水工建筑物课程设计

课程设计： 混凝土重力坝设计 专业班级： 12级水利水电工程卓越班

姓 名： 饶宇

学 号： 2012102196

指导教师： 王志强

南昌工程学院水利与生态工程学院印制

2015——2016学年第一学期

第一章 基本资料

1.1 基本资料

一、 地质

河床高程332m。约有2～3m覆盖层，岩石为石灰岩，较完整，结理不发育，风化层后1～2m无特殊不利地质构造。

坝基的力学参数：抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为f'=0.9,c'=700kPa。基岩的允许抗压强度3000kPa。

地震的设计烈度为6度。 二、 水文

本枢纽属中型Ⅲ等工程。永久性重要建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。 特征水位 上游水位 下游水位 （ m ) 校核洪水位 设计洪水位 正常蓄水位 死水位 386.96 385.4 383.96 350.0 （ m ) 335.2 334.3 331.7 表1 水文计算结果

库容 （万m3） 1200 1140 895 40 溢流坝泄量 （ m3/s ) 1696 1250 经水文水利计算，有关数据如表1所示：

三、 气象

本地区多年平均最大风速为14m/s，水库吹程为2.96km。 四、 其它有关数据

河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程345m。淤沙的浮重度为9.5kN/m3，内摩擦角为12°。

坝体混凝土重度采用24kN/m3。 五、 枢纽总体布置

根据地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选用混凝土重力坝方案，重力坝由非溢流坝段和溢流坝段组成。

第二章 非溢流坝设计

2.1 剖面设计

重力坝剖面设计的原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修；

重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。剖面尺寸的初步似定主要内容有：坝顶高程，坝顶宽度，坝顶及上、下游起坡点的位置。

一、 坝顶高程的确定

波浪要素按官厅公式计算。公式如下：

Hl?0.0166V0D5413

L?10.4hlHZ?0.8

?hl2Lcth2?HL

库水位以上的超高

?h?hl?hz?hc

对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校核洪水位时为0.4 m。计算成果见下表2-1 风速(m/s) 波高(m) 波长(m) 雍高(m) 28 14 1.41 0.59 13.68 6.84 0.46 0.16

安全加高(m) 0.5 0.4 超高(m) 坝顶高程（m） 2.37 1.15 387.8 386.6 表2-1坝顶高程计算成果表

经比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为387.8m，并取防浪墙高度1.2m， 则坝顶高程为： 387.8-1.2=386.6m

最大坝高为： 386.6-327=59.6m

二、 坝顶宽度

考虑交通要求，坝顶宽度取7m。 三、 坝面坡度

12~考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为33坝高，该工程拟折坡点高程为347.0m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，下游坝坡取1：0.7，基本三角形顶点位于坝顶，376.30m以上为铅直坝面。 四、 坝体防渗排水

分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵7m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线9m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。

拟定的非溢流坝剖面如图所示。确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定和应力校核的重复计算过程。

2.2 荷载计算

一、 计算情况的选择

在设计重力坝剖面时，应按照承载力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。基本组合有正常蓄水位情况和设计洪水情况，偶然组合有校核洪水情况和地震情况。考虑的主要荷载有自重、水压力、浪压力、淤沙压力及扬压力。从以上荷载组合中分别选一种基本组合（如设计洪水位情况）和一种偶然组合（如校核洪水位情况）计算。 二、 计算截面的选择

滑动面一般有以下几种情况：坝基面、坝基内软弱层面、基岩缓倾角结构面等。对于本工程，岩石较完整，结理不发育，可仅分析沿坝基面的抗滑稳定。 三、 荷载计算

1．坝体自重计算 坝顶宽度=7(m)

坝基宽度=(386.60-327)×0.7+(347-327)×0.2=45.72(m)

W1=1/2×24×20×20×0.2×1=960(kN) 力臂=45.72/2－2/3×20×0.2=20.19(m) 力矩=960×20.19=19382.4(kN?m)

W2=24×7×(386.60-327)×1=10012.8(kN) 力臂=45.72/2－20×0.2－7.0/2=15.36(m) 力矩=10012.8×15.36=153796.61(kN?m)

W3=1/2×24×(376.30-327)×(376.30-327)×0.7×1=20416.116(kN) 力臂=(376.30-327)×0.7×2/3－45.72/2=0.15(m) 力矩=20416.116×0.15=3062.417(kN?m)

2. 静水压力 （校核洪水位）

PH1=1/2×9.81×(386.96-327)×(386.96-327)×1=17248.383(kN) 力臂=1/3×(386.96-327)=19.77(m) 力矩=-17248.383×19.77=-341000.53(kN?m)

PH2=-1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×1=-329.812(kN) 力臂=1/3×(335.2-327)=2.73(m) 力矩=329.812×2.73=900.387(kN?m)

PV1=9.81×(386.96-347)×(347-327)×0.2=1542.132(kN) 力臂=45.72/2－20×0.2×1/2=20.755(m) 力矩=1542.132×20.755=32006.95(kN?m)

PV2=1/2×9.81×20×20×0.2=392.4(kN) 力臂=45.72/2－20×0.2×1/3=21.42(m) 力矩=392.4×21.42=8405.21(kN?m)

PV3=1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×0.7=230.87(kN) 力臂=45.72/2－(335.2-327)×0.7×1/3=20.842(m) 力矩=-230.87×20.842=-4811.80(kN?m) 扬压力 （校核洪水位）

U1=－9.81×（335.2-327.0）×45.51×1=－3660.9(kN) 力臂=0(m) 力矩=0(kN?m)

U2=－9.81×9.0×0.25×(386.96-335.2)=－1127.9(kN) 力臂=45.72/2－9.0/2=18.255(m) 力矩=－1127.9×18.255=－20589.81(kN?m)

U3=－9.81×1/2×(45.72－9.0)×0.25×(386.96－335.2)=－2287.77(kN)

力臂=2/3×(45.72－9.0)－45.51/2=1.585(m) 力矩=-2287.77×1.585=－3626.12(kN?m)

U4=－9.81×1/2×9.0×(1－0.15)×(386.96-335.2)=－1691.86(kN) 力臂=45.72/2－1/3×9.0=19.55(m) 力矩=-1691.86×19.55=－33422.69(kN?m) 4．泥沙压力

PSH=1/2×9.5×（345-327）×（345-327）×tan2(45°－12°/2)=1009.20(kN) 力臂=1/3×18=6(m) 力矩=-1009.20×6=-6055.20(kN?m) PSV=1/2×9.5×18×18×0.2=307.8(kN) 力臂=45.51/2－18×0.2×1/3=21.555(m) 力矩=307.8×21.555=6634.629(kN?m)

标准值（kN) 垂直荷载 水平荷载 W1 自重 水平水压力 垂直水压力 W2 W3 PH1 PH2 Pv1 PV2 Pv3 PSH PSV U1 U2 U3 U4 960 （↓） 10013（↓） 20416（↓） 1542（↓） 392 （↓） 231 （↓） 308（↓） 3661(↑) 1128(↑) 2288(↑) 1692(↑) 17248(→) 330 (←) 1009(→) 力臂力矩标准值（kN?m） (m) 20.19 15.36 0.15 19.77 2.73 20.755 21.42 20.842 6 21.56 0.0 18.255 1.585 19.755 19382 153796 306241 -341001 900 32007 8405 -4812 -6055 6635 0 -20590 -3626 -33423 ∑M=-185314 荷载 静 水 压 力 泥沙压力 浮托力 扬压力 渗透压力 总计

∑W=25093（↓） ∑P=17942(→) 表2-3 校核洪水位情况下荷载计算成果

2.3 抗滑稳定分析

重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，

最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。

?0=1.0 ?=1.0 f'=0.9 c'=700kPa

校核洪水位情况

∑W=( P+ P+ P)+(W1+W2+W3)-（U+ U + U）- P=25093（↓） ∑P= PH1-PH2+PSH=17942(→)

基本组合：

V1

V2

V3

1

2

3

SV

K'?f'?W?c'A?P?0.9?25412?700?45.51?3.13?3.0

17492 由以上计算可知，在设计和校核洪水情况下坝基面均满足抗滑稳定极限状态要求。

2.4 应力分析

一、 分析目的

应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。 二、 分析的方法

应力分析的方法有理论理论计算和模型试验两类。设计时一般使用理论计算的方法，理论的计算方法有材料力学法、弹性理论和弹塑性理论的方法。 三、 材料力学法

校核洪水位情况

∑W==( P+ P+ P)+(W1+W2+W3)-（U+ U + U）-P =25093（↓） ∑P=17942(→) ∑M=∑M=W1+W2-W3+P+P+P-U-U-U–U =-185314

V1

V2

V3

1

2

3

SV

V1

V2

V3

1

2

3

4

基本组合 对于坝踵处：

?yu W6?M254126?170061??????65.74kPa?0BB245.5145.512 对于坝趾处:

?yd?W?6?M?BB2 254126?1700613000???1051.04??750(kPa)245.5145.514.0 由以上计算可知：设计洪水位和校核洪水位情况下，坝址和坝踵应力符合强度要求。

第三章 溢流坝设计

3.1 孔口设计

一、 泄水方式的选择：

为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。

二、 洪水标准的确定。本次设计的重力坝是3级建筑物，根据相关规范可知：采用50年一遇的洪水标准，500年一遇的洪水标准校核。

三、 流量的确定。设计情况下溢流坝下泄流量为1250m3s；校核情况下溢流坝下泄

流量为1696ms。

3四、 单宽流量的选择。坝基处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的防冲要求，单宽流量取50~100m/s。

五、 孔口净宽似定。分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如表3--1所示： 计算情况 设计情况 校核情况 流量Q（m/s） 1250 1696 33单宽流量（m/s） 50~100 50~100 3孔口净宽B（m） 25~12.5 33.92~16.96 表3-1 孔口净宽计算

根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，假设每孔净宽为8m，则孔数n为3。 六、 溢流坝段总长度的确定。根据工程经验，似定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为3m，边墩厚为2m则溢流坝段的总长度B0为：

B0?nb?(n?1)d?2t?24?6?4?34(m)

七、 坝顶高程的确定。

根据公式: Q溢??mB2gH0

32初拟侧收缩系数?=0.95流量系数m?0.502. 设计情况：

?Q溢?1250??H0???????8.5(m) ?mB2g0.95?0.502?242?9.81??????2323堰顶高程=385.4-8.5=376.9（m）

校核情况：

?Q溢?1696??H0???????10.4(m)

?0.95?0.502?24?2?9.81????mB2g??2323堰顶高程=386.96-10.4=376.56（m） 计算情况 流量Q（m/s） 设计情况 1250 3侧收缩系数 0.95 流量系数 孔口净宽（m） 堰上水头（m） 8.5 堰顶高程（m） 376.90 0.502 24 校核情况 1696 0.95 0.502 24 10.4 376.56 表3-2 堰顶高程计算

根据以上计算，取堰顶高程为376.56m。

八、 闸门高度的确定。计算如下：

门高=正常水位-堰顶高程+（0.1~0.2）=383.96-376.56+0.1=7.5（m） 按规范取门高为8m。

九、 定型设计水头的确定。堰上最大水头，Hmax=校核洪水位-堰顶高程，即：

Hmax=386.96-376.56=10.4（m）

定型设计水头Hs为：Hs=（75%~95%）Hmax=7.80~9.88（m）

取Hs=8.8m，8.8/10.4=0.85，查表知坝面最大负压为：0.3Hs=2.64m，小于规定的允许值（最大不超过3~6m水柱）。

十、 泄流能力的校核。先由水力学公式计算侧收缩系数?，然后计算不同水头作用下的流量系数m，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。 由规范可得：闸墩用半圆形 ?0?0.45 ?k?0.4 ??1?0.2?(n?1)?0??k?确定侧收缩系数?：

H0 nb?3-1）?设?1-0.2（?0.45?0.4??校8.5?0.9083?8

10.4?3-1）?1-0.2（?0.45?0.4??0.8873?8确定流量系数m:

HH8.5设计水位：Z?设??0.966HSHS8.8ms1?0.975?0.975??(0.966?0.8)?0.996m0.2ms?0.502?0.996?0.500HZH设10.1校核水位：???1.15HSHS8.8ms1.025-1.0?1.0??(1.15?1.0)?1.02m0.2ms?0.502?1.02?0.512Q设??mB2gH0?0.908?0.500?24?2?9.81?8.5?1196.0(m3s)32323232

Q校??mB2gH0?0.891?0.512?24?2?9.81?10.1?1556.（7m3s）Q'?Q1196.0?1250设计情况：?100%??100%?4.32%?5.0%Q1250Q'?Q1556.7?1696校核情况：?100%??100%?4.50%?5.0%Q1696

综上可知：设计的孔口符合要求。

表3-3泄流能力校核计算

计算情况 侧收缩系数 设计情况 校核情况 0.908 0.891 流量系数 0.500 0.512 孔口净宽（m） 24 24 堰上水头（m） 8.5 10.4 流量Q (m3s) |Q'?Q|?100%Q 1196.0 1556.7 4.32% 4.50% 3.2 溢流坝剖面设计

溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程采用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形，一般其上游面为铅直，溢流面由顶部的曲线，中间的直线，底部的反弧段三部分组成。

一、 上游堰面曲线，原点上又采用椭圆曲线，其方程为：

(bHS?y)2H2??1 22(aHS)(bHS)

根据计算HS?8.8m a?0.28 b?a?0.16

0.87?3ax2(0.16?8.8?y)2 则椭圆方程为：??1

(0.28?8.8)2(0.16?8.8)2二、 WES曲线设计 其方程为： xn?kHsn?1y n?1.85,k?2.0,HS?8.8

则：x1.85?2.0?8.80.85y或y?0.079x1.85 直线段与WES曲线相切时，切点C的横坐标为: xc??k(m?n)?1n?1?2.0?HS???0.7?1.85??11.85?1?8.8?13.53(m)

三、 反弧半径的确定

根据工程经验 ??25? 挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2m）1~2m,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（m）。

高差H0?校核水位-坎顶高程?386.96?336.2?50.76(m)

过流宽度B0?24?2?4?32(m) 流能比 KE?Q校B0gH01.5?1696?0.045

32?9.81?50.761.5坝面流速系数 ??31?0.055?0.90 0.5KE v??2gH0?0.90?2?9.81?(386.96?336.2)?28.2(ms)

坎前水深为：Q1696h?校??1.81(m)B0v32?28.2 反弧半径R为：R?（4~10）h?7.24~18.1(m)取R为10m。 Rcos??10?cos25??9.06(m)

反弧段的圆心求法：先画一条平行于坝下游面且相距圆弧半径R的直线，再画一条与坝顶点相距为Rcos25?的水平线，两线交点即为圆心。

3.3 消能防冲设计

根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射角θ=25°，挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2m）1~2m,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（m）。

一、 反弧半径的确定

坎顶水流流速v按下式确定:

v??2gH0?0.90?2?9.81?(386.96?336.2)?28.2(ms)坎前水深为：Q校1696 h???1.81(m)B0v32?28.2反弧半径R为：R?（4~10）h?7.24~18.1(m) 取R为10m。

二、 水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度t'k估算

挑距计算：

v1?29.8?1.1?32.78ms h1?hcos??1.81?cos25??1.64(m) h2?336.2?332?4.2(m) L?1?22v1sin?cos??v1cos?v1sin2??2g(h1?h2)?

???g?

1?32.782?sin25?cos25??32.78?cos25?32.782sin225??2?9.81(1.64?4.2) 9.81???95.0(m)

冲坑深度计算：

Q1250??52.1m3(s?m) H?386.96?335.2?51.76(m) q?nb24 H2?335.2?332?3.2(m)

t'k??q0.5H0.25?H2?1.1?52.10.5?51.760.25?3.2?18.03(m)

95.0Lt'k??5.27?2.5~5.018.03

由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。 另外，为了避免小流量时产生贴面流，掏刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。

第四章 重力坝主要构造

4.1 坝顶构造

一、 非溢流坝。坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽0.75m人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为7m，下游设置栏杆及路灯。细部构造图略。

二、 溢流坝。溢流坝上部设有闸墩、闸门、门机、交通桥等结构和设备。

闸门的布置：工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面形成负压。采用平面钢闸门，门的尺寸：高×宽=8m×8m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的间距为2m。

闸墩：闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，即386.96m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝坝顶高程。中墩的厚度为3m，边墩的厚度为2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。

导水墙：边墩向下游延伸成导水墙。其长度延伸到挑流鼻坎的末端；高度经计算得3.5m。导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取0.5m。细部构造图略。

4.2 分缝与止水

一、 横缝。垂直于坝轴线布置，缝距为15m，缝宽为2cm，内有止水。

二、 止水。设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1.0m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。

三、 纵缝。纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面正交，缝距为15m。

四、 水平缝。混凝土浇筑块厚度为4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥浆。

4.3 廊道系统

一、 基础廊道。位置：廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面7m;形状：城门洞形，底宽3m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于40?。

一、 坝体廊道。自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设两层。底部高程分别为352m、372m，形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面3m，底宽1.5m，高2.5m，左右岸各有一个出口。

4.4 坝体防渗与排水

一、 坝体防渗。在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用一层厚2m具有防渗性能的混凝土作为坝体的防渗设施。 二、 坝体排水。距离坝的上游面3m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为15cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝土管。

4.5 坝基的防渗与排水

由于坝趾处河床上有2~3m的覆盖层，有1~2m的风化层，地基开挖时应把覆盖层和严重的风化层全部挖除，坝底面的最底高程为327.0m，顺水流方向挖成锯齿状，并在上下游坝面开挖一个浅齿墙。沿坝轴线方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的宽度为至少1/3坝段长，相邻两级平台的高差不超过10m。注意根据横缝的布置、开挖的深度调整平台的宽度和高程。

一、 坝基的防渗处理。在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕。防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料，其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。帷幕的深度取10~30m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向垂直，孔距取2m，设置一排。 二、 坝基排水。坝基的排水孔幕布置在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为10?，孔距取3m，孔径为130mm，孔深为10~15m，沿坝轴线方向设置一排。

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