋅3通过上表，我们发现LJX的流量Q与A⋅3R图1.1LJX流量Q～A⋅在此基础上，我们利用LJX流量Q～A⋅3图1.2坝下断面水位～流量关系曲线表1.2坝下断面水位～流量关系表1.3工程地质资料1.2.1区域地质LJX乡位于秦岭的中南部，地势不平，且其水文情况与其岩石性质密不可分。此区域的地震烈度经过测量大约为I=6，且这一片区域的地下水主要是以降雨的形式进行补给。1.2.2库区地质该坝建成后，库区回水长度约为3公里。该坝河床和谷底为弱透水层，没有贯通断层，因此大坝建成后的渗漏问题比较少。两岸岩石整体稳定性较好，但结构较差。土层厚度约为2m，不利于水库的正常运行。经过研究，我们发现，大坝建成投产后，其两边的土石坡有随着时间的推移会逐渐掉落，坍落宽度预计为34.4-37.4米。此外，由于此库区位于山区河谷段，两岸有大面积高于正常水位的基岩裸露，因此该库区在进行蓄水后可能由于泥沙的堆积而造成一些功能的性能下降。1.2.3坝址区工程地质经过对资料的整理、分析，我们总结出了所设计大坝坝址的一系列地质数据：LJX大坝坝址所在河谷的宽度大约有三十米，河谷的底部海拔约为八百零九米，其断面的形状从远处看类似于U。除此之外，我们还发现LJX大坝存在有2组节理裂隙，但并没有断层。1.4工程地质问题评价与建议1.4.1建基面的选择通过研究课本，我们发现：建基面指的是混凝土与混凝土之间或者混凝土与其他相关设备连接处的起始面。在水电工程中，建基面主要有四种：绝对基面、假定基面、测站基面以及冻结基面。在本设计中，将基础平面放在T2er-3组弱风化砂岩上。第三岩组(T2er-3)弱风化砂岩承载力为1~1.2MPa。1.4.2坝基抗滑稳定性评价通过对数据的分析总结，我们发现LJX所在坝址的岩体还是比较稳定的，其抗剪强度经过分析计算为f=0.45，由于大坝基岩节理裂隙发育，建议对T2er-3砂岩、泥岩进行基底面下深度为5m左右的固结灌浆。1.4.3坝基渗漏坝基渗漏是设计大坝时经常需要考虑的一种可能性风险，其具体是指：由于大坝上下游存在水位差，且由于坝体本身材料存在的一定渗水性，在大坝蓄水放水时，水流通过坝体往外或往内渗漏的现象。坝基渗漏很明显会降低水库利用水的效率，此外还有可能增大水流对大坝底部的扬压力，还会不停侵蚀大坝坝基的岩土从而导致坝基失稳。坝基渗漏主要可以分为孔隙性渗漏、裂隙性渗漏以及管道式渗漏。对于控制渗漏的方法，主要有减少渗漏量和减小扬压力两种方向。对于减少坝基渗漏量这个方向，我们可以利用防渗墙、帷幕灌浆以及堵塞溶洞措施来防止；对于减小扬压力这个方向，我们可以利用增设排水孔、排水廊道等工程部件来防止。在实际的设计中，通常会综合考虑坝址所在位置的地质数据以及观测的渗漏严重情况选取一种防渗方法或多种防渗措施结合，以期获得可执行范围内最好的的防渗效率。在本设计中，鉴于基面渗漏严重，应采取工程措施防止渗漏，深度为T2er-2泥岩的2~4m左右。1.4.4左坝段分析左坝肩约2~3m宽，低液限淤泥厚2~3m。左桥台所在区域有接缝，造成裂缝，建议全部挖出来。此处应采取帷幕灌浆措施，深度2~4m，宽度40~50m。1.4.5右坝段分析右坝肩强分化层经过测试，其硬度是比较高的，且厚度约为两米；但其泥岩较为柔软，其厚度大约有四米。另外通过综合分析发现，其土石坡的结构松散，不能满足右坝肩稳定要求，建议全部挖除。水库正常蓄水时，要给右坝肩采取深度为T2er-2泥岩2～4m的帷幕灌浆。通过对基本资料进行分析概括，我们总结出了以下内容：LJX大坝所在位置的地形地质条件整体趋于稳定，但同时也存在一些细节问题。我们经过分析、测试与研究，提出以下建议：LJX大坝的建基面可以考虑放置在T2er-3这一岩组的弱风化砂岩上，并且要挖除所有的强风化岩石与卵石混合土。同时，因为坝体与地基接触面的强度并不是很高，且其完整性也不是很好，可以考虑对LJX所在位置的基岩采取固结灌浆；此外，由于LJX大坝存在坝基渗漏的风险，我们可以对LJX大坝的坝基进行深入泥岩岩体2～4m的帷幕灌浆，左右坝肩同上。除此之外，考虑到施工的复杂度，为了消除可能影响或破坏施工的不利因素，应在开工前清除左右坝肩的松散堆积物、强风化岩体及危石。同时，我们应该在LJX大坝的泄流段设置一些消能组件以防止因为水流的侵蚀而造成的坑的进一步的发展与扩大，以防其影响LJX大坝的坝基的稳定性。此外，考虑到大坝泄流有可能对LJX大坝所在位置的左右岸岸坡进行一定程度上的侵蚀，应对其进行防护以确保LJX大坝两岸地质的稳定性。1.4.6泄洪排沙底孔设计经过研究，我们认为LJX大坝有必要在其非溢流段添置底孔坝段，且需要设置两个泄洪底孔，其具体位置为LJX大坝坝址的主河床。经过勘察，我们发主河床地势不平，海拔大约处于808~814m的范围中。其砂岩层约2m，泥岩断续分布，强风化层厚3~5m，地下水位埋深0~2m。此外，这里需要布置一些减排措施以对应基坑突水。

第二章溢流重力坝2.1泄水方式的选择通过查阅课本及其他相关材料，我们发现，溢流坝放水的主要方式有以下两种：（1）开敞溢流式既能泄洪又能排冰。它的优点是操作、维护都很方便，且其自身的机制在一定程度上是很安全可靠的，因此，这种放水方式在全世界范围内都有着广泛的应用。（2）孔口溢流式其特点是超泄能力小，同时也并没有去除浮冰等物体的能力。经过多方考虑，由于所设计的LJX大坝在规模上属于中坝，因此为了使水库在泄洪能力上尽可能大，且考虑LJX大坝所在位置存在冰期，最后决定将LJX大坝的泄水方式定为开敞式溢流。2.2孔口设计2.2.1洪水标准的确定表2.1山区丘陵区洪水设计标准经过数据分析，LJX大坝按照标准应属于四等小（1）型工程，且其大坝级别为4级。按照上表中的校核标准，其洪水重现期应为两百年，设计洪水重现期应取值为三十年。2.2.2流量的确定根据水文调节计算，LJX大坝中溢流坝在校核标准下的下泄流量应取值为五千零二立方米每秒。2.2.3单宽流量的确定通过查阅课本及相关资料可知，若大坝所处地区的地质条件对大坝利大于弊，则其可以选择较大的单宽流量。近年来，水利施工中的消能方式有了新的突破，其效率在不断的提高与改进，受此影响，各大坝的单宽流量也在逐渐增大。2.2.4闸门选型布置通过查阅课本及相关资料，我们发现，国内外多数大坝都会将工作闸门安置在溢流坝的顶层，但是在个别设计中，一些设计人员为了让溢流面更陡一些，会将闸门设置在距离顶部比较近的下游一端。这两种不同的闸门之间的距离在通常情况下应该设置为一到三米之间。通过进一步的研究，我们了解到，大坝设计中常用的工作闸门的形状主要有平面和弧形两种，弧形闸门的优点是打开闸门所需要的力气不大，且可以减少与之对应的闸墩的厚度，此外，可以不在弧形门对应的闸墩添置门槽，其水流较为舒缓，且其布置相对来说更为简便，这对于相关的水利计算来讲是一件好事情，但弧形门不能被当做检修门使用，这也是一个小的缺陷。对于检修闸门，通常的经验是，没有必要设计过于复杂，使用叠梁即可满足大部分要求。而对于泄水系统中的检修闸门，通常的做法是，若排水孔数量在十以内，可以设置一到两扇检修闸门，这样做可以一定程度上增加闸门的使用效率，方便交叉使用闸门；而对于拥有十孔以上数量排水孔的大坝，设计者应该以十孔为标准，每增加十孔就应该增设一扇检修闸门。综上，结合LJX大坝实际情况，我们决定将LJX大坝的检修门类型定为叠梁门，工作门定为弧形门，且在LJX大坝溢流段顶部的每个出水孔分别设置一道检修闸门和工作闸门，将工作闸门与检修闸门之间的距离定为三米。2.2.5孔口设计一般来讲，在进行孔口设计时，对于其直径，取值范围在十米到十五米之间比较好，且最好将直径设置为奇数。在LJX大坝设计中，我们经过多方考虑，最终将其孔口的相关数据确定如下：b＝12m，h=10m，与之相对应的孔口高度的取值最高为十八米，最低为十米。则：孔口数目n=L/b=33.35/12=2.78在一般情况下，孔口数一般略大于所计算的值，因此在本设计中我们取n=32.2.6堰顶高程的确定表2.2m值（1）校核情况下：定型设计水头H因为P1为LJX上游的堰高，因此我们可以先进行一个假设：假设P已知Q=5002m³/S，5002=1.0×0.510×0.90×1.0×36×2×9.81HwHd∇P因为P综合上述计算结果，我们可以发现其符合假设情况。（2）设计水位情况：已知Q=2409m³/s=1.0×0.510×0.90×1.0×36×2×9.81×HHH∇P因为P综合上述计算结果，我们可以发现其符合假设情况。经过计算，我们最终决定将LJX大坝的堰顶的高程定为八百二十二点六二米，堰高二十点六二米。2.3溢流面剖面设计经过分析其他相似工程设计，我们研究发现，大坝的溢流面的顶部形状通常情况下是曲线，而大坝下游一般可看作是反弧曲线，除此之外，我们还发现，大坝的顶部与其下游段一般会用直线段连接在一起。另外，通过研究课本及相关资料、标准，我们发现，大坝的溢流面必须要有足够大的泄流能力，这样才可以让大坝在泄流时其水流尽可能舒缓，以减少泄流过程中的潜在风险，此外在施工技巧的选择上要以简便为主，不能设计地过于复杂。2.3.1顶部曲线段设计表2.3堰面曲线公式中的系数因此，通过进一步分析，我们认为，当LJX大坝的上游面倾斜角度为九十度时，公式2.3可写为： x1.85=2.0图2.1.WES型曲线HR1R2R3D1D2D3通过进一步分析，查阅相关资料我们认为，在此计算中，本章第四个公式可以转化为：y=在LJX大坝设计中，经过分析其基本资料，我们研究发现其溢流坝的坡度设置为一比零点七五较为合适，经过进一步计算，我们很容易得出其中部直线段的倾斜率为一点三三。对y=x1.85/9.25进行求导可得y'=1.85x0.859.25，当y通过一元一次方程相关知识，我们代入上述数据到直线方程中，经过计算、求解及验算，最终求出交点坐标的b=-2.70，因此，我们很容易就能得出其中部直线段的方程：ya=1.33x-2.702.3.2反弧段设计（1）消能方式选择通过上述章节我们得知，LJX大坝适用于底流消能，而底流消能一般情况下多被设计在中低水头大坝上使用。其公式如下： R=(4~10）h在上述公式中，需要提及的是，因为R/h在计算中经常出现不稳定、变化幅度超过所能控制的幅度的情况，因此R在实际设计中需要经过反复衡量，考虑许多影响因素，其值很难确定。为了保险起见，我们又通过研究相关工程设计以及相关文献，发现在大坝设计中，通常还会用到另外一种经验公式： R=0.63SS1指的是大坝中位于反弧段最靠下的位置以上的水头。经过对LJX大坝进行综合分析，我们认为在LJX大坝的设计中，其反弧曲线最靠下的位置应该与其消力池连接在一起，且其最靠下的位置的水深设置为五米较好。以上为标准，经过进一步计算与求解，我们认为应该在这种情况下直接解出其反弧段半径的最大值，则S1应该按照计算设计为十三米。R极限2.4闸墩的设计通过查阅大坝闸墩设计的相关资料，我们发现，将大坝弧形闸门闸墩厚度的最小值定为一点五米到两米之间比较安全，且其门槽深度不应该设计小于最小值零点五米，并且不能大于最大值两米，其宽度的安全范围设置在一到四米之间比较好