重力坝设计Word格式文档下载.docx
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24KN/m³
坝基扬压力折减系数:
α=
坝基排水孔中心线距坝踵处
水库吹程:
坝基部分混凝土标号:
C15
坝址基岩的允许承载力:
基本组合70Mpa
考虑地震100Mpa
坝址下游基岩允许单宽流量:
q=50m³
/
8、坝轴线根据地形和枢纽布置等综合分析而确定,已在地形图中标明。
详
见附图一。
2工程概况
工程分等与建筑物分级
根据规范《水利水电工程等级划分及洪水标准》,确定本枢纽工程规模为Ⅲ等中型工程,其主要建筑物级别为3级,次要建筑物级别为4级,临时建筑物为5级。
坝址选择
该河道河谷为壮年期类型,浅滩深渊交替,河道稳定,断面冲淤极微,河谷断面形状除上游和峡谷地区多呈“V”形外,中下游一带均为浅槽形或梯形,坝址区域多为花岗岩,完整性较好,覆盖层及风化层均较薄。
枢纽布置
本工程是以发电为主的综合利用工程,溢流坝段布置在主河槽处,冲沙孔布置在电站进水口附近。
本枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段及其建筑物组成,电站为引水式电站。
该坝坝基面最低高程为,坝顶高程为,枢纽工程布置图附后(见附图二)。
非溢流坝段:
坝顶宽度为7m,坝顶两侧各设一宽1m的人行道。
坝顶的上游侧设置高宽的钢筋混凝土结构防浪墙,下游设置栏杆。
沿坝轴线方向每隔20m设置一个照明灯。
坝上游面为折线面,起坡点高程为,坡度为1:
,折坡点高程为;
下游面坡度为1:
,折坡点高程为。
溢流坝段:
该坝段全长,共分3孔,每孔净宽,中墩厚,边墩厚;
坝顶宽,分为便桥、工作桥、交通桥三部分。
溢流堰顶高程为;
堰顶安装工作闸门和检修闸门,闸门宽×
高=3×
7。
工作闸门为弧形闸门,采用坝顶工作桥卷扬式启闭机启闭。
工作桥面与非溢流坝顶高程一致。
溢流堰面采用WES曲线,过堰水流采用连续式鼻坎挑流消能,坎顶高程为,反弧半径为20m,挑射角为25o,边墩向下游延伸成导水墙。
3设计计算
溢流坝结构设计
溢流坝前缘宽度计算
由设计洪水流量确定溢流前缘宽度
L—溢流前缘宽度m;
Q—设计洪流量355m³
q—下游基岩允许单宽流量50m³
/;
则
溢流坝孔口宽度及孔数计算
(1)孔口净宽拟定
分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度。
计算成果见下表
表空口宽度计算成果
计算情况
流量Q(m³
/s)
单宽流量q[m³
/()]
孔口净宽B(m)
设计情况
355
50
校核情况
475
根据以上计算,溢流坝孔口净宽取9m,设每孔宽度为3m,则孔数为3。
(2)溢流坝段总长度确定
初步拟定闸墩厚度,中墩厚d=3m,边墩厚t=,则溢流坝段的总长度B0为:
B0=nb+(n-1)d+2t=9+6+5=20m
溢流坝坝顶高程计算
初拟侧收缩系数ε=,流量系数m=,因为过堰水流为自由出流,故σs=1,由堰流公式计算堰上水头H,计算设计洪水位水位减去其相应的堰上水头即为堰顶高程,根据公式
,计算如下:
表堰上水头计算成果
侧收缩系数
ε
流量系数
m
孔口净宽度
(m)
堰上水头H0
则溢流坝顶高程=设计洪水位-设计时堰上水头
=-=。
校核洪水位计算
则校核洪水位=溢流坝顶高程+校核时堰上水头=+=。
溢流面曲线设计
流坝剖面除应满足强度、稳定性和经济条件外,其外形尚须考虑水流运动要求。
通常它也是由基本三角形修改而成,内部与非溢流坝相同。
溢流面由顶部溢流段、中部直线段及挑流鼻坎组成,上游面为直线或折线。
溢流曲线要求:
①有较高的流量系数;
②水流平顺,不产生空蚀。
溢流面采用WES曲线曲线。
本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。
其上游面为折线面,其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致,即取上游的坡率为n=,溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。
(1)顶部曲线段
我国现行规范推荐采用幂曲线,即WES曲线,其曲线方程为:
式中:
n、k——系数,n=,k=;
Hd——定型设计水头,m,(一般为校核水位-堰顶水头的75%-95%)。
在本次设计中,按85%计算。
堰上最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即:
Hmax=-=。
Hd=×
(-)=。
由Hd/Hmax=,查表知堰顶负压值为Hd=×
=小于规定的允许值(3~6m水柱),满足规范要求。
代入WES曲线经计算,WES曲线方程为:
(坐标原点为堰顶,同时确定上游面是铅直的)
表WES曲线方程图
(2)椭圆曲线。
堰面曲线原点上游采用椭圆曲线,其方程为:
因上游面垂直,故取a=,b=a/+3a)=
图中的aHd=
bHd=
所以带入得椭圆曲线方程为
可以通过描绘几个不同的点来确定这个曲线。
详图见溢流坝的剖面图。
(见附图三)
(3)中间直线段
溢流坝的中部为直线段,要求和非溢流坝的基本三角形的下游边相重合,上端和堰顶曲线相切,下端和反弧相切,坡度和非溢流坝保持一致,为1:
其作用是使水流平顺的按要求的消能方式与下游水位衔接。
由于曲线和直线相切,那么切点处WES曲线的导数的值为1/。
对WES求导,
y′=由此求得切点位于,
消能防冲设计
本设计采用挑流消能的消能方式。
挑流消能是利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中,使水流扩散、掺气,然后跌入下游河床的水垫中。
水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量,水流进入水垫后,发生强烈的摩擦、旋滚,冲刷河床形成冲坑,其余大部分能量消耗于冲坑中。
表消能防冲示意图
挑流鼻坎设计主要是选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角及反弧半径。
鼻坎的型式选择连续式。
连续式鼻坎结构简单,施工方便,鼻坎上水流平顺,挑距较远,应用也广泛。
鼻坎挑射角一般取θ=20°
~25°
,本设计采用挑角θ=25°
鼻坎坎顶高程宜高出下游最高水位1~2m,校核洪水位时对应的下游最高水位为米。
堰面流速系数
式中
,
(
为上游水面至挑坎顶部的高差,
=)
Q――校核洪水时溢流坝下泄流量,475m³
B――鼻坎处水面宽度,11m;
,q=m³
/s
所以KE=q/()=2044=
=
鼻坎处水流平均流速υ
υ=
——堰面流速系数,其中
——上游水面至挑坎顶部的高差
υ=/s
反弧半径R
h——校核洪水闸门全开是反弧处的水深
h=Q/(B×
V)=475/(11×
查规范反弧半径R=(4--10)h=~,所以取R为20m。
鼻坎高程为1676+R(1-cos25)=1676+20(1-cos25)=1676+=
高出下游水位米,满足要求。
挑距L
(水舌外缘计算,其估算公式如下)
L——水舌挑距m;
g——重力加速度
——坎顶水面流速,约为鼻坎处平均流速v的倍;
——挑角取25°
——坎顶平均水深h在铅直向的投影;
——坎顶至河床面的高差。
△L=T/(tanβ)
其中:
△L——水舌外缘与河床面交点到冲坑最深点的水平距离;
β——入水角,指水舌外缘与下游水面的夹角。
L'
=L+△L
其中:
L'
——总抛距。
表计算成果表
坎顶水面流速(m/s)
坎顶平均水深(m)
坎顶垂直方向水深(m)
L(m)
入水角(°
)
△L(m)
总抛距L'
冲刷坑深
最大冲坑水垫厚度tk(自水面至坑底)计算公式:
q单宽流量(m²
/s),H上下游水位差(m),k冲刷系数。
冲坑深度T(自河床面至坑底)计算公式:
T=tk-ht
ht下游水深。
表冲坑深度计算成果
上下游水位差(m)
水垫厚度(m)
冲坑深度(m)
冲刷坑深验算冲刷坑后坡是否满足要求
为了保证大坝的安全,挑距应有足够的长度,《混凝土重力坝设计规范》中规定:
“挑流消能的安全挑距,以不影响坝址基岩稳定为原则。
冲坑最低点距坝址的距离应大于倍坑深”。
即规范规定许可的最大后坡为:
iK=1/,当冲刷坑后坡i<
iK时,冲刷坑不会危害坝身的安全。
T/L'
=<,满足规范要求。
溢流坝荷载计算
校核洪水位荷载计算(软件计算)
表荷载计算
荷载
垂直力(KN)
水平力(KN)
对坝底中点的力臂
力矩()
↓
↑
→
←
逆时针+
顺时针-
自重
W
水压力
P1
P2
水重
Q1
Q2
浪压力
PL
泥沙压力
Ps
扬压力
U1
U2
小计
合计
溢流坝稳定分析
上游校核洪水位为,相应下游洪水位为。
根据《重力坝设计规范》要求抗滑安全系数Ks≧。
抗滑稳定系数按公式
(2-1)
计算式中:
∑W—总铅直力;
∑P—总水平力;
∑M—对坝截面形心的总力矩。
设计洪水位时抗滑稳定验算:
由(2-1)式得
=×
=>
溢流坝校核洪水位情况下,地基满足抗滑稳定要求。
溢流坝强度验算
坝基面应力:
Pmax/min—坝基面应力的最大值或最小值(Kpa);
∑G—作用在坝基面的全部竖向荷载(包括坝基面上的扬压力在内,KN);
L—坝基面垂直水流方向的长度;
B—坝基面顺水流方向的长度;
e—偏心矩
经计算:
e=Pmax=<100MPaPmix=<100MPa
Pmax/min=<
综上可知,剖面尺寸满足抗滑稳定和强度要求。
非溢流坝结构设计
非溢流坝坝顶高程计算
波浪要素按官厅水库公式计算:
L—波长m;
D—风区长度km;
H—坝前水深m;
hl—波浪高度m;
hz—波浪中心线高于静水面的高度m;
Vo—计算风速,设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的~倍,此处取,即风速为s;
校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速为s。
坝顶或防浪墙高程=设计洪水位
坝顶或防浪墙高程=校核洪水位
—坝顶高于静水位的超高值
—坝顶安全超高(查非溢流坝坝顶安全超高表)。
坝体按三级建筑物考虑取安全超高分别为:
设计情况,校核情况。
坝顶高程如下表所示:
坝顶高程计算
风速
(m/s)
波浪高度
波浪长度L(m)
风壅水高
安全加高
静水超高
坝顶高程(m)
根据以上计算比较,取坝顶高程为;
防浪墙设计为高,宽的钢筋砼结构。
非溢流坝几何尺寸拟定
非溢流坝高度和坝顶宽度
坝高=坝顶高程-基岩高程=根据交通要求坝顶宽度取为
非溢流坝坝面坡度
根据工程经验,上游坝坡系数常采用n=0~;
下游坝坡系数常采用m=~;
在此坝的设计中,采用上游坝坡系数n=,上游起坡点高度×
1/2=,经过取各值的比较计算,采用下游坝坡系数m=。
非溢流坝底宽
由上下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度为,在(~)坝高=~范围内,坝底宽度满足要求。
表初步拟定非溢流坝剖面简图
非溢流坝应力及抗滑稳定计算
应力计算
坝趾抗压强度验算
荷载组合:
运用期-特殊组合-校核洪水位
(1)各种荷载对计算截面的作用力(电算)
表荷载对截面的作用力
作用力名称
水平力(kN)
竖向力(kN)
弯矩(kN*m)
坝体自重
++000
+004
++004
永久设备
附加荷载
静水压力(上游)
++003
+003
静水压力(下游)
+002
扬压力(浮托力)
扬压力(渗透力)
淤沙压力
++002
+001
++001
土压力(上游)
土压力(下游)
总计
(2)计算截面的几何参数
截面长度=对形心轴的惯性矩=m³
,上游坡度=,下游坡度=。
(3)坝趾混凝土抗压强度检算
坝趾面垂直应力σy=ΣW/A-ΣMx/J
=-*/=
混凝土极限抗压强度Ra=
抗压安全系数K=
混凝土的允许应力[σ]=Ra/K==
σy<
[σ],坝趾混凝土抗压强度满足要求
(4)坝趾基岩抗压强度检算
基岩的允许应力[σ]=
[σ],坝趾基岩抗压强度满足要求
坝踵抗拉验算
(1)各种荷载对计算截面的作用力表(电算)
截面长度=对形心轴的惯性矩=m³
上游坡度=下游坡度=
(3)坝踵混凝土抗拉强度
坝踵垂直应力σy=-(ΣW/A+ΣMx/J)
=-+*/=
混凝土极限抗拉强度Ra=
混凝土的允许应力[σ]=
[σ],坝踵混凝土抗拉强度满足要求。
下游面抗拉验算
坝趾面垂直应力σy=-(ΣW/A-ΣMx/J)
=--*/=
σy<
[σ],坝趾混凝土抗拉强度满足要求。
(4)坝趾基岩抗拉强度检算
[σ],坝趾基岩抗拉强度满足要求。
坝内应力计算
计算说明:
正应力以受压为正
单位说明:
应力单位均为MPa
距离和长度的单位均为m
角度的单位为度
应力云图如下(电算):
表应力云图
坝体抗滑稳定计算
坝体混凝土与坝基接触面的抗滑稳定验算
荷载组合:
各种荷载对截面的作用力(电算)
②计算截面的几何参数
截面长度=上游坡度=下游坡度=
③坝基面抗剪断强度验算
滑动力=
坝体混凝土与坝基接触面抗剪断摩擦系数=
坝体混凝土与坝基接触面抗剪断粘聚力=
抗滑力=*+*1000*=
抗剪断安全系数K'
=
K'
>
,坝基面抗剪断强度满足要求。
④坝基面抗剪强度验算
滑动力=
坝体混凝土与坝基接触面抗剪摩擦系数=
,坝基面抗剪强度满足要求。
细部构造
坝顶构造
坝顶上游设置防浪墙,与坝体连成整体,其结构为钢筋混凝土结构。
防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝,缝内设止水。
墙高为,厚度为50cm,以满足运用安全的要求。
坝顶采用混凝土路面,向两侧倾斜,坡度为2%,两边设有排水管,汇集路面的雨水,并排入水库中。
坝顶公路两侧分别设有宽和1m的人行道,并高出坝顶路面20cm,坝顶总宽度为7m,下游侧设置栏杆及路灯。
坝体结构
横缝
垂直于坝轴线布置,缝距为20m,缝宽2cm,内有止水。
坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。
止水片采用厚的紫铜片,第一道止水片距上游坝面。
两道止水片间距为1m,中间设有直径为20cm的沥青井,止水片的下部深入基岩30cm,并与混凝土紧密嵌固,上部伸到坝顶。
廊道设计
坝基灌浆廊道
位置:
廊道底部距坝基面,廊道底部形状:
城门洞形,底宽2m,高3m。
上游侧(中心点)距上游坝面6m;
部上游侧设排水沟,并在最低处设集水井。
平行高,坡度不大于40o。
坝体排水廊道
坝体排水廊道利用坝基灌浆廊道,左右岸各有一个出口。
坝体防渗与排水
坝体防渗
在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分,采用一层厚2m具有防渗性能的混凝土作为坝体的防渗设施。
坝体排水
据坝的上游面沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。
管内径为20cm,间距为3m,上端通至坝顶,下端通至廊道,垂直布置。
排水管采用无砂混凝土管
坝体混凝土的强度等级
坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、低热、抗裂、硬化时体积变小等性能的要求。
为了合理使用材料,坝体混凝土可按不同部位、不同的工作条件采用不同强度等级,通常可分为下列区域:
Ⅰ区:
上下游最高水位以上坝体外部表层混凝土;
Ⅱ区:
上下游水位变化范围内坝体外部表层混凝土;
Ⅲ区:
上下游最低水位以下坝体外部表层混凝土;
Ⅳ区:
坝体基础混凝土;
Ⅴ区:
坝体内部混凝土;
Ⅵ区:
抗冲刷部位混凝土。
混凝土分区的尺寸:
一般外部(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)混凝土各区厚度最小2~3m,上游面的厚度比下游面大,基础混凝土(Ⅳ区)厚度为(B为坝体底宽),并不小于3m,不同强度等级混凝土之间要有良好的接触带。
坝体分区见图所示。
表坝体分区图
地基处理
坝基的防渗处理
在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕,其中心线距坝基处坝面分别为12m和15m。
防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料,其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。
帷幕的深度取15m,河床部位深,两岸逐渐变浅,灌浆孔直径取80mm,方向竖直,孔距取2m,设置一排。
坝基排水处理
坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游,向下游倾斜,与灌浆帷幕的夹角为10o,孔距取3m,孔径为130mm,孔深为10~15m,沿坝轴线方向设置一排。
4工程总结
工程意义
***水利枢纽工程的主要任务是发电、防洪、灌溉、航
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