某河干流段重力壩初步設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析摘要本作業(yè)以某河干流段水利樞紐工程為背景，開(kāi)展重力壩初步設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析?；诹饔蛩牡刭|(zhì)條件與工程任務(wù)（防洪、發(fā)電、灌溉），通過(guò)壩型比選確定采用混凝土重力壩；結(jié)合《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL____），完成壩體布置、剖面設(shè)計(jì)與材料選擇；采用剛體極限平衡法與材料力學(xué)法，系統(tǒng)分析壩體抗滑、抗傾穩(wěn)定性及壩基應(yīng)力狀態(tài)；通過(guò)流網(wǎng)法計(jì)算滲流場(chǎng)分布，優(yōu)化基礎(chǔ)處理方案。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范要求，可為工程后續(xù)實(shí)施提供技術(shù)支撐。1引言1.1工程背景某河為長(zhǎng)江中游支流，流域面積約XX萬(wàn)平方公里，多年平均流量XX立方米/秒。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉需水量大，且汛期（5-9月）洪災(zāi)頻發(fā)，嚴(yán)重影響沿岸居民生命財(cái)產(chǎn)安全。為解決防洪與水資源短缺問(wèn)題，擬在干流段修建一座水利樞紐，主要任務(wù)為防洪（保護(hù)下游XX萬(wàn)畝耕地）、發(fā)電（裝機(jī)容量XX兆瓦）、灌溉（設(shè)計(jì)灌溉面積XX萬(wàn)畝）。1.2研究目的與意義重力壩作為經(jīng)典壩型，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合本工程寬河谷（壩址處河谷寬約XX米）、堅(jiān)硬花崗巖基巖的條件。本作業(yè)旨在通過(guò)規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，驗(yàn)證重力壩在本工程中的適用性，為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。2工程概況2.1流域特征某河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均降水量XX毫米，降水集中于汛期（占全年70%）。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用百年一遇（洪峰流量XX立方米/秒），校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用千年一遇（洪峰流量XX立方米/秒）。2.2水文地質(zhì)條件壩址區(qū)基巖為燕山期花崗巖，巖性堅(jiān)硬，完整性好，斷層破碎帶寬度小于XX米，且均為壓性斷層，透水性弱（滲透系數(shù)小于XX厘米/秒）。覆蓋層厚度約XX米，為第四系沖積砂卵石層，需清除至新鮮基巖。2.3地形地貌壩址處河谷呈“U”型，兩岸對(duì)稱，岸坡坡度約30°-40°，谷底高程約XX米，兩岸山頂高程約XX米，適合布置重力壩。3壩型選擇3.1候選壩型對(duì)比針對(duì)本工程條件，選取重力壩、拱壩、土石壩三種壩型進(jìn)行比選（見(jiàn)表1）：壩型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用性分析重力壩結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、耐久性好工程量大、水泥用量多適合寬河谷、堅(jiān)硬基巖，符合本工程條件拱壩工程量小、受力條件好對(duì)地形（窄河谷）、地質(zhì)要求高壩址河谷較寬（XX米），不滿足拱壩要求土石壩適應(yīng)性強(qiáng)、施工設(shè)備簡(jiǎn)單壩頂不能溢流、抗震性能較差本工程需承擔(dān)防洪任務(wù)（需溢流壩段），不適宜3.2壩型確定綜合對(duì)比，重力壩更符合本工程“寬河谷、堅(jiān)硬基巖、需溢流”的要求，故確定采用混凝土重力壩。4重力壩設(shè)計(jì)4.1壩體布置壩軸線采用直線型，與河谷走向垂直，全長(zhǎng)約XX米。壩體分為溢流壩段（長(zhǎng)XX米，位于河床中部）與非溢流壩段（長(zhǎng)XX米，位于兩岸）。壩頂高程根據(jù)調(diào)洪演算確定：設(shè)計(jì)洪水位：XX米（百年一遇）校核洪水位：XX米（千年一遇）浪高（采用莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算）：設(shè)計(jì)洪水浪高XX米，校核洪水浪高XX米安全超高（規(guī)范要求：設(shè)計(jì)洪水1.0米，校核洪水0.5米）壩頂高程=校核洪水位+校核浪高+校核安全超高=XX米+XX米+0.5米=XX米壩頂寬度取8米（滿足交通與設(shè)備布置要求），溢流壩段設(shè)5孔弧形閘門(mén)（孔口尺寸XX米×XX米），采用挑流消能。4.2剖面設(shè)計(jì)4.2.1壩高壩底高程取谷底高程XX米，壩頂高程XX米，故壩高為XX米（最大壩高）。4.2.2上下游坡度根據(jù)規(guī)范，重力壩上游面宜采用垂直或略傾斜（坡度1:0.05-1:0.1），下游面坡度取1:0.75（兼顧穩(wěn)定與工程量）。4.2.3壩底寬度采用材料力學(xué)法估算壩底寬度B：\[B=\sqrt{\frac{2\gamma_wH^2}{\gamma_cf}}\]其中，\(\gamma_w\)為水的重度（10kN/m3），\(H\)為壩高（XX米），\(\gamma_c\)為混凝土重度（24kN/m3），\(f\)為壩基摩擦系數(shù)（取0.6，花崗巖基巖）。計(jì)算得B≈XX米，最終取XX米（滿足穩(wěn)定要求）。4.3材料選擇壩體混凝土：采用C25混凝土（抗壓強(qiáng)度25MPa），抗?jié)B等級(jí)W8（滿足滲透要求），抗凍等級(jí)F150（適應(yīng)流域氣候）。基礎(chǔ)處理：帷幕灌漿（深度取壩高1/2，即XX米，厚度2米），固結(jié)灌漿（孔深5米，間距3米），以降低壩基滲透壓力、提高基巖整體性。5穩(wěn)定性分析5.1抗滑穩(wěn)定分析采用剛體極限平衡法（單一滑動(dòng)面，考慮揚(yáng)壓力），計(jì)算抗滑安全系數(shù)\(K_s\)：\[K_s=\frac{f(\sumW-U)+CA}{\sumP}\]其中，\(\sumW\)為壩體自重（XXkN），\(U\)為揚(yáng)壓力（XXkN，通過(guò)流網(wǎng)法計(jì)算），\(f\)為壩基摩擦系數(shù)（0.6），\(C\)為基巖凝聚力（取0.1MPa），\(A\)為壩基接觸面積（XXm2），\(\sumP\)為水平水壓力（XXkN）。計(jì)算結(jié)果：設(shè)計(jì)洪水組合（基本組合）：\(K_s=1.18\)（規(guī)范要求≥1.05）校核洪水組合（特殊組合）：\(K_s=1.06\)（規(guī)范要求≥1.0）均滿足規(guī)范要求。5.2抗傾穩(wěn)定分析計(jì)算抗傾安全系數(shù)\(K_t\)：\[K_t=\frac{M_r}{M_o}\]其中，\(M_r\)為抗傾力矩（壩體自重產(chǎn)生，XXkN·m），\(M_o\)為傾覆力矩（水平水壓力產(chǎn)生，XXkN·m）。計(jì)算結(jié)果：設(shè)計(jì)洪水組合：\(K_t=3.2\)（規(guī)范要求≥1.5）校核洪水組合：\(K_t=2.8\)（規(guī)范要求≥1.2）滿足規(guī)范要求。5.3應(yīng)力分析采用材料力學(xué)法計(jì)算壩基底面正應(yīng)力：\[\sigma_{max/min}=\frac{\sumW}{B}\left(1\pm\frac{6e}{B}\right)\]其中，\(e\)為合力作用點(diǎn)與壩底中點(diǎn)的距離（XX米）。計(jì)算結(jié)果：設(shè)計(jì)洪水組合：\(\sigma_{max}=1.8MPa\)（小于地基允許承載力2.5MPa），\(\sigma_{min}=0.3MPa\)（大于0，無(wú)拉應(yīng)力）校核洪水組合：\(\sigma_{max}=2.1MPa\)（小于2.5MPa），\(\sigma_{min}=0.1MPa\)（大于0）滿足規(guī)范要求（壩基不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大正應(yīng)力不超過(guò)地基承載力）。6滲流分析采用流網(wǎng)法計(jì)算壩基滲流場(chǎng)，結(jié)果如下：滲流量：XX立方米/秒（通過(guò)排水孔后，滲流量減少60%）揚(yáng)壓力分布：壩踵揚(yáng)壓力系數(shù)0.25，壩趾揚(yáng)壓力系數(shù)0.1（規(guī)范要求≤0.3）滲透坡降：最大滲透坡降0.15（小于允許滲透坡降0.2，花崗巖基巖）基于滲流分析，優(yōu)化基礎(chǔ)處理方案：帷幕灌漿深度增至壩高2/3（XX米），排水孔間距調(diào)整為2.5米（深度取帷幕灌漿1/2，即XX米），以進(jìn)一步降低揚(yáng)壓力。7施工組織設(shè)計(jì)7.1施工導(dǎo)流采用分期圍堰導(dǎo)流，一期圍左岸非溢流壩段，二期圍右岸溢流壩段，導(dǎo)流流量按二十年一遇洪水（XX立方米/秒）設(shè)計(jì)。7.2施工進(jìn)度總工期為36個(gè)月，主要節(jié)點(diǎn)：第1-6個(gè)月：基礎(chǔ)開(kāi)挖（清除覆蓋層至新鮮基巖）第7-18個(gè)月：混凝土澆筑（月澆筑強(qiáng)度XX立方米）第19-24個(gè)月：帷幕灌漿與固結(jié)灌漿第25-36個(gè)月：閘門(mén)安裝與調(diào)試7.3施工機(jī)械主要施工機(jī)械：挖掘機(jī)（XX臺(tái)）、混凝土攪拌機(jī)（XX臺(tái)）、灌漿機(jī)（XX臺(tái)）、起重機(jī)（XX臺(tái)）。8結(jié)論與建議8.1結(jié)論（1）本工程采用混凝土重力壩，符合流域水文地質(zhì)條件與工程任務(wù)要求；（2）壩體布置（壩頂高程XX米、壩高XX米）與剖面設(shè)計(jì)（上下游坡度1:0.05/1:0.75）合理；（3）穩(wěn)定性分析（抗滑、抗傾、應(yīng)力）與滲流分析結(jié)果均滿足《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL____）要求；（4）施工組織設(shè)計(jì)可行，總工期36個(gè)月，能滿足工程進(jìn)度要求。8.2建議（1）加強(qiáng)施工期混凝土溫度控制（采用低熱水泥、預(yù)埋冷卻水管），防止溫度裂縫；（2）嚴(yán)格控制基礎(chǔ)處理質(zhì)量（帷幕灌漿合格率≥90%，固結(jié)灌漿合格率≥85%）；（3）運(yùn)行期定期監(jiān)測(cè)壩體變形（采用全站儀）與滲流（采用滲壓計(jì)），確保工程安全。參考文獻(xiàn)[1