水工建筑物课程设计

1、目录第一章基本资料1第二章坝体坡面拟定7第一节坝体坡面拟定7第二节荷载计算10第三章抗滑稳定分析13第四章应力分析15第五章细部结构设计16第六章地基处理与两岸连接24第一节地基处理24第二节重力坝与两岸连接26第一章基本资料（一）工程概况顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处于低山丘陵区， 最窄处仅 10 余公里。通过礼河、 洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上，控制流域面积33700 平方公里，总库容为亿立方

2、米。水库距迁西县城35 公里，有公路相通。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪要求，尽可能使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。根据水库的工程规模及在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为 I 级建筑物，其他建筑物按 II 级建筑物考虑。（二）水文分析（1）. 年径流：顺河水量较充沛， 顺河站多年平均年径流量为亿立方米占全流域的 53%，年内分配很不均匀，主要集中在汛期七、八月份。丰水年时占全年 5060%，枯水年占 3040%，而且年际变化也很大。（2）. 洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高

3、量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883 年最大，由红痕估算洪峰流量约为2440027400m3/s, 实测的 45 年资料中最大洪峰流量发生在1962 年为18800m3/s。(3). 泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为 1825 万吨多年平均含沙量公斤 / 立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的 10%，这样总入库沙量为 2010 万吨。淤砂浮容量为吨 / 立米，内摩擦角为 12 度。淤砂高程米。（三）气象库区年平均气温为10左右，一月最低月平均产气温为零下

4、，绝对最低气温达零下 （1969 年）7 月份最高月平均气温25，绝对最高达 39（1955年） , 本流域无霜期较短（ 90180 天）冰冻期较长（ 120200 天），顺河站附近河道一般 12 月封冻，次年 3 月上旬解冻，封冻期约70100 天，冰厚米，岸边可达 1 米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大夏季常为东南风， 多年平均最大风速为米 / 秒，水库吹程 D=3 公里。（四）工程地质库区地质：顺河水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄，断续出现不对称，区域内无严重的坍岸及渗透问题。第四大岩层（ Ar

5、l4 ）为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒千状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本岩层体厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度 185 米左右。岩石物理力学性质： 岩石容重吨 / 立米，饱和抗压强度， 弱风化和微分化岩石均在 650 公斤 / 厘米 2 以上，有的可达 1100 公斤 / 厘米 2 以上，混凝土与岩石的摩擦系数微分化及弱风化化下部，可取 f= 、c=cm2。地震：库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。弱震任不断发生，其中1936 年和1976 年两年内发生6 度左右地震，1977 年6 月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定

6、，水库的基本烈度为性，和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用6 度，考虑到枢纽的重要7 度。（五）枢纽建筑物特性指标项目单位指标备注校核洪水位米设计洪水位米水正常蓄水位米汛期限制水位米死水位（发电）米位校核洪水位尾水位米设计洪水尾水位米正常尾水位米总库容亿立米计入十年淤积库调洪库容亿立米兴利库容亿立米容共用库容亿立米死库容亿立米计入十年淤积坝型混凝土重力坝坝顶溢孔数孔19堰顶高程米闸墩的中墩厚度为3 米每孔净宽米工作闸门尺寸米米1515弧形钢闸门启闭机（ 2）台19固定式卷扬机设计洪水下泄能力32300校核水位下泄量42900限泄 275003进口底高程米底孔数目孔4泄工作阀尺寸米* 米5*

7、7弧形闸门水启闭机台4孔设计水位泄水能力米3/ 秒4340校核水位泄水能力米3/ 秒4430水管道进口高程米三条引水管道管线长度米电站管径米引水最大引水流量米3/ 秒104每条引水道道工作阀门米* 米3-5*7工作阀门启闭机台3平板检修闸门米* 米5*检修门启闭机台1400/25 吨门机主厂房尺寸长*米*米72*机组间距米16水轮发电机组台3电装机容量万瓦3*6=18站水轮机型号HL720 LT-330额定出力万瓦主要变压器型号SPL-80000220输电线电压千伏220共 3 台（六）坝型、坝址选择（1）坝型选择坝址地形地质条件，河谷断面比较宽浅，两岸不对称，坝址区域为花岗岩结构，岩体是厚层

8、块状，质地均一，抗风化强，工程地质条件好，覆盖层及风化层较薄弱。建筑材料：经勘测，坝址附近有丰富的砂石料，但缺土料，只有很薄的表层堆积物。根据以上情况进行综合分析如下：拱坝方案：河谷断面宽浅，不是 V字型，两岸不对称，没有合适的地质条件，故该方案不可行。土石坝方案：坝址付近没有适宜的地形像溢洪道， 若开挖溢洪道， 则开挖量较大，并且当地土料比较缺乏，故也不可取。重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝都不能充分利用当地的自然条件，泄洪问题容易解决，施工容易。浆砌石重力坝虽然节约水泥用量，但不能实现机械化施工、施工方便、速度快、缩短工期，故本工程采用混凝土重力坝。（2）坝址选择：经地形、地质勘测，

9、综合考虑地质条件、施工条件、综合效益等情况，坝址位于迁西县杨岔村的顺河流上，控制流域面积33700 平方公里，总库容亿立方米，水库距迁西县城35 公里，有公路相通。（七）枢纽总体布置方案选择水库枢纽由主坝、电站及泄水孔等组成（1）溢流坝的布置：溢流坝的位置应使下泄洪水、 排水时能与下游平顺连接，不致冲刷坝基和其他建筑物，溢流孔孔数19 孔，净宽 15 米，中墩厚 3 米。2）导流底孔布置：导流底孔宣泄期的流量一般应考虑与永久建筑物相组合，做到一孔多用，导流底孔孔数为 4，宽 44 米。3）电站坝段布置：水电站厂房尽量布置在靠近用户的岸，且要布置在使出力最大的一岸，电站坝段 48 米，由 3 台

10、水轮发电机组。（4）挡水坝段布置： 非溢流坝一般布置在河岸部分与岸坡相连， 非溢流坝与溢流坝或其他建筑物连接处，用导墙、变强隔开。根据以上原则及尺寸，经分析 1/2 方案可选择，即：方案一挡水坝溢流泄水溢流坝水电站挡水坝坝坝方案二挡水溢流有孔坝坡挡水坝坝坝方案一、方案二比较方案一：泄水孔布置在中间，在水库建成以后，它将承担排沙、放空水库使用，不是频繁使用，且开挖量大。方案二：溢流坝在中间，下泄洪水时，可以与主河槽水平顺连接且开挖量不大，故可采用。工程开挖量不大，且溢洪道泄水与主河槽平顺相连。第二章坝体坡面拟定第一节坝体坡面拟定（一）坝体坡面拟定从地形图可得拦水坝段的最底部高程为米，故可据此确定

11、最大坝高河坝顶高程。（1）坝顶高程应高于交河洪水位，把顶上游防浪墙顶高程高于波浪高程，其与设计洪水位或校核洪水位的高差h 由下式确定：h=h1%+hz+hc其中：h-防浪墙顶呈设计洪水位或校核洪水位高差mh1%-累计频率为1%时波浪高度mhz-波浪中心线高出设计洪水位或校核洪水位高度mhc- 安全超高由设计枢纽工程为一等， 主坝为级建筑物， 故计算的非溢流坝为级建筑物，查混凝土重力坝设计规范得安全超高，设计洪水位时为，校核洪水位时为。坝顶上游防浪墙顶高程 =设计洪水位 +h 设坝顶或防浪墙顶高程 =校核洪水位 +h 校设计洪水情况风区长度 D=3公里，计算风速 V0 设计洪水情况下取的年平均风

12、速的倍，为V *=s.0=2(1/-12)2)1/32由于 gh5%/ V0 = V0(gD/V 0V 0 /g 得h5%=* (1/-12)*3000/ 1/3 =由 gl/ V2-1/(Gd/ V2)1/得0=V00L=波浪中心线呈计算水平的高度h8=hl 2/Lcth2H/L 因 HLcth2H/L h1 %=h8=h/L=*1/=因主坝为级建筑物，故取设计安全超高hc=坝顶高程 =+=校核洪水位情况风区长度 D=3公里，计算风速V0 在校核洪水位情况的平均最大风速V0=s波高：h5%= *(1/-12) *3000/ 1/3 =波长：-1/2)1/*=L= V0(Gd/ V 0波浪中心

13、线至计算水位高度h8= hl 2/Lcth2 H/L 因 HL cth2 H/L= h 1%=*= h8= hc2/L=*=因主坝为级建筑物，故取校核安全超高hc=h 校= h 1%+h8+hc=+= m取上述两种情况坝顶高程中的最大值，并取防浪墙高为， 所以实际坝顶高程为取。（二）坝顶宽度坝顶宽度一般为坝高8%10%，并考虑交通要求，坝顶宽度取10m，满足级建筑物坝顶宽度10 15m要求。（三）坝面坡度考虑利用部分水重增加其抗滑稳定，据工程实践，上游边坡系数一般取n=，下游坝坡 m=.（四）上下游起坡点位置确定上下游起坡点、位置综合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来确定。

14、一般起坡点在坝高的1/3 2/3 附近，下游起坡点的位置距坝顶的实用剖面形式，坝顶宽度结合坝基本剖面得到。根据实际情况，设计上游坝坡起点高程取185m，下游起坡点高程取。（五）坝体防身排水据上述尺寸得坝最大宽度为米，分析基本条件， 要求防渗帷幕和排水廊道，灌浆廊道尺寸定为3m*，廊道底部高程为，距基岩面5m，帷幕中心线距上游坝7m，排水孔中心线距离防渗帷幕中心线，拟设廊道系统、实体重力坝、剖面设计暂不计入廊道影响。第二节荷载计算（一）计算情况选择在设计重力坝剖面时，按照承载力极限状态，计算荷载的基本组合与偶然组合。基本组合荷载：正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况。荷载的偶然组合有：校核洪

15、水位情况、地震情况、设计时应对这种情况分别计算，在设计仅以设计洪水位情况进行荷载分析计算。（二）计算截面选择抗滑稳定的计算截面，一般应选择受力较大，抗剪强度低，容易产生滑动破坏的截面，一般情况下有几种：坝基面、坝基面内软弱层、坝基面缓顺角结构面，不利地形、混凝土层等。应力分析位置一般有坝基面、折坡处的截面、坝体削弱部位等，在设计仅以坝基面计算为例进行计算。（三）荷载计算首先 据非溢流坝坡面的受力图算出荷载作用的标准值、设计值后，求出荷载所产生的力矩的标准设计值。设计洪水位情况下，作用坝基面上的荷载有自重、静水压力、扬压力、淤泥压力、浪压力有关参数的选择。 混凝土重度为 240Kn/m3，水的重

16、度为 Kn/m 3，扬压力折减系数为 , 泥沙的浮重度为 Kn/m 3，内摩擦角为 12，荷载作用的分项系数值取 1m坝长计算。1自重W坝体自重计算公式： W=VrcV-坝体体积3rc- 坝体混凝图的重度，一般取m坝体分成三块分别计算：W1=1/2*24*1=7935KN L=3*=W2=0*（） *24*1=2400kn力臂 L=+5)=W3=1/2*L=3*65=2、静水压力 PH静水压力 PH=1/2rwH2H 计算点作用水头， m、3rw水的重度，常取Kn/mPW1=1/2*1=L=2*=3、自重Pv1=*1=L=2*=Pv2=*1=L=3*=Pv1=*1=L=3*=4、泥沙压力泥沙压

17、力水平压力PskH=1/2Vsbhs2tg 2 （45 s/2 ）式中： Vsb - 泥沙的浮重度Kn/m3Vsb= Kn/m3h s- 坝前淤泥高度s 淤沙内摩擦角PskH=1/2*30 2 tg 2（45 120/2 ）= L=1/3*30=10m竖直方向泥沙厚度L=*30/=泥沙压力竖直压力Pspv 按作用面上的泥沙重量按Pspv =1/2*30*6*1= L=3*6=5、浪压力浪压力 PL 为 PL=1/4*+=浪压力对坝底中心的力矩M：M=1/4rw(1/2+hl+h 8)ly 1-1/2rw （1/2 ）2 y2y1=H1-1/2+1/3(1/2+hl+h8)y3=H1-H3其中：

18、 H1-坝前水深（ m）y1、y2- 大小三角形的行心到坝基面中心的垂直距离y1=（*1/2 ）2*=6、扬压力扬压力包括：渗透压力和浮托力两部分，扬压力大小等于扬压力分布的面积：浮托力： u=*1=渗透压力： u2=*=L=（* * ）=L=3*=.第三章抗滑稳定分析混凝土重力坝常用的稳定分析方法有抗剪强度和抗剪断强度，计算式稳定极限状态计算：1、稳定分析目的稳定分析目的是按核算坝体沿坝面或基深层软弱结构面的抗滑稳定安全度。2、滑动面选择滑动面选择基本原则 : 研究坝基地质条件和坝体剖面形式，选择受力较大抗剪强度，最易产生滑动的截面为计算截面。一般有以下几种情况 : 坝基面、坝基内柔弱层面、

19、基岩缓倾结构构面、不利的地形、碾压混凝土层面等。、计算方式常用的方法如上述所说， 采用抗剪强度公式或称单一安全系数法。坝体混凝土与软基岩接触良好，抗滑稳定安全系数ks 的计算如下：ks=（f ( W-V)+CA）/ p其中ks-抗滑稳定安全系数计算值f -抗剪强度摩擦系数C-抗剪断凝聚力KpaA-计算截面m2W- 作用于接触面上竖直方向的合力p- 作用于接触面上水平向的合力KNKN、4、抗滑稳定分析s=（f ( W-V)+CA）/ p=故; 可以认为满足抗滑稳定要求。第五章应力分析1、应力分析目的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝体材料分区及配筋提供依据 。2、应力计算）不计入

20、扬压力时的应力计算a.水平截面正应力 yu=W/B+6M/B2=+6*/=yd=W/B-6M/B2=*/=主应力Pu=K0Vsb Hsk +r wH1=(1-8m12=Pd= r wH2 =*=)*30+*1u=（1+n2）* yu-Pun2=221d=（1+m）* ud-Pdm=2u=Pu=2d=Pd=强度校核岩石的抗压强度为 650kg/m2=6370kpa,取安全系数为 20，则岩石的允许抗压强度 Vc=63700*1/20=3185kpa1d=Vc= 3185kpa1u=认为地基应力满足强度要求。2、及入扬压力时的应力分析水平截面上的正应力yu=W/B+6M/B2 =+6*/=yd=W

21、/B-6M/B2=*/=b . 主应力设 Puu为上游边缘扬压力强度Puu= rwH1=*=设 Pud为下游边缘扬压力强度Pud= rwH2=*=1u=（1+n2）* yu- （Pu-Puu）*n 2=221d=（1+m）* yd- （Pd-Pud）*m =2u= Pu-Puu= Pd-Pud=0强度校核已知岩石的允许抗压强度 Vc =3185kpa1d=0所以：地基应力满足强度要求。第五章细部结构设计( 一) 、 分缝止水1、坝体分缝横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；、纵缝：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力， 在平行坝轴线方向设置。一般情况下横缝为永久缝，也有临

22、时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为；在靠近基岩面附近用 的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。（二）、止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片， 中间设沥青井， 金属片止水一般采用 后的紫铜片， 第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力， 一般为（本设计采用），每侧埋

23、入混凝土的长度约为 2025cm（本设计采用 25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量， 沥青井为方形或圆形 （本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长，厚 510cm（本设计采用 1m10cm），沥青井尺寸大致为15cm15cm 至 25cm25cm（本设计采用 20cm20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备 （通常采用电加热的方法） ，将钢筋埋入井中， 并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为 15 20cm。图 3 止水设计1第一道止水铜片； 2沥青井； 3第二道止水铜片；4预制

24、块； 5横缝 6沥青油毡； 7加热电极区上、下游水位以上坝体表层混凝土，其特点是受大气影响；区上、下游水位变化区坝体表层混凝土，既受水位的作用也受大气影响；区上、下游最低水位以下坝体表层混凝土；区坝体基础混凝土；区把体内部混凝土；区抗冲刷部分的混凝土。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约 3050cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。（三）、 混凝土标号分区混凝土重力坝坝体各部分的工作条件及受力条件不同 , 对混凝土材料性能指标的要求也不同 , 为了满足坝体各部分的不同要求 , 节省水泥用量及工程费用 , 把安全与经济统一起来， 通常将坝体混凝土按不同工作条件

25、进行分区 , 选用不同的强度等级和性能指标 , 一般分为 6 个区 , 见上图为了便于施工， 选定各区域混凝土等级时， 各类别应尽量少 , 相邻区的强度等级不得超过两级，分区的厚度一般不得小于25m，以便浇筑施工，分区对混凝土性能的要求见下表， 表中“+”表示选择各区同等级的主要控制因素，有“+”的表示需要提出要求；有“- ”的为不需要提出要求。表 2坝体各区对混凝土性能的要求最大水灰比选择各区厚度分强度抗抗抗冲抗侵低严寒温和的主要因素区渗冻刷蚀热寒冷地区地区I+-+-+抗冻II+-+抗冻、抗裂III+-+抗渗、抗裂IV+-+抗裂V+-+VI+-+抗冲、耐磨（四）、坝体排水坝体排水为了减小渗水

26、对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用 3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的 1/15 1/25 ，且不少于 2m，（1/15 1/25 ）（） =（） m故根据规定排水管设置在距上游面4m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm25c m（取 20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用 30cm30cm，低坡

27、 3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式。（五）、廊道系统为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。1、坝基灌浆廊道帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取，形状采用城门水洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面 倍作用水头、且不小于 45m 处设置，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于 倍廊道宽度，取 5m。灌浆廊道兼有排水作用， 并在其上游侧设排水沟， 下游侧设坝基排水孔幕

28、，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。2、检查及坝体排水廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔1530m设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为，最小高度为，距上游面的距离应不少于倍水头，且不小于 3m,该重力坝选取 4m，上游测设排水沟。各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通。排水廊道断面尺寸统一拟定为 3m，城门洞形。（六）、 坝顶构造1坝顶坝顶路面应具有 23的横向坡度， 并设置混凝土排水沟 (30 30cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽，高）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙

29、身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏， 为满足运用要求和交通要求， 在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔 25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。闸墩布置本设计闸墩对称与溢流坝段的中心线布置， 这样布置的优点在于闸墩较薄，溢流坝总长度较短。1）闸墩的尺寸闸墩的厚度决定于闸门的形式、跨度和高度，本课程设计堰顶设弧形钢闸门，闸门尺寸是 15m15m，闸墩的中墩厚度 3m。三、边墩边墩也就是边墙， 水面线安全超高规范去 ，非直线段适当增加。 本设计堰顶曲线处的边墙高度高出水面线， 直线段的边墙高度高出水面线 1m反弧段的边墙高度高出鼻坎水深，边墩厚度取 1m。图闸墩中的中墩3面板； 4吊