大工春水工建筑物课程设计作业答案

大工春水工建筑物

课程设计作业答案

大&理2大为网络教育学院

《水工建筑物课程设计》

尸----------、学习中心•

G青把你所在的甘7.

专业,季入学G

中心名称完整J一

年级：年春/秋季/去掉“/秋”

学号：

字，秋季入

学生：

学则去掉“/

指导教师：

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1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2.6kn校

核洪水位3.0kmc

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。冲积沙砾层厚约弱风化层

厚1m左右，微风化层厚3〜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

1.2.2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。砂石料满足碎重力坝耍求。

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1.2.3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

坝底高程坝顶高程上游水位下游水位

状况上游坡率下游坡率

(m)(m)(m)(m)

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(2)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。

1.3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-),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。

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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，

因此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。

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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二坝顶高程-坝底高程=84.90-

3L00=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%坝高，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工

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)X

0.8=43.12mo

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L5m,

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,

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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0.05〜0.1倍作用水头，且不小于4〜5m,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II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0.05-0.07倍作用水头，帷幕灌浆

深度设计取20.00m«灌浆帷幕中心线距卜游坝而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

1.0〜1.5倍坝前静水头，取60m*10KN/m3=600KPa；在孔低不宜小

于2〜3倍坝前静水头，取130m*10KN/m3=1300KPao

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0.4〜0.6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，与帷幕灌浆成10。

交角。排水孔中心线距帷幕中心线2.00m。

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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

0.5〜1.0m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0.2〜0.3m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清除干净，

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Cl5、W4、F100厚

3.00m的混凝土。

(2)下游水位变化区的坝体表层采用Ci5、W8、F200厚3.00m的

混凝土。

(3)上、下游最低水位以下坝体表层采用C20、Wio、R00厚

3.00m的混凝土。

(4)坝体靠近基础的底部采用C20、Wio、F2oo厚8.00m的混凝

土，满足强度要求。

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(5)坝体内部采用Cio、W2低热混凝土。

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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。

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。

设计洪水位坝体尺寸与荷载

(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/n?,因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。

⑵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。

⑶扬压力。坝踵处的扬压力强度为丫3印，排水孔线上为丫

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H2+^y.AH,坝址处为丫3H2,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=51.0-31.0=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,内摩擦角狄取18°,泥沙的浮重度Ysb=Ysd・(l-n)

3

Y,=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/mo单位长度大坝迎水面上的水平

22

泥沙压力值按公式Psk=l/2y.sbhstan(45°-4)72)0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

2(1/6)2(,/3)22(1/2)

gh2%/vo=O.OO625vo(gD/vo)ffgLm/vo=O.O386(gD/vo)ifWW

累积频率为2%的波高h2%=2.07m,平均波长Lm=14.45m,经查表求

得hi%=2.25m。

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4n)ln[(Lm+2,hi%)/(Lm-2,

hi%)]=5.19mo

因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m,H>Hcr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=l/4Y3

Lm(hi%+hz)l十算o

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波浪中心至计算静水位的高度hz=冗hi%2/Ln】cth(n

H/Lm)=1.10mo

防浪墙顶高程为：

82.50+hi%+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

垂直力(kN)水平力(kN)力矩(kN.m)

荷载计算式对坝底截面形心力臂(m)

t1—♦*—/+

W,4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964

白市

1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884

P.1/2*51.5J*10132611/3*51.5=17.17227691

水压力1/2*14.5**10105：1/3*14.5=4.835076

P2

Q1/2*0.8*14.5z*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877

U)14.5*43.12*106252000

Us1/2*36.62*0.25*37*1016942/3*36.62-21.56=2.854828

扬压力

Us0.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004

Uil/2(l-O.25)*3N6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490

%1/2*7,7*20.0：*tan：368131/3*20=6.675423

ifd沙压力1/2*7.7*7%tan:36100"3*7=2.33233

1/2*7.7*0.8*7;15121.56-0.8*7/3=19.692973

1/4*10*14.45*38251.5-14.45/2+(14.45/218260

浪压力P.(14.45/2+1.1+2.25)+1.1+2.25)/3=47.80

-1/8*10*14.45：26151.5-2/3*14.45=41.8710928

944929227144561412223085302546

合计

19778113044-*79451、

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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O

校核洪水位坝体尺寸与荷载

(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丫3日，排水孔线上为丫3

H2+^Y.AH,坝址处为丫3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系

数a=0.25。

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(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Ysd取

13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角6s取18°,泥沙的浮重度

Ysb=Ysd-(l-n)y,=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m3o单位长度大坝迎

22

水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=l/2ysbhstan(45°・6J2)。

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=0.00625vo(I/6)(gD/vo2)(1/3)^l

gLMv()2=O.O386(gD/vo2)(i⑵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hi%=1.12m«

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4Ji)ln[(Lm+2兀hi%)/(Lm-2,

hi%)]=1.45mo

因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m,H>Hcr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=l/4Y3

Lm(hi%+hz)计算。

波浪中心至计算静水位的高度hz=克h|o?/Lmcth(n

H/Lm)=0.42iTio

防浪墙顶高程为：

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84.72+hi%+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。

上述荷载计算见计算表。

重力坝特殊荷载组合计算表

垂直力(kN)水平力(kN)力矩(kN.m)

荷载计算式对坝底截面形心力臂(m)

tI/+X-

W,4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118564

自重

%1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884

P.1/2*53.72:*1014429l/3»53.72=17.91258423

水压力1/2*15.45!*1011941/3*15.45=5.156149

p2

Q1/2*0.8*15.45**1O95521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655

Ui15.45*43.12*106662000

1/2*36.62*0.25-38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993

u2

扬压力

Uj0.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389

Ui1/2(I-O.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091

p“1/2*7.7*20.0：*tan!368131/3*20=6.675423

泥沙压力p1/2*7.7*7%tan:36100l/3*7=2.33233

P.31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973

1/4*10*9.45*11853.72-9.45/2+(9.45/27560

浪压力W(9.45/2+0.42+1.12)+0.42+1.12)/3=51.08

-1/8*10*9.45‘53.72-2/3*9.45=47.425311

1：2

996929311153901406218541325507

合计

19372I13984-*106966\

挡水坝段荷载计算成果

本设计荷载仅分析基本组合⑵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

对

坝底

截

面形

心

荷载垂直力(kN)水平力(kN)力臂力矩(kN.m)

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(m)

tI—*/+

距620919.16118964

自重

w2220263.9987884

Pl1326117.17227691

水压力P210514.835076

Q84117.6914877

U6252000

16942.854828

u2

扬压力

u360118.3111004

590219.3917490

8136.675423

泥沙压力ps21002.33233

%15119.692973

38247.8018260

浪压力Pw26141.8710928

944929227144561412223085302546

合计

197r「8I130,14一794(

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表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表

垂直力(kN)水平力(kN)力矩(kN.in)

荷载1

t1—►/+X-

Wi620919.16118964

自重

%220263.9987884

Pl1442917.91258423

水压力P211945.156149

Q95517.4416655

u.6662000

山17522.854993

扬压力

%62218.3111389

Ui93319.3918091

Psi8136.675423

泥沙压力Ps21002.33233

Ps315119.692973

14851.087560

浪压力Pw47.425311

112

996929341153901406218541325507

合计

19372I13984一106966\

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2.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算

沿坝轴线方向取1m长进行抗滑稳定分析计算。

荷载基本组合⑵为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静

水压力十扬压力+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翦断强度公式计算得：K=(fEW+

CA)/LP

二(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44>[K]=3.0,满足抗滑稳定要

求。

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

1430Kpa。

建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K=(f£W+

CA)/EP

=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18>[K]=2.5,满足抗滑稳定要

求。

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2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核

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；

&%=£W/B+6£M/B2=19778/43.12+6*(-79461)

/43.122=202.27(KPa)>0,满足要求。

5dy=£W/B-6LM/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：

Tu=(p_pu「8uy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)o

d

T=(8dy+pd「P)m2=(715.09+14.5*10-

14.5*10)*0.8=572.07(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：

uuu

5x=(P-Pu)-(P-Pu-8%而12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-

51.5*10-202.27)*0

=0(KPa)o

dd2

6x=(P-Pu)+(8dy+pd「p)m2=(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：

u2U2

31=(l+mi)3y-(P-P%)mi=(1+0)*202.27-(51.5*10-

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51.5*10)*0=202.27(KPa),满足要求。

uU

§2=P-PU=51.5*10-51.5*10=0(KPa)o

d2f22

5i=(l+m2)5dy-(P-pdu)m2=(l+0.8)*715.09-(14.5*10-

14.5*10)*0.82

=1172.75(KPa),满足要求。

5d2=P-pdu=l4.5*10-14.5*10=0(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：

6u),=£W/B+6£M/B2=29227/43.12+6*(-46139)

/43.122=528.92(KPa)>0,满足要求。

8d),=xw/B-6£M/BM9227/43.12-6*(-46139)

/43.122=826.69(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：

u

Tu=(pu.8y)mi=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)o

ddxl：i：：5i

T=(8y-I)m2=(826.69-14.510)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：

UUUu2

SX=P-(P-Sy)mi=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0

=515.00(KPa),满足要求。

5dx=pd+(6dy_pd)m22=i4.5*10+(826.69-

14.5*10)*0.82=581.28(KPa),满足要求。

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

(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：

5ui=(l+mi2)5%,pu*m/=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)

*0=528.92(KPa),满足要求。

U

52=P=51.5*10=515.00(KPa),满足要求。

d2dd22

5i=(l+m2)5y-P*m2=(l+0.8)*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。

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。

(1)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

8\=£W/B+6EM/B2=19372/43.12+6*(-106966)

/43.122=104.08(KPa)>0,满足要求。

6dy=xW/B-6£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：

U

T=(P-PV5Uy)mi=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。

Td=(§dy+pdrp而2=(794.43+15.45*10・

15.45*10)*0.8=635.54(KPa),满足要求。

⑶当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为:

文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

5ux=(P-Puu)-(P-Puu-6uy)mi2=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-

53.72*10-

104.08)^0=0(KPa)o

dd

8x=(P-Pu)+(6dy+pd『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：

uu2

8'=(]+mj)8y-(P-Pu)mi=(l+0)*104.08-(53.72*10-

53.72*10)*0=104.08

(KPa),满足要求。

u

S2=P-P%=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。

d2d22

S(=(l+m2)5dy-(p-Pu)m2=(l+0.8)*794.43-(15.45*10-

15.45*10)*0.82

=