水工建筑物 重力坝课程设计好docx.docx

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水工建筑物重力坝课程设计【毕业设计（论文）】-好《水工建筑物》

20112012学年第二学期目录

第一章基本资料3

1重力坝课程设计任务书3

2基本资料5

第二章计算书7

1确定校核洪水位8

11确定溢流坝段堰顶高程8

12确定校核洪水位8

2确定工程等级及坝型8

3确定坝顶高程8

31超高值Ah的计算8

32坝顶高程10

4非溢流坝实用剖面的设计和静力校核11

41非溢流坝实用剖面的拟定11

42确定设计水位和校核水位下的荷载组合及荷载计算12

43对两种工况进行非溢流坝的抗滑稳定计算校核其安全性14

44对非溢流坝坝底水平截面的边缘应力以及底部截面的内部应力计算校核

故

b校核洪水位时Ah计算

32坝顶高程

a设计洪水位的坝顶高程

b校核洪水位的坝顶高程

为了保证大坝的安全选取较大值所以选取坝顶高程为239m

4非溢流坝实用剖面的设计和静力校核41非溢流坝实用剖而的拟定

2245m

坝底高程

a坝高取239-130109m

b坝顶宽度坝顶宽度取坝高的即为109m取llni

c坝底宽度B82m

d基础灌浆廊道尺寸拟定

基础灌浆廊道的断面尺寸应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定一般宽为25〜3m高为3〜4m为了保证完成其功能且可以自由通行本次设计基础灌浆廊道断面取30X35m形状采用城门洞型

e廊道的位置

廊道的上游避距离上游面105m

廊道底部距离坝底面6m

初步拟定坝体形状剖面如图42确定的荷载组合及荷载计算

坝身自重

下游水自重a设计洪水位时

b校核洪水位时

2静水压力

不同情况下上下游水深及水位差

特征水位上游水深下游水深上下游水位差设计洪水位10694

966校核洪水位107210972

b校核洪水位时

3扬压力扬压力折减系数a设计洪水位时

b校核洪水位时

4地震荷载本工程按5级地震烈度计算设计烈度在6度以下不考略地震作

5浪压力

a设计洪水位时

b校核洪水位时

43对两种进行非溢流坝的稳定计算校核其安全性

基本公式其中按抗滑稳定计算的抗滑稳定系数

坝体混凝土与坝基接触面的抗滑摩擦系数

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作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值KN

按上式抗滑稳定公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于下表的规定

坝基面抗滑稳定安全系数K

荷载组合坝的级别123基本组合11105105

特殊组合1105112111

1设满足要求

2满足要求

44对非溢流坝坝底水平截面的边缘应力以及底部截面的内部应力计算校核com用材料力学法计算边缘应力

在一般情况下坝体的最大和最小应力都出现在坝面应校核坝体边缘应力是否满足强度要求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岩体容许压应力H2MPa

基木公式

EW作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和kN

EM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kNm

B计算截面的长度m

a设计洪水位

坝踵铅直应力没有出现拉应力符合规范要求

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力符合规范要求

b校核洪水位

坝趾铅直应力小于坝基容许压应力符合规范要求

坝踵铅直应力没有出现拉应力符合规范要求

com坝基面应力计算

基本公式

上下游坝面垂直正应力

上下游面剪应力

上下游面水平正应力

上下游面主应力作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和kN

EM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计算截面的长度m

上游坝坡

下游坝坡

计算截面在上下游坝面所承受的水压力强度如有泥沙压力时应

计入在内

计算截面在上下游坝面处的扬压力强度

a设计洪水位

上下游坝面垂直正应力

上游坝面垂直正应力下游坝面垂直正应力

上下游面剪应力

上游面剪应力

下游面剪应力

上下游面水平正应力

上游面水平正应力

下游而水平正应力

上下游面主应力

上游面主应力

下游面主应力

b校核洪水位

上下游坝面垂直正应力

上游坝面垂直正应力下游坝面垂直正应力

上下游面剪应力

上游面剪应力

下游面剪应力

上下游面水平正应力

上游面水平正应力

下游面水平正应力

上下游面主应力

上游面主应力

下游而主应力

应力计算结果

计算情况坝埋处坝趾处

基本组合设计洪水位351020035102017553413165198738

2742720特殊组合校核洪水位5713200571320210629

157972976283291080表中数据单位都是

由上表应力都小于混凝土抗压强度所以满足要求溢流坝剖面的拟定和消能设计

1泄水方式的选择

溢流重力坝既要挡水又要泄水不仅要满足稳定和强度要求还要满足泄水要求因此需要有足够的孔口尺寸较好体型的堰型以满足泄水的要求且使水流平顺不产生空蚀破坏重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔曰式溢流开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外还便于设计和施工同时这种形式的堰在我国应用广泛有很多的工程实践经验故本设计采用开敞溢流式孔口形式堰顶设闸门

2溢流坝剖面拟定

溢流曲线由顶部曲线段中间直线段和底部反弧段三部分组成设计要求

a有较高的流量系数泄流能力大

b水流平顺不产生不利的负压和空蚀破坏

c体形简单造价低便于施工

本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形其上游面铅直溢流面由顶部的曲线中间的直线底部的反弧三部分组成

定型设计水头的确定

堰顶最大水头H校核洪水位-堰顶高程即H2372-2265107m

定型设计水头Hd为Hd75-95H取Hd8m由HdH075

1

溢流坝顶部采用曲线形式顶部曲线的形式很多常用的有克奥曲线和WES曲线本工程选用WES曲线

首先绘出坝顶部的曲线取堰顶部最高点为坐标原点WES型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分该设计上游段曲线采用椭圆型曲线

椭圆方程为式中椭圆曲线的氐短半轴当时〜当时〜〜当小时a于b取小值其中为

堰高为堰上水头

开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES幕曲线可按下式计算

式中堰面曲线定型设计水头m可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头的75〜95计算

xy原点下游堰面曲线横纵坐标

k当PlHd>10时k值见下表当PIHdW10时取k=20〜22为上游相对堰高

n与上游堰坡有关的指数见下表堰面曲线参数

上游面为铅直面由上表可查的n185k20故原点下游堰面曲线方程为

按上式计算的坐标值入下表所示

计算WES下游曲面坐标值表X048121667y0

1114008481615

2中间直线段

中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切坡度和挡水坝一致取1075

3反弧段

a溢流堰下游反孤段半径应结合下游消能设施来确定本次设计选用挑流消能

对于挑流消能可按下式求得反弧段半径

R4〜10h

式中h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深m反孤段流速v<16ms时可取下限流速越大反弧半径也宜选用较大值以致取上限

上式为迭代公式迭代初值取h0

-一单宽流量本次设计按校核洪水位取7105——上游最高水位与反孤段最低点的距离反弧最低点与下游水位齐平

初始令h0此时

此时取乂由故取取

b挑角

挑角越大射程越大但挑角增大入水角3也增大水下射程减小同时入水角增大后冲刷坑深度增加0一般在〜之间在此取

c挑坎高度

挑坎应高出下游水位一般以1〜2m为宜计算时按设计洪水位情况考虑取挑坎最低高程等于下游水位挑坎最高点与最低点间距离为R1-cos0故挑坎高度

d反弧段坐标确定

圆心0'距坝底距离

圆心O'距C点距离

根据以上数据就可以确定溢流坝曲面了下图就是本次设计的溢流坝曲面

53消能防冲设计

1选择孔口尺寸

本次设计选用平板闸门闸门厚度最小为15~20m取d2m因为本次设计属于大中型坝故由1中初拟取孔口宽度取为b95m孔口宽高比eio〜com所以孔高6m2确定消能方式

《水工建筑物》及《混凝土重力坝设计规范》可知消能的设计原则是

a尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中以及水流与空气的摩擦上

b不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷

c下泄水流平稳不影响枢纽中其它建筑物的正常运转

d结构简单工作可靠工程量小

分析比较各种消能工的优缺点考虑到本次设计的重力坝属于高坝下游地质条件比较好的情况决定选用挑流消能

1挑流鼻坎设计

a挑流鼻坎有连续式和差动式该设计选用连续式鼻坎

b鼻坎高程

c反孤半径R14m

d根据实际工程情况该设计挑射角取030。

2水舌挑距L的估算

根据规范水舌挑距L可按下式计算

式中水舌抛距m如有水流向心集中影响者则抛距还应乘以090〜095的折减系数

坎顶水面流速ms按鼻坎处平均流速u的11倍计即11为水库水位至坎顶的落差

0鼻坎的挑角

坎顶垂直方向水深mh为坎顶平均水深m

坎顶至河床面高差m如冲坑己经形成可算至坑底

堰面流速系数可按下式计算

按校核洪水位计算

3最大冲坑水垫厚度的计算

根据规范最大冲坑水垫厚度可按下式计算

式中水垫厚度自水面算至坑底m

单宽流量m3s•in

上下游水位差m

冲刷系数其数值见下表

本次设计取08则可计算得

6细部构造设计

61坝基的连接灌浆和排水

com坝基固结灌浆

天然地基由于经受长期的地质作用一般都有风化节理裂隙等缺陷有时还有断层破碎带和软弱央层所有这些都需要采取适当的处理措施地基处理的主要任

com用材料力学法计算边缘应力15

com坝基面应力计算16

5溢流坝剖面的拟定和消能设计19

51泄水方式的选择19

52溢流坝剖面拟定19

53消能防冲设计23

6细部构造设计25

61坝基的连接灌浆和排水25

com坝基固结灌浆26

com坝基防渗帷幕灌浆26

com坝基排水27

com坝身廊道和排水27

62纵横缝构造及止水28

63坝顶布置29

一设计目的及要求

课程设计是为了加强和巩固学生对理论知识的掌握培养学生运用理论知识解决实际问题能力是水工建筑物课程实践教学的必要环节其目的和要求是

1巩固和加深学生的基本理论和专业知识

2培养学生运用所学知识解决实际问题的能力

3培养学生计算绘图等基本技能的训练

培养学生实事求是和刻苦钻研的工作作风

在指导教师的指导下学生必须按计划独立完成设计成果完整并要答辩务是1防渗2提高基岩的强度和整体性基岩开挖后在浇灌混凝土前需要进行彻底的清理和冲洗包括清除松动的岩块打掉突出的尖角基坑中原有的勘探钻孔井洞等均应回填封堵本设计坝基基岩整体性好强度高故只需在两岸节理裂隙发育带范围内进行固结灌浆固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近以及节理裂隙发育和破碎带范围内采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆以提高基岩的弹性模量抗渗性和强度等在坝踵坝趾附近灌注孔相对较密呈梅花形布置其他部位疏一些孔距排距一般为3〜4m本设计取4m孔深5〜8m必要时还可适当加深帷幕上游区的孔深-•般为8〜15m本设计取75m固结灌浆示意图如下

com坝基防渗帷幕灌浆

防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近自河床向两岸延伸钻孔和灌浆常在坝体内特设的廊道内进行靠近岸坡处也可在坝顶岸坡或平洞内进行平洞还可以起排水作用有利于岸坡的稳定钻孔方向一般为铅直必要时也可有一定斜度以便穿过主节理裂隙但角度不宜太大一般在10°以下以便施工防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质水文地质情况确定当地质内的不透水层厚度不大时帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3〜5m当相对隔水层埋藏较深则帷幕深度可根据防渗要求确定通常采用坝高的03〜07倍

帷幕深入两岸的部分原则上也应达到上述标准并与河床部位的帷幕保持连续形成连续的不透水的防渗墙当相对隔水层距地面不远时帷幕应深入岸坡与该层相衔接当相对隔水层埋藏较深时可深到原地下水位线与最高枯水位的交点B处如图在BC'以上设置排水以降低水库蓄水后库岸的地下水位

1灌浆廊道2山坡钻进3坝顶钻进4灌浆平洞5排水孔6最高库水位

7原河水位8防渗帷幕底线9原地下水位线10蓄水后地下水位线

com坝基排水

为进一步降低坝底面的扬压力应在防渗帷幕后设置排水孔幕根据规定要求坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游向下游倾斜与灌浆帷幕的夹角为15°孔距取3m孔径为200mm孔深为10m沿坝轴线方向设置一排基础排水系统如图

com坝身廊道和排水

坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响在靠近坝体上游面需要设置排水管幕排水管应通至纵向排水管道其上部应通至上层廊道或坝顶溢流而以下以便于检修管距可采用采用3m排水管幕距上游坝面的距离一段要求不小于坝前水深的110〜112且不少于2nr故根据规定排水管设置在距上游面9m处以使渗透坡降控制在允许范围内

排水管采用预制多孔混凝土管内径可为15cm〜25cm取15cm随着坝体混凝土的浇筑而加高渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井再用水泵或自流排水排向下游排水沟断面常用30cmX30cm低坡3排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞排水管与廊道的连通采用直通式

为了满足施工运用要求如灌浆排水观测检查和交通的需要在坝体内设置各种廊道这些廊道互相连通构成廊道系统帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行以便利用混凝土压重提高灌浆压力保证灌浆质量本次设计基础灌浆廊道断面取30X35m形状采用城门洞型灌浆廊道兼有排水作用并在其上游侧设排水沟下游侧设坝基排水孔幕在靠近廊道最低处设置集水井汇集从坝基和坝体的渗水然后经由水泵抽水排至下游坝外

62纵横缝构造及止水

1横缝减小温度应力适应地基不均匀变形和满足施工要求

2纵缝适应佐的浇筑能力和减小施工期的温度应力在平行坝轴线方向

设置

一般情况下横缝为永久缝也有临时缝垂直坝轴线用于将坝体分成为若干独立的坝段纵缝为临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致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峰内流出必须在缝的四周设止浆片

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一般采用10〜16顾后的紫铜片第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力一般为05〜20m本设计采用10m每侧埋入碇的长度约为20〜25cm本设计采用25cm在止水片的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用预制建块预制块长10〜15m厚5~10cm本设计采用ImX10cm沥青井尺寸大致为15cm~15cm至25cm~25cm本设计采用20cmX20cm井内灌注的填料由二号或三号是由沥青水泥和石棉粒组成井内设加热设备通常采用电加热的方法将钢筋埋入井中并以绝缘体固定从底部一直通到坝顶在井底设置沥青排出管以便排除老化的沥青重填新料管径可为15〜20cm止水片及沥青井需伸入岩基一定深度约30〜50cm井内填满沥青砂止水片必须延伸到最高水位以上沥青井需延伸到坝顶

63坝顶布置

坝顶路面应具有2〜3%的横向坡度并设置碇排水沟30X30cm以排出坝顶雨水坝顶上游的防浪墙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佐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在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道电站的电梯井便于观测和维修人员快速进出袁节鹏敲牌肃蒙英蜜节哉薄蛾肃芙蔑袈芈臆蛆备崖慕炊蚀袄莆蜗螂聿莉蛆罗袂芈蛔！

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29

二设计内容

1确定工程等级

2在已知设计洪水位设计泄洪流量和校核泄洪流量的前提下确定堰顶高程计算校核洪水位和坝顶高程

3非溢流坝基本剖面的拟定

4溢流坝剖面及消能方式的拟定

5非溢流坝实用剖面的设计和静力计算

1非溢流坝实用剖面设计

2确定正常和非常情况的荷载组合及荷载计算

3对以上两种情况进行非溢流坝的整体稳定计算校核安全性

4对以上两种情况的坝底面的边缘应力计算校核其强度若不满足稳定和强度要求原则上要修正剖面重新计算

6消能设计

1选择孔口尺寸和闸墩型式及尺寸

2选择消能方式确定消能结构的各部分尺寸反弧半径鼻坎高程挑射角度等

3计算挑距和冲坑深度

7细部构造的选择和设计

参照规范和教材选择

1坝基的连接灌浆和排水

2坝身廊道和排水

3横缝构造及止水

4坝顶布置等

三设计成果

1设计说明书一份

设计说明书是课程设计的主要成果要表达设计者的设计思想方法和分析计算能力其要求是

1设计主要成果的说明

2对设计参数理论依据的说明采用的常用公式可直接列出计算过程要表格化

3章节分明简明扼要文理通顺字迹工整既有计算成果又有分析论证和明确结论必须附目录页和基本资料图纸统一附在设计说明书后

4计算过程表格和插图应编号插图按比例绘制于方格纸上

2绘图

图纸1非溢流坝和溢流坝剖面图CAD绘制2枢纽平面布置图3其他细部构造图选做1一2个CAD绘制

要求制图准确布局合理主次分明比例得当尺寸全采用3号图纸

四设计方法

1课程设计在老师的指导下由学生独立进行的在设计过程中要培养学生的独立思考能力

2在学生与老师研究问题时学生应在充分钻研的基础上事先提出自己的看法和意见不能请老师代做不能编造数据和抄袭教师在回答问题时只能提出启发性的意见解决问题的途径和工作方法介绍文献或提出建议等

3为保证按时完成设计任务学生应了解各阶段的设计内容和比重结合自己的实际情况参考建议的时间安排做出控制性的安排

五时间安排

1熟悉资料及布置

2设计任务的1—4项

3非溢流坝的剖面设计和静力校核

4消能设计

5细部构造选择设计

6绘图及成果整理

7答辩

8合计

917周末完成答辩

主要参考文献

1《水工建筑物》教材陈德亮主编

2《水工建筑物》祁庆和主编

2《水力学》吴持恭主编

05天

25天

3天

05天

05天

2天

1天

10天

3《混凝土重力坝设计规范SL319-2005

2基本资料

某水利枢纽以防洪为主兼有灌溉发电等效益的综合利用工程该工程的坝型为混凝土重力坝

根据课程设计的内容该工程的工程参数和基本资料提供如下

一工程参数

坝底高程m正常蓄水位m设计洪水位m发电死水位m工程效益防洪灌溉面积万亩装机万kw

130

229236

183保证下游两水库的抗洪保坝安全

34

4

二基本资料

1地形资料见地形图虚线为新鲜岩面的等高线

2坝址处水位流量关系曲线

13921398M031408

3水库库容关系曲线

高程m135145155165175185195205215225235245容积

X106m30011758383824428762312097179262543496

46616833

46616833

4设计洪水

由实测及历史洪水调查资料经频率计算分析推得多年平均流量Q=1350m3sCv=llCs=35Cv其频率曲线为

P%021251050

Qpm3s10730731059204160

29201850对应P=02的Q0210730m3s由调洪演算求得相应的设计洪水下泄流量Q设=4378m3sP=01的Q0112000m3s经调洪演算求得相应的下池流量。

校=5400m3s

5气温与风速风向

月份123456

789101112最低气温°C

-203-182-108-0157

144242312012-21-143最大风

速ms1015121310911

1088109风向按基本垂

直坝轴线考虑吹程km10

6泥沙淤积库区植被茂密可以不考虑泥沙淤

7地震按5级烈度计算

8坝址地质岩性为花岗岩强度高两岸节理裂隙发育单位吸水率W001升分-米的相对不透水层的深度为20m

岩石的物理力学性质指标为

岩性容重KNm3吸水率

抗压强度MPa抗剪强度MPa磔与基岩

的摩擦系数碎与基岩的粘结力

花岗岩27011124880720

第二章计算书

1确定校核洪水位

11确定溢流坝段堰顶高程

坝址地质岩性为花岗岩强度高两岸节理裂隙发育暂取泄流单宽流量q单宽60m3s由设计洪水下泄流量Q设=4378m3s可得溢流前缘净宽为

取孔数X孔宽8X95m故有泄流前缘净宽B实76m

于是q实576m3s

又由堰流公式

其中取10取092取05

于是得927m取95m

则溢流堰堰顶高程

12确定校核洪水位

由校核洪水位时相应的下泄流量Q校=5400m3s可得

2确定工程等级及坝型

由校核洪水位2372m查水库水位容积曲线读出库容为46亿属于大2型永久性水工建筑物中的主要建筑物为II级次要建筑物和临时建筑物为