重力坝设计设计

金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第1页共92页第一章金河金水水利枢纽毕业设计基本资料1.1流域概况及枢纽任务万江是我国大河流之一，其干流全长1200公里，流域面积25400平方公里，上游95%为山地，河床狭窄，水流湍急；中游大部分为丘陵地带，河床较宽；下游岸为冲积平原，人口最密，农产丰富，为重要农业区域，且有一个中等工业城市，但下游河床淤高，主要靠堤防挡水，每当汛期，常受洪水威胁。万江流域内物产以农产为主，有稻谷、小麦、玉米、甘薯等，矿产较少，燃料很缺乏。金河是万江的重要支流，流经万江的上、中游地带，全长250公里，平均坡降为0.0009，流域面积为9200平方公里，河道两岸为山地丘陵，河道狭窄，水流较急，能量蕴藏甚大，但洪水涨落迅速，对万江中下游防洪相当不利。金河开发计划是配合万江而制定的，为减轻金河洪水对万江中下游农田的威胁，且开发金河能够供应万江中下游工农业日益增长的动力需要，拟在金河与万江汇流处的金水兴建水利枢纽。本枢纽的主要任务是防洪、发电等综合利用效益。1.2坝址地形在本坝址地区，河床狭窄，仅一百多米宽，但随着高程之增高两岸便趋于平坦。两岸高度在200米以上，海拔高程在400米以上，在坝址处右岸较左岸为陡，右岸平均坡度为0.5左右，左岸为0.4左右。坝址位于河湾的下游，在坝址上游十余公里有一开阔地带，为形成水库的良好条件。1.3坝址地质该区地质构造比较简单，主要岩层为黑色硅质页岩和燧石，上有3-9米左右的覆盖层，系河沙卵石，近风化泥土层及崩石。其岩层性质为：黑色硅质页岩：属沉积岩，为硅质胶结物之页岩，根据勘测结果，该岩层性质坚硬致密，仅岩石上层10-18米深度存在有裂缝和节理，不很严重，但须加以处理，经过压水试验，岩石之单位吸水量为0.1公升/分钟。燧石：其岩层不宽，分布于左岸，岩性较黑色硅质页岩为弱。岩层走向：左岸为南300西，右岸为南50东，倾角为500-700，倾向正向上游：在坝址处，据目前资料尚未发金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第2页共92页现断层。硅质页岩的力学性质：（1）天然含水量时的平均容重：2600公斤/立方米（2）基岩抗压强度：1000-1200公斤/平方厘米（3）牢固系数12～15（4）岩石与混凝土之间的的抗剪断摩擦系数为f’=0.85，抗剪断凝聚力系数c’=7.0kg/cm2；抗剪摩擦系数ｆ＝0.65。1.4水文气象本枢纽位于我国中部，气候温和，雨量丰富，雨量多集中于6-9月，此四个月为丰水期，多暴雨。流域及河流坡度较陡，故洪水来势凶猛。枯水期在10-5月，1-4月为最枯季节：本河流自1954年开始建立水文站，本枢纽距该站不远。1、多年月平均流量表月123456789101112605080100180420650600440240150952、各种时期不同频率的洪峰值频率（%）0.010.020.11.02.0510洪水期洪峰(立米/秒)5890560047503630330028002500枯水期洪峰(立米/秒)2702502083、降雨量资料，见下表：单位：毫米月份123456各月平均降雨量5.28.818.534.032.680.3各月平均降雨次数2.43.75.96.38.58.1月份789101112各月平均降雨量118.0140.0125.260.128.28.0各月平均降雨次数6.39.8010.18.87.82.2金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第3页共92页一日最大降雨量曾达90.5毫米。4、气温记录及冰冻情况，见下表：单位：cm月份123456多年月平均气温4.26.511.517.522.125.9最高气温13.520.028.530.435.239最低气温-7.0-4.7-2.31.58.013.0月份789101112多年月平均气温28.627.722.716.810.44.7最高气温38.537.236.028.021.115.3最低气温17.516.010.02.5-2.1-4.8年平均气温为16.5℃。河道常年不结冰，在委寒冷的情况下，地面有冰冻现象，但历时短。5、河道泥沙情况根据坝址附近水文站的统计，本河流年平均输砂量为1.8×106米3，在河流上游山区有部分森林，其他地方亦在进行造林工作和其他的水土保持工作。水土保持生效年限可采用30年，泥沙饱和容重取1.4吨/立方米，泥沙内摩擦角为00。6、水库吹程、风速吹程为3.0公里；多年平均最在风速为15米/秒。50年一遇的风速为17米/秒。7、典型洪峰过程线，水库水位——库容曲线，水库水位——面积曲线（见另图）。8、坝址流量——水位关系如下表：流量（立方米/秒）20050010002000水位（米）153.46155.13156.8158.94流量（立方米/秒）3000400050005500水位（米）160.68162.41164.1164.961.5当地材料分布情况在坝址上下游两岸有大量的河砂和较多的卵石，椐初步调查河砂的储蓄量为820000立方米，渗透系数K=4×10-2厘米/秒，卵石储量有580000立方米，大部分在上海。在坝址下游三公里左右，有部分土壤；储量不多，约52000立方米，K=1×10-3厘米/秒。在本河流上游地区，有部分山区森林，可作筑坝所需木材之用。金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第4页共92页1.6交通运输（1）陆路：目前已有三级公路通过本地区，离坝址150公里处有铁路，且与公路衔接。（2）外地材料之运输，主要靠铁路、公路，部分可用木船，运输较方便。（3）施工动力与施工机械的供应：施工动力大部分可由坝址下游处之县城供给，不足之数由离坝址70公里的县城供给。施工机械之供应是方便的。（4）劳动力：坝址所在地区，有足够的农业劳动力；在满足了农业生产的要求下，可以抽调一部分农业劳动力参加枢纽之修建工作。1.7其他设计资料上游校核洪水位184m死水位166.28m上游设计洪水位181m电站总装机容量108000千瓦上游正常蓄水位179m电站最大引用流量360m3/s设计流量2200m校核流量3300m下游校核尾水位154m下游设计尾水位152m下游正常尾水位151m金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第5页共92页第二章枢纽总体布置2.1工程等别确定因为校核洪水位为184m，查水位—库容曲线，总库容=20亿m310亿m3故：工程等别为Ⅰ等。又由电站装机容量10800千瓦，大于50MW且小于300MW；故：工程等别为Ⅲ等。由两者综合得，取等别大的，该工程等别为Ⅰ等，因此建筑物级别为Ⅰ级，抗滑稳定系数K=1.10。2.2水利枢纽的分类及布置原则水利枢纽按承担任务的不同可分为防洪枢纽、灌溉枢纽、发电枢纽、航运枢纽等。而大多情况下都是多目标的集合利用枢纽。按坝型可分为重力坝枢纽、拱坝枢纽、土石坝枢纽及水闸枢纽等。水利枢纽布置必须充分考虑地形，地质条件，使各种水工建筑物都能布置在安全可靠的地基上，并能满足建筑物的尺度和布置要求以及施工的必需条件，枢纽布置使各个不同功能的建筑物在其位置上各得其所，在运行中相互协调，充分有效地发挥所承担的任务。在满足基本要求的前提下，力求建筑物布置紧凑，一物多用，减少工程量，降低造价。同时要充分考虑美学要求。一个大型水利枢纽工程的总体布置是一项复杂的工程，需要按系统工程分析方法进行论证确定。2.3坝址选择坝址选择与枢纽布置密切相关，不同坝型轴线易采取不同的坝型和枢纽布置，同一坝址也可以有不同的坝型和枢纽布置方案，通过经济比较择优选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。坝址选择与地质条件密切相关，理想坝址地质条件是强度高，透水性好，不易风化，没有构造缺陷的岩基，但一般来说，坝址在地质上总是存在缺陷，因此，在选用坝址时应用实际出发。不仅要慎重考虑坝基地质条件，还要求库区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性。坝址地形条件与坝型选择和枢纽布置有着密切关系。金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第6页共92页除此之外，地形条件在很大程度上会影响坝址。一般来说，坝址宜选在河谷狭窄地段，坝轴线较短，可以减少坝体工程量，还要考虑便于施工导流等等，因此需要全面分析。结合考虑，选择最有利的坝址，对于此工程：1．从地质条件看：上坝线处河床高于下坝线，根据地质剖面图，上坝线处地基岩比较稳定，坝基岩为黑色硅质页岩和燧石，上面有3-9米覆盖层。2．从施工条件看：上坝线河床比较宽，显然相同条件下，上坝线更有利于施工导流，截流期比较短，更容易截流。3．从水流条件看，由上、下坝线坝址水位流量关系看出，在同样情况下，上坝线更有利于抬高水位，对发电为主的枢纽是有利的。4．从经济方面考虑，下坝线虽然相对平坦一些，且对外交通比上坝线短，但其紧邻生活区，需要迁移居民，耗资较大，不利于经济合理原则，因此，选上坝线比较好。综合以上所有因素来看，在满足枢纽布置和施工导流的前提下，上坝线工程量较小，坝轴线构造更简单，因此，选上坝线作为坝址。2.4坝型的选择1．重力坝（1）重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。重力坝之所以得到广泛应用，是因为其具有以下几个方面的优点：①安全可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。②对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。③枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高程设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。④便于施工导流。在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。⑤施工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且加强、修复、维护或扩建也比较方便。（2）重力坝的缺点主要是坝体剖面尺寸大，材料用量多，把体应力较低，材料的强度不能充分发挥，而且需要严格的温度控制措施，坝基与地基的接触面积大，相应的坝体扬压力大，对稳定不利。2．土石坝金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计第7页共92页土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，它之所以得到广泛应用和发展有以下优点：①可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。②能适应各种不同的地形、地质和气候条件。③大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。但土石坝坝顶不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，坝体的断面大，土料填筑的质量易受气候的影响。3．拱坝拱坝须是固接与基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构既有拱作用又有梁作用。由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此，对于施工质量、建筑材料强和防渗要求等都较重力坝严格。除此之外，拱坝对地形的要求是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。本设计的两岸地形不适合建拱坝。综合以上三种坝形的优缺点，考虑到本枢纽主要承担了防洪作用，而且在校核洪水位时的流量和泄流量都较大，需要开敞式的坝体泄流形式，由于土石坝自身不能在坝顶溢流的缺点，不能够满足防洪的需要，故选用重力坝作为设计坝型。而重力坝的形式比较多，主要可分为实体重力坝、碾压混凝土重力坝、宽缝重力坝等。下面介绍这几种坝型：1．实体重力坝的主要优点就是，结构相对比较简单，施工比较方便，并且有丰富的经验技术，施工过程中质量容易控制。其不足之处就是坝体体积较大，扬压力也比较大，施工时不利于混凝土的散热。2．宽缝重力坝具有以下一些优点：充分利用了混凝土的抗压强度；扬压力显著降低；节省混凝土方量。但也有一些缺点，如：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，对宽缝需要采取保温措施，而且宽缝重力坝的散热比较好，并且一般情况下，不易出现被坝体内部混凝土由于膨胀而破坏坝体的稳定。3．碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比，具有以下一些优点：工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，又特别是