华北水利水工建筑物课程设计样本.docx

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华北水利水工建筑物课程设计样本

第一章基本资料

1.1工程概况

顺河水量丰沛，顺河中游与豫运河上游礼河、还乡河分水岭均较单薄，并处在低山丘陵区，最窄处仅10余公里。

通过礼河、洲河及输水渠道，可通向唐山市；经还乡河、陡河可通秦皇岛市。

为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水，国家决定修建顺河水库。

顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处，坝址位于迁西县扬岔子村顺河干流上，控制流域面积33700平方公里，总库容为25.5亿立方米。

水库距迁西县城35公里，有公路相通。

水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等构成，水库重要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业及都市人民生活用水，结合引水发电，并兼顾防洪规定，尽量使其工程提前竣工获得收益，尽早建成。

依照水库工程规模及其在国民经济中作用，枢纽定为一等工程，主坝为

级建筑物，其他建筑物按

级建筑物考虑。

1.2水文分析

1.年径流：

顺河水量较充沛，顺河站近年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域53%，年内分派很不均匀，重要集中在汛期七、八月份。

丰水年时占全年50～60%，枯水年占30～40%，并且年际变化也很大。

2.洪水：

多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速特点，据调查近一百年来有六次大水，其中1883年最大，由红痕估算洪峰流量约为24400—27400m³/s，实测45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800m³/s。

3.泥沙：

本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大某些来自汛期七、八月份，重要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，近年平均悬移质输沙量为1825万吨近年平均含沙量7.45公斤/立方米。

推移质缺少观测资料。

可计入前者10%，这样总入库沙量为万吨。

淤砂浮容重为0.9吨/立米，内摩擦角为12度。

淤砂高程157.5米。

1.3气象

库区年平均气温为10℃左右，一月份最低月平均产气温为零下6.8℃，绝对最低气温达零下21.7℃（1969年）7月份最高月平均气温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），顺河站附近河道普通12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，近年平均最大风速为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，断续浮现且不对称，区域内无严重坍岸及渗漏问题。

第四大岩层（ArI4）为角闪斜长片麻岩。

具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶构造，重要矿物为斜长石、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，有可达1100公斤/厘米2，混凝土与岩石磨擦系数微分化及弱风化化下部，可取

=1.10,

=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6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库基本烈度为6度，考虑到枢纽重要性，和水库激发地震也许性拦河坝设防烈度采用7度。

1.5枢纽建筑物特性指标

项目

单位

指标

备注

水

位

校核洪水位

米

227.2

设计洪水位

米

225.7

p=0.01%

正常蓄水位

米

224.7

p=0.1%

汛期限制水位

米

216.0

死水位（发电）

米

180.0

校核洪水位尾水位

米

156.8

设计洪水尾水位

米

152.0

正常尾水位

米

138.4

库

容

总库容

亿立米

25.5

计入十年淤积

调洪库容

亿立米

7.4

兴利库容

亿立米

19.5

共用库容

亿立米

5.6

死库容

亿立米

4.2

计入十年淤积

坝型

混凝土重力坝

坝顶溢孔数

孔

19

堰顶高程

米

210.0

闸墩中墩厚度为3米

每孔净宽

米

15.0

（横缝设在闸墩中间）

工作闸门尺寸

米×米

15×15

弧形钢闸门

启闭机（2×70吨）

台

19

固定式卷扬机

设计洪水下泄能力

米3/秒

32300

校核水位下泄量

42900

限泄275003

泄

水

孔

进口底高程

米

160.0

底孔数目

孔

4

工作闸门尺寸（宽×高）

米×米

5×7

弧形钢闸门

启闭机

台

4

设计水位泄水能力

米3/秒

4340

校核水位泄水能力

米3/秒

4430

电

站

引

水

管

道

水管道进口底高程

米

170.0

三条引水管

管线长度

米

121.0

管径

米

5.0

最大引水流量

米3/秒

104

每条引水道

工作闸门

扇－米×米

3－5×7

平板钢闸门

工作闸门启闭机

台

3

240×70吨液压

平板检修门

米×米

5×8.5

式共用一扇

检修门启闭机

台

1

400/25吨门机

电

站

主厂房尺寸（长×宽×高）

米×米×米

72×19.1×39.00

机组间距

米

16

水轮发电机组

台

3

装机容量

万瓦

3×6=18

水轮机型号

HL702-

LJ－330

额定出力

万瓦

6.18

发电机型号

TS-750/

190－36

额定出力

万瓦

6.0

重要压器型号

SSPL-80000

/220

输电线电压

千伏

220

共3台

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规定；

2、力求剖面较小；

3、外形轮廓简朴；

4、工程量小，运用以便，便于施工。

重力坝基本剖面是指在自重、静水压力和扬压力三项重要荷载作用下，满足稳定和强度规定，并使工程量最小三角形剖面，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条件下，依照抗滑稳定和强度规定，可以求得工程量最小三角形剖面尺寸。

图2-1重力坝基本剖面图示

2.2拟定实用剖面

2.2.1拟定坝顶高程

（1）高差Δh计算

依照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-）8.1.1，坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位高差，可由下边公式（8.1.1）计算，应选取两者中防浪顶高程中高者作为选定高程。

式中：

--防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位高差，m;

--波高，m；

--波浪中心线至正常或校核洪水位高差，m；

--安全超高；

依照基本资料可知：

水库吹程D=3×103m，近年平均最大风速V0=18m/s。

该工程构造安全级别为Ⅰ级，故查得设计洪水位状况hc＝0.7m；校核洪水位状况hc＝0.7m。

下面按官厅公式计算h1%，hz。

波高hl：

gD/V02=28∈（20～250），为合计频率5%波高h5%

规范规定应采用合计频率为1%时波高，相应于5%波高，应乘以1.24；

一方面计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超过静水面高度hz。

1）、设计洪水位时：

设计洪水位时Δh计算

风速采用50年一遇风速2V0=2×18=36m/s，吹程D=3×103m。

波浪三要素计算如下：

波高hl=0.0166V05/4D1/3=2.11m

波长L=10.4（hl）0.8=19m

壅高（普通峡谷水库因

，因此：

）；取hz=πhl2/L=0.736m

由规范《SL319-》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

Δh=h1%+hz+hc=4.05m

2）、校核洪水位时：

计算办法同上，V0取18m/s

Δh=h1%+hz+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+Δh设=225.7+4.05=229.75m

坝顶高程=校核洪水位+Δh校=227.2+1.85=229.05m

取设计洪水位时状况229.75m

为保证坝体运营安全，需设立防浪墙，取1.2m，为▽229.75m。

2.2.2拟定坝高

1、枢纽布置方案拟定

枢纽布置是拟定挡水坝段、溢流坝段、电站坝段、底孔坝段互相位置，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适当建在一起，故枢纽布置方案有两种：

方案一电站坝段在右岸

长处：

1、进坝公路在左岸，便于交通运送；2、电站坝段在右岸主河槽位置，水轮机安装高程低，从而有助于发电。

缺陷：

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

长处：

1、电站布置在左岸，地势开阔，布置以便；2、溢流坝位于右岸河床段，使冲刷避开左岸地质条件较差区域。

缺陷：

增长开挖工程量，运送不以便

综上所述，方案一工程量小，运送以便，且左岸冲刷问题可经工程办法予以解决，保证大坝安全稳定，故选方案一

2、拟定坝高

依照规范，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解决后，在满足坝强度和稳定基本上，减少开挖。

基本中存在局部工程地质缺陷，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本开挖予以挖除。

由方案一，河床片麻岩地基上修建实体重力坝，通过立视图上拟定坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽126.0m。

因而，最大坝高为228.55-126=102.55m属于高坝。

2.2.3坝顶宽度

坝顶宽度应依照设备布置、运营、检修、施工和交通等需要拟定并应满足抗震，特大洪水时维护等规定。

因无特殊规定，依照规范规定，坝顶宽度可采用坝高8%～10%取值，且不不大于2m并应满足交通和运营管理需要。

按坝高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坝坡拟定

拟定坝体形状为基本三角形。

坝下游面为均一斜面，斜面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，又可运用一某些水重协助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜形式。

该形式为实际工程中经常采用一种形式，具备比较丰富工程经验。

依照已知条件，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基本灌浆廊道尺寸拟定

高、中坝内必要设立基本灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。

基本灌浆廊道断面尺寸，应依照灌溉机具尺寸即工作规定拟定，为了保证完毕其功能且可以自由通行，设计基本灌浆廊道断面取3.0×4.5m，形状采用城门洞型。

廊道上游壁离上游侧面距离应满足防渗规定，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不不大于4～5m处设立，本次设计取9m，为满足压力灌浆，基本灌浆廊道距基岩面不适当不大于1.5倍廊道宽度，取6m。

初步拟定坝体形状剖面如图所示。

图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

重力坝重要荷载重要有：

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。

基本组合属于设计状况或正常状况，由同步浮现基本荷载构成。

特殊组合属校核状况或非常状况，由同步浮现基本荷载和一种或几种特殊荷载构成。

设计时应从这两类组合中选取几种最不利、起控制作用组合状况进行计算，使之满足规范中规定规定。

本次设计考虑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状况，它们分别考虑荷载如下表所示。

表3-1

荷载

组合

考虑状况

荷载

自重

（水重）

静水

压力

扬压

力

泥沙

压力

浪压

力

地震

荷载

动水

压力

泥沙压

力

基本

组合

校核洪水位状况

√

√

√

√

√

√

√

注：

1.应依照各种作用同步发生实际也许性，选取计算中最不利组合；

2.分期施工坝应按相应荷载组合分期进行计算。

3.施工期状况应作必要核算，作为特殊组合。

4.依照地质和其她条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效状况，作为特殊组合。

5.地震状况静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。

6.表中“√”表达应考虑荷载。

下面就各种状况计算相应荷载，计算示意图如下

W12

W2’

H1W2’W13W3

W11PdH2

b3

U4γH2

γH1U2U3αγH

U1

图3-1重力坝荷载计算示意图

3.1.1自重W

坝体自重计算公式：

W=Vγc（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，普通把它提成如图3-1所示若干个简朴几何图形分别计算重力；

γc——坝体混凝土重度（本设计中混凝土重度为24kN/m3）

分解后三某些自重：

W=W1+W2+W3=24×0.5×11.8×59+24×10×102.55+24×0.5×91.25×73=112464kN

3.1.2静水压力P

静水压力是作用在上下游坝面重要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。

依照水力学公式

水平水压力PH计算公式为：

式中：

Ｈ—计算点处作用水头，m；

γw—水重度，常取9.81kN／m3；

垂直水压力PV按水重计算。

计算正常蓄水位状况下上下游水深：

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=30.8×0.8×30.8×0.5×9.81=3720kN

水重：

Pv=Pv1+Pv2=8022.5+3720=11742.5kN（↓）

上游水平水压力：

PH1=－0.5×9.81×102.552=－51533kN（→）

下游水平水压力：

PH2=0.5×9.81×30.82=4650kN（←）

泥沙压力Ps

普通计算年限取50～100年，水平泥沙压力Ps为：

式中：

γsb——泥沙浮容重，0.9×9.8kN/m3；

hs——坝前淤沙厚度，157.5-126=31.5m

Φs——淤沙内摩擦角，（12°）。

故泥沙压力为

Ps=1/2×0.9×9.81×33.52×tan2（45°-12°/2）=2889kN

浪压力

1.波浪要素计算及波态鉴别

依照规范SL319-，波浪要素按官厅水库公式计算（合用于V0<20m/s及D<20km）：

h——当gD/V02=20～250时，为累积频率5%波高h5%；

当gD/V02=250～1000时，为累积频率10%波高h10%

由剖面计算成果知，取累积频率5%波高h5%

Lm——平均波长（m）；

波浪中心线至水库静水位高度hz按下式计算：

其中，平均波长Lm按下式计算：

=0.331V0-1/2.15（gD/V02）1/3.75×V02/g

=9.44m

2.波浪压力计算

各种状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=γLm（h1%+hz）/4=9.81×9.44÷4×（1.1＋0.26）=32kN（→）

3.1.3扬压力U

扬压力为渗入压力和浮托力

浮托力：

UF=9.81×（156.8-126）×93=28100KN

渗入压力：

由《混凝土重力坝设计规范》

河谷段γ=0.2~0.3岸坡段γ=0.3~0.4

选用0.3γh=0.3×（227.2-126）=30m

渗入压力：

U1=17825KN

因此扬压力：

U=U1+UF=28100+17825=45385KN

水平推力：

P=PL+PS-PH=32+51533+2889-4650=49804KN

铅直应力：

W=Pv+G+PS，+PV，=8022.5+112464+876+3720=117862.5KN

C，A=750×93=69750KN

3.2稳定分析

重力坝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。

抗滑稳定分析目是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱构造面抗滑稳定安全度。

抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。

U

坝体抗滑稳定计算简图

正常蓄水位状况按单一安全系数法验算,计算公式如下：

式中：

Ks′——按抗剪断强度计算抗滑稳定安全系数；

f′——坝体混凝土与坝基接触面抗剪断摩擦系数，f′=1.10

c′——坝体混凝土与坝基接触面抗剪断凝聚力，KPa，c′=75kg/cm2=735.75KPa；

A——坝基接触面截面积，单宽，A=94.6m2。

ΣW——作用于坝体上所有荷载（涉及扬压力）对滑动平面法向分值，kN；

ΣP——作用于坝体上所有荷载对滑动平面切向分值，kN；

按抗剪断强度公式（3-18）计算坝基面抗滑稳定安全系数Ks′值应不不大于3.0

=（1.1×（117862.5－45385）＋69750÷49804

=3.72

因此，Ks′＞（K）=3

满足规范规定。

第四章应力分析

应力分析目是为了检查大坝在施工期和运用期与否满足强度规定，同步也是研究解决设计和施工期中某些问题，如混凝土标号区别和某些部位配筋等提供根据。

在普通状况下，坝体最大、最小正应力和主应力都出当前上下游坝面，因此重力坝设计规范规定，应核算上下游坝面应力与否满足强度规定。

应力分析过程是：

一方面进行荷载计算和荷载组合，然后选取适当办法进行应力计算，最后检查坝体各部位应力与否满足强度规定。

根据规范，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、持续、各向同性弹性材料。

2.视坝段为固接于地基上悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力影响，并以为各坝段独立工作，横缝不传力。

3.假定坝体水平截面上正应力

按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力影响。

4.1计算截面以上所有荷载对截面垂直水流流向形心轴力矩

（1）坝体自重产生力矩

MW1=750250KN·m

MW2=116640KN·m

MW3=305320KN·m

（2）上游坝坡上产生力矩

Mpv1=9.8×11.8×46.2×（11.8/2+10+25.5）=221182.3KN·m

Mpv2=9.8×0.5×59×11.8×（47.3－11.8/3）=147940KN·m

（3）泥沙自重产生力矩

MPSH=2888×1/3×（157.5－126）=30324KN·m

MPSV=9.8×0.5×31.5×11.8×（47.3－11.87/3）=78942KN·m

（4）上游静水压力产生力矩：

MPH=51533×1/3×101.2=1738379.9KN·m

（5）浪压力产生力矩

波长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）－87/2×9.8×（19.02/2）2=17960KN·m

（6）水自重产生力矩

MPh，=ph，×1/3（156.8－126）=4648.32×1/3（156.8-126）=47723KN·m

MPv，=pv×2/3（156.8－126）=76356.7KN·m

（7）不计扬压力产生力矩

4.2上、下游边沿应力σyu和σyd

计算公式

其中：

ΣW——作用于计算截面以上所有荷载铅直分力总和，kN；

ΣM——作用于计算截面以上所有荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴力矩总和，kN·m；

B——计算截面长度，m。

ΣW=11786.25kN

ΣM=750250＋116640＋305320＋14940-30324＋7.9－351066.3－17960＋47723－76356.7=－249205.6kN·m

B=93m

=117862.5/93＋6×－249205.6/932=1094kPa

=117862.5/93－249205.6/932=1238kPa

σyu和σyd均不不大于0,坝踵、坝址处均没有浮现拉应力，满足工程规范规定。

4.3主应力计算

kPa

kPa

坝体混凝土材料C20拉压强度为20Mpa。

计算成果表白，重力坝在正常蓄水位状况下应力满足规范规定。

第五章细部构造设计

5.1坝顶构造

坝顶路面应具备2～3％横向坡度，并设立砼排水沟（30×30cm）以排出坝顶雨水，坝顶上游防浪墙（宽0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物作用，因而墙身应有足够刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体钢筋砼构造，而下游侧则可设防护栏，为满足运用规定和交通规定，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。

依照大坝正常运营需要，在坝顶还要设立通向坝体内部各层廊道、电站电梯井，便于观测和维修人员迅速进出。

5.2分缝止水

5.2.1坝体分缝

1、横缝：

减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工规定；

2、纵缝：

适应砼浇筑能力和减小施工期温度应力，在平行坝轴线方向设立。

普通状况下横缝为永久缝，也有暂时缝，垂直坝轴线，用于将坝体提成为若干独立坝段；纵缝为暂时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大体沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从缝内流出，必要在缝四周设止浆片。

3、水平施工缝：

是上、下层浇筑块之间接合面。

浇筑块厚度普通为1.5～4.0m；在接近基岩面附近用0.75～1.0m薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。

5.2.2止水设计

横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水普通采用1.0～1.6mm后紫铜片，第一道止水治上游面距离应有助于改进坝体头部应力，普通为0.5～2.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼长度约为20～25cm（本设计采用25cm），在止水片安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可