大連理工大學(xué)年秋作業(yè)《水工建筑物課程設(shè)計(jì)》.doc

大連理工大學(xué)2014年秋作業(yè)水工建筑物課程設(shè)計(jì) 作者： 日期： 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院水工建筑物課程設(shè)計(jì) 題 目：混凝土重力壩設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中心： 專 業(yè)： 年 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 1 項(xiàng)目基本資料1.1 氣候特征根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶?0年統(tǒng)計(jì)資料，多年平均最大風(fēng)速14 m/s，重現(xiàn)期為50年的年最大風(fēng)速23m/s，吹程：設(shè)計(jì)洪水位 2.6 km，校核洪水位3.0 km 。最大凍土深度為1.25m。河流結(jié)冰期平均為150天左右，最大冰厚1.05m。1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)1.2.1壩址地形地質(zhì)條件（1）左岸：覆蓋層23m，全風(fēng)化帶厚35m，強(qiáng)風(fēng)化加弱風(fēng)化帶厚3m，微風(fēng)化厚4m。（2）河床：巖面較平整。沖積沙礫層厚約01.5m，弱風(fēng)化層厚1m左右，微風(fēng)化層厚36m。壩址處河床巖面高程約在38m左右，整個(gè)河床皆為微、弱風(fēng)化的花崗巖組成，致密堅(jiān)硬，強(qiáng)度高，抗沖能力強(qiáng)。（3）右岸：覆蓋層35m，全風(fēng)化帶厚57m，強(qiáng)風(fēng)化帶厚13m，弱風(fēng)化帶厚13m，微風(fēng)化厚14m。1.2.2天然建筑材料粘土料、砂石料和石料在壩址上下游23km均可開采，儲(chǔ)量足，質(zhì)量好。粘土料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足土壩防滲體土料質(zhì)量技術(shù)要求。砂石料滿足砼重力壩要求。1.2.3水庫(kù)水位及規(guī)模死水位：初步確定死庫(kù)容0.30億m3，死水位51m。正常蓄水位：80.0m。注：本次課程設(shè)計(jì)的荷載作用只需考慮壩體自重、靜水壓力、浪壓力以及揚(yáng)壓力。表一狀況壩底高程(m)壩頂高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率設(shè)計(jì)情況31 84.982.5045.50010.8校核情況3184.984.7246.45010.8本設(shè)計(jì)僅分析基本組合(2)及特殊組合(1)兩種情況：基本組合(2)為設(shè)計(jì)洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。特殊組合(1)為校核洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。1.3大壩設(shè)計(jì)概況1.3.1工程等級(jí)本水庫(kù)死庫(kù)容0.3億m3，最大庫(kù)容未知，估算約為5億m3左右。根據(jù)現(xiàn)行水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)（DL5180-2003），按水庫(kù)總庫(kù)容確定本工程等別為等，工程規(guī)模為大（2）型水庫(kù)。樞紐主要建筑物擋水、泄水、引水系統(tǒng)進(jìn)水口建筑物為2級(jí)建筑物，施工導(dǎo)流建筑物為3級(jí)建筑物。1.3.2壩型確定壩型選擇與地形、地質(zhì)、建筑材料和施工條件等因素有關(guān)。確定本水庫(kù)大壩為混凝土重力壩。1.3.3基本剖面的擬定重力壩承受的主要荷載是水壓和自重，控制剖面尺寸的主要指標(biāo)是穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。由于作用于上游面的水壓力呈三角形分部，所以重力壩的基本剖面是三角形，根據(jù)提供的資料，確定壩底寬度為43.29m（約為壩高的0.8倍），下游邊坡m=0.8，上游面為鉛直。2 設(shè)計(jì)及計(jì)算內(nèi)容2.1 壩高計(jì)算按照所給基本資料進(jìn)行壩高計(jì)算，詳細(xì)寫明計(jì)算過程和最終結(jié)果。解：根據(jù)大壩特性表資料，壩高H=壩頂高程-壩底高程=84.90-31.00=53.90m，為中壩。2.2 擋水壩段剖面設(shè)計(jì)按照所給基本資料進(jìn)行擋水壩段剖面設(shè)計(jì)，詳細(xì)寫明計(jì)算過程和最終結(jié)果。解：（1）壩頂構(gòu)造設(shè)計(jì)壩頂寬度取8%10%壩高，且不小于3m，設(shè)計(jì)壩頂寬度取4.80m。壩頂上游設(shè)計(jì)防浪墻，墻身采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高度取1.35m（按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算），寬度取0.50m，壩頂下游側(cè)設(shè)置欄桿。（2） 壩底寬度計(jì)算根據(jù)大壩特性表資料，壩底寬度T=（84.90-31.00）*0.8=43.12m。（3） 壩體檢查排水廊道、排水管幕設(shè)計(jì)為了便于檢查、觀測(cè)和排除壩體滲水，在壩體高程65.00處設(shè)置一檢查兼作排水用的廊道，廊道斷面采用城門洞形，寬度取1.5m，高度取2.5m，其上游側(cè)至上游壩面的距離取0.050.07倍作用水頭，且不小于3m，設(shè)計(jì)取4.00m。為了減小壩體的滲透壓力，靠近上游壩面設(shè)置排水管幕，排水管幕至上游壩面的距離取1/151/25倍作用水頭，且不小于2m，設(shè)計(jì)取3.00m，間距取2.50m，管徑取200mm，排水管幕做出鉛直，與縱向排水檢修廊道相通，滲入排水管的水可匯集到下層縱向廊道，排水管幕上端通至壩頂。（4） 壩基灌漿排水廊道設(shè)計(jì) 壩基灌漿排水設(shè)置在上游壩踵處，廊道上游側(cè)距上游壩面的距離取0.050.1倍作用水頭，且不小于45m，設(shè)計(jì)取4.0m，廊道斷面采用城門洞形，寬度取3.00m，高度取3.50m，廊道上游側(cè)設(shè)排水溝，下游側(cè)設(shè)排水孔及揚(yáng)壓力觀測(cè)孔，廊道底面距離基巖面不小于1.5倍廊道寬度，設(shè)計(jì)取4.00m。為減少壩基滲漏，防止較大滲流對(duì)壩基產(chǎn)生滲透破壞，減小壩基底面的防滲揚(yáng)壓力，提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，在廊道上游側(cè)布置一排帷幕灌漿，帷幕灌漿深度取0.050.07倍作用水頭，帷幕灌漿深度設(shè)計(jì)取20.00m。灌漿帷幕中心線距上游壩面4.50m。帷幕灌漿必須在澆筑一定厚度的壩體混凝土后進(jìn)行，灌漿壓力表層不宜小于1.01.5倍壩前靜水頭。取60m*10KN/m=600KPa；在孔低不宜小于23倍壩前靜水頭，取130m*10KN/m=1300KPa。為了充分降低壩底揚(yáng)壓力和排除基巖滲水，在廊道下游側(cè)布置一排排水孔幕，排水孔深度為帷幕灌漿深度的0.40.6倍，且壩高50m以上的深度不小于10m，排水孔深度設(shè)計(jì)取10.00m，孔距取2.50m，孔徑取200mm，排水孔略向下游傾斜，與帷幕灌漿成10交角。排水孔中心線距帷幕中心線2.00m。（5） 地基處理基巖開挖的邊坡必須保持穩(wěn)定，兩岸岸坡盡量開挖成有足夠?qū)挾鹊呐_(tái)階狀，以確保壩體的側(cè)向穩(wěn)定。對(duì)于靠近壩基面的緩傾角軟弱夾層，埋藏不深的溶洞、溶濁面應(yīng)盡量挖除。開挖至距利用巖面0.51.0m時(shí)，應(yīng)采用手風(fēng)鉆鉆孔，小藥量爆破，以免產(chǎn)生裂隙或增大裂隙。遇到易風(fēng)化的頁(yè)巖、黏土巖時(shí)，應(yīng)留0.20.3m的保護(hù)層，待澆筑混凝土前再挖除。壩基應(yīng)清到比較堅(jiān)硬完整的巖面，基面平整、水平即可，地基開挖后，在澆筑混凝土前，必須徹底清理、沖洗和修鑿，風(fēng)化、松動(dòng)、軟弱破碎的巖塊都要清除干凈，突出的尖角要打掉，光滑的巖面要鑿毛，并用水沖洗干凈，基巖表明不得殘留有泥土、石渣、油漬等其它污物，排除基巖面上全部積水，基坑內(nèi)原有的勘探鉆孔、井、洞等均應(yīng)回填封堵。（6） 壩體材料分區(qū) 上、下游最高水位以上壩體表層采用C15、W4、F100厚3.00m的混凝土。 下游水位變化區(qū)的壩體表層采用C15、W8、F200厚3.00m的混凝土。 上、下游最低水位以下壩體表層采用C20、W10、F100厚3.00m的混凝土。 壩體靠近基礎(chǔ)的底部采用C20、W10、F200厚8.00m的混凝土，滿足強(qiáng)度要求。 壩體內(nèi)部采用C10、W2低熱混凝土。2.3 擋水壩段荷載計(jì)算按照所給基本資料進(jìn)行擋水壩段荷載計(jì)算，詳細(xì)寫明計(jì)算過程和最終結(jié)果。本設(shè)計(jì)荷載緊分析基本組合及特殊組合兩種情況。（1） 荷載基本組合為設(shè)計(jì)洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。 自重。壩體斷面分為一個(gè)三角形和一個(gè)矩形分別計(jì)算，混凝土容重采用24KN/m，因廊道尺寸較小，計(jì)算自重時(shí)不考慮。 靜水壓力。靜水壓力包括上下游的水平水壓力和下游斜坡上的垂直水壓力。 揚(yáng)壓力。壩踵處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度為，排水孔線上為，壩址處為，其間均以直線連接，揚(yáng)壓力折減系數(shù)。 泥沙壓力。大壩迎水面前泥沙的淤積高度計(jì)算至死水位51m，大壩迎水面前泥沙的淤積高度hs=51.0-31.0=20.0m，水平泥沙壓力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度Ysd取13.5KN/m，孔隙率n取0.42，內(nèi)摩擦角取18，泥沙的浮重度。單位長(zhǎng)度大壩迎水面上的水平泥沙壓力值按公式。壩址處河床巖面高程約在38m左右，大壩背水面前泥沙的淤積高度hs=38.00-31.00=7.00m，除計(jì)算水平泥沙壓力外還應(yīng)計(jì)算豎直泥沙壓力，其值按泥沙浮重度與泥沙體積的乘積求得。 浪壓力。計(jì)算風(fēng)速取重現(xiàn)期為50年的年最大風(fēng)速23m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度取2600m，按鶴地水庫(kù)試驗(yàn)公式和計(jì)算得累積頻率為2%的波高h(yuǎn)2%=2.07m，平均波長(zhǎng)Lm=14.45m，經(jīng)查表求得h1%=2.25m。使波浪破碎的臨界水。因?yàn)閴吻八頗=82.50-31.00=51.50m，H和H，發(fā)生深水波，單位長(zhǎng)度大壩迎水面上的浪壓力值按公式計(jì)算。波浪中心至計(jì)算靜水位的高度。防浪墻頂高程為：。上述荷載計(jì)算見計(jì)算表。重力壩特殊荷載組合計(jì)算表荷載計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)+-自重W14.8*53.9*24629021.56-2.4=19.16118964W31/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水壓力P11/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655揚(yáng)壓力u115.45*43.12*106662000u21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993u30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389u41/2（1-0.25）*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥沙壓力Ps11/2*7.7*202*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪壓力Pw1/4*10*9.45*（9.45/2+0.42+1.12）-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+（9.45/2+0.42+1.12）/3=51.08 53.72-2/3*9.45=47.4253117560合計(jì)9969293411539014062185413255071937213984106966（2） 荷載特殊組合為校核洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。 自重。壩體斷面分為一個(gè)三角形和一個(gè)矩形分別計(jì)算，混凝土容重采用24KN/m，因廊道尺寸較小，計(jì)算自重時(shí)不考慮。 靜水壓力。靜水壓力包括上下游的水平水壓力和下游斜坡上的垂直水壓力。 揚(yáng)壓力。壩踵處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度為，排水孔線上為，壩址處為，其間均以直線連接，揚(yáng)壓力折減系數(shù)。 泥沙壓力。大壩迎水面前泥沙的淤積高度計(jì)算至死水位51m，大壩迎水面前泥沙的淤積高度hs=51.0-31.0=20.0m，水平泥沙壓力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度Ysd取13.5KN/m，孔隙率n取0.42，內(nèi)摩擦角取18，泥沙的浮重度。單位長(zhǎng)度大壩迎水面上的水平泥沙壓力值按公式。壩址處河床巖面高程約在38m左右，大壩背水面前泥沙的淤積高度hs=38.00-31.00=7.00m，除計(jì)算水平泥沙壓力外還應(yīng)計(jì)算豎直泥沙壓力，其值按泥沙浮重度與泥沙體積的乘積求得。 浪壓力。計(jì)算風(fēng)速取多年平均最大風(fēng)速14m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度取3000m，按鶴地水庫(kù)試驗(yàn)公式和計(jì)算得累積頻率為2%的波高h(yuǎn)2%=1.03m，平均波長(zhǎng)Lm=9.45m，經(jīng)查表求得h1%=1.12m。使波浪破碎的臨界水。因?yàn)閴吻八頗=84.72-31.00=53.72m，H和H，發(fā)生深水波，單位長(zhǎng)度大壩迎水面上的浪壓力值按公式計(jì)算。波浪中心至計(jì)算靜水位的高度。防浪墻頂高程為：。大壩特性表資料提供的壩頂高程不足。上述荷載計(jì)算見計(jì)算表。荷載計(jì)算式垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)+-自重W14.8*53.9*24629021.56-2.4=19.16118964W31/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水壓力P11/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655揚(yáng)壓力u115.45*43.12*106662000u21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993u30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389u41/2（1-0.25）*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥沙壓力Ps11/2*7.7*202*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪壓力Pw1/4*10*9.45*（9.45/2+0.42+1.12）-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+（9.45/2+0.42+1.12）/3=51.08 53.72-2/3*9.45=47.4253117560合計(jì)9969293411539014062185413255071937213984106966（3）擋水壩段荷載計(jì)算成果本設(shè)計(jì)荷載僅分析基本組合(2)及特殊組合(1)兩種情況，荷載組合作用計(jì)算成果見表二和表三。表二：壩體基本荷載組合作用計(jì)算成果荷載垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)+-自重W1629019.16118964W2220263.9987884水壓力P11326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877揚(yáng)壓力u16252000u216942.854828u360118.3111004u490219.3917490泥沙壓力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪壓力Pw38226147.80 41.871092818260合計(jì)944929227144561412223085302546197781304479461表三：壩體特殊荷載組合作用計(jì)算成果荷載垂直力(kN)水平力(kN)對(duì)壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)+-自重W1629019.16118964W2220263.9987884水壓力P11442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655揚(yáng)壓力u16662000u217522.854993u362218.3111389u493319.3918091泥沙壓力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪壓力Pw14811251.08 47.4253117560合計(jì)99692934115390140621854132550719372139841069662.4 擋水壩段建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算按照所給基本資料進(jìn)行擋水壩段建基面抗滑穩(wěn)定計(jì)算，詳細(xì)寫明計(jì)算過程和最終結(jié)果。沿壩軸線方向取1m長(zhǎng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算。（1）荷載基本組合(2)為設(shè)計(jì)洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。參照類似工程資料，微、弱風(fēng)化的花崗巖抗剪斷摩擦系數(shù)及黏聚力分別取f=0.85，C=0.65MPa，基巖允許抗壓強(qiáng)度取1430KPa。建基面抗滑穩(wěn)定根據(jù)抗抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算得：K=(fW+CA)/P=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44K=3.0，滿足抗滑穩(wěn)定要求。 （2）荷載特殊組合(1)為校核洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。參照類似工程資料，微、弱風(fēng)化的花崗巖抗剪斷摩擦系數(shù)及黏聚力分別取f=0.85，C=0.65MPa，基巖允許抗壓強(qiáng)度取1430KPa。建基面抗滑穩(wěn)定根據(jù)抗抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算得：K=(fW+CA)/P=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18K=2.5，滿足抗滑穩(wěn)定要求。2.5 擋水壩段建基面邊緣應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核按照所給基本資料進(jìn)行擋水壩段建基面邊緣應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核，詳細(xì)寫明計(jì)算過程和最終結(jié)果。（1） 荷載基本組合(2)為設(shè)計(jì)洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力。當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游邊緣垂直正應(yīng)力分別為：，滿足要求。，滿足抗壓強(qiáng)度要求。當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游面剪應(yīng)力分別為：。，滿足要求。當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游邊緣水平正應(yīng)力分別為：滿足要求。當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游上游邊緣主應(yīng)力分別為：滿足要求。滿足要求。當(dāng)不計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游邊緣垂直正應(yīng)力分別為：，滿足要求。，滿足抗壓強(qiáng)度要求。當(dāng)不計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下上游面剪應(yīng)力分別為：。，滿足要求。當(dāng)計(jì)入揚(yáng)壓力時(shí)，建基面上、下游邊緣水平正應(yīng)力