大工19春《水工建筑物课程设计》大作业及答案Word文档格式.docx

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①死水位：

初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：

80.0m。

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。

表一

状况

坝底高程

（m）

坝顶高程

上游水位

下游水位

上游坡率

下游坡率

设计情况

31

84.9

82.50

45.50

1∶0.8

校核情况

84.72

46.45

本设计仅分析基本组合

（2）及特殊组合

（1）两种情况：

基本组合

（2）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

（1）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》（DL5180-2003），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。

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，所以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。

2.1坝高计算

2设计及计算内容

据大坝特性表资料，坝高H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=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土结构，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）×

0.8=43.12m。

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1.5m，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，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，设计取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。

灌浆帷幕中心线距上游坝面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=1300KPa。

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。

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C15、W4、F100厚3.00m的混凝土。

（2）下游水位变化区的坝体表层采用C15、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、W10、F100厚3.00m的混凝土。

（4）坝体靠近基础的底部采用C20、W10、F200厚8.00m的混凝土，满足强度要求。

（5）坝体内部采用C10、W2低热混凝土。

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。

2.3.1荷载基本组合

（2）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 82.72

Pw

78.90

P2

死水位 51.00

W2

设计

Q

PS1

PS3

PS2

31.00

43.12

W1

H1

4.8

U2

U4

U3

U1

rwH1

rwH2

H2

6.50

arwH

设计洪水位坝体尺寸与荷载

（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γωH1，排水孔线上为γωH2+aγω△

H，坝址处为γωH2，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γsd取13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°

，泥沙的浮重度γsb=γsd-（1-n）γω=13.5-（1-0.42）×

10=7.7KN/m3。

单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γsbhs2tan2（45°

-φs/2）。

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gh2%/v02=0.00625v0（1/6）（gD/v02）（1/3）和

gLm/v02=0.0386（gD/v02）（1/2）计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m，平均波长Lm=14.45m，经查表求得h1%=2.25m。

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/（4π）ln[（Lm+2πh1%）/（Lm-2πh1%）]=5.19m。

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=1/4γωLm（h1%+hz）计算。

波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth（πH/Lm）=1.10m。

防浪墙顶高程为：

82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。

上述荷载计算见计算表。

荷载

计算式

垂直力（kN）

水平力（kN）

对坝底截面形心力臂（m）

力矩（kN.m）

↑

↓

→

←

↙+

↘-

自重

4.8*53.9*24

6209

21.56-2.4=19.16

118964

1/2*47.9*38.32*24

22026

2/3*38.32-21.56=3.99

87884

水压力

P1

1/2*51.52*10

13261

1/3*51.5=17.17

227691

1/2*14.52*10

1051

1/3*14.5=4.83

5076

1/2*0.8*14.52*10

841

21.56-1/3*0.8*14.5=17.69

14877

扬压力

u1

14.5*43.12*10

6252

u2

1/2*36.62*0.25*37*10

1694

2/3*36.62-21.56=2.85

4828

u3

0.25*37*6.5*10

601

21.56-1/2*6.5=18.31

11004

u4

1/2（1-0.25）*37*6.5*10

902

21.56-1/3*6.5=19.39

17490

泥沙压力

Ps

1/2*7.7*20.02*tan236

813

1/3*20=6.67

5423

1/2*7.7*72*tan236

100

1/3*7=2.33

233

1/2*7.7*0.8*72

151

21.56-0.8*7/3=19.69

2973

重力坝基本荷载组合计算表

1/4*10*14.45*（14.45/

382

51.5-14.45/2+（14.45/2

18260

浪压力

2+1.1+2.25）

-1/8*10*14.452

261

+1.1+2.25）/3=47.80

51.5-2/3*14.45=41.87

10928

合 计

9449

29227

14456

1412

223085

302546

19778↓

13044→

79461↘

2.3.2荷载特殊组合

（1）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。

校核46.45

校核

校核洪水位坝体尺寸与荷载

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γsd取13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°

，

泥沙的浮重度γsb=γsd-（1-n）γω=13.5-（1-0.42）×

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%/v02=0.00625v0（1/6）（gD/v02）（1/3）和gLm/v02=0.0386（gD/v02）（1/2）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

h1%=1.12m。

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/（4π）ln[（Lm+2πh1%）/（Lm-2πh1%）]=1.45m。

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

波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth（πH/Lm）=0.42m。

84.72+h1%+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。

1/2*53.722*10

14429

1/3*53.72=17.91

258423

1/2*15.452*10

1194

1/3*15.45=5.15

6149

1/2*0.8*15.452*10

955

21.56-1/3*0.8*15.45=17.44

16655

15.45*43.12*10

6662

1/2*36.62*0.25*38.27*10

1752

4993

0.25*38.27*6.5*10

622

11389

1/2（1-0.25）*38.27*6.5*10

933

18091

1/4*10*9.45*（9.45/2+0.4

2+1.12）

-1/8*10*9.452

148

112

53.72-9.45/2+（9.45/2

+0.42+1.12）/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.42

5311

7560

重力坝特殊荷载组合计算表

9969

29341

15390

1406

218541

325507

19372↓

13984→

106966↘

2.3.3挡水坝段荷载计算成果

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

荷 载

自 重

19.16

3.99

17.17

4.83

17.69

2.85

18.31

19.39

Ps1

6.67

Ps2

2.33

Ps3

19.69

47.80

41.87

表三：

坝体特殊荷载组合作用计算成果表

17.91

5.15

17.44

51.08

47.42

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。

2.4.1荷载基本组合

（2）为设计洪水位情况，其荷载组合为：

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+C′A）/∑P

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

2.4.2荷载特殊组合

（1）为校核洪水位情况，其荷载组合为：

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

2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核

2.5.1荷载基本组合

（2）为设计洪水位情况，其荷载组合为：

（1）当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

δuy=∑W/B+6∑M/B2=19778/43.12+6*（-79461）/43.122=202.27（KPa）＞0，

满足要求。

δdy=∑W/B-6∑M/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：

τu=（P-Puu-δuy）m1=（51.5*10-51.5*10-202.27）