水工建筑物课程设计.word.doc

目录前 言- 2 -第一章 基本资料- 3 -1.1 工程概况- 3 -1.2 水文条件- 3 -1.3 气象条件- 3 -1.4 工程地质- 4 -1.5 工程特性表- 4 -第二章 坝型选择与枢纽总体布置- 6 -2.1 坝型的选择- 6 -2.2水工建筑物的布置- 7 -第三章 重力坝非溢流坝段设计- 8 -3.1 基本剖面的拟定- 8 -3.1.3设计洪水位计算- 10 -3.1.4坝顶宽度- 10 -3.1.5坝坡面的拟定- 11 -3.1.6坝基的防渗与排水设施拟定- 11 -3.2 非溢流坝坝体荷载- 11 -3.2.1自重w- 12 -3.2.2静水压力- 12 -2.2.3扬压力- 13 -3.2.4泥沙压力- 14 -3.2.5浪压力- 15 -3.3重力坝抗滑稳定分析- 17 -3.3.1抗滑分析- 17 -第四章 细部构造- 18 -4.1坝体构造- 18 -4.1.1非溢流坝段坝顶构造- 18 -4.2坝体分缝和止水- 18 -4.2.1横缝- 18 -4.2.2纵缝- 19 -4.2.3水平施工缝- 19 -4.2.4坝体排水- 19 -4.3廊道系统- 20 -4.3.1基础廊道- 20 -4.3.2坝体廊道- 20 -第五章 地基处理- 21 -5.1地基的开挖和清理- 21 -5.2坝基的防渗处理- 21 -致谢- 22 -前 言通过本学期水工建筑物系统的学习，我们已经掌握了水工设计的基础知识。为了进一步培养我们理论联系实际的能力，特别是为了能使我们尽快的适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时一个星期的课程设计。本次课程设计是设计者根据自己所学的知识、参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指导下独立完成的。通过这次课程设计，我们提高了如下的几方面的能力： 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； 培养了我们的自学能力和科学研究能力，使我们逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力；提高了我们设计、计算、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能力；培养了我们严谨的工作作风和正确的设计思想。由于时间仓促，水平有限，本设计中难免有些不足之处，还希望各位老师批评指正，本设计者将不胜感激。设计者：xxx2011年6月3日第一章 基本资料1.1 工程概况顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区，最窄处仅10余公里。通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上，控制流域面积33700平方公里，总库容为25.5亿立方米。水库距迁西县城35公里，有公路相通。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为I级建筑物，其它建筑物按II级建筑物考虑。1.2 水文条件1.年径流：顺河水量较充沛，顺河站多年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。丰水年时占全年5060%，枯水年占3040%，而且年际变化也很大。2.洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由红痕估算洪峰流量约为2440027400m/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m/s3.泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7.45公斤/立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。淤砂浮容重为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。淤砂高程157.5米。1.3 气象条件库区年平均气温为10左右，一月份最低月平均产气温为零下6.8，绝对最低气温达零下21.7(1969年)7月份最高月平均气温25，绝对最高达39(1955年)，本流域无霜期较短(90180天)冰冻期较长(120200天)，顺河站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70100天，冰厚0.40.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/秒，水库吹程D=3公里。1.4 工程地质库区地质：顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城峪至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现且不对称，区域内无严重的坍岸及渗漏问题。第四大岩层(Ar I 4)为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。岩石物理力学性质：岩石容重为2.682.70吨/立米，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650公斤/厘米2以上，有的可达1100公斤/厘米2，混凝土与岩石的磨擦系数微分化及弱风化化下部，可取f=1.10、c=7.5kg/cm2。地震：库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。弱震仍不断发生，其中1936年和1976年两次发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为6度，考虑到枢纽的重要性，和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用7度。1.5 工程特性表项 目单 位指 标备 注水位校核洪水位米227.5设计洪水位米226.0p=0.01%正常蓄水位米225.0p=0.1%汛期限制水位米216.0死水位(发电)米180.0校核洪水位尾水位米156.8设计洪水尾水位米152.0正常尾水位米138.4库容总库容亿立米25.5计入十年淤积调洪库容亿立米7.4兴利库容亿立米19.5共用库容亿立米5.6死库容亿立米4.2计入十年淤积坝 型混凝土重力坝坝顶溢孔数孔19堰顶高程米210.0闸墩的中墩厚度为3米每孔净宽米15.0（横缝设在闸墩中间）工作闸门尺寸米米1515弧形钢闸门启闭机(270吨)台19固定式卷扬机设计洪水下泄能力米3/秒32300校核水位下泄量42900限泄275003泄水孔进口底高程米160.0底孔数目孔4工作闸门尺寸(宽高)米米57弧形钢闸门启闭机台4设计水位泄水能力米3/秒4340校核水位泄水能力米3/秒4430电站引水管道水管道进口底高程米170.0三条引水管管线长度米121.0管 径米5.0最大引水流量米3/秒104每条引水道工作闸门扇米米357平板钢闸门工作闸门启闭机台324070吨液压平板检修门米米58.5式共用一扇检修门启闭机台1400/25吨门机电站主厂房尺寸(长宽高)米米米7219.139.00机组间距米16水轮发电机组台3装机容量万瓦36=18水轮机型号HL702-LJ330额定出力万瓦6.18发电机型号TS-750/19036额定出力万瓦6.0主要压器型号SSPL-80000/220输电线电压千伏220共3台第二章 坝型选择与枢纽总体布置2.1 坝型的选择大坝一般分为重力坝，拱坝，土石坝。拱坝的工作条件好，超载能力强，抗震能力强，但修建拱坝对地形地质的要求较高。本枢纽的大坝坝址处地形不对称，故不考虑拱坝。土石坝能就地取材，还能适应地形地质，而且施工简单，但施工导流问题难以解决，雨期施工难。大樟溪流域地处中亚热带季风气候区，温湿多雨，气候条件不适合土石坝施工，且土石坝不允许坝顶漫流，而本枢纽工程大坝泄流能力要求较高，下泄流量较大，故不考虑土石坝。混凝土重力坝具有如下优点：重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；由于坝体作用于地基面上的压应力不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑，泄洪问题容易解决；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导流隧洞；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。故采用重力坝。而在重力坝中，按结构型式来分有实体重力坝，宽缝重力坝，空腹重力坝，预应力重力坝；按材料来分有混凝土重力坝，碾压混凝土重力坝，浆砌石重力坝。实体重力坝就是一般重力坝，沿坝轴线设置的横缝很窄。其结构作用清楚施工技术容易掌握；运行维护较简单。但是体积大，浪费材料，扬压力较大。宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以扬压力显著降低，作用面积也相应减小；由于宽缝重力坝所受的扬压力小，坝体混凝土方量可较实体重力坝节省1020，甚至更多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；施工比较复杂，需要的人工多，且施工进度慢。因此本工程可不考虑宽缝重力坝。空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载直接由所谓的前后腿传到地基上。空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力，因而混凝土方量可较实体重力坝节省2030，并且可以节省坝基开挖量；上游坝踵的应力较大，扬压力可进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较复杂在实际工程中很少采用。因此，本工程不选空腹重力坝方案。预应力重力坝利用受力钢筋或钢筋对重力坝施加预应力，能增加坝身稳定，并有效的改善坝身应力分布，从而减少坝体混凝土用量。这种坝同样存在施工复杂，钢筋用量多的缺点，目前仅在小型工程中采用。碾压混凝土重力坝是采用干硬性混凝土薄层摊铺碾压而成的，具有施工进度快，工期短，造价低等优点。但是坝内要少设廊道和孔洞；层面多，易形成渗流通道，影响坝体稳定。综合以上内容，考虑到本工程的实际情况，最后选定坝型为混凝土实体重力坝。2.2水工建筑物的布置2.2.1布置原则本枢纽的主要任务是防洪发电，主要建筑物有挡水建筑物，泄水建筑物，放空建筑物和电站建筑物。水利枢纽布置需充分考虑地形、地质条件，使各种水工建筑物都能布置在安全可靠的地基上，并能满足建筑物的尺寸和布置要求。以及施工的必须条件，枢纽布置必须使各个不同功能的建筑物在其位置上各得其所，在运行中互相协调，充分有效地发挥其所承担的任务；各个水工建筑物单独使用或联合使用的水流条件好，上下游的河道冲淤变化不影响货少影响枢纽的安全运行，结构强度满足要求，即技术上安全可靠。泄水建筑物：常用的坝身泄水建筑物有坝身泄水道（包括溢流坝、中孔泄洪孔、深式泄水孔、坝下涵管等）和河岸泄水道（包括河岸溢洪道和泄水隧洞等）。电站建筑物：由于本枢纽处于河段峡谷出口处，坝宽相对狭窄，流量较小，为了便于摆放枢纽建筑物，此时可采用地下式厂房。2.2.2确定工程等别和水工建筑物级别根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，根据总库容为22.5亿立方米，枢纽为等工程，主坝为1级建筑物，其他建筑物为2级建筑物考虑。第三章 重力坝非溢流坝段设计3.1 基本剖面的拟定重力坝承受的主要荷载是水压力，自重和扬压力，其基本剖面是一个三角形。实用剖面（1） 实用剖面（2） 实用剖面（3）图3.1 非溢流重力坝实用剖面选择实用剖面：（1）适合于地基条件较好,坝体与基岩间摩擦系数较大的情况，坝体剖面由强度条件控制；（2）坝体剖面由稳定条件控制，同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔；（3）适合于地基条件较差,坝体与基岩间摩擦系数较小的情况，坝体剖面由稳定条件控制。综合考虑坝址的条件选择采用实用剖面（1）.3.1.1坝顶高程坝顶高程=max（设计洪水位+h正、校核洪水位+h校 的） h=h1%+hz+hc试中：h防浪墙顶至设计（校核）洪水位的高差，M；h1%波高，M；hz波浪中心线至设计（校核）洪水位的高差，M；hc安全超高，M；h1%按水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997中官厅水库公式（G6）(G7)式中 h当是，为累积频率5%的波高5%当，是累积频率10%的波高10%=计算风速。校核为15m/s,设计情况为151.2=18m/sD=风区长度为3000mLm平均波长mH坝前水深3.1.2校核洪水位计算由3.1.3设计洪水位计算 按校核洪水位计算，则坝顶高程为227.5+2.03=229.53（m）按设计洪水位计算，则坝顶高程为226+2.186=228.186 (m)经比较取较大指、坝顶高为229.53m，根据设计的资料，经各方面的考虑坝基面开挖高程取133m。坝高就是229.53-133=96.53（m）。3.1.4坝顶宽度根据工程经验，坝顶宽度一般可取为最大坝高的8%10%，最小尺寸宜大于23m，这里定为8m。坝底的宽度为坝高的0.70.9m，这取68m。3.1.5坝坡面的拟定下游坝坡取为1：0.75，下游起坡点的位置应根据上下游坝坡、坝顶宽度、结合坝的基本剖面计算得到。结合坝底宽度68m的出下游折坡点高程为213m。3.1.6坝基的防渗与排水设施拟定由于防渗的需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。根据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕及排水孔中心线在坝基面处距离坝踵分别6.8m和7.8m。3.2 非溢流坝坝体荷载在计算重力坝非溢流坝段抗滑稳定分析时，应按照单一安全系数法计算荷载的基本组合和偶然组合。荷载基本组合有：正常蓄水位情况、设计洪水情况；偶然组合有：校核洪水情况。本设计时只对基本组合设计洪水情况进行计算。抗滑稳定的计算截面一般选择在受力较大、抗剪强度低、容易产生滑动破坏的截面，本设计选择的计算的截面有：坝基面截面。首先进行荷载计算：先计算荷载的标准值，然后，求出荷载作用点对滑动面截面形心的力臂；再求荷载所产生的力矩的标准值。本设计计算的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，计算时沿坝轴线取1m进行计算。3.2.1自重w沿坝轴线取单位宽度为1米的坝体作为计算对象，混凝土的容重=24KN/m3。受力图如图所示。试中： 3.2.2静水压力静水压力是垂直于作用在上下游坝面的荷载，计算时分解为水平压力P和垂直水压力Q两种。P的计算公式为：式中：垂直水压力Q按水重计算。上游静水： 下游静水： 下游水自重： 2.2.3扬压力扬压力包括渗透压力和浮托力两部分，渗透压力是由上下游水位差H产生的渗流在坝体或坝基面上形成的向下水压力；浮托力是由下游水面产生的向上水压力。坝基设有防渗帷幕和排水孔时，在坝踵处的扬压力作用水头为,坝址处为,，灌浆帷幕的中心线位置距离坝上游面0.1倍坝底宽=0.168=6.8m，坝基面在正常蓄水位情况下的扬压力为：196810=12920（KN）61.218.50.510=5661（KN）6.818.510=1258（KN）6.855.50.510=1887（KN）3.2.4泥沙压力水平泥沙压力式中： 3.2.5浪压力当时浪压力按深水波计算，假定深水波浪顶及水深等于Lm/2处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，呈三角形分布，计算时将浪压力分成两个三角形进行，如图所示，计算浪压力 表1设计洪水位荷载计算表荷载符号荷载标准值（KN）自重W118533.76W257600上下游静水压力Ph143245Ph21805下游水垂直水压力Pv1444水平淤沙压力Ps1771.26扬压力U112920U25661U31258U41887浪压力PL1109.28PL2143.99计算结果77577.76217261914.2845160.253.3重力坝抗滑稳定分析3.3.1抗滑分析SL 3192005混凝土重力坝设计规范规定。重力坝坝体抗滑稳定计算主要核算抗滑动条件，应按抗剪强度公式计算坝基基面的抗滑稳定安全系数。抗剪强度的计算公式：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，KN；作用接触面以上的总水平力，KN；，=以上计算结果得出，设计洪水满足抗剪强度的要求。第四章 细部构造4.1坝体构造坝顶构造包括非溢流坝段坝顶构造和溢流坝段坝顶构造两部分，由于本课程设计只要求非溢流坝段设计，所以只做非溢流坝段坝顶构造。4.1.1非溢流坝段坝顶构造坝顶结构考虑实体结构。非溢流坝段上、下游设置高为0.5m栏杆，采用固结的方法与大坝相连，宽取0.3m。为了适应温度的变化和地基不均匀沉降，在坝体横缝处设伸缩缝，并设止水。由于本设计在设计过程中，坝高设计综合考虑了防浪的高度，无需在设防浪墙，在上游面只设置护栏。 坝顶路面应有一定的横向坡度，取为2，倾向上游，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10m设置路灯。4.2坝体分缝和止水坝的分缝是为了满足施工要求以及为了防止坝在运行期间由于温度变化和地基不均匀沉降等导致坝体出现裂缝，在坝体内需要进行分缝。4.2.1横缝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。混凝土重力坝一般为1520，很设计横缝间距设为20米。因为间距过大会产生裂缝，过小又无必要，反而增加造价和对结构不利。横缝有永久缝和临时缝两种。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米，本工程设计取1.6m。一般采用1.01.5毫米厚的紫铜片，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米，后510厘米。沥青井尺寸大致为2020至3030厘米，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。4.2.2纵缝为了适应混凝土浇筑能力和减小施工期温度应力，常用平行于坝轴线方向的纵缝把一个坝段分成几块浇筑，待坝体降低到稳定温度后再进行接缝灌浆，使坝段结成整体。本工程可采用垂直纵缝，间距可取为20米。为了使缝面能够传递剪力，常在缝上设置三角形键槽，槽的短边和长边分别大致与第一和第二主应力方向正交。4.2.3水平施工缝上、下层浇筑块之间的水平施工缝是新老混凝土的结合面，浇筑块的厚度可取为2.5米，施工时按50厘米的浇捣层连续浇筑。在基岩表面需用0.9米的薄层浇铸以利散热、减少温升、防止开裂。水平施工缝一般不设止水，可在廊道前靠上游边处的水平缝间插一道长0.5米的止水片。4.2.4坝体排水在坝体的横缝面内虽已经设置了止水，但混凝土的渗水仍难完全避免。为了减小渗水的有害影响，还要设置相应的排水系统，将坝体的渗水由排水管排入廊道，再由廊道汇集于集水井，自流或用抽水机排到下游。排水管幕距离上游坝面的距离，一般要求不小于坝前水深的1/101/12,且不小于2m，本设计可取排水管中心线距离上游坝面5.2m，排水管之间的间距为3米，管内径为150mm，排水管施工时必须防止被混凝土和杂物堵塞。4.3廊道系统为了进行帷幕灌浆，排泄渗漏积水，安装观测仪器，检查维修坝体等需要，应在坝内设置各种廊道。廊道内必须有良好的排水条件，以及适宜的通风和足够的照明设备。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1530m设置一层，本设计取25m，其断面形状为城门洞形。4.3.1基础廊道基础灌浆排水廊道：坝基的防渗帷幕灌浆工作和排水孔幕的钻设通常均在廊道内进行。其优点是：可以利用已完成部分坝体的重量来提高灌浆压力，保证灌浆质量；浆液灌入坝体与基岩的接触面，可以提高坝的抗剪强度和抗渗能力；钻孔，灌浆工作不影响坝体正常施工，能保证施工进度；在工程运用期间，能够根据需要对帷幕作补充加固灌浆或补钻排水孔。灌浆排水廊道的位置应尽量靠近上游面和坝基，以便最有效地降低渗透压力。但由于渗透坡降的限制和应力要求，又不能太近。一般要求廊道的上游侧距上游坝面不得小于作用水头的0.050.1，且不得小于45m，本设计取5m，廊道底距基岩面，最好不小于廊道底宽的1.5倍，以免被灌浆压力掀动开裂，本设计取5m，廊道尺寸为高3.5m，宽3m。4.3.2坝体廊道坝体廊道为沿坝高布置在166.5m高程和195m高程，其上游侧距离上游铅直面5m，与基础廊道在同一竖直面上。坝体检查和排水廊道：为检查和坝体排水设置的蓝带，沿坝高每隔25m设置一层。检查排水廊道的断面形状，一般也用上圆下方的标准廊道。第五章 地基处理5.1地基的开挖和清理实体重力坝要求地基应具有足够的强度，以满足地基的应力要求：应具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷的要求：应具有足够的不透水性，以满足坝基渗透稳定和减少渗漏的要求：应具有足够的抗侵蚀和抗风化的能力，以满足建筑物的耐久性要求。但天然地基很复杂，必须通过适当处理，才能达到上述要求。常有的坝基处理措施包括开挖，清基，灌