水工建筑物课程设计计划书

'水工建筑物课程设计计划书第1章重力坝课程设计任务书1.1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。1.2设计内容1、确定工程等级；2、在已知设计洪水位、设计泄洪流量和校核泄洪流量的前提下，确定堰顶高程，计算校核洪水位和坝顶高程；3、非溢流坝基本剖面的拟定；4、溢流坝剖面及消能方式的拟定；5、非溢流坝实用剖面的设计和静力计算；（1）非溢流坝实用剖面设计（2）确定正常和非常情况的荷载组合及荷载计算；（3）对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算，校核安全性；（4）对以上两种情况的坝底面的边缘应力计算，校核其强度。若不满足稳定和强度要求，原则上要修正剖面重新计算。6、消能设计；（1）选择孔口尺寸和闸墩型式及尺寸；2 （2）选择消能方式，确定消能结构的各部分尺寸（反弧半径、鼻坎高程、挑射角度等）（3）计算挑距和冲坑深度。7、细部构造的选择和设计：参照规范和教材，选择：2 （1）坝基的连接、灌浆和排水；（2）坝身廊道和排水；（3）横缝构造及止水；（4）坝顶布置等。1.3设计成果1、设计说明书一份设计说明书是课程设计的主要成果，要表达设计者的设计思想、方法和分析计算能力。其要求是：（1）设计主要成果的说明；（2）对设计参数、理论依据的说明；采用的常用公式可直接列出，计算过程要表格化；（3）章节分明、简明扼要、文理通顺、字迹工整，既有计算成果又有分析论证和明确结论；必须附目录页和基本资料，图纸统一附在设计说明书后；（4）计算过程表格和插图应编号，插图按比例绘制于方格纸上。2、绘图：图纸：（1）非溢流坝和溢流坝剖面图（CAD绘制）；（2）枢纽平面布置图；（3）其他细部构造图选做1－2个（CAD绘制）。要求：制图准确，布局合理，主次分明，比例得当，尺寸全，采用3号图纸。1.4设计方法1、课程设计在老师的指导下，由我们独立进行的，在设计过程中要培养我们的独立思考能力；2、在我们与老师研究问题时，我们应在充分钻研的基础上，事先提出自己的看法和意见，不能请老师代做。不能编造数据和抄袭，老师在回答问题时只能提出启发性的意见、解决问题的途径和工作方法、介绍文献或提出建议等。3、为保证按时完成设计任务，我们应了解各阶段的设计内容和比重，结合自己的实际情况，参考建议的时间安排，做出控制性的安排。1.5时间安排1、熟悉资料及布置0.5天27 2、设计任务的1－4项2.5天3、非溢流坝的剖面设计和静力校核3天4、消能设计0.5天5、细部构造选择设计0.5天6、绘图及成果整理2天7、答辩1天8、合计10天9、17周末完成答辩。1.6主要参考文献1、《水工建筑物》教材，沈长松主编；2、《水工建筑物》，祁庆和主编；2、《水力学》，吴持恭主编；3、《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005第2章设计基本资料某水利枢纽以防洪为主兼有灌溉、发电等效益的综合利用工程，该工程的坝型为混凝土重力坝。根据课程设计的内容，该工程的工程参数和基本资料提供如下：2.1工程参数坝底高程（m）正常蓄水位（m）设计洪水位（m）发电死水位（m）工程效益防洪灌溉面积（万亩）装机（万kw）130229233183保证下游两水库的抗洪保坝安全3442.2基本资料1、地形资料：见地形图，虚线为新鲜岩面的等高线；2、坝址处水位流量关系曲线27 流量（m3/s）401202006001000200030004000500060007000水位（m）134.44134.78135.4136.2136.8137.8138.6139.2139.8140.3140.83、水库库容关系曲线高程（m）135145155165175185195205215225235245容积（×106m3）0.011.758.3838.244.2876.23120.97179.26254349.6466.1683.34、设计洪水由实测及历史洪水调查资料，经频率计算分析推得：多年平均流量Q＝1350m3/s，Cv＝1.1，Cs＝3.5Cv，其频率曲线为：P（％）0.21251050Qp（m3/s）1073073105920416029201850对应P＝0.2%的Q0.2%=10730m3/s，由调洪演算求得相应的设计洪水下泄流量Q设＝4378m3/s，P＝0.1%的Q0.1%=12000m3/s，经调洪演算求得相应的下泄流量Q校＝5400m3/s。5、气温与风速、风向月份123456789101112最低气温（°C）-20.3-18.2-10.8-0.15.714.42423.12012-2.1-14.3最大风速（m/s）10151213109111088109风向按基本垂直坝轴线考虑吹程（km）106、泥沙淤积：库区植被茂密可以不考虑泥沙淤积；7、地震按5级烈度计算；8、坝址地质：岩性为花岗岩，强度高，两岸节理、裂隙发育。单位吸水率W<0.01升/分·米的相对不透水层的深度为20m。27 岩石的物理力学性质指标为：岩性容重(KN/m3)吸水率(%)抗压强度（MPa）抗剪强度（MPa）砼与基岩的摩擦系数砼与基岩的粘结力花岗岩27.0111248.80.720第3章：枢纽布置3.1确定建筑物等级本设计中，根据水库库容关系曲线，查曲线图得：设计洪水位为233m时，水库库容约为4.4亿，查《水工建筑物》教材表1—1可知，工程规模为大（2）型，工程等别为二等。因此查《水工建筑物》教材表1—3可知：主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。3.2确定坝顶高程设计流量Q=4378m3/s，假定单宽流量q=100/s·m，则：闸孔总净宽m假设每孔尺寸宽约7m，共需7孔，则：，<[q]=100/s·m所以闸孔总净宽B=49m，满足要求。又由堰流公式：27 取，m=0.5,,将，代入上式，则可求得：，堰顶高程校核洪水位m计算风速取相应洪水期平均最大风速，根据所给资料取=11m/s，风区长度D=10km。应用官厅水库公式计算,波高和波长：式中：h——波高，m；——平均波长，m；——计算风速，m/s；D——吹程，m；H——水深，m；——累计频率1%的波高。经计算得：。3.3计算坝顶高程确定坝顶超高值(3—7)Δh——防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；h1%——累计频率为1%时的波浪高度，m；——波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；27 ——安全加高，按表4－5采用坝的安全加高。表4-5运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3查表4—5得：设计洪水位时安全超高，校核洪水位时。则：Δh设=0.51+0.20+0.7=1.41mΔh校=0.51+0.20+0.5=1.21m坝顶高程的计算公式▽坝顶=H设+Δh设=233+1.41=234.41m▽坝顶=H校+Δh校=234.9+1.21=236.11m坝顶高程计算表(m)(m)(m)(m)按设计洪水位计算坝顶高程（m）0.510.200.7234.41按校核洪水位计算坝顶高程（m）0.510.200.5236.11为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为236.11m。3.4确定坝高，坝型坝高H=236.11-130=106.11m，取坝高H=106m。重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。故采用混凝土重力坝较为合理。27 第4章：非溢流坝段设计4.1剖面拟定重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡度n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡度m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9倍。4.2初拟剖面尺寸根据《混凝土重力坝设计规范》中的规定，初步拟定重力坝的尺寸如下：坝体的基本尺寸坝高H=106m。设上游面为铅直面，下游面倾角1:0.8。坝底宽。设置廊道，排水孔。a、廊道的尺寸廊道的断面尺寸，应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定，一般宽为2.5～3m，高为3～3.5m。为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0m×3.5m，形状采用城门洞型。廊道的上游壁到上游坝面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m，本次设计取9m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，取5m。b、排水孔的尺寸根据规范坝体上游面防渗层下游应设置铅直的排水管系。排水管下部应通至纵向排水廊道，上部应通至上层廊道或坝顶，以便于检修。管距可为2.0～3.0m，内径15～25cm。所以取内径取为20cm。c、坝顶宽的尺寸的确定坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%～10%取值，且不小于3m，并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的10%计算，即为10.6米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为11m，以满足大坝维修作业通行需要。27 4.3坝基面稳定计算根据坝址处水位流量关系曲线图，可知时，下游水位为112.4m，则下游水深；时，下游水位为113m,则下游水深不同情况下上下游水深及水位差特征水位上游水深下游水深上下游水位差设计洪水位1039.493.6校核洪水位104.91094.94.3.1荷载计算及其组合27 由于地震按5级烈度计算，因此可不考虑地震作用力。资料中缺少正常蓄水位，因此也不需要考虑正常蓄水位时的荷载组合。荷载组合荷载组合主要考虑情况自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力地震荷载动水压力基本组合设计洪水位情况√√√√特殊组合校核洪水位情况√√√√注：表中的“√”表示应考虑的荷载。27 1、基本组合（设计洪水位）；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27984.0031.487869881696.606.805555372水压力51984.1034.33178461427 -432.963.131355346.3739.89138173扬压力-7811.780.000-6019.6538.20229951-8519.247.13607425浪压力6.96103.2471951558.1087676.30-6542532、特殊组合（校核洪水位）,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27984.0031.487869881696.606.80555537253919.6534.9718855027 水压力-490.003.331632392.0039.07153153扬压力-8310.400.000-6103.2638.20233145-8637.567.13615865浪压力6.96105.1473253436.6187021.38-9365394.3.2坝基抗滑稳定计算根据所给资料混凝土与基岩的摩擦系数是0.72，而混凝土与基岩的粘结力是0。因此应用抗剪强度公式计算，在滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。由于所给资料有限，所以认为滑动面是水平的，其抗滑稳定安全系数K可按下式计算。其中：——按抗滑稳定计算的抗滑稳定系数；——坝体混凝土与坝基接触面的抗滑摩擦系数；——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，KN；——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，KN；按上式抗滑稳定公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于下表的规定。坝基面抗滑稳定安全系数K27 荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合11.051121111按设计洪水位计算时，2按校核洪水位计算时，因此，坝基满足抗滑稳定要求。4.3.3坝基面应力分析用材料力学法计算边缘应力在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。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岩体容许压应力112MPa。（1）按设计洪水位计算边缘应力上游面垂直正应力式中：T——坝体计算截面上游、下游方向的宽度；——计算截面全部垂直力之和（包括扬压力，下同），以向下为正。计算时切取单位长度坝体（下同）；——计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游产生压应力者为正。下游面垂直正应力：上游面剪应力：27 式中：n——上游坝坡；——计算截面在上游坝面所承受的水压力强度；——计算截面在上游坝面处的扬压力强度。下游面剪应力：式中：m——下游坝坡；——计算截面在下游坝面所承受的水压力强度；——计算截面在下游坝面处的扬压力强度。上游面水平正应力：下游面水平正应力：上游面主应力：下游面主应力：当无泥沙压力和地震动水压力时，、即为作用在坝面上的静水压力强度，且即等于、，上述公式中的（）和（）均为零。（2）按校核洪水位计算边缘应力上游：27 垂直正应力；剪应力；水平正应力；主应力。下游：垂直正应力；剪应力；水平正应力；主应力，.应力计算结果(单位：)计算情况坝堹处坝趾处基本组合（设计洪水位）488.0300488.0301579.811263.851011.082590.890特殊组合（校核洪水位）244.7800244.7801807.621446.101156.882964.500第5章：溢流坝段设计5.1泄水方式选择溢流重力坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物；不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺的通过坝面，避免产生震动和空蚀；使下泄水流对河床不产生危及坝体安全的局部冲刷。重力坝的泄水主要方式有坝顶溢流式和大孔口溢流式，坝顶溢流式的堰有较强的泄流能力，且有利于排除冰凌和其他漂浮物，还便于设计和施工,同时这种形式的堰在在重力坝枢纽中应用广泛，有很多的工程实例。故本设计采用坝顶溢流。27 5.2溢流坝剖面拟定1、溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求：a.有较高的流量系数，泄流能力大；b.水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；c.体形简单，造价低，便于施工。2、本设计的溢流坝采用WES堰。其上游面铅直，溢流坝面由顶部曲线、中间直线、下部反弧段三部分组成。其主要优点如下：（1）流量系数较大；（2）剖面较瘦，从而节省工程量；（3）以设计水头运行时堰面无负压；（4）堰面曲线以连续方程给出，便于设计施工。3、设计定型水头的确定：堰顶最大水头=校核洪水位-堰顶高程即：设计定型水头(0.75～0.95)，取，由。5.2.1坝顶曲线段溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克—奥曲线和WES曲线。本工程选用WES曲线。首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。该设计上游段曲线采用三圆弧型曲线。堰顶O点上游三圆弧的半径及其坐标值为：。27 坝顶上游曲线段坝面溢流堰顶下游堰面采用WES幂曲线,可按下式计算：式中：——堰面曲线设计定型水头,m，可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头的75%～95%计算。x、y——原点下游堰面曲线横、纵坐标K——当/＞1.0时,k值见下表,当/≤1.0时,取k＝2.0～2.2，为上游相对堰高。n—与上游堰坡有关的指数,见下表；堰面曲线参数上游面为铅直面由上表可查的n=1.85，k=2.0，故原点下游堰面曲线方程27 为:按上式计算的坐标值入下表所示：计算WES下游曲面坐标值表X024681012141618y00.2180.7861.6642.8344.2826.0007.98010.21612.703下游堰面曲线5.2．2中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取1：0.8。5.3确定反弧段的水深，半径R溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。本次设计选挑流消能。27 对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径：R=(4～10)h式中：R——反弧段半径；h——为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m；反弧段流速v＜16m/s时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值，以致取上限。上式为迭代公式，迭代初值取h=0。——单宽流量，本次设计取89.35；——上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游水位齐平。=104.9-10=94.9m，=0.92初始令h=0，此时此时取，又由，故取，取5.4挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加。θ一般在25º～35º之间，在此取5.5挑坎高度：挑坎应高出下游水位，一般以1～2m为宜。计算时按设计洪水位情况考虑。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高点与最低点间距离为R(1-cosθ)。故挑坎高度27 溢流坝剖面图5.6挡水坝段与溢流坝段剖面比较从图上可看出，挡水坝段与溢流坝段剖面基本吻合。27 5.7消能防冲设计1.确定消能方式《水工建筑物》及《混凝土重力坝设计规范》可知消能的设计原则是：a.尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；b.不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；c.下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；d.结构简单，工作可靠，工程量小。分析比较各种消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况，决定选用挑流消能。2.挑流鼻坎设计a.挑流鼻坎有连续式和差动式，该设计选用连续式鼻坎；b.鼻坎高程；c.反弧半径R=21m；d.根据实际工程情况，该设计挑射角取θ=30°；3.水舌挑距L的估算根据规范，水舌挑距L可按下式计算：27 式中：——水舌抛距，m，如有水流向心集中影响者，则抛距还应乘以0.90～0.95的折减系数；——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速v的1.1倍计，即=1.1=（为水库水位至坎顶的落差=234.9—142.81=92.09m）；θ——鼻坎的挑角，（º）；——坎顶垂直方向水深，m，(h为坎顶平均水深，m)；——坎顶至河床面高差，m，如冲坑已经形成，可算至坑底；——堰面流速系数。可按下式计算：按校核洪水位计算：27 4.最大冲坑水垫厚度的计算根据规范，最大冲坑水垫厚度可按下式计算：式中：—水垫厚度，自水面算至坑底，m；—单宽流量，/（s·m）；—上下游水位差，H=104.9-10=94.9m；—冲刷系数，其数值见下表本次设计取=1.1，则可计算得：第6章细部构造设计27 6.1廊道系统为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。6.1.1基础灌浆廊道帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土亚种提高灌浆压力，保证灌浆质量。6.1.2检查及坝体排水廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔15～20m设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m，距上游面的距离应不少于0.05～0.07倍水头，且不小于3m,寒冷地区应适当加厚。各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通，如坝体内设有电梯井，则各层廊道均应与电梯井相通。排水廊道断面尺寸统一拟定为3m×3.5m，城门洞形。6.2坝体分缝混凝土重力坝为防止在运用期由于温度变化发生伸缩变形和地基可能产生不均匀沉陷而引起裂缝，以及为了适应施工期混凝土的浇筑能力和温度控制等，常需设置垂直于坝轴线的横缝和平行于坝轴线的纵缝。横缝一般是永久缝，纵缝则属于临时缝。此外，坝体混凝土分层浇筑的层面也是一种临时性的水平施工缝。6.2.1分缝的作用1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、纵缝：适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。27 一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。3、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.5～4.0m；在靠近基岩面附近用0.75～1.0m的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。6.2.2缝间距1、横缝：由工作条件和运行条件确定（挡水：15～20m；电站：由机组尺寸确定；溢流：由孔宽+闸墩尺寸确定；底孔：由孔宽确定）；主要取决于地基特性、河谷地形、温度变化、结构布置和浇筑能力等。2、纵缝：根据混凝土浇筑能力和温度控制要求确定，一般为15～30m。6.2.3止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.0～1.6mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.5～2.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入混凝土的长度约为20～25cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制混凝土块，预制块长1.0～1.5m，厚5～10cm（本设计采用1m×10cm），沥青井尺寸大致为20cm20cm至30cm30cm（本设计采用20cm×20cm），井内灌注的填料是由二号或三号沥青、水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为15～20cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30～50cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。27'