大工水工建筑物课程设计

网络教育学院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23m,全风化带厚35m，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01.5m，弱风化层厚1m 左右，微风化层厚36m。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35m，全风化带厚57m，强风化带厚1 3m，弱风化 带厚13m，微风化厚14m。1. 2. 2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在坝址上下游23km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 死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。 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。状况设计情况坝底高程(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。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。设计及计算内容2.1 确定工程等级3水库死库容 0.30 亿 m3 ，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 h的计算 h = hi% + hz + he h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， mghv2 0gDv2 0he 安全加高，按表 2 1 采用运用情况坝的级别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面按官厅公式计算 h1% ，hz 。表 2-1坝的安全加高 he内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（适用于 V 20m/s及D 20km）310.0076v 120式中： DgLhz吹程，km，按回水长度计。0.331v2.15gDv0 2 0F cth 2H13.75Lm 波长， mhz壅高，mV0 计算风速h当gD2 20: 250时，为累积频率5%的波高h5%;当gD2 250: 1000时，v0 v0 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 h的计算的基本数据设计洪水位校核洪水位吹程D (m)26003000风速v0(m)2114安全加高hc (m)0.40.3设计洪水位时，采用重现期为50年的最大风速，本次设计V。21m/ s；校核洪水位时，采用多年平均风速，本次设计 v014m/ s。a.设计洪水位时 h计算：波浪三要素计算如下：波高：9.81 h1 9.81 260022120.00762112221h=1.03m波长:9.8 12Lm 0.3311 9.8 2600 3.752 1212.15二21Lm =10.65m壅高： hzzh21.03Lm3.1410.60.31m5gD9.81260057.84故按累计频率为 500 计算22v021，hm1 11.03 0，1.03由表 B.6.3-1查表换算Hmm53.9故 h101.28m1.24 h50 1.24 1.03h 0.4mchh1% hz hc1.28 0.31 0.4b. 校核洪水位时h 计算：波高：9.810.0079.811421412300Q14h=0.65m波长：9.8 1 Lm1 420.33142.15Lmm=7.37m9.8130001413.75壅 高：hhz2 h L m3.140.18m0.6527.37gD2v209.813000214150.15，故按频率为 500计算hmHmm0.6553.90,由由表 B.6.3-1 查表换 算h1 1.24故 100h5005001.24 0.65 0.81m1.99mh 0.3mchh1% hz0.81 0.18 0.31.29m(2) 坝顶高程：a.设计洪水位的坝顶高程:设计洪水位 h82.5 1.9984.49mb校核洪水位的坝顶高程：校校核洪水位h校84.72 1.2986.01m 为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为 86.01m2.3 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 顶 84.9ma.坝高为：86.01-31=55.01mb坝顶宽度：坝顶宽度取坝高的1000即为5.5m，考虑到坝顶机械设 备作业，取 6m。c.坝底宽度:校底B10.8B 0.8底0.8(84.72-31)42.98m 取 43md.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高为34m,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X3.5m,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：6m86m6m/2x 3m43m55.01m2.4 挡水坝段荷载计算B 43m, B 6m B B B 43 6 37m1 2 11.自重： 24KN /m3,10KN / m3C坝身自重：W VcW1 6 55.01 24 (1/ 2 3.14 1 1 2 2) 24 7787.76KN11W2B2 H3 c 37 46.22 24 20521.68KN22下游水自重：a. 设计洪水位时： B3 0.8H 2 0.8 14.5 11.6m11W3B3 H2 11.6 14.5 10 841KN22W W1 W2 W37787.76 20521.68 84129150.44KN11W3B3 H 2 12.36 15.45 10 954.81KN22W W1 W2 W37787.76 20521.68 954.81 29264.25KN2. 静水压力：U43.数a. 设计洪水位时：PU1 wH12w1w1PdnW 1H221 w 2b.校核洪水位时11051.5213261.25KN211014.521051.25KN2PUPd1212h2w1wH212121010扬压力：扬压力折减系a. 设计洪水位0.2553.72215.45214429.19KN1193.51KNu1wH?B10 14.5 43 6235KNU2wHB10.25 10 37 6 555KN11u322wHB20.25 10 37 37 1711.25KNH1H2H B1 110 51.514.5 0.25 37 6 832.5KN2U U1 U 2 U3 U46235 555 1711.25 832.5 9333.75KN不同情况下上下游水深及水位差特征水位上游水深H1下游水深H2上下游水位差H设计洪水位51.5014.5037.00校核洪水位53.7215.4538.27b. 校核洪水位时：U1wH2B 10 15.45 43 6643.5KN1 w 2u 4 2 w h1 h2 HU1U2U 332b1U2 U 3 U4wHB1 0.25 1038.27 6 574.05KNwHB210126643.54.浪压力:w4a.设计洪水位 时：b.校核洪水位时:Lmmh100hZ10102.5 挡水坝段建基10.25 10 38.27 37 1769.99KN253.72 15.45 0.25 38.27 6 861.08KN574.05 1769.99 861.08 9848.62KN10.651.28 0.3147.370.81 0.18面抗滑稳定计算42.33KN18.24KN附表5-1结构系数Y附表 5-2结构系数Ym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f W U c AK sPKs 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数1.1C 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa, C 1.1 103 kpaA 坝基接触面截面积， m2工W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；工P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 Ks 值应不小于下表的规定。荷载组合Ks故基本组合（2） Ks=3.0 ,特殊组合（1） Ks =2.5设计洪水位时:1.1 29150.44 9333.75 1.1103 435.64K，满足要求3 13261.25s1051.25校核洪水位 时：1.1 29264.25 9848.62 1.1 103 43 K s基本组合5.183.特殊组合(1)2.5（2）2.3，满足要求s2. 分项系数极限状态设计法：承载能力极限状态设计式：R gd抗滑稳定极限状态作用效应函数为：S g PIP,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：R g f W cAIW 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fcf 分项系数为1.3 , c分项系数为3.0a. 设计洪水位时：作用效应函数： S g P PuPl Pd13261.25 42.33 1051.2512252.33KN坝基面抗剪断系数设计值： f 0.791.13 坝基面抗剪断黏聚力设计值： c1.1 10366.67KPa抗滑稳定抗力函数： R g f W cA0.79 29150.44 9333.75 366.67 43 31422.00KN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 1.0 ；结构重要性参数 0 1.0 本组合结构系数 d 1.2 。根据式1S g R g0d1R10 S g 1 1 12252.33 12252.33KN131422.00 26185.00KN1.2求。12252.33 26185.00 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 b. 校核洪水位时：作用效应函数g P Pu P| Pd14429.19 18.24 1193.5113253.9K2N坝基面抗剪断系数设计值：f 1.1 0.791.13 坝基面抗剪断黏聚力设计值： c1.1 10 366.67KPa1.1 10抗滑稳定抗力函数： R g f W cA0.79 29264.25 9848.62 366.67 4331105.16 KN验算抗滑稳定性：持久状况 基本组合）设计状况系数 1.0 ；结构重要性参数 0 0.85 ，本组合结构系数 d 1.2 。根据式1 0.85 13253.92 11265.83KN1Rg d1 31105.16 25920.97KN1.211265.83 25920.97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 10.05MPaa.设计洪水位：采用单一安全系数法：W 6 M2BBW 6 M2B B工W作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；M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，kNm；B计算截面的长度，m。M 7787.76 18.50 20521.68 3.17 841 17.63 6235 0555 18.50 1711.25 3.17 832.5 19.50 13261.2517.171051.254.83 42.3317.1760970.38 KN gmW6M2BB29150.44 9333.75 6 ( 60970.38)43432263.00KPa 0坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。W6MB229150.44 9333.75 6 ( 60970.38)43 432658.70KPa 10050KPa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：d 2 d1 (1 m ) y(1 0.82) 658.701080.27KPa 10050KPa 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Sg2坝趾抗压强度极限状态抗力函数为：R g Ra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M 7787.76 18.50 20521.68 3.17 954.81 17.38 6643.5 0 574.0518.501769.99 4.01 861.0819.50 14429.1917.911193.515.15 18.24 17.9194582.85KNgmW 6 M2B B 29264.25 9848.6243144.61KPa 06 ( 94582.85)243坝趾铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。W6M2 B B29264.259848.62 6 ( 94582.85)243432758.45KPa 10700KPa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：Sg 1 m2 B B29264.25 9848.626 ( 94582.85)43 4321243.85KPa验算抗压强度：1 0.82查附表 4知：偶然状况(特殊组合) 设计状况系数 0.85 ；结构重要性参数 0 1.0 ；抗压基本组合结构系数 d 1.8 。根据式d1 0.85 1243.85 1057.27KPa1R10050 5583.33KPa1.81057.27 5583.33满足强度要求。5583.33KPa2.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Wu6MyBB2dW6M上、下游面剪应力yBB2P P uuy miuudd ydy PPud m2上、下游面水平正应力u2uxP PuuP Puuy m1dddd2xP Pdd Pu m2上、下游面主应力uy Pu2u1 m 2m1 PPu1iy 1uu2P PuuJd 2 d11 m 22y m2 PPdudP Pd2uw作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；kN m；M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,B计算截面的长度，m。m1 上游坝坡；m2 下游坝坡；P、P一计算截面在上、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）；Puu、Pud 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W6M上游面垂直正应力W6M2BB263.00KPa下游面垂直正应力658.70KPa上、下游面剪应力上游面剪应力： u P Puuuuu my151.5 10 51.5 10 263.00 00KPa下游面剪应力： dyd P Pud m2dy u 2658.70 14.5 10 14.5 10 0.8526.96KPa上游面水平正应力： xu P PuuxuP P u u m2u y 151.5 10 51.5 10 51.510 51.5 10 263.000 0KPa下游面水平正应力： xd P Pudxud P P d m2y u 2上、下游面水平正应力14.5 10 14.5 10658.70 14.5 10 14.5 1020.82 421.57KPa上游面主应2 u 2 u1 m1ym1 P Pu上、下游面主应力221 02 263.00 02 51.5 10 51.5 10263.00KPauP P u u51.5 10 51.5 100KPa下游面主应 力：2 d 2 d1 m2y m2PPu1 0.822658.700.82 14.5 10 14.5 10ddP Pu1080.27KPa14.5 10 14.5 100KPab. 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： uP PuuW6M2BB144.61KPaW 6 M2B B758.45KPayu m153.72 10 53.72 10 144.610KPa下游面剪应力： ddd yP Pd mu2758.45 15.451015.45 100.8606.76KPa上、下游面水平正应力上游面水平正应力Pu uPu 2 m1 u53.7210 53.721053.72 1053.72 10 144.61 00KPa下游面水平正应Pd uPPd u2 m2力：15.45 10 15.45 10758.4515.451015.45 10 0.82 485.41KPa上 下游面主应、力上游面主应 2u2P Pum1 力：y m1u21 0144.6102 53.7210 53.7210144.61KPaP Puuu53.72 10 53.72 100KPa下游面主应力：d 2d 2 d1 1 m2y m2 P Pu1 0.82 758.45 0.82 15.45 10 15.45 10 1243.86KPaddd d2 P Pu15.45 10 15.45 100KPa应力计算结果计算情况坝堹处坝趾处u yuuxu1u2dydd xd1d2基本组合（2）263.0000263.000658.70526.96421.571080.270特殊组合（1）144.6100144.610758.45606.76485.411243.860表中数据单位都是KPa 。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荷载垂直力（kN）水平力（kN）力臂（m）力矩(kN.m)方向T1TJZ +、一自重W17787.7618.5144073.56%20521.683.1765053.73W384117.6314826.83水压力P113261.2517.17227695.66P21051.254.835077.54浪压力PL42.3317.17726.81扬压力u1623500u255518.5010267.50U31711.253.175424.66U4832.519.5016233.75合计9333.7529150.4413303.581051.25119.64214204.83275175.2119816.6912252.33119.6460970.38表二 -2校核洪水位荷载计算表荷载计荷载垂直力(kN)水平力(kN)力臂(m)力矩(kN.m)方向TITJZ +、一自重W17787.7618.5144073.56眄20521.683.1765053.73W3954.8117.3816594.60水压力P114429.1917.91258426.79P21193.515.156146.58浪压力PL18.2417.91326.68扬压力u16643.500U2574.0518.510619.93U31769.994.017097.66U4861.0819.516791.06合计9848.6229264.2514447.431193.51122.03215273.87309856.7219415.6313253.92122.0394582.85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Ks5.645.18正常工况下边缘 应力a.上游边缘垂直 正应力263.00KPa144.61 KPab.下游游边缘垂 直正应力658.70KPa758.45 KPac.上游面男应力0 KPa0 KPad.下游面男应力526.96 KPa606.76KPa非正常工况下边缘应力e.上游边缘水平 正应力0 KPa0 KPaf.下游游边缘水 平正应力421.57KPa485.41KPag.上游边缘主应 力263.00 KPa0KPa144.61 KPa 0KPah.下游游边缘主 应力1080.27 KPa 0KPa1243.86KPa0KPa2.7 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： 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； 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； 提高了设计、计算、绘图的能力； 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。