2010重力壩設(shè)計(jì)說(shuō)明書

1、重力壩計(jì)算說(shuō)明書成員姓名： 張業(yè)燦 梁榮澤 李壯偉學(xué) 號(hào)： 080310232 080310238 080310227班 級(jí)： 08水工（2）班指導(dǎo)老師： 周衛(wèi)民 2010年5月8日目 錄第一部分 設(shè)計(jì)資料（2） 一、設(shè)計(jì)資料（2） 二、設(shè)計(jì)依據(jù)（2）第二部分 混凝土重力壩設(shè)計(jì)（4）一、 非溢流壩設(shè)計(jì) （4） 二、溢流壩設(shè)計(jì)（20）第三部分 細(xì)部構(gòu)造（25）第一部分：設(shè)計(jì)資料一 設(shè)計(jì)資料1. 概況 本工程屬于山區(qū)峽谷水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為15×104m3，壩址以上流域面積為20 Km2，裝機(jī)容量為800 kw，是一個(gè)以發(fā)電為主的小型電站。根據(jù)壩址的地質(zhì)條件和以及當(dāng)?shù)夭牧系那闆r，混凝土重力

2、壩為該工程主壩壩型的主要考慮方案。2. 地質(zhì)條件壩址所處的河床高程為659.00m，砂礫石覆蓋層厚度為0.51.0m，風(fēng)化巖層厚度為1.0m。壩基巖石允許承載力為3000kpa，壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪摩擦系數(shù)0.65，壩體混凝土與壩基接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)0.9，壩體混凝土與壩基接觸面間的抗剪斷凝聚力為1.0Mpa，河床最大抗沖單寬流量為40 m3(s·m)。二 設(shè)計(jì)依據(jù)1.工程等別及建筑物等別本工程以發(fā)電為主，攔河壩為混凝土重力壩，總庫(kù)容為15（104m3），電站為引水式電站，裝機(jī)容量為800kw，根據(jù)水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（SL252-2000）的有關(guān)規(guī)定，本

3、工程等別為“V”等，建筑物按5級(jí)設(shè)計(jì)。2.洪水標(biāo)準(zhǔn)按照水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（SL252-2000）的規(guī)定，各建筑物按如下洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：攔河壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)20年一遇洪水設(shè)計(jì)即（P=5%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇校核即（P=1%）；廠房設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇即（P=3.33%），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇即（P=2%）。3. 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算基本荷載組合k1.05 特殊荷載組合k1.004. 壩頂安全超高正常運(yùn)用：H= 0.3m 非正常運(yùn)用：H=0.2m5. 地震烈度根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001）知，該工程區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度小于0.05g

4、，故不考慮地震設(shè)防。6. 主要采用數(shù)據(jù)（1） 水位及下泄流量：洪水標(biāo)準(zhǔn)上游水位(m)下游水位（m）下泄流量(m3/s)校核洪水（P=1%）685.67661.82406.06設(shè)計(jì)洪水（P=5%）685.06661.26317.22正常蓄水位681.00死水位668.00（2） 風(fēng)速、吹程、淤沙、容重等數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速： 20m/s多年（10min）平均最大風(fēng)速： 14.1m/s50年一遇風(fēng)速（10min） : 21.15m/s最大吹程：3700m淤沙內(nèi)摩擦角： 水的容重 10kN/m3混凝土的容重 24KN/m3漿砌石的容重 22KN/m3混凝土的彈性模量 1.8(104)Mpa（3） 巖石物

5、理指標(biāo)壩基巖石允許承載力：3000kpa壩體混凝土與壩基的接觸面間的抗剪摩擦系數(shù)：0.65壩體混凝土與壩基接觸面間的抗剪斷摩擦系數(shù)：0.9壩體混凝土與壩基接觸面間的抗剪斷凝聚力：1.0Mpa河床最大抗沖單寬流量：40 m3(s·m)抗沖刷系數(shù)：1.2第二部分：混凝土重力壩設(shè)計(jì)一 非溢流壩設(shè)計(jì)1. 壩頂高程由于本工程屬于山區(qū)峽谷水庫(kù)，故選用官?gòu)d公式來(lái)計(jì)算h和: 為了交通和運(yùn)用管理安全，非溢流壩壩頂或壩頂上游側(cè)防浪墻必須高出水庫(kù)的靜水位的高度， 式中各參數(shù)由波浪計(jì)算確定，式中： 壩頂高于水庫(kù)靜水位的高度，m 累計(jì)頻率為1%時(shí)的波浪高度，m 波浪中心線至靜水面的高度，m 安全超高，m （按

6、重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范選用）（1） 正常蓄水位情況由本工程資料可知:多年平均風(fēng)速為V=14.1 m/s，設(shè)計(jì)情1.5V吹程為D=3.7km,查得。浪高：m浪長(zhǎng)：m壩前水深m 即有且D20km,即符合官?gòu)d公式的條件。m波高：mmm（2） 設(shè)計(jì)洪水位情況由于，即有=0.36m與（1）的計(jì)算情況相同，即=2.32mm（3） 校核洪水位情況校核情況風(fēng)速取多年平均風(fēng)速原值即=14.1 m/s，安全超高=0.2浪高：m浪長(zhǎng)：m壩前水深m 即有且D20km, =14.1 m/s，即符合官?gòu)d公式的條件。m波高：mmm綜上所述，取壩頂高程=687.40m,取防浪墻高度為1m，基礎(chǔ)開挖2m,則壩高為：m.2. 非溢流壩剖

7、面尺寸的擬定（1） 壩頂寬度因該水利樞紐位于山區(qū)峽谷，無(wú)交通要求，按構(gòu)造要求取壩頂寬度5m，同時(shí)滿足維修時(shí)的單車道要求。（2） 壩坡的確定根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，考慮利用部分水重增加壩體穩(wěn)定，上游壩面采用折坡，起坡點(diǎn)按要求為壩高，該工程擬折坡點(diǎn)高程為672.00m，上部鉛直，下部為1：0.2的斜坡，下游壩坡取1：0.75，基本三角形頂點(diǎn)位于壩頂，681.40m以上為鉛直壩面。（3） 廊道布置本工程基礎(chǔ)灌漿和基礎(chǔ)排水廊道是共同用同一廊道，根據(jù)規(guī)范要求寬度1.53.0m。本工程廊道采用廊道尺寸寬：2.5m，高：3m3. 荷載及其組合設(shè)計(jì)洪水情況的荷載組合包含：自重+靜水壓力+淤沙壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。沿壩軸

8、線取單位長(zhǎng)度1m計(jì)算。正常蓄水位的荷載組合包含：自重+靜水壓力+淤沙壓力+揚(yáng)壓力+浪壓力。計(jì)算時(shí)沿壩軸線取單位長(zhǎng)度1m計(jì)算。荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值成果如下表：29荷載符號(hào)計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底面中點(diǎn)的偏心距（m）力 矩（kN.m） +自重W124×5×29.4352813.155.5=7.6526989W224×24.4×18.3×535813.15=0.955090W324×15×3×54013.153=11.156021上游水 重Q110×15×3×22513.1

9、53=12.152734Q210×13.67×341013.153=11.654785下游水重Q310××4.82×3.615×8713.153.615=11.9451039垂直泥沙壓力12.5××0.2×12513.152=12.481560浮托力U14.82×10×26.312680滲 透 壓 力U20.2×23.85×10×838213.15=9.153495U310×0.2×23.85×18.3×43613.

10、1518.3=0.95414U4(23.85×10-0.2×23.85×10)×8×76313.158=12.7759747上游水平壓力P1×10×411028.67=9.5639292下游水平壓力P2×10×1164.82=1.61187浪 壓力×5.11×3.91×10100=26.462646×3.91×3.91×10761981水平泥沙壓力3061019合計(jì)10273284919245163585162328總計(jì)7424432426477

11、( 校 核 洪 水 位 情 況 )（1） 壩基面抗滑穩(wěn)定性核算：已知,則 ，因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩基面的抗穩(wěn)定性滿足要求。（2） 壩趾和壩踵應(yīng)力核算已知計(jì)及揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的，.m；不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的.m 壩踵垂直正應(yīng)力（計(jì)揚(yáng)壓力）： 壩趾垂直正應(yīng)力（計(jì)及揚(yáng)壓力）：不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 遠(yuǎn)小于壩基和壩體允許壓應(yīng)力。因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩趾和壩踵應(yīng)力滿足要求。荷載符號(hào)計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底面中點(diǎn)的偏心距（m）力 矩（kN.m） +自重W124529.4352813.15-3-=7.6526989W22424.418.30.5535813.15-18.3=0.

12、955090W3241530.554013.15-3=12.156021上游水 重Q1313.0610391.813.15-3=11.654564Q20.53151022513.15-3=12.152734下游水重Q30.53.1954.261068.0513.15-3.195=12.09823垂直泥沙壓力12.5100.20.512513.15-2=12.481560浮托力U14.261026.31120.38000滲 透 壓 力U20.547.618.3435.5413.15-18.3=0.95414U347.68380.813.15-8=9.153484U40.5190.48761.61

13、3.15-8=10.487982上游水平壓力P10.528.06103936.8228.06÷3=9.3536809下游水平壓力P20.54.261090.744.26÷3=1.42129浪 壓力0.55.8557.37510215.9=24.6653240.55.85510171.4128.06-5.855=24.164141水平泥沙壓力0.512.510tan(45-20/2)30610÷3=3.331019合計(jì)10235.852698.32262.154458.724655260531總計(jì)7537.534196.5713979( 設(shè) 計(jì) 洪 水 位 情 況

14、)（1） 壩基面抗滑穩(wěn)定性核算：已知,則 ，因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩基面的抗穩(wěn)定性滿足要求。（2） 壩趾和壩踵應(yīng)力核算已知計(jì)及揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的，.m；不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的.m 壩踵垂直正應(yīng)力（計(jì)揚(yáng)壓力）： 壩趾垂直正應(yīng)力（計(jì)及揚(yáng)壓力）：不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 遠(yuǎn)小于壩基和壩體允許壓應(yīng)力。因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩趾和壩踵應(yīng)力滿足要求荷載符號(hào)計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底面中點(diǎn)的偏心距（m）力 矩（kN.m） +自重W1352826989W253585090W35406021上游水 重Q12703146Q22252734垂直泥沙壓力1251560滲 透 壓 力U157652

15、70U2767729U36727043上游水平壓力P1288023040浪 壓力310=20.7764391713437水平泥沙壓力3061019合計(jì)10046201517134964461647901總計(jì)83013325-3285( 正 常 洪 水 位 情 況 )（3） 壩基面抗滑穩(wěn)定性核算：已知,則 ，因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩基面的抗穩(wěn)定性滿足要求。（4） 壩趾和壩踵應(yīng)力核算已知計(jì)及揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的，.m；不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí)壩基面上的.m 壩踵垂直正應(yīng)力（計(jì)揚(yáng)壓力）： 壩趾垂直正應(yīng)力（計(jì)及揚(yáng)壓力）：不計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 計(jì)揚(yáng)壓力時(shí) 遠(yuǎn)小于壩基和壩體允許壓應(yīng)力。因此，在設(shè)計(jì)洪水位情況下，壩趾和壩踵應(yīng)

16、力滿足要求 完 建 期：荷載符號(hào)計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底面中點(diǎn)的偏心距（m）力 矩（kN.m） +自重W124529.4352813.15-3-=7.6526989W22424.418.30.5535813.15-18.3=0.955090W3241530.554013.15-3=12.156021合計(jì)9426330105090總計(jì)942627920（1） 壩趾和壩踵應(yīng)力核算已知壩基面上的，.m；則壩踵垂直正應(yīng)力： 壩趾垂直正應(yīng)力：遠(yuǎn)小于壩基和壩體允許壓應(yīng)力。因此，在完建期的情況下，壩趾和壩踵應(yīng)力滿足要求4. 公式說(shuō)明（1） 自重（包括永久設(shè)備自重）壩體自重W標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：W

17、=V c （kN/m） 式中：V壩體體積（），常將壩體斷面分解成矩形、三角形計(jì)算。c壩體混凝土的重度（/）。根據(jù)選定的配合比通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，一般采用23.524.0 /。（2） 靜水壓力靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載。分解為水平水壓力（PH）和垂直水壓力（PV）。PV=Vww （kN/m） PH=H2 （kN/m）式中 Vw斜坡面上水體體積（）；H計(jì)算點(diǎn)處的作用水頭（m）；h堰頂溢流水深（m）；w水的重度（/）。（3） 淤沙壓力淤沙壓力：入庫(kù)水流挾帶的泥沙在水庫(kù)中淤積，淤積在壩前的泥沙對(duì)壩面產(chǎn)生的壓力。淤沙壓力計(jì)算圖淤積的規(guī)律是從庫(kù)首至壩前，隨水深的增加而流速減小，沉積的粒徑由粗到細(xì)，壩前

18、淤積的是極細(xì)的泥沙，淤積泥沙的深度和內(nèi)摩擦角隨時(shí)間在變化，一般計(jì)算年限取50100年。單位壩長(zhǎng)上的水平淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值Psk為Psk = （kN/m） 式中 sb淤沙的浮重度（/），sb=sd-（1-n）wsd淤沙的干重度（/）；w水的重度（/）；n淤沙的孔隙率；hs壩前估算的泥沙淤積厚度（m）；s淤沙的內(nèi)摩擦角（°）。當(dāng)上游壩面傾斜時(shí)，應(yīng)計(jì)入豎向淤沙壓力，按淤沙的浮重度計(jì)算。淤沙壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)采用1.2。（4） 浪壓力浪壓力：水庫(kù)表面波浪對(duì)建筑物產(chǎn)生的拍擊力。浪壓力的影響因素較多，呈動(dòng)態(tài)變化，可取不利情況計(jì)算。浪壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)采用1.2。波浪壓力分布（a）深水波；（b）淺水

19、波；（c）破碎波臨界水深Hcr的計(jì)算公式： 三種波態(tài)情況的浪壓力分布不同，浪壓力計(jì)算公式如下：深水波：當(dāng)壩前水深大于半波長(zhǎng)，即H 時(shí)，波浪運(yùn)動(dòng)不受庫(kù)底的約束。 （kN/m） 淺水波：水深小于半波長(zhǎng)而大于臨界水深Hcr，即HHcr時(shí)，波浪運(yùn)動(dòng)受到庫(kù)底的影響。 PL=（h1%+hZ）（H+PLf）+HPLf PLf=h1%sech 破碎波：水深小于臨界水深，即HHcr時(shí)，波浪發(fā)生破碎。PL=（1.5-0.5）h1%+（0.7+）H P0=K0h1%二 溢流壩設(shè)計(jì)1. 孔口尺寸當(dāng)大壩通過(guò)P=1%校核洪水時(shí)下泄流量Q=406.06，由資料可知：河床最大抗沖單寬流量為40。出于安全考慮，本設(shè)計(jì)采用溢流單

20、寬流量q=35，則所需的溢流孔口總寬為：B=取12m初步擬定閘孔寬b=6m，分2孔即n=2,閘墩厚為2m。則溢流前緣總長(zhǎng)度為： L=nb+(n+1)d=12+(2+1)×2=18m 2. 堰頂高程按兩種種不同情況分別來(lái)計(jì)算，公式，取，不同情況上游水位 （m）（m）下泄流量Q（）堰頂高程(m)校核情況685.676.45406.06679.2設(shè)計(jì)情況685.065.47317.22679.6壩頂高程定得高些將可較經(jīng)濟(jì)，但得必須通過(guò)最大洪水校核。 a. 取壩頂高程為679.6m.H=685.06679.6=5.46m，則有: ,不滿足，且超過(guò)了其5%，故需要降低堰頂高程。b. 取堰頂高程

21、為679.2mH=685.67679.22=6.47m，則有： 滿足要求，最后選定壩頂高程為679.2m3. 溢流壩面曲線設(shè)計(jì)（1） 定型設(shè)計(jì)水頭通過(guò)調(diào)洪演算，溢流壩壩頂高程定為679.2m，取=5m，堰上最大水頭，則（2） 溢流壩面曲線設(shè)計(jì) a. 壩頂上游曲線本工程采用的是上游面垂直的WES實(shí)用堰，通過(guò)下表可以查到相關(guān)數(shù)據(jù)： WES實(shí)用堰標(biāo)準(zhǔn)剖面方程參數(shù)：上游堰面坡度k n 垂直2.0001.8500.50.20.1750.2823:11.9361.8360.680.210.1390.237 1.5:11.9391.8100.480.220.1150.214 1:11.8731.7760.4

22、5 00.119 0故可得，=0.5=2.5m =0.2=1m =0.175=0.875m =0.282=1.41m，則改堰頂下游的曲線方程為： b. 溢流剖面堰型采用冪曲線，其方程為： 故可得冪曲線方程為：c. 直線段和堰曲線切點(diǎn)、的確定。由a 和 b步驟中可以聯(lián)立下列方程組： 求得=3.91 =1.59d. 直線段和反弧段切點(diǎn)D和反弧圓心坐標(biāo)的確定根據(jù)鼻高于下游水位1m左右的要求，確定鼻坎高程為，挑角，下游河床高程為657m，以1%洪水為控制情況，上游水位為685.67m，下游水位為61.82m。，閘墩厚d=2m ，n=2孔 ，b=6m ，則 反弧半徑的確定。擬定R=9m 此時(shí)反弧最低點(diǎn)高

23、程為： S=上游水位反弧最低點(diǎn)高程=685.67662.16=23.51m為了保證有較好的挑流條件，反弧半徑R至少應(yīng)大于反弧段最低點(diǎn)處水深的56倍，故取反弧半徑R=9m是符合要求的。圓心高程 直線段和反弧切點(diǎn)D為（圓心到堰頂水平距離）溢流壩壩基寬度：鼻坎到堰頂?shù)乃骄嚯x 附加上鼻坎削角厚度0.4m，堰頂上游側(cè)曲線水平距離則整個(gè)壩基寬度為 B=1.41+23.80+0.4=25.61m4. 挑流消能計(jì)算已知條件：挑射角為，通過(guò)1%洪水時(shí)下泄流量為406.06，上游水位為685.67m，下游水位為661.82m。上下游水位差Z=685.67661.82=23.85m；鼻坎高程為663m，上游水位和

24、鼻坎高差，下游河床高程為657m，鼻坎和下游河床面高差a=663657=6m，下游水位和下游河床面高差t=661.82657=4.82m，.流能比： 流速系數(shù)： 入水角 ： 即=， tan=0.5370空中挑距： 沖刷坑深度T：，則 水下挑距：總挑距：沖刷坑后坡： 故不會(huì)危及建筑物的安全。第三部分：細(xì)部構(gòu)造1. 壩頂構(gòu)造1.1 非溢流壩壩頂上游設(shè)置防浪墻，與壩體連成整體，其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。墻高為1.0m，厚度為30cm，以滿足運(yùn)用安全的要求。壩頂采用混凝土路面，向兩側(cè)傾斜，坡度為1%，兩邊設(shè)有排水管，匯集路面的雨水，并排入水庫(kù)中。壩頂總寬度為5m

25、，下游側(cè)設(shè)置欄桿，細(xì)部構(gòu)造圖附后。1.2 溢流壩溢流壩的上部設(shè)有閘門、閘墩、門機(jī)、交通橋等機(jī)構(gòu)和設(shè)備。1.2.1閘門的布置工作閘門布置在溢流壩的頂稍微偏向下游一些，以防閘門部分開啟時(shí)水舌脫離壩面而形成負(fù)壓。采用平面鋼閘門，門的尺寸為高×寬=6.5×6m，工作閘門的上游設(shè)有檢修閘門，二門之間的凈距為2m。1.2.2 閘墩閘墩的墩頭形狀為上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程即687.40m；下游布置交通橋，橋面高程為非溢流壩頂高程679.20m。中墩的厚度2.0m，邊墩厚度1.5m，溢流壩的分縫設(shè)在閘孔中間，故沒(méi)有縫墩。工作閘門槽深0.5

26、m，寬0.6m，檢修閘門槽深0.3m，寬0.4m。1.2.3 導(dǎo)水墻邊墩向下游延伸成導(dǎo)水墻，其長(zhǎng)度延伸到挑流鼻坎的末端。邊墩的高度應(yīng)高出摻氣后水深0.51.5m，平直段摻氣后水深估算公式為： hb=h（1+v/100）h、hb摻氣前、后的水深，m；v摻氣前計(jì)算斷面的平均流速，m/s；修正系數(shù)，一般為1.01.4m/s，v20m/s時(shí)，取較大值。2.壩體分縫與止水2.1 橫縫垂直于壩軸線布置，縫距為15m（縫距在1020米范圍內(nèi)），縫寬2cm，內(nèi)有止水。2.2 止水壩體設(shè)有兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片采用1.0mm厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面1.0m。兩道止水片間距為1m，中間設(shè)有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。2.3 縱縫縱縫為臨時(shí)性縫，縫內(nèi)設(shè)有鍵槽，待混凝土充分冷卻后，水庫(kù)蓄水前進(jìn)行灌漿。縱縫與壩面正交，縫距為10m（縫距在1020米范圍內(nèi)）。3.廊道系統(tǒng)3.1 基礎(chǔ)廊道位置：廊道底部距壩基面3m，廊道底部高程為660m，廊道底部上游側(cè)距上游壩面的水平距離為5.5m；形狀：城門洞形，底寬2.5m，高2.5