华北水利水工建筑物课程设计讲解Word格式.docx
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25℃,绝对最高达
39℃
(1955
年),本流域无霜期较短(90—180
天)冰冻期较长(120—200
天),顺河站附
1
近河道一般
月封冻,次年
3
月上旬解冻,封冻期约
70—100
天,冰厚
0.4—0.6
米,岸边可达
1
米,流域内冬季盛行偏北风,风速可达七、八级,有时更大些,
春秋两季风向变化较大夏季常为东南风,多年平均最大风速为
18
米/秒,水库吹
程
D=3
公里。
1.4
工程地质
库区地质:
顺河水库、库区属于中高山区,河谷大都为峡谷地形,只西城峪
至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄,断续出现且不对称,区域内无严重的
坍岸及渗漏问题。
第四大岩层(Ar
4)为角闪斜长片麻岩。
具粗粒至中间细粒纤
状花岗变晶结构,主要矿物为斜长石、石英及角闪石,本层岩体呈厚层块状、质
地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好,总厚度
185
米左右。
岩石
物理力学性质:
岩石容重为
2.68—2.70
吨/立米,饱和抗压强度,弱风化和微分
化岩石均在
650
公斤/厘米
2
以上,有的可达
1100
2,混凝土与岩石的
磨擦系数微分化及弱风化化下部,可取
f
'
=1.10,
c'
=7.5kg/cm2。
地震:
库区附近历史地震活动较为频繁,近年来微繁。
弱震仍不断发生,其
中
1936
年和
1976
年两次发生
6
度左右地震,1977
年
月国家地震局地震地质大
队对本区域地震问题作了鉴定,水库的基本烈度为
度,考虑到枢纽的重要性,
和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用
7
2
1.5
枢纽建筑物特性指标
水
位
库
容
项
目
校核洪水位
设计洪水位
正常蓄水位
汛期限制水位
死水位(发电)
校核洪水位尾水位
设计洪水尾水位
正常尾水位
总库容
调洪库容
兴利库容
共用库容
死库容
坝
型
坝顶溢孔数
堰顶高程
每孔净宽
工作闸门尺寸
启闭机(2×
70
吨)
设计洪水下泄能力
校核水位下泄量
进口底高程
底孔数目
单
米
亿立米
孔
米×
台
米
3/秒
指
标
227.2
225.7
224.7
216.0
180.0
156.8
152.0
138.4
25.5
7.4
19.5
5.6
4.2
混凝土重力坝
19
210.0
15.0
15×
15
32300
42900
160.0
4
备
注
p=0.01%
p=0.1%
计入十年淤积
闸墩的中墩厚度
为
(横缝设在闸墩
中间)
弧形钢闸门
固定式卷扬机
限泄
275003
泄
工作闸门尺寸
(
宽×
高)
启闭机
设计水位泄水能力
5×
7
4340
校核水位泄水能力米
3/秒4430
3
水管道进口底高程
管线长度
170.0
121.0
三条引水管
电
管
径
5.0
站
引
管
最大引水流量
工作闸门
工作闸门启闭机
3/秒
104
扇
-
3-5×
×
台
每条引水道
平板钢闸门
240×
吨液压
道
平板检修门
检修门启闭机
8.5
式共用一扇
400/25
吨门机
主厂房尺寸
长×
宽米
72
19.1
高)×
米39.00
机组间距
水轮发电机组
装机容量
水轮机型号
额定出力
万瓦
HL702-
16
3×
6=18
LJ-330
6.18
发电机型号
TS-750/
190-36
主要压器型号
输电线电压
SSPL-80
000
千伏
6.0
/220
220
共
第二章坝体剖面拟定
2.1
剖面拟定原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求;
2、力求剖面较小;
3、外形轮廓简单;
4、工程量小,运用方便,便于施工。
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力和扬压力三项主要荷载作用下,满
足稳定和强度要求,并使工程量最小的三角形剖面,如图
2—1
所示,在已知坝高
H、水压力
P、抗剪强度参数
f、c
和扬压力
U
的条件下,根据抗滑稳定和强度要
求,可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
图
2-1
重力坝的基本剖面图示
2.2
拟定实用剖面
2.2.1
确定坝顶高程
(1)高差Δ
h
的计算
(
根据《混凝土重力坝设计规范》
SL319-2005)8.1.1,坝顶应高于校核洪水位,
坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程,其与正常蓄水位或校核洪水位的高
差,可由下边公式(8.1.1)计算,应选择两者中防浪顶高程中高者作为选定高程。
∆h
=
h+
+
h
10zc
式中:
--防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差,m;
0
--波高,m;
z
--波浪中心线至正常或校核洪水位的高差,m;
c
--安全超高;
根据基本资料可知:
水库吹程
D=3×
103m,多年平均最大风速
V0=18m/s。
该工程的结构安全级别为Ⅰ级,故查得设计洪水位情况
hc=0.7m;
校核洪水
位情况
hc=0.7m。
下面按官厅公式计算
h1%
,
hz。
波高
hl:
gD/V02=28∈(20~250),为累计频率
5%的波高
h5%
规范规定应采用累计频率为
1%时的波高,对应于
5%波高,应乘以
1.24;
首先计算波浪高度
hl
和波浪长度
L
和波浪中心线超出静水面的高度
1)、
设计洪水位时:
设计洪水位时Δ
计算
风速采用
50
年一遇的风速
V0
=2×
18=36m/s,吹程
103m。
波浪三要素计算如下:
hl=0.0166
V05/4
D1/3=2.11m
波长
L=10.4(hl)0.8
=19m
5
壅高(一般峡谷水库因
z
π
h2
l
);
取
hz=π
hl2/L=0.736m
由规范《SL319-2005》中波浪爬高公式
计算得出
h=h5%
=2.11m
因
gD/V02=28,h1%=1.24h5%=2.616m
;
hz
0.736m
hc
0.7m
Δ
hc=4.05m
2)、
校核洪水位时:
计算方法同上,V0
m/s
hc=1.10+0.26+0.5=1.85m
(2)坝顶高程计算
坝顶高程按下式计算,并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δ
设=225.7+4.05=229.75m
坝顶高程=校核洪水位+Δ
校=227.2+1.85=229.05m
取设计洪水位时的情况
229.75m
为保证坝体运行安全,需设置防浪墙,取
1.2m,为▽229.75m。
2.2.2
确定坝高
1、枢纽布置方案拟定
枢纽布置是确定挡水坝段、溢流坝段、电站坝段、底孔坝段的相互位置,挡
水坝段布置在河床两岸,河床中间为溢流坝段、电站坝段、底孔坝,而溢流坝段
与电站坝段不宜建在一起,故枢纽布置方案有两种:
方案一电站坝段在右岸
优点:
1、进坝公路在左岸,便于交通运输;
2、电站坝段在右岸主河槽位置,
水轮机安装高程低,从而有利于发电。
缺点:
左岸设溢流坝,冲刷坑部位地质条件较差。
方案二电站坝段在左岸
1、电站布置在左岸,地势开阔,布置方便;
2、溢流坝位于右岸河床
段,使冲刷避开左岸地质条件较差的区域。
增加开挖工程量,运输不方便
综上所述,方案一工程量小,运输方便,且左岸冲刷问题可经工程措施予以
处理,保证大坝安全稳定,故选方案一
2、确定坝高
根据规范,坝高超过
100m
时,可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。
原则上应考虑技术加固处理后,在满足坝的强度和稳定的基础上,减少开挖。
基
础中存在的局部工程地质缺陷,例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节
理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。
由方案一,河床的片麻岩
地基上修建实体重力坝,通过立视图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高
程为▽126.0m。
因此,最大坝高为
228.55
-126=102.55m
属于高坝。
2.2.3
坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗
震,特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求,根据规范的规定,坝顶宽度可采用坝高的
8%~10%取值,且
6
不小于
2m
并应满足交通和运行管理的需要。
按坝高的
10%计算,即为
10.4
米,
考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等,取坝顶宽为
10m,
以满足大坝维修作业通行需要。
2.2.4
坝坡的确定
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,为了便于布置进口控制设备,又可利用一部分水重帮
助坝体维持稳定,本次设计采用上游坝面上部铅直,下部倾斜的形式。
该形式为
实际工程中经常采用的一种形式,具有比较丰富的工程经验。
根据已知条件,上游坝坡坡率
n=0.2,做成上铅直下部倾向上游;
下游坝坡坡
率
m=0.6~0.8,取
m=0.8。
在上下游坡率及坝顶高程已知的条件下,上游起点高程为
185.0m,下游起波
点高程为
228.55m
2.2.5
基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道,兼作灌浆、排水和检查之用。
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,为了保证
完成其功能且可以自由通行,设计基础灌浆廊道断面取
3.0×
4.5m,形状采用城门
洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求,在坝踵附近距上游坝面
0.05~0.1
倍作用水头、且不小于
4~5m
处设置,本次设计取
9m,为满足压力灌
浆,基础灌浆廊道距基岩面不宜小于
倍廊道宽度,取
6m。
初步拟定坝体形状剖面如图所示。
2-2
非溢流坝段剖面尺寸图
第三章稳定分析
3.1
荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有:
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、
地震荷载等,常取
1m坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合属于设计情况或正常情
况,由同时出现的基本荷载组成。
特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现
的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择几种最不
利的、起控制作用的组合情况进行计算,使之满足规范中规定的要求。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位;
特殊组合为校核
洪水位和地震情况,它们分别考虑的荷载如下表所示。
表
3-1
荷载
组合
考虑情况
自重
静水
扬压
泥沙
浪压
地震
动水
泥沙压
(水重)
压力
力
荷载
力
基本
校核洪水位情况
√
√
注:
1.应根据各种作用同时发生的实际可能性,选择计算中的最不利的组合;
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。
3.施工期的情况应作必要核算,作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件,如考虑运用时排水设备,易于堵塞,须经常维修时,
应考虑排水失效的情况,作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6.表中的“√”表示应考虑的荷载。
下面就各种情况计算相应荷载,计算示意图如下
W
W2’
12
H1W2’W13
11
Pd
H2
b3
U
γH2
γH1U2U3αγH
U1
3-1
重力坝荷载计算示意图
3.1.1
自重W
8
c
坝体自重的计算公式:
W
=Vγ
(kN)(3-6)
式中V——坝体体积,m3;
由于取
1m
坝长,可以用断面面积代替,通常把
它分成如图
所示的若干个简单的几何图形分别计算重力;
γ
——坝体混凝土的重度(本设计中混凝土的重度为
24kN/
m3)
分解后的三部分自重:
W=
W1
W2
W3
=24×
0.5×
11.8×
59+24
102.55+24
91.25
73=112464kN
3.1.2
静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载,计算时常分解为水平水压力
PH
和
垂直水压力
PV
两种。
根据水力学公式
水平水压力
计算公式为:
H
—
计算点处的作用水头,m;
w
—水的重度,常取
9.81
kN/m3;
按水重计算。
计算正常蓄水位情况下的上下游水深:
上游水深
H1
=227.2-124.0=103.2m;
下游水深
H2
=156.8-124.0=32.8m
上游垂直水压力:
Pv1=8022.5kN
下游垂直水压力:
Pv2=30.8×
0.8×
30.8×
9.81=3720kN
水重:
Pv=
Pv1+
Pv2=8022.5+3720=11742.5
kN(↓)
上游水平水压力:
PH1
=-0.5×
9.81×
102.552=-51533kN(→)
下游水平水压力:
PH2=0.5×
30.82=4650kN(←)
泥沙压力Ps
一般计算年限取
50~100
年,水平泥沙压力
Ps
为:
sb——泥沙的浮容重,0.9×
9.8kN/m3;
hs
——坝前淤沙厚度,157.5-126=31.5m
Φ
s
——淤沙的内摩擦角,(
12°
)。
故泥沙压力为
Ps=1/2×
0.9×
33.52×
tan2(45°
-
/2)=2889kN
浪压力
1.波浪要素计算及波态判别
根据规范
SL319-2005,波浪要素按官厅水库公式计算(适用于
V0<
20m/s
及
D<
20km):
9
——当
gD/V02=20~250
时,为累积频率
h5%;
当
gD/V02=250~1000
10%的波高
h10%
由剖面计算结果知,取累积频率
Lm
——平均波长(m);
波浪中心线至水库静水位的高度
按下式计算:
其中,平均波长
=0.331V0-1/2.15(gD/V02)1/3.75×
V02/g
=9.44m
2.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力,如图所示。
深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
h1%=1.1hz
0.26m
Pl=γ
Lm(h1%+hz)/4=9.81×
9.44÷
4×
(1.1+0.26)=32kN(→)
3.1.3
扬压力
扬压力为渗透压力和浮托力
浮托力:
UF=9.81×
(156.8-126)
93=28100
KN
渗透压力:
由《混凝土重力坝设计规范》
河谷段
=0.2~0.3岸坡段γ
=0.3~0.4
选取
0.3γ
h=0.3×
(227.2-126)=30m
U1
=17825
10
所以扬压力:
U=
UF
28100+17825=45385
水平推力:
P=PL+
PS
P
H=32+51533+2889-4650=49804KN
铅直应力:
Pv
G+PS,
+PV
=8022.5+112464+876+3720=117862.5
C,
A=750×
93=69750
3.2
稳定分析
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。
抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑
稳定的安全度。
抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
坝体抗滑稳定计算简图
正常蓄水位情况按单一安全系数法验算,计算公式如下:
Ks′——
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,f′=1.10
′
——
体
混
凝
土
与
基
接
触
面
的
抗
剪
断
聚
KPa
′
=75kg/cm2=735.75KPa;
A
坝基接触面截面积,单宽,A=94.6m2。
Σ
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;
P——
作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN;
按抗剪断强度公式(3-18)计算的坝基面抗滑稳定安全系数
Ks′值应不小于
3.0
=(1.1×
(117862.5-45385)+69750÷
49804
=3.72
所以,Ks′>(K)=3
满足规范要求。
第四章应力分析
3.假定坝体水平截面上的正应力y
按直线分布,不考虑廊道等对坝体应力的
应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求,同时
也是研究解决设计和施工期中的某些问题,如混凝土标号区分和某些部位的配筋
等提供依据。
在一般情况下,坝体的最大、最小正应力和主应力都出现在上下游坝面,所
以重力坝设计规范规定,应核算上下游坝面的应力是否满足强度要求。
应力分析的过程是:
首先进行荷载计算和荷载组合,然后选择适宜的方法进
行应力计算,最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。
依据规范,本次应
力分析用材料力学法进行计算。
材料力学法三个基本假定:
1.坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料。
2.视坝段为固接于地基上的悬臂梁,不考虑地基变形对坝体应力的影响,并认
为各坝段独立工作,横缝不传力。
σ
影响。
4.1
计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向的形心轴的力矩
(1)坝体自重产生的力矩
MW1
750250KN·
m
MW2
=116640KN·
MW3
=305320KN·
(2)上游坝坡上产生的力矩
Mpv1
=9.8×
46.2×
(11.8/2+10+25.5)=221182.3
KN·
Mpv2
=9.8
59×
(47.3-11.8/3)=147940
(3)泥沙自重产生的力矩
MPSH
=2888×
1/3×
(157.5-126)=30324
MPSV
31.5×
(47.3-11.87/3)=78942
(4)上游静水压力产生的力矩:
MPH=51533×
101.2=1738379.9
(5)浪压力产生的力矩
L=19.02m
坝前水深
H=99.7mh1%
=2.6m,hz=0.73m
y1,y2
分别为浪压力三角形形心到坝基面中心的距离
y1=94.47m,y2=87m
M=1/4
9.8
19.02
94.47
(19.02/2+2.6+0.73)
87/2
(19.02/2)2
=17960
(6)水自重产生的力矩
MPh,=ph,×
1/3(156.8
-126)
4648.32×
1/3(156.8-126)
=47723KN·
MPv,
pv×
2/3(156.8
-126)=76356.7
(7)不计扬压力产生的力矩
4.2
上、下游边缘应力σyu
和σyd
∑W
6∑M
±
B
其中:
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,kN·
m;
B——计算截面的长度,m。
W=11786.25
kN
M=750250
+
116640+
305320
14940-30324
78942-1738379.9
351066.3
-17960+47723-76356.7=-249205.6kN·
B=93m
=117862.5
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