水工建筑物课程设计(1).doc

南昌工程学院 刘忠浩 2006010171水工建筑物设计A.非溢流坝段剖面计算一、确定坝顶高程H （分别按照设计情况和校核情况计算）拦河坝为浆砌石重力坝，由溢流段和非溢流段组成，初步决定溢流段设在坝体中部。重力坝的基本剖面为三角形剖面；1、坝顶超高值h的计算式中：波浪高度（m）； 波浪中心高于静水面的高度（m）； 安全超高（m），按下表选用。 安全超高表 hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3（1）计算波浪高度hl 式中：计算风速（m/s）,是指水面以上10m高处的风速，在正常运用条件下的，级坝，采用多年平均最大风速的1.52.0倍，在设计中，取1.5倍的最大风速； 风作用于水域的长度（km），即为吹程。（本设计中有库区地形图量得 D=1.2km） L波长，以m计。因此，设计情况 =0.0166（1.8*1.5）5/41.21/3 =0.061053（m） =10.40.0610530.8 =1.110705（m） 校核情况 = 1.238521（m） = 12.34116（m） （2）计算波浪中心高于静水面的高度hz设计情况式中: h坝前水深，以m计；cth数学中对数曲线函数，值约等于1。 =0.010538（m）校核情况 = 0.390284 (m)（3）安全超高 hc根据本工程的建筑物级别3级，查安全超高表知：设计情况 校核情况 hc=0.4 （m） hc=0.3 （m）（4）计算坝顶超高值h 设计情况 =0.061053+0.010538+0.4 =0.471591（m） 校核情况=1.928805(m)2.坝顶高程 H的计算 设计情况H =设计洪水位+h=236.31+0.471591=236.7816（ m ） 校核情况H =校核洪水位+h=237.22+1.928805=239.148（m）坝顶高程取值为239.148m；设有1.2米的防浪墙，则防浪墙顶高程为240.348米。3.坝前设计水深:H1=239.148-183=56.148（m）4.坝坡系数和起坡点高度的确定。根据工程经验，上游坝坡系数常采用n=00.2；下游坝坡系数常采用m=0.60.8；在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=0.2, 上游起坡点高度56.148*13=18.716m；经过m取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=0.7。.二、坝底高程的确定根据本工程所处地质条件及混凝土重力坝设计规范（SDJ2178）要求：10050m的中坝可建在微风化层至新鲜的基岩上；预估本坝的高度在此范围内，故地基开挖至新鲜基岩上则坝底高程=183m因此，坝高= 坝顶高程H顶坝底高程H底 = 240.348 183m =57.348（m）三、坝顶及坝底宽度的确定 因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%10%取值，且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。我取10%的坝高，即为5.7米，考虑到两边人行道等，取整为 7米。坝底的宽度约为坝高的0.70.9倍，这里取0.87倍，即B =0.87*57.348 = 49.893 m。下游起坡点高度56.148-70.7=45.148m2.4 非溢流坝段剖面设计一、坝体形状的确定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，本设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜；下游坝面亦为上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。具体的上、下游的起坡点的高度将通过设定的不同的方案比较选择最优的来确定。（详见非溢流坝剖面图。） 二、坝顶宽度根据规范的规定，坝顶宽度一般取坝高的 8%-10%，且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。对本坝来说坝高57.348m，则坝顶宽度应在4.59m5.735m之间，但考虑到交通要求，取坝顶宽度为7m。三、坝底宽度坝底宽度约为坝高的0.70.9倍，本工程的坝高为57.348米，即坝底宽度在（40.1436m-51.6132m）之间。具体确定坝底宽度将通过最优方案的比较，最后确定。经计算机编程和方案最优比较，最终确定的坝底宽度B= 49.893m。四、重力坝的应力分析1、荷载计算及组合重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、冰压力、地震荷载等，常取1坝长进行计算。1 自重W坝体自重的计算公式： （kN） （3）式中 坝体体积，3；由于取1坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）2 静水压力 P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力和垂直水压力两种，如图2-1-3。PH计算公式为： （kN） (4)式中：计算点处的作用水头，；VW 斜坡面上水体的体积，m3。W水的重度，常取9.81 kN3；（垂直水压力按水重计算。） 扬压力 U 图3 重力坝荷载计算示意图4 泥沙压力 Ps一般计算年限取50100年，水平泥沙压力skH为： (kN) (5)式中：泥沙的浮重度，kN/m3；hs坝前淤沙厚度，；s淤沙的内摩擦角，度。竖直方向的泥沙压力按作用面上的淤沙重量（按淤沙的浮重度）计算。5 浪压力当HL/2时，可假定浪顶及水深等于L/2处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，并呈三角形分布，如图4， 图4 浪压力分布则浪压力Pl为： (6)浪压力对坝底中点的力矩M为： (7)式中： H1-坝前水深，m；y1、y2-分别是浪压力到坝底面形心的力臂，m。（波浪要素L、hl、hz在前面已计算过，故在此省略。）（6） 其它荷载地震荷载：一般地，当地震的设计烈度为6度及6度以下时，不考虑地震荷载。冰压力、土压力应根据具体情况来定。温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分析时可以不计入。风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。（7）荷载组合可分为基本组合和偶然组合，它们分别考虑的荷载见下表： 荷载组合 荷载作用自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力动水压力土压力地震力基本组合正常蓄水情况+00+0设计洪水情况+0+0冰冻情况+0+0+0偶然组合校核洪水情况+0+0地震情况+00+注：1 应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；2 分期施工得坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3 施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4 根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5表中的“+”表示应考虑的荷载，“0”表示不考虑的荷载。五、抗滑稳定分析（本设计采用抗剪强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下） (8)式中： Ks-抗滑稳定安全系数，计算值应不小于表中规定值；-作用于接触面上竖直向下的合力，k；-作用于接触面上水平方向的合力，k；-接触面间的摩擦系数。 表 抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别12、3Ks 基本组合1.101.05特殊组合（1）1.051.00特殊组合（2）1.001.00 六、应力分析 本设计分设计情况和校核情况两种情况分别分析水平截面上的正应力。因为假定按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力。注：其它应力的分析在本设计中不作分析。七、方案的拟定方案： 坝顶宽度b=7m，上游起坡点高度H1=18.72m，下游起坡点的高度H2=45.15m，坝底露出宽度B=49.89m，排水帷幕设在距坝上游面9m处。经计算方案一满足应力和稳定的要求，且其折点处的应力和稳定也均满足要求，初步符合要求。方案的设计情况的应力和稳定计算结果见下表：荷载名称计算式垂直力水平力力矩+自重W131484.8236212471.6854上游水重W21716.697下游水重W3198.31896静水压力P15464.594283.3128扬压力U9427.4848511.2057泥沙压力Ps3183515407总计浪压力3.22057910.30435注：上表中垂直力以竖直向下为+ ，竖直向上为 ；水平力以水平向右为+，以水平向左为 ；力矩以逆时针为+ ，顺时针为 。表中扬压力的计算式较复杂，故不再表中列出。具体的计算过程可见水工建筑物计算书。上游边缘应力=1085.654kpa下游边缘应力=560.34765kpa抗滑稳定系数=5.33.0方案的校核情况的应力和稳定计算结果见下表：荷载名称计算式垂直力水平力力臂计算力矩+自重W131484.8236212471.6854上游水重W21716.697下游水重W3198.31896静水压力P15464.594283.3128扬压力U9427.4848511.2057泥沙压力Ps3183515407总计浪压力49.298542538.188533注：上表中垂直力以竖直向下为+ ，竖直向上为 ；水平力以水平向右为+，以水平向左为 ；力矩以逆时针为+ ，顺时针为 。表中扬压力的计算式较复杂，故不再表中列出。具体的计算过程可见水工建筑物计算书。上游边缘应力=925.6549kpa下游边缘应力=526.042kpa抗滑稳定系数=5.112.52.5 溢流坝的剖面设计溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。 一、泄水方式的选择选择有较好调节性能的孔口形式除能满足下游较高的防洪要求外,便能有效地调节水库水位和下泄流量。开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。在堰顶设闸门，闸门顶略高于正常蓄水位，减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量。故本设计采用开敞溢流式孔口形式同时在上面设置闸门。二、孔口设计1、洪水标准的确定 根据建筑物的级别及运用情况确定洪水标准。见表1表1 山区、丘陵区水利工程水工建筑物洪水标准 水工建筑物级别 12345洪水重现期（年）设计情况10005005001001005050303020校核情况5000200020001000100500500200200100 由水文和水能规划计算可知：本设计情况时的下泄流量为690立方米/秒，校核情况时的下泄流量为1100立方米/秒。2、 设计流量的确定 确定设计流量时，先拟定溢流坝的泄水方式，然后进行调洪演算，求得各方案的防洪库容、设计洪水位和校核洪水位及其相应的下泄流量；然后估算淹没损失、枢纽造价、效益，进行综合比较，选出最优方案。若考虑泄水孔及其它建筑物能分担一部分泄洪任务，则通过坝顶溢流的下泄流量为：so （1）式中 s下泄流量（经过调洪演算确定的枢纽中总的下泄流量）；系数，考虑电站部分运行等因素对下泄流量的影响，正常运用时，0.750.9，校核情况1.0；o经过泄水孔、电站、船闸等建筑物下泄的流量。由于本设计缺少一些资料，故设计流量均按水文和水能规划所算得的设计情况和校核情况下泄流量来考虑。即本设计情况时的设计流量为690立方米/秒，校核情况时的设计流量为1100立方米/秒。3、 单宽流量的确定 单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据。单宽流量大，溢流孔口的宽度可以缩短，有利于枢纽的布置，但增加了下游消能的困难，下游的局部冲刷可能更严重；反之，单宽流量小，有利于下游消能，但溢流孔口的宽度增大，对枢纽的布置不利。因此，综合地质条件、下游河流水深、枢纽布置、消能等多种因素考虑后选定。工程实践证明：软弱岩石或裂隙发育岩石，20503/(s.m)；较好的岩石，50703/(s.m)；坚硬或完整岩石，1001503/(s.m)。本设计采用的计算方法是：根据水文和水能规划调洪演算中采用的孔口尺寸（三孔 312.7m）计算出单宽流量q，然后再进行校核，看是否满足地质要求的流量。经计算，单宽流量q=37m3/(s.m)。本工程所在的地质为较好的岩石，足能承受此单宽流量。因此，满足要求。4、工作闸门的设计因该重力坝为中等高度坝,故其所需的启门力不是很大,所以本工程采用平面闸门，这样可以使工程结构简单,闸墩的受力条件较好，且平面闸门各孔口可共用一个活动式启闭机，从而减少了工程投资。1)闸门尺寸的确定：通常在堰顶处设置检修闸门和工作闸门。检修闸门通常只在检修工作闸门时才会使用，故多个溢流孔可以共用一个检修闸门；而工作闸门是为了控制下泄流量而安装的,故每个溢流孔安装一个工作闸门。所选闸门的高度与堰顶高程之和应略大于正常蓄水位，堰顶高为56.148米，正常蓄水位为42米，故闸门高可选为6米。闸门底缘切线与水平夹角为30。2）孔口数的确定将溢流面每个溢流孔宽取为12米，共设3孔。据水工设计手册其闸门槽深设计为1.0米，槽宽1.2米。在计算时，首先要满足的是：闸门顶部不能溢流，下泄流量应该控制在690m2/s以内,且单宽流量按规范要求控制在50-70m2/s,按照要求假定的孔口尺寸为1263 （宽高孔数）,校核洪水位时237.22m,其对应的下泄流量为1100m2/s,故单宽流量q=Q/B=1100/123=30.6m2/s.满足要求.综上所述，确定的孔口尺寸为：1263 （宽高孔数）。与水文和水能规划调洪演算时的孔口尺寸一致。三、溢流坝剖面设计本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0.2，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。(1) 顶部曲线段我国现行规范推荐采用幂曲线，即WES曲线, 其曲线方程为： 式中：、系数，n=1.85，k=2.0； Hd定型设计水头，m，（一般为校核水位十堰顶水头的75%-95%）。 （坐标原点在堰顶） 在本次设计中，按80%计算，即=6m。经计算，该方程可写为：X1.85=0.2*60.85(坐标原点为堰顶,同时确定上游面是铅直的)图中的 aHd=9.22 bHd=6.64可以通过描绘几个不同的点来确定这个曲线。详图见溢流坝的剖面图。 (2) 反弧段反弧段是使溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线。按混凝土重力坝设计规范规定，其半径R=810h，h为校核洪水闸门全开时反弧处的水深。Q-校核洪水位的下泄流量1100m/sB-闸孔全宽V-流速流速 s-上游水面至挑坎顶部的高差-坝面流速系数坎顶部的高程:挑坎高程愈低,出口断面的流速愈大,射程愈远.同时,挑坎高程低,工程量也小,可以降低造价,工程设计中常使用挑坎最低的高程高出下游最高水位的12m,由校核洪水位允许下泄流量查得下游最高水位为190.6m,故取挑坎高程为191.8m.最终通过计算反弧半径R取为20m,鼻坎挑射角a=53.具体计算可以看溢流坝部分的计算书.(3) 中间直线段中间直线段与顶部的曲线和反弧段相切，坡率取为1:0.7。（本设计溢流坝直线段的坡率如与非溢流坝的一致则不满足应力和稳定的要求，故经计算的坡率取为1:0.7时可以满足要求，故本设计采用了此坡率，具体的计算选取过程不在此赘述。）四、消能防冲设计 通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形、地质条件，枢纽布置、坝高、下泄流量等综合考虑。对于大型工程及高坝，还应进行水工模型试验。本设计采用挑流消能的消能方式。挑流消能是利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中。水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量，水流进入水垫后，发生强烈的摩擦、旋滚，冲刷河床形成冲坑，其余大部分能量消耗于冲坑中。这种方式比较经济，一般适用于高水头、大流量、基岩较坚固的高坝或中坝，故为本设计所采用。1、挑流鼻坎设计挑流鼻坎设计主要是选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角及反弧半径。鼻坎的型式选择连续式。连续式鼻坎结构简单，施工方便，鼻坎上水流平顺，挑距较远，应用也广泛。鼻坎挑射角一般取2025，本设计采用挑角25。鼻坎坎顶高程宜高出下游最高水位12，校核洪水位时对应的下游最高水位为190.6米，故鼻坎高程为191.8米。（1）堰面流速系数式中，（为上游水面至挑坎顶部的高差，=236-191.8=44.2）校核洪水时溢流坝下泄流量，3/s；鼻坎处水面宽度，,q=37立方米每秒所以。KE=qg（s1.5）=37920.38=0.0402=0.9（2）鼻坎处水流平均流速 式中堰面流速系数，其中上游水面至挑坎顶部的高差26.67ms（3）反弧半径h校核洪水闸门全开是反弧处的水深 h=Q/(B*V)=690/(38*26.67)=0.68M根据有关的经验反弧半径=（4-10）h=2.72-6.8m，所以取为6。（4）挑距L（水舌外缘计算，其估算公式如下）L水舌挑距，g重力加速度，坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍 挑角，取25坎顶平均水深h在铅直向的投影；坝顶至河床面的高差。 流速 =1.1v=1.126.67=29.337/s投影 =h=0.6825=0.674高差 =10=1/10【29.3372*sin25*cos25+29.337sin2529.3372sin225+2*10（0.674+10）1/2 】=45.46（5）冲刷坑深（工程上经常按下式计算）式中水垫厚度，自水面至坑底， 单宽流量，3/s H上下游水位差，236-190.6=45.4m 冲坑系数，对坚硬完整的岩基，=0.91.2，本设计取1.0=1.0*370.5*45.40.25=15.789为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度。一般当2.55.0时，认为是安全的。则=45.46/15.789=2.879满足要求。五、溢流坝段的应力和稳定计算 溢流坝段的应力和稳定计算所用公式和非溢流坝段的一样,由于溢流坝段的形状为不太规则的曲线坝段,因此在计算过程中只能进行转换,进行大致的计算.将剖面的形状近似为三角形.见下图:，数字赋予下图中 五闸墩形式的确定闸墩承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支撑。为了能够使水流平顺地通过堰，在设计闸墩时，闸墩上游采用半圆弧形式，而在下游则用半径为1.71D的两条圆弧组成。闸墩的宽取为4m，这时平面闸门的实际尺寸是：（1）工作闸门：长宽厚 即 1160.8m,对应的闸门槽的宽度为1.0m,深度为0.8m.（2）检修闸门：长宽厚 即 1160.3m, 对应的闸门槽的宽度为0.5m,深度为0.8m.为了能够使公路桥能够和非溢流坝相衔接，取闸墩的顶部高程为237.74m。综上，可以确定闸墩的顶部高程是237.74m，宽为4m，工作桥的高度以能够把闸门拉出来为准，本设计定为7m。2.6 大坝细部构造设计重力坝的细部构造包括坝顶构结、坝体分缝、止水、排水廊道布置等。这些构造的合理选型和布置，可以改善大坝的工作状态，增强坝体的抗滑稳定性，减少坝体应力，满足运用和施工要求，保证大坝的正常工作。(1)坝顶构造在非溢流坝段，只需设置交通桥。因本工程有双线交通要求，故将路面宽取为7m，两旁设人行道各1m，人行道上设栏杆。用坡率i3的路面将积水排向两侧,并用排水管将水排向上游水库。在溢流坝段，除设置交通桥外还需设置工作桥。工作桥上布置移动式启闭机。桥梁的布置高程必须使最大设计洪水的掺气水面不致淹没桥面，并使闸门吊起后的最低点和门轴与溢流水面保持足够距离，使漂浮物不能够通畅排泄。为了能够简化设计，在设计工作桥和公路桥时，使它们的闸墩在同一高程处，这时工作桥的宽度为10m。为了能够使公路桥能够和非溢流坝相衔接，取闸墩的顶部高程为237.74m。(2)坝体分缝、止水为满足混凝土的浇注能力和温度控制的需要，沿坝轴线方向设置横缝具体布置见大坝的布置图。对于整体式重力坝一般采用横缝灌浆方式封堵横缝止水。此时只须设置止浆片（上游面的止浆片兼做临时止