羅重力壩設(shè)計作業(yè)

重力壩設(shè)計

目錄

一、工程概況.....................................................1

二、資料分析.....................................................8

三、荷載計算與組合..............................................9

1.壩頂高程的確定..............................................................9

2.壩高的確定...................................................................9

3.壩頂寬度的確定...............................................................9

4.壩坡的確定.................................................................10

5.基本剖面初步抗滑穩(wěn)定計算....................................................11

6.實用壩面擬定.............................................................11.

5.防滲帷幕與排水孔設(shè)計........................................................12.

四、重力壩抗滑穩(wěn)定分析........................................13

1.荷載計算...................................................................13

2穩(wěn)定驗算.....................................................................22

五、重力壩應(yīng)力分析.............................................24

1.計算公式....................................................................24

2.正常蓄水位應(yīng)力分析........................................................26..

3.設(shè)計洪水位應(yīng)力分析.........................................................27

4.校核洪水位應(yīng)力分析..........................................................28.

5.強度、穩(wěn)定指標(biāo)分析總結(jié)：...................................................31

六、地基處理....................................................33

七、細(xì)部構(gòu)造設(shè)計................................................34

八、參考文獻(xiàn)....................................................34

工程概況

1.概述

(1).概述

大黑山水利工程是以發(fā)電為主，兼顧灌溉的綜合利用的水利樞紐。

經(jīng)過上游水庫的調(diào)節(jié)，其入庫洪峰流量為：百年一遇6500m/s,千年

一遇8350m/s,水庫總庫容0.9億m3。本樞紐電站設(shè)三臺軸流轉(zhuǎn)漿水

輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，電站總裝機(jī)容量30萬千瓦。主廠房壩段長81m,安

裝間長52.4m。發(fā)電機(jī)層地面高度471.50m,尾水管高程434.60m。

三個機(jī)組間設(shè)置出口斷面為4.4x2m的兩個排沙孔，孔口出口底高程

為442.00m,洪水期電站仍發(fā)電運行，過流能力1000m3/s計。

(2).水庫特性

如下表所示

表1—1水庫特性表

大黑山水利水庫庫0.9億

工程名稱所在河流函河

樞紐容加3

混凝土重壩頂高

大壩等級III大壩類型482.0m

力壩程

壩頂寬

大壩全長249m最大壩高69m15m

度

地震烈

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)100年校核標(biāo)準(zhǔn)1000年7度

度

上游水位(m)下游水位(m)水文特性

1

入庫流

頻率％量

m3/s

正常蓄水設(shè)計洪462.20

480.0016500

位m溢洪水位

設(shè)計洪水道校核洪463.45

475.500.18350

位m水位

校核洪水481.00

位m設(shè)計洪

465.0016500

汛期運行472.00水電水位

水位m站

極限死水467.00校核洪

464.000.18350

位m水位

(3).主要建筑物及其尺寸

主體工程表如圖1—2所示

表1—2主體工程表

擋水壩溢流壩底孔壩電站壩底孔壩擋水壩

壩段

段段段段段段

編號①②③④(5)?

壩段長m45.045.024.081.024.030.0

最大壩35.041.069.069.047.035.0

2

高m

壩寬m15.015.021.021.021.015.0

其中，主體工程中的泄洪設(shè)施包括溢流壩，泄水底孔，電站及排

沙孔，具體尺寸如表1—3所示。

表1—3泄流設(shè)施表

泄流部分溢流壩泄水底孔電站排沙孔

孔數(shù)3232

11.0X11.5X

進(jìn)尺寸(bXh)8X104.4X2.0

12.020.5

口

高程(m)462.00446.00452.00442.00

11.0X11.5X

出尺寸(bXh)8X94.4X2.0

12.010.0

口

高程(m)462.00446.00434.60462.00

例工作閘門平板閘門弧形閘門平板閘門

n檢修閘門平板閘門平板閘門平板閘門

消型式底流底流

力池長(m)104.0082.00

池池深(m)6.003.50

泄設(shè)計(m'/s)320025001000200

量校核(ID3/S)440028001000200

3

2.設(shè)計基本資料

(1).地址區(qū)自然條件簡況

大黑山水利樞紐工程位于某市航河干流上，其上游100公里處已

建成另一個水電站，壩區(qū)流道順直，水面寬130~140m,兩岸為不對

稱河谷，岸坡陡峭。本樞紐處于大陸腹地，氣候干燥，年降水量為

328.5mm,蒸發(fā)量為1468.5mm,平均濕度為58%,全年平均氣溫為9.3℃,

氣溫日變差大。

汛期(7~9月)最大風(fēng)速的多年平均值為11.7m/s,水庫吹程約

1km,本地區(qū)地震基本烈度為7度。

(2).水文特性

本樞紐上游附近兩水文站，測量流量資料分別始于1934年和

1947年，精度較高。所測多年平均流量為1030m/s,多年平均含沙量

為2.1kg/m3,年輸沙量為0.68億噸。實測最大含沙量為329kg/m3。

壩前庫內(nèi)淤積平衡高程為464.0mo淤積計算高程：廠房前沿為

450.00m,泄水孔前沿為446.00m,溢流壩前沿為460.00m。不同頻率

的洪水流量見表2—lo

表2—1不同頻率的洪水流量

頻率(%)0.10.51510

流量(m/s)83507930650060505640

4

(3).地質(zhì)概況

3.1庫區(qū)工程地質(zhì)

水庫區(qū)分川峽兩部分，峽谷為相對高度在200米以上的中、高山，

全長21.16公里，兩岸發(fā)育有三級侵蝕堆積階地，其侵蝕基準(zhǔn)面高出

河水面約30—40米。河流蜿蜒曲折，灘多水急。水庫末端為小川盆

地，長約7.15公里，兩岸寬度約1—2公里，地勢開闊，階地發(fā)育。

水庫呈帶狀，峽谷為基巖所環(huán)抱，回水位位于三級侵蝕階地面，川地

內(nèi)回水位位于一級階地陡坎之下，不存在永久性滲漏通道。當(dāng)正常蓄

水位480米時，神川地區(qū)可能發(fā)生微小塌坡，不會造成塌岸問題。二

里溝位于壩址以東150米處，其溝向與河流流向相反，經(jīng)勘探與連通

實驗，證明庫水不可能沿該溝產(chǎn)生鄰谷滲漏。

3.2地址區(qū)工程地質(zhì)

水庫區(qū)分川、峽兩部分，峽谷為相對高度在200m以上的中、高山，

全長21.16公里，河流蜿蜒曲折，灘多水急。水庫末端為小川盆地,

長約7.15公里，兩岸寬度約廣2公里，地形開闊。

壩址區(qū)出露巖層主要為黑云角閃石英片巖，該巖石致密堅硬，不

透水，耐風(fēng)化性強。右岸啞口部位出露有砂巖、砂礫巖等，與前寒武

系變質(zhì)巖系呈不整合接觸。

壩址區(qū)有四組斷層。主要斷層有八層，破碎帶寬度一般僅

0.2?0.8m,斷層破碎帶內(nèi)的物質(zhì)擠壓緊密，膠結(jié)良好，極少有泥質(zhì)材

料充填，對壩基抗滑穩(wěn)定不起控制作用。河床沖積層主要為砂礫石、

中細(xì)砂和合礫砂土壤，并夾有少量的大小孤石，沖積層最大厚度為

5

34.13mo

3.3建筑材料及水源

壩址下游五公里的大興灘有混凝土用砂、石料場，蓄量豐富，粗

骨料可滿足要求，細(xì)骨料儲料不足。位于壩址下游三公里處，砂石儲

量豐富，可補足大興灘砂子的不足。

3.4壩基巖石及砂礫石的物理力學(xué)性質(zhì)

本樞紐壩基巖石一一黑云角閃石英片巖的物理力學(xué)指標(biāo)如下：

1、抗壓強度160MPa(1600Kg/cm2)

2、彈性模量2X104MPa(210Kg/cm2)

3、混凝土與結(jié)晶片巖間的抗剪指標(biāo)f=0.7,f'=1.0,cz=1.0MPa

(10Kg/cm2)

2.5.2各類巖土開挖邊坡值

1、河床復(fù)蓋值1：2

2、黃土類土1：1

3、全風(fēng)化結(jié)晶片巖1：1

4、強風(fēng)化結(jié)晶片巖3：1

5、弱、微風(fēng)化結(jié)晶片巖5：1

2.5.3巖石、砂礫石及淤沙的力學(xué)指標(biāo)

1、巖石容重2.7T/m3

2、砂礫石容重2.2T/m3

6

3、淤沙容重（干）1.8T/m3

4、淤沙內(nèi)摩擦角①=14°

3.水庫特征表

（1）水庫水位

1）正常蓄水位480.00m

2）設(shè)計洪水位（P=l%）475.50m

3）校核洪水位（P=0.1%）481.00m

4）汛期運行水位472.00m

5）極限死水位467.00m

（2）擋水壩下游水位

1）設(shè)計洪水位465.00m

2）校核洪水位464.00m

3）正常尾水位460.00m

4）最高尾水位465.00m

（3）溢洪道下游水位

1）設(shè)計洪水位462.20m

2）校核洪水位463.45m

4.電站建筑物基本數(shù)據(jù)

7

本樞紐電站設(shè)三臺軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，每臺裝機(jī)容量為

100千瓦。主廠房壩段長81m,安裝間長52.4m。

發(fā)電機(jī)層地面高度471.50m,尾水管高程434.60m。三個機(jī)組間設(shè)置

出口斷面為4.4義2m的兩個排沙孔，孔口出口底高程為462.00m,洪水

期電站仍發(fā)電運行，過流能力1000m'/s計。

5.圖紙

（1）壩址區(qū)地形圖（1：1000）一張

（2）沿壩軸線地址、地形剖面圖（1：500）一張

（3）擋水和溢流壩段平面、剖面參考圖及下游立視參考圖（1：1000,

1：500）各一張

二、資料分析

該重力壩位于山區(qū)，波浪要素的計算可選用官廳公式。

因地震烈度為6度，故不計地震影響。

該重力壩屬于III級水工建筑物，對應(yīng)可靠度設(shè)計中的結(jié)構(gòu)安全級別為II級,

相應(yīng)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為=l.Oo

基本組合（設(shè)計洪水位）取持久狀況對應(yīng)的設(shè)計狀況系數(shù)山=1.0,結(jié)構(gòu)系

數(shù)=1.2。

基礎(chǔ)抗壓強度極限狀態(tài)的設(shè)計狀況系數(shù)叨=1.0,結(jié)構(gòu)系數(shù)為=1.3o

本重力壩有關(guān)（荷載）作用的分項系數(shù)根據(jù)SL319-2005《混凝土重力壩設(shè)

計規(guī)范》查得：自重為1.0；靜水壓力為1.0；滲透壓力為1.2；浮托力為1.0；淤

8

沙壓力為1.2；浪壓力為1.2o

三、重力壩剖面設(shè)計

1.壩頂高程的尺寸

正常蓄水位時

既=0.0166%5/4。1/3=0.0166x(1.8x11.7)5/411/3=0,749(m)

L=10.4(/1,)°-8=10.4xO.74908=6.9l(m)

nh(2271H

hz=——cth——=0.214(m)

LJL

△h=/i1%+hz+hc=0.74+0.214+0.4=1.363(m)

則設(shè)計洪水位時壩高頂高程H=480+1.363=481.363

校核洪水位時

5413

hi=0.016645/4°I/3=0.0166x(11.7)/1/=0.359

36(m)

L=10.4(%)°8=10.4xO.3608=4.583(m)

2

nht27rH

hz=LcthL=0.088(m)

由于外<20m/s及D<20Km,且物/歐=71.6,根據(jù)SL319—2005《混凝

土重力壩設(shè)計規(guī)范》有：

月％=1.24x俺％=1.24xht=0.45(m)

Ah=h1%+hz+hc=0.45+0.09+0.3=0.747(m)

校核洪水位，壩頂高程=481+0.747=481.747(m)

取三種情況下的最大值481.747m作為壩頂高程，壩頂高程取為482m。

2.壩高的確定

壩基高程取為435m,所以壩高=482-435=47m

3.壩頂寬度的確定

壩頂寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)備布置、運行、檢修、施工和交通等需要確定并滿足抗震、

特大洪水時維護(hù)等要求。

無特殊要求，且不小于3m。本題中取為壩高的10%計算，即為4.7m?？?/p>

慮到上游防浪墻、下游側(cè)護(hù)欄、排水溝槽及兩邊人行道等，取壩頂寬度為10m,

以滿足大壩維修作業(yè)通行需求。

4剖面設(shè)計

9

根據(jù)工程經(jīng)驗：f取0.7,k取1.05,yc=24kN/m,y0=9.8kN/m

公式：

rB_K

Hf焉+"的)

<B_1

/—(1—A)+A(1—A)—

17yo

11

ayH=YiH2B+-a1Y(Hi-H2)x(l-X)B+aiV(Hi-H2)入B+—(1-aJy(H「H2)xAB

符號：

B-----壩底寬，（米）；

H------壩高,（米）；

Hi、出---上F游水位

X一一上游壩坡的水平寬度與壩底寬的比值入=nH/B；

n一一上游壩面坡度比；

V一一水的容重，取9.8KN/m）

Yh-----混凝土的容重，取24KN/rr|3；

a—一揚壓力的折減系數(shù)，河床壩段a=0.2?0.3,

岸坡壩段a=0.3?0.35：

f一一混凝土與基巖之間的摩擦系數(shù)，一般取0.5?0.8之間；

Ks——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本組合1.05,特殊組合1.00。

壩基高程取為435m,所以壩高=482-435=47m

（取oq=oc2=0.2）廊道尺寸2x3m,距離壩底4m,距離壩踵6m。

其中f=0.7,K=1.05,,yc=24kN/m，Yo=9.8kN/m,H=35m。

解得入=0.5B=27,o

上游坡度n=X^=0,3,取0下游坡度m='i丁B=

HH06o

6.實用壩面擬定

10

5

壩頂寬5m,壩底寬25m,上游坡率n取0,下游坡率m為0.65,

自重w=VxYc=24x[47x10+1/2x(27-10)x(27-10)]

17400KN

2

水平壓力P=|xY0H=1x10x35x35=6125KN

揚壓力U=1xaYoHB=0.39x10x25x35=1706.25KN

f(?W—U)

=1.794>K=1.05

IP

滿足抗滑穩(wěn)定需求。

應(yīng)力分析

“2-

a

yu=Hyc(l-A)+y0^(2一入)一a2一薜

=47

x24x(1-0.5)+9.8x0,5X(2-0.5)-0.3x9.8-9.8

47X47]

x-----------=6,45>0

27X27]

H3

0yd=入H("一為+y0A)+Yo霹=1395.7>0

符合要求。

11

四、擋水壩穩(wěn)定計算

1.荷載計算

根據(jù)設(shè)計洪水位情況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性和應(yīng)力狀態(tài)驗算，荷載包括：

自重，靜水壓力，淤沙壓力，淤沙浮容重力=8.19kN/m3,（ps=14°O

浪壓力：由于壩前水深大于波長，采用馬=1（/11%+七）計算浪壓力標(biāo)準(zhǔn)

值。

-：正常蓄水位時

正常蓄水位高480m,下游水位460m,泥沙高程464.1m。

1、自重：混凝土容重在設(shè)計階段取24KN/m3，廊道自重不計。

//；=與九=24x10x47=11280陋，力臂

=27/2-10/2=18.5m

W2=rrJZ?=24x1/2x30x17=6120KN>力臂

=25/2-10-17/3=2.16m

12

W=W,+W2=17400KN

W3=Y0V3=9.8x1x25x0.65x25=1837.5KN,力臂=27/2-25/3X0.6=8.5m

2、靜水壓力：6=0.5田：

=0.5X9.8X452

=9922.5KN,力臂=15m。

2

P2=0.5rH2

=0.5X9.8X252=3062.5KN,力臂=8.3m。

3.浪壓力：由確定壩頂高程可知，在正常蓄水位時波長/=4.59加，壩前水深為

H=33.0ZZ/O則H>L/2,波浪運動不受庫底約束，屬于深水波，深水波的浪壓力計算公式

為：

教材《水工建筑物》

Pn=?(〃+h:)[2—8]

9.8x4.59

x(0.45+0.09),

4

=6.20KN

Pl2=下游水較淺忽略不計

彎矩：M=597.15KN.M

式中：

hi-----波高,m；

hz——波浪中心線高于靜水面的高度，m。

4、泥沙壓力：

114°

-x8x17.I2xd(45°---------)

22

=2067.6KN,力臂=29.1/3=9.7m

13

式中:

Ps——壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，KN/m；

Vsb一一淤沙的浮容重，KN/m3,泥沙飽和容重為18KN/n?,浮容重力=18-9.8=8.2KN/加*

取8KN//W3。

hs——壩段前泥沙淤積厚度，mo泥沙淤積高程已知為464.0m,泥沙厚度為

464.1-447=17.1m；

(ps一一淤沙的內(nèi)摩擦角，已知心=14。。

5^揚壓力：

U^y0H2B=9.8*27*25=6615KN,力臂=0m

U2=2*cqyo(H/-H廣)=2*03*9.8*(45-25)=117.6KN,力臂

=25/2-2/2=12.5m

g=2*卜0〃/-九”下一3「H?.-)]*4=137.2KN,力臂=27/2-2/3=13.3m

禽=3*ay()(H八-H，=3*0.2*10*633-13;=120KN,力臂=25/2-4-3/2=10m

U5=l/2*ay0f.-Hx)*(B-7)=l/2*0.3*9.8*(45-25)*(27-5)=646.8KN,力臂=1/3*

(27-6)+3+2-27/2=5.5m

塞良力ODO水平力(KN)力矩

苞數(shù)對裁溫形g的力哥(a)

IT--￡ft

114200.0010.00?2000.00

BI

127392.000.836135.36

■宜木壓力?3549.259.68S316.74

水平太壓力P1S44i.0011.005989500

n845.004.33M5a.88

民“醫(yī)力Ps7119040M23

微氏力PvazoJt.47IM.11

12141.255320.1017M1.S7

Ul3250.000.00

U2160.0010.501680.00

U3320.0011.17357C40

場笈力

V4120.007.00840.00

U5360.000L50180.00

zu4210.00

總計7931.255320.123596.27

-：設(shè)計洪水位

設(shè)計洪水位高475.50m,下游水位465m,泥沙高程464.1m。

14

1、自重：刈=r,/1=24x10x47=11280KN，力臂

=27/2-10/2=18.5m

/=/?=24x1/2x30x17=6120KN，力臂

=27/2-5-17/3=1.83m

W=+W2=17400KN

2、靜水壓力：o

W3=y0V3=9.8x|x30x0.6x30=2646KN,力臂=27/2-10/3X0.6=87.5m

上游水位差〃?=475.50-435=40.50m,下游水位差為=465-435=30m。

則P,=0.5/H-

=0.5X9.8X40.52

=8037.23KN,力臂=40.5/3=13.5m。

2

P2=0.5rH2

=0.5X9.8X302=4410KN,力臂=30/3=10m。

15

3、浪壓力：在正常蓄水位時波長￡=6.9訪…屬于深水波，深水波的浪壓力計算公式

為:

rI

P"=丁（怎+也）教材《水工建筑物》[2-8]

9.8x6.91

x(0.74+0.16),

4

=15.55KN,

匕2=下游水較淺忽略不計

彎矩：M=1074.06

式中：

h|---波高，m；

h2一一波浪中心線高于靜水面的高度，mo

4、泥沙壓力：

p_Lr,2/45_—）教材《水工建筑物》[2—11]

32sbsoII

=2067.6KN,力臂=29.1/3=9.7m

式中：

Ps——壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，KN/m；

Ysb——淤沙的浮容重，KN/m3,泥沙飽和容重為18KN/n?,浮容重％=18-9.8=&2KN/,"3

取8KN//W3o

hs一一壩段前泥沙淤積厚度，m。泥沙淤積高程已知為464.0m,泥沙厚度為

464.1-447=17.1m,

(ps一一淤沙的內(nèi)摩擦角，已知4=14。。

5、揚壓力：

U1=Y0H2B=9.8*30*27=7938KN,力臂=0m

U2=2*oq%(H-Hk)=2*0.2*9.8*(40.5-30)=41.16KN,力臂

=27/2-4/2=12.5m

y3=1*[yowf-y0H下一ay(H/-H/]*4=117.6KN,力臂=13.3m

U4=3*ay0(H卜-Hj=3*0.2*10*(28.5-18；=176.4KN,力臂=10m

16

力臂

U5=l/2*ay0(Hj-/77-)*(B-8.5)=l/2*0.3*9.8*(45-25)*(27-5)=646.8KN,=1/3*

(27-6)+4+3-25/2=5.5m

垂直力ODO水平力（DO力矩（EC/?）

荷載對餐暨花，&的力臂⑹

T--正ft

1142(X10010.0042000.00

at

T27392000.836135.36

■■水壓力131051008.609055.SO

水平水壓力P14061.259.503858188

P21620.006.009720.00

雅沙氏力Ps71X90S.70406923

浪后力Pv1&,S920.20407.41

1264S.003170.705741.04

VI4500.000.00

U284.0010.50882.00

U3168.0011.171S76.56

場反力

U43.007.00441.00

U5173.250.5086.63

XU4988.25

總計76M.753170.72628.11

三：校核洪水位

校核洪水位高481.00m,下游水位464.0m,泥沙高程464.1m。

=27/2-10/2=18.5m

17

w2=r(JZ=24x1/2x30X17=6120KN，力臂

=25/2-5-17/3=1.83m

W=%+W2=17400KN

2、靜水壓力：

吟%匕=9.8X|x29x0.6X29=2472.54KN,力臂=27/2-29/3X0.6=7.7m

上游水位差〃I=481.0-435.0=46股，下游水位差兒=4640-435=29卬。

則々=0.5田；

=0.5X9.8X462

=2472.54KN,力臂=46/3=15.3m。

2

P2=0.5田,

=0.5X9.8X292=4120.9KN,力臂=29/3=9.6m。

3、浪壓力：由確定壩頂高程可知，在正常蓄水位時波長￡=4.59加，壩前水深為

H=34.00/zzo則H>L/2,波浪運動不受庫底約束，屬于深水波，深水波的浪壓力計算公式

為：

I

=拳r（陽+機(jī)）教材《水工建筑物》[2—8]

9.8x4.59

x(0.36+0.09),

4

=6.20KN,

Pl2=下游水較淺忽略不計

彎矩：M=617.92

式中：

h|-----波高，m；

h2——波浪中心線高于靜水面的高度，m。

4、泥沙壓力：

18

=2067.6

式中：

Ps——壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，KN/m：

Vsb-淤沙的浮容重，KN/n?,泥沙飽和容重為18KN/m-浮容重力=18_9.8=8.2KN/,/

取8KN/m3o

1%——壩段前泥沙淤積厚度，m,,泥沙淤積高程已知為464.0m,泥沙厚度為

464.1-447=17.；

9,一一淤沙的內(nèi)摩擦角，已知痣=14°。

5、揚壓力：

力臂

U1=YQH2B=9.8*29*27=7673.4KN,=0m

卜

U2=2*oqY0(H-Hj=2*0.2*9.8*(46-29)=66.64KN,力臂

=25/2-4/2=12.5m

下一

y3=1*\Y0H,-YOHay(H/：-HF)]*4=133.28KM力臂=13.3m

t/4=3*ay0A-HJ=3*0.2*10*<34-17)=99.96KN,力臂=10m

U5=l/2*ay0(Hy-WJ*(B-8.5)=l/2*0.2*10*(34-17)*(25-7)=1666KN,力臂=5.5m

垂直力(KN)水中力(KN)力矩《3?〉

荷收對旅工子6的力臂就

0f--正負(fù)

1142C0.0010.0042000.0(

SB

127392.000L836135.36

??水壓力13939.258.8282S4.19

水平大笈力PI5780.00