大连理工水工建筑物课程设计样板Word格式.docx
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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
1∶0.8
校核情况
31
84.72
46.45
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:
2设计及计算内容
2.1坝高计算
根据大坝特性表资料,坝高H=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
2.2.1坝顶构造设计
坝顶宽度取8%~10%坝高,且不小于3m,设计坝顶宽度取4.80m。
(坝宽根据自己取,最好不要取样本的,因为大家会重样的,宽度改变后,坝的自重会有所改变,稍微做下调整就可以了。
)
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。
2.2.2坝底宽度计算
根据大坝特性表资料,坝底宽度T=(84.90-31.00)×
0.8=43.12m。
2.2.3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,且不小于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2m,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4.00m。
为减少坝基渗漏,防止较大渗流对坝基产生渗透破坏,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20.00m。
灌浆帷幕中心线距上游坝面4.50m。
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*10KN/m3=600KPa;
在孔低不宜小于2~3倍坝前静水头,取130m*10KN/m3=1300KPa。
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2.00m。
2.2.5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,以免产生裂隙或增大裂隙。
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C15、W4、F100厚3.00m的混凝土。
(2)下游水位变化区的坝体表层采用C15、W8、F200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、F100厚3.00m的混凝土。
(4)坝体靠近基础的底部采用C20、W10、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
本设计荷载仅分析基本组合
(2)及特殊组合
(1)两种情况。
3.1荷载基本组合
(2)为设计洪水位情况,其荷载组合为:
(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γωH1,排水孔线上为γωH2+
γω△H,坝址处为γωH2,其间均以直线连接,扬压力折减系数
=0.25。
(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=51.0-31.0=20.0m,水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布,泥沙干重度γsd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角φs取18°
,泥沙的浮重度γsb=γsd-(1-n)γω=13.5-(1-0.42)×
10=7.7KN/m3。
单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γsbhs2tan2(45°
-φs/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直泥沙压力,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%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m,平均波长Lm=14.45m,经查表求得h1%=2.25m。
使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=5.19m。
因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m,H>Hcr和H>Lm/2,发生深水波,单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γωLm(h1%+hz)计算。
波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth(πH/Lm)=1.10m。
防浪墙顶高程为:
82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。
上述荷载计算见计算表。
重力坝基本荷载组合计算表
荷载
计算式
垂直力(kN)
水平力(kN)
对坝底截面形心力臂(m)
力矩(kN.m)
↑
↓
→
←
↙+
↘-
自重
W1
4.8*53.9*24
6209
21.56-2.4=19.16
118964
W2
1/2*47.9*38.32*24
22026
2/3*38.32-21.56=3.99
87884
水压力
P1
1/2*51.52*10
13261
1/3*51.5=17.17
227691
P2
1/2*14.52*10
1051
1/3*14.5=4.83
5076
Q
1/2*0.8*14.52*10
841
21.56-1/3*0.8*14.5=17.69
14877
扬压力
u1
14.5*43.12*10
6252
u2
1/2*36.62*0.25*37*10
1694
2/3*36.62-21.56=2.85
4828
u3
0.25*37*6.5*10
601
21.56-1/2*6.5=18.31
11004
u4
1/2(1-0.25)*37*6.5*10
902
21.56-1/3*6.5=19.39
17490
泥沙压力
Ps1
1/2*7.7*20.02*tan236
813
1/3*20=6.67
5423
Ps2
1/2*7.7*72*tan236
100
1/3*7=2.33
233
Ps3
1/2*7.7*0.8*72
151
21.56-0.8*7/3=19.69
2973
浪压力
Pw
1/4*10*14.45*(14.45/2+1.1+2.25)
-1/8*10*14.452
382
261
51.5-14.45/2+(14.45/2
+1.1+2.25)/3=47.80
51.5-2/3*14.45=41.87
10928
18260
合计
9449
29227
14456
1412
223085
302546
19778↓
13044→
79461↘
3.2荷载特殊组合
(1)为校核洪水位情况,其荷载组合为:
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γsd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,内摩擦角φs取18°
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%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=1.03m,平均波长Lm=9.45m,经查表求得h1%=1.12m。
使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=1.45m。
因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m,H>Hcr和H>Lm/2,发生深水波,单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γωLm(h1%+hz)计算。
波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth(πH/Lm)=0.42m。
84.72+h1%+hz+hc=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m。
大坝特性表资料提供的坝顶高程不足。
重力坝特殊荷载组合计算表
1/2*53.722*10
14429
1/3*53.72=17.91
258423
1/2*15.452*10
1194
1/3*15.45=5.15
6149
1/2*0.8*15.452*10
955
21.56-1/3*0.8*15.45=17.44
16655
15.45*43.12*10
6662
1/2*36.62*0.25*38.27*10
1752
4993
0.25*38.27*6.5*10
622
11389
1/2(1-0.25)*38.27*6.5*10
933
18091
1/4*10*9.45*(9.45/2+0.42+1.12)
-1/8*10*9.452
148
112
53.72-9.45/2+(9.45/2
+0.42+1.12)/3=51.08
53.72-2/3*9.45=47.42
5311
7560
9969
29341
15390
1406
218541
325507
19372↓
13984→
106966↘
3.3挡水坝段荷载计算成果
本设计荷载仅分析基本组合
(2)及特殊组合
(1)两种情况,荷载组合作用计算成果见表二和表三。
表二:
坝体基本荷载组合作用计算成果
自重
19.16
3.99
17.17
4.83
17.69
2.85
18.31
19.39
6.67
2.33
19.69
47.80
41.87
表三:
坝体特殊荷载组合作用计算成果表
17.91
5.15
17.44
51.08
47.42
2.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算
沿坝轴线方向取1m长进行抗滑稳定分析计算。
4.1荷载基本组合
(2)为设计洪水位情况,其荷载组合为:
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′=(f′∑W+C′A)/∑P
=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44>[K′]=3.0,满足抗滑稳定要求。
4.2荷载特殊组合
(1)为校核洪水位情况,其荷载组合为:
=(0.85*19372+650*43.12)/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
5.1荷载基本组合
(2)为设计洪水位情况,其荷载组合为:
(1)当计入扬压力时,建基面上、下游边缘垂直正应力分别为:
δuy=∑W/B+6∑M/B2=19778/43.12+6*(-79461)/43.122=202.27(KPa)>0,满足要求。
δdy=∑W/B-6∑M/B2=19778/43.12-6*(-79461)/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:
τu=(P-Puu-δuy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。
τd=(δdy+Pdu-P′)m2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(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:
δux=(P-Puu)-(P-Puu-δuy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0
=0(KPa)。
δdx=(P′-Pdu)+(δdy+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。
(4)当计入扬压力时,建基面上、下游上游边缘主应力分别为:
δu1=(1+m12)δuy-(P-Puu)m12=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa),满足要求。
δu2=P-Puu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。
δd1=(1+m22)δdy-(P′-Pdu)m22=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82
=1172.75(KPa),满足要求。
δd2=P′-Pdu=14.5*10-14.5*10=0(KPa)。
(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:
δuy=∑W/B+6∑M/B2=29227/43.12+6*(-46139)/43.122=528.92(KPa)>0,满足要求。
δdy=∑W/B-6∑M/B2=29227/43.12-6*(-46139)/43.122=826.69(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:
τu=(Pu-δuy)m1=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。
τd=(δdy–Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(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:
δux=Pu-(Pu-δuy)m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa),满足要求。
δdx=Pd+(δdy-Pd)m22=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(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:
δu1=(1+m12)δuy-Pu*m1
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