水工课程设计

1、水 工 建 筑 物课 程 设 计姓 名： 苏瑞 学 号： 2014030008 专 业：14级水利水电建筑工程（士官）指导教师： 石莎 2016年6月25日目 录1. 基本资料11.1概况11.2 地形，地质概况11.2.1 区域地址概况11.2.2 库区工程地质条件21.2.3 坝址区工程地质21.2.4 水文，气象概况32. 枢纽布置32.1 坝址、坝轴线及坝型选择32.2 泄洪建筑物的选择与布置33. 挡水坝段设计33.1 挡水坝段剖面设计33.1.1 超高值的计算43.1.2 坝顶高程计算53.1.3 确定坝基高程53.1.4 拟定坝顶宽度53.1.5 拟定坝底宽度53.1.6坝坡系数

2、的确定53.2 坝基面抗滑稳定分析53.2.1 计算荷载63.2.2 抗剪断公式计算73.3 构造设计83.3.1 横缝93.3.2 纵缝93.3.3 坝体排水93.3.4 廊道系统93.3.5 坝顶93.4 地基处理93.4.1 坝基的开挖与清理 93.4.2 坝基的固结灌浆  93.4.3 帷幕灌浆  93.4.4 坝基排水 104. 溢流坝段设计104.1 泄水方式的选择104.2 溢流坝段剖面设计104.2.1 定型设计水头的确定104.2.2 坝顶曲线段104.2.3 中间直线段11 4.3 消能防冲设计 114.3.1 选

3、择消能方式114.3.2挑流消能设计125. 坝基面应力分析135.1 荷载，弯矩135.2 偏心受压公式136. 总结147. 主要参考资料141.基本资料 1.1概况 1.2地形，地质概况 1.2.1区域地址概况 1.2.2库区工程地质条件 1.2.3坝址区工程地质 1）地形地貌 2）地层岩性 3）地质构造 4）水文地质条件 5）基本参数此处设计水位取642.05+0.08=642.13m，校核水位取643.03+0.08=643.11m。 1.2.4水文，气象概况 1）水文基本资料 2）气象2. 枢纽布置 2.1 坝址、坝轴线及坝型选择坝址、坝轴线已给定，砼实体重力坝作为本次课程设计的坝

4、型。2.2 泄洪建筑物的选择与布置坝顶溢流3. 挡水坝段设计 3.1 挡水坝段剖面设计 3.1.1 超高值的计算 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，可由下式计算。 式中： 防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m； 累计频率为时的波浪高度，m； 波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m； 安全加高， 对于级工程，设计情况，校核情况。 下面按官厅公式计算，。 式中：V0 计算风速，m/s，采用最大平均风速14.5m/s； D 吹程，km， 首先计算波浪高度和波浪长度L 和波浪中心线超出静水面的高度hz。（1）设计洪水位时

5、 计算 风速，吹程。 波浪三要素计算如下： 波高 = 0.0166 Vs5/4 D1/3 = 2.692m 波长 L = 10.4(h1)0.8 = 22.966m 壅高 hz= hl2/L = 0.991m hc = 0.5m （2）校核洪水位时计算 风速，吹程。 波浪三要素计算如下： 波高 = 0.0166 Vx5/4 D1/3 = 1.132m 波长 L = 10.4(h1)0.8 = 11.484m 壅高 hz = hl2/L = 0.351m hc = 0.4m 3.1.2 坝顶高程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+ 坝顶高程=校核洪水位+ 根据以上两种

6、水位时计算结果，得出两种状况下坝顶高程。（1）设计洪水位时的坝顶高程：坝顶=设计洪水位+ （2）校核洪水位时的坝顶高程：坝顶=校核洪水位+ 为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值坝顶646.313m。 3.1.3 确定坝基高程河床高程约556-557m，上游校核水位，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除。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。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。初步定出开挖深度6m，通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为550m。因此，

7、最大坝高为，属于高坝。 3.1.4 拟定坝顶宽度 坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。 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9.511m， 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10m，以满足大坝维修作业通行需要。 3.1.5 拟定坝底宽度 坝底宽度约为坝高的0.70.9倍，本工程的坝高为95.113m，最终确定坝底宽度85.602m。 3.1.6坝坡系数的确定一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，常做成铅直

8、或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.60.8。根据设计说明书可得：上游坝坡取1：0，下游坝坡取1：0.8。3.2 坝基面抗滑稳定分析3.2.1 计算荷载：重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、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。 本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊荷载组合为校核洪水位和地震情况。 荷载组合

9、主要考虑情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力地震荷载动水压力土压力基本组合正常蓄水位设计洪水位特殊组合校核洪水位地震 荷载组合表注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合； 2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。6.表中的“”表示应考虑的荷载。下面就各种情况计算相应荷载，计算示意图2-2图2-2（1）自重W坝体自重的计算公式： （kN） 式中 坝体体积

10、，；由于取1m坝长，可以用断面面积代替， 通常把它分成如图2-2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） 四种情况下自重相同。 （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和垂直水压力 两种。水平水压力PH 计算公式为： 式中： 计算点处的作用水头，m； 水的重度，常取； 垂直水压力按水重计算。1.设计洪水位： 2.校核洪水位： (3) 扬压力U1.设计洪水位： 2.校核洪水位： 3.2.2 抗剪断公式计算 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W 作用于坝体上的全

11、部铅直荷载（不包括扬压力）P 作用于坝体上的全部水平荷载U 作用在滑动面上的扬压力C 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力A 坝基面截面积本设计抗剪断摩擦系数1.0-1.1，抗剪断凝聚力0.9-1.1MPa 坝体混泥土与基岩接触面抗剪参数的计算参考值新鲜岩石，裂隙不发育的坚固岩石1.2-1.31000-12000.70-0.75微风化，弱裂隙的坚固岩石1.1-1.2800-10000.60-0.70弱风化，弱裂隙的中等坚固岩石0.9-1.1400-8000.55-0.60新鲜岩石，裂隙不发育的坚固岩石1.2-1.31000-12000.70-0.75微风化，弱裂隙的坚固岩石1.1-1.2800

12、-10000.60-0.70弱风化，弱裂隙的中等坚固岩石0.9-1.1400-8000.55-0.60f取1.1 ， C取1100KPa坝基面抗滑稳定安全系数K荷载组合K基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.3基本组合：特殊组合：结论：由计算结果可知：，。因此抗剪断强度符合要求，设计满足规范要求。 3.3 构造设计 3.3.1 横缝 为了减少温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求，沿坝轴线方向设置横缝。横缝间距一般为1520m。 缝宽2cm，内有止水。    坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游

13、坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。 3.3.2 纵缝    为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度压力，在平行坝轴线方向设铅直纵缝。纵缝间距一般为1530m。  3.3.3 坝体排水    为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。排水管幕至上游面的距离，一般要求不小于坝前水深的1/101/12，且不小于2m。排水管间距23m,内径1525cm。  3.3.4 廊道系统  

14、 为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需求在坝体内设置各种不同用途的廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。其中包括：坝基灌浆廊道、检查和坝体排水廊道。  3.3.4.1 坝基灌浆廊道       廊道为城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作业的要求，一般宽为2.53m,高为34m，底面距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度。  廊道随坝基面由河床向两岸逐渐升高，坡度不宜陡于40°45°。    3.3.4.2 检查和坝体排水廊道在靠近坝体上游面沿高度每隔1

15、530m设置检查和排水廊道，断面形式采用城门洞形，最小宽度1.2m，最小高度2.2m，至上游面的距离应不小于0.050.07倍水头，且不小于3m，上游侧设排水沟。 3.3.5 坝顶 坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为5m，下游侧设置栏杆及路灯。 3.4 地基处理  3.4.1 坝基的开挖与清理

16、60;       DL 51081999混凝土重力坝设计规范要求：混凝土重力坝的建基面应根据岩体物理性质，大坝稳定性，坝基应力，地基变形和稳定性，上部结构对地基要求，地基加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经济技术条件比较确定。原则上应在考虑地基加固处理后，在满足坝的强度和稳定性的前提下减少开挖量。坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化的或弱风化下部基岩上；坝高在50100m时，可建在微风化致弱风化上部基岩上；坝高小于50m时，可建在弱风化中部至上部基岩上；两岸岸坡较高部位的坝段，其利用基岩的标准可适当放宽。 3.4.2

17、坝基的固结灌浆    固结灌浆也一般布置在应力较大的坝踵和坝址附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。灌浆也呈梅花状或方格状布置，孔距、排距和孔深取决于坝高和基岩的构造情况。孔距和排距一般从1020m开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为34m。孔深58m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为815m。  3.4.3 帷幕灌浆    DL 51081999混凝土重力坝设计规范规定：岩体相对隔水层的透水率q根据不同坝高可采用下列标准：坝高100m以上，q=13Lu1Lu=0.01L/(min·m)；坝高

18、在10050m之间，q=35Lu；坝高在50m以下，q=5Lu。  3.4.4 坝基排水    排水孔幕与防渗帷幕下游面的距离，在坝基面处不宜小于2m。排水孔幕一般略向下游倾斜，与帷幕成10°15°交角。排水孔孔距为23m，孔径约为150200mm，不宜过小，以防堵塞。孔深一般为帷幕深度的0.40.6倍，高、中坝的排水孔深不宜小于10m。4. 溢流坝段设计 4.1 泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此，需要有足够的孔口尺寸、较好体形的堰型，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产生空蚀

19、破坏。其主要泄水方式有以下两种：1）开敞溢流式除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其它漂浮物。堰顶可以设闸门，其闸门顶高于正常蓄水位，堰顶高程较低可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量。由于闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H0的3/2次方成正比。随着库水位升高，下泄流量可以迅速增大，因此，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到了广泛的采用。2）大孔口溢流式，上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于

20、胸墙时，下泄水流和开场流相同，库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。综合以上情况，本工程本枢纽属大（2）型工程，所以为使水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。 4.2 溢流坝剖面拟定本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。 4.2.1 定型设计水头的确定堰顶最大水头=校核洪水位-堰顶高程，即：定型设计水头为，取，由。 4.2.2 坝顶曲线段溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克奥曲线和WES 曲线。本工程选用WES

21、 曲线。首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES 型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。该设计上游段曲线采用三圆弧型曲线。 堰顶O 点上游三圆弧的半径及其坐标值为： ； ； ； 下游段的曲线方程为： 即： 计算WES下游曲面坐标值表xyxyxy10.14563.9901112.24520.52375.3061214.38331.10786.7931316.67941.88498.4471419.13052.8471010.2651521.734 4.2.3 中间直线段溢流面中间直线段，其上端与堰顶曲线相切，下端与反弧段相切，公切线构成的直段坝面坡度可以和非溢流坝下游坡面

22、坡度一致，取0.8. 4.3 消能防冲设计 4.3.1 选择消能方式： 消能方式有面流消能、底流消能和挑流消能。面流消能利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且沿河床流向坝址，河床一般不需要加固，面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木的要求。底流消能是通过水跃将泄水建筑物泄出的急流转变成缓流，以消除多余动能的消能方式。底流消能具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头，但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量大，工程造价较高。挑流消能是利用泄水建筑物出口的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空

23、中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置，范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工维修方便，耗资省，对下游冲刷较严重，适用于基岩比较坚固的中、高水头等各类泄水建筑物。因为该坝址基岩情况较好，下游水也不是很深，下落有一定水垫深度，同时挑流消能具有结构简单，工程投资少，检修施工方便等特点，故该工程可以选用挑流消能。 4.3.2挑流消能设计： 挑流鼻坎型式：连续式鼻坎虽然存在水在空气中扩散掺气的消能作用较差动式鼻坎差，冲刷坑较深，引起下游水位波动也较剧烈的缺点，但由于它构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远的优点得到普遍采用，故该工程挑流鼻坎型式采用连续式。 鼻坎挑设角度： 根据实验，鼻坎挑射角度一般采用，可选取，如图所示。 鼻坎高程：鼻坎高程与工程布置有关，一般应高于下游最高水位12m,以利于挑流水舌下缘的掺气。该工程设计下游无水， 反弧半径：设挑坎顶部的过流断面的流速为，平均水深为大坝的流速系数可有经验公式计算，即 ，泄流的单宽流量为因此有 ， 建立大坝上游断面和挑坎顶部断面的伯努利方程： 行近流速很小，可忽略。此外，,故有鼻坎处水流平均速度v按下式计算 式中 堰面流速系数库水位至坎顶的高所以鼻坎平均水深为：反弧段半径，取11m.5. 坝基面应力分析 5.1计算荷载、