重力坝毕业设计计算书

目录第1章非溢流坝段设计 11.1非溢流坝段剖面设计 11.1.1坝顶高程的计算 11.1.2坝高的计算 21.1.3坝顶宽度的计算 21.1.4坝底宽度的计算 31.1.5上、下游坝坡率的确定 31.2确定荷载作用力（取单位宽度坝体研究） 31.2.1确定各分项系数 31.2.2坝体自重 41.2.3静水压力 41.2.4扬压力 41.2.5淤沙压力 51.2.6波浪压力 51.3力矩的计算 61.3.1自重力矩（分三部分计算） 61.3.2静水压力作用产生的力矩 61.3.3扬压力矩 71.3.4波浪压力矩 81.3.5泥沙推力矩 81.4承载能力极限状态设计 101.4.1抗滑稳定极限状态 101.4.2坝趾抗压强度极限状态 111.5正常使用极限状态 13第2章溢流坝段设计 142.1堰顶高程 142.2直线段与曲线段的切点计算 172.3反弧段半径及特征点的确定 172.4挑流消能水力计算 192.5挑距计算 192.6冲刷坑深度计算 212.7导墙设计 222.7.1掺气后堰面水深： 222.7.2各点堰面水深 23第3章工程量计算 243.1单价分析及设备价格 243.1.1单价分析 243.2重力坝工程量 28第1章非溢流坝段设计1.1非溢流坝段剖面设计重力坝剖面设计原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝的安全；②工程量要小；③运用方便；④便于施工。非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。1.1.1坝顶高程的计算坝坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙高程，应高于波浪顶高程。坝顶高程=设计/校核洪水位+安全超高，选用其中较大者。安全超高：式(1.1.1）式中：——坝顶超高，即防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；——累计频率为1%的波浪高度，m；——波浪中心线高于静水位的高度，m；——安全加高，由《水工建筑物》中表3-10查得：设计情况时取0.4m，校核情况时取0.3m；其中：，根据资料可得，坝区计算风速=18.7m/s；吹程D=371.28m。可采用式（1.1.2）式（1.1.3）查表B.6.3-1得所以，由式（1.1.1）计算坝顶超高如下：设计情况坝顶高程为：校核情况坝顶高程为：故，设计情况下的坝顶高程342.13+3.16=345.29(m)校核情况下的坝顶高程344.00+2.37=347.37(m)选择其中的较大值，并考虑施工要求，取坝顶高程为348m1.1.2坝高的计算由基本资料知坝址区河谷相对较窄，两岸山体稳定，岩性为华力西期花岗岩。左岸山体雄厚，岩体强风化层厚度约为5～10m左右，弱风化层厚度约为50米；右岸山体较为薄弱，坝肩基岩裸露，风化程度较左岸略重，而且该坝坝高不大故只需挖除表层松弛带岩体并清基后筑坝，对强风化岩体作防渗处理。根据坝轴线地质剖面图，取建基面高程为271m，故最大坝高为348-271=77m。1.1.3坝顶宽度的计算根据《重力坝设计规范》考虑设备布置、运行、检修、施工交通等要求混凝土，且坝顶宽度一般为坝高的8%～10%，故初选非溢流坝段的坝顶宽度为8m。1.1.4坝底宽度的计算根据工程经验，底宽一般为坝高的0.7～0.9倍，即介于53.9～69.3m之间，所以可取坝底宽度为B=56m。1.1.5上下游坝坡率的确定根据工程经验一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；参考已建成工程的经验在本工程中可取上游坝坡坡率为n=0.1，下游坝坡坡率为m=0.7。所以其实用剖面如下图所示：图1.1非溢流坝段剖面图1.2确定荷载作用力（取单位宽度坝体研究）1.2.1确定各分项系数根据国家《防洪标准》（GB50201-94），确定该工程为Ⅲ等工程。其主要水工建筑物按3级建筑物设计，建筑物亦按4级建筑物设计。其结构安全级别为Ⅲ级，相应的结构重要性系数为γ0=0.9又由《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）中查得自重、静水压力的作用分项系数为1.0，渗透压力的作用分项系数为1.2，浮托力的作用分项系数为1.0，淤沙压力的作用分项系数为1.2，波浪压力的作用分项系数为1.2。材料分项系数中，混凝土/基岩的抗剪断摩擦系数为1.3，粘聚力分项系数为3.0，混凝土抗压强度分项系数为1.5由《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）中查得抗滑稳定极限状态设计式中基本组合和偶然组合的结构系数都为γd=1.2，混凝土抗压极限状态设计式中的基本组合和偶然组合的结构系数为γd=1.81.2.2坝体自重设计采用的混凝土为R9020.0Mpa，三级配，其理论容重为2710kg/m3。分三块计算：W1=(8×77+40×4×0.5+0.5×44×62.8)×27.1=546445KN1.2.3静水压力为计算方便，将水压力分解为水平水压力P和铅直水压力W（又叫水重）两部分计算：式(1.2.1）式(1.2.2）式中——水的容重，取9.81KN/m³；H——计算点以上水深，m；——坝斜坡面以上水的体积，m³。上游：水平水压力铅直水压力下游：水平水压力铅直水压力式（1.2.3）1.2.4扬压力 坝基设有防渗帷幕和排水孔，孔中心距上游面7.7m，见下图所示。图1.2扬压力计算图由《混凝土重力坝设计规范》中表B.3.1查得河床坝段底面的渗透压力系数α=0.25，又由《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）中表8.2.1-1查得扬压力中渗透压力的作用分项系数为1.2，浮托力的作用分项系数为1.0。设计状况浮托力F浮=-1.0×31.8×56×10=-17808KN渗透力F渗=-1.2×[（39.7+9.925）×7.7×0.5+0.5×9.925×48.3]×10=-4306KN1.2.5淤沙压力由资料知水库泥沙淤积高程为305.8m，淤沙干容重为1.65t/m3，内摩擦角φ，其作用分项系数为1.2。水平向淤沙压力式(1.2.4）竖向淤沙压力：1.2.6波浪压力设计状况式(1.2.5）1.3力矩的计算（以坝底中心为矩心）1.3.1自重力矩（分三部分计算）自重力矩的计算简图如下：图1.3自重力矩计算简图所以1.3.2静水压力作用产生的力矩上游水平推力矩：式（1.3.1）上游水重力矩：式（1.3.2）所以上游水总力矩为：下游水推力矩：式（1.3.3）下游水重力矩：式（1.3.4）下游水压力总力矩1.3.3扬压力矩扬压力力矩可分成浮托力矩和渗透力矩两部分来计算，其计算简图如下所示：图1.4扬压力矩计算简图1.3.4波浪压力矩波浪作用的分项系数为1.2，其计算简图如下所示：图1.5波浪推力矩计算简图式（1.3.5）式（1.3.6）式（1.3.7）所以又由（1.3.9）式计算得：1.3.5泥沙推力矩水平推力矩：式（1.3.8）竖向重力矩：式（1.3.9）所以泥沙推力矩为：故设计洪水位时各荷载作用情况如下表所示：正常蓄水位时荷载计算结果(设计值)序号作用名称作用（单位坝段）KN力矩KN·M水平（H）垂直（W）1自重546453713132上游水压力25205710-5713023下游水压力-220521080854浮托力-1411205渗透力-7810-640096波浪压力30.6-135087淤沙压力89171199-76797∑作用之和3370037195-329710设计洪水位时荷载计算结果(设计值)序号作用名称作用（单位坝段）KN力矩KN·M水平（H）垂直（W）1自重546453713132上游水压力25418711-5745563下游水压力-5056210423064浮托力-1780805渗透力-5116-310596波浪压力30.6-131857淤沙压力89171199-76797∑作用之和3106233948-268793校核洪水位时荷载计算结果(设计值)序号作用名称作用（单位坝段）KN力矩KN·M水平（H）垂直（W）1自重546453713132上游水压力26645730-6290163下游水压力-5346327496114浮托力-1874705渗透力-4306-576196波浪压力30.6-131857淤沙压力89171199-76797∑作用之和3180932987-3425081.4承载能力极限状态设计承载能力极限状态设计式为：式（1.4.1）式中：——作用效应函数；——抗力函数；——结构重要性系数；——设计状况系数；——作用设计值；——几何参数；——材料性能设计值；——结构系数。1.4.1抗滑稳定极限状态抗滑稳定极限状态作用效应函数为：式（1.4.2）抗滑稳定极限状态抗力函数为：式（1.4.3）——抗剪段摩擦系数；——抗剪段凝聚力。基本组合时设计洪水位情况取持久状况对应的设计状况系数ψ=1.0，结构系数γd=1.2所以可得：K=4.2正常蓄水位情况取偶然状况对应的设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd=1.2所以可得：K=4偶然组合时取偶然状况对应的设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd=1.2所以可得：K=4.8综上所述可知非溢流坝段满足抗滑稳定要求。1.4.2坝趾抗压强度极限状态坝趾抗压强度极限状态作用效应函数为：式（1.4.4）坝趾抗压强度极限状态抗力函数为：式（1.4.5）——混凝土的抗压强度。基本组合时设计洪水位情况取设计状况系数ψ=1.0，结构系数γd=1.8所以可得：正常蓄水位情况取设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd=1.8所以可得：综上所述坝趾抗压强度满足要求。偶然组合时取设计状况系数ψ=0.85，结构系数γd=1.8所以可得：1.5正常使用极限状态正常使用极限状态设计式：式（1.5.1）式中：——作用标准值；——材料性能标准值；——结构功能极限值。因为上游坝踵不出现拉应力极限状态属于正常使用极限状态，故设计状况系数、作用分项系数和材料性能分项系数均采用1.0，扬压力系数直接用标准值0.25代入计算，此处结构功能的极限值c=0。所以满足上游坝踵不出现拉应力的要求。由以上计算结果可知，非溢流坝段剖面全部满足设计规定的要求。第2章溢流坝段设计2.1堰顶高程式（2.1）由于取0.75~0.9，在此取0.8拟定单宽流量q=40m3/s·m设计情况： =1320-0.8×5.06=1315.952m3/s=1315.952/40=32.89m校核情况：=2410-0.8×5.06=2405.952m3/s=2405.952/40=60.14m，根据以上结果选取L大的一个值，取宽度b=10m，则可知孔数n=L/b=60.14/10=6.014个，取n=7个。(1)设计洪水位时式（2.2）假定P1/Hd>1.33，则m=0.502，=设堰为自由出流，=1式（2.3）式中：b1=10m，孔数n=7，边墩形状系数Ka=0.1，3型闸墩在H0/Hd=1时，Kp=0.代入上式：代入解得：=4.18m堰顶高程:342.13-4.18=337.95m上游堰高:P1=337.95-278=59.59m因为P1/=59.59/4.18=14.25>3，故为高堰，md=0.502，行近流速水头可以略去，又因下游水位低于堰顶，即hs<0，所以堰为自由出流=1.(2)校核洪水位时=6.28m堰顶高程:344-6.28=337.72m上游堰高P1=337.72-278=59.72m因为P1/=59.72/6.28=9.51>3，故为高堰，md=0.502，行近流速水头可以略去，因下游水位低于堰顶，即hs<0，所以堰为自由出流=1.堰顶最大作用水头Hmax=▽校核－▽堰顶=344－337.72=6.28m`。由《水力学》有关知识知工程中常用的定型设计水头为Hd=（75%～95%）Hmax=（0.75～0.95）×6.28=（4.72～5.97）m，Hd=5.0m。则可知:Hw/Hd=4.18/5=0.84，P/Hd1.33查《混凝土重力坝设计规范》附录C中表C1-流量系数m值，得m=0.489因此可算得:设计洪水：解得：=4.26m校核洪水：解得：=6.4m所以最终拟定堰顶高程Z=337.00m因此，溢流坝孔口满足要求。采用平面闸门形式，d取3m。2.2堰顶曲线段按《水力学》中的WES型实用堰设计，以堰顶点O为坐标原点，X轴向右为正，Y轴向下为正。如图3.1示：图2.1堰顶曲线m顶部下游段曲线用《水工建筑物》中式（3-74）计算式（2.4）计算如表3.1所示：表2.1WES曲线计算表X（m）0.511.522.533.54Y（m）0.030.1090.2310.3930.5940.8321.1071.417X（m）4.55678910Y（m）1.7612.1412.9993.895.1076.357.7172.3直线段与曲线段的切点计算中间直线段与堰顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流段的下游坡相同，为m=0.7，则直线段cd与曲线段bc相切于C点，C点坐标XC，YC可如下求得：对堰面曲线函数求一阶导数直线cd的坡度为所以有解之得：2.4反弧段半径及特征点的确定本设计采用挑流鼻坎消能，由由《混凝土重力坝设计规范》可知，鼻坎最低高程（即为e点高程）为下游最高水位304.3m；反弧段半径：h——为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深鼻坎最低点处的水深h计算如下:图2.2溢流坝剖面建立水流的能量旅程(图中0-0至1-1断面)式中：E0=344-304.3=39.7mΦ——流速系数，对于该枢纽为中等长度的溢流面，取为0.95V——该断面流速h——该断面处水深带入得： 断面流速式中：q——该处单宽流量，q=Q/B=2405.952/7×10=34.37m3/s即 联列以上两式解得： V=27.69m/s h=1.24m则反弧段半径为 R=10h=10×1.24=12.4m此处，我们采用《水工建筑物》中式(3-76)的经验公式:式（3.6）解得:R=19.0m拟定鼻坎高程高于下游水位2鼻坎高程为306.3米。综上，拟订的挑流消能的鼻坎型式为连续式鼻坎；反弧半径R=19m；挑射角度θ=25°；鼻坎高程顶部306.3m。表2.2实用堰泄流能力计算成果表校核洪水位正常洪水位水库水位（m）344342.13下泄流量（m3/s）2750.421725.59最大洪水流量（m3/s）2405.9521315.9522.4挑流消能水力计算式（4.1）式中 ——冲刷坑深度（米）； ——冲刷坑最深处距建筑物距离； ——冲刷坑上游坡； ——安全临界坡，可取1/3～1/4。图2.3挑流消能示意图2.5挑距计算①校核情况：式（2.5）式中： ——水舌抛距，按水舌外缘计算（m） ——坎顶水面流速， ——鼻坎挑射角，θ=25° ——鼻坎处的单宽流量，q=34.37m3/s.m ——坎顶垂直方向水深， ——坎顶与河床间的高差，h1=h×cosθ=1.24×cos25=1.12mh2=301.2-277=24.2m带入计算得： ②设计情况：式中：E0=342.13-306.3=35.83mΦ——流速系数，对于该枢纽为中等长度的溢流面，取为0.95V——该断面流速h——该断面处水深带入得： 断面流速 式中：q——该处单宽流量，q=Q/B=1315.952/7×10=18.8m3/s.m即 联列以上两式解得： V=27.27m/s h=0.68m挑距计算：式中： ——水舌抛距，按水舌外缘计算（m） ——坎顶水面流速， ——鼻坎挑射角，θ=25° ——鼻坎处的单宽流量，q=1315.952/7×10=18.80m3/s.m ——坎顶垂直方向水深，h1=h×cosθ=0.68×cos25=0.62m ——坎顶与河床间的高差，h2=306.3-277=29.3m 带入计算得： 2.6冲刷坑深度计算eq\o\ac(○,1)校核情况：式（2.6）式中： ——冲坑系数，由于该枢纽地基岩石完整坚硬，取1.0 ——单宽流量，q=34.37m3/s.m ——上下游水位差，H=344-304.3=39.7m带入计算： 冲坑上游坡 满足要求。②设计情况： 式中：——冲坑系数，由于该枢纽地基岩石完整坚硬，取1.0 ——单宽流量，q=18.8m3/s.m ——上下游水位差，H=342.13-302.8=39.33m带入计算： 冲坑上游坡 满足要求。2.7导墙设计2.7.1掺气后堰面水深式（2.7）式中：h—不计入波动及渗气的水深（m）；—计入波动及渗气的水深（m）；v—不计入波动及渗气的计算断面上平均流速（m/s）；—修正系数，一般取1.0-1.4，视流速和断面收缩情况而定。（当v>20m/s时，宜取最大值。）所以取1.4。导墙高度要求高出掺气水面线1-1.5m，以保证水流不会漫堰，取1.0m.导墙断面按受力条件决定，墙顶宽度不小于50-60cm，取50cm，导墙的主要外力为水压力，受力图为三角形分布。2.7.2各点堰面水深各点堰面水深7.7355.513.634.914.9113.4153.5414.844.515.3117.8149.8616.93.964.8321.3245.7118.963.534.432.4430.8924.882.693.6352.4420.8927.552.433.37表2.3第3章工程量计算3.1单价分析及设备价格3.1.1单价分析项目名称：土方开挖工作内容：挖装、运输、卸除、空回单价：11.02元/m3定额编号：10365定额单位：100m3编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）备注1直接费941.381.1基本直接费880.621.1.1人工费工时20.37（1）工长工时7.10（2）高级工工时6.61（3）中级工工时5.62（4）初级工工时6.703.0420.371.1.2材料费33.87（1）零星材料费%4.00846.7533.87（2）（3）（4）1.1.3机械使用费826.38（1）挖掘机1m3台时1.00138.68138.68（2）推土机59kw台时0.5075.6037.80（3）自卸汽车5t台时9.8366.11649.90（4）（5）1.2其它直接费%1.90880.6216.731.3现场经费%5.00880.6244.032间接费%6.00941.3856.483其他费用%0.00997.860.004利润%7.00997.8669.855税金%3.221067.7134.38合计1102.09项目名称：石方开挖工作内容：钻爆、挖、装、运单价：31.99元/m3定额编号：20002定额单位：100m3编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）备注1直接费2656.941.1基本直接费2393.641.1.1人工费工时324.79（1）工长工时1.87.1012.78（2）高级工工时6.610.00（3）中级工工时17.65.6298.91（4）初级工工时70.13.04213.101.1.2材料费365.13（1）合金钻头个1.6955.0092.95（2）炸药Kg33.176.42212.95（4）雷管个30.341.1334.28（6）导火线m82.120.6855.84（7）导电线m149.800.72107.86（8）其他材料%182028.51365.131.1.3机械使用费1703.72（1）装载机2m3台时2.05137.80282.48（2）推土机88kW台时1.03117.76121.29（3）自卸汽车12t台时8.15111.99912.75（4）风钻手持式台时7.8929.45232.32（6）其他机械费%101548.84154.881.2其它直接费%2.002393.6447.871.3现场经费%9.002393.64215.432间接费%9.002656.94239.123其他费用%0.002896.060.004利润%7.002896.06202.725税金%3.223098.7899.78合计3198.56项目名称：大坝混凝土浇注工作内容：混凝土运输、入仓、机械平仓振捣单价：320.32元/m3定额编号：40004定额单位：100m3编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）备注1直接费27622.271.1基本直接费25111.161.1.1人工费工时5.85（1）工长工时0.17.100.71（2）高级工工时0.26.611.32（3）中级工工时0.35.621.69（4）初级工工时0.73.042.131.1.2材料费21603.72（1）混凝土C20m3102211.3621558.72（2）水m3451.0045.00（3）零星材料费%23507.4470.151.1.3机械使用费3501.59（1）振动器1.5kW台时1.003.413.41（2）变频机组8.5kVA台时0.5017.848.92（3）平仓振捣机40kW台时1.16164.56190.88（4）风水枪台时7.109.4166.78（5）塔带机TC/TB2400台时0.565202.272913.27（6）其他机械费%103183.26318.331.2其它直接费%2.0025111.16502.221.3现场经费%8.0025111.162008.892间接费%5.0027622.271381.113其他费用%0.0029003.380.004利润%7.0029003.382030.245税金%3.2231033.62999.28合计32032.90项目名称：帷幕灌浆工作内容：单价：17.34元/m3定额编号：70018定额单位：100m3编号名称及规格单位数量单价（元）合价（元）备注1直接费1467.611.1基本直接费1340.281.1.1人工费工时447.66（1）工长工时3.007.1021.30（2）高级工工时0.006.610.00（3）中级工工时38.005.62213.56（4）初级工工时70.003.04212.801.1.2材料费181.15（1）合金钻头个2.7250.00136.00（2）水m310.001.0010.00（3）空心钢kg1.469.814.31（4）其他材料费%13.00160.3120.841.1.3机械使用费711.47（1）手持式风钻台时25.8024.19624.10（2）其他机械费%14.00624.1087.371.2其它直接费%2.501340.2833.511.3现场经费%7.001340.2893.822间接费%7.001467.61102.733利润%7.001570.34109.924税金%3.221680.2654.10合计1734.363.2重力坝工程量表3.1工程量计算表断面断面间距m桩号坝体总量Ａi总(m2)Ai平(m2)Ｖi总（m3）土方开挖Ai(m2)Ai平(m2)Ｖi总（m3）石方开挖Ai(m2)Ai平(m2)Ｖi总（m3）020坝0+00020.67413.437.6657.2651145.394.2988.71774141.3476.8783.1120坝0+2086.5951731.981.7651635.3114.462289.22131.8586.66145.8120坝0+40202.91