重力壩具體布置計(jì)算溢流荷載項(xiàng)目設(shè)計(jì)書

1 重力壩具體布置計(jì)算溢流荷載項(xiàng)目設(shè)計(jì)書 1 基本資料及樞紐布置 本資料 形地質(zhì) 地形情況見附圖。 河床高程 325m。約有 2 3石為磷狀灰?guī)r，較完整，節(jié)理不發(fā)育，風(fēng)化層厚 l 2m，無特殊不利地質(zhì)構(gòu)造。 文 本樞紐屬中型水庫(kù)三等工程。永久性重要建筑物為三級(jí)，按規(guī)范要求，采用 50 年一遇洪水設(shè)計(jì)， 500年一遇洪水校核。 經(jīng)水文水利計(jì)算，有關(guān)數(shù)據(jù)如下表 特征水位 上游水位 （ m） 下游水位 (m) 庫(kù)容 (萬 相應(yīng)泄量 溢流壩 (m3/s) 校核洪水位 150 1560 設(shè)計(jì)洪水位 090 990 正常高水位 50 最低運(yùn)用水位 341 38 2 淤沙高程 340 30 他有關(guān)數(shù)據(jù) 多年平均最大風(fēng)速 15m s； 水庫(kù)吹程 D= 混凝土重度 24 淤沙浮重度 內(nèi)摩擦角 120度； 地震波計(jì)烈度 6度； 基巖允許抗壓強(qiáng)度 3 103 混凝土與基巖之間抗剪斷參數(shù) f = c=700 巖石沖坑系數(shù) a= 本樞紐選用混凝土重力壩 由非溢流重力壩段和溢流 壩段組成。 紐布置 址和壩型選擇 壩址、壩型的選擇是水利樞紐布置的重要內(nèi)容，二者相互聯(lián)系。不同的壩址可選擇不同的壩型。本設(shè)計(jì)中河谷寬闊，地址條件好，所以選擇為重力壩。 質(zhì)條件 地質(zhì)條件是壩址、壩型選擇的重要條件，重力壩需建在巖基上，其重力壩樞紐布置關(guān)鍵因素是地質(zhì)條件，所以在考慮地質(zhì)條件時(shí)應(yīng)注意，斷層破碎帶、軟弱夾層，垂直水流的陡傾斜角斷層， 應(yīng)盡量避開巖溶地區(qū)查明潛伏溶洞、暗河、溶溝和溝槽等對(duì)建筑物的影響，應(yīng)對(duì)不利影響作出研究和論證。 形條件 不同的壩對(duì)地形的要求也不一樣，在山谷地區(qū)布置水利樞紐時(shí)，應(yīng)盡量少高邊坡開挖，壩址選在河谷段，壩軸線斷減小壩體工程量，但對(duì)泄水和發(fā)電不利。在壩址選擇時(shí)，要注意壩址位置是否對(duì)取水防沙及漂木有利。 筑材料 壩址附近有足夠數(shù)量符合要求的建筑材料。采用混凝土?xí)r，要求可作骨料用的沙卵石或碎石料廠。 3 工要求 要便于施工導(dǎo)流，壩址附近應(yīng)有開闊的地形，便于布置施工場(chǎng)地， 應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)，正確對(duì)待施工條件問題。 合效益 對(duì)不同的壩址要綜合考慮防洪、灌溉、發(fā)電、航運(yùn)、旅游等部門的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)環(huán)境的影響。 樞紐的等級(jí)和攔和壩的級(jí)別確定 本樞紐庫(kù)容 1090萬 他資料沒有給出，所以根據(jù)水利水電樞紐等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)確定本樞紐為三等工程。根據(jù)工程的級(jí)別查得，攔河壩為三級(jí)建筑物。 紐的總體布置 溢流壩 非溢流壩主要起擋水作用，布置與左右兩岸，右岸非溢流壩段，從右往左， 1號(hào) 5號(hào)壩段，共 5個(gè)壩段，壩段長(zhǎng) 8號(hào) 15號(hào)壩段，每個(gè)壩段長(zhǎng) 18m，沿壩軸線全長(zhǎng)為 136.5 m,壩頂高程 浪墻頂高程為 力壩最大壩高 大壩寬 床溢流壩 為使洪水下泄順暢，溢流壩布置在河床主流上，分為 2壩段，每段長(zhǎng) 17m，沿壩軸線長(zhǎng) 34m，壩頂高程 大壩底寬 59m，為滿足洪水的下泄要求，在溢流壩頂設(shè) 3個(gè)泄水孔， 每孔寬 8 m，溢流面采用 用挑流消能，同時(shí)為了滿足工作橋與交通橋的要求，溢流壩設(shè) 4個(gè)閘墩，其中 2個(gè)中墩，每個(gè)長(zhǎng) 15m，寬 3m,2個(gè)邊墩，每個(gè)長(zhǎng)15m，寬 2m,為了防止壩面水流向西，側(cè)溢流邊墩向下游延伸為導(dǎo)水墻，長(zhǎng) 15m，高 3m。 紐沿壩軸線全長(zhǎng) 分為 15個(gè)壩段，樞紐詳細(xì)布置見圖紙。 4 非溢流壩段 非溢流壩段溢流壩段2 非溢重力流壩剖面設(shè)計(jì) 體剖面尺寸 擬定 頂高程的確定 壩頂高程分別把按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)校核洪水位兩種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，取二者中的較大值，作為選定的壩頂高程為了交通和運(yùn)用管理的安全，非溢流重力壩的壩頂必須高出靜水位。其高出的 h=hc+hz+中： 浪高程 浪中心線高出靜水位的高度 cm 全超高 浪長(zhǎng)、浪高的確定采用官?gòu)d公式，計(jì)算風(fēng)速 速的 2倍，在校核洪水位時(shí)采用多年平均最大風(fēng)速，安全超高 計(jì)時(shí)取 核市取 官?gòu)d公式： c 5 c （ m） 式中： 算風(fēng)速 D：風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度 浪中心線高出正常蓄水位的高度 H：壩前水深 （ 1）設(shè)計(jì)水位情況：風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度 D=算風(fēng)速 北緯 30m/s。 波高 : hc=312012100 0 7 = 0 7 312121 = =長(zhǎng)： L= = 8 3 6 3 5 =浪中心線至計(jì)算水位的校核： 22 HL 12 2 8 0 壩頂高程 = 2）校核洪水位情況，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度 D=2500計(jì)算風(fēng)速為平均年最大風(fēng)速的 1 倍為 15m/s。 波高 hc=312012100 0 7 6 =312121 = 9 5 9 5 8 7 =長(zhǎng)： L= = 0 = 9 5 9 3 3 =浪中心線至計(jì)算靜水位的高度： 8 6 壩頂高程 =防浪墻高度 設(shè)計(jì)壩頂高程為 核壩頂高程為 核最大拔高為 表計(jì)算壩頂高程 計(jì)算 項(xiàng)目 m/s) m) L (m) m) m) h (m) 防浪墻頂高程 (m) 壩頂高程(m) 設(shè)計(jì) 30 核 15 覆蓋層為 3化層為 2行壩高計(jì)算。 頂寬度的確定 壩頂寬度在考慮交通要求按 圖示壩寬為 m 坡的確定 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn) ,考慮利用部分水增加壩體穩(wěn)定 ,上游壩面采用折坡 ,起坡點(diǎn) ,按要求為1/3 壩高 ,該工程擬折坡點(diǎn)高程為 部鉛直 , 下部為 1:斜坡 ,下游壩破取 1:本三角形頂點(diǎn)高程為 上鉛直壩面。 7 體防滲排水 根據(jù)上述尺寸算得壩體最大寬度為 析地基條件，要求設(shè)防滲灌漿帷幕和排水幕，灌漿帷幕中心線距上游壩距 水孔中心線距 防滲帷幕中心線 設(shè)廊道系統(tǒng)，實(shí)體重力壩剖面設(shè)計(jì)暫不計(jì)入廊道的影響，廊道為 75.3 m ，底距地面 5m，帷幕灌漿孔距廊道內(nèi)壁 ，排水孔距廊道下游內(nèi)壁 ，采取排水孔與重線的斜角 010 ，傾角下游這樣的排水孔距帷幕灌漿孔在壩基的水平距離為 8 擬定的非溢流壩剖面如下所示 9 1:11:13 7 2 . 23 8 0 . 23 8 2 . 7非溢流壩剖面圖1: 03 2 03 2 53 2 53 4 53 6 53 5 1 . 03 2 03 2 53 3 2 . 載作用及組合 以設(shè)計(jì)洪水位情況為例，進(jìn)行穩(wěn)定和應(yīng)力的極限狀態(tài)驗(yàn)算。根據(jù)荷載組合表 2計(jì)洪水情況的荷載組合包含：自重 +靜水壓力 +淤沙壓力 +揚(yáng)壓力 +浪壓力。沿壩軸線取單位長(zhǎng)度 1 重 將壩體剖面分成兩個(gè)三角形和一個(gè)長(zhǎng)方形計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)值，廊道的形狀暫不計(jì)入。 4*103321* 0 3 4 . 41*24*41*水壓力 按設(shè)計(jì)洪水時(shí)的上下游水平水壓力和斜面上的垂直水壓力分別計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)值。 10 1 7 5 71*1直壓力 80 7 1 4 1*219 1 4 沙壓力 3 8 01*0*20*1 4 521245*t 0*1 H 水平：垂直：泥沙壓力分水平方向和垂直方向計(jì)算。泥沙浮重度為 m/內(nèi)摩擦角 ，水平淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值為 )2 s( 45t a 1P 。 壓力 壩前水深大于 1/2，波長(zhǎng)（ 2/取下式計(jì)算浪壓力標(biāo)準(zhǔn)值）。 )(*41 21 1 壓力 揚(yáng)壓力強(qiáng)度在壩址處為 1排水孔中心線上為 )2( 2 ，壩址處為 2。 托力 ： （ W ） 2 81*7* 透力 ： （ 4*U 4*13 424(*14 11 滑穩(wěn)定分析 本次采用抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)法，經(jīng)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)洪水位壩基面滿足抗滑穩(wěn)定要求。 大壩以防洪為主， 3級(jí)建筑物對(duì)應(yīng)可靠度設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要系數(shù) 9.0體上的荷載分為兩種組合。 ，結(jié)構(gòu)系數(shù)為 2.1偶然組合省略。壩址抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)狀況系數(shù)為 =構(gòu)系數(shù)為 3.1 可靠度設(shè)計(jì)要求均采用作用設(shè)計(jì)值和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，作用標(biāo)準(zhǔn)值乘以作用分項(xiàng)系數(shù)后的值的作用設(shè)計(jì)值。材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以材料性能分項(xiàng)系數(shù)后的值為材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。本社及有關(guān)作用分項(xiàng)系數(shù)查表 2重為 水壓力為 透壓力 沙壓力為 壓力為 凝土材料的強(qiáng)度系數(shù)為 大壩混凝土用90d ，齡期大壩混凝土抗壓強(qiáng)度材料分項(xiàng)系數(shù)為 軋一級(jí)鋼筋強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為 、三、四級(jí)為 料性能分項(xiàng)系數(shù)中隊(duì)混凝土與基礎(chǔ)康健強(qiáng)度摩擦系數(shù)聚力游壩踵不出現(xiàn)拉應(yīng)力，極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)極限值為 0。下實(shí)體重力壩滲透力強(qiáng)度系數(shù) 2為 抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)計(jì)算： 壩體抗滑極限狀態(tài)屬承載力極限狀態(tài)，核算時(shí)其作用和材料性能均以設(shè)計(jì)值代入?；窘M合時(shí) ,9.0 ， 2.1K p 00,6 9 2 1 (.)2121( 2221 s k )1(*1*2 )(1( . )111 )1* 由于 ,4 3 7 6 5 故基 本組合時(shí)抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)滿足要求。 力分析 址抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)計(jì)算 12 重力壩正常運(yùn)行時(shí)，下游壩址發(fā)生最大主壓應(yīng)力，極限抗壓強(qiáng)度承載能力極限狀態(tài)，作用效應(yīng)函數(shù)為： )1)( .) 22抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)抗力函數(shù)為 RC (.)(.) 或核算壩址抗壓強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按材料的標(biāo)準(zhǔn)值和作用的標(biāo)準(zhǔn)值或代表值分別計(jì)算組合 。 壩址抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)，屬承載能力極限狀態(tài)核算時(shí)其作用和材料性均以設(shè)計(jì)值代入。 基本組合時(shí)： 9.0 3.1計(jì)算： ) .) 22 oo ) 13* 7(2 對(duì)壩址基巖： k p a 0 73 0 0 0*3 0 0 0*. )由于 以上游壩踵不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足要求。 3 溢流重力壩設(shè)計(jì) 流孔口設(shè)計(jì) 流形式 溢流重力壩既要擋水又要泄水，不僅要滿足穩(wěn) 定和強(qiáng)度要求，還要滿足泄水要求。因此需要有足夠的孔口尺寸。較好體型的堰型以滿足泄水要求，并使水流平順不產(chǎn)生空蝕破壞，主要泄水方式有開場(chǎng)溢流式和孔口溢流式。根據(jù)比較本設(shè)計(jì)采用開場(chǎng)式溢流。 水標(biāo)準(zhǔn)確定 根據(jù)水工建筑物9陵區(qū)水利水電樞紐工程水工建筑洪水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，采用 50年一遇洪水設(shè)計(jì)， 500年一遇洪水校核。 計(jì)流量的選擇 確定設(shè)計(jì)流量時(shí)，先擬定溢流壩的泄水方式，然后進(jìn)行調(diào)洪演算。求得各方案的防洪庫(kù)容。設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位及相應(yīng)的下泄流量，還必須考慮其他建筑物分擔(dān)的泄洪任務(wù)： 式中：下泄流量 下泄影響系數(shù) 經(jīng)過建筑物等的下泄流量 本設(shè)計(jì)取 Q 校 、 Q 設(shè) 寬流 量 q 的確定 單寬流量是確定孔口尺寸的重要依據(jù)，單寬流量大，溢流孔口的寬度可以縮短。有利于樞紐的布置，但增加下游消能的困難，下游的局部沖刷可能更嚴(yán)重。反之，單寬流量小，有利于下游消能，但溢孔口的寬度增大，對(duì)樞紐的布置不利。因此，一個(gè)經(jīng)濟(jì)而安全的單寬流量必須綜合地質(zhì)條件、下游河流水深、樞紐布置、消能等各種困難。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 14 后確定。 工程實(shí)踐證明對(duì)于軟弱夾層巖石常取 35020 。中等堅(jiān)硬的巖石取 310050 。特別堅(jiān)硬的巖石 3150100 。本設(shè)計(jì)取 380 。 流孔口尺寸的確定 口凈寬的計(jì)算 B 校 =Q 校 /q=1560/80= 設(shè) =Q 設(shè) /q=990/80=算情況 泄量 單寬流量 3 孔口凈寬 設(shè)計(jì)情況 990 80 10 20 校核情況 1560 80 15 25 根據(jù)以上計(jì)算取溢流壩孔口凈寬為 24m。假設(shè)每孔凈寬為 8m,孔數(shù)為 3。 流壩總長(zhǎng)度的確定 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬定閘墩的厚度初擬中墩厚 d=3m，邊墩厚 d=21為： B1=d+2t=24+2 3+2 2=34m 頂高程的確定 根據(jù)公式 32 初擬時(shí) 取 m 取 略行進(jìn)流速水頭，故堰頂高程即為設(shè)計(jì)洪水位減去堰上水頭 H. 5 6 032 0 9 032 堰頂高程計(jì)算 計(jì)算情況 流量 m3/s 側(cè)收縮 系數(shù) 流量系數(shù) 孔口凈寬 m 堰上水頭 m 水位高程 m 堰頂高程 m 校核情況 1560 4 計(jì)情況 990 4 據(jù)以上計(jì)算取堰頂高程為 門高度的確定 門高 =正常高水位 堰頂高程 +（ =15 =規(guī)范取門高 5m， 8/5=足閘門寬高比系（ 型設(shè)計(jì)水頭的確定 堰上最大 水頭 核洪水位 堰頂高程 =型設(shè)計(jì)水頭為 75%95%） m， 表 2 14知，壩面最大負(fù)壓為 超過 36 流能力校核 閘墩用半圓形 4.0k代入公式k 00 )1( n 溢流孔數(shù) b 每孔的凈寬 0H 堰頂水頭 0 閘墩形狀系數(shù) k邊墩形狀系數(shù) 設(shè) = 校 = 設(shè) = P 校 =d 設(shè) = =于 實(shí)用堰，在堰上游面垂直，且 33.1，可認(rèn)為是高堰不考慮行進(jìn)流速水頭。在這種情況下，若 d，即實(shí)際工作全水頭剛好等于設(shè)計(jì)水頭時(shí)， 0， 力學(xué) 19查出。 設(shè) m m 16 泄洪能力校核計(jì)算表 計(jì)算情況 m )()()( 3 %100 設(shè)計(jì)情況 4 58 校核情況 4 490 能防沖設(shè)計(jì) 據(jù)地形地質(zhì)條件，選用挑流效能 挑流效能的原理：一是空中挑距，即利用鼻坎挑射出的水股在空中擴(kuò)散摻氣消耗一部分功能。二是水下消能即利用擴(kuò)散了的水 舌落入下游河床時(shí)與下游河道水體發(fā)生碰撞。并在水舌入水點(diǎn)附近形成的兩個(gè)旋滾消耗剩余的大部分功能。 挑流消能的優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，不需修建大量的下游護(hù)坦，便于維修，但也有缺點(diǎn)。挑流引起的水流霧化嚴(yán)重，尾水波動(dòng)大。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，挑射角 025 。挑流鼻坎應(yīng)高出下游最高水位 12m。鼻坎的高程為 = 流消能計(jì)算 算挑流的目的是為了明確沖刷坑最深點(diǎn)的位置。挑距由空 中挑距 L=1 中挑距 計(jì)算 空中挑距 21211210 s 2112s 式中 : 的高差上游水面至挑坎的頂部1s 挑坎高度a 鼻坎挑射角 沖刷坑后下游的水深1k 驗(yàn)公式計(jì)算壩面流速系數(shù)，可按經(jīng) 17 其中 , 0 5 k 在 25s i i 下挑距計(jì)算： t1式中：o o o o o = t g 2 6 總挑距 L= 4 6 18 沖刷坑后坡 （ 1/） 故不會(huì)危及建筑物的安全。 S 校核 = 1 K 校核 = 校核 i 21125s i n 220 校核 1z 校核 c 2 ）（校校校校5/1計(jì)算表如下： 挑流計(jì)算表 計(jì)算情況 校核情況 設(shè)計(jì)情況 1S 7.1 k l（ m） 6.4 m） 5 7.1 z （ m） （ m） l （ m） l （ m） 19 反弧半徑的確定： 坎頂水流流速 2 3 . 設(shè) 校 坎頂水深為 校設(shè) 反弧半徑為 校設(shè) 取反弧半徑為 15m. 反弧半徑計(jì)算表 計(jì)算情況 1 H （ m） 坎頂水深 h（ m） 反弧半徑 R（ m） 實(shí)際半徑（ m） 設(shè)計(jì)情況 5 校核情況 流壩剖面設(shè)計(jì) 溢流堰面曲線常采用非真空剖面線，采用較為廣泛的非真空剖面曲線有克奧曲線和線兩種，經(jīng)比較本工程選用 線，溢流壩的基本剖面為三角形。一般其上游面為鉛直，溢流面有頂部的曲線、中間的直線、底部的反弧三部分組成。 線坐標(biāo)計(jì)算 算公式參數(shù) 原點(diǎn)上又采用橢 圓曲線，其方程為 1222 式中： a、 b系數(shù) a a/b=a 20 m，取 a=入公式計(jì)算 b= 222 s s 圓點(diǎn)上游曲線計(jì)算表 222 x y 標(biāo)計(jì)算 圓點(diǎn)下游采用 方程為 式中： n、 k系數(shù) n= k=S定型設(shè)計(jì)水頭 部的曲線段確定后，中部的直線段與頂部的反弧段相切，其坡度一般與非溢流壩下游坡率相同，即為 1： m，直線段與 點(diǎn) x 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y 弧段的計(jì)算已完成。 反弧段的圓心求法：先畫一條平行與壩的下游面且相距圓弧半徑 畫一條與挑壩頂點(diǎn)相距為 水平線，兩縣的交點(diǎn)即為圓心。 21 水庫(kù)校核洪水位6制溢流壩剖面 制 線 制基本剖面圖 溢流壩剖面圖 22 流壩頂布置 墩 閘墩的墩頭形狀，上游采用半圓形，下游采用半圓形，其中上游布置于工作橋頂部，高程取非溢流壩頂高程。中墩的厚度為 3m，邊墩的厚度為 2m，溢流壩的分縫設(shè)在閘空中件，故沒有縫墩，工作閘 門槽深 1m，寬 1m，檢修閘門槽深 圖圖 作橋布置 工作橋布置固定或移動(dòng)式啟閉機(jī)，當(dāng)采用移動(dòng)式啟閉機(jī)時(shí)，工作橋和交通橋可以合二為一，當(dāng)采用固定式啟閉機(jī)時(shí)，二者可以分開布置工作橋和交通橋相互間的位置，應(yīng)由非溢流壩壩頂?shù)慕煌ㄒ蟠_定。本工程交通橋與工作橋合二為一，寬 7m，高程為 導(dǎo)墻布置，邊墩向下游延伸成導(dǎo)墻，其中延伸到挑流鼻坎的末端，導(dǎo)墻需分縫，間距為 15m，其橫斷面為梯形，頂寬去 23 4 重力壩的主要構(gòu)造及地基處理 力壩構(gòu)造 頂構(gòu)造 溢流壩段 根據(jù)交通要求壩頂做混凝土路面。橫坡為 2%。兩邊每隔 10集路面的雨水，并排如水庫(kù)中。壩頂設(shè)置防浪墻，與壩體連成整體。其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土。防浪墻設(shè)在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫為防止水。墻高為 度為 25頂公路兩側(cè)設(shè)有 行道，并高出壩頂路面 20頂總寬度為 7m，下游設(shè)置欄桿及路燈。 流壩段 溢流壩的上部設(shè)有閘門、閘墩、門機(jī)。 通橋等結(jié)構(gòu)和設(shè)備。 道的布置和尺寸 礎(chǔ)灌漿廊道 位置：廊道底部距壩基面 5m，上游側(cè)距上游壩面 5m。形狀，城門洞形。底寬 部上游側(cè)設(shè)排水溝，并在最底處設(shè)集水井。 體廊道 自基礎(chǔ)廊道沿壩高每隔 20部高程分別為 345m， 365m。形狀為城門洞形，其上游側(cè)距上游壩面 5m，底寬 了減小揚(yáng)壓力，在壩體內(nèi)設(shè)置排水管， 5。間距為 3。無砂多孔混凝土管。排水管將滲水收集到廊道內(nèi)排出。 逢布置 為了防止壩體因溫度變化和地基不均勻沉陷而產(chǎn)生裂縫滿足