水利工程设计资料

1、天津农学院课程设计说明书设计名称 水利工程学课程设计 设计题目 重力坝设计 设计时间2013年 6月 17日系 别 水利工程系 专 业 水文与水资源工程 班 级 水文一班 姓 名 黄伟民 指导教师 李炎2012 年 6 月 19 日目录课程设计任务书 3第一章 重力坝设计基本资料 5第二章 非溢流重力坝设计 5第一节 确定坝顶高程 5第二节 剖面设计 6第三节 荷载计算 6第四节 稳定分析 7第三章 溢流坝设计 8第一节 溢流孔 d 设计 8第二节 溢流重力坝剖面设计 8第三节 溢流重力坝消能设计 10参考文献 12附录 12水利工程学课程设计任务书1课程设计的内容和要求(包括原始数据、技术要

2、求、工作要求等) ：某山区水库挡水建筑物为混凝土重力坝， 定为 3 级建筑物。经水文水利计算， 确定： 正常蓄水位 176.0m，相应下游水位 155.0m；设计洪水位 177.0m，校核洪水位 178.5m， 相应下游水位 156.0m。溢流坝设在河床中间，其左右两边均为非溢流坝，非溢流坝段坝 基清基后最低点高程为 149m，地基为花岗岩，摩擦系数 f=0.65 。坝前淤沙高程求出为 160m；泥沙干容重 f 13KN/m ，孔隙率 n0.35 ，进而算 得泥沙浮容 重3n 6.5KN /m ( 13 10 0.35 10) 。内摩擦角 n 18 。枢纽所在地区多年平均最大风 速 v=13m

3、/s，水库吹程 D1km，地震基本烈度为 7 度。请进行非溢流坝及溢流坝的设计。由于课程设计时间短，将设计说明书和计算书合二为一，按设计顺序，统一编写， 称为设计计算书。设计说明部分要求说明设计原则、设计内容与方法、设计依据与成果 的文字说明，而不是计算公式与运算的流水帐。它要求立论正确，数据可靠，分析合理， 论证充分，结论明确。计算部分要求公式正确，计算精确，判定和判别成果无误。设计计算书要求做到内容充实，文理通顺，条理清楚，字迹工整，还应有必要的插 图、计算简图、表格等，做到图文并茂。常用公式直接列出，非常用公式应做说明。计 算过程分为：公式、填写对应数据、计算成果。设计注意事项1、学生课

4、程设计一律在教室进行，各组建立点名制度。2、学生在老师指导下拟定自己的设计实施计划，草图经指导老师审查后再加深。3、学生按指导老师规定的时间交设计成果，无故推迟者，降低课程设计成绩。4、所发给学生的原始资料，学生应爱惜使用，设计结束时必须随成果全部交回。水利工程学课程设计任务书2对课程设计成果的要求包括图表、实物等硬件要求 ：1、完成设计说明书 15 页左右。（含各部分结构简图） 。2、计算机绘图若干张， 包括非溢流坝及溢流坝纵剖面图。 设计图要求表达正确， 尺 寸齐全，比例恰当，布局合理，线条清晰，图面整洁，图例和标注清楚。3主要参考文献：1、袁光裕 .水利工程施工 . 北京：中国水利水电出

5、版社 .2002.2、祁庆和.水工建筑物 .北京：中国水利水电出版社 .2002.3、袁光裕.水利工程. 北京：高等教育出版社 .2002 年4课程设计工作进度计划：序号起迄日期1 2013.6.132013.6.13工作内容布置任务，熟悉指导书和基本资料2 2013.6.142013.6.173 2013.6.172013.6.184 2013.6.172013.6.19挡水建筑物设计 ,（ 坝高,剖面尺寸拟定 ）泄水建筑物设计 ,（ 溢流坝面拟定 , 泄流孔口尺寸拟定消 能形式尺寸拟定 ）绘图与成果整理主指导教师日期： 2013 年 6 月 19 日第一章 重力坝设计基本资料我国是一个人均

6、水资源紧缺的国家，价值水资源在时间和空间上分布不均， 导致水资源供需矛盾更加尖锐。缺水已成为我国经济和社会进步的重要制约因 素。某山区水库挡水建筑物为混凝土重力坝， 定为 3 级建筑物。经水文水利计算， 确定：正常蓄水位 176.Om，相应下游水位 155.Om；设计洪水位 177.Om，校核洪 水位 178.5m 相应下游水位 156.Om。溢流坝设在河床中间， 其左右均为非溢流坝， 非溢流坝坝段坝基最底点高程为 149.Om，地基为花岗岩， 摩擦系数 f=0.65 ，坝 前淤积高程求出为 l60m ；泥沙干容重 Yf=13kn/m3，孔隙率为 0.65 。进而算得 泥沙浮容重 n=6.53

7、 kn/m3 ，（=13+10O.35-10） 。内摩擦角 n=18。枢纽所 在地区多年平均最大风速 V=l3m/s ，水库吹程 D=1km，地震基本烈度为 7 级。第二章 非溢流重力坝设计第一节 坝顶高程的确定以水库水位为设计洪水位情况下设计坝顶高程： 坝顶高程由公式（ 1）求解坝顶高程 =设计洪水位 + h设（1）h设 =hc 2hl h0（2）V0 (1.5 2.0)Vmax 1.5Vmax 1.5 13 19.5m/ s2hl 0.0166 19.554 113 0.68； 2Ll 10.4(2hl )0.8 7.6392 2 2 h0 4 hl(2hl )2(0.68)2 0.192

8、Ll2Ll7.639查表得 hc 0.4m；因此h设 =hc +2 hl +h0 =0.68+0.19+0.4=1.27；。坝顶高程 设计洪水位+ h设=177+1.27=178.27。m 、水库水位为校核洪水位情况下的坝顶高程：V0= Vmax =13m s；2hl 0.0166 13 4 1 3 0.41； 2Ll 10.4(2hl )0.8 5.0962 2 2h0 4 hl2 （2hl ）2 （0.41）2 0.1042Ll2Ll5.096；查表 hc 0.3m ；所以 h设 =hc+2hl +h0 =0.41+0.104+0.3=0.814；此时， 坝顶高程 设计洪水位+ h设=17

9、8.5+0.814=179.314m 两种情况下，取较大值，即坝顶高程 =179.31m。第二节 剖面设计一、基本剖面：初步拟定 n=0.04,m=0.6,H=179.31-149=30.31 取 31m,B=24m，具体数值见表（ 1）。二、实用剖面：非溢流坝剖面设计基本尺寸拟定。见图（ 1）表1坝顶宽度（m）坝底宽度（m）坝高（ m）上游面坡度 n下游面坡度 m上下游面起 坡点高度324310.040.6起坡图 1 实用剖面第三节 荷载计算不同时刻 （ 时段） 、不同情况下，作用在坝体上的荷载是不一样的。须选取几种不利的、起控制作用的组合情况分别进行计算。受力情况如图2。图中表示的是非溢流

10、重力坝最大剖面单位长度 （1 米） 坝段上的各种荷载。对正常蓄水位、 设计洪水位、 校核洪水位、 地震情况下作用与坝体的荷载计算，详见附录表一、表二、表三、表四。P0PLP1Q G1图 2 大坝受力情况3）第四节 稳定分析按抗剪强度公式：并按要求得到的 KK;该水库为三级建筑物，因此基本组合时K=1.05 ，特殊组合时 K=1.0 。1、正常蓄水位情况下：抗滑力 f( W U)K 滑动力0.65 6615.08 1.19 1.053619.562、设计洪水位情况下：抗滑力K滑动力f( W U)P0.65 6444.32 1.09 1.053825.363、校核洪水位情况下：抗滑力滑动力f( W

11、 U)4、地震情况下：抗滑力K滑动力f ( W U)P0.65 6615.084013.011.07 1.00.65 6608.445 1.02 1.04238.07第三章 溢流坝设计第一节 溢流孔口设计溢流孔口 与溢流坝顶是否设置闸门有关。大型溢流坝一般要设置闸门；小 型溢流坝一般不设闸门， 这时坝顶高程取为水库正常洪水位。 本设计水库挡水建 筑物为 3 级建筑物，视为小型溢流坝，因此坝顶高程 Q为正常洪水位。 一、 单宽流量的取值 该水库地基为花岗岩，属坚硬岩石，因此假定通过溢流坝顶的单宽流量 3q 80m3 /(m s)二、 溢流坝段泄流总径长的求解溢流坝段泄流总净长： L Q /q 2

12、000 / 80 25m溢流堰采用 WES实用堰。n 3；d 5。采用 3 孔溢流坝，孔口净宽为 3 5=15m。因此溢流前缘总长 L0 L (n 1)d 23.5 (3 1) 5 33.5m ；其中每个孔口 净宽为 b L /n 23.5 / 3 7.8m ；溢流坝顶高程 的确定：设计洪水位 H0，其中 H 0为堰顶水头。按下式进行计算：2800.90 0.45 2 9.812.58m2 q3 m 2g所以溢流坝顶高程 =设计洪水位 - H0 177 12.58 164.42m第二节 溢流重力坝剖面设计溢流重力坝横剖面图的周边轮廓线可划分为两段： 迎水段和溢流段。 迎水段为一段直线或由几段直

13、线组成。 溢流段由顶部椭圆曲线段、 顶部幂曲线段、 中间直线段和下部反弧段四部分组成。、椭圆曲线段椭圆曲线方程：x2bH d y 222 aH d 2bH d 24）式（4）中Hd 定型设计水头，值为堰顶最大作用水头的 75% 95%，m ；a 0.28 0.3； a/b 0.87 3a式（ 4）中取 a 0.30， b 0.1695。溢流面曲线坐标 x 、 y 的原点取在堰顶 点O。aHd 0.30 3.89 1.17m， bH d 0.1695 3.89 0.6594m其中 Hd 0.8H max 0.8 (178.5 164.42) 11.264m取 a=0.3 ，则代入数据：整理得：可

14、知椭圆曲线的两个半轴长度分别为 3.3792 和 1.91488、幂曲线段幂曲线段的方程为：n n 1xnKH dn 1y5）其中 n， K 取决于坝顶上游面的坡度，当坝体上游面为铅直面时，n 1.85， K 2.01.85 1.85y 2.0Hd0.85 对其求导得： y(2.0Hd0.85 )y 1.85x0.85y 2.0Hd0.85求得 x=5.5 y=3.72 可得溢流堰顶原点坐标。x1.85原点右侧由曲线 y 1x5.67 构成见表 2表2x0.511.522.5y0.020.060.140.230.35x33.544.55y0.490.650.831.031.25下游反弧段半径

15、R=（4-10 ）h坎底水深 h= （0.3-0.5） H H 堰上水头 h=0.45.19=2.08 代入 R中得 R=10.4取 10m。三、直线段与曲线段的切点计算 中间直线段的坡度和非溢流重力坝的下游坡度相同（ 1:0.8 ）中间直线段上 端与幂曲线相切。四、下游反弧段半径的计算E0 E 178.5 156 1.5 21m10.1 21 21 1 =o.94585 3坝前水位为校核洪水位，且闸门全开时反弧最低点处水深 整理得： 21h2 h3 365.273解得 h=4.74mR=（810）h=（810）4.74 取 38 米第三节 消能防冲设计下游挑角采用 45 度，坎顶高程为下游最

16、大水位 （824m）+安全超高（取 1m） =825m。圆弧底到角顶距离为 y R（1 cos30 ） 1.34m 见附录溢流坝剖面图。水舌的挑距 L及可能最大冲坑的深度 tk 估算：10v1 sin2 2g h1 h2L v1 sin cos v1cos/g6)式中 h2 坎顶至河床面高差， m ；h1 坎顶垂直方向水深， m ； h1 hcos ；v1 坎顶水面流速， m / s ，取平均流速的 1.1倍。计算得出 h2 157.5 149 8.5m ，h1 hcos 4.74 cos30 4.105m ，v2gH0 =0.95 2 9.8 （178.5 149 8.5） 19.27v1

17、1.1v 1.1 19.27 21.2m/ s代入以上参数计算得 L=55.376m 水垫厚度 tk 由式（ 7）计算t k q0.5H 0.25（7）冲坑深度 t k由式（ 8）计算tk q0.5H 0.25 H2（8）式中 q 单宽流量， m3 / s m ；H 上下游水位差，11H 2 下游水深， m ；冲坑系数，坚硬完整的基岩取0.9 1.2 ，坚硬但完整性较差的基岩取1.21.5，软弱破碎裂隙发育的基岩取 1.5 2.0。计算得出： tk 1.0 800.5 22.50.25 19.48m ；tk 19.48 (156 149) 12.48mL 55.376, 4.4 2.5 满足要

18、求tk , 12.48说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。参考文献 :1 .袁光裕 .水利工 程施工 .北京：中国水利水电出版社 .2002.2 .祁庆和.水工建筑物 .北京：中国水利水电出版社 .2002.3 .袁光裕.水利工程 . 北京：高等教育出版社 .200212附表一 正常蓄水位荷载类型荷载（铅直）或水平力计算式铅直力的值水平力的值自重G1V 124 1.08 27 0.5349.9G2V1 24 3 312232G3V1 24 0.5 (24 1.08 3) (24 1.08 3) /0.85952上游水平水压 力P10.5 0 H 12 0.5 9.8 (176 149 )2

19、3572下游水平水压 力P30.5 0 H 2 2 0.5 9.8 (155 149 ) 2176.4上游铅直水压 力P2220.5 0H 12n 0.5 9.8 (176 149)2 0.04142.9下游铅直水压 力P40.5 0H 22 m 0.5 9.8 (155 149 )2 0.8141.1浮托力U0H 2 B 9.8 (155 149 ) 241411渗透压力U210.5 B1 (1 )(H1 H2) 0 0.5 2 (1 0.25) (27 6) 9.8154.4U22B1(H1 H 2) 0 2 0.25 (27 6) 9.8102.9U230H 0.5 (B B1) 0.2

20、5 9.8 (27 6) 0.5 (24 2)566水平向泥沙总 压力Pnh0.5hn2 n tan2 (45 n/2) 0.5 112 6.5 tan2(45 9 )207.6铅直向泥沙总 压力Pvh0.5nhn2 f 0.5 0.04 112 1331.46浪压力P10.25 0L(hl hz) 0.25 9.8 7.64 (0.68 0.19)16.28地震惯性力Q1Q2Q3地震动水压力P0汇总6615.083619.56溢流重力坝制 图 黄伟民1天0 水津农文 学1 班院 水学号利 工10程07系02411013附表二 设计洪水位荷载类型荷载（铅直）或水平力计算式铅直力的值水平力的值自

21、重G1V124 1.08 27 0.5349.9G2V1 24 3 312232G3V1 240.5 (24 1.08 3) (24 1.08 3)/0.85952上游水平水压力P10.5 0H 12 0.5 9.8 (177 149)23842下游水平水压力P30.5 0H 22 0.5 9.8 (156 149)2240.1上游铅直水压力P20.5 0H12n 0.5 9.8 (177 149)2 0.04153.7下游铅直水压力P4220.5 0H 22m 0.5 9.8 (156 149)2 0.8192.1浮托力U0H 2B 9.8 (156 149) 241646渗透压力U210.

22、5B1 (1 )(H1 H2)0 0.5 2 (1 0.25) (287) 9.8154.4U22B1 (H1 H2) 0 2 0.25 (28 7) 9.8102.9U230H 0.5 (B B1) 0.259.8 (287) 0.5 (242)566水平向泥沙总压 力Pnh0.5hn2 n tan2(45 n/2) 0.5 112 6.5 tan2(45 9)207.6铅直向泥沙总压 力Pvh34.16220.5nhn2 f 0.5 0.04 112 13浪压力P10.25 0L(hl hz) 0.25 9.8 7.64 (0.68 0.19)16.28地震惯性力Q1Q2Q3地震动水压力P

23、0汇总6444,323825.3614附表三 校核洪水位荷载类型荷载（铅直）或水平力计算式铅直力的值水平力的值自重G1V 1 24 1.08 27 0.5349.9G2V1 24 3 312232G3V1 24 0.5 (24 1.08 3) (24 1.08 3)/ 0.85952上游水平水压力P1220.5 0 H 10.5 9.8 (178 .5 149 ) 24264下游水平水压力P30 .5 0H 2 2 0.5 9.8 (156 149 ) 2240.1上游铅直水压力P20.5 0 H12n 0.5 9.8 (178.5 149)2 0.04170.6下游铅直水压力P40.5 0H

24、 22m 0.5 9.8 (156 149)2 0.8192.1浮托力U0H 2 B 9.8 (156 149 ) 241646渗透压力U210.5B1 (1 )(H1 H2)0 0.5 2 (1 0.25) (2.95 7) 9.8165.4U22B1(H1 H2) 0 2 0.25 (29.5 7) 9.8110.3U230H 0.5 (B B1) 0.25 9.8 (29.5 7) 0.5 (24 2)606.4水平向泥沙总压力Pnh0.5hn2 n tan2(45 n/2) 0.5 112 6.5 tan2(45 9)207.6铅直向泥沙总压力Pvh40.190.5nhn2 f 0.5 0.04 112 13浪压力P10.250L(hl hz) 0.25 9.8 5.09 (0.41 0.16.36地震惯性力Q1Q2Q3地震动水压力P0汇总64