课程设计蒋连华.doc

设计计算说明书学号：2010800608姓名：蒋连华目录1、 重力坝非溢流坝段的设计31.1、非溢流坝段的剖面设计31.1.1、坝顶高程的确定31.1.2、坝顶宽度的确定41.2.3、坝底宽度的确定51.2.4、上下游边坡51.2.5、廊道的布置52、 非溢流坝段的应力及稳定分析52.1、荷载计算52.1.1、自重荷载62.1.2、静水压力62.1.3、扬压力62.1.4、泥沙压力82.1.5、波浪压力82.2、抗滑稳定分析92.3、重力坝的应力分析102.3.1 不考虑扬压力下的应力分析102.3.2、考虑扬压力下的应力分析122.4、应力分析结果142.4.1、考虑扬压力程序计算结果142.4.2 不考虑扬压力程序计算结果213、 溢流坝段的设计283.1、顶部曲线段283.2、中间直线段293.3、反弧段303.4、挑角的确定303.5、溢流坝剖面图绘制304、附录301、 重力坝非溢流坝段的设计1.1、非溢流坝段的剖面设计1.1.1、坝顶高程的确定（1）、基本资料的确定 根据已知风向的吹力：多年平均最大风速20m/s,历年最大风速30m/s。风向基本垂直坝轴线，吹程D=3km。（2）、坝顶高程的确定坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，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可按下式计算式中：为累计频率为1%时的波浪高度，m；为波浪中心线高于静水位的高度；为安全加高，按下表选用：表1安全加高单位：m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由已知条件可知该坝址主要建筑物为2级建筑物，所以安全加高在设计情况和校核情况是分别为0.5m和0.4m，由此可计算波浪的。已知该坝水库吹程D=3km，历年最大风速为30m/s，多年平均最大风速为20m/s。正常蓄水位和设计洪水时宜采用相应最大风速，即为30m/s，校核情况宜采用最大风速的历年平均值，即为20m/s，带入官厅水库公式；中有：正常蓄水位时：由于在20-250之间，所以设计洪水位时：由于在20-250之间，所以校核洪水位时：由于在20-250之间，所以设计洪水位时：相应的坝顶高程为： 605.00+3.1473=608.1473m校核洪水位时：相应的坝顶高程为： 611.3+1.9605=613.2605m防浪墙顶高程按下式计算，并选用其中的较大值。可见校核洪水情况所要求的坝顶高程为控制高程，由于防浪墙高1.2m故采用坝顶高程为613.2605-1.2=612.1m。所以坝高=612.1-565=47.1m，可近似取为48m。1.1.2、坝顶宽度的确定取坝高的8%-10%，且不小于2m，因此在3.76m-4.7m之间，取为4m。1.2.3、坝底宽度的确定为了满足要求，取坝底宽度为坝高的0.7-0.9倍之间，即32.9m-42.3m之间。故取为36m。1.2.4、上下游边坡本次设计采用上游坝面铅直，下游破率取为0.8。1.2.5、廊道的布置根据要求，廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05-1.0倍的水头，故取4m，宽度为2.5m-3m，取3m，高为3-3.5m，取3.5m。1.26、非溢流坝段剖面图2、 非溢流坝段的应力及稳定分析2.1、荷载计算一般重力坝结构计算内容包括稳定和强度的计算，重力坝抗滑稳定及坝体应力计算的荷载组合分为基本组合和特殊组合两种，宜以正常蓄水位时的荷载组合作为基本组合；在严寒地区冰冻情况也应作为一种基本组合；以校核洪水时的荷载或地震荷载作为特殊组合。本设计基本组合只计算正常蓄水位时的荷载组合，特殊组合只计算校核和地震荷载。且选取坝基面和靠近坝基的廊道底面作为计算截面。 该重力坝承受的荷载与作用主要有：（1）自重（包括固定设备重）；（2）静水压力；（3）扬压力；（4）泥沙压力；（5）波浪压力；（6）地震作用（不考虑）等。其荷载组合如表（2-1）所示。且取1m坝长进行计算；排水孔距上游面4m。表2 荷载组合荷载组合主要考虑情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力波浪压力基本组合（1）正常蓄水位（2）设计洪水位特殊组合（3）校核洪水位2.1.1、自重荷载混泥土自重公式为： 式中：混泥土容重；V坝体体积；取1m坝体长度进行计算。 因为正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位三种设计工况下坝体自重与水位无关，所以三种设计工况下坝体自重都为：2.1.2、静水压力正常蓄水位工况： 7848.00KN 170.743KN 136.594KN 设计洪水位工况： 9888.529KN 754.193KN 603.354KN校核洪水位工况： 10514.799KN 907.229KN 725.783KN2.1.3、扬压力扬压力包括上浮力及渗流压力，上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力；渗流压力是在上、下游水位差作用下，水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水压力。影响坝底扬压力分布和大小的因素有很多，很难严格定量。因为坝底与基岩接触面的空隙分布、基岩本身裂隙等很难弄清，加之帷幕灌浆和排水孔幕等设施，理论计算坝底扬压力目前几乎不可能。所以，水工设计中有关扬压力分布及其代表值的规定，是基于已建坝的原型观测数据的累积和便于设计运用的近似处理结果，并不十分准确。所以，有扬压力强度，可由水头乘以水的重度得到。该坝基设有防渗帷幕和排水孔，坝底面上游坝踵处扬压力作用水头为，排水孔中心线处为，下游坝址处为，期间各段依次以直线连接。取排水孔处扬压力折减系数。将扬压力分成4个部分进行计算。 正常蓄水位: 401.425KN 1605.701KN 468.329KN扬 压 力：4559.099KN设计洪水位： 4379.184KN 384.944KN 382.590KN 446.355KN扬 压 力：6738.489KN 校核洪水位：4802.976KN 384.944KN 1539.778KN 449.102KN 扬 压 力：7176.800KN2.1.4、泥沙压力 淤沙压力是混泥土坝等挡水建筑物前由于河流泥沙淤积，而在淤积厚度范围内作用于坝面的一种压力。对于多泥沙河流上的工程，淤沙压力是很重要的作用，它直接与坝的稳定有关。但并非所有的水工建筑物都承受淤沙压力，应根据河流水文泥沙资料、枢纽布置及运行情况，分析确定是否计入建筑物的泥沙压力。根据郎肯理论主动土压力公式，作用于单位长度挡水结构上的水平淤沙压力可按式（1-6）计算。 式中：为坝面单位宽度上的水平淤沙压力，； 为淤沙的浮容重，（取=8.0）； 为坝前泥沙淤积厚度，m，（取=580-565=15m）； 为淤沙的内摩擦角，（），（取=）。 所以带入（2-1）公式得：2.1.5、波浪压力 当坝前水深不小于半波长（即）时，为深水波。水域的底部对波浪运动没有影响，这是的铅直面上的波浪压力分布应按立波概念确定；当坝前水深小于半波长，但不小于是波浪破碎的临界水深（即）时，为深水波，水域底部对波浪运动有影响，浪压力分布也达到底部。 判别三种工况下浪压力分布： 正常蓄水位：半波长15.757m，605-565=40m； ，为深水波； 设计洪水位：半波长15.757m，609.9-565=44.9m； ，为深水波； 校核洪水位：半波长10.505m，611.3-565=46.3m； ，为深水波； 由于三种工况下浪压力分布都为深水波，所以单位长度上的波浪压力（）为： 所以三种工况下的波浪压力分别为： 正常蓄水位：=2.084m，=0.563m102.297KN 设计洪水位：=2.084m，=0.563m102.297KN 校核洪水位：=1.256m，=0.307m 40.23KN2.2、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体内部缓倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。目前采用的方法有单一安全系数法及基于目标可靠度的极限状态设计方法，本次设计采用单一安全系数法。依照混凝土重力坝设计规范SL319-2005的规定：坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面稳定条件，应按抗剪强度公式或抗剪断强度公式行验算。1、抗剪强度公式 由于该坝址的接触面为水平，所以采用式一进行抗剪计算。表3坝基面抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合（1）1.051.001.00（2）1.001.001.002、 抗剪断公式本次设计采用两个公式分别计算安全系数，根据坝基岩石条件取，分别均取。Ks基本组合时取3.0，校核洪水时取2.5。1）.基本组合（正常蓄水位时）用抗剪断公式验算时：（大于3.0，故满足稳定要求）2).校核洪水位用抗剪断公式验算时：（大于2.5，故满足稳定要求）3).设计洪水位用抗剪断公式验算时：（大于2.3，故满足稳定要求）2.3、重力坝的应力分析2.3.1 不考虑扬压力下的应力分析应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号区分和某些部位的配筋等提供依据。计算时，坐标水平方向以向右为正，竖直方向以向下为正，弯矩以绕形心逆时针转为正，相应的计算公式如下.1).边缘应力：1.水平截面上的正应力 式中： 、分别为上、下游边缘应力；为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，KN；为作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，KNm；B为计算截面的长度，m。2.剪应力 式中：、为上、下游水压力强度，KPa；n、m为上、下游坝坡坡率。3.水平正应力 式中：、为上、下游边缘应力的水平正应力。4.主应力 坝面水压力强度也是主应力 表4 正常蓄水位情况下荷载计算成果表荷载作用荷载值（KN）対截面形心的力臂（m） 自重W1460816W2153603.333333W1 + W219968/静水压力Pu7848.0013.333333Pd170.7431.966667泥沙压力Pl365.2735.00浪压力Ps102.29740.56扬压力U10.00 U2401.42516.00U31605.7013.34U4468.32916.672).内部应力计算应用偏心受压公式求出坝体水平截面上的以后，便可利用平衡条件求出界面上内部个点的应力分量微分体的平衡方程为式中，为材料容重，。1.坝内水平截面上的正应力假定在水平截面上按直线分布，即那么可以解出2.坝内水平截面上的剪应力可以解出3.坝内沿水平截面的水平正应力对中小型工程可近似假定呈直线分布。可以解出4.坝内主应力求得任意点的三个应力分量以后，即可计算该点的主应力和第一主应力的方向。以顺时针方向为正，当时，自竖直线量取；当时，自水平线量取。2.3.2、考虑扬压力下的应力分析在上述无扬压力的应力分析计算中，所列出的边缘应力的计算公式均未计入扬压力的影响，对于刚建成的或刚开始蓄水的坝，在坝体内或坝基中尚未形成稳定渗流场时，若要考虑坝踵和坝址的应力状态则可利用上诉公式计算。当水库正常蓄水且运行较长时间后，通过坝体和坝基的渗流水流，已逐渐形成稳定的渗流场，需要考虑扬压力作用时，水平截面上的边缘应力、仍可由式（3-1）、（3-2）计算。只要把扬压力作为一种荷载计入和即可。但必须注意到考虑扬压力所求得的正应力是作用于材料骨架上的有效力，而截面上的总应力则等于有效应力加扬压力（若扬压力强度在截面上呈线性分布）。求出边缘正应力及之后，其他边缘应力仍可根据坝面微元体的平衡条件求得。以上游边缘为列，令为上游边缘的扬压力强度（），由和的平衡条件可得：令为下游边缘的扬压力强度，同理可得：上游边缘主应力为：下游边缘主应力为：当无泥沙压力和地震动水压力时，、即为作用在坝面上的静水压力强度，且即等于、，那上述公式中的和均为零。可见考虑与不考虑扬压力，和计算公式是不相同的。当有泥沙压力时，、即为作用在坝面上的静水压力强度，且分别等于、，那上诉公式中的，。2.4、应力分析结果2.4.1、不考虑扬压力坝底计算结果表5不考虑扬压力荷载计算结果荷载效应方向力标准值(KN)力臂(m)力矩（KNm）正常蓄水位自重W146081673728.00W2153603.3451200.00 静水压力Pu7848.0013. 34-104640.00 Pd170.7431.97335.79 泥沙压力Pl365.2735.00365.2735.00-4145.41 浪压力Ps102.29740.56102.29740.56-1826.35 设计洪水位自重W146081673728.00W2153603.3451200.00 静水压力Pu9888.53 14.97 -147998.310 Pd754.19 4.13 3117.33 浪压力Pl102.20 45.46 -4646.17 泥沙压力Ps365.27 5.00 -1826.35 校核洪水位自重W146081673728.00W2153603.3451200.00 静水压力Pu10514.79 15.43 -162278.40 Pd907.22 4.53 4112.77浪压力Pl40.16 46.60 -1871.74 泥沙压力Ps365.27 5.00 -1826.36 表6 不考虑扬压力边缘应力计算结果正常蓄水位设计洪水位校核洪水位竖直方向合力20104.5920571.35 20693.78水平方向合力8144.83 9601.91 10013.07力矩和-7176.49-53957.28 -66147.65 上游边缘正应力615.88408.02 355.51 下游边缘正应力501.03 734.83 794.13上游剪力0.00 0.00 0.00 下游剪力354.52 490.54 528.57 水平正应力上游392.40 440.46 454.20水平正应力下游341.49 408.02556.27 主应力上游1615.88 459.94 355.51主应力上游2408.02 1127.27 1216.99 主应力下游1392.40440.46 454.20主应力下游257.87 121.64 133.41 由以上公式我们可以求得各水位情况下系数：表7坝内水平截面上的正应力函数的参数正常蓄水位设计洪水位校核洪水位a465.04634.04681.71b-1.84-13.87-17.01表8内水平截面上的剪应力函数相关参数为:正常蓄水位设计洪水位校核洪水位a1372.03507.23545.36b1-79.04-100.81-2.36c1-0.33-0.48-0.47a2147.31182.56205.89b2-7.01-8.69-9.80表9坝底水平截面的应力计算表x(m)yx122/-(y-x)1正常蓄水位9.25524.50311.02344.13758.14110.49-3.45-36.9218.50568.81246.50360.14732.14196.80-2.36-33.5227.75613.11144.33376.14681.36307.89-1.22-25.3237.00657.424.52392.14657.50392.06-0.03-0.86设计洪水位9.25642.14378.62480.20948.35173.98-4.68-38.9718.50581.37271.60466.79801.65246.50-4.74-39.0427.75520.59144.04453.37634.89339.07-4.29-38.4437.00459.82-4.05439.96460.61439.170.4111.15校核洪水位9.25671.92397.82513.79998.45187.25-5.03-39.3818.50584.78279.63493.81822.60255.99-6.15-40.3827.75497.65146.03473.83632.26339.22-12.26-42.6737.00410.51-2.96453.85454.05410.31-0.14-3.982.4.2、不考虑扬压力20m处计算结果表10不考虑扬压力荷载计算结果荷载效应方向力标准值(KN)力臂(m)力矩（KNm）正常蓄水位自重G12916.008.2524057.00G24083.750.52041.88静水压力P11960.006.67-13073.20浪压力Pl102.2020.56-2101.47设计洪水位自重G12916.008.2524057.00G24083.750.52041.88静水压力P13038.058.30-25215.82浪压力Pl102.2025.46-2602.24校核洪水位自重G12916.008.2524057.00G24083.750.52041.88静水压力P13389.288.77-29723.99浪压力Pl40.1626.60-1068.50表11不考虑扬压力边缘应力计算结果正常蓄水位设计洪水位校核洪水位竖直方向合力6999.756999.756999.75水平方向合力-2062.20-3140.25-3429.44竖直方向和力矩26098.8826098.8826098.88水平力矩值和-15174.67-27818.05-30792.49力矩和10924.20-1719.18-4693.61上游边缘正应力481.95309.93269.46下游边缘正应力184.69356.71397.18上游剪力0.000.000.00下游剪力147.75285.37317.74水平正应力上游196.00244.02257.74水平正应力下游118.20228.30254.20主应力上游1481.95309.93269.46主应力上游2196.00244.02257.74主应力下游1302.90585.01651.38主应力下游20.000.000.00由以上公式我们可以求得各水位情况下系数：表12各水位下的函数系数正常设计校核a184.69356.71397.18b14.16-2.23-6.08a1147.75285.37317.74b1-0.09-11.63-13.86c1-0.33-0.09-0.06a2118.20228.30254.20b23.700.750.17表13水平截面的应力计算表x(m)yx122/-(y-x)1正常蓄水位7.00 283.81 130.95 144.10 362.37 65.54 -1.87 -30.93 14.00 382.93 81.81 170.00 410.73 142.20 -0.77 -18.80 21.00 482.05 0.33 195.90 482.05 195.90 0.00 -0.05 设计洪水位7.00 341.10 199.55 233.55 493.99 80.66 -3.71 -37.46 14.00 325.49 104.91 238.80 395.66 168.63 -2.42 -33.77 21.00 309.88 1.45 244.05 309.91 244.02 -0.04 -1.15 校核洪水位7.00 354.62 217.78 255.39 528.37 81.64 -4.39 -38.58 14.00 312.06 111.94 256.58 399.65 168.99 -4.04 -38.05 21.00 269.50 0.22 257.77 269.50 257.77 -0.04 -1.15 2.4.3、考虑扬压力坝底计算结果表14 考虑扬压力荷载计算结果荷载效应方向力标准值(KN)力臂(m)力矩（KNm）正常蓄水位自重G15076.0016.2582485.00G215834.003.1750193.78静水压力P17840.0013.33-104507.20P2170.571.96334.32W136.4616.93-2310.27扬压力U12139.340.000.00U22155.465.89-12695.66U3701.7816.50-11579.37U4996.58-24275.03浪压力Pl102.2040.56-4145.41泥沙压力Psh365.275.00-1826.35设计洪水位自重G15076.0016.2582485.00G215834.003.1750193.78静水压力P19878.4514.97-147880.38P2753.424.133111.64W602.7415.19-9155.62扬压力U14568.760.000.00U22054.325.89-12099.94U3668.8516.50-11036.03U7291.93-23135.97浪压力Pl102.2045.46-4646.17泥沙压力Psh365.275.00-1826.35校核洪水位自重G15076.0016.2582485.00G215834.003.1750193.78静水压力P110504.0815.43-162077.97P2906.304.534105.56W725.0414.87-10781.34扬压力U14931.360.000.00U22066.975.89-12174.45U3672.9716.50-11104.01U7671.30-23278.46浪压力Pl40.1646.60-1871.74泥沙压力Psh365.275.00-1826.35 表15考虑扬压力边缘应力计算结果正常蓄水位设计洪水位校核洪水位竖直方向合力16049.8814220.8113963.74水平方向合力-2062.20-3140.25-3429.44竖直方向和力矩106093.48100387.1998618.98水平力矩值和-110144.64-151241.26-161670.50力矩和-4051.16-50854.07-63051.52上游面水压强392.00440.02453.74下游面水压强57.82121.52133.28Puu440.70488.72502.44Pud57.82121.52133.28上游边缘正应力416.03161.46101.06下游边缘正应力451.54607.23653.74上游剪力0.000.000.00下游剪力361.23485.78522.99水平正应力上游-48.70-48.70-48.70水平正应力下游288.98388.63418.39主应力上游1416.03161.46101.06主应力上游2-48.70-48.70-48.70主应力下游1740.52995.851072.13主应力下游20.000.000.00由以上公式我们可以求得各水位情况下系数：表16 各水位下的函数系数正常设计校核a451.54607.23653.74b-0.96-12.05-14.94a1361.23485.78522.99b1-3.39-10.48-12.70c1-0.17-0.07-0.04a2288.98388.63418.39b2-9.13-11.82-12.62表17坝基面应力计算表x(m)yx122/-(y-x)1正常蓄水位9.25442.6645.12330.34458.54314.45-0.80-19.3318.50433.78-301.73350.87696.8987.767.2841.0927.75424.90-725.59371.411124.23-327.9327.1343.9437.00416.02-1226.45391.941630.49-822.53101.8644.72设计洪水位9.25495.7786.28434.31556.63373.45-2.81-35.2118.50384.31-298.15436.26709.56111.00-11.48-42.5227.75272.84-764.72438.201124.70-413.66-9.25-41.9137.00161.38-1313.43440.141621.56-1020.04-9.42-41.97校核洪水位9.25515.5595.42463.23588.32390.45-3.65-37.3418.50377.35-312.81460.08734.25103.18-7.56-41.2327.75239.16-808.31456.941163.65-467.56-7.42-41.1637.00100.96-1391.08453.791679.60-1124.85-7.89-41.392.4.4、考虑扬压力20m计算结果表18 考虑扬压力荷载计算结果荷载效应方向力标准值(KN)力臂(m)力矩（KNm）正常蓄水位自重G12916.008.5024786.00G24083.750.753062.81静水压力P11960.006.67-13073.20扬压力U1793.803.06-2429.03U2411.608.50-3498.60U1205.40-5927.63浪压力Pl102.2020.56-2101.47设计洪水位自重G12916.008.5024786.00G24083.750.753062.81静水压力P13038.058.30-25215.82扬压力U1988.283.06-3024.14U2512.448.50-4355.74U1500.72-7379.88浪压力Pl102.2025.46-2602.24校核洪水位自重G12916.008.5024786.00G24083.750.753062.81静水压力Pl3389.288.77-29723.99扬压力U11043.853.06-3194.18U2541.258.50-4600.63U1585.10-7794.81浪压力Pl40.1626.60-1068.50表19考虑扬压力边缘应力计算结果正常蓄水位设计洪水位校核洪水位竖直方向合力5794.355499.035414.65水平方向合力-2062.20-3140.25-3429.44竖直方向和力矩21921.1820468.9420054.01水平力矩值和-15174.67-27818.05-30792.49力矩和6746.51-1719.18-4693.61Pu196.00244,02257.74Pd0.000.000.00Puu196.00244.02257.74Pud0.000.000.00上游边缘正应力367.71238.47193.98下游边缘正应力184.13285.25321.70上游剪力0.000.000.00下游剪力147.31228.20257.36水平正应力上游0.000.000.00水平正应力下游147.31182.56205.89主应力上游1367.71238.47193.98主应力上游20.000.000.00主应力下游1301.98467.81527.59主应力下游20.000.000.00由以上公式我们可以求得各水位情况下系数：表20各水位下的函数系数正常设计校核a184.13285.25321.70b8.74-2.23-6.08a1147.31228.20257.36b10.00-0.74-2.36c1-0.33-0.48-0.47a2147.31182.56205.89b2-7.01-8.69-9.80表22 坝底水平截面的应力计算表x(m)yx122/-(y-x)1正常蓄水位7.00245.33130.9398.20321.9521.58-1.78-30.3414.00306.5281.8349.10330.3325.29-0.64-16.3121.00367.710.000.00367.710.000.000.00设计洪水位7.00269.66199.38121.71408.34-16.98-2.70-34.8414.00254.06123.3160.85314.110.81-1.28-26.0021.00238.470.000.00238.470.000.000.00校核洪水位7.00279.13217.74137.26437.20-20.81-3.07-35.9814.00236.55131.9668.63309.00-3.81-1.57-28.7521.00193.980.000.00193.980.000.000.003、 溢流坝段的设计溢流重力坝即是挡水建筑物，又是泄水建筑物；既要满足稳定和强度要求，又要满足水利条件的要求。例如，要有足够的泄流能力；应使水流平顺地通过坝面，避免产生振动和空蚀；应使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷；不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。所以溢流坝剖面设计就要涉及到孔口尺寸、溢流堰形态以及消能方式等得合理选定。溢流坝基本剖面的确定原则与非溢流坝完全相同。为满足泄水的要求，其实用剖面是将坝体下游斜面修改成溢流面。溢流面形状应具有较大的流量系数，泄流顺畅，坝面不发生空蚀。对重要工程一般在初拟形状和尺寸之后，用水工模型实验加以验证和修改。溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。其设计要求为：1、有较高的流量系数，泄流能力大；2、水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；3、体型简单、造价低、便于施