大工2022年《水工建筑物课程设计》大作业及答案

大工2022年《水工建筑物课程设计》大作业及答案大工2022年《水工建筑物课程设计》大作业答案1项目基本资料1.1气候特征依据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14，重现期为50年的年最大风速23，吹程设计洪水位2.6，校核洪水位3.0。

最大冻土深度为1.25。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05。

1.2工程地质与水文地质1.2.1坝址地形地质条件（1）左岸掩盖层2～3，全风化带厚3～5，强风化加弱风化带厚3，微风化厚4。

（2）河床岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5，弱风化层厚1左右，微风化层厚3～6。

坝址处河床岩面高程约在38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，抗冲力量强。

（3）右岸掩盖层3～5，全风化带厚5~7，强风化带厚1～3，弱风化带厚1～3，微风化厚1～4。

1.2.2自然 建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2~3均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满意土坝防渗体土料质量技术要求。

砂石料满意砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模①死水位初步确定死库容0.30亿3，死水位51。

②正常蓄水位80.0。

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。

表一状况坝底高程()坝顶高程()上游水位()下游水位()上游坡率下游坡率设计状况3184.982.5045.5001∶0.8校核状况3184.984.7246.4501∶0.813本设计仅分析基本组合(2)及特别组合(1)两种状况基本组合(2)为设计洪水位状况，其荷载组合为自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特别组合(1)为校核洪水位状况，其荷载组合为自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

1.3大坝设计概况1.3.1工程等级本水库死库容0.3亿3，最大库容未知，估算约为5亿3左右。

依据现行《水电枢纽工程等级划分及设计平安标准》（DL5180-2023），按水库总库容确定本工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型水库。

枢纽主要建筑物挡水、泄水、引水系统进水口建筑物为2级建筑物，施工导流建筑物为3级建筑物。

1.3.2坝型确定坝型选择与地形、地质、建筑材料和施工条件等因素有关。

确定本水库大坝为混凝土重力坝。

1.3.3基本剖面的拟定重力坝承受的主要荷载是水压和自重，掌握剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。

由于作用于上游面的水压力呈三角形分部，所以重力坝的基本剖面是三角形，依据供应的资料，确定坝底宽度为43.29（约为坝高的0.8倍），下游边坡=0.8，上游面为铅直。

132设计及计算内容2.1坝高计算据大坝特性表资料，坝高H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90,为中坝。

2.2挡水坝段剖面设计2.2.1坝顶构造设计坝顶宽度取8%～10%坝高，且不小于3，设计坝顶宽度取4.80。

坝顶上游设置防浪墙，墙身采纳与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，高度取1.35(按设计洪水位计算)，宽度取0.50,坝顶下游侧设拦杆。

2.2.2坝底宽度计算依据大坝特性表资料，坝底宽度T=（84.90-31.00）×0.8=43.12。

2.2.3坝体检查排水廊道、排水管幕设计为了便于检查、观测和排解坝体渗水，在坝体高程65.00处设一检查兼作排水用的廊道，廊道断面采纳城门洞形，宽度取1.5，高度取2.5，其上游侧至上游坝面的距离取0.05～0.07倍作用水头，且不小于3，设计取4.00。

为了减小坝体的渗透压力，靠近上游坝面设置排水管幕，排水管幕至上游坝面的距离取115～125倍作用水头，且不小于2，设计取3.00，间距取2.50，管径取200，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合到下层纵向廊道，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0.05～0.1倍作用水头，且不小于4～5，设计取4.0，廊道断面采纳城门洞形，宽度取3.00，高度取3.50，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4.00。

为削减坝基渗漏，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0.05～0.07倍作用水头，帷幕灌浆深度设计取20.00。

灌浆帷幕中心线距上游坝面4.50。

帷幕灌浆必需在浇筑肯定厚度的坝体混凝土后进行，灌浆压力表层不宜小于1.0～1.5倍坝前静水头，取60*10KN3=600KP；在孔低不宜小于2～3倍坝前静水头，取130*10KN3=1300KP。

为了充分降低坝底扬压力和排解基岩渗水，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0.4～0.6倍，且坝高50以上的深度不小于10，13排水孔深度设计取10.00，孔距取2.50，孔径取200，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2.00。

2.2.5地基处理基岩开挖的边坡必需保持稳定，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脆弱夹层，埋藏不深的溶洞、溶浊面应尽量挖除。

开挖至距利用岩面0.5～1.0时，应采纳手风钻钻孔，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0.2～0.3的爱护层，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，必需彻底清理、冲洗和修凿,风化、松动、脆弱破裂的岩块都要清除洁净，突出的尖角要打掉，光滑的岩面要凿毛，并用水冲洗洁净，基岩表面不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物，排解基岩面上全部积水，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纳C15、W4、F100厚3.00的混凝土。

(2)下游水位变化区的坝体表层采纳C15、W8、F200厚3.00的混凝土。

(3)上、下游最低水位以下坝体表层采纳C20、W10、F100厚3.00的混凝土。

(4)坝体靠近基础的底部采纳C20、W10、F200厚8.00的混凝土，满意强度要求。

(5)坝体内部采纳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)及特别组合(1)两种状况。

132.3.1荷载基本组合(2)为设计洪水位状况，其荷载组合为自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)自重。

坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采纳24KN3，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。

(4)泥沙压力。

大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51，大坝迎水面前泥沙的淤积高度=51.0-31.0=20.0，水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度γ取13.5KN3，孔隙率取0.42，内摩擦角φ取18°，泥沙的浮重度γ=γ-(1-)γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7KN3。

单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式P=12γ22（45°-φ2）。

坝址处河床岩面高程约在38左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度13=38.00-31.00=7.00，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。

计算风速取重现期为50年的年最大风速23，风区长度取2600，按鹤地水库试验公式2%02=0.006250(16)(D02)(13)和L02=0.0386(D02)(12)计算得累积频率为2%的波高2%=2.07，平均波长L=14.45，经查表求得1%=2.25。

使波浪破裂的临界水H=L(4π)[(L+2π1%)(L-2π1%)]=5.19。

由于坝前水深H=82.50-31.00=51.50，H＞H和H＞L2，发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P=14γωL(1%+)计算。

波浪中心至计算静水位的高度=π1%2L(πHL)=1.10。

防浪墙顶高程为82.50+1%++=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25。

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(N)水平力(N)对坝底截面形心力臂()力矩(N.)↑↓→←↙+↘-自重W14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W212*47.9*38.32*242202623*38.32-21.56=3.9987884水压力P112*51.52*101326113*51.5=17.17227691P212*14.52*10105113*14.5=4.835076Q12*0.8*14.52*1084121.56-13*0.8*14.5=17.6914877扬压力114.5*43.12*106252000212*36.62*0.25*37*10169423*36.62-21.56=2.85482830.25*37*6.5*1060121.56-12*6.5=18.3111004412(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-13*6.5=19.3917490泥沙压力P112*7.7*20.02*23681313*20=6.675423P212*7.7*72*23610013*7=2.33233P312*7.7*0.8*7215121.56-0.8*73=19.692973浪压力P14*10*14.45*（14.452+1.1+2.25）-18*10*14.45238226151.5-14.452+（14.452+1.1+2.25）3=47.8051.5-23*14.45=41.871092818260合计94492922714456141222308530254619778↓13044→79461↘132.3.2荷载特别组合(1)为校核洪水位状况，其荷载组合为自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)自重。

坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采纳24KN3，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。

(4)泥沙压力。

大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51，大坝迎水面前泥沙的淤积高度=51.00-31.00=20.00，水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度γ取13.5KN3，孔隙率取0.42，内摩擦角φ取18°，泥沙的浮重度γ=γ-(1-)γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7KN3。

单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式P=12γ22（45°-φ2）。

坝址处河床岩面高程约在38左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度=38.00-31.00=7.00，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。

13(5)浪压力。

计算风速取多年平均最大风速14，风区长度取3000，按鹤地水库试验公式2%02=0.006250(16)(D02)(13)和L02=0.0386(D02)(12)计算得累积频率为2%的波高2%=1.03，平均波长L=9.45，经查表求得1%=1.12。

使波浪破裂的临界水H=L(4π)[(L+2π1%)(L-2π1%)]=1.45。

由于坝前水深H=84.72-31.00=53.72，H＞H和H＞L2，发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P=14γωL(1%+)计算。

波浪中心至计算静水位的高度=π1%2L(πHL)=0.42。

防浪墙顶高程为84.72+1%++=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56。

大坝特性表资料供应的坝顶高程不足。

上述荷载计算见计算表。

重力坝特别荷载组合计算表荷载计算式垂直力(N)水平力(N)对坝底截面形心力臂()力矩(N.)↑↓→←↙+↘-自重W14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W212*47.9*38.32*242202623*38.32-21.56=3.9987884水压力P112*53.722*101442913*53.72=17.91258423P212*15.452*10119413*15.45=5.156149Q12*0.8*15.452*1095521.56-13*0.8*15.45=17.4416655扬压力115.45*43.12*106662000212*36.62*0.25*38.27*10175223*36.62-21.56=2.85499330.25*38.27*6.5*1062221.56-12*6.5=18.3111389412(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-13*6.5=19.3918091泥沙压力P112*7.7*20.02*23681313*20=6.675423P212*7.7*72*23610013*7=2.33233P312*7.7*0.8*7215121.56-0.8*73=19.692973浪压力P14*10*9.45*（9.452+0.42+1.12）-18*10*9.45214811253.72-9.452+（9.452+0.42+1.12）3=51.0853.72-23*9.45=47.4253117560合计99692934115390140621854132550719372↓13984→106966↘2.3.3挡水坝段荷载计算成果本设计荷载仅分析基本组合(2)及特别组合(1)两种状况，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13荷载垂直力(N)水平力(N)对坝底截面形心力臂()力矩(N.)↑↓→←↙+↘-自重W1620919.16118964W2220263.9987884水压力P11326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877扬压力16252000216942.854828360118.3111004490219.3917490泥沙压力P18136.675423P21002.33233P315119.692973浪压力P38226147.8041.871092818260合计94492922714456141222308530254619778↓13044→79461↘表三坝体特别荷载组合作用计算成果表荷载垂直力(N)水平力(N)对坝底截面形心力臂()力矩(N.)↑↓→←↙+↘-自重W1620919.16118964W2220263.9987884水压力P11442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655扬压力16662000217522.854993362218.3111389493319.3918091泥沙压力P18136.675423P21002.33233P315119.692973浪压力P14811251.0847.4253117560合计99692934115390140621854132550719372↓13984→106966↘132.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算沿坝轴线方向取1进步行抗滑稳定分析计算。

2.4.1荷载基本组合(2)为设计洪水位状况，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′=0.85，C′=0.65MP，基岩允许抗压强度取1430KP。

建基面抗滑稳定依据抗抗剪断强度公式计算得K′=(′∑W+C′A)∑P=(0.85*19778+650*43.12)13044=3.44＞[K′]=3.0，满意抗滑稳定要求。

2.4.2荷载特别组合(1)为校核洪水位状况，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′=0.85，C′=0.65MP，基岩允许抗压强度取1430KP。

建基面抗滑稳定依据抗抗剪断强度公式计算得K′=(′∑W+C′A)∑P=(0.85*19372+650*43.12)13984=3.18＞[K′]=2.5，满意抗滑稳定要求。

2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核2.5.1荷载基本组合(2)为设计洪水位状况，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δ=∑WB+6∑MB2=1977843.12+6*（-79461）43.122=202.27(KP)＞0，满意要求。

δ=∑WB-6∑MB2=1977843.12-6*（-79461）43.122=715.09(KP)＜1430K，满意抗压强度要求。

(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为τ=(P-P-δ)1=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KP)。

τ=(δ+P-P′)2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(KP)，满意要求。

(3)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为δ=(P-P)-(P-P-δ)12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KP)。

δ=(P′-P)+(δ+P-P′)22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KP)，满意要求。

13(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为δ1=(1+12)δ-(P-P)12=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KP)，满意要求。

δ2=P-P=51.5*10-51.5*10=0(KP)。

δ1=(1+22)δ-(P′-P)22=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82=1172.75(KP)，满意要求。

δ2=P′-P=14.5*10-14.5*10=0(KP)。

(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δ=∑WB+6∑MB2=2922743.12+6*（-46139）43.122=528.92(KP)＞0，满意要求。

δ=∑WB-6∑MB2=2922743.12-6*（-46139）43.122=826.69(KP)＜1430K，满意抗压强度要求。

(6)当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为τ=(P-δ)1=(51.5*10-528.92)*0=0(KP)。

τ=(δ–P)2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KP)，满意要求。

(7)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为δ=P-(P-δ)12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KP)，满意要求。

δ=P+(δ-P)22=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(KP)，满意要求。

(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δ1=(1+12)δ-P*12=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)*0=528.92(KP)，满意要求。

δ2=P=51.5*10=515.00(KP)，满意要求。

δ1=(1+22)δ-P*22=(1+0.82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KP)，满意要求。

δ2=P′=14.5*10=145.00(KP)，满意要求。

2.5.2荷载特别组合(1)为校核洪水位状况，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δ=∑WB+6∑MB2=1937243.12+6*（-106966）43.122=104.08(KP)＞0，满意要求。

δ=∑WB-6∑MB2=1937243.12-6*（-106966）43.122=794.43(KP)＜1430KP，满意抗压强度要求。

13(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为τ=(P-P-δ)1=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KP)。

τ=(δ+P-P′)2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(KP)，满意要求。

(3)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为δ=(P-P)-(P-P-δ)12=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KP)。

δ=(P′-P)+(δ+P-P′)22=(15.45*10-15.45*10)+(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.82=508.44(KP)，满意要求。

(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为δ1=(1+12)δ-(P-P)12=(1+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KP)，满意要求。

δ2=P-P=53.72*10-53.72*10=0(KP)。

δ1=(1+22)δ-(P′-P)22=(1+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82=1302.87(KP)，满意要求。

δ2=P′-P=15.45*10-15.45*10=0(KP)。