课程设计计算书.doc

水建院水工建筑物课程设计计算书1.土坝坝顶高程计算 1.1坝顶宽度 碾压式土石坝设计规范 SL274-2001规定：如无特殊要求，对中低坝可选用510米，参照原华东水利学院主编的水工设计手册第458页规定：坝高3060米，坝顶宽度宜为68米。（同学们可在此范围内选择）该坝高37.625米，无交通要求，确定顶宽为7米。1.2坝顶高程（1）计算正常运用情况下的坝顶超高：坝顶超高Y按下式计算：Y=R+e+A （31）式中Y坝顶超高(m)R最大波浪在坝坡上的爬高(m)e最大风壅水面高度（m）A安全加高（m）。 （水工建筑物课本P128）1）计算波浪爬高R：波浪爬高按水工建筑物课本P129（3-3）公式计算。先计算波浪平均爬高Rm，再计算设计爬高R。 平均波浪爬高，按下式计算： （水工建筑物课本P128，3-3）式中：Rm平均波浪爬高（m）m单坡的坡度系数 k斜坡糙率渗透性系数，0.750.8,本设计取 k=0.8（砌石护坡）Kw经验系数，与=1.202有关。hm平均波高Lm平均波长设计波浪爬高值，按工程等级为3级，爬高累积频率为1%，换算系数KP=1.86 ，用下式求得。R1%=KPRm 风壅水面高度 （水工建筑物课本P129，3-2）式中： e计算点处的风壅水面高度，m；D风区长度，m；K综合摩阻系数，K（1.55.0）10-6本设计取K3.610-6；计算风向与水域中线夹角()；W设计风速；正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。 安全加高（m）根据规范，3级坝，设计工况 A=0.7e=3.610-622.522000/29.8117.85=0.010m正常运行情况下坝顶超高Y=1.611+0.010+0.7=2.321米2)计算非常运用条件下的坝顶高程：非常运用条件下的公式与正常情况下一样， 平均波浪爬高，按下式计算： （水工建筑物课本P128，3-3）式中：Rm平均波浪爬高（m）m单坡的坡度系数 k斜坡糙率渗透性系数，0.750.8,本设计取 k=0.8（砌石护坡）Kw经验系数，与=0.7831有关。hm平均波高Lm平均波长设计波浪爬高值，按工程等级为3级，爬高累积频率为1%，换算系数KP=1.86 ，用下式求得。R1%=KPRm 风壅水面高度 （水工建筑物课本P129，3-2）式中： e计算点处的风壅水面高度，m；D风区长度，m；K综合摩阻系数，K（1.55.0）10-6本设计取K3.610-6；计算风向与水域中线夹角()；W设计风速；正常运用条件下，采用多年平均年最大风速的1.5倍，非常运用条件下，采用多年平均年最大风速。 安全加高（m）根据规范，3级坝，非常工况 A=0.4坝前水深：H：119.60-82.20=37.40米，平均水深H/2=18.7米和正常情况下一样，算得R=1.021米，e=3.610-61522000/29.8118.7=0.004m非常运行情况下坝顶超高Y=1.021+0.004+0.4=1.425米3）坝顶高程及坝高正常运用情况下的坝顶高程：117.90+2.321=120.221米非常运用情况下的坝顶高程：119.60+1.425=121.025米，考虑上游设置1.2米的防浪墙，用防浪墙顶部高程代替坝顶高程，则坝顶高程为：121.025-1.2=119.825米，坝高为119.825-82.20=37.625米。以坝高的1%为预留沉陷值，则施工高程为119.825+37.6251%=120.201米。4）坝坡及平台坝坡：参考已建工程，初拟上游坝坡为1：2.5、1：2.75、1：3.0，下游为1：2.25、1：2.5、1：2.75。平台：在上、下游变坡处设平台，宽2米；下游平台上设集水沟。2.土坝渗透计算渗流计算的水位组合情况如下:(1)上游为校核水位119.60米，下游为最高水位84.70米。（2）水位降落时的渗流计算。1. 上游为校核水位119.60米，下游为最高水位84.70米的渗流计算（1）分段情况。根据坝轴线地质剖面图的地形、地质情况，沿坝轴线分五段进行计算，中间段（0+1500+400），选取1-1断面进行渗流计算；左端（0+1500+050）、（0+0000+050）的地形，右端（0+4000+500），（0+5000+550），2-2渗漏量与3-3渗漏量基本相同，4-4渗漏量与5-5渗漏量基本相同。在这里只计算2-2断面和44断面。（2）1-1断面的渗流计算1）单宽渗流量：用通过下式可得到心墙和截水槽的单宽流量：q= k1 (水工建筑物课本P146，续表) 已知心墙的渗透系数k1=2.010-6cm/s,坝前水深H1=37.40m,地基厚度T=8 m，心墙的平均厚度为=（18.958+3）（118.825-78.929）/2+（18.958+9.5）（118.825-74.2/2）（118.825-74.2）=11.323米q=210-8（2.5+37.4）2-（h+8）2/211.323q= k2+ k3 (水工建筑物课本P146，续表) 已知坝壳渗透系数K=3.010-3cm/s；下游水深2.5米，计算长度L=0。6+7+（119。825-106。825）*2.25+（106.825-93.825）*2.5+（93.825-85.70）*2.75-（85.70-82.20）*1.5-11.323/2-3/2+4=83.282米3.010-5+8.010-4=q试算得h=2.525m,q=1.77210-6m2/s2)绘制浸润线，由于h=2.525米，下游水深2.5米，近似一直线。（3）.2-2断面的渗流计算1）单宽渗流量：上游水位119.60米，下游无水，坝顶高程为100米，无排水设施，用通过下式可得到心墙的单宽流量： q= (水工建筑物课本P144，3-20)已知心墙的渗透系数k1=2.010-6cm/s，上游水深：119.60-100=19.60米，心墙平均厚度=（118.825-100）*0.2*2+3+3=6.765米代入上式q=2.010-8按下式计算坝壳的单宽流量： q= 已知坝壳渗透系数K=3.010-3cm/s；,下游坝坡系数2.5，计算长度L=0.6+7+(119.825-106.825)2.25+2+(106.825-100) 2.5-6.765/2-3/2=51.03m,代入上式。设h=1.39m，试算q=0.568610-6m2/s3）逸出高程及浸润线绘制h0=q(m2+0.5)/K=0.057my=（4）4-4断面的渗流计算同1-1断面相同1）单宽渗流量：用通过下式可得到心墙和截水槽的单宽流量：q= k1 (水工建筑物课本P146，续表) q= k2+ k3 (水工建筑物课本P146，续表) 试算得q=3.99610-6m2/s2)绘制浸润线。（4）总渗流量计算总渗流量公式为Q=q1L1+(Q1+Q2)L2+.+qnLn+1 (水工建筑物课本P146，3-23)将以上各值代入求出Q=59.426m3/d（5）校核1）渗透量：大坝在校核洪水位的库容为1420万m3，而每日渗漏量为59.426m3，故满足防渗要求。2）渗流稳定n20 管涌10n20 不定允许坡降可采用下列数字：当10n20,J允为0.2，20n,J允为0.1，通过计算J为3.15410-40.2，满足要求。渗流逸出点的实际渗流坡降J=H/L已知H=2.525-2.5=0.025米，L=83.282米J=3.00210-4，因为n=15，JJ允，满足要求。2.水位降落时的渗流计算（1）确定水位的下降情况。已知坝壳渗透系数K=3.010-3cm/s，土体的给水度按下式计算： 由于一般在水库降到1/3满库以及更低的范围，坝坡抗滑稳定系数达到最小值，根据稳定计算情况，假定水库水位降到93.60米，则库水位高度为23.10米。已知正常蓄水位下库容为1240万m3，死库容为115万m3，假定涵管最大量放水，降到死水位需t=（1240-115）104/4.8360024=27.13d则v=23.10/27.1267=0.8516m/dK/UV=22.697，因1/1022.69760，故为缓坡。（2）各时段浸润线位置的确定选取t=5d,首先计算心墙的浸润线高度，已知t=0,t=5d,h1(t)=116.70-74.20=42.50m,h1=42.50m,v=0.8516m/d, h1(t+t)=38.242m心墙坡面浸润线的高度可通过下式计算：h2(t+t)= h1(t+t)2+a2=kh/u=780.33m2/d浸润线与心墙水面交点的横坐标：L=S-(m1-m2)h1(t+t)m1= m12/ m1+0.5=2.083由于s=（坝顶高程-不透水层高程）（m1-m2）=104.9375m代入L式中L=32.93米 h2(t+t)=38.243m其次，浸润线的绘制为近似直线3）用同样方法球h1(10)、h2(10)、h3(10)等。4）计算最后一个时刻：选取t=21d,t=6.1267d,h2(t)=25.360m, , h1(t+t)=19.40m心墙坡面浸润线的高度可通过下式计算：h2(t+t)= h1(t+t)2+a2=kh/u=432.58m2/d，L=68.40mh2(t+t)=21.358m浸润线方程h(x,t)=,已知h1(t)=19.40m, h2(t)=21.358m,L=68.4015m，计算结果如表：x/l00.20.40.60.81.0h(x/l,27.1267d)19.4019.80720.20620.59720.98121.3583.土坝坝坡的稳定计算计算分三种情况：（1）上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡；（2）水库水位降落期的上游坝坡；（3）上游为校核水位，下游为新颖水位的下游坝坡。1. 上游水位大约在坝底以上1/3坝高处的上游坝坡（1）假设上游水位为95.50米，按下式安全安全系数 P1-G1sina1+G1cosa1tg1/Kc=0 G2cosa2tg/Kc+P1sin(a1-a2)tg/Kc-G2sina2-P1cos(a1-a2)=0已知：1=29，2=27；假设a1=34，a2=10，为计算方便上游坡取平均值：m=(119.825-106.825)2.5+2+(106.825-93.825) 2.75+2+(93.825-82.20) 3(119.825-82.20)=2.8472取单宽，总量G1 、G2分别由下式计算：G1 =面积BCDEB1r1G2=面积EDNE1r1+面积BNDCB1r2上2式中： 面积BCDEB=面积BNDCB-面积EDNE面积BNDCB=（BC+ND）/2(119.825-95.50)=12.1625（BC+ND）面积EDNE=NDED面积NDAN=NDH/2ED=Hm2/m-H已知：m2=cty10,H=95.50-82.20=13.30m;m=2.8472,则ED=13.30cty10/2.8472-1)=13.192m,由于（119.825-95.50）m1=24.325cty34;(119.825-95.5-ED)m=(24.325-13.192) 2.8472=31.6979m,所以，BC=36.0633-31.6979=4.3654米在EDN中，ND=mED=2.847213.192=37.56m,于是得面积BNDCB=509.921m2面积EDNE=247.7477 m2面积BCDEB=262.173 m2面积NDAN=249.776 m2由于一般砂砾类土保持含水量在3%10%，取w=5%；已知干容重rd=20KN/m3,则湿容重为r1= rd=(1+w)= 21KN/m3已知比重2.70，水容重9.81 KN/m3，孔隙率n=1-rd/Grw=0.2449,则浮容重r2=rd-(1-n)rw=12.5925 KN/m3,则G1=262.17321=5505.633kNG2=247.747721+249.77612.5925=8348.006 kN代入安全系数中，整理后求得Kc=1.598.（2）假定上游水位为95.50、93.50，96.50，再假定不同的a值，最后得到当上游水位为95.5米，a1=30，a2=18，Kmin=1.44。2.上游水位降落期的上游坝坡：（1）选择降落时段，在27.1267d时，自由水面降落与库水位下降相差很大。（2）计算安全系数Kc. P1-G1sina1+Ntg1/Kc=0 N1+ruG2cosa1-G1cosa1=0P1 cos(a1-a2)+G2sina2-Ntg2/Kc=0N2+ruG2cosa2-P1sin(a1-a2)=0已知：1=32，2=30；假设a1=48，a2=10，重量G1、G2由下式计算：G1 =面积GCEFG1r1+面积FEBF1r3G2=面积GFHG1r1+面积HFBDH1r3+面积DBAD1r2已知干容重rd=20KN/m3,则湿容重为r1= rd=(1+w)= 21KN/m3;已知比重2.70，水容重9.81 KN/m3，孔隙比e=Grw/rd-1=0.3244,则浮容重r2=rd-(1-n)rw=12.5925 KN/m3,饱和容重r3=(G+e)rw/1+e=22.402 KN/m3,已知h2(27.1267) =21.385m,h1(27.1267) =19.40m,浸润线与心墙迎水面交点的横坐标68.4015m, m1=2.0833, m1=2.5,DD=8.084m, h (8.084+6.1267) =19.6416m,面积DHDD= DD（19.6416-19.40）/2=0.9765 m2，DB=(93.60-82.20)/tg10-11.40*2.5=36.15m,DB=44.2366m,B点浸润线高度h (44.24+6.1267) =20.69m.BF=1.2874m,则面积FDBF= DBBF/2=28.48 m2在FEB中，面积FEBF=0.7659 m2在BGC中，面积GBCG=147.14 m2 面积GCEFG=146.37 m2 面积HFBDH=27.50 m2 面积DBGD=261m2 面积GFHG=233.90m2面积DBAD=206.07 m2G1 =3090.997 KNG2=8122.9191 KN孔隙压力比ru=，可近似为下式：孔隙压力比ru=水下滑动体断面面积/2滑动体的断面面积孔隙压力比ru=234.3343/2614.61=0.1906将以上各值代入安全系数公式中，求得Kc=1.598.（2）.假定不同的a值，分别计算Kc，a1=30，a2=18，Kmin=1.206。3.上游为校核水位及下游为相应水位的下游坝坡已知校核水位为119.60 m，相应的下游水位为84.70 m，假设不同的a1、，a2，采用折线法分别计算kc值：，a1=31，a2=20，kc=1.312。4.结论有上述结果，该坝在正常工作条件下最小稳定系数为1.44，大于规范规定的1.20，在非常工作条件下最小稳定系数为1.206，大于规范规定的1.10。因此，所拟土坝断面尺寸是合理的。简化毕肖普法计算方法选择最大坝高断面进行分析计算，按照碾压式土石坝设计规范SL274-2001规范中规定：对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法，计算公式采用本规范中的简化毕肖普法的计算公式：式中： （水工建筑物P156 3-41）W土条重量；V分别为垂直地震惯性力；本工程不考虑地震影响，则V0；u作用于土条底面的孔隙压力；条块重力线与通过此条底面中点的半径之间的夹角；b土条宽度；C、土条底面的有效应力抗剪强度指标；MC水平地震惯性力对圆心的力矩，MC0；R圆弧半径。计算中浸润线的确定按渗流计算结果，不考虑地震情况。注：确定最危险滑断面圆心1）将距坝顶2H、距坝角4.5H定为M1点。2）做Aa和B1b两直线，其交点为M2，此两线方向按1，2来确定，可查表。3）联M1， M2至M，M2 M即为范围。4）在坝坡中点做一铅垂线，并且在该点做另一直线与坡面成85。5）以坝坡中点为圆心，用R1，R2做圆心，分别作弧，交以上两直线呈扇形。三.设计工况根据碾压式土石坝设计规范的规定，土石坝施工、建设、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。计算内容为：1）施工期的上、下游坝坡；2）稳定渗流期的上、下游坝坡；3）水库水位降落期的上游坝坡；根据规范要求，并结合本工程的实际对以下情况进行稳定计算：1）施工期上、下游坝坡稳定；2）设计水位形成稳定渗流期上、下游坝坡稳定；3）水位为1/3坝高时的上、下游坝坡稳定。正常运用情况下：工况：上游正常蓄水位116.70m，下游无水；工况：上游坝高水位119.60m，下游2.5 m；非常运用情况下：四.计算结果各种工况下大坝的坝体滑弧位置见大坝滑弧位置图，根据公式，假设Kc求m值，采用试算法。同学们可参照此图方法计算。运用条件计算条件坝坡Kc允许K正常运用正常高水位下游1.441.201/3坝高水位下游1.2061.10根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001规定，3级建筑物的允许抗滑稳定系数为：正常情况：1.3，非常情况：1.2。4.土坝反滤层计算（1）对非粘性土保护的反滤层，因被保护的砂砾石料的不均匀系数（=15）较大，要使其不发生渗透变形应主要考虑保护其中的细粒部分。因此可取58的细粒部分的d15、d85作为计算粒径。当被保护土的不均匀系数5时，碾压式土石坝设计规范 SL274-2001建议用下列方法确定被保护图的第一层反滤料。即：D15/d8545D15/d155其中反滤料的粒径D15小于该粒径的土占总土重的15%，被保护土的粒径D85小于该粒径的土占总土重的85%；被保护土的粒径D15小于该粒径的土占总土重的15%.选择二、三层反滤料时，可以仍按上述方法确定，但选择第二层反滤料时，以第一层反滤料为被保护土。计算第二层反滤料的颗粒结构及其组成，同样选择第三层反滤料时，以第二层反滤料为被保护土，计算第三层反滤料的颗粒结构及其组成。（2）反滤层厚度的确定 应用上式在确定了反滤层的颗粒组成及其结构的情况下，来确定反滤层的厚度。1）第一层反滤料的厚度：H1=15cm,第一层反滤料的粒径范围：0.25mmd1.00mm2) 第二层反滤料的厚度：H2=15cm,第二层反滤料的粒径范围：1.00mmd5.00mm3）第三层反滤料的厚度：H3=15cm,第三层反滤料的粒径范围：5.00mmd20.00mm在垂直水流出逸方向分别为第一层、第二层、第三层，总厚度为45.00 cm。5.溢洪道溢流堰孔尺寸计算(公式均见于水力学)1）溢洪道的进口宽度为24.00米，出口宽度为20.00米。其具体计算公式为： （水力学课本公式）式中 ：流量（m3/s）; 总净宽（m）;计入流速水头的堰上总水头（m）;流量系数已知：Qmax=150m3/s，堰顶高程为116.70 m，校核水位为119.60 m，溢流水深H=119.60-116.70=2.90 m，因溢洪道上游为水库，速度为0，因此，H0=H=119.60-116.70=2.90 m，查水力学课本取=0.345，则溢洪道堰顶宽度经计算为19.88米。我们选取溢洪道堰顶宽度为20.00米。2）溢洪道的进口段长度根据溢洪道的进口段流量，流速及地形地质条件，溢洪道进口长度为100米。3）溢洪道进口段高程确定进水渠的过水断面应大于控制端的过水断面，进水渠的渠底应做成平底或倾向水库的反坡，流速小于4m/s，本设计做成倾向水库的反坡，i=1/10，底部高程为116.70-101/10=115.70米。6. 溢洪道溢流堰剖面计算1）.进水渠沿水流方向的长度按水力学课本要求：2.5H10H,取=3 H，则可由经验取系数为3.0，所以=3.02.90=8.70米，取进水渠沿水流方向的长度为10.00米。2).渐变段确定已知渐变段首端断面宽20.00 m取末端断面宽16 m，渐变段收缩角为68，此处取8，渐变段长度L=(B-b)/2tan8,经计算为14.231米。3).渐变段进口水深为使堰顶洪水顺利安全的宣泄，渐变段的底坡应大于等于临界底坡，在这种情况下，进口水深h1=hk，已知单宽流量q=150/20=7.5m2/s,流速分布不均匀系数a=1.01.1，本设计中取1.0，渐变段断面为矩形，则进口水深为h= （水力学课本公式）算得水深为1.79米。4).渐变段出口水深应用能量守恒原理计算h1+av1/2g+iL=h2+av2/2g+hf;hf=v2L/c2R （水力学课本公式） 其中进水口水深h1=1.790m，进口流速V1=7.5/1.79=4.19m/s，首末两端末差iL=1/2014.231=0.71116 m，代入上式.设h2=2.74 m，则相应水力要素w2=bh2=16*2.74=43.84m2,v2=150/43.84=3.423m/s,w=( w1+w2)/2=39.82m2,x=(x1+x2)/2=22.53m,c=R1/6/n=84.58m1/2/s,v=Q/w=3.767m/s,代入上式，左边等于右边，所以渐变段出口水深2.740米。5).陡坡段1）底坡类型：根据选定的溢洪道位置的落差取底坡i=0.125，底宽16m，由水力学公式求得正常水深0.667m，单宽流量9.375m2/s取a=1.0，则临界水深hk=2.077米，其相应水力要素为：（水力学课本第六章）xk=B+2hk=16+2.077=20.154m,wk=Bhk=162.077=33.232m2,Rk=wk/xk=33.232/20.154=1.6484m;Ck= R1/6/n=83.6.95 m1/2/sik=gxk/ack2Bk=1.76810-3因为h0ik,故属于陡坡，水流为急流为b2型降水曲线。2）陡坡长度：已知堰顶高程为116.70米，收缩段落差14.2310.05=0.7116米，由鼻坎高程为102.450米，挑射角=25，反弧半径R=10米，反弧段最低点高程102.207-R(1-COS)=101.2701m.陡坡总跌差116.70-0.7116-101.2701=14.7183m底坡i=0.125，陡坡长度：Ls=长度为118.6627米.（3）由分段求和法计算水面曲线（1-2）断面陡坡段水平投影长度L=117.7464米，水平曲线采用下式计算：ES1+iL= ES2+JL,已知h1=2.74m,则A1=b1h1=43.840m2,x1=b1+2h1=21.4m,R=A1/x1=2.041m,v=3.4215m/s.流速分布不均匀系数a=1.0，av12/2g=0.5967米，该断面的单位能量ES1=0.5967+2.74=3.3367米，i=0.125; L=20m,假设h2=0.965米，同上面计算步骤一样，计算得等式左边=右边，h2=0.965米合理，不需要试算，对于2-3、3-4计算方法一样。在此不重复。（请同学将等式右边列出，并将陡坡水面曲线试算表列下）（4）流速及掺气水深在已知各段面的水深后，便可计算出各过水断面面积及流速，用公式计算出掺气高度，水深加掺气高度等于掺气水深，计算结果如下：表2 断面流速及掺气水深断面号1234断面距离（m）02070115.485水深（m）2.740.9650.7410.711过水断面面积(m2)43.8415.4411.85611.376流速(m/s)3.429.71512.6513.19掺气水深（m）2.85751.07750.85350.8235考虑掺气后的水深按下式计算：hb=h(1+v/100)已知断面水深h=0.711米，过水面积w=11.376m2,v=Q/w=13.1857m/s, 一般为1.01.4，当流速大于20 m/s时采用较大值，此处取1.20，则hb=0.8235。5).陡坡允许流速：钢筋混凝土标号C25，平均水深0.4米，允许流速18(m/s)V=13.9276(m/s)，所以满足要求。6).边墙高度采用最大水深加安全超高，本设计采用超高0.5米。根据结果绘制水面线。断面1-12-23-34-4距离（m）2070115.485水深（m）2.85251.07750.85350.82357.溢洪道泄槽临界坡度 已知临界水深2.077米，相应水力要素可出来（请同学们自己计算后写出，A1、v、R、x ） ik=gxk/ack2Bk=1.76810-3 ，因为h0ik,故属于陡坡，水流为急流为b2型降水曲线 。 8.溢洪道溢流消能的计算 8.1形式选择因为溢洪道下游为岩基，附近无其他建筑物，故选用挑流消能。8.2计算尾水位1）选定计算断面，由坝址地形图可知，在距溢洪道出口240米处的冲沟变化较小，该段平均比降为：i=（100-90）/240=0.0417在该段内实测3个断面，选定代表性较好的距溢洪道出口90米的断面作为计算断面，用水面坡降延长法将计算断面的水位流量关系曲线引到溢洪道出口断面。2）绘制溢洪道出口水位流量关系曲线，用均匀流公式计算流量：Q=R2/3i1/2/n,已知平均比降i=0.0417，根据冲沟情况和覆盖情况查水力学课本得，糙率为0.033，则v=6.1881 R2/3,R=W/X，先假定计算断面的各级水位，再从断面图中测出W、X，代入上式求出Q、v。 溢洪道出口与计算断面的水面差iL=0.0417*90=3.753米，溢洪道出口断面水位等于计算