2022年大连理工大学秋作业《水工建筑物课程设计》

网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：混凝土重力坝设计学习中心:⑤坝体内部采用CIO、W2低热混凝土。挡水坝段荷载计算按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。本设计荷载紧分析基本组合②及特殊组合①两种情况。(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。(m)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心口，排水孔线上为%&+&%△"，坝址处为匕82,其间均以直线连接，扬压力折减系数二=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=5L0-31.0=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Ysd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角里取18。，泥沙的浮重度（1—〃）七=13.5—（l—0.42）xl0=7.7KN//n3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=\/2Yshhitan2（45o-^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。计算风速取重现期为50年的年最大风速23m/s,风区长度取2600m,按鹤地水库试验公式g/z2%/%2=0.00625%w6）（gZ）/%2严3）和gL,"/*=0.0386（gD/%2）（"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hl%=2.25m。使波浪破碎的临界水Her=乙〃/（4»）1〃［（L+2哂％）/（金—2硒％）］=5.19m。因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m,H＞乩,和H＞品/2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式几火=1/4匕（（4%+生）计算。波浪中心至计算静水位的高度hz=7^%/LmCth(7iHILQ=\.\0m。防浪墙顶高程为:82.50+h.%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25mo上述荷载计算见计算表。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)J—><―/+X-自W14.8*53.9*24629021.56-2.4=19.16118964重W31/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水Pl1/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423压P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149力Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655扬U115.45*43.12*106662000U21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3^36.62-21.56=2.854993压U30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389力U41/2(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥Psi1/2*77*202*tan2368131/3*20=6.675423沙Ps2l/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973压力浪压力Pw1/4*10*9.45*(9.45/2+0.42+1.12)-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+(9.45/2+0.42+1.12)/3=5L0853.72-2/3*9.45=47.4253117560合计99692934115390140621854132550719372；13984T106966X（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。4,8,校核洪水位坝体尺寸与荷载w①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％排水孔线上为七42+。匕八”，坝址处为｝;“2,其间均以直线连接，扬压力折减系数a二0.25。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=51.0-31.0=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Ysd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角区取18。，泥沙的浮重度4=〃—(1-⑶〃=13.5—(1-0.42)x10=7.7KN/tt?。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式匕=l/2%A2tan2(45O-0,/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.?^o/o/Vo2=0.00625^(|/6)(^/^2)(|/3)和8(/%2=0.03869。/%2严2)计算得累积频率为2%的波高h2%=1.03m,平均波长Lm=9.45m,经查表求得hl%=1.12m。使波浪破碎的临界水Hcr=(/(4»)1矶(+2^%)/(£,„-2成]%)]=1.45m。因为坝前水深H=84.72-3L00=53.72m,H>H,r和H>/2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式匕t=1/4匕勾(4%+九)计算。波浪中心至计算静水位的高度用=哂；/Lmcth(7iH/LJ=QA2mo防浪墙顶高程为：84.72+4%+九+4=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56相。大坝特性表资料提供的坝顶高程不足。上述荷载计算见计算表。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)t1—►•<-/+\-自W14.8*53.9*24629021.56-2.4=19.16118964重1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水Pl1/2*53.72'-*10144291/3*53.72=17.91258423压力p21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.45J*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655Ui15.45*43.12*106662000扬压u21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993力u30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389Ui1/2(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥沙压Psi1/2*7.7*202*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan236100"3*7=2.33233力Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*10*9.45*(9.45/2+0.42+1.12)-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+(9.45/2+0.42+1.12)/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.4253117560合计99692934115390140621854132550719372113984-*106966\(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⑴两种情况，荷载组合作用计算成果见表二和表三。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)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)1I-><—/+\-自重Wi629019.16118964明220263.9987884水压力P.1326117.17227691p210514.835076Q84117.6914877扬压力Ui6252000u216942.854828u360118.3111004Ui90219.3917490泥沙压力Psi8136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪压力Pw38226147.8041.871092818260合计94492922714456141222308530254619778113044-79461\表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)tI—><—/+\-自重W,629019.16118964w2220263.9987884水压力Pl1442917.91258423p211945.156149Q95517.4416655扬压力Ui6662000u217522.854993U362218.3111389u493319.3918091泥沙压力Psi8136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪压力Pw14811251.0847.4253117560合计99692934115390140621854132550719372I13984一106966\挡水坝段建基面抗滑稳定计算按照所给基本资料进行挡水坝段建基面抗滑稳定计算，详细写明计算过程和最终结果。沿坝轴线方向取1m长进行抗滑稳定分析计算。(1)荷载基本组合⑵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。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？=0.85,C=0.65MPa,基岩允许抗压强度取1430KPao建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：Kr=CrA)/£P=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44>[K>3.0,满足抗滑稳定要求。(2)荷载特殊组合⑴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。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1430KPao建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K/=(PZW+CA)/2P=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18>[K1=2.5,满足抗滑稳定要求。挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核按照所给基本资料进行挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核，详细写明计算过程和最终结果。(1)荷载基本组合⑵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、下游边缘垂直正应力分别为：“=19778/43.12+6*(-79461)/43.122=202.27(m)>0,满足要求。3,。卬/5-6^^/笈=19778/43.12—6*(—79461)/43.122=715.09阿。)<1430加专业:年级:学号:学生:指导教师:，满足抗压强度要求。②当计入扬压力时，建基面上、下游面剪应力分别为：/=（「—《〃—邛）加1=（51.5*10—51.5*10—202.27）*0=0（.）。Td=（式'+*P）m2=（715.09+14.5*10-14.5*10）*0.8=572.07（^），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：=（P—g，）—（P—g，—5；）ml2=（51.5*10—51.5*10）—（51.5*10—51.5*10—202.27）*0=0（他〃）呼=（尸—片）一3：+Q.—P）m2?=（14.5*10—14.5*10）+（715.09+14.5*10—14.5*10）*0.82=457.66（他a）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：坪=（1+加2）3%-（1一琛）向2=（i+0）*2O227—（51.5*10-51.5*10）*0=202.27（帅〃）满足要求。闿，=。—匕〃=51.5*10—51.5*10=0（仲4）。=（l+m22）^-（P-^>22=（l+0.82）*715.09-（145*10-14.5*10）*0.82=1172.75（幽z）满足要求。苣/=尸—匕〃=14.5*10—14.5*10=0（@。）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：=Zw/B+6Z"/32=29227/43.12+6*(T6139)/43.122=528.92(@q)>0,满足要求。那=ZW/B+6Z"/32=826.69(&^)<1430他〃，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：d=(F—3：)ml=0(Kpa)0rd=(式7-Pd)m2=545.35(@a),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：戈=尸-(严-戈)ml2=515,00(Kpa),满足要求。司=,+(②一产)加2?=581.28(&如满足要求。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：洋=(1+加22；—产*加2=528.92(他幻,满足要求。岁=尸=515.00(如〃)，满足要求。邛=(1+m22)3?—户/*m22=126297(.),满足要求。/，=P=145.00(@a),满足要求。(2)荷载基本组合⑴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，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：=^W/B+6^M/B2=104.08(Ap6z)>0,满足要求。^,=^W/B-6^M/B2=794.43(8?a)<1430Kpa,满足抗压强度要求。②当计入扬压力时，建基面上、下游面剪应力分别为：厂=(P—乃，—“)德=u(Kpa)oTd=^+P^-P)m2=635.54(^),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：义=(P_E：)TP_P：：Y二O(Kpa)呼=(P—P：)-(¥，+E_P)应2=508.44C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：用"=(1+川2Wy—(p—p；)ml2=104.08(@Q)满足要求。/=p_p：=G(Kpa)0印=(1+m22)式,—(2—斤)相22=1302.87(30)，满足要求。矍=p—p：=3(Kpa)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：洋=Zw/B+6^M/B2=44652(他a)>0,满足要求。岑=^w/b+^Xm/b2=914.38(&?q)<1430凝m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：厂=（产—叉）血=0（他〃）。//=（町—/，）m2=607.90（@。），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：“=产_（产—“）mi2=537.20（胸），满足要求。矍=Pd+0；-产）m22=640.82（附）,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：讣=（1+加2遂一产*加2=44652（g）,满足要求。肾=P=537.20（他〃），满足要求。邛=（1+m22）式，—/*m22=1400.70（^）,满足要求。5；=P=154.50（&9q）,满足要求。（3）挡水坝段坝体稳定应力计算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，坝体稳定应力计算成果见表四，正常工况考虑自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力，非正常工况不计入扬压力。表四：坝体稳定应力计算成果表挡水坝段建基面处设计校核抗滑稳定安全系数K3.443.18正常工况下边缘应力a上游边缘垂直正应力207.27104.08b下游边缘垂直正应力715.09794.43c上游囿剪应力00d下游面剪应力572.07635.54非正常工况下边缘应力。上游边缘水平正应力515537.2f下游边缘水平正应力581.28640.82g上游边缘主应力8>528.92；5u2=5156>446.52；5>537.20h下游边缘主应力8^=1262.97；”2=1458^=1400.70；8d之二为人20231项目基本资料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1.25mo河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。工程地质与水文地质坝址地形地质条件(1)左岸：覆盖层2〜3m,全风化带厚3〜5m,强风化加弱风化带厚3m,微风化厚4mo(2)河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约0〜1.5m,弱风化层厚1m左右，微风化层厚3〜6m。坝址处河床岩面高程约在38m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3〜5m,全风化带厚5〜7m,强风化带厚1〜3m,弱风化带厚1〜3m,微风化厚1〜4mo天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2~3km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。砂石料满足於重力坝要求。水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿n?,死水位51m。②正常蓄水位：80.0mo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。表一状况坝底高程(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况3184.982.5045.5001：0.8校核情况3184.984.7246.4501：0.8本设计仅分析基本组合⑵及特殊组合⑴两种情况：基本组合⑵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。大坝设计概况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2级建筑物，施工导流建筑物为3级建筑物。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。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设计及计算内容坝高计算按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。解：根据大坝特性表资料，坝高H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。挡水坝段剖面设计按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。解：(1)坝顶构造设计坝顶宽度取8%〜10%坝高，且不小于3m,设计坝顶宽度取4.80m。坝顶上游设计防浪墙，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,坝顶下游侧设置栏杆。(2)坝底宽度计算根据大坝特性表资料，坝底宽度1=(84.90-31.00)*0.8=43.12mo(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处设置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0.05~0.07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，排水管幕至上游坝面的距离取1/15〜1/25倍作用水头，且不小于2m,设计取3.00m,间距取2.50m,管径取200mm,排水管幕做出铅直，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。(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