大工15春《水工建筑物课程设计》模板及要求答案.docx

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大工15春《水工建筑物课程设计》模板及要求答案

网络教育学院

《水工建筑物课程设计》

题目：

水库混凝土重力坝设计

学习中心：

xxxxx奥鹏学习中心[3]

年级：

1403

学号：

14xxxxxxxx8

学生：

xxxxxxx

指导教师：

李明理

1项目基本资料

1.1气候特征

根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：

设计洪水位2.6km，校核洪水位3.0km。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2工程地质与水文地质

1.2.1坝址地形地质条件

（1）左岸：

覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：

岩面较平整。

冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。

坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：

覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料

粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2~3km均可开采，储量足，质量好。

粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。

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

0

1∶0.8

校核情况

31

84.9

84.72

46.45

0

1∶0.8

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：

自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2设计及计算内容

2.1坝高计算

按《重力坝设计规范》中有关规定，本水库坝顶高程＝波浪高+浪高中心线高出静水位高度+安全超高

（1）最大波浪在坝坡上的爬高R计算：

1风浪要素的计算

A、风速ω：

本水库多年平均最大风速14.0m/s，重现期最大风速23.0m/s：

B、风区吹程长度D：

风作用于水域的长度；

D设计=2600m，D校核=3000m。

2风浪爬高计算：

采用莆田试验站公式计算风浪各要素及波浪爬高，计算得：

h设计=2.05m，h校核=1.11m。

（2）浪高中心线高出静水位高度：

h设计0=0.62m，h校核0=0.33m

（3）安全加高值：

A设计=0.5m，A校核=0.4m。

（4）坝体安全超高成果：

设计坝顶高程=82.5+2.05+0.62+0.5=85.67m，

校核坝顶高程=84.72+1.11+0.33+0.4=86.56m；

水库坝顶高程为84.9m，需设防浪墙高1.7m，即：

防浪墙顶高程为86.6m。

2.2挡水坝段剖面设计

1、坝顶高度确定

根据资料提供，确定坝顶高程为84.90米。

2、坝顶宽度

坝顶宽度B=0.1H=0.1*（84.9-31）=5.39m

为适应施工和运用检修的需要，并考虑坝体各部分尺寸协调，坝顶宽度取坝高的10%左右，即5.5米。

2.3挡水坝段荷载计算

荷载组合分二种

（1）基本荷载组合：

坝体自重；设计洪水位坝体上游静水压力；设计洪水位扬压力；设计洪水位泥沙压力

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）特殊荷载组合：

坝体自重；校核洪水位上下游静水压力；校核洪水位扬压力；校核洪水位泥沙压力

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。

表二设计洪水情况荷载计算表

荷载计算

荷载

垂直力（KN）

水平力（KN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

方向

↑

↓

→-

←+

↙+

↘-

自重

G1

6818

40.54

276416

G2

20530

25.21

517473

GW

419.8

1.93

810.2

水压力

P1

13261

17.2

227651

P2

1051

4.8

5081

扬压力

PL1

6277

21.6

135867

PL2

438

41.3

18115

PL3

2183

26.2

57263

PL4

658

42.0

27605

浪压力

U1

7.8

51.3

398

泥沙压力

Pn

109

2．3

253

合计

9557

27768

13378

1051

799780

467151

表三校核洪水情况荷载计算表

荷载计算

荷载

垂直力（KN）

水平力（KN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

方向

↑

↓

→-

←+

↙+

↘-

自重

G1

6818

40.54

276416

G2

20530

25.21

517473

GW

477

2.06

983.5

水压力

P1

14429

17.9

258379

P2

1194

5.2

6146.6

扬压力

PL1

6688

21.6

144802

PL2

454

41.3

18743

PL3

2259

26.2

59243

PL4

680

42.0

28550

浪压力

U1

8

53.7

417

泥沙压力

Pn

109

2．3

253

合计

10081

27826

14546

1194

801019

510388

2.4挡水坝段建基面抗滑稳定计算

1、按抗剪断公式计算

（Σf1W+C1A）

K1=

ΣP

K1——抗剪断计算的抗滑稳定安全系数

f1——滑动面上的抗剪断摩擦系数

C——滑动面上的抗剪断凝聚力

A——滑动面截面积

ΣP——计算截面上的所有切向力

ΣW——作用于计算截面上的所有法向力

2、参数确定

按地质资料砼和微风化岩石的抗剪断系数为

C1=700Kpaf1=1.0

3、抗滑稳定计算见附表四

抗滑稳定按抗剪断公式计算抗滑稳定安全系数，计算过程见下表，

抗滑稳定计算

项目

∑W

f'

A

C'

∑P

K'

〔K〕

结论

校核水位

18310

1.0

43.29

700

13334.0

3.65

2.5

满足要求

设计洪水位

18758

1.0

43.29

700

12308.3

3.99

3.0

满足要求

计算结果见下表。

表四抗滑稳定计算表

类型

荷载组合

计算安全系数K

允许安全系数（K）

非溢流坝

基本组合

3.65

3.0

特殊组合

3.99

2.5

满足规范要求。

4、抗滑稳定按承载力极限状态验算稳定安全系数，计算结果见下表，基本公式：

γ0.φ.S（.）≤R（.）/γd

抗滑稳定验算

项目

γ

φ

f'R

∑WR

C'R

A

S（。

）

γφS（。

）

R（。

）/γd

校核水位

1

0.85

0.77

17745

233.3

43.29

13352

11349

19792

正常水位

1

1

0.77

18211

233.3

43.29

13378

13378

20091

表五稳定验算表

类型

荷载组合

计算值γ0φS（.）

允许值R（.）/γd

非溢流坝

基本组合

11349

19792

特殊组合

13378

20091

满足规范要求。

2.5挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核

1、应力分析

根据《砌石坝设计规范》SL25-91，实体重力坝应力计算以材料力学为基本分析方法，计算各种荷载组合下坝体垂直正应力和坝体主应力。

荷载组合分基本组合与特殊组合二种。

（1）基本组合（设计洪水位）应力计算

边缘应力计算

（1）坝基面Óy下计算

不计扬压力时：

ΣW6ΣM277686×571477

Óy下=-=+=2471Kpa

TT243.2943.292

计入扬压力：

ΣW6ΣW187586×332628

Óy下=-=+=1498Kpa

TT243.2943.292

（2）特殊组合（校核洪水位）应力计算

边缘应力计算

坝基面Óy下计算

不计扬压力时：

ΣW6ΣM278266×541969

Óy下=-=+=2378Kpa

TT243.2943.292

计入扬压力：

ΣW6ΣW183106×290631

Óy下=-=+=1353Kpa

TT243.2943.292

抗拉强度验算

项目

T

∑W

∑M

∑W/T+

6∑M/T2

比较

结论

校核洪

水位

不计扬压力

43.29

27826

541969

2378

＞

0

满足要求

计入扬压力

43.29

18310

290631

1353

＞

0

满足要求

设计洪

水位

不计扬压力

43.29

27768

571477

2471

＞

0

满足要求

计入扬压力

43.29

18758

332628

1498

＞

0

满足要求

坝体边缘的主应力Ó上、Ó下计算

上游边缘按不计扬压力的情况计算，按下式计算

Ó上=Óy上（1+n2）-P上n2

Ó上——坝体上游边缘的主应力

Ó下——坝体上游边缘垂直正应力

n——坝体上游边坡

P上——上游坝面水压力强度（包括泥沙压力）

下游边缘按以下两种情况校核

不计扬压力时

Ó下=Óy下×（1+m2）-P下m2

2、坝内应力计算

将扬压力作为水平截面上的荷载进行计算。

原点在下游面，取X=0，10，20，30，40，43.29，各点计算。

水平截面上的垂直正应力Óy

Óy=a+bxa=Óy下=1042.5

Óy上-Óy下156.8-1042.5

b===-18.986

T43.29

水平正应力Óx＝a2+b2x

Óx上＝P上-（P上-Óy上）n2

Óx下＝P下+（Óy下-P下）m2

剪应力τ=a1+b1x+c1x2

计算τ上，τ上

τ上=（p上-6y上）n

τ下=y下-p下）m

计算a,b,c,

a=τ下=729.75

b=

c=

主应力

各点的主应力及其方向，按以下两式计算

上两式中

，

——第一第二主应力

—垂直水平正应力

——剪应力

——第一主应力与水平夹角

设A=

B=

C=

则

项目

γ0

φ

T

1+m2

∑Wr

∑Mr

S（。

）

γφS（。

）

比较

R（。

）/γd

校核

水位

不计

扬压力

1

0.85

43.29

1.64

27826

290631

-471.88

-401

＜

11111.1

计入

扬压力

1

0.85

43.29

1.64

17745

290631

-853.79

-726

＜

11111.1

设计

水位

不计

扬压力

1

1

43.29

1.64

27768

571477

-1948.7

-1949

＜

11111.1

计入

扬压力

1

1

43.29

1.64

18211

332628

-1056.6

-1057

＜

11111.1

3设计书及图纸

表二设计洪水情况荷载计算表

荷载计算

荷载

垂直力（KN）

水平力（KN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

方向

↑

↓

→-

←+

↙+

↘-

自重

G1

6818

40.54

276416

G2

20530

25.21

517473

GW

419.8

1.93

810.2

水压力

P1

13261

17.2

227651

P2

1051

4.8

5081

扬压力

PL1

6277

21.6

135867

PL2

438

41.3

18115

PL3

2183

26.2

57263

PL4

658

42.0

27605

浪压力

U1

7.8

51.3

398

泥沙压力

Pn

109

2．3

253

合计

9557

27768

13378

1051

799780

467151

表三校核洪水情况荷载计算表

荷载计算

荷载

垂直力（KN）

水平力（KN）

力臂（m）

力矩（kN.m）

方向

↑

↓

→-

←+

↙+

↘-

自重

G1

6818

40.54

276416

G2

20530

25.21

517473

GW

477

2.06

983.5

水压力

P1

14429

17.9

258379

P2

1194

5.2

6146.6

扬压力

PL1

6688

21.6

144802

PL2

454

41.3

18743

PL3

2259

26.2

59243

PL4

680

42.0

28550

浪压力

U1

8

53.7

417

泥沙压力

Pn

109

2．3

253

合计

10081

27826

14546

1194

801019

510388

注：

建议自重按三角形和矩形分块计算，扬压力折减系数

=0.25

表四抗压强度验算表

项目

γ0

φ

T

1+m2

∑Wr

∑Mr

S（。

）

γφS（。

）

校核

水位

不计

扬压力

1

0.85

43.29

1.64

27826

290631

-471.88

-401

计入

扬压力

1

0.85

43.29

1.64

17745

290631

-853.79

-726

设计

水位

不计

扬压力

1

1

43.29

1.64

27768

571477

-1948.7

-1949

计入

扬压力

1

1

43.29

1.64

18211

332628

-1056.6

-1057

图1重力坝设计简图