大工《水工建筑物课程设计》离线作业答案

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：厦门陶行知专业：水利水电工程年级：2012年秋季学号：************学生：阮艺娟指导教师：气候特征

项目基本资料5014m/s5023m/s2.6km3.0km。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。工程地质与水文地质坝址地形地质条件2～3m3～5m4m。0～1.5m1m3～6m38m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。3～5m5~7m1～3m1～3m1～4m。天然建筑材料2~3km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。水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。②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。状况坝底高程状况坝底高程(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况313184.9校核情况84.982.5084.7245.5046.45001∶0.81∶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+泥沙浪压力。特殊组合(1)+静水压力+扬压力+压力+浪压力。坝高计算

设计及计算内容据大坝特性表资料，坝高H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。挡水坝段剖面设计坝顶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。坝底宽度计算根据大坝特性表资料，坝底宽度T=（84.90-31.00）×0.8=43.12m。坝体检查排水廊道、排水管幕设计65.001.5m，2.5m0.05～0.073m，4.00m。为了减小坝体的渗透压力，靠近上游坝面设置排水管幕，排水管幕至上游坝1/15～1/252m，设计取3.00m，间距取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。坝基灌浆排水廊道设计0.05～0.14～5m4.0m3.50m，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1.54.00m。为减少坝基渗漏，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0.05～0.0720.00m4.50m1.0～1.5130m*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，0.4～0.650m10m，10.00m，2.50m，200mm，10°2.00m。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、0.5～1.0m0.2～0.3m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。坝体材料分区C、W

厚3.00m的混凝土。15 4C、WF

100厚3.00m的混凝土。15 8 200

、W、F

厚3.00m的混凝土。20 10 100

W

8.00m20 10 200C、W10 2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。4.8Pw78.90W114.8Pw78.90W11HP2死水位51.00W2设计45.50QPS1P2HS3P231.00PS243.126.50U16.50U1HU3U2HrwaU4HrwH设计洪水位坝体尺寸与荷载（m）24KN/m3，因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。扬压力。坝踵处的扬压力强度为

H，排水孔线上为γH+γ1 ω ω 1

△H，坝址处为γH，其间均以直线连接，扬压力折减系数=0.25。ω2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h=51.0-31.0=20.0泥沙干重度γsd13.5KN/m3n0.42，内摩擦角φs18°，泥沙的浮重度γsb=γsd-(1-n)γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水面上的Psk=1/γsh2tan2（45°-φ/2）在38m50年的年最大风速23m/s2600m，00

2=0.00625v

(1/6)(gD/v

2)(1/3)

/v2=0.0386(gD/v

2)(1/2)00m00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h1%=2.25m。00m00crH=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=5.19m。crmH=82.50-31.00=51.50m，H＞HH＞L/2，发生深水波，单位mcr长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γLm(h1%+hz)计算。ωh=πh12/mcthπH/Lm)=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。垂直力(kN) 水平力(kN)力矩(kN.m)垂直力(kN) 水平力(kN)力矩(kN.m)荷 载计 算 式对坝底截面形心力臂(m)↑ ↓ → ← ↙+↘-W自重14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W21/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884P11/2*51.52*10132611/3*51.5=17.17227691水压力 P21/2*14.52*1010511/3*14.5=4.835076Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877u114.5*43.12*106252000u1/2*36.62*0.25*37*10 1694扬压力22/3*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*10 90221.56-1/3*6.5=19.3917490Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423泥沙压力Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力 Pw1/4*10*14.45*（14.45/2+1.1+2.25）-1/8*10*14.45238226151.5-14.45/2+（14.45/2+1.1+2.25）/3=47.8051.5-2/3*14.45=41.8718260109289449 29227 14456 1412223085 302546合计19778↓13044→79461↘4.8校核 84.72Pw78.904.8校核 84.72Pw78.901HP2死水位51.00W2Q2PHS1PS3P231.00PS243.126.50U1HwHHwrwU3 U2U4a校核洪水位坝体尺寸与荷载（m）24KN/m3，因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为γωH1，排水孔线上为γωH2+γω△H，坝址处为γωH2，其间均以直线连接，扬压力折减系数=0.25。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=51.00-31.00=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γsd13.5KN/m3n0.42，内摩擦角φs18沙的浮重度γsb=γsd-(1-n)γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水Psk=1/γsh2tan2（45°-φ/2）38m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。00

2=0.00625v

(1/6)(gD/v

2)(1/3)

/v2=0.0386(gD/v

2)(1/2)计算得cr00m00累积频率为2%的波高h2%=1.03m，平均波长Lm=9.45m，经查表求得h1%=1.12mH=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=1.45m。cr00m00mH=84.72-31.00=53.72m，H＞HH＞L/2，发生深水波，单位mcr长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γLm(h1%+hz)计算。ω1% m 波浪中心至计算静水位的高度h=πh 2/LcthπH/L1% m 防浪墙顶高程为：84.72+h1%+hz+hc=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m。性表资料提供的坝顶高程不足。上述荷载计算见计算表。垂直力(kN) 水平力(kN)力矩(kN.m)垂直力(kN) 水平力(kN)力矩(kN.m)荷 载计 算 式对坝底截面形心力臂(m)↑ ↓ → ← ↙+↘-W自重14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964浪压力 Pw1/4*10*9.45*（9.45/2+0.42+1.12）-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+（9.45/2+0.42+1.12）/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.42756053119969 29341 15390 1406218541 325507合计19372↓13984→106966↘W21/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884P11/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423水压力P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655u115.45*43.12*106662000扬压力u21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993u30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389u41/2(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423泥沙压力Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973挡水坝段荷载计算成果本设计荷载仅分析基本组合(2)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↑↓→←(m)↙+↘-620919.16118964220263.99878841326117.1722769110514.83507684117.6914877625200016942.85482860118.311100490219.39174908136.6754231002.3323315119.69297338247.801826026141.8710928944929227144561412223085302546垂直力(kN)水平力(kN)载垂直力(kN)水平力(kN)载对坝底截面形心力臂力矩(kN.m)荷W自重1W2P1水压力 P2Qu1u扬压力2u3u4Ps1泥沙压力 Ps2Ps3浪压力Pw996929341153901406218541325507合计19372↓13984→106966↘垂直力(kN)水平力(kN)载对坝底截面形心力臂力矩(kN.m)荷W自重1W2P1水压力P2Qu1u扬压力2u3u4Ps1泥沙压力Ps2Ps3浪压力Pw合计19778↓13044→79461↘↑↓→←(m)↙+↘-620919.16118964220263.99878841442917.91258423119454416655666200017522.85499362218.311138993319.39180918136.6754231002.3323315119.69297314851.08756011247.4253112.4 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。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′∑W+C′A)/∑P=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44＞[K′]=3.0，满足抗滑稳定要求。(1参照类似工程资料，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′∑W+C′A)/∑P=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18＞[K′]=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+静水当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：δuy=∑W/B+6∑M/B2=19778/43.12+6*（-79461）/43.122=202.27(KPa)＞0，满足要求。δd∑W/B-6M/2=19778/43.12-6（-7946/43.122=715.09(KPa＜1430Kpa，满足抗压强度要求。当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：τu=(P-Pu-δu

=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。u y 1τd=(δd

y+Pd

u-P′)m2

=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(KPa)，满足要求。当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：δux=(P-Puu)-(P-Puu-δuy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。δdx=(P′-Pdu)+(δdy+Pdu-P′)m22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KPa)，满足要求。当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：δu1=(1+m

2)δu

-(P-Pu

)m2=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa)，1 y u 1满足要求。uδu2=P-Pu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。u2 y u δd1=(1+m2)δd -(P′-Pd)m2=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82 y u =1172.75(KPa)，满足要求。uδd2=P′-Pd=14.5*10-14.5*10=0(KPa)。u当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：δuy=∑W/B+6∑M/B2=29227/43.12+6*（-46139）/43.122=528.92(KPa)＞0，满足要求。δd∑W/B-6M/2=29227/43.12-6（-4613/43.122=826.69(KPa＜1430Kpa，满足抗压强度要求。当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：τu=(Pu-δu

=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。τd=(δd

–Pd)m

=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa)，满足要求。y 2当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：2δux=Pu-(Pu-δuy)m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa)，满足要求。δdx=Pd+(δdy-Pd)m2=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(KPa)2当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：δu1=(1+m

2)δu

-Pu

2=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)1 y 1足要求。δu2=P=51.5*10=515.00(KPa)，满足要求。δd1=(1+m

2)δd

-Pd*m

2=(1+0.82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KPa)，满足要2 y 2求。δd2=P′=14.5*10=145.00(KPa)，满足要求。(1当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：δuy=∑W/B+6∑M/B2=19372/43.12+6*（-106966）/43.122=104.08(KPa)＞0，满足要求。δdy=∑W/B-6∑M/B2=19372/43.12-6*（-106966）/43.122=794.43(KPa)＜1430KPa，满足抗压强度要求。当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：τu=(P-Pu-δu

=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。u y 1τd=(δd求。

y+Pd

u-P′

=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(KPa)，满足要1当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：δux=(P-Puu)-(P-Puu-δuy)m2=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-1104.08)*0=0(KPa)。2δdx=(P′-Pdu)+(δdy+Pdu-P′)m2=(15.45*10-15.45*10)+(794.43+15.45*102-15.45*10)*0.82=508.44(KPa)，满足要求。当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：δu1=(1+m

2)δu

-(P-Pu

)m2=(1+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.081 y u 1(KPa)，满足要求。uδu2=P-Pu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。u2 y u δd1=(1+m2)δd -(P′-Pd)m2=(1+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82 y u =1302.87(KPa)，满足要求。uδd2=P′-Pd=15.45*10-15.45*10=0(KPa)。u当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：δuy=∑W/B+6∑M/B2=29341/43.12+6*（-72493）/43.122=446.52(KPa)＞0，满足要求。δd∑W/B-6M/2=29341/43.12-6