水工建筑物课程设计-混凝土重力坝设计

1、水工建筑物课程设计题目：混凝土重力坝设计学习中心：江苏扬州市邢江区教师进修学校奥鹏学习中心11VIP1项目基本资料1.1 气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s,重现期为50年的年最大风速23m/s,吹程：设计洪水位2.6km,校核洪水位3.0km。最大冻土深度为1.25m。河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。1.2 工程地质与水文地质1.2.1 坝址地形地质条件(1)左岸：覆盖层23m,全风化带厚35m,强风化加弱风化带厚3m,微风化厚4m。(2)河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约01.5m,弱风化层厚1m左右，微风化层厚36m。坝址处河床岩面高程约在3

2、8m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。(3)右岸：覆盖层35m,全风化带厚57m,强风化带厚13m,弱风化带厚13m,微风化厚14m。1.2.2 天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游23km均可开采，储量足，质量好。粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足碎重力坝要求。1.2.3 水库水位及规模死水位：初步确定死库容0.30亿m3,死水位51m。正常蓄水位：80.0m。注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。表状况坝底局程(m)坝顶局程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况318

3、4.982.5045.5001:0.8校核情况3184.984.7246.4501:0.8本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。特殊组合（1）为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。1.3 大坝设计概况1.3.1 工程等级本水库死库容0.3亿m3,最大库容未知，估算约为5亿m3左右。根据现行水电枢纽工程等级划分及设计安全标准（DL5180-2003）,按水库总库容确定本工程等别为II等，工程规模为大（2）型水库。枢纽主要建筑物挡水、泄水、引水系统进水口建筑物为

4、2级建筑物，施工导流建筑物为3级建筑物。1.3.2 坝型确定坝型选择与地形、地质、建筑材料和施工条件等因素有关。确定本水库大坝为混凝土重力坝。1.3.3 基本剖面的拟定重力坝承受的主要荷载是水压和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。由于作用于上游面的水压力呈三角形分部，所以重力坝的基本剖面是三角形，根据提供的资料，确定坝底宽度为43.29m（约为坝高的0.8倍），下游边坡m=0.8,上游面为铅直。2设计及计算内容2.1 坝高计算据大坝特性表资料，坝高H颜顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。2.2 挡水坝段剖面设计2.2.1 坝顶构造设计坝顶宽度取8%-10

5、%TO高，且不小于3m设计坝顶宽度取4.80m。坝顶上游设置防浪墙，墙身采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，高度取1.35m(按设计洪水位计算)，宽度取0.50m,坝顶下游侧设拦杆。2.2.2 坝底宽度计算根据大坝特性表资料，坝底宽度T=(84.90-31.00)X0.8=43.12m。2.2.3 坝体检查排水廊道、排水管幕设计为了便于检查、观测和排除坝体渗水，在坝体高程65.00处设一检查兼作排水用的廊道，廊道断面采用城门洞形，宽度取1.5m,高度取2.5m,其上游侧至上游坝面的距离取0.050.07倍作用水头，且不小于3m设计取4.00m。为了减小坝体的渗透压力，靠近上游坝面设置排水管幕，

6、排水管幕至上游坝面的距离取1/151/25倍作用水头，且不小于2m设计取3.00m,间距取2.50m,管径取200mm排水管幕做成铅直，与纵向排水检修廊道相通，渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，排水管幕上端通至坝顶。2.2.4 坝基灌浆排水廊道设计坝基灌浆排水设置在上游坝踵处，廊道上游侧距上游坝面的距离取0.050.1倍作用水头，且不小于45m设计取4.0m,廊道断面采用城门洞形，宽度取3.00m,高度取3.50m,廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔，廊道底面距离基岩面不小于1.5倍廊道宽度，设计取4.00m。为减少坝基渗漏，防止较大渗流对坝基产生渗透破坏，减小坝基底面的防渗扬

7、压力，提高坝体的抗滑稳定性，在廊道上游侧布置一排帷幕灌浆，帷幕灌浆深度取0.050.07倍作用水头，帷幕灌浆深度设计取20.00m。灌浆帷幕中心线距上游坝面4.50m。帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土后进行，灌浆压力表层不宜小于1.01.5倍坝前静水头，取60m*10KN/阵600KPa在孔低不宜小于23倍坝前静水头，取130m*10KN/薛1300KPa为了充分降低坝底扬压力和排除基岩渗水，在廊道下游侧布置一排排水孔幕，排水孔深度为帷幕灌浆深度的0.40.6倍，且坝高50m以上的深度不小于10m排水孔深度设计取10.00m,孔距取2.50m,孔径取200mm排水孔略向下游倾斜，与帷幕灌

8、浆成10°交角。排水孔中心线距帷幕中心线2.00m。2.2.5 地基处理基岩开挖的边坡必须保持稳定，两岸岸坡尽量开挖成有足够宽度的台阶状，以确保坝体的侧向稳定。对于靠近坝基面的缓倾角软弱夹层，埋藏不深的溶洞、溶浊面应尽量挖除。开挖至距利用岩面0.51.0m时，应采用手风钻钻孔，小药量爆破，以免产生裂隙或增大裂隙。遇到易风化的页岩、黏土岩时，应留0.20.3m的保护层，待浇筑混凝土前再挖除。坝基应清到比较坚硬完整的完整的岩面，基面平整、水平即可，地基开挖后，在浇筑混凝土前，必须彻底清理、冲洗和修凿，风化、松动、软弱破碎的岩块都要消除干净，突出的尖角要打掉，光滑的岩面要凿毛，并用水冲洗干

9、净，基岩表面不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物，排除基岩面上全部积水，基坑内原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。2.2.6 坝体材料分区(1)上、下游最高水位以上坝体表层采用。5、WF100厚3.00m的混凝土。(2)下游水位变化区的坝体表层采用。5、WF200厚3.00m的混凝土。(3)上、下游最低水位以下坝体表层采用Q0、WF100厚3.00m的混凝土。(4)坝体靠近基础的底部采用Q。、VU、F200厚8.00m的混凝土，满足强度要求。(5)坝体内部采用C。、W低热混凝土。2.3 挡水坝段荷载计算本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况。2.3.1 荷载基本组合(2)为设

10、计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力31.0043.12HrwW'78.90U16.50H1rw设计洪水位坝体尺寸与荷载(1)自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3,因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。(2)静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为ycoHi,排水孔线上为丫3H2+"ywAH,坝址处为Y3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系数口=0.25。(4)泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m,大坝迎水面前泥沙的淤积高度hs=5

11、1.0-31.0=20.0m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度nd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角屋取18°,泥沙的浮重度Ysb=Ysd-(1-n)丫3=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2Ysth；tan2(45°-小J2)。坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5)浪压力。计算风速取重现期为50年的年最大风速23m/s,风

12、区长度取2600m,按鹤地水库试验公式gh2%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m,平均波长Lm=14.45m,经查表求得h1%=2.25m。使波浪破碎的临界水Hr=J/(4兀)ln(Lm+2Tth1%)/(Ln-2Tth1%)=5.19m。因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m,H>Hr和H>Lm/2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4丫3Lm(h1%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度hz=兀h1%2/Lm

13、Cth(兀H/Lm)=1.10m。防浪墙顶高程为：82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。上述荷载计算见计算表。重力坝基本荷载组合计算表荷载计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重W4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力P1/2*51.52*10132611/3*51.5=17.17227691P21/2*14.52*1010511/3*14.5=4.835076

14、Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877扬压力Ui14.5*43.12*106252000U21/2*36.62*0.25*37*1016942/3*36.62-21.56=2.854828U30.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004U41/2(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490泥沙压力Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps

15、31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力PW1/4*10*14.45*(14.45/2+1.1+2.25)_2-1/8*10*14.4538226151.5-14.45/2+(14.45/2+1.1+2.25)/3=47.8051.5-2/3*14.45=41.871092818260合计94492922714456141222308530254619778、Iz13044T794612.3.2 荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。校核洪水位坝体尺寸与荷载(n)(1)自重。坝体断面分为一个三

16、角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3,因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。(2)静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为ycoHi,排水孔线上为丫3H2+"ywAH,坝址处为Y3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系数a=0.25。(4)泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m,大坝迎水面前泥沙的淤积高度hs=51.00-31.00=20.00m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度丫sd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角屋取18°,泥沙的浮重度Ysb=Tsd-

17、(1-n)丫3=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2丫sbhs2tan2(45°-(|)s/2)。坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5)浪压力。计算风速取多年平均最大风速14m/s,风区长度取3000m,按鹤地水库试验公式gh2%/vo2=0.00625v0(1/6)(gD/vo2)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/vo2)(1/2)计算得累积频率为2

18、%的波高h2%=1.03m,平均波长Lm=9.45m,经查表求得h1%=1.12m。使波浪破碎的临界水Hr=G/(4兀)ln(Lm+2：th1%)/(Lm-2兀h1%)=1.45m。因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m,H>HC和H>Lm/2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4丫3Lm(h1%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度hz=兀h1%2/LmCth(兀H/Lm)=0.42mo防浪墙顶高程为：84.72+h1%+hz+hC=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m。大坝特性表资料提供的坝顶高程不足。上述荷载计算见计

19、算表。重力坝特殊荷载组合计算表荷载计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重W4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力Pi1/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655扬压力U115.45*43.12*106

20、662000U21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993U30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389U41/2(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥沙压力Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*10*9.45*(

21、9.45/2+0.42+1.12)2-1/8*10*9.4514811253.72-9.45/2+(9.45/2+0.42+1.12)/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.4253117560合计99692934115390140621854132550719372J13984T1069662.3.3 挡水坝段荷载计算成果本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况，荷载组合作用计算成果见表二和表二表二：坝体基本荷载组合作用计算成果荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底盘面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重VV620919.16118964W220263.

22、9987884水压力Pl1326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877扬压力Ui6252000U216942.854828U360118.3111004U490219.3917490泥沙压力FSi8136.675423FS21002.33233F>315119.692973浪压力FW38226147.8041.871092818260合计94492922714456141222308530254619778J13044T79461表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJIz一

23、一/+-自重W620919.16118964W220263.9987884水压力R1442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655扬压力U16662000U217522.854993U362218.3111389U493319.3918091泥沙压力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪压力Pw14811251.0847.4253117560合计99692934115390140621854132550719372、Iz13984f106966、2.4 挡水坝段建基面抗滑稳定计算沿坝轴线方向取1m长进行抗滑

24、稳定分析计算。2.4.1 荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。-.一一.一-一-一一一一'参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f=0.85,C=0.65MPa,基岩允许抗压强度取1430KPa。.一、.'''建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K=(f汇W+CA)/汇P=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44>K=3.0,潴足抗滑稳定要求。2.4.2 荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力

25、。-.一一.一-一-一一一一'参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f=0.85,C=0.65MPa,基岩允许抗压强度取1430KPa。、.一一.'''建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K=(fEW+CA)/EP'、一.一一、1一、一入=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18>K=2.5,潴足抗滑稳定要求。2.5 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核2.5.1 荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。(1)当计入扬压力时，建基面上、下游

26、边缘垂直正应力分别为：5uy=EW/B+6EM/B2=19778/43.12+6*(-79461)/43.122=202.27(KPa)>0,满足要求。5dy=EW/B-6EM/B2=19778/43.12-6*(-79461)/43.122=715.09(KPa)<1430Kpa,满足抗压强度要求。(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：ru=(P-Puu-6uy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。rd=(6dy+Pdu-P)m2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(KPa),满足要求。(3

27、)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：6Ux=(P-PUu)-(P-PUu-6uy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)o6dx=(P-Pdu)+(6dy+Pdu-P)m22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KPa),满足要求。(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：川i=(1+mi2)对y-(P-PUu)mi2=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa),满足要求

28、。对2=P-PUu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。6d1=(1+m22)6dy-(P-Pdu)m22=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82=1172.75(KPa),满足要求。6d2=P-Pdu=14.5*10-14.5*10=0(KPa)o(5)当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：5 uy=EW/B+6EM/B2=29227/43.12+6*(-46139)/43.122=528.92(KPa)>0,满足要求。6 dy=EW/B-6汇M/B2=29227/43.12-6*(-46139)/43.122=826.6

29、9(KPa)<1430Kpa,满足抗压强度要求。(6)当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：ru=(Pu-6uy)m1=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。rd=(6dy-Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa),满足要求。(7)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：6ux=Pu-(Pu-6uy)m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa),满足要求。6dx=Pd+(6dy-Pd)m22=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(KPa),

30、满足要求。(8)当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：川1=(1+m12)对y-Pu*m12=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)*0=528.92(KPa),满足要求。6u2=P=51.5*10=515.00(KPa),满足要求。6d1=(1+m22)6dy-Pd*m22=(1+0.82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KPa),满足要求。6d2=P=14.5*10=145.00(KPa),满足要求。2.5.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。(1)当计入扬压力时，建基

31、面上、下游边缘垂直正应力分别为：5 uy=EW/B+6EM/B2=19372/43.12+6*(-106966)/43.122=104.08(KPa)>0,满足要求。6 dy=汇W/B-6汇M/B2=19372/43.12-6*(-106966)/43.122=794.43(KPa)<1430KPa,满足抗压强度要求。(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：ru=(P-PUu-对y)mi=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。rd=(6dy+Pdu-P)m2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(

32、KPa),满足要求。(3)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：6ux=(P-Puu)-(P-Puu-6uy)m12=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。6dx=(P-Pdu)+(6dy+Pdu-P)m22=(15.45*10-15.45*10)+(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.82=508.44(KPa),满足要求。(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：川1=(1+m12)对y-(P-Puu)m12=(1+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KPa),满足要求。对2=P-Puu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。6d1=(1+m22)6dy-(P-Pdu)m22=(1+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82=1302.87(KPa),满足要求。6d2=P-Pdu=15.45*10-15.45*10=0(KPa)。(5)当不计入扬压力时，建基