水工建筑物习题

1、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； 计算在此单宽流量下的挑射距离（取流速系数 =0.93）并估计冲刷坑深度。 图一

2、风速 V=16m/s               吹程 D=8Km f=0.65         f=0.7         C=60N/cm泥沙 C=300 N/cm        10 

3、       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，坝底与基岩之间的摩擦系数f=0.6。&#

4、160;  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）。      &

5、#160;                                              图   

6、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   &

7、#160; 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

8、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=11.0×KN/，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/）166.0804.57

9、5.577.7560.520149.58010.969.174.5558.6185133.08017.362.771.3556.9350116.58023.656.468.254.5515100.08030.050.065.053.2680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=14.0×kN/,线膨胀系数=0.8×（1/）。 &

10、#160; 两岸开挖后的新鲜岩石坡度均为 1：1，基岩弹模Ej=7.0×kN/。  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    （2）按比例画出坝体浸润线

11、。  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）  

12、;（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）：G2 =2405（KN），滑动面上 =17.5 °， c=0；      

13、; 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

14、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、 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

15、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： 665  

16、  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  &

17、#160; 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 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

18、，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）流速VM/S3.303.1832.9632.6012.055（7）流量QM3/S655

19、554.2443.3332.5221.7（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=750米2/秒（未考虑掺气的计算值），糙率：n=0.014

20、，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

21、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，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

22、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 （ 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 =5

23、000N/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

24、。    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  &#

25、160; 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 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.