【《D水库混凝土重力坝设计》16000字】

D水库混凝土重力坝设计目录TOC\o"1-3"\h\u187371课题来源 3208972非溢流坝设计 4225242.1非溢流坝剖面设计 4149402.1.1工程等级确定 4301052.1.2坝型选择 453062.1.3确定坝顶高程 574202.1.4确定坝高 727372.1.5坝顶宽度 8183882.1.6坝坡的确定 8288262.1.7坝底宽度 9155922.2非溢流坝荷载计算及其组合 937272.2.1自重W 1057842.2.2静水压力P 10259692.2.3泥沙压力 12271932.2.4波浪压力 13218452.2.5扬压力U 15326032.3非溢流坝稳定分析 17307632.3.1正常蓄水位时稳定分析 19159362.3.2设计洪水位时稳定分析 19232662.3.3校核洪水位时稳定分析 20304752.3.4稳定分析结果 20205602.4力矩计算 20285322.4.1非溢流坝坝体自重产生的力矩 21134722.4.2静水压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 21212482.4.3泥沙对非溢流坝坝基面产生的力矩 23279442.4.4浪压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 24169072.4..5扬压力对非溢流坝坝基面产生的力矩 2640342.5非溢流坝应力分析 27241112.5.1正常蓄水位时非溢流坝应力分析 28138582.5.2设计洪水位时非溢流坝应力分析 30263112.5.3校核洪水位时非溢流坝应力分析 31258012.5.4非溢流坝应力分析结果 32201283溢流坝段设计 33272543.1溢流坝剖面设计 33153793.1.1泄流建筑物形式 3311013.1.2孔口设计 33120663.1.3溢流段总长 34133223.1.4溢流段堰顶高程 3495503.1.5闸门高度 35248263.1.6泄流能力校核 3544133.1.7溢流坝段剖面 36249793.2溢流坝荷载计算 40277513.2.1自重W 41150653.2.2静水压力P 4170163.2.3扬压力U 4230683.2.4波浪压力 44250023.2.5泥沙压力 4540483.2.6动水压力 45183003.3溢流坝稳定分析 46110193.3.1正常蓄水位时溢流坝稳定分析 46117373.3.2设计洪水位时溢流坝稳定分析 47300613.3.3校核洪水位时溢流坝稳定分析 47259613.3.4溢流坝稳定分析结果 48238743.4溢流坝力矩计算 4826873.4.1自重对溢流坝坝基面弯矩 48163513.4.2静水压力对溢流坝坝基面弯矩 48138633.4.3扬压力对溢流坝坝基面弯矩 50263713.4.4动水压力对溢流坝坝基面力矩 52216333.4.5泥沙压力对溢流坝坝基面弯矩 5267253.4.6波浪压力对溢流坝坝基面弯矩 53130403.5溢流坝应力分析 54115123.5.1正常蓄水位时溢流坝应力分析 54115103.5.2设计洪水位时溢流坝应力分析 56297403.5.3校核洪水位时溢流坝应力分析 57216773.5.4溢流坝应力分析结果 58116983.6消能设计 5872243.6.1消能方式选择 58267063.6.2消能防冲计算 59285903.6.3冲砂闸设计 61160164细部构造 63274514.1混凝土分区及材料 631764.1.1坝体混凝土分区 63306214.2.2分区混凝土材料要求 6440674.2坝顶构造 64100144.3分缝止水 64316724.3.1坝体分缝 64163094.3.2止水设计 65154394.3坝体排水 657684.4廊道系统 65304284.4.1坝基灌浆廊道 6528634.4.2检查及坝体排水廊道 6626485结论 663093参考文献 671课题来源任务书2非溢流坝设计2.1非溢流坝剖面设计2.1.1工程等级确定由基本资料给定的数据结合表2.1可得该工程的工程等级为Ⅳ级，工程规模为小（1）型。表2.1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1~52.1.2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。2.1.3确定坝顶高程（1）高差的计算 (2.1)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2.2表2.2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，。（2.2）（2.3）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（2.4）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。2.1.4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。2.1.5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。2.1.6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2.1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。2.1.7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2.1.图2.2非溢流坝剖面图2.2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2.3所示。表2.3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。2.2.1自重W坝体自重的计算公式：（2.5）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：2.2.2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：（2.6）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942.00m。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：2.2.3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：（2.7）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：2.2.4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：(2.8)（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，；；2.2.5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2.3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942.00m浮托力（2.9）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：2.3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 （2.10）式中：安全系数，详见表2.4；表2.4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（2.11）式中：安全系数，详见表2.5；表2.5抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合3.0特殊组合（1）2.5特殊组合（2）2.3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2.6。表2.6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。2.3.1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。2.3.2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。2.3.3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。2.3.4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。2.4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。2.4.1非溢流坝坝体自重产生的力矩（逆时针）（逆时针）（逆时针）2.4.2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942.00m。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)2.4.3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：2.4.4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2.4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)2.4..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2.5非溢流坝应力分析（1）上游、下游面垂直正应力（2.12）（2.13)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 （2.14） （2.15）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（2.16）（2.17）上游面水平正应力；下游面水平正应力。（4）上游、下游面主应力 （2.18） （2.19） （2.20） （2.21）上游面主应力；下游面主应力。（5）该工程选择混凝土，该混凝土抗压强度设计值。基本组合特殊组合2.5.1正常蓄水位时非溢流坝应力分析上游水深；下游水深；；施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力2.5.2设计洪水位时非溢流坝应力分析上游水深；下游水深；；施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力2.5.3校核洪水位时非溢流坝应力分析上游水深；下游水深；；。施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力：上游面垂直正应力，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力2.5.4非溢流坝应力分析结果根据以上计算及分析可知，非溢流坝坝踵处拉应力为0，且坝址处压应力小于允许压应力。综上所述，该重力坝非溢流坝坝体应力满足要求。3溢流坝段设计3.1溢流坝剖面设计3.1.1泄流建筑物形式溢流坝段除了有泄洪的功能，还可以将冰凌以及其他漂浮物排到下游。由于本次设计工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（Ⅰ）型，泄流建筑物设计为一个开敞的溢流式孔口，在溢流孔口处设置闸门，闸门的门顶需要高于正常蓄水位，让堰顶的高程比正常蓄水位稍低，这样就可以有效的控制闸门开口的高度和大小，从而达到调节水库蓄水位和下泄流量的目标，闸门的设置还可以有效地减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量，减少工程复杂性，运营期管理难度降低。3.1.2孔口设计由基本资料可知，取水（兼放空、泄洪、导流）高程960.00m。设计洪水位时最大泄量540m3/s，校核洪水位时最大泄量605m3/s。（1）单宽流量确定单宽流量大，泄洪速度变快，但对下游消能防冲设施不利；相反的,单宽流量小，泄洪速率慢，对下游消能防冲设施有利。根据基本资料中地质资料，可知该工程岩石基础为一般的岩石基础，一般的岩石基础单宽流量，对比泄流和下游消能防冲可取。（2）孔口数目确定 (3.1)溢流段净宽，；单宽流量，。（1）设计洪水位（2）校核洪水位由工程实践得，取溢流段净宽,该小（Ⅰ）型工程中孔口宽度本设计取，孔口数为n=3。3.1.3溢流段总长 （3.2） 根据规范，取闸墩厚度d=3.0m，边墩厚度t=2.0m，代入式5.2中得：3.1.4溢流段堰顶高程本设计选用实用堰中的WES型剖面，堰流公式如下： （3.3） 式中：淹没系数，该工程拟定为自由出流，；侧收缩系数，无侧收缩，有侧收缩，该工程拟定为侧收缩；流量系数，由堰顶形式确定，本此设计为WES堰型取0.502；孔数；净宽，；堰上水头，。设计洪水位时，，采用迭代法计算，假设，代入式3.3，时，得出。校核洪水位时，，采用迭代法计算，假设，代入式3.3，时，得出。堰顶高程取为986.56m。堰上最大水土=校核洪水位-堰顶高程=996.40-986.56=9.84m设计定型水头，取。在闸门全开时，设计工况规定负压值不大于；校核工况规定负压值不大于。，，负压校核满足要求。综上，堰顶高程取为986.56m。3.1.5闸门高度正常蓄水位减去上面算出的堰顶高程，然后加上超高是闸门高度。闸门高度=995.13-986.56+0.2=8.77m。3.1.6泄流能力校核（1）设计洪水位情况（根据表3.3线性内差得到）=设计洪水泄流能力的校核满足要求。（2）校核洪水位情况（根据表5.3线性内差得到）=校核洪水泄流能力的校核满足要求。侧收缩系数计算公式如下： （3.4）闸墩系数，按照表3.1确定；边墩系数，按照表3.2确定。表3.1闸墩系数闸墩头部形状矩形尖角形0.800.860.920.981.00半圆形0.450.510.570.630.69尖角形0.250.320.390.460.53表3.2边墩系数边墩平面形状边墩平面形状直角形1.00斜角形0.70圆弧形0.70表3.3与关系0.20.40.60.81.01.21.40.850.900.950.9751.01.0251.073.1.7溢流坝段剖面溢流坝段剖面设计时的要求包括：保证水流平顺；与下游消能衔接紧凑，利于下泄水流消减能量；设计结构作用明确，减少材料用量，节省成本。（1）堰面曲线段上游堰面坡率采用与挡水坝段上游坡率相同，选取三圆弧形式，如图3.1所示。图3.1堰顶剖面曲线上游面铅直，三圆弧尺寸计算如下：根据《混凝土重力坝设计规范》，WES幂曲线计算公式如5.6所示：（3.5）堰面曲线定型设计水头；下游堰面曲线坐标；有上游堰坡有关的指数，见表3.4；k—时，k=2.0~2.2。表3.4堰面曲线参数上游面坡度（△y/△x）3:02.0001.8500.500.1750.200.2823:11.9361.8360.680.1390.210.2373:21.9391.8100.480.1150.220.2143:31.8731.7760.450.119————因上游面铅直，，，堰面幂曲线坐标计算如表3.5：表3.5幂曲线坐标表单位：mX0.51.01.52.02.53.03.54.0Y0.020.080.160.280.420.590.781.00X4.55.05.56.06.57.07.515Y1.251.521.812.132.462.823.2111.58（2）中间直线段中间直线段是连接斜率和下部反弧段的求导结果，设切点为B点，下游坡率取m=0.7，B点的坐标计算公式为式5.7和5.8。（3.6）（3.7）代入数据得：中间直线段与下部反弧段切点坐标为。（3）底部反弧段设反弧段与直线段的切点为C点，反弧段的圆心为O点。（3.8）上下游水位差；采用挑流消能方式时，鼻坎坎顶高出下游水位2m，则可得鼻坎的高程为：，则鼻坎高度：，鼻坎长度l/h大于0.5时截面拉应力较大，则拟定鼻坎长度为，鼻坎挑射角度为。假设反弧段圆心的坐标为，则反弧段圆心处的高程为：反弧段圆心①设反弧段与直线段的切点为C，则C点的坐标计算公式为式5.10；式5.11；式5.12:（3.9）（3.10）（3.11）直线与反弧段夹角角度，则反弧段与直线段切点坐标为。②反弧段圆心O的坐标：（3.12）则反弧段圆心的坐标为。溢流坝坝底宽度由以上计算可得该溢流坝剖面确定的基本坐标，用CAD绘图可得溢流坝剖面图。根据计算数据，溢流坝段剖面如图3.2所示。图3.2溢流坝剖面图3.2溢流坝荷载计算取1m坝长进行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，以及不同水位动水压力荷载计算。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3.6所示。表3.6荷载组合荷载组合主要考虑情况自重泥沙压力基本组合正常素水位情况√√√√√设计洪水位情况√√√√√√特殊组合校核洪水位情况√√√√√√根据坝体工程的剖面设计及资料：溢流坝堰顶的高程为986.56m，坝底高程为937.00m，上游坝坡和溢流坝相同，取n=0.15，下游的坝坡坡率m=0.7，上游淤沙高度为28.34，混凝土容重为，底宽53m。3.2.1自重W根据CAD溢流段剖面图，可得溢流坝剖面面积为1452.66m2，溢流坝底宽度为53m。(3.13)3.2.2静水压力P对于溢流段，需要确保上游用水，航运要求，下游的正常供水。（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m。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995.83；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：3.2.3扬压力U扬压力折减系数α取α=0.3排水孔距离到坝底左侧的距离b=6.56。（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m浮托力渗透压力则扬压力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：则扬压力U为：3.2.4波浪压力（1）正常蓄水位：波高：波长：壅高：因，；（2）设计洪水位时：波高：波长：壅高：因，；；（3）校核洪水位时：波高：波长：壅高：因，；；3.2.5泥沙压力坝前淤沙高度：则水平泥沙压力为：竖直泥沙压力为：3.2.6动水压力水流对曲面产生水平和竖直压力，计算公式如下： （3.14） （3.15）､水平和铅直动水压力，kN；反弧段两侧的中心角；单宽流量，；水的容重，；水的流速，。（3.16）（1）设计洪水位（2）校核洪水位3.3溢流坝稳定分析由基本材料可知，坝基基础所在的地基范围内没有大断层，也不存在软弱面，因此，和溢流坝段相同，溢流坝坝体稳定分析也按沿溢流坝坝体基础与河床相交的面滑动计算，根据公式，计算如下：3.3.1正常蓄水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算，满足要求3.3.2设计洪水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算：，满足要求3.3.3校核洪水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算：，满足要求3.3.4溢流坝稳定分析结果由计算结果及稳定分析可知，该溢流坝坝体稳定满足要求。3.4溢流坝力矩计算3.4.1自重对溢流坝坝基面弯矩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，因为在上一章中已经对荷载的计算已经完成，则只需计算出荷载作用点至溢流坝坝底中心点O的力臂，即可得到该荷载的力矩。根据CAD知，溢流坝段剖面质心在距离坝底中心处，计算如下：3.4.2静水压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m。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)3.4.3扬压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位时（2）设计洪水位时（3）校核洪水位时3.4.4动水压力对溢流坝坝基面力矩动水压力作用点近似于反弧中点，反弧中点到坝底中心的距离为16.46m,则。（1）设计洪水位（2）校核洪水位3.4.5泥沙压力对溢流坝坝基面弯矩水平泥沙压力作用点至坝底中心中点O力臂：；水平泥沙压力对坝底中心中点O的弯矩：竖直泥沙压力作用点至坝底中心中点O力臂：竖直泥沙压力对坝底中心中O点的弯矩：3.4.6波浪压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位：由相似三角形得三角形的底为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)3.5溢流坝应力分析本工程设计中，溢流坝段应力分析采用的方法和非溢流坝段应力分析方法相同，进行溢流坝施工期和运用期的应力分析。该工程选择混凝土，该混凝土抗压强度设计值。基本组合特殊组合3.5.1正常蓄水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力3.5.2设计洪水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。上、下游面主应力：运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力3.5.3校核洪水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力3.5.4溢流坝应力分析结果根据以上计算及分析结果可知，溢流坝的坝踵拉应力等于0，且坝址处的压应力远小于地基所允许压应力。综上所述，该重力坝溢流坝坝体应力满足要求。3.6消能设计3.6.1消能方式选择（1）底流消能：把快速水流变为缓慢水流通过水跃的方式，使多余的水流能量得以消耗，水跃会产生表面漩涡，底部水流会产生剧烈的紊动、掺浑、剪切作用等，适用中、低水头泄水建筑物。优点：水流的流态稳定，消减多余的水流能量的效果比较好，能很强的适应不同的地质条件和溢流坝不同的尾水位，且水流的雾化不大。缺点：护坦的修建需要较长，开挖大量的土方，使用较大量的混泥土，较高的工程造价。（2）挑流消能：通过挑流鼻坎将水库中的水流抛向空中，使水流与大气接触产生热量，使机械能变为热能，达到减弱水流能量和机械能能量的目的后，然后水流会掉入经过挑流计算的位置且远离建筑物的下游冲刷坑之中，衔接下游水流，以达到消减多余水流能量的效果，适用高、中水头泄水建筑物。优点：可以控制抛向空中水流落到下游的位置，流量的分布和范围；可很强的适应不同的尾水位；结构简单；方便施工和维修；工程量比较少。缺点：由于水流与空气的摩擦作用，雾化严重，冲刷量较大，有较多的堆积物，对河床的破坏严重。（3）面流消能：将鼻坎设置在水下，其在水下使水流能够形成反向的漩涡，将主水流挑出到水面位置，将水流与河床分离，以达到消减主流多余水流能量的目标，适用于尾水位较深的泄流建筑物。优点：可适用于有排冰，漂木的情况，下游护坦不需要。缺点：对下游岸坡造成性较强破坏，下游尾水位变化较大时不能适用，（4）消力戽消能：与挑流消能相似，在水下设置挑流鼻坎，无自由水舌。通过戽斗使水流产生漩涡，在经过挑流鼻坎，将下泄水流挑到下游的水流表面，通过这种方式减小多余水流能量。优点：无雾化现象出现，工程量小，施工简单，对下游河床冲刷小。缺点：只适用于尾水位较深的情况，变幅小，要求岸坡和河床条件较高。根据本工程的情况，下游河床无较大的断裂构造通过，库区周围山体雄厚，出露岩层为非可溶岩，因此可以选用挑流消能的消能方式。3.6.2消能防冲计算（1）设计洪水位时消能防冲计算①挑距和冲坑的估算连续式的挑流鼻坎，其水舌挑距按水舌的外缘计算，查规范得，水舌抛距公式为：（3.17）式中：水舌抛距，；坎顶水面流速，,本设计取；鼻坎挑流角度，取；坎顶垂直方向水深，，； 坎顶至河床面高差，；则 ，取。②冲坑水垫厚度估算：查规范，水垫厚度估算公式为：（3.18）式中：；—单宽流量，；H—上下游水位差，m；冲坑系数，根据基本资料，本次设计工程的基岩坚硬完整，取。故设计洪水位时，挑流式消能所能形成的水流冲坑不会对于大坝的整体安全不利。（2）校核洪水位时消能防冲计算①挑距和冲坑的估算则取。②冲坑水垫厚度估算：故校核洪水位时，挑流式消能所能形成的水流冲坑不会对于大坝的整体安全不利。3.6.3冲砂闸设计（1）坝身泄水孔在水面下方的排水装置中安装泄水口，满足项目排洪和预排水的要求、在特定的时刻用于排沙和导流。坝身泄水孔具体用途：维修和检查时清空水库；可以排除淤沙、减小扬压力；满足下游用水、航运需求；准备泄洪时预排水；施工导流。在泄水孔流量过大时，会产生负压和空蚀作用，负压和空蚀不利于坝体的安全和稳定，可以阻止更多渗流。当闸门浸没时，产生较大的水压力，导致闸门打开的力变大，开启设施更复杂，投资大。（2）泄水孔型式选择无压闸门孔可以通过升高顶部产生无压水流，当关闭闸门时没有水流通过，设计施工简单，安全可靠，需要的辅助设备少。本次设计，选用无压水泄水孔。（3）尺寸设计考虑坝底高程和淤沙高度，在溢流坝段底孔处设置冲砂闸。排沙高程940.00m，进水口为圆形喇叭形，半径取3.0m。出水口半径2.0m。流量计算公式如下： （3.19）式中：孔口流量系数，取；淹没出流时，上下游水位高程之差；底孔泄流量；孔口出口面积，。①设计洪水位时：设计洪水位泄流量为345.35/s。②校核洪水位时：校核洪水位泄流量为342.18m3/s。（4）细部构造为了达到减少水流中泥沙的目的设置冲砂闸，降低泥沙产生的摩擦力，使水流平顺流畅，减少横向收缩，减少下游进水闸一侧的水流发生不良布置现象，高程与河床齐平。平板闸门结构简单，但受力不均。弧形闸门受力均匀，但其承受荷载的能力差。本次设计选用平板闸门，以满足其较大的荷载。（5）闸墩与工作桥①闸墩闸墩要保证水流顺直，减小下游河岸的冲刷，使下游水流布置不发生的不良现象。墩的厚度尺寸拟定为中墩d=3.0m，边墩t=2.0m。其平面如图8.1所示：图3.3闸墩示意图设置工作闸门的门槽深度为1.25m，宽度为2.0m；设置检修闸的门槽深度为0.9m，宽度为1.5m。4细部构造4.1混凝土分区及材料4.1.1坝体混凝土分区（1）坝体应该根据受力情况和位置不同选择合适的混凝土。（2）邻近区间的混凝土强度等级不超过2级，为了避免集中应力和温度差异引起坝体破坏，相同的筑块不多于两种。（3）为方便施工，分区厚度取2m。图4.1混凝土分区图4.2.2分区混凝土材料要求（1）Ⅰ区下游水面以上部分的表层混凝土，施工和冰冻深度是主要的控制因素，同时满足一定的强度。使用混凝土，水灰比为0.58。（2）II分区上游水面变化区间的混凝土，抗冻深度、抗渗、施工是主要的控制因素，满足一定的强度要求。使用混凝土，水灰比为0.48。（3）III分区是被上游水深淹没的坝体表层的混凝土，其抗渗、抗裂、施工是主要因素，满足一定的抗侵蚀要求。使用混凝土，水灰比为0.52。（4）IV分区靠近地基的混凝土，抗裂是主要控制因素，对强度和低热要求较高。使用混凝土，水灰比为0.52。（5）V分区是大坝坝体内部位置的混凝土，需满足强度要求，由于用量较大，要注意低热，不让温度影响混凝土强度。使用混凝土，水灰比为0.62。（6）Ⅵ分区是溢流坝堰顶和过水部分的混凝土，抗冲耐磨是主要的控制因素，同时满足强度、抗冻、抗侵蚀要求。使用混凝土，水灰比为0.42。4.2坝顶构造为了满足排水需要，将坝顶路面的坡度设置为2%，坝顶上游侧需要设置20cm×20cm的一道排水沟即可用来从坡度较低的一侧直接排出大坝顶部的雨水，坝顶的上游侧需要设置一堵大坝防浪墙，具体尺寸大小分别为宽度×高度=50cm×120cm，防浪墙主要是用来承受较大波浪的压力的作用和水面上漂浮着的的物体所产生的应力作用，所以自身也需要满足坝体整体匹配的刚度、强度以及整体稳定性，防浪墙使用钢筋混凝土结构使其与大坝坝体连为一个完全的整体，混凝土结构使得结构更加稳固。坝体下游侧可以设置不锈钢防栏杆，保证人和车通行的安全，满足运用和交通的必要要求，在坝顶路面两侧布置间隔为15m照明设施。在每个大坝坝段的顶部设置一个电梯井，电梯井可以通往坝体内部的各层廊道，以便于坝体内部渗流的观测和坝体廊道的维修，满足了大坝正常运行的要求。4.3分缝止水4.3.1坝体分缝（1）在坝体垂直于坝轴线方向设置永久性横缝，用来减少温度和湿度变化时所产生的应力，用来适应地基不均匀沉降时所产生的应力，以及满足施工的要求；（2）在平行于坝体中轴线的方向设置一些临时的纵缝，在每个纵缝的四周设置止浆片，以免灌浆过程中浆液从这些纵缝之中渗流出来。用来适应混凝土的浇筑能力，减小施工时期的温度变化产生的应力；（3）在靠近基岩面用1.0m的薄层浇筑混凝土，设置水平方向的施工缝，以利于在混凝土浇筑时散热，避免温度升高，防止坝体开裂。4.3.2止水设计横缝内需要做止水的设计，止水材料使用沥青材料，有利于减小坝体头部应力的影响和作用，在止水片进行安装时一定要要严格遵守设计规范的要求来安装，施工质量必须要达到规范的要求，本设计采用方形的沥青材料，将钢筋也埋入井中，并用绝缘材料固定，从大坝的顶部一直通到大坝的底部，为了使排除老化、不符合止水的沥青材料，重新添加新的沥青材料或以后研发的新型止水材料，需要设置沥青材料或者其他材料的排出管，本次设计在大坝中部位置和靠近坝基的位置各设置一个排出管，管径为15cm。止水片需要伸入到深约50cm的大坝基础岩基之中，止水片的上部高度应该延伸至校核洪水位的水位以上，而沥青材料的上部高度需要延伸至大坝的坝顶处