安格庄水库紫荆关引水枢纽维修加固工程施工图结构计算书.docx

安格庄水库紫荆关引水枢纽维修加固工程水工专业本工程 共 册施工图 阶段结构部分第 册安格庄水库紫荆关引水枢纽维修加固工程计 算 说 明 书审 查： 校 核： 计 算： 编制单位： 设计二所 保定市水利水电勘测设计院 年 月 日目 录1.工程概况12.坝体稳定复核计算12.1.计算依据12.2.渗透稳定计算12.3.坝体稳定计算103.结构计算163.1.计算依据163.2.橡胶坝底板结构计算161. 工程概况安格庄水库紫荆关引水枢纽维修加固工程引水流量为25m³/s，工程等别为等，规模为中型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级；引水渠为4级，渠系建筑物为3级，相应防洪标准设计为20年一遇，校核为50年一遇。本引水枢纽工程原设计洪水标准为4年一遇，安全泄量700m³/s，校核洪水标准为10年一遇，达不到现行规范所要求防洪标准。本次设计只对引水枢纽进行清淤、防渗处理及坝面维修加固，不改变坝体高度及消力池设计，故坝体过流能力维持原设计不变，延长水文系列后坝体设计洪水标准和校核洪水标准仍为原设计标准。工程区地震基本烈度及抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组。2. 坝体稳定复核计算2.1. 计算依据水闸设计规范（SL265-2001）；水工建筑物抗震设计规范（SL203-97）；水工建筑物荷载设计规范（DL 5007-1997）；建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）；橡胶坝技术规范（SL227-98）。2.2. 渗透稳定计算渗流计算分三种工况分别计算，计算工况为：.设计洪水：坝前水位526.30，坝后水位524.55；.校核洪水：坝前水位528.13，坝后水位526.20；.正常挡水：坝前水位526.10，坝后水位521.30。1、渗径长度根据坝址地质资料，底板位于砂卵石地基上，渗径系数取4。最小地下轮廓线总长度为：公式：式中 坝基防渗长度；允许渗径系数；上下游水位差。详细计算过程见计算附表。2、抗渗稳定复核采用水闸设计规范（SL265-2001）附录C中的改进阻力系数法进行计算，渗点从上游铺盖边缘起算，下游溢出点取坝趾边缘排水孔处。（1）地基有效深度的确定由于=24.823m，=2.0m，,地基有效深度计算采用公式计算。式中地基有效深度（m）； 地下轮廓的水平投影长度（m）；地下轮廓线的垂直投影长度（m）。，根据地质勘察资料坝基相对不透水层深度为4.5m，因Te大于4.5m，故取地基计算深度Tc=4.5m。（2）阻力系数计算按等势线的位置，将坝底轮廓分成几个流段，具体划分详见下图。图5-1 阻力系数计算简图每一流段的阻力系数：进、出口段：式中进、出口段的阻力系数； S板桩或齿墙的入土深度（m）； T地基透水层深度（m）。内部垂直段:式中内部垂直段的阻力系数。水平段式中水平段的阻力系数；水平段长度（m）;,进出口段齿墙的入土深度（m）。总阻力系数：。（3）各分段渗压水头损失值计算在渗流出口处9点渗压水头H9=0,自9点开始依次向上游逐加区段水头损失可得地下轮廓各点渗压水头值，各点渗压水头损失值按下式计算:式中各分段水头损失值（m）；各分段的阻力系数；n总分段数；上下游水位差；计算结果见计算表。（4）进、出口水头损失修正及渗压水头进、出口段修正后的水头损失值按下列公式计算：式中进出口段修正后的水头损失（m）；进出口段水头损失值（m）；阻力修正系数，当计算1.0时，采用=1.0；底板埋深与板桩入土深度之和（m）取为1.0；板桩另一侧地基透水层深度（m）；板桩下游侧的地基透水层深度（m）；（5）坝基水平段渗透坡降和渗流出口处坡降出口处的逸出坡降：J出= /底板下水平段渗透坡降：（6）计算过程及结果计算过程及结果见表4-14-3。表2-1 设计洪水工况下坝体渗流计算地基计算深度坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）轮廓水平投影长L0（m）轮廓垂直投影长S0（m）L0/S0最高防渗点高程（m）地下不透水层高程（m）实际渗流区深度（m）有效深度Te（m）计算深度Tc（m）526.30 524.55 1.75 25.91 2.00 12.96 <5521.70 517.20 4.50 5.70 4.50 >=5521.70 517.20 4.50 12.96 4.50 渗流计算渗流计算表合计已知参数位置1223344556677889S（m）1.40 1.00 1.60 1.50 1.00 1.10 S1（m）1.00 1.50 S2（m）1.60 1.00 T（m）4.10 4.10 4.10 4.10 4.00 4.00 4.00 4.00 L（m）12.50 13.41 阻力系数0.74 0.25 2.60 0.42 0.40 2.92 0.26 0.66 8.24 原值水头损失hi（m）0.16 0.05 0.55 0.09 0.08 0.62 0.05 0.14 1.75 渗透压力Hi（m）1.75 1.59 1.54 0.99 0.90 0.81 0.19 0.14 0.00 修正值水头损失hi（m）0.15 0.05 0.56 0.09 0.08 0.62 0.05 0.14 1.75 渗透压力Hi（m）1.75 1.60 1.54 0.99 0.90 0.81 0.19 0.14 0.00 渗点编号1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 修正进口水头损失修正T（）T（）S'（）'h0'(m)h0(m)h（m）h1(m)h1'(m)4.50 4.10 1.40 0.98 0.15 0.16 0.00 小于0.55 0.56 出口水头损失修正T（）T（）S'（）'h9'(m)h9(m)h（m）h6(m)h6'(m)4.10 4.00 1.10 0.98 0.14 0.14 0.00 小于0.62 0.62 渗流校核坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）渗径系数计算渗径长度（m）设计渗径长度（m）出口坡降水平坡降ht'(m)S'（）J10J10L(m)h(m)JxJx526.30 524.55 1.75 4.00 7.00 30.00 0.14 1.00 0.14 0.50.5525.91 1.18 0.05 0.220.28表2-2 校核洪水工况下坝体渗流计算地基计算深度坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）轮廓水平投影长L0（m）轮廓垂直投影长S0（m）L0/S0最高防渗点高程（m）地下不透水层高程（m）实际渗流区深度（m）有效深度Te（m）计算深度Tc（m）528.13 526.20 1.93 25.91 2.00 12.96 <5521.70 517.20 4.50 5.70 4.50 >=5521.70 517.20 4.50 12.96 4.50 渗流计算渗流计算表合计已知参数位置1223344556677889S（m）1.40 1.00 1.60 1.50 1.00 1.10 S1（m）1.00 1.50 S2（m）1.60 1.00 T（m）4.10 4.10 4.10 4.10 4.00 4.00 4.00 4.00 L（m）12.50 13.41 阻力系数0.74 0.25 2.60 0.42 0.40 2.92 0.26 0.66 8.24 原值水头损失hi（m）0.17 0.06 0.61 0.10 0.09 0.68 0.06 0.15 1.93 渗透压力Hi（m）1.93 1.76 1.70 1.09 0.99 0.90 0.21 0.15 0.00 修正值水头损失hi（m）0.17 0.06 0.61 0.10 0.09 0.69 0.06 0.15 1.93 渗透压力Hi（m）1.93 1.76 1.70 1.09 0.99 0.90 0.21 0.15 0.00 渗点编号1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 修正进口水头损失修正T（）T（）S'（）'h0'(m)h0(m)h（m）h1(m)h1'(m)4.50 4.10 1.40 0.98 0.17 0.17 0.00 小于0.61 0.61 出口水头损失修正T（）T（）S'（）'h9'(m)h9(m)h（m）h6(m)h6'(m)4.10 4.00 1.10 0.98 0.15 0.15 0.00 小于0.68 0.69 渗流校核坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）渗径系数计算渗径长度（m）设计渗径长度（m）出口坡降水平坡降ht'(m)S'（）J10J10L(m)h(m)JxJx528.13 526.20 1.93 4.00 7.72 30.00 0.15 1.00 0.15 0.50.5525.91 1.30 0.05 0.220.28表2-3 正常挡水工况下坝体渗流计算地基计算深度坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）轮廓水平投影长L0（m）轮廓垂直投影长S0（m）L0/S0最高防渗点高程（m）地下不透水层高程（m）实际渗流区深度（m）有效深度Te（m）计算深度Tc（m）526.10 521.30 4.80 25.91 2.00 12.96 <5521.70 517.20 4.50 5.70 4.50 >=5521.70 517.20 4.50 12.96 4.50 渗流计算渗流计算表合计已知参数位置1223344556677889S（m）1.40 1.00 1.60 1.50 1.00 1.10 S1（m）1.00 1.50 S2（m）1.60 1.00 T（m）4.10 4.10 4.10 4.10 4.00 4.00 4.00 4.00 L（m）12.50 13.41 阻力系数0.74 0.25 2.60 0.42 0.40 2.92 0.26 0.66 8.24 原值水头损失hi（m）0.43 0.15 1.52 0.24 0.23 1.70 0.15 0.38 4.80 渗透压力Hi（m）4.80 4.37 4.22 2.71 2.46 2.23 0.53 0.38 0.00 修正值水头损失hi（m）0.42 0.15 1.52 0.24 0.23 1.70 0.15 0.38 4.80 渗透压力Hi（m）4.80 4.38 4.23 2.71 2.46 2.23 0.53 0.38 0.00 渗点编号1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 修正进口水头损失修正T（）T（）S'（）'h0'(m)h0(m)h（m）h1(m)h1'(m)4.50 4.10 1.40 0.98 0.42 0.43 0.01 小于1.52 1.52 出口水头损失修正T（）T（）S'（）'h9'(m)h9(m)h（m）h6(m)h6'(m)4.10 4.00 1.10 0.98 0.38 0.38 0.01 小于1.70 1.70 渗流校核坝前水位（m）坝后水位（m）水头差H（）渗径系数计算渗径长度（m）设计渗径长度（m）出口坡降水平坡降ht'(m)S'（）J10J10L(m)h(m)JxJx526.10 521.30 4.80 4.00 19.20 30.00 0.38 1.00 0.38 0.50.5525.91 3.23 0.12 0.220.282.3. 坝体稳定计算对坝体在正常挡水位、设计洪水位、校核洪水位及地震+正常挡水位三种工况条件下进行整体稳定分析。基本组合：正常挡水，坝前水位526.10，坝后水位521.30；基本组合：设计洪水，坝前水位526.30，坝后水位524.55；特殊组合：校核洪水，坝前水位528.13，坝后水位526.20；特殊组合：地震+正常挡水；（1）基底应力计算基底应力按下式计算：式中：坝体基础底面应力的最大值或最小值（kPa）；Mx、My作用于建筑物基础底面以上的全部水平向和竖向荷载对于基础底面形心轴x、y的力矩（kN·m）；Wx、Wy基础底面对于该底面形心轴x、y的截面矩（m3）；A基础底面面积（m2）。基础底面应力不均匀系数按下式计算：式中：地基应力不均匀系数。（2）沿基底面的抗滑稳定计算计算公式如下：式中：Kc抗滑稳定安全系数；G作用于坝体基础底面上的全部竖向荷载，kN；H作用于坝体基础底面上的全部水平方向荷载，kN；f底板与地基土之间的摩擦系数，依据地质资料取0.45。（3）抗浮稳定计算坝体抗浮稳定计算根据水闸设计规范抗浮稳定系数（7.3.16）式计算。式中：坝体抗浮稳定安全系数；作用在坝体上全部向下的铅直力之和（kN）；作用在坝体基底面上的扬压力（kN）。（4）计算过程及结果各工况下坝体稳定计算见表2-42-7。表2-4 正常挡水工况下坝体稳定计算荷载计算项目符号竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m)力矩（KN.M)（)（)（）（）结构自重混凝土坝体G1290.82 0.00 0.00 0.00 1.07 311.17 0.00 砂卵石坝芯G2639.88 0.00 0.00 0.00 0.17 0.00 108.78 橡胶坝G341.62 0.00 0.00 0.00 1.88 78.25 0.00 上游水重G上45.00 0.00 0.00 0.00 4.82 216.90 0.00 下游水重G下0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 上游水压力P10.00 0.00 105.80 0.00 2.97 0.00 314.23 上游水压力P20.00 0.00 22.82 0.00 1.34 0.00 30.58 上游水压力P30.00 0.00 44.39 0.00 0.48 0.00 21.30 下游水压力P40.00 0.00 0.00 6.05 0.50 3.03 0.00 泥沙压力P50.00 0.00 9.28 0.00 扬压力浮托力Wf0.00 214.56 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 渗透力Ws0.00 185.06 0.00 0.00 1.40 0.00 259.08 合计1017.32 399.62 182.29 6.05 14.63 609.34 733.97 617.70 176.24 -124.63 计算结果P(KN)fKcB(m)h（m）M(KN·m)e(m)max(Kpa)min(Kpa)176.24 0.45 1.58 12.32 1.00 -124.63 -0.20 45.21 55.06 0.82 G(KN)允许值1.25 300.00 300.00 2.00 617.70 判别YESYESYESYES0CC0tan0Kc抗浮Kf23.00 20.70 13.90 3.48 0.38 1.57 2.55 表2-5 设计洪水工况下坝体稳定计算荷载计算项目符号竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m)力矩（KN.M)（)（)（）（）结构自重混凝土坝体G1290.82 0.00 0.00 0.00 1.07 311.17 0.00 砂卵石坝芯G2639.88 0.00 0.00 0.00 0.17 0.00 108.78 橡胶坝G341.62 0.00 0.00 0.00 1.88 78.25 0.00 上游水重G上273.70 0.00 0.00 0.00 0.68 186.12 0.00 下游水重G下0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 上游水压力P10.00 0.00 130.05 0.00 3.40 0.00 442.17 上游水压力P20.00 0.00 11.41 0.00 1.32 0.00 15.06 上游水压力P30.00 0.00 24.35 0.00 0.47 0.00 11.44 下游水压力P40.00 0.00 0.00 127.51 1.68 214.22 0.00 扬压力浮托力Wf0.00 677.21 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 渗透力Ws0.00 61.00 0.00 0.00 1.39 0.00 84.79 合计1246.02 738.21 165.81 127.51 12.06 789.75 662.25 507.81 38.30 127.51 计算结果P(KN)fKcB(m)h（m）M(KN·m)e(m)max(Kpa)min(Kpa)38.30 0.45 5.97 12.32 1.00 127.51 0.25 46.26 36.18 1.28 G(KN)允许值1.10 300.00 300.00 300.00 507.81 判别YESYESYESYES0CC0tan0Kc抗浮Kf23.00 20.70 13.90 3.48 0.38 6.13 1.69 表2-6 校核洪水工况下坝体稳定计算荷载计算项目符号竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m)力矩（KN.M)（)（)（）（）结构自重混凝土坝体G1290.82 0.00 0.00 0.00 1.07 311.17 0.00 砂卵石坝芯G2639.88 0.00 0.00 0.00 0.17 0.00 108.78 橡胶坝G341.62 0.00 0.00 0.00 1.88 78.25 0.00 上游水重G上500.00 0.00 0.00 0.00 0.68 340.00 0.00 下游水重G下0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 上游水压力P10.00 0.00 240.12 0.00 3.40 0.00 816.41 上游水压力P20.00 0.00 12.11 0.00 1.32 0.00 15.99 上游水压力P30.00 0.00 25.30 0.00 0.47 0.00 11.89 下游水压力P40.00 0.00 0.00 224.45 1.68 377.08 0.00 扬压力浮托力Wf0.00 858.24 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 渗透力Ws0.00 74.43 0.00 0.00 1.41 0.00 104.94 合计1472.32 932.67 277.53 224.45 12.08 1106.49 1058.00 539.65 53.08 48.49 计算结果P(KN)fKcB(m)h（m）M(KN·m)e(m)max(Kpa)min(Kpa)53.08 0.45 4.58 12.32 1.00 48.49 0.09 45.72 41.89 1.09 G(KN)允许值1.10 300.00 300.00 300.00 539.65 判别YESYESYESYES0CC0tan0Kc抗浮Kf23.00 20.70 13.90 3.48 0.38 4.65 1.58 表2-7 正常挡水+地震工况下坝体稳定计算荷载计算项目符号竖向力（KN）水平力（KN）力臂（m)力矩（KN.M)（)（)（）（）结构自重混凝土坝体G1290.82 0.00 0.00 0.00 1.07 311.17 0.00 砂卵石坝芯G2639.88 0.00 0.00 0.00 0.17 0.00 108.78 橡胶坝G341.62 0.00 0.00 0.00 1.88 78.25 0.00 上游水重G上45.00 0.00 0.00 0.00 4.82 216.90 0.00 下游水重G下0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 上游水压力P10.00 0.00 105.80 0.00 2.97 0.00 314.23 上游水压力P20.00 0.00 22.82 0.00 1.34 0.00 30.58 上游水压力P30.00 0.00 44.39 0.00 0.48 0.00 21.30 下游水压力P40.00 0.00 0.00 6.05 0.50 3.03 0.00 泥沙压力P50.00 0.00 9.28 0.00 扬压力浮托力Wf0.00 214.56 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 渗透力Ws0.00 185.06 0.00 0.00 1.40 0.00 259.08 地震荷载D0.00 0.00 27.30 0.00 0.00 0.00 63.03 合计1017.32 399.62 209.59 6.05 14.63 609.34 797.00 617.70 203.54 -187.65 187.65 稳定计算P(KN)fKcB(m)h（m）M(KN·m)e(m)max(Kpa)min(Kpa)203.54 0.45 1.37 12.32 1.00 -187.65 -0.30 42.72 57.56 0.74 G(KN)允许值1.05 130.00 130.00 2.50 617.70 判别YESYESYESYES0CC0tan0Kc抗浮Kf23.00 20.70 13.90 3.48 0.38 1.36 2.55 3. 结构计算3.1. 计算依据水闸设计规范（SL265-2001）；水工建筑物抗震设计规范（SL203-97）；水工混凝土结构设计规范（SL191-2008）；水工建筑物荷载设计规范（DL 5007-1997）；橡胶坝技术规范（SL227-98）。3.2. 橡胶坝底板结构计算由于本工程是在原有浆砌石壳坝基础上维修加固，橡胶坝底板坐落在原浆砌石壳坝之上，底板结构计算取顺水流方向1m宽板带进行计算，底板上游底部有前趾墙，下游底部有后趾墙及原浆砌石坝顶，底板内力计算模型简化为简支梁，计算简图及内力图如下：图3-1 橡胶坝底板计算简图（kN/m）图3-2 橡胶坝底板弯矩图（kN*m）橡胶坝底板最不利工况为正常挡水工况，该工况下底板所受荷载主要有底板自重、橡胶坝坝袋及水重，水压力等。根据水工混凝土结构设计规范（SL191-2008）的规定，对底板进行强度设计计算和正截面裂缝宽度验算，最大裂缝宽度允许值为0.25mm。配筋计算时取截面宽度1.0m，截面高度0.6m，选用C25混凝土，钢筋选用级热轧钢筋，采用双层配筋，底侧最大弯矩设计值为251kN*m，顶部按构造配筋，选配12200钢筋，面积565mm2。通过计算底板底侧所需钢筋面积为1607mm2，配筋为20150，实配面积2094mm2，裂缝宽度计算为0.245mm，满足规范要求。（1）配筋计算计算公式：计算参数：结构安全级别及荷载组合=级-基本组合安全系数K=1.2弯矩计算值M=251.00KN.m构件宽度b=1000mm构件高度h=600mm保护层a值=55mm混凝土等级=C25混凝土设计强度=11.9N/m钢筋级别=3钢筋强度=360N/m最小配筋率=0.0020受压区高度界限值=0.440计算结果:计算配筋面积=1607m配筋率=0.0029受压区高度计算值=0.09（2）裂宽计算计算公式：计算参数：弯矩标准值Mk=200.00KN.m截面宽度b=1000mm截面高度h=600mm全部受拉钢筋面积As=2094m受拉钢筋级别=3受拉钢筋弹性模量=200000N/m受拉钢筋直径=20mm受拉钢筋净保护层=40mm计算结果：计算最大裂缝宽度Wmax=0.245mm构件受力特征系数1=2.10钢筋表面形状系数2=1.0荷载长期作用影响系数3=1.0