TL重力壩設計實例

1、2.2 設計實例2.2.1 總論2.2.1.1 基本資料1流域概況及樞紐任務某水庫樞紐位于某江上游，全河流域面積3 200km2，流向自北向南，干流的平均比降為2%3%。流域內多石山，小部分為丘陵，水土流失不嚴重。本樞紐工程是以發(fā)電為主兼顧灌溉和供水的綜合利用工程，水庫的總庫容為1 200萬m3，發(fā)電引水高程為347.5m，發(fā)電最大引水流量為74m3/s ，發(fā)電裝機容量4萬kW。灌溉下游左岸43.5萬畝，灌溉最大引水流量40m3/s，引水高程352.5m。2地形地質壩址處的巖體可大致分為新鮮巖石、微風化及覆蓋層。河槽高程為332.0m，河槽處為半風化的花崗巖，風化層厚度為2 m，基巖具有足夠的

2、抗壓強度，巖體較完整，無特殊不利地質構造。兩岸風化較深呈帶狀，覆蓋層較少，厚度約23m，風化層厚12m，壩址兩岸均為花崗巖，巖石堅硬，裂隙不發(fā)育。壩基的力學參數(shù)：抗剪斷系數(shù)(混凝土與基巖之間)為f'=0.9, c'=700kPa?；鶐r的允許抗壓強度5 000kPa。地震的基本烈度為6度。3建筑材料砂料、卵石在壩址上、下游均有，壩址下游5km以內砂儲量豐富，可供建筑使用(建筑材料分布圖略)。 4水文壩址以上控制集雨面積145.0km2，多年平均流量3.1 m3/s，平均年徑流量5460.0萬m3。水文水利規(guī)劃成果如下：上游設計洪水位為385.4m，相應的下游水位為334.3m，庫

3、容為1 140萬m3，溢流壩相應的泄量為1 250m3/s；上游校核洪水位為386.7m，相應的下游水位335.2m，庫容為1 200萬m3，溢流壩相應的泄量為1 680m3/s；上游正常高水位為383.5m，相應的下游水位為331.7m，庫容為895萬m3；死水位為350m，相應的庫容為40萬m3。淤沙高程為345m，相應的庫容為35萬m3。5氣象本地區(qū)洪水期多年平均最大風速14m/s，水庫的風區(qū)長度為2.6km。6其它有關資料河流泥沙計算年限采用50年，壩前淤沙高程為345m，泥沙浮重度為9.5kN/m3，內摩擦角為12°。壩體混凝土重度采用24kN/m3， 2.2.1.2 工程

4、綜合說明根據(jù)工程的效益、庫容參照規(guī)范水利水電工等級劃分及洪水標準，(SL2522000)確定本工程屬于III等工程，其主要建筑物為3級。次要建筑物為4級，臨時性建筑物為5級。樞紐布置：本工程是以發(fā)電為主的綜合利用工程，溢流壩段應布置在主河槽處，沖沙孔應布置在電站進水口附近，另外電站布置應考慮地形、交通及電站附屬建筑物布置等條件。本樞紐的主體工程由擋水壩段、溢流壩段、泄水底孔壩段、電站壩段及其建筑物組成。電站為壩后式，該重力壩由18個壩段組成，每個壩段的長度大約為15m，從右岸至左岸依次為：1#6#壩段為擋水壩段、7#8#壩段為溢流壩段、9#10#壩段為底孔壩段、11#18#壩段為左岸擋水壩段，

5、該壩的壩基面最低高程為327.0m，壩頂高程為386.7m，最大壩高為59.7m，壩體總長為277.5m。詳圖見2-7。非溢流壩段：右岸全長90.5m，左岸全長120m，其中1#壩段長15.5m，其它各壩段均為15m。壩頂寬度為7m，壩頂兩側各設一人行道，人行道寬1m。壩頂?shù)纳嫌蝹仍O置鋼筋混凝土結構的防浪墻，墻高1.2m，寬0.3m，下游設置欄桿，沿壩軸線方向每隔20m設置一個照明燈。壩的其他尺寸為：上游面為折面，起坡點高程為347m，坡度為1:0.2；下游面坡度為1:0.7，折坡點的高程為379.5m。溢流壩段：全長34m，分2個壩段，每個壩段長17m，共分3孔。溢流堰頂高程為376.4m，

6、堰頂安裝工作閘門和檢修閘門，閘門寬×高=8m×8m，工作閘門為平面鋼閘門，采用壩頂門機啟閉。工作橋面高程與非溢流壩頂一致。堰頂設有兩個中墩，其厚度3m，邊墩厚2m，縫設在閘孔中間，溢流堰面采用WES曲線，過堰水流采用連續(xù)式鼻坎挑流消能，坎頂高程為336.2m，反弧半徑為18m，挑射角為25º。邊墩向下游延伸成導水墻，其高度為3.5m，斷面為梯形，頂寬為0.5m，底寬為2.0m，需分縫，縫距為15m。26 圖2-7 樞紐工程布置圖(單位：尺寸cm；高程：m)電站壩段：電站的裝機容量為2×2萬kW，壩段總長15m，壩頂高程為386.7m，壩頂寬度為16m，壩

7、頂人行道與擋水壩段一致，門機與溢流壩段一致，上游突出2m，為攔污柵槽，引水口中心線高程為348.5m，孔徑為3.0m，進口為三向收縮的喇叭口，進口前僅貼壩面布置攔污柵，進口處設置事故閘門和工作閘門，均為平面閘門。在進口閘門后設置漸變段，漸變段為圓角過度，長度為6m。電站廠房采用壩后式，位于左岸非溢流壩段后，由主廠房、副廠房等組成。副廠房在主廠房的上游側，廠房與壩之間用縫分開，主廠房寬15m，高22m，內設兩臺2萬kW的水輪發(fā)電機組，發(fā)電機層高程為332.0m。副廠房寬10m。樞紐的主要技術指標見表2-8。表2-8 主要技術指標一覽表序號項 目單 位數(shù) 量1流域面積 km23 2002裝機容量萬

8、kW43灌溉面積萬畝43.54校核洪水位m386.75設計洪水位m385.46正常高水位m383.57死水位m3508淤沙高程m3459設計洪水位時最大泄量m3/s1 25010校核洪水位時最大泄量m3/s1 68011壩頂長度m208.512最大壩高m59.713壩頂高程m386.714溢流堰頂高程m376.415電站進水口中心線高程m348.516壩段總數(shù)個1817總庫容萬m31 2002.2.2 壩型、壩址選擇2.2.2.1 壩型選擇壩址地形地質條件：河谷斷面比較寬淺，兩岸不對稱，右岸壩頭山梁單薄。壩址區(qū)域為花崗巖，完整性好，覆蓋層及風化層均較薄。建筑材料：經勘察，壩址附近缺乏土料，只有

9、23m厚的表層風化坡積物，數(shù)量不足，含水量又偏高，但砂石料儲量豐富。根據(jù)以上情況進行綜合分析如下：拱壩方案：河谷斷面寬淺，不是V字型，兩岸不對稱，山梁較單薄。沒有適宜的地形條件，故該方案不可取。土石壩方案：壩址附近沒有適宜的地形修建溢洪道，并且當?shù)赝亮媳容^缺乏，故該方案也不可取。重力壩方案：混凝土重力壩和漿砌石重力壩都能充分利用當?shù)氐淖匀粭l件，泄洪問題容易解決，施工導流容易。漿砌石重力壩雖然可以節(jié)約水泥用量、投資少，但不能實現(xiàn)機械化施工，施工速度慢，施工質量難以控制，故不可取?；炷林亓慰梢圆捎脵C械化施工，施工方便，施工速度較快，而且壩址附近砂石料比較豐富，施工技術比較成熟，工期短，故本工程

10、宜采用混凝土重力壩。2.2.2.2 壩址選擇 經地形地質勘測，壩址確定在峽谷出口處，峽谷上游是一巨大的山間盆地，建庫后可以有較大的庫容，并且壩軸線短，主體工程量小。峽谷出口后地形開闊，河岸邊可以布置生活區(qū)。從地形上分析可知，壩址處有上下兩條壩軸線可供選擇。上游壩軸線：基巖裸露，清基工程量可以減小，防滲工程施工方便，水流條件好，下泄水流與下游主流一致，可以防止下游河床發(fā)生沖刷；下游壩軸線：覆蓋層較厚，清基工程量大，防滲工程量和施工工程量大，下泄水流與左岸彎曲段近，容易產生淤積。兩條壩軸線在地質、樞紐布置、施工條件、建筑材料等方面基本相似。綜合上述，上游壩軸線優(yōu)于下游壩軸線，故應采用上游壩軸線。2

11、.2.3 非溢流壩設計2.2.3.1 剖面尺寸擬定1壩頂高程的確定按2.1.2.1中介紹的公式(2-1)分正常蓄水位和校核洪水位兩種情況分別計算。計算成果如表2-9。表2-9 壩頂高程計算匯總表計算情況風速(m/s)波高(m)波長(m)風壅水面高度(m)安全加高(m)靜水位以上的超高(m)壩頂高程(m)正常蓄水位281.4714.200.480.52.45385.95校核洪水位140.627.100.170.41.19387.9經比較可以得出壩頂或防浪墻墻頂高程為387.90m，并取防浪墻高1.20m，則壩頂高程為：387.9-1.2=386.70m最大壩高為：386.7-327.0=59.7

12、0m2壩頂寬度土壩建成后將成為連接左右岸的主要交通要道，根據(jù)設備布置、運行、檢修、施工及交通需要確定壩頂寬度取7m。3壩面坡度上游壩坡采用折線面，結合壩內發(fā)電引水管，泄水孔等建筑物進水口，確定起坡點高程為347m，坡度為1:0.2，下游坡度為1:0.7。下游坡的起坡點的高程m。4壩基的防滲與排水設施擬定由于防滲的需要，壩基須設置防滲帷幕和排水孔幕。據(jù)基礎廊道的布置要求，初步擬定防滲帷幕及排水孔中心線在壩基面處距離壩踵的水平距離分別7m和9m。擬定的剖面尺寸如圖2-8。圖2-8 非溢流壩剖面圖2.2.3.2 荷載計算1計算情況的選擇在設計重力壩剖面時，應按照承載能力極限狀態(tài)計算荷載的基本組合和偶

13、然組合。荷載基本組合有：正常蓄水位情況、防洪高水位情況、冰凍情況，偶然組合有：校核洪水情況、地震情況。設計時應對這五種情況分別進行計算，該算例僅以基本組合防洪高水位情況為例對河床壩段最大剖面進行荷載分析計算。2計算截面的選擇抗滑穩(wěn)定的計算截面一般選擇在受力較大、抗剪強度低、容易產生滑動破壞的截面，一般情況有以下幾種：壩基面、壩基內軟弱層面、壩基緩傾角結構面、不利的地形、混凝土的層面等。應力分析的位置一般有：壩基面、折坡處的截面、壩體削弱部位等。本次設計僅以壩基面為例來分析計算。3荷載計算設計洪水情況下作用在壩基面上的荷載有：自重、靜水壓力、揚壓力、淤沙壓力、浪壓力。先計算出荷載作用的標準值，標

14、準值乘以其分項系數(shù)即為荷載作用的設計值；然后，求出荷載作用點對滑動面截面形心的力臂、荷載所產生的力矩的標準值、設計值。荷載的計算成果見表2-10。有關參數(shù)的選擇：混凝土的重度為24kN/m3，水的重度為9.81kN/m3，揚壓力的折減系數(shù)為0.25（河床其他壩段與岸坡壩段揚壓力折減系數(shù)不同，因此對這些壩段進行計算時，應選取不同的值），泥沙的浮重度為9.5kN/m3，內摩擦角為12º，荷載作用的分項系數(shù)查混凝土重力壩設計規(guī)范(DL-S108-1999)表8.2.11。2.2.3.3 抗滑穩(wěn)定分析1基本荷載組合基本荷載組合包括防洪高水位情況、正常蓄水位情況和冰凍情況三種，抗滑穩(wěn)定對基本組

15、合采用承載能力極限狀態(tài)進行分析。(1) 設計洪水情況：0=1.0、=1.0，摩擦系數(shù)、凝聚力的分項系數(shù)查表2-2，分別為1.3、3.0，計算時荷載及材料性能均以設計值代入。表2-10 荷載計算成果表荷載作用及其分項系數(shù)標準值(kN)設計值(kN)對截面形心的力矩(m)力矩的標準值(kN.m)力矩的設計值(kN.m)垂直力水平力垂直力水平力+-+-自重(1.0)W1W2W396010 03020 74996010 03020 74920.215.40.319 393154 4626 22419 393154 4626 224水壓力(1.0)PH1PH216 72926116 72926119.4

16、72.43635325710635325710水壓力(1.0)PV1PV2PV31 5073921831 50739218320.921.621.231 4968 467388031 4968 4673 880泥沙壓力(1.2)PskHPskV3081 0093701 210621.76 68460548 0297 260浪壓力(1.2)PL1PL231524737829654.353.713 2641710415 89520 525小計34 12917 54434 19117 759-112 123-112 774揚壓力U1(1.0)U2(1.2)U3(1.2)U4(1.2)3 2801 1

17、282 3061 6923 2801 3532 7672 030018.41.619.9020 7553 69033 671024 8954 42740 397小計8 4069 430-58 116-69 719總計25 72317 54424 76117 759-170 239-182 493由以上計算可知：設計洪水情況下，壩基面滿足抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)要求。(2) 正常蓄水位情況(略)(3) 冰凍情況(略)2偶然荷載組合偶然荷載組合包括校核洪水位情況和地震情況，抗滑穩(wěn)定對偶然荷載組合也是采用承載能力極限狀態(tài)進行分析。詳細計算過程略，和基本荷載組合計算方法一樣。2.2.3.4 應力分析對基本組合

18、采用承載能力極限狀態(tài)法(荷載及材料性能均采用設計值)計算壩趾應力狀態(tài)，用正常使用極限狀態(tài)(荷載及材料性能均采用標準值)計算壩踵的應力狀態(tài)。設計洪水情況下，0=1.1，=1，=1.3。已知m=0.7，B=45.8 m。壩趾處：即 ： ，壩趾處的應力符合強度要求。壩踵處：即：壩踵處的應力符合強度要求。其它荷載組合略2.2.4 溢流壩設計2.2.4.1 孔口設計1泄水方式的選擇溢流重力壩的泄水方式主要有兩種，開敞溢流式和孔口溢流式，比較以上兩種泄水方式為使水庫具有較大的超泄能力，采用開敞式孔口。2洪水標準的確定該重力壩是III 級建筑物，故采用50年一遇的洪水標準設計，500年一遇的洪水標準校核。3

19、流量的確定設計情況下，溢流壩的下泄流量為1 250 m3/s；校核情況下溢流壩下泄流量為1 680 m3/s。4單寬流量的選擇壩址處基巖比較堅硬完整，壩址處河床寬度為208.5m，河槽寬度為2030m，綜合樞紐的布置及下游的消能防沖要求，單寬流量取50100m3/(sm)，5孔口凈寬擬定分別計算設計和校核情況下溢洪道所需的孔口寬度， 計算成果如表2-11：表 2-11 孔口凈寬計算表計算情況流 量Q(m3/s)單 流 量q(m3/s.m)孔口凈寬B(m)設計情況1 250501002512.5校核情況1 6805010033.616.8根據(jù)以上計算，溢流壩孔口凈寬取24m，假設每孔寬度為8m，

20、則孔數(shù)n為3。6溢流壩段總長度(溢流孔口的總寬度)的確定根據(jù)工程經驗，擬定閘墩的厚度。初擬中墩厚d為3m，邊墩厚t為2m，則溢流壩段的總長度B0為：B0=nb+(n-1)d+2t =24+6+4=34(m)7堰頂高程的確定由于溢流壩采用開敞溢流式，由堰流公式： 確定堰上水頭，則堰頂高程=計算水位H。初擬：側收縮系數(shù)=0.95 流量系數(shù)m=0.502(WES堰)s=1.0。計算成果如表2-12。表2-12 堰頂高程計算表計算情況流量(m3/s)側收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬(m)堰上水頭(m)堰頂高程(m)設計情況12500.950.502248.5376.9校核情況16800.950.502241

21、0.32376.4根據(jù)以上計算，取堰頂高程為376.4m，8閘門高度的確定門高=正常高水位-堰頂高程+0.10.2=383.5-376.4+0.1=7.2m，按規(guī)范取門高8m，2.2.4.2 溢流壩剖面設計1堰頂下游段堰面曲線堰頂下游段堰面曲線采用冪曲線：(圓點位于溢流壩頂點，x向下游為正、y以向下為負)。(1)定型設計水頭Hd的確定。堰上最大水頭：Hmax=校核洪水位-堰頂高程，即：Hmax=386.7-376.4=10.3(m)。定型設計水頭Hd為：Hd=(75%95%)Hmax=7.739.78(m)，取Hd =8.8m。查表知壩面最大負壓為：0.3Hs =2.64(m)，小于允許值(最

22、大不超過36m水柱)。(2)堰頂下游段堰面曲線冪曲線方程：n、k 為上游堰面坡度有關的參數(shù)，該設計上游面垂直，則k=2.0，n=1.85。則 2.上游面上游面采用橢圓曲線，其方程為：方程中： 取a=0.3，b=0.17，則aHd=2.64，bHd=1.5，其方程如下： 由上游面超出基本剖面，需將溢流壩作成倒懸的堰頂以滿足溢流曲線的要求，倒懸的高度： 取 d=6m2.2.4.3 水力計算 校核在設計水位和校核水位情況下溢流壩的泄流能力，采用公式：式中 ： c=1.0 (上游面為垂直面) m根據(jù)Hw/Hd參考規(guī)范(DL5108-1999)附錄選取。 按水力學方法計算 s=1.0計算成果列表2-13

23、。由表2-13可知溢流壩滿足泄流能力要求。表2-13 泄流能力校核計算表計算情況mB(m)H(m)Q(m3/s)設計情況0.5020.902491 2973.8%校核情況0.5120.922410.31 6710.5%2.2.4.4 消能防沖設計根據(jù)地形地質條件，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經驗，挑射角=25º，挑流鼻坎應高出下游最高水位(335.2m)12m，鼻坎的高程為：335.2+1=336.2m。1.反弧半徑的確定坎頂水流流速V按下式計算：坎頂水深為：反弧半徑R為：R=(410)h=7.718.8(m)取R=18m2水舌的挑距L及可能最大沖坑的深度估算水舌的挑距L及可能最大沖坑

24、的深度tk可按公式(2-5)(2-9)計算，經計算得： =102 (m) (m)L/tk=4.43>2.5,由此可知，挑流消能形成的沖坑不會影向大壩的安全。2.2.5 細部構造2.2.5.1 壩頂構造1 非溢流壩壩頂上游設置防浪墻，與壩體連成整體，結構為鋼筋混凝土結構，防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內設止水。墻高為1.2m，厚度為30cm，以滿足運用安全的要求。壩頂采用混凝土路面，向兩側傾斜，坡度為2%，兩邊設有排水管，匯集路面的雨水，并排入水庫中。壩頂公路兩側設有寬0.75m人行道，并高出壩頂路面20cm，壩頂總寬度為7m，下游設置欄桿及路燈。 2溢流壩溢流壩的上部設有閘門、閘墩、門

25、機、交通橋等結構和設備。閘門的布置 工作閘門布置在溢流壩的頂稍偏向下游一些，以防閘門部分開啟時水舌脫離壩面而形成負壓。采用平面鋼閘門，門的尺寸高×寬=8m×8m，工作閘門的上游設有檢修閘門，二門之間的凈距為2m，3閘墩閘墩的墩頭形狀：上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程，即386.7m，下游布置交通橋，橋面高程為非溢流壩頂高程。中墩的厚度3m，邊墩的厚度2m，溢流壩的分縫設在閘孔中間，故沒有縫墩。工作閘門槽深1m，寬1m，檢修閘門槽深0.5m，寬0.5m。4導水墻邊墩向下游延伸成導水墻。其長度：延伸到挑流鼻坎的末端；高度經計算得3.5

26、m，導水墻需分縫，間距為15m，其橫斷面為梯形，頂寬取0.5m。2.2.5.2 分縫與止水1橫縫垂直于壩軸線布置，縫距為15m，縫寬2cm，內有止水。2止水設有兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片采用1.0mm厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面1.0m。兩道止水片間距為1m，中間設有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。3縱縫縱縫為臨時性，縫內設有鍵槽，待混凝土充分冷卻后，水庫蓄水前進行灌漿?？v縫與壩面正交，縫距為15m。4水平縫混凝土澆筑塊厚度為4m，縱縫兩側相鄰壩塊的水平縫錯開布置，上下層混凝土澆筑間歇為5d，上層混凝土澆筑前要對下層混凝土鑿毛，并沖洗干凈，鋪2cm厚的水泥砂漿。2.2.5.3 廊道系統(tǒng)1基礎廊道位置：廊道底部距壩基面5m，上游側距上游壩面7m，形狀：城門洞形；底寬3m，高3.5m，內部上游側設排水溝，并在最低處設集水井。平行于壩軸線方向廊道向兩岸沿地形逐漸升高，坡度不大于40º。2壩體廊道自基礎廊道沿壩高每隔15m設置一層廊道，共設兩層。底部高程分別為347m、362m，形狀為城門洞形，其上游側距上游