南昌工程学院水工课程设计.docx
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南昌工程学院水工课程设计
南昌工程学院
课程设计（论文）任务书
一1 课程设计（论文）题目 重力坝课程设计
2课程设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求
某枢纽以了发电为主, 兼顾防洪灌溉. 水库建成后. 还可以提高下游二个水电站的出力的发电量. 该工程坝型为混凝土重力坝.
（一）水库特征;
一 水库水位. 1.正常蓄水位--349M. 2. 设计洪水位---349.9M 3校核洪水位---350.4M
二 下游流量及相应下游水位..
1 千年一遇洪水的下泄流量.13770 米3/秒.. 相应下流水位271.90米 2 五千年一遇洪水的下泄流量.15110 米3/秒.. 相应下流水位272.63米
三. 库容:
总库容为17.9亿. 考虑开挖后. 坝基面高程269M
（二） 综合利用效益:
装机容量20万千瓦, 年发电量.7.4亿度.,
防洪:
可将千年一遇洪峰流量以18200米3/秒削减至13770米3/秒:
可将五千年一遇洪峰流量以21200米3/秒削减至15110米3/秒:
可灌溉农田30万亩:
此外还可以改善航运条件, 库区可从事养殖.
（三）自然条件.
1 地形. 坝址位于峡谷出口段. 左岸地势较低.山坡较缓.右岸地势较高.山坡较陡.
2 地质. 坝址出露岩层为志留系圣母山绿色含砾片岩.岩性坚硬完整.新鲜岩石饱和极限抗压强度在60—80MPA以上. 坝上游坡角为绢云母绿泥石英片岩. 饱和极限抗压强度在30—40MPA.
坝基坑剪断擦系数F经野外试验及分析研究确定为1.0—1.1:
坝基坑剪断凝聚力为为0.6—0.8MPA.
3 水文地质 坝址水文地质较简单.相对不透水层埋藏深度一般在35米以内.库区无渗漏问题 4 气象资料 最高气温为42度. 最低气温为-8度.多年平均最大风速为14米/秒. 水库吹程为1.4KM
5 淤泥:
百年后坝前淤沙高程为286.6米.淤积泥沙内摩擦角取0度.淤沙浮容重为8000N/M
二、工程的等别和建筑物级别
水利部、能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等。
水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级。
永久性建筑物系指工程运行期间使用的建筑物。
根据其重要性分为：
①主要建筑物，如堤坝、水闸、电站厂房及泵站等。
②次要建筑物，如挡土墙、导流墙及护岸等。
临时性建筑物系指工程施工期间使用的建筑物，入导流建筑物、施工围堰的。
对于本枢纽工程，由于工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用，所以枢纽工程等别等为Ⅰ等，相应的永久性主要建筑物为1级，永久性次要建筑物为3级。
三、重力坝非溢流坝段设计
重力坝剖面设计的原则是：
①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。
重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。
在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。
㈠ 非溢流坝剖面设计
⑴ 坝顶高程。
坝顶高程有静水位＋相应情况下的风浪壅高和安全超高定出。
即：
▽＝静水位＋△h △h＝hl＋hz＋hc
hl＝0.0166V05/4D1/3
① L=10.4（hl）0.8
② L
H
cth
Lhlhzpp22
=
③
由于建筑物级别为1级，查规范可知，设计工况下安全加高hc＝0.7m，校核工况
下安全加高hc＝0.5m。
⒈ 设计工况
设计洪水位H＝349.9 m 实测最大风速V0＝21m/s 吹程D＝1.4㎞
由以上公式①可得 hl＝0.834826m 由公式②得L＝9.00140m 由 公式③可得 hz＝0.243115m 又 hc＝0.7m 则 △h＝hl＋hz＋hc＝0.834826＋0.243115＋0.7＝1.777941m 坝顶高程 ▽＝静水位＋△h＝349.9＋1.777941=1351.6779m
⒉ 校核工况
设计洪水位H＝350.4m 多年平均最大风速V0＝14m/s 吹程D＝1.4㎞ 由以上公式①可得 hl＝0.502895m 由公式②得L＝6.00088m 由 公式③可得 hz＝0.132333m 又 hc＝0.5m 则 △h＝hl＋hz＋hc＝0.502895＋0.132333＋0.5＝1.35228m 坝顶高程 ▽＝静水位＋△h＝350.4＋1.35228=351.75228m
经过比较选取大者，可以得出坝顶或放浪墙顶高程为351.75228 m，并取放浪墙高1.2 m，则坝顶高程为：
351.75228+1.2＝352.95228 m
最大坝高为：
352.95228－269＝82.75228m
三、坝顶及坝底宽度的确定
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。
我取10%的坝高，即为8.27米.取整为 9米。
坝底的宽度约为坝高的0.7～0.9倍，这里取0.8倍，即B =0.8*82.75228 =66.201824 m。
取66.5米.
根据工程经验，上游坝坡系数常采用n=0～0.2；下游坝坡系数常采用m=0.6～0.8； 在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=0.2, 上游起坡点高度82.75228*1/2=41.376144经过m取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=0.7。
非溢流坝剖面图及有关计算尺寸
㈡ 荷载计算 （取1m坝长进行计算） ⑴ 设计工况下的荷载计算
⒈ 自重 W 取γc=24.0 kN/m3 根据自重公式：
W=Vγc 得：
W1=1/2×8.28×41.38×24＝4111.5168KN↓ W2=9×82.75×24＝17874 KN↓
W3=（82.75－12.79）×（66.5－17.28）×24×1/2＝41321.1744 KN↓
⒉ 水压力 水深为H时，单位宽度上的水平静水压力P为 P＝1/2γH2 斜面、折面、曲面承受的总静水压力，除水平静水压力外，还应计入其垂直分力。
垂直水压力按水重计算。
γ
水
＝9.81 kN/m3。
PH1＝1/2×9.81×（351.75－269）2＝33587.294KN→
PH2＝1/2×9.81×（271.9－269）2＝41.25KN← PV1＝（349.9－310.38）×8.28×9.81＝3210KN↓ PV2＝1/2×41.38×8.28×9.81＝1680.58KN↓ PV3＝1/2×（271.9－269）×8.28×9.81＝117.78KN↓
⒊ 泥沙压力 百年后坝前淤沙高程为286.6m，淤沙浮容重为8 kN/m3，内摩擦角为0°。
竖直方向的泥沙压力PSKV按作用面上的淤沙重量（按淤沙的浮重度）计算，水平压力按PSKH＝1/2γsbhs2tg2
（45°－φ
s/2）计算。
PSKH＝1/2γ
sbhs2tg2
（45°－φ
s/2）＝1/2×8×（286.6－269）2×tg2（45°－0°／2）＝1239.04KN→
PSKV＝Vγ=1/2×（286.6－269）2×0.2×8＝247.8KN↓
⒋ 浪压力 当＞L／2时，可假定浪顶以及水深等于L／2处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，并呈三角形分布。
L＝9m ， hl＋hz＝0.834826＋0.243115
Pi=[r×（h1+hz） ×L]/4=23.79KN→
PL1＝（hl＋hz＋L/2）×L/2×1/2×9.81＝123.12KN→ PL2＝L/2×L/2×9.81＝198.65KN←
⒌ 扬压力 扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。
渗透压力是由上下游水位差H产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游水面淹没计算截面而产生向上的水压力。
扬压力分布图如计算简图所示。
扬压力折减系数α＝0.25。
U1＝B×γH2＝66.5×9.81×（271.9－269）＝1892KN↑ U2＝12×αH＝12×0.25×9.81×（349.9－271.9）＝2296KN↑
U3＝（B－12）×αγH×1/2＝（66.5－12）×0.25×9.81×78×1/2＝5213KN↑ U4＝12×（γH1―γH2―αγH）×1/2＝12×（9.81×80.9－9.81×2.9－0.25×
9.81×78）×1/2＝3443KN↑
合力计算以及力矩计算如下表所示：
非溢流坝荷载计算成果汇总（设计工况）
⑵ 校核工况下的荷载计算
因为两种工况下的坝体自重和泥沙压力相同，故仅计算水压力、浪压力以及扬压力。
各种压力计算原理、计算公式和计算参数同〖设计工况下的荷载计算〗。
⒈ 水压力
PH1＝1/2×9.81×（350.4－269）2＝32500KN→ PH2＝1/2×9.81×（272.63－296）2＝64.63KN← PV1＝（350.4－269－41.38）×8.28×9.81＝3250.7KN↓ PV2＝1/2×41.38×8.28×9.81＝1680.58KN↓
PV3＝1/2×（272.63－269）×8.28×9.81＝147.43KN↓
⒉ 浪压力 L＝6m ， hl＋hz＝0.502895＋0.132333
Pi=[r×（h1+hz） ×L]/4=＝12.158KN→
PL1＝（hl＋hz＋L/2）×L/2×1/2×9.81＝28.15KN→ PL2= L/2×L/2×9.81＝22.07KN←
3扬压力
U1＝B×γH2＝66.5×9.81×（272.63－269）＝2368KN↑ U2＝12×αγH＝12×0.25×9.81×（350.4－272.63）＝2289KN↑
U3＝（B－12）×αγH1/2＝（66.5－12）×0.25×9.81×77.77×1/2＝5197KN↑ U4＝12×（γH1―γH2―αγH）×1/2＝12×（9.81×81.4－9.81×3.63－0.25
×9.81×77.77）×1/2＝3433KN↑
合力计算以及力矩计算如下页表所示。
⑵ 库空情况下的荷载计算
库空情况下的荷载只有坝体自重，力以及力矩值汇总如下：
∑W＝4111.5168＋17874＋41321.1744＝63306.7KN↓
∑M=114053.476＋366059.52―17768.1＝＋462344.896 KN*M
非溢流坝荷载计算成果汇总（校核工况）
㈢ 坝体抗滑稳定分析
重力坝沿坝面失稳的机理是：
首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。
表 抗滑稳定安全系数
荷载组合
坝的级别
1
2、3
Ks
基本组合
1.10
1.05
特殊组合
（1）
1.05
1.00
特殊组合
（2）
1.00
1.00
计算以一个坝段（单宽）作为计算单元，公式采用抗剪强度公式，将坝体与基岩看成是一个接触面，而不是胶结面。
当接触面呈水平时，其抗滑稳定安全系数Ks为
Ks＝f（∑W－U）／∑P ，f取 1.0。
⑴ 设计工况下的抗滑稳定分析
Ks＝f（∑W－U）／∑P＝1.0×55718.85／34709.55＝1.605
根据设计规范，1.605＞1.10，有以上计算可知，设计洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。
⑵ 校核工况下的抗滑稳定分析
Ks＝f（∑W－U）／∑P＝1.0×55346.2／33680.5＝1.643
根据设计规范，1.643＞1.05，有以上计算可知，校核洪水情况下，坝基面满足抗滑稳定要求。
㈣ 应力分析
应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。
应力分析采用材料力学法，其基本假定为：
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直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。
在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以应该校核坝体边缘应力是否满足强度要求。
用材料力学分析坝体应力时，重力坝设计规范规定的强度指标。
1、坝基面的σy应符合下列要求
（1）运用期：
在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝基面的最大铅直正应力应小于坝基容许应力（计算时应计入扬压力）。
最小铅直正应力应大于零（计算时应计入扬压力）。
（2）施工期：
下游坝面允许有不大于0.1MPa的拉应力。
2、坝体应力要求
（1）运用期。
坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：
①在作用力中计入扬压力时，要求σ≥0，即σ为压应力；②当作用力中不计入扬压力时，要求σ≥0.25γh。
坝体下游面的最大主压应力，不得大于混凝土的容许压应力。
（2）施工期。
坝体主压应力不得大于混凝土的容许压应力，在坝的下游面可以有不大于0.2MPa的主拉应力。
本设计分设计情况和校核情况两种情况分别分析水平截面上的正应力。
因为假定ys按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力yuydss和。
设计工况下
σyu= Wi/T+6*Mi/T2
=68562.85/66.5+6*（-316363.24）/（66.5*66.5）=601.76 KPa
σyu= Wi/T－6*Mi/T2
=68562.85/66.5－6*（-316363.24）/（66.5*66.5）=1460.24KPa 校核工况下
σyu= Wi/T+6*Mi/T2
=68633.2/66.5+6*（-292878.9）/（66.5*66.5）=634.62 KPa σ
yu= Wi/T－6*Mi/T2
=68633.2/66.5－6*（-292878.9）/（66.5*66.5）=1429.92KPa 各项均满足要求.
六、重力坝溢流坝段设计
㈠ 孔口设计 装设闸门的溢流坝，常用闸门将溢流坝段分割成若干个等宽的溢流孔口.
确定孔口尺寸时应考虑的因素:
① 满足泄洪要求
② 孔口宽度越大，闸门尺寸越大，启门力越大，启门和启闭机的构造就较复杂. ③ 孔口高度越大，q大，溢流坝段越短;孔口宽度越小，孔数多、闸门多，溢流段总长也相应加大。
④ q大，消能困难，为了对称均衡开启闸门，以控制下游河床流态，孔口数目最好采用奇数。
⑴ 泄水方式的选择。
为使水库具有较大的超洪能力，采用开敞式孔口。
工程实践证明：
软弱岩石或裂隙发育岩石，ｑ＝20～50ｍ3/（s.m）；较好的岩石，ｑ＝50～70ｍ
3
/（s.m）；坚硬或完整岩石，ｑ＝100～130ｍ3/（s.m）。
此取100ｍ3/（s.m）。
⑵ 流量的确定。
设计情况下，溢流坝的下泄流量为13770 m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为15110m3/s。
⑶ 孔口净宽。
根据调洪演算，在设计情况和校核情况下孔口净宽为137.7m和蔼151.1m 根据以上计算，假设每孔宽度为11m，则孔数n为13。
⑷ 堰顶高程的确定。
初拟侧收缩系数ε＝0.95，流量系数m＝0.502，因为过堰水流为自由出流，故σs＝1，由堰流公式计算堰上水头H，计算水位分别减去其相应的堰上水头即为堰顶高程。
2
/30
2HgmnbQses= ， n＝13
堰顶高程计算表
计算情况
流量（m3/s）
侧收缩系数
流量系数
孔口单宽（m）
堰上水头（m）
堰顶高程（m）
设计情况
13770
0.95
0.502
11
12.76
337.14
校核情况
15110
0.95
0.502
11
13.58
336.82
根据以上计算，取堰顶高程为336.82m。
㈡ 溢流坝剖面设计 溢流坝剖面除应满足强度、稳定性和经济条件外，其外形尚须考虑水流运动要求。
通常它也是由基本三角形修改而成，内部与非溢流坝相同。
溢流面由顶部溢流段、中部直线段及挑流鼻坎组成，上游面为直线或折线。
溢流曲线要求：
①有较高的流量系数；②水流平顺，不产生空蚀。
溢流面常用曲线：
①WES曲线；②克一奥曲线。
本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。
其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0.2，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。
（1） 顶部曲线段
我国现行规范推荐采用幂曲线，即WES曲线, 其曲线方程为：
1
nndxkHy-= 式中：
ｎ、ｋ——系数，n=1.85，k=2.0； Hd——定型设计水头，m，（一般为校核水位十堰顶水头的75%-95%）。
Hd＝0.85×（350.4－336.82）＝11.55m。
（坐标原点在堰顶）
在本次设计中，按85%计算，即Hd＝11.55m。
经计算，该方程可写为：
X
1.85
=y*0.2*11.55
0.85
（坐标原点为堰顶,同时确定上游面是铅直的）
⑵ 椭圆曲线。
堰面曲线原点上游采用椭圆曲线，其方程为：
1）
（）（）（2
222
=-+dddbHybHaHx 因上游面垂直，故取a＝0.3，b=a/（0.78+3a）＝0.178
图中的 aHd=9.22 bHd=6.64
可以通过描绘几个不同的点来确定这个曲线。
详图见溢流坝的剖面图。
（2） 反弧段
反弧段是使溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线。
按《混凝土重力坝设计规范》规定，其半径R=4～10h，h为校核洪水闸门全开时反弧处的水深。
BVQh=
Q---校核洪水位的下泄流量15110m3
/s B=143---闸孔全宽 V---流速 流速
12gsVj=
s1--上游水面至挑坎顶部的高差
j---坝面流速系数
35.0055.01E
K-
=j
1.51EEqKKgS---=
流能比
坎顶部的高程:
挑坎高程愈低,出口断面的流速愈大,射程愈远.同时,挑坎高程低,工程量也小,可以降低造价,工程设计中常使用挑坎最低的高程高出下游最高水位的1～2m,由校核洪水位允许下泄流量查得下游最高水位为271.9m,故取挑坎高程为272.5m.
最终通过计算反弧半径R取为20m,鼻坎挑射角a=.25 具体计算可以看溢流坝部分的计算书. （3） 中间直线段
中间直线段与顶部的曲线和反弧段相切，坡率取为1:
0.7。
（本设计溢流坝直线段的坡率如与非溢流坝的一致则不满足应力和稳定的要求，故经计算的坡率取为1:
0.7时可以满足要求，故本设计采用了此坡率，具体的计算选取过程不在此赘述。
）
四、消能防冲设计
通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。
消能设计的原则是：
消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。
设计时应根据坝址地形、地质条件，枢纽布置、坝高、下泄流量等综合考虑。
对于大型工程及高坝，还
应进行水工模型试验。
本设计采用挑流消能的消能方式。
挑流消能是利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中。
水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量，水流进入水垫后，发生强烈的摩擦、旋滚，冲刷河床形成冲坑，其余大部分能量消耗于冲坑中。
这种方式比较经济，一般适用于高水头、大流量、基岩较坚固的高坝或中坝，故为本设计所采用。
1、挑流鼻坎设计
挑流鼻坎设计主要是选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角及反弧半径。
鼻坎的型式选择连续式。
连续式鼻坎结构简单，施工方便，鼻坎上水流平顺，挑距较远，应用也广泛。
鼻坎挑射角一般取θ＝20～25°，本设计采用挑角θ＝25。
鼻坎坎顶高程宜高出下游最高水位1～2ｍ，校核洪水位时对应的下游最高水位为272.63米，故鼻坎高程为274.63米。
（1）堰面流速系数
j
35.0055.01E
K-
=j
式中--流能比EK，
1.5
1
q=
gEKS（1S为上游水面至挑坎顶部的高差，1S=349.9-274.63=75.27
ｍ）
Ｑ――校核洪水时溢流坝下泄流量，15110ｍ3/s； Ｂ――鼻坎处水面宽度，ｍ．
q--单宽流量,q=100立方米每秒
所以。
KE=q÷√g（s1.5
）=100÷2044=0.0489
j=0.909
（2）鼻坎处水流平均流速υ υ＝1
2gSj
式中
j——堰面流速系数，其中
1S——上游水面至挑坎顶部的高差
υ=34.932m／s （3）反弧半径Ｒ
h——校核洪水闸门全开是反弧处的水深 h=Q/（B*V）=15110/（143*34.932）=3.025M
根据有关的经验反弧半径Ｒ=（4--10）h=2.72---6.8m，所以取Ｒ为20ｍ。
（4）挑距L（水舌外缘计算，其估算公式如下）
2
22111121[sincoscossin2（）]=
+++Lvvvghhgqqqq
L——水舌挑距，ｍ
g——重力加速度，2
/ms
1v——坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍
q——挑角，取25°
1h——坎顶平均水深h在铅直向的投影； 2h——坎顶至河床面的高差。
流速 1v=1.1v=1.1×34.932=38.425ｍ/s
投影
1h=hcosq=3.025×cos25°=2.742 高差
2h=5.63ｍ
2
22111121[sincoscossin2（）]=
+++Lvvvghhgqqqq
=1/g【38.4252
*sin25*cos25+38.425sin25[38.4252
sin2
25+2*9.81（2.742+5.63）]1/2
】
=131.
（5）冲刷坑深（工程上经常按下式计算）
0.50.25ktqHa=
式中
kt——水垫厚度，自水面至坑底，ｍ
q
——单宽流量，ｍ3/s
H——上下游水位差，ｍ，349-271.9=77.
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