大工水工建筑物课程设计.doc

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《水工建筑物课程设计》

题 目：非溢流段混凝土重力坝设计

学习中心： 安徽**奥鹏学习中心
专 业： 水利水电工程
年 级： 2012年 春 季
学 号：
学 生：
指导教师：

《水工建筑物》课程设计基本资料
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14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。
最大冻土深度为1.25m。
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1～3m，微风化厚1～4m。
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。砂石料满足砼重力坝要求。
1.2.3水库水位及规模
①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，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
31
84.9
82.50
45.50
0
1∶0.8
校核情况
31
84.9
84.72
46.45
0
1∶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。

2 设计及计算内容
2.1 坝高计算
按照所给基本资料进行坝高计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.2 挡水坝段剖面设计
按照所给基本资料进行挡水坝段剖面设计，详细写明计算过程和最终结果。

2.3 挡水坝段荷载计算
按照所给基本资料进行挡水坝段荷载计算，详细写明计算过程和最终结果。

2.4 挡水坝段建基面抗滑稳定计算
按照所给基本资料进行挡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。

2.5 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 设计及计算内容

2.1 确定工程等级
水库死库容0.30亿，属于中型，永久性水工建筑物中的主要建筑物为3级，次要建筑物和临时建筑物为4级。

2.2 确定坝顶高程
(1)超高值Δh 的计算
Δh = h1% + hz + hc
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；
hz —波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
hc —安全加高，按表2－1 采用
表2-1 坝的安全加高hc
运用情况
坝的级别
1
2
3
设计情况（基本情况）
0.7
0.5
0.4
校核情况（特殊情况）
0.5
0.4
0.3
内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于＜20m/s 及 D＜20km）
下面按官厅公式计算h1% ， hz。

式中：D——吹程，km，按回水长度计。
——波长，m
——壅高，m
V0 ——计算风速
h——当 时，为累积频率5%的波高h5%;当 时，
为累积频率10%的波高h10%。
规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P（%）的波高hp 与平均波高的关系可按表2-2 进行换算
表2-2 累积频率为P（%）的波高与平均波高的比值

超高值Δh 的计算的基本数据

设计洪水位
校核洪水位
吹程D（m）
2600
3000
风速（m）
21
14
安全加高（m）
0.4
0.3

设计洪水位时，采用重现期为50 年的最大风速，本次设计；校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计。
a.设计洪水位时Δh 计算：

波浪三要素计算如下：
波高：
h=1.03m
波长：
=10.65m
壅高：
，故按累计频率为计算
，由表B.6.3-1查表换算
故

b.校核洪水位时Δh 计算：

波高：
h=0.65m
波长：
=7.37m
壅高：
，故按频率为计算
,由由表B.6.3-1查表换算
故

(2)坝顶高程：
a.设计洪水位的坝顶高程：

b.校核洪水位的坝顶高程：

为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为86.01m

2.3 挡水坝段剖面设计
拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，本次设计采用上游坝面铅直，下下游面倾斜的形式，坡度为1:0.8，折点设在高程为77.22m。
坝底高程
a.坝高为：86.01-31=55.01m
b.坝顶宽度：坝顶宽度取坝高的即为5.5m，考虑到坝顶机械设备作业，取6m。
c.坝底宽度：

取43m
d.基础灌浆廊道尺寸拟定：
基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.5～3m，高为3～4m，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3.0×3.5m，形状采用城门洞型。
e.廊道的位置：
廊道的上游避距离上游面10.5m
廊道底部距离坝底面6m
初步拟定坝体形状剖面如图：

2.4 挡水坝段荷载计算
PS
PS

1.自重：,
坝身自重：

下游水自重：
a. 设计洪水位时：

b.校核洪水位时：

2.静水压力：
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
51.50
14.50
37.00
校核洪水位
53.72
15.45
38.27

a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时:

3.扬压力：扬压力折减系数
a.设计洪水位时：

b.校核洪水位时：

4.浪压力：

a.设计洪水位时：
b.校核洪水位时：

2.5 挡水坝段建基γ面抗滑稳定计算
附表5-1 结构系数γd
附表5-2 结构系数γm

重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。
1.单一安全系数法:

—— 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数
f′—— 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,
c′—— 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，
A —— 坝基接触面截面积，
ΣW—— 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；
ΣP—— 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；
按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于下表的规定。
荷载组合

基本组合
3.0
特殊组合
（1）
2.5
（2）
2.3
故基本组合（2）=3.0，特殊组合（1）=2.5
设计洪水位时：
，满足要求
校核洪水位时：
，满足要求
2.分项系数极限状态设计法：
承载能力极限状态设计式：

抗滑稳定极限状态作用效应函数为：

ΣP,坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和
抗滑稳定极限状态抗力函数：

ΣW 为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。
和的分项系数由附表5可查：
，
a.设计洪水位时：
作用效应函数：

坝基面抗剪断系数设计值：
坝基面抗剪断黏聚力设计值：
抗滑稳定抗力函数：

验算抗滑稳定性：
查附表4知：持久状况（基本组合）设计状况系数；结构重要性参数，本组合结构系数。根据式

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

b.校核洪水位时：
作用效应函数：

坝基面抗剪断系数设计值：
坝基面抗剪断黏聚力设计值：
抗滑稳定抗力函数：

验算抗滑稳定性：
持久状况（基本组合）设计状况系数；结构重要性参数，本组合结构系数。根据式

计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

2.6 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核
1.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容许压应力10.05MPa
a.设计洪水位：
采用单一安全系数法：

ΣW—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM—作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；
B—计算截面的长度，m。

坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：

小于混凝土的容许压应力，满足要求。
b.校核洪水位：
坝趾抗压强度承载能力极限状态：
坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应函数为 ：

坝趾抗压强度极限状态抗力函数为：

式中：Ra为混凝土抗压强度
偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求

坝趾铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
计算作用效应函数：

验算抗压强度：
查附表4知：偶然状况（特殊组合）设计状况系数；结构重要性参数；抗压基本组合结构系数。根据式

满足强度要求。
2..对给定的作用组合情况用抗剪强度指标进行坝基面抗滑稳定极限状态验算，对验算结果进行评价。

基本公式:
上、下游坝面垂直正应力：

上、下游面剪应力:

上、下游面水平正应力

上、下游面主应力

ΣW—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM—作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；
B—计算截面的长度，m。
—— 上游坝坡；
—— 下游坝坡；
、——计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应
计入在内）；
、——计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度；

a.设计洪水位时：
上、下游坝面垂直正应力
上游面垂直正应力:

下游面垂直正应力:

上、下游面剪应力:
上游面剪应力：

下游面剪应力：

上、下游面水平正应力
上游面水平正应力：

下游面水平正应力：

上、下游面主应力
上游面主应力：

下游面主应力：

b.校核洪水位时：
上、下游坝面垂直正应力
上游面垂直正应力:

下游面垂直正应力:

上、下游面剪应力:
上游面剪应力：

下游面剪应力：

上、下游面水平正应力
上游面水平正应力：

下游面水平正应力：

上、下游面主应力
上游面主应力：

下游面主应力：

应力计算结果
计算情况
坝堹处
坝趾处

基本组合（2）
263.00
0
0
263.00
0
658.70
526.96
421.57
1080.27
0
特殊组合（1）
144.61
0
0
144.61
0
758.45
606.76
485.41
1243.86
0
表中数据单位都是。

由上表应力都小于10.05Mpa，所以满足要求。
表二 -1 设计洪水位荷载计算表
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
W1

7787.76

18.5
144073.56

W2

20521.68

3.17
65053.73

W3

841

17.63

14826.83
水压力
P1

13261.25

17.17

227695.66
P2

1051.25
4.83
5077.54

浪压力
PL

42.33

17.17

726.81
扬压力
u1
6235

0

0
u2
555

18.50

10267.50
u3
1711.25

3.17

5424.66
u4
832.5

19.50

16233.75
合计

9333.75
29150.44
13303.58
1051.25
119.64
214204.83
275175.21

19816.69
12252.33
119.64
60970.38
表二 -2 校核洪水位荷载计算表
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
W1

7787.76

18.5
144073.56

W2

20521.68

3.17
65053.73

W3

954.81

17.38

16594.60
水压力
P1

14429.19

17.91

258426.79
P2

1193.51
5.15
6146.58

浪压力
PL

18.24

17.91

326.68
扬压力
u1
6643.5

0

0
u2
574.05

18.5

10619.93
u3
1769.99

4.01

7097.66
u4
861.08

19.5

16791.06
合计

9848.62
29264.25
14447.43
1193.51
122.03
215273.87
309856.72

19415.63
13253.92
122.03
94582.85

注：建议自重按三角形和矩形分块计算，扬压力折减系数=0.25
表三
挡水坝段建基面处
设计
校核
抗滑稳定安全系数Ks’
5.64
5.18
正常工况下边缘应力
a.上游边缘垂直正应力
263.00KPa
144.61 KPa
b.下游游边缘垂直正应力
658.70KPa
758.45 KPa
c.上游面剪应力
0 KPa
0 KPa
d.下游面剪应力
526.96 KPa
606.76KPa
非正常工况下边缘应力
e.上游边缘水平正应力
0 KPa
0 KPa
f.下游游边缘水平正应力
421.57KPa
485.41KPa
g.上游边缘主应力
263.00 KPa
0KPa
144.61 KPa
0KPa
h.下游游边缘主应力
1080.27 KPa
0KPa
1243.86KPa
0KPa

2.7 总结
本人通过本学期水工建筑物课程系统的学习，已经掌握了水工设计的基础知识。本次课程设计是根据自己所学的知识，参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指导下完成的。通过这次课程设计，我提高了如下的几方面的能力：
① 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力；
② 培养了自学能力和科学研究能力，逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力；
③提高了设计、计算、绘图的能力；
④培养了严谨的工作作风和正确的设计思想。
由于时间仓促，本人水平有限，设计中难免有些不足之处，希望老师批评指正，本人将不胜感激。