重力坝设计使用说明

重力坝设计说明书

《水工建筑物》课程设计

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基本资料 一、基本情况

本重力坝水库坝高53.9m，坝底高程31.0m，坝顶高程84.9m，坝基为微、弱风化的花岗岩层，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。水库死水位51.0m，死库容0.3亿m3，正常水位80.0m，设计状况时上游水位82.5m、下游水位45.5m，校核状况上游戏水位84.72m、下游水位46.45m。 二、气候特征

1、根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s，重现期50年最大风速23m/s，设计洪水位时2.6km，校核洪水位时3.0km；

2、最大冻土层深度为125m；

3、河流结冰期平均为150天左右，最大冰层1.05m。 三、工程地质条件

1、坝址地形地质

（1）、左岸：覆盖层2-3m，全风化带厚3-5，强风化加弱风

化带厚3m，微风化层厚4m；

（2）、河床：岩面较平整，冲积沙砾层厚约0-1.5m，弱风化

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层厚1m左右，微风化层厚3-6m；坝址处河床岩面高程约在38m左右，整理个河床皆为微、弱风化的花岗岩层，致密坚硬，强度高，抗冲能力强；

（3）、右岸：覆盖层3-5m，全风化带厚5-7，强风化加弱风

化带厚1-3m，弱风化带厚1-3m，微风化层厚1-4m。

2、天然建筑材料：粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2-3km均可开采，储量足。粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足砼重力坝要求。

大坝设计

一、工程等级

本水库死库容0.3亿m3，最大库容未知，估算约为5亿m3左右。根据现行《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003），按水库总库容确定本工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型水库。枢纽主要建筑物挡水、泄水、引水系统进水口建筑物为2级建筑物，施工导流建筑物为3级建筑物。 二、坝型确定

坝型选择与地形、地质、建筑材料和施工条件等因素有关。本枢纽坝址区为较坚硬的砂岩，当地石料丰富，确定本水库大坝为浆砌块石重力坝。 三、基本剖面的拟定

重力坝承受的主要荷载是水压和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。由于作用于上游面的水压力呈三角形分

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部，所以重力坝的基本剖面是三角形，根据提供的资料，确定坝底宽度为43.29m（约为坝高的0.8倍），下游边坡m=0.8，上游面为铅直。 四、坝高计算

按《重力坝设计规范》中有关规定，本水库坝顶高程＝波浪高+浪高中心线高出静水位高度+安全超高 （1）最大波浪在坝坡上的爬高R计算： ① 风浪要素的计算

A、风速ω：本水库多年平均最大风速14.0m/s，重现期最大风速23.0m/s ：

B、风区吹程长度D：风作用于水域的长度； D设计=2600m，D校核=3000m。

② 风浪爬高计算：采用莆田试验站公式计算风浪各要素及波浪爬高，计算得：h设计=2.05m，h校核=1.11m。

（2）浪高中心线高出静水位高度：h设计0=0.62m，h校核0=0.33m （3）安全加高值 ：A设计=0.5m，A校核=0.4m。

（4）坝体安全超高成果：设计坝顶高程=82.5+2.05+0.62+0.5=85.67m，校核坝顶高程=84.72+1.11+0.33+0.4=86.56m；

水库坝顶高程为84.9m，需设防浪墙高1.7m，即：防浪墙顶高程为86 .6m。

四、挡水坝段剖面的设计 1、坝顶高度确定

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根据资料提供，确定坝顶高程为84.90米。 2、坝顶宽度

坝顶宽度B=0.1H=0.1*(84.9-31)=5.39m

为适应施工和运用检修的需要，并考虑坝体各部分尺寸协调，坝顶宽度取坝高的10%左右，即5.5米。

结构计算

一、荷载及其组合 1、计算情况确定

荷载组合分二种

（1）、基本组合为设计洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力；

（2）、特珠组合为校核洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

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设计洪水情况荷载计算表

荷载计算 荷载 垂直力（KN） 水平力（KN） 力臂力矩（kN.m） （m） 方向 自重 G1 ↑ ↓ → - ← + 40.54 ↙ + ↘ - 6818 276416 G2 20530 25.21 517473 GW 水压力 P1 419.8 13261 1.93 17.2 810.2 227651 P2 扬压力 PL1 6277 1051 4.8 21.6 5081 135867 PL2 PL3 PL4 浪压力 U1 438 2183 658 9557 7.8 109 1051 41.3 26.2 42.0 51.3 2．3 799780 18115 57263 27605 398 253 467151 泥沙压力 Pn 合计 27768 13378

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校核洪水情况荷载计算表

荷载计算 荷载 垂直力（KN） 水平力（KN） 力臂力矩（kN.m） （m） 方向 自重 G1 ↑ ↓ → - ← + 40.54 ↙ + ↘ - 6818 276416 G2 20530 25.21 517473 GW 水压力 P1 477 14429 2.06 17.9 983.5 258379 P2 1194 5.2 6146.6 扬压力 PL1 6688 21.6 144802 PL2 PL3 PL4

454 2259 680 41.3 26.2 42.0 18743 59243 28550 _

浪压力 U1 8 109 1194 53.7 2．3 801019 417 253 510388 泥沙压力 Pn 合计 10081 27826 14546

二、挡水坝抗滑稳定分析计算

1、抗滑稳定计算 （一） 荷载计算 1．荷载组合： （1）基本荷载组合： ① 坝体自重

② 设计洪水位坝体上游静水压力 ③ 设计洪水位扬压力 ④ 设计洪水位泥沙压力 （2）特殊荷载组合： ①坝体自重

②校核洪水位上下游静水压力 ③校核洪水位扬压力 ④校核洪水位泥沙压力 2、抗滑稳定验算 1． 按抗剪断公式计算 （Σf1W+C1A） K1= ΣP K1——抗剪断计算的抗滑稳定安全系数

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f1——滑动面上的抗剪断摩擦系数

C——滑动面上的抗剪断凝聚力 A——滑动面截面积

ΣP ——计算截面上的所有切向力 ΣW——作用于计算截面上的所有法向力 2．参数确定

按地质资料砼和微风化岩石的抗剪断系数为 C1=700Kpa f1=1.0

3.抗滑稳定计算见附表5

抗滑稳定按抗剪断公式计算抗滑稳定安全系数，计算过程见下表，

-抗滑稳定计算

项目 ∑W f' A C' 7018310 1.0 43.29 0 7018758 1.0 43.29 0 12308.3 3.99 3.0 满足要求 13334.0 3.65 2.5 满足要求 ∑P K' 〔K〕 结论 校核水位 设计洪水位

计算结果见下表。 稳定计算表

类型 非溢流坝 荷载组合 基本组合 特殊组合

计算安全系数K 允许安全系数（K） 3.65 3.99 3.0 2.5 _

满足规范要求。

4.抗滑稳定按承载力极限状态验算稳定安全系数，计算结果见下表，基本公式：γ0.φ.S(.)≤R(.)/γd

抗滑稳定验算 项目 γ0 φ f'R ∑WR 1774校核水位 1 0.85 0.77 5 1821正常水位 1 1 0.77 1 233.3 43.29 13378 13378 20091 233.3 43.29 13352 11349 19792 C'R A S(。） γφS(。) R(。）/γd

稳定验算表

类型 非溢流坝 荷载组合 基本组合 特殊组合 计算值γ0φS(.) 11349 13378 允许值R(.)/γd 19792 20091 满足规范要求。

三、挡水坝边缘应力分析与强度计算 3、应力分析

根据《砌石坝设计规范》SL25-91，实体重力坝应力计算以材料力学为基本分析方法，计算各种荷载组合下坝体垂直正应力和坝体主应力。荷载组合分基本组合与特殊组合二种。

（1）基本组合（设计洪水位）应力计算

1．边缘应力计算 （1） 坝基面Óy下计算 不计扬压力时：

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ΣW 6ΣM 27768 6×571477

Óy下= - = + =2471Kpa

T T2 43.29 43.292

计入扬压力：

ΣW 6ΣW 18758 6×332628 T T2 43.29 43.292

Óy下= - = + =1498Kpa

（1）特殊组合（校核洪水位）应力计算

1．边缘应力计算 （2） 坝基面Óy下计算 不计扬压力时：

ΣW 6ΣM 27826 6×541969

Óy下= - = + =2378Kpa

T T2 43.29 43.292

计入扬压力：

ΣW 6ΣW 18310 6×290631 T T2 43.29 43.292

抗拉强度验算

∑W/T+ 项目 校核不计扬压力 T ∑W ∑M 6∑M/T2 2378 比较 ＞ 结论 Óy下= - = + =1353Kpa

43.29 27826 541969 0 满足要求

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洪 水位 设计洪 水位 计入扬压力 43.29 18758 332628 1498 ＞ 0 满足要求 计入扬压力 不计扬压力 43.29 18310 290631 43.29 27768 571477 1353 2471 ＞ ＞ 0 满足要求 0 满足要求

(2)坝体边缘的主应力Ó上、Ó下计算

上游边缘按不计扬压力的情况计算，按下式计算

Ó上=Óy上（1+n2）-P上n2 Ó上——坝体上游边缘的主应力 Ó下——坝体上游边缘垂直正应力 n——坝体上游边坡

P上——上游坝面水压力强度（包括泥沙压力）

下游边缘按以下两种情况校核 不计扬压力时

Ó下=Óy下×(1+m2)-P下m2 3．坝内应力计算

将扬压力作为水平截面上的荷载进行计算。原点在下游面，取X=0，10，20，30，40，43.29，各点计算。 （1） 水平截面上的垂直正应力Óy Óy=a+bx a=Óy下=1042.5

Óy上-Óy下 156.8-1042.5

b= = = -18.986

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T 43.29

(2) 水平正应力Óx＝a2+b2x Óx上＝P上-( P上-Óy上)n2 Óx下＝P下+(Óy下- P下)m2

(3)剪应力τ=a1+b1x+c1x2 计算τ上，τ上 τ上=(p上-6y上)n τ下=y下- p下)m 计算a,b,c, a=τ下=729.75

b=c=

3p2下2下TT3T22P上下T

(4)主应力

各点的主应力及其方向，按以下两式计算

126X6Y66YX222

1arctg6X61arctg2y1上两式中61，62——第一第二主应力 6X,6Y—垂直水平正应力 ——剪应力

1——第一主应力与水平夹角

11YXYX2222设A= B= C=B

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1则AC2

抗压强度验算

1+项目 不计 校核 水位 扬压力 计入 扬压力 不计 设计 水位 扬压力 计入 扬压力

γ0 φ T m2 ∑Wr 2782∑Mr S(。） γφS(。) 比较 R(。）/γd 结论 满足 290631 -471.88 -401 ＜ 11111.1 要求 满足 290631 -853.79 -726 ＜ 11111.1 要求 满足 571477 -1948.7 -1949 ＜ 11111.1 要求 满足 332628 -1056.6 -1057 ＜ 11111.1 要求 1 0.85 43.29 1.64 6 17741 0.85 43.29 1.64 5 27761 1 43.29 1.64 8 18211 1 43.29 1.64 1 细部构造设计

一、材料区分及标号选择

重力坝坝型为C15砼砌块石重力坝，坝基高程31.00米，坝顶高程84.90米，坝高53.90米，坝基垫层和防渗面板采用C20混凝土，要求抗渗标号W8，坝体内采用C15混凝土砌毛石。 二、坝顶

重力坝坝顶迎水侧设钢筋砼防浪墙，背水侧及溢流坝坝顶交通桥上下游均设置安全栏杆，高度1.20m。路面设置双向排水，坡度1/200。

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三、坝体防渗与排水

大坝上游侧设置C20砼防渗面板，厚度1.0m，底部与坝基砼齿墙连成一体。面板设温度钢筋与固定钢筋。

砼防渗面板后设置一排竖向排水管，间距3.0m，内径0.2m；坝中设置一道横向排水管，内径0.3m。

四、坝体廊道系统

为进行帷幕灌浆、设置排水孔、排泄渗透积水、安装观测仪器、检查维修坝体等需要，在坝内设置廊道。廊道离坝面16米以上，在河道段高程为47.00m，水平布置，在左右两岸由平行坝轴线方向沿地形向两岸抬高，廊道为直墙圆拱标准形，宽2.5m，高3.5 m，廊道采用C20钢筋砼衬砌。

地基处理

一、开挖

基底开挖不小于6.0m，开挖面力求平整无尖角，岸坡段开挖平台不小于总宽度的1/3。确定开挖线后，开挖线以上岩石全部挖除。

二、固结灌浆

在坝基面上下游约1/4底宽范围内进行固结灌浆，孔距3m，成梅花状布置，并在上下游坝踵、坝址外各布一排，灌浆孔深5～8m，压力0.2～0.4Mpa。

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三、惟幕灌浆与坝基排水孔

为降低扬压力，大坝内设置防渗排水系统，防渗办法采用帷幕灌浆，即在离坝面8.0米附近钻孔，进行深层高压灌水泥浆，形成一道垂直防渗帷幕，防渗帷幕深度伸入相对不透水层内3~5米，帷幕厚度3.0米左右。

另在防渗帷幕的下游侧设置排水设施，可以有效地降低坝基渗透压力。排水孔布置在廊道内，在防渗帷幕下游2米，孔距3米，孔深为帷幕深度的0.5倍，且不小于10米。