水工建筑物课程设计(15页).doc

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1、-课程设计： 混凝土重力坝设计 专业班级： 12级水利水电工程卓越班 姓 名： 饶宇 学 号： 2012102196 指导教师： 王志强 南昌工程学院水利与生态工程学院印制20152016学年第一学期第一章 基本资料1.1 基本资料一、 地质河床高程332m。约有23m覆盖层，岩石为石灰岩，较完整，结理不发育，风化层后12m无特殊不利地质构造。 坝基的力学参数：抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为f=0.9,c=700kPa。基岩的允许抗压强度3000kPa。 地震的设计烈度为6度。 二、 水文 本枢纽属中型等工程。永久性重要建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。

2、特征水位上游水位（ m ) 下游水位 （ m )库容 （万m） 溢流坝泄量 （ m/s )校核洪水位386.96335.212001696设计洪水位385.4334.311401250正常蓄水位383.96331.7895死水位350.040表1 水文计算结果 经水文水利计算，有关数据如表1所示：三、 气象 本地区多年平均最大风速为14m/s，水库吹程为2.96km。四、 其它有关数据 河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程345m。淤沙的浮重度为9.5kN/m3，内摩擦角为12。 坝体混凝土重度采用24kN/m3。五、 枢纽总体布置根据地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选

3、用混凝土重力坝方案，重力坝由非溢流坝段和溢流坝段组成。第二章 非溢流坝设计2.1 剖面设计 重力坝剖面设计的原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝安全；工程量小，造价低；结构合理，运用方便；利于施工，方便维修； 重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。剖面尺寸的初步似定主要内容有：坝顶高程，坝顶宽度，坝顶及上、下游起坡点的位置。一、 坝顶高程的确定 波浪要素按官厅公式计算。公式如下： 库水位以上的超高对

4、于安全级别为级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。计算成果见下表2-1风速(m/s)波高(m)波长(m)雍高(m)安全加高(m)超高(m)坝顶高程（m）281.4113.680.460.52.37387.8140.596.840.160.41.15386.6表2-1坝顶高程计算成果表经比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为387.8m，并取防浪墙高度1.2m， 则坝顶高程为： 387.8-1.2=386.6m最大坝高为： 386.6-327=59.6m二、 坝顶宽度 考虑交通要求，坝顶宽度取7m。三、 坝面坡度考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按

5、要求为坝高，该工程拟折坡点高程为347.0m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，下游坝坡取1：0.7，基本三角形顶点位于坝顶，376.30m以上为铅直坝面。四、 坝体防渗排水分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵7m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线9m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸稳定和应力校核修改尺寸稳定和应力校核的重复计算过程。2.2 荷载计算一、 计算情况的选择在设计重力坝剖面时，应按照承载力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。基本组合有正常蓄水位情况和设计洪水情况，偶然组

6、合有校核洪水情况和地震情况。考虑的主要荷载有自重、水压力、浪压力、淤沙压力及扬压力。从以上荷载组合中分别选一种基本组合（如设计洪水位情况）和一种偶然组合（如校核洪水位情况）计算。二、 计算截面的选择滑动面一般有以下几种情况：坝基面、坝基内软弱层面、基岩缓倾角结构面等。对于本工程，岩石较完整，结理不发育，可仅分析沿坝基面的抗滑稳定。三、 荷载计算1 坝体自重计算坝顶宽度=7(m) 坝基宽度=(386.60-327)0.7+(347-327)0.2=45.72(m)W1=1/22420200.21=960(kN)力臂=45.72/22/3200.2=20.19(m)力矩=96020.19=1938

7、2.4(kNm)W2=247(386.60-327)1=10012.8(kN)力臂=45.72/2200.27.0/2=15.36(m)力矩=10012.815.36=153796.61(kNm)W3=1/224(376.30-327)(376.30-327)0.71=20416.116(kN)力臂=(376.30-327)0.72/345.72/2=0.15(m)力矩=20416.1160.15=3062.417(kNm)2. 静水压力 （校核洪水位）PH1=1/29.81(386.96-327)(386.96-327)1=17248.383(kN)力臂=1/3(386.96-327)=19

8、.77(m) 力矩=-17248.38319.77=-341000.53(kNm)PH2=-1/29.81(335.2-327)(335.2-327)1=-329.812(kN)力臂=1/3(335.2-327)=2.73(m) 力矩=329.8122.73=900.387(kNm) PV1=9.81(386.96-347)(347-327)0.2=1542.132(kN) 力臂=45.72/2200.21/2=20.755(m) 力矩=1542.13220.755=32006.95(kNm)PV2=1/29.8120200.2=392.4(kN) 力臂=45.72/2200.21/3=21.

9、42(m) 力矩=392.421.42=8405.21(kNm) PV3=1/29.81(335.2-327)(335.2-327)0.7=230.87(kN) 力臂=45.72/2(335.2-327)0.71/3=20.842(m) 力矩=-230.8720.842=-4811.80(kNm) 扬压力 （校核洪水位）U1=9.81（335.2-327.0）45.511=3660.9(kN)力臂=0(m) 力矩=0(kNm)U2=9.819.00.25(386.96-335.2)=1127.9(kN)力臂=45.72/29.0/2=18.255(m) 力矩=1127.918.255=2058

10、9.81(kNm)U3=9.811/2(45.729.0)0.25(386.96335.2)=2287.77(kN) 力臂=2/3(45.729.0)45.51/2=1.585(m) 力矩=-2287.771.585=3626.12(kNm) U4=9.811/29.0(10.15)(386.96-335.2)=1691.86(kN) 力臂=45.72/21/39.0=19.55(m) 力矩=-1691.8619.55=33422.69(kNm)4泥沙压力 PSH=1/29.5（345-327）（345-327）tan2(4512/2)=1009.20(kN) 力臂=1/318=6(m) 力矩

11、=-1009.206=-6055.20(kNm) PSV=1/29.518180.2=307.8(kN) 力臂=45.51/2180.21/3=21.555(m) 力矩=307.821.555=6634.629(kNm)荷载标准值（kN)力臂(m)力矩标准值（kNm）垂直荷载水平荷载自重W1 960 （）20.1919382W210013（）15.36153796W320416（）0.15306241静水压力水平水压力PH117248()19.77-341001PH2330 ()2.73900垂直水压力Pv11542（）20.75532007PV2392 （）21.428405Pv3231 （

12、）20.842-4812泥沙压力PSH1009()6-6055PSV308（）21.566635扬压力浮托力U1 3661()0.00渗透压力U2 1128()18.255-20590U32288()1.585-3626U41692()19.755-33423总计W=25093（）P=17942()M=-185314 表2-3 校核洪水位情况下荷载计算成果2.3 抗滑稳定分析 重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。=1.0 =1.0 f=0.9 c

13、=700kPa校核洪水位情况 W=( PV1 + PV2 + PV3)+(W1+W2+W3)-（U1 + U2 + U3）- PSV=25093（） P= PH1-PH2+PSH=17942()基本组合： 由以上计算可知，在设计和校核洪水情况下坝基面均满足抗滑稳定极限状态要求。2.4 应力分析一、 分析目的应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。二、 分析的方法 应力分析的方法有理论理论计算和模型试验两类。设计时一般使用理论计算的方法，理论的计算方法有材料力学法、和的方法。三、 材料力学法 校核洪水位情况 W=( PV1 + PV2 + P

14、V3)+(W1+W2+W3)-（U1 + U2 + U3）-PSV =25093（） P=17942() M=M=W1+W2-W3+PV1+PV2+PV3-U1-U2-U3U4 =-185314基本组合对于坝踵处： 对于坝趾处: 由以上计算可知：设计洪水位和校核洪水位情况下，坝址和坝踵应力符合强度要求。第三章 溢流坝设计3.1 孔口设计一、 泄水方式的选择： 为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。二、 洪水标准的确定。本次设计的重力坝是3级建筑物，根据相关规范可知：采用50年一遇的洪水标准，500年一遇的洪水标准校核。三、 流量的确定。设计情况下溢流坝下泄流量为1250；校核情况下溢流坝

15、下泄流量为1696。四、 单宽流量的选择。坝基处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的防冲要求，单宽流量取50100/s。五、 孔口净宽似定。分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如表3-1所示：计算情况流量Q（/s）单宽流量（/s）孔口净宽B（m）设计情况1250501002512.5校核情况16965010033.9216.96表3-1 孔口净宽计算根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，假设每孔净宽为8m，则孔数n为3。六、 溢流坝段总长度的确定。根据工程经验，似定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为3m，边墩厚为2m则溢流坝段的总长度为：七、 坝顶高程的确定。根据公式: 初拟侧收

16、缩系数=0.95流量系数.设计情况：堰顶高程=385.4-8.5=376.9（m）校核情况：堰顶高程=386.96-10.4=376.56（m）计算情况流量Q（/s）侧收缩系数流量系数孔口净宽（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）设计情况12500.950.502248.5376.90校核情况16960.950.5022410.4376.56表3-2 堰顶高程计算 根据以上计算，取堰顶高程为376.56m。八、 闸门高度的确定。计算如下：门高=正常水位-堰顶高程+（0.10.2）=383.96-376.56+0.1=7.5（m）按规范取门高为8m。九、 定型设计水头的确定。堰上最大水头，=校核洪水

17、位-堰顶高程，即： =386.96-376.56=10.4（m）定型设计水头为：=（75%95%）=7.809.88（m）取=8.8m，8.8/10.4=0.85，查表知坝面最大负压为：0.3=2.64m，小于规定的允许值（最大不超过36m水柱）。十、 泄流能力的校核。先由水力学公式计算侧收缩系数，然后计算不同水头作用下的流量系数，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。 由规范可得：闸墩用半圆形 确定侧收缩系数：确定流量系数m:综上可知：设计的孔口符合要求。表3-3泄流能力校核计算计算情况侧收缩系数流量系数孔口净宽（m）堰上水头（m）流量Q设计情况0.9080.500248.5119

18、6.04.32%校核情况0.8910.5122410.41556.74.50%3.2 溢流坝剖面设计溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程采用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形，一般其上游面为铅直，溢流面由顶部的曲线，中间的直线，底部的反弧段三部分组成。一、 上游堰面曲线，原点上又采用椭圆曲线，其方程为： 根据计算 则椭圆方程为：二、 WES曲线设计 其方程为： 则：直线段与WES曲线相切时，切点C的横坐标为: 三、 反弧半径的确定根据工程经验 挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2）12,鼻坎的高程为335.2+1=336.2

19、（）。 流能比 坝面流速系数 取R为10。 反弧段的圆心求法：先画一条平行于坝下游面且相距圆弧半径R的直线，再画一条与坝顶点相距为的水平线，两线交点即为圆心。3.3 消能防冲设计根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射角=25，挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2）12,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（）。一、 反弧半径的确定 坎顶水流流速v按下式确定: 取R为10。二、 水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度估算挑距计算： 冲坑深度计算： 由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。另外，为了避免小流量时产生贴面流，掏刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。

20、第四章 重力坝主要构造4.1 坝顶构造一、 非溢流坝。坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽0.75m人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为7m，下游设置栏杆及路灯。细部构造图略。二、 溢流坝。溢流坝上部设有闸墩、闸门、门机、交通桥等结构和设备。 闸门的布置：工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面形成负压。采用平面钢闸门，门的尺寸：高宽=

21、8m8m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的间距为2m。 闸墩：闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，即386.96m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝坝顶高程。中墩的厚度为3m，边墩的厚度为2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。 导水墙：边墩向下游延伸成导水墙。其长度延伸到挑流鼻坎的末端；高度经计算得3.5m。导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取0.5m。细部构造图略。4.2 分缝与止水一、 横缝。垂直于坝轴线布置，缝距为15m，缝宽为2cm，内有止水

22、。二、 止水。设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1.0m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。三、 纵缝。纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面正交，缝距为15m。四、 水平缝。混凝土浇筑块厚度为4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥浆。4.3 廊道系统一、 基础廊道。位置：廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面7m;形状：城门

23、洞形，底宽3m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于。一、 坝体廊道。自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设两层。底部高程分别为352m、372m，形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面3m，底宽1.5m，高2.5m，左右岸各有一个出口。4.4 坝体防渗与排水一、 坝体防渗。在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用一层厚2m具有防渗性能的混凝土作为坝体的防渗设施。二、 坝体排水。距离坝的上游面3m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为15cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝

24、土管。4.5 坝基的防渗与排水由于坝趾处河床上有23m的覆盖层，有12m的风化层，地基开挖时应把覆盖层和严重的风化层全部挖除，坝底面的最底高程为327.0m，顺水流方向挖成锯齿状，并在上下游坝面开挖一个浅齿墙。沿坝轴线方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的宽度为至少1/3坝段长，相邻两级平台的高差不超过10m。注意根据横缝的布置、开挖的深度调整平台的宽度和高程。一、 坝基的防渗处理。在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕。防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料，其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。帷幕的深度取1030m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向垂直，孔距取2m，设置一排。二、 坝基排水。坝基的排水孔幕布置在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为，孔距取3m，孔径为130mm，孔深为1015m，沿坝轴线方向设置一排。-第 14 页-