水工建筑物课程设计(重力坝)

'重力坝设计《水工建筑物》课程设计姓名：专业：学号： 基本资料一、基本情况本重力坝水库坝高53.9m，坝底高程31.0m，坝顶高程84.9m，坝基为微、弱风化的花岗岩层，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。水库死水位51.0m，死库容0.3亿m3，正常水位80.0m，设计状况时上游水位82.5m、下游水位45.5m，校核状况上游戏水位84.72m、下游水位46.45m。二、气候特征1、根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s，重现期50年最大风速23m/s，设计洪水位时2.6km，校核洪水位时3.0km；2、最大冻土层深度为125m；3、河流结冰期平均为150天左右，最大冰层1.05m。三、工程地质条件1、坝址地形地质（1）、左岸：覆盖层2-3m，全风化带厚3-5，强风化加弱风化带厚3m，微风化层厚4m；（2）、河床：岩面较平整，冲积沙砾层厚约0-1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3-6m；坝址处河床岩面高程约在38m左右，整理个河床皆为微、弱风化的花岗岩层，致密坚硬，强度高，抗冲能力强；（3）、右岸：覆盖层3-5m，全风化带厚5-7，强风化加弱风化带厚1-3m，弱风化带厚1-3m，微风化层厚1-4m。2、天然建筑材料：粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2-3km均可开采，储量足。粘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。大坝设计一、工程等级本水库死库容0.3亿m3，最大库容未知，估算约为5亿m3左右。根据现行《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003），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。 二、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。本枢纽坝址区为较坚硬的砂岩，当地石料丰富，确定本水库大坝为浆砌块石重力坝。三、基本剖面的拟定重力坝承受的主要荷载是水压和自重，控制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，根据提供的资料，确定坝底宽度为43.29m（约为坝高的0.8倍），下游边坡m=0.8，上游面为铅直。四、坝高计算按《重力坝设计规范》中有关规定，本水库坝顶高程＝波浪高+浪高中心线高出静水位高度+安全超高（1）最大波浪在坝坡上的爬高R计算：①风浪要素的计算A、风速ω：本水库多年平均最大风速14.0m/s，重现期最大风速23.0m/s：B、风区吹程长度D：风作用于水域的长度；D设计=2600m，D校核=3000m。②风浪爬高计算：采用莆田试验站公式计算风浪各要素及波浪爬高，计算得：h设计=2.05m，h校核=1.11m。（2）浪高中心线高出静水位高度：h设计0=0.62m，h校核0=0.33m（3）安全加高值：A设计=0.5m，A校核=0.4m。（4）坝体安全超高成果：设计坝顶高程=82.5+2.05+0.62+0.5=85.67m，校核坝顶高程=84.72+1.11+0.33+0.4=86.56m；水库坝顶高程为84.9m，需设防浪墙高1.7m，即： 防浪墙顶高程为86.6m。四、挡水坝段剖面的设计1、坝顶高度确定根据资料提供，确定坝顶高程为84.90米。2、坝顶宽度坝顶宽度B=0.1H=0.1*(84.9-31)=5.39m为适应施工和运用检修的需要，并考虑坝体各部分尺寸协调，坝顶宽度取坝高的10%左右，即5.5米。结构计算一、荷载及其组合1、计算情况确定荷载组合分二种（1）、基本组合为设计洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力；（2）、特珠组合为校核洪水位情况，其荷载组合：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。 设计洪水情况荷载计算表荷载计算荷载垂直力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（kN.m）方向↑↓→-←+↙+↘-自重G1681840.54276416G22053025.21517473GW419.81.93810.2水压力P11326117.2227651P210514.85081扬压力PL1627721.6135867PL243841.318115PL3218326.257263PL465842.027605浪压力U17.851.3398泥沙压力Pn1092．3253合计955727768133781051799780467151 校核洪水情况荷载计算表荷载计算荷载垂直力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（kN.m）方向↑↓→-←+↙+↘-自重G1681840.54276416G22053025.21517473GW4772.06983.5水压力P11442917.9258379P211945.26146.6扬压力PL1668821.6144802PL245441.318743PL3225926.259243PL468042.028550浪压力U1853.7417泥沙压力Pn1092．3253合计1008127826145461194801019510388 二、挡水坝抗滑稳定分析计算1、抗滑稳定计算（一）荷载计算1．荷载组合：（1）基本荷载组合：①坝体自重②设计洪水位坝体上游静水压力③设计洪水位扬压力④设计洪水位泥沙压力（2）特殊荷载组合：①坝体自重②校核洪水位上下游静水压力③校核洪水位扬压力④校核洪水位泥沙压力2、抗滑稳定验算1．按抗剪断公式计算（Σf1W+C1A）K1=ΣPK1——抗剪断计算的抗滑稳定安全系数f1——滑动面上的抗剪断摩擦系数C——滑动面上的抗剪断凝聚力A——滑动面截面积ΣP——计算截面上的所有切向力ΣW——作用于计算截面上的所有法向力2．参数确定 按地质资料砼和微风化岩石的抗剪断系数为C1=700Kpaf1=1.03.抗滑稳定计算见附表5抗滑稳定按抗剪断公式计算抗滑稳定安全系数，计算过程见下表，-抗滑稳定计算项目∑Wf"AC"∑PK"〔K〕结论校核水位183101.043.2970013334.03.652.5满足要求设计洪水位187581.043.2970012308.33.993.0满足要求计算结果见下表。稳定计算表类型荷载组合计算安全系数K允许安全系数（K）非溢流坝基本组合3.653.0特殊组合3.992.5满足规范要求。4.抗滑稳定按承载力极限状态验算稳定安全系数，计算结果见下表，基本公式：γ0.φ.S(.)≤R(.)/γd抗滑稳定验算项目γ0φf"R∑WRC"RAS(。）γφS(。)R(。）/γd校核水位10.850.7717745233.343.29133521134919792正常水位110.7718211233.343.29133781337820091稳定验算表类型荷载组合计算值γ0φS(.)允许值R(.)/γd非溢流坝基本组合1134919792特殊组合1337820091满足规范要求。 三、挡水坝边缘应力分析与强度计算3、应力分析根据《砌石坝设计规范》SL25-91，实体重力坝应力计算以材料力学为基本分析方法，计算各种荷载组合下坝体垂直正应力和坝体主应力。荷载组合分基本组合与特殊组合二种。（1）基本组合（设计洪水位）应力计算1．边缘应力计算（1）坝基面Óy下计算不计扬压力时：ΣW6ΣM277686×571477Óy下=-=+=2471KpaTT243.2943.292计入扬压力：ΣW6ΣW187586×332628Óy下=-=+=1498KpaTT243.2943.292（1）特殊组合（校核洪水位）应力计算1．边缘应力计算（2）坝基面Óy下计算不计扬压力时：ΣW6ΣM278266×541969Óy下=-=+=2378KpaTT243.2943.292计入扬压力： ΣW6ΣW183106×290631Óy下=-=+=1353KpaTT243.2943.292抗拉强度验算项目T∑W∑M∑W/T+6∑M/T2比较结论校核洪水位不计扬压力43.29278265419692378＞0满足要求计入扬压力43.29183102906311353＞0满足要求设计洪水位不计扬压力43.29277685714772471＞0满足要求计入扬压力43.29187583326281498＞0满足要求(2)坝体边缘的主应力Ó上、Ó下计算上游边缘按不计扬压力的情况计算，按下式计算Ó上=Óy上（1+n2）-P上n2Ó上——坝体上游边缘的主应力Ó下——坝体上游边缘垂直正应力n——坝体上游边坡P上——上游坝面水压力强度（包括泥沙压力）下游边缘按以下两种情况校核不计扬压力时Ó下=Óy下×(1+m2)-P下m23．坝内应力计算将扬压力作为水平截面上的荷载进行计算。原点在下游面，取X=0，10，20，30，40，43.29，各点计算。 （1）水平截面上的垂直正应力ÓyÓy=a+bxa=Óy下=1042.5Óy上-Óy下156.8-1042.5b===-18.986T43.29(2)水平正应力Óx＝a2+b2xÓx上＝P上-(P上-Óy上)n2Óx下＝P下+(Óy下-P下)m2(3)剪应力τ=a1+b1x+c1x2计算τ上，τ上τ上=(p上-6y上)nτ下=y下-p下)m计算a,b,c,a=τ下=729.75b=c=(4)主应力各点的主应力及其方向，按以下两式计算上两式中，——第一第二主应力—垂直水平正应力——剪应力——第一主应力与水平夹角设A=B=C= 则抗压强度验算项目γ0φT1+m2∑Wr∑MrS(。）γφS(。)比较R(。）/γd结论校核水位不计扬压力10.8543.291.6427826290631-471.88-401＜11111.1满足要求计入扬压力10.8543.291.6417745290631-853.79-726＜11111.1满足要求设计水位不计扬压力1143.291.6427768571477-1948.7-1949＜11111.1满足要求计入扬压力1143.291.6418211332628-1056.6-1057＜11111.1满足要求细部构造设计一、材料区分及标号选择重力坝坝型为C15砼砌块石重力坝，坝基高程31.00米，坝顶高程84.90米，坝高53.90米，坝基垫层和防渗面板采用C20混凝土，要求抗渗标号W8，坝体内采用C15混凝土砌毛石。二、坝顶重力坝坝顶迎水侧设钢筋砼防浪墙，背水侧及溢流坝坝顶交通桥上下游均设置安全栏杆，高度1.20m。路面设置双向排水，坡度1/200。三、坝体防渗与排水大坝上游侧设置C20砼防渗面板，厚度1.0m，底部与坝基砼齿墙连成一体。面板设温度钢筋与固定钢筋。砼防渗面板后设置一排竖向排水管，间距3.0m，内径0.2m；坝中设置一道横向排水管，内径0.3m。四、坝体廊道系统 为进行帷幕灌浆、设置排水孔、排泄渗透积水、安装观测仪器、检查维修坝体等需要，在坝内设置廊道。廊道离坝面16米以上，在河道段高程为47.00m，水平布置，在左右两岸由平行坝轴线方向沿地形向两岸抬高，廊道为直墙圆拱标准形，宽2.5m，高3.5m，廊道采用C20钢筋砼衬砌。地基处理一、开挖基底开挖不小于6.0m，开挖面力求平整无尖角，岸坡段开挖平台不小于总宽度的1/3。确定开挖线后，开挖线以上岩石全部挖除。二、固结灌浆在坝基面上下游约1/4底宽范围内进行固结灌浆，孔距3m，成梅花状布置，并在上下游坝踵、坝址外各布一排，灌浆孔深5～8m，压力0.2～0.4Mpa。三、惟幕灌浆与坝基排水孔为降低扬压力，大坝内设置防渗排水系统，防渗办法采用帷幕灌浆，即在离坝面8.0米附近钻孔，进行深层高压灌水泥浆，形成一道垂直防渗帷幕，防渗帷幕深度伸入相对不透水层内3~5米，帷幕厚度3.0米左右。另在防渗帷幕的下游侧设置排水设施，可以有效地降低坝基渗透压力。排水孔布置在廊道内，在防渗帷幕下游2米，孔距 3米，孔深为帷幕深度的0.5倍，且不小于10米。'