华北水利水工建筑物课程设计.docx
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华北水利水工建筑物课程设计
第一章基本资料
1、1工程概况
顺河水量丰沛,顺河中游与豫运河上游得礼河、还乡河分水岭均较单薄,并处于低山丘陵区,最窄处仅10余公里。
通过礼河、洲河及输水渠道,可通向唐山市;经还乡河、陡河可通秦皇岛市。
为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水,国家决定修建顺河水库。
顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处,坝址位于迁西县扬岔子村得顺河干流上,控制流域面积33700平方公里,总库容为25、5亿立方米。
水库距迁西县城35公里,有公路相通。
水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成,水库主要任务就是调节水量,供天津市与唐山地区工农业及城市人民生活用水,结合引水发电,并兼顾防洪要求,尽可能使其工程提前竣工获得收益,尽早建成。
根据水库得工程规模及其在国民经济中得作用,枢纽定为一等工程,主坝为I级建筑物,其它建筑物按II级建筑物考虑。
1、2水文分析
1、年径流:
顺河水量较充沛,顺河站多年平均年径流量为24、5亿立方米占全流域得53%,年内分配很不均匀,主要集中在汛期七、八月份。
丰水年时占全年50～60%,枯水年占30～40%,而且年际变化也很大。
2、洪水:
多发生在七月下旬至八月上旬,有峰高量大涨落迅速得特点,据调查近一百年来有六次大水,其中1883年最大,由红痕估算洪峰流量约为24400—27400m³/s,实测得45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m³/s。
3、泥沙:
本流域泥沙颗粒较粗,中值粒径0、0375毫米,全年泥沙大部分来自汛期七、八月份,主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大,由计算得,多年平均悬移质输沙量为1825万吨多年平均含沙量7、45公斤/立方米。
推移质缺乏观测资料。
可计入前者得10%,这样总入库沙量为2010万吨。
淤砂浮容重为0、9吨/立米,内摩擦角为12度。
淤砂高程157、5米。
1、3气象
库区年平均气温为10℃左右,一月份最低月平均产气温为零下6、8℃,绝对最低气温达零下21、7℃（1969年）7月份最高月平均气温25℃,绝对最高达39℃（1955年）,本流域无霜期较短（90—180天）冰冻期较长（120—200天）,顺河站附近河道一般12月封冻,次年3月上旬解冻,封冻期约70—100天,冰厚0、4—0、6米,岸边可达1米,流域内冬季盛行偏北风,风速可达七、八级,有时更大些,春秋两季风向变化较大夏季常为东南风,多年平均最大风速为18米/秒,水库吹程D=3公里。
1、4工程地质
库区地质:
顺河水库、库区属于中高山区,河谷大都为峡谷地形,只西城峪至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄,断续出现且不对称,区域内无严重得坍岸及渗漏问题。
第四大岩层（ArI4）为角闪斜长片麻岩。
具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构,主要矿物为斜长石、石英及角闪石,本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好,总厚度185米左右。
岩石物理力学性质:
岩石容重为2、68—2、70吨/立米,饱与抗压强度,弱风化与微分化岩石均在650公斤/厘米2以上,有得可达1100公斤/厘米2,混凝土与岩石得磨擦系数微分化及弱风化化下部,可取
=1、10,
=7、5kg/cm2。
地震:
库区附近历史地震活动较为频繁,近年来微繁。
弱震仍不断发生,其中1936年与1976年两次发生6度左右地震,1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定,水库得基本烈度为6度,考虑到枢纽得重要性,与水库激发地震得可能性拦河坝设防烈度采用7度。
1、5枢纽建筑物特性指标
项目
单位
指标
备注
水
位
校核洪水位
米
227、2
设计洪水位
米
225、7
p=0、01%
正常蓄水位
米
224、7
p=0、1%
汛期限制水位
米
216、0
死水位（发电）
米
180、0
校核洪水位尾水位
米
156、8
设计洪水尾水位
米
152、0
正常尾水位
米
138、4
库
容
总库容
亿立米
25、5
计入十年淤积
调洪库容
亿立米
7、4
兴利库容
亿立米
19、5
共用库容
亿立米
5、6
死库容
亿立米
4、2
计入十年淤积
坝型
混凝土重力坝
坝顶溢孔数
孔
19
堰顶高程
米
210、0
闸墩得中墩厚度为3米
每孔净宽
米
15、0
（横缝设在闸墩中间）
工作闸门尺寸
米×米
15×15
弧形钢闸门
启闭机（2×70吨）
台
19
固定式卷扬机
设计洪水下泄能力
米3/秒
32300
校核水位下泄量
42900
限泄275003
泄
水
孔
进口底高程
米
160、0
底孔数目
孔
4
工作闸门尺寸（宽×高）
米×米
5×7
弧形钢闸门
启闭机
台
4
设计水位泄水能力
米3/秒
4340
校核水位泄水能力
米3/秒
4430
电
站
引
水
管
道
水管道进口底高程
米
170、0
三条引水管
管线长度
米
121、0
管径
米
5、0
最大引水流量
米3/秒
104
每条引水道
工作闸门
扇－米×米
3－5×7
平板钢闸门
工作闸门启闭机
台
3
240×70吨液压
平板检修门
米×米
5×8、5
式共用一扇
检修门启闭机
台
1
400/25吨门机
电
站
主厂房尺寸（长×宽×高）
米×米×米
72×19、1×39、00
机组间距
米
16
水轮发电机组
台
3
装机容量
万瓦
3×6=18
水轮机型号
HL702-
LJ－330
额定出力
万瓦
6、18
发电机型号
TS-750/
190－36
额定出力
万瓦
6、0
主要压器型号
SSPL-80000
/220
输电线电压
千伏
220
共3台
第二章 坝体剖面拟定
2、1剖面拟定原则
1、设计断面要满足稳定与强度要求;
2、力求剖面较小;
3、外形轮廓简单;
4、工程量小,运用方便,便于施工。
重力坝得基本剖面就是指在自重、静水压力与扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定与强度要求,并使工程量最小得三角形剖面,如图2—1所示,在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c与扬压力U得条件下,根据抗滑稳定与强度要求,可以求得工程量最小得三角形剖面尺寸。
图2-1重力坝得基本剖面图示
2、2拟定实用剖面
2、2、1确定坝顶高程
（1）高差Δh得计算
根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）8、1、1,坝顶应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶得高程应高于波浪顶高程,其与正常蓄水位或校核洪水位得高差,可由下边公式（8、1、1）计算,应选择两者中防浪顶高程中高者作为选定高程。
式中:
--防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位得高差,m;
--波高,m;
--波浪中心线至正常或校核洪水位得高差,m;
--安全超高;
根据基本资料可知:
水库吹程D=3×103m,多年平均最大风速V0=18m/s。
该工程得结构安全级别为Ⅰ级,故查得设计洪水位情况hc＝0、7m;校核洪水位情况hc＝0、7m。
下面按官厅公式计算h1%,hz。
波高hl:
gD/V02=28∈（20～250）,为累计频率5%得波高h5%
规范规定应采用累计频率为1%时得波高,对应于5%波高,应乘以1、24;
首先计算波浪高度hl与波浪长度L与波浪中心线超出静水面得高度hz。
1）、设计洪水位时:
设计洪水位时Δh计算
风速采用50年一遇得风速2V0=2×18=36m/s,吹程D=3×103m。
波浪三要素计算如下:
波高hl=0、0166V05/4D1/3=2、11m
波长L=10、4（hl）0、8=19m
壅高（一般峡谷水库因
所以:
）;取hz=πhl2/L=0、736m
由规范《SL319-2005》中波浪爬高公式
计算得出h=h5%=2、11m
因gD/V02=28,h1%=1、24h5%=2、616m;hz=0、736m;hc=0、7m
Δh=h1%+hz+hc=4、05m
2）、校核洪水位时:
计算方法同上,V0取18m/s
Δh=h1%+hz+hc=1、10+0、26+0、5=1、85m
（2）坝顶高程计算
坝顶高程按下式计算,并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh设=225、7+4、05=229、75m
坝顶高程=校核洪水位+Δh校=227、2+1、85=229、05m
取设计洪水位时得情况229、75m
为保证坝体运行安全,需设置防浪墙,取1、2m,为▽229、75m。
2、2、2确定坝高
1、枢纽布置方案拟定
枢纽布置就是确定挡水坝段、溢流坝段、电站坝段、底孔坝段得相互位置,挡水坝段布置在河床两岸,河床中间为溢流坝段、电站坝段、底孔坝,而溢流坝段与电站坝段不宜建在一起,故枢纽布置方案有两种:
方案一电站坝段在右岸
优点:
1、进坝公路在左岸,便于交通运输;2、电站坝段在右岸主河槽位置,水轮机安装高程低,从而有利于发电。
缺点:
左岸设溢流坝,冲刷坑部位地质条件较差。
方案二电站坝段在左岸
优点:
1、电站布置在左岸,地势开阔,布置方便;2、溢流坝位于右岸河床段,使冲刷避开左岸地质条件较差得区域。
缺点:
增加开挖工程量,运输不方便
综上所述,方案一工程量小,运输方便,且左岸冲刷问题可经工程措施予以处理,保证大坝安全稳定,故选方案一
2、确定坝高
根据规范,坝高超过100m时,可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。
原则上应考虑技术加固处理后,在满足坝得强度与稳定得基础上,减少开挖。
基础中存在得局部工程地质缺陷,例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。
由方案一,河床得片麻岩地基上修建实体重力坝,通过立视图上确定得坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽126、0m。
因此,最大坝高为228、55-126=102、55m属于高坝。
2、2、3坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工与交通等需要确定并应满足抗震,特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求,根据规范得规定,坝顶宽度可采用坝高得8%～10%取值,且不小于2m并应满足交通与运行管理得需要。
按坝高得10%计算,即为10、4米,考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等,取坝顶宽为10m,以满足大坝维修作业通行需要。
2、2、4坝坡得确定
拟定坝体形状为基本三角形。
坝得下游面为均一斜面,斜面得延长线与上游坝面相交于最高库水位处,为了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,本次设计采用上游坝面上部铅直,下部倾斜得形式。
该形式为实际工程中经常采用得一种形式,具有比较丰富得工程经验。
根据已知条件,上游坝坡坡率n=0、2,做成上铅直下部倾向上游;下游坝坡坡率m=0、6～0、8,取m=0、8。
在上下游坡率及坝顶高程已知得条件下,上游起点高程为185、0m,下游起波点高程为228、55m
2、2、5基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道,兼作灌浆、排水与检查之用。
基础灌浆廊道得断面尺寸,应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定,为了保证完成其功能且可以自由通行,设计基础灌浆廊道断面取3、0×4、5m,形状采用城门洞型。
廊道得上游壁离上游侧面得距离应满足防渗要求,在坝踵附近距上游坝面0、05～0、1倍作用水头、且不小于4～5m处设置,本次设计取9m,为满足压力灌浆,基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1、5倍廊道宽度,取6m。
初步拟定坝体形状剖面如图所示。
图2-2非溢流坝段剖面尺寸图
第三章稳定分析
3、1荷载计算及其组合
重力坝得主要荷载主要有:
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等,常取1ｍ坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合属于设计情况或正常情况,由同时出现得基本荷载组成。
特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现得基本荷载与一种或几种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择几种最不利得、起控制作用得组合情况进行计算,使之满足规范中规定得要求。
本次设计考虑得基本荷载组合为正常蓄水位与设计洪水位;特殊组合为校核洪水位与地震情况,它们分别考虑得荷载如下表所示。
表3-1
荷载
组合
考虑情况
荷载
自重
（水重）
静水
压力
扬压
力
泥沙
压力
浪压
力
地震
荷载
动水
压力
泥沙压
力
基本
组合
校核洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
注:
1、应根据各种作用同时发生得实际可能性,选择计算中得最不利得组合;
2、分期施工得坝应按相应得荷载组合分期进行计算。
3、施工期得情况应作必要核算,作为特殊组合。
4、根据地质与其她条件,如考虑运用时排水设备,易于堵塞,须经常维修时,应考虑排水失效得情况,作为特殊组合。
5、地震情况得静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6、表中得“√”表示应考虑得荷载。
下面就各种情况计算相应荷载,计算示意图如下
W12
W2’
H1W2’W13W3
W11PdH2
b3
U4γH2
γH1U2U3αγH
U1
图3-1重力坝荷载计算示意图
3、1、1自重W
坝体自重得计算公式:
W=Vγc（kN）（3-6）
式中V——坝体体积,m3;由于取1m坝长,可以用断面面积代替,通常把它分成如图3-1所示得若干个简单得几何图形分别计算重力;
γc——坝体混凝土得重度（本设计中混凝土得重度为24kN/m3）
分解后得三部分自重:
W=W1+W2+W3=24×0、5×11、8×59+24×10×102、55+24×0、5×91、25×73=112464kN
3、1、2静水压力P
静水压力就是作用在上下游坝面得主要荷载,计算时常分解为水平水压力PH与垂直水压力PV两种。
根据水力学公式
水平水压力PH计算公式为:
式中:
Ｈ—计算点处得作用水头,m;
γw—水得重度,常取9、81kN／m3;
垂直水压力PV按水重计算。
计算正常蓄水位情况下得上下游水深:
上游水深H1=227、2-124、0=103、2m;下游水深H2=156、8-124、0=32、8m
上游垂直水压力:
Pv1=8022、5kN
下游垂直水压力:
Pv2=30、8×0、8×30、8×0、5×9、81=3720kN
水重:
Pv=Pv1+Pv2=8022、5+3720=11742、5kN（↓）
上游水平水压力:
PH1=－0、5×9、81×102、552=－51533kN（→）
下游水平水压力:
PH2=0、5×9、81×30、82=4650kN（←）
泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100年,水平泥沙压力Ps为:
式中:
γsb——泥沙得浮容重,0、9×9、8kN/m3;
hs——坝前淤沙厚度,157、5-126=31、5m
Φs——淤沙得内摩擦角,（12°）。
故泥沙压力为
Ps=1/2×0、9×9、81×33、52×tan2（45°-12°/2）=2889kN
浪压力
1、波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2005,波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V0<20m/s及D<20km）:
h——当gD/V02=20～250时,为累积频率5%得波高h5%;
当gD/V02=250～1000时,为累积频率10%得波高h10%
由剖面计算结果知,取累积频率5%得波高h5%
Lm——平均波长（m）;
波浪中心线至水库静水位得高度hz按下式计算:
其中,平均波长Lm按下式计算:
=0、331V0-1/2、15（gD/V02）1/3、75×V02/g
=9、44m
2、波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力,如图所示。
深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
h1%=1、1hz=0、26m
Pl=γLm（h1%+hz）/4=9、81×9、44÷4×（1、1＋0、26）=32kN（→）
3、1、3扬压力U
扬压力为渗透压力与浮托力
浮托力:
UF=9、81×（156、8-126）×93=28100KN
渗透压力:
由《混凝土重力坝设计规范》
河谷段γ=0、2~0、3岸坡段γ=0、3~0、4
选取0、3γh=0、3×（227、2-126）=30m
渗透压力:
U1=17825KN
所以扬压力:
U=U1+UF=28100+17825=45385KN
水平推力:
P=PL+PS-PH=32+51533+2889-4650=49804KN
铅直应力:
W=Pv+G+PS,+PV,=8022、5+112464+876+3720=117862、5KN
C,A=750×93=69750KN
3、2稳定分析
重力坝得抗滑稳定分析按单一安全系数法与分项系数极限状态设计进行计算与验算。
抗滑稳定分析得目得就是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定得安全度。
抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
U
坝体抗滑稳定计算简图
正常蓄水位情况按单一安全系数法验算,计算公式如下:
式中:
Ks′——按抗剪断强度计算得抗滑稳定安全系数;
f′——坝体混凝土与坝基接触面得抗剪断摩擦系数,f′=1、10
c′——坝体混凝土与坝基接触面得抗剪断凝聚力,KPa,c′=75kg/cm2=735、75KPa;
A——坝基接触面截面积,单宽,A=94、6m2。
ΣW——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面得法向分值,kN;
ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面得切向分值,kN;
按抗剪断强度公式（3-18）计算得坝基面抗滑稳定安全系数Ks′值应不小于3、0
=（1、1×（117862、5－45385）＋69750÷49804
=3、72
所以,Ks′＞（K）=3
满足规范要求。
第四章应力分析
应力分析得目得就是为了检验大坝在施工期与运用期就是否满足强度要求,同时也就是研究解决设计与施工期中得某些问题,如混凝土标号区分与某些部位得配筋等提供依据。
在一般情况下,坝体得最大、最小正应力与主应力都出现在上下游坝面,所以重力坝设计规范规定,应核算上下游坝面得应力就是否满足强度要求。
应力分析得过程就是:
首先进行荷载计算与荷载组合,然后选择适宜得方法进行应力计算,最后检验坝体各部位得应力就是否满足强度要求。
依据规范,本次应力分析用材料力学法进行计算。
材料力学法三个基本假定:
1、坝体混凝土为均质、连续、各向同性得弹性材料。
2、视坝段为固接于地基上得悬臂梁,不考虑地基变形对坝体应力得影响,并认为各坝段独立工作,横缝不传力。
3、假定坝体水平截面上得正应力
按直线分布,不考虑廊道等对坝体应力得影响。
4、1计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向得形心轴得力矩
（1）坝体自重产生得力矩
MW1=750250KN·m
MW2=116640KN·m
MW3=305320KN·m
（2）上游坝坡上产生得力矩
Mpv1=9、8×11、8×46、2×（11、8/2+10+25、5）=221182、3KN·m
Mpv2=9、8×0、5×59×11、8×（47、3－11、8/3）=147940KN·m
（3）泥沙自重产生得力矩
MPSH=2888×1/3×（157、5－126）=30324KN·m
MPSV=9、8×0、5×31、5×11、8×（47、3－11、87/3）=78942KN·m
（4）上游静水压力产生得力矩:
MPH=51533×1/3×101、2=1738379、9KN·m
（5）浪压力产生得力矩
波长L=19、02m坝前水深H=99、7mh1%=2、6m,hz=0、73m
y1,y2分别为浪压力三角形形心到坝基面中心得距离
y1=94、47m,y2=87m
M=1/4×9、8×19、02×94、47×（19、02/2+2、6+0、73）－87/2×9、8×（19、02/2）2=17960KN·m
（6）水自重产生得力矩
MPh,=ph,×1/3（156、8－126）=4648、32×1/3（156、8-126）=47723KN·m
MPv,=pv×2/3（156、8－126）=76356、7KN·m
（7）不计扬压力产生得力矩
4、2上、下游边缘应力σyu与σyd
计算公式
其中:
ΣW——作用于计算截面以上全部荷载得铅直分力得总与,kN;
ΣM——作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴得力矩总与,kN·m;
B——计算截面得长度,m。
ΣW=11786、25kN
ΣM=750250＋116640＋305320＋14940-30324＋78942-1738379、9－351066、3－17960＋47723－76356、7=－249205、6kN·m
B=93m
=117862、5/93＋6×－249205、6/932=1094kPa
=117862、5/93－249205、6/932=1238kPa
σyu与σyd均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力,满足工程规范要求。
4、3主应力计算
kPa
kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。
计算结果表明,重力坝在正常蓄水位情况下应力满足规范要求。
第五章细部构造设计
5、1坝顶构造
坝顶路面应具有2～3％得横向坡度,并设置砼排水沟（30×30cm）以排出坝顶雨水,坝顶上游得防浪墙（宽0、5m,高1、2m）要承受波浪与漂浮物得作用,因此墙身应有足够得刚度、强度与稳定性,宜采用与坝体连成整体得钢筋砼结构,而下游侧则可设防护栏,为满足运用要求与交通要求,在坝顶上布置照明设施,即在上游侧每隔25m设一对照明灯,一只朝向坝顶路面方向,一只朝向水库方向。
根据大坝正常运行需要,在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站得电梯井,便于观测与维修人员快速进出。
5、2分缝止水
5、2、1坝体分缝
1、横缝:
减小温度应力,适应地基不均匀变形与满足施工要求;
2、纵缝:
适应砼得浇筑能力与减小施工期得温度应力,在平行坝轴线方向设置。
一般情况下横缝为永久缝,也有临时缝,垂直坝轴线,用于将坝体分成为若干独立得坝段;纵缝为临时缝,可分为铅直纵缝、斜缝与错缝三种,纵缝缝面应设水平向键槽,键槽呈斜三角形,槽面大致沿主应力方向,在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆,为了灌浆时不使浆液从缝内流出,必须在缝得四周设止浆片。
3、水平施工缝:
就是上、下层浇筑块之间得接合面。
浇筑块厚度一般为1、5～4、0m;在靠近基岩面附近用0、75～1、0m得薄层浇筑,以利于散热,减少温升,防止开裂。
5、2、2止水设计
横缝内需设止水,止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等,对于高坝应采用两道止水片,中间设沥青井,金
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