大工《水工建筑物课程设计》离线作业答案

1、网络教育学院水工建筑物课程设计题 目水库混凝土重力坝设计学习中心：专 业： 水利水电工程年 级：2012年秋季学号：121294401877学生：阮艺娟指导教师：1项目基本资料1.1气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s,重现期为50年 的年最大风速23m/s,吹程：设计洪水位 2.6 km,校核洪水位3.0 km。最大冻土深度为1.25m。河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。1.2工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件(1) 左岸：覆盖层23m,全风化带厚35m,强风化加弱风化带厚3m, 微风化厚4m。(2) 河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约

2、01.5m，弱风化层厚1m左右， 微风化层厚36m。坝址处河床岩面高程约在 38m左右，整个河床皆为微、弱风 化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。(3) 右岸：覆盖层35m,全风化带厚57m，强风化带厚13m,弱风化 带厚13m,微风化厚14m。1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游 23km均可开采，储量足，质量好。粘 土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足砼重力坝要求。1.2.3水库水位及规模 死水位：初步确定死库容 0.30亿m3,死水位51m。 正常蓄水位：80.0m。注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。表

3、状况坝底咼程(m)坝顶咼程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况3184.982.5045.5001 : 0.8校核情况3184.984.7246.4501 : 0.8本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙 压力+浪压力。特殊组合 (1)为校核洪水位情况， 其荷载组合为： 自重+静水压力 +扬压力+泥沙 压力+浪压力。22 设计及计算内容2.1 坝高计算据大坝特性表资料，坝高 H=K顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中 坝。2.2 挡水坝段剖面设计2.2.1 坝顶

4、构造设计坝顶宽度取8% 10%坝高，且不小于3m,设计坝顶宽度取4.80m。坝顶上游设置防浪墙，墙身采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，高度取1.35m(按设计洪水位计算)，宽度取0.50m,坝顶下游侧设拦杆。2.2.2 坝底宽度计算根据大坝特性表资料，坝底宽度 T= (84.90-31.00 )X 0.8=43.12m。2.2.3 坝体检查排水廊道、排水管幕设计 为了便于检查、观测和排除坝体渗水，在坝体高程 65.00 处设一检查兼作排水用的廊道，廊道断面采用城门洞形，宽度取1.5m，高度取2.5m，其上游侧至上游坝面的距离取0.050.07倍作用水头，且不小于 3m设计取4.00m。为了减

5、小坝体的渗透压力，靠近上游坝面设置排水管幕，排水管幕至上游坝面的距离取1/151/25倍作用水头，且不小于2m设计取3.00m,间距取2.50m， 管径取200mm排水管幕做成铅直，与纵向排水检修廊道相通，渗入排水管的水可 汇集到下层纵向廊道，排水管幕上端通至坝顶。2.2.4 坝基灌浆排水廊道设计坝基灌浆排水设置在上游坝踵处， 廊道上游侧距上游坝面的距离取 0.050.1 倍作用水头，且不小于45m设计取4.0m,廊道断面采用城门洞形，宽度取3.00m， 高度取3.50m,廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔，廊道底面 距离基岩面不小于 1.5 倍廊道宽度，设计取 4.00m。为减

6、少坝基渗漏，防止较大渗流对坝基产生渗透破坏，减小坝基底面的防渗 扬压力，提高坝体的抗滑稳定性，在廊道上游侧布置一排帷幕灌浆，帷幕灌浆深 度取0.050.07倍作用水头，帷幕灌浆深度设计取20.00m。灌浆帷幕中心线距上 游坝面4.50m。帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土后进行，灌浆压力表层 不宜小于1.01.5倍坝前静水头，取60m*10KNM=600KPa在孔低不宜小于23 倍坝前静水头，取 130m*10KN/m3=1300KPa。为了充分降低坝底扬压力和排除基岩渗水，在廊道下游侧布置一排排水孔幕， 排水孔深度为帷幕灌浆深度的0.40.6倍，且坝高50m以上的深度不小于10m 排水孔

7、深度设计取10.00m,孔距取2.50m，孔径取200mm排水孔略向下游倾斜， 与帷幕灌浆成 10交角。排水孔中心线距帷幕中心线 2.00m。2.2.5 地基处理 基岩开挖的边坡必须保持稳定，两岸岸坡尽量开挖成有足够宽度的台阶状，以确保坝体的侧向稳定。对于靠近坝基面的缓倾角软弱夹层，埋藏不深的溶洞、 溶浊面应尽量挖除。开挖至距利用岩面 0.51.0m 时，应采用手风钻钻孔，小药 量爆破，以免产生裂隙或增大裂隙。 遇到易风化的页岩、黏土岩时，应留 0.20.3m 的保护层，待浇筑混凝土前再挖除。坝基应清到比较坚硬完整的完整的岩面，基 面平整、水平即可，地基开挖后，在浇筑混凝土前，必须彻底清理、冲

8、洗和修凿 , 风化、松动、软弱破碎的岩块都要清除干净，突出的尖角要打掉，光滑的岩面要 凿毛，并用水冲洗干净，基岩表面不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物，排 除基岩面上全部积水，基坑内原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。2.2.6 坝体材料分区(1) 上、下游最高水位以上坝体表层采用C15、W F100厚3.00m的混凝土。(2) 下游水位变化区的坝体表层采用 C15、W、F200厚3.00m的混凝土。(3) 上、下游最低水位以下坝体表层米用C2o、W、F100厚3.00m的混凝土。(4) 坝体靠近基础的底部米用C2o、W0、F200厚8.00m的混凝土，满足强度要求。(5) 坝体内部采用

9、C10、 W2 低热混凝土。2.3 挡水坝段荷载计算本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况。3.1荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。设计洪水位坝体尺寸与荷载(m(1) 自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用 24KN/m3,因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。(2) 静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。(3) 扬压力。坝踵处的扬压力强度为 丫 3 Hi,排水孔线上为丫 3 H2+，丫 3厶H , 坝址处为丫 3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系数:=0.25。(4)

10、泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m，大坝迎水面前泥沙的淤积高度hs=51.0-31.0=20.0m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布， 泥沙干重度丫 sd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42，内摩擦角 s取18,泥沙的浮 重度丫 sb= 丫 sd-(1-n) 丫 3=13.5-(1-0.42) X 10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水面上的 水平泥沙压力值按公式Psk=1/2 丫 sbVtan2 (45 - J2)。坝址处河床岩面高程约 在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度 hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥 沙压力外还应计算竖直泥沙压

11、力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5) 浪压力。计算风速取重现期为50年的年最大风速23m/s，风区长度取2600m, 按鹤地水库试验公式 gh2%/v02=0.00625w(1/6)(gD/v02)(1/3)和 gLm/v02=0.0386(gD/v02)(1/2) 计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m，平均波长 Lm=14.45m,经查表求得h1%=2.25m。使波浪破碎的临界水 HCr=Lm/(4 n )ln(L m+2 n h1%)/(Lmr2 n h1%)=5.19m。 因为坝前水深 H=82.50-31.00=51.50m，HHCr和H Lm/2,发生深水波，单位

12、 长度大坝迎水面上的浪压力值按公式 Pwk=1/4 丫 w Lm(h1%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度 hz= n h1%2/LmCth( n H/LR=1.10m。防浪墙顶高程为：82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。 上述荷载计算见计算表。重力坝基本荷载组合计算表荷载计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ/ + -自重W4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964WI1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力

13、P1/2*51.5 2*10132611/3*51.5=17.17227691R1/2*14.5 2*1010511/3*14.5=4.835076Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877扬压力U114.5*43.12*106252000U21/2*36.62*0.25*37*1016942/3*36.62-21.56=2.854828U30.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004U41/2(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490泥沙压力Ps11/

14、2*7.7*20.0 2*tan 2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*7 2* tan 2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pv1/4*10*14.45*(14.45/2+1.1+2.25 )2-1/8*10*14.4538226151.5-14.45/2+(14.45/2+ 1.1+2.25 ) /3=47.80 51.5-2/3*14.45=41.871092818260合 计94492922714456141222308530254619778 J1304479461

15、 3.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压 力+扬压力+泥沙压力+浪压力。校核洪水位坝体尺寸与荷载(m(1) 自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用 24KN/m3,因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。(2) 静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。(3) 扬压力。坝踵处的扬压力强度为 丫 3 Hl，排水孔线上为丫 3 H2+丫 3 H , 坝址处为丫 3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系数=0.25。(4) 泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m，大坝迎水面前泥沙的淤积高度 hs=51.00-31.

16、00=20.00m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形 分布，泥沙干重度丫 sd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42，内摩擦角 s取18，泥 沙的浮重度 Ysb=Y s*(1-n) 丫 3=13.5-(1-0.42) X 10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水 面上的水平泥沙压力值按公式 Psk=1/2丫 sbhs2tan2 (45 - J2)。坝址处河床岩面 高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度hs=38.00-31.00=7.00m,除计算 水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5) 浪压力。计算风速取多年平均最大风速 14m/s,风区

17、长度取3000m,按鹤地 水库试验公式 gh2%/vo2=O.OO625vo(1/6)(gD/vo2)(1/3和 gLm/vo2=O.O386(gD/vo2)(1计算得 累积频率为2%的波高h2%=1.O3m，平均波长Lm=9.45m,经查表求得hi%=1.12m。使波浪破碎的临界水 HCr=Lm/(4 n )ln(L n+2 n h1%)/(Ln-2 n h1%)=1.45m。因为坝前水深 H=84.72-31.OO=53.72m , HHL和H Lm/2,发生深水波，单位 长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4 丫 w Lm(h1%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度 hz=

18、n h1%2/LmCth( n H/Lm)=O.42m。防浪墙顶高程为：84.72+h1%+hz+hC=84.72+1.12+O.42+O.3O=86.56m。大坝特 性表资料提供的坝顶高程不足。上述荷载计算见计算表。重力坝特殊荷载组合计算表荷载计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ/ + -自重W4.8*53.9*2462O921.56-2.4=19.16118964W1/2*47.9*38.32*2422O262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力P1/2*53.72 2*1O144291/3*53.72=17.91258423P2

19、21/2*15.45 *1O11941/3*15.45=5.156149Q1/2*O.8*15.45 2*1O95521.56-1/3*O.8*15.45=17.4416655扬压力U115.45*43.12*1O6662OOOU21/2*36.62*O.25*38.27*1O17522/3*36.62-21.56=2.854993U3O.25*38.27*6.5*1O62221.56-1/2*6.5=18.3111389U41/2(1-O.25)*38.27*6.5*1O93321.56-1/3*6.5=19.3918O91泥沙压力Ps11/2*7.7*2O.O 2*tan 2368131/

20、3*2O=6.675423Ps21/2*7.7*7 2* tan 2361OO1/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*O.8*7215121.56-O.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*1O*9.45*(9.45/2+O.42+1.12 )2-1/8*1O*9.4514811253.72- 9.45/2+(9.45/2+O.42+1.12 ) /3=51.O853.72- 2/3*9.45=47.425311756O合 计9969293411539O14O62185413255O719372 J13984T1O69663.3挡水坝段荷载计算成果本设计荷载仅分析基本组合(2

21、)及特殊组合(1)两种情况，荷载组合作用计算 成果见表二和表三。表二：坝体基本荷载组合作用计算成果荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底 截面形 心力臂(m)力矩(kN.m)TJ/ + -自重W620919.16118964W2220263.9987884水压力Pi1326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877扬压力Ui6252000U216942.854828U360118.3111004U490219.3917490泥沙压力FSi8136.675423R21002.33233F315119.692973浪压力Fw38226147.8041.8710

22、92818260合 计94492922714456141222308530254619778 三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表荷 载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底 截面形 心力臂(m)力矩(kN.m)TJ7J/ + -自重W620919.16118964W220263.9987884水压力R1442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655扬压力U16662000U217522.854993U362218.3111389U493319.3918091泥沙压力Fs18136.675423Ps21002.33233Ps31511

23、9.692973浪压力Fw14811251.0847.4253117560合计99692934115390140621854132550719372 J1398471069662.4 挡水坝段建基面抗滑稳定计算沿坝轴线方向取 1m 长进行抗滑稳定分析计算。4.1 荷载基本组合 (2) 为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重 +静水 压力+扬压力+泥沙压力 +浪压力。参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f=0.85, C =0.65MPa,基岩允许抗压强度取 1430KPa。建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K = (f刀W+ C A)/刀P=(0.85*197

24、78+650*43.12)/13044=3.44 K =3.0，满足抗滑稳定要求。4.2 荷载特殊组合 (1) 为校核洪水位情况， 其荷载组合为： 自重 +静水压 力+扬压力+泥沙压力 +浪压力。参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f=0.85, C =0.65MPa,基岩允许抗压强度取 1430KPa。建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K = f刀W+ C A)/刀P=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18K =2.5，满足抗滑稳定要求。2.5 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核5.1 荷载基本组合 (2) 为设计洪水位情况，

25、其荷载组合为：自重 +静水 压力+扬压力+泥沙压力 +浪压力。(1) 当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：S uy=刀 W/B+6 刀 M/B2=19778/43.12+6* (-79461) /43.122=202.27(KPa)0，满 足要求。S y=EW/B-6刀 M/B =19778/43.12-6*(-79461)/43.12 =715.09(KPa)v 1430Kpa， 满足抗压强度要求。(2) 当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：t U=(P-Puu- S Uy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27) *0=0(KPa)。t =(S y

26、+P u-P )m2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(KPa)，满足要求。(3) 当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：S ux=(P-Puu)-(P-Puu-S uy)m12=(51.5*10-51.5*10)- (51.5*10-51.5*10-202.27)*0 =0(KPa)。S dx=( P -Pdu)+ (S dy+Pdu-P )m22=(14.5*10-14.5*10)+ (715.09+14.5*102-14.5*10)*0.8 =457.66(KPa)，满足要求。(4) 当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：

27、S ui=(1+mi2) S Uy-(P-PUu)mi2=(1+0)*202.27 -(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa), 满足要求。S u2= P-Puu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。S di=(1+m22) S dy -(p -Pdu)m22=(1+0.82)* 715.09-(14.5*10-14.5*10) *0.8 2 =1172.75(KPa),满足要求。S d2= P -Pdu=14.5*10-14.5*10=0(KPa)。(5) 当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：S uy=刀W/B+6 刀M/B2=29227/4

28、3.12+6* (-46139) /43.122=528.92(KPa)0，满 足要求。S dy=E W/B-6刀 M/B 2=29227/43.12-6*(-46139)/43.122=826.69(KPa)v 1430Kpa, 满足抗压强度要求。(6) 当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：t u=(Pu- S Uy)m1=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。t d=(S dy - Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa)，满足要求。(7) 当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：S ux=Pu-(Pu-S uy)

29、m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0 =515.00(KPa)，满足要求。S dx=Pd+(S dy-Pd)m22=14.5*10+ (826.69-1 4.5*1 0)*0.8 2=581 .28(KPa) ，满足要求。(8) 当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：S u1=(1+m12)S uy- Pu *m12=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10) *0=528.92(KPa) ，满 足要求。S u2= P =51.5*10=515.00(KPa),满足要求。QQQQS 1=(1+m2 ) S y-P *m2 =(1+0.8

30、 )* 826.69-14.5*10*0.8 =1262.97(KPa)，满足要 求。S d2= P =14.5*10=145.00(KPa)，满足要求。5.2 荷载特殊组合 (1) 为校核洪水位情况， 其荷载组合为： 自重 +静水压 力+扬压力+泥沙压力 +浪压力。(1) 当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：S Uy=EW/B+6刀M/B2=19372/43.12+6* (-106966) /43.122=104.08(KPa)0,满 足要求。S dy=刀 W/B-6 刀 M/B 2=19372/43.12-6* ( -106966 / /43.12=794.43(KPa)

31、v1430KPa,满足抗压强度要求(2) 当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：t u=(P-PUu- S Uy)mi=(53.72*10-53.72*10-104.08) *O=O(KPa)。t d=( S dy+pdu-p)m2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(KPa)，满足要 求。(3) 当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：Sux=(P-Puu)-(P-Puu-S uy)m12=(53.72*10-53.72*10)- (53.72*10-53.72*10- 104.08)*0=0(KPa)。S dx=( P -Pdu

32、)+ (S dy+pdu-p)m22=(15.45*10-15.45*10)+ (794.43+15.45*102-15.45*10)*0.8 =508.44(KPa),满足要求。(4) 当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：Su1=(1+m12)Suy-(P-Puu)m12=(1+0)*104.08 -(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KPa)，满足要求。S u2= P-Puu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。S d1=(1+m22) S dy - (P -Pdu)m22=(1+0.82)* 794.43-(15.45*10-15.45*10) *0.8 2=1302.87(KPa),满足要求。IS 2= P -P u=15.45*10-15.45*10=0(KPa)。(5) 当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：S uy=刀 W/B+6 刀 M/B2=29341/43.12+6* (-72493) /43.1