水工建筑物重力坝课程设计.docx
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水工建筑物重力坝课程设计
第一章基本资料
1.1工程概况
该河流自西向东汇入东海,干流全长153公里,流域面积4860平方公里。
罢职以上流域面积2761平方公里,流于境内为山区,平均海拔高度662米,最高峰达1921米,流域境内气候湿润,雨量充沛,属热带气候。
径流主要来自降雨,小部分由地下水补给,每年4-9月份为汛期,其中5、6份为梅雨季节,河道坡道上上游陡下游缓,平均坡降6.32-0.97%,因河道陡,蓄水能力低,汇流快,有暴雨产生的洪水迅速涨落,一次洪水过程线尖瘦,属典型的山区性河流。
流于境内,一以农林为主,森林繁茂,植被良好,水土流失不严重枢纽下游为谋省的主要农副业生产基地某平原。
坝址下游约50公里有县级城市两座,在河流入海处有省辖市一座。
水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成,水库主要任务是防洪、发电、灌溉、渔业养殖。
根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用,枢纽定为三等工程,主坝为3级建筑物,其它建筑物按4级建筑物考虑。
1.2水文条件
1.年径流:
根据资料分析,坝址处的多年平均流量100m
/s,多年平均总量为31.5m
/s,年内分配很不均匀,主要集中在汛期4-9月份。
丰水年时占全年80%,枯水年占20%。
2.洪水:
根据统计资料推算1000年一遇的浑水流量为11700m
/s,5000年一遇的洪水14900m
/s。
施工期间各设计洪水频率流量见下表。
频率
时段
10-4月
9-6月
10-3月
11-6月
11-2月
12-2月
备注
5%
2087
1772
1367
1367
884
824
10%
1673
1410
1072
1072
654
596
20%
1275
1045
784
784
434
332
3.固体流量及水库淤积:
根据水文站实测资料分析,年固体径流量为331万吨,百年之后水库淤积高程115m。
淤沙浮容重为8.5kn/m
,内摩擦角10
。
4.其他;本坝址地震烈度为7
1.3气象条件
(1)气温:
坝址处的多年气温为17.3℃,月平均气温5℃(一月份)、最高29℃(七月份)。
实测极端气温-8.2℃(一月份)、最高气温40.6℃(七月份)。
(2)湿度:
年平均相对湿度为79%左右,其中六月份87%为最大,一月份72%最小,日变化较大。
(3)降雨量:
坝址以上流域的年平均降雨量1860毫米,实测最大降雨量为2574毫米,最少降雨量1242毫米。
雨量在年内分配不均,其中4-9月份占全年雨量的80%,5-6月份站全年雨量的1/3,往往形成起伏多峰的洪水。
(4)蒸发量:
坝址处多年平均蒸发量为1349毫米其中以七月份最大,月蒸发量为217毫米,二月份最少,月蒸发量为45.5毫米。
(5)风向风力:
实测最大风速为17米/分,风向西北偏西,吹程4.5公里,多年平均风速成为:
汛期为12米/分,非汛期为13米/分。
风行基本垂直坝轴线,吹程4公里。
1.4工程地质
1、坝址工程地质
(1)地貌:
坝址河床宽度约100米。
河底高程约100米,水深1-3米。
河床覆盖层,厚度为5-10米左右。
河谷近似梯形,两岸约40
-60
。
(2)岩性及工程地质:
坝基为花岗斑岩,分化较浅,岩性均一,新鲜坚硬完整,抗压强度达120-200MPa。
坝址构造简单,无大的地质构造,缓倾角解理延伸短,整体滑动的可能行小。
但陡倾角解理较发育,以构造解理为主,左右岸各有走向互相垂直的二组解理。
解理的倾角约35-90度
(3)岩石的物理力学性质
岩石的物理力学性质表
岩性或地质构造
容重
(KN/m
)
孔
隙
率
(%)
抗压强度
(MPa)
弹性模量
(MPa)
摩擦系数
粘
着
力
(MPa)
泊
松
比
(u)
抗剪系数
抗剪短系数
干
湿
干
饱和
混凝土与基岩
基岩内部
混凝土与基岩
基岩内部
花岗斑岩
27.3
28.1
2.3
210
190
22000
0.70
0.75
0.75
1.20
0.5(基岩与混凝土
0.2
解理面
0.65
0.75
1.0(基岩内)
(4)库区工程地质:
库区岩性以火山岩和沉积岩为主,褶皱规模不大,均为背斜,两翼底层平缓,切不对称。
有较大的断层两条,这些褶皱和断层成北东走向,以压扭性为主,倾角较陡,延伸长度达几十公里,断层单宽一米左右,个别达十米以上。
断层破碎都已胶结。
库区水文地质较简单,一裂隙水为主,地下分别水岭高程均高出库水位以上。
1.5建筑材料
1、石料
坝区大部分为花岗岩,基岩埋省深浅,极易开采,且河床覆盖层中的块石、卵石也可利用由此筑坝石料极易解决。
2、砂料
在坝下游勘探6个砂料场,最远料厂离坝约9公里,以石英带料场为主,估计砂料储量430万方。
经质量检测,砂料符合规范规定。
坝址处缺乏筑坝材料。
1.6库区经济
库区出有小片盆地外,其余多为高山峡谷地带。
耕地主要分布在小片盆地上,高山森林茂密。
在正常蓄水位时,需迁移21444人,拆迁房屋19240间,淹没耕地面积16804亩,淹没森林面积18450亩,淹没县乡建造的两座水电站(装机容量2210KW)共需赔偿费4120万元。
本坝址上游左岸30公里处有铁路干线,车站,另有公路与坝址下游50公里的两座县城相连对外交通较方便。
本电站主要供应坝下游某平原的农村生产生活用电,比担负某电网的调峰任务。
第2章工程总体布置
工程等别及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)》,确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。
该水利枢纽水电站装机容量为20千万时;工程建成后,可增加保灌面积50万亩,可以列为中等,属于Ⅲ等中型工程。
保护某城镇和某平原,属于一般,属于Ⅳ等小
(1)型工程。
根据规范,按各指标中最高等级确定工程等别:
该水利枢纽水库工程等级为Ⅲ等中型工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)》中“水库大坝提级指标”表中的规定,混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m,按提高一级的规定,大坝的建筑物级别提高为1级。
其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级,次要建筑物和临时建筑物为3级,而洪水标准不提高。
第3章非溢流坝坝体设计
3.1剖面拟定
3.1.1剖面设计原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求;
2、力求剖面较小;
3、外形轮廓简单;
4、工程量小,运用方便,便于施工。
3.1.2拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定和强度要求,并使工程量最小的三角形剖面,如图3—1,在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下,根据抗滑稳定和强度要求,可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
根据工程经验,一般情况下,上游坝坡坡率n=0~0.2,常做成铅直或上铅直下部倾向上游;下游坝坡坡率m=0.6~0.8;底宽约为坝高的0.7~0.9倍。
图3-1重力坝的基本剖面图示
3.1.3拟定实用剖面
一、确定坝顶高程
1、超高值Δh的计算
(1)基本公式
坝顶高程应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程,防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh,可由式(3-1)计算。
Δh=h1%+hz+hc(3-1)
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采用,对于Ⅲ级工程,设计情况hc=0.5m,校核情况hc=0.4m。
表3-1坝的安全加高hc
运用情况
坝的级别
123
设计情况(基本情况)
0.7
0.5
0.4
校核情况(特殊情况)
0.5
0.4
0.3
下面按官厅公式计算h1%,hz。
V0为计算风速,m/s,设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。
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17m/s;校核洪水位时,采用多年平均风速13m/s。
D为吹程,km,按回水长度计算:
正常蓄水位时为4.5km,设计洪水位时为4.5km,校核洪水位时为4km。
波高hl,当gD/V02=20~250时,为累计频率5%的波高h5%;当gD/V02=250~1000时,为累计频率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,应乘以1.24;对
应于10%波高,应乘以1.41。
首先计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。
(1)设计洪水位时Δh计算
风速采用50年一遇的风速17m/s,吹程D=4.5km。
波浪三要素计算如下:
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.946m
波长L=10.4(h1)0.8=9.48m
壅高hz=πhl2/L=0.285m
gD/V02=152.595
h1%=1.24h5%=1.17m;hz=0.31m;hc=0.5m
Δh=h1%+hz+hc=1.98m
(2)校核洪水位时Δh计算
风速采用多年平均风速13m/s,D=4km。
波浪三要素计算如下:
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.65m
波长L=10.4(h1)0.8=7.37m
壅高hz=πhl2/L=0.18m
gD/V02=231.95;
h1%=1.41h10%=0.915m;hz=0.02m;hc=0.4m
Δh=h1%+hz+hc=1.3365m
2、坝顶高程计算
坝顶高程按式(3-5)计算,并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh设
坝顶高程=校核洪水位+Δh校(3-5)
根据以上两种水位时Δh计算结果,得出两种状况下坝顶高程。
(1)设计洪水位时的坝顶高程:
▽坝顶=设计洪水位+Δh
=186.64+1.98=188.62m
(2)校核洪水位时的坝顶高程:
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=189.60+1.3365=190.9365m
为保证大坝的安全运行,应该选用其中的较大值▽坝顶=190.94m,且坝顶高程要高于校核洪水位,所以取坝顶高程为▽190.94m。
二、确定坝基高程
河床高程约100m,校核洪水位为189.60m,地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除(由地质剖面图上量得大多在10m以上),所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。
根据规范,坝高超过100m时,可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。
弱风化层厚5.5~6.5m,微风化层厚6~7m,原则上应考虑技术加固处理后,在满足坝的强度和稳定的基础上,减少开挖。
基础中存在的局部工程地质缺陷,例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。
初步定出开挖深度7.5m,通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽82.5m。
因此,最大坝高为108.44m,属于高坝。
三、拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震,特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求,根据规范的规定,坝顶宽度可采用坝高的8%~10%取值,且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。
按坝高的10%计算,即为10.8米,考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等,取坝顶宽为11m,以满足大坝维修作业通行需要。
四、拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2005规定,非溢流坝段的基本断面呈三角形,其顶点宜在坝顶附近。
基本断面上部设坝顶结构。
坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。
实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0~1∶0.2,坝坡采用折面时,折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置,以及下游坝坡优选确定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度,应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。
下游坝坡宜采用1∶0.6~1∶0.8;对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝,可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。
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,为了便于布置进口控制设备,又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定,本次设计采用上游坝面上部铅直,下部倾斜的形式。
该形式为实际工程中经常采用的一种形式,具有比较丰富的工程经验。
上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重,折点设置在淤沙水位以上,由资料可知,百年后水库的淤积高程为115m,由于死水位为164m,折点取在高程为165m的位置。
通过最优方案的比较,上游坝坡取1:
0.1,下游坝坡取1:
0.75。
五、坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7~0.9倍,本工程的坝高为108.44m,通过已经确定的上下游坝坡坡率,最终确定坝底宽度B=87m。
六、基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道,兼作灌浆、排水和检查之用。
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。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求,在坝踵附近距上游坝面0.05~0.1倍作用水头、且不小于4~5m处设置,本次设计取10m,为满足压力灌浆,基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度,取5m。
初步拟定坝体形状剖面如图(3-2)所示。
图3-2非溢流坝段剖面尺寸图
3.2荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有:
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等,常取1m坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合属于设计情况或正常情况,由同时出现的基本荷载组成。
特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算,使之满足规范中规定的要求。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位;特殊组合为校核洪水位和地震情况,它们分别考虑的荷载如表3-2所示。
表3-2荷载组合
荷载
组合
主要考虑情况
荷载
自重
静水
压力
扬压
力
泥沙
压力
浪压
力
地震
荷载
动水
压力
土压
力
基本
组合
(1)正常蓄水位情况
√
√
√
√
√
√
(2)设计洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
特殊
组合
(1)校核洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
(2)地震情况
√
√
√
√
√
√
√
注:
1.应根据各种作用同时发生的实际可能性,选择计算中的最不利的组合;
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。
3.施工期的情况应作必要核算,作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件,如考虑运用时排水设备,易于堵塞,须经常维修时,应考虑排水失效的情况,作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6.表中的“√”表示应考虑的荷载。
下面就各种情况计算相应荷载,计算示意图如下
W12
W2’
H1W2’W13W3
PdH2
b3
U4γH2
γH1U2U3αγH1
U1
图3-3重力坝荷载计算示意图
(1)自重W
坝体自重的计算公式:
W=Vγc(kN)(3-6)
式中V——坝体体积,m3;由于取1m坝长,可以用断面面积代替,通常把它分成如图3-3所示的若干个简单的几何图形分别计算重力;
γc——坝体混凝土的重度(本设计中混凝土的重度为24kN/m3)
四种情况下自重相同。
W11=24×0.5×8.25×82.5=8167.5kN
W12=24×11×108.44=28628.16kN
W13=24×0.5×89.593×67.75=72839.109kN
W1=W11+W12+W13=109634.769kN
(2)静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载,计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。
计算各种情况下的上下游水深:
根据水力学公式
式中:
根据相关规范,C=1,m=0.49,ε1=1,σs=1;
溢流坝宽度10m,B=10m;
H0为堰上水头,堰顶高程与正常蓄水位平齐。
(地震情况按正常蓄水位考虑)
所得结果列表如下:
表3-3不同情况下上下游水深
特征水位
上游水深H1(m)
下游水深H2(m)
上下游水位差H(m)
正常蓄水位
101.75
30.21
71.54
设计洪水位
104.14
31.65
72.49
校核洪水位
107.1
33.0
74.1
计算各种情况下静水压力:
水平水压力PH计算公式为:
(3-8)
式中:
H—计算点处的作用水头,m;
γw—水的重度,常取9.81kN/m3;
垂直水压力PV按水重计算。
a.正常蓄水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=50781.77kN(→)
下游水平水压力:
PH2=Pd=4476.52kN(←)
上游垂直水压力:
PV1=W2’=1557.95kN
PV2=W2”=3338.47kN
下游垂直水压力:
PV3=W3=3356.28kN
b.设计洪水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=53195.4kN(→)
下游水平水压力:
PH2=Pd=4913.4kN(←)
上游垂直水压力:
PV1=W2’=1751.38kN
PV2=W2”=3338.47kN
下游垂直水压力:
PV3=W3=3685.087kN
c.校核洪水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=56262.36kN(→)
下游水平水压力:
PH2=Pd=5341.545kN(←)
上游垂直水压力:
PV1=W2’=1990.94kN
PV2=W2”=3338.47kN
下游垂直水压力:
PV3=W3=4006.16kN
地震情况按正常蓄水位情况考虑。
(3)扬压力U
根据规范,排水处扬压力折减系数:
α=0.25,如图3-3所示,将扬压力分成四部分,U1,U2,U3,U4。
a.正常蓄水位:
U1=1/2×10×(71.54-0.25×71.54)×9.81=2631.78kN
U2=9.81×0.25×71.54×10=1754.52kN
U3=1/2×9.81×0.25×71.54×77=6754.896kN
U4=9.81×30.21×87=25783.33kN
U=U1+U2+U3+U4=36924.496kN
b.设计洪水位:
U1=1/2×10×(72.49-0.25×72.49)×9.81=2666.73kN
U2=9.81×0.25×72.49×10=1777.82kN
U3=1/2×9.81×0.25×72.49×77=6844.596kN
U4=9.81×31.65×87=27012.33kN
U=U1+U2+U3+U4=38301.476kN
c.校核洪水位:
U1=1/2×10×(74.1-0.25×74.1)×9.81=2725.95kN
U2=9.81×0.25×74.1×10=1817.30kN
U3=1/2×9.81×0.25×74.1×77=6996.61kN
U4=9.81×33.0×87=28164.51kN
U=U1+U2+U3+U4=39704.37kN
地震情况按正常蓄水位计算。
(4)泥沙压力Ps
一般计算年限取50~100年,水平泥沙压力Ps为:
式中:
γsb——泥沙的浮容重,kN/m3;
hs——坝前淤沙厚度,m;
Φs——淤沙的内摩擦角,(°)。
黄河流域几座水库泥沙取样试验结果,浮容重为7.8~10.8kN/m3。
淤沙以粉砂和砂粒为主时,φs在26°~30°之间。
结合夕昌水库河流地质情况,本次设计取泥沙浮容重为8.8kN/m3,φs取28°。
水库坝址处多年平均输沙量为4.38万t,按30年,全部淤积计算,总淤积量为4.38×30=131.4万t,约87.6万m3,由Z~V曲线查得泥沙水位2897.5m。
淤沙厚度58m。
故泥沙压力为
Ps=1/2×8.5×32.52×tan2(45°-5°)=3160.696kN
(5)浪压力
1.基本数据
表3-4浪压力计算基本数据表
正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
计算风速V0(m/s)
17
17
13
有效吹程D(m)
4500
4500
4000
重力加速度g(m/s2)
9.8
9.8
9.8
水位高程(m)
184.25
186.64
189.60
坝基高程(m)
82.5
82.5
82.5
安全超高hc(m)
0.5
0.5
0.4
迎水面深度H(m)
101.75
104.14
107.1
2.波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2005,波浪要素按官厅水库公式计算(适用于V0<20m/s及D<20km):
h——当gD/V02=20~250时,为累积频率5%的波高h5%;
当gD/V02=250~1000时,为累积频率10%的波高h10%
Lm——平均波长(m);
波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算:
平均波长按下式计算:
a.正常蓄水位:
Lm=0.331V0-1/2.15(gD/V02)1/3.75×V02/g
=0.331×17-1/2.15(9.8×4500/172)1/3.75×172/9.8=10m
hl=0.0076V0-1/12(gD/V02)1/3×V02/g
=0.0076×17-1/12(9.8×4500/172)1/3×172/9.8=0.945m
h1%=1.24×h5%=1.172m
hz=3.14×1.242/10.44=0.4313m
因H>Lm/2,属于深水波。
b.设计洪水位:
Lm=0.331×17-1/2.15(9.8×4500/172)1/3.75×202/9.8=10m
h1%=1.172m
hz=0.4313m
因H>Lm/2,属于深水波。
c.校核洪水位
Lm=0.331×13/2.15(9.8×40002)1/3.75×13/9.8=7.393m
h1%=0.8067m
hz=0.2764m
因H>Lm/2,属于深水波。
3.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力,如图3-4所示。
图3-4深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
a.正常蓄水位:
Pl=γLm(h1%+hz)/4=39.28kN
b.设计洪水位:
Pl=γLm(h1%+hz)/4=39.28kN
c.校核洪水位:
Pl=γLm(h1%+hz)/4=19.62kN
地震情况按正常蓄水位计算。
(6)地震荷载
工程区地震烈度为7度,设计时考虑水平向地震惯性力代表值
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