水工建筑物重力坝课程设计.docx
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水工建筑物重力坝课程设计
水工建筑物重力坝课程设计
基本资料
1.1工程概况
顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区，最窄处仅10余公里。
通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。
为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。
顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上，控制流域面积*****平方公里，总库容为25.5亿立方米。
水库距迁西县城35公里，有公路相通。
水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。
根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为I级建筑物，其它建筑物按II级建筑物考虑。
1.2水文分析
1.年径流：
顺河水量较充沛，顺河站多年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。
丰水年时占全年50~60%，枯水年占30~40%，而且年际变化也很大。
2.洪水：
多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由红痕估算洪峰流量约为*****―*****m/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为*****m/s。
3.泥沙：
本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7.45公斤/立方米。
推移质缺乏观测资料。
可计入前者的10%，这样总入库沙量为20XX年万吨。
淤砂浮容重为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。
淤砂高程157.5米。
1.3气象条件
库区年平均气温为10℃左右，一月份最低月平均产气温为零下6.8℃，绝对最低气温达零下21.7℃（1969年）7月份最高月平均气温25℃，绝对最高达39℃（1955年），本流域无霜期较短（90―180天）冰冻期较长（120―200天），顺河站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70―100天，冰厚0.4―0.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/秒，水库吹程D=3公里。
1.4工程地质
库区地质：
顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城峪至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现且不对称，区域内无严重的坍岸及渗漏问题。
第四大岩层（ArI4）为角闪斜长片麻岩。
具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。
岩石物理力学性质：
岩石容重为2.68―2.70吨/立米，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650公斤/厘米2以上，有的可达1100公斤/厘米2，混凝土与岩石的磨擦系数微分化及弱风化化下部，可取f@=1.10、c@=7.5kg/cm2。
地震：
库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。
弱震仍不断发生，其中1936年和1976年两次发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为6度，考虑到枢纽的重要性，和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用7度。
第二章坝体剖面拟定
2.1剖面拟定原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求；
2、力求剖面较小；
3、外形轮廓简单；
4、工程量小，运用方便，便于施工。
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图2―1所示，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
图2-1重力坝的基本剖面图示
2.2拟定实用剖面
2.2.1确定坝顶高程
1、超高值Δh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Δh，可由式（2-1）计算。
Δh=h1%+hz+hc（2-1）
Δh―防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
H1%―累计频率为1%时的波浪高度，m；
hz―波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
hc―安全加高，由于该工程的结构安全级别为Ⅰ级，故查得
设计洪水位情况hc＝0.7m；校核洪水位情况hc＝0.7m。
下面按官厅公式计算h1%，hz。
V0为计算风速，18m/s；
D为吹程，3km；
波高hl：
gD/V02=28（20～250），为累计频率5%的波高h5%
规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；
首先计算波浪高度hl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：
设计洪水位时Δh计算
风速采用50年一遇的风速1.8V0=1.8×18=32.4m/s，吹程D=3km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166V05/4D1/3=2.22m
波长L=10.4（hl）0.8=19.7m壅高（一般峡谷水库因
由规范《SL319-20XX年》中波浪爬高公式
H，所以：
hzhl2L）；取hz=πhl2/L=0.79m
计算得出h=h5%=1.86m
因gD/V02=28，h1%=1.24h5%=2.3m；hz=0.79m；hc=0.7m
Δh=h1%+hz+hc=3.79m
（2）校核洪水位时：
计算方法同上，V0取18m/s
Δh=h1%+hz+hc=1.10+0.26+0.5=1.86m
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+Δh设=225.7+3.79=229.49m
坝顶高程=校核洪水位+Δh校=227.2+1.86=229.06m
取设计洪水位时的情况229.49m
为保证坝体运行安全，需设置防浪墙，取1.2m，考虑施工方便，坝顶高程取整，为228m。
2.2.2确定坝高
1、枢纽布置方案拟定
枢纽布置是确定挡水坝段、溢流坝段、电站坝段、底孔坝段的相互位置，挡水坝段布置在河床两岸，河床中间为溢流坝段、电站坝段、底孔坝，而溢流坝段与电站坝段不宜建在一起，故枢纽布置方案有两种：
方案一电站坝段在右岸
优点：
1、进坝公路在左岸，便于交通运输；2、电站坝段在右岸主河槽位置，水轮机安装高程低，从而有利于发电。
缺点：
左岸设溢流坝，冲刷坑部位地质条件较差。
方案二电站坝段在左岸
优点：
1、电站布置在左岸，地势开阔，布置方便；2、溢流坝位于右岸河床段，使冲刷避开左岸地质条件较差的区域。
缺点：
增加开挖工程量，运输不方便
综上所述，方案一工程量小，运输方便，且左岸冲刷问题可经工程措施予以处理，保证大坝安全稳定，故选方案一
2、确定坝高
根据规范，坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。
原则上应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。
由方案一，河床的片麻岩地基上修建实体重力坝，通过立视图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为124.0m。
因此，最大坝高为104m，属于高坝。
2.2.3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10.4米，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。
2.2.4拟定剖面尺寸
拟定坝体形状为基本三角形。
坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。
该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。
根据已知条件，上游坝坡坡率n=0.2，做成上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8，取m=0.8。
在上下游坡率及坝顶高程已知的条件下，上游折线角高程185.0m，计算得坝底宽度为B=94.6m。
2.2.5基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。
基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，为了保证完成其功能且可以自由通行，设计基础灌浆廊道断面取3.0×4.5m，形状采用城门洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m处设置，本次设计取10m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，取5m。
初步拟定坝体形状剖面如图所示。
图2-2非溢流坝段剖面尺寸图
第三章稳定分析
3.1荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有：
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ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；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如下表所示。
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，计算示意图如下
W12
W2’
H1W2’W13W3
W11PdH2b3
U4γH2
γH1U2U3αγH
U1
图3-1重力坝荷载计算示意图
3.1.1自重W
坝体自重的计算公式：
W=Vγc（kN）（3-6）
式中V――坝体体积，m3；由于取1m坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3-1所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；
γc――坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）
分解后的三部分自重：
W11=24×0.5×12.2×61=8930.4kN
W12=24×10×104=*****kN
W13=24×0.5×90.5×72.4=*****.4kN
W1=W11+W12+W13=*****.8kN
取坝底部中点为力矩作用中心点O，则
W1作用点至O点的力臂为：
（47.3-12.2×2÷3）=39.17m
W2作用点至O点的力臂为：
47.3-12.2-5=30.1m;
W3作用点至O点的力臂为：
25.1-72.4÷3=0.97
竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MOW1=8930.4×39.17=*****KNm
MOW2=*****×30.1=*****KNm
MOW3=*****.4×0.97=*****.52KNm
∑MOW=*****+*****+*****.52=***-*****.52KNm
3.1.2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PH和垂直水压力PV两种。
根据水力学公式
水平水压力PH计算公式为：
式中：
Ｈ―计算点处的作用水头，m；
γw―水的重度，常取9.81kN／m3；
垂直水压力PV按水重计算。
计算正常蓄水位情况下的上下游水深：
上游水深H1=224.7-124.0=100.7m；下游水深H2=138.4-124.0=14.4m
上游垂直水压力：
Pv1=（0.5×12.2×61+39.7×12.2）×9.81=8401.68kN
下游垂直水压力：
Pv2=14.4×0.8×14.4×0.5×9.81=813.68kN
水重：
Pv=Pv1+Pv2=8401.68+813.68=9215.36kN（↓）
上游水平水压力：
PH1=－0.5×9.81×100.72=－*****.1kN（→）
下游水平水压力：
PH2=0.5×9.81×14.42=1017.1kN（←）
水压力：
Ph=Ph1+Ph2=－*****.1+1017.1=－*****kN
静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
垂直水压力（水重）对O点的弯矩：
MOP11=0.5×12.2×61×9.81×（47.3-12.2÷3）=*****.86KNm
MOP12=39.7×12.2×9.81×（47.3-12.2÷2）=*****.68KNm
MOP2=-813.68×（47.3-14.4×0.8÷3）=－*****.53KNm
∑MOPv=MOP11＋MOP12＋MOP2=*****.86＋*****.68－*****.53=*****.01KNm
水平水压力对O点的弯矩：
MOP1=－*****.1×（100.7÷3）=－***-*****.8KNm
MOP2=1017.1×（14.4÷3）=4882.08KNm
∑MOph=MOP1＋MOP2=－***-*****.8+4882.08=－***-*****.72KNm
∑MOP=∑MOph＋∑MOpv=*****.01－***-*****.72=－***-*****.71KNm
3.1.3扬压力U（设帷幕灌浆，设排水孔）
根据规范，排水处扬压力折减系数：
α=0.25,如图3-1所示，将扬压力分成四部分，U1，
U2，U3，U4。
U4=9.81×14.4×94.6=*****.57kN
U3=1/2×9.81×0.25×（224.7-138.4）×（94.6-13）=8635.35kN
U2=9.81×0.25×（224.7-138.4）×13=2752.1kN
U1=1/2×13×64.72×9.81=4126.87kN
U=U1+U2+U3+U4=*****.55kN
U4作用点至O点的力臂为：
0m
U3作用点至O点的力臂为：
81.6×2/3－47.3=7.1m
U2作用点至O点的力臂为：
47.3-6.5=40.8m
U1作用点至O点的力臂为：
47.3-13÷3=43m
竖向扬压力力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
∑MOU=0-7.1×8635.35-40.8×2752.1-43×4126.87
=0-*****.2-*****.7-*****.4
=－*****.3KNm
3.1.4泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100年，水平泥沙压力Ps为：
式中：
γsb――泥沙的浮容重，0.9×9.81kN/m3；
hs――坝前淤沙厚度，157.5-124=33.5m；
Φs――淤沙的内摩擦角，（12°）。
故泥沙压力为
Ps=1/2×0.9×9.81×33.52×tan2（45-12/2）=3248.7kN
对O点的力臂为（157.5－124）/3=11.17m
对O点取矩：
MOPSK=－3248.7×11.17=－*****KNm
3.1.5浪压力°°
1.波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-20XX年，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V020m/s及D20km）：
h――当gD/V02=20～250时，为累积频率5%的波高h5%；
当gD/V02=250～1000时，为累积频率10%的波高h10%
由剖面计算结果知，取累积频率5%的波高h5%
Lm――平均波长（m）；
波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算：
其中，平均波长Lm按下式计算：
=0.331V0-1/2.15（gD/V0）21/3.75×V0/g
（9.8×3000/32.4）21/3.752=0.331×（18×1.8）-1/2.15×32.4/9.8=17m2
因HLm/2，属于深水波。
2.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力，如图所示。
深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
h1%=1.24h5%=2.3m；hz=0.79m；
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.81×17÷4×（2.3＋0.79）=128.83kN
对坝底中点O取矩为（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MOPWK=－128.83×（100.7+0.79）=－*****KNm
3.1.6其它荷载
冰压力、土压力应根据具体情况来定。
温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分析时可以不计入。
风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。
坝体廊道及坝顶设备重也忽略不计。
将计算的各荷载进行汇总整理。
结论请见下表。
正常蓄水位情况各项作用力统计表单位：
KN、KNm
3.2稳定分析
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。
抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。
抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
U
坝体抗滑稳定计算简图
正常蓄水位情况按单一安全系数法验算,计算公式如下：
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，f=1.10
′c′――坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c=75kg/cm2=735.75KPa；
A――坝基接触面截面积，单宽，A=94.6m2。
ΣW――作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；
ΣP――作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；
按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数Ks′值应不小于3.0
=（1.1×（*****.8＋9215.36－*****.55）＋735.75×94.6）÷（*****＋128.83＋3248.7）=（1.1×*****.61＋*****.95）÷*****.53
=*****.521÷*****.53
=3.32
所以，Ks′＞（K）=3
满足规范要求。
第四章应力分析
应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是研究解决设计和施工期中的某些问题，如混凝土标号区分和某些部位的配筋等提供依据。
在一般情况下，坝体的最大、最小正应力和主应力都出现在上下游坝面，所以重力坝设计规范规定，应核算上下游坝面的应力是否满足强度要求。
应力分析的过程是：
首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。
依据规范，本次应力分析用材料力学法进行计算。
材料力学法三个基本假定：
1.坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。
2.视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。
3.假定坝体水平截面上的正应力
按不考虑扬压力的情况计算：
y按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。
4.1上、下游边缘应力σyu和σyd计算公式yW6M2BB
其中：
ΣW――作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM――作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；B――计算截面的长度，m。
ΣW=*****.8＋9215.36-*****.55=*****.61kN
ΣM=***-*****.52＋*****.01－***-*****.71－*****.3－*****－*****=－*****.48kN
m
=*****.61/94.6＋6×（－*****.48）/94.62=991.6-168.7=822.9kPa
=991.6+168.7=1160.3kPa
σyu和σyd均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力，满足工程规范要求。
h上=9.81×（224.7-124）=987.87kPa上游水面压强：
pu
h下=9.81×14.4=141.26kPa下游水面压强：
pd
4.2主应力计算
1u（1n2）yu（pupspuu）n2
（10.22）822.9（987.87239.51015.3）0.22864.3kPa
1d（1m2）ydpdm2
（10.82）1160.3141.260.821812.5kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。
计算结果表明，重力坝在正常蓄水位情况下应力满足规范要求。
第五章细部构造设计
5.1坝顶构造
坝顶路面应具有2～3％的横向坡度，并设置砼排水沟（30×30cm）以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。
根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。
5.2分缝止水
5.2.1坝体分缝
1、横缝：
减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；
2、纵缝：
适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。
一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从缝内流出，必须在缝的四周设止浆片。
3、水平施工缝：
是上、下层浇筑块之间的接合面。
浇筑块厚度一般为1.5～4.0m；在靠近基岩面附近用0.75～1.0m的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。
5.2.2止水设计
横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.0～1.6mm后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头
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