重力坝课程设计报告

..重力坝课程设计报告1.课程设计目的课程设计包括重力坝设计的主要理论与计算问题，通过课程设计可以达到综合训练的目的。学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识，完成重力坝较完整的设计计算过程，以加深对所学理论的理解与应用。培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。提高查阅和应用参考文献和资料的能力。课程设计题目描述和要求2.1设计任务、内容及作法一、设计任务：重力坝典型剖面设计二、设计内容根据提供的水文、水利计算成果，在分析研究所提供的资料的基础上，进行水工建筑物的设计工作，设计深度为初步设计。主要设计内容为：1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准2、通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面尺寸；3、通过坝基水平截面处坝体内部应力分析，定出坝体混凝土分区方案；4、坝体细部构造设计：廊道布置、坝体止水、坝体排水及基础防渗和排水等。要求成果：1、设计计算说明书一份；2、A3设计图纸两张。三、设计作法从分析基本资料做起，复习消化课堂内容，参照规范[1～3]各相应部分进行设计，对设计参数的选取、方案的拟定等要多加思考。设计所需基本资料，除已给定之外，要自行研究确定。2.2基本资料一、设计标准：某水库位于某河道的上游，库区所在位置属高山峡谷地区。根据当地的经济发展要求需修建水库，该工程以发电、灌溉、防洪为主。拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量9600kw。工程等级、建筑物级别以及各项控制标准、指标按现行的国家规范规范[4]自行确定。二、坝基地质条件1、开挖标准：本工程坝体在河床部分的基岩设计高程原定在827.2m。2、力学指标：坝体与坝基面接触面的抗剪断摩擦系数f＇=1.04，粘结力系数c＇＝900kPa。3、基岩抗压强度：1500三、特征水位经水库规划计算，坝址上、下游特征水位如下：P=0.1%校核洪水位为909.92，相应下游水位为861.15；P=1%设计洪水位为907.32，相应下游水位为859.80；正常挡水位为905.70；相应下游水位为855.70；淤沙高程为842.20；四、荷载及荷载组合荷载应按实际情况进行分析，决定计算内容。荷载组合根据实际情况参照规范[1～3]要求。具体计算时每人选取1种有代表性或估计其为控制性的组合进行设计计算。有关荷载资料如下，未经列出者由设计者自行拟定。1、筑坝材料：混凝土容重。2、坝基扬压力、坝基防渗处理：根据水库地基情况，设置帷幕灌浆和排水孔幕。为简化计算起见，扬压力折减系数取0.3。3、风速与吹程：坝址洪水期多年平均最大风速18.1m/s，洪水期50年重现期最大风速25m/s，坝前吹程1公里。4、水库淤沙：淤沙浮容重为8.0，淤沙内摩擦角。5、坝址地震基本烈度：根据“中国地震烈度区划图”坝址位于7度区，设防烈度按7度考虑。6、坝顶有一般交通要求。3.课程设计报告内容3.1工程等别及建筑物级别确定水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标，将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表2-1-1表3-1-1水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库总库容(10mEQ）防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业的重要性保护农田(10亩)治涝面积(10亩)灌溉面积(10亩)供水对象重要性装机容量(10KW)Ⅰ大（1）型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大（2）型10～1.0重要500～100200～60150～50重要120～30Ⅲ中型1.0～0.10中等100～3060～1550～5中等30～5Ⅳ小（1）型0.10～0.01一般30～515～35～0.5一般5～1Ⅴ小（2）型0.01～0.001<5<3<0.5<1本设计中，水库总库容为1.33亿，由表3-1-1可知，工程等别为Ⅱ级；电站装机容量为9600kW，由表3-1-1可知，工程等别为Ⅴ级。故确定该工程等别为Ⅱ级。水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物，根据其所属工程等别及在工程中的作用和重要性划分为五等和三等，见表3-1-2。表3-1-2永久性水工建筑物的级别工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物Ⅰ133Ⅱ234Ⅲ345Ⅳ455Ⅴ555由于确定了水利工程等别为Ⅱ级，查表3-2可知，主要建筑物级别确定为2级，次要建筑物级别确定为3级。本设计未设计临时性水工建筑物。3.2初步拟定坝体断面3.2.1基本剖面尺寸的确定假定基本剖面为三角形，上游水位与坝顶齐平，扬压力、静水压力均为三角形分布，确定满足强度和稳定条件下的最小坝底宽度T。一、按满足强度条件确定坝底的最小宽度T当库满时：上游边缘铅直正应力(1)下游边缘铅直正应力(2)当库空时，令式(1)、式(2)中=0，得：上游边缘铅直正应力(3)下游边缘铅直正应力(4)强度控制条件是坝基面不允许出现拉应力。当库空时，由式(3)可以看出：只要在0～1之间，即上游坡度取正坡，坝基面不出现拉应力。当库满时要使上游不出现拉应力，可令式(2)中0，求得坝底宽度为：，由该式可知，当H为一定值时，值越小，则底宽也越小。考虑库空时，下游坝面不出现拉应力，可取=0，求得上游坝面为铅直面的三角形基本剖面的最小底宽。本设计中取坝顶水位为校核洪水位，则二、按满足稳定条件确定坝底的最小宽度T将求得的、、及由强度要求得出的T代入，若满足要求，则由强度条件确定的最小坝底宽T就是坝底的最小宽度。若不满足要求则将坝底宽T增大，直到满足抗滑稳定要求为止。，满足要求。综上：3.2.2坝顶高程、坝顶宽度的确定一、坝顶高程坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式3-2-1计算，应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。式中：△h—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）;h1%—波高（m）;hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）;hc—安全超高，按表8.1.1采用。计算和时选用官厅水库公式，公式如下式中：为计算风速，，是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；D为风作用于水域的长度，km，称为吹程或风区长度；H为坝前水深，m。表3-2-2-1安全超高相应水位坝的安全级别123正常蓄水位0.70.50.4校核洪水位0.50.40.31、设计洪水位时由表3-2-1得所以=1.15+0.28+0.5=1.93m=907.32+1.93=909.25m2、校核洪水位时由表3-2-1得所以=0.77+0.12+0.4=1.29m=909.92+1.29=911.21m综上，防浪墙顶高程Z=911.21m，防浪墙高取1.2m,则坝顶高程Z=911.21-1.2=910.01m当坝顶上游侧设有防浪墙时，坝顶应高出设计洪水位0.5m且不低于校核洪水位，Z=910.01m满足要求。所以坝顶高程为910.01m二、坝顶宽度坝顶宽度一般取坝高的8%~10%,且不小于3m,又坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0m，所以坝顶宽度定为8m。3.2.3拟定坝体基本断面上游坝面坡度应与溢流坝段、放水孔坝段相协调，为照顾泄、放水需要，上游面宜采用直立或部分折坡坝面；坝体基本三角形顶点，可放在校核洪水位，或略予提高。上游面铅直，适用于混泥土与基岩接触面间的f、c值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道、有进口控制设备的情况；上游坝面上部铅直，下部倾斜，既便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，是实际工程中经常采用的一种形式；上游坝面略向上游倾斜，适用于混泥土与基岩接触面间的f、c值较低的情况。本设计中f、c值较低，故采用上游坝面略向上游倾斜，坡率取为1:0.1。基本剖面如图一：3.3荷载计算及抗滑稳定分析(手算）一、确定荷载组合表3-3-1荷载组合表荷载组合主要考虑情况荷载作用力自重水压力扬压力淤沙压力浪压力冰压力地震力动水压力其他基本组合(1)正常蓄水位情况√√√√√√(2)设计洪水位√√√√√√√特殊组合(1)校核洪水位√√√√√√√(2)地震情况√√√√√√√二、荷载计算1、基本组合（设计洪水位）H1=907.32-827.2=80.12m,H2=859.80-827.2=32.6m表3-3-2荷载及力矩计算表序号荷载名称计算式荷载(每m坝长)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-1自重8228.0027.12223143.415899.5220.36323714.241953.800.031258.612水压力31486.2526.71840892.73148.6229.9794364.3-5212.8410.8756646.23579.6625.1890135.73扬压力-2987.7729.3987810.6-2515.6630.4776652.1-18789.203.2661282.1-4110.236.5526922.04淤沙压力110.3631.143436.6590.185.002950.95浪压力34.4078.9727624.526897.9944517.10-389143.22、特殊组合（校核洪水位）H1=909.92-827.2=82.72m,H2=861.15-827.2=33.95m表3-3-3荷载及力矩计算表序号荷载名称计算式荷载(每m坝长)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-1自重8228.0027.12223143.415899.5220.36323714.241953.800.031258.62水压力33562.9527.57925442.33356.2929.88100286.1-5656.8511.3264035.53884.5624.9897036.23扬压力-3098.2129.3992056.5-2604.0430.4779344.9-19582.423.2663838.7-4217.486.5527624.54淤沙压力110.3631.143436.6590.185.002950.95浪压力15.4881.841266.928511.7643930.38-446009.13、地震力计算水平向地震惯性力上游地震动水压力下游动水压力地震力方向都沿水平方向指向下游。三、坝体抗滑稳定分析对几种荷载组合情况分别进行稳定分析：按照规范规定的抗剪断强度计算公式计算。式中：f’为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c’为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；为作用于坝体全部荷载对滑动平面的法向分值；为作用于坝体全部荷载对滑动平面的切向分值。表3-3-4抗滑稳定计算及成果分析表（）荷载组合、计算方法计算式计算K要求K结论基本组合（设计洪水位）44517.1026897.994.13.0满足抗滑稳定要求特殊组合（校核洪水位）43930.3828511.763.92.5满足抗滑稳定要求3.4校核洪水位下坝体应力分析（手算）对坝基截面，上、下游边缘应力及内部应力用材料力学法计算。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：运用期：1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203）的要求；施工期：坝趾垂直应力可允许有小于0.1MPa的拉应力。一、计算边缘应力，判定坝基、坝体强度是否满足要求1、依次计算、、、、、及主应力、、、；2、判断坝基截面上、下游边缘处是否满足强度要求。基岩容许应力坝基截面上、下游边缘处满足强度要求。二、计算坝基截面处坝体内部应力选取坝基水平截面处6个计算点，对、、、、分别进行计算；2、选坐标，作计算简图表明计算点如下：3、计算水平截面(Ⅰ—Ⅰ截面)上垂直正应力列分布表达式：边界条件代入表达式解得所以列表计算各计算点的值表3-4-1计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.28()1300.921049.65798.56547.29296.2144.99Ⅰ—Ⅰ截面分布图如下4、计算水平截面(Ⅰ—Ⅰ截面)上剪应力列分布表达式：边界条件代入表达式得查规范得将代入表达式得由（1）（2）（3）解得所以列表计算各计算点的值表3-3-2计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.28()910.64708.63516.99335.43164.243.37画出Ⅰ—Ⅰ截面分布图5、计算水平截面(Ⅰ—Ⅰ截面)上水平正应力列分布表达式：边界条件代入表达式解得所以列表计算各计算点的值表3-3-3计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.28()637.45525.66413.95302.15190.4578.35画出Ⅰ—Ⅰ截面分布图6、计算各点主应力、=将各点的、、代入公式计算、，将计算成果列表如下；表3-3-4主应力、计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.28()637.45525.66413.95302.15190.4578.35()1300.921049.65798.56547.29296.2144.99()910.64708.63516.99335.43164.243.37()1938.371543.171157.85781.84415.8778.69()0.0032.1454.6667.6070.7944.65计算主应力方向从铅直线到主应力的夹角，即将值列表计算如下：表3-3-5值计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.282()1821.281417.261033.98670.86328.486.74-()663.47523.99384.61245.14105.76-33.36-2.75-2.70-2.69-2.74-3.110.20(rad)-1.22-1.22-1.21-1.22-1.260.20(度)-34.99-34.85-34.80-34.96-36.085.71绘制Ⅰ—Ⅰ截面各点主应力图如下，以矢量表示其大小和方向。计算主剪应力：，所在平面与主应力面成45°。计算表计算点编号012345坐标()013.0626.1139.1752.2265.28()1938.371543.171157.85781.84415.8778.69()0.0032.1454.6667.6070.7944.65()969.18755.51551.6357.12172.5417.023.5荷载计算及抗滑稳定分析(电算）一、基本资料重力坝建筑物级别：2级安全类别：Ⅱ坝基截面高程827.200m水平向设计地震加速度代表值αh＝0.10g，计地震作用。地震动态分布系数采用拟静力法计算。上游地震动水压力折减角θ＝90.000°下游地震动水压力折减角θ＝90.000°重力坝为常态混凝土，强度等级：C20混凝土重度Rc＝24.0kN/m^3水重度Rw＝9.8kN/m^3淤沙浮重度Rs＝8.0kN/m^3淤沙内摩檫角ψ＝12.000°扬压力图形折减点离上游面距离Lo＝8.000m扬压力图形折减系数α＝0.300二、本计算有如下规定：坝轴线与基础面交点为坐标轴原点，Ｘ轴指向下游为正，Ｙ轴向上为正。垂直力向下为正，水平力指向上游为正，力矩绕坝基面形心逆时针转为正。应力受压为正，受拉为负。工况一：基本组合（正常蓄水位）上游水位：905.700m下游水位：855.700m淤沙高程：842.200m序号荷载名称垂直力(kN)水平力(kN)M(kN·m)1坝体自重66082.30.0547973.12上游水平水压力0.0-30225.8-790909.43上游垂直水压力3022.60.090749.54下游水平水压力0.03984.137848.85下游垂直水压力2736.10.0-71456.76水平淤沙压力0.0-590.2-2950.97垂直淤沙压力90.00.02892.68浮托力-18251.60.00.09渗透压力-6397.20.0-90430.510浪压力0.0-29.0-2287.647282.2-26861.0=-278571.0工况二：基本组合（设计洪水位）上游水位：907.320m下游水位：859.800m淤沙高程;842.200m序号荷载名称垂直力(kN)水平力(kN)M(kN·m)1坝体自重66082.30.0547973.12上游水平水压力0.0-31486.2-840892.73上游垂直水压力3148.60.094363.84下游水平水压力0.05212.856646.25下游垂直水压力3579.90.0-90135.06水平淤沙压力0.0-590.2-2950.97垂直淤沙压力90.00.02892.68浮托力-20877.30.00.09渗透压力-6079.90.0-85945.110浪压力0.0-29.0-2334.745943.8-26892.6=-320382.7工况三：特殊组合（校核洪水位）上游水位:909.920m下游水位:861.150m淤沙高程:842.200m序号荷载名称垂直力(kN)水平力(kN)M(kN·m)1坝体自重66082.30.0547973.12上游水平水压力0.0-33562.9-925442.33上游垂直水压力3356.30.0100296.74下游水平水压力0.05653.563978.95下游垂直水压力3882.60.0-96554.86水平淤沙压力0.0-590.2-2950.97垂直淤沙压力90.00.02892.68浮托力-21741.80.00.09渗透压力-6239.80.0-88205.910浪压力0.0-13.7-1139.145429.6-28513.3=-399151.6工况四：特殊组合（正常蓄水位+地震）上游水位:905.700m下游水位:855.700m淤沙高程:842.200m计地震序号荷载名称垂直力(kN)水平力(kN)M(kN·m)1坝体自重66082.30.0547973.12上游水平水压力0.0-30225.8-790909.43上游垂直水压力3022.60.090749.54下游水平水压力0.03984.137848.85下游垂直水压力2736.10.0-71456.76水平淤沙压力0.0-590.2-2950.97垂直淤沙压力90.00.02892.68浮托力-18251.60.00.09渗透压力-6397.20.0-90430.510浪压力0.0-29.0-2287.611水平地震惯性力0.0-2312.9-2312.912垂直地震惯性力0.00.00.013上游地震动水压力0.0-982.3-35472.314下游地震动水压力0.0-129.5-1697.547282.2-30285.7=-391892.7抗滑稳定分析成果表荷载组合、计算方法计算K要求K结论基本组合（正常高水位）47282.2-26861.0-278571.04.2123.0满足要求基本组合（设计洪水位）45943.8-26892.6-320382.74.1563.0满足要求特殊组合（校核洪水位）45429.6-28513.3-399151.63.9012.5满足要求特殊组合（正常高水位+地震）47282.2-30285.7-391892.73.7362.3满足要求3.6坝体应力分析（电算）本计算按作用的标准值计算，并作如下规定：坝轴线与基础面交点为坐标轴原点，Ｘ轴指向下游为正，Ｙ轴向上为正。垂直力向下为正，水平力指向上游为正，力矩绕坝基面形心逆时针转为正。应力受压为正，受拉为负。当垂直正应力大于水平正应力时，夹角为第Ⅰ主应力与铅垂线夹角；当垂直正应力小于水平正应力时，夹角为第Ⅱ主应力与铅垂线夹角；夹角正负号规定：从铅垂线转向相应的主应力，顺时针转为正。Ｕ代表用边界条件计算上游面应力，检验计算的正确性。工况一：基本组合（正常高水位下坝基应力）点号到下游面距离垂直正应力剪应力水平正应力第Ⅰ主应力第Ⅱ主应力夹角10.0001.11650.76680.52661.64310.0000-34.48024.7761.05910.72460.52451.56410.0195-34.875317.8320.90220.59690.50341.33220.0734-35.764430.8880.74530.45120.46951.07920.1356-36.500543.9440.58850.28730.43470.80900.2142-37.510657.0000.43160.10530.41130.52720.3156-42.246758.7810.41020.07910.40960.48900.3308-44.897865.2810.3321-0.02060.08180.33380.08014.668U65.2810.3321-0.02120.08080.33390.07904.791工况二：基本组合（设计洪水位下坝基应力）点号到下游面距离垂直正应力剪应力水平正应力第Ⅰ主应力第Ⅱ主应力夹角10.0001.15490.79310.54471.69950.0000-34.48024.7761.08890.74280.53621.60510.0200-34.798317.8320.90840.59850.50261.33750.0736-35.636430.8880.72800.44400.46161.05830.1313-36.650543.9440.54760.27930.42290.77140.1991-38.708657.0000.36720.10450.39630.48720.2762-48.975758.7810.34250.07980.39420.45230.2845-53.962865.2810.2527-0.01270.08040.25360.07954.182U65.2810.2527-0.01330.08000.25370.07904.369工况三：特殊组合（校核洪水位下坝基应力）点号到下游面距离垂直正应力剪应力水平正应力第Ⅰ主应力第Ⅱ主应力夹角10.0001.25790.86390.59331.85110.0000-34.48024.7761.17570.80260.57681.73280.0196-34.770317.8320.95090.63350.52751.40710.0712-35.762430.8880.72610.46220.47761.08040.1232-37.476543.9440.50130.28860.43430.75840.1772-41.690657.0000.27650.11280.40500.47060.2109-59.827758.7810.24580.08870.40250.44250.2059-65.725865.2810.1339-0.00080.07900.13390.07900.884U65.2810.1339-0.00140.07880.13400.07881.448工况四：特殊组合（校核洪水位+地震情况下坝基应力）点号到下游面距离垂直正应力剪应力水平正应力第Ⅰ主应力第Ⅱ主应力夹角10.0001.25890.86780.59131.8548-0.0046-34.48024.7761.18070.81550.58171.75000.0124-34.917317.8320.96700.66350.54481.45210.0597-36.175430.8880.75330.49770.50001.14020.1130-37.862543.9440.53950.31840.45740.81950.1775-41.325657.0000.32580.12530.42720.51170.2413-56.010758.7810.29660.09800.42460.47760.2436-61.573865.2810.1902-0.00520.09300.19050.09283.051U65.2810.1902-0.00570.09210.19060.09173.337坝基强度分析成果表(强度单位：)荷载组合主要考虑情况上游坝踵处下游坝址处基本组合正常高水位332.1-21.280.8333.9791116.5766.8526.61643.10设计洪水位252.7-13.380253.7791154.9793.1544.71699.50特殊组合校核洪水位133.9-1.478.813478.81257.9863.9593.31851.10正常高水位＋地震190.2-5.792.1190.691.71258.9867.8591.31854.8-4.6各种组合下均大于0，均小于容许应力147150，所以坝基截面上、下游边缘处满足强度要求。3.7校核洪水位下手算与电算成果比较表3-7-1荷载及稳定系数比较手算-28511.843930.4-446009.13.9电算-28513.345429.6-399151.63.9表3-7-2坝踵、坝址应力比较手算45.03.478.444.778.71300.9910.6637.51938.40电算133.9-1.478.813478.81257.9863.9593.31851.10通过比较可以看出，水平向荷载误差较小，铅直向荷载和力矩相差都较大，从而导致应力值相差也较大。通过检查发现电算部分数据输入无误，那问题很可能出在铅直向荷载的计算或者力臂计算上。但是一旦铅直荷载或者力矩改动了，本次报告手算部分就要全部改变，由于时间问题在此就不做改动了。但是我深知在实际工程中是不能这样的。3.8坝体混凝土分区设计根据坝体各部位不同的工作特点，考虑防渗、抗冻等耐久性及低热性要求，并适当参考坝底截面处应力分析成果，定出混凝土分区及其相应的强度、抗渗、抗冻标号。为了便宜施工，坝体混凝土采用的强度等级种类应尽量减小，并与枢纽中其他建筑物的混凝土强度等级一致。同一浇筑块中的强度等级不得超过两种，相邻区的强度等级不得超过两级，以免引起应力集中或产生温度裂缝。分区宽度一般不小于2~3米，以便浇筑施工。本设计中靠近地基的混凝土分区宽度为3米，其他分区宽度为2.5米，具体分区见A2图纸。坝体各区对混凝土的要求见下表：分区强度抗渗抗冻抗冲刷抗侵蚀低热最大水灰比寒冷地区温和地区Ⅰ+-++--+0.550.60Ⅱ++++-++0.450.50Ⅲ+++++-++0.500.55Ⅳ++++-+++0.500.55Ⅴ++++--++0.650.65注表中有“++”的项目均为选择各区混凝土的主要控制因