大工水工建筑物课程设计.pdf

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1、网络教育学院水工建筑物课程设计题 目：非溢流段混凝土重力坝设计学习中心：安徽*奥鹏学习中心专业：水利水电工程年级：2012 年 春 季学 号：学 生：指导教师：水工建筑物课程设计基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年 的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位2.6 km，校核洪水位3.0 km。最大冻土深度为1.25m。河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。1.2 工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件(1)左岸：覆盖层23m，全风化带厚35m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。(2)河床：岩面较平整。冲积沙砾层

2、厚约01.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚36m。坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风 化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。(3)右岸：覆盖层35m，全风化带厚57m，强风化带厚13m，弱风化 带厚13m，微风化厚14m。1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游23km均可开采，储量足，质量好。粘 土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足砼重力坝要求。1.2.3水库水位及规模死水位：初步确定死库容0.30亿m，死水位51m。正常蓄水位：80.0m。注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬 压力。表状况坝底高

3、程(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率3设计情况3184.982.5045.50010.81/24校核情况3184.984.7246.45010.8本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙 压力+浪压力。2/242设计及计算内容2.1 坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。2.2 挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。2.3

4、 挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。2.4 挡水坝段建基面抗滑稳定计算按照所给基本资料进行挡水坝段建基面抗滑稳定计算，详细写明计算过程和 最终结果。2.5 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核按照所给基本资料进行挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核，详细写明 计算过程和最终结果。3/242设计及计算内容2.1 确定工程等级33水库死库容 0.30 亿m，属于中型，永久性水工建筑物中的主要建筑物为 3 级，次要建筑 物和临时建筑物为 4 级。2.2 确定坝顶高程（1）超高值 h 的计算 h=h1%+hz+hc h防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高

5、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 2 1 采用面按官厅公式计算 h1%，hz。表 2-1坝的安全加高 hc坝的级别运用情况1设计情况（基本情况）校核情况（特殊情况）0.720.530.40.30.50.4内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于V020m/s 及 D 20km）3ghv112200.0076v0201gDv13.75gLvm200.331v2hl2.15020gDvhz2HLcthL式中：D吹程，km，按回水长度计。Lm波长，mhz壅高，m4/24V0 计算风速h当2 20:250时，为累

6、积频率 5%的波高 h5%;当2 250:1000时，v0v0gDgD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 2-2 进行换算表 2-2累积频率为 P（%）的波高与平均波高的比值超高值 h 的计算的基本数据设计洪水位校核洪水位吹程 D（m）风速2600210.43000140.3v0（m）安全加高hc（m）设计洪水位时，采用重现期为 50 年的最大风速，本次设计v021m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计v014m/s。a.设计洪水位时 h 计算：波浪三要素计算如下：

7、9.81h波高：20.0076h=1.03m9.8 1Lm波长：2 12212121129.81 26002210.331Lm=10.65m1212.159.81 26003.752215/24h2壅高：hzLmgD9.81 2600057.84故按累计频率为50计算22210v1.033.1210.645，0.31mhm1.030，由表 B.6.3-1Hm53.9故查表换算h101.24 h501.24 1.03 1.28mhc 0.4mhh1%hzhc1.28 0.31 0.41.99mb.校核洪水位时h 计算：波高：2h=0.65m9.8 1Lm波长：1 42Lm=7.37m2hh9.8

8、1 h140.00769.8114122300014113.7519.810.33142.1523000141壅hz0.6 52m高：7.3 7gD9.81 30000150.15，故按频率为50计算2214v0hm0.650,由由表 B.6.3-1 查表换Hm53.9算故1.24 0.65 0.81mh1001.24 h500L3.140.18mhc 0.3mhh1%hzhc6/240.81 0.18 0.31.29m(2)坝顶高程：a.设计洪水位的坝顶高程：设计洪水位82.51.9984.49mb.校核洪水位的坝顶高程：校校核洪水位h校84.72 1.2986.01m为了保证大坝的安全，选

9、取较大值，所以选取坝顶高程为 86.01m2.3 挡水坝段剖面设计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 1:0.8，折点设在高程为 77.22m。坝底高程顶84.9ma.坝高为：86.01-31=55.01mb.坝顶宽度：坝顶宽度取坝高的100即为5.5m，考虑到坝顶机械设0备作业，取6m。c.坝底宽度：BB 0.8底0.8(84.72-31)42.98m取43md.基础灌浆廊道尺寸拟定：校底10.87/24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 2.5高为 3

10、 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 3.5m，形状采用城门洞型。3m，e.廊道的位置：廊道的上游避距离上游面10.5m廊道底部距离坝底面6m初步拟定坝体形状剖面如图：6m8/242.4 挡水坝段荷载计算B 43m,B16m B2 B B1 43 6 37m31.自重：C24KN/m,坝身自重：10KN/m3W VcW16 55.01 24(1/2 3.14 1 1 2 2)24 7787.76KNW2下游水自重：a.设计洪水位时：B30.8H20.8 14.5 11.6m11B2H3 c37 46.22 24 20521.68KN22W311B3H211.6

11、14.5 10 841KN22W W1W2W37787.76 20521.68 84129150.44KN9/24W311B3H212.36 15.45 10 954.81KN22W W1W2W37787.76 20521.68 954.8129264.25KN2.静水压力：不同情况下上下游水深及水位差特征水位设计洪水位校核洪水位上游水深H151.5053.72下游水深H214.5015.45上下游水位差H37.0038.27a.设计洪水位时：Pu wH1w12w1112Pd wH2w22w2211051.5213261.25KN2110 14.521051.25KN2b.校核洪水位时:PuP

12、d3.扬压力：扬压力折减系数1H2110 53.7214429.19KN2w12111015.452 1193.51KNwH2220.252a.设计洪水位U1wH2B10 14.5 43 6235KN0.25 10 37 6 555KN10.25 10 37 37 1711.25KNU231UwHB1122wHB2U42wH1H2H B110 51.5 14.5 0.25 37 6 832.5KN2U U1U2U3U46235 555 1711.25 832.5 9333.75KNb.校核洪水位时：U1wH2B 10 15.45 43 6643.5KN10/U2wHB10.25 1038.27

13、 6 574.05KN1U33211BHH1wHB210U 42w 1 2H1253.72 15.45 0.25 38.27 6 861.08KN0.25 10 38.27 37 1769.99KN2U U1U2U3U46643.5 574.05 1769.99 861.08 9848.62KN4.浪压力：wLmPl4h100Phza.设计洪水位l时：b.校核洪水位时：lP10 10.651.28 0.31 42.33KN410 7.370.81 0.18 18.24KN42.5 挡水坝段建基 面抗滑稳定计算 附表 5-1 结构系数 d11/附表 5-2结构系数 m重力坝的抗滑稳定分析按单一安

14、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Ksf W U c APKs 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数1.13c 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，A 坝基接触面截面积，m2KPa，c 1.1 10 kpa 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；按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数Ks值应不小于下表的规定。荷载组合Ks12/故基本组合（2）Ks=3.0，特殊组合（1）Ks=2.53

15、5.6431.1 29150.44 9333.75 1.1 10 43设计洪水位时：KsKsKs，满足要求42.33 13261.25 1051.25校核洪水位时：31.1 29264.25 9848.62 1.1 103 435.18Ks基本组合（1）（2）3.2.52.3特殊组合Ks Ks，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：10 S g R gd抗滑稳定极限状态作用效应函数为：S g PP,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：R g f W c AW 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。f和

16、的分项系数由附表5可查：cf分项系数为1.3，c分项系数为3.0a.设计洪水位时：作用效应函数：S g P PuPlPd13261.2542.33 1051.2513/12252.33KN坝基面抗剪断系数设计值：f0.791.13坝基面抗剪断黏聚力设计值：c366.67KPa31.1 10抗滑稳定抗力函数：R g f W cA0.79 29150.44 9333.75 366.67 4331422.00KN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1.0；结构重要性参数0 1.0，本组合结构系数d1.2。根据式10 S g R gd0S g 1 1 12252.33 12

17、252.33KN1R131422.0026185.00KN1.212252.33 26185.00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滑稳定要 求。b.校核洪水位时：作用效应函数：S g P Pu Pl Pd14429.19 18.24 1193.5113253.9K2N坝基面抗剪断系数设计值：f0.791.13坝基面抗剪断黏聚力设计值：c1.1 10366.67KPa3抗滑稳定抗力函数：R g f W c A14/0.79 29264.25 9848.62 366.67 4331105.16 KN验算抗滑稳定性：持久状况 基本组合）设计状况系数结构系数1.0；结构

18、重要性参数00.85，本组合d1.2。根据式1 0.85 13253.92 11265.83KN1Rgd1.211265.83 25920.97131105.16 25920.97KN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滑稳定要求。2.6 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核1.用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。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容许压应力10.05MPaa.设计洪水位：采用单一安全系数法：W 6 M2BBW 6 M2B B

19、W作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；M作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；B计算截面的长度，m。15/M 7787.76 18.50 20521.68 3.17 841 17.63 6235 0555 18.50 1711.25 3.17 832.5 19.50 13261.2517.171051.254.83 42.3317.1760970.38 KN gmW6M2BB29150.44 9333.75 6(60970.38)43432263.00KPa 0坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。W6MB229150.44 9333.75

20、 6(60970.38)43 432658.70KPa 10050KPa坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：d 2 d1(1 m)y(1 0.82)658.701080.27KPa 10050KPa小于混凝土的容许压应力，满足要求。b.校核洪水位：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SgW 6 M22 1 m2B B坝趾抗压强度极限状态抗力函数为：R g Ra式中：Ra 为混凝土抗压强度16/偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求M 7787.76 18.50 20521.68

21、 3.17 954.81 17.38 6643.5 0 574.0518.5017/1769.99 4.01 861.0819.50 14429.1917.911193.515.15 18.24 17.9194582.85KNgmW 6 M2B B29264.25 9848.626(94582.85)43243144.61KPa 0坝趾铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。W6M2B B29264.259848.62 6(94582.85)243432758.45KPa 10700KPa坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。计算作用效应函数：W 6 M2Sg2 1 m2B B29264

22、.25 9848.626(94582.85)43 4321243.85KPa验算抗压强度：查附表 4 知：偶然状况（特殊组合）设计状况系数0.85；结构重要性参数抗压基本组合结构系数d 1.8。根据式1 0.85 1243.85 1057.27KPa1R100505583.33KPa1.818/241 0.8201.0；1057.27 5583.33满足强度要求。5583.33KPa19/242.对给定的作用组合情况用抗剪强度指标进行坝基面抗滑稳定极限状态验算，对验算结果进行评价。基本公式:上、下游坝面垂直正应uW6MyBB2dW6My上、下游面剪应力BB2uuP Puuym1ddy yPPu

23、d m2上、下游面水平正应力uu2xP PuuP Puuym1dddd2xdduy上、下游面主应力P PPPum2uu211 m2u1ym1PPuu2P Puudd 2 11 m22ym2PPdud2P Pdu W作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；M作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，B计算截面的长度，m。m1 上游坝坡；m2 下游坝坡；P、P计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应计入在内）；Puu、Pud计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度；a.设计洪水位时：上、下游坝面垂直正应力上游面垂直正应力W6M2BB263.00KP

24、a20/24kN m；下游面垂直正应力658.70KPa上、下游面剪应力:上游面剪应力：u P Puuuy m151.5 10 51.5 10 263.00 00KPa下游面剪应力：ddy P Pdu m2658.70 14.5 10 14.5 10 0.8526.96KPa上、下游面水平正应力上游面水平正应力：uuu2x P PuP Puuy m151.5 10 51.5 1051.5 10 51.5 10 263.000 0KPa下游面水平正应力：ddx P Pduy P Pd2u m2214.5 10 14.5 10658.70 14.5 10 14.5 10 0.82 421.57KP

25、a上、下游面主应力上游面主应2 u 2 u1 m1ym1P Pu221 02 263.00 02 51.5 10 51.5 10263.00KPauP Puu51.5 10 51.5 100KPa下游面主应2 d 2 d力：1 m21 0.82ym2PP2u658.700.82 14.5 10 14.5 10ddPPu1080.27KPa21/2414.5 10 14.5 100KPab.校核洪水位时：上、下游坝面垂直正应力上游面垂直正应力W6M2BB下游面垂直正应力144.61KPaW 6 M2B B758.45KPa上、下游面剪应力:上游面剪应力：uP Puuyu m153.72 10 5

26、3.72 10 144.610KPa下游面剪应力：dd P Pyu m2d758.4515.45 10 15.45 100.8606.76KPa上、下游面水平正应力上游面水平正应力：PuuPuu2m153.72 1053.72 1053.72 1053.72 10 144.61 00KPadd2m2下游面水平正应力：PuP Pu215.45 1015.45 10上下游面主应、力上游面主应力：21 0758.4515.45 1015.45 10 0.8 485.41KPa2m1u2ym1P Puu10 53.72 1020144.61 53.72144.61KPa22/24P Puuu53.72

27、 10 53.72 100KPa23/24下游面主应力：d 21d 2 d1 m2ym2PPu1 0.82 758.45 0.82 15.45 10 15.45 101243.86KPaddd2PPud15.45 10 15.45 100KPa应力计算结果坝堹处计算情况uy坝趾处u1u2uuxdydd xd1d2基本组合(2)特殊组合(1)263.0000263.0000658.70526.96421.571080.2700144.6100表中数据单位都是KPa。144.61758.45606.76485.411243.86由上表应力都小于 10.05Mpa，所以满足要求。表二-1设计洪水位荷

28、载计算表荷载 计算方向荷载垂直力(kN)水平力(kN)力臂(m)力矩(kN.m)+-W17787.7618.53.17144073.56自重W220521.6884165053.7314826.83W3P117.6313261.25水压力17.17227695.665077.54P21051.2542.334.8317.17浪压力PLu1u2726.810扬压力6235018.5055510267.5024/24u3u41711.253.175424.6616233.75214204.83275175.2160970.38832.59333.7529150.4419.5013303.58105

29、1.25119.6412252.33119.64合计19816.69表二-2校核洪水位荷载计算表荷载 计算方向荷载垂直力(kN)水平力(kN)力臂(m)力矩(kN.m)+-W17787.7618.53.17144073.56自重W220521.68954.8165053.7316594.60W3水压力P117.3814429.1917.91258426.796146.58P21193.515.1517.91浪压力PL18.24326.68u1u2u3u46643.50010619.93扬压力574.0518.54.011769.99861.089848.6229264.2514447.4311

30、93.5113253.927097.6616791.06215273.87309856.7294582.8519.5122.03122.03合计19415.63注：建议自重按三角形和矩形分块计算，扬压力折减系数=0.25表三挡水坝段建基面处抗滑稳定安全系数 Ks设计5.64校核5.1825/24a.上游边缘垂直正应力b.下游游边缘垂正常工况下边缘应力直正应力c.上游面剪应力d.下游面剪应力e.上游边缘水平正应力f.下游游边缘水非正常工况下边 缘应力平正应力g.上游边缘主应力h.下游游边缘主263.00KPa658.70KPa0 KPa526.96 KPa0 KPa421.57KPa263.00

31、 KPa0KPa1080.27 KPa 0KPa144.61 KPa758.45 KPa0 KPa606.76KPa0 KPa485.41KPa144.61 KPa 0KPa1243.86KPa0KPa应力2.7总结本人通过本学期水工建筑物课程系统的学习，已经掌握了水工设计的基础知识。本次课 程设计是根据自己所学的知识，参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指 导下完成的。通过这次课程设计，我提高了如下的几方面的能力：综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力；培养了自学能力和科学研究能力，逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新 能力；提高了设计、计算、绘图的能力；培养了严谨的工作作风和正确的设计思想。由于时间仓促，本人水平有限，设计中难免有些不足之处，希望老师批评指正，本人将 不胜感激。26/24