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水工建筑物课程设计

精品资料

课程设计： 混凝土重力坝设计
专业班级： 12级水利水电工程卓越班
姓 名： 饶宇
学 号： 2012102196
指导教师： 王志强

南昌工程学院水利与生态工程学院印制
2015——2016学年第一学期

第一章 基本资料
1.1 基本资料
一、 地质
河床高程332m。约有2～3m覆盖层，岩石为石灰岩，较完整，结理不发育，风化层后1～2m无特殊不利地质构造。
坝基的力学参数：抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为f'=0.9,c'=700kPa。基岩的允许抗压强度3000kPa。
地震的设计烈度为6度。
二、 水文
本枢纽属中型Ⅲ等工程。永久性重要建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。
特征水位
上游水位（ m )
下游水位
（ m )
库容
（万m³）
溢流坝泄量
（ m³/s )
校核洪水位
386.96
335.2
1200
1696
设计洪水位
385.4
334.3
1140
1250
正常蓄水位
383.96
331.7
895

死水位
350.0

40

表1 水文计算结果
经水文水利计算，有关数据如表1所示：
三、 气象
本地区多年平均最大风速为14m/s，水库吹程为2.96km。
四、 其它有关数据
河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程345m。淤沙的浮重度为9.5kN/m3，内摩擦角为12°。
坝体混凝土重度采用24kN/m3。
五、 枢纽总体布置
根据地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选用混凝土重力坝方案，重力坝由非溢流坝段和溢流坝段组成。

第二章 非溢流坝设计
2.1 剖面设计
重力坝剖面设计的原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修；
重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。剖面尺寸的初步似定主要内容有：坝顶高程，坝顶宽度，坝顶及上、下游起坡点的位置。
一、 坝顶高程的确定
波浪要素按官厅公式计算。公式如下：

库水位以上的超高

对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。计算成果见下表2-1
风速(m/s)
波高(m)
波长(m)
雍高(m)
安全加高(m)
超高(m)
坝顶高程（m）
28
1.41
13.68
0.46
0.5
2.37
387.8
14
0.59
6.84
0.16
0.4
1.15
386.6
表2-1坝顶高程计算成果表
经比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为387.8m，并取防浪墙高度1.2m，
则坝顶高程为： 387.8-1.2=386.6m
最大坝高为： 386.6-327=59.6m
二、 坝顶宽度
考虑交通要求，坝顶宽度取7m。
三、 坝面坡度
考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为坝高，该工程拟折坡点高程为347.0m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，下游坝坡取1：0.7，基本三角形顶点位于坝顶，376.30m以上为铅直坝面。
四、 坝体防渗排水
分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵7m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线9m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。
拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定和应力校核的重复计算过程。
2.2 荷载计算
一、 计算情况的选择
在设计重力坝剖面时，应按照承载力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。基本组合有正常蓄水位情况和设计洪水情况，偶然组合有校核洪水情况和地震情况。考虑的主要荷载有自重、水压力、浪压力、淤沙压力及扬压力。从以上荷载组合中分别选一种基本组合（如设计洪水位情况）和一种偶然组合（如校核洪水位情况）计算。
二、 计算截面的选择
滑动面一般有以下几种情况：坝基面、坝基内软弱层面、基岩缓倾角结构面等。对于本工程，岩石较完整，结理不发育，可仅分析沿坝基面的抗滑稳定。
三、 荷载计算
1． 坝体自重计算
坝顶宽度=7(m)
坝基宽度=(386.60-327)×0.7+(347-327)×0.2=45.72(m)
W1=1/2×24×20×20×0.2×1=960(kN)
力臂=45.72/2－2/3×20×0.2=20.19(m)
力矩=960×20.19=19382.4(kN•m)
W2=24×7×(386.60-327)×1=10012.8(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2－7.0/2=15.36(m)
力矩=10012.8×15.36=153796.61(kN•m)
W3=1/2×24×(376.30-327)×(376.30-327)×0.7×1=20416.116(kN)
力臂=(376.30-327)×0.7×2/3－45.72/2=0.15(m)
力矩=20416.116×0.15=3062.417(kN•m)

2. 静水压力 （校核洪水位）
PH1=1/2×9.81×(386.96-327)×(386.96-327)×1=17248.383(kN)
力臂=1/3×(386.96-327)=19.77(m)
力矩=-17248.383×19.77=-341000.53(kN•m)
PH2=-1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×1=-329.812(kN)
力臂=1/3×(335.2-327)=2.73(m)
力矩=329.812×2.73=900.387(kN•m)
PV1=9.81×(386.96-347)×(347-327)×0.2=1542.132(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2×1/2=20.755(m)
力矩=1542.132×20.755=32006.95(kN•m)
PV2=1/2×9.81×20×20×0.2=392.4(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2×1/3=21.42(m)
力矩=392.4×21.42=8405.21(kN•m)
PV3=1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×0.7=230.87(kN)
力臂=45.72/2－(335.2-327)×0.7×1/3=20.842(m)
力矩=-230.87×20.842=-4811.80(kN•m)
扬压力 （校核洪水位）
U1=－9.81×（335.2-327.0）×45.51×1=－3660.9(kN)
力臂=0(m) 力矩=0(kN•m)
U2=－9.81×9.0×0.25×(386.96-335.2)=－1127.9(kN)
力臂=45.72/2－9.0/2=18.255(m)
力矩=－1127.9×18.255=－20589.81(kN•m)
U3=－9.81×1/2×(45.72－9.0)×0.25×(386.96－335.2)=－2287.77(kN)
力臂=2/3×(45.72－9.0)－45.51/2=1.585(m)
力矩=-2287.77×1.585=－3626.12(kN•m)
U4=－9.81×1/2×9.0×(1－0.15)×(386.96-335.2)=－1691.86(kN)
力臂=45.72/2－1/3×9.0=19.55(m)
力矩=-1691.86×19.55=－33422.69(kN•m)
4．泥沙压力
PSH=1/2×9.5×（345-327）×（345-327）×tan2(45°－12°/2)=1009.20(kN)
力臂=1/3×18=6(m) 力矩=-1009.20×6=-6055.20(kN•m)
PSV=1/2×9.5×18×18×0.2=307.8(kN)
力臂=45.51/2－18×0.2×1/3=21.555(m)
力矩=307.8×21.555=6634.629(kN•m)
荷载
标准值（kN)
力臂(m)
力矩标准值（kN•m）
垂直荷载
水平荷载
自重
W1
960 （↓）

20.19
19382
W2
10013（↓）

15.36
153796
W3
20416（↓）

0.15
306241
静
水
压
力

水平水压力
PH1

17248(→)
19.77
-341001
PH2

330 (←)
2.73
900
垂直水压力
Pv1
1542（↓）

20.755
32007
PV2
392 （↓）

21.42
8405
Pv3
231 （↓）

20.842
-4812
泥沙压力
PSH

1009(→)
6
-6055
PSV
308（↓）

21.56
6635
扬压力
浮托力
U1
3661(↑)

0.0
0
渗透压力
U2
1128(↑)

18.255
-20590
U3
2288(↑)

1.585
-3626
U4
1692(↑)

19.755
-33423
总计

∑W=25093（↓）

∑P=17942(→)

∑M=-185314

表2-3 校核洪水位情况下荷载计算成果
2.3 抗滑稳定分析
重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。
=1.0 =1.0 f'=0.9 c'=700kPa
校核洪水位情况
∑W=( PV1 + PV2 + PV3)+(W1+W2+W3)-（U1 + U2 + U3）- PSV
=25093（↓） ∑P= PH1-PH2+PSH=17942(→)

基本组合：

由以上计算可知，在设计和校核洪水情况下坝基面均满足抗滑稳定极限状态要求。
2.4 应力分析
一、 分析目的
应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。
二、 分析的方法
应力分析的方法有理论理论计算和模型试验两类。设计时一般使用理论计算的方法，理论的计算方法有材料力学法、弹性理论和弹塑性理论的方法。
三、 材料力学法
校核洪水位情况
∑W==( PV1 + PV2 + PV3)+(W1+W2+W3)-（U1 + U2 + U3）-PSV =25093（↓） ∑P=17942(→) ∑M=∑M=W1+W2-W3+PV1+PV2+PV3-U1-U2-U3–U4 =-185314

基本组合
对于坝踵处：
对于坝趾处:
由以上计算可知：设计洪水位和校核洪水位情况下，坝址和坝踵应力符合强度要求。
第三章 溢流坝设计
3.1 孔口设计
一、 泄水方式的选择：
为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。
二、 洪水标准的确定。本次设计的重力坝是3级建筑物，根据相关规范可知：采用50年一遇的洪水标准，500年一遇的洪水标准校核。
三、 流量的确定。设计情况下溢流坝下泄流量为1250；校核情况下溢流坝下泄流量为1696。
四、 单宽流量的选择。坝基处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的防冲要求，单宽流量取50~100/s。
五、 孔口净宽似定。分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如表3--1所示：
计算情况
流量Q（/s）
单宽流量（/s）
孔口净宽B（m）
设计情况
1250
50~100
25~12.5
校核情况
1696
50~100
33.92~16.96
表3-1 孔口净宽计算
根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，假设每孔净宽为8m，则孔数n为3。
六、 溢流坝段总长度的确定。根据工程经验，似定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为3m，边墩厚为2m则溢流坝段的总长度为：

七、 坝顶高程的确定。
根据公式:
初拟侧收缩系数=0.95流量系数.
设计情况：

堰顶高程=385.4-8.5=376.9（m）
校核情况：

堰顶高程=386.96-10.4=376.56（m）
计算情况
流量Q（/s）
侧收缩系数
流量系数
孔口净宽（m）
堰上水头（m）
堰顶高程（m）
设计情况
1250
0.95
0.502
24
8.5
376.90
校核情况
1696
0.95
0.502
24
10.4
376.56
表3-2 堰顶高程计算
根据以上计算，取堰顶高程为376.56m。
八、 闸门高度的确定。计算如下：
门高=正常水位-堰顶高程+（0.1~0.2）=383.96-376.56+0.1=7.5（m）
按规范取门高为8m。
九、 定型设计水头的确定。堰上最大水头，=校核洪水位-堰顶高程，即：
=386.96-376.56=10.4（m）
定型设计水头为：=（75%~95%）=7.80~9.88（m）
取=8.8m，8.8/10.4=0.85，查表知坝面最大负压为：0.3=2.64m，小于规定的允许值（最大不超过3~6m水柱）。
十、 泄流能力的校核。先由水力学公式计算侧收缩系数，然后计算不同水头作用下的流量系数，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。
由规范可得：闸墩用半圆形
确定侧收缩系数：

确定流量系数m:

综上可知：设计的孔口符合要求。
表3-3泄流能力校核计算
计算情况
侧收缩系数
流量系数

孔口净宽（m）
堰上水头（m）
流量Q

设计情况
0.908
0.500
24
8.5
1196.0
4.32%
校核情况
0.891
0.512
24
10.4
1556.7
4.50%
3.2 溢流坝剖面设计
溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程采用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形，一般其上游面为铅直，溢流面由顶部的曲线，中间的直线，底部的反弧段三部分组成。
一、 上游堰面曲线，原点上又采用椭圆曲线，其方程为：

根据计算
则椭圆方程为：
二、 WES曲线设计
其方程为：

则：
直线段与WES曲线相切时，切点C的横坐标为:

三、 反弧半径的确定
根据工程经验 挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2）1~2,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（）。

流能比
坝面流速系数

取R为10。
反弧段的圆心求法：先画一条平行于坝下游面且相距圆弧半径R的直线，再画一条与坝顶点相距为的水平线，两线交点即为圆心。
3.3 消能防冲设计
根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射角θ=25°，挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2）1~2,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（）。
一、 反弧半径的确定

坎顶水流流速v按下式确定:

取R为10。

二、 水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度估算

挑距计算：

冲坑深度计算：

由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。
另外，为了避免小流量时产生贴面流，掏刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。
第四章 重力坝主要构造
4.1 坝顶构造
一、 非溢流坝。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0.75m人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为7m，下游设置栏杆及路灯。细部构造图略。
二、 溢流坝。溢流坝上部设有闸墩、闸门、门机、交通桥等结构和设备。
闸门的布置：工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面形成负压。采用平面钢闸门，门的尺寸：高×宽=8m×8m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的间距为2m。
闸墩：闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，即386.96m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝坝顶高程。中墩的厚度为3m，边墩的厚度为2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。
导水墙：边墩向下游延伸成导水墙。其长度延伸到挑流鼻坎的末端；高度经计算得3.5m。导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取0.5m。细部构造图略。

4.2 分缝与止水
一、 横缝。垂直于坝轴线布置，缝距为15m，缝宽为2cm，内有止水。
二、 止水。设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片用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1.0m，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。
三、 纵缝。纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面正交，缝距为15m。
四、 水平缝。混凝土浇筑块厚度为4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥浆。
4.3 廊道系统
一、 基础廊道。位置：廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面7m;形状：城门洞形，底宽3m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于。
一、 坝体廊道。自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设两层。底部高程分别为352m、372m，形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面3m，底宽1.5m，高2.5m，左右岸各有一个出口。

4.4 坝体防渗与排水
一、 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。
二、 坝体排水。距离坝的上游面3m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为15cm，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。

4.5 坝基的防渗与排水
由于坝趾处河床上有2~3m的覆盖层，有1~2m的风化层，地基开挖时应把覆盖层和严重的风化层全部挖除，坝底面的最底高程为327.0m，顺水流方向挖成锯齿状，并在上下游坝面开挖一个浅齿墙。沿坝轴线方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的宽度为至少1/3坝段长，相邻两级平台的高差不超过10m。注意根据横缝的布置、开挖的深度调整平台的宽度和高程。

一、 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。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10~30m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向垂直，孔距取2m，设置一排。
二、 坝基排水。坝基的排水孔幕布置在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为，孔距取3m，孔径为130mm，孔深为10~15m，沿坝轴线方向设置一排。

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