大工15春《水工建筑物课程设计》大作业答案.docx
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1、网络教育学院水工建筑物课程设计题目:混凝土重力坝设计学习中心:黑龙江专业:水利水电工程年级:2023 年春季学号:学生:狄建国指导教师:1.1 气候特征1 工程根本资料10依据当地气象局 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:掩盖层 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:岩面较平坦。
2、冲积沙砾层厚约 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,抗冲力量强。(3) 右岸:掩盖层 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 自然建筑材料粘土料、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 m3,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
3、体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。状况坝底高程(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计状况313184.9校核状况84.982.5084.7245.5046.450010.810.8表一本设计仅分析根本组合(2)及特别组合(1)两种状况:根本组合(2)为设计洪水位状况,其荷载组合为:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。特别组合(1)为校核洪水位状况,其荷载组合为:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。1.3 大坝设计概况1.3.1 工程等级本水库死库容 0.3 亿 m3,最大库容未知,估算约为 5 亿 m3 左右。依据现行水电枢纽工程等级划分及设计安全标
4、准DL5180-2023,按水库总库容确定本工程等别为等,工程规模为大2型水库。枢纽主要建筑物挡水、泄水、引水系统进水口建筑物为 2 级建筑物,施工导流建筑物为 3 级建筑物。1.3.2 坝型确定坝型选择与地形、地质、建筑材料和施工条件等因素有关。确定本水库大坝为混凝土重力坝。1.3.3 根本剖面的拟定重力坝承受的主要荷载是水压和自重,掌握剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。由于作用于上游面的水压力呈三角形分部,所以重力坝的根本剖面是三角形,依据供给的资料,确定坝底宽度为 43.29m约为坝高的 0.8 倍,下游边坡 m=0.8,上游面为铅直。2.1 坝高计算2 设计及计算内容据大坝特性表资料
5、,坝高 H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。2.2 挡水坝段剖面设计2.2.1 坝顶构造设计坝顶宽度取 8%10%坝高,且不小于 3m, 设计坝顶宽度取 4.80m。坝顶上游设置防浪墙,墙身承受与坝体连成整体的钢筋混凝土构造,高度取1.35m(按设计洪水位计算),宽度取 0.50m, 坝顶下游侧设拦杆。2.2.2 坝底宽度计算依据大坝特性表资料,坝底宽度 T=84.90-31.000.8=43.12m。2.2.3 坝体检查排水廊道、排水管幕设计为了便于检查、观测和排解坝体渗水,在坝体高程 65.00 处设一检查兼作排水用的廊道,廊道断面承受城门洞形,宽度取 1
6、.5m,高度取 2.5m,其上游侧至上游坝面的距离取 0.050.07 倍作用水头,且不小于 3m,设计取 4.00m。为了减小坝体的渗透压力,靠近上游坝面设置排水管幕,排水管幕至上游坝面的距离取 1/151/25 倍作用水头,且不小于2m,设计取3.00m,间距取2.50m, 管径取 200mm,排水管幕做成铅直,与纵向排水检修廊道相通,渗入排水管的水可集合到下层纵向廊道,排水管幕上端通至坝顶。2.2.4 坝基灌浆排水廊道设计坝基灌浆排水设置在上游坝踵处,廊道上游侧距上游坝面的距离取 0.050.1 倍作用水头,且不小于 45m,设计取 4.0m,廊道断面承受城门洞形,宽度取 3.00m,高
7、度取 3.50m,廊道上游侧设排水沟,下游侧设排水孔及扬压力观测孔,廊道底面距离基岩面不小于 1.5 倍廊道宽度,设计取 4.00m。为削减坝基渗漏,防止较大渗流对坝基产生渗透破坏,减小坝基底面的防渗扬压力,提高坝体的抗滑稳定性,在廊道上游侧布置一排帷幕灌浆,帷幕灌浆深度取 0.050.07 倍作用水头,帷幕灌浆深度设计取 20.00m。灌浆帷幕中心线距上游坝面 4.50m。帷幕灌浆必需在浇筑肯定厚度的坝体混凝土后进展,灌浆压力表层不宜小于 1.01.5 倍坝前静水头,取 60m*10KN/m3=600KPa;在孔低不宜小于 23 倍坝前静水头,取 130m*10KN/m3=1300KPa。为
8、了充分降低坝底扬压力和排解基岩渗水,在廊道下游侧布置一排排水孔幕,排水孔深度为帷幕灌浆深度的 0.40.6 倍,且坝高 50m 以上的深度不小于 10m, 排水孔深度设计取 10.00m,孔距取 2.50m,孔径取 200mm,排水孔略向下游倾斜, 与帷幕灌浆成 10交角。排水孔中心线距帷幕中心线 2.00m。2.2.5 地基处理基岩开挖的边坡必需保持稳定,两岸岸坡尽量开挖成有足够宽度的台阶状, 以确保坝体的侧向稳定。对于靠近坝基面的缓倾角脆弱夹层,埋藏不深的溶洞、溶浊面应尽量挖除。开挖至距利用岩面 0.51.0m 时,应承受手风钻钻孔,小药量爆破,以免产生裂隙或增大裂隙。遇到易风化的页岩、黏
9、土岩时,应留 0.20.3m 的保护层,待浇筑混凝土前再挖除。坝基应清到比较坚硬完整的完整的岩面,基面平坦、水平即可,地基开挖后,在浇筑混凝土前,必需彻底清理、冲洗和修凿, 风化、松动、脆弱裂开的岩块都要去除干净,突出的尖角要打掉,光滑的岩面要凿毛,并用水冲洗干净,基岩外表不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物,排解基岩面上全部积水,基坑内原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。2.2.6 坝体材料分区(1) 上、下游最高水位以上坝体表层承受 C 、W 、F厚 3.00m 的混凝土。154(2) 下游水位变化区的坝体表层承受 C 、W 、F100厚 3.00m 的混凝土。158200(3) 上、下
10、游最低水位以下坝体表层承受 C、W 、F厚 3.00m 的混凝土。2010100(4) 坝体靠近根底的底部承受 C、W 、F厚 8.00m 的混凝土,满足强度要求。2010200(5) 坝体内部承受 C 、W 低热混凝土。1022.3 挡水坝段荷载计算本设计荷载仅分析根本组合(2)及特别组合(1)两种状况。2.3.1 荷载根本组合(2)为设计洪水位状况,其荷载组合为:自重+静水压力+扬压 力+泥沙压力+浪压力。4.8Pw78.90W11H1:0P2死水位51.00W2.8设计 45.50QPS1P2HS3P231.00PS243.126.50U1rHU3U2HrwaU4wHrw设计洪水位坝体尺
11、寸与荷载m(1) 自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算,混凝土容重承受24KN/m3,因廊道尺寸较小,计算自重时不考虑。(2) 静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。12(3) 扬压力。坝踵处的扬压力强度为 H ,排水孔线上为 H +a H,坝址处为 H ,其间均以直线连接,扬压力折减系数a =0.25。 2(4) 泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位 51m,大坝迎水面前泥沙的淤积高度hs=51.0-31.0=20.0m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布,泥沙干重度sd 取 13.5KN/m3,孔隙率 n 取 0.42,内摩擦角s 取 1
12、8,泥沙的浮重度sb=sd-(1-n) =13.5-(1-0.42) 10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式 Psk=1/2sbhs2tan245-s/2。坝址处河床岩面高程约在 38m 左右,大坝背水面前泥沙的淤积高度 hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力,其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5) 浪压力。计算风速取重现期为50 年的年最大风速23m/s,风区长度取2600m,0按鹤地水库试验公式 gh2%/v2=0.00625v(1/6)(gD/v2)(1/3)和 gL/v 2=0.0386(gD/v2)(1/
13、2)00m00计算得累积频率为 2%的波高 h2%=2.07m,平均波长 Lm=14.45m,经查表求得h1%=2.25m。cr使波浪裂开的临界水 H =Lm/(4)ln(Lm+2h1%)/(Lm-2h1%)=5.19m。m由于坝前水深 H=82.50-31.00=51.50m,HH 和 HL /2,发生深水波,单位cr长度大坝迎水面上的浪压力值按公式 Pwk=1/4 Lm(h1%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度 hz=h1%2/Lmcth(H/Lm)=1.10m。防浪墙顶高程为:82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。上述荷载计算见计算表
14、。垂直力(kN) 水平力(kN)力矩(kN.m)荷 载计 算式对坝底截面形心力臂(m)+-W自重14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W21/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884P11/2*51.52*10132611/3*51.5=17.17227691水压力P21/2*14.52*1010511/3*14.5=4.835076Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877u114.5*43.12*106252000u1/2*36.62*0.25*37
15、*101694扬压力22/3*36.62-21.56=2.854828u30.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004u41/2(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423泥沙压力Ps21/2*7.7*72* tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*10*14.45*14.45/2+1.1+2.25-1/8*10*14.45
16、238226151.5-14.45/2+14.45/2+1.1+2.25/3=47.80 51.5-2/3*14.45=41.871826010928944929227144561412223085302546合计197781304479461重 力 坝 基 本 荷 载 组 合 计 算 表2.3.2 荷载特别组合(1)为校核洪水位状况,其荷载组合为:自重+静水压力+扬压 力+泥沙压力+浪压力。4.8校核84.72Pw78.901H1:P20.8死水位51.00W2校核46.45Q2PHS1PS3P231.00PS243.126.50U1rHwrHHwrwU3U2U4a校核洪水位坝体尺寸与荷载m
17、(1) 自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算,混凝土容重承受24KN/m3,因廊道尺寸较小,计算自重时不考虑。(2) 静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为H1,排水孔线上为H2+a H,坝址处为H2,其间均以直线连接,扬压力折减系数a =0.25。(4) 泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位 51m,大坝迎水面前泥沙的淤积高度 hs=51.00-31.00=20.00m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布,泥沙干重度sd 取 13.5KN/m3,孔隙率 n 取 0.42,内摩擦角s 取 18,泥沙的浮重度s
18、b=sd-(1-n) =13.5-(1-0.42) 10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式 Psk=1/2sbhs2tan245-s/2。坝址处河床岩面高程约在 38m 左右,大坝背水面前泥沙的淤积高度 hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力,其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5) 浪压力。计算风速取多年平均最大风速 14m/s,风区长度取 3000m,按鹤地0水库试验公式 gh2%/v2=0.00625v(1/6)(gD/v2)(1/3)和 gL/v 2=0.0386(gD/v2)(1/2)计算得cr00m00累
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