(精华)重力坝毕业设计模板

设计内容

一、 确定工程等级

由校核洪水位446.31m 查水库水位———容积曲线读出库容为1.58亿3

m ，属于大（2）型，永久性水工建筑物中的主要建筑物为Ⅱ级，次要建筑物和临时建筑物为3级。

一、 确定坝顶高程

(1)超高值Δh 的计算

Δh = h1% + hz + hc

Δh —防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m ； H1% —累计频率为1%时的波浪高度，m ；

hz —波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m ； hc —安全加高，按表3－1 采

内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于0V ＜20m/s 及 D ＜20km ） 下面按官厅公式计算h1% ， hz 。

113

120

22000.0076gh

gD v v v -??= ??? 11 3.75

2.150

220

00.331m

gL gD v v v -??= ???

2

2l z h H

h cth

L

L

ππ=

式中：D ——吹程，km ，按回水长度计。

m L ——波长，m

z h ——壅高，m

V0 ——计算风速

h ——当

20

20250gD

v =时，为累积频率5%的波高h5%。当

20

2501000gD

v =时， 为累积频率10%的波高h10%。

规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P （%）的波高hp 与平均波高的关系可按表B.6.3-1 进行换

超高值Δh 的计算的基本数据

正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50 年的最大风速，本次设计027/v m s =；校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计018/v m s =。 a.设计洪水位时Δh 计算：

18902.57

60.62311.80

m S H m B =

==设设 波浪三要素计算如下： 波高：

2

1

13

12

2

9.819.81524.190.0076272727

h -??

??=? ???

h=0.82m 波长：

1

1

3.75

2.15

2

2

9.819.81524.190.331272727m

L -????=? ???

m 壅高：2

2

0.823.140.378.95

z m

h h L π=

=?≈

2209.81524.19

7.0527

gD v ?=≈，故按累计频率为005计算 0.82

060.62

m m h H =≈，由表B.6.3-1查表换算 故000

151.24 1.240.82 1.02h h m =?=?≈

0.4c h m =

1%z c h h h h ?=++ 1.020.370.4

1.89m

=++=

b.校核洪水位时Δh 计算：

19277.25

61.31314.44

m S H m B =

==设设 波高：

2

113

12

2

9.819.81965.340.0076181818

h -??

??=? ???

h=0.27m

波长：

1

1

3.75

2.15

229.819.81965.340.331181818m

L -????=? ?

??

m L =7.03m

壅高：2

2

0.613.140.257.03

z m

h h L π=

=?≈

2209.81965.34

29.2318

gD v ?=≈，故按频率为005计算 0.61

063.31

m m h H =≈,由由表B.6.3-1查表换算 故000

151.24 1.240.270.34h h m =?=?≈

c 1%z c h h h h ?=++ 0.340.250.3

0.89m

=++=

(2)、坝顶高程：

a.设计洪水位的坝顶高程：

h ?=+?设设设计洪水位 445 1.89446.89m

=+=

b.校核洪水位的坝顶高程：

h ?=+?校校校核洪水位

446.310.89

447.20m

=+=

为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为447.2m

三、非溢流坝实用剖面的设计和静力校核(1) 非溢流坝实用剖

面的拟定

拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，本次设计采用上游坝面铅直，下下游面倾斜的形式，坡度为1:0.75，折点设在高程为446.31m

将坝底修建在弱风化基岩上，开挖高程325m ?=开

a.坝高为：447.72-328=119.72m 取120m

b.坝顶宽度：坝顶宽度取坝高的0010即为12m

c.坝底宽度：

()1

B

0.75

?-?=

开校

()B 0.75=??-?开校

0.75.390.9825m

=?=（4461-325）

d.基础灌浆廊道尺寸拟定：

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.5～3m ，高为3～4m ，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m ，形状采用城门洞型。 e.廊道的位置：

廊道的上游避距离上游面10.5m 廊道底部距离坝底面6m 初步拟定坝体形状剖面如图：

(2) 确定正常和非正常情况下的荷载组合及荷载计算；

91,B m =112B m =21911279,B B B m ==-=-=

1.自重：3

24/C KN m γ=, 3

10/KN m γ= 坝身自重：

C

W V γ=

1121202434560W KN =??=

22311

79105.332499852.8222

c W B H KN γ=???=???=

下游水自重：

a. 设计洪水位时：320.750.7531.4923.62B H ==?=

P S

P S

33211

23.6231.49103718.9722

W B H KN γ=???=???=

123W W W W =++

3456099852.843718.97=++ 137591.81KN =

b.校核洪水位时：320.750.7534.2825.71B H ==?=

33211

25.7134.28104400.6722

W B H KN γ=???=???=

123W W W W =++

3456099852.844400.67=++ 138813.51KN =

2.静水压力：

不同情况下上下游水深及水位差

a.设计洪水位时：

22111

101176844522u w P H KN γ==??=

2

22111031.494958.1022

d w P H KN γ==??=

b.校核洪水位时:

22111

10118.3169986.2822u w P H KN γ==??=

2

22111031.495875.5922

d w P H KN γ==??=

3.扬压力：扬压力折减系数0.25α=

a.设计洪水位时：

121031.499128655.9w U H B KN γ==??= 210.251085.514855.1w U HB KN αγ==???=

3211

0.251085.51798444.1122w U HB KN αγ==????=

()()412111

1011731.470.2585.5141282.6522

w U H H H B KN

γα=--=??--??=123428655.9855.184441.111282.6539237.75U U U U U KN =+++=+++=

b.校核洪水位时：

121034.289131194.80w U H B KN γ==??= 210.251084.034840.30w U HB KN αγ==???=

3211

0.251084.09798297.9622w U HB KN αγ==????=

()()412111

10118.3134.280.2584.0341260.4522

w U H H H B KN

γα=--=??--??=123431194.8840.38297.961260.4541593.51U U U U U KN

=+++=+++=

4.泥沙压力： 3

10/sb KN m γ=， 11.99s h m =， 0

30s φ=

2201tan 4522s

s sb s P h φγ?

?

=- ??

?

022********.99tan 4522??=???- ???

239.6=

5.浪压力：

()0014

w m

l z L P h h γ=

+

a.设计洪水位时：()108.95

1.020.3731.14

l P KN ?=

?+= b.校核洪水位时：()107.03

0.340.2510.374

l P KN ?=?+=

(3) 对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算，校核其安全性；

重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。 1.单一安全系数法:

()'''s

f W U c A K P

∑-+=∑

's K ——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数

f ′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,'

1.1f =

c ′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa ，'

3

1.110c kpa =?

A ——坝基接触面截面积，2

m

ΣW ——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN ； ΣP ——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN ；

按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数'

s K 值应不小于下表的规定。

故s K =3.0

设计洪水位时：()3' 1.1134784.7439237.75 1.11091

3.2331.1684454958.1

s

K ?-+??=

=+- 's s K K >，满足要求

校核洪水位时：()3' 1.1138813.5141593.75 1.11091

3.2610.3769986.285875.59

s

K ?-+??=

=+- 's s K K >，满足要求

2.分项系数极限状态设计法： 承载能力极限状态设计式：

()()01

d

S R γψγ≤

抗滑稳定极限状态作用效应函数为：

()S P =∑

ΣP,坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和 抗滑稳定极限状态抗力函数：

()''R f W c A =∑+

ΣW 为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。

'

f 和'

c 的分项系数由附表5可查：

' 1.3f 分项系数为，' 3.0c 分项系数为

a.设计洪水位时：

作用效应函数：(

)u l d S P P P P =∑=++

6844531.14958.1=+- 63518KN =

坝基面抗剪断系数设计值：' 1.1

0.793

f =

= 坝基面抗剪断黏聚力设计值：3

'

1.110366.673

c KPa ?=

= 抗滑稳定抗力函数：()''R f W c A =∑+

()0.79134784.7439237.75366.6791=?-+?

108849.09KN =

验算抗滑稳定性：

查附表4知：持久状况（基本组合）设计状况系数 1.0ψ=；结构重要性参数0 1.0γ=，本组

合结构系数 1.2d γ=。根据式

()()01

d

S R γψγ≤

()0116351863518S KN γψ=??==

()1

1

108849.0990707.58 1.2

d

R KN γ=

?= 6351890707.58<

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

b.校核洪水位时：

作用效应函数： (

)u l d S P P P P =∑=++

69986.2810.375875.59=+- 64121.06KN =

坝基面抗剪断系数设计值：' 1.1

0.793

f =

=

坝基面抗剪断黏聚力设计值：3

'

1.110366.673

c KPa ?=

= 抗滑稳定抗力函数：()''R f W c A =∑+

()0.79138813.5141593.51366.6791=?-+?

110170.77KN =

验算抗滑稳定性：

持久状况（基本组合）设计状况系数 1.0ψ=；结构重要性参数0 1.0γ=，本组合结构系数

1.2d γ=。根据式

()()01d

S R γψγ≤

()010.8564121.0654502.9S KN γψ=??==

()1

1

110170.7791808.98 1.2

d

R KN γ=

?= 54502.989201.98<

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

(4) 对非溢流坝的几个代表性水平截面(坝底及变截面处)的边缘应

力以及底部截面的内部应力计算，校核其强度。

1.用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力10.05MPa a.设计洪水位：

采用单一安全系数法：

2

6u

y W M

B B σ∑∑=

+ 2

6d

y W M B B σ∑∑=-

ΣW —作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN ；

ΣM —作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，

kN ·m ；

B —计算截面的长度，m 。

3456039.699852.847.173718.9737.63

M ∑=?+?-?855.139.58444.117.171282.6541.56844539-?-?-?-?

4958.110.5239.6431.139+?-?-? 830351.65KN m =-

2

6u

y W M B B σ∑∑=+

2

137591.8139237.756(830351.65)

9191-?-=+

479.180KPa =>

坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。

2

6d y W M

B B σ∑∑=

-

2

137591.8139237.756(830351.65)

9191-?-=-

1682.4410050KPa KPa =<

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。 坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：

21(1)d d y

m σσ=+ 2(10.75)1682.44=+?

2628.8110050KPa KPa =<

小于混凝土的容许压应力，满足要求。

b.校核洪水位：

坝趾抗压强度承载能力极限状态：

坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为 ：

(

)()22

61W M S m B

B ∑∑??=-+ ??? 坝趾抗压强度极限状态抗力函数为：

()a R R =

式中：Ra 为混凝土抗压强度

偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求 3456039.599852.847.174400.6736.93840.339.5M ∑=?+?-?-? 8297.967.171260.4541.569986.2839.44-?-?-? 5875.5911.43239.6410.3739.44+?-?-?

2

6d y W M

B B σ∑∑=

-

2

138813.5141593.516(920917.06)

9191

-?-=- 1735.610700KPa KPa =<

计算作用效应函数：

(

)()2

2

61W M S m B

B ∑∑??=-+

??? ()2

2

138813.5141593.516(920917.06)10.759191-?-??=-?+ ???

2711.88KPa =

验算抗压强度：

查附表4知：偶然状况（特殊组合）设计状况系数0.85ψ=；结构重要性参数0 1.0γ=；抗压基本组合结构系数 1.8d γ=。根据式

()()01

d

S R γψγ≤

()010.852711.882305.1S KPa γψ=??=

()1

10050

5883.331.8

d

R KPa

γ=

= 5883.332305.1<

满足强度要求。

2..对给定的作用组合情况用抗剪强度指标进行坝基面抗滑稳定极限状态验算，对验算结果进行评价。

基本公式:

上、下游坝面垂直正应力：26u

y W M

B B σ∑∑=+

2

6d y W M

B B

σ∑∑=

- 上、下游面剪应力:

()()1

'

2

u u

u s u y d

d d y

u

P P P m P P m τστσ=+--=-+

上、下游面水平正应力

()()()()2

1'

'

22

u u u u x s u s u y d d d d x

u

y

u

P P P P P P m P P P P m

σσσσ=+-++--=-+-+

上、下游面主应力

()()

2211121u u

u y s u u u s u

m m P P P P P P σσσ=+-+-=+-

()()

2

2'122'

2

1d d d y u d d u

m m P P P P

σσσ=+--=-

ΣW —作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN ；

ΣM —作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN ·m ； B —计算截面的长度，m 。

1m ——上游坝坡； 2m ——下游坝坡；

s P ——为泥沙压强（'1

2

s s s P h P =

，'s P 为泥沙压力）

， 故'22239.639.9711.99

s s s P P KPa h ?===

P 、'P ——计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应

计入在内）；

u u P 、d u P ——计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度；

a.设计洪水位时：

上、下游坝面垂直正应力

上游面垂直正应力:26u

y W M

B B σ∑∑=

+

479.18KPa =

下游面垂直正应力:26d

y W M

B B σ∑∑=

-

1682.44KPa =

上、下游面剪应力:

上游面剪应力：(

)

1u u

u s u y P P P m τσ=+--

()1171039.9711710497.180=?+-?-?

0KPa =

下游面剪应力：()'2d d d y

u P P m τσ

=

-+

()1682.4431.491031.49100.75=-?+??

1261.83KPa =

上、下游面水平正应力

上游面水平正应力：(

)(

)

2

1u

u

u u

x s u s u y P P P P P P m σσ=+-++--

()()1171039.97117101171039.9711710497.180

=?+-?-?+-?-?39.97KPa =

下游面水平正应力：(

)()''22

d

d

d

d x u

y

u P P P P m σσ

=-+-+ ()()2

31.491031.49101682.4431.491031.49100.75=?-?+-?+??946.37KPa =

上、下游面主应力

上游面主应力：(

)()2

211

11u

u

u y

s u m m P P P σσ

=+-+-

()()2210497.1801171039.9711710=+?-??+-?

497.18KPa =

2u u s u P P P σ=+-

1171039.9711710=?+-? 39.97KPa =

下游面主应力：(

)()2

2'12

21d

d d y

u m m P P σσ

=+--

()()2210.751682.440.7531.491031.4910=+?-??-?

2628.81KPa =

'2d

d u P P σ=-

31.491031.4910=?-? 0KPa =

b.校核洪水位时：

上、下游坝面垂直正应力

上游面垂直正应力:26u

y W M

B B σ∑∑=

+

401.1KPa =

下游面垂直正应力:26d

y W M

B B σ∑∑=

-

1735.6KPa =

上、下游面剪应力:

上游面剪应力：(

)

1u u

u s u y P P P m τσ=+--

()118.311039.97118.3110401.10=?+-?-?

0KPa =

下游面剪应力：()'2d d d y

u P P m τσ

=

-+

()1735.634.281034.28100.75=-?+??

1301.7KPa =

上、下游面水平正应力

上游面水平正应力：(

)(

)

2

1u

u

u u

x s u s u y P P P P P P m σσ=+-++--

()()118.311039.97118.3110118.311039.97118.3110497.180

=?+-?-?+-?-?

39.97KPa =

下游面水平正应力：(

)()''22

d

d

d

d x u

y

u P P P P m σσ

=-+-+ ()()234.281034.28101735.634.281034.28100.75=?-?+-?+??976.28KPa =

上、下游面主应力

上游面主应力：(

)()2

211

11u

u

u y

s u m m P P P σσ

=+-+-

()()2210401.10118.311039.97118.3110=+?-??+-?

401.1KPa =

2u u s u P P P σ=+-

118.311039.97118.3110=?+-? 39.97KPa =

下游面主应力：(

)()2

2'12

21d

d d y

u m m P P σσ

=+--

()()2210.751735.60.7534.281034.2810=+?-??-?

2711.88KPa =

'2d

d u P P σ=-

34.281034.2810=?-? 0KPa =

应力计算结果

表中数据单位都是。

由上表应力都小于10.05Mpa，所以满足要求。

四、溢流坝剖面的拟定和消能设计

(1).泄水方式的选择

溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。故本设计采用开敞溢流式孔口形式，堰顶不设闸门，故堰顶高程与正常蓄水位齐平。

(2).溢流坝剖面拟定

溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求：

a.有较高的流量系数，泄流能力大；

b.水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；

c.体形简单，造价低，便于施工。

本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面铅直，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。

定型设计水头的确定：

堰顶最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=446.31-443=3.31m

定型设计水头Hd 为Hd=（75%～95%）Hmax，取Hd=3m，由Hd/Hmax=3/3.31=0.91。

1.坝顶曲线段

溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克—奥曲线和

WES 曲线。本工程选用WES 曲线。

首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES 型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。该设计上游段曲线采用三圆弧型曲线。堰顶O 点上游三圆弧的半径及其坐标值为：

R1=0.5H d=1.5； x1=-0.175H d=-0.525

R2=0.2H d=0.6； x2=-0.276H d=-0.828

R3=0.04H d=0.12；x3=-0.282H d=-846

开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES 幂曲线,可按下式计算：

1n n d x kH y -=

式中：d H —堰面曲线定型设计水头, m ，可根据容许负压的大小按堰

顶最大作用水头max H 的75%～95%计算。 x 、y —原点下游堰面曲线横、纵坐标；

n —与上游堰坡有关的指数,见下表；

k —当P 1 /H d ＞1.0时,k 值见下表,当P 1/H d ≤1.0时,取k ＝

2.0～2.2，1P 为上游相对堰高。

堰面曲线参数

上游面为铅直面由上表可查的n=1.85，k=2.0，故原点下游堰面曲线方程为:

1.85(1.851)

2.0d x H y -=

按上式计算的坐标值入下表所示： 计算WES 下游曲面坐标值表

2.中间直线段

中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取1：0.75

3.反弧段

a.溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。本次设计选用挑流消能。

对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径：

R=(4～10)h

式中： h—为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m；反弧段流速v＜16m/s 时，

可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值，以致取上限。

h=

上式为迭代公式，迭代初值取h=0。

q---单宽流量，本次设计取353/

m s

E-----上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游

水位齐平。

E=446.31-362.28=84.03m ，?=0.9

初始令0

h=

01.095

h==

11.102

h==故 1.102

h=取 1.1

h=

又因

35

31.82

1.1

q

v m s

h

===＞16m s

弗劳德数：9.69

Fr===