【大坝方案】混凝土坝设计计算方案

XX混凝土坝设计与施工目录：一基本资料
二挡水坝段剖面设计
三荷载计算
四稳定分析
五细部构造
六溢流坝坝体设计
第一章基本资料
一、工程概况
顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区，最窄处仅10余公里。

通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。

为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。

顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上，控制流域面积33700平方公里，总库容为25.5亿立方米。

水库距迁西县城35公里，有公路相通。

水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。

根据水库的工程规模及在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为I级建筑物，其他建筑物按II级建筑物考虑。

二、水文分析
（1）.年径流：顺河水量较充沛，顺河站多年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。

丰水年时占全年50~60%，枯水年占30~40%，而且年际变化也很大。

（2）.洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由红痕估算洪峰流量约为24400—27400m3/s,实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m3/s
(3).泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7.45公斤/立方米。

推移质缺乏观测资料。

可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。

淤砂浮容量为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。

淤砂高程157.5米。

三、气象
库区年平均气温为10℃左右，一月最低月平均产气温为零下
6.8℃，绝对最低气温达零下21.7℃（1969年）7月份最高月平均气温25℃，绝对最高达39℃（1955年）,本流域无霜期较短（90—180天）冰冻期较长（120—200天），顺河站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70—100天，冰厚0.4—0.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/秒，水库吹程D=3公里。

四、工程地质
库区地质：顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现不对称，区域内无严重的坍岸及渗透问题。

第四大岩层（Arl4）为角闪斜长片麻岩。

具粗粒至中间细粒千状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本岩层体厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。

岩石物理力学性质：岩石容重2.68—2.70吨/立米，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650公斤/厘米2以上，有的可达1100公斤/厘米2以上，混凝土与岩石的摩擦系数微分化及弱风化化下部，可取f=1.10、c/=7.5kg/cm ²。

地震：库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。

弱震任不断发生，其中1936年和1976年两年内发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为6度，考虑到枢纽的重要性，和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用7度
五、枢纽建筑物特性指标
二、坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定极限状态：R0∅S（r G G k，r Q Q k,a k）≤1/r d1R(f k/r m,a k)
1 作用效应函数
S(·)=∑PR
2 抗滑稳定抗力函数
R(·)=f/ R∑WR+C/RAR
式中∑PR-坝基面上全部切向作用之和
f/ R-坝基面抗剪断摩擦系数
C/R -坝基面抗剪断黏聚力,KPa
∑WR-坝基面上全部法向作用之和,KN.
结构系数γd=1.2
材料性能分项系数摩擦系数f/ R 的γm=1.3
凝聚力C/R的γm=3
水工建筑物结构安全级别和重要性系数γo
设计状的取值见表。

设计状况系数Ψ
计算作用效应函数S（·）时，作用v值，是考虑作用（荷载）对标准值的不利变异。

设计值等于标准值乘以分项系数Y G.即设计值Qd=QK *γG.各作用的分项系数见表3-13.
永久作用和可变作用分项系数
三、设计内容与步骤I一
分析资料
要求对任务书中的基本资料做简单说明。

非溢流重力坝段设计
拟定非溢流重力坝剖面尺寸。

计算决定坝顶高程，根据运用、交通、构造等
要求拟定坝顶宽度，采用工程类比或由基本剖面拟定上下游坡度。

安全控制验算与改善措施。

抗滑稳定验算与判别应力验算与强度判
别若判别不符合规范要求，则提出改善措施，这是培养思维能力的重要措施，
根据实际情况考虑建基面坝内应力（采用3点）计算。

溢流坝段剖面设计
根据满足安全、运用、经济、施工、美观要求的非溢流坝剖面修改为溢流坝剖面。

限于时间按°1。

所拟剖面修改。

选择堰型。

根据堰犁诜择定型设计水头设计计算堰顶曲线求出与非溢流坝下游装的切点（三种情况应处理解决）画出溢流坝上部剖面。

拟定溢流坝上部结构，包括选择闸门和启闭机，闸门和启闭机布置，闸墩型式选择与尺寸拟定，交道桥及工作桥等，并画在溢流坝剖面图上。

选择消能工型式，采用水力学法决定消能结构的各部分尺寸估算消
能效果及应采用的消能防冲措施。

并将消能防冲措施画在溢流坝剖面图上。

重力坝细部构造设计
坝顶布置与构造。

坝身廊道与排水（仅在剖面上表示）。

横缝构造（在溢流坝剖面、平面上表示）。

混凝土标号分区（用溢流坝）。

第二章挡水坝段剖面设计
一、确定枢纽等级及水利工程建筑物的等级
25亿m³，并根据水库的工由该枢纽工程概况知该水库总库容为5.
程规模在国民经济中的作用枢，属于大（1）型，主坝为Ⅰ级建筑物，其他建筑物为Ⅱ级建筑物。

二、坝体设计
㈠、剖面拟定
1、剖面设计原则
⑴设计断面要满足稳定和强度要求；
⑵力求剖面较小；
⑶外形轮廓简单；
⑷工程量小，运用方便，便于施工。

（二）、拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。

根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9 倍。

（三）、确定基本尺寸
1、确定坝顶高程
图1 坝基剖面图
⑴超高值Δ的计算
①基本公式
坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差错误!未找到引用源。

，可由式（3-1）计算。

错误!未找到引用源。

（3-1）错误!未找到引用源。

—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
错误!未找到引用源。

—累计频率的波浪高度，m；
错误!未找到引用源。

—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
错误!未找到引用源。

—安全加高，按表3－1 采用,对于Ⅰ级工程，设计情况错误!未找到引用源。

＝0.7m，校核情况错误!未找到引用源。

＝0.5m。

表1 坝的安全加高错误!未找到引用源。

计算
砼坝⎪
⎩
⎪⎨⎧⎩⎨⎧溢流坝段挡水坝段重力坝拱坝
（一）确定工程等级及水工建筑物级别
枢纽为一等工程，主坝为1级建筑物 （二）挡水坝段剖面尺寸确定 坝基高程：127m 1、确定坝顶高程 h ∆=%1h +z h +c h
设计：h ∆=0.5+0.7+0.7=1.9 校核：h ∆=0.5+0.7+0.5=1.7 坝顶高程 设计：225.7+1.9=227.6m 校核：227.2+1.7=228.9m
所以取最大值228.8m 坝高=228.9-127=101.9m 2、坝顶宽度：取坝高的8%~10%
即101.9×（8%~10%)=8.152~10.19 取坝顶宽度为10m 3、m 、n 的确定
上游坝坡n=0~0.2 取0 下游坝坡m=0.6~0.8取0.8 4、坝底宽度的计算 224.7-127=97.7m
8
.01
7
.97=
χ
=χ78.16
所以坝底宽度为78.16m
三 荷载计算（分析）
⎪
⎪⎪
⎪⎪
⎩⎪⎪
⎪⎪⎪
⎨⎧⨯
→⨯→=→→⨯→→→地震冰压力淤沙压力浪压力种情况扬压力动水压力种情况静水压力容重自重KN KN n 1000p 33m /243
1、自重：w=ϒcA ϒc=24KN/m ³ 如图：
2.858.01
16
.68==
χχ
，
A=101.9×10+68.16×85.2×2
1=2903.62 W=24×3922.62=94142.88KN/m 2、静水压力
①上游 )()()(KN
KN KN
2.49196127-2.2278.92
1p 28.47734127-7.2258.92
1p 92.46771127-7.2248.921p 2
2
2
=⨯⨯==⨯⨯==⨯⨯=校核设计正常 ②下游 垂直：
84
.238
.01
1278.156208.01
12715212.98.01
1274.138=X =
X -==X =X -=
=X =X -=
Aw Aw Aw 校核设计正常
9.12×11.421⨯
=51.98m ² 202
125⨯⨯=250m ²
23.84⨯29.82
1⨯=355.22
KN
P KN P KN P 16.34818.922.35524508.92504.5098.998.51=⨯==⨯==⨯=校核设计正常
KN
P KN P KN
P 40.43518.298.92
1
50.306258.921
80.6364.118.921
222=⨯⨯==⨯⨯==⨯⨯=校核设计正常
3、扬压力
()B B H H U •+=底212
1
γ
()()()KN
U KN U KN
U 92.4978716.781278.1561272.2278.92
1
12.4737516.781271521277.2258.921
55.4178316.781274.1381277.2248.921
=⨯-+-⨯⨯==⨯-+-⨯⨯==⨯-+-⨯⨯=
4、浪压力：KN P n 10000=
5、淤沙压力
淤沙浮容重为0.9t/m ³则3m /82.8KN sb =γ
内摩擦角为12° 淤沙高程157.5m 则hs=157.5-127=30.5m
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛••=245tan 2
1
22s sb sk hs P ϕγ－。

=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛-⨯⨯⨯︒︒
21245tan 5.3082.82122 =2707.59KN
四 稳定分析
1、部位
2、方法
⎪⎩
⎪
⎨⎧坝基深处
坝基面坝内
⎩⎨⎧承载能力极限状态法安全系数
正常：滑动力=1.1×1×（46>71.92×1+1000×1.2+2707.59×1.2-636.8×1) =55642.65
()[]116.78355.417034.50988.941423.12
.11
⨯⨯+-+⨯⨯=
抗滑力
=57239.99
滑动力 ≤ 抗滑力，所以满足抗滑稳定
设计：滑动力=1.1×0.85×（47734.28×1+1000×1.2+2707.59×1.2-3062.5×1） =45928.03
()[]116.78312.47375-245088.941423.12
.11
⨯⨯++⨯⨯=
抗滑力
=53300.58
滑动力 ≤ 抗滑力，满足抗滑稳定
校核：滑动力=1.1×0.85×（49196.2×1+1000×1.2+2707.59×1.2-4351.4×1) =46089.8
()[]116.78392.49787-16.348188.941423.12
.11
⨯⨯++⨯⨯=
抗滑力
=51809.79
滑动力 ≤ 抗滑力，满足抗滑力稳定
五 细部构造
坝顶构造
坝顶路面应具有2～3％的横向坡度，并设置混凝土排水沟(30×30cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.4m ，高2.1m ）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。

根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。

二、坝体排水
坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/15～1/25，且不少于2m，
（1/15～1/25）（224.7-153.5）=（2.85～4.75）m
故根据规定排水管设置在距上游面4m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。

排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm～25cm （取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。

渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm×30cm，
低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。

排水管与廊道的连通采用直通式.
三、廊道系统
为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。

1、坝基灌浆廊道
帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。

本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×2.5m ，
形状采用城门水洞型。

廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1 倍作用水头、且不小于4～5m 处设置，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度，取5m 。

灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。

2、检查及坝体排水廊道
为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔15～30m 设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m ，最小高度为2.2m ，距上游面的距离应不少于0.05～0.07 倍水头，且不小于3m,该重力坝选取4m ，上游测设排水沟。

各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通。

排水廊道断面尺寸统一拟定为3m ×2.5m ，城门洞形。

六 溢流坝坝体设计
一、堰顶高程的确定
堰顶高程
→→d H H
已知Q=32300m ³/s ，B=19×15=285m.
当H= 时，流量示数
8
.9g 0.19.0取，，假设自由出流侧收缩==ε
错误!未找到引用源。

=错误!未找到引用源。

=14.75m
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛≤==75.0H h .19n .m 75.140S 0流按半圆形墩次和自由出溢流孔数H ，查表得6-4 墩头形状 0H L u = 0
5.0H L u =
0=u L
75.0/0≤H h s
80.0/0=H h s
85.0/0=H h s
90
.0/0=H h s
矩
形 0.20 0.40 0.80 0.86 0.92 0.98
楔型或
半圆形 0.15 0.30 0.45 0.51 0.57 0.63
尖圆形
0.15 0.15 0.25 0.32 0.39 0.46
d
H 502
.0==d m m
闸墩系数o ζ=0.47，按圆弧形墩 查表6-3 k ζ=0.70，6
H =1 即
()[]
nb
1-n 2.0-10
0k A ζζε+= =1-0.2×()[]19
17.045.01-19⨯+⨯ =0.907
用求得的ε近似值代入上式重新计算0H 得
=14.75m
15
67
.14b 0=H ＜1，仍取1，则所求ε值不变，这说明0H =14.67m 已知上游河道为1000m ，上游设计水位为225.7m ，河床高程为127m 近似按矩形断面计算上游过水断面面积 o A =1000×（225.7-127）=98700m ² s /m 33.098700
32300
00===
A Q V 堰的设计水头
65.148
.9233.0-67.14g 2-H d 2
20=⨯==V H 堰顶高程： 上游堰高=225.7-14.65=211.05m 下游堰高=211.05-127=84.05 二、曲线型实用堰的设计
⎪⎩
⎪
⎨⎧宽顶堰＜＜实用堰＜薄壁堰＜堰的类型10/85.25.2/867
.0/8H H H
⎪⎪⎩
⎪⎪
⎨
⎧反弧段直线段曲线段
直线段
曲线型实用堰的组成DE CD BC AB ()⎩⎨⎧===X -0.2,85.11
k n y kHd OC
OB n n 三段圆弧法
OB 段：m
Hd R m Hd R m Hd R 59.004.093.22.033.75.0321====== 对应距离：m
Hd m Hd m Hd 13.4282.004.4276.056.217.0=== OC 段：()
y Hd k n y
kH n n 85.020
.2,85.185.11=X ===X -则
按上式算得的坐标值如下表：
中间直线段CD ：与顶部下游曲线和下部反弧相切，坡度和挡水坝一致取1：0.8 底部反弧段DE ：
()()()()m
R m
h R m
s m gh q h h s
m q n m b s
m Q R 13015.161~129125.1610~810~8125.162598/33.11381225812/33.1131519/3230019
,15/32300133
3,2,33==⨯===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯+=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+==⨯====取的计算
反弧半径，
（2）挑角
一般情况下多采用θ=20°~25°取20° （3）鼻坎高程
鼻坎最低高程，一般应高于下游最高水位1~2m ，即取下游设计供水位的1~2m 取154m 反弧段坐标确定
()
定溢流坝面
根据以上数据就可以确点坐标点距离：
距圆心距离坝底距离：
圆心坝基高程鼻坎高程，，2.149,4.1664.1668.0113012.14994.01302720cos 2712715415.1520cos 125.1620cos ,2
2
,2,21O m
m R C O m R h yo O m h m h =+⨯=+==⨯+=︒+==-=-==︒⨯=︒=χο
三、下游消能方式选取与设计 1、确定消能设计 2、水舌挑距L 的估算
()()()[]
2716.158.9220sin 72.3920cos 72.3920cos 20sin 72.398
,91
2712715416.1520cos 125.1620cos /72.391527.22595.021.12sin cos cos sin 122212122
1121+⨯⨯+︒︒+︒︒⨯=
=-=-==︒⨯=︒==-⨯⨯=⎥⎦⎤
⎢
⎣⎡+++=
L m h h h s m v h h g v v v g L 坝基高程鼻坎高程ϕθθθθ
=161.29m
3、冲刷坑深度的估算
角缓
所以满足要求则岩基倾＞5.225.62529
.1612512715228.242733.113125.05.025
.05.0===-==⨯⨯==tk
L m
tk H kq tk 4、挑流消能冲击 四、闸墩设计 1、闸墩布置
本设计闸墩对称与溢流坝段的中心线布置，这样布置的优点在于闸墩较薄，溢流坝总长度较短 2、闸墩的尺寸
闸墩的厚度决定于闸门的形式，跨度和高度，本课程设计堰顶设弧形钢闸门尺寸是15m ，闸墩的中墩厚度3m 4、边墩
边墩也就是边墙，水面线安全超高规范取0.5~1.5m,非直线段适当增加。

本设计堰顶曲线处的边墙高出水面线 1.5m ，直线段的边墙高度高出水面线1m ，反弧段的边墙高度高出鼻坎水深1.5m 边墩厚度1m。