水工建筑物课程设计---水库及大坝设计

'水工建筑物课程设计目录1基本资料11.1概况11.2地形地质概况11.3水库及大坝设计数据11.3.1水库特性11.3.2大坝设计数据12坝体实用剖面尺寸的确定及抗滑稳定和强度验算22.1初拟重力坝的基本剖面22.1.1重力坝坝高22.1.2重力坝坝面坡度22.1.3重力坝坝底宽32.2坝顶高程的确定32.3坝顶宽度42.4剖面尺寸及形状42.5抗滑稳定验算和强度校核52.5.1设计洪水位荷载计算52.5.2抗滑稳定验算62.5.3坝基面强度验算73细部构造73.1坝顶构造73.2坝体结构83.2.1横缝83.2.2纵缝83.3廊道设计83.3.1坝基灌浆廊道83.3.2坝体排水廊道83.4坝体防渗与排水83.4.1坝体防渗83.4.2坝体排水93.5坝体混凝土的强度等级94地基处理104.1坝基的防渗处理104.2坝基排水处理105设计成果图10参考文献1011博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计1基本资料1.1概况溪源水库位于A省境内B江上游峡谷内，下游灌区虽有小型水利设施，但现有保灌面积3843亩，尚有13217亩缺水，加上可开垦面积2792亩，共有受旱面积15009亩，属重旱区。溪源水库建成后，将彻底解决该地区作物灌溉问题。水库枢纽组成包括：重力坝；左右灌溉输水隧洞；坝后式水电站。1.2地形地质概况坝址地形详见地形图。河床覆盖为砂、卵石及大孤石，库岩多属基岩，岩性为砂岩和砾岩以及千枚岩，基岩强度坚硬，地质条件较好，无滑坡和大量渗水的可能。仅地质构造上裂隙节理比较发育，透水性较大。1.3水库及大坝设计数据1.3.1水库特性设计洪水位（P=2%）:145m,相应下游水位101校核洪水位（P=0.2%）：148.5m，相应下游水位102设计洪水下泻流量：350校核洪水下泻流量：400河床底部高程：100m死水位高程：118.5m最终泥沙淤积高程：115.5m1.3.2大坝设计数据1.混凝土容重：242.泥沙饱和容重：163.泥沙内摩擦角：11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计4.下游岩基允许最大冲刷单宽流量：5.坝基面摩擦系数：f=0.656.渗透压力系数：7.风速：多年平均最大风速13m/s8.吹程：D=2公里9.岩基容许抗压强度3.0MPa2坝体实用剖面尺寸的确定及抗滑稳定和强度验算2.1初拟重力坝的基本剖面2.1.1重力坝坝高坝高=设计洪水位-河床底部高程=145m-100m=45m2.1.2重力坝坝面坡度上游坝坡采用折线面，坡度为1：0.2；下游坝坡采用基本三角形破面形式，坡度为1：0.7。如图2-1所示。图2-1重力坝坡面尺寸坡面图11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计2.1.3重力坝坝底宽由上下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度为38.9m，在（0.7～0.9）坝高=31.5m～40.5m范围内，坝低宽度满足要求。2.2坝顶高程的确定波浪要素按官厅水库公式计算：L—波长，m；D—风区长度，km；H—坝前水深，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍,此处取1.5即风速为19.5m/s；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速为13m/s。坝顶或防浪墙高程＝设计洪水位坝顶或防浪墙高程＝设计洪水位。。—坝顶高于静水位的超高值—坝顶安全超高（查非溢流坝坝顶安全超高表）。坝体按三级建筑物考虑取安全超高分别为：设计情况0.4m,校核情况0.3m。坝顶高程如表2-1所示。表2-1坝顶高程计算成果表11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计计算情况风速（m/s）波浪高度（m）波浪长度L（m）风壅水高（m）安全加高（m）静水超高（m）坝顶高程（m）设计情况19.50.859.130.250.41.5145.5校核情况130.526.160.140.30.96146.46经过比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为146.46m，考虑水库综合利用情况取150m，并取防浪墙高1.2m,则坝顶高程为150-1.2=148.8m。则带有防浪墙的坝高为148.8-100=48.8m。2.3坝顶宽度按坝高的8%计算，8%×58.8=4.78m。考虑交通要求，坝顶宽度取4.5m。2.4剖面尺寸及形状初步拟定非溢流坝剖面简图如图2-2所示。11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计图2-2重力坝剖面尺寸2.5抗滑稳定验算和强度校核2.5.1设计洪水位荷载计算计算结果见表2-2。表2-2设计洪水位荷载计算结果荷载计算式垂直力水平力对坝底中点的力臂力矩↓↑→←逆时针+顺时针-自重W124×50×4.5540019.52-6.5-4.5×0.5=10.7758158W20.5×32.5×6.5×24253519.52-6.5×2/3=15.1938506.65W30.5×40.06×28.04×2413479.3928.04x2/3-21.3=1.511187.89水压力P10.5×10×562156801/3×56=18.667292693.3311博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计P20.5×10×3.5261.251/3×3.5=1.16771.47水重Q133.33×6.5×102166.4519.52-1/2×6.5=16.2735248.14Q20.5×6.5×22.67×10736.7819.52-1/3×6.5=17.3512783.13Q30.5×3.5×3.5×0.7×1042.87521.3-1/3×3.5×0.7=18771.75浪压力PL9.8×（9.13×0.5+0.85+0.25)×0.25×9.13126.7256-9.13×0.5×1/3（9.13×0.5+0.85+0.25）=47.386003.969.8×0.5×（9.13×0.5）2102.1156-2/3×0.5×9.13=52.965407.41泥沙压力Ps(16-10)×15.52×0.5tan2（45-19/2）366.711/3×15.5=5.171894.67Ps(16-10)×0.5×0.15×15.52108.1121.3-1/3*0.15×15.5=20.532219.55小计24468.6116173.43163.36152394.35312551.6扬压力U14×42.6×10170400U20.3×52×（5+3.4）×101310.419.52-1/2×8.4=15.3220075.33U30.5×34.2×52×0.3×102667.619.32-34.2×2/3=-3.288749.73U40.5×8.4×0.7×52×101528.819.52-1/3×8.4=16.7225561.54小计7210.854692.04合计22635.8716010.07109078.642.5.2抗滑稳定验算上游校核洪水位为146m，相应下游洪水位为10411博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计m。根据《重力坝设计规范》要求抗滑安全系数Ks≧1.0。抗滑稳定系数按公式（2-1）计算；式中：∑W—总铅直力；∑P—总水平力；∑M—对坝截面形心的总力矩。校核洪水位时抗滑稳定验算：由（2-1）式得＝0.65×109078.64/16010.07=4.4＞1.0满足稳定要求。2.5.3坝基面强度验算上游边缘正应力按公式（2-2）计算；下游边缘正应力按公式（2-3）计算。B—坝底宽度；由（2-2）式得上游边缘正应力＝25819.17/39.04-6×121691.25/39.042=215.74Kpa＞0由（2-3）式得下游边缘正应力，不计扬压力时：＝32366.76/39.04+6×86505.37/39.042==953.35Kpa＜4.3Mpa；计入扬压力时：＝25819.17/39.04+6×121691.25/39.042==910.99Kpa＜4.3Mpa综上可知，剖面尺寸满足抗滑稳定和强度要求。11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计3细部构造3.1坝顶构造坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为4.5m，下游侧设置栏杆及路灯。3.2坝体结构3.2.1横缝垂直于坝轴线布置，缝距为20m，缝宽2cm，内有止水。坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。3.2.2纵缝纵缝为临时性，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。3.3廊道设计3.3.1坝基灌浆廊道位置：廊道底部距坝基面5m，廊道底部形状：城门洞形，底宽3m，高3.5m。高程为145m，上游侧（中心点）距上游坝面4m;部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行高，坡度不大于40o。11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计3.3.2坝体排水廊道自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设3层。底部高程分别为165m，185m，205m，形状为城门洞形，其上游侧（中心点）距上游坝面4m，底宽2m，高3m，左右岸各有一个出口。3.4坝体防渗与排水3.4.1坝体防渗在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用一层厚2m具有防渗性能的混凝土作为坝体的防渗设施。3.4.2坝体排水据坝的上游面3m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为20cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝土管3.5坝体混凝土的强度等级坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、低热、抗裂、硬化时体积变小等性能的要求。为了合理使用材料，坝体混凝土可按不同部位、不同的工作条件采用不同强度等级，通常可分为下列区域：Ⅰ区：上下游最高水位以上坝体外部表层混凝土；Ⅱ区：上下游水位变化范围内坝体外部表层混凝土；Ⅲ区：上下游最低水位以下坝体外部表层混凝土；Ⅳ区：坝体基础混凝土；Ⅴ区：坝体内部混凝土；Ⅵ区：抗冲刷部位混凝土。混凝土分区的尺寸：一般外部（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区）混凝土各区厚度最小2～3m，上游面的厚度比下游面大，基础混凝土（Ⅳ区）厚度为0.1B（B为坝体底宽），并不小于3m，不同强度等级混凝土之间要有良好的接触带。坝体分区图如图3-1所示：11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计4地基处理4.1坝基的防渗处理在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕，其中心线距坝基处坝面分别为12m和15m。防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料，其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。帷幕的深度取15m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向竖直，孔距取2m，设置一排。4.2坝基排水处理坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为10o，孔距取3m，孔径为130mm，孔深为10～15m，沿坝轴线方向设置一排。11博学慎思参天尽物 水工建筑物课程设计5设计成果图重力坝全长370m，最大坝高46.46m。坝顶宽度4.5m。工程修建期间该重力坝在放空水库、冲沙、施工导流等环节发挥了重大作用，为整个工程的顺利进行提供了有利条件。它的建成将有效减免附近1.5万亩农田和南平市的洪灾。本次设计成果图有挡水坝剖面图、坝体立视图、坝顶细部构造图、坝体廊道结构图。详图请参见附录。参考文献[1]　天津大学祁庆和主编．水工建筑物[M]．北京．水力电力出版社．1986年[2]　水利电力部．水工建筑无抗震设计规范SDJ10—78.北京．水利电力出版社．1979年[3]　华东水利学院主编．水工设计手册．北京．水利电力出版社．1983年[4]　潘家铮主编．重力坝设计和计算．北京．中国工业出版社．1965年[5]　潘家铮主编．坝内孔口和廊道．上海．上海科技出版社．1959年[6]　水利电力部．混凝土重力坝设计规范SDJ21—78（试行）.北京．水利电力出版社．1979年11博学慎思参天尽物'