某重力壩的非溢流壩設(shè)計計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14117某重力壩的非溢流壩設(shè)計計算過程案例 119821.1非溢流壩剖面設(shè)計 2129241.1.1工程等級確定 2158911.1.2壩型選擇 249961.1.3確定壩頂高程 360151.1.4確定壩高 5306821.1.5壩頂寬度 6262021.1.6壩坡的確定 6119911.1.7壩底寬度 744401.2非溢流壩荷載計算及其組合 836121.1.1自重W 8251931.1.2靜水壓力P 880351.1.3泥沙壓力 10117171.1.4波浪壓力 1166231.1.5揚(yáng)壓力U 1367201.3非溢流壩穩(wěn)定分析 16275821.3.1正常蓄水位時穩(wěn)定分析 17238961.3.2設(shè)計洪水位時穩(wěn)定分析 18318711.3.3校核洪水位時穩(wěn)定分析 1842521.3.4穩(wěn)定分析結(jié)果 18223341.4力矩計算 19131471.4.1非溢流壩壩體自重產(chǎn)生的力矩 1992571.4.2靜水壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩 19170861.4.3泥沙對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩 21211691.4.4浪壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩 22255271.4..5揚(yáng)壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩 2487601.5非溢流壩應(yīng)力分析 25136781.5.1正常蓄水位時非溢流壩應(yīng)力分析 27259341.5.2設(shè)計洪水位時非溢流壩應(yīng)力分析 28225481.5.3校核洪水位時非溢流壩應(yīng)力分析 29316781.5.4非溢流壩應(yīng)力分析結(jié)果 301.1非溢流壩剖面設(shè)計1.1.1工程等級確定由基本資料給定的數(shù)據(jù)結(jié)合表1.1可得該工程的工程等級為Ⅳ級，工程規(guī)模為?。?）型。表1.1水利水電工程指標(biāo)工程等別工程規(guī)模水庫總庫容/億m3防洪治澇灌溉供水發(fā)電保護(hù)城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)重要性保護(hù)農(nóng)田/萬畝治澇面積/萬畝灌溉面積/萬畝供水對象重要性裝機(jī)容量/萬kwⅣ?。?）型0.01~0.1一般5~303~150.5~5一般1~51.1.2壩型選擇壩型的選擇需要依據(jù)水文資料，地形地質(zhì)施工條件，壩體主要功能以及建筑材料運(yùn)輸費(fèi)用等綜合考慮，選擇合理的壩型，做到安全經(jīng)濟(jì)。重力壩由于自身體積龐大，且需要使用的筑壩材料重度大且材料的數(shù)量多，所以壩體自身重力大，會產(chǎn)生巨大的壓力；由于水庫中的蓄水量水多也產(chǎn)生對整個壩體有害的拉應(yīng)力，這些由壩體自重產(chǎn)生的壓力用來抵消水庫中的水產(chǎn)生的拉應(yīng)力。是傳統(tǒng)的壩型。重力壩有以下多種特點(diǎn)：(1)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐用。（重力壩安全程度高，可利用廢舊材料，適用性高）；(2)設(shè)計技術(shù)簡單，可滿足預(yù)定的效益，作用明確，（可供參考的工程實例多）；(3)適應(yīng)負(fù)雜的地形地質(zhì)情況，（適應(yīng)不同的地基，應(yīng)用廣泛）；(4)可以滿足泄洪和導(dǎo)流的要求。在施工時導(dǎo)流問題解決起來比較方便簡單，（壩體導(dǎo)流和明渠導(dǎo)流）；(5)重力壩施工比較簡單，可以使用大型機(jī)械（包括進(jìn)行放樣、立模、混凝土澆筑等工程操作）；(6)壩體尺寸較大，致使材料不能充分地利用，（可以分區(qū)澆筑，達(dá)到節(jié)省材料，降低建筑成本的目的）；(7)產(chǎn)生的揚(yáng)壓力隨體積的變大而增大。(8)體積大，建設(shè)工期較長，溫度控制要求嚴(yán)格。與其它壩體相比，實體重力壩設(shè)計簡單，施工簡便，應(yīng)用比較廣泛?？梢猿浞掷脡误w的自重用來維持穩(wěn)定，強(qiáng)度要求容易滿足，實體重力壩不但可以適應(yīng)不同地形，而且可以適應(yīng)不同地質(zhì)條件，基本條件的要求較低。引排水維護(hù)問題、施工和導(dǎo)流問題、發(fā)電和泄洪問題都容易得到解決。綜上所述，考慮到壩體不高且接觸面積不大，重力壩的優(yōu)點(diǎn)可以得到利用，而缺點(diǎn)容易避開，因此，本此設(shè)計選用實體重力壩。1.1.3確定壩頂高程（1）高差的計算 (1.1)式中：—防浪墻高程和水庫水位高程之間的高差，m;—波高，m；—波浪中心線的高程和水庫水位高程之間的的高差，m；—安全超高，m，見表1.2表1.2安全超高單位：m運(yùn)用情況壩的安全級別123設(shè)計洪水位（基本情況）0.70.50.4校核洪水位（特殊情況）0.50.50.3查基本資料：該水庫D=1250m，。結(jié)合基本資料中的已知條件，可以知道本次設(shè)計的是結(jié)構(gòu)安全級別為3級的重力壩工程。查表2-2得設(shè)計洪水位情況＝0.4m；校核洪水位情況＝0.3m。按官廳公式計算，。（1.2）（1.3）波高：，為累計頻率的波高由規(guī)范得，當(dāng)已經(jīng)求得累計頻率的波高后，可得（1.4）先計算，，。①設(shè)計洪水位時：風(fēng)速采用，吹程D=1250m。波高：波長：壅高：因，；；②校核洪水位時：風(fēng)速采用，吹程D=1250m。波高：波長：壅高：因，；；（2）壩頂高程計算①②選用其中較大值是設(shè)計洪水位時的情況997.46m。為保證壩體的運(yùn)行安全，根據(jù)規(guī)范設(shè)置防浪墻的高度是1.2m，1.2m的防浪墻可以減小1.2m壩體高度，減小整體重力壩的總工程量，減小工程質(zhì)量。綜上所述，擬定該重力壩壩頂高程為997.46-1.2=996.26m。1.1.4確定壩高根據(jù)工程設(shè)計規(guī)范中SL319-2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合目前已知的壩頂?shù)母叱毯拖掠蔚奈菜桓叱?，我們基本可以確定本次工程設(shè)計的混凝土重力壩大概高度可以控制在50-100m之間，大壩壩體可以建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上。在滿足重力壩壩體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對地基進(jìn)行加固處理，可以減少地基開挖的方量，達(dá)到減小工程造價的目的。查資料得，微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖的厚度大概為大于4m,本次設(shè)計開挖5m，達(dá)到挖除存在局部工程地質(zhì)缺陷的基礎(chǔ)的目的，擬定壩底的高程為▽937.00m。綜上所述，本次設(shè)計最大壩高為996.26-937.00=59.26m。1.1.5壩頂寬度壩頂需要布置壩頂設(shè)施，這些設(shè)施的布置運(yùn)行，檢查施工需要足夠的作業(yè)空間；同時壩頂也要連接兩岸的交通；大壩要滿足抗震要求；發(fā)生特大洪水需要維護(hù)時能有安全的操作空間。根據(jù)SL319-2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》，規(guī)范規(guī)定壩頂寬度大概在壩體高度的8%~10%之間，本次取10%計算59.26×10%=5.926m，壩頂要連接兩岸的交通，布置照明設(shè)施，可能需要安裝起重設(shè)備。將壩頂適當(dāng)加寬擬定壩頂寬度為6.0m，以滿足需要。1.1.6壩坡的確定本次設(shè)計壩體剖面基本形態(tài)按上游壩面下部三分之一向上游傾斜，下游壩面向下游傾斜的形式。因為該形式有比較豐富的工程經(jīng)驗，可以找到很多相似的工程實例拿來比較，方便我們進(jìn)行設(shè)計和后期的施工，提高工作的效率和質(zhì)量，如圖1.1所示。圖2.1壩剖面形態(tài)簡圖根據(jù)SL319-2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》，根據(jù)基本資料以及通過對比其他類似的混凝土重力壩工程設(shè)計，本次設(shè)計分別擬定上游的壩坡坡率n=0.15，擬定下游的壩坡坡率m=0.7。因為上、下游坡率m=0.7、n=0.15以及壩頂高程▽=996.26m。上游起點(diǎn)高度為壩高的1/3，即上游起點(diǎn)高程為：937.0+59.26/3=956.75m下游起波點(diǎn)高程為：(995.13-937)×0.7=58.13×0.7=40.69m(40.69-6)/0.7=49.56m937.00+49.56=986.56m由計算可得上游起點(diǎn)高程▽956.75m；下游起波點(diǎn)高程▽986.56m。1.1.7壩底寬度(59.26/3)×0.15+6.0+34.69=43.65m由計算得壩底寬度為43.65m。由以上已知條件可以得到非溢流壩的剖面圖，如圖1.1.圖1.2非溢流壩剖面圖1.2非溢流壩荷載計算及其組合取1m壩長進(jìn)行非溢流壩自重荷載計算；不同水位靜水壓力、浪壓力荷載計算；壩前淤沙厚度和泥沙壓力荷載計算；不同水位揚(yáng)壓力的荷載計算。荷載組合包括基本組合與特殊組合,設(shè)計時選擇最不利和最重要的進(jìn)行計算。它們分別考慮的荷載如下表1.3所示。表1.3荷載組合荷載組合主要考慮情況自重靜水壓力揚(yáng)壓力泥沙壓力浪壓力基本組合正常蓄水位情況√√√√√設(shè)計洪水位情況√√√√√特殊組合校核洪水位情況√√√√√下面進(jìn)行各種不同水位下的荷載情況相應(yīng)荷載的計算。1.1.1自重W壩體自重的計算公式：（1.5）式中V—非溢流壩壩體體積,m3；取1m壩長，乘以壩體剖面面積；—壩體混凝土的重度（本次設(shè)計）分解為三部分的自重分別為：1.1.2靜水壓力P靜水壓力作用在壩前水深之下的上游壩面和下游尾水位之下的下游壩面處，靜水壓力是由水平靜水壓力和垂直靜水壓力組成的。水平靜水壓力計算公式為：（1.6）式中：—作用水頭，m；—水的重度，取9.81；垂直水壓力計算。（1）正常蓄水位情況時正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：上游水平水壓力：下游水平水壓力：（2）設(shè)計洪水位情況時設(shè)計水位995.83m；設(shè)計尾水位945.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：上游水平水壓力：下游水平水壓力：（3）校核洪水位情況時校核洪水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水深：；下游水深：上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：上游水平水壓力：下游水平水壓力：1.1.3泥沙壓力資料中給出了東江水庫30年的泥沙情況，那么本次設(shè)計泥沙壓力的計算以30年為年限,水平泥沙壓力的公式為：（1.7）式中：—泥沙浮容重，9.0；—壩前淤沙厚度,m；—淤沙內(nèi)摩擦角,()。根據(jù)基本資料可知，在這30年每年進(jìn)入水庫的總的沙的重量為1.42萬噸，即1.42萬噸是該水庫多年平均年入庫總沙量。30年入庫總沙量為：淤積泥沙浮容重0.9t/m3，則死庫容為：，查表1.1并使用內(nèi)插法可得該庫容對應(yīng)的水位為：，壩底高程為937.00m，則泥沙厚度為：則水平泥沙壓力為：豎直泥沙壓力為：1.1.4波浪壓力波浪的作用使得非溢流壩的上游面和防浪墻承受波浪壓力，而波浪壓力與波高、波長L、壅高、超高以及壩前水深有關(guān)，壩前水深三種水位時均滿足H＞L/2，則該水庫波浪為深水波。深水波浪壓力計算公式：(1.8)（1）正常蓄水位壩前水深為：波高：波長：壅高：因，；；（2）設(shè)計洪水位時：壩前水深為：波高：波長：壅高：因，；；（3）校核洪水位時：壩前水深為：波高：波長：壅高：因，；；1.1.5揚(yáng)壓力U如圖3.1所示，揚(yáng)壓力由滲透壓力和浮托力兩項因素組成，浮托力和下游尾水位有關(guān)，而滲透壓力經(jīng)常被分成一個矩形和兩個三角形分別計算，最后相加得到。圖1.3揚(yáng)壓力計算圖（1）正常蓄水位情況時正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m浮托力（1.9）式中；－下游水深，；B－壩底寬度，。滲透壓力根據(jù)規(guī)范SL319-2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》，揚(yáng)壓力折減系數(shù)α河谷段α=0.2~0.3岸坡段折減系數(shù)α=0.3~0.4。本次設(shè)計重力壩在河谷段，則擬定折減系數(shù)α=0.2，而b和排水孔的位置有關(guān)，結(jié)合細(xì)部構(gòu)造設(shè)計，擬定排水孔到壩底最左側(cè)的距離是b=6.56m，則則總揚(yáng)壓力U為：（2）設(shè)計洪水位情況時正常蓄水位995.83m，正常尾水位945.00m浮托力：滲透壓力：則總揚(yáng)壓力U為：（3）校核洪水位情況時正常蓄水位996.40m，正常尾水位946.50m浮托力：滲透壓力：則總揚(yáng)壓力U為：1.3非溢流壩穩(wěn)定分析本次設(shè)計非溢流壩的穩(wěn)定性分析時使用的是單一安全系數(shù)法?；瑒用媸菈蔚谆A(chǔ)面，即非溢流壩體沿壩基面滑動，計算和分析不同情況下的抗滑安全度是否滿足要求。抗滑穩(wěn)定分析計算時取1m作為計算的單元。（1）抗剪強(qiáng)度計算公式 （1.10）式中：安全系數(shù)，詳見表1.4；表1.4抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)荷載組合基本組合1.05特殊組合（1）1.00特殊組合（2）1.00抗剪摩擦系數(shù)，本次設(shè)計取0.8；將全部豎直方向荷載相加得到的值（除揚(yáng)壓力），將全部水平荷載對相加得到的值，;揚(yáng)壓力，。（2）抗剪斷強(qiáng)度計算公式（1.11）式中：安全系數(shù)，詳見表1.5；表1.5抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)荷載組合基本組合3.0特殊組合（1）1.5特殊組合（2）1.3抗剪斷參數(shù)，本次設(shè)計取1.30；抗剪斷凝聚力，本次設(shè)計取1.30；壩基接觸面的截面面積，。壩基面抗剪、抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)詳見表1.6。表1.6抗剪、抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)指標(biāo)f?c?混凝土與基巖1.301.30MPa本次設(shè)計壩基面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取0.8。1.3.1正常蓄水位時穩(wěn)定分析（1）抗剪強(qiáng)度計算：，滿足要求。（2）抗剪斷強(qiáng)度計算：，滿足要求。1.3.2設(shè)計洪水位時穩(wěn)定分析（1）抗剪強(qiáng)度計算：，滿足要求。（2）抗剪斷強(qiáng)度計算：，滿足要求。1.3.3校核洪水位時穩(wěn)定分析（1）抗剪強(qiáng)度計算：，滿足要求。（2）抗剪斷強(qiáng)度計算：，滿足要求。1.3.4穩(wěn)定分析結(jié)果對計算結(jié)果分析可知，本次設(shè)計非溢流壩段壩體穩(wěn)定性滿足要求。1.4力矩計算大壩在基本情況和特殊情況是否滿足強(qiáng)度要求需要通過應(yīng)力分析進(jìn)行檢驗，可以研究和解決存在的問題。應(yīng)力分析的過程是：基本荷載關(guān)于壩底中心點(diǎn)O的力臂計算；基本荷載關(guān)于壩底中心點(diǎn)O的力臂計算；應(yīng)力計算；壩體應(yīng)力分析，檢驗壩體特殊位置強(qiáng)度。本次設(shè)計使用材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力計算。本次設(shè)計荷載已經(jīng)計算完成，先計算出荷載關(guān)于壩底中心點(diǎn)O力臂，最后計算出荷載對壩底中心點(diǎn)O產(chǎn)使用材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力計算。取上游壩底中點(diǎn)為力矩作用中心點(diǎn)O，因為在上一章中對荷生的力矩。1.4.1非溢流壩壩體自重產(chǎn)生的力矩（逆時針）（逆時針）（逆時針）1.4.2靜水壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩（1）正常蓄水位情況時正常蓄水位995.13m，正常尾水位941.00m。上游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：上游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：靜水壓力對壩底中心O點(diǎn)的彎矩:(順時針)(逆時針)(逆時針)(順時針)（2）設(shè)計洪水位情況時設(shè)計水位995.83；設(shè)計尾水位945.00m。上游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：上游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：靜水壓力對壩底中心O點(diǎn)的彎矩:(順時針)(逆時針)(逆時針)(順時針)（3）校核洪水位情況時校核水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：上游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游水平水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：下游豎直方向水壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：靜水壓力對壩底中心O點(diǎn)的彎矩:(順時針)(逆時針)(逆時針)(順時針)1.4.3泥沙對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩水平泥沙壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：；水平泥沙壓力對壩底中心O點(diǎn)的彎矩：豎直泥沙壓力作用點(diǎn)至壩底中心O點(diǎn)力臂：豎直泥沙壓力對壩底中心O點(diǎn)的彎矩：1.4.4浪壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩如圖4.1所示，將陰影部分沿靜水位分為上下兩個三角形。圖1.4深水波浪壓力分布（1）正常蓄水位：由相似三角形計算得到陰影部分和靜水位相交的長度為1.17m,即三角形的底為1.17m,則可得力臂：(順時針)（2）設(shè)計洪水位時：由相似三角形得三角形的底為1.17m，則可得力臂：(順時針)（3）校核洪水位時：由相似三角形得三角形的底為0.41m，則可得力臂：(順時針)1.4..5揚(yáng)壓力對非溢流壩壩基面產(chǎn)生的力矩（1）正常蓄水位時（2）設(shè)計洪水位時（3）校核洪水位時1.5非溢流壩應(yīng)力分析（1）上游、下游面垂直正應(yīng)力（1.12）（1.13)上游面垂直正應(yīng)力，；下游面垂直正應(yīng)力，；壩底寬度，；壩體全部豎直方向的力之和，向下為正，；荷載關(guān)于壩底中心O點(diǎn)取矩的力矩之和，逆時針為正，。（2）上游、下游面剪應(yīng)力 （1.14） （1.15）上游面剪應(yīng)力，；下游面剪應(yīng)力，；上游坡率；下游坡率；上游揚(yáng)壓力強(qiáng)度，；下游揚(yáng)壓力強(qiáng)度，（3）上游、下游面水平正應(yīng)力（1.16）（1.17）上游面水平正應(yīng)力；下