水工建筑物重力坝设计计算书

1 一 一 非溢流坝设计非溢流坝设计 一 初步拟定坝型的轮廓尺寸 1 坝顶高程的确定 校核洪水位情况下 波浪高度 2hl 0 0166V5 4D1 3 0 0166 185 4 41 3 0 98m 波浪长度 2Ll 10 4 2hl 0 8 10 4 0 980 8 10 23m 波浪中心线到静水面的高度 h0 2hl 2 2Ll 3 14 0 982 10 23 0 30m 安全超高按 级建筑物取值 hc 0 3m 坝顶高出水库静水位的高度 h校 2hl h0 hc 0 98 0 30 0 3 1 58m 设计洪水位情况下 波浪高度 2hl 0 0166 1 5V 5 4D1 3 0 0166 1 5 18 5 4 41 3 1 62m 波浪长度 2Ll 10 4 2hl 0 8 10 4 1 620 8 15 3m 波浪中心线到静水面的高度 h0 2hl 2 2Ll 3 14 1 622 15 3 0 54m 安全超高按 级建筑物取值 hc 0 4m 坝顶高出水库静水位的高度 h设 2hl h0 hc 1 62 0 54 0 4 2 56m 两种情况下的坝顶高程分别如下 校核洪水位时 225 3 1 58 226 9m 设计洪水位时 224 0 2 56 226 56m 坝顶高程选两种情况最大值 226 9 m 可按 227 00m 设计 则坝高 227 00 174 5 52 5m 2 坝顶宽度的确定 本工程按人行行道要求并设置有发电进水口 布置闸门设备 应适当加宽以满足闸 门设备的布置 运行和工作交通要求 故取 8 米 3 坝坡的确定 考虑到利用部分水重增加稳定 根据工程经验 上游坡采用 1 0 2 下游坡按坝底 宽度约为坝高的 0 7 0 9 倍 挡水坝段和厂房坝段均采用 1 0 7 4 上下游折坡点高程的确定 理论分析和工程实验证明 混凝土重力坝上游面可做成折坡 折坡点一般位于 1 3 2 3 坝高处 以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定 根据坝高确定为 52 5m 则 1 3H 1 3 52 5 17 5m 折坡点高程 174 5 17 5 192m 2 3H 2 3 52 5 35m 折坡点高程 174 5 35 209 5m 所以折坡点 高程适合位于 192m 209 5m 之间 则取折坡点高程为 203 00m 挡水坝段和厂房坝段的 下游折坡点在统一高程 216 5m 处 5 坝底宽度的确定 由几何关系可得坝底宽度为 T 203 174 5 0 2 8 216 5 174 5 0 7 43 1m 2 6 廊道的确定 坝内设有基础灌浆排水廊道 距上游坝面 6 1m 廊道底距基岩面 4m 尺寸 2 5 3 0m 宽 高 7 非溢流坝段纵剖面示意图 二 基本组合荷载计算及稳定分析 由上述非溢流剖面设计计算得知校核洪水位情况下的波浪三要数 波浪中心线到静水面的高度 h0 0 3m 波浪高度 2hl 0 98m 波浪长 2Ll 10 23m 因为 gD v2 9 81 4000 182 121 11m 在 20 250m 之间 所以波高应安转换为累计频率 1 时的波高 2hl 1 0 98 1 24 1 22m 又因为半个波长 Ll 10 23 2 5 12 H 坝前水深 H 50 8m 所以浪压力 Pl按深水波计算 式中 其中灌浆处及排水处扬压力折减系数取 0 25 水重度 9 81KN m3 混泥土等级强度 C10 混泥土重度 24KN m3 坝前淤沙浮容重 0 95T m3 9 5KN m3 水下淤沙内摩擦角 18 3 1 正常洪水位情况 正常洪水位情况下荷载计算示意图 正常洪水位情况下的荷载计算过程见附表 1 1 W W W 1 抗滑稳定分析 0 9 23368 24 5542 88 700 43 1 9752 39 4 74 3 0 满足抗滑稳定 要求 2 校核洪水位情况 校核洪水位情况下荷载计算示意图 校核洪水位情况下的荷载计算过程见附表 2 P ACUWf sK 1 W W W 1 抗滑稳定分析 0 9 20324 20 9842 49 700 43 1 12419 82 3 19 2 5 满足抗滑稳定 要求 四 应力分析 运行期 一 正常洪水位情况下 1 水平截面上的正应力 2 剪应力 上游面水压力强度 下游面水压力强度 剪应力 3 水平应力 25 2837 056 32796 53kPamP ddxd 4 主应力 二 校核洪水位情况下 1 水平截面上的正应力 48 562 1 43 45 62826 1 43 04 22586 6 22 kPa B M B W yu 89 521 1 43 45 62826 1 43 04 22586 6 22 kPa B M B W yd 25 92 0 48 56222 516 kPanP yuuu 56 3277 0 96 5389 521 kPamPd ydd 07 5182 0 25 9 22 516kPanP uuxu 33 5642 022 51648 562 2 01 1 2222 1 kPanPn uyuu 18 7517 096 5389 521 7 01 1 2222 1 kPamPm dydd 22 516 2 kPaP uu 96 53 2 kPaPd d 96 535 581 9 2 kPaHrP wd 22 516 2 18 45 tan 8 195 9 5 4281 9 2 45 tan 22 1 kPaHrHrP sbwu 淤 P ACUWf sK 2 2 剪应力 上游面水压力强度 下游面水压力强度 剪应力 3 水平应力 4 主应力 03 767 1 43 78 914776 1 43 20 20324 6 22 kPa B M B W yu 09 176 1 43 78 914776 1 43 20 20324 6 22 kPa B M B W yd 64 597 2 18 45 tan8 195 9 8 5081 9 2 45 tan 22 1 kPaHrHrP sbwu 淤 88 332 0 03 76764 597 kPanP yuuu 36 127 0 43 15809 176 kPamP dydd 42 6042 0 88 33 64 597kPanP uuxu 80 7732 064 59703 767 2 01 1 2222 1 kPanPn uyuu 74 1847 043 15809 176 7 01 1 2222 1 kPamPm dydd 64 597 2 kPaP uu 43 158 2 kPaP dd 43 15815 1681 9 2 kPaHrP wd 08 1677 036 1243 158kPamP ddxd 1 五 内部应力计算 一 正常洪水位情况下 坐标原点设在下游坝面 由偏心受压公式可以得出系数 a 和 b 如下 具体坝内应力计算过程见附表 3 二 校核洪水位情况下 坐标原点设在下游坝面 由偏心受压公式可以得出系数 a 和 b 如下 具体坝内应力计算过程见附表 4 89 521 1 43 45 62826 1 43 04 22586 6 22 B M B W a 52 0 1 43 45 628212 12 33 B M b 09 176 1 43 78 914776 1 43 24 23368 6 22 B M B W a 71 13 1 43 78 9147712 12 33 B M b 1 附表 3 非溢流非溢流坝坝坝坝内内应应力分析力分析计计算表算表 正常洪水位情况下 选取点距坝址距离 X01020304043 1 a W B 6 M B 521 89 512 89512 89512 89512 89512 89 b 12 M B 0 94 0 940 940 940 940 94 水平截面正应力 y a bX521 89 522 29 531 69 541 09 550 49 553 40 a1 d327 56 327 56 327 56 327 56 327 56 327 56 b1 1 B 6 P B 2 u 4 d 61 47 61 47 61 47 61 47 61 47 61 47 c1 1 B 6 P B 3 u 3 d 1 24 1 24 1 24 1 24 1 24 1 24 坝内剪应力 a1 b1X c1X 327 56 163 14 405 84 400 54 147 24 18 36 a2 xd283 25 283 25 283 25 283 25 283 25 283 25 b2 xu xd B4 47 4 47 4 47 4 47 4 47 4 47 坝内水平正应力 x a2 b2X283 25 327 95 372 65 417 35 462 05 475 91 坝内主应力 751 18 615 01 865 73 884 51 660 01 557 53 坝内主应力 539 37 471 28 596 64 606 04 493 78 422 55 第一主应力方向 35 0 29 37 39 27 40 36 36 38 12 35 2 2 1 22 xyyx 2 2 2 22 xyyx 2 arctan 2 1 1 xy 2 附表 4 非溢流非溢流坝坝坝坝内内应应力分析力分析计计算表算表 校核洪水位情况下 选取点距坝址距离 X01020304043 1 a W B 6 M B 176 09 176 09176 09176 09176 09176 09 b 12 M B 13 71 13 7113 7113 7113 7113 71 水平截面正应力 y a bX176 09 313 19 450 29 587 39 724 49 766 99 a1 d12 36 12 36 12 36 12 36 12 36 12 36 b1 1 B 6 P B 2 u 4 d 39 69 39 69 39 69 39 69 39 69 39 69 c1 1 B 6 P B 3 u 3 d 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 坝内剪应力 a1 b1X c1X 12 36 294 54 421 44 368 34 135 24 26 43 a2 xd167 08 167 08 167 08 167 08 167 08 167 08 b2 xu xd B8 33 8 33 8 33 8 33 8 33 8 33 坝内水平正应力 x a2 b2X167 08 250 38 333 68 416 98 500 28 526 10 坝内主应力 184 74 577 99 817 44 880 25 788 05 769 86 坝内主应力 158 43 295 18 414 90 446 31 400 20 391 11 第一主应力方向 34 58 41 57 41 03 38 28 25 12 6 12 2 2 1 22 xyyx 2 2 2 22 xyyx 2 arctan 2 1 1 xy 1 六 坝内应力分析图六 坝内应力分析图 根据坝内应力分析计算成果 可做出坝内应力分布图 如下所示 1 正常洪水位情况下 2 2 校核洪水位情况下 3 二 溢流坝设计二 溢流坝设计 一 一 孔口型式及尺寸拟定孔口型式及尺寸拟定 已知 校核洪水位时泄流量为 3340 m s 设计洪水位时泄流量 2600 m s 设 单宽流量为 q 80 m s m 闸门孔口数为 5 孔 每孔净宽为 8m 前缘净宽 校核洪水位时 L Q溢 q 3340 80 41 75 m 设计洪水位时 L Q溢 q 2600 80 32 5 m 综上所述 取 L 40m 堰顶高程 由资料可知 堰顶高程为 213 00m 二 二 溢流坝的堰面曲线设计溢流坝的堰面曲线设计 顶部曲线段 开敞式溢流堰面曲线 采用幂曲线时按下式计算 定型设计水头 按堰顶最大作用水头的 75 95 计算 m n K 与上游坝面坡度有关的指数和系数 x y 溢流面曲线的坐标 其原点设在颜面曲线的最高点 按 85 计算 则 上游坝面铅直 k 2 n 1 85 x y 关系如下表 原点上游曲线段 R1 0 5Hd 0 5 10 46 5 23 m 0 175Hd 0 175 10 46 1 83 m R2 0 2Hd 0 2 10 46 2 09 m 0 276Hd 0 276 10 46 2 89 m R3 0 04Hd 0 04 10 46 0 42 m 0 282Hd 0 282 10 46 2 95 m 堰面曲线与直线段的切点坐标 上游坡度垂直 A 1 096 B 0 592 a 1 1765 b 2 176 直线段与溢流曲线的切点坐标 1 arctan1 43 55 x012345678910 y00 0680 2450 5190 8831 3351 872 4883 1853 964 812 ykHx n d n 1 d H mHHd46 10 2133 225 85 0 5 80 max 43 1 7 0 11 tan 1 m 46 1743 1 46 10096 1 tan 1765 1 1 mAHx a d T 4 切点高程 堰顶高程 213 13 49 199 51 m 底部反弧段 取 0 95 时 坝顶水面流速为 V1 H0 校核洪水位 坎顶高程 225 3 191 65 33 65 m 因为 q 80 m s m 则 q V1 80 28 1 2 85 所以 h 2 85m 又因为 R 4 10 h 所以取 R 6h 6 2 85 17 1 m 取挑射角 2 20 则 圆心高程 坎顶高程 Rcos 2 191 65 17 1cos20 207 72 m 圆心纵坐标y0 堰顶高程 圆心高程 213 207 72 5 25 m 反弧段和直线段的切点坐标 圆心坐标 E 点坐标 坎顶坐标 离心力作用点坐标 49 1343 1 46 10592 0 tan 176 2 1 mBHy b d T T y 10 2865 3310295 0 14 1 214 1 3 01 smgHV 06 1555cos1 1725 5 cos 10 mRyyD 56 18 43 1 49 1306 15 46 17 tan 1 m yy xx T D T D 57 3255sin 1 1756 18sin 1 mRxx Do 25 5 55cos 1 1706 15cos 1 mRyy Do 42 3820sin 1 1757 32sin 2 mRxx oE 32 2120cos 1 1725 5 cos 2 mRyy oE 43 27 2 5520 55sin 1 1757 32 2 sin 21 1 mRxx o 56 21 2 5520 55cos 1 1725 5 2 cos 21 1 mRyy o 5 溢流坝段纵剖面示意图 根据溢流坝的堰面曲线设计数据画出溢流坝段的纵剖面示意图 如下 溢流坝段纵剖面示意图 三 基本组合荷载计算及稳定分析三 基本组合荷载计算及稳定分析 波浪三要数 波浪中心线到静水面的高度 h0 0 3m 波浪高度 2hl 0 0166V5 4D1 3 0 0166 185 4 41 3 0 98m 波浪长度 2Ll 10 4 2hl 0 8 10 4 0 980 8 10 23m 因为 gD v2 9 81 4000 182 121 11m 在 20 250m 之间 所以波高应安转换为累计频率 1 时的波高 2hl 1 0 98 1 24 1 22m 又因为半个波长 Ll 10 23 2 5 12 H 坝前水深 H 50 8m 所以浪压力 Pl按深水波计算 式中 灌浆处及排水处扬压力折减系数取 0 25 水重度 9 81KN m3 混泥土等级强度 C10 6 混泥土重度 24KN m3 坝前淤沙浮容重 0 95T m3 9 5KN m3 水下淤沙内摩擦角 18 1 基本组合荷载计算 在 CAD 中绘制溢流坝段纵剖面图 并利用面域查出一个坝段坝体面积 A1 1179 90m 坝体重心距坝踵 X1 21 67m 一个闸墩面积 A2 181 75 m 闸墩重心距 坝踵 X2 11 93m 溢流坝段基本组合荷载计算过程见附表 5 基本组合荷载示意图如下 溢流坝段基本组合荷载计算示意图 7 1 附表 5 溢流重力坝基本荷载计算表 上游水位 225 30m 下游水位 190 65m 溢流坝高 38 5m 计算情形 校核洪水位 225 30m 情况 垂直力 KN 水平力 KN 力矩 KN m 荷 载符号 计 算 公 式 对坝底 面中点 的偏心 距 m 正负 W1119 27 242862 48 12 11 34658 91 自重 W21179 90 2428317 60 2 46 69661 30 P1 1 2 9 81 50 82 12658 04 16 93 214342 80 水平 水压力 P2 1 2 9 81 16 152 1279 33 5 38 6887 08 Q1 5 7 22 3 9 811246 95 21 19 26416 62 垂直 水压力 Q2 1 2 5 7 28 5 9 81796 82 22 14 17637 55 U1 48 07 16 15 9 81 7615 80 0 00 0 00 U2 1 2 41 12 8 67 9 81 1748 68 3 38 5907 05 U3 6 95 8 67 9 81 591 12 20 56 12153 35 扬压力 U4 1 2 6 95 25 98 9 81 885 65 21 72 19234 58 P111 2 9 81 5 12 0 3 1 22 5 12 166 75 39 60 6603 47 浪压力 P12 1 2 9 81 5 122 128 58 39 09 5026 26 水平泥 沙压力 Pn1 1 2 9 5 202 tg 45 18 2 1002 94 6