重力坝剖面设计

2.7.1坝顶高程的确定
坝顶高程由静水位、风浪涌高、安全超高几部分组成。

坝顶高出水库静水位的高度按下式计算：Δh=h1+h0+hc
式中h1 ——波浪高度，
h0 ——波浪中心线高出静水位的高度
二者按h1=0.0166V5/4*D1/3 ，L1=10.4h10.8 ，h0=πh12 /2L1 计算 V——库面风速D——库面的波浪吹程
hc——安全超高，按下表采用：
依据《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180—2003和《混凝土重力坝设计规范》DL 5108-1999，安全超高hc按下表确定。

安全超高hc值
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下列两式计算，并选用较大值：设计情况下V取多年平均风速的1.5~2.0倍，本设计取2倍。

校核情况下取多年平均风速。

由设计给出资料该水库最大吹程为10km,多年平均风速为16m/s.即对于设计情况V=32m/s，校核情况，V=16m/s. 坝顶高程=设计洪水位+Δh设坝顶高程=校核洪水位+Δh校
代入数值计算，设计情况下：h1=1.89h0=0.51 而hc=0.5
校核情况下：h1=1.14 h0=0.18 而hc=0.4，
代入数值计算取两者较大值。

—1 重力坝剖面设计原则—2 重力坝的基本剖面—3 实用剖面—4 实用剖面的优化设计—一、优化设计的有关概念【设计变量、目标函数、约束条件】 —二、优化设计的数学模型及求解途径① 满足稳定和强度要求② 剖面最小，即工程量最小③ 便于施工④ 满足运行要求重力坝的基本剖面一般 是指在水压力(水位与坝顶齐平)、自重和扬压力等主要荷载作用下， 满足稳定、强度要求的 最小三角形剖面。

当α>90°时，即上游面为倒坡。

库空时，三角形重心可能超过底边三分点在下游面产生拉 应力，而且倒坡不便施工。

当α <90°时，利用水重帮助稳定。

但角度 太小时，库满时合力可能超过底边三分点（偏 下游）在上游面产生拉应力。

上游面坡度越缓， 第一主应力越易成为拉应力，故α角不宜太小。

工程经验m=0.6~0.8（下游坡）n=0~0.2（上 游坡）根据运用和交通要求，坝顶应有足够的宽度，无特殊要求，坝顶宽=8­10%坝高，但不得小于3m， 如有运用和交通要求，应满足这些要求。

坝顶高程或防浪墙顶高程，按设计洪水位、校 核洪水位两种情况分别计算，并选用较大值。

坝顶高于水库水位的高度△h 计算常用剖面形态：cz h hh h + + = D % 1例1-3设计资料同例1­1，要求拟定非溢流重力坝的 断面尺寸。

解：（1）坝顶高程的确定坝顶高程按正常蓄水位和校核洪水位两种情况， 用式1­57计算坝顶距水库静水位以上的高度∆h，并 据求得相应的坝顶高程，取两者的最大值作为选定 的坝顶高程。

枢纽位于高山峡谷地区，采用式1­1计算波高、波长。

v 0 在正常蓄水位取1.5倍，在校核洪水位取多年平均 最大风速。

安全超高h正常蓄水位取0.5m，校核洪c水位取0.4m。

正常蓄水位时：由于 ，h 相当于h 5% ，查表1­1， h 1%=0.87m ，波浪中心线在静水位以上的高度为 同理，校核洪水位h 1% =0.52m ，L m=5.26m ， h z=0.16m ∆h =0.52+0.16+0.4=1.08m1/3 1/12 22 02 1/3.75 1/2.15 22 09.81000 0.0076(1.3 1.5)0.00173 (13.3 1.5) 0.173(13.3 1.5)/9.80.70m9.81000 0.331(13.3 1.5)0.1943(13.3 1.5) 7.89mm m gh v h gL v L - éù ´ =´´´= êú ´ ëû \=´´= éù ´ =´´´= êú ´ ëû \= 2 0 /25.13 gD v = 2 1% 1% 0.30m0.870.300.5 1.67mz m z c h h L h h h h p »= D =++=++=两种情况的坝顶防浪墙顶部高度分别为正常蓄水位时：177.0+1.67=178.67m校核洪水位时：179.02+1.08=180.10m选取上述较大值，坝顶防浪墙高程为180.10m，防浪墙高度 取1.2m，并考虑到坝顶高程应高于校核洪水位，最后确定坝顶高 程为179.15m，最大坝高为30.05m。

第一章重力坝第一节概述引言：重力坝是主要依靠坝体自重所产生的抗滑力来满足稳定要求的挡水建筑物。

在世界坝工史上是最古老，也是采用最多的坝型之一。

非溢流坝剖面形式、尺寸的确定，将影响到荷载的计算、稳定和应力分析，因此，非溢流坝剖面的设计以及其它相关结构的布置，是重力坝设计的关键步骤。

本节主要介绍：重力坝的特点、重力坝的分类、非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面混凝土重力坝示意图我国已建的重力坝：刘家峡148m，新安江105m，三门峡106m，丹江口110m，丰满、潘家口等，其中，高坝有20余座。

其中三峡混凝土重力坝和龙滩碾压混凝土重力坝分别高达175米和216.5米。

重力坝坝轴线一般为直线，垂直坝轴线方向设横缝，将坝体分成若干个独立工作的坝段，以免因坝基发生不均匀沉陷和温度变化而引起坝体开裂。

为了防止漏水，在缝内设多道止水。

垂直坝轴线的横剖面基本上是呈三角形的，结构受力形式为固接于坝基上的悬臂梁。

坝基要求布置防渗排水设施。

一、重力坝的特点1.优点：●工作安全，运行可靠。

重力坝剖面尺寸大，坝内应力较小，筑坝材料强度较高，耐久性好。

因此，抵抗洪水漫顶、渗漏、侵蚀、地震和战争等破坏的能力都比较强。

据统计，在各种坝型中，重力坝失事率相对较低。

●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。

对地质条件要求相对较低，一般修建在岩基上，当坝高不大时，也可修建在土基上。

●泄洪方便，导流容易。

可采用坝顶溢流，也可在坝内设泄水孔，不需设置溢洪道和泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

在施工期可以利用坝体导流，不需另设导流隧洞。

●施工方便，维护简单。

大体积混凝土，可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑等环节都比较方便。

在后期维护，扩建，补强，修复等方面也比较简单。

●受力明确，结构简单。

重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构简单，受力明确，稳定和应力计算都比较简单。

2.缺点：●坝体剖面尺寸大，材料用量多，材料的强度不能得到充分发挥。

一、基本资料某河流域形状狭长，两岸为陡峻山体，河流水量较丰富，河道坡陡流急。

拟建枢纽工程担负着发电、防洪、灌溉、航运等任务。

1、地质勘查基本资料河床可利用基岩高程为20m2、气象资料洪水季节50年重现期最大风速的多年平均值为16.8m/s，相应设计洪水位时吹程1.9km，相应校核洪水位时吹程2.1km。

3、经水文、水利调洪演算确定：死水位92.00m；设计洪水位115.00m，相应下游水位45.50m；校核洪水位118.82m，相应下游水位48.67m；库底淤沙高程44.52m，淤沙浮容重=8.71 KN/m3。

二、非溢流重力坝剖面设计2.1非溢流坝段剖面设计原则重力坝剖面设计原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝的安全；②工程量要小；③运用方便；④便于施工。

非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。

基本断面上部设坝顶结构。

根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。

为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。

拟定基本剖面，再根据运用及其他要求，将基本剖面修改成为实用剖面，最后对实用剖面在全部荷载作用下进行应力分析和稳定验算，经过反复修改和计算，确定合理的坝体剖面。

2.1.1确定基本设计参数重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶平齐）和扬压力三项主要荷载作用下，满足强度和稳定性要求，使工程量最小的三角形剖面。

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。

2.1.2坝顶高程的计算坝坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙高程，应高于波浪顶高程。

坝顶高程=设计/校核洪水位+安全超高，选用其中较大者。

安全超高：Δℎ=ℎ1%+ℎz+ℎc式中：Δℎ——坝顶超高，即防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差m；ℎ1%——累计频率为1%的波浪高度，m；ℎz——波浪中心线高于静水位的高度，m；ℎc——安全加高，取值按表2-1.安全超高h c（m）根据基本资料，相应洪水季节50年重现期最大风速的多年平均值为16.8m/s，相应吹程1.9km，坝前水位=115-20=95(m)根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005, 采用官厅公式计算波高和波长。

重力坝设计中的非溢流坝段剖面设计1. 坝顶高程坝顶标高应高于检查洪水位。

上游坝顶标高应高于防波堤顶标高。

波浪墙顶与设计洪水位或洪水水位之间的高度差可以根据以下公式计算：∆h =h 1%+hz+hc（4-1）式中：h1%为累计频率为1%时的波浪高度，m；hz为波浪中心线高于静水位的高度，对于山区水库，波浪要素按官厅公式计算如下：hl=0.0166V05/4D1/3（4-2）L=10.4hl0.8（4-3）hz =（πhl2/L）cth（2πH/L）（4-4）H为坝前水深，m；hc为为安全加高。

V0——计算风速，m/s，正常蓄水位和校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍。

校核洪水位四宜用相应洪水期的多年平均风速，m/s；D——吹程。

风区长度1.2km；L——波长，m表4.1 安全加高表本工程hc取0.5根据计算得出坝顶标高（或坝顶对波峰的高度），选取较大的值。

坝顶高程=设计洪水位+Δh坝顶高程=校核洪水位+Δh表4.2 坝顶高程计算成果表经过比较可以得到坝顶或防浪墙顶高程为294.307m，故最大坝高为：294.307～240=54.307m2. 坝顶宽度为了应用和施工，波峰需要一定的宽度。

坝顶宽度一般为8%～10%，不小于3米。

同时，为了满足需求的设备布局、操作、运输和设施，通过分析选择九龙滩水电站坝顶宽度6米的计算，外加3米（共9米宽）。

3. 坝面坡度坝址的岩体基本相同。

岩石基底相对完整，坚硬，f和c相对较大。

在上游坝面水的帮助下，大坝保持稳定，上游坝坡的坡度为直线，上游坡度系数n为0，m为0.75。

上游坝坡采用直型，应根据坝段实际坝段类型、坝顶宽度、坝顶宽度、坝顶基本剖面进行计算，并选择下游坡度点。

4. 地基防渗与排水设施拟定由于需要防渗，坝基应设置防渗帘和排水帷幕。

坝体排水管应靠近上游坝面，以尽快消除渗水，但坝面距离不得小于1/10～1/20（即坝前的水深 2.577m至5.154m），为了避免渗流坡度过大，可能会对混凝土的坝面进行淋滤破坏。