大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案.docx

资源描述

大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案.docx

《大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案.docx

大工15秋《水工建筑物课程设计》离线作业答案

网络教育学院《水工建筑物课程设计》

题目：

某水库混凝土重力坝设计

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

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1

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，3

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。

设计洪水位坝体尺寸与荷载

（m）

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γ坝址处为γ

（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

H1，排水孔线上为γ

H2+?

△H，

H2，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γ重度γ

sd取

13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°，泥沙的浮γ

sb=γsd-（1-n）

=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=1/2γsbhs

tan2（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=1/4γ

Lm（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

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。

校核洪水位坝体尺寸与荷载

（m）

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γ坝址处为γ

（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

H1，排水孔线上为γ

H2+?

△H，

H2，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γ沙的浮重度γ

sd取

13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°，泥γ

sb=γsd-（1-n）

=13.5-（1-0.42）×10=7.7KN/m3。

单位长度大坝迎水

sbhs

面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γ

tan2（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=1/4γ

Lm（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

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

表三：

坝体特殊荷载组合作用计算成果表

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：

δu22y=∑W/B+6∑M/B=19778/43.12+6*（-79461）/43.12=202.27（KPa）＞0，满足要求。

d2（-79461）/43.122=715.09（KPa）＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=19778/43.12-6*

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：

δuuuu2x=（P-Pu）-（P-Pu-δy）m1=（51.5*10-51.5*10）-（51.5*10-51.5*10-202.27）*0=0（KPa）。

dx=（P′-Pdu）+（δd′d2y+Pu-P）m2=（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：

δu2uu21=（1+m1）δy-（P-Pu）m1=（1+0）*202.27-（51.5*10-51.5*10）*0=202.27（KPa），满足要求。

udu2=P-Pu=51.5*10-51.5*10=0（KPa）。

′2dd2221=（1+m2）δy-（P-Pu）m2=（1+0.8）*715.09-（14.5*10-14.5*10）*0.8=1172.75（KPa），满足要求。

d2=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：

u22y=∑W/B+6∑M/B=29227/43.12+6*（-46139）/43.12=528.92（KPa）＞0，满足要求。

d2（-46139）/43.122=826.69（KPa）＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=29227/43.12-6*

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-δuy）m1=（51.5*10-528.92）*0=0（KPa）。

τd=（δdy–Pd）m2=（826.69-14.5*10）*0.8=545.35（KPa），满足要求。

（7）当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

求。

δd2=P′udx=Px=Pud-（Pu-δ+（δduy）m1d2=51.5*10-（51.5*10-528.92）*0=515.00（KPa），满足要求。

y-P）m22=14.5*10+（826.69-14.5*10）*0.82=581.28（KPa），满足要求。

（8）当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：

u2uu21=（1+m1）δy-P*m1=（1+0）*528.92-（51.5*10-51.5*10）*0=528.92（KPa），满足要求。

ud2=P=51.5*10=515.00（KPa），满足要求。

2dd2221=（1+m2）δy-P*m2=（1+0.8）*826.69-14.5*10*0.8=1262.97（KPa），满足要=14.5*10=145.00（KPa），满足要求。

2.5.2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）当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

δu22y=∑W/B+6∑M/B=19372/43.12+6*（-106966）/43.12=104.08（KPa）＞0，满足要求。

dy=∑W/B-6∑M/B=19372/43.12-6*（-106966）/43.12=794.43（KPa）＜22

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=（53.72*10-53.72*10-104.08）*0=0（KPa）。

τd=（δdy+Pdu-P′）m2=（794.43+15.45*10-15.45*10）*0.8=635.54（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：

δuuuu2x=（P-Pu）-（P-Pu-δy）m1=（53.72*10-53.72*10）-（53.72*10-53.72*10-104.08）*0=0（KPa）。

dx=（P′-Pdu）+（δd′d2y+Pu-P）m2=（15.45*10-15.45*10）+（794.43+15.45*10-15.45*10）*0.82=508.44（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：

δu2uu21=（1+m1）δy-（P-Pu）m1=（1+0）*104.08-（53.72*10-53.72*10）*0=104.08（KPa），满足要求。

udu2=P-Pu=53.72*10-53.72*10=0（KPa）。

′2dd2221=（1+m2）δy-（P-Pu）m2=（1+0.8）*794.43-（15.45*10-15.45*10）*0.8=1302.87（KPa），满足要求。

d2=P′-Pdu=15.45*10-15.45*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：

u22y=∑W/B+6∑M/B=29341/43.12+6*（-72493）/43.12=446.52（KPa）＞0，满足要求。

d2（-72493）/43.122=914.38（KPa）＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=29341/43.12-6*

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-δuy）m1=（53.72*10-446.52）*0=0（KPa）。

τd=（δdy–Pd）m2=（914.38-15.45*10）*0.8=607.90（KPa），满足要求。

（7）当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

求。

（8）当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：

u2uu21=（1+m1）δy-P*m1=（1+0）*446.52-（53.72*10-53.72*10）*0=446.52（KPa），ux=Pu-（Pu-δ+（δduy）m1d2=53.72*10-（53.72*10-446.52）*0=537.20（KPa），满足要求。

dx=Pdy-P）m22=15.45*10+（914.38-15.45*10）*0.82=640.82（KPa），满足要满足要求。

u2=P=53.72*10=537.20（Kpa），满足要求。

2dd221=（1+m2）δy-P*m2=（1+0.8）*d914.38-15.45*10*0.82=1400.70（KPa），满足12

要求。

δd2=P′=15.45*10=154.50（KPa），满足要求。

2.5.3挡水坝段坝体稳定应力计算计算成果

本设计荷载仅分析基本组合

（2）及特殊组合

（1）两种情况，坝体稳定应力计算成果见表四，正常工况考虑自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力，非正常工况不计入扬压力。

表四:

坝体稳定应力计算成果表

展开阅读全文