大工16春《水工建筑物课程设计》答案概要资料.docx
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大工16春《水工建筑物课程设计》答案概要资料
网络教育学院
《水工建筑物课程设计》
题目：
福州永泰水库混凝土重力坝设计
学习中心：
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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
按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。
答：
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
按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。
答：
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
按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。
答：
本设计荷载仅分析基本组合
（2）及特殊组合
（1）两种情况。
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=
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