讲解重力坝设计例题

讲解重力坝设计例题

一．基本资料

某高山峡谷地区规划的水利枢纽，拟定坝型为混凝土重力坝，其任务以防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物，试根据提供的资料设计非溢流坝剖面。

1．水电规划成果上游设计洪水位为 m，相应的下游水位为 m；上游校核洪水位 m ，相应的下游水位为 m；正常高水位 m；死水位 m。

2．地质资料河床高程 m，约有1~2 m覆盖层，清基后新鲜岩石表面最低高程为。岩基为石炭岩，节理裂隙少，地质构造良好。抗剪

fc断强度取其分布的分位值为标准值，则摩擦系数ck=，凝聚力ck

=。

3．其它有关资料河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程 m。泥沙浮重度为/ m3 ，内摩擦角φ=18°。

枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15m/s，水库最大风区长度库区地形图上量得D=。

坝体混凝土重度γc =24kN/m3，地震设计烈度为6度。拟采用混凝土强度等级C10，90d龄期，80%保证率，fckd强度标准值为10MPa，坝基岩石允许压应力设计值为4000kPa。

二．设计要求：

拟定坝体剖面尺寸确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。

荷载计算及作用组合该例题只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算，取常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力。列表计算其作用标准值和设计值。

抗滑稳定验算可用极限状态设计法进行可靠度计算。

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坝基面上下游处垂直正应力的计算，以便验算地基的承载能力和混凝土的极限抗压强度。

重力坝剖面设计图三．非溢流坝剖面的设计●资料分析

该水利枢纽位于高山峡谷地区，波浪要素的计算可选用官厅公式。因地震设计烈度为6度，故不计地震影响。大坝以防洪为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别为Ⅱ级，相应结构重要性系数γ0=。坝体上的荷载分两种组合，基本组合取持久状况对应的设计状况系数ψ=，结构系数γ d =；偶然组合取偶然状况对应的设计状况系数ψ=，结构系数γd =。坝趾抗压强度极限状态的设

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计状况系数同前，结构系数γ d =。

可靠度设计要求均采用作用设计值和材料强度设计值。作用标准值乘以作用分项系数后的值为作用设计值；材料强度标准值除以材料性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关作用的分项系数查表2-10得：自重为；静水压力为；渗透压力为；浮托力为；淤沙压力为；浪压力为。混凝土材料的强度分项系数为；因大坝混凝土用90 d龄期，大坝混凝土抗压强度材料分项系数取；热扎Ⅰ级钢筋强度分项系数为；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级为。

fck材料性能分项系数中，对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数为，cck凝聚力为。上游坝踵不出现拉应力极限状态的结构功能极限值为0。

下游坝基不能被压坏而允许的抗压强度功能极限值为4000kPa。实体重力坝渗透压力强度系数为。

●非溢流坝剖面尺寸拟定

1．坝顶高程的确定。坝顶在水库静水位以上的超高△h=hl+hz+hc

对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为 m，校核洪水位时为 m。分设计洪水位和校核洪水位两种情况计算。

设计洪水位情况

D风区长度为，v0计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为30m/s。

①波高

hl112v0g230

=×××=

3

②波长

Lv0g2

=×××= ③波浪中心线至计算水位的高度：

hzhlL2cth2HL2H 因H＞L，cthL2≈1

hzhlL2

△h=++= 坝顶高程=355+= 校核洪水位情况

D风区长度为，v0计算风速在校核洪水位情况取多年平均年最大风速的1倍为15m/s。

①波高

hl112v0g215

=×××≈②波长

4

Lv0g2

= ×××= ③波浪中心线至计算静水位的高度：

hzhlL2

△h=++= 坝顶高程=+=

取上述两种情况坝顶高程中的大值，并取防浪墙高度，防浪墙基座高并外伸，则坝顶高程为

≈最大坝高为 =30m

2．坝顶宽度。因该水利枢纽位于山区峡谷，无交通要求，按构造要求取坝顶宽度5m，同时满足维修时的单车道要求。

3．坝坡的确定。根据工程经验，考虑利用部分水重增加坝体稳定，上

1游坝面采用折坡，起坡点按要求为3~23坝高，该工程拟折坡点高程为

上部铅直，下部为1：的斜坡，下游坝坡取1基本三角形顶点位于坝顶，以上为铅直坝面。

4．坝体防渗排水。根据上述尺寸算得坝体最大宽度为。分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵，排水孔中心线距防渗帷幕中心线。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。

拟定的非溢流坝剖面如图2-23所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定和应力校核，静过几次反

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复，得到满意的结果为止。该例题只要求计算一个过程。

●荷载计算及组合。

以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算。根据作用组合表2-8，设计洪水情况的荷载组合包含：

自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。沿坝轴线取单位长度1m计算。

1．自重将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的影响暂时不计入。

2．静水压力按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压力分别计算其标准值。

3．扬压力扬压力强度在坝踵处为γH1 ，排水孔中心线上为γ，坝趾处为γH2。α为，按图中4块分别计算其扬压力标准值

4．淤沙压力分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为/m3。

1s内摩擦角φs=18°。水平淤沙压力标准值为Psk=2γsbhs2tg。

15．浪压力坝前水深大于2波长采取下式计算浪压力标准值：

1Pwk=4γwLm

荷载作用标准值和设计值成果如下表

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(荷载)作用标准值、设计值计算表

(荷载)作用作用标准值作用设计值力矩标准值力矩设计值(分项系数) 计算公式垂直力水平力垂直力水平力对截面形心的力臂L(m) M M ↓↑→←↓↑→

← + - + - 自重W1 =γ0ψ=1×1× =

11dR=d

1=

1==

于＜，故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。偶然组合与基本组合计算方法类同，该例题省略。深层抗滑稳定分析省略。●坝址抗压强度极限状态计算

坝趾抗压强度极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能均以设计值代入。基本组合时，γ0=1；ψ=，γd=；

(WB6MB2γ0ψS=γ0ψ

)

6 =×

== 对于坝趾岩基：

111d R=d4000=×4000=

于＜，故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满足要求。

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对于坝趾混凝土C10：

111d R=dfckd/γm==

于＜，故基本组合时坝趾混凝土C10抗压强度极限状态满足要求。

偶然组合与基本组合计算方法类同，计算省略，●坝体上下游面拉应力正常使用极限状态计算：

因上下游坝面不出现拉应力属于正常使用极限状态，，故设计状况系数ψ作用分项系数γG、γQ，材料性能分项系数γm均采用，扬压力也采用标准值。规范规定上游坝踵不出现拉应力结构功能的极限值C1=0；当坝上游有倒坡、施工期和完建无水期时下游坝趾允许出现小于的拉应力，结构功能的极限值C2=。下面只对坝踵进行验算。

(WB6MB2γ0S=γ0

)

=×

==＞0

因＞0，故上游坝踵不出现拉应力，满足要求。

根据现有计算成果，所拟剖面在基本组合情况下满足设计要求，抗滑稳定验算差值较大，抗压强度极限值计算比较后，坝基岩石允许抗压设计值较实际垂直压应力大倍，混凝土抗压强度设计极限值较实际垂直压应力大倍，坝坡可调整的再陡一些。

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