第三章补充材料1_重力坝非溢流剖面设计实例

△h=0.586+0.189+0.4=1.175m 防浪墙高程=356.0+1.175=357.2m
取上述两种情况防浪墙高程中的大值，并取防浪墙高度 1.2m，则坝顶高程为 357.2-1.2=356.0m 最大坝高为 356.0-326.0=30m
（2）坝顶宽度 因该水利枢纽位于山区峡谷，无交通要求，按构造要求 取坝顶宽度5m，同时满足维修时的单车道要求。
△h=1.395+0.535+0.5=2.43m 防浪墙高程=354+2.43=356.4m
2）校核洪水位情况 风区长度D为0.9km，V0计算风速在校核洪水位情况取多 年平均年最大风速15m/s。 4 1/ ①波高 h5% = 0.0166V05/ 4 D1/ 3 = 0.0166 ×155 /（0.9）3 = 0.473m
h1% = 1.24h5% = 1.24 ×1.125 = 1.395m
②波长
L = 10.4 ( h5% )
0.8
= 10.4 ×1.1250.8 = 11.428m
③波浪中心线至计算水位的高度
2 2π H π h1% 3.14 × 1.3952 hz = coth ≈ = = 0.535 L L L 11.428 2 π h1%
（3）其它有关资料 河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程 337.1m。泥沙浮重度为6.5kN/ m3 ，内摩擦角φ=18°。 枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15m/s，水库 最大风区长度由库区地形图上量得D=0.9km。 坝体混凝土重度γc =24kN/m3，地震设计烈度为6度。拟 采用混凝土强度等级C10，90d龄期，80%保证率，抗压强度 标准值fck为10MPa，坝基岩石允许压应力设计值为4000kPa。
（3）坝坡的确定 根据工程经验，考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游 坝面采用折坡，起坡点按要求为1/3~2/3坝高，该工程拟折坡 1/3~2/3 点高程为346.0m，上部铅直，下部为1:0.2的斜坡，下游坝坡 取1:0.75，基本三角形顶点位于坝顶，349.3m以上为铅直坝面。
（4）坝体防渗排水 根据上述尺寸算得坝体最大宽度为26.5m。分析地基条 件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游 坝踵5.3m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线1.5m。拟设廊道 系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。
sk
2
2 sb s
2
o
s

2
（5）浪压力 坝前水深H大于半波长（H>L/2）按深水波计算浪压力标 准值 γL Plk = ( h1% + hz )
4
荷载计算结果：
（四）抗滑稳定极限状态计算 坝体抗滑稳定极限状态，属承载能力极限状态，核算时， 其作用和材料性能均应以设计值代入。基本组合时γ0=1.0； ψ=1.0，γd=1.2；fd＇=0.82/1.3=0.6308； cd＇=600/3.0=200.00kPa。
γ 0φ S ( ) = 1.0 ×1.0 × 4321.03 = 4321.03kN
1
γd
R( ) =
1 ( 7190.55 × 0.6308 + 200 × 26.5 ×1) = 8196.50kPa > γ 0φ S ( ) 1.2
满足要求。 偶然组合与基本组合计算方法类同，该例题省略。深 层抗滑稳定分析省略。
（3）扬压力 扬压力强度在坝踵处为γH1 ，排水孔中心线上为 γ(H2+αH)，坝趾处为γH2。扬压力折减系数α为0.25，按图中4 块分别计算其扬压力标准值。 （4）淤沙压力 分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为6.5kN/m3， 6.5kN/m 内摩擦角φs=18°。水平淤沙压力标准值为 P = 1 γ h tan 45 − φ
拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归 纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定 和应力校核，经过几次反复，得到满意的结果为止。该例题 只要求计算一个过程。
重力坝剖面设计图（单位：m）
（三）荷载计算及组合 以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算 （其它情况略）。根据荷载组合情况，设计洪水情况的荷载 组合包含：自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。沿坝 轴线取单位长度1m计算。 （1）自重 将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值， 廊道的影响暂时不计入。 （2）静水压力 按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压 力分别计算其标准值。
二、设计要求 （1）拟定坝体剖面尺寸 确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游 坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。 （2）荷载计算及作用组合 该例题只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算， 取常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、 浪压力。列表计算其作用标准值和设计值。 （3）极限状态验算 用分项系数极限状态设计法，验算重力坝沿坝基面的抗 滑稳定、坝趾抗压强度以及坝踵不出现垂直拉应力三种极限 状态。
对于坝趾岩基：
1
γd
R( ) =
1 × 4000 = 3076.92kPa > γ 0φ Hale Waihona Puke Baidu ( ) 1.8
满足要求。
对于坝趾混凝土C10：
1
γd
R( ) =
1 9800 × = 3629.63kPa > γ 0φ S ( ) 1.8 1.5
满足要求。
（六）坝踵不出现垂直拉应力极限状态计算 坝踵不出现垂直拉应力极限状态，属正常使用极限状 态，核算时，其作用和材料性能均以标准值代入。基本组 合时，γ0=1.0；c=0。
h1% = 1.24h5% = 1.24 × 0.473 = 0.586m
②波长
L = 10.4 ( h5% )
0.8
= 10.4 × 0.4730.8 = 5.713m
③波浪中心线至计算水位的高度
hz =
2 π h1% 2 2π H π h1% 3.14 × 0.5862 coth ≈ = = 0.189 L L L 5.713
（五）坝趾抗压强度极限状态计算 坝趾抗压强度极限状态，属承载能力极限状态，核算 时，其作用和材料性能均以设计值代入。基本组合时， γ0=1.0；ψ=1.0，γd=1.8。
7190.55 6 × ( −19503.43) − γ 0φ S ( ) = 1.0 ×1.0 × (1 + 0.752 ) = 684.34kN 26.52 26.5
抗滑稳定和坝趾抗压强度极限状态属承载能力极限状态， 设计要求采用荷载设计值和材料强度设计值。荷载标准值乘以 荷载分项系数后的值为荷载设计值；材料强度标准值除以材料 性能分项系数后的值为材料强度设计值。本设计有关荷载的分 项系数查《混凝土重力坝设计规范（DL5108－1999）》：自 重为1.0；静水压力为1.0；渗透压力为1.2；浮托力为1.0；淤沙 压力为1.2；浪压力为1.2。混凝土材料的强度分项系数为1.5； 对于混凝土与岩基间抗剪强度摩擦系数为1.3，凝聚力为3.0。 上游坝踵不出现拉应力极限状态属正常使用极限状态，结 构功能极限值为0，设计要求采用荷载标准值和材料强度标准 值。 下游坝基不能被压坏而允许的抗压强度设计值为4000kPa。 实体重力坝扬压力折减系数为0.25。
一、基本资料 某高山峡谷地区规划的水利枢纽，拟定坝型为混凝土重 力坝，其任务以防洪为主、兼顾灌溉、发电，为3级建筑物， 试根据提供的资料设计非溢流坝剖面。 （1）水电规划成果 上游设计洪水位为355.0m，相应的下游水位为331.0m； 上游校核洪水位356.0m ，相应的下游水位为332.0m；正常 356.0m 332.0m 蓄水位354.0m；死水位339.5m。 （2）地质资料 河床高程328.0m，约有1～2m覆盖层，清基后新鲜岩石 表面最低高程为326.0m。岩基为石灰岩，节理裂隙少，地质 构造良好。抗剪断强度取其分布的0.2分位值为标准值，则 ′ ′ 摩擦系数 f k =0.82，凝聚力 ck =0.6MPa。
三、非溢流坝剖面的设计 （一）资料分析 该水利枢纽位于高山峡谷地区，波浪要素的计算可选用官 厅公式。因地震设计烈度为6度，故可不进行抗震计算。大坝 以防洪为主，3级建筑物，对应可靠度设计中的结构安全级别 为Ⅱ级，相应结构重要性系数γ0=1.0。坝体上的荷载分两种组 合，基本组合（设计洪水位）取持久状况对应的设计状况系数 ψ=1.0，抗滑稳定极限状态的结构系数γd =1.2，坝趾抗压极限状 态的结构系数γd =1.8 ；偶然组合（校核洪水位）取偶然状况对 应的设计状况系数ψ=0.85，抗滑稳定极限状态的结构系数γd =1.2，坝趾抗压极限状态的结构系数γd =1.8 。
（二）非溢流坝剖面尺寸拟定 （1）坝顶高程的确定 坝顶在水库静水位以上的超高： △h=hl%+hz+hc 对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高hc正常蓄水 h 位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。分正常蓄水位和校核 洪水位两种情况计算。
1）正常蓄水位情况 风区长度（有效吹程） D为0.9km，V0计算风速在设计 洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为30m/s。 4 1/ ①波高 h5% = 0.0166V05/ 4 D1/ 3 = 0.0166 × 305/（0.9）3 = 1.125m
γ 0 S ( ) = 1.0 ×
7490.4 6 × (−17159.08) + = 136.05kPa ≥ 0 2 26.5 26.5
满足要求。