水工建筑物计算书——宁村水库重力坝初步设计.doc

水工建筑物课程设计计算书宁村水库重力坝初步设计班级：水利水电工程？学生： ？ 指导教师：？完成时间：？ ？大学土木建筑工程学院目录一、工程等级的确定3 （一）原理3 （二）计算过程3 二、孔口尺寸拟定及设计洪水位、校核洪水位的确定3 （一）堰顶高程的拟定3 （二）堰顶溢流前沿宽度的拟定3 （三）设计洪水位、校核洪水位的计算4三、挡水坝设计4 （一）坝顶高程的确定4 （二）建基面高程的确定5 （三）坝顶宽度的确定5 （四）上下游坝坡坡率及起坡点位置的确定5 （五）坝体强度稳定承载力极限状态设计6（6） 坝体上游面拉应力的正常使用极限状态设计6（7） 坝体应力分析6四、溢流坝设计6 （一）溢流坝断面设计6 （二）消能防冲设计8 （三）导墙设计9 （四）坝体强度稳定极限状态设计9 （五）坝体正常使用极限状态合计9五、大坝剖面优化和应力稳定分析10六、工程量与开挖量计算10七、附表11 （一）附表一：挡水坝电算方案11 （二）附表二：溢流坝电算方案21宁村水库重力坝初步设计计算书一、工程等级的确定（1） 原理： 拟定泄水建筑物，进行调洪计算，求得校核洪水位，再根据附图1（宁村水库水位库容关系曲线）查得水库总库容，最终根据规范水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000确定工程等级。（2） 计算过程：已知：在校核洪水（0.2%）下，Q=588m3/s；正常蓄水位126.50m；死水位106.00m。 坝址岩层以砂岩为主，夹泥岩和页岩，砂岩抗压强度较高，但泥岩、页岩抗压强度稍低，其允许承载能力为0.60.7MPa，岩层倾向上游，岩石节理、裂隙发育，整体性稍差，并夹有软薄层，抗滑能力较低。下游河道平均水深2米左右。预计采用消能效果较好的消能工。综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计，因此，通过技术经济比较后选定单宽流量q=22.61m3/(sm)。则堰顶宽b=Q/q=588/22.61=26m由Hd=(0.70.95) H校，取Hd=0.8H校即Hw / Hd=0.8查图3可得m=0.512式中：Hd为定型设计水头，m；Hw 为堰上水头，m。根据公式Q=1smnbH3/2 ，式中：1：侧收缩系数，与边墩、闸墩及闸墩头部的型式、堰孔的数目、堰孔的尺寸、全 大大大大的 水头等有关，1=0.90.95，取1=0.90； s：淹没系数，为自由出流s=1； n：堰孔数，本设计中为1； m：流量系数，由计算得出m=0.512； b：堰顶宽，由计算得出b=26m； g取9.81m2/s。带入公式有：H校=Q/(1smnb)2/3=588/()2/3=4.97mHd=0.85 H校 =0.8*4.97=3.98m 查水位库容关系表确定总库容V总=565（万m3）根据工程效益、总库容查询规范SL2522000，该工程的等别为等，水工建筑物级别为3级。二、孔口尺寸拟定及设计洪水位、校核洪水位的确定（1） 堰顶高程的拟定 因为是开敞式溢流坝身泄水，并无调节等要求，因此堰顶高程就是正常蓄水位高程，即为126.50m。（2） 堰顶溢流前沿宽度的拟定 因为砂岩中还夹有泥岩、页岩等，砂岩本身强度也不高，且不完整，因此从消能防冲考虑，应按破碎岩石处理，单宽流量q=2050m3/s，又综合考虑了以上四方面的因素，初步选定单宽流量q=22.61m3/(sm)，按渲泄最大洪水时的流量Q校=588m3/s考虑，得到溢流前沿宽度为：L=Q校/q=588/22.61=26m（3） 设计洪水位、校核洪水位的计算1、 原理： 试算法。首先假定一个堰上水头H设，计算H设/Hd值，查附图3，宁村水库Hw / Hd与流量系数m关系曲线，得出流量系数m，代入公式Q=1smnbH设3/2 求出设计洪水H设。与资料给的设计洪水（2%）Q设=450m3/s比较，误差不超过1%即可。2、 已知: 由以上计算知堰顶高程为126.50m，单宽流量q=22.61m3/s，及前沿宽度L=26m。由确定工程等级过程推求得校核洪水位为Z校=126.50+4.97=131.47m。3、计算过程： 通过多次试算结果简单列表如下：（表1）方案堰上水头H设（m）HdH设/Hd流量系数m设计洪水Q设（m3/s）设计洪水（2%）Q设（m3/s）误差一4.853.981.2190.511565.71450.0020.45%二4.503.981.1310.508502.63450.0010.47%三4.203.981.0550.504449.65450.000.08% 经过多次试算，方案一、二、不满足设计规范，方案三满足设计要求。故选定方案三作为设计依据。即H设=4.20m。 推求设计洪水位：Z设=4.20+126.50=130.70m。3、 挡水坝设计（一）坝顶高程的确定重力坝坝顶高程按坝顶上游防浪墙顶高程计，按下式计算，取其大值。 防浪墙顶高程=设计洪水位 +h设防浪墙顶高程=校核洪水位 + h校其中设计洪水位、校核洪水位已计算得出，只需求h即可。h=h1%+hz+hc式中：h1% ：累计频率为1%时的波浪高度； hz：波浪中心线高于静水位的高度； hc：安全加高，按表5选用。表2 安全加高hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3根据官厅水库公式求h1%、hz：1、 设计情况 波高：hl=0.0166*V05/4D1/3=0.0166*305/4*31/3=1.681m 由于gD/Vo2=9.81*3000/302=32.7在（20，250）之间，故为累计频率为5%的波高。参照SL274-2001碾压式土石坝设计规范估算累计频率为1%的波高： h1%=1.24*h5%=2.084 波长：L=10.4(h1%)0.8=10.4*（2.084）0.8=18.713m 壅高：hz=(h1%2/L)cth(2H)/L=0.729m 查表5得hc=0.4 因此h=h1%+hz+h=2.084+0.0.729+0.4=3.213m H=130.7+3.213=133.91m2、 校核情况波高：h1%=0.707*1.24=0.877m波长：L=10.4(h1%)0.8=10.4*（0.877）0.8=9.363m 壅高：hz=(h1%2/L)cth(2H)/L=0.258m 查表5得hc=0.3 因此h=h1%+hz+h=0.877+0.258+0.3=1.44m H=131.47+1.44=132.91m相比取大者，所以坝顶高程为133.91m。（2） 建基面高程的确定 根据该坝的地形地质条件，建基面可设在弱风化处，在高程为85m86m附近，该设计取建基面高程为84.00m（三）坝顶宽度的确定根据混凝土重力坝规范SDJ21-78，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，并应考虑抗震特大洪水时抢护以及其他特殊要求。坝顶宽度一般取(8%10%)H，且不小于2m。常态混凝土坝坝顶最小宽度为3m，碾压混凝土坝为5m。H=133.91-84=49.91mB=(0.080.1)H=(0.080.1)*49.91=4.004.91m考虑施工要求，取B=5.0m（4） 上下游坝坡坡率及起坡点位置的确定根据工程经验，一般情况下，上游坡率n=00.2,下游坡率m=0.60.8。根据宁村水库工程地质条件，初拟n=0.2，m=0.8。1、 上游面设置为垂直，不设起坡2、 下游起坡点起坡高程可按基本三角形顶点约在正常蓄水位以上拟定，且低于坝顶高程，如下图。G点为下游坝坡坡面延长线与上游面交点。F点为下游起坡点。（坝顶高程为133.91m，正常蓄水位为126.50m，建基面高程为84m。）当J点恰好在正常蓄水位与上游坝面交点时： BJ=AG=133.91-126.50=7.41mGF=5/0.8=6.25mAF=AG+GF=13.66m当J点恰好在坝顶与上游坝面交点时：BJ=AG=0mGF=45/0.8=6.25mAF=AG+GF=6.25m因此，设计中AF应在6.2513.66之间， 取AF=8m。FI=AH-AF=49.04-10=39.04m3、 重力坝底宽DE DE= 41.91*0.8+5=38.53m（5） 坝面优化通过电算对比分析，可知最优方案为：下游起坡高程：125.91m；下游坡比：0.8；坝顶宽度：5m；该工况下单位工程量最省：952.1m3。（五）坝体强度稳定承载力极限状态设计 详见：附表一：挡水坝电算方案（6） 坝体上游面拉应力的正常使用极限状态设计 详见：附表一：挡水坝电算方案（7） 坝体应力分析 详见：附表一：挡水坝电算方案4、 溢流坝设计（1） 溢流坝断面设计溢流堰断面设计包括上游直线段，堰顶曲线段、下游曲线段、下游直线段以及反弧段5个部分组成。设计要求：有较高的流量系数，泄流能力大；水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；体形简单、造价低，便于施工。上游直线段在该设计中，由于挡水坝已经确定，故为了不使挡水坝产生侧向水压力，则溢流坝的上游直线段设计与挡水坝保持一致。堰顶曲线段WES剖面堰顶曲线如右图。堰顶O1点为坐标原点（0，0），曲线采用三段复合圆弧相接。这样做可使堰顶曲线与堰上游面平滑连接，改善了堰面压强分布，减小了负压。三段复合圆弧的半径R如图中所示。R1=0.5Hd=0.5*3.98=2.0mR2=0.2Hd=0.2*3.98=0.8mR3=0.04Hd=0.04*3.98=0.16m三段复合圆弧水平坐标值： 0.175Hd=0.175*3.98=0.70m 0.276Hd=0.276*3.98=1.10m0.282Hd=0.282*3.98=1.12m下游曲线段该剖面堰顶O1点下游的曲线由公式(y/Hd)=k(x/Hd)n计算，式中系数k及指数n决定于堰上游面的坡度，取k=2.0，n=1.85，代入上述公式得：x1.85=2.0Hd0.85y式中的Hd为不包括行近流速水头的剖面设计水头，Hd=3.98m。计算与下游直线段衔接处点A的坐标。由于溢流坝与挡水坝衔接部分有导墙连接，从工程实用和经济等方面综合考虑，拟定下游直线段的坡度m2=0.8。对y求导，y=1.85*x0.85/2.0Hd0.85=1/m2 , x0.85=2.0Hd0.85/(1.85*m2)=2.0*3.980.85/(1.85*0.8)=4.99m求得：xA=5.67m，yA=3.83m，即A(5.67，3.83)。x01234565.67y00.140.491.031.762.663.733.83 反弧段溢流坝面反弧段是使溢流面下泄水流平顺转向的工程措施，通常采用圆弧曲线，反弧半径应结合下游消能设施来确定。根据DL51081999混凝土重力坝设计规范规定：对于挑流消能，R=(410)h。h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。查资料下游水位流量关系曲线，校核洪水（0.2%）下，Q=588m3/s时的下游水位为94m。地面高程84m，挑砍高度1.51m，初步拟定为1m。则有挑砍高程为94+1=95m。上游水位至挑砍高程S1=133.91-95=38.91m流能比KE=q/(S11.5)=22.61/(*38.911.5)=0.030坝面流速系数=0.880鼻砍断面流速=24.31m/s反弧段最低点处的水深h=q/v=22.61/24.31=0.930m因为反弧段流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用较大值。鼻砍断面流速为24.31m/s，初拟R=（810）h=7.449.30m。取R=9m下游直线段由知，下游直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，其与曲线段交点A(5.67，3.83)，坡度与非溢流坝段的下游坡相同，取m2=0.8。根据经验，鼻砍挑射角度一般取2025，拟定为=20。因为下游直线段与反弧段相切，且坡率为0.8，由此计算出BO2C=tan-1(1/0.8)=51.3则O2所在高程为HO2=84+19.38=103.38m底宽B=37.35m上游直线段，堰顶曲线段、下游曲线段、下游直线段以及反弧段如图所示。（2） 消能防冲设计1、 确定鼻坎高程、反弧半径、挑角 由溢流坝断面设计部分得知：鼻坎高程为95m，反弧半径为9.0m，挑角为20。2、 计算挑距和下游冲刷坑深度挑距的计算水舌挑射距离是按水舌外缘计算，其估算公式为式中：L为水舌挑距，m；g为重力加速度，m/s2；v1为坎顶水面流速，m/s约为鼻坎处平均流速的1.1倍；为挑射角度，本设计为20；h1为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcos，约等于h；h2为坎顶至河床面的高差，m。v1=v=24.31m/sh1=h=0.930mh2=95-89=6mL=1/9.8124.312sin20cos20+24.31cos20*24.312sin220+2*9.81(0.930+6)1/2=52.73m 下游冲刷坑深度的计算关于冲刷坑深度，目前还没有比较精确的公式，可按下式进行估算：t k=q0.5H0.25式中：t k为水垫厚度，自水面至冲刷坑的距离，m； q为单宽流量，m3/(sm)； H为上、下游水位差，m； 为冲坑系数，对坚硬完整的基岩，取0.91.2，坚硬但完整性较差的基岩，取1.21.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩，取1.22.0。q=22.61m3/(sm)H=133.91-94.00=39.91m=1.2mt k=q0.5H0.25=1.2*22.610.5*39.910.25=14.34mht为冲刷坑后的下游水深，则冲刷坑深度为ts=t k-ht=14.34-4=10.3m（三）导墙设计边墩或导墙顶高程应根据计算水面线加上0.51.5m的超高确定。对非直线段适当增加，根据经验计算导墙高度取3米。1、各控制点坐标计算见溢流坝断面设计部分。2、确定控制面的水深，水面线计算如右图和下表：表3 水面曲线计算表格：断面h/mA=hXR=A/XR2/nvJ=v2/C2R006.235 6.235 13.360 0.467 31.006 4.296 0.024 113.658 3.658 7.400 0.494 29.782 8.934 0.124 223.250 3.250 6.672 0.487 29.012 10.548 0.132 332.766 2.766 5.968 0.463 28.664 12.067 0.172 442.328 2.328 5.242 0.444 27.943 15.023 0.236 551.891 1.897 4.294 0.441 26.708 18.245 0.498 续表：JiJv2/2gESESSS1.262 7.382 0.000 0.066 0.215 0.146 4.835 7.622 0.2402.032 2.030 0.1310.497 0.385 5.956 8.5460.9242.306 4.338 0.1780.738 0.533 8.045 9.923 1.377 2.404 6.742 0.242 0.777 0.550 10.563 12.629 2.7064.370 11.112 0.391 0.819 0.48417.355 18.568 5.637 13.960 25.072 由此得到各控制点水深，确定水面曲线。（四）坝体强度稳定极限状态设计 详见：附表二：溢流坝电算方案（五）坝体正常使用极限状态合计详见：附表二：溢流坝电算方案5、 大坝剖面优化和应力稳定分析利用电算比较得到，溢流坝和挡水坝优化断面的三种可行性方案，计算结果参见附表。最终确定最优方案为：表4 大坝剖面优化最优方案（单位：m）坝段最优方案挡水坝建基面高程84坝顶高程133.91下游起坡高程125.91下游坡率0.8坝顶宽5坝底宽38.53单宽工程量V（m3）952溢流坝建基面高程84堰顶高程126.5反弧半径9.0下游坡率0.8坎顶高程95坝底宽37.35单宽工程量V（m3）9216、 工程量与开挖量计算根据地形图以及各坝段在地形图中的位置，绘出各坝段开挖线，计算开挖面积，近似取坝段左右两断面的开挖面积的平均值为该坝段的开挖面积。（见附图）表5宁村水库开挖量计算坝段（m）一二三四五六七八九十坝段长（m）17.4020.0020.0020.0020.0028.0020.0020.0020.0019.38面积（m2)31.5946.4956.7870.19197.36285.63531.86732.7522.65226.48开挖量（m3）549.67929.801135.61403.803947.27997.6410637.1014653.910453.04389.18总开挖量(m3)56096.89表6 宁村水库工程量计算 坝段（m）一二三四五六七八九十坝段长（m）17.4020.0020.0020.0020.0028.0020.0020.0020.0019.38面积（m2)17.556.4695.88165.22458.34811.42937.46728.43330.49114.33工程量（m3）304.51129.21917.63304.39166.722719.618749.214568.56609.82215.7总工程量(m3)80685.1七、附表（一）附表一：挡水坝电算方案（方案一为最优方案）方案一：数据：READ YT,YF,T0,YU,NU,YD,NDDATA 133.91,84,5,84,0,125.91,0.8 READ Y8,Y9,VZ,FDDATA 126.5,90,30,3READ Y3,Y4,VFDATA 131.47,94,15READ RD,YN,RN,NF,UT,UHDATA 24,92,7,20,7,0.25READ F,FF,FC,RC,YCDATA 0.7,1,500,14300,1.5READ YG,XGDATA 90.5,7LET YY=10LET XX=10LET RD=RD/10LET KP=9.81NEW SPECIFICATION- CONDITION 1 CONDITION 2 CRITICAL STATE LEFT RIGHT LEFT RIGHT-Yv*(CP)=1/rd*(f*W/rf+C*A/rc) 15120 16067 15142 15198 kNYv*(W/B-6M/B2)(1+m2)=0 398 0 160 0 kPa-* STRESES & STABILITY ANALYSIS OF GRAVITY DAM * BY WCT * - STRESES & SLIDING ON BASE - Yu= 84 m Nu= 0 Yd= 125.91 m Nd= .8 To= 5 m- WETHOUT UPLIFT INCLUDING UPLIFTCONDITION Syu kPa Syd kPa Syu kPa Syd kPa k Kc- 1 648 523 398 501 1.23 3.71 2 455 729 160 669 .96 3.02 - Tb = 38.53 m VOLUME OF DAM 952 m3 - STRESES OF DAM ( WETHOUT UPLIFT ) -CONDITION 1 : Y1= 126.5 m Y2= 90 m Y= 84 m P= 9847.19 kN W= 22558.2 kN M= 15525.5 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 38.53 523 356 371 820 59 -38.66 30 551 454 361 867 138 -41.19 20 583 566 298 872 277 -44.18 10 616 652 177 812 456 -47.93 0 648 686 0 686 648 90 - Y= 94 m P= 5267.63 kN W= 14287.7 kN M= 18011.9 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 30.53 352 225 282 577 0 -38.66 20 432 293 228 600 124 -36.48 10 508 316 134 577 247 -27.18 0 584 319 0 584 319 0 - Y= 104 m P= 2569.88 kN W= 8041.91 kN M= 12350.7 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 22.53 211 135 169 346 0 -38.66 10 373 213 119 437 150 -27.98 0 503 221 0 503 221 0 - Y= 114 m P= 853.134 kN W= 3679.67 kN M= 5833. kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 14.53 87 56 70 143 0 -38.66 0 419 123 0 419 123 0 - Y= 124 m P= 117.384 kN W= 1200.96 kN M= 734.66 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 6.53 81 52 64 132 0 -38.66 0 287 25 0 287 25 0 - Y= 90.5 m P= 6481.48 kN W= 16918.7 kN M= 19350.9 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 7 568 397 101 615 351 -24.86 -CONDITION 2 : Y1= 131.47 m Y2= 94 m Y= 84 m P= 11726.5 kN W= 22809.3 kN M=-37023.6 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 38.53 742 510 515 1154 98 -38.66 30 675 571 449 1075 171 -41.67 20 598 647 338 961 284 -47.1 10 520 709 188 825 404 -58.38 0 442 735 0 735 442 90 - Y= 94 m P= 6973.35 kN W= 14287.7 kN M=-12306.6 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 30.53 547 350 438 897 0 -38.66 20 493 330 300 722 100 -37.39 10 441 351 156 558 233 -36.96 0 38