水庫工程設(shè)計(jì)（漿砌石梯形重力壩）

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)廣西龍門水庫工程設(shè)計(jì)鄭恭渝202130540128指導(dǎo)教師 李就好教授學(xué)院名稱水利與土木工程學(xué)院 專業(yè)名稱水利水電工程論文提交日期2021年05月10日 論文辯論日期2021年05月15日摘 要隨著我國社會的高速開展以及龐大的人口基數(shù)，水資源問題越發(fā)嚴(yán)峻。水資源貧乏、時(shí)空分布不均，使得來水和用水矛盾難以協(xié)調(diào)，洪水更是嚴(yán)重威脅下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)平安。為了保障國民生產(chǎn)生活用水，財(cái)產(chǎn)平安，必須建設(shè)水利樞紐工程，以適應(yīng)生產(chǎn)力快速開展的需求。廣西龍門水庫工程以灌溉為主，并有一定的防洪作用，能減輕洪水對下游的威脅。樞紐主要建筑物有攔河壩，岸邊溢洪道及梯級放水設(shè)備。設(shè)計(jì)主要包含4個(gè)核心階段：

2、壩型選擇及樞紐布置，通過對設(shè)計(jì)任務(wù)書的分析，根據(jù)水文、地質(zhì)條件、地形，選擇壩型、確定各樞紐建筑物等級及布置方案。溢流壩段設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料及水庫特征水位，擬定斷面，水力計(jì)算，穩(wěn)定及應(yīng)力分析等。非溢流壩段設(shè)計(jì)，主要包括擬定擋水壩剖面，穩(wěn)定驗(yàn)算及應(yīng)力分析。細(xì)部構(gòu)造及圖紙整理，包括標(biāo)號分區(qū)、橫縫止水、壩頂布置、廊道、排水、出圖以及其它內(nèi)容等。關(guān)鍵詞：廣西龍門 重力壩 水庫樞紐 梯形壩The Guangxi Longmen Reservoir Dam Project DesignZheng GongyuCollege of Water Conservancy and Civil Engineering

3、, South China Agricultural University Guangzhou 510642,ChinaAbstract: With the rapid development of our society and a huge population base, the issue of water resources is increasingly grim. Due to the shortage of water resources, the spatial and temporal distribution of uneven, contradictions betwe

4、en water supply and consumption is difficult to coordinate. Flood will also threat to the downstream peoples lives and property safety. In order to guarantee the national product, domestic water, property safety. To adapt to the needs of the rapid development of productive, it is necessary to build

5、reservoir dam project. Guangxi Longmen Reservoir Dam Project with the combined effects of flood control and irrigation. The body of hub is Masonry gravity dam that mainly composed by Non-overflow Dam and Spillway Dam.Key words: Hanjiang Hengshan Gravity Dam Reservoir Hub Masonry Dam1 總論11.1 工程總說明11.

6、2 設(shè)計(jì)根本資料11.2.1 流域概況11.2.2 工程說明11.2.3 工程地質(zhì)21.2.4 工程水文31.2.5 其它資料31.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與依據(jù)31.3.1 設(shè)計(jì)任務(wù)31.3.2 主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)32 樞紐布置42.1 壩軸線選擇42.2 壩型確定42.2.1 各種壩型特點(diǎn)42.2.2 壩型選擇62.2.3 壩體型式7樞紐布置8擋水建筑物82.3.2 泄水建筑物82.3.3 放水建筑物93 非溢流壩設(shè)計(jì)93.1 剖面設(shè)計(jì)93.1.1 梯形壩的根本剖面103.1.2 剖面控制數(shù)據(jù)113.1.3 擬定實(shí)用剖面133.2 荷載計(jì)算及組合153.2.1 荷載組合153.2.2 荷載計(jì)算163.2.3

7、 荷載匯總243.3 穩(wěn)定分析273.3.1 結(jié)構(gòu)分析規(guī)定273.3.2 抗滑穩(wěn)定分析283.4 應(yīng)力分析303.4.1 材料性能313.4.2 各種情況下應(yīng)力分析314 泄水建筑物334.1 控制段334.1.1 進(jìn)水口及堰型334.1.2 定型設(shè)計(jì)水頭334.1.3 泄洪能力校核344.1.4 溢流堰面曲線354.2 泄槽374.2.1 泄槽坡度374.2.2 堰下反弧段384.2.3 水面線與邊墻高度394.2.4 出口消能段454.2.5 泄槽底板與邊墻475 放水建筑物485.1 臥管設(shè)計(jì)485.1.1 放水流量確實(shí)定485.1.2 放水孔孔徑的計(jì)算485.1.3 臥管斷面尺寸確定4

8、9.4 臥管結(jié)構(gòu)尺寸確定495.2 涵洞設(shè)計(jì)505.2.1 涵洞內(nèi)水深計(jì)算505.2.2 涵洞結(jié)構(gòu)尺寸確定505.3 臥管末端消力池506 細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)51防滲系統(tǒng)516.1.1 非溢流壩段516.1.2 溢流壩段516.2 壩體分區(qū)及材料51主要建壩石料與膠結(jié)材料516.2.2 壩體分區(qū)與標(biāo)號526.3 壩頂構(gòu)造546.4 壩體分縫與止水546.4.1 壩體分縫546.4.2 橫縫止水556.5 壩體廊道與排水系統(tǒng)566.5.1 灌漿平臺566.5.2 梯級放水設(shè)備566.5.3 檢查與排水廊道566.5.4 排水系統(tǒng)57結(jié)束語58參考文獻(xiàn)59附錄60致謝611 總論1.1 工程總說明廣西龍

9、門水庫工程屬于小1型，工程等別為IV。本工程的各方面最終設(shè)計(jì)方案各數(shù)據(jù)如下：壩頂高程：151.60m；溢流堰頂高程：149.00m；正常蓄水位：149.00m；設(shè)計(jì)洪水位：150.45m；校核洪水位：151.09m；總庫容：萬；方案其他方面數(shù)據(jù)見相關(guān)章節(jié)。1.2 設(shè)計(jì)根本資料 流域概況龍門水庫位于南寧市郊，建于龍門河下游，距南寧市公里，交通方便。水庫總庫容萬，灌溉農(nóng)田余畝，并有一定的防洪作用，能減輕洪水對下游的威脅。 工程說明樞紐主要建筑物有攔河壩，岸邊溢洪道及梯級放水設(shè)備。大壩的中段為梯形壩，兩端為實(shí)體重力壩。溢洪道利用右岸鞍形埡口略加開挖，與重力壩緊鄰。左岸布置梯級放水設(shè)備，放水涵管由梯形

10、壩垛內(nèi)引出。梯形壩高m，個(gè)垛的總長m，頂寬m，上游邊坡，下游邊坡，上游側(cè)有均厚m的C15混凝土防滲墻。梯形壩各壩垛是獨(dú)立工作的，因此，各垛之間以及梯形壩與重力壩連接處都有沉陷縫，每縫設(shè)兩道止水，第一道用652型塑料止水帶，第二道為斷面20cm×20cm的瀝青井。瀝青井的填料配合比為：瀝青40%，石棉份20%要求軟化點(diǎn)為8590，井的電加熱設(shè)備用ø6鋼筋做電極。開敞式溢洪道首部為實(shí)用斷面堰，前緣長20m，堰下接縱坡的泄水陡槽，陡槽在平面上有10°的側(cè)收縮角，將陡槽末端縮至10m寬，尾端以半徑m的反弧接挑流鼻坎，再以30°挑射角挑出，最大泄洪流量130。壩底

11、上、下游作了阻滲齒槽，未作灌漿帷幕，但在壩體上游面m高程處預(yù)留有m寬的灌漿平臺，以備必要時(shí)灌漿之用。根據(jù)?水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)?SL252-2000對水庫樞紐工程等別的劃分如表1-2-1：表1-2-1 水利水電工程分等指標(biāo)工程等別工程規(guī)模水庫總庫容 ( 10 8 m 3 )防洪治澇灌溉供水發(fā)電保護(hù)城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)的重要性保護(hù)農(nóng)田(10 4 畝 )治澇面積(10 4 畝 )灌溉面積(10 4 畝 )供水對象重要性裝機(jī)容量(10 4 kW)I大 (1) 型10特別重要500200150特別重要120大 (2) 型重要500 100200 60150 50重要120 30中型中等100

12、3060 1550 5中等30 5IV小 (1) 型一般30 515 3一般5 1V小 (2) 型<5<3<1按庫容和面積指標(biāo)，該工程為 小1型，工程等別為IV。由表1-2-2：表1-2-2 永久性水工建筑物級別工程等別主要建筑物次要建筑物I132334IV45V55查得主要建筑物應(yīng)為4級、次要建筑物應(yīng)為5級。大壩應(yīng)為4級建筑物，但是大壩下游7公里處即為南寧市，人口眾多，為了確保南寧市的平安，設(shè)計(jì)時(shí)提高為3級建筑物標(biāo)準(zhǔn)，按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500年一遇洪水校核。 工程地質(zhì)壩建于寒武系砂質(zhì)巖互層的低山峽谷區(qū)。巖層傾向上游，傾角，走向平行壩軸線。河床為厚層石英砂巖，兩岸那么為頁

13、巖、泥巖及粉砂、細(xì)砂巖。河床基巖裸露，風(fēng)化層厚約m。左岸覆蓋層厚m，基巖風(fēng)化層厚m。右岸覆蓋層厚m，基巖風(fēng)化層厚m。壩區(qū)基巖主要有北西與北東向兩組裂隙，其中北西向一組近于平行河流。壩上、下游m處均有斷層，但對壩的穩(wěn)定無影響。 工程水文壩址以上集水面積，據(jù)年的系列水文資料計(jì)算，年平均降水量，多年平均徑流量達(dá)，設(shè)計(jì)與校核洪水流量分別為和，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后的下泄流量為和。 其它資料壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)漿砌石容重取，摩擦系數(shù)=。梯形壩是介于寬縫重力壩與大頭壩之間的一種支墩壩，它的特點(diǎn)是體型簡單，輪廓線的變化平緩而單純，既有利于施工，又能防止局部的應(yīng)力集中，用漿砌石筑壩時(shí)這些優(yōu)點(diǎn)更為突出。據(jù)本工程選擇壩型時(shí)的

14、比擬，梯形壩的工程量可比實(shí)體重力壩減少。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與依據(jù) 設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)給定的地形、地質(zhì)、水文、實(shí)驗(yàn)和其它有關(guān)資料及相應(yīng)的規(guī)劃成果，設(shè)計(jì)龍門水庫工程，主要內(nèi)容如下：1、壩型選擇和水利樞紐布置：根據(jù)地質(zhì)、地形條件和樞紐建筑物的作用進(jìn)行壩線、壩型的選擇，樞紐布置方案比擬通過初步分析確定。2、溢流壩的剖面設(shè)計(jì)：擬定斷面，水力計(jì)算，穩(wěn)定驗(yàn)算及應(yīng)力分析等。3、非溢流壩的剖面設(shè)計(jì)：擬定擋水壩剖面，穩(wěn)定驗(yàn)算及應(yīng)力分析等。4、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)：混凝土標(biāo)號分區(qū)、分縫、止水、廓道、排水等。 主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1、?水利水電樞紐工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)?SL252-20002、?混凝土重力壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?DL 5108-199

15、93、?水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SL/T 191-964、?水工建筑物荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?DL 5077-19975、?水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SL 203-976、?溢洪道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SL 253-20007、?漿砌石壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SL 25-20062 樞紐布置2.1 壩軸線選擇壩軸線選擇的根本原那么：1. 擋水建筑物，考慮到工程量與建設(shè)投資，擋水建筑物通常布置成直線，使壩軸線最短，壩身體積最小；2. 泄水建筑物，對于溢洪道，其在平面布置上應(yīng)力求平順，前言最好正對來水方向，以使壩前流速均勻分布。如有連接，要使溢洪道在工作過程中不影響其它建筑物。根據(jù)地形圖，擬選壩軸線為龍?zhí)渡嫌翁?，該處右岸有一鞍形埡?/p>

16、，河床在該處被束窄，壩軸線為最短，且溢洪道可以利用鞍形埡口略加開挖，與擋水壩緊鄰。壩軸線上游河床寬度迅速擴(kuò)大，地形開闊，是形成水庫的良好條件。且下游即為龍?zhí)叮斔肪€較短，降低工程量與投資。2.2 壩型確定 各種壩型特點(diǎn)主要的壩型有如下幾種：1. 重力壩重力壩是用混凝土或漿砌石材料修筑而成的擋水壩。重力壩的工作原理是在水壓力及其它荷載作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求，同時(shí)也依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力來減少水壓力所引起的上游壩踵拉應(yīng)力以滿足強(qiáng)度要求。重力壩的根本剖面為三角形剖面，在平面上，壩軸線通常呈直線。對于常態(tài)混凝土重力壩，為了適應(yīng)地基變形、溫度變化和混凝土的澆筑能力，一般沿

17、壩軸線分成假設(shè)干個(gè)獨(dú)立的壩段，每個(gè)壩段的結(jié)構(gòu)形式類似于固結(jié)于地基上的懸臂梁。與其它壩型比擬，重力壩具有以下優(yōu)點(diǎn)：1平安可靠。重力壩剖面尺寸大，壩體內(nèi)部應(yīng)力小，筑壩材料強(qiáng)度高，耐久性好，因而抵抗水的滲透、沖刷，以及地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比擬強(qiáng)，平安性較高。在意外情況下，即使發(fā)生少量洪水漫頂，一般也不會招致壩體失事，不像土壩那樣一旦洪水漫頂很快就會潰壩成災(zāi)。這是重力壩的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)。2樞紐泄洪問題容易解決。重力壩的斷面大，壩體材料抗沖刷能力強(qiáng)，適于將河床壩段做成溢流壩，從壩頂大量溢流，還可以在壩身不同高程設(shè)置泄水孔、引水孔。3便于施工導(dǎo)流。在施工期可以通過較低壩塊或預(yù)留底孔、缺口等導(dǎo)流。一般不需要另

18、設(shè)導(dǎo)流隧洞。4對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。地形條件對重力壩的影響不大，幾乎任何形狀的河谷斷面均可修建重力壩。重力壩一般要求修建在巖基上，但低的溢流重力壩也可修建在土基上。重力壩對地基的要求比土石壩高，但比拱壩的要求為低，對于無重大缺陷的一般強(qiáng)度的巖基均可滿足要求。另外，由于重力壩沿軸線方向被橫縫分成假設(shè)干個(gè)獨(dú)立的壩段，適應(yīng)不均勻沉陷能力強(qiáng)，應(yīng)此能較好地適應(yīng)各種非均勻地基。5結(jié)構(gòu)作用明確。重力壩沿壩軸線方向被橫縫分成假設(shè)干壩段，每個(gè)壩段獨(dú)立工作，適應(yīng)各自獨(dú)立的溫度變化，相互間不受影響。結(jié)構(gòu)作用明確，穩(wěn)定和應(yīng)力計(jì)算都比其他壩型簡單。但是，重力壩也存在以下缺點(diǎn)：1所用材料比其他壩型多，壩體材料強(qiáng)度不能

19、充分發(fā)揮。由于重力壩的每個(gè)壩段類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，壩體的應(yīng)力分布一般很不均勻，在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定要求下，往往壩體內(nèi)部的壓應(yīng)力較小，因此不能充分發(fā)揮混凝土、漿砌石這類材料的抗壓強(qiáng)度。2受揚(yáng)壓力影響較大。由于壩體與巖基接觸面較大，相應(yīng)受到的壩底揚(yáng)壓力也較大，使得壩體有效自重減少，對抗滑穩(wěn)定不利。2. 拱壩拱壩是一種空間拱形殼體結(jié)構(gòu)。在水壓力和淤泥壓力等水平向?yàn)橹鞯暮奢d作用下，大局部荷載將通過拱的作用傳遞到兩岸基巖上，少局部荷載那么通過類似垂直懸臂梁的作用傳給壩底基巖。所以，主要依靠兩岸拱端基巖的反力作用來維持其穩(wěn)定性是拱壩的工作特點(diǎn)。拱壩在外荷載作用下，由于拱結(jié)構(gòu)使得其主要產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，拱圈斷面上受彎

20、矩不大，故其斷面應(yīng)力分布比擬均勻，從而可以充分利用混凝土或漿砌石料的抗壓強(qiáng)度，使壩體厚度較薄，節(jié)省材料。與相同高度的重力壩相比，其工程量可節(jié)省1/32/3。拱壩一般是周邊固支的高次超靜定空間殼體結(jié)構(gòu)，當(dāng)外荷載增大或某部位產(chǎn)生局部開裂時(shí)，壩體中拱和梁的作用將會自行調(diào)整。根據(jù)模型試驗(yàn)分析，拱壩的超載能力可以到達(dá)設(shè)計(jì)荷載的511倍。拱壩的抗震能力也較高。而另一方面，由于拱壩是嵌固于基巖上的整體結(jié)構(gòu)，壩體一般不設(shè)永久伸縮縫，所以地基變形和溫度變化對壩體內(nèi)力影響較大。故設(shè)計(jì)時(shí)，地基變形應(yīng)力和溫度應(yīng)力也列為主要荷載，計(jì)算較為復(fù)雜，所以對壩肩地質(zhì)條件和處理措施更應(yīng)特別重視。由于壩體較薄、形狀復(fù)雜，故對施工質(zhì)

21、量、材料強(qiáng)度和防滲要求等方面也都比擬嚴(yán)格。拱壩對壩址地形地質(zhì)條件要求也比擬高。地形條件是選擇拱壩形式、樞紐布置以及經(jīng)濟(jì)性的主要影響因素，可從河谷剖面形狀、壩址地形變化等方面進(jìn)行分析。理想的地形條件應(yīng)是兩岸對稱、岸坡平順，平面上向下游收縮的峽谷地段，且拱端下游有足夠厚的巖體支撐，以利于穩(wěn)定。3. 土石壩土石壩是由土、砂石料等當(dāng)?shù)夭牧咸钪傻膲?，是目前世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛和開展迅速的一種壩型。土石壩得以廣泛應(yīng)用開展的主要原因：1可以就地取材，節(jié)省大量水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運(yùn)輸量。由于土石壩設(shè)計(jì)施工技術(shù)的開展放寬了對筑壩材料的要求，幾乎任何土石料均可筑壩。2非黏性土的填筑能適應(yīng)各種

22、不同的地形、地質(zhì)和氣候條件。任何不良的壩址地基，經(jīng)處理后均可筑壩，待變形趨于穩(wěn)定、天氣好的條件下再回填黏性土。特別是在氣候惡劣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜和高烈度地震區(qū)的情況下，土石壩實(shí)際上是唯一可取的壩型。3既可用簡單機(jī)械施工，也可高度機(jī)械化施工。大容量、多功能、高效率施工機(jī)械的開展，提高了土石壩的施工質(zhì)量，縮短工期，降低了造價(jià)，促進(jìn)了高土石壩建設(shè)的開展。4運(yùn)用管理方便，加高、擴(kuò)建、維修較容易。土石壩的主要缺點(diǎn)是：不允許壩頂溢流，對于意外情況可能會有潰壩危險(xiǎn)。在河谷狹窄、洪水流量很大的河道上施工時(shí)，施工導(dǎo)流比擬困難；黏性土料的施工受天氣的影響較大。 壩型選擇地形上，壩址處河床寬度從上游到壩軸線逐漸縮窄

23、，至壩軸線處最小，由壩軸線開始河床又逐漸變寬，并且壩址下游右岸有一深潭。河床兩岸坡度相差較大，右岸坡度和緩，左岸較徒，并不對稱。不適合建拱壩。地質(zhì)上，壩建于寒武系砂質(zhì)巖互層的低山峽谷區(qū)。巖層傾向上游，傾角，走向平行壩軸線。河床為厚層石英砂巖，兩岸那么為頁巖、泥巖及粉砂、細(xì)砂巖。拱壩對兩岸基巖要求較高，由于頁巖、泥巖強(qiáng)度較低，不能滿足建拱壩要求，也不能建拱壩。河床基巖為厚層石英砂巖，石英砂巖強(qiáng)度較高，是建重力壩的良好地基。因此，重力壩和土石壩均是可行的方案。但是重力壩平安性能較高，由于大壩下游緊鄰南寧市，考慮到潰壩將會帶來重大損失，在地基條件允許的情況下，宜優(yōu)先選擇重力壩。綜上所述，選擇重力壩作

24、為初步建壩方案。 壩體型式重力壩根據(jù)建壩材料不同，可以分為混凝土重力壩和漿砌石重力壩。漿砌石重力壩相對于混凝土重力壩，具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：1.就地取材，節(jié)省水泥；2.由于水泥用量少，水化熱溫升低，因而不需要采取溫控措施，也不需設(shè)縱縫，還可增加壩段寬度；3.節(jié)省模板，減少腳手架，因而木材用量較少，減少了施工干擾；4.施工技術(shù)易于掌握，施工安排比擬靈活，可以分期施工，分期受益，在缺少施工機(jī)械的情況下，可用人工砌筑。漿砌石重力壩的缺點(diǎn)有：1.人工砌筑，砌體質(zhì)量不易均勻；2.石料的修整與砌筑難以機(jī)械化，需要大量勞動力；3.砌體本身防滲性能差，需另作防滲設(shè)備；4.工期較長。根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)不同，又分為實(shí)體重力

25、壩、寬縫重力壩、空腹重力壩及支墩壩。實(shí)體重力壩工程量大，材料用量多，其強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，散熱條件差。但是實(shí)體重力壩結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，能大規(guī)模機(jī)械化施工，且抗震能力強(qiáng)。寬縫重力壩考慮到重力壩內(nèi)部應(yīng)力較低，為了充分利用混凝土抗壓強(qiáng)度，而將橫縫的中下部擴(kuò)寬而成為具有空腔的重力壩。由于壩基滲水能從寬縫中排出，因而滲流壓力顯著降低，所以節(jié)省了壩體混凝土方量；寬縫也改善了混凝土的散熱條件；便于觀測、檢查和維修。但寬縫重力壩增加了模板用量，立模也較為復(fù)雜；分期導(dǎo)流不便。空腹重力壩與實(shí)體重力壩相比。存在以下優(yōu)點(diǎn)：由于空腔使得揚(yáng)壓力減少，節(jié)省了壩體混凝土方量；減少了壩基開挖量；壩體前后腳嵌固于巖體內(nèi)，對抗滑穩(wěn)

26、定有利；前后腳應(yīng)力分布均勻，壩踵應(yīng)力較大；便于混凝土散熱。但其施工復(fù)雜、鋼筋用量大。支墩壩的自重較輕，壩體工程量相對實(shí)體重力壩小，節(jié)省了壩基開挖和固結(jié)灌漿工作量，可加快施工進(jìn)度，但側(cè)向剛度較低，其抗震能力明顯低于重力壩。另外模板較復(fù)雜且用量大，混凝土標(biāo)號高。而且支墩與頭部連接處厚度有急劇變化，將發(fā)生應(yīng)力集中，可能引起裂縫。根據(jù)不同型式重力壩的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)參考?建議一種新的大頭壩壩型梯形壩? 錢令希先生、云大真先生、樸秀男先生一書，并結(jié)合前人總結(jié)的湖南鎮(zhèn)水電站梯形壩的工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，擬修建一座漿砌石梯形壩。梯形壩具備重力壩在強(qiáng)度和穩(wěn)定方面的優(yōu)點(diǎn)，由于壩垛間敞開，并且容易散熱，壩底浮托力亦較

27、小。同時(shí)該壩型具備大頭壩在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)且施工比擬容易，另外由于壩身縱截面沿上游到下游沒有突變，大大減少應(yīng)力集中的影響，還可以防止頭部的拉應(yīng)力區(qū)，用漿砌石筑壩時(shí)這些優(yōu)點(diǎn)更為突出。例如湖南鎮(zhèn)水電站，大壩采用混凝土梯形壩，上游壩坡較平緩，可利用水重增強(qiáng)壩體穩(wěn)定；壩垛間敞開，揚(yáng)壓力較小，并可減少壩體混凝土工程量；梯形壩頭部輪廓較單支墩大頭壩厚實(shí)，且可防止后者的不利裂縫，擋水前緣比擬平安；梯形壩壩頭與支墩連接較單支墩大頭壩平緩，應(yīng)力狀態(tài)比后者好；且下游敞開，易于散熱，可節(jié)約壩體二期冷卻費(fèi)用；與寬縫重力壩相比，沒有倒懸模板，便于施工。由此，選定壩型為梯形壩。該樞紐主要建筑物有攔河壩，岸邊溢洪道及梯

28、級放水設(shè)備。根據(jù)樞紐區(qū)域的地形、地質(zhì)條件以及建筑物的功能，結(jié)合供水等要求，對個(gè)建筑物的布置情況簡述如下：擋水建筑物擋水建筑物，擋水建筑物宜布置成直線，考慮到梯形壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)尚不充足，為了保證兩岸擋水壩的施工質(zhì)量，便于與兩岸建筑物的連接，減輕繞壩滲流沖刷影響，除主河床采用梯形壩外，兩岸采用實(shí)體重力壩。梯形壩壩軸線長60m，左岸重力壩壩軸線長15m，右岸重力壩壩軸線長31m，壩軸線總長106m。 泄水建筑物在水利樞紐中，為保證各建筑物的平安，如防止洪水漫頂、庫水位過高造成上游過大的淹沒損失，必須設(shè)置泄水建筑物。溢洪道是一種最常見的泄水建筑物，用于宣泄規(guī)劃庫容所不能容納的洪水，防止洪水漫溢壩頂，保證大

29、壩平安。溢洪道可以與壩體結(jié)合在一起，也可設(shè)在壩體以外?；炷翂我话氵m于經(jīng)壩體溢洪或泄洪，如各種溢流壩。此時(shí)，壩體既是擋水建筑物，又是泄水建筑物，樞紐布置緊湊、管理集中，這種布置一般是經(jīng)濟(jì)合理的。但對土壩、堆石壩以及某些輕型壩，一般不容許從壩身溢流或大量溢流，或當(dāng)河谷狹窄而泄流量大，難于經(jīng)混凝土壩泄放全部洪水時(shí)，那么需在壩體以外的岸邊或天然埡口處建造溢洪道或開挖泄水隧洞。泄水建筑物簡述：1 河岸溢洪道河岸溢洪道分為正槽溢洪道、側(cè)槽溢洪道、井式溢洪道和虹吸式溢洪道等1 正槽溢洪道正槽溢洪道通常由引水渠、控制段、泄槽、出口消能段及尾水渠等局部組成，溢流堰軸線與泄槽軸線正交，過堰水流流向與泄槽軸線方向

30、一致，其中，控制段、泄槽及出口消能段是溢洪道的主體。2側(cè)槽溢洪道當(dāng)兩岸山坡徒峻且無適當(dāng)?shù)纳焦葓嚎跁r(shí)，宜采用側(cè)槽式溢洪道。側(cè)槽式溢洪道的主要特點(diǎn)是：溢洪堰大致沿等高線布置，水流經(jīng)過溢洪堰后，流入與溢洪堰大致平行的側(cè)槽，然后進(jìn)入泄槽或隧洞泄往下游。2 泄水隧洞按流態(tài)不同，隧洞可分為有壓隧洞和無壓隧洞。布置上根據(jù)應(yīng)用條件應(yīng)考慮盡可能滿足多種用途的需要。如導(dǎo)流、泄流、排沙、灌溉等。本設(shè)計(jì)選用正槽溢洪道，主要原因?yàn)椋簤屋S線右岸有一鞍形埡口，只要略節(jié)開挖便可形成正槽溢洪道，把來水直接泄入下游龍?zhí)?，有利于減少開挖量，降低造價(jià)；此外，該處可緊鄰右岸重力壩設(shè)置溢洪道，把水直接導(dǎo)進(jìn)下游龍?zhí)?，便于農(nóng)業(yè)用水，樞紐布置

31、緊湊，設(shè)置合理。所以擬建溢洪道于右岸緊鄰重力壩的鞍形埡口，溢流前沿正對主流方向，與壩軸線成一微小轉(zhuǎn)角。 放水建筑物放水設(shè)備用于在需要時(shí)放空水庫，以便對大壩進(jìn)行檢修；或?qū)ο掠窝a(bǔ)水以滿足下游用水要求。本設(shè)計(jì)于左岸布置梯形放水設(shè)備，放水涵管從梯形壩中間段引出，直接把水泄向下游龍?zhí)丁? 非溢流壩設(shè)計(jì)非溢流壩的設(shè)計(jì)主要任務(wù)為剖面設(shè)計(jì)、荷載計(jì)算、穩(wěn)定分析及應(yīng)力分析。 剖面設(shè)計(jì)重力壩的設(shè)計(jì)斷面要滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，保證大壩平安，工程量要小，運(yùn)用方便，優(yōu)選體形，便于施工，防止出現(xiàn)不利的應(yīng)力分布狀態(tài)。 梯形壩的根本剖面梯形壩是介于寬縫重力壩及大頭壩之間的一種支墩壩，其根本斷面與其它重力壩一樣為一個(gè)三角形，但又有

32、所區(qū)別。如圖3-1-1所示，其異同如下：圖3-1-1 梯形壩根本斷面與重力壩相同，作任何一個(gè)與壩軸線垂直的橫截面，如圖中的截面C-C和D-D，它總是一個(gè)三角形，所以壩身根本上具有三角形重力壩的性質(zhì)，只不過沿著壩的軸線方向三角形截面的大小是逐漸變化的。做任意一個(gè)水平截面，它總是一個(gè)梯形，如圖中的A-A和B-B截面，壩軸線處寬度不變，上游寬度根據(jù)橫縫分段而定。因此，梯形壩并不分頭部和支墩兩局部，而是一個(gè)從上游到下游厚度緩和漸變的整體，這可以防止應(yīng)力集中和冷卻不均勻的現(xiàn)象。 剖面控制數(shù)據(jù)梯形壩高m，壩基最低高程119mm。由于交通等各方面需求，壩頂寬度為4m。1 壩頂高程本設(shè)計(jì)泄洪方式為正槽溢洪道，

33、開敞式溢洪道首部為實(shí)用斷面堰，堰頂高程149m，溢流前緣長20m，堰下接縱坡的泄水陡槽，陡槽在平面上有10°的側(cè)收縮角，將陡槽末端縮至10m寬，尾端以半徑m的反弧接挑流鼻坎，再以30°挑射角挑出，設(shè)計(jì)與校核洪水流量分別為和，經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后的下泄流量為和。根據(jù)實(shí)用堰的計(jì)算公式： Q= (3-1) (3-2)式中：Q泄流流量，；H計(jì)算水頭，忽略行進(jìn)水頭，那么為堰頂水頭；側(cè)收縮系數(shù)；m流量系數(shù)，對于高堰，取m=0.502；n溢流孔數(shù)，本設(shè)計(jì)為1；b單孔凈寬，本設(shè)計(jì)為20m；邊墩形狀系數(shù)，對于與混凝土非溢流壩段鄰接的高溢流堰，建議取0.1，對于土壩，那么為0.2，本設(shè)計(jì)取為0.15。

34、閘墩形狀系數(shù)，本設(shè)計(jì)不予考慮。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水及校核洪水的下泄流量，可以算出相應(yīng)堰上水頭及相應(yīng)水位，計(jì)算步驟為先假定一個(gè)側(cè)收縮系數(shù)，用式3-1算出堰上水頭H，用H代入式3-2，從新算出側(cè)收縮系數(shù)，用新的側(cè)收縮系數(shù)代入式3-1，再算出堰上水頭，如此往復(fù)，直到得到的H與足夠精確，最終計(jì)算結(jié)果如下表3-1-1：表3-1-1 水位計(jì)算結(jié)果下泄流量Q()側(cè)收縮系數(shù)堰上水頭H(m)相應(yīng)水位(m)續(xù)表3-1-1 水位計(jì)算結(jié)果正常蓄水位0設(shè)計(jì)洪水位76校核洪水位130m是符合要求的，壩基高程為119mm。2 壩段寬度梯形壩由于水平截面是梯形，所以其剖面設(shè)計(jì)不僅要擬定橫截面，還需確定水平梯形截面尺寸，所以要先擬定大

35、壩的橫縫分段。增加橫縫間距，有利于大機(jī)械化施工，同時(shí)，由于壩段寬度增加，橫縫減少，也減少了止水，這對壩的工作和維護(hù)是有利的。但過大的厚度，又容易產(chǎn)生收縮、沉降裂縫。梯形壩類似于大頭壩，根據(jù)大頭壩的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)壩高H<45m時(shí)，橫縫間距一般為1018m，本設(shè)計(jì)梯形壩軸線長60m，共分5個(gè)垛，每垛厚12m。3 上下游面坡度由于梯形壩較實(shí)體重力壩工程量減少2030%，自重較輕，需要借助一局部水重來滿足抗滑穩(wěn)定分析，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大頭壩的上游坡度在1：0.41：0.5之間，下游坡度在1：0.41：0.6之間。在不考慮地震力的的情況下，最常見的是上下游坡度都作成1：0.451：0.55。根據(jù)梯

36、形壩與大頭壩自重與形式相似的特點(diǎn)，初步擬定上游坡面為1：0.4，下游坡面1：0.6。4 壩體水平截面梯形上下游面寬度梯形截面的上游邊長度應(yīng)當(dāng)與壩段厚度相同，沿壩底至壩頂為常數(shù)12m。對于梯形截面的下游寬度，越薄那么工程量越少，但過薄對應(yīng)力和穩(wěn)定不利，且壩體側(cè)向剛度也缺乏。本設(shè)計(jì)壩底梯形下游邊長取4m，隨著高程增加，梯形下游邊逐漸加大，至壩頂為12m。 擬定實(shí)用剖面根據(jù)前面控制數(shù)據(jù)，梯形壩壩底119mm，上游邊長12m，下游邊長4m，理論上相鄰兩垛間接觸厚度為0，但實(shí)際上需要一定的接觸厚度，考慮壩頂寬度為4mm，如圖3-1-2所示：圖3-1-2 梯形壩實(shí)用剖面對于任意高程的梯形水平截面，與壩底梯

37、形截面在水平投影相對位置及計(jì)算簡圖如以下圖3-1-3，其水平投影梯形兩側(cè)邊延長線分別通過壩底截面下游邊兩端點(diǎn)：圖3-1-3 梯形截面尺寸計(jì)算簡圖任意高程水平截面尺寸按下式計(jì)算： (3-3) (3-4)式中：截面高程與壩底高程的差值，m；水平截面沿上下游方向長度，m；壩垛連接厚度，m；水平截面上游邊寬度，m；水平截面下游邊寬度，m；上下游壩面坡度，。根據(jù)，得由此可繪出一個(gè)壩垛的三視圖3-1-4：圖3-1-4 壩垛三視圖3.2 荷載計(jì)算及組合 荷載組合重力壩的主要荷載主要有：自重、靜水壓力、浪壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載等，對于本設(shè)計(jì)屬于非實(shí)體重力壩，不能取1m壩長進(jìn)行荷載計(jì)算，應(yīng)力分析及穩(wěn)定

38、分析應(yīng)按由橫縫分割而視為獨(dú)立工作的一個(gè)壩段進(jìn)行計(jì)算，所以荷載計(jì)算取大壩中間一個(gè)12m壩垛進(jìn)行計(jì)算。荷載組合可分為根本組合與特殊組合兩類。根本組合屬于設(shè)計(jì)情況或正常情況，由同時(shí)出現(xiàn)的根本荷載組成。特殊組合屬校核情況或非常情況，由同時(shí)出現(xiàn)的根本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從這兩類組合中選擇幾種最不利的、起控制作用的組合情況進(jìn)行計(jì)算，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。本次設(shè)計(jì)考慮的根本荷載組合為設(shè)計(jì)洪水位；特殊組合為校核洪水位和地震情況。各種情況下考慮的荷載如下表3-2-1所示：表3-2-1 不同情況下考慮的荷載組合荷載組合荷載主要考慮情況自重靜水壓力揚(yáng)壓力泥沙壓力浪壓力地震荷載動水壓力土壓力根本

39、組合1設(shè)計(jì)洪水位情況+特殊組合1校核洪水位情況+2地震情況+“+表示進(jìn)行考慮的荷載。 2.地震情況的靜水壓力、揚(yáng)壓力按正常蓄水位時(shí)計(jì)算。3.2.2 荷載計(jì)算荷載計(jì)算簡圖見圖3-2-1圖3-2-1 梯形壩荷載計(jì)算簡圖水平截面沿壩軸線方向的形心軸距截面上游邊的距離按下式計(jì)算= (3-5)那么壩底水平截面的形心軸距上游邊距離= (1)自重壩體自重的計(jì)算公式： (3-6)式中壩體體積，；取一個(gè)壩垛計(jì)算，不計(jì)廊道影響。在計(jì)算局部體積時(shí)由于大壩水平截面沿高程其梯形截面不斷變化，可以根據(jù)其尺寸函數(shù)積分求得其體積；壩體材料的重度(本設(shè)計(jì)中漿砌石的重度為)。對于，有其力臂為：因此：= (逆時(shí)針方向)對于，計(jì)算如

40、下處的水平截面尺寸：因此任意水平截面的梯形局部尺寸為：為梯形局部長度，那么局部體積可表示為：= (3-6)代入得=因此 對于局部對壩底面形心軸產(chǎn)生的彎矩的計(jì)算，同樣可用積分法。任意處的水平截面梯形局部的形心到其上游邊的距離為： = (3-7)那么其形心至壩底形心軸的水平距離為：= -11.2 (3-8)那么可表示為： (3-9)代入、，得=()= (順時(shí)針方向)對軸的力臂為：=2靜水壓力靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載，計(jì)算時(shí)常分解為水平水壓力和垂直水壓力兩種。各種情況下的水位如下表3-2-1：表3-2-2 不同情況下的水深特征水位上游水位上游水深下游水位正常蓄水位無水設(shè)計(jì)洪水位無水校核洪

41、水位無水計(jì)算各種情況下靜水壓力：水平水壓力計(jì)算公式為： (3-10)式中：計(jì)算情況時(shí)的上游水深，。其值見表3-2-2；水的重度，常取。算得，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)：校核洪水位時(shí)：正常蓄水位時(shí)：垂直水壓力按水重計(jì)算： (3-11)式中：壓在壩體上的水的體積，算得，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)：校核洪水位時(shí)： 正常蓄水位時(shí)： 3揚(yáng)壓力排水孔幕距上游面距離初步取為4計(jì)算，如圖3-2-1所示，把揚(yáng)壓力劃分為三局部計(jì)算。壩踵處揚(yáng)壓力強(qiáng)度， (3-12)排水孔幕處揚(yáng)壓力強(qiáng)度， (3-13)式中：排水孔幕處揚(yáng)壓力折減系數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，取為。對于第三局部揚(yáng)壓力的計(jì)算，由于壩底水平截面下游處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度均為0，因此還須把壩底梯形截面分成一

42、個(gè)長方形和兩個(gè)三角形局部分別計(jì)算，如以下圖3-2-2：圖3-2-2 揚(yáng)壓力計(jì)算壩底分塊圖三角形局部，沿上下游方向距離截面y軸為x處的長度可表示為： (3-13)得三角形區(qū)域的揚(yáng)壓力值為：=3 (3-13)對軸產(chǎn)生的彎矩為：= 得= (3-13)因此有=力臂設(shè)計(jì)洪水位時(shí)：從而：校核洪水位時(shí)：從而：正常蓄水位時(shí)：從而：4地震荷載工程地區(qū)的地震烈度為7度，水平加速度取為，根據(jù)?水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?SL203-97，當(dāng)采用擬靜力法計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí),沿建筑物高度作用于質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值應(yīng)按下式計(jì)算： (3-14)式中：作用在質(zhì)點(diǎn)i的水平向地震慣性力代表值；地震作用的效應(yīng)折減系數(shù),除另有

43、規(guī)定外,取0.25；集中在質(zhì)點(diǎn)i的重力作用標(biāo)準(zhǔn)值；質(zhì)點(diǎn)i的動態(tài)分布系數(shù),應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)各類水工建筑物章節(jié)中的有關(guān)條文規(guī)定采用；g重力加速度.其中質(zhì)點(diǎn)的動態(tài)分布系數(shù)按下式計(jì)算： (3-15)式中壩體計(jì)算質(zhì)點(diǎn)總數(shù)；壩高，溢流壩應(yīng)算至閘墩頂；質(zhì)點(diǎn)的高度；質(zhì)點(diǎn)的高度；產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標(biāo)準(zhǔn)值。把大壩以每1m分成，近似取每層質(zhì)點(diǎn)位于其中間高程，計(jì)算如下表3-2-4：表3-2-4 地震慣性力計(jì)算表12634567891011121314151617181920212223續(xù)表3-2-4 地震慣性力計(jì)算表24342526272829303132332374.613總和得地震慣性力：地震動水壓力，

44、采用擬靜力法計(jì)算重力壩地震作用效應(yīng)時(shí)，單位寬度壩面的總地震動水壓力作用在水面以下處，其代表值應(yīng)按下式計(jì)算： (3-16)式中水的密度，為。因大壩迎水面與水平面傾斜，按式3-16算得的地震動水壓力代表值應(yīng)乘以折減系數(shù)：= (3-17)式中：迎水面與水平面的夾角，本設(shè)計(jì)為。算得那么作用于一個(gè)壩段的總地震動水壓力代表值為 荷載匯總根據(jù)荷載計(jì)算結(jié)果，將各種情況下的荷載列于表3-2-4、表3-2-5及表3-2-6。設(shè)計(jì)洪水位情況見表3-2-4：表3-2-4 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的荷載荷載分項(xiàng)系數(shù)豎向力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，水平力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，力臂力矩標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，-+自重3129631296(209057.28) 22

45、0631.56水壓力(58218.57)10.48 (610130.61)(23287.43)11 (256316.98)揚(yáng)壓力(4887.17)13.2 )(5701.34)13.87 (79058.64)(13276.80)2.144 28465.47總和23865.3158218.57537422.64校核洪水位情況見表3-2-5：表3-2-5 校核洪水位時(shí)的荷載荷載分項(xiàng)系數(shù)豎向力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，水平力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，力臂力矩標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，-+自重312963129620()()水壓力()()()()揚(yáng)壓力(4986.43)13.2 (65820.90)續(xù)表3-2-5 校核洪水位時(shí)的荷載揚(yáng)壓

46、力(5817.50)13.87 (80688.77)(13546.48)2.144 (29043.65)總和()24350.41()(570689.36)地震情況見表3-2-6表3-2-6 地震情況時(shí)的荷載荷載分項(xiàng)系數(shù)豎向力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，水平力標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，力臂力矩標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)值，-+自重3129631296(209057.28)95785.4220631.56水壓力5210揚(yáng)壓力1.11.16851.1地震荷載總和148271(148271)22764.68(58722.65)(559477.78)3.3 穩(wěn)定分析 結(jié)構(gòu)分析規(guī)定結(jié)構(gòu)分析根據(jù)?混凝土重力壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?DL5108-1999后文簡稱

47、?標(biāo)準(zhǔn)DL5108?，采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原那么，以分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。混凝土重力壩應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行以下計(jì)算和驗(yàn)算：(1) 承載能力極限狀態(tài)：壩體斷面、結(jié)構(gòu)及壩基巖體進(jìn)行強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定計(jì)算；對需抗震設(shè)防的壩及結(jié)構(gòu)，尚需按DL5073進(jìn)行驗(yàn)算。(2) 正常使用極限狀態(tài)：按材料力學(xué)方法進(jìn)行壩體上、下游面混凝土拉應(yīng)力驗(yàn)算，必要時(shí)進(jìn)行壩體及結(jié)構(gòu)變形計(jì)算；復(fù)雜地基局部滲透穩(wěn)定驗(yàn)算?；炷林亓渭皦紊辖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)水工建筑物的級別，采用不同的水工建筑物結(jié)構(gòu)平安級別，見表3-3-1。表3-3-1 水工建筑物結(jié)構(gòu)平安級別水工建筑物級別水工建筑物結(jié)構(gòu)平安級別12、34、5本大壩建筑物級別為3級，對于結(jié)構(gòu)平安級別為II。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式如下：1承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式采用以下極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式0S(，) (3-18)式中：0結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，對應(yīng)于結(jié)構(gòu)平安級別為、級的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，可分別取用、；設(shè)計(jì)狀