水工建筑物重力壩課程設(shè)計(jì)

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1工程總體布置

工程等別及建筑物級(jí)別

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（SL252-2000）》，確定工程規(guī)模、工程等別、防洪標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。澆灌農(nóng)田在50萬畝以上，屬于Ⅱ等中型工程。發(fā)電在20萬千瓦。根據(jù)規(guī)范，按各指標(biāo)中最高等級(jí)確定工程等別：綜合取水庫工程等級(jí)為Ⅱ等中型工程。

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)（SL252-2000）》中“水庫大壩提級(jí)指標(biāo)〞表中的規(guī)定，混凝土和漿砌石重力壩大壩高度超過了100m，按提高一級(jí)的規(guī)定，大壩的建筑物級(jí)別提高為1級(jí)。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物為2級(jí)，次要建筑物和臨時(shí)建筑物為2級(jí)，而洪水標(biāo)準(zhǔn)不提高。

2非溢流壩壩體設(shè)計(jì)

2.1剖面擬定

2.1.1剖面設(shè)計(jì)原則

1、設(shè)計(jì)斷面要滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求；2、力求剖面較小；3、外形輪廓簡(jiǎn)單；

4、工程量小，運(yùn)用便利，便于施工。2.1.2擬定基本剖面

重力壩的基本剖面是指在自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚(yáng)壓力三項(xiàng)主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如圖3—1，在已知壩高H、水壓力P、抗剪強(qiáng)度參數(shù)f、c和揚(yáng)壓力U的條件下，根據(jù)抗滑穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般狀況下，上游壩坡坡率n=0～0.2，常做成鉛直或上鉛直下部?jī)A向上游；下游壩坡坡率m=0.6～0.8；底寬約為壩高的0.7～0.9倍。

圖3-1重力壩的基本剖面圖示

2.1.3擬定實(shí)用剖面一、確定壩頂高程

1、超高值Δh的計(jì)算（1）基本公式

壩頂高程應(yīng)高于校核洪水位，壩頂上游防浪墻頂高程應(yīng)高于波浪頂高程，防浪墻頂至設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）計(jì)算。

Δh=h1%+hz+hc（3-1）

Δh—防浪墻頂與設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差，m；H1%—累計(jì)頻率為1%時(shí)的波浪高度，m；

hz—波浪中心線至設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差，m；

hc—安全加高，按表3－1采用,對(duì)于Ⅲ級(jí)工程，設(shè)計(jì)狀況hc＝0.4m，校核狀況hc＝0.3m。

表2－1壩的安全加高h(yuǎn)c

運(yùn)用狀況設(shè)計(jì)狀況（基本狀況）校核狀況（特別狀況）壩的級(jí)別1230.70.50.50.40.40.3下面按官廳公式計(jì)算h1%，hz。（適用于V0小于２０m/s，Ｄ小于２０km的峽谷水庫）

V0為計(jì)算風(fēng)速，m/s，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位采用不同的計(jì)算風(fēng)速值。正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，采用的最大風(fēng)速１７m/s，西北偏西；校核洪水位時(shí)，采用多年平均最大風(fēng)速１２m/s。

D為吹程，km，按回水長(zhǎng)度計(jì)算：正常蓄水位時(shí)回水長(zhǎng)度為4.5km，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)回水長(zhǎng)度為4km，校核洪水位時(shí)回水長(zhǎng)度為4km。

波高h(yuǎn)l，當(dāng)gD/V02=20～250時(shí)，為累計(jì)頻率5%的波高h(yuǎn)5%；當(dāng)gD/V02=250～1000時(shí)，為累計(jì)頻率10%的波高h(yuǎn)10%。規(guī)范規(guī)定應(yīng)采用累計(jì)頻率為1%時(shí)的波高，對(duì)應(yīng)于5%波高，應(yīng)乘以1.24；對(duì)應(yīng)于10%波高，應(yīng)乘以1.41。

首先計(jì)算波浪高度hl和波浪長(zhǎng)度L和波浪中心線超出靜水面的高度hz。（1）設(shè)計(jì)洪水位時(shí)Δh計(jì)算

風(fēng)速采用的風(fēng)速217m/s，吹程D=4.5km。波浪三要素計(jì)算如下：

波高h(yuǎn)l=0.0166V0D=0.0166×17×4.5=0.95m波長(zhǎng)L=10.4(h1)=10.4×0.95=9.98m壅高h(yuǎn)z=πhl/L=3.14×0.95/9.98=0.28mgD/V0=9.8×4500/17=152.60250；

h1%=1.41h10%=1.41×0.59=0.83m；hz=0.16m；hc=0.5mΔh=h1%+hz+hc=0.83+0.16+0.5=1.49m2、壩頂高程計(jì)算

壩頂高程按式（3-5）計(jì)算，并選用其中較大值

壩頂高程=設(shè)計(jì)洪水位+Δh設(shè)

壩頂高程=校核洪水位+Δh校（3-5）根據(jù)以上兩種水位時(shí)Δh計(jì)算結(jié)果，得出兩種狀況下壩頂高程。（1）設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的壩頂高程：

▽壩頂=設(shè)計(jì)洪水位+Δh

=186.60+2.16=188.76m

（2）校核洪水位時(shí)的壩頂高程：

▽壩頂=校核洪水位+Δh

=189.60+1.49=191.09m

為保證大壩的安全運(yùn)行，應(yīng)選中用其中的較大值▽壩頂＝191.09m，且壩頂高程要高于校核洪水位，所以取壩頂高程為▽191.09m。

2.2、確定壩基高程

2

2

2

2

0.8

0.8

5/4

1/3

5/4

1/3

2

2

2

2

0.8

0.8

5/4

1/3

5/4

1/3

河床高程100m，校核洪水位為191.09m，地基開挖時(shí)河床上的大塊石、卵石必需清除5-6m，所以開挖應(yīng)按100m以上壩高標(biāo)準(zhǔn)要求考慮。根據(jù)規(guī)范，壩高明過100m時(shí)，可建在新鮮下部基巖上，故挖6m。

壩基為花崗斑巖，風(fēng)化較淺，巖性均一新鮮完整堅(jiān)硬。壩址的地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，無大的地質(zhì)構(gòu)造，緩傾角節(jié)理延伸短，整體滑動(dòng)可能性小。但傾角節(jié)理較發(fā)育，以節(jié)理構(gòu)造為主，應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)開挖予以挖除7m。通過立式圖上確定的壩基開挖線定出建基面最低開挖高程為▽87m，因此，最大壩高為104m，屬于高壩。2.3、擬定壩頂寬度

壩頂寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)備布置、運(yùn)行、檢修、施工和交通等需要確定并應(yīng)滿足抗震，特大洪水時(shí)維護(hù)等要求。

因無特別要求，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，壩頂寬度可采用壩高的8%～10%取值，且不小于2m并應(yīng)滿足交通和運(yùn)行管理的需要。按壩高的10%計(jì)算，即為10.4米，考慮到上游防浪墻、下游側(cè)護(hù)欄、排水溝槽及兩邊人行道等，取壩頂寬為12m，以滿足大壩維修作業(yè)通行需要。2.4、擬定剖面尺寸

根據(jù)規(guī)范SL319-2023規(guī)定，非溢流壩段的基本斷面呈三角形，其頂點(diǎn)宜在壩頂附近?；緮嗝嫔喜吭O(shè)壩頂結(jié)構(gòu)。壩體的上游面可為鉛直面、斜面或折面。

實(shí)體重力壩上游壩坡宜采用1∶0～1∶0.2，壩坡采用折面時(shí)，折坡點(diǎn)高程應(yīng)結(jié)合電站進(jìn)水口、泄水孔等布置，以及下游壩坡優(yōu)選確定。

下游壩坡可采用一個(gè)或幾個(gè)坡度，應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定和應(yīng)力要求并結(jié)合上游壩坡同時(shí)選定。下游壩坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；對(duì)橫縫設(shè)有鍵槽進(jìn)行灌漿的整體式重力壩，可考慮相鄰壩段聯(lián)合受力的作用選擇壩坡。擬定壩體形狀為基本三角形。壩的下游面為均一斜面，斜面的延長(zhǎng)線與上游壩面相交于最高庫水位處，為了便于布置進(jìn)口控制設(shè)備，又可利用一部分水重幫助壩體維持穩(wěn)定，本次設(shè)計(jì)采用上游壩面上部鉛直，下部?jī)A斜的形式。該形式為實(shí)際工程中經(jīng)常采用的一種形式，具有比較豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。

上游設(shè)置成折面可利用淤沙增加壩體自重，折點(diǎn)設(shè)置在淤沙水位以上，由資料可知，淤沙高程為115m，由于死水位為164m，折點(diǎn)取在高程為151m的位置。通過最優(yōu)方案的比較，上游壩坡取1：0.18，下游壩坡取1：0.7。2.5、壩底寬度擬定

壩底寬度約為壩高的0.7～0.9倍，本工程的壩高為104m，通過已經(jīng)確定的上下游壩坡坡率，最終確定壩底寬度B=12+73=85m。2.6、基礎(chǔ)灌漿廊道尺寸擬定

高、中壩內(nèi)必需設(shè)置基礎(chǔ)灌漿廊道，兼作灌漿、排水和檢查之用。

基礎(chǔ)灌漿廊道的斷面尺寸，應(yīng)根據(jù)澆灌機(jī)具尺寸即工作要求確定，一般寬為2.5～3m，高為3～4m，為了保證完成其功能且可以自由通行，本次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)灌

漿廊道斷面取3.0×3.5m，形狀采用城門洞型。

廊道的上游壁離上游側(cè)面的距離應(yīng)滿足防滲要求，在壩踵附近距上游壩面0.05～0.1倍作用水頭、且不小于4～5m處設(shè)置，本次設(shè)計(jì)取8m，為滿足壓力

灌漿，基礎(chǔ)灌漿廊道距基巖面不宜小于1.5倍廊道寬度，取5m。

3.荷載計(jì)算及其組合

重力壩的主要荷載主要有：自重、靜水壓力、浪壓力、泥沙壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載等，常取1ｍ壩長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。

荷載組合可分為基本組合與特別組合兩類?；窘M合屬于設(shè)計(jì)狀況或正常狀況，由同時(shí)出現(xiàn)的基本荷載組成。特別組合屬校核狀況或十分狀況，由同時(shí)出現(xiàn)的基本荷載和一種或幾種特別荷載組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從這兩類組合中選擇幾種最不利的、起控制作用的組合狀況進(jìn)行計(jì)算，使之滿足規(guī)范中規(guī)定的要求。

本次設(shè)計(jì)考慮的基本荷載組合為正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位；特別組合為校核洪水位和地震狀況，它們分別考慮的荷載如表3-1所示。

表3-1荷載組合

荷載主要考慮情組合況（1）正常蓄基本水位狀況組合（2）設(shè)計(jì)洪√√√√√√√水位狀況（1）校核洪√√√√√√√特別水位狀況組合√√√√√√√（2）地震情況注：1.應(yīng)根據(jù)各種作用同時(shí)發(fā)生的實(shí)際可能性，選擇計(jì)算中的最不利的組合；

2.分期施工的壩應(yīng)按相應(yīng)的荷載組合分期進(jìn)行計(jì)算。3.施工期的狀況應(yīng)作必要核算，作為特別組合。

4.根據(jù)地質(zhì)和其他條件，如考慮運(yùn)用時(shí)排水設(shè)備，易于堵塞，須經(jīng)常維修時(shí)，應(yīng)考慮排水失效的狀況，作為特別組合。

5.地震狀況的靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力按正常蓄水位計(jì)算。6.表中的“+〞表示應(yīng)考慮的荷載。（1）自重W

壩體自重的計(jì)算公式：W=Vγ

c（kN）（3-6）

荷載自重靜水揚(yáng)壓泥沙浪