水工建筑物习题.docx

1、水工建筑物习题盛年不重来，一日难再晨。及时宜自勉，岁月不待人。水工建筑物习题集河海大学文天学院二一一年三月习题一 重力坝稳定，应力和消能计算图一为某级重力坝非溢流坝段最大剖面，试求： 根据图给的数据计算主要荷载； 按摩擦公式、抗剪断公式校核坝基面的抗滑稳定性（建议 、 、 分别取0.5、0.3、0.2）； 计算坝基面 A、B及折坡面处水平面C、D、E点的应力及主应力 、 、 ； 根据所计算的稳定安全系数及应力情况，讨论此坝断面设计是否得当； 设所给上、下游水位即为设计洪水位情况，取 =16米，设计所布置的溢流坝的单宽泄流能力，取流量系数m=0.49，布置溢流坝段面及挑流鼻坎； 计算在此单宽流量

2、下的挑射距离（取流速系数 =0.93）并估计冲刷坑深度。 图一风速 V=16m/s吹程 D=8Km f=0.65f=0.7C=60N/cm泥沙 C=300 N/cm 10 8kn/m习题二 重力坝基本剖面计算 图二为重力坝的基本剖面，要想得到同时满足稳定和应力条件的最经济剖面，试求出（安全系数 K=1 ， =24KN/m ）重力坝基本剖面。 图二习题三 初拟非溢流重力坝剖面及坝体稳定计算 一、资料：某重力坝为级建筑物，建在山区峡谷非地震区，坝顶无交通要求。上游设计洪水位66.0米，相应下游水位4.0米。上游校核洪水位68.0米，相应下游水位5.0米。坝址处基岩表面高程为0.0米，坝底与基岩之间

3、的摩擦系数f=0.6。为了进行坝基灌浆和排水，设置一标准廊道，其尺寸为2.5*2.5米（见图三），廊道上游至坝面的最小距离为4.0米，廊道底面至坝底面的 距离为6.0米。多年平均最大风速v=16米/秒。吹程D=3公里。计算中暂不计泥沙压力。坝体材料为细骨料混凝土，其容量 =24kN/m 。二、要求 （1）根据教材中确定基本剖面的原理（不必用基本剖面计算公式），并参考实用剖面经验数据，初拟坝体剖面（要按比例）。 （2）根据初拟剖面进行坝体抗滑稳定计算（设计洪水位情况）。如不满足抗滑稳定要求，指出改进措施（不要求重新计算）。 图三习题四 重力坝应力分析一、资料 某重力坝剖面尺寸及计算点坐标如图四所

4、示。 取单位坝长分析： 铅直力总和 W=25129.5 （ kN ）（未计及扬压力，方向向下为正） 水平力总和 P=-10510 （ kN ）（指向上游为正） 对坝底截面形心力矩总和 M=-37561.8 （ kN.m ）（未计及扬压力， M 的符号，使坝底截面上游部分产生压应力为正）。 扬压力呈直线分布（坝基无防渗、排水设施）。 本题不计泥沙压力及地震力。 二、要求 根据水工建筑物教材介绍的方法（计及扬压力）计算坝底截面各计算点（如上图中 0 、 10 、 20 、 30 及 41 米）的分应力、主应力及其方向，并按比例绘图表示 x 、 y 、 z 主应力及其方向。请注意，此处 、 、 均指

5、有扬压力作用的情况。 图 四习题五 拱坝布置 一、 资料 坝址河谷断面如图六，此为开挖后的新鲜花岗岩表面。坝址地形等高线与河谷平行（如图五）。 坝体最大坝高为 35 米。坝体材料为细骨料混凝土砌块石。 二、要求 试按资料中图示比例尺（ 1 ： 500 ）的地形图进行双曲拱坝的平面布置（由于地形对称，所以仅需画出半个拱坝平面布置图），同时需画出拱冠梁断面图及圆心轨迹线。 图五 开挖后的岩石等高线（半平面图） 图六 河谷断面图 习题六 拱坝应力计算（用拱冠梁法） 某混凝土拱坝最大坝高 70m ，几何尺寸如表一及图七所示，校核洪水位高程 168.0m ，混凝土和基岩弹性模量相同， E=11.0KN/

6、，混凝土线膨胀系数 =1.0，河谷为 U 型。试用拱冠梁法求解在校核洪水位和均匀温升是拱坝的荷载分配。拱圈变位系数分别见表二及表三。 图七 （单位：米） 表一高程（米）R外（米）T（米）R内（米）平均半径R（米）半中心角（度）校核水位水压力强度P（KN/）166.0804.575.577.7560.520149.58010.969.174.5558.6185133.08017.362.771.3556.9350116.58023.656.468.254.5515100.08030.050.065.053.2680习题七 拱坝应力计算（用纯拱法） 一、资料 某拱坝最大坝高为35米。拱圈为等厚圆弧

7、形，坝底拱厚为10.0米，其中心角为80，外半径为 45米。上游面承受均匀水压力，其强度为350kN/，下游无水。 坝体材料为细骨料混凝土砌块石，其弹模 Em=14.0kN/,线膨胀系数=0.8（1/）。两岸开挖后的新鲜岩石坡度均为 1：1，基岩弹模Ej=7.0kN/。荷载组合：水压力+温降。二、要求 用纯拱法查表计算拱冠、拱冠的上、下游面应力，能否满足要求？若不能满足要求，应提出改进措施（不必再进行计算）。习题八 均质土坝渗流计算 一、资料 某均质土坝修建在不透水地基上，坝体下游设有堆石棱体排水，坝体土料的渗透系数 K=1厘米/秒。坝体断面尺寸见图八： 二、要求 （1）计算坝体的单宽渗流量

8、（2）按比例画出坝体浸润线。 图八 （单位：米）习题九 斜墙土坝渗流计算一、资料 某斜墙土坝剖面见图九。图注：单位均为米；上下游坝面护坡、斜墙上下游反滤层、截水槽上游面过渡层胶其下游面反滤层、截水槽底部的齿墙均未画出；上下游水位均系设计水位。二、要求 （1）计算斜墙及截水槽的单宽渗流量（以米/日米计） （2）按比例画出坝体浸润线。 图 九习题十 斜墙稳定分析一、 资料 某斜墙土坝修建在不透水岩基上，斜墙上游坡度为 1:2.5 ，下游 1:2.1 。坝体断面尺寸见图十： 图中第一段（即面积 abhj）：G1 =1989（KN），滑动面上 =2 7，（沙土），c=0； 第二段（即面积 bcfgh）

9、：G2 =2405（KN），滑动面上 =17.5 ， c=0； 第三段（即面积 cd e f）：G3 =741（KN），滑动面上 =2 8，（砂砾石），c=0； 另外， =25.46 ， =16.7 ， =12.95 1=21.8 ， 2=19.98 。 计算情况： (1)库水位为244.0米，该水位已保持较长时间，所以计算 G 1 、 G 2 及 G 3 时，水位以上用湿容重，水位以下用浮容重。 (2) 粘土斜墙已全部固结，所以 角均用固结快剪指标，在水位以上采用饱合固结快剪，偏于安全。 (3)反滤层沙土和斜墙粘土的临界压力位置在ab线上，非常接近b点，本习题中近似认为该位置就在b点。 二、

10、 要求 求滑动面 abcd 的安全系数。 图 十习题十一 土坝渗流和稳定计算 某粘土心墙砂砾坝断面如图十一所示，心墙底部为一厚度 90cm 的截水墙，已知渗流系数分别为 K1 =2.0 cm/s ，K=2.16 坝壳力学指标为：水上 36 3 0（水下折减2），湿容重=20.5KN/m 3 , 浮容重=12.4KN/m 3 （1）试计算单位宽度坝段坝体及坝基的渗流量； （2）列出浸润线方程，并绘制流网图 （3）用折线法计算侧槽图示滑动面的安全系数。 正常水位：上游 119.5 下游 53.0 （单位：米） 图 十一习题十二 侧槽溢洪道的侧槽计算 一资料 设计水位： 3666.80 米；设计流量

11、： 665 溢流实用堰长度： 60 米；溢流堰顶高程： 363.20 米 侧槽末端：底宽 16.0 米，底高程： 358.80 米 水深 8.89 米（大于临界水深） 侧槽边坡：左侧 1 ： 1 ，右侧 1 ： 0.5 侧槽系用砼衬砌，糙率 =0.015 其它资料见图十二 二、要求 1. 计算侧槽内水面曲线； 2. 检测该侧槽设计的合理性。 三、说明事项 附有侧槽水面线推算表。从该表首先分析 计算公式 的一项有无计算的必要性（对本习题而言）。侧槽水面线推算见表四。 侧槽水面落差计算式 江西省水利科学研究所：“无闸控制溢洪道水力设计”水利出版社 1981 年 侧槽边坡系数： m 1 =1.0 m

12、 2 =0.5 第（5）栏 第（6）栏 侧槽糙率：n=0.015 假定的与计算的相比，其允许误 差3 。 表四（15）槽底高程M354.60355.30356.00356.70357.40(14）水面高程M364.49363.73364.01364.34364.69 （13）计算水面高差YM0.2330.2830.3280.350（12）Q2+Q1M3/S1219.2997.5775.8554.2（11）Q2-Q1M3/S110.8110.8110.8110.8（10）V1-V2M/S0.1170.2200.3620.546（9）V1+V2M/S6.4836.1465.5464.656（8）流

13、速VM/S3.303.1832.9632.6012.055（7）流量QM3/S655554.2443.3332.5221.7（6）过水面积M2201.5174.1149.6127.8107.9（5）水深hM8.898.438.017.647.29（4）底宽bM1614.3312.6711.009.33（3）假设水面高程YM0.240.280.330.35（2）槽底高程ZM0.700.700.700.70（1）间距XM1010101010550+600+500+400+300+200+100+00图十二习题十三 无压遂洞计算 某无压泄水遂洞，采用顶拱120的门洞形断面，衬砌后净宽6米，要求通过Q

14、=750米2/秒（未考虑掺气的计算值），糙率：n=0.014，山岩压力系数Sy=0.2,岩石抗力系数K=200N/cm3。Ra（1）计算自掺气后水深；（2）决定洞的高度及衬砌布置（3）计算顶拱内力；（4）按最大弯矩计算所受力筋。习题十四 无压隧洞衬砌计算 一、资料 见图十三洞身净宽5.0米，净高5.225米，拱的内半径r B=2.5米，平均半径r=2.725米，拱墙高Yh=2.725 米，衬砌厚度0.45米，铅直山岩压力 q=40N/m 2不计侧向山岩压力及内水压力，但考虑岩石弹性抗力及相应的摩擦力作用，弹性抗力系数 K= KN/m3 。岩石与衬砌间的摩擦系数 =0.3 。衬砌用 200 砼号

15、，其弹性模量 E= KN/m 3 。 =24 KN/m 3 ; 设计抗压强度 R a =1100 N/m 3 ，安全系数 K 0 =1.6 。 设计抗拉强度 R t =130 N/m 3 ，安全系数 K 1 =2.5 。 隧洞按 4 级建筑物设计 二、 要求 计算直墙底部（ B 截面）的弯矩 M 和轴向力 N ，以及其相应的内、外缘应力，并验证其能否满足要求。 三、 说明事项 （1） 计算时首先绘出计算简图 （2） 取有效数字六位进行计算，否则误差很大 （3) 弹性中心处弯矩 X 1 =122.176+108.247 （ KN.m ） 弹性中心处水平力 X 2 =22.701+88.423 （

16、 KN ） 图 十三习题十五 有压隧洞衬砌计算 一、资料 某有压遂洞，洞身内径为 5 米，内水压强为 16 米，用 250 号混泥土衬砌， Eh=23 N/m2 ， =1/6 ， K 0 =5000N/cm3 。 二、要求 1. 按内水压力用弹性特征因素法计算和确定混凝土衬砌厚度。 2. 按选定的衬砌度进行衬砌内外边缘应力计算。 习题十六 水闸闸孔计算 一、 资料 某水闸采用无坎平底宽顶堰型式，堰顶高程为 1.0 米，与河底同高。闸室无胸墙并采用钢丝网水泥平面闸门， 预制工厂供应相当于闸孔宽度为 6.0 米、 7.0 米及 8.0 米三种规格的闸门，闸墩厚 1.0 米，头部为半园形。上游翼墙为

17、园弧形，其外半径为 15 米，该翼墙上游的两岸边坡均为 1 ： 2.5 。 计算是采用上游最高水位 6.85 米，相应下游水位 4.80 米，此时要求宣泄流量 870 米3/秒；上游正常水位 4.90 米，相应下游水位 4.20 米，此时要求宣泄流量不小于 230 米3/秒。河床均为粘土，其标准贯入击数为 9 ，水流通过闸孔后的单宽流量（其值在本习题中用总流量除以闸空总宽度进行计算，闸空总宽度包括闸墩在内）不允许超过24米3/秒。 二、要求 1 、确定闸孔数目及闸孔宽度； 2 、画出诸闸孔平面图（包括上游翼墙）。 三、 说明事项 1 、流量系数可查河海大学编的水利学教材第二版下册 P29 表

18、9 、 10 ，即：无坎宽顶堰的流量系数 m 值。 2 、边孔流量系数按图十四查表 用 B 边孔宽度，两个边孔宽度相同。 图 十四习题十七 水闸渗透压力计算 采用阻力系数法计算某水闸（见图十五）地下轮廓线上的渗透压力，并画出渗透压力分布图（以水柱高度计）。 附：电拟试验值（与计算值可作对比之用） PD=3.93m PL=1.55m PH =2.75m PO=0.65m 图十五 （单位： 米）习题十八 水闸平底板内力计算（一） 六所示水闸为三孔一联的闸段。 （1）算中间闸段作用在上、下游底板上的荷载（取单位宽度板条计算）； （2）求出板条上的内力弯矩。 计算资料： （1）闸段长 34.2 米，缝

19、墩宽 2 0.9 米，中墩宽 2 1.2 米，闸孔宽 3 10 米，底板厚2 米，宽 16 米（闸门前上游段宽 5.55 米，下游段宽 10.45 米）； （2）上游设计水位 5.8 米，下游 1.0 米，在设计洪水时地基反力 上 =27.4 KN/m2 ， 下=1.6 KN/m2 ，浮托力为 30 KN/m2 。各部分重量列于表五（单位： KN ）图十六表五 单位：KN名称门前上游段门后下游段检修桥段闸墩W12160工作桥段闸墩W223402680公路桥段闸墩W36000底板W41042018280检修桥W51180工作桥W612701690公路桥W71220闸门W8300胸墙W9700上游

20、水重W109070下游水重W113140胸墙底水压力W12-270习题十九 水闸平底板内力计算（二） 一、资料 某水闸河床中间段为三联闸孔（每空宽 10 米），该闸孔段总宽 34.2 米，闸室长度 15.0 米，上下游段以 I I 为分界剖面（图十七）。现以三联闸孔为计算段。从整体闸墩分析，按偏心受压公式计算式得知：中墩底部应力，上游端为 115.05 KN/m2 ，下游端为 403.3 KN/m2 ；缝墩底部应力，上游端为 117.67 KN/m2 ，下游端部为 342.59 KN/m2 。中墩及缝墩底部应力系直线分布。 二、要求 用荷载组合法求下游段中间处剖面（ A A ）闸室底板弯矩，并绘图表示。K=1cm/s =3cm/s =1cm/s 图 十七