毕业设计（计算书）—06150314 田赟

目 录

第1章 非溢流坝段断面设计 ................................................ 1

1.1设计依据与基本资料 ............................................. 1

1.1.1相关文件 ................................................. 1 1.1.2本阶段采用的主要规范有 ................................... 1 1.1.3基础资料列于下表 ......................................... 1 1.2建基面高程的确定 ............................................... 2 1.3坝顶高程的计算 ................................................. 2

1.3.1基本组合情况下： ......................................... 2 1.3.2特殊组合情况下： ......................................... 4 1.4确定上下游坝面坡率 ............................................. 5 1.5最大坝高及坝宽计算 ............................................. 5

1.5.1确定最大坝高 ............................................. 5 1.5.2确定坝体宽度 ............................................. 5 1.6 坝基的防渗与排水设施拟定 ....................................... 5 1.7初拟非溢流坝段剖面 ............................................. 6 第2章 非溢流坝段荷载计算 ................................................ 7

2.1设计标准： ..................................................... 7 2.2荷载计算 ....................................................... 7

2.2.1坝体自重 ................................................. 7 2.2.2静水压力 ................................................. 8 2.2.3扬压力 .................................................. 10 2.2.4淤沙压力 ................................................ 12 2.2.5波浪压力 ................................................ 13 2.2.6土压力 .................................................. 14 2.3工况组合 ...................................................... 16 第3章 坝体抗滑稳定分析 ................................................. 18

3.1总则 .......................................................... 18 3.2正常蓄水工况 .................................................. 19 3.3设计洪水工况 .................................................. 19 3.4校核洪水工况 .................................................. 19 第4章 应力分析 ......................................................... 20

4.1 总则 .......................................................... 20

4.1.1大坝垂直应力 ............................................ 20 4.1.2剪应力 .................................................. 21 4.1.3水平正应力 .............................................. 21 4.1.4主应力 .................................................. 21 4.1.5坝体应力要求 ............................................ 22 4.2计算截面为建基面的情况 ........................................ 22

4.2.1荷载计算（以坝底中心为矩心，分部分取矩） ................ 22 4.2.2坝体应力计算（单位：MPa） ............................... 30 4.3计算截面为上游折坡处的情况（高程 597.5m） ..................... 38 4.4计算截面为2/3坝高处的情况（高程 618.0m） ..................... 39 4.5计算截面为1/3坝高处的情况（高程 577.0m） ..................... 40 第5章 溢流坝段设计 ..................................................... 43

5.1溢流坝坝型设计 ................................................ 43

5.1.1 泄流方式选择 ........................................... 43 5.1.2 洪水标准的确定 ......................................... 43 5.1.3 单宽流量的选择 ......................................... 43 5.1.4 孔口尺寸的拟定 ......................................... 43 5.1.5 堰顶高程的确定 ......................................... 43 5.1.6验算过水能力 ............................................ 45 5.1.7确定闸门尺寸： .......................................... 45 5.2溢流面体形设计 ................................................ 46

5.2.1顶部下游曲线（WES）段： ................................. 46 5.2.2中部直线段 .............................................. 47

第6章 消能防冲设计 .................................................... 48

6.1洪水标准和相关参数的选定 ...................................... 48 6.2 反弧半径的确定 ................................................ 48 6.3 水舌抛距计算 .................................................. 48 6.4 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 ................................ 49

6.4.1最大冲坑水垫厚度公式： .................................. 49 6.4.2最大冲坑厚度估算： ...................................... 50 6.5 溢流坝段稳定性分析 ............................................ 50

6.5.1溢流坝段荷载计算统计 .................................... 50 6.5.2正常蓄水情况 ............................................ 51 6.5.3设计洪水情况 ............................................ 51 6.5.4校核洪水情况 ............................................ 51 6.6 水面线计算 .................................................... 52

6.6.1 水面线计算的目的 ....................................... 52 6.6.2 水面线计算的基本原理 ................................... 52

第7章 放空洞设计 ....................................................... 55 参考文献 ................................................................ 56

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第1章 非溢流坝段断面设计

1.1设计依据与基本资料

1.1.1相关文件

重庆市小南海水库工程可行性研究设计报告及水利部审查意见 小南海水库工程初步设计合同书 1.1.2本阶段采用的主要规范有

（1）DL/5021-93《水电工程初步设计报告编制规程》

（2）DL/T5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》 （3）GB 50201-94 《防洪标准》

（4）DL 5101999 《混凝土重力坝设计规范》 （5）DL 5077-1997 《水工建筑物荷载设计规范》 （6）DL/T5088—1999《水电水利工程工程量计算规定》 1.1.3基础资料列于下表

表1.1 基础资料表

校核洪水位 设计洪水位 正常蓄水位 死水位 淤积高程 总库容 水域平均水深 g 多年平均最大风速V0 最大风速V 吹程 D 657.9 657 657 613.5 607.3 3060 87 9.8 9.1 13.65 245 m m m m m （万）m3 m m/s2 m/s m/s m 1

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1.2建基面高程的确定

由《混泥土重力坝设计规范》SL319—2005可知，坝高在100m以上时，应将重力坝建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上，本工程坝高超过100m，由于本坝址岩层分布主要为灰岩，故可确定坝基面高程为536.0 m。

1.3坝顶高程的计算

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：△h = h1% + hz + hc 式（1.1） 式中：?h——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，由《水工建筑物》中表3-10查得：设计情况时取0.4m,

校核情况时取0.3m；

1.3.1基本组合情况下：

由基本资料查得吹程：D = 0.245km

计算风速：Vo=13.65 m/s (取年平均最大风速的1.5倍)

gD9.8?245??12.89?[20,250]2v013.652

故按鹤地水库公式计算：

gh2%1/?6gD? ?0.00625v0?22?v0?v0?1/3 式（1.2）

?gD?gLm?0.0386?2?2v0?v0?1/2

式（1.3）

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式中：

h2%?累计频率为2%的波高，m;h1%?波高，m;hz?波浪中心线超出静水位的高度，m;hc?安全超高，在表1?1中查找；

v0?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倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s;D?风区长度，m;Lm?波长，m;?h?防浪墙顶至正常蓄水位的高差，m。

计算可得：

h2%2?gD?v0??0.00625v1/60?2?g?v0?1/21/3?0.431m

2?gD?v0Lm??0.0386??2?g?v0??2.634m

按SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》表B.6.3-1换算为1%的波高： 《混凝土重力坝设计规范》中表B.6.3-1如表1.2所示。

表1.2 累积频率为 P（%）的波高与平均波高的比值

hm/Hm 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 P(%) 0.1 2.97 2.7 2.46 2.23 2.01 1.8 1 2.42 2.26 2.09 1.93 1.78 1.63 2 2.23 2.09 1.96 1.82 1.68 1.56 3 2.11 2 1.88 1.76 1.64 1.52 4 2.02 1.92 1.81 1.7 1.6 1.49 5 1.95 1.87 1.76 1.66 1.56 1.46 10 1.71 1.65 1.59 1.52 1.44 1.37 13 1.61 1.56 1.51 1.45 1.39 1.33 20 1.43 1.41 1.37 1.34 1.3 1.25 50 0.94 0.96 0.98 1 1.01 1.01 运用试算法求平均波高：

假设h2%频率对应波高与平均波高hm的比值h2%/hm?2.23，又由上文计算h2%=0.431

得：

hm= 0.193132m

坝前平均水深Hm=1/2 h=0.5×129=64.5（m） 则 hm/Hm=0.193132/64.5=0.002994≈0

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假设成立

则 h1% / h2%=2.42/2.23 h1%=0.468 m

2πh1%2πHhz?cth?0.261099m

LmLm1.3.2特殊组合情况下：

由基本资料查得吹程：D = 0.245km

计算风速：Vo=9.1m/s (取年平均最大风速) 仍按鹤地水库公式计算：

根据式（1.2）、式（1.3）分别计算可得：

h2%2?gD?v0??0.00625v1/60?2?gv?0?1/21/3?0.23434m

2?gD?v0Lm??0.0386??2?g?v0??1.7563m

按SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》表B.6.3-1换算为1%的波高： 《混凝土重力坝设计规范》中表B.6.3-1如上文表1.2所示。 运用试算法求平均波高：

假设h2%频率对应波高与平均波高hm的比值h2%/hm?2.23，又由上文计算h2%=0.234 得：

hm= 0.105085m

坝前平均水深Hm=1/2 h=0.5×129=64.5（m） 则 hm/Hm=0.1051/64.5=0.001629≈0 假设成立

则 h1% / h2%=2.42/2.23 h1%=0.254306 m

2πh1%2πHhz?cth?0.115623m

LmLm由式（1.1）计算坝顶超高如下：

设计情况为：△h = h1% + hz + hc =0.468+0.261+0.40=1.129（m） 校核情况为：△h ’= h1% + hz + hc =0.254+0.116+0.30=0.670（m）

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故 设计情况下的坝顶高程 Z顶 = Z设+△h = 657.00+1.13=658.13m

校核情况下的坝顶高程 Z顶 ’= Z校+△h’ = 657.90+0.67=658.57m

选择二者中较大者658.57m，并考虑施工要求，近似取坝顶高程为659.00m

1.4确定上下游坝面坡率

根据工程经验一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；参考已建成工程的经验在本工程中初拟上坡面折坡点位于1/2坝高处取上游坝坡坡率为 n=0.15，下游坝坡坡率为m=0.8。

1.5最大坝高及坝宽计算

1.5.1确定最大坝高

由上文建基面高程已选定为636.00m，查基础资料知坝址处河底高程为571.70m。 则 建基面开挖深度为571.70-536.00=35.70（m）。

最大坝高H=659.00-536.00=123.00（m）。 1.5.2确定坝体宽度

根据坝高及坝坡率可算出 大坝坝底宽度 B=106.745m

根据《重力坝设计规范》一般取坝高的8%～10%，且不小于3m。考虑设备布置，检修，运行，施工和交通等方面的要求，取坝顶宽度为10m。

1.6 坝基的防渗与排水设施拟定

由于防渗的需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕及排水孔中心线在坝基面处距离坝踵分别10m和15m。

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1.7初拟非溢流坝段剖面

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第2章 非溢流坝段荷载计算

2.1设计标准：

小南海水库工程主要任务是以农业灌溉为主，兼有农村人蓄引水及乡镇供水、旅游等。水库总库容3060万m3，灌溉面积9.06万亩，渠道设计流量5.6m3/s，根据《防洪标准》GB50201—94和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000及《灌溉与排水工程设计规范》GB 50288—99中工程等级划分标准，小南海水库工程等别属Ⅲ等中型工程。拦河坝及泄洪建筑物级别为3级，建筑物按50年一遇洪水设计，相应天然洪峰流量610m3/s，500年一遇洪水校核，相应天然洪峰流量1070m3/s；灌溉渠道及渠系建筑物（Q=5～20m3/s）级别为4级，建筑物按10～20年一遇洪水设计；灌溉渠道及渠系建筑物（Q＜5m3/s）级别为5级，建筑物按10年一遇洪水设计。

设计洪水情况下作用在坝基面的荷载有：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力，取1m坝长进行计算。有关参数的选择：混凝土的容重为2.4t/m,水的重度为

9.8KN/m3，查《混凝土重力坝设计规范》得坝基处扬压力的折减系数为0.25，泥沙的

3干容重（含孔隙）为1.3t/m。

32.2荷载计算

作用在坝基面的荷载有：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力，取1m坝长进行计算。 2.2.1坝体自重

坝体自重的大小可按下式计算确定：

G??V 式(2.1） 式中 G——坝体自重，KN；

γ——筑坝材料的容重，KN/m3；由资料混凝土容重为2.4t/m3； V——坝体计算体积，m3；

重力加速度g取9.8m/s

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1：80.1:0.15W

图2.1坝体自重计算图示

则

G= 2.4×9.8×0.5×[61.5×9.23＋121.92×0.8+（1.1+13.6）×10]

= 150737.9 KN。

2.2.2静水压力

为计算方便，将水压力分解为水平水压力P和铅直水压力W两部分计算：

上游水位W11 :8 0. 597.5下游水位P11 : 0.15W2P2建基面高程 536.0

图2.2 静水压力计算图示

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P?1?wH2 式（2.2） 2W??wVw 式（2.3）

式中 ?w——水的容重，取9.8KN/m3； H——计算点以上水深，m；

Vw——坝斜坡面以上水的体积，m3。 上游：

由式（2.2）计算水平水压力

设计水位：

上游水深：H设1=657-536=121（m）

12P设u??9.8??121??71740.9KN2

校核水位：

上游水深：H校1=657.9-536.0=121.9（m）

12P校u??9.8??121.9??72812.089KN2

由式（2.3）计算铅直水压力

设计水位：

1W设u??9.8?(121?59.5)?(61.5)?0.15?8159.051KN2

校核水位：

1W设u??9.8?(121.9?60.4)?(61.5)?0.15?8240.416KN2

（由于本设计中上游正常水位与设计水位相同，以下不计算正常使用工况上游水压力）

下游：

由设计洪峰流量650m3/s查附表2.5坝后水位表得设计工况下游水位578.73 m， 由校核洪峰流量1140m3/s查附表2.5坝后水位表得设计工况下游水位581.74 m， 正常使用工况下游水位取河底高程，即571.7m。

水平水压力

设计水位：

下游水深：H设2=578.73-536.0=42.73（m）

1P设d??9.8?(42.73)2?8946.6792KN2 校核水位：

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下游水深：H校2=581.74-536.0=45.74（m）

1P校d??9.8?45.742?10251.5232KN2 下游水深：H正2=571.70-536.0=35.70（m） 1P正d??9.8?35.702?6245.001KN

2 铅直水压力 设计水位：

12W设d??9.8??42.73??0.8?7157.3434KN2

校核水位：

12W校d??9.8??45.74??0.8?8201.2186KN2

正常水位：

12W正d??9.8??35.70??0.8?4996.001KN

22.2.3扬压力

由于防渗的需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕中心线在坝基面处距离坝踵10m，排水孔幕中心线在坝基面处距离坝踵15m。

扬压力分为浮托力和渗透力分别计算，由《混凝土重力坝设计规范》当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为H1排水孔中心线处为H2+a（H1-H2），下游（坝趾）处为H2其间各段依次以直线连接,则：

A 坝踵处的扬压力强度为γwH1,坝址处的扬压力强度为γwH2,帷幕灌浆和排水孔处的渗透压力为αγwH（H= H1 - H2）。

B 扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。

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（1）设计洪水位的扬压力：

图2.3.1 设计工况扬压力分布

取帷幕灌浆孔处的α1=0.5，排水孔处的α2=0.3

U设 =- 0.5×［(802.277+1185.8)×10+(802.277+533.8)×5+（533.8+418.754）

×91.75］ =-56978.992KN

（2） 校核洪水位的扬压力：

图2.3.2 校核工况扬压力分布

U校= - 0.5×［(821.436+1194.62)×10+(821.436+560.208)×5+（560.208+448.25

×91.75］ =-59797.4925KN

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（3）正常使用工况的扬压力：

图2.3.3 正常蓄水工况扬压力分布

U正 =- 0.5×［(767.83+1185.8)×10+(767.83+475.25)× 5+（475.25+349.86）

×91.75］ =-50727.8KN 2.2.4淤沙压力

此处只计算上游泥沙作用，具体计算参数见图2.4

淤积高程 607.3折坡高程 597.5河床高程 571.7PskPsv1 :8 0.河床高程 571.71 : 0.15建基面高程 540.0建基面高程 540.0

图2.4 淤沙压力计算图示

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（1）水平泥沙压力PskH(KN) 为：

PskH?0.5rsbhs2tan2(45???s/2) 式（2.4）

式中:

rsb?淤沙的浮重度，KN/m3;hs?坝前淤沙厚度，m;

?s?淤沙的内摩擦角，（?）。（2）竖向泥沙压力PskH(KN) 即为泥沙压力体的重力。 淤沙浮重度计算如下：

由上文设计标准知，淤沙干容重γd=1.30t/m3=12.74KN/m3，孔隙率η=0.4，泥沙外摩擦角ψs=180。

孔隙度e = η /（1-η）= 0.4 /（1-0.4）= 0.667

3

=（0.667 + 1）×12.74 = 21.238KN/m d?s =（e + 1）×??sat =（?s+?×e）/（1+e）=（21.238+9.8×0.667）/（1+0.667）=16.66KN/m3

sb则：? = ?sat - ?w= 16.66 - 9.8 = 6.86KN/m3

水平淤沙压力：

1Psk1=?20ψs122018)=?6.86?(607.30-571.70)?tan(45-)=2294.649KN sbhtan(45-2222s20竖向淤沙压力：

1Psv??sbhs22n+?sbhs12n?0.5?6.86?25.82?0.15?6.86?9.82?0.15?441.297KN

2其中：hs1=597.5-571.7=25.8（m）

hs2=607.3-597.5=9.8（m）

竖向淤沙压力计算公式中的n指上游坝面坡率，非孔隙率。 2.2.5波浪压力

波浪压力Pwk计算公式：

Pwk?1rwLm(h1%?hz) 式（2.5） 4式中：

Pwk—单位长度迎水面上的浪压力，KN/m； γw—水重度，KN/m； Lm —平均波长，m；

h1%—累计频率为1%的波高，m；

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hz—波浪中心线至计算水位的高度，m

（1）基本组合（设计和正常情况）,根据第一章第三节计算：

hz =0.2611m； Lm=2.6345m； h1%=0.4680m

代入式（2.5）得 Pwk??9.8?2.6345?(0.4680?0.2611)?4.706KN （2）特殊组合（校核），根据第一章第三节计算：

hz=0.115623m； Lm=1.7563m； h1%=0.2543m；

代入式（2.5）得 Pwk??9.8?1.7563?(0.2543?0.1156)?1.592KN

2.2.6土压力

此处用库伦公式对土压力进行计算 库伦土压力系数

Ka?cos2(???)?sin(???0)sin(???)?cos2?cos(???0)?1??cos(???)cos(???)0??21414 式（2.6）

式中：ψ为回填土外摩擦角，查基础资料取ψ=270

ε为坝坡面与竖直方向的夹角，上游取ε=8.530，下游取ε=38.660

2?2?270?0???180 33 α为回填土与水平面夹角，本设计中取α=0 回填土的浮重度计算如下：

由上文设计标准知，回填土干容重γd=1.60t/m3=15.68KN/m3，孔隙率n=0.3，回填土外摩擦角ψ=27

孔隙度e = n /（1-n）= 0.3/（1-0.3）= 0.429

=（0.429+1）×15.68 = 22.4KN/m3

。

?s=（e+1）×??satd =（?s+?×e）/（1+e）=（22.4+9.8×0.429）/（1+0.429）=18.617KN/m3

sb=?sat-?则：?3

=18.617-9.8=8.817KN/mw注：（为避免重复计算，土压力中不包含作用于在土体上的荷载）

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原地面高程571.72CEa1:0.15建基面高程536.0HKaγsbH

图2.5 土压力计算简图

1）上游土压力计算： Ka上?cos2(270?8.530)?sin(270?180)sin270?cos8.53cos(8.53?18)?1?000?cos(8.53?18)cos8.53????20002?0.401 土体拉力区深度

Z0? 式中：

2c 式（2.7）

?sbKa C —回填土粘滞系数，查规范知外摩擦角为270的土体所对应值为10； γsb ——回填土浮重度，根据上文计算取8.817 KN/m3

代入式（2.7）得Z0?上游土压力

1Ea上??sb(H?Z0)2Ka 式（2.8）

22?10?3.58（m） 8.817*0.401式中：

H — 回填土；

γsb —— 回填土浮重度，根据上文计算取8.817 KN/m3 Z0 —土体拉力区深度

代入式（2.8）得 1Ea上??8.817?(35.7?3.58)2?0.402?1821.484KN 2Ea的作用方向与墙背面法线的夹角φ0为180，即与水平面夹角β为

15

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?上????0?8.530?180?26.530

则 水平土压力分力：Pes=Eacosβ=1821.484×cos26.530 = 1629.874 （KN） 竖向土压力分力：Pev=Eacosβ=1821.484×sin26.530 = 813.213 （KN） 2）下游土压力计算： cos2(270?38.660)Ka下??0.823 2000??sin(27?18)sin272000cos38.66cos(38.66?18)?1?000?cos(38.66?18)cos38.66???? 根据式（2.7）计算得土体拉力区深度

Z0?2c2?10 ??2.50（m）?Ka8.817*0.823根据式（2.8）计算得下游土压力

11Ea下??(H?Z0)2Ka??8.817?(35.7?2.5)2?0.823?3999.046（KN） 22Ea的作用方向与墙背面法线的夹角φ0为180，即与水平面夹角β为

?上????0?38.660?180?56.660

则 水平土压力分力：Pes=-Eacosβ=3999.046×cos56.660 = -2199.5752 （KN） 竖向土压力分力：Pev=Eacosβ=3999.046×sin56.660 = 3339.796（KN） 水平土压力合力 ∑Pes= 1629.874 - 2199.5752 = -569.701 KN 竖直土压力合力 ∑Pev= 813.213 + 3339.796 = 4153.009 KN

2.3工况组合

⑴ 设计工况

序号 1 2 3 4 5 6 7 Σ

作用名称 自重 上游静水压力 下游静水压力 扬压力 淤泥压力 波浪压力 土压力 作用之和 16

作用(每一坝段)／KN 水平(H) 0 71740.9 -8946.67921 0 2294.649 4.706 -569.701435 64523.8744 垂直(V) 150737.8572 8159.051 7157.343368 -56978.99225 1389.06768 0 4153.009324 114617.3363

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⑵校核工况

序号 1 2 3 4 5 6 7 Σ

（3）正常使用工况

序号 1 2 3 4 5 6 7 Σ 自重 上游静水压力 下游静水压力 扬压力 淤泥压力 波浪压力 土压力 作用之和 作用名称 0 71740.9 -6245.001 0 2294.649 4.706 -569.70144 67225.5526 作用(每一坝段)／KN 水平(H) 垂直(V) 150737.8572 8159.051 4996.0008 -50727.77125 1389.06768 0 4153.009324 118707.2148 自重 上游静水压力 下游静水压力 扬压力 淤泥压力 波浪压力 土压力 作用之和 作用名称 作用(每一坝段)／KN 水平(H) 0 72812.089 -10251.5232 0 2294.649 1.592 -569.701435 64287.1053 垂直(V) 150737.8572 8240.416 8201.218592 -59797.4925 1389.06768 0 4153.009324 112924.0763

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第3章 坝体抗滑稳定分析

3.1总则

A、按抗剪断强度的计算公式进行计算，按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数k'值应不小于表3-1规范规定；

B、它认为坝体混凝土与坝基基岩接触良好，属于交界面； C、根据基础资料，查得坝基面处：

f1?0.9； c1?900KPa；

A=1?106.75=106.75 m2。

此时其抗滑稳定安全系数K的计算公式为：

K'?f'?W?c'A 式（3.1）

'

?P式中：

k'?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得抗剪断摩擦系数；c'?坝体混凝土与坝基接触面得抗剪断凝聚力，KPa;A?坝基接触面截面积，m;2

?W?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；?P?作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，KN；表 3.1 坝基面抗滑稳定安全系数 K′

荷 载 组 合 基 本 组 合 (1) 特 殊 组 合 (2) 2.3 K′ 3 2.5

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3.2正常蓄水工况

根据上文荷载计算结果：

∑W=118707.2148 KN ∑P=67225.5526 KN

代入式（3.1）得：

K?'0.9?118707.?2148?900106.75?3.018?467225.55263. 03.3设计洪水工况

根据上文荷载计算结果：

∑W=114617.3363 KN ∑P=64523.8744 KN

代入式（3.1）得：

K'?0.9?114617.3363?900?106.75?3.0877?3.0

64523.87443.4校核洪水工况

根据上文荷载计算结果：

∑W=112924.0763 KN ∑P=64287.1053 KN

代入式（3.1）得：

0.9?112924.0763?900?106.75K'??3.075?2.5

64287.1053

综上分析，非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。

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第4章 应力分析

4.1 总则

4.1.1大坝垂直应力

根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》，按下列公式进行应力计算：

图4.1应力计算图示

(1)上游面垂直正应力：

?u?y?(2)下游面垂直正应力：

WT?6??MT2 式（4.1）

?d?y?式中：

WT?6??MT2 式（4.2）

?W?计算截面上全部垂直力之和；

?M?计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和。

20

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4.1.2剪应力

1）上游面剪应力

??(P?Puuuu??y)m1

式中，P—计算截面在上游坝面所承受的水压力强度；

m1—上游坝坡；

Puu--计算截面在上游坝面处的扬压力强度。

2）下游面剪应力

?d?(?ddy?P??Pu)m2

式中，P?--计算截面在下游坝面所承受的水压力强度；Pdu--计算截面在下游坝面处的扬压力强度； m2—下游坝坡。

4.1.3水平正应力

1）上游面水平正应力

?u(P?Puuu2x?u)?(P?Pu??y)m1

2）下游面水平正应力

?d(P??Pdu)?(Pdu?P??dy)m2x??2 4.1.4主应力

1） 上游面主应力 ?u2u2u1?(1?m1)?y?m1(P?Pu)

?uP?Pu2?u

2） 下游面主应力：

?d?(1?m2d2d12)?y?m2(P??Pu) 21

式（4.3）

式（4.4）

式（4.5）

式（4.6） 式（4.7） 式（4.8）

式（4.9）

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dd?2?P??Pu

式（4.10）

4.1.5坝体应力要求

由《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005可知： 对于重力坝坝基面：

运用期：

要求上游面垂直正应力不小于0，下游面垂直正应力应小于坝基容许压应力4.0Mpa=4000Kpa。；

施工期：

坝趾垂直应力可允许由小于0.1Mpa（100Kpa）的拉应力； 对于重力坝坝体截面：

运用期：

坝体上游面不出现拉应力（计扬压力），下游面垂直正应力应不大于混凝土压应力值，采用C15混凝土，故混凝土压应力值为15/4=3.75Mpa=3750Kpa。

施工期：

坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的允许压应力，下游面可允许有不大于0.2Mpa（200Kpa）的主拉应力。

4.2计算截面为建基面的情况

4.2.1荷载计算（以坝底中心为矩心，分部分取矩） A．设计工况（承载持久工况）：

（1）自重力矩：（分三部分求矩如图，以逆时针方向为正）

ⅢM31：0.81:0.15ⅡM2矩心M1Ⅰ

图4.2 自重力矩计算图示

22

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12?1?M1?G1L1?24??61.52?0.15???106.745??61.5?0.15??321493.1(KN*M)23?2?11?1?M2?G2L2?24??121.92?0.8???106.745?61.5?0.15??121.9?0.8??1660591.137(KN*M)23?2?1?10?2?1?M3?G3L3?24???1.1??10??106.745?61.5?0.15??10?61168.72(KN*M)???2?0.8?3?2?（2）静水压力矩：

上游水位M2W1 597.51 : 0.8P1M21 : 0.15下游水位M3矩心W2P2M4建基面高程 536.0

图4.3 静水压力矩计算图示

上游水推力矩

1u1M1??P设Hs1???71740.9?121??2893550(KN*M) 33上游水重力矩

uM2?W设L2

?1?1?2?(121?61.5)?121??8159.051???106.745????61.5?0.15??402109.5055(KN*M)?23121?(121?61.5)????

下游水推力矩 1d1M3?P设Hs1??8946.679?42.73?127430.5(KN*M) 33下游水重力矩

1?1?dM4??W设Hs2??7157.3433???106.745??42.73?0.8???300449.767(KN*M)3?2? 23

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（3）扬压力矩：（如下图将扬压力矩分三部分计算）

图4.4 设计工况扬压力矩计算图示

1102?802.277?1185.8??1M1???(1185.8?802.277)?10???106.745????484037.2987(KN*M) ?223802.277?1185.8?? 152?533.8?802.277??1M2???(533.8?802.277)?5???106.745?10????137081.345(KN*M)23802.277?533.8??2?

191.752?418.754?533.8??1M3???(533.8?418.754)?91.75???106.745?15???247023.678(KN*M)23418.754?533.8??2?

（4）泥沙压力矩：

10淤积高程 607.3折坡高程 597.5M1河床高程 571.7Psk1 : 0.M2Psv8河床高程 571.7矩心建基面高程 540.0106.75建基面高程 540.01 : 0.15

图4.5泥沙压力矩计算简图

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水平分力矩

11M1??PskHsk???2294.649?35.6??27229.8348(KN*M) 33竖向分力矩

淤积高程 607.3折坡高程 597.59.29.825.8

Ⅰ5.33.9ⅢⅡ河床高程 571.7图4.6竖向泥沙压力求矩分区示意图

uuM2?Wsu1L1?Ws2L2?Ws3L3

1111111???6.86??9.8?9.225?(?106.745??9.225)?5.355?25.8?(?106.745??5.355)??3.87?25.8?(?106.745?5.355??3.87)?2222223??

=94289.98KN*M

（5）浪压力矩：

h z + h 1 %正 常 蓄 水 位 ( 校 核 )Lm/21 : 0.15 图4.7 波浪推力矩计算图示 LL1M1??γ（m+hz+h1%）m222Lm??1Lm (?h+h)?H?z1%?32?2??12.634452.63445?12.634452.63445????9.8?（+0.261+0.468）????(?0.261+0.468)?121?22222??3? =-1589.755（KN*M） LLL112.634522.63452.6345M2??γ(m)2(m?H?m)???9.8?()?(?121?) 22622262=-1021.264（KN*M） 25 田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

波M设?M1?M2??1589.755326?(?1021.26)??568.491(KN*M)

（6）土压力矩

原地面高程571.72C1:0.15Ea力臂L建基面高程536.0矩心

图4.8 土压力矩计算示意图

HKaγsbH上游水平土压力矩M1 = Pes*l1 = -1629.874×9.58 = -15612.9(KN*M) 上游竖直土压力矩M2 = Pev*l2 = 813.213×48.59 = 39516.47(KN*M) 下游水平土压力矩M3 = Pes’*l3 = 2199.5752×6.09 = 13388.53(KN*M) 下游竖直土压力矩M4 = Pev’*l4 = -3339.796×44.13 = -147386(KN*M) 其中 l1 、l2 、l3 、l4皆由几何关系求得

11且 l1?(H?Z0)cos???(35.7?2.5)?cos26.530?9.58(m) 331111l2?B?(H?Z0)sin???106.75??(35.7?2.5)?sin26.530?48.59(m) 232311l3?(H?Z0)cos???(35.7?2.5)?cos56.660?6.07(m) 331111l4?B?(H?Z0)sin???106.75??(35.7?2.5)?sin56.660?44.13(m) 2323土压合力矩∑M = M1 + M1 + M1 + M1 = -110094.15（KN*M）

设计工况荷载组合 运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -1038903.827（KN*M） ∑W=114617.336（KN）

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运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -664809（KN*M） ∑W=171596.329（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）、M（6）分别代表各项荷载的合力矩 B．正常蓄水工况：

（1）自重力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

M1?321493.1(KN*M)

M2?1660591.137(KN*M)

M3?61168.72(KN*M)

（2）静水压力矩：

上游水推力矩

1u1M1??P正Hs1???71740.9?121??2893550(KN*M) 33上游水重力矩

uM2?W正L2

?1?1?2?(121?61.5)?121??8159.051???106.745????61.5?0.15??402109.5055(KN*M)?3?121?(121?61.5)??2?

下游水推力矩 1d1M3?P正Hs1??6245.001?35.7?74315.51(KN*M) 33下游水重力矩

1?1?dM4??W正Hs2??4996.0008???106.745??35.7?0.8???219087.1251(KN*M)3?2?

（3）扬压力矩：（将扬压力矩分三部分计算，且分块方式与设计洪水工况相同）

1102?767.83?1185.8??1M1???(1185.8?767.83)?10???106.745????475992.9192（KN*M）?23767.83?1185.8??2152?475.25?767.83??1M2???(767.83?475.25)?5???106.745?10????127629.0099（KN*M）?223475.25?767.83??191.752?349.86?475.25??1M3???(475.25?349.86)?91.75???106.745?15???195921.7873（KN*M）23349.86?475.25??2?

27

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（4）泥沙压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

水平分力矩

M1??27229.8348(KN*M)

竖向分力矩

M2?94289.98(KN*M)

（5）浪压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

波M正??568.491(KN*M)

（6）土压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

∑M = -110094.15（KN*M）

正常蓄水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -1044261（KN*M） ∑W=118707.215（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -636561（KN*M） ∑W=169434.986（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）、M（6）分别代表各项荷载的合力矩

C．校核洪水工况：

（1）自重力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

M1?321493.1(KN*M) M2?1660591.137(KN*M)

M3?61168.72(KN*M)

（2）静水压力矩：

上游水推力矩

1u1M1??P校Hs1???72812.089?121.9??2958598(KN*M) 33上游水重力矩

uM2?W校L2

28

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?1?1?2?(121.9?61.5)?121.9? ?8240.416???106.745????61.5?0.15（KN*M）??406076.863?3?121.9?(121.9?61.5)??2?下游水推力矩 1d1M3?P校Hs1??10251.5232?45.74?156301.6(KN*M) 33下游水重力矩

1?1?dM4??W校Hs2??8201.2186???106.745??45.74?0.8???337686.5424(KN*M)3?2?

（3）扬压力矩：（将扬压力矩分三部分计算，且分块方式与设计洪水工况相同）

1102?821.436?1194.62??1M1???(1194.62?821.436)?10???106.745????490718.211（KN*M）?23821.436?1194.62??2

152?560.208?821.436??1M2???(821.436?560.208)?5???106.745?10????141722.336（KN*M）?223560.208?821.436?? 191.752?448.252?560.208??1M3???(560.208?448.252)?91.75???106.745?15???268425.203（KN*M）?223448.252?560.208??

（4）泥沙压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

水平分力矩

M1??27229.8348(KN*M)

上游折坡点以下泥沙压力矩

M2?94289.98(KN*M)

（5）浪压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

波M校??568.491(KN*M)

（6）土压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

∑M = -110094.15（KN*M）

校核洪水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -1098271（KN*M）

29

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

∑W=112924.076（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）+ M（6）= -734256（KN*M） ∑W=172721.569（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）、M（6）分别代表各项荷载的合力矩

D．施工期工况：（坝前后均无水）

（1）自重力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

M1?321493.1(KN*M)

M2?1660591.137(KN*M)

M3?61168.72(KN*M)

（2）泥沙压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

上游折坡点以上泥沙压力矩

M1??27229.8348(KN*M)

上游折坡点以下泥沙压力矩

M2?94289.98(KN*M)

（3）土压力矩：(同设计洪水工况，以下便不重复计算)

∑M = -110094.15（KN*M）

施工期工况荷载组合

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）= 2000219（KN*M） ∑W=156279.934（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）分别代表各项荷载的合力矩 4.2.2坝体应力计算（单位：MPa） 1）运行期（计入扬压力） A．设计工况： 根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 1038903.8（KN*M）

30

2010届水利水电工程专业毕业设计

∑W = 114617.336 （KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

u?y??W6?M??0.527 TT2（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??1.621 TT2 （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n???yu?n??0.527?0.15??0.079

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m??ydm?1.62?0.8?1.297

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?0.527?0.152?0.0119

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xu?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?1.62?0.82?1.0368

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?0.527?(1?0.152)?0.5385 ?IIu?pu?puu?0

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?0.82)?1.62?2.6581 ?IId?pd?pdd?0

B．正常蓄水工况： 根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 1044261.4（KN*M） ∑W = 118707.215 （KN）

31

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

u?y??W6?M??0.562 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??1.662 2TT （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n???yu?n??0.562?0.15??0.084

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m??ydm?1.66?0.8?1.328

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?0.562?0.152?0.0126

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?1.66?0.82?1.0624

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?0.562?(1?0.152)?0.5746 ?IIu?pu?puu?0

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?m2)?yd?(1?0.82)?1.66?2.7224 ?IId?pd?pdd?0

C．校核工况：

根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 1098270.8（KN*M） ∑W = 112924.076（KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

32

2010届水利水电工程专业毕业设计

u?y??W6?M??0.480 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??1.636 TT2 （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n???yu?n??0.480?0.15??0.072

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m??ydm?1.64?0.8?1.312

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?0.480?0.152?0.0108

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?1.64?0.82?1.0496

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?0.480?(1?0.152)?0.4908 ?IIu?pu?puu?0

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?m2)?yd?(1?0.82)?1.64?2.6896 ?IId?pd?pdd?0

2）运用期（不计扬压力） A．设计工况： 根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 664808.86（KN*M） ∑W = 171596.329 （KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

33

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

u?y??W6?M??1.257 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??1.958 TT2 （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n?(1.186?1.257)?0.15??0.011

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m?(1.96?0.419)?0.8?1.233

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?1.186?(1.186?1.257)?0.152?1.184

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?0.419?(0.419?1.96)?0.82?1.942

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?1.257?(1?0.152)?1.186?0.152?1.259 ?IIu?pu?puu?1.186

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?0.82)?1.96?0.802?0.82?2.697 ?IId?pd?pdd?0.419

B．正常蓄水工况：

根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 636561.24（KN*M） ∑W = 169434.986 （KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

u?y??W6?M??1.252 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

34

2010届水利水电工程专业毕业设计

d?y??W6?M??1.922 2TT （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n?(1.186?1.252)?0.15??0.010

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m?(1.92?0.350)?0.8?1.256

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?1.186?(1.186?1.252)?0.152?1.185

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?0.350?(0.350?1.92)?0.82?1.803

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?1.252?(1?0.152)?1.185?0.152?1.254 ?IIu?pu?puu?1.186

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?0.82)?1.92?0.350?0.82?2.925 ?IId?pd?pdd?0.350

C．校核工况： 根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = - 734255.51（KN*M） ∑W = 172721.569（KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

u?y??W6?M??1.231 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??2.005 TT235

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

（3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n?(1.195?1.230)?0.15??0.0053

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

?d?(?yd?pud?pd)m?(2.00?0.448)?0.8?1.242

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?1.195?(1.195?1.231)?0.152?1.196

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?0.448?(0.448?2.01)?0.82?2.021

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?1.23?(1?0.152)?1.195?0.152?1.231 ?IIu?pu?puu?1.195

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?0.82)?2.01?0.448?0.82?3.009 ?IId?pd?pdd?0.448

3）施工期（坝前后均无水）

根据上文计算

T = 106.475（m） ∑M = 2000218.99（KN*M） ∑W = 156279.934（KN）

（1）代入公式（4.1）得上游面垂直正应力：

u?y??W6?M??2.517 2TT（2）代入公式（4.2）得下游面垂直正应力：

d?y??W6?M??0.411 2TT （3）根据公式（4.3）算得上游剪应力：

?u?(pu?puu??yu)n???yu?n??2.52?0.15??0.378

（4）根据公式（4.4）算得下游剪应力：

36

2010届水利水电工程专业毕业设计

?d?(?yd?pud?pd)m??ydm?0.41?0.8?0.328

（5）根据公式（4.5）算得上游水平正应力：

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2?2.52?0.152?0.0567

（6）根据公式（4.6）算得下游水平正应力：

?xd?(pd?pdd)?(pd?pdd??yd)m2?0.411?0.82?0.2630

（7）根据公式（4.7）、公式（4.8）算得上游边缘主应力：

?Iu?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2?2.52?(1?0.152)?2.5767 ?IIu?pu?puu?0

（8）根据公式（4.9）、公式（4.10）算得下游边缘主应力：

下游边缘主应力

?Id?(1?m2)?yd?(pd?pdd)m2?(1?m2)?yd?(1?0.82)?0.41?0.6724 ?IId?pd?pdd?0

4.3.3大坝建基面应力计算结果统计

表4.1大坝建基面应力计算结果统计表

u?yd?y坝体应力 ?u ?d u?x ?xd ?1u u?2 ?1d 2.658 2.722 2.690 d?2 运行期 设计 0.527 1.621 -0.079 1.297 0.012 1.037 0.539 0 0 0 0 0 0 计 扬 正常 0.562 1.662 -0.084 1.328 0.013 1.062 0.575 压 力 校核 0.480 1.636 -0.072 1.312 0.011 1.050 0.491 运行期 设计 1.257 1.958 -0.011 1.232 1.184 1.942 1.259 1.186 2.697 0.419 不计扬 正常 1.252 1.922 -0.010 1.256 1.185 1.803 1.254 1.186 2.925 0.350 压 力 校核 1.231 2.005 -0.005 1.242 1.196 2.021 1.231 1.195 3.009 0.448 2.517 0.411 -0.378 0.328 0.057 0.263 2.577 0 0.672 0 施 工 期 综上计算：大坝建基面应力满足要求。

37

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

4.3计算截面为上游折坡处的情况（高程 597.5m）

4.3.1荷载计算

计算截面取上游折坡面时，在任何工况下计算截面高程都高于下游水位，由于本设计中设计洪水位等于正常蓄水位，因此本章节计算不对二者进行区分。荷载计算方法与计算截面取建基面时相同，此处只列出各工况下荷载组合。 A．设计工况（正常蓄水工况）荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）= -211863.57（KN*M） ∑W=19702.508（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）= -34593.4（KN*M） ∑W=37312.128（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）分别代表各项荷载的合力矩 B．校核洪水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）= -227713.42（KN*M） ∑W=23011.348（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）= -50443.2（KN*M） ∑W=37312.128（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）分别代表各项荷载的合力矩 C．施工期工况荷载组合

∑M=M（1）+ M（2）= 310028.3939（KN*M） ∑W=37312.128（KN）

其中M（1）、M（2）分别代表各项荷载的合力矩 4.3.2坝体应力计算

计算截面取上游折坡面时应力的计算方法与计算截面取建基面时相同，此处不再重复，只将计算结果列于下表：

公式（4.1）及（4.2）中参数T=48.32m

38

2010届水利水电工程专业毕业设计 表4.2上游折坡面应力计算结果统计表

u ?yd ?y坝体应力 运行期 设计 计 扬 正常 ?u ?d u ?x?xd ?1u u ?2?1d d ?20.228 1.317 -0.034 1.056 0.005 0.843 0.233 0 2.165 0 压 力 校核 0.187 运行期 设计 不计扬 正常 1.357 -0.028 1.088 0.004 1.062 0.191 0 2.230 0 0.683 0.861 -0.042 0.688 0.585 0.551 0.685 0.583 1.410 0 压 力 校核 0.643 施 工 期 1.57 0.902 -0.047 0.722 0.018 0.631 0.577 0.644 0.592 0 1.479 -0.038 0 0 -0.023 -0.235 0.035 -0.015 1.602 综上计算：上游折坡处截面应力满足要求。

4.4计算截面为2/3坝高处的情况（高程 618.0m）

4.4.1荷载计算

计算截面取2/3坝高处时，在任何工况下计算截面高程都高于下游水位，由于本设计中设计洪水位等于正常蓄水位，因此本章节计算不对二者进行区分。荷载计算方法与计算截面取建基面时相同，此处只列出各工况下荷载组合。

A．设计工况（正常蓄水工况）荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）= -32165.529（KN*M） ∑W=10606.438（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）= -982.337（KN*M） ∑W=16706.35（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）分别代表各项荷载的合力矩 B．校核洪水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）= -39029.12（KN*M） ∑W=10465.671（KN）

39

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）= -7845.93（KN*M） ∑W=16706.35（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）分别代表各项荷载的合力矩 C．施工期工况荷载组合

∑M=M（1）+ M（2）= 96473.8547（KN*M） ∑W=16706.35（KN）

其中M（1）、M（2）分别代表各项荷载的合力矩 4.4.2坝体应力计算

计算截面取2/3坝高处时应力的计算方法与计算截面取建基面时相同，此处不再重复，只将计算结果列于下表：

公式（4.1）及（4.2）中参数T=31.92m

表4.3 2/3坝高处截面应力计算结果统计表

u?yd?y坝体应力 运行期 设计 计 扬 正常 ?u ?d u?x ?xd ?1u u?2 ?1d 1.169 d?2 0.334 0.713 -0.050 0.570 0.008 0.456 0.342 0 0 压 力 校核 0.294 0.753 -0.044 0.602 0.007 0.482 0.301 运行期 设计 不计扬 正常 0 1.235 0 0.518 0.529 -0.020 0.423 0.385 0.339 0.521 0.382 0.868 0 压 力 校核 0.477 0.570 -0.013 0.456 0.393 0.365 0.479 0.391 0.935 施 工 期 1.091 -0.045 -0.164 0.036 0.025 -0.029 1.115 0 -0.074 0 0 综上计算：2/3坝高处截面应力满足要求。

4.5计算截面为1/3坝高处的情况（高程 577.0m）

4.4.1荷载计算

40

2010届水利水电工程专业毕业设计

计算截面取1/3坝高处时，荷载计算方法与计算截面取建基面时相同，此处只列出各工况下荷载组合。 A．设计工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）= -393554.02（KN*M） ∑W=96694.6911（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）= -99765.043（KN*M） ∑W=69544.3528（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）分别代表各项荷载的合力矩 B．正常蓄水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）= -399663.81（KN*M） ∑W=96108.2607（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）= -99381.221（KN*M） ∑W=69532.6207（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）分别代表各项荷载的合力矩 C．校核洪水工况荷载组合

运行期：(计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（3）+ M（4）+ M（5）= -421425.01（KN*M） ∑W=98097.0378（KN） 运行期：(不计扬压力)

∑M=M（1）+ M（2）+ M（4）+ M（5）= -135555.99（KN*M） ∑W=69647.8152（KN）

其中M（1）、M（2）、M（3）、M（4）、M（5）分别代表各项荷载的合力矩 D．施工期工况荷载组合

∑M=M（1）+ M（4）= 669068.892（KN*M） ∑W=67430.7044（KN）

其中M（1）、M（4）分别代表各项荷载的合力矩 4.5.2坝体应力计算

41

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

计算截面取2/3坝高处时应力的计算方法与计算截面取建基面时相同，此处不再重复，只将计算结果列于下表：

公式（4.1）及（4.2）中参数T=67.795m

表4.4 1/3坝高处截面应力计算结果统计表

u?yd?y坝体应力 ?u ?d u?x ?xd ?1u u?2 ?1d 3.182 3.181 3.275 d?2 运行期 设计 0.913 1.940 -0.137 1.552 0.021 1.242 0.933 0 0 0 0 0 0 计 扬 正常 0.896 1.939 -0.134 1.551 0.020 1.241 0.916 压 力 校核 0.897 1.997 -0.135 1.598 0.020 1.278 0.917 运行期 设计 0.896 1.156 -0.017 0.911 0.787 0.768 0.898 0.784 1.885 0.017 0 不计扬 正常 0.896 1.155 -0.017 0.924 0.787 0.739 0.898 0.784 1.895 压 力 校核 0.850 1.204 -0.009 0.927 0.794 0.846 0.852 0.793 1.946 0.046 1.868 0.121 -0.280 0.097 0.042 0.078 1.910 0 0.199 0 施 工 期 综上计算：1/3坝高处截面应力满足要求。

42

2010届水利水电工程专业毕业设计

第5章 溢流坝段设计

5.1溢流坝坝型设计

5.1.1 泄流方式选择

为了使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口，WES实用堰。 5.1.2 洪水标准的确定

洪水标准的确定：本次设计的重力坝是Ⅲ级建筑物，根据GB50201—94表6.2.1，采用50年一遇的洪水标准设计，查基础资料知相应下泄流量为650m3/s；500年一遇的洪水标准校核，相应下泄流量流量为1140m3/s。 5.1.3 单宽流量的选择

坝址处基础比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量q取50 m3/（s.m）。 5.1.4 孔口尺寸的拟定

单孔宽度由启闭机的启闭能力决定，拟定单孔宽度b=8m。 溢流宽度 B设?Q溢设/q?650/50?13m； B校?Q溢校/q?1140/50?22.8m。 孔口数 n校?B校/b?22.8/8?2.85。

取3孔，根据工程经验拟定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为2.5 m，边墩厚t为3m，则溢流坝段的总长度：

B0?nb??n?1?d?2?t?3?8??3?1??2.5?2?3?35m

5.1.5 堰顶高程的确定

本设计采用开敞式溢流（WES堰）,其流量计算公式如下：

Q溢?Cm?B?s2gHw2式

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3 式（5.1）

田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

??Q溢则 Hw??

?C??Bm2g??s??式中：

2/3 式（5.2）

m ——流量系数，具体取值见表5-1；

C ——上游面坡影响修正系数，当上游面铅直时C取1.0； B ——溢流堰净宽,m；

g ——重力加速度，9.8 m/s2 H0 ——堰顶以上作用水头，m；

ε——侧收缩系数,根据闸墩厚度墩头形状而定，可取为ε=0.90～0.95； σs——淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时σs=1.0。

表5.1 流量系数m值

Hw/Hd 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 P1/Hd 0.2 0.425 0.438 0.45 0.458 0.467 0.473 0.479 0.482 0.485 0.496 0.4 0.43 0.442 0.455 0.463 0.474 0.48 0.486 0.491 0.495 0.498 0.6 0.431 0.445 0.458 0.468 0.477 0.485 0.491 0.496 0.499 0.5 1 0.433 0.448 0.46 0.472 0.482 0.491 0.496 0.502 0.506 0.508 ≥1.33 0.436 0.451 0.464 0.476 0.486 0.494 0.501 0.507 0.51 0.513 注：P1 为上游堰高，m；Hd 为定型设计水头，m，按堰顶最大作用水头 Hmax 的 75％～95％计算。

初拟侧收缩系数??0.93，流量系数m=0.502， 因为过堰水流为自由出流，故σs=1.0

根据式（5.2）得 Hd设650?????=5.558（m） ?1.0?1.0?0.93?24?0.502?2?9.8?23Hd校

1140??????1.0?1.0?0.93?24?0.502?2?9.8?44

23=8.083（m）

2010届水利水电工程专业毕业设计

堰顶高程：

Zd设=Z设-H设=657.0-5.558 = 651.442 m Zd校=Z校-H校=657.9-8.083 = 649.817 m

取最小值Zd=min{651.442，649.817}=649.817（m） 考虑到施工方便，将堰顶高程定为649.50m 5.1.6验算过水能力

上游堰高P1= 649.5-571.7 = 77.8m

堰上最大水头Hmax=校核洪水位－堰顶高程=657.9－649.5=8.4（m）； 定型设计水头Hd=（75%～95%）Hmax，取Hd=85% Hmax=7.14（m）；

当Hd=7.14m时，查规范知坝面最大负压为0.3Hd=2.142（m），小于规范的允许值（最大不超过3～6m水柱）。

因为Pl / Hd = 77.8/7.14=10.90 ＞1.33

Hw/Hd=8.083/7.14=1.132，故按表5-1取 流量系数m = 0.508, 行近流速水头可忽略不计；

又因为下游校核水位高程为582.31m低于堰顶高程649.5m， 即为hs ＜0，所以堰为自由出流σs = 1,满足以上假设条件。

由公式 Q?cm??sB2gH 式（5.3）

式中：?取0.93 ；

?S?1.0 ； m=0.508 ；

C为上游坡度修正系数 取 1.0； B?nb?3?8?24。

计算得

3232wQ设?1.0?0.508?0.93?24?2?9.8?5.558?657.77m3/s?Q溢?650m3/s

Q校?1.0?0.508?0.93?24?2?9.8?8.083?1153.60m3/s?Q溢?1140m3/s

满足泄流能力要求。 5.1.7确定闸门尺寸：

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32田赟：重庆小南海水库下坝址重力坝设计

正常蓄水位为657.0 m ，堰顶高程为649.5m 。 门高 = 正常高水位 － 堰顶高程+安全超高

= 657.0－649.5+0.2 = 7.7（m） 考虑到实际应用，取闸门尺寸8×8 m

5.2溢流面体形设计

溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成，设计要求有较高的流量系数、泄流能力大，水流平顺不产生不利的负压和空蚀破坏，体形简单造价低便于施工。

溢流坝顶部曲线是控制流量的关键部位，在本工程中采用WES型实用堰进行设计，以堰顶点O为坐标原点，X轴向右为正，Y轴向下为正；堰顶上游采用三圆弧法，所得三圆弧的半径及其水平坐标值如下表：

表5.2 堰顶上游曲线段计算表

R1 =0.5Hd = 3.570m R2 =0.2Hd = 1.428m R3 =0.04Hd = 0.286m X1 =-0.175Hd=-1.2495m X2 =-0.276Hd=-1.9706m X3 =-0.282Hd=-2.0135m 5.2.1顶部下游曲线（WES）段：

开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES幂曲线，可按以下公式计算：

式中：

x、y——原点下游堰面曲线横、纵坐标； n——与上游堰坡有关的指数。

k——当P1/Hd＞1.0时，k值见《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）

中表A.1.1；当P1/Hd≤1.0时，取k＝2.0～2.2 P1为上游相对堰高。在本设计中取k=2.0,n=1.85。

式（5.4）可变形为：

0.85x1.85?2.0Hdy

yx?k()n 式（5.4） HdHd式（5.5）

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