重力坝课程设计docx.docx

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1.课程设计目的

课程设计包括重力坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综

合训练的目的。

学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成重力坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。

培养综合运用已学的基础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，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。

培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。

提高查阅和应用参考文献和资料的能力。

2.课程设计题目描述和要求2.1设计任务、内容及作法

一、设计任务：

重力坝典型剖面设计

二、设计内容

根据提供的水文、水利计算成果，在分析研究所提供的资料的基础上，进行水工建筑物的设计工作，设计深度为初步设计。

主要设计内容为：

1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准

2、通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面尺寸；

3、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；

4、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。

要求成果：

1、设计计算说明书一份；

2、A3设计图纸两张。

三、设计作法

从分析基本资料做起，复习消化课堂内容，参照规范［1T各相应部分进行设计，对设计参数的选取、方案的拟定等要多加思考。

设计所需基本资料，除已给定之外，要自行研究确定。

2.2基本资料

一、设计标准：

某水库位于某河道的上游，库区所在位置属高山峡谷地区。

根据当地的经济发展要求需修建水库，该工程以发电、灌溉、防洪为主。

拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量960OkW。

工程等级、建筑物级别以及各项控制标准、指标按现行的国家规范规范［4］自行确定。

二、坝基地质条件

1、开挖标准：

本工程坝体在河床部分的基岩设计高程原定在827.2m。

2、力学指标：

坝体与坝基面接触面的抗剪断摩擦系数f/=1.04，粘结力系数CZ=900kPa°

3、基岩抗压强度：

1500kg/cm2

三、特征水位

经水库规划计算，坝址上、下游特征水位如下：

P=0.1%校核洪水位为909.92m,相应下游水位为861.15m;

P=1%设计洪水位为907.32m,相应下游水位为859.80m;正常挡水位为905.70m;相应下游水位为855.70m;淤沙高程为842.20m;

四、荷载及荷载组合

荷载应按实际情况进行分析，决定计算内容。

荷载组合根据实际情况参照规范［1~3］要求。

具体计算时每人选取1种有代表性或估计其为控制性的组合进行设计计算。

有关荷载资料如下，未经列出者由设计者自行拟定。

1、筑坝材料：

混凝土容重c=24kN∕m3。

2、坝基扬压力、坝基防渗处理：

根据水库地基情况，设置帷幕灌浆和排水

孔幕。

为简化计算起见，扬压力折减系数取0.3。

3、风速与吹程：

坝址洪水期多年平均最大风速18.1m∕s,洪水期50年重现期最大风速25m/s，坝前吹程1公里。

4、水库淤沙：

淤沙浮容重为8.0kN∕m3,淤沙内摩擦角」=120

5、坝址地震基本烈度：

根据“中国地震烈度区划图”坝址位于7度区，设防烈度按7度考虑。

&坝顶有一般交通要求。

3.课程设计报告内容

3.1工程等别及建筑物级别确定

水利部、原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，见表2-1-1

表3-1-1水利水电工程分等指标

工程等别

工程规模

水库总库容（108m

3）

防洪

治涝

灌溉

供水

发电

a

保护城镇及工矿企业的重要性

保护农田

（104亩）

治涝面积（104亩）

灌溉面积（104亩）

供水对象重要性

装机

容量

（104KW）

I

大

（1）型

≥10

特别重要

≥500

≥200

≥150

特别重要

≥120

π

大

（2）型

10〜1.0

重要

500〜

100

200〜

60

150〜

50

重要

120〜

30

In

中型

1.0〜

0.10

中等

100〜

30

60〜15

50〜5

中等

30〜5

IV

小

（1）型

0.10〜

0.01

一般

30〜5

15〜3

5〜0.5

一般

5〜1

V

小

（2）型

0.01〜

0.001

<5

<3

<0.5

<1

本设计中，水库总库容为1.33亿m3,由表3-1-1可知，工程等别为U级;

电站装机容量为9600kW由表3-1-1可知，工程等别为V级

故确定该工程等别为U级。

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

等别及在工程中的作用和重要性划分为五等和三等，见表3-1-2

表3-1-2永久性水工建筑物的级别

工程等别

永久性建筑物级别

临时性建筑物级别

主要建筑物

次要建筑物

I

1

3

3

U

2

3

4

In

3

4

5

IV

4

5

5

V

5

5

5

由于确定了水利工程等别为U级，查表3-2可知，主要建筑物级别确定为2

级，次要建筑物级别确定为3级。

本设计未设计临时性水工建筑物

3.2初步拟定坝体断面

3.2.1基本剖面尺寸的确定

假定基本剖面为三角形，上游水位与坝顶齐平，扬压力、静水压力均为三角形分布，确定满足强度和稳定条件下的最小坝底宽度T0

一、按满足强度条件确定坝底的最小宽度T

当库满时：

7W=WlW2-U=THC∙w'「V

下游边缘铅直正应力

2

当库空时，令式⑴、式⑵中w=0，得:

上游边缘铅直正应力；「yuCH1-i

下游边缘铅直正应力二yd=CHl

强度控制条件是坝基面不允许出现拉应力。

当库空时，由式（3）可以看出:

只要［在O〜1之间，即上游坡度取正坡，坝基面不出现拉应力。

当库满时要使上游不出现拉应力，可令式⑵中二yu=O，求得坝底宽度为：

H

T,由该式可知，当H为一定值时，一：

值越小，则底

.c1一：

：

2一、

宽也越小。

考虑库空时，下游坝面不出现拉应力，可取1=0，求得上游坝面为铅

本设计中取坝顶水位为校核洪水位,

1.04（56772-6961.67）980571

33790.55

=3.19-2.5,满足要

H=909.92-827.2=82.72m83m

二、按满足稳定条件确定坝底的最小宽度T

将求得的7P、、W、U及由强度要求得出的T代入

K=f^W-PUCA,若满足要求'则由强度条件确定的最小坝底宽T就是

坝底的最小宽度。

若不满足要求则将坝底宽T增大，直到满足抗滑稳定要求为

止。

fW-Uc'a

求。

综上：

H=83m,T=57m

3.2.2坝顶高程、坝顶宽度的确定

一、坝顶高程

坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与

正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式3-2-1计算，应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。

h十％hzhe（3-2-1）

式中：

△h—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（mhi%^波高（m；

hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m；

he—安全超高，按表8.1.1采用。

计算hi%和hz时选用官厅水库公式，公式如下

5-

h=°∙°166Vo4D

0.8

L=10∙4（hι）

2

Jrhl岷2nHhzCth

hzLL

式中：

V0为计算风速，m/s,是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为

正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；D为风作用于水域的长度，km，称为吹程或风区长度；H为坝前水深，m。

表3-2-2-1安全超高he

相应水位

坝的安全级别

1

2

3

正常畜水位

0.7

0.5

0.4

校核洪水位

0.5

0.4

0.3

1、设计洪水位时

H=907.32-827.2=80.12m

hι".°166V04D3p.0166255413793m

ZX0∙80.8

hz

2「H二

2

-O^eth

9.81

2二80.12

m=0.28m

9.81

L=10∙4（h∣）M0.40.93"81m

h1%T24h5%T24h∣T240∙93=1∙15m由表3-2-1得he=0∙5m

所以h=1.15+0.28+0.5=1.93m

Z=907.32+1.93=909.25m

2、校核洪水位时

H=909.92-827.2=82.72m

h"°166Vo4D3P.016618.1413=0.62m

0.80.8

hz

」cth纣二

LL

2

0.62

Cthm=0.12m

9.81

2二82.72

9.81

L"0∙4（hι）=10.40.62"09m

hi%T∙24h5%T∙24hιT∙240.62=0.77m

由表3-2-1得he=0.4m

所以：

h=0.77+0.12+0.4=1.29m

Z=909.92+1.29=911.21m

综上，防浪墙顶高程Z=911.21m,防浪墙高取1.2m,则坝顶高程

Z=911.21-1.2=910.01m

当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶应高出设计洪水位0.5m且不低于校核洪水位，z=910.01m满足要求。

所以坝顶高程为910.01m

二、坝顶宽度

坝顶宽度一般取坝高的8%~10%,且不小于3m,又坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0m,所以坝顶宽度定为8m。

3.2.3拟定坝体基本断面

上游坝面坡度应与溢流坝段、放水孔坝段相协调，为照顾泄、放水需要，上游面宜采用直立或部分折坡坝面；坝体基本三角形顶点，可放在校核洪水位，或略予提高。

1、上游面铅直，适用于混泥土与基岩接触面间的f、C值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道、有进口控制设备的情况；

2、上游坝面上部铅直，下部倾斜，既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，是实际工程中经常采用的一种形式；

3、上游坝面略向上游倾斜，适用于混泥土与基岩接触面间的f、C值较低的情况。

本设计中f、C值较低，故采用上游坝面略向上游倾斜，坡率取为1:

0.1。

基

本剖面如图一：

9寸-二

65丘8

图一

3.3荷载计算及抗滑稳定分析（手算）

一、确定荷载组合

表3-3-1荷载组合表

荷载组合

主要考虑情况

何载作用力

自

重

水

压

力

扬

压

力

淤沙压力

浪

压

力

冰

压

力

地

震

力

动水压力

其

/、

他

基本组合

（1）正常畜水位情况

√

√

√

√

√

√

（2）设计洪水位

√

√

√

√

√

√

√

特殊组合

（1）校核洪水位

√

√

√

√

√

√

√

（2）地震情况

√

√

√

√

√

√

√

、荷载计算

自重、扬压力、泥沙压力计算简图

1、基本组合（设计洪水位）

H1=907.32-827.2=80.12m,H2=859.80-827.2=32.6m

表3-3-2荷载及力矩计算表

序号

何载名

称

计算式

何载（每m坝长）

力臂

（m）

力矩（kN-m）

水平（kN）

垂直（kN）

+

-

1

自重

WTAI

8228.00

27.12

223143.4

W^CA2

15899.52

20.36

323714.2

W^CA3

41953.80

0.03

1258.61

2

水压力

P^IIH2

31486.25

26.71

840892.7

WI=YWAI

3148.62

29.97

94364.3

P^^VWH2

-5212.84

10.87

56646.2

W2=筈IA

3579.66

25.18

90135.7

3

扬压力

UI=YWA

-2987.77

29.39

87810.6

U2=lA2

-2515.66

30.47

76652.1

U3=YwA3

-18789.20

3.26

61282.1

U^eA4

-4110.23

6.55

26922.0

4

淤沙压

力

PSV=YSbA

110.36

31.14

3436.6

PSH=Ysbhttanj

590.18

5.00

2950.9

5

浪压力

R=SLmX

6%-IhZ）

34.40

78.97

27624.5

ΣH=

26897.99

送V=

44517.10

∑M=-389143.2

2、特殊组合（校核洪水位）

H1=909.92-827.2=82.72m,H2=861.15-827.2=33.95m

表3-3-3荷载及力矩计算表

序号

何载名

称

计算式

何载（每m坝长）

力臂

（m）

力矩（kN-m）

水平（kN）

垂直（kN）

+

-

1

自重

WImCA

8228.00

27.12

223143.4

W^^^A2

15899.52

20.36

323714.2

W^^^A3

41953.80

0.03

1258.6

2

水压力

PImYH2

33562.95

27.57

925442.3

W11=〔A11

3356.29

29.88

100286.1

P^^YWH2

-5656.85

11.32

64035.5

W2=瓷A2

3884.56

24.98

97036.2

3

扬压力

UI=YWA

-3098.21

29.39

92056.5

U2=*wA2

-2604.04

30.47

79344.9

U闫WA

-19582.42

3.26

63838.7

UZwA4

-4217.48

6.55

27624.5

4

淤沙压

力

PSV=YSbA

110.36

31.14

3436.6

1斗2

PSH=2∕sbhs×

2「0电）tan.45盲|

590.18

5.00

2950.9

5

浪压力

YwLj

Pl=^-4-κ

6%4hz）

15.48

81.84

1266.9

ΣH=

28511.76

ΣV=

43930.38

∑M=-446009.1

3、地震力计算

水平向地震惯性力

Fh—hG：

/g=0.19.810.2566081.31.4/9.81=2312.8kN

上游地震动水压力

22

Fu=0.65α^PWHu=0∙65汉0・仆9.81汉0.25x1汉785=982.3kN

下游动水压力

22

Fd=0∙65c（h©PwHd=0.65汉0.1汉9∙81X0.25汉1汉285=129∙5kN

地震力方向都沿水平方向指向下游。

三、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式K=f—WCA计算。

式中：

f'为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c'为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；XW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3-3-4抗滑稳定计算及成果分析表（f=1.04,c=980kPa,A=65.28m）

何载组合、计

算方法

∑W

ΣP

计算式

计算K

要求K

结论

基本组合（设

计洪水位）

44517.1

0

26897.

99

fTW+cAK-

ΣP

4.1

3.0

满足抗滑

稳定要求

特殊组合（校

核洪水位）

43930.3

8

28511.7

6

f无W+cAK-

ΣP

3.9

2.5

满足抗滑

稳定要求

3.4校核洪水位下坝体应力分析（手算）对坝基截面，上、下游边缘应力及内部应力用材料力学法计算。

重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：

运用期：

1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；

2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203）的要求；

施工期：

坝趾垂直应力可允许有小于0.1MPa的拉应力。

一、计算边缘应力，判定坝基、坝体强度是否满足要求

1、依次计算二yu、二yd、U、-d、二XU、二Xd及主应力二Iu、二Id、二2u、二2d；

=4≡28∙6α4600914）=44.99kPa

'、W6'M

=4≡28一6（一446009M=1300.92kPa

65.28

2

65.28

P-P

UUUSb

hsbtan45

0

012

tan45

二78.69kPa

65∙2865.28

Pd一PUd=OkPa

n=0.1,m=0.7

UJP-P-yun=78.69-44.990.1=3.37kPa

UUUUyU

.d=爲ydPUd-pcjm=1300.920.7=910.64kPa

σXU=（PU一PUU）-Eun=78.69一3.37沃0.1=78.35kPa

σXd=（Pd—Pud*Idm=°+91°.64x°.7=637.45kPa

「u=1十n*yu—（PU—PUUhj+0.fk44.99—78.69汇°.1=44∙65kpa

「id=1m「yd一pd一PUdmhIO.713°°.9^^1938.37kpa

二2u=Pu_Puu=78∙69kPa

二2d=Pd一PUd=OkPa

2、判断坝基截面上、下游边缘处是否满足强度要求。

基岩容许应力-15009.8110=14715OkPa

；一yu=44.99kPaOkPa

y1］坝基截面上、下游边缘处满足强度要求。

匚yd=1300.92kPa：

：

••

二、计算坝基截面处坝体内部应力

1、选取坝基水平截面处6个计算点，对二y、•、二X、二1、二2分别进行计算;

2、选坐标，作计算简图表明计算点如下：

坝体应力计算简图

3、计算水平截面（I—I截面）上垂直正应力Oy

列F分布表达式：

1=abx

X=O时，yf1=1300∙92kPa

边界条件J代入表达式解得a=1300.92,b=-19∙24

X=65.28时,，yu=44.99kPa

所以匚y=1300.92-19.24X

列表计算各计算点的

表3-4-1Uy计算表

计算点编号

0

1

2

3

4

5

坐标X=（m）

0

13.06

26.11

39.17

52.22

65.28

2

Cry（kN/m）

1300.92

1049.65

798.56

547.29

296.21

44.99

I—I截面∙τy分布图如下

a1=910.64

1

4、计算水平截面（I—I截面）上剪应力•

列.分布表达式：

.=a1b1xc1x2

2.

a165.28b165.28d=3∙3……2

26P

查规范得6a13b1B2C1B二—将B=65.28,P=28511.76代入表达式得

B

+<+<26氏28511.76

6a13b165.282C165.28花3

由

（1）

（2）（3）解得&=910.64,b1=T5.86,c1=0.03

2

所以E=910.64—15.86x+0Q3χ

列表计算各计算点的.值

表3-3-2JE计算表

计算点编号

0

1

2

3

4

5

坐标X=（m）

0

13.06

26.11

39.17

52.22

65.28

τ（kN∕m2）

910.64

708.63

516.99

335.43

164.24

3.37

画出I—I截面.分布图

5、计算水平截面（I—I截面）上水平正应力二X

列匚X分布表达式：

-XUb2X

x=0时,如=637.45kPa

边界条件UXd代入表达式解得a=637.45,b=-8.56

X=65.28时，，Xu=78.35kPaClU

所以二y=637.45-8.56X

列表计算各计算点的二X值

表3-3-3UX计算表

计算点编号

0

1

2

3

4

5

坐标X=（m）

0

13.06

26.11

39.17

52.22

65.28

2

σx（kN/m）

637.45

525.66

413.95

302.15

190.45

78.35

画出I—I截面二X分布图

6计算各点主应力G、匚2

Cy

=IarCtg

即tg2=

将各点的匚y、•、匚X代入公式计算；一、二2,将计算成果列表如下;

表3-3-4主应力二I、二2计算表

计算点编号

0

1

2

3

4

5

坐标X=（m）

0

13.06

26.11

39.17

52.22

65.28

2

UX（kN∕m）

637.45

525.66

413.95

302.15

190.45

78.35

Gy（kN∕m2）

1300.92

1049.65

798.56

547.29

296.21

44.99

2

JC（kN/m）

910.64

708.63

516.99

33