大工18秋《水工建筑物课程设计》.docx

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大工18秋《水工建筑物课程设计》

网络教育学院

《水工建筑物课程设计》

题目：

枫树坝混凝土重力坝设计

学习中心：

专业：

水利水电工程

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

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。

为了妥善解决工程安全和经济的矛盾，使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性统一起来，需对该工程及其组成的建筑物进行分等分级。

1.按照本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水利部制定的SL252—2000设计标准，总库容14.93*108m3，确认本工程等级为一等，工程规模为大（L）型（查教材《水工建筑物》P14表1—1），主要建筑物按一类设计，次要建筑物按三级设计，临时建筑物按四级设计（查教材《水工建筑物》P16表1—3）。

2.按照建筑物级别确认各项设计系数。

按照教材《水工建筑物》表1，本设计的系数见下表：

建筑物名称

级别

安全级别

结构重要性系数

设计状态系数Φ

材料性能系数vm

结构系数vα

持久状况

偶然

状况

摩擦系数fR

粘接力CQ

临界稳定状态

砼抗压极限状态

枫树坝挡水坝

1

Ι

1.1

1.0

0.5

1.3

3.0

1.2

1.8

备注

不考虑

短暂

状况

砼/基岩

接触面

基本偶数、组合

系数相同

注：

材料性能分项系数rm=fR/fQ，设计值fR=fk/fm。

由基本资料已知，坝基建于弱风化岩层，故fk=0.85，CR=0.60Ra，坝基面抗剪断摩擦系数设计值fQ/=fk/fm=0.85/1.3=0.654，坝基面抗剪断摩擦系数设计值fQ/=0.6/3.0=0.2mPa，在最大挡水坝剖面的永久作用和可变作用分项系数。

作用类别

自重

静水压力

渗透压力

浮托力

淤沙压力

液压力

分项系数

1.0

1.0

1.2

1.0

1.2

1.2

注：

动水压力、冰压力、地震压力、木压力等作用不考虑。

3.挡水坝的剖面尺寸设计

按照重力坝剖面原理，要满足稳定和强度要求，又使得坝床工程量最小，外

形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面，具体设计如下：

（1）初拟基本剖面：

由于重力坝承受的主要荷载的作用在上游面，静水压力是三角形分布，所以重力坝承受的基本剖面也是三角形。

按照坝体按应力和稳定控制条件确认的基本剖面和参考已完建筑工程进行初步拟定基本剖面尺寸，现取三角形顶点为校核洪水位156.30m，上游面为铅直面，n=0（λ=0）,下游面坡比M取0.7，按照已知工程地质条件，风化下限河床部位高程左边75M，右边55M，去风华下限高程为70M，则高H=86.30M如图：

（2）确认实用剖面的坝顶高程及坝顶宽度：

基本剖面只考虑了坝体的承受作用主要荷载，没有考虑在运用方面的要求，因此需要对基本剖面进行优化设计。

1）坝顶宽度B：

考虑坝顶设备布置、检修运行、施工及交通等方面的要求，坝顶宽度无特殊要求时，常态砼坝顶最小宽度为3m，碾压砼坝顶最小宽度为5m，一般取坝高的1/8～1/10，本设计取8m。

2）坝顶高程或坝顶防渗墙顶高的确认：

按《水工建筑物》P12公式2—63式分别计算，公式为：

坝顶高程=设计洪水位（或正常蓄水位）+Δk设/正

坝顶高程=校核洪水位+Δk核

式中：

Δk设/正为计算的坝顶（或防渗墙顶）距设计洪水位（或正常蓄水位）Δk的高度。

Δk设为计算坝顶（或防渗墙顶），距校核洪水位的高差。

因在计算坝顶超出静水位Δh时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以再决定坝高程时，应按正常蓄水位情况和校核洪水位情况分别求出坝顶高程，然后选取最大值。

安全超高Δh=2h1（1%）=h2=hc

式中：

2h1（1%）----累积频率为一时的浪高度m。

h2----------------波浪中心线至静水位的高度m。

Hc----------------安全超高m。

按照《水工建筑物》P72表2-30，对安全级别为Ⅰ级的坝，安全超高正常蓄水位时hc为0.7m，校核洪水时hc为0.5m。

因本工程位于山区，故波浪计算采用官厅水库公式计算浪高2h1，波长221m，公式取自《水工建筑物》P29式2-6式2-7

g（2h1）/V2=0.0076V-1/12（8D2）1/3

g（2L1）/V2=0.33V-1/2.15（Gd/V2）1/3.75

式中：

2h1----当Gd/V2=20~250时，为累积频率为5%的浪高，当Gd/V2=250~1000时，为累积频率为10%的浪高，而设计规范规定应用累积频率为1%的浪高，对应于5%的浪高，应乘以1.24，对应10%的浪高应乘以1.14。

V----设计风速，设计情况采用30年一遇或采用相应多年平均最大风速的1.5~2.0倍；校核情况先采用多年最大风速，本设计多年平均最大风速为23.7m/S作为校核情况；设计情况取2倍的23.7m/s，即为47.4m/s。

D----吹程m，设计情况和校核情况为3000m。

（3）坝坡

按照工程经验考虑，利用水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为1/3~2/3坝高，该工程折坡点高程取死水位，即100.00m，上部为铅直，下部为1：

0.2。

下游坝破取1：

0.7，基本三角形顶点位于坝顶，防浪墙及折坡点已修筑成整体，且上游面为铅直面。

表2坝顶高程计算表

适用情况

坡前静水位

设计风速

吹程m

Gh/γ2

（Gd/V2）1/3

0.0076V-1/12

持久状况

153.20

47.4

3000

13.1

2.357

0.0055

偶然状况

156.30

23.7

3000

52.3

3.740

0.0058

g（2h1）/V2

2h1（5%）

（Gd/V2）1/3.75

0.33V-1/2.15

g（2L1）/V2

2L1

0.013

2.972

1.9858

0.055

0.1092

25.0397

0.0217

1.243

2.8725

0.7593

2.1811

125.01

设计坡高区值2h1（1%）

h2

hc

Δh

坝顶高程m

3.6853

1.108

0.7

5.493

158.693

1.54132

0.039

0.5

2.080

158.380

注：

（1）持久状态：

Gd/V2<20—250之间，取其为累计频率为5%时的波高，所以累计频率为1%时的波高为2h1（1%）/2h1（5%）×1.24。

（2）偶然状况：

Gd/V2<20—250之间，所以累计频率为1%时的波高为2h1（1%）/2h1（5%）×1.24=3.69

（3）因H=156.00-70=86.20>L1=62.505，

所以h2=4πh2=π（2hc）2/2L1

（4）坝底宽度的确认

按照以往工程经验，规定坝底宽约为坝高的0.7~0.9倍，因此157.5-70=87.5m，坝底宽在61.25~78.25m之间，因此取70m。

（5）坝顶高程（防浪墙顶高），持久状况与偶然状况两者最大值158.693m，最后本设计取防浪墙顶高程158.7m，防浪墙高1.2m，坝顶高程取157.5m。

（6）汇总

最后采用的实用剖面尺寸为：

坝基高程70m，坝顶高程157.5m，坝顶宽度8m，上游折坡1：

0.2，下游坡1：

0.7，坝底宽度70m，上游折坡点高程110m，下游折坡点高程147.5m（见混凝土重力坝剖面图）。

4.坝体防渗与排水

分析地基条件，采取防渗灌浆帷幕和排水幕，以利大坝防渗及坝体稳定，灌帷幕中心线距上游坝踵6m，排水孔中心线距防渗墙帷幕中心线1.5m，廊道断面为城门洞形，宽度为3m，高度为4m，廊道底部距坝基6m，其对渗透压力强度的折减系数α=0.25（实体重力坝河床段）。

1、坝顶上下游两侧均设防浪墙，墙高1.2m，宽0.5m，与坝体筑成整体，防

浪墙内侧各设1m宽人行道，两人行道之间为5m公路，设起重机轨道及坝体排水管（见坝顶构造图）。

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。

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。

坝底宽度计算

按照大坝特性表资料，坝底宽度T=（84.90-31.00）×0.8=43.12m。

坝体检查排水廊道、排水管幕设计

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。

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。

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。

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。

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。

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。

坝体材料分区

（1）下游水位变化区的坝体表层采用C15、W8、F200厚3.00m的混凝土。

（2）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。

（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）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。

（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。

荷载及组合，设计情况的荷载组合、动水压力、扬压力、自重泥沙压力、沿坝轴线取单位按坝长度/m计算。

1）动水压力：

溢流坝泄水时，作用在上游坝面上的水压力受到溢流的影响，水压力可按下近似计算

P=（1/2）γ1（H21-h2）

式中：

P——单位坝长的上游水平压力KN/M，作用在压力圆形的形心。

γ0——水中的重度，KH/M3。

H1——上游水深，M。

h——坝顶溢流水深，m。

2）：

溢流坝下游反弧段的动水压力，按照流体动量方程求得，单位坝长在反弧段上动水的总水平分力PX与总垂直分力PY的计算公式如下：

PX=γ.GV/G（COSɡ2-COSɡ1）

PY=γ.GV/G（Sinɡ2-Sinɡ1）

式中：

ɡ——鼻坎处单宽流量m3/S。

V——反弧段上的平均流速m/S。

ɡ1ɡ2——分别为反弧段圆心竖线左右的中心角。

3）.扬压力：

扬压力强度坝锺处为γh1，排水孔中心线上为γ（H2-аh），坝址处为H2，а取0.25。

4）泥沙压力：

分水平和垂直方向计算，泥沙浮重度为GKN/m3，泥沙淤积厚度87.6-70=17.6m，泥沙内摩擦角为12°。

5）自重：

将溢流坝分成上游折线三角形，上游直线都分至下游切点，C构成切点，D构成部分如下游反弧段构成部分进行计算，廊道影响不计入，利用计算和作图法求出坝体自重。

表3荷载计算表（基本组合）

荷载

计算式

重度

作用（每一部分）

水平

垂直

自重↓

W1=1/2*8*40*24

24

3840

自重↓

作图

24

34833

自重↓

作图

24

22446

自重↓

作图

24

23040

下游水平压力

P2=1/2*10*27.2（←）

10

3645

上游垂直压力↓

Q1=（32+72）*8*10*1/2（↓）

10

4160

浮托力↑

U1=27*83.6*10（↑）

10

22572

渗透压力↑

U2=1/2*76.1*62.7*0.25*10

10

5964.34

渗透压力↑

U3=1/2*（15.69+56.7）*7.5*10

10

2714.25

水平泥沙压力→

Pn=1/2*9*17.6*17.6*

tan2（45°-12/2°）

9

914.06

垂直泥沙压力↓

Qn=1/2*9*17.6*17.6

9

1393.92

上游动水压力→

P=1/2*10*（86.32-14.32）

10

36216

下游动水压力PN→

Pn=γ0qV/g（COSɡ2-COSɡ1）

10

575.62

下游动水历年力PY↑

PY=γ.GV/G（Sinɡ2-Sinɡ1）

10

698.22

小计

34060.68

57764.11（↓）

合计

表4作用设计值计算表

作用名称

作用

分项

系数

作用标准值

作用设计值

↓

↑

→

←

↓

↑

→

←

自重

1.0

84159

84159

下游水平压力

1.0

3645

3645

上游垂直水压力

1.0

4160

4160

浮托力

1.0

22572

22572

渗透压力

1.2

8687.6

10414.

水平泥沙压力

1.2

914

1096.8

垂直泥沙压力

1.2

1394

1672.8

上游动水压力

1.1

3621.6

39837.6

下游动水压力PX

1.1

575.6

633.2

下游动水压力PY

1.1

698.2

768

小计

89991.8

33754.3

41567.6

3645

合计

56237.5

37922.6

右边=1/1.2*0.65*237.5+200*8.3.6*1=47369.44

左边<右边

2.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算

按照所给基本资料进行挡水坝段建基面抗滑稳定计算，详细写明计算过程和最终结果。

属于承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能从设计值代入。

基本组合时r=1.1；φ=1.0；rck=1.2；fR/=0.654；CQ/=200Kpa，计算采用《水工建筑物》rφs（˙）≤Q（˙）/να1。

式中：

r1——结构重要性系数，见表2—11，取1.1

φ——设计状态系数，且表2—12，取1.0

S（˙）——作用效应函数

Q（˙）——结构及构件抗力系数

rch1——基本组合结构函数，见表2—15，取1.2

式的左边=1.1*1.0*32840.1=36124.1

式的右边=（1/1.2）*0.654*76990.8+200*70*1=55960

36124.1<55960

计算结果表明，重力坝在正常蓄水情况下，满足承载能力极限状态，F的抗滑稳定要求。

2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核

按照所给基本资料进行挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核，详细写明计算过程和最终结果。

1、坝址抗压程度极限状态，属于承载能力极限状态，核算时其作用和材料性能均以设计值代入，基本组合时，r=1.1，φ=1.0，rα=1.8，公式采用《水工建筑物》式2—4、式2—44、式2—45，计算如下：

式2—4—24rφs（˙）≤Q（˙）/να1

右边=（1/1.8）*0.654*7699.08+33.3*1=41973.3

左边=1.1*1.0*32840.1=36124.1

左边≤右边

计算结果表明，重力坝在正常的蓄水情况下满足承载能力极限状态下，抗滑稳定要求。

式2—44为：

S（˙）=（∑WQ/AR-∑MQJQ/JQ）（1-M22）

=[76990.8/70-（-800474.7）*6/702]*（1+0.72）

=3099.3

式为：

Q（˙）=fc或R（˙）=fQ=0.654

式中：

AQ——坝基面的面积㎡

LR——坝基面对形心轴的惯性距m4

fQ——基岩抗压强度Rpa

μ——坝体下游坡度

∑μQ——全部作用对坝基面形成的力矩之和RN—μ

∑WQ——坝基面上全部法向作用∑和（向下为正）RN

fc——砼抗压强度Kpa

2）坝基岩石的抗压强度fKQ=30mPa砼选用C10等级，fKC=9.830mPa，fc=fKC/rm=6.53mPa，由于fKQ>>fKC，所以坝址基岩抗压强度极限状态可免于校核。

计算结果表明，溢流坝在设计洪水状态下满足承载力极限状态下的抗滑稳定要求

3设计书及图纸

第二章坝体荷载作用和坝体稳定应力计算最终结果要以表格的形式给出，具体的格式见表二和表三。

表二

荷载

计算

荷载

垂直力（kN）

水平力（kN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

方向

↑

↓

→

←

↙+

↘-

自重

W1

6818

40.54

276416

W3

20530

25.21

517473

水压力

P1

13261

17.2

227651

P2

1051

4.8

5081

扬压力

PL

9557

131.1

238850

浪压力

u1

382

261

10928

18260

u2

148

112

5311

7560

u3

382

261

47.80

41.87

10928

18260

u4

148

112

51.08

47.42

5311

7560

合计

9557

27348

13268.8

1051

798970

466899

17791

12217.8

332071

注：

建议自重按三角形和矩形分块计算，扬压力折减系数

=0.25

表三

挡水坝段建基面处

设计（KP）

校核（KP）

抗滑稳定安全系数K′

3.44

3.18

正常工况下边缘应力

a.上游边缘垂直正应力

207.27

104.08

b.下游边缘垂直正应力

715.09