非溢流重力坝的剖面设计

授课题目：第二章重力坝第一节概述第二节非溢流坝的剖面设计教学目的：掌握重力坝的特点、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。

教学重点：重力坝的特点、重力坝的分类。

非溢流坝基本剖面及实用剖面。

教学难点：非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面。

教学过程：组织教学：师生问好，清查人数。

复习提问：什么是水利枢纽？水利工程管理的内容是什么？导入新课：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。

讲授新课：第一节概述混凝土重力坝示意图一、世界上最高的重力坝我国已建的重力坝：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。

二、重力坝的特点（一）优点：1、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。

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。

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。

3、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。

非溢流重力坝设计知识重力坝的基本断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断面。

★一、设计原则：（一）满足稳定和强度要求；（二）工程量少；（三）便于施工；（四）运用方便。

二、基本剖面（一）因为作用于上游面的水压力呈三角形分布,所以重力坝面是三角形。

1.规律：①施工运用方便多做成a=90；②f较低时，为满足稳定，减小a角，利用水重；③工程经验：m=0.6—0.8（下游坡）n=0—0.2（上游坡）； 2.一般情况,坝体与坝基接触面之间摩擦系数及粘结强度越大、渗压折减系数越大，基本剖面底宽就越小，T主要由强度条件控制。

反之，摩擦系数和粘结强度越小，渗压折减系数越小，坝底宽度就越大，且主要由抗滑稳定条件控制。

★三、实用剖面（一）坝顶宽度（课本49页）；（二）坝顶高程（课本49页）；（三）剖面选择（课本51页）（四）溢流重力坝既能挡水又能通过坝顶溢流。

因此，坝体设计除要满足稳定和强度要求外，还要满足泄水要求。

在溢流坝段位置确定以后，应合理选择泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。

四、溢流重力坝的剖面设计溢流重力坝的孔口型式有开敞式坝顶溢流和大孔口溢流式两种。

（一）溢流面由顶部溢流面曲线段、中间直线段和下部反弧段组成。

1.溢流堰面曲线★常采用非真空剖面曲线。

①开敞式溢流堰面曲线②大孔口堰面曲线★③堰顶附近允许出现的负压值为：在常遇洪水位闸门全开时不得出现负压；校核洪水位闸门全开时出现的负压值不得超过3m～6m水柱；正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时（以运用中较常出现的开度为准），可允许有不大的负压值，其值应经论证后确定。

★常遇洪水位，系指频率为20年一遇以下洪水时的水库水位，在常遇水位下，溢流堰运用机会较多，容易遭受空蚀，特别在门槽部位，应引起注意。

2.溢流面中间直线段；3.溢流坝下游反弧段半径；4.溢流坝剖面布置五、溢流坝孔口设计（一）孔口设计涉及因素 （二）设计步骤（三）孔口型式1.坝顶溢流式优点：①闸门承受的水头较小，孔口尺寸可以较大； ②闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H 03/2成正比，超泄能力强； ③闸门在顶部，操作方便，易于维修，安全可靠； ④能排水及其他漂浮物。

第三章 非溢流重力坝设计3.1基本剖面设计3.1.1剖面设计原则重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，并以特殊荷载组合复合。

设计断面要满足强度和强度要求。

非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量最小；③优选体形，运用方便；④便于施工，避免出现不利的应力状态。

3.1.2基本剖面拟定图3.1重力坝的基本剖面是指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3.1。

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，可以求的工程量最小的三角形剖面尺寸。

3.1.3实用剖面的拟定一、坝顶高程的拟定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。

坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。

即∇＝静+h ∆式中：h ∆＝l z c h h h ++。

式中：l h ----为波浪高度；z h ----为波浪中心线超出静水位的高度；c h ----为安全超高。

1、超高值h ∆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，h ∆可由式计算，应选择三者中防浪墙较高者作为选定高程。

c z h h h h ++=∆%1 （2.1）式中h ∆—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差m ；%1h —累计频率为1%的波浪高度m ；z h —波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m ；c h ——安全超高 ；c h 的取值，根据下表3.1表3.1故本设计坝的级别为2级，所以设计安全超高为0.5m ，校核安全超高为0.4m 。

对于h l%和h z 的计算采用官厅公式计算：3/14/500166.0D V h l =，0.810.4()c L h = 22l z h H h cth L Lππ= 式中： 0V ----计算风速，m/s, 在计算%1h 和z h 时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。

第一节非溢流坝剖面设计
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。

已知非溢流坝采用实体重力坝，基本剖面为上游坝坡采用1：0，下游坝坡采用1：0.6-1:0.8,坝顶宽度为坝高的8%-10%，且>3m，而坝高为157.2-68=89.2m，考虑通车情况取坝顶宽度为8m
坝底宽度计算采用公式（5）
(5)
式中T —坝底宽度
H —为坝高
—坝体混泥土容重取23.5KN/m3
—水的容重取10 KN/m3
β—坝上游面为铅垂面取0
a—扬压力折减系数取0.35
则由公式（5）计算可得下游坝底宽度为63.07m；
校核坝底宽度是否满足下游坝坡1：0.6-1：0.8的要求
H/(T-坝顶宽度)=1.57 满足要求
校核设计的剖面是否满足抗滑稳定安全不考虑动水压力和地震荷载
由书公式2—1，单位长度坝面自重=65436.7KN注：此式中H为校核洪水位156.3m；即A=（156.3-68）*0.5*63.07=2784.54m3；
单位长度静水总压力=36722.45KN注：此式的H用设计洪水位153.7m；
淤沙压力=3861.00KN
式中A为坝体面积，计算后得2859.60 m3
淤泥的浮重度取9KN/m3
挡水建筑物前泥沙的淤积高度取97.6m-68m=29.6m
淤泥的内摩擦角取1.2°
扬压力
=10382.63KN
浪压力
=39.76KN
校核代入公式（6）
带入以上数据得K=1.12 >1.10 满足要求。

网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽**奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级： 2012年春季学号：学生：指导教师：《水工建筑物》课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。

坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2～3km均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。

砂石料满足砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：80.0m。

注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。

表一本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。

2.3 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。

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。

网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽**奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级： 2012年春季学号：学生：指导教师：《水工建筑物》课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。

坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2～3km均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。

砂石料满足砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：80.0m。

注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。

表一本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。

2.3 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。

第三部分枢纽布置（1）坝型的选择坝型根据：坝址基岩岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗岩，河岸边及冲沟底部见有弱风化基岩出露。

河床冲积层厚度一般为 2.0-2.5m，左岸覆盖层厚度为3-8m，右岸覆盖层厚度为 0.5-5.0m，覆盖层主要为坡残积含碎石粘土层。

且河床堆积块石、孤石和卵石，但是缺乏土料。

浆砌石重力坝虽然可以节约水泥用量，但不能实现机械化施工，施工质量难以控制，故本工程采用混凝土重力坝。

（2）坝轴线的选取坝址河段长 350m，河流方向为 N20E，其上、下游河流方向分别为 S70E和 S80E。

坝址河谷呈“V”型，两岸h山体较雄厚，地形基本对称，较1完整，两岸地形坡度为 30°-40°。

河床宽 20-30m，河底高程约 556-557m。

坝轴线取在峡谷出口处，此处坝轴线较短，主体工程量小，建库后可以有较大库容。

（3）地形地质坝址基岩岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗岩，河岸边及冲沟底部见有弱风化基岩出露。

河床冲积层厚度一般为 2.0-2.5m，左岸覆盖层厚度为3-8m，右岸覆盖层厚度为 0.5-5.0m，覆盖层主要为坡残积含碎石粘土层。

（4）坝基参数坝址地质构造主要表现为断层、节理裂隙。

坝址发育 11 条断层。

建议开挖深度：河中 5m，左岸 6-12m，右岸 6-15m。

（5）基本参数干密度 2.61g/cm 3 ，饱和密度 2.62 g/cm 3 ，干抗压强度92-120MPa，饱和抗压强度 83-110MPa，软化系数 0.9，泊松比 0.22-0.23。

混凝土与基岩接触面抗剪断指标：Ⅲ类岩体，抗剪断摩擦系数 1.0-1.1，抗剪断凝聚力 09.-1.1MPa。

坝基高程为550m.正常水位 642.00m设计水位 642.71m校核水位 643.69m（6）工程级别：本水利枢纽坝址林地溪与国宝溪汇合口下游约2.5km的峡谷中，坝址集水面积144.5km2，又知河底高程556-557m。

非溢流坝剖面设计非溢流坝剖面设计的基本原则是：(1)满足稳定和强度要求，保证大坝安全；(2)工程量小，造价低；(3)结构合理，运用方便；(4)利于施工，方便维修。

遵循以上原则拟定出的剖面，需要经过稳定及强度验算，分析是否满足安全和经济的要求，然后修改已拟定的剖面，重复以上过程直至得到一个经济的剖面。

这是一个反复修改的过程。

（一）剖面尺寸的拟定非溢流坝剖面初步拟定的主要内容有：坝顶高程的确定，坝顶宽度的拟定，坝坡的确定及上、下游起坡点位置的确定。

1、 坝顶高程的确定分别按设计和校核两种情况用以下公式进行计算： 波浪要素按官厅公式计算。

公式如下：LH cthLh h gDgLgDgh l z lππυυυυυυ2)(331.0)(0076.0275.312015.21203120121020===--（1）库水位以上的超高Δｈ：z c l h h h h ++=∆ (m) (2)图1 波浪几何要素示意图式中 ｈｌ----波浪高度，ｍ，如图1所示；ｈｚ----波浪中心线超出静水位的高度，ｍ； ｈｃ----安全超高，ｍ，可以在表1中查找；0υ--- 计算风速，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0；较核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s ； D —-风区长度，m ； L —-波长，m ；H —-坝前水深，m 。

官厅公式适用于v 0<20m/s,D<20km,gD/20υ=20~250。

表 1 非溢流坝坝顶安全超高值（m ）水工建筑物安全级别 （水工建筑物级别） Ⅰ （1） Ⅱ （2、3） Ⅲ （4、5） 设计情况 0.7 0.5 0.4 校核情况0.50.40.3坝顶或防浪墙顶高程=静水位＋相应的库水位以上的超高Δｈ。

比较以上两种情况下的坝顶高程取较大值，减去防浪墙高度(1.2ｍ左右)，则可以得到带有防浪墙的坝顶高程。

对于1、2级坝，坝顶高程不得低于校核洪水位。