南昌工程学院水工建筑物课程设计.docx
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南昌工程学院水工建筑物课程设计
WHANCHANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
水工建筑物课程设计
——重力坝
姓名:
学号:
班级:
14水利水电工程(本)04
指导老师:
张洁
一、原始资料-1-
二、坝体剖ifflU定-2-
三、稳定分析-5-
四、应力分析-12-
五溢流坝面设计-14-
六细部构造设计-17-
七地基处理设计-19-
-1-/23
一、原始资料
某枢纽以发电为主,兼顾防洪灌溉。
水库建成后,还可以提高下游二个水电站的出力和发电量。
该工程坝型为混凝土重力坝。
(一)水库特征:
1、水库水位:
①正常蓄水位一349米②设计洪水位一349.9米③校核洪水位一350.4米
2、下泄流量及相应下游水位:
①千年一遇洪水的下泄流量13UZ讣,相应下游水位271.90米;②五千年一遇洪水的下泄流量15110^75,相应下游水位272.63米。
3、库容:
总库容为17.9亿立方米,考虑开挖后,坝基面高程269m
(二)、综合利用效益:
装机容量20万千瓦,年发电量7.4亿度。
防洪:
可将千年一遇洪峰流量以18200/n3A削减至13770加7,可将五千年一遇洪峰流量从21200加7$削减至15110,n3/5;可灌溉农田30万亩;此外还可改善航运条件,库区可从事养殖。
(三)自然条件
1、地形:
坝址位于峡谷出口段,左岸地势较低,山坡较缓;右岸地势高,山坡陡。
2、地质:
坝址出露岩层为志留系圣母山绿色含砾片岩。
岩性坚硬完整,新鲜岩石饱和极限抗压强度在60-80Mpa以上,坝上游坡角为绢云母绿泥石英片岩,饱和极限抗压强度为30-40Mpa。
坝基坑剪断摩擦系数广经野外试验及分析研究确定为1.0-1.1:
坝基坑抗剪断凝聚力为0.6-0.8Mpao
3、水文地质:
坝址水文地质较简单。
相对不透水层埋藏深度一般在35米以内,库区无渗漏问题。
4、气象资料:
最高气温为42°C,最低气温为-8°C,多年平均最大风速为14/h/j,水库吹程为1.4km
5、淤泥:
百年后坝前淤沙高程为286.6米,淤积泥沙内摩擦角取0=0。
,淤沙浮容重为8xl0'N伽'。
坝体拟定
1工程等级
水利水电工程等级指标
工程等级
工程规模
水库总容量
(亿m3)
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业重要性
保护农田
(万亩)
治涝面积
(万亩)
灌溉面积
(万亩)
供水对象
重要性
装机容量
(万KW)
1
大
(1)型
>10
特别重要
M500
M200
M150
特别重要
M120
II
大
(2)型
10〜1.0
重要
500〜100
200〜60
150〜50
重要
120〜30
III
中型
1・0〜0・1
中等
100〜30
60〜15
50〜5
中等
30〜5
IV
小
(1)型
0.1〜0.01
一般
30〜5
15〜3
5〜0.5
一般
5〜1
V
小
(2)型
0.01〜0・001
<5
<3
<0.5
<1
表2-1
总库容为17.9亿立方米,确定为大
(1)型水库,等级为I级。
2确定坝高
2.1超高值Ah的计算
坝顶高程应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程,防浪墙
顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Ah,可由式(2-1)计算。
Ah=/i]%+hz+hc(2~1)
Ah—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差,m;
妇%—累计频率为1%时的波浪高度,m;
hz一波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差,m;
hc一安全加高,由于该工程的级别为I级,故查得设计洪水位情况hc=O.7m;
校核洪水位情况hc=0.5mo
下面按官厅公式计算血%,hzo
=0.0166l^)5/4D1/3
L=10.4(hz)08
Tihi2nH
hz=~Tcth—
hw=l.24hg%
Vo为计算风速14m/s;D为吹程1.4km:
波高h】:
gD/Vo2=7Oe(20〜250)
力5%为累计频5%的波高,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h】和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度很。
(1)设计洪水位时:
设计洪水位时Ah计算,风速宜用取多年平均最大风速的
1.5-2.0倍,V。
=14m/s取V=l.5V0=21m/s,吹程D=l.4km。
波浪三要素计算如下:
波高心=0.0166%5"d1/3心=0.0166X215/4141/3=0.83m
波长L=10.4(心)08二10.4X0.830S=8.96m
雍高hz=^-cth—=(3.14X0.8376.0)Xcth(2X3.14X80.9/6.0)=0.24mLL
计算得出h5.=/iz=0.83m,因gD/Vo2=7O,h^=l.24h5%=l.03m;hz二0.24m;he二0.7m:
Ah=
如%+緩+九=1・°3+・24+0.7=1.97m
(2)校核洪水位时:
风速宜用取多年平均最大风速Vo=14m/s
计算方法同上,he二0.5m,Ah=h1%+hz+hc=0.62+0.13+0.5=1.25m
2.2坝高计算
坝顶高程按下式计算,并选用其中较大值
坝顶高程二设计洪水位+Ah设二349.9+1.97=351.87m
坝顶高程二校核洪水位+Ah萨350.4+1.25=351.65m
取校核洪水位时的情况351.87m
为保证坝体运行安全,需设置防浪墙,1.34m,坝顶高程取为▽350.53m。
坝基面高程为269m,坝顶高程为350.6m,坝高为350.53-269=81.53m。
3拟定坝顶宽度
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6.52m〜8.15m,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8m,以满足大坝维修作业通行需要。
4拟定剖面尺寸
拟定坝体形状为基本三角形。
本次设计采用上游坝面铅直,下游倾斜的形式。
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。
下游坝坡坡率
m=0.6〜0.8,取m=0.8o计算得坝底宽度为B=0.8X81.5=65.2m-
57200
三、稳定分析
1荷载及其组合
主要荷载有:
自重、静水压力、重力坝浪压力、泥沙压力、扬压力等,常取坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合屈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儿种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择儿种最不利的、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。
本次荷载组合分二种
(1)、基本组合为设计洪水位情况,其荷载组合:
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力;
(2)、特珠组合为校核洪水位情况,其荷载组合:
自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。
2设计洪水情况荷载计算:
2.1自重W
坝体自重的计算公式:
W=Vy£(kN)(3-1)
式中v—一坝体体积,由于取lm坝长,可以用断面面积代替,通常把它分成如图3-1所示的若干个简单的儿何图形分别计算重力;
一一坝体混凝土的重度(本设计中混凝土的重度为24kN/m3)
分解后的两部分自重:
Wi=24X8X81.53=15653.76kN
W:
=24X71.53X57.2X1/2=49098.19kN
W=Wx+W2=15653.76+49098.19=64751.95kN
取坝底部中点为力矩作用中心点0,则
乍用点至0点的力臂Li=32.6-4=28.6m
W畀乍用点至0点的力臂L2==32.6-(8+57.2/3)=5.53m;
竖向力对0点的弯矩(顺时针为“一”,逆时针为“+”):
NU=15653.76X28.6=447697.54KN・m
%=49098.19X5.53=271512.99KN・m
E\1曲二447697.54+271512.99=719210.53KN・m
2.2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已和垂直水压力珂两种,本设计上游坝面只有水平水压力,下游有水平和垂直两种压力。
如图3-2所示。
根据水力学公式
水平水压力已计算公式为:
Ph=•(3-2)
式中:
H一计算点处的作用水头,m;
Yw—水的重度,常取9.81kN/m3;
垂直水压力P、按水重计算。
H『349.90-269=80.9m
H下二271.90-269=2.9m
上游水压力:
PhH=l/2X9.81X80.92=32102.29kN(_)
下游水平水压力:
PTw=1/2X9.81X2.92=41.25KN(-*)
下游垂直水压力:
P下』1/2X9.81X2.92%o.8=33.00KN(丨)
上游水压力力臂L1;H=80.9/3=26.97m
下游水平水压力力臂L下已二2.9/3=0.97m
下游垂直水压力力臂L下”=32.6-(2.9/3)X0.8=31.83m
静水压力对0点的弯矩(顺时针为“一”,逆时针为“+”):
Mop|:
h二一32102.29X26.97二-865798.76KN・m
M°p下H=41-25X0.97=40.01KN・m
M°p下v=—33.00X31.83二1050.39KN・m
水平水压力对0点的弯矩:
Mop二-865798.76+40.01二-865758.75KN・m
2.3扬压力U(设帷幕灌浆,设排水孔)
根据规范,排水处扬压力折减系数:
Q二0.25,如图3-3所示,将扬压力分成四部
分,Ul,U2,U3,U4o
图3-3
Ui=9.81X2.90X65.2=1854.87kN
U2=l/2X0.25X78X9.81X57.2二5471.04kN
U3=78X8X0.25X9.81=1530.36kN
U4=l/2X58.5X9.81X8=2295.54kN
U二Ui二+U2+U3+U4二11151.81kN
Ui作用点至0点的力臂厶1二0
匕作用点至0点的力臂厶2二32.6-(57.2/3+8)二5.53m
U3作用点至0点的力臂厶3二32.6-8/2=28.6m
U4作用点至0点的力臂厶4二32.6-8/3=29.93m
竖向扬压力力对0点的弯矩(顺时针为“一”,逆时针为“+”):
M]二0KN・m
M2二一5471.04X5.53二-30254.85KN・m
M3二-1530.36X28.6二-43768.30KN・m
M4二一2295.54X29.93二-68705.51KN・m
EMou=0-30254.85-43768.30-68705.51二-142728.66KN・m
2.4、泥沙压力&
一般计算年限取50〜100年,本设计取100年,水平泥沙压力&为:
&弓同彳(45。
_号)(3-3)
式中:
Ysb——泥沙的浮容重,8kN/m3;
hs——坝前淤沙厚度,286.6-269=17.6m:
(ps一一淤沙的内摩擦角,(0。
)。
故泥沙压力为
^=1/2X8X17.6X17.6Xtan:
45=1239.04kN
对0点的力臂L二17.6/3=5.87m
对0点取矩:
Mops二-1239.04X5.87二-7273.16KN・m
2.5、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):
=0.0076旷化訝兀(3-4)
詈=0.33旷3(診1/3.75(3-5)
h—一当gD/Vo2=2O〜250时,为累积频率5%的波高h网
当gD/V{二250〜1000时,为累积频率10%的波高
由剖面计算结果知,取累积频率5%的波高h戻
Lm平均波长(m);
波浪中心线至水库静水位的高度hz按下式计算:
hz=^cth^~(3-6)
乙m乙m
其中,平均波长5按下式计算:
Lm=0.33旷/2以(晋)如5册g(3-7)
Lm=0.33X(14)_1/215(9.81X1400/142)1/575X142/9.81=0.21m
因H>Lm/2,属于深水波。
(2)波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力,如图3-4所示。
图3-4深水波浪压力分布
浪压力计算公式为
几=字(妇%+很)(3-8)
hi%=l・24115尸0・62m;hz=Q.13m;
Pi=竽(血%+鶴)=9.81X0.214-4X(0.62+0.13)=0.386kN
对坝底中点0取矩为(顺时针为“一”,逆时针为“+”):
Mopi=-0.386X(80.9+0.13)=-31.278KN・m
2.6其它荷载
冰压力、土压力应根据具体情况來定。
温度荷载一般可以采取措施來消除,稳定和应力分析时可以不计入。
风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小,可以忽略不计。
坝体廊道及坝顶设备重也忽略不计。
2.7、将计算的各荷载进行汇总整理。
结论请见下表3-1
表3-1设计水位情况各项作用力单位:
KN、KN・m
序号
荷载效应
方向
力值
力矩M值
1
门重
1为正
64751.53
719210.53
2
水平静水压力
-为正
-32061.04
-865758.75
3
垂直静水压力
1为正
33.00
1050.39
3
扬压力
1为正
-11151.81
-142728.60
4
浪压力
-为正
-0.386
-31.28
5
淤沙压力
-为正
-1239.04
-7273.16
3同理可得校核洪水荷载
表3-2校核水位情况各项作用力单位:
KN、KN・m
序号
荷载效应
方向
力值
力矩M值
1
ns
[为正
64721.53
719210.53
2
水平静水压力
-为正
-32435.7
-881655.75
3
垂直静水压力
1为匸
51.71
1635.69
3
扬压力
1为匸
-11211.47
-143643.57
4
浪压力
-为匸
-0.386
-31.471
5
淤沙压力
-为匸
-1239.04
-7273.16
4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。
按单一安全系数法验算,计算公式如下:
心=T皿(3-9)
式中:
Ks'—一按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;
f,一一坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,f二1.10
cr——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,KPa,c=0.8Mpa=800KPa;
A坝基接触面截面积,单宽,A二65.2m'。
—一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—一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)设计洪水位稳定分析
K二[1.IX(64751.53+33.00-11151.81)+800X65.2X11/33300.47
=3.34
所以,Ks>(K)=3
满足规范要求。
(2)校核洪水位稳定分析
K二[1.IX(64751.53+51.71-11211.47)+800X65.2X11/33675.13
=3.30
所以,心>(K)=2.5
满足规范要求。
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。
3假定坝体水平截面上的正应力按直线分布,不考虑廊道等对坝体应力的影响。
1设计洪水位应力计算
1.1正应力计算为=竽不響
上、下游边缘应力6u和6d
计算公式
SW—6EM
1
BB2
其中:
工W—一作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和,kN;工M—一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一一计算截面的长度,mo
SW=64725.6+33.0-10165.89=54592.71kN
工M二718931.928-1050.39-865758.76-134646.03-31.278-7273.16二-289827.69kN•m
6=54592.71/65.2+6X(-289827.69)/65.22
=837.31-409.07=428.24kPa0、=837.31+409.07=1246.38kPa
6“和6&均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力,满足工程规范要求,并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。
上游水面压强:
几=X?
上二9.81X80.9=793.63kPa
1.2主应力计算
5u=(l+n"2)6u-Pun2=428.24kPa
=(1+〃广)二(1+0.8X0・8)X1246.38=2044.06kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpao
计算结果表明,重力坝在设计洪水水位情况下应力满足规范要求。
2校核洪水位应力计算
2.1正应力
SW=64725.6+51.71-10720.63=54056.68kN
EM二718931.928-1635.69-881655.75-135170.57-31.471-7273.16二-306834.713kN・m
=54056.68/65.2+6X(-306834.713)/65.22
=829.09-433.07=396.02kPa
=829.09+433.07=1262.16kPa
◎门和6&均大于0,坝踵、坝址处均没有出现拉应力,满足工程规范要求,并且都小于坝踵和坝址的饱和极限抗压强度。
上游水面压强:
Pu=/h±=9.81X81.4=798.534kPa
2.2、主应力计算
crZu=(l+n'2)-Pun2=396.02kPa
=(1+m2)^-pdm2=(1+08x0.8)X1262.16=2069.94kPa
坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpao
计算结果表明,重力坝在校核洪水水位情况下应力满足规范要求。
五溢流坝面设计
溢流坝曲线由顶部曲线段,中间直线段和下部反弧段三部分组成,溢流面曲线釆用WES曲线。
1基本资料
工况
上游水位m
下泄流量m3/s
下游水位m
正常
349
设计
349.9
13770
271.90
校核
350.4
15110
272.63
Hmax二1.4m
2溢流曲线设计
溢流曲线具体尺寸要求如表,其中Hd为堰面曲线定型设计水头,要求按最大作用
水头Hmax的75%〜95%计算,本设计采用80%倍的Hmax,所以Hd二1・12m。
2.1曲线上游圆弧段参数计算如表
0.282Hd=0.316m
R3=0.04Hd=0.045m
0.276Hd=0.309m
R,2=0.20Hq二0.224m
0.175Hd=0.196m
Ri二0.50Hd=0.56m
2.2顶部曲线段
顶部曲线段计算公式为:
X
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
y
0.126
0.454
0.961
1.637
2.474
3.466
4.610
5.901
7.338
8.917
X
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
10
y
10.637
12.494
14.489
16.618
18.880
21.274
23.799
26.454
29.236
32.147
0.85
y
曲线如图5-1
图5-1
2.3、中间直线段
/z0・85、0.85/
dy/dx二1/(2.0Hd)1.85x=1/0.8
x=l.596m,y二1.078m
2.4、下游反弧段
本设计釆用挑流消能,反弧段半径R二(4〜10)悅,式中山为校核水位闸门全开时挑流鼻坎反弧段最低点处的水深。
挑流鼻坎高程取274.OOmo
反弧段最低点流速v二0.93忌氐二0.93j(2X9.81X(350.4-274))二36.01m/s水深山二q/v二90/36二2.5m
反弧段半径R二(4〜10)兀,本设计反弧段流速为36.01m/s>16m/s,但流速也不是特别大,同时考虑反弧段要与中间直线段相切,所以取R二15m。
六细部构造设计
1坝顶构造
坝顶路面应具有2〜3%的横向坡度,并设置牲排水沟(30X30cm)以排出坝顶雨水,坝顶上游的防浪墙(宽0.5m,高1.2m)要承受波浪和漂浮物的作用,因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性,宜采用与坝体连成整体的钢筋碇结构,而下游侧则可设防护栏,为满足运用要求和交通要求,在坝顶上布置照明设施,即在上游侧每隔25m设一对照明灯,一只朝向坝顶路面方向,一只朝向水库方向。
根据大坝正常运行需要,
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