挡水坝设计讲解

第二节挡水坝剖面设计

一、挡水坝剖面初步拟定

本次设计挡水坝剖面主要对挡水坝的最大剖面进行拟定，并进行稳定和强度校核，应用计算机确定挡水坝的最优断面，以下为手算部分。

（一）坝基高程设计

确定最大剖面的位置，首先要知道清基后坝基的最低点位置，地基的处理根据《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）。

1、坝基设计原则

一般规定，砼重力坝的基础经处理应满足下列要求：

（1）具有足够的强度，以承受坝体的压力；

（2）具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷；

（3）具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量；

（4）具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。

2、坝基开挖

（1）砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩土类别、基础变形和稳定性，上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。

坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。

（2）重力坝的基坑形状应根据地形地质条件及上部结构的要求确定，坝段的基面上下游高差不宜过大，并略向上游倾斜，若基础面高差过大或向下游倾斜时，应开挖成带钝角的大台阶状，台阶的高差与砼浇筑块的尺寸和分缝的位置相协调，并和坝址处的坝体砼厚度相适应。对地形悬殊部位的坝体应调整坝段的分缝。

（3）基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。

3、坝基高程拟定

由水库坝轴线工程地质剖面图量得，河床高程在137m左右，标准洪水位为227.2m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地址剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。由图上量的电站坝段最低建基面高程为▽126m。

（二）坝高拟定

1、超高值Δh的计算

（1）基本公式

坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式（2.1.1）计算，应选择两者中防浪墙较高者作为选定高程。

Δh = 2h l + hz + hc （2.1.1）

Δh—防浪墙顶与正常蓄水位或校核洪水位的高差m；

h% —波浪高度m；

h z —波浪中心线至正常蓄水位或校和洪水位的高差m；

h c—安全超高按表3－1采用,对于一级工程设计情况hc＝0.7m，特殊组合(校核情况)hc＝0.5m。

必须注意，在计算h（1%）和h z时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的年最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算：

坝顶高程=正常蓄水位+Δh正

坝顶高程=校核洪水位+Δh校

式中，Δh正、Δh校分别为计算的坝顶（或防浪墙顶）据正常蓄水位和校核洪水位的高度。由于正常蓄水位和校核洪水在计算坝顶超出静水位Δh 时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以在决定坝顶高程时，应按正常蓄水情况（持久状况）和校核洪水情况（偶然状况）分别求出坝顶高程，但坝顶高程应高于校核水位。

首先计算波浪高度2h l和波浪长度2L I和波浪中心线超出静水面的高度hz。

（2）正常蓄水位时Δh计算

风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，即：

风速V=2.0×21.5＝43m/s，吹程D=3km。

各波浪要素计算如下：

波高2h l=0.0166 V5/4 D1/3=0.0166×435/4×31/3=2.64m （官厅公式）

波长2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×2.640.8=22.6m （官厅公式）

h o=4πh l2/2L l=0.97m （官厅公式）

规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41；

V——计算风速，设计情况采用50年一遇,风速取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核情况采用多年平均最高风速；

D——吹程，可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离；

hz = h o= 0.97m

h c = 0.7m

Δh = 2h l + hz + hc=2.64+0.6+0.7m=4.31m

（2）校核洪水位时Δh计算

风速采用多年平均风速，即：

V=21.5m/s,D=3km。各波浪要素计算如下：

2h l=0.0166 V5/4 D1/3 =0.0166×21.55/4×31/3=1.11m （官厅公式）

2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×1.110.8=11.31m （官厅公式）

h o=4πh l2/2L l=0.34m （官厅公式）所以；

hz = h o= 0.34m

h c = 0.5m

Δh = 2h l + hz + hc=1.11+0.34+0.5m=1.95m

2、坝顶高程计算

根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。

（1）正常蓄水位时的坝顶高程：

▽坝顶=正常蓄水位+Δh

=224.7+4.31= 229.01m

（2）校核洪水位时的坝顶高程：

▽坝顶=校核洪水位+Δh

=227.2+1.95=229.15 m

为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝229.15m，当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙（取1.2m）时，可降低坝顶的高程，所以取坝顶高程为▽228m。建基面最低开挖高程为▽126m，则最大坝高为102m，属于高坝。

（三）剖面尺寸拟定

根据规范DL5108-1999，常态混凝土实体重力坝非溢流坝段的上游面可为铅直面，斜面或折面。上游坝坡宜采用n＝0—0.2，取n＝0.2；当设置纵缝时，应考虑其对纵缝灌浆前施工期坝体应力的影响，坝坡不宜太缓，采用折面时，折坡点高程应结合坝内发电进水管，泄水孔建筑物的进水口一并考虑，下游坝坡可采用一个或几个坡段，并根据稳定和应力要求，结合上游坝坡同时选择，下游坝坡宜采用m＝0.6—0.8，取m＝0.7；对横缝设有键槽进行灌浆的整体重力坝，坝坡可适当变陡。

根据《水工建筑物》（孙明权主编，第72页），有时为了同时满足稳定和强度坝体抗滑稳定要求，同时也避免施工期下游面产生拉应力，折坡起