水工建筑物重力坝课程设计.docx
《水工建筑物重力坝课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水工建筑物重力坝课程设计.docx（26页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
水工建筑物重力坝课程设计
水工建筑物课程设计
——重力坝
姓名：
武亮
学号：
2011101812
班级：
11水利水电工程（本）04
指导老师：
张洁
一、原始资料（数据）…………………………-2-
二、坝体剖面拟定…………………………-3-
三、稳定分析………………………-5-
四、应力分析…………………………-13-
五、溢流坝面设计…………………………-15-
六、细部构造设计…………………………-17-
七、地基处理设计…………………………-19-
附录1：
参考资料………………………-21-
附录2：
坝体剖面图…………………………-21-
一、原始资料（数据）
某枢纽以发电为主，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和发电量。
该工程坝型为混凝土重力坝。
1、水库特征：
1.1、水库水位：
①正常蓄水位—349米②设计洪水位—349.9米③校核洪水位—350.4米
1.2、下泄流量及相应下游水位：
①千年一遇洪水的下泄流量13770
，相应下游水位271.90米；②五千年一遇洪水的下泄流量15110
，相应下游水位272.63米
1.3、库容：
总库容为17.9亿立方米考虑开挖后，坝基面高程269m
2、综合利用效益：
2.1、装机容量20万千瓦，年发电量7.4亿度。
2.2、防洪：
可将千年一遇洪峰流量以18200
削减至13770
；可将五千年一遇洪峰流量从21200
削减至15110
；可灌溉农田30万亩；此外还可改善航运条件，库区可从事养殖。
3、自然条件：
3.1、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。
3.2、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,饱和极限抗压强度为30-40Mpa。
坝基坑剪断摩擦系数
经野外试验及分析研究确定为1.0-1.1；坝基坑抗剪断凝聚力为0.6-0.8Mpa。
3.3、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。
3.4、气象资料：
最高气温为
℃，最低气温为-8℃，多年平均最大风速为14
，水库吹程为1.4km
3.5、淤泥：
百年后坝前淤沙高程为286.6米，淤积泥沙内摩擦角取
，淤沙浮容重为
二、坝体剖面拟定
1、工程等级
总库容为17.9亿立方米，确定为大
（1）型水库，等级为Ⅰ级。
2、确定坝高
2.1、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＝0.5m。
下面按官厅公式计算h1%，hz。
V0为计算风速，14m/s；D为吹程，1.4km；波高hl：
gD/V02=70∈（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，风速采用多年平均最大风速V0=14m/s，吹程D=1.4km。
波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×14^（5/4）×1.4^（1/3）=0.50m
波长L=10.4（hl）0.8=10.4×0.5^0.8=6.00m
雍高hz=πhl2/Lcth2πH/L=3.14×0.5^2/6.0×cth（2×3.14×80.9/6.0）=0.13m
计算得出h=h5%=0.50m，因gD/V02=70，h1%=1.24h5%=0.62m；hz=0.13m；hc=0.7mΔh=h1%+hz+hc=0.62+0.13+0.7=1.45m
（2）校核洪水位时：
计算方法同上，hc=0.5m，Δh=h1%+hz+hc=0.62+0.13+0.5=1.25m
2.2、坝高计算
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=349.9+1.45=351.35m
坝顶高程=校核洪水位+Δh校=350.4+1.25=351.65m
取校核洪水位时的情况351.65m
为保证坝体运行安全，需设置防浪墙，取1.2m，坝顶高程取为▽350.5m。
坝基面高程为269m,坝顶高程为350.5m,坝高为350.5-269=81.5m。
3、拟定坝顶宽度
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6.52m～8.15m，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8m，以满足大坝维修作业通行需要。
4、拟定剖面尺寸
拟定坝体形状为基本三角形。
本次设计采用上游坝面铅直，下游倾斜的形式。
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。
下游坝坡坡率m=0.6～0.8，取m=0.8。
计算得坝底宽度为B=0.8×81.5=65.2m。
坝体剖面示意图如图二-1。
图二-1坝体剖面示意图
三、稳定分析
1、荷载及其组合
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。
本次荷载组合分二种
（1）、基本组合为设计洪水位情况，其荷载组合：
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力；
（2）、特珠组合为校核洪水位情况，其荷载组合：
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
2、设计洪水情况荷载计算：
2.1、自重W
坝体自重的计算公式：
W=Vγc（kN）（3-1）
式中V——坝体体积，m3；由于取1m坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图三-1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）
图三-1
分解后的两部分自重：
W1=24×8×81.5=15648kN
W2=1/2×24×71.5×57.2=49077.6kN
W=W1+W2=15648+49077.6=64725.6kN
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L1=32.6-4=28.6m
W2作用点至O点的力臂L2=32.6-（8+57.2/3）=5.53m;
竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MOW1=15648×28.6=447532.8KN·m
MOW2=49077.6×5.53=271399.128KN·m
∑MOW=447532.8+271399.128=718931.928KN·m
2.2、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,本设计上游坝面只有水平水压力，下游有水平和垂直两种压力。
如图三
-2所示。
图三-2
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。
H上=349.9-269=80.9m
H下=271.90-269=2.9m
上游水压力：
P上H=1/2×9.81×80.9×80.9=32102.29kN（→）
下游水平水压力：
P下H=1/2×9.81×2.9×2.9=41.25KN（→）
下游垂直水压力：
P下v=1/2×9.81×2.32×2.9=33.00KN（↓）
上游水压力力臂L上H=80.9/3=26.97m
下游水平水压力力臂L下H=2.9/3=0.97m
下游垂直水压力力臂L下V=32.6-2.32/3=31.83m
静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MoP上H=-32102.29×26.97=-865798.76KN·m
MoP下H=41.25×0.97=40.01KN·m
MoP下V=-33.00×31.83=1050.39KN·m
水平水压力对O点的弯矩：
MoP=-865798.76+40.01-1050.39=-866809.14KN·m
2.3、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,如图三-3所示，将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。
图三-3
U4=28.45×65.2=1854.94kN
U3=1/2×（189.50-28.45）×57.2=4606.03kN
U2=（189.50-28.45）×8=1288.4kN
U1=1/2×（793.63-189.50）×8=2416.52kN
U=U1+U2+U3+U4=10165.89kN
U4作用点至O点的力臂L4=0
U3作用点至O点的力臂L3=32.6-（57.2/3+8）=5.53m
U2作用点至O点的力臂L2=32.6-8/2=28.6m
U1作用点至O点的力臂L1=32.6-8/3=29.93m
竖向扬压力力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
Mo1=-2416.52×29.93=-72326.44KN·m
Mo2=-1288.4×28.6=-36848.24KN·m
Mo3=-4606.03×5.53=-25471.35KN·m
Mo4=0
∑MOU=0-72326.44-36848.24-25471.35=-134646.03KN·m
2.4、泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100年，本设计取100年，水平泥沙压力Ps为：
式中：
γsb——泥沙的浮容重，8kN/m3；
hs——坝前淤沙厚度，286.6-269=17.6m；
Φs——淤沙的内摩擦角，（0°）。
故泥沙压力为
Ps=1/2×8×17.6×17.6×tan245°=1239.04kN
对O点的力臂L=17.6/3=5.87m
对O点取矩：
MOPS=-1239.04×5.87=-7273.16KN·m
2.5、浪压力
（1）波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V0<20m/s及D<20km）：
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/V02）1/3.75×V02/g
=0.331×（14）-1/2.15（9.81×1400/1.42）1/3.75×1.42/9.81=0.21m
因H>Lm/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，如图三-4所示。
图三-4深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
h1%=1.24h5%=0.62m；hz=0.13m；
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9.81×0.21÷4×（0.62+0.13）=0.386kN
对坝底中点O取矩为（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：
MOPl=－0.386×（80.9+0.13）=－31.278KN·m
2.6、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。
2.7、将计算的各荷载进行汇总整理。
结论请见下表三-1。
表三-1设计水位情况各项作用力单位：
KN、KN·m
序号
荷载效应
方向
力值
力矩M值
1
自重
↓为正
64725.6
718931.928
2
水重
↓为正
33.00
-1050.39
3
静水压力
←为正
－32061.04
-865758.76
4
扬压力
↓为正
-10165.89
-134646.03
5
浪压力
←为正
－0.386
－31.278
6
淤沙压力
←为正
－1239.04
－7273.16
3、同理可得校核洪水荷载，结果如表三-2
表三-2校核水位情况各项作用力单位：
KN、KN·m
序号
荷载效应
方向
力值
力矩M值
1
自重
↓为正
64725.6
718931.928
2
水重
↓为正
51.71
-1635.69
3
静水压力
←为正
－32435.7
-881655.75
4
扬压力
↓为正
-10720.63
-135170.57
5
浪压力
←为正
－0.386
－31.471
6
淤沙压力
←为正
－1239.04
－7273.16
4、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。
图三-5坝体抗滑稳定计算简图
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′=0.8Mpa=800KPa；
A——坝基接触面截面积，单宽，A=65.2m2。
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）设计洪水位稳定分析
=[1.1×（64725.6+33.00-10165.89）+800×65.2×1]/33300.466
=3.37
所以，Ks′＞（K）=3
满足规范要求。
（2）校核洪水位稳定分析
=[1.1×（64725.6+51.71-10720.63）+800×65.2×1]/33675.126
=3.31
所以，Ks′＞（K）=2.5
满足规范要求。
四、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
按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。
1、设计洪水位应力计算
1.1、正应力计算
上、下游边缘应力σyu和σyd
计算公式
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，kN·m；
B——计算截面的长度，m。
ΣW=64725.6+33.0-10165.89=54592.71kN
ΣM=718931.928-1050.39-865758.76-134646.03-31.278-7273.16=-289827.69kN·m
=54592.71/65.2＋6×（-289827.69）/65.22
=837.31-409.07=428.24kPa
=837.31+409.07=1246.38kPa
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，并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。
上游水面压强：
=9.81×80.9=793.63kPa
1.2、主应力计算
σ1u=（1+n^2）σyu-Pun^2=428.24kPa
=（1+0.8×0.8）×1246.38=2044.06kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。
计算结果表明，重力坝在设计洪水水位情况下应力满足规范要求。
2、校核洪水位应力计算
2.1、正应力
ΣW=64725.6+51.71-10720.63=54056.68kN
ΣM=718931.928-1635.69-881655.75-135170.57-31.471-7273.16=-306834.713kN·m
=54056.68/65.2＋6×（-306834.713）/65.22
=829.09-433.07=396.02kPa
=829.09+433.07=1262.16kPa
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，并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。
上游水面压强：
=9.81×81.4=798.534kPa
2.2、主应力计算
σ1u=（1+n^2）σyu-Pun^2=396.02kPa
=（1+0.8×0.8）×1262.16=2069.94kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。
计算结果表明，重力坝在校核洪水水位情况下应力满足规范要求。
五、溢流坝面设计
溢流坝曲线由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段三部分组成，溢流面曲线采用WES曲线。
1、基本资料
工况
上游水位m
下泄流量m3/s
下游水位m
正常
349
设计
349.9
13770
271.90
校核
350.4
15110
272.63
Hmax=1.4m
2、溢流曲线设计
溢流曲线具体尺寸要求如表，其中Hd为堰面曲线定型设计水头，要求按最大作用水头Hmax的75%～95%计算，本设计采用80%倍的Hmax，所以Hd=1.12m。
2.1、曲线上游圆弧段参数计算如表
0.282Hd=0.316m
R3=0.04Hd=0.045m
0.276Hd=0.309m
R2=0.20Hd=0.224m
0.175Hd=0.196m
R1=0.50Hd=0.56m
2.2、下游曲线段
下游曲线段计算公式为：
x1.85=2.0Hd0.85y
x
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
y
0.126
0.454
0.961
1.637
2.474
3.466
4.610
5.901
7.338
8.917
x
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
y
10.637
12.494
14.489
16.618
18.880
21.274
23.799
26.454
29.236
32.147
曲线如图五-1
图五-1
2.3、中间直线段
dy/dx=1/（2.0Hd0.85）1.85x0.85=1/0.8
x=1.596m,y=1.078m
2.4、下游反弧段
本设计采用挑流消能，反弧段半径R=（4～10）ho,式中ho为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深。
挑流鼻坎高程取274.00m。
反弧段最低点流速v=0.93√（2gHo）=0.93√（2×9.81×（350.4-274））=36.01m/s
水深hc=q/v=90/36=2.5m
反弧段半径R=（4～10）ho，本设计反弧段流速为36.01m/s>16m/s,但流速也不是特别大，同时考虑反弧段要与中间直线段相切，所以取R=15m。
六、细部构造设计
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。
2、分缝止水
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。
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部应力，一般为0.5～2.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为20～25cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.0～1.5m，厚5～10cm（本设计采用1m×10cm），沥青井尺寸大致为15cm～15cm至25cm～25cm（本设计采用20cm×20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为15～20cm。
止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30～50cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。
3、坝体排水
坝体排水为了减小
升级会员 