水工1102班第四组混凝土坝设计.docx

混凝土坝设计与施工 专业：水利水电建筑工程班级： 水工1102组别： 第四组组长： 吴德国 指导老师：陈一华 混凝土坝设计与施工组长： 吴德国 副组长： 刘涛、郭志强 组员： 余远、胡兵、黄胜、余志尧、邹冠群、邱勇 指导老师：陈一华 班级及组别：水工1102，第四组前言 重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积挡水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。据统计,在各国修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重,在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。重力坝按其结构形式分为:实体重力坝;宽缝重力坝；空腹重力坝。重力坝按泄水条件可分为非溢流坝和溢流坝两种剖面。实体重力坝因横缝处理的方式不同可分为三类。悬臂式重力坝：横缝不设键槽，不灌浆；铰接式重力坝：横缝设键槽，但不灌浆；整体式重力坝：横缝设键槽，并进行灌浆。按照混凝土的施工方式，分为常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝。其中碾压混凝土重力坝由于施工方便，技术经济指标优越，近年来得到了迅速的发展。 目录一、 基本资料：51、工程概况52、水文分析53 、气象64、工程地质65、枢纽建筑物特性7二、确定工程等别及水工建筑物的级别。8三、重力坝的设计9(一)挡水坝段剖面设计91、确定基本尺寸92、荷载计算如下图所示103、稳定计算14四、混凝土坝的材料分区17五、重力坝的构造17六、溢流坝剖面设计181、堰的类型182、溢流的剖面组成183、堰顶高程194、消能防冲225、确定消能方式226、确定最终消能方式23一、 基本资料：1、工程概况 顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区，最窄处仅有10余公里。通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。为解决唐山市、秦皇岛市两地的用水，国家决定修建顺河水库。顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县杨岔子村的顺河干流上，控制流域面积33700平方公里，总库容为25.5亿立方米。水库距迁西县城35公里，有公路相通。水库枢纽有主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使工程提前竣工获得收益，尽早建成。根据水库的工厂规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为级建筑物，其它建筑物按级建筑物考虑。2、水文分析（1）年径流量：顺河水量较充沛，顺河水站多年平均年径流量为23.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。丰水年时占全年50%60%，枯水年占30%40%，而且年际变化也很大。（2）洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，有红痕估算洪峰流量约为2440027400 m3/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800 m3/s。（3）泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7.45公斤/立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。淤沙浮容重为0.9吨/ 立米，内摩擦角为12度。淤沙高程157.5米。3 、气象库区年平均气温为100C左右，一月份最低月平均产气温为零下6.80C，绝对最低气温达零下21.70C（1969年）7月份最高月平均气温250C，绝对最高达390C（1955年），本流域无霜期较短（90180天）冰冻期较长（120200天），顺河站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70100天，冰厚0.40.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/ 秒，水库吹程D=3公里。4、工程地质库区地质：顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城峪至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现不对称，区域内无严重的坍岸及渗漏问题。第四大岩层（ArI 4）为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚块状、地质均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。岩石物理学性质：岩石容重为2.682.70吨/立米，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650公斤/平方厘米以上，有的可达1100/ 平方厘米，混凝土与岩石的摩擦系数微分化及弱风化化下部，可取f=1.10、c=7.5kg/cm2。5、枢纽建筑物特性项目单位指标备注水位校核洪水位米227.2设计洪水位米225.7P=0.01%正常洪水位米224.7P=0.1%汛期限制水位米216.0死水位（发电）米180.0校核洪水尾水位米176.8设计洪水尾水位米172.0正常尾水位米158.4库容总库容亿立米25.5计入十年淤积调洪库容亿立米7.4兴利库容亿立米19.5共用库容亿立米5.6死库容亿立米4.2计入十年淤积坝型混凝土重力坝坝顶溢孔数孔19堰顶高程米210.0闸墩的中墩厚度为3米每孔净宽米15.0（横缝设在闸墩中间）工作闸门尺寸米米1515弧形钢闸门启闭机（270吨）台19固定式卷扬机设计洪水下泄能力米3/秒32900校核水位下泄量42900限泄275003泄水孔进口底高程米160.0底孔数目孔4工作闸门尺寸（宽高）米米57弧形钢闸门启闭机台4设计水位泄水能力米3/秒4340校核水位泄水能力米3/秒4430二、确定工程等别及水工建筑物的级别。根据控制流域面积：33700平方公里，总库容：25.5亿立方米，可确定该工程等别为等，主坝级别为1级水工建筑物。三、重力坝的设计 (一)挡水坝段剖面设计1、确定基本尺寸 确定坝顶高程设计洪水位+h设=225.7+h设 h设=hl+hz+hc hz=0.5 hl=0.3查表2-2得： hc=0.7 h设=0.3+0.7+0.5=1.5 故坝顶高程为：225.7+1.5=227.2m校核洪水位+h校=227.2+h校h校=hl+hz+hh校=0.3+0.5+0.5=1.3 故坝顶高程为：227.2+1.3=228.5m坝高：228.5150=78.5m坝宽： B=（810）78.5=6.28m7.85m 为方便计算取：B=7m确定m、n 取n=0，m=0.8 求得坝底宽度为：（224.7150）0.8=61.76m2、荷载计算如下图所示：永久作用：结构自重永久设备自重、土压力、淤沙压力(枢纽建筑物有排沙设施时可列为可变作用)、预应力、地应力、围岩压力等可变作用：静水压力、扬压力、动水压力、浪压力、风荷载、雪荷载、冰压力、冻胀力、楼面(平台)活荷载、桥机门机荷载、温度作用、灌浆压力等。偶然作用：地震作用、校核洪水位时的静水压力等(1)正常洪水位荷载计算：P1W2W1U1U2PVP2根据上述图算出对坝体荷载。 自重： W=cAW1=778.524=13188KNW2=122454.7668.45=44980KNW1+W2=13188+44980=58168KN 静水压力: P=12wH2P1=12H2=121074.72=27900KNP2=12H2=12108.42=353KNPv=128.46.72=282KN 淤沙压力：Psk=12sbhs2tan2(45-s2) =129KN/m37.52tan239 =129KN/m37.520.82 =162KN扬压力：U1=8.461.7610=5188KN U2=12(74.7-8.4)61.7610=20473KN（2）校核洪水位荷载计算：P1W2W1U1U2PVP2 根据上述图算出对坝体荷载。 自重： W=cAW1=778.524=13188KNW2=1254.7668.4524=44980KNW1+W2=13188+44980=58168KN 静水压力: P=12wH2P1=12H2=121077.22=29799.2KNP2=12H2=121026.82=3591.2KNPv=1226.826.8100.8=2873KN 淤沙压力: Psk=12sbhs2tan2(45-s2) =129KN/m37.52tan239 =129KN/m37.520.82 =162KN扬压力：U1=26.861.7610=16552KN U2=12(77.2-26.8)61.7610=15564KN3、稳定计算 计算坝基稳定 方法：承载能力极限状态法 04SGGk , QQk ,k1dRfkm,k 0:结构重要系数 （1.1） (1.0) (0.9) 4:设计状况系数 持久（1） 短暂（0.9） 偶然（0.85） G,Q：永久作用，可变作用的分项系数 Gk,Qk :永久作用，可变作用的标准值 k：几何参数标准值 fk：材料性能标准值 m：材料性能分项系数 水工建筑物的安全级别和重要系数0水工建筑物级别水工建筑物结构安全级别结构重要性系数11.12、31.04、50.9 设计状况系数是考虑建筑物在不同的设计状况下有不同的可靠度 水平。的取值见表设计状况设计状况系数持久状况1.0短暂状况0.95偶然状况0.85 设计作用效应函数 S时，作用设计值，是考虑作用（荷载）对标准值的不利变异。设计值等于标准值乘以分项系数G。即设计值Qd=QK*G各作用的分项系数见表序号作用的类别分项系数1自重1.02水压力1） 静水压力、动水压力、时均压力2） 离心力、冲击力、脉动压力1.01.051.11.11.33扬压力1） 渗透压力2） 浮托力3） 扬压力4） 残余扬压力1.2（实体重力坝）1.1(宽缝、空腹重力坝)1.01.1（主排水孔之前）1.2（主排水孔之前）4淤沙压力1.25浪压力1.2正常水位下稳定计算： S=1.0P1+1.2Psk+1.2P3-1.0P2 =27900+1.2162+1.2100-353 =27862KN R=fR1.0W+1.0PV-1.1U+CRAR =1.358168+282-25661+361.67 =42811KN S1.11=30648R11.2=35676 所以，该坝基满足稳定要求。 校核洪水位下稳定计算： S=1.0P1+1.2Psk+1.2P3-1.0P2 =29799+1.2162+1.2100-3591 =26522.4KN R=fR1.0W+1.0PV-1.1U =1.358168+2873-1.116552+15564 =33427KN S1.11=26522.4KNR11.2=33427KN 所以，该坝基满足稳定要求。四、混凝土坝的材料分区区为上、下游以上坝体外部表面混凝土，区为上、下游变动区的坝体外部表面混凝土，区为上、下游水位以下坝体外部表面混凝土，区为坝体基础，区为坝体内部，区为抗冲刷部位。五、重力坝的构造重力坝坝体上游面和下游面水位以下部分，多采用一层具有防渗、抗冻和抗水侵蚀的混凝土，作为坝体防渗设施。为减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处布设排水管。距上游面要求小于坝前水深的1/151/25，且不小于2m。管距23m。管径1525cm，太小易堵塞。 排水管与廊道连接多采用直通式，且多在上游侧（使廊道干燥）为满足施工和适用要求（如灌浆、排水、观测、检查、交通的需要），须在坝体内设置各种廊道。这些廊道相互连通，构成廊道系统。 廊道：为了检查坝体内部的工作状态，布设各种量测仪器，满足坝内交通和灌浆、排水的需要，在坝内设置水平或斜向廊道或竖井。廊道沿坝高设置一层或多层，有纵向和横向两种，断面一般为上圆下方的城门洞形。 分缝：为适应地基变形和温度变化，沿坝轴线方向用横缝把坝分成若干个坝段，横缝间距通常为1520m。横缝缝面根据需要设或不设键槽,灌浆或不灌浆。在施工中，由于混凝土浇筑能力的限制和温度控制的要求，还要设置施工缝。平行于坝轴线方向的竖向施工缝叫纵缝。纵缝的间距一般为1530m,可以是直缝、错缝或斜缝。缝面设键槽,并需灌浆。水平向施工缝叫水平缝。水平缝的间距在基础约束范围以内和以外，分别为13m和36m，缝面一般均需进行凿毛处理。止水：在坝体横缝内、陡坡坝段与基础接触面以及廊道和孔洞穿越横缝处的周围，必需设置止水。止水应具有柔性，可以用金属片、橡皮、塑料片或沥青井做成。高坝上游面的横缝止水需用两道止水片，中间设一沥青井。坝体排水:为了减少渗水对坝体的不利影响，在坝体靠近上游防渗层的下游侧布设一排垂直向排水管，常用多孔混凝土管，间距为23m，将渗水汇入廊道。六、溢流坝剖面设计1、堰的类型堰薄壁堰 H0.67 实用堰 0.67H2.5宽顶堰 2.5 H 2下游水面比堰顶低，满足自由出流的条件。则堰顶高程确定为210.95m。e) OB段：三段圆弧法 R1=0.5Hd=0.514.75=7.375 R2=0.2Hd=0.214.75=2.950 R3=0.04Hd=0.0414.75=0.59 BXYCDEO OC段：幂函数 Xn=KHdn-1y x0246y00.1830.661.4已知跃后水深: h=172-150=22 Q=Qb=329001519=127.5 h=h21+8q2gh3-1=5.35反弧段半径：R=410h=45.35105.35=21.5253.5取R=25m4、消能防冲由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。水工建筑物及混凝土重力坝设计规范可知消能的设计原则是：1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；水工建筑物课程设计25；3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；4）结构简单，工作可靠，工程量小。5、确定消能方式（1）挑流消能:挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。（2）底流式消能:底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.底流消能具有流态稳定，消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点。但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道,高坝采用底流消能需经论证。（3）面流式消能:面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。6、确定最终消能方式该坝区域内无严重的坍岸及渗漏问题，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，故采用挑流消能。 鼻坎挑射角度一般情况取=2025，深水河槽以选用=1520为宜。 选取=20 鼻坎反弧段半径：一般采用(8-10)h,h为反弧最低点处的水深。 鼻坎高程应高于鼻坎附近下游最高水位12m。 挑射距离 V1=1.1V V1=1.10.9521051.7=34 h1=5.35cos20=5L=1gV12sincos+V1cosV12sin2+2g(h1+h2)=110342sin20cos20+34cos20342sin220+210(5+24) =1101150 =115m 最大冲坑深度最大冲坑水垫厚度tk tk=q0.5H0.25 tk=1115.430.5225.7-1720.25 =115.430.553.70.25 =29故坑底深为：29-22=7m Ltk=1157=16.42.5 故不会延伸到鼻坎安全高度