混凝土重力坝.docx
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混凝土重力坝
《混凝土重力坝电算》
课程设计
学生姓名:
学号:
专业班级：
2010级水利⑵班
指导教师:
二O—三年六月二^一日
1课程设计目的2
2课程设计的任务和内容2
3课程设计的要求成果2
4基本资料3
5课程设计报告内容4
6课程设计总结24
7结论24
参考文献24
25
附录I主要电算成果原始文件
1.课程设计的目的
1、巩固和加强学生对《水工建筑物》这门课程知识的理解；借助课设这一环节，培养学生综合运用已所学的理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能。
2、学会初步设计重力坝基本剖面，通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面；计算坝体应力，并满足规范要求；培养设计计算、绘图、编写设计文件和应用计算机的能力。
3、在课设中查阅和应用相关参考文献和资料，培养按规范设计的良好习惯。
2.课程设计的任务和内容
1、设计任务：
碧流河水库混凝土挡水段第28号坝段剖面设计。
2、设计内容：
1）通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面尺寸；
2）通过坝基水平截面处坝体内部应力分析，定出坝体混凝土分区方案；
3）坝体细部构造设计：
廊道布置、坝体止水、坝体排水及基础防渗和排水等。
3.课程设计的要求成果
1）设计计算说明书一份；
2）A3设计图纸二张。
4.基本资料
1、流域概况及枢纽任务碧流河水库位于碧流河中游干流上，坐落在新金县双塔镇与庄河县荷花山镇的交界处沙河口，距大连170公里。
总库容亿m3。
是一座以供水为主，兼顾防洪、灌溉、发电、养鱼等综合利用的大II型水库，是大连城市用水的主要水源。
2、地形地质
坝址处的岩体可大致分为新鲜岩石、微风化及覆盖层。
河槽高程为m，河槽处为半风化的花岗岩，风化层厚度为2m，基岩具有足够的抗压强度，岩体较完整，无特殊不利地质构造。
两岸风化较深呈带状，覆盖层较少，坝址两岸均为花岗岩，岩石坚硬，裂隙不发育。
河床可利用基岩高程定为m。
坝基的力学参数：
坝与基岩之间抗剪断系数为f'0.93,c'430kPa；坝与基岩之间抗剪摩擦系数值为；基岩的允许抗压强度15000kPa。
地震的基本烈度为7度，设计烈度为8度。
3、建筑材料砂料、卵石在坝址上、下游均有，坝址下游5km以内砂储量丰富，可供建筑使用。
4、特征水位经水库规划计算，坝址上、下游特征水位如下：
P=%校核洪水位为m，相应下游水位为m；
P=1%设计洪水位为m，相应下游水位为m；正常挡水位为m，相应下游水位为m；死水位为m；淤沙高程为m；总库容亿m3.
5、气象
坝址洪水期多年平均最大风速19.7m/s，洪水期50年重现期最大风速
27m/s，坝前吹程校核洪水位时D1500m,设计洪水位时D1300m。
6、其它有关资料
淤沙干容重sd14kN/m3，空隙率n0.4，淤沙内摩擦角160。
坝体材
料为混凝土,其容重采用c24kN/m3。
5课程设计报告内容
确定工程等别
根据SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，该工程拟建的水库总库容亿m3，属于U等、大⑵型工程。
相应的其主要建筑物等级为2级，次要建筑物等级为3级。
非溢流坝的剖面设计
基本剖面尺寸的拟定
假定基本剖面为三角形，坝顶与校核洪水位齐平，在自重、扬压力、静水压力3项主要荷载作用下，满足强度和稳定要求，并使工程量最小的三角形剖面。
剖面，如图5-1所示：
U
T。
图5-1重力坝基本三角形剖面图
1）按满足强度条件确定坝底的最小宽度
2H2
w丁2
c3
自c
当库满时:
只要在0〜1之间，即上游坡度取正坡，坝基面不出现拉应力。
yu
上游不出现拉应力，可令式5-2中yu0，求得坝底宽度为:
J9：
35^
.9.81
的最小底宽:
2）按满足稳定条件确定坝底的最小宽度T，水深H取校核水位对应的水深
水位与水深关系如表5-1所示：
表5-1水位与水深关系表
水位参数（m）
坝基底咼程
上游水位
下游水位
上游水深
下游水深
校核洪水位
设计洪水位
正常畜水位
由上求得T
35.02m，可得：
P
1212
-wH-9.8151.9013212.16kN/m
22
TH51.9035.02
W（cw）（249.810）21810.46kN/m
11
U—wHT—0.259.8151.9035.022228.76kN/m
22
f'（WU）c'A0.93（21810.462228.76）43035.021
K2.518
P13212.16
安全系数：
校核洪水位下，规范要求最小安全系数为，显然上述结果满足要求。
下游坡
度1:
mH:
（1
）T51.90:
35.021:
0.675。
取m0.7。
坝顶高程的确定
拟设置防浪墙，则防浪墙顶高程按式5-5、5-6计算，并取其中的大值:
防浪墙顶高程设计洪水位
防浪墙顶高程校核洪水位
（5-5）
△hh1%hzhc
（5-6）
库区所在位置属高山峡谷地区，按5-7、5-8、5-9式计算波浪要素，以下式
子由官厅水库公式中取g9.81m/s2化简得。
另外官厅水库公式适用范围为
020m/s且D20km，本设计中洪水期50年重现期最大风速27m/s，超出范
围，但是仍然认为适用。
h0.0166o54^3
（5-7）
（5-8）
（5-9）
Lm10.4（h）0.8
cth^H
Lm
计算风速0设计情况取洪水期50年重现期最大风速27m/s，校核情况取洪水期多年平均最大风速19.7m/s。
当聖250时，认为h为累计频率为5%勺波高0%。
当丄虹0时，hi%2.42hm、h5%1.95hm，所以，0%1.42讥％。
HHm
安全加高hc对于2级坝，校核情况取m、设计情况取m。
根据已给的设计洪水位及校核洪水位，考虑风浪及安全加高等，确定坝顶及
防浪墙顶高程。
计算如表5-2所示：
表5-2防浪墙顶咼程计算表
计算项目
单位
设计洪水
校核洪水
静水位
m
水深H
m
计算风速Vo
m/s
27
吹程D
km
计算波高h
m
计算平均波L
f
m
波浪中心线咼于静水位hz
m
gD~2"
0
hmh
hi%
m
安全加高hc
m
△h
m
防浪墙顶咼程
m
由表5-2可以确定防浪墙顶高程为m,取坝顶以上防浪墙高度为m，那么坝顶高程为m，相应坝高为m，属于中坝。
坝顶宽度
坝顶需要行走门式起重机，门机轨距m,且考虑到交通要求、防浪墙及下游侧栏杆的布置。
因此，取坝顶宽度B为10m。
拟定坝体实用剖面
为方便布置进口控制设备并利用水重帮助坝体稳定，上游面宜采用部分折坡坝面，上游坡度n=，折坡点定高度m;下游坡度m=,上游最高水位为m。
又坝体基本三角形顶点在校核洪水位附近。
那么拟定坝底宽度：
T0.23051.900.742.33m
确定荷载组合
结合本设计实际情况，经分析研究，参照规范规定，写出各工况荷载组合
表如表5-3:
表5-3荷载组合表
荷载组合
主要考虑情况
何载作用力
附注
自重
静水压力
扬压力
淤沙压力
浪压力
冰压力
地
震
荷载
动水压力
其
他荷载
基本组合
（1）正常蓄水位情况
V
V
V
V
V
X
X
X
V
（2）设计洪水位情况
V
V
V
V
V
X
X
X
V
特殊组合
（1）校核洪水情况
V
V
V
V
V
X
X
X
V
（2）地震情况
V
V
V
V
V
X
V
X
V
说明：
1•地震情况结合正常蓄水位设计；
2.“V”表示考虑了对应的荷载，“X”表示没有考虑对应的荷载。
荷载计算
-H
£
2
X
\&
如图5-2所示，取单宽坝段计算。
荷载及力臂正方向如图5-2所示
1U1
1U2
1U4'
/
图5-2荷载计算简图
各工况按式
5-10至5-27分别计算各项荷载,
并计算各何载对计算截面形心
的力矩。
自重：
G1
2nH'c
（5-10）
G2BHc
（5-11）
G3
-mH''2c
2
（5-12）
水重：
w
nH'（nHH'）w
（5-13）
W2
丄nH'2w
2
（5-14）
W3
-mH22w
2
（5-15）
上游水压力：
P
1H2
H1w
2
（5-16）
下游水压力：
P2
1H2
2w
2
（5-17）
扬压力：
U1
H2Tw
（5-18）
U2
（H1-H2）wt
（5-19）
U3
1
（H1-H2）
2
w（T
t）
（5-20）
U4
1
1（1-）（H1-H
2
2）wt
（5-21）
水平泥沙压力：
PSH
1
-sbhs'tan2（45°）
22
（5-22）
竖直泥沙压力：
Fsv
丄h2sbnhs
2
（5-23）
（5-24）
浪压力（深水波）：
R-wLm（0%hz）
4
校核工况荷载计算及组合见表5-5。
表5-5校核工况荷载计算组合表
组合情况
校核洪水位
坝段
最大剖面
截面
坝基面
骨口.序号
荷载名称
计算式
荷载（每米长）
力臂
（m）
力矩（kN•m）
水平
（kN）
垂直
（kN）
+
-
1
自重G
5-10
37076
2
自重G
5-11
127615
3
自重G
5-12
-42923
4
水重W
5-13
23415
5
水重W
5-14
16921
6
水重W
5-15
-14476
7
上游水压力R
5-16
-228570
8
下游水压力F2
5-17
6089
9
扬压力U
5-18
10
扬压力U2
5-19
-10395
11
扬压力U3
5-20
-4353
12
扬压力U
5-21
-16536
13
水平泥沙FSh
5-22
-6616
14
垂直泥沙FSv
5-23
6751
15
浪压力P
5-24
-1294
16
其他
总计
-107296
结合理正软件的重力坝设计功能，对手算结果进行校核。
输入基本参数，并设置各分项系数为1,可得各项荷载的标准值。
对电算结果整理得表5-6:
表5-6荷载电算成果表
荷载组合1：
持久状况-基本组合-正常蓄水位
作用力名称
水平力（kN）
竖向力（kN）
弯矩（kN•m）
坝体自重
0
-26600
121800
静水压力（上游）
11350
-1948
-145700
静水压力（下游）
-4469
扬压力（浮托力）
0
3945
0
扬压力（渗透力）
0
3234
-33170
淤沙压力
浪压力
0
-2428
总计
11930
-22020
-63860
荷载组合2:
持久状况-基本组合-防洪
作用力名称
水平力（kN）
竖向力（kN）
弯矩（kN•m）
坝体自重
0
-26600
121800
静水压力（上游）
12410
-2078
-169500
静水压力（下游）
-1118
-8181
扬压力（浮托力）
0
6270
0
扬压力（渗透力）
0
2949
-30250
淤沙压力
-341
浪压力
0
-2546
总计
12310
-20580
-88540
荷载组合3:
偶然状况-偶然组合-校核洪水位
作用力名称
水平力（kN）
竖向力（kN）
弯矩（kN•m）
坝体自重
0
-26600
121800
静水压力（上游）
13210
-2172
-188200
静水压力（下游）
-1178
-8386
扬压力（浮托力）
0
6436
0
扬压力（渗透力）
0
3050
-31280
淤沙压力
-341
浪压力
0
-1412
总计
13030
-20450
-107400
荷载组合41:
偶然状况-偶然组合-地震
作用力名称
水平力（kN）
竖向力（kN）
弯矩（kN•m）
坝体自重
0
-2660
121800
静水压力（上游）
11350
-1948
-145700
静水压力（下游）
-4469
扬压力（浮托力）
0
3945
0
扬压力（渗透力）
0
3234
-33170
淤沙压力
-341
浪压力
0
-1233
地震惯性力
1862
0
-47490
地震动水压力（上游）
0
-14580
总计
14430
-22020
-124700
稍有差别分析的原因是：
浪压力计不过浪压力本身就不大，其差值更
经分析，荷载手算与电算结果基本一致算有所差别，其原因可能是计算方法不一样小，可认为手算结果是可靠。
综上所述，荷载计算基本可靠。
坝体抗滑稳定分析
对几种荷载组合情况分别进行稳定分析。
按照规范规定的抗剪断强度计算公
f'Wc'A
式K—，各情况下安全系数计算见表5-7。
式中：
f'为坝体混凝
P
土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数取；c'为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断
凝聚力取430kPa；W为作用于坝体全部荷载对滑动平面的法向分值；P为
作用于坝体全部荷载对滑动平面的切向分值。
表5-7各工况抗滑稳定分析成果表
工况
计算式
手算K
电算K
要求K
结论
正常畜水
3
抗滑稳定满足要求
设计洪水
f'Wc'A
3
抗滑稳定满足要求
校核洪水
K
P
抗滑稳定满足要求
地震情况
抗滑稳定满足要求
由表5-7可知，该坝体在各个工况下抗滑稳定均满足规范要求。
且电算结果
与手算结果基本一致。
因此，就稳定性而言，设计断面是合理的。
坝体应力分析
说明
采用材料力学法进行计算，并且仅对坝基面进行应力分析，考虑扬压力坝体边缘应力分析
（5-27）
ydT
T2
u（Pu
Pju
yu）n
d（yd
Pud
Pd）m
xu（Pu
Puu）
un
xd（Pd
Pud）
dm
1u（1
n2）
yu（Pu
1d（1
m2）
yd（Pd
2uPu
Puu
2d巳1
Pld
（5-28）
（5-29）
（5-31）
（5-30）
Pud）m2
Puu）n2
不考虑地震荷载时，另地震动水压强部分等于0即可
各工况计算结果见表5-8:
1u、1d、2u、2d?
yu
Pd
荷载组合
项目
上游坝踵处
下游坝址处
yu
u
xu
1u
2u
yd
d
xd
1d
2d
正常
计
算
307
103
0
表5-8单位：
kPa
各工况坝体边缘应力分析手算成果表
设计校核地震
值
782
0
125
0
110
662
0
由电算得出结果，如表5-9。
应力单位均为MPa
表5-9坝体边缘应力电算成果表
正常
正应力x
正应力y
剪应力
主应力1
主应力2
（坝踵）
（坝址）
设计
正应力x
正应力y
剪应力
主应力1
主应力2
（坝踵）
（坝址）
校核
正应力x
正应力y
剪应力
主应力1
主应力2
（坝踵）
（坝址）
地震
正应力x
正应力y
剪应力
主应力1
主应力2
（坝踵）
（坝址）
坝踵坝趾处属V区混凝土，采用强度标号为C15。
其轴心抗压强度fc7.2MPa。
安全系数K正常水位和设计水位下取4、校核情况取。
相应的容许压应力分别为1.8MPa和2.06MPa。
经分析，运用期坝踵铅直应力yu不出现拉应力，坝趾最大铅直应力校核时
为MPa、设计时为MPa，均不超过其容许应力。
因此，非地震工况下坝体边缘应力满足规范要求。
地震情况下，坝踵也无拉应力，坝趾处压应力为MPa，没
的超过容许应力，坝址处没有出现了主拉应力，故可认为是安全的。
坝体边缘应力手算与成果电算无太大出入，应力分析结果可靠。
坝体内部应力分析
况对y
坐标正方向及计算点位置如图5-3所
示:
分别进行计算
0
X
X
3
4
）用上、下游边缘处
yu
yd的边界条件定系数a、b，列出方程式如下:
垂直正应力y分布
图5-3坝体应力计算简图
842.40-16.975X
3）列表计算各计算点的值如表5-10:
表5-10y计算表
计算点编号
0
1
r2
3
4
5
坐标x=（m）
0
2
Sy（kN/m）
代入数值得:
589.68-11.822x
2
0.053x
4）画出分布图如图5-4:
图5-4y分布图
3）列表5-11计算各计算点的值
表5-11计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x=（m）
0
t（kN/m2）
分布图
图5-5
4）画出分布图如图5-5:
2）用上、下游边缘处
xu
xd的边界条件定系数32、b2，列出方程式;
水平正应力x分布
412.78-7.492x
3）列表5-12计算各计算点的值
表5-12x计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x=（m）
0
Sx（kN/m2）
4）画出截面x分布图如图5-6:
54
3
2
10
图5-6x分布图
主应力计算与分布
x代入公式计算!
、2，将计算成果列表5-13如下;
将各点的
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x=（m）
0
Sy（kN/m2）
t（kN/m2）
Sx（kN/m2）
S1（kN/m2）
S2（kN/m2）
y
表5-13应力分析成果表
3）计算主应力方向
122
从铅直线到主应力1的夹角—arctg（），即tg2。
顺
2yxyx
时针为下。
将值列表5-14计算如下：
表5-14值计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x=（m）
0
2t（kN/m2）
Sy-Sx
2
（kN/m）
2f
f
400（kN/m2）
4）绘制各点主应力图，以矢量表示其大小和方向，如图5-7:
图5-7坝基主应力图
max所在平面与主应力面成45°，计算结果见表5-15:
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x=（m）
0
max
2
表5-15主剪应力计算成果表
计算主剪应力：
2
tma（kN/m）
校核工况电算、手算比较：
计算结果见表5-16:
表5-16校核工况电算、手算计算成果表
计算方法
X坐标
正应力x
正应力y
剪应力
主应力1
主应力2
手算
0
0
电算
0:
:
0:
手算
电算
手算
电算
手算
电算
小结
校核工况下，坝体上游面的铅直应力没有出现拉应力；坝体最大主应力为
MPa小于容许应力MPa。
因此，坝体内部应力满足要求。
综上所述，总体设计基本合理。
坝体混凝土分区设计
结合坝体应力分析成果及上下游水位特性，可将非溢流坝段宜分成五区，即I、U、M、W、V区。
各分区混凝土强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂和低热性等级要求确定如表5-17;各分区范围如图5-8所示：
表5-17坝体混凝土分区性能表
分区
强度
抗渗
抗冻
抗冲刷
抗侵蚀
低热
分区宽度（m）
I
C10
W2
F50
-
-
+
2
n
C10
升级会员 