水工建筑物课程设计

水工建筑物课程设计水工建筑物课程设计水工建筑物课程设计资料仅供参考文件编号：2022年4月水工建筑物课程设计版本号：A修改号：1页次：1.0审核：批准:发布日期：课程设计：混凝土重力坝设计专业班级：12级水利水电工程卓越班姓名：饶宇学号：96指导教师：王志强南昌工程学院水利与生态工程学院印制2015——2016学年第一学期第一章基本资料基本资料一、地质河床高程332m。约有2～3m覆盖层，岩石为石灰岩，较完整，结理不发育，风化层后1～2m无特殊不利地质构造。坝基的力学参数：抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为f'=,c'=700kPa。基岩的允许抗压强度3000kPa。地震的设计烈度为6度。二、水文本枢纽属中型Ⅲ等工程。永久性重要建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。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12001696设计洪水位11401250正常蓄水位895死水位40表1水文计算结果经水文水利计算，有关数据如表1所示：三、气象本地区多年平均最大风速为14m/s，水库吹程为。四、其它有关数据河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程345m。淤沙的浮重度为m3，内摩擦角为12°。坝体混凝土重度采用24kN/m3。五、枢纽总体布置根据地形、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，重力坝由非溢流坝段和溢流坝段组成。第二章非溢流坝设计剖面设计重力坝剖面设计的原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修；重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。剖面尺寸的初步似定主要内容有：坝顶高程，坝顶宽度，坝顶及上、下游起坡点的位置。一、坝顶高程的确定波浪要素按官厅公式计算。公式如下：库水位以上的超高对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为m，校核洪水位时为m。计算成果见下表2-1 风速(m/s)波高(m)波长(m)雍高(m)安全加高(m)超高(m)坝顶高程（m）2814表2-1坝顶高程计算成果表经比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为，并取防浪墙高度，则坝顶高程为：最大坝高为：=二、坝顶宽度考虑交通要求，坝顶宽度取7m。三、坝面坡度考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为坝高，该工程拟折坡点高程为，上部铅直，下部为1：的斜坡，下游坝坡取1：，基本三角形顶点位于坝顶，以上为铅直坝面。四、坝体防渗排水分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵7m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线9m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定和应力校核的重复计算过程。荷载计算一、计算情况的选择在设计重力坝剖面时，应按照承载力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。基本组合有正常蓄水位情况和设计洪水情况，偶然组合有校核洪水情况和地震情况。考虑的主要荷载有自重、水压力、浪压力、淤沙压力及扬压力。从以上荷载组合中分别选一种基本组合（如设计洪水位情况）和一种偶然组合（如校核洪水位情况）计算。二、计算截面的选择滑动面一般有以下几种情况：坝基面、坝基内软弱层面、基岩缓倾角结构面等。对于本工程，岩石较完整，结理不发育，可仅分析沿坝基面的抗滑稳定。荷载计算坝体自重计算坝顶宽度=7(m)坝基宽度=×+(347-327)×=(m)W1=1/2×24×20×20××1=960(kN)力臂=2－2/3×20×=(m)力矩=960×=(kN•m)W2=24×7××1=(kN)力臂=2－20×－2=(m)力矩=×=(kN•m)W3=1/2×24××××1=(kN)力臂=××2/3－2=(m)力矩=×=(kN•m)2.静水压力（校核洪水位）PH1=1/2××××1=(kN)力臂=1/3×=(m)力矩=×=(kN•m)PH2=-1/2××××1=(kN)力臂=1/3×=(m)力矩=×=(kN•m)PV1=××(347-327)×=(kN)力臂=2－20××1/2=(m)力矩=×=(kN•m)PV2=1/2××20×20×=(kN)力臂=2－20××1/3=(m)力矩=×=(kN•m)PV3=1/2××××=(kN)力臂=2－××1/3=(m)力矩=×=(kN•m)扬压力（校核洪水位）U1=－×（）××1=－(kN)力臂=0(m)力矩=0(kN•m)U2=－×××力臂=2－2=(m)力矩=－×=－(kN•m)U3=－×1/2×－××－=－(kN)力臂=2/3×－－2=(m)力矩=×=－(kN•m)U4=－×1/2××(1－×力臂=2－1/3×=(m)力矩=×=－(kN•m)4．泥沙压力PSH=1/2××（345-327）×（345-327）×tan2(45°－12°/2)=(kN)力臂=1/3×18=6(m)力矩=×6=(kN•m)PSV=1/2××18×18×=(kN)力臂=2－18××1/3=(m)力矩=×=(kN•m)荷载标准值（kN)力臂(m)力矩标准值（kN•m）垂直荷载水平荷载自重W1960（↓）19382W210013（↓）153796W320416（↓）306241静水压力水平水压力PH117248(→)-341001PH2330(←)900垂直水压力Pv11542（↓）32007PV2392（↓）8405Pv3231（↓）-4812泥沙压力PSH1009(→)6-6055PSV308（↓）6635扬压力浮托力U13661(↑)0渗透压力U21128(↑)-20590U32288(↑)-3626U41692(↑)-33423总计∑W=25093（↓）∑P=17942(→)∑M=-185314表2-3校核洪水位情况下荷载计算成果抗滑稳定分析重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。==f'=c'=700kPa校核洪水位情况∑W=(PV1+PV2+PV3)+(W1+W2+W3)-（U1+U2+U3）-PSV=25093（↓）∑P=PH1-PH2+PSH=17942(→)基本组合：由以上计算可知，在设计和校核洪水情况下坝基面均满足抗滑稳定极限状态要求。应力分析一、分析目的应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。二、分析的方法应力分析的方法有理论理论计算和模型试验两类。设计时一般使用理论计算的方法，理论的计算方法有材料力学法、弹性理论和弹塑性理论的方法。三、材料力学法校核洪水位情况∑W==(PV1+PV2+PV3)+(W1+W2+W3)-（U1+U2+U3）-PSV=25093（↓）∑P=17942(→)∑M=∑M=W1+W2-W3+PV1+PV2+PV3-U1-U2-U3–U4=-185314基本组合对于坝踵处：对于坝趾处:由以上计算可知：设计洪水位和校核洪水位情况下，坝址和坝踵应力符合强度要求。第三章溢流坝设计孔口设计泄水方式的选择：为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。洪水标准的确定。本次设计的重力坝是3级建筑物，根据相关规范可知：采用50年一遇的洪水标准，500年一遇的洪水标准校核。流量的确定。设计情况下溢流坝下泄流量为1250；校核情况下溢流坝下泄流量为1696。单宽流量的选择。坝基处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的防冲要求，单宽流量取50~100/s。孔口净宽似定。分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如表3--1所示：计算情况流量Q（/s）单宽流量（/s）孔口净宽B（m）设计情况125050~10025~校核情况169650~100~表3-1孔口净宽计算根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，假设每孔净宽为8m，则孔数n为3。溢流坝段总长度的确定。根据工程经验，似定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为3m，边墩厚为2m则溢流坝段的总长度为：坝顶高程的确定。根据公式:初拟侧收缩系数=流量系数.设计情况：堰顶高程=（m）校核情况：堰顶高程=（m）计算情况流量Q（/s）侧收缩系数流量系数孔口净宽（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）设计情况125024校核情况169624表3-2堰顶高程计算根据以上计算，取堰顶高程为。闸门高度的确定。计算如下：门高=正常水位-堰顶高程+（~）=（m）按规范取门高为8m。定型设计水头的确定。堰上最大水头，=校核洪水位-堰顶高程，即：=（m）定型设计水头为：=（75%~95%）=~（m）取=，=，查表知坝面最大负压为：=，小于规定的允许值（最大不超过3~6m水柱）。十、泄流能力的校核。先由水力学公式计算侧收缩系数，然后计算不同水头作用下的流量系数，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。由规范可得：闸墩用半圆形确定侧收缩系数：确定流量系数m:综上可知：设计的孔口符合要求。表3-3泄流能力校核计算计算情况侧收缩系数流量系数孔口净宽（m）堰上水头（m）流量Q设计情况24%校核情况24%溢流坝剖面设计溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程采用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形，一般其上游面为铅直，溢流面由顶部的曲线，中间的直线，底部的反弧段三部分组成。上游堰面曲线，原点上又采用椭圆曲线，其方程为：根据计算则椭圆方程为：二、WES曲线设计其方程为：则：直线段与WES曲线相切时，切点C的横坐标为:反弧半径的确定根据工程经验挑流鼻坎应高出下游最高水位（）1~2,鼻坎的高程为+1=（）。流能比坝面流速系数取R为10。反弧段的圆心求法：先画一条平行于坝下游面且相距圆弧半径R的直线，再画一条与坝顶点相距为的水平线，两线交点即为圆心。消能防冲设计根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射角θ=25°，挑流鼻坎应高出下游最高水位（）1~2,鼻坎的高程为+1=（）。反弧半径的确定坎顶水流流速v按下式确定:取R为10。水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度估算挑距计算：冲坑深度计算：由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。另外，为了避免小流量时产生贴面流，掏刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。重力坝主要构造坝顶构造一、非溢流坝。坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为7m，下游设置栏杆及路灯。细部构造图略。二、溢流坝。溢流坝上部设有闸墩、闸门、门机、交通桥等结构和设备。闸门的布置：工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面形成负压。采用平面钢闸门，门的尺寸：高×宽=8m×8m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的间距为2m。闸墩：闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，即；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝坝顶高程。中墩的厚度为3m，边墩的厚度为2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深，宽。导水墙：边墩向下游延伸成导水墙。其长度延伸到挑流鼻坎的末端；高度经计算得。导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取。细部构造图略。分缝与止水横缝。垂直于坝轴线布置，缝距为15m，缝宽为2cm，内有止水。止水。设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片用厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面。两道止水片间距为，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。纵缝。纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面正交，缝距为15m。水平缝。混凝土浇筑块厚度为4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥浆。廊道系统一、基础廊道。位置：廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面7