【《某重力坝的非溢流坝设计计算过程案例》6100字】

某重力坝的非溢流坝设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u14117某重力坝的非溢流坝设计计算过程案例 119821.1非溢流坝剖面设计 2129241.1.1工程等级确定 2158911.1.2坝型选择 249961.1.3确定坝顶高程 360151.1.4确定坝高 5306821.1.5坝顶宽度 6262021.1.6坝坡的确定 6119911.1.7坝底宽度 744401.2非溢流坝荷载计算及其组合 836121.1.1自重W 8251931.1.2静水压力P 880351.1.3泥沙压力 10117171.1.4波浪压力 1166231.1.5扬压力U 1367201.3非溢流坝稳定分析 16275821.3.1正常蓄水位时稳定分析 17238961.3.2设计洪水位时稳定分析 18318711.3.3校核洪水位时稳定分析 1842521.3.4稳定分析结果 18223341.4力矩计算 19131471.4.1非溢流坝坝体自重产生的力矩 1992571.4.2静水压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 19170861.4.3泥沙对非溢流坝坝基面产生的力矩 21211691.4.4浪压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 22255271.4..5扬压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 2487601.5非溢流坝应力分析 25136781.5.1正常蓄水位时非溢流坝应力分析 27259341.5.2设计洪水位时非溢流坝应力分析 28225481.5.3校核洪水位时非溢流坝应力分析 29316781.5.4非溢流坝应力分析结果 301.1非溢流坝剖面设计1.1.1工程等级确定由基本资料给定的数据结合表1.1可得该工程的工程等级为Ⅳ级，工程规模为小（1）型。表1.1水利水电工程指标工程等别工程规模水库总库容/亿m3防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业重要性保护农田/万亩治涝面积/万亩灌溉面积/万亩供水对象重要性装机容量/万kwⅣ小（1）型0.01~0.1一般5~303~150.5~5一般1~51.1.2坝型选择坝型的选择需要依据水文资料，地形地质施工条件，坝体主要功能以及建筑材料运输费用等综合考虑，选择合理的坝型，做到安全经济。重力坝由于自身体积庞大，且需要使用的筑坝材料重度大且材料的数量多，所以坝体自身重力大，会产生巨大的压力；由于水库中的蓄水量水多也产生对整个坝体有害的拉应力，这些由坝体自重产生的压力用来抵消水库中的水产生的拉应力。是传统的坝型。重力坝有以下多种特点：(1)安全、可靠、经济、耐用。（重力坝安全程度高，可利用废旧材料，适用性高）；(2)设计技术简单，可满足预定的效益，作用明确，（可供参考的工程实例多）；(3)适应负杂的地形地质情况，（适应不同的地基，应用广泛）；(4)可以满足泄洪和导流的要求。在施工时导流问题解决起来比较方便简单，（坝体导流和明渠导流）；(5)重力坝施工比较简单，可以使用大型机械（包括进行放样、立模、混凝土浇筑等工程操作）；(6)坝体尺寸较大，致使材料不能充分地利用，（可以分区浇筑，达到节省材料，降低建筑成本的目的）；(7)产生的扬压力随体积的变大而增大。(8)体积大，建设工期较长，温度控制要求严格。与其它坝体相比，实体重力坝设计简单，施工简便，应用比较广泛。可以充分利用坝体的自重用来维持稳定，强度要求容易满足，实体重力坝不但可以适应不同地形，而且可以适应不同地质条件，基本条件的要求较低。引排水维护问题、施工和导流问题、发电和泄洪问题都容易得到解决。综上所述，考虑到坝体不高且接触面积不大，重力坝的优点可以得到利用，而缺点容易避开，因此，本此设计选用实体重力坝。1.1.3确定坝顶高程（1）高差的计算 (1.1)式中：—防浪墙高程和水库水位高程之间的高差，m;—波高，m；—波浪中心线的高程和水库水位高程之间的的高差，m；—安全超高，m，见表1.2表1.2安全超高单位：m运用情况坝的安全级别123设计洪水位（基本情况）0.70.50.4校核洪水位（特殊情况）0.50.50.3查基本资料：该水库D=1250m，。结合基本资料中的已知条件，可以知道本次设计的是结构安全级别为3级的重力坝工程。查表2-2得设计洪水位情况＝0.4m；校核洪水位情况＝0.3m。按官厅公式计算，。（1.2）（1.3）波高：，为累计频率的波高由规范得，当已经求得累计频率的波高后，可得（1.4）先计算，，。①设计洪水位时：风速采用，吹程D=1250m。波高：波长：壅高：因，；；②校核洪水位时：风速采用，吹程D=1250m。波高：波长：壅高：因，；；（2）坝顶高程计算①②选用其中较大值是设计洪水位时的情况997.46m。为保证坝体的运行安全，根据规范设置防浪墙的高度是1.2m，1.2m的防浪墙可以减小1.2m坝体高度，减小整体重力坝的总工程量，减小工程质量。综上所述，拟定该重力坝坝顶高程为997.46-1.2=996.26m。1.1.4确定坝高根据工程设计规范中SL319-2018《混凝土重力坝设计规范》，结合目前已知的坝顶的高程和下游的尾水位高程，我们基本可以确定本次工程设计的混凝土重力坝大概高度可以控制在50-100m之间，大坝坝体可以建在微风化至弱风化中部基岩上。在满足重力坝坝体强度和稳定性的基础上，对地基进行加固处理，可以减少地基开挖的方量，达到减小工程造价的目的。查资料得，微风化至弱风化中部基岩的厚度大概为大于4m,本次设计开挖5m，达到挖除存在局部工程地质缺陷的基础的目的，拟定坝底的高程为▽937.00m。综上所述，本次设计最大坝高为996.26-937.00=59.26m。1.1.5坝顶宽度坝顶需要布置坝顶设施，这些设施的布置运行，检查施工需要足够的作业空间；同时坝顶也要连接两岸的交通；大坝要满足抗震要求；发生特大洪水需要维护时能有安全的操作空间。根据SL319-2018《混凝土重力坝设计规范》，规范规定坝顶宽度大概在坝体高度的8%~10%之间，本次取10%计算59.26×10%=5.926m，坝顶要连接两岸的交通，布置照明设施，可能需要安装起重设备。将坝顶适当加宽拟定坝顶宽度为6.0m，以满足需要。1.1.6坝坡的确定本次设计坝体剖面基本形态按上游坝面下部三分之一向上游倾斜，下游坝面向下游倾斜的形式。因为该形式有比较丰富的工程经验，可以找到很多相似的工程实例拿来比较，方便我们进行设计和后期的施工，提高工作的效率和质量，如图1.1所示。图2.1坝剖面形态简图根据SL319-2018《混凝土重力坝设计规范》，根据基本资料以及通过对比其他类似的混凝土重力坝工程设计，本次设计分别拟定上游的坝坡坡率n=0.15，拟定下游的坝坡坡率m=0.7。因为上、下游坡率m=0.7、n=0.15以及坝顶高程▽=996.26m。上游起点高度为坝高的1/3，即上游起点高程为：937.0+59.26/3=956.75m下游起波点高程为：(995.13-937)×0.7=58.13×0.7=40.69m(40.69-6)/0.7=49.56m937.00+49.56=986.56m由计算可得上游起点高程▽956.75m；下游起波点高程▽986.56m。1.1.7坝底宽度(59.26/3)×0.15+6.0+34.69=43.65m由计算得坝底宽度为43.65m。由以上已知条件可以得到非溢流坝的剖面图，如图1.1.图1.2非溢流坝剖面图1.2非溢流坝荷载计算及其组合取1m坝长进行非溢流坝自重荷载计算；不同水位静水压力、浪压力荷载计算；坝前淤沙厚度和泥沙压力荷载计算；不同水位扬压力的荷载计算。荷载组合包括基本组合与特殊组合,设计时选择最不利和最重要的进行计算。它们分别考虑的荷载如下表1.3所示。表1.3荷载组合荷载组合主要考虑情况自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力基本组合正常蓄水位情况√√√√√设计洪水位情况√√√√√特殊组合校核洪水位情况√√√√√下面进行各种不同水位下的荷载情况相应荷载的计算。1.1.1自重W坝体自重的计算公式：（1.5）式中V—非溢流坝坝体体积,m3；取1m坝长，乘以坝体剖面面积；—坝体混凝土的重度（本次设计）分解为三部分的自重分别为：1.1.2静水压力P静水压力作用在坝前水深之下的上游坝面和下游尾水位之下的下游坝面处，静水压力是由水平静水压力和垂直静水压力组成的。水平静水压力计算公式为：（1.6）式中：—作用水头，m；—水的重度，取9.81；垂直水压力计算。（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：（2）设计洪水位情况时设计水位995.83m；设计尾水位945.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：（3）校核洪水位情况时校核洪水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：1.1.3泥沙压力资料中给出了东江水库30年的泥沙情况，那么本次设计泥沙压力的计算以30年为年限,水平泥沙压力的公式为：（1.7）式中：—泥沙浮容重，9.0；—坝前淤沙厚度,m；—淤沙内摩擦角,()。根据基本资料可知，在这30年每年进入水库的总的沙的重量为1.42万吨，即1.42万吨是该水库多年平均年入库总沙量。30年入库总沙量为：淤积泥沙浮容重0.9t/m3，则死库容为：，查表1.1并使用内插法可得该库容对应的水位为：，坝底高程为937.00m，则泥沙厚度为：则水平泥沙压力为：竖直泥沙压力为：1.1.4波浪压力波浪的作用使得非溢流坝的上游面和防浪墙承受波浪压力，而波浪压力与波高、波长L、壅高、超高以及坝前水深有关，坝前水深三种水位时均满足H＞L/2，则该水库波浪为深水波。深水波浪压力计算公式：(1.8)（1）正常蓄水位坝前水深为：波高：波长：壅高：因，；；（2）设计洪水位时：坝前水深为：波高：波长：壅高：因，；；（3）校核洪水位时：坝前水深为：波高：波长：壅高：因，；；1.1.5扬压力U如图3.1所示，扬压力由渗透压力和浮托力两项因素组成，浮托力和下游尾水位有关，而渗透压力经常被分成一个矩形和两个三角形分别计算，最后相加得到。图1.3扬压力计算图（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m浮托力（1.9）式中；－下游水深，；B－坝底宽度，。渗透压力根据规范SL319-2018《混凝土重力坝设计规范》，扬压力折减系数α河谷段α=0.2~0.3岸坡段折减系数α=0.3~0.4。本次设计重力坝在河谷段，则拟定折减系数α=0.2，而b和排水孔的位置有关，结合细部构造设计，拟定排水孔到坝底最左侧的距离是b=6.56m，则则总扬压力U为：（2）设计洪水位情况时正常蓄水位995.83m，正常尾水位945.00m浮托力：渗透压力：则总扬压力U为：（3）校核洪水位情况时正常蓄水位996.40m，正常尾水位946.50m浮托力：渗透压力：则总扬压力U为：1.3非溢流坝稳定分析本次设计非溢流坝的稳定性分析时使用的是单一安全系数法。滑动面是坝底基础面，即非溢流坝体沿坝基面滑动，计算和分析不同情况下的抗滑安全度是否满足要求。抗滑稳定分析计算时取1m作为计算的单元。（1）抗剪强度计算公式 （1.10）式中：安全系数，详见表1.4；表1.4抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合1.05特殊组合（1）1.00特殊组合（2）1.00抗剪摩擦系数，本次设计取0.8；将全部竖直方向荷载相加得到的值（除扬压力），将全部水平荷载对相加得到的值，;扬压力，。（2）抗剪断强度计算公式（1.11）式中：安全系数，详见表1.5；表1.5抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合3.0特殊组合（1）1.5特殊组合（2）1.3抗剪断参数，本次设计取1.30；抗剪断凝聚力，本次设计取1.30；坝基接触面的截面面积，。坝基面抗剪、抗剪断强度指标详见表1.6。表1.6抗剪、抗剪断强度指标指标f´c´混凝土与基岩1.301.30MPa本次设计坝基面的抗剪强度指标取0.8。1.3.1正常蓄水位时稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求。（2）抗剪断强度计算：，满足要求。1.3.2设计洪水位时稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求。（2）抗剪断强度计算：，满足要求。1.3.3校核洪水位时稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求。（2）抗剪断强度计算：，满足要求。1.3.4稳定分析结果对计算结果分析可知，本次设计非溢流坝段坝体稳定性满足要求。1.4力矩计算大坝在基本情况和特殊情况是否满足强度要求需要通过应力分析进行检验，可以研究和解决存在的问题。应力分析的过程是：基本荷载关于坝底中心点O的力臂计算；基本荷载关于坝底中心点O的力臂计算；应力计算；坝体应力分析，检验坝体特殊位置强度。本次设计使用材料力学法进行应力计算。本次设计荷载已经计算完成，先计算出荷载关于坝底中心点O力臂，最后计算出荷载对坝底中心点O产使用材料力学法进行应力计算。取上游坝底中点为力矩作用中心点O，因为在上一章中对荷生的力矩。1.4.1非溢流坝坝体自重产生的力矩（逆时针）（逆时针）（逆时针）1.4.2静水压力对非溢流坝坝基面产生的力矩（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对坝底中心O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)（2）设计洪水位情况时设计水位995.83；设计尾水位945.00m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对坝底中心O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)（3）校核洪水位情况时校核水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对坝底中心O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)1.4.3泥沙对非溢流坝坝基面产生的力矩水平泥沙压力作用点至坝底中心O点力臂：；水平泥沙压力对坝底中心O点的弯矩：竖直泥沙压力作用点至坝底中心O点力臂：竖直泥沙压力对坝底中心O点的弯矩：1.4.4浪压力对非溢流坝坝基面产生的力矩如图4.1所示，将阴影部分沿静水位分为上下两个三角形。图1.4深水波浪压力分布（1）正常蓄水位：由相似三角形计算得到阴影部分和静水位相交的长度为1.17m,即三角形的底为1.17m,则可得力臂：(顺时针)（2）设计洪水位时：由相似三角形得三角形的底为1.17m，则可得力臂：(顺时针)（3）校核洪水位时：由相似三角形得三角形的底为0.41m，则可得力臂：(顺时针)1.4..5扬压力对非溢流坝坝基面产生的力矩（1）正常蓄水位时（2）设计洪水位时（3）校核洪水位时1.5非溢流坝应力分析（1）上游、下游面垂直正应力（1.12）（1.13)上游面垂直正应力，；下游面垂直正应力，；坝底宽度，；坝体全部竖直方向的力之和，向下为正，；荷载关于坝底中心O点取矩的力矩之和，逆时针为正，。（2）上游、下游面剪应力 （1.14） （1.15）上游面剪应力，；下游面剪应力，；上游坡率；下游坡率；上游扬压力强度，；下游扬压力强度，（3）上游、下游面水平正应力（1.16）（1.17）上游面水平正应力；下