重力坝课程设计报告.docx
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重力坝课程设计报告.docx
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重力坝课程设计报告
1.课程设计目的
课程设计包括重力坝设计的主要理论与计算问题,通过课程设计可以达到综合训练的目的。
学会融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识,完成重力坝较完整的设计计算过程,以加深对所学理论的理解与应用。
培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能,全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。
培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。
提高查阅和应用参考文献和资料的能力。
2.课程设计题目描述和要求
设计任务、内容及作法
一、设计任务:
重力坝典型剖面设计
二、设计内容
根据提供的水文、水利计算成果,在分析研究所提供的资料的基础上,进行
水工建筑物的设计工作,设计深度为初步设计。
主要设计内容为:
1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准
2、通过稳定、强度分析,拟定坝体经济断面尺寸;
3、通过坝基水平截面处坝体内部应力分析,定出坝体混凝土分区方案;
4、坝体细部构造设计:
廊道布置、坝体止水、坝体排水及基础防渗和排水等。
要求成果:
1、设计计算说明书一份;
2、A3设计图纸两张。
三、设计作法
从分析基本资料做起,复习消化课堂内容,参照规范[17各相应部分进行设
计,对设计参数的选取、方案的拟定等要多加思考。
设计所需基本资料,除已给定之外,要自行研究确定。
基本资料
一、设计标准:
某水库位于某河道的上游,库区所在位置属高山峡谷地区。
根据当地的经济发展要求需修建水库,该工程以发电、灌溉、防洪为主。
拟建的水库总库容亿立方米,电站装机容量9600kw。
工程等级、建筑物级别以及各项控制标准、指标按现行的国家规范规范[4]自行确定。
二、坝基地质条件
1、开挖标准:
本工程坝体在河床部分的基岩设计高程原定在。
2、力学指标:
坝体与坝基面接触面的抗剪断摩擦系数f'=,粘结力系数c'=900kPa。
3、基岩抗压强度:
1500kg/cm2
三、特征水位经水库规划计算,坝址上、下游特征水位如下:
P=%校核洪水位为m,相应下游水位为m;
P=1%设计洪水位为m,相应下游水位为m;正常挡水位为m;相应下游水位为m;淤沙高程为m;
四、荷载及荷载组合
荷载应按实际情况进行分析,决定计算内容。
荷载组合根据实际情况参照规范[1~3]要求。
具体计算时每人选取1种有代表性或估计其为控制性的组合进行设计计算。
有关荷载资料如下,未经列出者由设计者自行拟定。
1、筑坝材料:
混凝土容重c24kN/m3。
2、坝基扬压力、坝基防渗处理:
根据水库地基情况,设置帷幕灌浆和排水孔幕。
为简化计算起见,扬压力折减系数取。
3、风速与吹程:
坝址洪水期多年平均最大风速s,洪水期50年重现期最大风速25m/s,坝前吹程1公里。
4、水库淤沙:
淤沙浮容重为kN/m3,淤沙内摩擦角12。
5、坝址地震基本烈度:
根据“中国地震烈度区划图”坝址位于7度区,设防烈度按7度考虑。
6、坝顶有一般交通要求。
3.课程设计报告内容
工程等别及建筑物级别确定
水利部、原能源部颁布的水利水电工程的分等分级指标,将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等,见表2-1-1
表3-1-1水利水电工程分等指标
工程等别
工程
规模
水库总库容
(108m
3)
防
洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业的重要性
保护农田
(104亩)
治涝
面积
(104亩)
灌溉
面积
(104
亩)
供水对象重要性
装机
容量
(104kw
)
I
大
(1)
型
>10
特别重
要
>500
>200
>150
特别重要
>120
n
大
(2)
型
10〜
重要
500〜
100
200〜
60
150〜
50
重要
120〜
30
川
中型
中等
100〜
30
60〜15
50〜5
中等
30〜5
IV
小
(1)
型
一般
30〜5
15〜3
5〜
一般
5〜1
V
小
(2)
型
<5
<3
<
<1
本设计中,水库总库容为亿m3,由表3-1-1可知,工程等别为U级;电站
装机容量为9600kW由表3-1-1可知,工程等别为V级。
故确定该工程等别为U级。
水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时性水工建筑物,根据其所属工程
等别及在工程中的作用和重要性划分为五等和三等,见表3-1-2。
表3-1-2永久性水工建筑物的级别
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
I
1
3
3
n
2
3
4
川
3
4
5
V
4
5
5
V
5
5
5
由于确定了水利工程等别为U级,查表3-2可知,主要建筑物级别确定为2
级,次要建筑物级别确定为3级
本设计未设计临时性水工建筑物。
初步拟定坝体断面
基本剖面尺寸的确定
(3)可以看出:
ydcH
强度控制条件是坝基面不允许出现拉应力。
当库空时,由式
只要在0〜1之间,即上游坡度取正坡,坝基面不出现拉应力。
当库满时要使
,由该式可知,当H为一定值时,值越小,则底
宽也越小。
考虑库空时,下游坝面不出现拉应力,可取=0,求得上游坝面为铅
本设计中取坝顶水位为校核洪水位,则
T
H
83
57m
c
24
0.3
w
.9.81
P
1
21
2
2
wH29.81
83
W
1
2
1
cHT2
24
8357
H909.92827.282.72m83m
33790.55kN
56772kN
1
wHT
0.39.8183576961.67kN
2
、按满足稳定条件确定坝底的最小宽度T
将求得的P、W、U及由强度要求得出的T代入
KfW;'A,若满足要求,则由强度条件确定的最小坝底宽T就是坝
底的最小宽度。
若不满足要求则将坝底宽T增大,直到满足抗滑稳定要求为止
3.192.5,满足要
f'WUcA1.04(567726961.67)980571
P33790.55
求。
综上:
H83m,T57m
坝顶高程、坝顶宽度的确定
一、坝顶高程
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,可由式3-2-1计算,应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。
hh1%hzhc(321)
式中:
△h—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差(m;h1%^波高(m;
hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差(m;
hc—安全超高,按表采用。
计算h%和hz时选用官厅水库公式,公式如下
hi
L
hz
0.0166v^4d'3
0.8
10.4(hl)
2
hi丄2H
cthLL
式中:
V。
为计算风速,m/s,是指水面以上10n处10min的风速平均值,水库为正常蓄水位和设计洪水位时,宜采用相应季节50年重现期的最大风速,校核洪水位时,宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值;D为风作用于水域的长度,km称为吹程或风区长度;H为坝前水深,m
表3-2-2-1安全超高hc
h1%1.24h5%1.24hi1.240・931.15m
由表3-2-1得压0.5m
所以h=++=
Z=+=
2、校核洪水位时
相应水位
坝的安全级别
1
2
3
正常畜水位
校核洪水位
hl°.0166V054D30.016618.1413°・62m
0.80.8
L10.4(hi)10.40.627.09m
h1%1.24h5%1.24h1.24°・62。
"口
由表3-2-1得介0.4m
所以h=++=
Z=+=
综上,防浪墙顶咼程Z=,防浪墙咼取,则坝顶咼程Z=当坝顶上游侧设有
防浪墙时,坝顶应高出设计洪水位且不低于校核洪水位,Z=w足要求。
所以坝顶高程为
二、坝顶宽度
坝顶宽度一般取坝高的8%~10%且不小于3m,又坝顶需要行走门式起重机,门机轨距,所以坝顶宽度定为8m
拟定坝体基本断面
上游坝面坡度应与溢流坝段、放水孔坝段相协调,为照顾泄、放水需要,上游面宜采用直立或部分折坡坝面;坝体基本三角形顶点,可放在校核洪水位,或略予提高。
1、上游面铅直,适用于混泥土与基岩接触面间的f、c值较大或坝体内设有泄水孔或引水管道、有进口控制设备的情况;
2、上游坝面上部铅直,下部倾斜,既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,是实际工程中经常采用的一种形式;
3、上游坝面略向上游倾斜,适用于混泥土与基岩接触面间的f、c值较低的情况。
本设计中f、c值较低,故采用上游坝面略向上游倾斜,坡率取为1:
。
基本剖面如图一:
荷载计算及抗滑稳定分析(手算)
一、确定荷载组合
表3-3-1荷载组合表
荷载组合
主要考虑情况
何载作用力
自
重
水
压
力
扬
压
力
淤沙压力
浪
压
力
冰
压
力
地
震
力
动水压力
其
/、
他
基本组合
(1)正常畜水位情
况
V
V
V
V
V
V
(2)设计洪水位
V
V
V
V
V
V
V
特殊组合
(1)校核洪水位
V
V
V
V
V
V
V
(2)地震情况
V
V
V
V
V
V
V
、荷载计算
自重、扬压力、泥沙压力计算简團
1、基本组合(设计洪水位)
H1=
表3-3-2荷载及力矩计算表
序号
何载名
称
计算式
何载(每m坝长)
力臂
(m)
力矩(kN-m)
水平(kN)
垂直(kN)
+
-
Wi
cA
1
自重
W2
cA2
W3
cA3
1
Pi2
2
wH1
2
水压力
Wi
w^A1
1
P22
2
wH2
W2
wA2
U1
wA1
3
扬压力
U2
wA2
U3
w^^3
U4wA4
4
淤沙压
力
PsVsbA
12
PsH2sbhs
20s
tan45p
5
浪压力
_wLm
P4
hi%hz
H
V
M
2、特殊组合(校核洪水位)
H1=表3-3-3荷载及力矩计算表
序号
何载名
称
计算式
何载(每m坝长)
力臂
(m)
力矩(kN-m)
水平(kN)
垂直(kN)
+
-
Wi
cA
1
自重
W2
cA2
W3
cA3
1
Pi2
2
wH1
2
水压力
W11
w^A11
1
P22
2
wH2
W2
wA2
3
扬压力
U1
w
U2
wA2
U3wA3
U4wA4
4
淤沙压
力
PsVsbA
12
PsH2sbhs
20s
tan45p
5
浪压力
wLm
Pl4
h%hz
H
V
M
3、地震力计算
水平向地震惯性力
FhhG/g0.19.810.2566081.31.4/9.812312.8kN
上游地震动水压力
22
Fu0.65hwHu0.650.19.810.251785982.3kN
下游动水压力
22
Fd0.65hwHd0.650.19.810.251285129.5kN
地震力方向都沿水平方向指向下游。
三、坝体抗滑稳定分析
对几种荷载组合情况分别进行稳定分析:
按照规范规定的抗剪断强度计算公
fWcA一
式K=计算。
式中:
f'为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦
P
系数;c'为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力;W为作用于坝体全
部荷载对滑动平面的法向分值;P为作用于坝体全部荷载对滑动平面的切向
分值
表3-3-4抗滑稳定计算及成果分析表(f1.04,c'980kPa,A65.28m)
何载组合、计
算方法
W
P
计算式
计算K
要求K
结论
基本组合(设
计洪水位)
fWcAK=
P
满足抗滑
稳定要求
特殊组合(校
核洪水位)
fWcA
K
P
满足抗滑
稳定要求
校核洪水位下坝体应力分析(手算)
对坝基截面,上、下游边缘应力及内部应力用材料力学法计算。
重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求:
运用期:
1)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;
2)在地震荷载作用下,坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》(SL203)的要求;
施工期:
坝趾垂直应力可允许有小于的拉应力。
一、计算边缘应力,判定坝基、坝体强度是否满足要求
1、依次计算
xu
xd及主应力1u、1d、
2u、2d;
W
6
M
43930.38
yu
B
2
B
65.28
W
6
M
43930.38
yd
B
2
B
65.28
yu
yd、u、d
6(446009.14)
244.99kPa
65.28
6(446009.14)
21300.92kPa
65.28
Pu
Pd
Puu
Pud
2
sbhsbtan
0kPa
0
45
s8
2
、‘20
'15tan45
1278.69kPa
2
n0.1,m
0.7
u
Pu
Puu
yun
78.69
44.99
0.13.37kPa
d
yd
Pud
Pdm
1300.920.7
910.64kPa
xu
Pu
Puu
un
78.69
3.37(
0.178.35kPa
xd
Pd
Pud
dm
0910.640.7637.45kPa
2
2
2
2
1u
1
n
yuPu
Puu1
n1
0144.9978.690144.65kPa
2
2
2
1d
1
m
ydPd
Pud
m1
I071300.92
01938.37kPa
2u
Pu
Puu
78.69kPa
2d
Pd
Pud
0kPa
2、判断坝基截面上、下游边缘处是否满足强度要求
基岩容许应力15009.8110147150kPa
yu
yd
44.99kPa0kPa
坝基截面上、下游边缘处满足强度要求
1300.92kPa
、计算坝基截面处坝体内部应力
2、选坐标,作计算简图表明计算点如下:
坝体应力计算简图
3、计算水平截面(I—I截面)上垂直正应力
列y分布表达式:
yabx
x0时,d1300.92kPa
边界条件y代入表达式解得a1300.92,b19.24
x65.28时,yu44.99kPa
所以1300.9219.24X
y
列表计算各计算点的y值
表3-4-1y计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x(m)
0
y(kN/m2)
l—l截面y分布图如下
4、计算水平截面(I—I截面)上剪应力
列分布表达式:
a1b1xc1x2
边界条件%0时,:
910.64代入表达式得
x65.28时,口3.37
a1910.64
2
3165.28b165.28C13・3……2
26P
查规范得6313bB2C1B将B65.28,P28511.76代入表达式得
B
由
(1)
(2)(3)解得31910.64,b15.86,C10.03
2
所以910.6415.86x°°3x
列表计算各计算点的值
表3-3-2计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x(m)
0
(kN/m2)
画出I—I截面分布图
列X分布表达式:
xa?
b?
x
x0时,xd637.45kPa
边界条件」代入表达式解得a2637.45,b28.56
x65.28时,xu78.35kPaau
所以y637.458.56x
列表计算各计算点的x值
表3-3-3x计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x
0
(m)
x(kN/m2)
画出I—I截面x分布图
6计算各点主应力
将各点的y、、x代入公式计算1、2,将计算成果列表如下;
表3-3-4主应力1、2计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x
(m)
0
2
x(kN/m)
2
y(kN/m)
2
(kN/m)
2
1(kN/m)
2
2(kN/m)
计算主应力方向
从铅直线到主应力1的夹角
arctg
,即tg2
将值列表计算如下:
表3-3-5值计算表
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x(m)
0
2
(kN/m2)
y-x
(kN/m2)
2
yx
2(rad)
(度)
绘制I—I截面各点主应力图如下,以矢量表示其大小和方向
6计算主剪应力max:
max12,max所在平面与主应力面成45°。
2
计算表
max
计算点编号
0
1
2
3
4
5
坐标x(m)
0
2
1(kN/m)
2
2(kN/m)
2
max(kN/m)
荷载计算及抗滑稳定分析(电算)
一、基本资料
重力坝建筑物级别:
2级安全类别:
U
坝基截面高程
水平向设计地震加速度代表值ah=,计地震作用。
地震动态分布系数采用拟静力法计算。
上游地震动水压力折减角9=°
下游地震动水压力折减角9=°
重力坝为常态混凝土,强度等级:
C20
混凝土重度Rc=mA3
水重度Rw=mA3
淤沙浮重度Rs=mA3
淤沙内摩檫角书=
扬压力图形折减点离上游面距离Lo=
扬压力图形折减系数a=
二、本计算有如下规定:
坝轴线与基础面交点为坐标轴原点,X轴指向下游为正,Y轴向上为正。
垂直力向下为正,水平力指向上游为正,力矩绕坝基面形心逆时针转为正应力受压为正,受拉为负。
工况一:
基本组合(正常蓄水位)
上游水位:
下游水位:
淤沙高程:
序号
何载名称
垂直力(kN)
水平力(kN)
M(kN•m)
1
坝体自重
2
上游水平水压力
3
上游垂直水压力
4
下游水平水压力
5
下游垂直水压力
6
水平淤沙压力
7
垂直淤沙压力
8
浮托力
9
渗透压力
10
浪压力
V
H
M=
工况二:
基本组合(设计洪水位)
上游水位:
下游水位:
淤沙高程;
序号
何载名称
垂直力(kN)
水平力(kN)
M(kN•m)
1
坝体自重
2
上游水平水压力
3
上游垂直水压力
4
下游水平水压力
5
下游垂直水压力
6
水平淤沙压力
7
垂直淤沙压力
8
浮托力
9
渗透压力
10
浪压力
V
H
M=
工况三:
特殊组合(校核洪水位)
上游水位:
下游水位:
淤沙高程:
序号
何载名称
垂直力(kN)
水平力(kN)
M(kN•m)
1
坝体自重
2
上游水平水压力
3
上游垂直水压力
4
下游水平水压力
5
下游垂直水压力
6
水平淤沙压力
7
垂直淤沙压力
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