课设设计计算说明书

1、设计计算说明书1.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。河槽高程150m。 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

2、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水文分析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。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2440027400m³/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m³/s。3.泥沙：淤砂浮容重为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。淤砂

3、高程157.5米。4.建筑材料：砌石容重：2.3t/m3；混凝土容重：2.4t/m3。1.3气象库区年平均气温为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

4、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。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下部，可取f=1.10、c=7.5kg/cm2。地震：库区的基本烈度为6度。1.5枢纽建筑物特性指标项 目单 位指 标备 注水位校核洪水位米227.2设计洪水位米225.7p=0.01%正常蓄水位米22

5、4.7p=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 型混凝土重力坝设计洪水下泄能力米3/秒32300校核水位下泄量429002.坝体剖面拟定水库净水位的超高按公式计算，计算分设计洪水、校核洪水和正常蓄水位三种情况进行。由于风的作用，在水库内形成波浪，它不但给闸坝等挡水建筑物直接施加浪压力，而且波峰所及高程也是决定坝高的重要依据。浪压力也与波浪要素有关，波浪要素包括波浪的长度

6、、高度及波浪中心线高出静水位的高度。2.1波浪要素计算2.1.1累积频率波高计算一般采用以一定实测或试验资料为基准的半理论半经验方法。根据SL319 2005混凝土重力坝设计规范丘陵、平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算：计算风速，在正常洪水位和设计洪水位时，采用相应季节50年重现期的最大风速的多年平均值，近似取风区长度（有效吹程），累积频率为2%的波高，平均波长， （1）计算得，设计洪水位时；校核洪水位时。由公式 （2） 计算出平均波高，并与平均水深（取正常蓄水位）相比得约为0，查SL319 2005混凝土重力坝设计规范表B.6.3-1不同累积频率的波高与平均波高的比值得到:设计洪水位时校核洪

7、水位时2.1.2 波浪壅高的计算：已知，设计洪水时采用多年平均最大风速，校核情况采用多年平均最大风速，根据SL319 2005混凝土重力坝设计规范官厅水库公式： （3） 计算得到设计洪水时波浪雍高，校核洪水时波浪雍高。2.1.3 防浪墙顶值洪水位高差计算： 为安全加高，坝的安全级别是级，查水工建筑物表3-10，可得设计洪水时，校核洪水时由公式：（4）得：设计洪水时校核洪水时为防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位时的高差。2.2坝顶高程计算：设计情况下坝顶高程=设计洪水位校核情况下坝顶高程=校核洪水位可见校核状况下的高程为控制高程，选择坝顶高程为。3.重力坝剖面设计3.1非溢流坝剖面设计河槽高程为1

8、50m，则坝高：。坝顶宽度： 取值范围为坝高的8%到10%，考虑交通要求，取8m。上游坝坡做成折坡，折坡点位于坝高1/3处（即高程176m处），在此上坝坡铅直，在此以下，坝坡坡率n取为0.16，下游坝坡坡率m取为0.8，。底宽取 77.52，为坝高的0.80倍。非溢流坝横断面如图1所示。图1 非溢流坝断面图3.2 溢流坝剖面设计 溢流坝由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。3.2.1堰面曲线设计坝高78米，由规范知单宽泄流量的取值范围为：50100，取。 (5)取=0.95，=0.5，得堰顶水头设计洪水位为225.7m，取堰顶高程为215m。堰顶最大作用水头。该工程采用开敞式溢流坝，

9、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，溢流面曲线可采用WES曲线，曲线的具体如图2。图2 WES曲线其中的为定形设计水头，按堰顶最大作用水头的75-95计算。由于上游堰高，故取 堰顶下游采用WES曲线（X，Y以溢流坝顶点为坐标原点的坐标，X以向右为正，Y以向下为正），方程为：(6)故可得堰面曲线见表1：表1 堰面曲线表X0123456789Y0.900.0720.2600.5500.9371.4161.9842.6393.3784.200X10111213141516171819Y0.95.1046.0897.1528.2939.51210.80712.17813.6231

10、5.14216.735 中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同。用以下方法可求得切点坐标为（13.91，9.40）。具体过程如下：，得，再代入，可得。3.2.2 反弧段半径和反弧圆心坐标的确定直线段后接反弧段，采用挑流消能。根据鼻坎高于下游水位12m的要求，确定鼻坎高程158.3（下游最高水位为156.8m），试取，下游河床高程150m，以校核洪水为控制情况，上游水位227.2m，下游水位为156.8m。由能量守恒公式：(7)得反弧段最低点流速反弧半径的确定，经试算拟定R=18m，此时反弧最低点高程为(8) (9)为了保证有较好的挑流条件，反弧半径R=(410)h，

11、故取反弧半径R=18m，是符合要求的。圆心高程：，圆心纵坐标，直线段与反弧半径的切点纵坐标 ，横坐标，则圆心横坐标。由直线与圆相切可得圆心角为初步拟定的剖面图如图3所示。图3 溢流坝断面图4. 坝体稳定分析4.1 非溢流坝段稳定分析库区的基本烈度为6度，设计时不考虑地震作用。本设计基本组合为设计洪水位时的荷载组合，特殊组合为校核洪水位时的荷载组合。选取坝基面作为计算截面。（上游水深为H，下游水深为h）。坝基面受力图见图4：图4 非溢流坝坝基面受力图4.1.1设计洪水位时荷载计算如下（以单宽计算）： 1.自重荷载： 2. 静水压力：由公式 （10） 得： 上游水平水压力： 下游水平水压力： 上游

12、垂直水压力： 下游垂直水压力：3.扬压力：当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为，根据SL319 2005混凝土重力坝设计规范，排水管幕至上游面的距离，一般不小于坝前水深的,且不小于,取。排水孔中心线处为，下游（坝趾）处为，其间各段依次以直线连接。实体重力坝取0.25。 4. 浪压力：波高，波长，波浪雍高因为设计洪水位坝前水深，故可判断此波为深水波。单位长度浪压力标准值：(11)5.淤沙压力： 水平淤沙压力： （12） 垂直淤沙压力： 4.1.2校核洪水位时荷载计算如下： 1.自重荷载：(同设计洪水位) 2.静水压力： 上游水平水压力： 下游水平水压力： 上游垂直

13、水压力： 下游垂直水压力：3.扬压力：当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为，根据SL319 2005混凝土重力坝设计规范，排水管幕至上游面的距离，一般不小于坝前水深的,且不小于,取。排水孔中心线处为,下游（坝趾）处为，其间各段依次以直线连接。实体重力坝取0.25。4.浪压力：波高，波长，波浪雍高。因为正常蓄水位坝前水深，故可判断此波为深水波。单位长度浪压力标准值：5.淤沙压力（同设计洪水位）：6.水平淤沙压力： 垂直淤沙压力：4.1.3 计算不同工况下的 计算截面上所有竖向力之和，取向下为正，计算时取单位长度坝体 。 计算截面上所有水平力之和，取向右为正，计算时

14、取单位长度坝体。 计算截面上所有竖向力和水平力对计算截面形心的力矩之和，以使上游坝体产生压力者为正。 1.设计洪水位情况下：表2 非溢流坝计算结果汇总（设计工况）荷载名称垂直力W(KN)水平力P(KN)力矩M(KN·m)坝体自重 82221.0241273938.607水自重4793.08894559.583静水压力 38933.3881211910.466扬压力 23368.087 190566.200 浪压力60.6865504.054淤沙压力1494.678 11210.084 341.71912680.044总计63987.74340488.752-38012.736 2.校

15、核洪水位情况下：表3 非溢流坝计算结果汇总（校核工况）荷载名称垂直力W(KN)水平力P(KN)力矩M(KN·m)坝体自重 82221.0241273938.607水自重3963.0959221.402静水压力39365.5681264537.148 扬压力26550.883182033.385 浪压力60.686 5595.249 淤沙压力1494.678 11210.084341.71912680.044总计62074.95040920.932-117535.813 表4 非溢流坝不同工况下应力计算表 工况 W(KN) M(KNm) P(KN) A(m²) 设计洪水位 6

16、3987.743 -38012.736 40488.752 77.52 校核洪水位 62074.950 -117535.813 40920.932 77.524.1.4 非溢流坝段沿坝基面的抗滑稳定分析 1.设计洪水位时，由于坝的安全级别是级，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。 ， (13) (14)所以 满足设计要求。 2. 校核洪水位时，由于坝的安全级别是级，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。 所以 满足设计要求。4.1.5 坝趾抗压强度极限状态 1.设计洪水位时，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。坝体采用C15混凝土，则抗压强度设计值。 (15) (16) 所以

17、满足设计要求 2.校核洪水位时，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。坝体采用C15混凝土，则抗压强度设计值。 所以 满足设计要求4.1.6 上游坝踵不出现拉应力的极限状态 (17） 满足设计要求。4.2溢流坝段稳定分析选取坝基面作为计算截面。（上游水深为，下游水深为）。受力图见图5：图5 溢流坝坝基面受力图4.2.1设计洪水位时荷载计算如下（以单宽计算）： 1.自重荷载： 2.静水压力： 上游水平水压力： 下游水平水压力： 上游垂直水压力： 3.动水压力:由公式 （18） （19）得： 水平动水压力： 垂直动水压力： 4.扬压力：（同非溢流坝设计洪水位）5.浪压力：（同非溢流坝设计洪水位

18、）6.淤沙压力：（同非溢流坝设计洪水位）4.2.2校核洪水位时荷载计算如下：1.自重荷载：(同溢流坝的设计洪水位)2.静水压力： 上游水平水压力： 下游水平水压力： 上游垂直水压力： 3.动水压力: 水平动水压力： 垂直动水压力：4.扬压力：（同非溢流坝的校核洪水位）5.浪压力：（同非溢流坝校核洪水位）6.淤沙压力（同非溢流坝校核洪水位）：4.2.3 计算不同工况下的 1.设计洪水位情况下： 表5 溢流坝计算结果汇总（设计工况）荷载名称垂直力W(KN) 水平力P(KN)力矩M(KN·m)坝体自重80819.424824621.964上游水体自重3659.052133373.855静水

19、压力38933.3881211910.466动水压力721.09871894.511 2894.30415712.725 扬压力23368.087 190566.200 浪压力60.686 5504.220 淤沙压力1494.678 11210.084 341.71912680.044总计64346.41139767.654-504696.893 2.校核洪水位情况下：表6 溢流坝计算结果汇总（校核工况）荷载名称垂直力W(KN)水平力P(KN)力矩M(KN·m)坝体自重80819.424824621.964上游水体自重3955.863136021.802静水压力39365.56812

20、64537.148动水压力721.098 71894.511 2894.30415712.725扬压力23368.087190566.200 浪压力60.686 5504.220 淤沙压力1494.67811210.084 341.71912680.044总计64643.22340199.834-554675.629 表7 溢流坝不同工况下应力计算表 工况 W(KN) M(KNm) P(KN) A(m²)设计洪水位 64346.411 -504696.893 39767.654 77.52校核洪水位 64643.223 -554675.629 40199.834 77.524.2.4

21、 溢流坝段沿坝基面的抗滑稳定分析 1.设计洪水位时，由于坝的安全级别是级，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。 ， 所以 满足设计要求。 2. 校核洪水位时，由于坝的安全级别是级，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。 所以 满足设计要求。4.2.5 坝趾抗压强度极限状态 1.设计洪水位时，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。坝体采用C15混凝土，则抗压强度设计值。 所以 满足设计要求 2.校核洪水位时，取结构重要性系数，设计状况系数，结构系数。坝体采用C15混凝土，则抗压强度设计值。 所以 满足设计要求4.2.6 上游坝踵不出现拉应力的极限状态 满足设计要求。5. 坝体边缘应

22、力分析5.1非溢流坝边缘应力分析5.1.1水平截面的正应力 （20） （21）式中：B计算截面的长度1. 设计情况下： 2.校核情况下： 5.1.2 剪应力1. 设计洪水位情况下： （22） （23）2.校核洪水位情况下： 5.1.3 水平正应力1.设计洪水位情况下： （24） （25）2.校核洪水位情况下： 5.1.4 主应力1.设计洪水位情况下： 坝踵主应力：（26） 坝趾主应力：（27） 上游坝面主应力：（28） 下游坝面主应力：（29）2.校核洪水位情况下： 坝踵主应力： 坝趾主应力： 上游坝面主应力： 下游坝面主应力：5.2 溢流坝边缘应力分析5.2.1 水平截面的正应力 1.设计情

23、况下： 2.校核情况下： 5.1.2 剪应力 1.设计洪水位情况下： 2.校核洪水位情况下： 5.1.3 水平正应力1.设计洪水位情况下： 2.校核洪水位情况下： 5.1.4 主应力1.设计洪水位情况下： 坝踵主应力： 坝趾主应力： 上游坝面主应力： 下游坝面主应力：2.校核洪水位情况下： 坝踵主应力： 坝趾主应力： 上游坝面主应力： 下游坝面主应力：应力计算结果如表4表8 应力计算成果表单位：项目力应主载荷基本组合特殊组合设计洪水位校核洪水位坝踵 坝趾坝踵 坝趾非溢流坝784.8631249.188677.7481368.837溢流坝264.0942138.96547.3512267.151表中“”为拉应力 从计算表中看出，在基本组合和特殊组合下，坝基应力均满足规范要求。根据实际工程经验，坝基扬压力有滞后现象，即上游为最高水位时，坝基扬压力不同时相应出现，当洪水历时短时，水位下降水平推力减小，故实际情况比计算出的应力条件情况更为安全。6. 坝顶细部构造6.1 坝体混凝土分区根据混凝土重力坝体各部位的不同运用条件，对混凝土强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能的要求也不同。为了节约与合理使用水泥，上游面采用C20混凝土，溢流坝面及挑流鼻坎等防冲要求较高，采用C25混凝土。靠近地基的混凝土采用C