浆砌石重力坝课程设计报告书

1、水工建筑物系列课程设计-重力坝电算课程设计指 示 书福州大学土木工程学院水利水电与港口工程系二一一年四月二日 一、设计任务：浆砌石重力坝典型剖面设计二、设计内容：根据提供的水文、水利计算成果，在分析研究所提供的资料的基础上，进行水工建筑物的设计工作，设计深度为初步设计。主要设计内容为：1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准2、通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面尺寸；3、通过坝基水平截面处坝体内部应力分析，定出坝体混凝土分区方案；4、坝体细部构造设计：廊道布置、坝体止水、坝体排水及基础防渗和排水等。三、设计作法分析基本资料，根据课堂所学内容，参照规范13各相应部分进行设计，对设计参数

2、进行选取、方案进行拟定等。设计中所需基本资料，除已给定之外，还有自行研究确定的。四、基本资料(一)、设计标准：某水库位于某河道的上游，库区所在位置属高山峡谷地区。根据当地的经济发展要求需修建水库，该工程以发电、灌溉、防洪为主。拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量9600kw。工程等级、建筑物级别以及各项控制标准、指标按现行的国家规范规范4自行确定。(二)、坝基地质条件1、开挖标准：本工程坝体在河床部分的基岩设计高程原定在827.20m。2、力学指标：坝体与坝基面接触面的抗剪断摩擦系数f=1.05，粘结力系数c900kpa。3、基岩抗压强度：1500(三)、特征水位经水库规划计算，坝址

3、上、下游特征水位如下： p=0.1%校核洪水位为909.92，相应下游水位为861.15；p=1% 设计洪水位为907.32，相应下游水位为859.80； 正常挡水位为905.70；相应下游水位为855.70； 淤沙高程为842.20； (四)、荷载及荷载组合荷载组合根据实际情况并参照规范13要求。具体计算时选取了1种有代表性或估计其为控制性的组合进行设计计算。有关荷载资料如下：1、筑坝材料：浆砌石容重。2、坝基扬压力、坝基防渗处理：根据水库地基情况，设置帷幕灌浆和排水孔幕，扬压力折减系数取0.3，折减位置距上游坝轴线8m。3、风速与吹程：坝址洪水期多年平均最大风速18.1m/s，洪水期50年

4、重现期最大风速25m/s，坝前吹程1公里。4、水库淤沙：淤沙浮容重为8.0，淤沙内摩擦角。5、坝址地震基本烈度：根据“中国地震烈度区划图”坝址位于7度区，设防烈度按7度考虑。6、坝顶有一般交通要求。五、设计步骤(一)、工程等级确定由于拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量9600kw。按现行的国家规范规范4如下表由以上工程等级规范可得出，工程等级为级。(二)、初步拟定坝体断面1、基本剖面尺寸的确定：假定基本剖面为三角形，上游水位与坝顶齐平，扬压力、静水压力均为三角形分布，确定满足强度和稳定条件下的最小坝底宽度t。用设计洪水位（p=1%）初步拟定坝体断面，则有：单位：m上游水位下游水位上

5、游水深下游水深校核洪水位(p=0.1%)909.92 861.15 82.72 33.95设计洪水位(p=1%)907.32 859.80 801232.6正常挡水位905.70 855.70 78502850淤沙高程842.215 按满足强度条件确定坝底的最小宽度t当库满时： 上游边缘铅直正应力 (1)下游边缘铅直正应力 (2)当库空时，令式(1)、式(2)中=0，得：上游边缘铅直正应力 (3)下游边缘铅直正应力 (4)强度控制条件是坝基面不允许出现拉应力。当库空时，由式(3)可以看出：只要在01之间，即上游坡度取正坡，坝基面不出现拉应力。当库满时要使上游不出现拉应力，可令式(2)中0，求得

6、坝底宽度为：，由该式可知，当h为一定值时，值越小，则底宽也越小。考虑库空时，下游坝面不出现拉应力，可取=0，求得上游坝面为铅直面的三角形基本剖面的最小底宽。演算宽度t=55.35m时是否满足稳定要求由式 k值大于3，满足要求。所以取t=63m2、坝顶高程、坝顶宽度的确定：根据已给的设计洪水位及校核洪水位，考虑风浪及安全加高等确定浪墙顶高程及坝顶高程。又由于坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0米。计算设计洪水位和校核洪水位情况下的h1%(m)和hz则由公式 可求出安全超高。 计算过程如下表：设计洪水位情况校核洪水位情况计算风速0(m/s)2518.1有效吹程d(m)10001000重力加速度g

7、(m/s2)9.819.81水位高程(m)907.32 909.92 坝基高程(m)827.8827.8安全超高hc(m)0.50.4迎水面深度h(m)79.52 82.12 gd/v0215.696 29.944 0.015 0.019 0.154 0.213 0.015 0.019 0.154 0.213 h（m）0.927 0.619 平均波长lm（m）9.834 7.116 gd/v02=20250时,h=h5%是是00.01 0.01 平均波高hm(m)0.475 0.318 h1%(m)1.151 0.768 0.423 0.261 50.809 72.510 11壅高0.423

8、0.261 超高2.073 1.429 坝顶高程（m）909.4 911.35 最后确定坝顶防浪墙高程=911.35m最后确定坝顶防浪墙高程为911.35m，防浪墙高为1.2m，所以坝高为82.95m。一般坝顶宽度取坝高的百分之八到百分之十，且不小于3m，当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求，由于坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0米，取坝顶宽度为9m。3、拟定坝体基本断面上游坝面坡度应与溢流坝段、放水孔坝段相协调，为照顾泄、放水需要，上游面宜采用直立布置。坝体基本三角形顶点，可放在校核洪水位，或略予提高；参考碧流河水库设计成果拟定，将已拟定的断面，按比例画出图如下：

9、 图中出以标出单位外，其它数据单位均按mm计。(三)确定荷载组合：荷载组合表荷载组合主要考虑情况荷载作用力附注自重水压力扬压力淤沙压力浪压力冰压力地震力动水压力其他基本组合(1)正常蓄水位情况(2)设计洪水位特殊组合(1)校核洪水位(2)地震情况(四)荷载计算计算简图如下：各荷载计算分别如下：自重w1=23.5982.95=17544kn自重w2=0.523.5（63-9）68.67=43571kn上游水压力水平方向p1=0.59.8180.1280.12=31486kn下游水压力水平方向p2=0.59.8132.641.47=5225kn下游水压力垂直方向p2=4082kn扬压力u1=9.8

10、132.663=20160kn扬压力u2=1400.5(63-8)=3850kn扬压力u3=1408=1120kn扬压力u4=(780-454) 80.5=1304kn淤沙压力上游浪压力: 因为上游水位，所以计算浪压力选取深水波公式：荷载及力矩计算表序号荷载名称荷载（每m坝长）力臂（m)力矩（kn*m)水平（kn）垂直（kn)+-1.0 w10.00 17544.0 27.00 473688.0 2.0 w20.00 43571.0 4.50 196069.5 4.0 p131486.00 0.0 26.71 840991.1 5.0 p25225.00 4082.0 10.87/22.965

11、6795.8 93722.7 6.0 u10.00 20160.0 0.00 0.0 0.0 7.0 u20.00 3850.0 5.17 19904.5 8.0 u30.00 1120.0 27.50 30800.0 9.0 u40.00 1304.0 28.83 37594.3 10.0 ps590.00 0.0 5.00 2950.0 11.0 pl38.00 0.0 79.52 3021.8 12.0 总和26889.00 38763.0 726553.3 1028984.4 13.0 力矩m-302431.1 对几种荷载组合情况分别进行稳定分析：按照规范规定的抗剪断强度计算公式：满足

12、要求。式中：f 为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c 为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；为作用于坝体全部荷载对滑动平面的法向分值；为作用于坝体全部荷载对滑动平面的切向分值。由以上得符合要求。(五)、抗滑稳定计算电算过程本计算遵循以下规范： 混凝土重力坝设计规范 (dl 5108-1999) 水工混凝土结构设计规范 (dl/t5057-1996) 水工建筑物抗震设计规范 (dl 5073-2000) 水工建筑物荷载设计规范 (dl 5077-1997) 水利水电工程结构可靠度设计统一标准(gb50199-94) 重力坝断面按单宽计算。基本资料 重力坝建筑物级别：2级，安全类别：。

13、坝基截面高程为827.200m。 水平向设计地震加速度代表值 h0.10g，计地震作用。 地震动态分布系数采用拟静力法计算。 上游地震动水压力折减角90.000 下游地震动水压力折减角90.000 重力坝为常态混凝土，强度等级：c10 混凝土重度 rc23.5kn/m3 水重度 rw9.8kn/m3 淤沙浮重度 rs8.0kn/m3 淤沙内摩檫角 12.000 扬压力图形折减点离上游面距离lo8.000m 扬压力图形折减系数 0.300基岩抗剪断摩檫系数 f= 1.050 基岩抗剪断凝聚力 c(mpa) = 0.900工 况 表 i设计状况地震上游水位下游水位淤沙高程平均波长波高 h1% 1正

14、常状况不计 905.700 855.700 842.200 9.834 1.151 2设计状况不计 907.320 859.800 842.200 9.834 1.151 3校核状况不计 909.920 861.150 842.200 7.116 0.768 4偶然状况计及 905.700 855.700 842.200 9.834 1.151荷载组合 1 正常状况 上游水位 905.700m 下游水位 855.700m 淤沙高程 842.200m 序号 荷载名称 垂直力(kn) 水平力(kn) m(knm) 1 坝体自重 61115.0 0.0 669756.0 2 上游水平水压力 0.0

15、-30225.8 -790909.4 4 下游水平水压力 0.0 3984.1 37848.8 5 下游垂直水压力 3133.0 0.0 -75283.5 6 水平淤沙压力 0.0 -590.2 -2950.9 8 浮托力 -17613.9 0.0 0.0 9 渗透压力 -6597.2 0.0 -92880.3 10 浪压力 0.0 -38.0 -2996.4 标准荷载合计 40036.9 -26869.9 -257415.7 荷载组合 2设计状况 上游水位 907.320m 下游水位 859.800m 淤沙高程 842.200m序号 荷载名称 垂直力(kn) 水平力(kn) m(knm) 1

16、 坝体自重 61115.0 0.0 669756.0 2 上游水平水压力 0.0 -31486.2 -840892.7 4 下游水平水压力 0.0 5212.8 56646.2 5 下游垂直水压力 4099.2 0.0 -94096.6 6 水平淤沙压力 0.0 -590.2 -2950.9 8 浮托力 -20147.8 0.0 0.0 9 渗透压力 -6270.0 0.0 -88273.4 标准荷载合计 38796.5 -26901.6 -302869.4 荷载组合 3校核工况 上游水位 909.920m 下游水位 861.150m 淤沙高程 842.200m序号 荷载名称 垂直力(kn)

17、水平力(kn) m(knm) 1 坝体自重 61115.0 0.0 669756.0 2 上游水平水压力 0.0 -33562.9 -925442.3 4 下游水平水压力 0.0 5653.5 63978.9 5 下游垂直水压力 4445.8 0.0 -100478.1 6 水平淤沙压力 0.0 -590.2 -2950.9 8 浮托力 -20982.1 0.0 0.0 9 渗透压力 -6434.9 0.0 -90595.5 10 浪压力 0.0 -17.9 -1489.3 标准荷载合计 38143.7 -28517.6 -387221.1 荷载组合 4 偶然工况 上游水位 905.700m

18、下游水位 855.700m 淤沙高程 842.200m 计地震序号 荷载名称 垂直力(kn) 水平力(kn) m(knm) 1 坝体自重 61115.0 0.0 669756.0 2 上游水平水压力 0.0 -30225.8 -790909.4 4 下游水平水压力 0.0 3984.1 37848.8 5 下游垂直水压力 3133.0 0.0 -75283.5 6 水平淤沙压力 0.0 -590.2 -2950.9 8 浮托力 -17613.9 0.0 0.0 9 渗透压力 -6597.2 0.0 -92880.3 10 浪压力 0.0 -38.0 -2996.4 11 水平地震惯性力 0.0

19、 -2139.0 -72179.4 13 上游地震动水压力 0.0 -982.3 -35472.3 14 下游地震动水压力 0.0 -129.5 -1697.5 标准荷载合计 40036.9 -30120.7 -366764.9 按混凝土重力坝设计规范(sdj21-78)计算抗剪安全系数公式：k1fwp，式中：基岩抗剪摩檫系数f0.800抗剪断安全系数公式：k2(fwca)p，式中：基岩抗剪断摩檫系数 f1.050基岩凝聚力 c0.900mpa，坝基单宽截面积 a63.000m2坝基上、下游面垂直正应力公式：ywt6mt2式中：坝基截面长t63.000m 计 算 成 果 汇 总 表 名 称 组

20、 合 1 组 合 2 组 合 3 组 合 4 上游水位(m) 905.700 907.320 909.920 905.700 下游水位(m) 855.700 859.800 861.150 855.700 淤沙高程(m) 842.200 842.200 842.200 842.200 地震情况 不计 不计 不计 计及 垂直力w(kn) 40036.9 38796.5 38143.7 40036.9 水平力p(kn) -26869.9 -26901.6 -28517.6 -30120.7 力矩 m(knm)-257415.7 -302869 -387221.1 -366764.9 抗剪安全系数

21、k1 1.192 1.154 1.070 1.063 抗剪断安全系数k2 3.675 3.622 3.393 3.278 上游面y (mpa) 0.246 0.158 0.020 0.081 下游面y (mpa) 1.025 1.074 1.191 1.190 由以上各表分析可知在各工况抗剪安全系数均大于1满足稳定要求，抗剪断安全系数均大于3满足稳定要求，上游面y均大于零，不产生拉应力，满足设计要求。 (六)、坝体应力分析用材料力学法计算坝基截面上、下游边缘应力及内部应力，计算过程如下：1、第一步计算边缘应力，判定坝基、坝体强度是否满足要求依次计算出、及主应力、；判断坝基截面上、下游边缘处是否

22、满足强度要求，控制标准参照规范13，坝体混凝土标号自行设计拟定；将计算结果列表表示如下：主要考虑情况上游坝踵处pu858.7puu780yuuxu1u2u设计洪水位1580.0078.715878.7主要考虑情况下游坝址处pd314pud314yddxd1d2d设计洪水位107283865417260由以上个应力状况，根据稳定、强度要求和计算结果，在以上计算荷载组合情况下，坝的断面尺寸设计是合理的。2、第二步计算坝基截面处坝体内部应力选取坝基水平截面处7个计算点，只计算一种荷载组合情况，对、分别进行计算；选坐标，作计算简图表明计算点如下：坝体应力计算简图计算水平截面上垂直正应力、列分布表达式：

23、、用上、下游边缘处、的边界条件定系数、，列出方程式：158=a+63b 1072=a由以上两式可得出a=1072, b=-14.058、列表计算各计算点的值计算表计算点编号0 1 2 3 4 5 6 7 坐标x=（m）0 9 18 27 36 45 54 63 y(kn/m2)1072 941 811 680 550 419 289 158 、画出截面分布图计算水平截面上剪应力、列分布表达式：、用上、下游边缘处、的边界条件定系数、，列出方程式如下： 由得 由以上三式得a1=838 b1=-12.558 c1=-0.0118、列表计算各计算点的值计算表计算点编号01234567坐标x=（m）09

24、182736455463(kn/m2)8387246084903712491250、画出截面分布图计算水平截面上水平正应力、列分布表达式：、用上、下游边缘处、的边界条件定系数、，列出方程式如下： 由以上两式得 a2=654 b2=-9.132、列表计算各计算点的值计算表计算点编号01234567坐标x=（m）09182736455463 ()654.0571.8489.6407.4325.2243.1160.978.7、画出截面分布图计算各点主应力、=、将各点的、代入公式计算、，将计算成果列表如下；主应力、计算表计算点编号01234567坐标 ()0 9 18 27 36 45 54 63 (

25、)654.0571.8489.6407.4325.2243.1160.978.7 ()1072 941 811 680 550 419 289 158 ()8387246084903712491250 ()1726.67 1503.86 1279.23 1052.82 824.72 595.20 365.49 158.00 ()-0.67 9.38 21.25 34.90 50.24 67.00 83.95 78.68 、计算主应力方向从铅直线到主应力的夹角，即将值列表计算如下：值计算表计算点编号01234567坐标 ()0 9 18 27 36 45 54 63 2 ()1676.0 144

26、8.0 1216.3 980.7 741.2 498.0 250.9 0.0 - ()418.0 369.6 321.2 272.8 224.5 176.1 127.7 79.3 -4.53 -4.51 -4.46 -4.37 -4.21 -3.90 -3.16 0.00 -77.60 -77.53 -77.40 -77.15 -76.68 -75.66 -72.50 0.00 -38.80 -38.77 -38.70 -38.57 -38.34 -37.83 -36.25 0.00 、绘制各点主应力图，以矢量表示其大小和方向，。大坝比例尺为1：500，应力比例尺1：250。计算主剪应力：，所

27、在平面与主应力面成45。计算点编号0 1 2 3 4 5 6 7 坐标x=（m）0 9 18 27 36 45 54 63 1(kn/m2)1726.7 1503.9 1279.2 1052.8 824.7 595.2 365.5 158.0 2(kn/m2)-0.67 9.38 21.25 34.90 50.24 67.00 83.95 78.68 max(kn/m2)863.67 747.24 628.99 508.96 387.24 264.10 140.77 39.66 (七)、浆砌石重力坝应力分析电算过程： 基本资料单位：力-kn、力矩-knm、长度-m、应力mpa，重力坝建筑物级别

28、：2级 安全类别：，水平向设计地震加速度代表值 h0.10g，计地震作用。地震动态分布系数采用拟静力法计算。上游地震动水压力折减角 90下游地震动水压力折减角 90重力坝为常态混凝土，强度等级：c10，混凝土重度rc 23.5kn/m3，水重度rw 9.8kn/m3，淤沙浮重度 rs 8.0kn/m3，淤沙内摩檫角 12.000，坝体排水管折减系数 10.300，坝基排水幕坡度dr0.000，扬压力图形折减点离上游面距离 lo8m，扬压力图形折减系数 0.3，计算点间距 dx9.000m，计扬压力。 材料性能标准值 砼层面抗剪断摩檫系数fc =1.050 砼层面抗剪断凝聚力 c (mpa) =

29、 0.900 基岩抗剪断摩檫系数 f=1.050 混凝土抗压强度 fc (mpa) =9.8 断 面 信 息 表 i上游面 x下游面 x 高度 y 排水管 x应力 0 0.000 9.000 82.950 8.000 0 1 0.000 9.000 68.670 8.000 1 2 0.000 63.000 0.000 8.000 1注：应力标记 0-不计，1-计及。本计算按作用的标准值计算，并作如下规定： 1坝轴线与基础面交点为坐标轴原点，轴指向下游为正，轴向上为正。 2垂直力向下为正，水平力指向上游为正，力矩绕坝基面形心逆时针转为正。 3应力受压为正，受拉为负。 4当垂直正应力大于水平正应

30、力时，夹角为第主应力与铅垂线夹角； 当垂直正应力小于水平正应力时，夹角为第主应力与铅垂线夹角； 夹角正负号规定：从铅垂线转向相应的主应力，顺时针转为正。 5代表用边界条件计算上游面应力，检验计算的正确性。计算工况 1：正常状况上游水位 hu905.700m ，下游水位hd855.700m，淤沙高程hs842.200m，不计地震，计扬压力。截 面 i1(高程 895.870m)，此截面以上总垂直力 sw2504.3kn，总水平力 sp-511.9kn，总力矩sm-2497.6knm，抗剪断安全系数 k20.959。下游坝坡 m20.000 上游坝坡 n0.000 排水管坡度 dr 0.000截面

31、宽度 t 9.000m 排水管到上游面距离 l18.000m 计算点编号 坐标 y 1 2 夹角- 1 0.0 0.4633 0.0000 0.0000 0.4633 0.0000 0.000 2 9.0 0.0932 0.0000 0.0004 0.0932 0.0004 0.000-截面i2(高程 827.200m)此截面以上总垂直力sw40036.9kn总水平力sp-26869.9kn总力矩sm-257415.7knm抗剪断安全系数 k3.675下游坝坡 m20.786 ，上游坝坡 n0，排水幕坡度dr0截面宽度t63m ，排水幕到上游面距离 lo8m 计算点编号 坐标 y 1 2 夹角

32、- 1 0.000 1.0246 0.8058 0.6336 1.6583 0.0000 -38.180 2 9.000 0.9135 0.7082 0.6075 1.4850 0.0359 -38.905 3 18.000 0.8023 0.6048 0.5748 1.3039 0.0731 -39.674 4 27.000 0.6911 0.4955 0.5380 1.1159 0.1132 -40.609 5 36.000 0.5799 0.3802 0.4997 0.9221 0.1576 -41.990 6 45.000 0.4687 0.2590 0.4624 0.7246 0.2

33、066 -44.650 7 54.000 0.3576 0.1318 0.4285 0.5296 0.2565 -52.534 8 63.000 0.2464 0.0000 0.0786 0.2464 0.0786 0.000-计算工况 2：设计状况上游水位hu907.320m ，下游水位hd 859.800m，淤沙高程hs842.200m，不计地震 计扬压力。截 面 i1 (高程 895.870m)此截面以上总垂直力 sw 2419.3kn总水平力sp -681.0kn总力矩sm-3551.9knm抗剪断安全系数 k15.624下游坝坡 m20.000 ，上游坝坡 n0.000 ，排水管坡度

34、 dr 0.000截面宽度t9.000m ，排水管到上游面距离 l18.000m计算点编号 坐标 y 1 2 夹角- 1 0.000 0.5319 0.0000 0.0000 0.5319 0.0000 0.0002 9.000 0.0057 0.0000 -0.0004 0.0057 -0.0004 0.000-截 面 i2 (高程 827.200m)此截面以上总垂直力 sw 38796.5kn总水平力 sp-26901.6kn总力矩 sm-302869.4knm抗剪断安全系数k3.622下游坝坡 m20.786 上游坝坡 n0.000 排水幕坡度 dr 0.000截面宽度t63.000m

35、排水幕到上游面距离 lo8.000m计算点编号 坐标 y 1 2 夹角- 1 0.000 1.0737 0.8443 0.6639 1.7376 0.0000 -38.180 2 9.000 0.9429 0.7275 0.6203 1.5267 0.0364 -38.750 3 18.000 0.8120 0.6093 0.5746 1.3141 0.0725 -39.488 4 27.000 0.6812 0.4899 0.5289 1.1008 0.1093 -40.580 5 36.000 0.5504 0.3691 0.4850 0.8883 0.1472 -42.469 6 45.

36、000 0.4196 0.2470 0.4451 0.6797 0.1850 -46.480 7 54.000 0.2888 0.1236 0.4112 0.4879 0.2121 -58.171 8 63.000 0.1580 0.0000 0.0790 0.1580 0.0790 0.001 -计算工况 3：校核状况上游水位 hu909.920m 下游水位hd861.150m 淤沙高程hs842.200m截 面 i1(高程 895.870m)此截面以上总垂直力sw2282.8kn总水平力sp-986.2kn总力矩sm-5585.2knm抗剪断安全系数k10.644下游坝坡 m20.000 上游坝坡n0.000 排水管坡度 dr 0.000截面宽度t9.000m 排水管到上游面距离 l18.000m计算点编号 坐标 y 1 2 夹角- 1 0.000 0.6674 0.0000