混凝土重力坝设计 毕业设计说明书

混凝土重力坝设计毕业设计说明书

混凝土重力坝设计说明书

学生:宋文海

指导老师:张萍

三峡大学水利与环境学院

1. 工程等级、建筑物级别及防洪标准确定

1.1工程等级确定

根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252?2000(表1?1),确定:

根据水库总库容1.042亿m3和供水保证率为95%判定,工程属于Ⅱ等工程,大(2)型规模;

根据电站装机1.5万KW判定,工程属于Ⅳ等工程,小(1)型规模;

根据水库设计灌溉面积24.28万亩,工程属于Ⅲ等工程,中型规模。

综合以上数据,确定水利枢纽工程为Ⅱ等工程,大(2)型规模。

表1-1 水利水电工程分等指标

工程等别工程

规模水库

总库容

) 防洪治涝灌溉供水发电

保护城镇

及工矿企业

的重要性保护农田

亩治涝面积

亩灌溉面积

亩供水对象

重要性装机容量

KW

Ⅰ大(1)型≥10 特别重要≥500 ≥200 ≥150 特别重要≥120

Ⅱ大(2)型10~1.0 重要500~100 200~60 150~50 重要120~30 Ⅲ中型 1.0~0.10 中等100~30 60~15 50~5 中等30~5

Ⅳ小(1)型0.10~0.01 一般30~5 15~3 5~0.5 一般5~1 Ⅴ小(2)型0.01~0.0015 3 0.51

注: ①水库总库容指水库最高水位以下的静库容;

②治涝面积和灌溉面积均指设计面积。

1.2 建筑物级别确定

表 1-2 水工建筑物级别

工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物

级别

主要建筑物次要建筑物

Ⅰ 1 3 4

Ⅱ 2 3 4

Ⅲ 3 4 5

Ⅳ 4 5 5

Ⅴ 5 5

根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252?2000(表1?2),确定:

鲤鱼塘水库水工建筑物级别

工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别

主要建筑物次要建筑物

Ⅱ 2 3 4

1.3 工程洪水标准确定

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252?2000规定: 表1-3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准[重现期(年)]

项目水工建筑物级别

1 2 3 4 5

设计1000~500 500~100 100~50 50~30 30~20

校核土石坝可能最大洪水(PMF)或10000~5000 5000~2000 2000~1000 1000~300 300~200

混凝土坝、浆砌石坝5000~2000 2000~1000 1000~500 500~200

200~100

表1-4临时性水工建筑物洪水标准[重现期(年)

临时性建筑物类型临时性水工建筑物级别

3 4 5

土石结构50~20 20~10 10~5

混凝土、浆砌石结构20~10 10~5 5~3

根据表1?3、表1?4确定,有:

鲤鱼塘水库工程的洪水标准

水工建筑物

类型永久性水工建筑物级别临时性建筑物

重现期(年) 设计500~100 10~5

校核2000~1000

所以,永久性水工建筑物的洪水标准:正常运用情况下为500年一遇(),非常运用情况下为2000年一遇();临时性建筑物的洪水标准:5年一遇()。

2坝线、坝型比选

2.1坝型坝轴线的初步选择

从小黑滩到牛背脊共勘探了4条坝线,它们分别是I线、II线、III线和IV线,综合分析各项工程地质条件,以I、II线为优,结合考虑水工建筑物布置及

工程量等方面的因素,本阶段选择I坝线布置混凝土重力坝方案,II坝线布置混凝土面板堆石坝方案进行比较。

地形地质条件:

本坝址河谷较狭窄,为不对称的“V”型横向河谷,河段较顺直,便于建筑物的布置,两岸山体完整、雄厚,左岸边坡高陡,右岸地形稍缓地形上适宜修建重力坝。

从工程地质条件来看,坝址以砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩为主,岩性相对较弱,两岸弱风化较深,若布置成面板堆石坝,岸边溢洪道开挖量大,堆石填筑量大,施工强度高,且场地狭小,施工道路布置困难,从地形地质条件看,本坝址宜修建混凝土重力坝。

2工程布置: 两个坝型方案布置都比较简单,引水隧洞、厂房与大坝分开布置,坝范围仅考虑挡水和泄洪,大坝下游消能影响区域内无重要设施和居民,故考虑坝体安全,两个方案均采用较简便的挑流消能方式。但混凝土重力坝布置相对较紧凑,管理运行方便。

3 施工条件:

施工材料:坝区内石料的储量丰富,有工程需要的土料,但天然砂砾料较缺乏,水泥、粉煤灰需从外地购入,运距远、单价高。

施工导流:两种坝型方案施工导流标准相同,导流方式均为一次性拦断隧洞导流。面板坝导流洞断面较小,但渡汛防护费用高,后期导流困难,而混凝土导流洞断面虽大,但后期可预留缺口易于解决。导流费用面板坝略大。

弃渣场地:混凝土重力坝方案首部枢纽土石开挖41.04万m3,混凝土面板堆石坝方案首部枢纽土石开挖123.26万m3(含排沙放空洞),其中利用料约27%。

扣除利用料后,面板坝方案弃渣量约为重力坝方案的两倍,鲤鱼塘水库工程坝址附近地形狭窄,只能采取分散多处弃渣的方式解决。因此,面板坝方案弃渣场地布置难度相对较大。

综上所述,两种坝型比较,宜采用I坝线、混凝土重力坝方案。

调洪计算

泄水建筑物尺寸:采用3个泄水孔,每个泄水孔尺寸为单宽为9m

堰型为实用堰

式中 ?通过溢流孔口的下泄流量,;?溢流孔孔口数;

?溢流孔单孔净宽,

?侧收缩系数,?流量系数,

?取;?堰顶水头,m。

3.1调洪计算结果

经过综合分析和比较,确定该水利枢纽工程的泄洪方式采用表孔溢流堰泄洪,表孔选择两孔,尺寸为8×11m孔宽×高,堰顶高程?441(m)。计算过程见计算书。

设计洪水位时:,。

校核洪水位时:,

4、非溢流坝段设计

4.1非溢流坝段剖面设计

4.1.1基本资料

由工程水文资料中的,坝址水位?流量关系曲线查出:

设计洪水位时:,

校核洪水位时:,

4.1.2基本剖面的拟定图 4-1-2 重力坝基本剖面图

设计洪水位450.641m,坝底部高程Z350m。根据工程经验,一般上游坡,下游坡,坝底宽约为坝高的0.7~0.9倍。该工程取,坝底宽度,上游坝坡率,折坡率,下游坡率。

4.1.3实用剖面的确定

(1)坝顶宽度

坝顶需要有一定的宽度,以满足设备布置、运行、交通及设施的需要。非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%~10%,并不小于2m。如作交通要道或有启闭机设施时,应根据实际情况确定。

经过分析选取该水利枢纽工程的坝顶宽度m,实际工程可取9.5m

(2)坝顶高程

坝顶或坝顶上游防浪墙顶高程应超出水库静水面的高度按下式计算:式中 ??为累计频率为5%时的波浪高度(m),可按官厅水库公式计算: h0.0166D(m);

(这里取20.25m/s ,吹程取D0.9km)

??波浪高出静水面的高度(m),按下式

(m)

其中

??取决于坝的级别和计算情况的安全超高,查表4?3。

表4?1 安全超高 (m)

荷载组合(运用情况) 坝的级别1 2 3 4、5

基本组合(正常情况) 0.7 0.5 0.4 0.3

特殊组合(校核情况) 0.5 0.4 0.3 0.2

坝顶高程(或坝顶防浪墙顶高程)按下式计算,并选用其中的较大值。

(

式中,和分别按式(4?1)的要求考虑。对于1、2级的坝,如果按照可能最大洪水校核时,坝顶高程不得低于相应静水位,防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。该工程的防浪墙高度一般取 1.2m,应与坝体在结构上连成整体,墙身应有足够的厚度,以抵挡波浪及漂浮物的冲击。

坝顶高程计算过程见计算书,最终取坝顶高程,并取防浪墙高度 1.2m,则坝顶部高程为: 最大坝高为:454.6-350104.6m。4.2非溢流坝段实体重力坝剖面形态理论分析与工程实践证明,混凝土重力坝上游面可做成折坡,折坡点一般位于1/3~2/3坝高处,以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性;上游坝坡系数常采用n0~0.2,下游坝坡系数常采用m0.6~0.8,坝顶宽度取坝高的9%,故顶宽为9.5m。

4.3荷载分析

作用在重力坝的荷载主要有:坝体自重,上下游坝面上的水压力,扬压力,浪压力,泥沙压力,地震压力及冰压力等。设计重力坝时应根据具体的运用条件确

定各种荷载的数值,并选择不同的荷载组合,用以验算坝体的稳定和强度。具体计算过程见计算书。

4.2.1 荷载的计算

1.坝体自重

坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载,其数值可根据坝的体积和材料容重计算确定

(4?1)

本工程采用常态混凝土筑坝,取容重。

2.坝面上的静水压力

可按水力学原理计算,坝面上任一点静水压强。式中,为水的容重,为该点距水面的深度,将沿坝面积分后,即可求出作用在坝面上的静水压力的合力。当坝面为倾斜时,为计算简便,常将水压力分解为水平水压力和垂直水压力两部分进行计算。式中 ?坝前水深(m)100.6m ?上游坝坡系数;?水容重,取。下游水深H212.76m

3.扬压力

(1)坝基面扬压力

图 4-2-2 有防渗排水时坝底扬压力分布图

对于坝基设有防渗帷幕和排水孔的实体重力坝,扬压力可按图(4?2)计算,在坝踵的扬压力强度为,在排水孔中心线上的扬压力强度为下游坝址扬压力强度为,其间均以直线连接,形成折线形扬压力分布。上式中的为扬压力折减系数,可

根据坝基地质及防渗、排水等具体情况拟定。我国重力坝设计规范建议:河床坝段;岸坡坝段。本工程去。

4.浪压力

由于影响波浪的因素很多,目前主要根据风速和吹程结合水库所在位置的地形,采用已建水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算。对于库缘地势高峻的山区水库,风速风速20m/s,水库吹程1~13km的情况,可按官厅水库公式计算:

上两中,为计算风速,设计情况宜采用洪水期多年平均最大风速的1.5倍;校核情况宜采用洪水期多年平均最大风速。库面吹程系指坝前沿水面至对岸的最大直线距离,可根据水库形状确定,本工程中为已知0.9 Km。

由于空气的阻力比水的阻力小,波峰在静水面以上的高度大于波谷在静水位以下的深度,所以平均波浪中心线高出静水面,其值可按下式计算 (4?6)

本工程属于深水波,浪压力便可按下式

5.泥沙压力

淤积计限可取为50~100年,对于多沙河流应专门研究决定。本工程在设计工况下取50年淤沙高程,校核工况下取100年淤沙高程。

要准确计算泥沙压力是比较困难的,一般可参照经验数据,按土压力公式计算

(4?8)

式中 ?泥沙对上游坝面的总水平压力;?泥沙的浮容重; 1.2g/cm3?泥沙的淤

积高度;30.94m?泥沙的内摩擦角,对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙,可取;对于较细的粘土质泥沙,可取;对于极细的泥沙、粘土和胶质颗粒,可取。这里取

当上游坝面倾斜时,除计算水平向泥沙压力外,尚应计算铅直向泥沙压力,即淤沙重。

6.土压力

坝基开挖后,一般还要进行回填,但由于方量较少,压力小。所以本工程中,不计算土压力。

7.地震荷载

设计烈度在6度以下的可不进行抗震设计,而在9度以上则专门进行专门研究。本工程的地震基本烈度小于6度,所以不进行抗震设计。

8.冰压力

冰压力在较高的重力坝设计荷载中常起控制作用,但冰冻作用会使混凝土表面剥蚀,破坏混凝土的耐久性。

本工程海拔高程较低,不会产生冰冻。所以不考虑冰压力。

4.2.2 荷载组合

作用在坝上的荷载,按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。

荷载组合情况分为两大类:一类是基本组合,指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合,又称设计情况,有基本荷载组成;另一类是特殊组合,指水库处于非常运用情况下的荷载组合,又称校核情况,由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。

该水利枢纽工程采用的荷载组合为:

表4-2-1 荷载组合

荷载组合主要考虑情况荷载

自重静水压力泥沙压力扬压力浪压力冰压力地震荷载动水压力土压力

基本

组合(1)设计洪水位情况 1 2 3 4 5 - - - -

特殊

组合(1)校核洪水位情况 1 2 3 4 5 - - - -

4.3 稳定分析

工程实践和试验研究表明,岩基上混凝土重力坝的失稳破坏可能有两种类型:一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动,包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动;另一种是在荷载作用下,上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾斜破坏。

图 4-3-1 重力坝失稳破坏示意图

(a)沿软弱面深层滑动示意图 b倾倒破坏示意图

在一般情况中只进行抗滑稳定分析。本工程也只进行抗滑稳定分析。

4.3.1沿坝基面的抗滑稳定

1 抗滑稳定计算公式

目前常用的有两种公式。

图 4-3-2 重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图

(a)沿水平坝基面抗滑稳定(b)沿倾斜坝基面抗滑稳定

(1)摩擦公式

此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面,而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力,不计凝聚力。

当滑动面为水平面时,其抗滑稳定安全系数可按下式计算 (4?9)

式中 ??作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和;

??作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和;

??滑动面上的抗剪摩擦系数;

??按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数,按表4-3-1采用。

当滑动面为倾向上游的倾斜面时,计算公式为 (4?10)

式中,为滑动面与水平面的夹角,其他符号同式(4?9)。

由式(4?10)看出,滑动面倾向上游时,对坝体抗滑稳定有利;倾向下游时,角由正变负,滑动力增大,抗滑力减小,对坝的稳定不利。

(2)抗剪断强度公式

此法认为,坝与基岩胶结良好,滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力,并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数和。其抗滑稳定安全系数由下式计算 (4?11)

式中 ?坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数;

?坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力;

?坝体与坝基连接面的面积;

?按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数,按表4-3-1采用。表4-3-1 抗滑稳定安全系数、

安全系数荷载组合坝的级别

1 2 3

基本组合

特殊组合(1)

特殊组合(2) 1.10

1.05

1.00 1.05

1.00

1.00 1.05

1.00

1.00

基本组合

特殊组合(1)

特殊组合(2) 3.0

2.5

2.3

抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用,计入了摩擦力和凝聚力,是比较符合坝的实际工作状态,物理概念也较明确。所以,该水利枢纽工程抗滑稳定计算时采用抗剪断强度公式验算。

2 计算参数的确定

抗剪断摩擦系数,凝聚力和抗剪摩擦系数的确定,一般是根据工程的实际情况,野外现场试验测定来选取。

该水利枢纽工程的,,。

3 计算过程和结果

计算过程见计算书,计算结果如表4-3-2所示

表4-3-2 计算安全系数

安全系数工作状况系数

设计 3.1

校核 2.8

各工况下安全系数均大于表4-3-1中对应工况下的安全系数,因此该工程满足抗滑稳定要求。

4.3.2 沿坝基深层的抗滑稳定分析

由于坝基滑动面、抗裂面的阻滑力受岩石性质、产状等因素的影响,计算结果的精度比坝体与坝基接触面的阻滑力计算还要差。因此坝基抗滑稳定安全系数一般要求大于坝体的抗滑稳定安全系数。

4.3.3 提高抗滑稳定性的工程措施

从上述抗滑稳定分析可以看出,要提高重力坝的稳定性关键在于增加抗滑力。工程上常采用如下一些措施:

①将坝的上游面做成倾斜或折坡形,利用坝面上的水重来增加的抗滑稳定,但倾斜坡度不宜过大,以防止上游坝面出现拉应力。

②将坝基面开挖成倾向上游的斜面,借以增加抗滑力提高稳定性。若基岩较为坚硬,也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面,形成锯齿状,以提高坝基面的抗剪刀能力。

③利用地形、地质特点,在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙,用以增加抗力提高稳定。

④采用有效的防渗排水或抽水措施,降低扬压力。

⑤利用预加应力提高抗滑稳定性。

4.4 应力分析

4.4.1 应力分析方法

该水利枢纽工程采用理论计算中的材料力学法进行分析。用材料力学法计算坝体应力时,一般沿坝轴线切取单宽坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁,按平面问题进行计算。图4-4-1表示非溢流坝横断面的计算简图,并规定坐标方向,作用力及应力的正方向如图所示,即水平外力以指向上游为正,铅直外力以向下为正,力矩以反时针方向为正,正应力以压为正,剪应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限为在正。

4.4.2 应力计算

坝体边缘应力的计算

坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘,而且要计算坝体内部

应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时,应根据工程规模和具体情况,沿坝高方向每隔一定高度(或断面轮廓有突变处)切取水平截面作为计算截面。

图 4-4-1 坝体应力计算图

(1)水平截面上的边缘正应力和

假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布,可用材料力学偏心受压公式计算。

假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布。式中 ?作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和;?作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和;

?计算截面沿上下有方向的宽度。 (2)边缘剪应力和

求出和以后,可在上下游边缘、点分别切取三角形微元体。根据力的平衡条件即可求得:

(4?13)

(4?14)

上两式中、?计算截面处上下游坝面的水压力强度(如有泥沙压力和地震动水压力时也应计算在内);、?上下游坝面坡率,,,、为上下游坝面与铅直面的交角。

(3)铅直面上的边缘正应力和

求得和以后,由上下游坝体微元体的平衡条件可求得和。 (4?15) (4?16)

(4)边缘主应力和

取三角微元体,按力的平衡条件可得

(4?17)

(4?18)

显然另一主应力即为作用字坝面上的压力强度,分别为

(4?19)

(4?20)

当上游坝面倾斜时,由于,即使≥0,但如果<,上游面主应力仍会出现拉应力。因此重力坝上游坡面率一般很小乃至为零,以防止上游坝面出现拉应力。

2.坝体内部应力计算

图 4-4-2 坝内应力分布示意图

(1)坝内垂直正应力根据在水平截面上呈直线分布的假定,可得距下游坝面处的为

(4?29)

式中,系数、可由边界条件和偏心受压公式确定。采用的、见图4-4-2。

当时,

当时,

(2)坝内剪应力

根据呈线性分布,由平衡条件可得出水平截面上剪应力呈二次抛物线分布,即

(4?30)

式中 (4?31)

(3)坝内水平正应力

根据在水平截面呈二次抛物线分布,由平衡条件可近似的取水平正应力呈

二次抛物线分布 (4?32)

(4)坝内主应力、

求得坝内各点的三个应力分量后,利用材料力学公式可得

(4?33)

4.4.3 应力计算过程和强度指标

应力计算过程见计算书,坝体应力控制标准,对不同的计算方法有不同的规定。当采用材料力学方法分析坝体应力时,SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下。

4.4.3.1 重力坝坝基面坝踵、坝址的铅直应力应符合下列要求

1 运用期

在各种荷载组合下(地震荷载除外),坝踵铅直应力不应出现拉应力,坝址铅直应力小于坝基容许压应力。

2 施工期

坝址铅直应力允许有小于0.1 MPa的拉应力。

4.4.3.2 重力坝坝体应力应符合下列要求

1 运用期

(1)坝体上游面的铅直应力不出现拉应力(计扬压力)。

(2)坝体最大主应力,不应大于混凝土的容许压应力。

2 施工期

(1)坝体在任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力。

(2)在坝体下游面,允许有不大于0.2MPa的主拉应力

4.4.4成果分析

边缘应力成果表

设计工况运行期校核工况运行期

铅直正应力бyu 1706.18 1771.83

铅直正应力бyd 266.87 181

剪应力τu -100.835 -111.86

剪应力τ d 99 33.789

第一主应力б1u 1722.36 1788.6

第一主应力б1d 336.26 208.31

第二主应力б2u 987.27 1026.13

第二主应力б2d 125.27 125.27

附:单位kpa

内部应力成果表

1-1截面2-2截面

设计工况运行期校核工况运行期设计工况运行期校核工况运行期

铅直正应力бyu 1706.18 1771.83 198.82 39.66

铅直正应力бyd 266.87 181 952.44 974.68

剪应力τu -100.835 -111.86 41.31 71