大工17《水工建筑物课程设计》大作业及答案.docx
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大工17《水工建筑物课程设计》大作业及答案
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《水工建筑物课程设计》
题目：
混凝土重力坝设计
学习中心：
专业：
年级：
学号：
学生：
指导教师：
1、项目基本资料
1.1气候特征
根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：
设计洪水位2.6km，校核洪水位3.0km。
最大冻土深度为1.25m。
河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。
1.2工程地质与水文地质
1.2.1坝址地形地质条件
（1）左岸：
覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。
（2）河床：
岩面较平整。
冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。
坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。
（3）右岸：
覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。
1.2.2天然建筑材料
粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2~3km均可开采，储量足，质量好。
粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。
砂石料满足砼重力坝要求。
1.2.3水库水位及规模
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（m）
上游水位（m）
下游水位（m）
上游坡率
下游坡率
设计情况
31
84.9
82.50
45.50
0
1∶0.8
校核情况
31
84.9
84.72
46.45
0
1∶0.8
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设计及计算内容
2.1坝高计算
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。
（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+
γω△H，坝址处为γωH2，其间均以直线连接，扬压力折减系数
=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。
重力坝基本荷载组合计算表
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
W1
4.8*53.9*24
6209
21.56-2.4=19.16
118964
W2
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
P2
1/2*14.52*10
1051
1/3*14.5=4.83
5076
Q
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
0
0
0
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
Ps1
1/2*7.7*20.02*tan236
813
1/3*20=6.67
5423
Ps2
1/2*7.7*72*tan236
100
1/3*7=2.33
233
Ps3
1/2*7.7*0.8*72
151
21.56-0.8*7/3=19.69
2973
浪压力
Pw
1/4*10*14.45*（14.45/2+1.1+2.25）
-1/8*10*14.452
382
261
51.5-14.45/2+（14.45/2
+1.1+2.25）/3=47.80
51.5-2/3*14.45=41.87
10928
18260
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。
（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+
γω△H，坝址处为γωH2，其间均以直线连接，扬压力折减系数
=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=51.00-31.00=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）×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）=0.42m。
防浪墙顶高程为：
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。
上述荷载计算见计算表。
重力坝特殊荷载组合计算表
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
W1
4.8*53.9*24
6209
21.56-2.4=19.16
118964
W2
1/2*47.9*38.32*24
22026
2/3*38.32-21.56=3.99
87884
水压力
P1
1/2*53.722*10
14429
1/3*53.72=17.91
258423
P2
1/2*15.452*10
1194
1/3*15.45=5.15
6149
Q
1/2*0.8*15.452*10
955
21.56-1/3*0.8*15.45=17.44
16655
扬压力
u1
15.45*43.12*10
6662
0
0
0
u2
1/2*36.62*0.25*38.27*10
1752
2/3*36.62-21.56=2.85
4993
u3
0.25*38.27*6.5*10
622
21.56-1/2*6.5=18.31
11389
u4
1/2（1-0.25）*38.27*6.5*10
933
21.56-1/3*6.5=19.39
18091
泥沙压力
Ps1
1/2*7.7*20.02*tan236
813
1/3*20=6.67
5423
Ps2
1/2*7.7*72*tan236
100
1/3*7=2.33
233
Ps3
1/2*7.7*0.8*72
151
21.56-0.8*7/3=19.69
2973
浪压力
Pw
1/4*10*9.45*（9.45/2+0.42+1.12）
-1/8*10*9.452
148
112
53.72-9.45/2+（9.45/2
+0.42+1.12）/3=51.08
53.72-2/3*9.45=47.42
5311
7560
合计
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
垂直力（kN）
水平力（kN）
对坝底截面形心力臂（m）
力矩（kN.m）
↑
↓
→
←
↙+
↘-
自重
W1
6209
19.16
118964
W2
22026
3.99
87884
水压力
P1
13261
17.17
227691
P2
1051
4.83
5076
Q
841
17.69
14877
扬压力
u1
6252
0
0
0
u2
1694
2.85
4828
u3
601
18.31
11004
u4
902
19.39
17490
泥沙压力
Ps1
813
6.67
5423
Ps2
100
2.33
233
Ps3
151
19.69
2973
浪压力
Pw
382
261
47.80
41.87
10928
18260
合计
9449
29227
14456
1412
223085
302546
19778↓
13044→
79461↘
表三：
坝体特殊荷载组合作用计算成果表
荷载
垂直力（kN）
水平力（kN）
对坝底截面形心力臂（m）
力矩（kN.m）
↑
↓
→
←
↙+
↘-
自重
W1
6209
19.16
118964
W2
22026
3.99
87884
水压力
P1
14429
17.91
258423
P2
1194
5.15
6149
Q
955
17.44
16655
扬压力
u1
6662
0
0
0
u2
1752
2.85
4993
u3
622
18.31
11389
u4
933
19.39
18091
泥沙压力
Ps1
813
6.67
5423
Ps2
100
2.33
233
Ps3
151
19.69
2973
浪压力
Pw
148
112
51.08
47.42
5311
7560
合计
9969
29341
15390
1406
218541
325507
19372↓
13984→
106966↘
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：
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
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：
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
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*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：
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
（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）*0=0（KPa）。
τd=（δdy+Pdu-P′）m2=（715.09+14.5*10-14.5*10）*0.8=572.07（KPa），满足要求。
（3）当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：
δux=（P-Puu）-（P-Puu-δuy）m12=（51.5*10-51.5*10）-（51.5*10-51.5*10-202.27）*0
=0（KPa）。
δdx=（P′-Pdu）+（δdy+Pdu-P′）m22=（14.5*10-14.5*10）+（715.09+14.5*10
-14.5*10）*0.82=457.66（KPa），满足要求。
（4）当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：
δu1=（1+m12）δuy-（P-Puu）m12=（1+0）*202.27-（51.5*10-51.5*10）*0=202.27（KPa），满足要求。
δu2=P-Puu=51.5*10-51.5*10=0（KPa）。
δd1=（1+m22）δdy-（P′-Pdu）m22=（1+0.82）*715.09-（14.5*10-14.5*10）*0.82
=1172.75（KPa），满足要求。
δd2=P′-Pdu=14.5*10-14.5*10=0（KPa）。
（5）当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：
δuy=∑W/B+6∑M/B2=29227/43.12+6*（-46139）/43.122=528.92（KPa）＞0，满足要求。
δdy=∑W/B-6∑M/B2=29227/43.12-6*（-46139）/43.122=826.69（KPa）＜1430Kpa，满足抗压强度要求。
（6）当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：
τu=（Pu-δ
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