重力坝课程设计.doc

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水工建筑物课程设计

金家坝水电枢纽工程

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《水工建筑物》课程设计基本资料

工程概况

金家坝水电枢纽工程位于重庆市酉阳县双河镇官清乡、小河乡境内，由枢纽区、引水系统和电站厂房等组成。

根据甘龙河的流域规划，水电开发共分四级开发，即营盘岭、堰塘湾、金家坝和五堆电站，金家坝水电枢纽工程为第三级。

坝址位于乌江的支流甘龙河下游，距金家坝镇，距酉阳县城47km，枢纽区位于官清乡。

水库大坝地理坐标东经108º41′9″北纬28º37′28″，北距离酉阳县城47km，南距李溪镇23km，坝址和厂址均有乡村公路与国道319和326线相连，交通较方便。

金家坝水电枢纽工程是重庆市“十一五”重点能源建设项目之一，工程任务以发电为主，兼有潜在的防洪、灌溉功能，并为人畜饮水、水产养殖及旅游等综合利用提供有利条件。

金家坝水电枢纽工程建成后，将加快甘龙河流域其它梯级电站的开发进程，有效缓解重庆统调电网电力供应紧张局面，提高电网运行的可靠性和经济性，促进酉西片区产业结构调整和库区旅游业快速发展。

二、气象水文资料

1、流域概况

金家坝水利枢纽工程位于乌江流域下游一级支流甘龙河的中游。

甘龙河发源于贵州省松桃县甘龙区红石乡水田坳，自源地向北流，在金家坝纳右岸支流桥子洞河后折向西北，在小河镇再纳右岸的小河后转向西南，流至沙子场附近再折向西北，在沿河县黑獭堡汇入乌江，河流全长106km，河道天然落差804m，平均比降‰，流域总集水面积1700km2（见水系图）。

甘龙河河谷呈“V”型发育，滩多水急，河源至朝花口为上游，地形属中低山区，沿河两岸坡陡，河谷深切，比降大；朝花口至金家坝为中游，地形仍属中低山区，但两岸台地增多，河谷宽窄相间，河床比降变缓；金家坝以下为下游，河谷狭窄，比降相对上中游较缓。

甘龙河地形总的趋势是东南高、西北低，流域出露岩层为寒武系至三迭系灰岩夹页岩，流域内地下水充沛，植被较好。

2、气象

本工程所在流域属中亚热带湿润季风气候区，全年四季分明，气候温和而冷暖不均，雨量充沛而分配不均，云雾多、霜雪少、日照少，冬季干冷、春季暖湿、夏季多雨常有伏旱、秋季凉爽多绵雨。

据流域内酉阳气象站1959年～2001年资料统计多年平均降水量1355mm、最大年降水量（1967年）、最小年降水量（1988年）；多年平均蒸发量（20cm蒸发皿），多年平均气温℃、极端最高气温℃、极端最低气温℃；多年平均风速s、多年平均最大风速18m/s。

据流域内的酉阳气象站资料分析，暴雨主要发生在5月～9月，大暴雨多发生在6、7月份，一次暴雨一般持续时间为1d～3d，主要雨量集中在1d以内，实测24h最大暴雨量达220.6mm（1955年），大暴雨1d雨量占3d雨量的60％以上。

3、径流与洪水

（1）径流

径流资料依照朝阳寺站1959年～1992年34年资料推算。

由朝阳寺站1959年～1992年径流系列分析，径流的特点是年内分配不均，主要的径流量集中在5月～9月，占年径流量的％，径流的年际变化亦较大，最大年平均流量为113m3/s（1983年）、最小年平均流量为s（1988年），两者相差倍。

分别用朝阳寺站1959年~1992年实测连序系列和濯河坝插补后的1959年~1992年连序系列进行频率计算，计算采用成果见表。

表1水文站年平均流量参数成果表（单位：

m3/s）

地点

均值

Cv

Cs/Cv

Qp

P＝10％

P＝50％

P＝90％

朝阳寺

2

濯河坝

100

2

137

金家坝坝址控制集水面积1059km2，朝阳寺水文站集水面积2452km2，朝阳寺站面积是金家坝坝址面积的倍，相差较大，因此不能单纯考虑面积修正，本次采用径流深进行修正，查四川省水文手册，阿蓬江朝阳寺年径流深915mm（与计算的径流深918mm接近），甘龙河金家坝坝址处年径流深798mm，计算径流深修正系数为，金家坝坝址与朝阳寺水文站面积比为，考虑径流深修正，综合系数为，计算的金家坝坝址多年平均流量为s。

（2）设计洪水

设计洪水主要依据站是阿蓬江濯河坝水文站，阿蓬江濯河坝河段调查的大洪水年份有1890年、1909年、1927年和1935年，在实测系列中发生的大洪水年份有1969年和1982年，其中以1982年为最大，濯河坝站历史洪水调查成果见表。

表2濯河坝站历史洪水调查成果表

年份

1982

1890

1927

1969

1935

1909

洪峰流量（m3/s）

8780

6450

6200

5950

5750

5530

另据历史文献记载1890年以前发生的有影响的大洪水年份有1876年、1878年、1883年和1887年，从史料记载情况分析，这几场洪水都比1890年洪水小，因此可判定1982年洪水至少是1876年以来的最大洪水。

因此本次计算历史洪水重现期从1876年起算，首位洪水重现期为129年。

按年最大值独立取样原则，统计濯河坝站1959年至2003年45年洪峰、一天洪量、三天洪量。

加入历史洪水组成不连序系列，计算采用的濯河坝站洪水频率计算成果见表。

表3濯河坝站设计洪水成果表

项目

均值

Cv

Cs/Cv

p=%

p=%

p=%

p=1%

p=2%

p=5%

Qm（m3/s）

2610

4

12800

10600

9150

8050

6970

5540

W1d（108m3）

W3d（108m3）

金家坝坝址集水面积1059km2，坝区的设计洪水采用与濯河坝面积比的方法推算，面积比指数由地区综合关系确定洪峰流量、1d洪量、3d洪量的面积比指数分别为、、。

金家坝坝址设计洪水见表。

表4金家坝坝址设计洪水成果表

地点

项目

p=%

p=%

p=%

p=1%

p=2%

p=%

p=5%

p=10%

p=20%

p＝50%

坝

址

Qm（m3/s）

5750

4760

4110

3610

3130

2770

2490

2010

1540

950

W24h（108m3）

W3d（108m3）

4、泥沙

按水库使用寿命50年计算，水库在经过50年淤积过后，坝坝前淤积高程为，坝前最大淤积厚度为，坝前平均淤积厚度为。

5、坝址处的水位流量关系曲线

表5坝址下游断面水位～流量关系

水位（m）

流量（m3/s）

水位（m）

流量（m3/s）

359

1730

352

360

2280

361

2840

353

362

3420

354

160

363

4060

355

302

364

4700

356

530

365

5370

357

873

366

6100

358

1220

6、水位库容曲线（CAD图）

三、地质资料

1、水库区工程地质条件

坝址属侵蚀剥蚀地貌单元的低山地形。

谷底高程～，山顶高程～m以上，比高大于100m。

左岸山体较宽厚，山坡一般坡度28°～35°；右岸山体呈北东南西向的半岛状山体，山坡一般坡度30°～40°。

坝址甘龙河整体流向自东向西，河谷呈不对称的“U”字型，河水面宽50m～60m，水深～。

水库与其邻谷溶溪河和甘龙河下游河段之间分布有闭合的区域性隔水地层，封闭条件良好，故不存在库水向邻谷渗漏问题。

水库属峡谷型水库，岸坡陡峻，在正常蓄水位附近，基本为岩质岸坡，不存在浸没问题。

库区共发育滑坡体20处，由于方量有限且远离坝址，对大坝安全无影响。

建库后，在正常蓄水位与消落水位之间的覆盖层将产生小面积的坍岸。

2、坝址区的地质概况

坝址属侵蚀剥蚀地貌单元的低山地形。

谷底高程～，山顶高程～以上，河水面宽50m～60m，水深～。

坝址区分布的地层主要为志留系浅海碎屑沉积岩和第四系松散堆积物。

坝址位于鸡公岭复式背斜的北西翼，岩层走向N15°～60°E，倾向NW，倾角30°～45°。

坝址区发育f40、F9断层。

基岩主要发育三组陡倾角节理。

坝址区一般岩石强风化带厚4m～5m，中等风化带厚度20m～38m。

3、上坝线工程地质评价

（1）建基标准

建议建在中等风化岩带的上部，坝体部位需将两岸山坡的覆盖层及左岸滑坡体清除后置于强风化岩体上。

河床坝体可置于砂卵砾石上。

（2）地基处理建议

由于建基岩石完整性差，地基应进行固结灌浆处理。

粉砂质页岩岩质软弱，风化速度快，开挖后应立即采取保护措施。

（3）防渗帷幕建议

防渗帷幕灌浆应深入到相对隔水层（q＜1Lu），帷幕灌浆深度：

左岸山坡22m～52m；河床6m～22m；右岸山坡6m～52m。

帷幕灌浆向两岸延伸长度由库水边起算，至正常蓄水位与地下水位线相接处，左岸延伸86m，右岸延伸53m。

4、坝址区的物理地质现象与边坡稳定评价

滑坡体位于坝址左岸趾板线的山坡上，估算体积×104m3。

Ⅰ区（趾板开挖前即现状）稳定系数K＝，滑坡体安全余度偏小；Ⅰ区（趾板开挖过程中）稳定系数K＝,滑坡体不稳定；Ⅱ区稳定系数K＝，滑坡体基本稳定。

5、坝址基岩物理力学参数

（1）地层岩性

坝址区主要为志留系（中统罗惹组和下统龙马溪组）地层和第四系松散堆积物。

由老至新叙述如下：

志留系下统龙马溪组第一段：

粉砂质页岩（S1ln1）：

灰黄～灰色，泥质结构，页理构造。

分布于坝址两岸上游山体及河床。

志留系下统龙马溪组第二段：

粉砂质页岩（S1ln2）：

灰色，泥质结构，页理构造。

分布于坝址两岸上游山体及河床。

志留系中统罗惹组第一段：

1）生物碎屑灰岩（S2lr1-1）：

灰色，微晶结构，厚层状构造。

分布于坝址两岸山体及河床，厚度～。

2）泥质粉砂岩（S2lr1-2）：

灰色，粉砂泥质结构，薄～中厚层状构造。

分布于河床及坝址两岸山体，厚度～。

3）粉砂质页岩（S2lr1-3）：

灰色，泥质结构，页理构造。

主要分布于坝址右岸中上游、河床及左岸中下游山体，厚度～。

4）砂岩（S2lr1-4）：

灰色，中粒结构，厚层状构造。

主要分布于坝址右岸中上游、河床及左岸中下游山体，厚度～。

5）粉砂质页岩与泥质粉砂岩互层（S2lr1-5）：

灰色，粉砂质页岩占67%；泥质粉砂岩33%。

粉砂质页岩为泥质结构，页理构造；泥质粉砂岩为粉砂泥质结构，薄～中厚层状构造。

主要分布于坝址右岸、河床及左岸下游山体，厚度～。

志留系中统罗惹组第二段：

页岩与泥岩互层（S2lr2）：

灰黄色、紫红色，页岩占65%；泥岩35%。

页岩为泥质结构，页理构造；泥岩为泥质结构，薄层状构造。

主要分布于坝址右岸下游半岛状山体。

第四系松散堆积物：

1）含角砾粘土（Qdl）：

黄～黄褐色，稍湿，可塑～硬塑，分布于左、右岸山坡，厚度～。

2）含粘土碎块石（Qcol+dl、Qdel）：

棕黄～灰黄色，碎块石含量约占70%，粒径以100mm～250mm为主，成分主要为强风化～弱风化的砂岩和页岩，粘土含量约占30%。

主要分布于左、右岸山坡，为崩坡积物，其中左岸较厚，厚度为5m～27m；右岸较薄，厚度一般为2m～5m。

3）砂卵砾石（Qal）：

灰～深灰色，卵石含量约占20%，粒径以80mm～120mm为主，砾石含量约占55%～60%，粒径以5m～40mm为主，卵石、砾石主要成分为灰岩、白云岩、砂岩等。

卵石、砾石呈弱风化状态，中等蚀圆，呈中密状态，其余为细砂。

分布于河床与漫滩，厚度为～。

（2）基岩物理力学参数

见表6。

四、工程设计参数

见表7、8、9。

五、设计用图纸及规范

1、河道地形图

2、工程地质图

3、规范

（1）混凝土重力坝设计规范（SL319-2005）（水利行业标准）（单号采用）

（2）混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999）（电力行业标准）（双号采用）

表6坝址岩石物理力学性质成果表

岩石

名称

风化

状态

试验值

比

重

密度

自由

吸水率

紧

密

度

孔

隙

率

单轴抗压强度

抗剪（断）强度

软化

系数

弹性

模量

泊

松

比

烘干

饱和

烘干

饱和

Tgφ

c

g/cm3

g/cm3

%

%

%

MPa

MPa

__

MPa

GPa

粉

砂

质

页

岩

中

等

风

化

组数

7

7

7

7

7

7

7

7

5

5

6

5

5

最大值

69

46

最小值

17

7

6

平均值

29

17

微

风

化

组数

9

9

9

9

9

9

9

9

2

2

9

2

2

最大值

51

15

最小值

13

9

平均值

8

泥质粉砂岩

微

风

化

组数

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

最大值

49

最小值

29

17

平均值

39

注：

由于抗压强度试件取自钻孔岩心，试件暴露时间较长，使试验成果偏小。

表7工程特性表

序号及名称

单位

数量

备注

一、水文

1、流域面积

全流域面积

km2

1700

坝址以上流域面积

km2

1059

2、利用的水文系列年限

年

34

3、多年平均年径流量

104m3

84900

设计洪水洪量（天）

104m3

校核洪水洪量（天）

104m3

4、泥沙

多年平均悬移质年输沙量

104t

多年平均含沙量

kg/m3

多年平均推移质年沙量

104t

二、水库

1、水库水位

校核洪水位

m

见表8

设计洪水位

m

见表8

正常蓄水位

m

见表8

死水位

m

见表8

4、水库容积

总库容

108m3

正常蓄水位以下库容

108m3

调节库容

108m3

死库容

108m3

三、下泄流量及相应下游水位

1、设计洪水位时最大泄量

m3/s

见表9

相应下游水位

m

2、校核洪水位时最大泄量

m3/s

见表9

相应下游水位

m

注：

表中的空缺数字自己根据资料确定。

表8各组选用参数

正常蓄水位（米）

设计洪水位（米）

校核洪水位

（米）

死水位（米）

工程效益

备注

防洪

灌溉面积

（万亩）

保证下游城镇的抗洪安全

1-7号

8-15号

16-23号

24-30号

表9下泄流量选用表

班级

1-7号

8-15号

16-23号

24-30号

设计洪水下泄流量

2000

2200

2300

2500

校核洪水下泄流量

3400

3500

3600

3700

注：

表中的分组号指的是点名时对应的序号

设计内容

一、确定工程等级

由校核洪水位m查水库水位———容积曲线读出库容为亿，属于大

（2）型，永久性水工建筑物中的主要建筑物为Ⅱ级，次要建筑物和临时建筑物为3级。

确定坝顶高程

（1）超高值Δh的计算

Δh=h1%+hz+hc

Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；

H1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；

hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；

hc—安全加高，按表3－1采

表3-1坝的安全加高hc

运用情况

坝的级别

1

2

3

设计情况（基本情况）

校核情况（特殊情况）

内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于＜20m/s及D＜20km）

下面按官厅公式计算h1%，hz。

式中：

D——吹程，km，按回水长度计。

——波长，m

——壅高，m

V0——计算风速

h——当时，为累积频率5%的波高h5%;当时，

为累积频率10%的波高h10%。

规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P（%）的波高hp与平均波高的关系可按表进行换

超高值Δh的计算的基本数据

设计洪水位

校核洪水位

吹程D（m）

风速（m）

27

18

安全加高（m）

断面面积S（）

断面宽度B（m）

正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50年的最大风速，本次设计；校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计。

a.设计洪水位时Δh计算：

波浪三要素计算如下：

波高：

h=

波长：

=

壅高：

，故按累计频率为计算

，由表查表换算

故

b.校核洪水位时Δh计算：

波高：

h=

波长：

=

壅高：

，故按频率为计算

由由表查表换算

故

（2）、坝顶高程：

a.设计洪水位的坝顶高程：

b.校核洪水位的坝顶高程：

为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为

三、非溢流坝实用剖面的设计和静力校核

（1）非溢流坝实用剖面的拟定

拟定坝体形状为基本三角形。

坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，本次设计采用上游坝面铅直，下下游面倾斜的形式，坡度为1:

，折点设在高程为

将坝底修建在弱风化基岩上，开挖高程

a.坝高为：

=取120m

b.坝顶宽度：

坝顶宽度取坝高的即为12m

c.坝底宽度：

d.基础灌浆廊道尺寸拟定：

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为～3m，高为3～4m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取×，形状采用城门洞型。

e.廊道的位置：

廊道的上游避距离上游面

廊道底部距离坝底面6m

初步拟定坝体形状剖面如图：

（2）确定正常和非正常情况下的荷载组合及荷载计算；

PS

PS

1.自重：

坝身自重：

下游水自重：

a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时：

2.静水压力：

不同情况下上下游水深及水位差

特征水位

上游水深

下游水深

上下游水位差

设计洪水位

117

校核洪水位

a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时:

3.扬压力：

扬压力折减系数

a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时：

4.泥沙压力：

，，

5.浪压力：

a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时：

（3）对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算，校核其安全性；

重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。

1.单一安全系数法:

——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数

f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,

c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，

A——坝基接触面截面积，

ΣW——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；

ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；

按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于下表的规定。

荷载组合

基本组合

特殊组合

（1）

（2）

故=

设计洪水位时：

，满足要求

校核洪水位时：

，满足要求

2.分项系数极限状态设计法：

承载能力极限状态设计式：

抗滑稳定极限状态作用效应函数为：

ΣP,坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和

抗滑稳定极限状态抗力函数：

ΣW为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。

和的分项系数由附表5可查：

，

a.设计洪水位时：

作用效应函数：

坝基面抗剪断系数设计值：

坝基面抗剪断黏聚力设计值：

抗滑稳定抗力函数：

验算抗滑稳定性：

查附表4知：

持久状况（基本组合）设计状况系数；结构重要性参数，本组合结构系数。

根据式

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗