南昌工程学院水工建筑物课程设计

水工建筑物课程设计 重力坝姓名： 学号： 班级： 14水利水电工程（本）04指导老师： 张 洁目录一、原始资料- 1 -二、坝体剖面拟定- 2 -三、稳定分析- 5 -四、应力分析- 13 -五 溢流坝面设计- 15 -六 细部构造设计- 17 -七 地基处理设计- 19 -一、原始资料某枢纽以发电为主，兼顾防洪灌溉。水库建成后，还可以提高下游二个水电站的出力和发电量。该工程坝型为混凝土重力坝。（一）水库特征： 1、水库水位： 正常蓄水位349米 设计洪水位349.9米 校核洪水位350.4米2、下泄流量及相应下游水位：千年一遇洪水的下泄流量13770，相应下游水位271.90米；五千年一遇洪水的下泄流量15110，相应下游水位272.63米。3、库容：总库容为17.9亿立方米， 考虑开挖后，坝基面高程269m（二）、综合利用效益：装机容量20万千瓦，年发电量7.4亿度。防洪：可将千年一遇洪峰流量以18200削减至13770；可将五千年一遇洪峰流量从21200削减至15110；可灌溉农田30万亩；此外还可改善航运条件，库区可从事养殖。（三）自然条件1、地形：坝址位于峡谷出口段，左岸地势较低，山坡较缓；右岸地势高，山坡陡。2、地质：坝址出露岩层为志留系圣母山绿色含砾片岩。岩性坚硬完整，新鲜岩石饱和极限抗压强度在60-80Mpa以上，坝上游坡角为绢云母绿泥石英片岩, 饱和极限抗压强度为30-40 Mpa。坝基坑剪断摩擦系数经野外试验及分析研究确定为1.0-1.1；坝基坑抗剪断凝聚力为0.6-0.8 Mpa。3、水文地质：坝址水文地质较简单。相对不透水层埋藏深度一般在35米以内，库区无渗漏问题。4、气象资料：最高气温为，最低气温为-8，多年平均最大风速为14，水库吹程为1.4km5、淤泥：百年后坝前淤沙高程为286.6米，淤积泥沙内摩擦角取，淤沙浮容重为。二、坝体剖面拟定1工程等级水利水电工程等级指标工程等级工程规模水库总容量（亿m3)防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业重要性保护农田（万亩）治涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）供水对象重要性装机容量（万KW)大（1）型10特别重要500200150特别重要120大（2）型101.0重要5001002006015050重要12030中型1.00.1中等100306015505中等305小（1）型0.10.01一般30515350.5一般51小（2）型0.010.001530.51 表2-1总库容为17.9亿立方米，确定为大（1）型水库，等级为级。2 确定坝高2.1超高值h 的计算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h，可由式（2-1）计算。 h=h1%+hz+hc （2-1）h防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；h1% 累计频率为1%时的波浪高度，m；hz 波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；hc 安全加高，由于该工程的级别为级，故查得设计洪水位情况hc0.7m；校核洪水位情况hc0.5m。下面按官厅公式计算h1%，hz。hl=0.0166V05/4D1/3L=10.4(hl)0.8hz=hl2Lcth2HLh1%=1.24h5%V0为计算风速14m/s；D为吹程1.4km；波高hl：gD/V02=70(20250)h5%为累计频5%的波高，规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；首先计算波浪高度hl和波浪长度L 和波浪中心线超出静水面的高度hz。（1） 设计洪水位时：设计洪水位时h计算，风速宜用取多年平均最大风速的1.5-2.0倍,V0 =14m/s取V=1.5V0 =21m/s，吹程D=1.4km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166V05/4D1/3hl=0.0166215/4141/3=0.83m波长L=10.4(hl)0.8=10.40.830.8=8.96m雍高hz=hl2Lcth2HL=（3.140.832/6.0）cth(23.1480.9/6.0)= 0.24m 计算得出h5%=hl =0.83m，因gD/V02=70，h1%=1.24h5%=1.03m；hz=0.24m；hc=0.7m； h=h1%+hz+hc=1.03+.24+0.7=1.97m（2） 校核洪水位时：风速宜用取多年平均最大风速V0 =14m/s计算方法同上，hc=0.5m，h=h1%+hz+hc=0.62+0.13+0.5=1.25m2.2坝高计算坝顶高程按下式计算，并选用其中较大值坝顶高程=设计洪水位+h设=349.9+1.97=351.87m坝顶高程=校核洪水位+h校=350.4+1.25=351.65m取校核洪水位时的情况351.87m为保证坝体运行安全，需设置防浪墙，1.34m，坝顶高程取为350.53m。坝基面高程为269m,坝顶高程为350.6m,坝高为350.53-269=81.53m。3 拟定坝顶宽度因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%10%取值，且不小于2m 并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的10%计算，即为6.52m8.15m，考虑到上游防浪墙，下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为8m，以满足大坝维修作业通行需要。4 拟定剖面尺寸拟定坝体形状为基本三角形。本次设计采用上游坝面铅直，下游倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。下游坝坡坡率m=0.60.8，取m=0.8。计算得坝底宽度为B=0.881.5=65.2m。三、稳定分析1荷载及其组合主要荷载有：自重、静水压力、重力坝浪压力、泥沙压力、扬压力等，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，使之满足规范中规定的要求。本次荷载组合分二种（1）、基本组合为设计洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力；（2）、特珠组合为校核洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。2设计洪水情况荷载计算：2.1自重W坝体自重的计算公式： W =V（kN） （3-1）式中 V坝体体积，m3；由于取1m坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3-1所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/ m3）图 3-1分解后的两部分自重：W1=24881.53=15653.76kNW2=2471.5357.21/2=49098.19kNW= W1+ W2=15653.76+49098.19=64751.95kN取坝底部中点为力矩作用中心点O，则W1作用点至O点的力臂L1=32.6-4=28.6mW2作用点至O点的力臂L2=32.6-(8+57.2/3)=5.53m;竖向力对O点的弯矩（顺时针为“”，逆时针为“+”）： MOW1 = 15653.7628.6=.54KNm MOW2 =49098.195.53=.99KNmMOW =.54+.99=.53 KNm2.2静水压力P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种,本设计上游坝面只有水平水压力，下游有水平和垂直两种压力。如图3-2所示。图 3-2根据水力学公式水平水压力PH 计算公式为：PH=12wH2 .（3-2）式中： 计算点处的作用水头，m；w水的重度，常取9.81 kNm3；垂直水压力PV 按水重计算。H上=349.90-269=80.9mH下=271.90-269=2.9m上游水压力：P上H=1/29.8180.92=32102.29kN （）下游水平水压力：P下H=1/29.812.92=41.25KN（）下游垂直水压力：P下v=1/29.812.920.8=33.00KN()上游水压力力臂L上H=80.9/3=26.97m下游水平水压力力臂L下H=2.9/3=0.97m下游垂直水压力力臂L下v=32.6-（2.9/3）0.8=31.83m静水压力对O点的弯矩（顺时针为“”，逆时针为“+”）：MoP上H=-32102.2926.97=-.76KNmMoP下H=41.250.97=40.01KNmMoP下v=-33.0031.83=1050.39 KNm水平水压力对O点的弯矩： MoP=-.76+40.01=-.75KNm2.3 扬压力U (设帷幕灌浆，设排水孔)根据规范，排水处扬压力折减系数：=0.25,如图3-3 所示，将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。图 3-3U1=9.812.9065.2=1854.87 kNU2=1/20.25789.8157.2=5471.04kNU3=7880.259.81=1530.36kNU4=1/258.59.818=2295.54kNU=U1=+U2+U3+U4=11151.81kNU1作用点至O点的力臂L1=0U2作用点至O点的力臂L2=32.6-(57.2/3+8)=5.53mU3作用点至O点的力臂L3=32.6-8/2=28.6mU4作用点至O点的力臂L4=32.6-8/3=29.93 m竖向扬压力力对O点的弯矩（顺时针为“”，逆时针为“+”）：M1=0 KNmM2=-5471.045.53=-30254.85KNmM3=-1530.3628.6=-43768.30KNmM4=-2295.5429.93=-68705.51 KNmMOU =0-30254.85-43768.30-68705.51=-.66KNm2.4、 泥沙压力Ps一般计算年限取50100 年，本设计取100年，水平泥沙压力Ps为：Ps=12sbhs2tg245-s2 (3-3)式中：sb泥沙的浮容重，8kN/m3；hs坝前淤沙厚度，286.6-269=17.6m；s 淤沙的内摩擦角，( 0)。故泥沙压力为Ps=1/2817.617.6tan245=1239.04kN对O点的力臂L=17.6/3 = 5.87m对O点取矩： MOPS=-1239.045.87=-7273.16KNm2.5、 浪压力（1）波浪要素计算及波态判别根据规范SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V020m/s 及DLm /2，属于深水波。（2）波浪压力计算各种情况均按深水波计算浪压力，如图3-4所示。图 3-4 深水波浪压力分布浪压力计算公式为P1=Lm4h1%+hz (3-8)h1%=1.24h5%=0.62m ； hz=0.13m ；P1=Lm4(h1%+hz）=9.810.214（0.62+0.13）=0.386kN对坝底中点O取矩为（顺时针为“”，逆时针为“+”）：MOPl =0.386(80.9+0.13)=31.278 KNm2.6 其它荷载冰压力、土压力应根据具体情况来定。温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分析时可以不计入。风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。坝体廊道及坝顶设备重也忽略不计。2.7、将计算的各荷载进行汇总整理。结论请见下表3-1表3-1 设计水位情况各项作用力 单位：KN、KNm序号荷载效应方向力值力矩M值1自重为正64751.53.532水平静水压力为正32061.04-.753垂直静水压力为正33.001050.393扬压力为正-11151.81-.604浪压力为正0.38631.285淤沙压力为正1239.047273.163同理可得校核洪水荷载表3-2 校核水位情况各项作用力 单位：KN、KNm序号荷载效应方向力值力矩M值1自重为正64721.53.532水平静水压力为正32435.7-.753垂直静水压力为正51.711635.693扬压力为正-11211.47-.574浪压力为正0.38631.4715淤沙压力为正1239.047273.16 4稳定分析重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。按单一安全系数法验算,计算公式如下：Ks=fSW-U+AcSP (3-9)式中：Ks 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f=1.10c 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c=0.8Mpa=800KPa；A 坝基接触面截面积，单宽，A=65.2m2。W 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；P 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数Ks值应不小于3.0（1）设计洪水位稳定分析Ks=1.1(64751.53+33.00-11151.81)+80065.21/33300.47=3.34所以，Ks（K）=3满足规范要求。（2）校核洪水位稳定分析Ks=1.1(64751.53+51.71-11211.47)+80065.21/33675.13=3.30所以，Ks（K）=2.5满足规范要求。四、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，同时也是研究解决设计和施工期中的某些问题，如混凝土标号区分和某些部位的配筋等提供依据。在一般情况下，坝体的最大、最小正应力和主应力都出现在上下游坝面，所以重力坝设计规范规定，应核算上下游坝面的应力是否满足强度要求。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。依据规范，本次应力分析用材料力学法进行计算。材料力学法三个基本假定：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。1设计洪水位应力计算1.1正应力计算y=WB6MB2上、下游边缘应力syu和syd计算公式y=WB6MB2 (4-1)其中：W作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；M作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；B计算截面的长度，m。W=64725.6+33.0-10165.89=54592.71 kNM=.928-1050.39-.76-.03-31.278-7273.16=-.69kNmsyu =54592.71/65.26（-.69）/65.22=837.31-409.07=428.24kPasyd =837.31+409.07=1246.38kPasyu和syd均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力，满足工程规范要求，并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。上游水面压强：=9.8180.9=793.63kPa1.2 主应力计算lu=(1+n2)syu -Pun2=428.24kPa=(1+0.80.8)1246.38=2044.06kPa坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。计算结果表明，重力坝在设计洪水水位情况下应力满足规范要求。2校核洪水位应力计算2.1正应力W=64725.6+51.71-10720.63=54056.68kNM=.928-1635.69-.75-.57-31.471-7273.16=-.713kNmsyu =54056.68/65.26（-.713）/65.22=829.09-433.07=396.02kPasyd =829.09+433.07=1262.16kPasyu和syd均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力，满足工程规范要求，并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。上游水面压强：Pu=h上=9.8181.4=798.534kPa2.2 、主应力计算lu=(1+n2) syu -Pun2=396.02kPa=(1+0.80.8)1262.16=2069.94kPa坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。计算结果表明，重力坝在校核洪水水位情况下应力满足规范要求。五 溢流坝面设计溢流坝曲线由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段三部分组成，溢流面曲线采用WES曲线。1基本资料工况上游水位m下泄流量 m3/s下游水位m正常349设计349.913770271.90校核350.415110272.63Hmax=1.4m2溢流曲线设计溢流曲线具体尺寸要求如表，其中Hd为堰面曲线定型设计水头，要求按最大作用水头Hmax的75%95%计算，本设计采用80%倍的Hmax，所以Hd=1.12m。2.1曲线上游圆弧段参数计算如表0.282Hd=0.316mR3=0.04Hd=0.045m0.276Hd=0.309mR2=0.20Hd=0.224m0.175Hd=0.196mR1=0.50Hd=0.56m2.2顶部曲线段顶部曲线段计算公式为：x1.85=2.0Hd0.85y (5-1)x0.511.522.533.544.55y0.126 0.454 0.961 1.637 2.474 3.466 4.610 5.901 7.338 8.917 x5.566.577.588.599.510y10.637 12.494 14.489 16.618 18.880 21.274 23.799 26.454 29.236 32.147 曲线如图5-1图 5-12.3、中间直线段dy/dx=1/(2.0Hd0.85)1.85 x0.85 =1/0.8x=1.596m,y=1.078m2.4、下游反弧段本设计采用挑流消能，反弧段半径R=（410）hc,式中hc为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深。挑流鼻坎高程取274.00m。反弧段最低点流速v=0.932gH0=0.93(29.81(350.4-274)=36.01m/s水深hc=q/v=90/36=2.5m 反弧段半径R=（410）hc，本设计反弧段流速为36.01m/s16m/s,但流速也不是特别大，同时考虑反弧段要与中间直线段相切，所以取R=15m。六 细部构造设计1 坝顶构造坝顶路面应具有23的横向坡度，并设置砼排水沟(3030cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测维修人员快速进出。2 分缝止水2.1 坝体分缝1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、纵缝：适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。一般情况横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从缝内流出，必须在缝的四周设止浆片。3、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.54.0m；在靠近基岩面附近用0.751.0m 的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。2.2 止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.01.6mm 后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.52.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为2025cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.01.5m，厚510cm（本设计采用1m10cm），沥青井尺寸大致为15cm15cm 至25cm25cm（本设计采用20cm20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为1520cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约3050cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。3坝体排水坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/101/12，且不少于2m，（1/101/12）（104.14107.1）=（8.6810.71）m，根据规定排水管设置在距上游面9m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm25cm（取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm30cm，低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式。4 廊道系统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。4.1坝基灌浆廊道帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取3.04.5m，形状采用城门水洞型。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45m 处设置，本次设计取10m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度，取5m。灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。4.2 检查及坝体排水廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔1530m设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m，距上游面的距离应不少于0.050.07 倍水头，且不小于3m,该重力坝选取7m，上游测设排水沟。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。排水廊道断面尺寸统一拟定为2m2.5m，城门洞形。七 地基处理设计天然地基，由于经受长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层，所有这些都需要采取适当的处理措施，地基处理的主要任务是：（1）防渗；（2）提高基岩的强度和整体性。1 清基开挖1.1开挖原则地基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。开挖深度应根据坝基应力、岩石强度及完整性，结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高超过100m 时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。1.2 开挖设计靠近坝基面的缓倾角软弱夹层应尽可能清除。顺河流流向的基岩面尽可能略向上倾斜，以增强坝体的抗滑稳定性，基岩面应避免有高低悬殊的突变，以避免造成坝体内应力集中。在坝踵和坝址处可开挖齿坎以利稳定。采用爆破开挖时应避免放大炮，以避免造成