重力坝设计.doc

重力坝设计姓名：宋骁逸 学号：2013100105一、基本资料：坝型：混凝土重力坝，三级建筑物(可选用级安全标准)规划：上游设计洪水位游设计洪水位355m，下游为331m；上游校核洪水位356m，下游为332m；正常高水位354m；死水位339.5m地质资料：河床高程328m(12m覆盖层)，清基后最低326m；岩基为石灰岩，抗剪强度取0.2分位为标准值，摩擦系数fck=0.82,凝聚力Cck=0.6Mpa其他资料：泥沙计算年限50年，坝前淤沙高程337.1m，泥沙浮重度6.5kN/m3，内摩擦角=18度；洪水期多年平均最大风速15m/s，最大风区长度D=0.9km；坝体混凝土重度为24kN/m3，地震设计烈度为6度，混凝土强度等级C10，90d龄期，80%保证率，fckd标准值为10MPa，坝基允许压应力设计值为4000kPa二、设计要求：（1） 拟定坝体剖面尺寸 确定坝顶高程和坝顶宽度，拟定折坡点的高程、上下游坡度，坝底防渗排水幕位置等相关尺寸。（2） 荷载计算及作用组合 该例题只计算一种作用组合，选设计洪水位情况计算，取常用的五种荷载：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力。列表计算其作用标准值和设计值。（3） 抗滑稳定验算 可用极限状态设计法进行可靠度计算。（4）坝基面上下游处垂直正应力的计算，以便验算地基的承载能力和混凝土的极限抗压强度。三、设计尺寸：1. 设计洪水位时：风区长度D=0.9km，计算风速v0取两倍全年最大风速，v0=30m/s浪高hl=0.0076*v0(-1/12)*(gD)(1/3)/(v0)2*(v0)2/g =0.0076*30(-1/12)*(9.8*900)(1/3)/(30)2*(30)2/9.8 =1.13(m)波长L=0.331*(v0)(-1/2.15)*(gD)(1/3.75)/(v0)2*(v0)2/g =0.331*(30)(-1/2.15)*(9.8*900)(1/3.75)/(30)2*(30)2/g =11.48(m)波浪中心至水位高度hz=*(hl)2/L*cth2H/L，又HL，cth2H/L1，hz=0.35(m)又选用级安全标准，安全超高设计洪水位为0.5m高程h=1.13+0.35+0.5=1.98(m)坝顶高程为355+h=356.98(m)2. 校核洪水位时：风区长度D=0.9km，计算风速v0取全年最大风速，v0=15m/s浪高hl=0.0076*v0(-1/12)*(gD)(1/3)/(v0)2*(v0)2/g =0.0076*15(-1/12)*(9.8*900)(1/3)/(15)2*(15)2/9.8 =0.47(m)波长L=0.331*(v0)(-1/2.15)*(gD)(1/3.75)/(v0)2*(v0)2/g =0.331*(15)(-1/2.15)*(9.8*900)(1/3.75)/(15)2*(15)2/g =5.73(m)波浪中心至水位高度hz=*(hl)2/L*cth2H/L，又HL，cth2H/L1，hz=0.12(m)又选用级安全标准，安全超高设计洪水位为0.5m高程h=0.47+0.5+0.12=1.09(m)坝顶高程为356.3+h=357.39(m)取上述两种情况下的最大值357.39m，防浪墙高1m，则坝顶高程为357.39-1=356.39(m)最大坝高为356.39-326=30.39(m)四、剖面设计：1.坝顶高程无特殊交通要求，取坝顶宽度为坝高的10%(8%10%)即3m2. 坝底宽度取坝底宽度为坝高的0.9(0.70.9倍)即28m3. 坝坡系数上游坝坡系数m1=0.2(00.2)，下游坝坡系数m2=0.8(0.60.8)4. 折起高度折起高度为坝前水深的1/3(1/21/3)即h=29/3=9.67m5. 设置廊道减少渗透压力，故在靠近上游坝面设置排水帷幕，距离上游坝面约为水头的1/15(1/151/25)且不得小于2m，故取2m，向下设置为铅垂主排水孔深度约为防渗帷幕深度（约为0.30.7倍水头）的0.40.6倍，高中坝坝基主排水孔深度不应小于10m，辅助排水孔深度一般为612m。取帷幕深度为29*0.7=20.3m，排水孔深度取20.3*0.5=10.15m。坝体排水管离上游坝面取29*1/15=2m五、自身荷载计算：只计算一种作用组合，用设计洪水位计算自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力1. 坝体自重：如图将大坝分为3个部分，B1=1.93m，B2=3m，B3=23.08m，H1=9.67m，H2=30.39m，H3=28.22m，c=取24kN/m3，自重w=c*V,g=1.05部分1：体积V1=1/2*B1*9.67=1.93*9.67/2=9.33(m3) 力臂L1=B/2-2/3*B1=28/2-2/3*1.93=15.29(m) 荷载标准值：Gk1=c*v1=24*9.33=224(kN) 力矩标准值：Mk1=Gk1*L1=224*15.29=3425(kNm) 荷载设计值：G1=g*G1k=1.05*216=235 (km) 力矩设计值：M1=G1*L1=235*15.29=3593(kNm)部分2：体积V2=B2*H2=3*30.39=91.17(m3) 力臂L2=B/2-B1-B2/2=28/2-1.93/2-3/2=10.57(m) 荷载标准值：Gk2=c*v2=24*91.17=2188(kN) 力矩标准值：Mk2=Gk2*L2=2188*10.57=23128(kNm) 荷载设计值：G2=g*G2k=1.05*2188=2297 (kN) 力矩设计值：M2=G2*L2=2297*10.57=24279(kNm)部分3：体积V3=1/2*B3*H3=23.08*28.22/2=325.66(m3) 力臂L3=2/3B3-B2/2=23.08*2/3-28/2=1.39(m) 荷载标准值：Gk3=c*v3=24*325.66=7816(kN) 力矩标准值：Mk3=Gk3*L3=7816*1.39=10864(kNm) 荷载设计值：G3=g*G3k=1.05*7816=8207 (kN) 力矩设计值：M3=G3*L3=8207*1.39=11408(kNm)六、静水水压力：在设计工况下，已知上游水位为355.0m，下游水位为331.0m。上游水深=355-326=29m,下游水深=331-326=5m 水平水压力：部分1：P1=1/2*292=1/2*9.8*292=4121(kN)L1=29/3=9.67(m)M1=-(4121*9.67)=-39851(kNm)部分4：P4=-1/2*9.8*52=-122.5(kN)L4=5/3=1.67(m)M4=122.5*1.67=205(kNm)竖直水压力：二区：W2=(1/2*1.93*9.67+1.93*19.33)*9.8=457(kN)L2=28/2-1.93/3=13.36(m)M2=457*13.36=6106(kNm)三区：W3=1/2*5*4*9.8=98(kN)L3=28/2-4/3=12.67(m)M3=(-98)*12.67=-1242(kNm)七、扬压力：水容重w=9.8 kn/m3，浮托力作用分项系数Q2=1.0，渗透压力作用分项系数Q3=1.2，坝基面高程326m,坝底宽度28m主排水孔渗压系数=0.25，至坝踵距离与坝底厚之比=0.2设计洪水位高程355.0m，相应上游水深29m，相应下游高程331m，相应下游水深5m部分1渗透压力：标准值U1k=-1/2*w*B*(29-5)*(1-)=-1/2*9.8*0.2*28*24*(1-0.25)=-494(kN)设计值U1=U1k*Q3=-494*1.2=-593(kN)力臂L1=1/2B-1/3B=1/2*28-1/3*0.2*28=12(m)力矩标准值M1k=U1k*L1=-494*12=-5928(kNm)力矩设计值M1=U1*L1=-593*12=-7116(kNm)部分2渗透压力：标准值U2K=-1/2*w*(29-5)*B(1-)=-1/2*9.8*0.25*24*28*0.8=-659(kN)设计值U2=U2k*Q3=-659*1.2=-791(kN)力臂L2=2/3*B(1-)-1/2B=14.93-14=0.93(m)力矩标准值M2k=U2K*L2=-659*0.93=-613(kNm)力矩设计值M2=U2*L2=-791*0.93=-736(kNm)部分3渗透压力：标准值U3K=-w*B*(29-5)*=-9.8*0.2*28*24*0.25=-329(kN)设计值U3=U3K*Q3=-329*1.2=-395(kN)力臂L3=1/2B-1/2B=1/2*28-1/2*0.2*28=11.2(m)力矩标准值M3K=U3K*L3=-329*11.2=-3685(kNm)力矩设计值M3=U3*L3=-395*11.2=-4424(kNm)部分4浮托力：标准值U4K=-w*B*5=-9.8*28*5=-1372(kN)设计值U4=U4K*Q2=-1372*1=-1372(kN)力臂L4=0力矩标准值M4K=U4K*L4=0力矩设计值M4=U4*L4=0八、淤沙压力：淤沙高度h=hs-地基高程=337.1-326=11.1(m)淤沙压力标准值Pk=1/2*6.5*11.12*tan(45-18/2)=291(kN)力臂L=11.1/3=3.7(m) 力矩标准值Mk=-Pk*L=291*3.7=-1077(kNm)淤沙压力设计值P=Pk*Q1=291*1.2=349(kN)力矩设计值M=-MK*Q1=1077*1.2=-1292(kNm)九、浪压力：根据以上设计，H=29m，L=5.73m，h1=0.83,hz=0.12m，又H/2L，波浪为深水波标准值Pk=1/4*w*L*(h1+hz)=1/4*9.8*5.73*(0.83+0.12)=13(kN)设计值P=Pk*Q1=13*1.2=16(kN)力臂L=H-L/6+1/3(h1+hz)=29-5.73/6+1/3(0.83+0.12)=28(m)力矩标准值Mk=-PL=-13*28=-364(kNm)力矩设计值M=MK*Q1=-364*1.2=-437(kNm)十、抗滑稳定性演算：水平水压力=4121-122.5=3998.5(kN)，淤沙压力=291kN，浪压力=13kNP=3998.5+291+13=4303(kN)坝体自重=10228kN，垂直水压力=457+98=555(kN)，扬压力=-1482-1779=-3261(kN)W=10228+555-3261=7522(kN)【考虑扬压力】W=10228+555=10783(kN)【不考虑扬压力】十一、基本组合：设计状况系数=1 ，结构系数d=1.2 ，结构重要性系数0=0.9，摩擦系数f=0.82，摩擦分项系数=1.3 ，抗剪断凝聚力C=0.6 MPa. 抗剪断凝聚力分项系数=3.0 。由公式求得 0S=0.9*1.0*4303=3873(kN)1/d*R=1/1.2*(（0.82/1.3）*11043+（600/3)*28)=10471(kN)因为387310471，所以坝体保持稳定十二、坝基面上下游垂直正应力：坝体自重=37417kNm，静水=-34782kNm，淤沙=-1077kNm，波浪=-437kNm，扬压力=-12276kNmM=37417-34782-1077-437-12276=-11155(kNm)【考虑扬压力】M=37417-34782-1077-437=1121(kNm)【不考虑扬压力】十三、设计应力计算：上游水深Hu=29m 下游水深Hd=5m 【不考虑扬压力】水平截面上的正应力：yu=10783/28+6*2612/(28)2=405(kN/m2)yd=10783/28-6*2612/(28)2=365(kN/m2)水平正应力：xu=29*9.8-(29*9.8-405)*0.22=289(kN/m2)xd=5*9.8+(365-5*9.8)*0.82=257(kN/m2)主应力：1u=(1+0.22)*414-29*9.8*0.22=419(kN/m2)1d=(1+0.82)*374-5*9.8*0.82=582(kN/m2)2u=9.8*29=284(kN/m2)2d=9.8*5=49(kN/m2) 其中max=582kN/m2，而坝基岩石允许压力设计值为4000Kpa.所以5824000，地基在无扬压力情况下符合标准【考虑扬压力】水平截面上的正应力：yu=7892/28+6*-9655/(28)2=208(kN/m2)yd=7892/28-6*-9655/(28)2=356(kN/m2)水平正应力：xu=(29*9.8-3151/28)-(29*9.8-3151/28-208)*0.22=173(kN/m2)xd=(5*9.8-3151/28)+(356+3151/28-5*9.8)*0.82=205(kN/m2)主应力：1u=(1+0.22)*208-(29*9.8-3151/28)*0.22=209(kN/m2)1d=(1+0.82)*356-(5*9.8-3