水工建筑物重力坝课程设计.docx

第一章 基本资料
1.1 工程概况
该河流自西向东汇入东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。罢职以上流域面积2761平方公里，流于境内为山区，平均海拔高度662米，最高峰达1921米，流域境内气候湿润，雨量充沛，属热带气候。径流重要来自降雨，小部分由地下水补给，每年4-9月份为汛期，其中5、6份为梅雨季节，河道坡道上上游陡下游缓，平均坡降6.32-0.97%，因河道陡，蓄水能力低，汇流快，有暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。流于境内，一以农林为主，森林繁茂，植被良好，水土流失不严重枢纽下游为谋省的重要农副业生产基地某平原。坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处有省辖市一座。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库重要任务是防洪、发电、灌溉、渔业养殖。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为三等工程，主坝为3级建筑物，其它建筑物按4级建筑物考虑。
1.2 水文条件
1.年径流：根据资料分析，坝址处的数年平均流量100m/s，数年平均总量为31.5m/s，年内分派很不均匀，重要集中在汛期4-9月份。丰水年时占全年80%，枯水年占20%。
2.洪水：根据记录资料推算102023一遇的浑水流量为11700m/s，502023一遇的洪水14900m/s。施工期间各设计洪水频率流量见下表。

频率
时 段

10-4月

9-6月

10-3月

11-6月

11-2月

12-2月

备注
5%
2087
1772
1367
1367
884
824

10%
1673
1410
1072
1072
654
596

20%
1275
1045
784
784
434
332

3. 固体流量及水库淤积：根据水文站实测资料分析，年固体径流量为331万吨，百年之后水库淤积高程115m。淤沙浮容重为8.5kn/m，内摩擦角10。
4. 其他;本坝址地震烈度为7
1.3 气象条件
(1) 气温：坝址处的数年气温为17.3℃，月平均气温5℃（一月份）、最高29℃（七月份)。实测极端气温-8.2℃（一月份）、最高气温40.6℃（七月份）。
(2) 湿度：年平均相对湿度为79%左右，其中六月份87%为最大，一月份72%最小，日变化较大。
(3) 降雨量：坝址以上流域的年平均降雨量1860毫米，实测最大降雨量为2574毫米，最少降雨量1242毫米。雨量在年内分派不均，其中4-9月份占全年雨量的80%，5-6月份站全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。
(4) 蒸发量：坝址处数年平均蒸发量为1349毫米其中以七月份最大，月蒸发量为217毫米，二月份最少，月蒸发量为45.5毫米。
(5) 风向风力：实测最大风速为17米/分，风向西北偏西，吹程4.5公里，数年平均风速成为：汛期为12米/分，非汛期为13米/分。风行基本垂直坝轴线，吹程4公里。
1.4 工程地质
1、坝址工程地质
（1） 地貌：坝址河床宽度约100米。河底高程约100米，水深1-3米。河床覆盖层，厚度为5-10米左右。河谷近似梯形，两岸约40-60。
（2） 岩性及工程地质：坝基为花岗斑岩，分化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120-200MPa。坝址构造简朴，无大的地质构造，缓倾角解理延伸短，整体滑动的也许行小。但陡倾角解理较发育，以构造解理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组解理。解理的倾角约35-90度
（3） 岩石的物理力学性质
岩石的物理力学性质表
岩性或地质构造
容重
（KN/m）
孔
隙
率
（%）
抗压强度
（MPa）
弹性模量
（MPa）
摩擦系数

粘
着
力
（MPa）

泊
松
比
（u）
抗剪系数
抗剪短系数

干

湿

干

饱和
混凝土与基岩
基岩内部
混凝土与基岩
基岩内部
花岗斑岩

27.3

28.1

2.3

210

190

22023

0.70

0.75

0.75

1.20
0.5（基岩与混凝土

0.2

解理面

0.65

0.75
1.0（基岩内）

（4）库区工程地质：库区岩性以火山岩和沉积岩为主，褶皱规模不大，均为背斜，两翼底层平缓，切不对称。有较大的断层两条，这些褶皱和断层成北东走向，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几十公里，断层单宽一米左右，个别达十米以上。断层破碎都已胶结。库区水文地质较简朴，一裂隙水为主，地下分别水岭高程均高出库水位以上。

1.5 建筑材料
1、石料
坝区大部分为花岗岩，基岩埋省深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石也可运用由此筑坝石料极易解决。
2、 砂料
在坝下游勘探6个砂料场，最远料厂离坝约9公里，以石英带料场为主，估计砂料储量430万方。经质量检测，砂料符合规范规定。坝址处缺少筑坝材料。
1.6 库区经济
库区出有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。耕地重要分布在小片盆地上，高山森林茂密。在正常蓄水位时，需迁移21444人，拆迁房屋19240间，淹没耕地面积16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的两座水电站（装机容量2210KW）共需补偿费4120万元。本坝址上游左岸30公里处有铁路干线，车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县城相连对外交通较方便。本电站重要供应坝下游某平原的农村生产生活用电，比担负某电网的调峰任务。

第2章工程总体布置
工程等别及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2023）》，拟定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。
该水利枢纽水电站装机容量为20千万时；工程建成后，可增长保灌面积50万亩，可以列为中档，属于Ⅲ等中型工程。保护某城乡和某平原，属于一般，属于Ⅳ等小（1）型工程。
根据规范，按各指标中最高等级拟定工程等别：该水利枢纽水库工程等级为Ⅲ等中型工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2023）》中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1 级。其余永久性水工建筑物中的重要建筑物为2 级，次要建筑物和临时建筑物为3 级，而洪水标准不提高。
第3章非溢流坝坝体设计
3.1 剖面拟定
3.1.1 剖面设计原则
1、设计断面要满足稳定和强度规定；
2、力求剖面较小；
3、外形轮廓简朴；
4、工程量小，运用方便，便于施工。
3.1.2 拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项重要荷载作用下，满足稳定和强度规定，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规定，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9 倍。

图3-1 重力坝的基本剖面图示
3.1.3 拟定实用剖面
一、拟定坝顶高程
1、超高值Δh 的计算
（1）基本公式
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，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。
Δh = h1% + hz + hc （3-1）
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 采用,对于Ⅲ级工程，设计情况hc＝0.5m，校核情况hc＝0.4m。
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）
0. 7
0. 5
0. 4
校核情况（ 特殊情况）
0. 5
0. 4
0. 3
下面按官厅公式计算h1% ， hz。

V0 为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。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17m/s；校核洪水位时，采用数年平均风速13m/s。
D 为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时为4.5km，设计洪水位时为4.5km，校核洪水位时为4km。
波高hl，当gD/V02=20～250 时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000 时，为累计频率10%的波高h10%。
规范规定应采用累计频率为1%时的波高，相应于5%波高，应乘以1.24；对
应于10%波高，应乘以1.41。
一方面计算波浪高度hl 和波浪长度L 和波浪中心线超过静水面的高度hz。
（1）设计洪水位时Δh 计算
风速采用50 年一遇的风速17m/s，吹程D=4.5km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166 V05/4 D1/3=0.946m
波长L=10.4(h1)0.8 =9.48m
壅高hz=πhl2/L=0.285m
gD/V02=152.595
h1%=1.24h5%=1.17m ； hz = 0.31m ； hc = 0.5m
Δh = h1% + hz + hc=1.98m
（2）校核洪水位时Δh 计算
风速采用数年平均风速13m/s，D=4km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166 V05/4 D1/3=0.65m
波长L=10.4(h1)0.8 =7.37m
壅高hz=πhl2/L=0.18m
gD/V02=231.95；
h1%=1.41h10%=0.915m ； hz = 0.02m ； hc = 0.4m
Δh = h1% + hz + hc=1.3365m
2、坝顶高程计算
坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh 设
坝顶高程=校核洪水位+Δh 校 （3-5）
根据以上两种水位时Δh 计算结果，得出两种状况下坝顶高程。
（1） 设计洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=设计洪水位+Δh
=186.64+1.98=188.62m
（2）校核洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=189.60+1.3365=190.9365m
为保证大坝的安全运营，应当选用其中的较大值▽坝顶＝190.94m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽190.94m。

二、拟定坝基高程
河床高程约100m，校核洪水位为189.60m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地质剖面图上量得大多在10m 以上），所以开挖应按100m 以上坝高标准规定考虑。根据规范，坝高超过100m 时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。
弱风化层厚5.5～6.5m，微风化层厚6～7m，原则上应考虑技术加固解决后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。初步定出开挖深度7.5m，通过立式图上拟定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽82.5m。
因此，最大坝高为108.44m，属于高坝。
三、拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运营、检修、施工和交通等需要拟定并应满足抗震，特大洪水时维护等规定。
因无特殊规定，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%取值，且不小于2m 并应满足交通和运营管理的需要。按坝高的10%计算，即为10.8 米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为11m，以满足大坝维修作业通行需要。
四、拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2023规定，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。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。
实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选拟定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力规定并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。
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，为了便于布置进口控制设备，又可运用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。
上游设立成折面可运用淤沙增长坝体自重，折点设立在淤沙水位以上，由资料可知，百年后水库的淤积高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为165m 的位置。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.1，下游坝坡取1：0.75。
五、坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7～0.9 倍，本工程的坝高为108.44m，通过已经拟定的上下游坝坡坡率，最终拟定坝底宽度B=87m。
六、基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设立基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。
基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作规定拟定，一般宽为2.5～3m，高为3～4m，为了保证完毕其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗规定，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1 倍作用水头、且不小于4～5m 处设立，本次设计取10m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度，取5m。
初步拟定坝体形状剖面如图（3-2）所示。

图3-2 非溢流坝段剖面尺寸图

3.2 荷载计算及其组合
重力坝的重要荷载重要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的规定。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-2 所示。

表3-2 荷载组合
荷载
组合
重要考虑情况
荷载
自重
静水
压力
扬压
力
泥沙
压力
浪压
力
地震
荷载
动水
压力
土压
力

基本
组合
（1）正常蓄水位情况
√
√
√
√
√

√
（2）设计洪水位情况
√
√
√
√
√

√
√

特殊
组合
（1）校核洪水位情况
√
√
√
√
√

√
√
（2）地震情况
√
√
√
√
√
√

√
注：1.应根据各种作用同时发生的实际也许性，选择计算中的最不利的组合；
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。
3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6.表中的“√”表达应考虑的荷载。
下面就各种情况计算相应荷载，计算示意图如下
W12
W2’

H1 W2’ W13 W3
Pd H2
b3

U4 γH2
γH1 U2 U3 αγH1
U1
图3-3 重力坝荷载计算示意图
（1）自重W
坝体自重的计算公式： W =Vγc （kN） （3-6）
式中 V——坝体体积，ｍ3；由于取1ｍ坝长，可以用断面面积代替，通常把它提成如图3-3 所示的若干个简朴的几何图形分别计算重力；
γc ——坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）
四种情况下自重相同。
W11=24×0.5×8.25×82.5=8167.5kN
W12=24×11×108.44=28628.16kN
W13=24×0.5×89.593×67.75=72839.109kN
W1=W11+W12+W13=109634.769kN
（2）静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的重要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV 两种。
计算各种情况下的上下游水深：
根据水力学公式

式中： 根据相关规范，C=1，m=0.49，ε1=1，σs=1；
溢流坝宽度10m，B=10m；
H0 为堰上水头，堰顶高程与正常蓄水位平齐。
（地震情况按正常蓄水位考虑）
所得结果列表如下：
表3-3 不同情况下上下游水深
特性水位
上游水深H1 （m）
下游水深H2（m）
上下游水位差H(m)
正常蓄水位
101.75
30.21
71.54
设计洪水位
104.14
31.65
72.49
校核洪水位
107.1
33.0
74.1
计算各种情况下静水压力：
水平水压力PH 计算公式为：
（3-8）
式中： Ｈ — 计算点处的作用水头，ｍ；
γw —水的重度，常取9.81 kN／ｍ3；
垂直水压力PV 按水重计算。
a.正常蓄水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=50781.77kN （→）
下游水平水压力：PH2=Pd=4476.52kN （←）
上游垂直水压力：PV1=W2’=1557.95kN
PV2=W2” =3338.47kN
下游垂直水压力：PV3=W3=3356.28kN
b.设计洪水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=53195.4kN （→）
下游水平水压力：PH2=Pd=4913.4kN （←）
上游垂直水压力：PV1=W2’=1751.38kN
PV2=W2”=3338.47kN
下游垂直水压力：PV3=W3=3685.087kN
c.校核洪水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=56262.36kN （→）
下游水平水压力：PH2=Pd=5341.545kN （←）
上游垂直水压力：PV1=W2’=1990.94kN
PV2=W2”=3338.47kN
下游垂直水压力：PV3=W3=4006.16kN
地震情况按正常蓄水位情况考虑。
(3) 扬压力U
根据规范，排水处扬压力折减系数：α=0.25,如图3-3 所示，将扬压力提成四部分，U1，U2，U3，U4。
a.正常蓄水位：
U1=1/2×10×（71.54-0.25×71.54）×9.81=2631.78kN
U2=9.81×0.25×71.54×10=1754.52kN
U3=1/2×9.81×0.25×71.54×77=6754.896kN
U4=9.81×30.21×87=25783.33kN
U=U1+U2+U3+U4=36924.496kN
b.设计洪水位：
U1=1/2×10×（72.49-0.25×72.49）×9.81=2666.73kN
U2=9.81×0.25×72.49×10=1777.82kN
U3=1/2×9.81×0.25×72.49×77=6844.596kN
U4=9.81×31.65×87=27012.33kN
U=U1+U2+U3+U4=38301.476kN
c.校核洪水位：
U1=1/2×10×（74.1-0.25×74.1）×9.81=2725.95kN
U2=9.81×0.25×74.1×10=1817.30kN
U3=1/2×9.81×0.25×74.1×77=6996.61kN
U4=9.81×33.0×87=28164.51kN
U=U1+U2+U3+U4=39704.37kN
地震情况按正常蓄水位计算。
（4）泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100 年，水平泥沙压力Ps 为：

式中：γsb——泥沙的浮容重，kN/m3；
hs ——坝前淤沙厚度，ｍ；
Φs ——淤沙的内摩擦角，( °)。
黄河流域几座水库泥沙取样实验结果，浮容重为7.8～10.8kN/m3。淤沙以粉砂和砂粒为主时，φs在26°～30°之间。结合夕昌水库河流地质情况，本次设计取泥沙浮容重为8.8kN/m3，φs取28°。
水库坝址处数年平均输沙量为4.38 万t，按30 年，所有淤积计算，总淤积量为4.38×30=131.4 万t，约87.6 万m3，由Z～V 曲线查得泥沙水位2897.5m。淤沙厚度58m。故泥沙压力为
Ps=1/2×8.5×32.52×tan2（45°- 5°）=3160.696kN
（5）浪压力
1.基本数据
表3-4 浪压力计算基本数据表

正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
计算风速V0(m/s)
17
17
13
有效吹程D(m)
4500
4500
4000
重力加速度g(m/s2)
9.8
9.8
9.8
水位高程(m)
184.25
186.64
189.60
坝基高程(m)
82.5
82.5
82.5
安全超高hc(m)
0.5
0.5
0.4
迎水面深度H(m)
101.75
104.14
107.1
2.波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2023，波浪要素按官厅水库公式计算（合用于V0<20m/s 及D<20km）：

h ——当gD/V02=20～250 时，为累积频率5%的波高h5%；
当gD/V02=250～1000 时，为累积频率10%的波高h10%
Lm ——平均波长（m）；
波浪中心线至水库静水位的高度hz 按下式计算：

平均波长按下式计算：

a.正常蓄水位：
Lm =0.331V0-1/2.15(gD/V02)1/3.75×V02/g
=0.331×17-1/2.15(9.8×4500/172)1/3.75×172/9.8=10m
hl =0.0076V0-1/12(gD/V02)1/3×V02/g
=0.0076×17-1/12(9.8×4500/172)1/3×172/9.8=0.945m
h1%=1.24×h5%=1.172m
hz=3.14×1.242/10.44=0.4313m
因H>Lm /2，属于深水波。

b.设计洪水位：
Lm=0.331×17-1/2.15(9.8×4500/172)1/3.75×202/9.8=10m
h1%=1.172m
hz=0.4313m
因H>Lm /2，属于深水波。

c.校核洪水位
Lm=0.331×13/2.15(9.8×40002)1/3.75×13/9.8=7.393m
h1%=0.8067m
hz=0.2764m
因H>Lm /2，属于深水波。

3.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力，如图3-4 所示。

图3-4 深水波浪压力分布
浪压力计算公式为

a.正常蓄水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=39.28 kN
b.设计洪水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=39.28kN
c.校核洪水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=19.62kN
地震情况按正常蓄水位计算。
（6）地震荷载
工程区地震烈度为7 度，设计时考虑水平向地震惯性力代表值Fi，按式（3-15）计算

当设计烈度为7 度时，αh 取0.1g，ξ一般取0.25，αi 为质点i 的动态分布系数，按式（3-16）计算

地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力。在水平地震作用下，单位宽度上的总地震动水压力F0 为

H1 为坝前水深，m。
作用点位于水面以下0.54H1 处。
因设计的重力坝迎水面有折坡，且水面以下直立部分的高度小于水深的一半，所以应取水面与坝面的交点和坡脚点的连线作为替代坡度。计算地震动水压力时，乘以折减系数θ/90°，θ为建筑物迎水面与水平面的夹角。
经计算，θ=85.36°，故
F0=85.36/90×0.65×0.1×9.8×0.25×1.0×101.752=15324.5kN
（7） 其它荷载
冰压力、土压力应根据具体情况来定。温度荷载一般可以采用措施来消除，稳定和应力分析时可以不计入。风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。
荷载计算结果汇总及相关荷载弯矩值参见附表（2-1）、（2-2）、（2-3）、（2-4）
3.3 稳定分析
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。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
u
正常蓄水位情况和地震情况按单一安全系数法验算，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。
图3－5 坝体抗滑稳定计算简图
1.单一安全系数法：
因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下：
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的抗剪断摩擦系数，f′=1.2
c′—— 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c′=120KPa；
A —— 坝基接触面截面积，m2。
ΣW—— 作用于坝体上所有荷载（涉及扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；
ΣP—— 作用于坝体上所有荷载对滑动平面的切向分值，kN；
按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数K′值应不小于
表3-6的规定。
表3-5 坝基面抗滑稳定安全系数K′
荷载组合
K′
基本组合
3.0
特殊组合

（1）
2.5
（2）
2.3
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,坝基面上所有切向作用之和,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 为坝基面上所有作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。
各基本变量及扬压力系数α应以设计值代入计算。
各分项系数可查附录一附表。
下面对不同荷载组合情况下大坝抗滑稳定进行分析。
（1）基本组合
a.正常蓄水位
单一安全系数法：

=[1.2(116673.39-28770)+1300×87]/55111.1=4.2＞3
满足规范规定。
b.设计洪水位：
承载能力极限状态设计法：
荷载设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。
（1）计算作用效应函数
S(·)=ΣP=64829.73kN
（2）抗滑稳定抗力函数
查得f′的分项系数为1.3，C′的分项系数为3.0。
坝基面抗剪断系数设计值f′=1.35/1.3=1.04
坝基面抗剪断黏聚力设计值C′=1300/3.0=433.33kPa
抗滑稳定抗力函数
R(·) = f ′ΣW +c′A =1.04×83596.688+433.33×87=124472kN
（3）验算抗滑稳定性
偶尔状况（偶尔组合）设计状况系数ψ=0.85；结构重要性参数γ0=1.0；根据《水
工建筑物抗震设计规范》抗滑稳定结构系数γd=1.2。根据式

γ0ψS(⋅) =1.0×0.85×61083=51920.6KN
1γdR(⋅)=1/1.2×126228=124472KN
51920.6<103727
计算结果表白，重力坝在校核洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑
稳定规定。
d.地震情况：
单一安全系数法：
KS’=[1.35×87903.388+1300×87]/61602=3.8＞2.3
满足规范规定。
3.4 应力分析
用材料力学法计算边沿应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边沿应力是否满足强度规定。
当采用材料力学法分析坝体应力时，SL 319-2023《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。
重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列规定：
运用期
1） 在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基允许压应力；
2） 在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）的规定；
重力坝坝体应力应符合下列规定：
运用期
1） 坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。
2） 坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。
3） 在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）的规定。
同样采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计式对四种情况分别分析水平截面上的正应力。
1.单一安全系数法
由于假定σy 按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边沿应力
σyu和σyd 。

ΣW——作用于计算截面以上所有荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM——作用于计算截面以上所有荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；
B——计算截面的长度，m。
坝体最大主应力按下游边沿最大主应力计算：

2.分项系数极限状态设计法：
（1）坝趾抗压强度承载能力极限状态：
坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为

坝趾抗压强度极限状态抗力函数为

式中：Ra为混凝土抗压强度。
（2）坝踵应力约束条件的正常使用极限状态
以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态。

a.正常蓄水位：
运用承载能力极限状态设计式和正常使用极限状态设计判别大坝是否满足强度规定。
荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。
（1）计算作用效应函数

=[80926.97/87-6×(-736333)/872]×(1+0.752)=1606.1kN
（2）验算抗压强度
持久状况（基本组合）设计状况系数ψ=1.0；结构重要性参数γ0=1.0；抗压基本组合结构系数γd=1.8，混凝土性能分项系数1.5。根据式

γ0ψS(⋅) =1.0×1.0×1606.1=1606.1KN
1γdR(⋅)=1/1.8×9533=5296KN
1606.1<5296
（3）坝踵垂直应力不出现拉应力极限状态验算（正常使用极限状态）：

=[1.0×(80926.97/87+6×(-661693)/872]=406>0
计算结果表白，重力坝在正常蓄水位情况下应力满足规范规定。
b.设计洪水位：
采用单一安全系数法

=80926.97/87+6×(-820234)/872=1648Kn>0
坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范规定。

=80926.97820234)/872=1580.8kN
坝趾铅直应力小于坝基允许压应力，符合规范规定。
=(1+0.752)×1580.=2575kN
小于混凝土的允许压应力。
c.校核洪水位：
偶尔状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度规定。
荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数。
（1）计算作用效应函数

=[80926.97/87-6×(-1016450.82)/872]×(1+0.752)=2713kN
（2）验算抗压强度
偶尔状况（特殊组合）设计状况系数ψ=0.85；结构重要性参数γ0=1.0；抗压基本组合结构系数γd=1.8。根据式

γ0ψS(⋅) =1.0×1.0×2713=2713KN
1γdR(⋅) =1/1.8×9533=5296KN
2713<5296
满足强度规定。
d.地震情况：

=87903.39/87-6×948376.76/872=258.60kN

=87903.39/87+6×948376.76/872=1762.17kN
地震荷载作用下，铅直应力符合SL 203-97《水工建筑物抗震设计规范》的规定。
经计算初拟的方案满足应力和稳定的规定，且其折点处的应力和稳定也均满足规定，初步符合规定。
第4章溢流坝坝体设计

4.1 泄水方式的选择
溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度规定，还要满足泄水规定。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的规定；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。
重力坝的泄水重要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。故本设计采用开敞溢流式孔口形式，堰顶设立门。
4.2 溢流坝剖面拟定
溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计规定：
（1）有较高的流量系数，泄流能力大；
（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；
（3）体形简朴，造价低，便于施工。
本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0.1，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。
定型设计水头的拟定：
堰顶最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=189.60-178.94=10.7m
定型设计水头Hd 为Hd=（75%～95%），取Hd=9m，由Hd/Hmax=9/10.7=0.84。
（一）坝顶曲线段
溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克—奥曲线和WES 曲线。本工程选用WES 曲线。
一方面绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES 型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。
该设计上游段曲线采用三圆