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设计参考
5.5重力坝设计
5.5.1坝顶高程确定
依据规范,坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和,分别按以下运用工况计算,取其最大值:
设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高。
校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高。
坝顶超高按下式计算:
△h=2h1+h0+hc式中:
△h―坝顶超高,m
2h1―波浪在坝坡上的爬高,m
h0―最大风雍水面高度,m
hc―安全加高,m
水库设计洪水位608.58m,校核洪水位611.72m,多年平均最大风速28m/s,水库水面最大吹程0.5km。
计算结果见表5-1。
坝顶高程计算成果表
表5-1
计算工况
水库静水 位(m)
计算风速
(m/s)
吹 程
(km)
波浪爬高
2h1(m)
风雍高度
h0(m)
安全加高
hc(m)
计算坝顶高程(m)
设计洪水
608.85
42
0.5
1.41
0.42
0.4
610.81
校核洪水
611.72
28
0.5
0.85
0.26
0.3
613.13
根据计算结果,结合溢流坝泄洪和坝顶交通桥要求,确定坝顶高程为612.10m,防浪墙顶高程613.30m,最大坝高45.6m。
5.5.2重力坝体形设计
1.非溢流坝体形设计
坝体体型的选择主要满足稳定和强度要求,保证大坝安全;工程量小;运用方便;便于施工,根据坝址处的地形、地质条件和工程布置需要,选定非溢流坝基本剖面为:
坝顶宽为10m,上游面:
高程575.00m以上垂直,以下坝坡为1∶0.15,下游坡为1∶0.75。
2.溢流坝体形设计
溢流坝的上游坡一般做成直线和折线,为使重力坝上游面前沿整齐,溢流坝和非溢流坝上游体形保持一致。
溢流坝共布置4个坝段,最高坝段坝基高程557.00m,坝高48m。
(1)堰面曲线设计
下游堰面采用“WES”曲线,曲线方程为
x1.85=2•Hs0.85 •y 式中:
Hs―定型设计水头,按堰顶最大水头的75~95%计,Hs=6.38m。
堰面曲线采用方程为y=0.102x1.85
上游面采用三圆相切曲线连。
(2)反弧半径的确定
根据规范规定,挑流鼻坎坎顶应高于下游最高水位1~2m,下游最高水位为564.12m,考虑其它方面要求,最后设计选定挑坎高程为567.00m。
反弧半径R不小于校核洪水位时反弧最低点处水深的6倍。
校核洪水位时溢流坝泄量为2333m3/s,经计算坝顶水深为1.38m,设计选用R=8.5m。
(3)堰面曲线与反弧段的连接采用坡度为1∶0.75的直线段,经试算确定,挑角20°,反弧段角度53°,挑坝高程为567.00m。
以溢流坝顶最高点为原点,水平向为x轴,垂直向下为y轴,则坝面各控制点坐标见表5-2。
堰面控制点坐标表
表5-2
控制点
A
B
C
O
D
E
F
G
O
X(m)
-1.83
-1.79
-1.14
0
9.681
30.913
40.621
41.121
37.713
Y(m)
0.877
0.735
0.207
0
6.804
35.113
43.183
43.683
30.013
5.5.3溢流坝水力计算
1.泄流计算
****水电站水库总库容2413万m3,根据规范属中型水库,工程等别为四等,正常运用的洪水标准为50年一遇洪水设计,非常运用的洪水标准为500年一遇洪水校核;根据水文演算。
设计洪峰流量1607m3/s,校核洪峰流量3407m3/s,溢流堰净宽63m,计算公式为:
式中:
Q―流量,m3/s
m―流量系数
ε―侧收缩系数,采用0.9
b―溢流堰净宽,m
H―溢流堰顶水深,m
经计算,当设计洪水位608.58m和校核洪水位611.72m时,溢流坝顶上水深分别为3.85m和6.72m,校核洪水位时最大泄量为Q=2333m3/s,设计洪水位时泄量为Q=907m3/s。
堰顶水头与泄量关系见表5-3。
堰顶水头与泄量关系表
表5-3
水头(m)
0
1
2
3
4
5
6
7
泄量(m3/s)
0
134.4
379.1
696
1071
1497
1969
2480
2.下游消能设计
****水电站大坝下游地质条件良好,河床覆盖层较薄,在设计洪水位和校核洪水位情况下,基岩以上水深分别为5.04和7.12m,设计采用挑流消能。
挑流射程采用计算公式:
式中:
L―自挑坝末端起算的挑流水舌外缘挑距,m
V1―坝顶水面流速,m/s
θ―鼻坝挑角 °
h1―坝顶铝方向水深,m
h2―坝顶至河床面高差,m
g―重力加速度,m2/s
冲坑深度公式:
式中:
q--下泄单宽流量,m3/s
z--上下游水位差,m
计算结果见表5-4。
溢流坝下游消能计算结果表
表5-4
计算情况
单宽流量
m3/s
堰顶水深
m
坝上流速
m/s
挑距L
m
冲坑深ts
m
L/ts
设计
14.40
3.58
25.69
63.18
4.86
13
校核
37.03
6.72
26.65
75.48
8.86
8.5
根据计算结果,可知冲刷深度满足规范要求。
5.5.4重力坝稳定分析
重力坝稳定分析包括溢流坝段和非溢流坝段两部分。
溢流坝段桩号坝0+030~坝0+101,总长71m,共分4个坝段,最大坝高48m,坝体为M7.5浆砌块石,C15混凝土防渗面板,溢流面采用厚1.0m的C20钢筋混凝土。
坝基最低高程557.00m,坝顶高程605.00m;非溢坝段位于大坝左右两岸,桩号坝0+000~坝0+030、坝0+117.1~坝0+194.6,总长107.5m,最大坝高45.6m,坝基最低高程566.50m,坝顶高程612.10m。
坝基下岩石为下奥陶统白云质灰岩、岩石致密坚硬,中厚~巨厚裂缝发育程度一般均为弱透水性岩层。
岩层倾向上游,对坝基稳定比较有利,坝基部位末发现软弱夹层和大的地质构造,不具备深层滑动的条件。
1.计算工况与荷载组合
基本组合:
(1)正常蓄水位:
自重+正常蓄水位时的静水压力+相应场压力+泥沙压力+相应的浪压力。
(2)设计洪水位:
自重+设计洪水位时的静水压力+相应扬压力+泥洗沙压力+相应的浪压力+相应的动水压力。
特殊组合:
(1)校核洪水位:
自重+校核洪水位时的静水压力+相应扬压力+泥沙压力+相应的浪压力+相应的动水压力。
2.稳定分析
计算断面:
溢流坝与非溢流坝各取最大坝段面,取单宽进行计算。
大坝稳定计算采用抗剪强度公式:
式中:
k―抗剪计算的抗滑稳定安全系数
f―滑动面上的抗剪摩擦系数
ΣW―作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的法向分值(包括扬压力)。
ΣP―作用于计算截面以上坝体的全部荷载对滑动平面的切向分值(包括扬压力)
计算结果见表5-5。
稳定安全系数表
表5-5
项目
荷载
安全系数
备 注
溢流坝
非溢流坝
基本组合
正常蓄水位
1.35
1.57
设计洪水位
1.12
1.30
特殊组合
校核洪水位
1.02
1.14
根据规规范规定,三级坝抗滑稳定安全系数应满足:
基本荷载组合k≥1.05
特殊荷载组合k≥1.00
因此重力坝满足稳定要求。
5.5.5重力坝应力分析
重力坝应力计算采用材料力学法计算坝基面坝体边缘应力,计算荷载组合和断面与稳定分析相同。
计算采用公式:
上游面垂直正应力
下游面垂直正应力
式中:
∑G―作用于计算截面以上全部垂直力的总和(包括扬压力),以向下为正。
对实体重力坝按单位坝长上的作用力计算
∑M―计算截面以上的全部垂直力及水平力对计算截面形心的力矩的总和,以使上游面产生压力者为正。
T―计算截面沿上、下游方向的宽度
应力计算结果如表5-6。
应力计算成果表
表5-6 单位:
kg/cm2
荷载
应力
项目
基本组合
特殊组合
正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
上游面
下游面
上游面
下游面
上游面
下游面
非溢流坝
1.12
9.84
0.18
10.6
-1.06
11.56
溢流坝
0.95
10.67
0.11
11.75
-2.94
13.03
表中“一”为拉应力
从计算表中看出,在基本荷载组合下,坝基应力满足规范要求。
在特殊荷载组合下,坝基上游面出现拉应力,最大值为2.94kg/cm2。
考虑到溢流坝段为无闸门自由泄流,校核洪水位情况历时非常短,在坝基面上游面出现瞬时较小的拉应力还是允许的,不会影响到大坝的整体稳定安全。
根据实际工程经验,坝基扬压力有滞后现象,即上游为最高水位时,坝基扬压力不同时相应出现,当洪水历时短时,水位下降水平推力减小,故实际情况比计算出的应力条件情况更为安全。
5.5.6坝体构造设计
1.坝顶构造
****水电站溢流坝顶高程605.00m,非溢流坝顶高程612.10m。
根据坝顶设备布置检修,交通和观测等方面的要求,溢流坝顶设宽5.0m,跨度10.0m的装配式混凝土交通桥,桥面高程与非溢流坝顶高程相同,为612.10m;非溢流坝顶宽10.0m,下游坡为1:
0.75。
在上游侧设浆砌料石防浪墙,防浪墙顶高程613.30m,墙高1.2m,宽0.5m。
2.坝体防渗与排水
(1)坝体防渗
浆砌石坝虽然是由胶结材料砌筑石料而形成的整体,但由于块石形状基本上是不规则的,因此砌筑防渗质量不易保证,漏水现象难以避免。
设计采用防渗面板进行防渗,该种形式优点为施工简单,便于维修,防渗效果较好,且美观实用。
防渗面板采用C15混凝土,防渗面板的分缝一般为10~20m,坝体共设缝11条,最大缝距20m,最小缝距15m。
伸缩缝采用651型橡胶止水。
(2)坝体排水
为了减少坝身渗透压力,除在坝体上游侧采取防渗面板外,在坝体内还设置了排水系统。
在距坝轴线约0.67m处设有一条排水廊道,廊道底高程距基岩面约4m左右,廊道尺寸为2.5×3.5m直墙圆拱式,混凝土衬砌厚为0.5m,在廊道的下游侧坝基设有排水管,排水管内径0.15m,通过排水廊道将坝基渗水排出,排水管间距3.0m。
(3)材料分区
根据浆砌石重力坝体各部位的不同运用条件,对坝体材料要求也不同。
上游面为C15混凝土,溢流坝面及挑流鼻坎等防冲要求较高,采用C20混凝土,坝基为了防止砌石和基岩接触不良,采用1.0m厚的C15作垫层,坝体采用M7.5浆砌块石,下游坝面采用M10浆砌料石,廊道混凝土采用C20。
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