水工建筑物课程设计

1、重力坝设计第一章 基本资料1.1基础数据由图1-1下游水位流量关系曲线可知当流量为零时，水位为1253m，即河床高程为1253 m。假设向下开挖地基3 m，则坝基面高程为1253-3=1250 m。 图1-11.2工程等别经查表1-1（课本p10），由水库总库容为1490万m3(0.149亿 m3)可判断该工程为中型级工程；由灌溉面积6.28万亩可判断该工程为中型级工程；由电站装机容量为2250=500kw1万kw可判断为小（2）型级工程。对于综合利用的水利水电工程，其工程等别应按其中最高等别确定，所以该工程为中型级工程。我们所设计的建筑物为大坝，属永久性水工建筑物，查表1-2（课本p10）可

2、得该大坝属于3级主要建筑物，再查表1-3（课本p11）可得该水工建筑物的结构安全级别为级。1.3坝基的力学参数由于岩体较完整，有一定强度，抗滑、抗变形性能受结构面和岩石强度控制，可根据表1-4（混凝土重力坝设计规范坝基岩体工程地质分类及岩体力学系数表）判断该坝基岩体的工程地质分类为中硬岩等。从而根据规范可查得混凝土与坝基接触面的抗剪断参数为：，抗剪参数为：。1.4水文条件本枢纽属于中型等工程，永久性建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500一遇洪水校核。1.4.1淤积高程的确定该工程多年平均输沙量为3.57万吨，本工程考虑正常运行期为30年，查得淤沙的饱和容重为19.5kn/m3

3、,则淤积库容为： 由图1-2查得相对应的淤积高程为1265m,淤沙高度为1265-1250=15m,由于淤积库容相对于总库容很小，故可不设排沙系统。1.4.2死水位及死库容的确定在满足一定生态要求的条件下，死水位越低死库容越小，兴利库容越大，经济效益越高，所以一般死水位取略高于淤积高程，即取1270m。查图1-2可得对应的死库容为108.99万m3，兴利库容=正常蓄水位以下库容-死库容=1188.99-108.99=1080万m3 图1-2因此可得下表：特征水位上游水位（m）下游水位（m）库容（万m3）溢流坝泄量（m3/s）校核洪水位1304.341258.141490965设计洪水位1303

4、.431257.261413807正常蓄水位1300.581188.99死水位1270108.991.5气象资料本地区多年平均最大风速为14m/s，设计情况计算风速21m/s，校核情况风速14m/s，吹程为1km。1.6枢纽总布置根据对地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选用混凝土重力坝方案。重力坝由溢流坝段和非溢流坝段组成。第二章 非溢流坝设计2.1剖面设计2.1.1坝顶高程的确定（1）波浪要素按官厅水库公式计算：（m）；（m）；（m）；（一般峡谷水库因，所以：）；其中：为计算风速，m/s。正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期最大风速，校核洪水位时宜采用相应洪水期最大

5、风速的多年平均值。吹程，m；波长，m；波浪高度，m；波浪中心线高于静水位的高度，m；坝前水深，m；超高，m； 安全加高（根据建筑物的安全级别可查表2-1，课本p34，由于该工程的结构安全级别为级，故查得，）。（2）其中正常蓄水位基本荷载组合作用下需要的超高；校核洪水位时需要的超高。（3）经计算可得下表2-2基本情况水位高程（m）v0m/skmmlmmmm防浪墙高程（m）正常蓄水位1300.582110.758.230.210.51.461302.04校核洪水位1304.341410.455.490.120.40.971305.31经比较可知防浪墙墙顶高程=max(1302.04,1305.31

6、)=1305.31m。假设防浪墙修1.2m高，则坝顶高程=1305.31-1.2=1304.11m，最大坝高=1304.11-1250=54.11m，取54m。2.1.2坝顶宽度 按规范，考虑交通需求，坝顶宽度取7m。2.1.3坝底宽度 根据工程经验，坝底宽度一般为0.70.9倍的坝高。取底宽与坝高比为0.8，此时坝底宽b=0.854.11=43.29m，取43m。2.1.4坝面坡度 上游坝面采用铅直；下游坡面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则折坡处向上延伸与校核洪水位相交。根据几何关系，可得坡度为1:0.8，下游折点高程为1295.55m。因此可得非溢流坝段剖面尺寸如图2-1。

7、71305.311304.111304.341303.4312501280385图2-1非溢流坝段剖面面尺寸1257.261258.14431:0.8541295.551300.582.2抗滑稳定及坝基面应力分析2.2.1荷载组合及计算选取两种荷载组合进行计算，分别为基本组合对应的是设计洪水位，偶然组合对应的是校核洪水位。由于坝基地质条件不是很好，即在离坝踵5m处设置防渗帷幕和排水孔。渗透压强系数。荷载分布如下图2-2（沿坝轴线方向取1米宽坝体作为计算单元）：uwp1psp2 图2-2 荷载分布图图中p1为上游水压力；p2为下游水压力，w为坝体自重；u为扬压力,ps为泥沙压力。设坝基面水平，根

8、据抗剪断理论分析及其计算公式得：大坝在任何水平截面以上的坝体所承受的总水平推力；为水平截面所承受的正压力；该平面上的摩擦系数（取）；抗剪断凝聚力（取）；a滑动截面面积；设计洪水位时3.0；校核洪水位时2.5设下游坝面与水平地面的夹角分别为： ，因为坡度为1:0.8。可由三角函数得 将坝体分为一个矩形和一个三角形其中矩形长宽=547（mm），三角形高为，三角形的底长为:。a、 设计洪水位时的抗滑稳定性计算：上游水位1303.43m，下游水位1257.26m，可得上游水深h1=1303.43-1253=50.43m，下游水深h2=1257.26-1253=4.26m坝体自重：；上游水压力：；待添加

9、的隐藏文字内容2下游水压力：； 水平方向分力：； 竖直方向分力：；扬压力的计算：由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力作用水头为50.43m，排水孔中心出，坝地面下游处（坝址）扬压力作用水头h2=4.26m，各段之间都是直线连接。总的扬压力为该图中折线和坝底围城的面积。如图2-2所示：泥沙压力：所以b、 校核洪水位时的抗滑稳定性计算：上游水位1304.34m，下游水位1258.14m，可得上游水深h1=1304.34-1253=51.34m，下游水深h2=1258.14-1253=5.14m坝体自重：；上游水压力：；下游水压力：； 水平方向分力：； 竖直方向分力：；扬压

10、力的计算：由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力作用水头为51.34m，排水孔中心处，坝地面下游处（坝址）扬压力作用水头h2=5.14m，各段之间都是直线连接。总的扬压力为该图中折线和坝底围城的面积。如图2-2所示：泥沙压力：所以2.2.2上下游坝面应力计算重力坝设计时，除了按规范核算沿坝基面的抗滑稳定要求，还要核定大坝在施工期和运行期是否满足强度要求。在一般情况下，坝体的最大、最小正应力和主应力都出现在上下游坝面，所以重力坝设计规范规定，应核算上下游坝面的应力是否满足强度要求。基于以下三点基本假定：（1）坝体混凝土为均质、连续、各项同性的弹性材料；（2）视坝段为固接于

11、地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，永久横缝不传力；（3）假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。应用材料力学方法分析重力坝在正常蓄水位(1300.58m)下的应力。为方便计算，假设下游水深为0。如图（2-3）建立坐标系，坐标原点为o，坝踵为o1,坝址为o2，则基础数据计算如下：yuwp1psx正常蓄水位时，上游水深h1=1300.58-1253=47.58m,下游水深h2=0上游水压力：坝体自重：扬压力的计算：由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力作用水头为47.58m，排水孔中心处，坝地面下游处（坝址）扬

12、压力作用水头h2=0m，各段之间都是直线连接。总的扬压力为该图中折线和坝底围城的面积。如图2-3所示：泥沙压力：2.2.2.1水平截面上的正应力（以压应力为正，下同）坝踵、坝址处均没有出现拉应力，满足工程规范要求。2.2.2.2剪应力（、）上游面水压力强度和泥沙压力强度和：下游面水压力强度：上游扬压力强度：下游扬压力强度：上游剪应力：说明：剪力为零，说明为主应力面。下游剪应力：其中n为上游坝坡坡率，为上游坝面与竖直面的夹角。因为上游坝坡铅垂，故为0，n也为0；m为下游坝坡坡率，为下游坝面与竖直面的夹角，易得m=0.8。2.2.2.3水平正应力(、) 2.2.2.4主应力(、及、) 第三章 溢流

13、坝剖面设计3.1泄水方式的选择重力坝的泄水方式主要有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物；设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，采用开敞式溢流水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。3.2孔口净宽的拟定孔口净宽按公式计算,其中q溢 为下泄流量；q单宽流量。由已知条件：50年一遇洪水，相应洪峰流量为961m3/s； 500年一遇洪水，相应洪峰流量为1572 m3/s。经调洪演算求得设计洪水位达1303.43m，相应下泄流量为807 m3/s ；校核洪水位1304.34m，相应下泄流量为96

14、5m3/s。q2050m/s，下游河床宽为=38m。分别计算设计水位和校核水位情况下溢洪道所需的孔口宽度如下表3-1:计算情况流量q(m3/s)单宽流量q(m3/s)孔口净宽b(m)设计水位807205040.3516.14校核水位965205048.2519.3根据以上计算，取孔口净宽b=30m，设计洪水位时单宽流量为27m/s,为了保证泄洪时闸门的对称开启，取：每孔净宽b=5m，孔数n=6。3.3求溢流坝段净宽l0根据闸门的形式取闸墩厚度d1.2m，由上述计算孔口净宽b5m，总和分别为b与d，则溢流前缘总长l0为：l0b+d=nb+(n-1)d=65+(6-1)1.2=36m38m。3.4

15、求堰上水头h0由公式可确定堰上水头，公式为：其中e闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，取e=0.92；m流量系数，按wes溢流面曲线查武汉大学出版社出版水力学得m=0.502；g重力加速度，g=9.8m/s。当设计洪水位时， =807 m3/s,b=30m,即=5.575.6m验算：当校核洪水位时，泄流量为965 m3/s，=5.6m,代入公式求得孔口净宽b为35.6m,对应的校核水位单宽流量q为27 m/s，不大于设计水位的单宽流量27m/s，满足条件，说明设计合理。所以取溢流坝段堰上水头 =5.6m,堰顶高程为: 1305.31-5.6=1299.71m。3.5 堰型的确定溢流面由顶部曲线段、

16、中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体型简单，造价低，便于施工等。3.5.1顶部曲线段（1）由于wes溢流曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量教省，坝面曲线用方程控制，容易找到切点位置，施工教方便，故采用wes溢流堰形式。wes溢流剖面堰型采用幂曲线公式如下： 其中定型设计水头，为了防止出现负压和得到经济的剖面，采用堰顶水头hd=(0.750.95) h0，取hd=0.8 h0=4.48m。a、b系数，与堰的上游系数面倾斜坡度有关，由水工建筑物课本p106可知，当上游面为垂直的时候a=0.5,b=1.85 ；x、y以堰顶最高点为原点坐标。化简为（2）堰顶曲线与堰下游面的连接点：堰顶曲线和下游坝面应该是光滑连接，即下游坝面直线是堰顶曲线在交接点的切线。这两条直线的斜率应相等。堰下游面坡度与非溢流坝段的下游面相同为1：m=1:0.8。设两曲线相交点坐标为（x,y）,易知下游坝面直线斜率为k=1.25,堰顶曲线在焦点处斜率为曲线方程对x求导： 可求得x=39.02 y=26.373.5.2反弧段设计设反弧段起始点和挑出点在同一高程处