某重力壩非溢流壩段和溢流壩段設(shè)計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u163871非溢流壩段設(shè)計 126831.1非溢流壩經(jīng)濟剖面選擇 1142041.1.1非溢流壩剖面初擬 1224481.1.2剖面優(yōu)化 3235811.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力計算 5203901.2.1非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力手算 589121.2.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力電算 10203392溢流壩段設(shè)計 1322642.1溢流壩段剖面形狀的確定 13188642.1.1上游堰頭曲線 13325812.1.2下游冪曲線 13308772.1.3中間直線段 14304662.2消能設(shè)計 14211162.2.1消能方式的選擇 15149122.2.2反弧段設(shè)計 15229892.2.3消能驗算 16261892.3閘門、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計 161非溢流壩段設(shè)計1.1非溢流壩經(jīng)濟剖面選擇1.1.1非溢流壩剖面初擬1.1.1.1壩頂高程確定壩頂高程=max{設(shè)計洪水位+；校核洪水位+}和分別是設(shè)計工況和校核工況下的超高，按式（1.1）計算。 （1.1）式中：——波浪高度，m，按照鶴地水庫公式（1.2）和（1.3）計算；——波浪中心線高出靜水位的高度，m，按式（1.4）計算；——安全超高，查詢規(guī)范可知，2級大壩設(shè)計情況取0.5m，校核情況取0.4m。 （1.2） （1.3）式中：v0——計算風速，m/s，設(shè)計情況取24m/s，校核情況取16m/s；D——水庫吹程10000m；Lm——平均波長，m。 （1.4）式中：H——上游面水深，m。綜合上述4個公式，計算設(shè)計情況和校核情況的壩頂高程見表1.1表1.1壩頂高程計算表h1%LmHhzhcΔhh壩頂正常1.4529.5825.001.270.505.22350.22校核1.8819.7229.350.560.402.84352.19取兩種工況下的較大值，最終將壩頂高程設(shè)為352.2m。1.1.1.2壩頂寬度的確定壩頂無交通要求，只需滿足設(shè)備布置和運行要求，初步擬定壩頂寬度為5m。1.1.1.3壩坡的確定上游折坡點高程定為泥沙淤積高程320m，上游坡度一般取n=0~0.3，初步擬定n=0.2。下游坡度一般取m=0.6~0.8，初步擬定m=0.75，基本三角形頂點高程取校核洪水位349.35m。1.1.1.4排水廊道及基礎(chǔ)灌漿廊道位置和尺寸為了滿足防滲要求，壩基需要設(shè)置基礎(chǔ)灌漿廊道，壩身要設(shè)置排水管和排水廊道。查詢《水工設(shè)計手冊第五卷混凝土壩》可知，排水管到上游面的距離要求不小于壩前水深的1/10~1/15，且不小于2.5~1.0m，故設(shè)為3m，廊道上游面至壩軸線的距離為3m，基礎(chǔ)灌漿廊道尺寸定為2.5×3m2（寬×高），頂部圓弧半徑取為1.5m，廊道底部高程306m。排水廊道定在基礎(chǔ)灌漿廊道上方20m處，即326m高程處，尺寸定為1.5×2.5m2（寬×高），頂部圓弧半徑取為1m。綜合以上數(shù)據(jù)，繪制擋水壩段剖面圖1.1。圖1.1擋水壩段初擬圖1.1.2剖面優(yōu)化剖面優(yōu)化是對初步設(shè)計的基本剖面反復(fù)修改，使之在滿足工程要求的情況下更加經(jīng)濟合理的過程。本設(shè)計使用原水工教研室的剖面優(yōu)化計算程序SAOGD進行剖面優(yōu)化。結(jié)合前文的數(shù)據(jù)，編寫SAOGD程序計算所需的原始數(shù)據(jù)如下：352.2,320,0.2,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,12,345,320,314.0,1.45,0,04,346.3,320,314.9,1.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330,3,0,0.25,0,0,0,0,0320,3,0,0.25,0,0,0,0,0302,10.5,0.2,0.25,0,0,0,0,0第1行的數(shù)據(jù)分別為壩頂高程，上游折坡點，上游坡度，下游坡度，混凝土容重，淤砂容重，計算點間距，淤砂內(nèi)摩擦角。第2行的數(shù)據(jù)分別為計算工況組數(shù)，計算壩段數(shù)，不打印操作，計算經(jīng)濟剖面操作。第3~5行的數(shù)據(jù)分別為計算工況代碼（2為正常工況，考慮揚壓力；4為設(shè)計工況，考慮揚壓力；5為校核工況，考慮揚壓力），上游水位，泥沙淤積高程，下游水位，波浪高度，地震系數(shù)，鼻坎處單寬流量。第6行的數(shù)據(jù)分別為壩基面高程，下游折坡點高程，壩頂寬度，壩頂其他重量，壩頂其他重量對壩軸線的彎矩，摩擦系數(shù)，接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，接觸面的抗剪斷凝聚力。第7行的數(shù)據(jù)分別為壩段類型（非溢流壩段），壩段編號，計算截面數(shù)，廊道數(shù)量。第8行的數(shù)據(jù)分別為廊道底板高程，廊道上游面至壩軸線距離，廊道寬度，廊道高度，廊道底板高程，廊道上游面至壩軸線距離，廊道寬度，廊道高度。第9~12行的數(shù)據(jù)分別為計算截面高程，排水中心至上游面距離，排水坡度，滲壓系數(shù)，壩基面上殘余揚壓力上游側(cè)到上游壩面的距離，壩基面上殘余揚壓力上游側(cè)連線的坡度，壩基面上殘余揚壓力系數(shù)，壩基面上殘余揚壓力下游側(cè)到上游壩面的距離，壩基面上殘余揚壓力下游側(cè)連線的坡度。運行SAOGD程序，輸出35個方案，查詢壩基面抗滑穩(wěn)定容許系數(shù)可知，按抗剪斷強度公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’在基本荷載組合情況下應(yīng)不小于1.0，在特殊荷載組合情況下應(yīng)不小于2.5。同時，壩基面的垂直正應(yīng)力應(yīng)大于0，篩選出滿足這兩個條件的為有效方案，再從這些方案中選擇一個體積接近最小且壩基面垂直正應(yīng)力稍大的方案，最終確定經(jīng)濟剖面采用方案20：NPROF=20ZU=320.00ZX=342.70N=.25M=.750VOL=902.35ICASE=2ZSEC=302.00SY=17.20S2U=12.76S1D=97.95KSH=5.0454ICASE=4ZSEC=302.00SY=11.77S2U=9.88S1D=104.42KSH=4.7944ICASE=5ZSEC=302.00SY=1.64S2U=1.46S1D=115.13KSH=4.3766剖面尺寸數(shù)據(jù)見表1.2，穩(wěn)定應(yīng)力計算成果見表1.3。表1.2經(jīng)濟剖面尺寸壩頂高程（m）上游壩坡下游壩坡下游折坡點高程（m）上游折坡點高程（m）壩頂寬度（m）352.20.250.75342.73205表1.3經(jīng)濟剖面穩(wěn)定應(yīng)力計算成果計算工況垂直正應(yīng)力上游第二主應(yīng)力下游第一主應(yīng)力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’正常高水位0.1720.12760.97955.0454設(shè)計洪水位0.11770.09881.04424.7944校核洪水位0.01640.01461.15134.3766根據(jù)經(jīng)濟剖面的數(shù)據(jù)重新繪制擋水壩段剖面圖，見圖1.2。圖1.2擋水壩段經(jīng)濟剖面圖1.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力計算1.2.1非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力手算1.2.1.1穩(wěn)定計算穩(wěn)定分析是為了驗算重力壩在利用抗剪斷強度公式（1.5）計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’： （1.5）式中：——壩基面抗剪斷摩擦系數(shù)，取1.2；——壩基面垂直方向總荷載，kN/m；——壩基面水平方向總荷載，kN/m；U——壩基面揚壓力，kN/m；——壩基面抗剪斷凝聚力，取0.7MPa；A——壩基面面積，m2。作用在重力壩上的荷載主要有：壩體自重，上下游壩面上的水壓力，浪壓力，泥沙壓力，揚壓力等，沿壩軸線方向截取1m長壩段進行穩(wěn)定分析和邊緣應(yīng)力計算，計算工況定為設(shè)計洪水位加考慮揚壓力。荷載計算簡圖見圖1.3，荷載計算成果見表1.4。圖1.3荷載計算簡圖1.2.1.2邊緣應(yīng)力計算為了滿足在施工和運行時的強度和穩(wěn)定要求，重力壩在設(shè)計時需要滿足規(guī)定的應(yīng)力條件：在基本荷載組合情況下，重力壩壩基面的最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零，最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力，壩體下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土的允許壓應(yīng)力值，上游面最小主壓應(yīng)力應(yīng)大于零。為了確定重力壩是否滿足上述要求，通常要進行應(yīng)力分析，材料力學(xué)法是計算重力壩應(yīng)力的基本方法，沿壩軸線切取1m寬壩體作為固接于地基上的變截面懸臂梁，作為平面問題計算，應(yīng)力計算簡圖見圖1.4。表1.4荷載計算成果荷載種類公式荷載大?。╧N）穩(wěn)定系數(shù)壩體自重972602414908.41水重396.91160.7611.56水壓力9624.89815.41淤砂壓力972243浪壓力342.06揚壓力5056.8808.281212.421135.44圖1.4應(yīng)力計算簡圖應(yīng)用材料力學(xué)偏心受壓公式計算邊緣垂直正應(yīng)力： （1.6） （1.7）式中：——壩基面所有荷載對形心力矩和和，kN·m；——壩基面縱向?qū)挾?，m。上、下游面剪應(yīng)力： （1.8） （1.9）式中：、——壩基面上、下游邊緣處水壓力強度（包括泥沙壓力）；、——壩基面上、下游邊緣處揚壓力強度；——上游壩坡；——下游壩坡。上、下游面水平正應(yīng)力： （1.10） （1.11）上游面主應(yīng)力： （1.12） （1.13）下游面主應(yīng)力： （1.14） （1.15）計算成果見表1.5。表1.5應(yīng)力手算成果（MPa）垂直正應(yīng)力剪應(yīng)力水平正應(yīng)力第一主應(yīng)力第二主應(yīng)力0.148-0.0080.110.2090.1080.6570.4930.372.01201.2.1.3分析查壩基面抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)表1.6可知，本壩體在設(shè)計工況下按抗剪斷強度公式計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K’=4.28>3，滿足抗滑穩(wěn)定安全要求。表1.6壩基面抗滑穩(wěn)定容許安全系數(shù)荷載組合K’基本組合1.0特殊組合（1）2.5特殊組合（2）2.3壩基面的最小垂直正應(yīng)力=0.148MPa>0，下游面最大主壓應(yīng)力=2.012MPa，小于混凝土的允許壓應(yīng)力值5MPa，故該設(shè)計滿足所需應(yīng)力要求。1.2.2非溢流壩段穩(wěn)定及邊緣應(yīng)力電算利用剖面優(yōu)化得到的經(jīng)濟剖面的數(shù)據(jù)修改SAOGD程序的原始數(shù)據(jù)為：352.2,320,0.25,0.75,2.4,0.6,10,03,1,0,02,345,320,314.0,1.45,0,04,346.3,320,314.9,1.45,0,05,349.35,320,317.4,1.88,0,0302,342.7,5,0,0,0.70,1.1,801,1,4,2326,3,1.5,2.5,306,3,2.5,3342.7,3,0,0.25,0,0,0,0,0330,3,0,0.25,0,0,0,0,0320,3,0,0.25,0,0,0,0,0302,10.5,0.2,0.25,0,0,0,0,0運行程序，得到3種工況下的4個斷面的若干點處的垂直正應(yīng)力，水平正應(yīng)力，剪應(yīng)力，主應(yīng)力及其方向，整理應(yīng)力計算成果見表1.7~1.9，繪出主應(yīng)力圖見圖1.4~1.6。表1.7正常水位應(yīng)力電算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑穩(wěn)定系數(shù)K’342.70.2640.1730.2640.2705.0453300.2480.2510.2480.3923200.2700.3970.2700.6213020.1720.6270.1080.979表1.8設(shè)計水位應(yīng)力電算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑穩(wěn)定系數(shù)K’342.70.1330.2920.1330.4574.7943300.1820.3100.1820.4843200.2060.4570.2060.7133020.1180.6680.1181.044表1.9校核水位應(yīng)力電算成果截面高程（m）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）抗滑穩(wěn)定系數(shù)K’342.70.1020.4720.1020.7384.3773300.0990.3790.0990.5923200.1050.5460.1050.8533020.0160.7370.1081.151圖1.5正常水位主應(yīng)力圖圖1.6設(shè)計水位主應(yīng)力圖圖1.7校核水位主應(yīng)力圖分析主應(yīng)力圖可知，壩體上游面無拉應(yīng)力，壩基面最小垂直正應(yīng)力大于0，該斷面滿足規(guī)定的應(yīng)力條件。

2溢流壩段設(shè)計2.1溢流壩段剖面形狀的確定溢流壩段作為擋水建筑物需要滿足穩(wěn)定和強度要求，作為泄水建筑物，溢流壩的泄水能力需要滿足工程所需泄水能力要求，并且在泄水過程中，溢流壩應(yīng)盡可能使水流在流經(jīng)壩面使保持平順，否則水流會產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，危害壩體安全，另外，溢流壩還應(yīng)做好消能防沖措施，以免下泄水流沖擊河床產(chǎn)生沖刷坑，影響其他建筑物的正常運行。調(diào)洪演算選定的方案中，溢流前緣寬度B=45m，可以設(shè)置5個表孔，孔寬9m，堰頂高程337m。設(shè)計洪水位346.32m，相應(yīng)下泄流量2784m3/s；校核洪水位349.35m，相應(yīng)下泄流量4430m3/s。溢流壩采用WES實用堰，堰頂上游堰頭曲線采用三圓弧曲線，堰頂下游堰面曲線采用WES冪曲線。2.1.1上游堰頭曲線堰面曲線定型設(shè)計水頭Hd按堰頂最大作用水頭的75%~95%計算，考慮容許負壓，在校核洪水位閘門全開時出現(xiàn)的負壓不得超過3~6m，取Hd=0.85Hmax=10.5m。經(jīng)檢驗在此時在校核洪水位閘門全開時產(chǎn)生的負壓為2.1m，滿足設(shè)計規(guī)范要求。上游堰面采用三圓弧曲線，各圓弧直徑分別為：=5.25m，=1.84m；=2.1m，=2.90m；=0.42m，=2.96m。2.1.2下游冪曲線WES曲線按式（2.1）計算： （2.1）式中：Hd——設(shè)計水頭10.5m；x、y——堰頂下游側(cè)曲線橫、縱坐標；n——與上游堰坡有關(guān)的指數(shù)，當上游面垂直時，n=1.85；k——上游面垂直時取2.0。方程可以簡化為：，以堰頂為原點，計算冪曲線上的坐標見表2.1。表2.1冪曲線點坐標橫坐標x（m）縱坐標y（m）橫坐標x（m）縱坐標y（m）0.000.009.003.951.000.0710.002.802.000.2411.005.723.000.5212.006.722.000.8813.007.795.001.3312.008.946.001.8615.0010.167.002.4816.0011.448.003.17繪制堰頂曲線見圖2.1。圖2.1WES堰頂曲線圖2.1.3中間直線段中間直線段與頂部冪曲線和底部反弧段相切，坡度與擋水壩段下游坡度相同，m=0.75時，對冪曲線求一階導(dǎo)數(shù)。設(shè)直線段與冪曲線的切點為（x0，y0），則有0.1258=1/0.75，解得x0=16.14，y0=11.63，則切點坐標為（13.14，11.63）2.2消能設(shè)計2.2.1消能方式的選擇已經(jīng)修建完成并投入使用的大壩，上下游水位存在水位差，上游的水流流至下游，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，高速水流沖刷河床會破壞壩址和下游地基，因此必須設(shè)置消能防沖措施。常見的消能方式有挑流消能、底流消能、面流消能、消力戽消能等。挑流消能優(yōu)點是施工難度低、挑流射程較遠、消能作用明顯，缺點是沖刷坑較深，引起下游水位波動較劇烈。挑流消能適用于堅硬巖石上的高、中壩。底流消能適用于地基強度低，河床脆弱不耐沖的情況，優(yōu)點是運行可靠，下游流態(tài)平穩(wěn)，但土石方開挖量和混凝土澆筑量大，經(jīng)濟性不好。面流消能優(yōu)點是無需護坦，缺點是下游水位波動強烈，不僅沖刷兩岸，而且影響通航和發(fā)電。消力戽消能適用于尾水較深且下游河床和兩岸具有一定抗沖能力的情況，優(yōu)點是對河床沖刷小，缺點和面流消能相同。本工程壩址處地質(zhì)條件良好，可以采用挑流消能，初步擬定鼻坎高程比校核情況下游水位高1m，即318.4m，鼻坎挑射角θ=25°。2.2.2反弧段設(shè)計對挑流效能，反弧段半徑按式（2.2）計算： （2.2）式中：h——校核洪水位時反弧最低點處的水深，m。則R=16.8~42m，取R=17m。由能量方程可得，鼻坎處平均水流流速v: （2.3）式中：——流速系數(shù)，取0.95；H——上游水位到鼻坎高差，m。計算得v=23.4m/s。 （2.4）式中：Q——校核洪水位時溢流堰下泄流量4430m3/s；B——溢流前緣寬度45m。計算得h=2.2m。反弧段及鼻坎細部構(gòu)造見圖2.2。圖2.2反弧段及鼻坎細部構(gòu)造2.2.3消能驗算水舌拋距按式（2.5）計算： （2.5）式中：——坎頂水面流速，m/s，取m/s；——坎頂垂直方向水深，m，3.8m；——坎頂至河床面高差，m，=13.4m。計算得L=66.5m。