水工建筑物课程设计计划书

1 水工建筑物课程设计计划书 第 1 章 重力坝课程设计任务书 课程设计包括重力坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。 学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成重力坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。 培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。 提高查阅和应用参考文献和资料的能力。 1、确定工程等级； 2、在已知设计洪水位、设计泄洪流量和校核泄洪流量的前提下，确定堰顶高程，计算校核洪水位和坝顶高程； 3、非溢流坝基本剖面的拟定； 4、溢流坝剖面及消能方式的拟定； 5、非溢流坝实用剖面的设计和静力计算； （ 1）非溢流坝实用剖面设计 （ 2）确定正常和非常情况的荷载组合及荷载计算； （ 3）对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算，校核安全性； （ 4）对以上两种情况的坝底面的边缘应力计算，校核其强度。若不满足稳定和强度要求，原则上要修正剖面重新计算。 6、消能设计； （ 1）选择孔口尺寸和闸墩 型式及尺寸； 2 （ 2）选择消能方式，确定消能结构的各部分尺寸（反弧半径、鼻坎高程、挑射角度等） （ 3）计算挑距和冲坑深度。 7、细部构造的选择和设计：参照规范和教材，选择： 3 （ 1）坝基的连接、灌浆和排水； （ 2）坝身廊道和排水； （ 3）横缝构造及止水； （ 4）坝顶布置等。 1、设计说明书一份 设计说明书是课程设计的主要成果，要表达设计者的设计思想、方法和分析计算能力。其要求是： （ 1）设计主要成果的说明； （ 2）对设计参数、理论依据的说明；采用的常用公式可直接列出，计算过程要表格化； （ 3）章节分明、简明扼要、文理通顺、字迹工整，既有计算成果又有分析论证和明确结论；必须附目录页和基本资料，图纸统一附在设计说明书后； （ 4）计算过程表格和插图应编号，插图按比例绘制于方格纸上。 2、绘图： 图纸：（ 1）非溢流坝和溢流坝剖面图（ 制）；（ 2）枢纽平面布置图；（ 3）其他细部构造图选做 1 2个（ 要求：制图准确，布局合理，主次分明，比例得当，尺寸全，采用 3 号图纸。 1、课程设计在老师的指导下，由我们独立进行的，在设计过程中要培养我们的独立思考能力； 2、在我们与老师 研究问题时，我们应在充分钻研的基础上，事先提出自己的看法和意见，不能请老师代做。不能编造数据和抄袭，老师在回答问题时只能提出启发性的意见、解决问题的途径和工作方法、介绍文献或提出建议等。 3、为保证按时完成设计任务，我们应了解各阶段的设计内容和比重，结合自己的实际情况，参考建议的时间安排，做出控制性的安排。 1、熟悉资料及布置 4 2、设计任务的 1 4项 3、非溢流坝的剖面设计和静力校核 3天 4、消能 设计 5、细部构造选择设计 6、绘图及成果整理 2天 7、答辩 1天 8、合计 10天 9、 17周末完成答辩。 1、水工建筑物教材，沈长松主编； 2、水工建筑物，祁庆和主编； 2、水力学，吴持恭主编； 3、混凝土重力坝设计规范 2 章 设计基本资料 某水利枢纽以防洪为主兼有灌溉、发电等效益的综合利用工程，该工程的坝型为混凝土重力坝。 根据课程设计的内容，该工程的工程参数和基本资料提供如下： 1、地形资料：见地形图，虚线为新鲜岩面的等高线； 2、坝址处水位流量关 系曲线 坝底高程（ m） 正常蓄水位（ m） 设计洪水位（ m） 发电死水位（ m） 工程效益 防洪 灌溉面积（万亩） 装机（万 130 229 233 183 保证下游两水库的抗洪保坝安全 34 4 5 流量（ m3/s） 40 120 200 600 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 水位（ m） 、 水库库容关系曲线 高程（ m） 135 145 155 165 175 185 195 205 215 225 235 245 容积 （ 106 54 、设计洪水 由实测及历史洪水调查资料，经频率计算分析推得：多年平均流量 Q1350m3/s， 频率曲线为： P（） 2 5 10 50 m3/s） 10730 7310 5920 4160 2920 1850 对应 P 10730 m3/s，由调洪演算求得相应的设计洪水下泄流量Q 设 4378m3/s， P 12000 m3/s，经调 洪演算求得相应的下泄流量 5400 m3/s。 5、气温与风速、风向 月 份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 最低气温（C） 4 0 12 大风速（ m/s） 10 15 12 13 10 9 11 10 8 8 10 9 风 向 按基本垂直坝轴线考虑 吹程（ 10 6、泥沙淤积：库区植被茂密可以不考虑泥沙淤积； 7、地震按 5级烈度计算； 8、坝址地质：岩性为花岗岩，强度高，两岸节理、裂隙发育。单位吸水率 6 W分米的相对不透水层的深度为 20m。 岩石的物理力学性质指标为： 岩性 容重(KN/吸水率(%) 抗压强度（ 抗剪强度（ 砼与基岩的摩擦系数 砼与基岩的粘结力 花岗岩 112 第 3 章：枢纽布置 本设计中，根据水库库容关系曲线，查曲线图得：设计洪水位为 233库库容约为 3m ，查水工建筑物教材表 1 1可知，工程规模为大（ 2）型，工程等别为二等。 因此查水工建筑物教材表 1 3 可知：主要建筑物为 2 级，次要建筑物为 3级。 设计流量 Q=4378m3/s，假定单宽流量 q=100 3m /s m，则： 定m 假设每孔尺寸宽约 7m，共需 7孔，则： 定， / 3定设定q=100 3m /s m 所以闸孔总净宽 B=49m，满足要求。 又由堰流公式： 2302 7 ， m=,将4378 3设，5400 3较代入上式，则可求得： 设设， 较较堰顶高程 h 较堰顶较m 计算风速据所给资料取1m/s，风区长度 D=10用官厅水库公式计算 ,波高和波长： 200 12/1020 020 22%1式中： h 波高， m； 平均波长， m； 0v 计算风速， m/s； D 吹程 ， m； H 水深， m； %1h 累计频率 1%的波高。 经计算得：z 1 。 确定坝顶超高值 cz += 001(3 7) h 防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差， m； 累计频率为 1%时的波浪高度， m； z 波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差， m； 8 安全加高，按表 4 5采用坝的安全加高 表 4 运用情况 坝的级别 1 2 3 设计情况（基本情况） 核情况（特殊情况） 表 4 5得：设计洪水位时安全超高校核洪水位时 则： h 设 = h 校 =顶高程的计算公式 坝顶 =H 设 + h 设 =233+ 坝顶 =H 校 + h 校 = 坝顶高程计算表 %1h(m) zh(m) ch(m) H(m) 按设计洪水位计算坝顶高程（ m） 校核洪水位计算坝顶高程（ m） 了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为 型 坝高 H=坝高 H=106m。 重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。故采用混凝土重力坝较为合理。 9 第 4 章：非溢流坝段设计 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要求，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，上游坝坡坡度 n=0 做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡度m=宽约为坝高的 。 根据混凝土重力坝设计规范中的规定，初步拟定重力坝的尺寸如下： 坝体的基本尺寸 坝高 H=106m。设上游面为铅直面，下游面倾角 1:底宽106 。设置廊道，排水孔。 a、廊道的尺寸 廊道的断面尺寸，应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定，一般宽为 3m，高为 3 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 状采用城门洞型。廊道的上游壁到上游坝面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面 作用水头、且不小于 4 5m，本次设计取 9m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于 廊道宽度，取 5m。 b、排水孔的尺寸 根据规范坝体上游面防渗层下游应设置铅直的排水管系。排水 管下部应通至纵向排水廊道，上部应通至上层廊道或坝顶，以便于检修。管距可为 径 15 25以取内径取为 20 c、坝顶宽的尺寸的确定 坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。 非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的 8% 10%取值，且不小于 3m ，并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的 10%计算，即为 ，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。 10 1:位： ）根据坝址处水位流量关系曲线图，可知4378 3设时，下游水深122 ；s/5400 3较时，下游水位为 113m,则下游水深01031132 不同情况下上下游水深及水位差 特征水位 上游水深1 设计洪水位 103 核洪水位 0 荷载计算及其组合 11 由于地震按 5级烈度计算，因此可不考虑地震作 用力。资料中缺少正常蓄水位，因此也不需要考虑正常蓄水位时的荷载组合。 荷载组合 荷载组合 主要考虑情况 自重 静水压力 扬压力 泥沙压力 浪压力 地震荷载 动水压力 基本组合 设计洪水位情况 特殊组合 校核洪水位情况 注：表中的“ ”表示应考虑的荷载。 水坝体自重及水压力计算简图 12 （注：排水孔中心线与廊道中心线重合）扬压力分布图1、基本组合 （设计洪水位） 031 ；H 表 3 荷载及力矩计算表 序号 荷载名称 计算式 荷载 (每 力臂(m) 力矩 (m) 水平( 垂直( + - 1 自重 AW c 11 78698 c 55537 2 水压力 11 211784614 13 222 21 HP w355 AW w13817 3 扬压力 2 229951 AP 3 60742 5 浪压力 %14719 M 、特殊组合（校核洪水位） 341 ,02 表 3 荷载及力矩计算表 序号 荷载名称 计算式 荷载 (每 力臂(m) 力矩 (m) 水平( 垂直( + - 1 自重 AW c 11 78698 AW c 22 55537 2 水压HP w 211 21188550 14 力 222 21 HP w632 AW w15315 3 扬压力 233145 3 61586 5 浪压力 %14 732 M 坝基抗滑稳定计算 根据所给资料混凝土与基岩的摩擦系数是 混凝 土与基岩的粘结力是 0。因此应用抗剪强度公式计算，在滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。 由于所给资料有限，所以认为滑动面是水平的，其抗滑稳定安全系数 K 按抗滑稳定计算的抗滑稳定系数； f 坝体混凝土与坝基接触面的抗滑摩擦系数； 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， P 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值， 按上式抗滑稳定公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数 坝基面抗滑稳定安全系数 K 15 荷载组合 坝的级别 1 2 3 基本组合 殊组合 1 1 2 1 1 1 1按设计洪水位计算时，8 6 基满足抗滑稳定要求。 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岩体容许压应力 112 （ 1）按设计洪水位计算边缘应力 上游面垂直正应力 T 654 253(66 22 式中： T 坝体计算截面上游、下游方向的宽度； W 计算截面全部垂直力之和（包括扬压力，下同），以向下为正。计算时切取单位长度坝体（下同）； M 计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游产生压应力者为正。 下游面垂直正应力： T 654 253(66 22 上游面剪应力： 16 0)( 1 式中： n 上游坝坡； 1P 计算截面在上游坝面所承受的水压力强度； 计算截面在上游坝面处的扬压力强度。 下游面剪应力： 式中： m 下游坝坡； 2P 计算截面在下游坝面所承受的水压力强度； 计算截面在下游坝面处的扬压力强度。 上游面水平正应力： 0)()( 211 下游面水平正应力： )( 2222 上游面主应力： 1()()1( 21221 012 P下游面主应力： ()1( 22221 022 P当无泥沙压力和地震动水压力时， 1P、 2即为作用在坝面上的静水压力强度，且即等于述公式中的（）和（）均为零。 （ 2）按校核洪水位计算边缘应力 上游： 17 垂直正应力；剪应力；水平正应力；主应力0,1 。 下游： 垂直正应力；剪应力d ；水平正应力 ；主应力02 d. 应力计算结果 (单位：计算情况 坝堹处 坝趾处 u 1u 2u d 1d 2d 基本组合（设计洪水位） 0 特殊组合（校核洪水位） 0 第 5 章：溢流坝段设计 水方式选择 溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺的通过坝面，避免产生震动和空蚀；使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。重力坝的泄水主要方式有坝顶溢流式和大孔口溢流式，坝顶溢流式的堰有较强的泄流 能力，且有利于排除冰凌和其他漂浮物，还便于设计和施工 ,同时这种形式的堰在在重力坝枢纽中应用广泛，有很多的工程实例。故本设计采用坝顶溢流。 18 1、溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求： 流能力大； 产生不利的负压和空蚀破坏； 价低，便于施工。 2、本设计的溢流坝采用 上游面铅直，溢流坝面由顶部曲线、中间直线、下部反弧段三部分组成。其主要优点如下： （ 1） 流量系数较大； （ 2） 剖面较瘦，从而节省工程量； （ 3） 以设 计水头运行时堰面无负压； （ 4） 堰面曲线以连续方程给出，便于设计施工。 3、设计定型水头的确定： 堰顶最大水头核洪水位 设计定型水头d(2，H d。 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 线。本工程选用 线。 首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。 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弧型曲线。堰顶 1 22 3 19 坝顶上游曲线段 坝面溢流堰顶下游堰面采用 曲线 ,可按下式计算： 1kH y 式中： 堰面曲线设计定型水头 , m，可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头5% 95%计算。 x、 y 原点下游堰面曲线横、纵坐标 K 当 1P/d ,k 值见下表 ,当 1P/ ,取 k n 与上游堰坡有关的指数 ,见下表； 堰面曲线参数 上游面为铅直面由上表可查的 n=k=原点下游堰面曲线方程 20 为 : 1 ( 1 1 )2 .0 y 按上式计算的坐标值入下表所示： 计算 游曲面坐标值表 X 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 y 0 游堰面曲线 2中间直线段 中间直线 段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取 1： 径 R 溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。本次设计选 挑流消能。 21 对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径： R=(4 10)h 式中： R 反弧段半径； h 为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深， m；反弧段流速 v 16m/s 时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值，以致取上 限。 02 ( ) h 上式为迭代公式，迭代初值取 h=0。 q 单宽流量，本次设计取 ； 0E 上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游水位齐平。 0E = =始令 h=0， h， 又由16/3 ，故取，取挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加。一般在 25 35之间，在此取 030 挑坎应高出下游水位，一般以 1 2m 为宜。计算时按设计洪水位情况考虑。取挑坎最低高 程等于下游水位，挑坎最高点与最低点间距离为 R(1。故挑坎高度 22 溢流坝剖面图 从图上可看出，挡水坝段与溢流坝段剖面基本吻合。 23 能防冲设计 水工建筑物及混凝土重力坝设计规范可知消能的设计原则是： 及水流与空气的摩擦上； 影响枢纽中其它建筑物的正常运转； 作可靠，工程量小。 分析比较各种消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况，决定选用挑流消能。 设计选用连续式鼻坎； ； =21m； 设 计挑射角取 =30； 的估算 根据规范，水舌挑距 2 2 21 1 1 1 21 s i n c o s c o s s i n 2 ( )L v v v g h 24 上游水位下游水位L 水舌抛距， m，如有水流向心集中影响者，则抛距还应乘以 折减系数； 1v 坎顶水面流速， m/s，按鼻坎处平均流速 1v = = 0 鼻坎的挑角，（）； 1h 坎顶垂直方向水深， m，1 (m)； 2h 坎顶至河床面高差， m，如冲坑已经形成，可算至坑底； 堰面流速系数。 可按下式计算：3 0 0 5 51 按校核洪水位计算：5 1 8 0220002 根据规范，最大冲坑水垫厚度可按下式计算： 式中： 水垫厚度，自水面算至坑底， m； q 单宽流量，3m/（ s m）； H 上下游水位差， H= k 冲 刷系数，其数值见下表 本次设计取 k =则可计算得： mt k 第 6章 细部构造设计 26 为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。 帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土亚种提高灌浆压力，保证灌浆质量。 为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔 15 20面形式多采用城门洞形，最小宽度为 小高度为 上游面的距离应不少于 水头，且不小于 3m,寒冷地区应适当加厚。 各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通，如坝体内设有电梯井，则各层廊道均应与电梯井相通。排水廊道断面尺寸统一拟定为3m 门洞形。 混凝土重力坝为防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产 生不均匀沉陷而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控