重力坝毕业设计.doc

第一章 设计基本资料及任务第一节 设计基本资料一、枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用。水电站装机容量为21.75万kW，装3台机组。正常蓄水位为110.5m，死水位为86.5m，三台机满载时的流量为405m3/s。采用坝后式厂房。工程建成后，可增加保灌面积90万亩，减轻洪水对下游城市和平原的威胁。在遇P=0.02%和P=0.1%频率的洪水时，经水库调节后，洪峰流量可由原来的18200m3/s、14100 m3/s分别削减为6800 m3/s和6350 m3/s；水库蓄水后形成大面积水域，为发展养殖业创造有利条件。二、基本资料1、规划数据本重力坝坝高86.9m，坝全长368m，溢流坝位于大坝中段长度73米，非溢流坝分别接溢流坝两侧各147.5m，坝顶宽度8m，坝底宽度80.5m，坝底高程28m，坝顶高程114.9m，正常蓄水位110.5m，死水位86.5m。坝址处的河床宽约120m，水深约1.54m。河谷近似梯形，两岸基本对称，岸坡取约35o。2、 工程地质坝基岩性为花岗岩，风化较深，两岸达10m左右。新鲜花岗岩的饱和抗压强度为100200MPa，风化花岗岩为5080Mpa。坝址处无大的地质构造。3、 其他资料（1）风向吹力：实测最大风速为24m/s，多年平均最大风速为20m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程为4km。（2）本坝址地震烈度为7度。（3）坝址附近卵砾石、碎石及砂料供应充足，质量符合规范要求。三、表格表1比选数据方案堰顶高程（m）孔口净宽（m）工况下泄流量（m3/s）H上（m）H下（m）19955设计5925113.232.89955校核6550114.6036.029854设计6350112.5535.89854校核7150113.840.3表2岩石物理力学性质岩性容重（KN/m3）抗压强度（MPa）弹性模量摩擦系数粘聚力MPa泊松比干涩干涩混凝土/岩石基岩内ff /ff /cc/新鲜花岗岩石27.828.1210180220000.71.00.81.20.51.00.20风化花岗岩27.127.511094120000.60.70.70.80.10.20.25四、参考文献1混凝土重力坝设计规范 水利电力部编 2水工建筑物 任德林 河海大学出版社3水工设计手册 泄水与过坝建筑物 水利电力出版社4混凝土拱坝及重力坝坝体接缝设计与构造 水电部黄委会编第二节 设计任务一、枢纽布置（1）拟定坝址位置（2）确定枢纽主要组成建筑物（3）规划枢纽总体布置二、重力坝设计（1） 确定工程等别及建筑物级别（2） 简述混凝土重力坝设计的主要内容（3） 溢流坝段剖面设计1、确定堰型，通过对两组方案（表1）的比选，确定堰顶高程、孔口净宽、设计和校核洪水位及对应下泄流量；2、 计算堰面曲线和堰面曲线原点上游椭圆曲线；3、 计算挑流消能反弧曲线。（4） 非溢流坝段剖面设计1、确定坝顶高程，拟定坝顶宽度、上游折坡点高程和优选坝体上下游边坡n、m；2、确定坝底宽度和布置坝体排水廊道。（5） 简述设计重力坝时需要考虑的各种荷载和各种荷载组合情况。（6） 在混凝土重力坝设计时，地震荷载是怎样考虑的。（7） 非溢流坝段整体应力（x、y、）分析1、 荷载计算：包括自重荷载、上下游水荷载和扬压力；2、 计算工况：校核洪水位情况；3、 计算部位：坝基截面及上游折坡截面。（8） 非溢流坝段稳定分析1、 计算工况：设计洪水位情况；2、 计算部位：坝基截面及上游折坡截面；3、 校核标准：抗滑和抗剪断安全系数。三、大坝细部构造（1） 确定坝顶宽度、构造（2） 拟定坝体分缝及止水布置（3） 拟定坝体坝基排水构造（4） 拟定坝内廊道布置和构造（5） 拟定地基处理措施四、设计内容和时间安排毕业设计时间共计6周，建议时间安排如下：设 计 内 容建议时间安排（周）了解任务及熟悉资料重力坝设计绘图及成果整理评阅、答辩0.53.51.50.5合 计6五、设计成果要求（1）文字成果1.设计说明书一份设计说明书是课程设计的主要成果。需要设计者的设计思想、方法和分析能力。其要求是：（1）设计主要成果的说明；（2）对采用的设计参数理论依据的说明；（3）章节分明、简明、扼要文理通顺、字迹工整，既有计算成果又有分析论证和明确结论，必要时使用附图和插图（应按比例绘制）。2.计算书一份计算书是工程设计的重要工作内容，是表达设计者的设计程序、设计成果的来源，其要求是：（1）制图正确，布局合理，主次分明，比例适当，线条清晰，尺寸齐全，必要时应有简明注解；（2）采用1号白绘图纸，用铅笔绘制。设计条理清楚的学生可将设计说明书和计算书合为一体，要求：a、分章分节，对设计成果有简要的表格归纳文字分析。b、对采用的参数要说明依据。c、采用计算公式或参数请表明来源出处。（2）图纸成果工程设计图是设计成果的重要表达方式。学生应严格按照“水利水电工程制图标准”进行绘制。具体要求是：制图投影正确、布局合理、比例得当、线条清晰；高程、尺寸齐全，并有简要的注解说明。本次毕业设计绘制设计图的张数要求如下：1、重力坝结构布置图一张，包括枢纽平面布置示意图、溢流坝段和非溢流坝段典型纵剖面图，用1号图纸绘制。2、坝体细部构造图一张：坝顶构造、坝体廊道等，用2号图纸绘制。- 5 -第二章 枢纽布置、挡水及泄水建筑物第一节 枢纽总体布置及坝型选择一、坝轴线位置选择根据该江枢纽位置平面简图及已知资料，所以选择坝轴线为：与河道垂直(如任务书上图)。坝轴线总长368m，此坝轴线相对较短，坝址处为花岗岩，经初步布置，满足各建筑物的要求。具体布置位置见枢纽布置图。二、坝型的选择坝址地形地质条件：河谷断面比较宽浅，两岸基本对称，河谷近似梯形。坝址处为花岗岩，完整性好，风化较深，坝址处无大的地质构造。建筑材料：坝址附近碎石及沙料充足，缺乏土料，只有10m厚表层风化坡积物。根据以上情况进行综合分析如下：1、拱坝方案：河谷断面宽浅，没有适宜地形条件，故方案不可取。2、土石坝方案：坝址附近没有适宜地形修建溢洪道，若开挖溢洪道，则工程量较大，并且当地土料缺乏，故该方案不可取。3、重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝都能充分利用当地的自然条件泄洪问题容易解决，施工倒流容易。浆砌石重力坝虽然可以节约水泥用量，但不能实现机械化施工，施工速度慢，施工质量难以控制，故不可取。混凝土重力坝可以采用机械化施工，施工方便，施工速度较快，缩短工期，故本工程适宜采用混凝土重力坝。三、枢纽布置 本工程是以发电发电为主的综合利用工程，溢流坝段应布置在主河槽处，冲沙孔应布置在电站进水口附近，另外电站布置应考虑地形、交通及电站附属建筑物布置等条件。 本枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物组成。电站为坝后式。第二节 重力坝非溢流坝段的设计一 非溢流坝段的剖面设计1、 坝顶高程（1）基本资料的确定：根据已知的风向吹力：实测最大风速24m/s,多年平均最大风速为：20 m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程4km。（3）坝顶高程的确定根据已知条件可以得出正常蓄水位时和校核洪水位时的安全超高分别为：0.5m和0.4m，故通过前面计算得到的水位加上其各自的安全超高，即得两种情况下的坝高，取两者中最大的坝高作为最终选择的坝高。具体如下：设计洪水位时：h=h1%+hz+hc=2.23+0.91+0.5=3.64坝顶高程=设计洪水位+h=112.55+3.46=116.01校核洪水位时：h=h1%+hz+hc=1.37+0.52+0.4=2.29坝顶高程=校核洪水位+h=113.8+2.29=116.09防浪墙高度取1.2m综上所述，该混凝土重力坝坝顶高程为114.9 m。根据前面的计算所得坝顶高程取为114.9m，则坝高为114.9-28=86.9m2、 坝顶宽度取坝高的8%10%（即6.95m8.69m），故取8m3、 上游折坡点高程为尽量利用水重，在满足应力要求的前提下，上游坡应尽可能缓，同时考虑电站进水口闸门拦污栅和操作便利。通常在坝高的1/32/3的范围内，故取折坡点高程在83m高程处。4、 上下游边坡一般情况下重力坝的上游坡为：00.2，下游坡为：0.60.8。故在本设计中取上游坡为：n=0.2，下游坡为：m=0.755、 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0.051.0倍的水头，故取3m，宽度为2.53m，取3m，高33.5m，取3.5m。坝体纵向排水检查廊道一般靠近坝顶上游侧每隔1530m高差设置一层，取高差为30m。基础廊道距基岩面的距离，宜不小于1.5倍的底宽，故取5.5m。6、 剖面形态重力坝的基本剖面为三角形。为了满足要求，其坝底宽度应加以控制。按应力控制条件： （任务书P8）式中：坝高，m；混凝土的容重，取24；水的容重，取10； 渗透压力系数，取0.25通过计算可得：B=59.11m按稳定控制条件： （任务书P9）式中：坝高，m；混凝土的容重，取24；水的容重，取10； 渗透压力系数，取0.25；基本组合安全系数，取1.1； 坝体与坝基岩石的摩擦系数，取0.7（查表2）通过计算可得：B=63.5m综上所述，拟定坝底宽度为：B=80.5m故，可得重力坝非溢流坝剖面图为： 非溢流坝剖面图第三节 非溢流坝段的应力及稳定分析 一、静力计算：（1）自重：将坝体剖面分成两个三角形和长方形计算其标准值，跟防浪墙、廊道的影响不计入在内。(2）静水压力：按设计洪水位时的上下游水压力斜面上的垂直水压力分别计算其标准值。(3）扬压力：扬压力强度在坝踵处为H1，排水孔中心线上为（H1+2H），坝趾处为H2，取0.3。(4）浪压力：坝前水深大于1/2浪长（H1L1）采用水工建筑物公式1-1、1-3、1-4计算，荷载作用标准值和设计值成果见下表：二、设计洪水位情况的荷载组合表1 非溢流坝坝基面设计状况静力计算表荷载竖向力(kN)水平力(kN)力臂力矩(kNm)m+-自重W116682.88 15 250243.2W27260 0.75 5445W360516 32.92 1992186.7水压力P135743.5128.16 1006537.2 P2304.22.57 781.79 Q13250.534.75 112954.87 Q2302536.62110775.5Q3146.2538.45 5623.3扬压力U16440 0.00 0.00 0U21161 27.12 31486.32U34374.7532.25 141085.68U45103.8829.58 150972.77浪压力Pw1155.19124.84 19374.26Pw2124.50124.43 15491.97三、校核洪水位情况的荷载组合表2 非溢流坝坝基面校核状况静力计算表荷载竖向力(kN)水平力(kN)力臂力矩(kNm)m+-自重W116682.88 15 250243.2W27260 0.75 5445W360516 32.92 1992186.7水压力P136808.228.6 1006537.2 P2756.454.1 781.79 Q1338834.75 112954.87 Q2302536.62110775.5Q3215.2537.38 5623.3扬压力U16440 0.00 0.00 0U21161 27.12 31486.32U3374.7532.25 141085.68U4103.8829.58 150972.77浪压力Pw1155.19124.84 19374.26Pw2124.50124.43 15491.97四、稳定分析：利用两种方法进行稳定分析，以确保大坝安全。（1）、抗剪强度公式：f（W-U）K= PK抗滑稳定安全系数f坝体与坝基间接触面上的抗剪断摩擦系数P 作用于滑动面以上的所有总水平力W作用于滑动面以上的所有总铅直力U作用于滑动面上的扬压力（2）、抗剪断强度公式：f1（W-U）+C1AK1= Pf1、C1坝体与坝基间接触面上的抗剪断摩擦系数和抗剪断粘聚力A坝体与坝基间接触面的面积（3）、抗滑稳定计算见下表抗滑稳定按抗剪断公式计算抗滑稳定安全系数，计算过程见下表-抗滑稳定计算项目W-UfACPKK结论校核水位74047.51.080.5100036082.444.282.05满足要求设计水位738011.080.51000354704.352.08满足要求计算结果见下表 稳定计算表类型荷载组合计算安全系数K允许安全系数（K）计算安全系数K允许安全系数（K）非溢流坝基本组合4.283.02.051.05特殊组合4.352.52.081.00满足规范要求。五、抗滑稳定验算1. 抗滑稳定按承载能力极限状态验算稳定安全系数，计算结果见下表。基本公式：0S(rGGk,rQQk,ak)R(fk/rf,ak)/d式中：S（）作用效应函数 R（）结构及构件抗力函数 rG、Gk分别为永久作用分项系数及标准值rQ、Qk分别为可变作用分项系数及标准值ak几何参数标准值d1基本组合结构系数抗滑稳定验算项目0fRWRCRAS(。）S(。)R(。）/d校核水位10.851.074047100080.5360823466937634正常水位110.77380150080.5354703147034104 稳定验算表类型荷载组合计算值0 S(.)允许值R(.)/d非溢流坝基本组合3147034104特殊组合3466937634满足规范要求。六、应力计算：（1）、水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力，通常采用材料力学偏心受压公式进行计算： （P23）式中： 作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，；作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，；计算截面沿上下游方向的宽度，m经计算得：yu=91087.13/80.5+1121909.5/80.52=1304.65KNyd=91087.13/80.5-1121909.5/80.52=958.39KN（2）、边缘剪应力边缘剪应力的计算可取一个三角形微元体，根据力的平衡条件进行求解。具体计算公式为： （P23）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：u=1259.27kpad=359.82kpa（3）、边缘正应力边缘正应力的计算方法同边缘剪应力。具体计算公式为： （P24）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：xu=7601-251.85=7349.15kpaxd=478.63+269.87=748.5kpa(4)、边缘主应力 (P24)上游坝址处： 1u=（1+n2）yu -n2pu=1052.8kpa1d=（1+m2）yd -m2pd=1228.25kpa下游坝址处：2u=pu=7601kpa2d=pd=478.63kpa第四节 重力坝溢流坝段的设计一、 溢流坝段的剖面设计溢流坝剖面，通常是由基本三角形剖面修改而成，内部与非溢流坝段相同。溢流面曲线由顶部曲线段、中间直线段及下部反弧段三部分组成。1、 顶部曲线段在顶部曲线段中，通常由两部分组成，其中堰顶下游部分为堰面曲线，而堰顶上游部分为椭圆曲线。1)、堰面曲线。堰顶下游堰面曲线常采用WES曲线，因为它的流量系数大，剖面较瘦，可以节省工程量，另外，在设计水头运行时，其堰面无负压。其基本曲线方程为： （任务书P7）式中：定型设计水头，常取Hd=(0.75-0.95)Hmax，此时取：Hd=0.85Hmax=13.43上游堰面坡度有关的系数：k=2.0 n=1.85 故，经计算可得堰面曲线的方程为：y=0.055x1.852）、椭圆曲线。堰顶和上游铅直坝顶采用椭圆曲线连接，其方程为： （任务书P7）式中： 故，计算可得椭圆曲线的方程为：x2/(313.43)+(0.1713.43-y2)/ (0.1713.43)2=1x2/40.29+(2.28-y2)/ 5.2=1 2、下部反弧段下部反弧段的作用是使经过溢流坝面下泄的高速水流平顺的与下游消能设施相衔接，要求沿程压力分布均匀，不产生负压和不致引起有害的脉动。故通常采用圆弧曲线。本设计采用挑流消能，挑流鼻坎通常高出下游水位一般为12m，拟定鼻坎高程为：42m。而挑射角一般取2035，取=20。其半径R通常取610倍的水深（此水深为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深即3m），则可得：R=18-30m，故最终选取半径为：R=24m。综上所述，可得重力坝溢流坝段的剖面图为： 溢流坝剖面图二、 溢流坝段的应力及稳定分析（一）、设计情况1、静力计算：溢流坝坝基面设计状况静力计算表荷载竖向力(kN)水平力(kN)力臂力矩(kNm)m+-自重111520150.75 5445360516 3.29 192186.74201643.2587192扬压力16440 0.00 0.0021161 27.12 31590.8134374.7532.25 141085.745103.8829.58 150972.8静水压力16421.7540.25258475.432304.228.16 8566.27325377.892.57 65221.18动水压力110365.63031096824559.4442.25192636.342、稳定分析：利用两种方法进行稳定分析，以确保大坝安全。（1）、抗剪强度公式：f（W-U）K= PK抗滑稳定安全系数f坝体与坝基间接触面上的抗剪断摩擦系数 f=0.7P 作用于滑动面以上的所有总水平力W作用于滑动面以上的所有总铅直力U作用于滑动面上的扬压力经计算得：K=1.48K=1.10，故满足稳定条件。（2）、抗剪断强度公式：f1（W-U）+C1AK1= Pf1、C1坝体与坝基间接触面上的抗剪断摩擦系数和抗剪断粘聚力f1=0.7、C1=500A坝体与坝基间接触面的面积经计算得：K1=3.34K1=3.0，故满足稳定条件。3、应力计算： （1）、水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力，通常采用材料力学偏心受压公式进行计算： （P23）式中： 作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，；作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，；计算截面沿上下游方向的宽度，m经计算得：yu=75213.56/80.5+6497828.39/80.52=1395.22KNyd=75213.56/80.5-6497828.39/80.52=473.43KN（2）、边缘剪应力边缘剪应力的计算可取一个三角形微元体，根据力的平衡条件进行求解。具体计算公式为： （P23）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：u=6869.65kpad=126.92kpa（3）、边缘正应力边缘正应力的计算方法同边缘剪应力。具体计算公式为： （P24）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：xu=34369.56kpaxd=399.39kpa（4）、边缘主应力 （P24）上游坝址处： 1u=（1+n2）yu -n2pu=21.29kpa1d=（1+m2）yd -m2pd=568.62kpa下游坝址处：2u=pu=35743.49kpa2d=pd=304.2kpa（二）、校核状况：1、静力计算：溢流坝坝基面校核状况静力计算表荷载竖向力(kN)水平力(kN)力臂力矩(kNm)m+-自重111520150.75 5445360516 32.92 192186.74201643.2587192扬压力167450.00 0.002106327.12 28828.5634003.8932.25 129125.4545036.3429.58 149478.57静水压力17432.6640.25299164.562365.6728.16 10297.27328399.732.57 72987.31动水压力110365.63031096824559.4442.25192636.342、稳定分析：利用两种方法进行稳定分析，以确保大坝安全。（1）、抗剪强度公式：经计算得：K=1.53K=1.10，故满足稳定条件。（2）、抗剪断强度公式：经计算得：K1=3.32K1=3.0，故满足稳定条件。3、应力计算：（1）、水平截面上的边缘正应力水平截面上的边缘正应力，通常采用材料力学偏心受压公式进行计算： （P23）式中： 作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，；作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和，；计算截面沿上下游方向的宽度，m经计算得：yu=76455.87/80.5+6619523.38/80.52=1523.37KNyd=76455.87/80.5-6619523.38/80.52=376.15KN（2）、边缘剪应力边缘剪应力的计算可取一个三角形微元体，根据力的平衡条件进行求解。具体计算公式为： （P23）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：u=7448.39kpad=7.86kpa（3）、边缘正应力边缘正应力的计算方法同边缘剪应力。具体计算公式为： （P24）式中： 计算截面处上下游坝面的水压力强度，；上下游面坡率经计算得：xu=37275.65kpaxd=371.574kpa（4）、边缘主应力 (P24)上游坝址处： 1u=（1+n2）yu -n2pu=33.69kpa1d=（1+m2）yd -m2pd=793.41kpa下游坝址处：2u=pu=38765.33kpa2d=pd=365.67kpa三、 反弧超出段应力验算经计算可得：反弧段圆心距坝底的距离为：H1=14+24cos200=36.55m 反弧段与直线段切点距坝底的距离为：H2=H1-24cos530=22.15m 鼻坎超出基本剖面的距离：L1=Rsin530+Rsin200-H20.75=6m验算：L1/h=6/14=0.430.5，故无需验算超出段应力条件。四 、 溢流坝挑距的确定根据挑距公式进行计算： （P57）式中：L水舌挑射距离坝顶水面流速，取平均流速的1.1倍，故v1=41.32；鼻坎的挑角坝顶水深的铅直投影高度，取h1=hcos；坝顶至河床表面的高差经计算得：L=141.6m五 、最大冲坑水垫厚度和冲坑深度根据公式进行计算：tk=q0.5H0.25t1k= tk-Hstk水垫厚度t1k冲坑深度冲刷系数 （=1.5较易冲类基岩）q单宽流量 （q=117.6）H上下游水位差（H=76.75）Hs下游水深 （Hs=35.8）计算出t1k=12.35mL/ t1k=141.6/12.35=11.472.55 故挑流消能形成的冲坑不会影响大坝的安全。第五节 坝体细部构造及地基处理1、 坝体构造本设计的重力坝采用实体结构，坝顶面按路面设计，在坝顶上布置排水系统和照明设备，需设防浪墙、坝顶排水管、起重机轨道、坝身排水。2 、 坝体分缝混凝土重力坝为防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产生的不均匀沉陷而引起的裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等，常需设置垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝。横缝的宽度取决于地基条件和温度的变化，一般取为12m，缝内常用沥青细毛毡或沥青玛蹄脂填充。横缝的间距，即坝段长度取决于地形、地质和气温条件，以及混凝土材料的温度收缩特性。施工时，混凝土的浇筑能力和冷却设施等因素，一般为1520m，在此取15m。横缝中的止水设备必须与坝基妥善连接，止水片的