水工建筑物课程设计--混凝土重力坝设计

'丈止疣二犬彥网络教育学院《水工建筑物课程设计》题目：混凝土重力坝设计 1项目基本资料1.1气候特征根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s,重现期为50年的年最大风速23m/s,吹程：设计洪水位2.6km,校核洪水位3.0km。最大冻土深度为1.25im河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。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：覆盖层2〜3m,全风化带厚3〜5m,强风化加弱风化带厚3m,微风化厚4mo(2)河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约0~1.5m,弱风化层厚lm左右，微风化层厚3〜6m。坝址处河床岩面高程约在38m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，抗冲能力强。(3)右岸：覆盖层3~5m,全风化带厚5〜7m,强风化带厚1〜3m,弱风化带厚l~3m,微风化厚l~4m。1.2.2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，质量好。粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足碗重力坝要求。1.2.3水库水位及规模①死水位：初步确定死库容0.30亿n?,死水位51m。②正常蓄水位：80.0m。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(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况3184.982.5045.5001:0.8校核情况3184.984.7246.4501:0.8本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。 特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。3大坝设计概况1.3.1工程等级木水库死库容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),按水库总库容确定木工程等别为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。确定木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，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，所以重力坝的基木剖面是三角形，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二0.8,上游面为铅肓。 2设计及计算内容2.1坝高计算按照所给基木资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。据大坝特性表资料，坝高H二坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。2.2挡水坝段剖面设计按照所给基木资料进行描水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。1.2.1坝顶构造设计坝顶宽度取8%〜10%坝高，H不小于3m,设计坝顶宽度取4.80mo坝顶上游设置防浪墙，墙身采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，高度取1.35m(按设计洪水位计算)，宽度取0.50m,坝顶下游侧设拦杆。1.2.2坝底宽度计算根据大坝特性表资料，坝底宽度T二(84.90-31.00)X0.8M3.12m01.2.3坝体检查排水廊道、排水管幕设计为了便于检查、观测和排除坝体渗水，在坝体高程65.00处设一检查兼作排水用的廊道，廊道断面采用城门洞形，宽度取1.5m,高度取2.5m,其上游侧至上游坝面的距离取0.05〜0.07倍作用水头，H不小于3m,设计取4.00m。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1/15〜1/25倍作用水头，且不小于加,设计取3.00m,间距取2.50m,管径取200mm,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集到下层纵向廊道，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4〜5m,设计取4.0m,廊道断面采用城门洞形，宽度取3.00m,高度取3.50m,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4.00mo为减少坝基渗漏，防止较大渗流对坝基产牛渗透破坏，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.OOmo灌浆帷幕中心线距上游坝面4.50mo帷幕灌浆必须在浇筑一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60m*10KX/m3=600KPa；在孔低不宜小于2〜3 倍坝前静水头，取130m*10KN/m3=1300KPao为了充分降低坝底扬压力和排除基岩渗水，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50m以上的深度不小于10m,排水孔深度设计取10.00m,孔距取2.50m,孔径取200mm,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.OOino2.2.5地基处理基岩开挖的边坡必须保持稳定，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软弱夹层，埋藏不深的溶洞、溶浊面应尽量挖除。开挖至距利用岩面0.5〜1.0m时，应采用手风钻钻孔，小药量爆破，以免产牛裂隙或增大裂隙。遇到易风化的页岩、黏土岩时，应留0.2〜0.3m的保护层，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，必须彻底清理、冲洗和修凿,风化、松动、软弱破碎的岩块都要清除干净，突出的尖角要打掉，光滑的岩面要凿毛，并用水冲洗干净，基岩表面不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物，排除基岩面上全部积水，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用C,附、A。。厚3.00m的混凝土。(2)下游水位变化区的坝体表层采用GaW,F2。。厚3.00m的混凝土。(3)上、下游最低水位以下坝体表层采用C20、W10>A。。厚3.00m的混凝土。⑷坝体靠近基础的底部采用C20、W”F200厚8.00m的混凝土，满足强度要求。(5)坝体内部采用C10>W2低热混凝土。2.3挡水坝段荷载计算按照所给基木资料进行描水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。 2.3.1荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压设计洪水位坝体尺寸与荷载(m)(1)自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3,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丫加1，排水孔线上为丫加2+仅YsAH,坝址处为丫3H2,其间均以直线连接，扬压力折减系数=0.25o(4)泥沙压力。大坝迎水而前泥沙的淤积高度计算至死水位51m,大坝迎水而前泥沙的淤积高度hs=51.0-31.020.0m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布,泥沙干重度丫⑴取13.5KN/O?,孔隙率n取0.42,内摩擦角叽取18°，泥沙的浮重度丫sb=Ysd-(l-n)Yw=13.5-(l-0.42)X10=7.7KN/m单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=l/2ysbhs2tan2(45°-s/2)0坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水而前泥沙的淤积高度hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥 沙压力外还应计算竖育泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(1)浪压力。计算风速取重现期为50年的年最大风速23m/s,风区长度取2600m,按鹤地水库试验公式gh2%/vo2=O.OO625vo(,/6)(gD/vo2)(,/3)和gLm/vo2=O.O386(gD/vo2)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m,平均波长L沪14.45m,经查表求得hi%=2.25m。使波浪破碎的临界水Hc=Lm/(4n)ln[(打+2nhI%)/(Lm-2兀hI%)]=5.19mo因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m,H>Hcr和H>L/2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P賊二1/4YaLm(h|%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度hz=71h1%2/Lmcth(HH/LQ二1.10mo防浪墙顶高程为：82.50+h]%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m0上述荷载计算见计算表。重力坝基本荷载组合计算表2.3.2荷载特殊组合仃)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压 校核洪水位坝体尺寸与荷载(m)(1)自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3,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丫3丹，排水孔线上为Y3出+©YsAH,坝址处为丫川2,其间均以直线连接，扬压力折减系数=0.25o(4)泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m,大坝迎水面前泥沙的淤积高度hs=51.00-31.00=20.00m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度Ysd取13.5KN/H?,孔隙率n取0.42,内摩擦角叽取18°,泥沙的浮重度Ysb二Ysd-d-n)Y0=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m30单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk二1/2Ysbhjtm?(45°~4)s/2)。坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度hs=38.00-31.00=7.00m,除计算水平泥沙压力外还应计算竖宜泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。(5)浪压力。计算风速取多年平均最大风速14m/s,风区长度取3000m,按鹤地水库试验公式gh2%/vo2=O.OO625vo(1/6)(gD/vo2)(1/3)和gLm/voM).O386(gD/vo2)(i/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=1.03m,平均波长Lni=9.45m,经查表求得hi%=1.12im使波浪破碎的临界水Hc=Lm/(4n)ln[(Lm+2nhI%)/(Lm-2兀h|%)]二1.45m。因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m,H>Hcr和H>L(2,发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P賊二1/4Y3Lm(h|%+hz)计算。波浪中心至计算静水位的高度hz=71h1%2/Lmcth(nH/LQ二0.42m。防浪墙顶高程为：84.72+hi%+hz+hc二84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m0大坝特性表资料提供的坝顶高程不足。上述荷载计算见计算表。重力坝特殊荷载组合计算表2.3.3挡水坝段荷载计算成果木设计荷载仅分析基木组合(2)及特殊组合仃)两种情况，荷载组合作用计算成果见表二和表三。 表二：坝体基木荷载组合作用计算成果表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表2.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算按照所给基木资料进行扌当水坝段建基面抗滑稳定计算，详细写明计算过程和最终结果。2.4.1荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，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f=0.85,C=0.65MPa,基岩允许抗压强度取1430KPa。建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K=(fSW+C"A)/EP二(0.85*19778+650*43.12)/13044二3.44>[K]二3.0,满足抗滑稳定要求。2.4.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，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f=0.85,C=0.65MPa,基岩允许抗压强度取1430KPa。建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K=(fSW+C"A)/EP=(0.85*19372+650M3.12)/13984=3.18>[K]=2.5,满足抗滑稳定要求。2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核按照所给基本资料进行挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核，详细写明计算过程和最终结果。2.5.1荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，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：5uy=LW/B+6LM/B2=19778/43.12+6*(-79461)/43.122=202.27(KPa)>0,满足要求。5dy=SW/B-6工M/B2=19778/43」2-6*(-7946D/43.122=715,09(KPa)<1430Kpa,满足抗压强度要求。(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：tU=(P-PUU-5uy)mi=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)otd=(6dy+Pdu-P)m2=(715.09+14.5*10-14.5*10):}:0.8=572.07(KPa),满足要求。 (1)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：5UX=(P-PUU)-(P-PUU-5uy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)o5dx=(P・Pdu)+(Sdy+pdu-P)m22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KPa),满足要求。(2)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：6Tl+m/)8uy-(P-Puu)mi2=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa),满足要求。6u2=P-Puu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)oSdi=(l+m22)8dy-(P・Pdu)m22=(l+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82=1172.75(KPa),满足要求。5d2=P・Pdu=14.5*10-14.5*10=0(KPa)o(3)当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：Suy=SW/B+6SM/B2=29227/43.12+6*(-46139)/43.122=528.92(KPa)>0,满足要求。5dy=LW/B-6EM/B2=29227/43.12-6*(-46139)/43.122=826.69(KPa)<1430Kpa,满足抗压强度要求。(4)当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：tU=(PU-Suy)mi=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)otd=(5dy-Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa),满足要求。(5)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：6UX=PU-(PU-6uy)mi2=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa),满足要求。5dx=Pd+(Sdy-Pd)m22=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(KPa),满足要求。(6)当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：6Tl+m/)8令Pu*mi2=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)*0=528.92(KPa),满足要求。6u2=P=51.5*10=515.00(KPa),满足要求。Sdi=(l+m22)8dy-pd*m22=(l+0-82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KPa),满足要求。5d2=P=14.5*10=145.00(KPa),满足要求。2.5.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，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：51二EW/B+6EM/B2二19372/43.12+6*(-106966)/43」22=104.08(KPa)>0,满足要求。sdy=工W/B-6工M/B2=19372/43.12-6*(-106966)/43.122=794.43(KPa)<1430KPa，满足抗压强度要求。(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：t8"01111=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)otd=(Sdy+Pdu-P)m2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(KPa),满足要求。(3)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：6UX=(P-PUU)-(P-PUU-6uy)mi2=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)osdx=(P・Pdu)+(Sdy+pdu-P)m22=(15.45*10-15.45*10)+(794.43+15.45*10-15.45^10)^0.82=508.44(KPa),满足要求。(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：6Tl+m/)8uy-(P-Puu)mi2=(l+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KPa),满足要求。6u2=P-Puu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)oSdi=(l+m22)8dy-(P・Pdu)m22=(l+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82=1302.87(KPa),满足要求。5d2=P・Pdu=15.45*10-15.45*10=0(KPa)o(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：Suy=SW/B+6SM/B2=29341/43.12+6*(-72493)/43.12?=446.52(KPa)>0,满足要求。Sdy=SW/B-6SM/B2=29341/43.12-6*(-72493)/43.122=914.38(KPa)<1430Kpa,满足抗压强度要求。(6)当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：tU=(PU-6uy)mi=(53.72*10-446.52)*0=0(KPa)otd=(Sdy-Pd)m2=(914.38-15.45*10)*0.8=607.90(KPa),满足要求。(7)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：5ux=Pl,-(Pu-SYmiJ53.72*10・(53.72*10・446.52)*0=537.20(KPa),满足要求。8dx=Pd+(6dy-Pd)m22=15.45*10+(914.38-15.45*10)*0.82=640.82(KPa),满足要求。(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： 5Tl+m/)8令Pu*mi2=(1+0)*446.52-(53.72*10-53.72*10)*0=446.52(KPa),满足要求。Su2=P=53.72*10=537.20(Kpa),满足要求。Sdi=(l+m22)8dy-pd*m22=(l+0.82)*914.38-15.45*10*0.82=1400.70(KPa),满足要求。5d2=P=15.45*10=154.50(KPa),满足要求。2.5.3挡水坝段坝体稳定应力计算计算成果本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况，坝体稳定应力计算成果见表四，正常工况考虑自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力，非正常工况不计入扬压力。表四:坝体稳定应力计算成果表 3设计书及图纸第二章坝体荷载作用和坝体稳定应力计算最终结果要以表格的形式给出，具体的格式见表二和表三。表二荷载计算荷载垂直力(kN)水平力(kN)力臂(m)力矩(kN.m)方向fI—►—/+自重W1681840354118984w3419.81.93810.2水压力Pl1326117.2227651p210514.85081扬压力Pl627721.6135867浪压力U17.851.3398U2U3Ui合计955727768133781051注：建议自重按三角形和矩形分块计算，扬压力折减系数&=().25表三挡水坝段建基面处设计校核抗滑稳定安全系数Ks，3.443.18正常工况下边缘应力a.上游边缘垂直正应力207.27104.08b.下游游边缘垂直止应力715.09794.43C.上游面剪应力00d.下游面剪应力572.07635.54非正常工况下边缘应力e.上游边缘水平正应力515.00537.20f.下游游边缘水平正应力581.28640.82g.上游边缘主应力5ui=528.92;6V515.006*446.52;6V537.20 h.下游游边缘主应力6dpl262.97;二145.006>1400.70;81154.50CAD图内容为挡水坝段剖面图，无需绘制坝体细部构造图（如廊道细部构造、止水片细部构造）图纸大小为A2,剖面图应包括挡水坝段主要构造。剖面图述应包括：1)坝顶构造；2)灌浆排水廊道、排水管幕;3)坝基排水廊道；4)防渗帷幕灌浆；5)各种特征水位的标注；6)图纸标题及相关说明。《水工建筑物课程设计》要求《水工建筑物课程设计》是大连理工大学网络教育学院水利水电工程专业开展的一项实践教学环节，是在学习理论基础上进行的一次综合性的实践设计，通过设计和实践，培养学生综合运用知识、设计计算与工程制图的能力，使学生牢固掌握课程中学到的重力坝的设计原理、应力与稳定的分析方法。该课程设计要求如下：1.能根据课题要求，通过查阅资料，独立完成课题的方案设计、合理地选择挡水坝段断面并进行设计情况与校核情况的应力与稳定分析，撰写设计说明书，并应用CAD画出完整的挡水坝段的剖面图，详见课程离线作业中上传的《水工建筑物课程设计模板》。2.要求学生必须按照《水工建筑物课程设计模板》提供的格式和内容进行课程设计，完成课程设计模板提供的全部课程设计内容，字数要求达到3000字以上。3.学生在进行课程设计的过程中，可参考辅导教师在导学资料中上传的文献资料，有问题可通过课程论坛答疑。4.2016年春季学期学生提交本课程设计形式及截止时间2016年9刀6日学生需要以附件形式（附件的大小限制在10M以内）将完成的课程设计以“离线作业”形式上传至课程平台中的“离线作业”模块，通过选择已完成的课程设计，点“上交”即可，如下图所示。 课IS公台渓件浏览在枚作业离找作业实时交流序号作业名称超止日期下第交日薦褂分接作1皴卫东101410013979浙江台州與鵬学习1中芯⑴YIP048*1、09*8*3109*8»1截止时间：2016年9月6日。在此之前，学生可随时提交课程设计,如需修改，可直接上传新文件，平台会自动覆盖原有文件。1.课程设计批阅老师会在离线作业关闭后集中批阅课程设计，在离线作业截止时间前不进行任何形式的批阅。注意：本课程设计应该独立完成,不准抄袭他人或者请人代做,如有雷同作业,成绩以零分计。大连理工大学网络教冇学院2016年5月'