水工建筑物课程设计.docx

一、主要建筑物型式的选择1、确定枢纽的建筑物组成本水利枢纽工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。故枢纽组成建筑物应包括：挡水建筑物、泄水建筑物、水电站建筑物、输水建筑物、其他建筑物。2、确定工程等别和建筑物级别枢纽工程的等别：根据水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，考虑到本枢纽工的任务和资料的某些要求，同时由于坝址处河床较窄，河道陡，调蓄能力低、汇流快，汛期洪峰流量大等因素，枢纽工程等别定为I等。 水工建筑物的级别：永久性主要建筑物为1级，永久性次要建筑物为3级。3、建筑物型式选择（1）挡水建筑物型式的定性选择在岩基上修建挡水坝有三种基本类型：重力坝、拱坝、土石坝。通过对各种坝型的定性比较，综合考虑建筑材料、地形、地质自然条件、应用要求、施工条件后认为：拱坝对地形、地质的要求较高，理想地形是，左右两岸对称，岸坡平顺无突兀，在平面上向下游收缩的河谷段，坝端下游侧要有足够的岩体支撑，岸坡稳定，本工程中两岸山坡为第四系覆盖层，且左右岸各有走向互相垂直的二组陡倾角节理，约3590，是修建拱坝的不利条件；土石坝的修建考虑充分利用当地建筑材料，虽然坝区附近砂石料易解决、且符合规范要求，但坝址处缺乏筑坝的土料，故土石坝方案不可取；考虑到坝址附近对外交通方便，当地砂石料可充分利用，重力坝对地形、地质条件适应性强，故选择混凝土重力坝方案。（2）泄水建筑物型式的定性选择泄水重力坝既要挡水又要泄水，其泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔泄水。设计泄水重力坝，除应满足稳定和强度要求外，还需要根据洪水特性、水利枢纽布置、地形地质等问题确定其位置等的选择。坝身泄洪是经济的，表面溢流孔泄流能力大，又具有较大的超泄潜力，宜优先考虑；深水泄水孔虽然泄流能力不及表面溢流孔，但进水口淹没在水面下，放水条件好、给水库的运用带来了很大的灵活性，可提高水库的利用率和安全度。表面泄水孔具有排沙、放空水库、导流等功能，表面泄水孔泄流能力大、可以选择不同的溢流堰顶高程，故本工程的泄水建筑物选择兼有表面溢流孔和深水泄水孔。溢流坝的泄水方式主要有开敞溢流式和大孔口溢流式两种。堰顶可设闸门，也可不设。设置闸门的溢流孔，闸门顶略高于正常蓄水位，堰顶高程较低，可利用闸门的开度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。本工程调洪成果中，在设计洪水位186.64时，相应的下泄流量为6438.1 ，校核洪水位189.60时，相应的下泄流量为6711.6。为使水库具有较大的超洪能力，采用开敞溢流式溢流堰。（3）选择水电站建筑物的型式采用坝后式水电站，主厂房平面尺寸8181，发电机层高程114.8，尾水底板高程90.8，厂房顶高程130.5。副厂房平面尺寸6610。安装场尺寸为2118。开关站尺寸2075。（4）过木建筑物型式的定性选择采用用于浮运木排（筏）的过木建筑物筏道。二、重力坝枢纽的各主要建筑物设计1、非溢流重力坝设计1）非溢流重力坝剖面尺寸的拟定 重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，以材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据，并以特殊荷载组合复核。设计断面要满足稳定和强度要求，保证大坝安全，工程量小，造价低，运用方便，便于施工，避免出现不利的应力分布状态。重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.60.8；底宽约为坝高的0.70.9倍。根据交通和运行管理的需要，坝顶应由足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应有一定的超高非溢流坝剖面形态坝顶宽度一般取坝高的8%-10%，且小于2m.坝顶高程 河底高程约为100m，河床覆盖层由大块石、卵石组成，厚度约为5-6m，两岸坡为第四层覆盖层，厚度为5-10m左右，工程建基面开挖时挖除覆盖层，即初步拟定开挖深度为8，故坝基高程定为92。 坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程。防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差=+ 式中：为累计频率为1%时的波浪高度，；为波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，；为安全加高，因建筑物级别为1级，按规定，设计情况取安全加高=0.7，校核情况取安全加高=0.5。 与：按SL319-2005混凝土重力坝设计规范，采用适用于山区峡谷水库的官厅水库公式：；为计算风速，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速20m/s；校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。D为吹程，。波高，当时，为累计频率5%的波高；当时，为累计频率10%的波高。规范规定采用累计频率为1%的波高，对于5%的波高=1.24；对于10%的波高=1.41。为坝前水深，等于相应的水位与坝基高程之差a、设计水位时的计算取重现期最大风速17，D=4.5，=186.64-92=94.64，求得：=0.95，=9.95，=0.28，=152.60，=1.24=1.17，=+=1.17+0.28+0.7=2.15。b、校核水位时的计算取洪水期多年平均最大风速12，D=4，=189.60-92=97.6，求得：=0.59，=6.81，=0.16，=272.22，=1.41=0.83，=+=0.83+0.16+0.5=1.49。max（设计洪水位+，校核洪水位+）=max（188.79,191.09）=191.09。取防浪墙的高度为1.2，故坝顶高程=189.89，最大坝高为97.89。所以坝顶宽度为10m。上下游面及坝底宽的拟定据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，下游坝坡坡率m=0.60.8；底宽约为坝高的0.70.9倍。上游折面可利用淤沙和水增加坝体自重，折点设置在淤沙高程之上，据水文站实测资料分析，百年后水库淤积高程115，死水位164，故折点取在164；上游坝坡坡率0.1，下游坝坡坡率0.75；相应坝底宽度为76.5。基础灌浆廊道尺寸的拟定坝内设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.53，高为34，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.050.1倍作用水头、且不小于45，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度。本次设计中，基础灌浆廊道断面取3.03.5m，形状采用城门洞形，距上游坝面8.5，距基岩面5。2、安全控制验算与改善措施 1）荷载计算及组合 重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范要求。 本次设计考虑的基本荷载组合为设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况 荷载计算示意图（取1坝长）坝体自重坝体自重计算公式=，取混凝土容重为24。 W11=Vc=0.5770124=5880KN W12=Vc=1097.89124=23493.6KNW13=Vc=0.5(76.5-17) /0.75124=56644KN 故=86017.6静水压力水深为H时，单位宽度的水平静水压力P为 P=H2/2 一般取9.81kN/m扬压力扬压力包括渗流压力和上浮力两部分。渗流压力是由上下游水位差作用产生的渗流在坝内或坝基面上形成的向上的静水压力；上浮力是由下游水深产生的浮托力。根据规范，排水处扬压力折减系数=0.25，=。可知排水中心线距坝底上游面水平距离为10。各工况下静水压力及扬压力计算表特征水位上游水位下游水位 正常蓄水位184.25103.53794.0 332.0 39951.5 442.7 18665.2 设计水位186.64114.153958.1 1493.7 42095.5 1991.5 25477.7 校核水位189.60115.504161.4 1700.5 44828.6 2267.3 26720.8 泥沙压力水平泥沙压力P=sb hs2tg2(450-/2)/2式中:sb-泥沙的浮容重，KN/m3 hs-坝前淤沙厚度 -淤沙的内摩擦角据水文站实测资料分析，年固体径流总量为331万，百年后水库淤积高程115。淤沙浮容重为8.5，内摩擦角10。P=sb hs2tg2(450-/2)/2 =8.5(115-92) tg2(45 -12 /2)/2 =1474KN竖直方向的泥沙压力按作用面上的淤沙重量（淤沙的浮重度）计算Psv=1/2(115-92) 0.18.5=224.8KN浪压力 查的平均波长计算公式：=，代入相应情况下的风速与吹程，设计洪水位时，=9.98，校核洪水位时，=6.82。易知两种工况下坝前水深均大于相应半平均波长，波浪运动不受库底的约束，即为深水波，均按深水波计算浪压力，如下图示：浪压力计算式，代入相应工况的数据，求得设计洪水位时，=35.5，校核洪水位时，=16.6。地震情况按正常蓄水位计算。地震作用本工程区地震烈度为7度，采用拟静力法考虑水平向地震作用。混凝土重力坝沿高度作用于质点的水平向地震惯性力代表值=/。当设计烈度为7度时， 取0.1，一般取0.25， 为质点的动态分布系数,按下式计算=。各工况下力与力矩计算如下：设计洪水位荷载计算汇总表荷载作用小 计扬压力垂直力水平力对形心的力臂力矩自 重W11588033.581974504W122349.3626.2561670.7W13566441.4280434水压力142095.530.8812999091991.56.7213383水压力21554.7 34.75540262403.433.58807061493.733.2149606泥沙压力122978603187.431.255856浪压力35.591.433246小 计92670.541368.5325402扬压力U12666.734.9293121U21777.833.2559112U35911.26.0835940U41512200总 计67192.841368.5513576校核洪水位荷载计算汇总表荷载作用小 计扬压力垂直力水平力对形心的力臂力矩自 重W11588033.581974504W122349.3626.2561670.7W13566441.4280434水压力144828.631.8714286872267.37.216324.6水压力21758 34.7561080.52403.433.58807061700.532.87555904泥沙压力122978603187.431.255856浪压力16.694.551569.5小 计 91586.943806.9438805.4扬压力U1272634.92103733U21817.333.2565848U36042.56.0840036U41613500总 计64866.143806.96484222)抗滑稳定分析 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或坝基内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致坝的整体失稳。抗剪断强度的计算公式： 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；坝体砼与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；坝体砼与坝基接触面的抗剪断凝聚力，Pa；坝基接触面截面积，；作用接触面以上的总铅直力，；作用接触面以上的总水平力，；，故按规范，抗滑稳定不满足提高抗滑稳定性的工程措施： 利用水重 采用有利的开挖轮廓线 设置齿强 抽水措施 加固地基横缝灌浆 预加应力措施考虑到提高坝体抗滑稳定性的以上工程措施及可行性综合影响f=1.0 C =0.9改善后进行抗滑稳定分析：设计工况 ，由以上计算可知，设计洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。校核工况 ，由以上计算可知，校核洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。3)应力分析 应力分析的目的是检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位配筋等提供依据。 应力分析的过程是，首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求 应力分析采用材料力学法，其基本假定为： 坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。 视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。 假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以重力坝设计规范规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。用材料力学分析坝体应力时，重力坝设计规范规定的强度指标如下。坝基面的铅直应力应符合下列要求：运用期：在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝基面的最大铅直正应力小于坝基容许应力。施工期：坝址铅直应力允许有小于0.1的拉应力。坝体应力要求运用期：坝体上游面的铅直应力不出现拉应力（计扬压力）；坝体的最大主压应力，不得大于混凝土的容许压应力。施工期：坝体任何截面上的主压应力不得大于混凝土的容许压应力；在坝体的下游面可以有不大于0.2的主拉应力。设计工况下的应力分析=67192.8/76.5+6(-513576)/76.52=351.8=67192.8/76.5-6(-513576)/76.52=1404.9b.校核工况下的应力分析=64866.1/76.5+6(-648422)/76.52=183.1=64866.1/76.5-6(-648422)/76.52=1512.7由以上计算和规范分析可知，坝基面应力满足要求。2、重力坝细部构造设计 1）坝顶布置与构造 对于非溢流坝段，坝顶上游侧设置防浪墙，采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，墙身应有足够的厚度以抵挡波浪及漂浮物冲击，墙高一般1.2，下游侧应设置防护栏杆、灯柱，以保护行人和行车安全。在坝体的伸缩缝处，防浪墙也相应设置伸缩缝，并设止水。坝顶路面应有适当的横向坡度，并设置相应的排水设施，以便排除路面雨水。路面排水应与坝体内排水连通或直接排入把体内。当设置人行道时，宜高出坝顶路面2030。对于溢流坝段，溢流坝的上部构造，应根据运行要求布置。有交通要求时，应按公路等级设置交通桥；无交通要求时，需设置人行道。对于大中型工程溢流坝，坝顶常设置闸门、闸敦、工作桥、启闭机等。本工程设防浪墙，采用与大坝相连固结的方法，墙高取1.2。坝顶有双线公路交通要求，故取路面宽8，两旁设人行道各1人，人行道上设栏杆，路面呈弧形，横向坡度，取为2%，以将路面积水排向两侧，并设置相应的排水管将集水引至上游水库。为了照明需要，在坝顶下游段每隔10设置路灯。2）坝身廊道与排水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筑到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。为此需要在坝踵附近距上游坝面0.05-0.1倍作用水、且不小于4-5m处设置灌浆廊道。廊道断面一般多为城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作用的要求，一般宽为2.5-3m，高为3-4m，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。灌浆廊道兼有排水作用，需要在其上游侧设排水沟、下游侧设坝基排水孔 幕及扬压力观测孔，并在靠近廊道的最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后，经横向排水管自流或由水泵抽水排至下游坝体。坝体廊道：坝内设纵向（沿坝轴线）和横向（垂直于坝轴线）廊道，纵向廊道按高程分层设置，一般沿坝高每隔1530设置一层，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2，最小高度为2.2，距上游面的距离应不少于0.050.07 倍水头，且不小于3。当有多层廊道时，应在两岸将各层互相连通。若廊道较长，沿坝长每隔200300，应在上下层廊道之间设置交通通道。对高坝应设置12座电梯及便梯，对中坝和中型工程的高坝，视需要设置电梯或便梯。本工程设计排水廊道断面尺寸统一拟定为22.5，城门洞形，距上游面的距离选取5，上游测设排水沟，沿坝高每28布置一层，即在130.5高程和161高程，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。3）横缝的构造横缝垂直于坝轴线设置，将坝体分成若干个坝段。横缝的间距主要取决于气候条件，地形与地质特点，坝的高度，施工条件等因素。横缝的划分只要取决于地基特性、河谷地形、温度变化、结构布置和浇筑能力等。其作用是：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求。横缝间距一般为15-20m，横缝间距超过22m或小于12m时，应做论证。横缝有永久性和临时性两种。永久缝可分为沉降缝、温度缝和兼有两种作用的温度沉降缝。本工程可采用温度沉降缝，永久横缝内需要设置专门的止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料和沥青等。对于高坝或很重要的坝，需设两道止水，中间设沥青井，前面设混凝土塞。当止水失效时，混凝土塞可起临时止水作用。本次设计采用两道止水片和一道防渗沥青井的布置。第一道止水离上游面约0.52.0，本工程设计取1.6。一般采用1.01.5厚的紫铜片，每侧埋入混凝土中的长度约为2025厘米。第二道止水也可用不锈钢片或镀锌钢片。在气候温和地区止水片可采用塑料，在寒冷地区可采用橡胶。沥青井为方形或圆形，其一侧可用预制混凝土块，长11.5，厚510。沥青井尺寸大致为2020至3030，井内灌注的填料由号或号石油沥青、水泥和石棉粉组成，井内设加热设备。3、重力坝的地基处理地基处理的只要任务是：防渗、提高基岩的强度和整体性1）防渗帷幕与排水为了减少坝底的渗透压力，防止渗透破坏和减少漏水，坝基及两岸均应进行防渗处理。最常用的防渗方法是进行帷幕灌浆，即在坝踵附近钻孔，进行深层高压灌水泥浆，充填岩基裂缝等渗水通道，形成一道垂直的防渗帷幕。经过论证，也可以采用混凝土齿墙，防渗墙或水平防渗铺盖等措施。 防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸。钻