水工建筑物課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)： 混凝土重力壩設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)： 12級(jí)水利水電工程卓越班 姓 名： 饒宇 學(xué) 號(hào)： 2012102196 指導(dǎo)教師： 王志強(qiáng) 南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院印制20152016學(xué)年第一學(xué)期第一章 基本資料1.1 基本資料一、 地質(zhì)河床高程332m。約有23m覆蓋層，巖石為石灰?guī)r，較完整，結(jié)理不發(fā)育，風(fēng)化層后12m無特殊不利地質(zhì)構(gòu)造。 壩基的力學(xué)參數(shù)：抗剪斷系數(shù)（混凝土與基巖之間）為f'=0.9,c'=700kPa?；鶐r的允許抗壓強(qiáng)度3000kPa。 地震的設(shè)計(jì)烈度為6度。 二、 水文 本樞紐屬中型等工程。永久性重要建筑物為3級(jí)，按規(guī)范要求，采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，50

2、0年一遇洪水校核。特征水位上游水位（ m ) 下游水位 （ m )庫容 （萬m³） 溢流壩泄量 （ m³/s )校核洪水位386.96335.212001696設(shè)計(jì)洪水位385.4334.311401250正常蓄水位383.96331.7895死水位350.040表1 水文計(jì)算結(jié)果 經(jīng)水文水利計(jì)算，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示：三、 氣象 本地區(qū)多年平均最大風(fēng)速為14m/s，水庫吹程為2.96km。四、 其它有關(guān)數(shù)據(jù) 河流泥沙計(jì)算年限采用50年，據(jù)此求得壩前淤沙高程345m。淤沙的浮重度為9.5kN/m3，內(nèi)摩擦角為12°。 壩體混凝土重度采用24kN/m3。五、 樞紐總體

3、布置根據(jù)地形、地質(zhì)、天然建筑材料等因素的考慮，本工程選用混凝土重力壩方案，重力壩由非溢流壩段和溢流壩段組成。第二章 非溢流壩設(shè)計(jì)2.1 剖面設(shè)計(jì) 重力壩剖面設(shè)計(jì)的原則是：滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，保證大壩安全；工程量小，造價(jià)低；結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)用方便；利于施工，方便維修； 重力壩的基本剖面是指壩體在自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚(yáng)壓力3項(xiàng)主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，并使工程量最小的三角形剖面。在擬好的基本三角形基礎(chǔ)上，根據(jù)已確定的壩頂高程及寬度，初擬主要防滲，排水設(shè)施，即可得到重力壩實(shí)用剖面。剖面尺寸的初步似定主要內(nèi)容有：壩頂高程，壩頂寬度，壩頂及上、下游起坡點(diǎn)的位置。一、 壩頂高程的確定

4、波浪要素按官廳公式計(jì)算。公式如下： 庫水位以上的超高對(duì)于安全級(jí)別為級(jí)的壩，查得安全超高設(shè)計(jì)洪水位時(shí)為0.5 m，校核洪水位時(shí)為0.4 m。計(jì)算成果見下表2-1風(fēng)速(m/s)波高(m)波長(zhǎng)(m)雍高(m)安全加高(m)超高(m)壩頂高程（m）281.4113.680.460.52.37387.8140.596.840.160.41.15386.6表2-1壩頂高程計(jì)算成果表經(jīng)比較可以得出壩頂或防浪墻頂高程為387.8m，并取防浪墻高度1.2m， 則壩頂高程為： 387.8-1.2=386.6m最大壩高為： 386.6-327=59.6m二、 壩頂寬度 考慮交通要求，壩頂寬度取7m。三、 壩面坡度考

5、慮利用部分水重增加壩體穩(wěn)定，上游壩面采用折坡，起坡點(diǎn)按要求為壩高，該工程擬折坡點(diǎn)高程為347.0m，上部鉛直，下部為1：0.2的斜坡，下游壩坡取1：0.7，基本三角形頂點(diǎn)位于壩頂，376.30m以上為鉛直壩面。四、 壩體防滲排水分析地基條件，要求設(shè)防滲灌漿帷幕和排水幕，灌漿帷幕中心線距上游壩踵7m，排水孔中心線距防滲帷幕中心線9m。擬設(shè)廊道系統(tǒng)，實(shí)體重力壩剖面設(shè)計(jì)時(shí)暫不計(jì)入廊道的影響。擬定的非溢流壩剖面如圖所示。確定剖面尺寸的過程歸納為：初擬尺寸穩(wěn)定和應(yīng)力校核修改尺寸穩(wěn)定和應(yīng)力校核的重復(fù)計(jì)算過程。2.2 荷載計(jì)算一、 計(jì)算情況的選擇在設(shè)計(jì)重力壩剖面時(shí)，應(yīng)按照承載力極限狀態(tài)計(jì)算荷載的基本組合和偶

6、然組合。基本組合有正常蓄水位情況和設(shè)計(jì)洪水情況，偶然組合有校核洪水情況和地震情況?？紤]的主要荷載有自重、水壓力、浪壓力、淤沙壓力及揚(yáng)壓力。從以上荷載組合中分別選一種基本組合（如設(shè)計(jì)洪水位情況）和一種偶然組合（如校核洪水位情況）計(jì)算。二、 計(jì)算截面的選擇滑動(dòng)面一般有以下幾種情況：壩基面、壩基內(nèi)軟弱層面、基巖緩傾角結(jié)構(gòu)面等。對(duì)于本工程，巖石較完整，結(jié)理不發(fā)育，可僅分析沿壩基面的抗滑穩(wěn)定。3、 荷載計(jì)算1 壩體自重計(jì)算壩頂寬度=7(m) 壩基寬度=(386.60-327)×0.7+(347-327)×0.2=45.72(m)W1=1/2×24×20×

7、20×0.2×1=960(kN)力臂=45.72/22/3×20×0.2=20.19(m)力矩=960×20.19=19382.4(kNm)W2=24×7×(386.60-327)×1=10012.8(kN)力臂=45.72/220×0.27.0/2=15.36(m)力矩=10012.8×15.36=153796.61(kNm)W3=1/2×24×(376.30-327)×(376.30-327)×0.7×1=20416.116(kN)力臂=(3

8、76.30-327)×0.7×2/345.72/2=0.15(m)力矩=20416.116×0.15=3062.417(kNm)2. 靜水壓力 （校核洪水位）PH1=1/2×9.81×(386.96-327)×(386.96-327)×1=17248.383(kN)力臂=1/3×(386.96-327)=19.77(m) 力矩=-17248.383×19.77=-341000.53(kNm)PH2=-1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×

9、1=-329.812(kN)力臂=1/3×(335.2-327)=2.73(m) 力矩=329.812×2.73=900.387(kNm) PV1=9.81×(386.96-347)×(347-327)×0.2=1542.132(kN) 力臂=45.72/220×0.2×1/2=20.755(m) 力矩=1542.132×20.755=32006.95(kNm)PV2=1/2×9.81×20×20×0.2=392.4(kN) 力臂=45.72/220×0.2

10、5;1/3=21.42(m) 力矩=392.4×21.42=8405.21(kNm) PV3=1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×0.7=230.87(kN) 力臂=45.72/2(335.2-327)×0.7×1/3=20.842(m) 力矩=-230.87×20.842=-4811.80(kNm) 揚(yáng)壓力 （校核洪水位）U1=9.81×（335.2-327.0）×45.51×1=3660.9(kN)力臂=0(m) 力矩=0(kNm)U2=9.81

11、15;9.0×0.25×(386.96-335.2)=1127.9(kN)力臂=45.72/29.0/2=18.255(m) 力矩=1127.9×18.255=20589.81(kNm)U3=9.81×1/2×(45.729.0)×0.25×(386.96335.2)=2287.77(kN) 力臂=2/3×(45.729.0)45.51/2=1.585(m) 力矩=-2287.77×1.585=3626.12(kNm) U4=9.81×1/2×9.0×(10.15)×

12、;(386.96-335.2)=1691.86(kN) 力臂=45.72/21/3×9.0=19.55(m) 力矩=-1691.86×19.55=33422.69(kNm)4泥沙壓力 PSH=1/2×9.5×（345-327）×（345-327）×tan2(45°12°/2)=1009.20(kN) 力臂=1/3×18=6(m) 力矩=-1009.20×6=-6055.20(kNm) PSV=1/2×9.5×18×18×0.2=307.8(kN) 力臂=4

13、5.51/218×0.2×1/3=21.555(m) 力矩=307.8×21.555=6634.629(kNm)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN)力臂(m)力矩標(biāo)準(zhǔn)值（kNm）垂直荷載水平荷載自重W1 960 （）20.1919382W210013（）15.36153796W320416（）0.15306241靜水壓力水平水壓力PH117248()19.77-341001PH2330 ()2.73900垂直水壓力Pv11542（）20.75532007PV2392 （）21.428405Pv3231 （）20.842-4812泥沙壓力PSH1009()6-6055PSV308（）

14、21.566635揚(yáng)壓力浮托力U1 3661()0.00滲透壓力U2 1128()18.255-20590U32288()1.585-3626U41692()19.755-33423總計(jì)W=25093（）P=17942()M=-185314 表2-3 校核洪水位情況下荷載計(jì)算成果2.3 抗滑穩(wěn)定分析 重力壩沿壩面失穩(wěn)的機(jī)理是：首先在壩踵處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)微裂松弛區(qū)，隨后在壩趾處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)局部區(qū)域的剪切屈服，進(jìn)而屈服范圍逐漸增大并向上游延伸，最后，形成滑動(dòng)通道，導(dǎo)致壩的整體失穩(wěn)。=1.0 =1.0 f'=0.9 c'=700kPa校核洪水位情況 W=( PV1 + PV2

15、+ PV3)+(W1+W2+W3)-（U1 + U2 + U3）- PSV=25093（） P= PH1-PH2+PSH=17942()基本組合： 由以上計(jì)算可知，在設(shè)計(jì)和校核洪水情況下壩基面均滿足抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)要求。2.4 應(yīng)力分析一、 分析目的應(yīng)力分析的目的是檢驗(yàn)所擬壩體斷面尺寸是否經(jīng)濟(jì)合理，并為確定壩內(nèi)材料分區(qū)、某些部位配筋提供依據(jù)。二、 分析的方法 應(yīng)力分析的方法有理論理論計(jì)算和模型試驗(yàn)兩類。設(shè)計(jì)時(shí)一般使用理論計(jì)算的方法，理論的計(jì)算方法有材料力學(xué)法、彈性理論和彈塑性理論的方法。三、 材料力學(xué)法 校核洪水位情況 W=( PV1 + PV2 + PV3)+(W1+W2+W3)-（U1 +

16、 U2 + U3）-PSV =25093（） P=17942() M=M=W1+W2-W3+PV1+PV2+PV3-U1-U2-U3U4 =-185314基本組合對(duì)于壩踵處： 對(duì)于壩趾處: 由以上計(jì)算可知：設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位情況下，壩址和壩踵應(yīng)力符合強(qiáng)度要求。第三章 溢流壩設(shè)計(jì)3.1 孔口設(shè)計(jì)1、 泄水方式的選擇： 為使水庫具有較大的超泄能力，采用開敞式孔口。2、 洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定。本次設(shè)計(jì)的重力壩是3級(jí)建筑物，根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知：采用50年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)，500年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。3、 流量的確定。設(shè)計(jì)情況下溢流壩下泄流量為1250；校核情況下溢流壩下泄流量為1696。4、 單寬流量的選擇

17、。壩基處基巖比較堅(jiān)硬完整，綜合樞紐的布置及下游的防沖要求，單寬流量取50100/s。5、 孔口凈寬似定。分別計(jì)算設(shè)計(jì)和校核情況下溢洪道所需的孔口寬度，計(jì)算成果如表3-1所示：計(jì)算情況流量Q（/s）單寬流量（/s）孔口凈寬B（m）設(shè)計(jì)情況1250501002512.5校核情況16965010033.9216.96表3-1 孔口凈寬計(jì)算根據(jù)以上計(jì)算，溢流壩孔口凈寬取24m，假設(shè)每孔凈寬為8m，則孔數(shù)n為3。6、 溢流壩段總長(zhǎng)度的確定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，似定閘墩的厚度。初擬中墩厚d為3m，邊墩厚為2m則溢流壩段的總長(zhǎng)度為：7、 壩頂高程的確定。根據(jù)公式: 初擬側(cè)收縮系數(shù)=0.95流量系數(shù).設(shè)計(jì)情況：堰頂

18、高程=385.4-8.5=376.9（m）校核情況：堰頂高程=386.96-10.4=376.56（m）計(jì)算情況流量Q（/s）側(cè)收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬（m）堰上水頭（m）堰頂高程（m）設(shè)計(jì)情況12500.950.502248.5376.90校核情況16960.950.5022410.4376.56表3-2 堰頂高程計(jì)算 根據(jù)以上計(jì)算，取堰頂高程為376.56m。8、 閘門高度的確定。計(jì)算如下：門高=正常水位-堰頂高程+（0.10.2）=383.96-376.56+0.1=7.5（m）按規(guī)范取門高為8m。9、 定型設(shè)計(jì)水頭的確定。堰上最大水頭，=校核洪水位-堰頂高程，即： =386.96-37

19、6.56=10.4（m）定型設(shè)計(jì)水頭為：=（75%95%）=7.809.88（m）取=8.8m，8.8/10.4=0.85，查表知壩面最大負(fù)壓為：0.3=2.64m，小于規(guī)定的允許值（最大不超過36m水柱）。十、 泄流能力的校核。先由水力學(xué)公式計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)，然后計(jì)算不同水頭作用下的流量系數(shù)，根據(jù)已知條件，運(yùn)用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。 由規(guī)范可得：閘墩用半圓形 確定側(cè)收縮系數(shù)：確定流量系數(shù)m:綜上可知：設(shè)計(jì)的孔口符合要求。表3-3泄流能力校核計(jì)算計(jì)算情況側(cè)收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬（m）堰上水頭（m）流量Q設(shè)計(jì)情況0.9080.500248.51196.04.32%校核情況0.8910.5

20、122410.41556.74.50%3.2 溢流壩剖面設(shè)計(jì)溢流堰面曲線常采用非真空剖面線，采用較為廣泛的非真空剖面曲線有克-奧曲線和WES曲線兩種，經(jīng)比較本工程采用WES曲線，溢流壩的基本剖面為三角形，一般其上游面為鉛直，溢流面由頂部的曲線，中間的直線，底部的反弧段三部分組成。1、 上游堰面曲線，原點(diǎn)上又采用橢圓曲線，其方程為： 根據(jù)計(jì)算 則橢圓方程為：二、 WES曲線設(shè)計(jì) 其方程為： 則：直線段與WES曲線相切時(shí)，切點(diǎn)C的橫坐標(biāo)為: 3、 反弧半徑的確定根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn) 挑流鼻坎應(yīng)高出下游最高水位（335.2）12,鼻坎的高程為335.2+1=336.2（）。 流能比 壩面流速系數(shù) 取R為10

21、。 反弧段的圓心求法：先畫一條平行于壩下游面且相距圓弧半徑R的直線，再畫一條與壩頂點(diǎn)相距為的水平線，兩線交點(diǎn)即為圓心。3.3 消能防沖設(shè)計(jì)根據(jù)地形地質(zhì)條件，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，挑射角=25°，挑流鼻坎應(yīng)高出下游最高水位（335.2）12,鼻坎的高程為335.2+1=336.2（）。1、 反弧半徑的確定 坎頂水流流速v按下式確定: 取R為10。2、 水舌的挑距L及可能最大沖坑的深度估算挑距計(jì)算： 沖坑深度計(jì)算： 由此可知，挑流消能形成的沖坑不會(huì)影響大壩安全。另外，為了避免小流量時(shí)產(chǎn)生貼面流，掏刷壩腳，可在挑流鼻坎后面做一短段護(hù)坦，以保護(hù)壩腳安全。第4章 重力壩主要構(gòu)造4.1

22、 壩頂構(gòu)造一、 非溢流壩。壩頂上游設(shè)置防浪墻，與壩體連成整體，其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。墻高1.2m，厚度為30cm，以滿足運(yùn)用安全的要求。壩頂采用混凝土路面，向兩側(cè)傾斜，坡度為2%，兩邊設(shè)有排水管，匯集路面的雨水，并排入水庫中。壩頂公路兩側(cè)設(shè)有寬0.75m人行道，并高出壩頂路面20cm，壩頂總寬度為7m，下游設(shè)置欄桿及路燈。細(xì)部構(gòu)造圖略。二、 溢流壩。溢流壩上部設(shè)有閘墩、閘門、門機(jī)、交通橋等結(jié)構(gòu)和設(shè)備。 閘門的布置：工作閘門布置在溢流壩的頂稍偏下游一些，以防閘門部分開啟時(shí)水舌脫離壩面形成負(fù)壓。采用平面鋼閘門，門的尺寸：高×寬=8m×

23、8m，工作閘門的上游設(shè)有檢修閘門，二門之間的間距為2m。 閘墩：閘墩的墩頭形狀，上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程，即386.96m；下游布置交通橋，橋面高程為非溢流壩壩頂高程。中墩的厚度為3m，邊墩的厚度為2m，溢流壩的分縫設(shè)在閘孔中間，故沒有縫墩。工作閘門槽深1m，寬1m，檢修閘門槽深0.5m，寬0.5m。 導(dǎo)水墻：邊墩向下游延伸成導(dǎo)水墻。其長(zhǎng)度延伸到挑流鼻坎的末端；高度經(jīng)計(jì)算得3.5m。導(dǎo)水墻需分縫，間距為15m，其橫斷面為梯形，頂寬取0.5m。細(xì)部構(gòu)造圖略。4.2 分縫與止水1、 橫縫。垂直于壩軸線布置，縫距為15m，縫寬為2cm，內(nèi)有止水。2、 止水。設(shè)有兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片用1.0mm厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面1.0m。兩道止水片間距為1.0m，中間設(shè)有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。3、 縱縫?？v縫為臨時(shí)性縫，縫內(nèi)設(shè)有鍵槽，待混凝土充分冷卻后，水庫蓄水前進(jìn)行灌漿?？v縫與壩面正交，縫距為15m。4、 水平縫?；炷翝仓K厚度為4m，縱縫兩側(cè)相鄰壩塊的水