水工建筑物課程設計-混凝土重力壩設計

1、水工建筑物課程設計題目：混凝土重力壩設計學習中心：江蘇揚州市邢江區(qū)教師進修學校奧鵬學習中心11VIP1項目基本資料1.1 氣候特征根據(jù)當?shù)貧庀缶?0年統(tǒng)計資料，多年平均最大風速14m/s,重現(xiàn)期為50年的年最大風速23m/s,吹程：設計洪水位2.6km,校核洪水位3.0km。最大凍土深度為1.25m。河流結冰期平均為150天左右，最大冰厚1.05m。1.2 工程地質與水文地質1.2.1 壩址地形地質條件(1)左岸：覆蓋層23m,全風化帶厚35m,強風化加弱風化帶厚3m,微風化厚4m。(2)河床：巖面較平整。沖積沙礫層厚約01.5m,弱風化層厚1m左右，微風化層厚36m。壩址處河床巖面高程約在3

2、8m左右，整個河床皆為微、弱風化的花崗巖組成，致密堅硬，強度高，抗沖能力強。(3)右岸：覆蓋層35m,全風化帶厚57m,強風化帶厚13m,弱風化帶厚13m,微風化厚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，儲量足，質量好。粘土料各項指標均滿足土壩防滲體土料質量技術要求。砂石料滿足碎重力壩要求。1.2.3 水庫水位及規(guī)模死水位：初步確定死庫容0.30億m3,死水位51m。正常蓄水位：80.0m。注：本次課程設計的荷載作用只需考慮壩體自重、靜水壓力、浪壓力以及揚壓力。表狀況壩底局程(m)壩頂局程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率設計情況318

3、4.982.5045.5001:0.8校核情況3184.984.7246.4501:0.8本設計僅分析基本組合(2)及特殊組合(1)兩種情況：基本組合(2)為設計洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚壓力+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+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力。1.3 大壩設計概況1.3.1 工程等級本水庫死庫容0.3億m3,最大庫容未知，估算約為5億m3左右。根據(jù)現(xiàn)行水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準（DL5180-2003）,按水庫總庫容確定本工程等別為II等，工程規(guī)模為大（2）型水庫。樞紐主要建筑物擋水、泄水、引水系統(tǒng)進水口建筑物為

4、2級建筑物，施工導流建筑物為3級建筑物。1.3.2 壩型確定壩型選擇與地形、地質、建筑材料和施工條件等因素有關。確定本水庫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是穩(wěn)定和強度要求。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設計及計算內容2.1 壩高計算據(jù)大壩特性表資料，壩高H顏頂高程-壩底高程=84.90-31.00=53.90m,為中壩。2.2 擋水壩段剖面設計2.2.1 壩頂構造設計壩頂寬度取8%-10

5、%TO高，且不小于3m設計壩頂寬度取4.80m。壩頂上游設置防浪墻，墻身采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結構，高度取1.35m(按設計洪水位計算)，寬度取0.50m,壩頂下游側設攔桿。2.2.2 壩底寬度計算根據(jù)大壩特性表資料，壩底寬度T=(84.90-31.00)X0.8=43.12m。2.2.3 壩體檢查排水廊道、排水管幕設計為了便于檢查、觀測和排除壩體滲水，在壩體高程65.00處設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,其上游側至上游壩面的距離取0.050.07倍作用水頭，且不小于3m設計取4.00m。為了減小壩體的滲透壓力，靠近上游壩面設置排水管幕，

6、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設計取3.00m,間距取2.50m,管徑取200mm排水管幕做成鉛直，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。2.2.4 壩基灌漿排水廊道設計壩基灌漿排水設置在上游壩踵處，廊道上游側距上游壩面的距離取0.050.1倍作用水頭，且不小于45m設計取4.0m,廊道斷面采用城門洞形，寬度取3.00m,高度取3.50m,廊道上游側設排水溝，下游側設排水孔及揚壓力觀測孔，廊道底面距離基巖面不小于1.5倍廊道寬度，設計取4.00m。為減少壩基滲漏，防止較大滲流對壩基產生滲透破壞，減小壩基底面的防滲揚

7、壓力，提高壩體的抗滑穩(wěn)定性，在廊道上游側布置一排帷幕灌漿，帷幕灌漿深度取0.050.07倍作用水頭，帷幕灌漿深度設計取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行，灌漿壓力表層不宜小于1.01.5倍壩前靜水頭，取60m*10KN/陣600KPa在孔低不宜小于23倍壩前靜水頭，取130m*10KN/薛1300KPa為了充分降低壩底揚壓力和排除基巖滲水，在廊道下游側布置一排排水孔幕，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排水孔深度設計取10.00m,孔距取2.50m,孔徑取200mm排水孔略向下游傾斜，與帷幕灌

8、漿成10°交角。排水孔中心線距帷幕中心線2.00m。2.2.5 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寬度的臺階狀，以確保壩體的側向穩(wěn)定。對于靠近壩基面的緩傾角軟弱夾層，埋藏不深的溶洞、溶濁面應盡量挖除。開挖至距利用巖面0.51.0m時，應采用手風鉆鉆孔，小藥量爆破，以免產生裂隙或增大裂隙。遇到易風化的頁巖、黏土巖時，應留0.20.3m的保護層，待澆筑混凝土前再挖除。壩基應清到比較堅硬完整的完整的巖面，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，風化、松動、軟弱破碎的巖塊都要消除干凈，突出的尖角要打掉，光滑的巖面要鑿毛，并用水沖洗干

9、凈，基巖表面不得殘留有泥土、石渣、油漬等其它污物，排除基巖面上全部積水，基坑內原有的勘探鉆孔、井、洞等均應回填封堵。2.2.6 壩體材料分區(qū)(1)上、下游最高水位以上壩體表層采用。5、WF100厚3.00m的混凝土。(2)下游水位變化區(qū)的壩體表層采用。5、WF200厚3.00m的混凝土。(3)上、下游最低水位以下壩體表層采用Q0、WF100厚3.00m的混凝土。(4)壩體靠近基礎的底部采用Q。、VU、F200厚8.00m的混凝土，滿足強度要求。(5)壩體內部采用C。、W低熱混凝土。2.3 擋水壩段荷載計算本設計荷載僅分析基本組合(2)及特殊組合(1)兩種情況。2.3.1 荷載基本組合(2)為設

10、計洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力31.0043.12HrwW'78.90U16.50H1rw設計洪水位壩體尺寸與荷載(1)自重。壩體斷面分為一個三角形和一個矩形分別計算，混凝土容重采用24KN/m3,因廊道尺寸較小，計算自重時不考慮。(2)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。(3)揚壓力。壩踵處的揚壓力強度為ycoHi,排水孔線上為丫3H2+"ywAH,壩址處為Y3H2,其間均以直線連接，揚壓力折減系數(shù)口=0.25。(4)泥沙壓力。大壩迎水面前泥沙的淤積高度計算至死水位51m,大壩迎水面前泥沙的淤積高度hs=5

11、1.0-31.0=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nd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,內摩擦角屋取18°,泥沙的浮重度Ysb=Ysd-(1-n)丫3=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m3。單位長度大壩迎水面上的水平泥沙壓力值按公式Psk=1/2Ysth；tan2(45°-小J2)。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,除計算水平泥沙壓力外還應計算豎直泥沙壓力，其值按泥沙浮重度與泥沙體積的乘積求得。(5)浪壓力。計算風速取重現(xiàn)期為50年的年最大風速23m/s,風

12、區(qū)長度取2600m,按鶴地水庫試驗公式gh2%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)計算得累積頻率為2%的波高h2%=2.07m,平均波長Lm=14.45m,經查表求得h1%=2.25m。使波浪破碎的臨界水Hr=J/(4兀)ln(Lm+2Tth1%)/(Ln-2Tth1%)=5.19m。因為壩前水深H=82.50-31.00=51.50m,H>Hr和H>Lm/2,發(fā)生深水波，單位長度大壩迎水面上的浪壓力值按公式Pwk=1/4丫3Lm(h1%+hz)計算。波浪中心至計算靜水位的高度hz=兀h1%2/Lm

13、Cth(兀H/Lm)=1.10m。防浪墻頂高程為：82.50+h1%+hz+hc=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。上述荷載計算見計算表。重力壩基本荷載組合計算表荷載計算式垂直力(kN)水平力(kN)對壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重W4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水壓力P1/2*51.52*10132611/3*51.5=17.17227691P21/2*14.52*1010511/3*14.5=4.835076

14、Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877揚壓力Ui14.5*43.12*106252000U21/2*36.62*0.25*37*1016942/3*36.62-21.56=2.854828U30.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004U41/2(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490泥沙壓力Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps

15、31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪壓力PW1/4*10*14.45*(14.45/2+1.1+2.25)_2-1/8*10*14.4538226151.5-14.45/2+(14.45/2+1.1+2.25)/3=47.8051.5-2/3*14.45=41.871092818260合計94492922714456141222308530254619778、Iz13044T794612.3.2 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+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力。校核洪水位壩體尺寸與荷載(n)(1)自重。壩體斷面分為一個三

16、角形和一個矩形分別計算，混凝土容重采用24KN/m3,因廊道尺寸較小，計算自重時不考慮。(2)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。(3)揚壓力。壩踵處的揚壓力強度為ycoHi,排水孔線上為丫3H2+"ywAH,壩址處為Y3H2,其間均以直線連接，揚壓力折減系數(shù)a=0.25。(4)泥沙壓力。大壩迎水面前泥沙的淤積高度計算至死水位51m,大壩迎水面前泥沙的淤積高度hs=51.00-31.00=20.00m,水平泥沙壓力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度丫sd取13.5KN/m3,孔隙率n取0.42,內摩擦角屋取18°,泥沙的浮重度Ysb=Tsd-

17、(1-n)丫3=13.5-(1-0.42)X10=7.7KN/m3。單位長度大壩迎水面上的水平泥沙壓力值按公式Psk=1/2丫sbhs2tan2(45°-(|)s/2)。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,除計算水平泥沙壓力外還應計算豎直泥沙壓力，其值按泥沙浮重度與泥沙體積的乘積求得。(5)浪壓力。計算風速取多年平均最大風速14m/s,風區(qū)長度取3000m,按鶴地水庫試驗公式gh2%/vo2=0.00625v0(1/6)(gD/vo2)(1/3)和gLm/v02=0.0386(gD/vo2)(1/2)計算得累積頻率為2

18、%的波高h2%=1.03m,平均波長Lm=9.45m,經查表求得h1%=1.12m。使波浪破碎的臨界水Hr=G/(4兀)ln(Lm+2：th1%)/(Lm-2兀h1%)=1.45m。因為壩前水深H=84.72-31.00=53.72m,H>HC和H>Lm/2,發(fā)生深水波，單位長度大壩迎水面上的浪壓力值按公式Pwk=1/4丫3Lm(h1%+hz)計算。波浪中心至計算靜水位的高度hz=兀h1%2/LmCth(兀H/Lm)=0.42mo防浪墻頂高程為：84.72+h1%+hz+hC=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m。大壩特性表資料提供的壩頂高程不足。上述荷載計算見計

19、算表。重力壩特殊荷載組合計算表荷載計算式垂直力(kN)水平力(kN)對壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重W4.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W1/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水壓力Pi1/2*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揚壓力U115.45*43.12*106

20、662000U21/2*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*20.02*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*(

21、9.45/2+0.42+1.12)2-1/8*10*9.4514811253.72-9.45/2+(9.45/2+0.42+1.12)/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.4253117560合計99692934115390140621854132550719372J13984T1069662.3.3 擋水壩段荷載計算成果本設計荷載僅分析基本組合(2)及特殊組合(1)兩種情況，荷載組合作用計算成果見表二和表二表二：壩體基本荷載組合作用計算成果荷載垂直力(kN)水平力(kN)對壩底盤面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJ一一/+-自重VV620919.16118964W220263.

22、9987884水壓力Pl1326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877揚壓力Ui6252000U216942.854828U360118.3111004U490219.3917490泥沙壓力FSi8136.675423FS21002.33233F>315119.692973浪壓力FW38226147.8041.871092818260合計94492922714456141222308530254619778J13044T79461表三：壩體特殊荷載組合作用計算成果表荷載垂直力(kN)水平力(kN)對壩底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)TJIz一

23、一/+-自重W620919.16118964W220263.9987884水壓力R1442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655揚壓力U16662000U217522.854993U362218.3111389U493319.3918091泥沙壓力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪壓力Pw14811251.0847.4253117560合計99692934115390140621854132550719372、Iz13984f106966、2.4 擋水壩段建基面抗滑穩(wěn)定計算沿壩軸線方向取1m長進行抗滑

24、穩(wěn)定分析計算。2.4.1 荷載基本組合(2)為設計洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力。-.一一.一-一-一一一一'參照類似工程資料，微、弱風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,基巖允許抗壓強度取1430KPa。.一、.'''建基面抗滑穩(wěn)定根據(jù)抗抗剪斷強度公式計算得：K=(f匯W+CA)/匯P=(0.85*19778+650*43.12)/13044=3.44>K=3.0,潴足抗滑穩(wěn)定要求。2.4.2 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+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力

25、。-.一一.一-一-一一一一'參照類似工程資料，微、弱風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,基巖允許抗壓強度取1430KPa。、.一一.'''建基面抗滑穩(wěn)定根據(jù)抗抗剪斷強度公式計算得：K=(fEW+CA)/EP'、一.一一、1一、一入=(0.85*19372+650*43.12)/13984=3.18>K=2.5,潴足抗滑穩(wěn)定要求。2.5 擋水壩段建基面邊緣應力計算和強度校核2.5.1 荷載基本組合(2)為設計洪水位情況，其荷載組合為：自重+靜水壓力+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力。(1)當計入揚壓力時，建基面上、下游

26、邊緣垂直正應力分別為：5uy=EW/B+6EM/B2=19778/43.12+6*(-79461)/43.122=202.27(KPa)>0,滿足要求。5dy=EW/B-6EM/B2=19778/43.12-6*(-79461)/43.122=715.09(KPa)<1430Kpa,滿足抗壓強度要求。(2)當計入揚壓力時，建基面上、下上游面剪應力分別為：ru=(P-Puu-6uy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。rd=(6dy+Pdu-P)m2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(KPa),滿足要求。(3

27、)當計入揚壓力時，建基面上、下游邊緣水平正應力分別為：6Ux=(P-PUu)-(P-PUu-6uy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)o6dx=(P-Pdu)+(6dy+Pdu-P)m22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KPa),滿足要求。(4)當計入揚壓力時，建基面上、下游上游邊緣主應力分別為：川i=(1+mi2)對y-(P-PUu)mi2=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa),滿足要求

28、。對2=P-PUu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。6d1=(1+m22)6dy-(P-Pdu)m22=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82=1172.75(KPa),滿足要求。6d2=P-Pdu=14.5*10-14.5*10=0(KPa)o(5)當不計入揚壓力時，建基面上、下游邊緣垂直正應力分別為：5 uy=EW/B+6EM/B2=29227/43.12+6*(-46139)/43.122=528.92(KPa)>0,滿足要求。6 dy=EW/B-6匯M/B2=29227/43.12-6*(-46139)/43.122=826.6

29、9(KPa)<1430Kpa,滿足抗壓強度要求。(6)當不計入揚壓力時，建基面上、下上游面剪應力分別為：ru=(Pu-6uy)m1=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。rd=(6dy-Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa),滿足要求。(7)當計入揚壓力時，建基面上、下游邊緣水平正應力分別為：6ux=Pu-(Pu-6uy)m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa),滿足要求。6dx=Pd+(6dy-Pd)m22=14.5*10+(826.69-14.5*10)*0.82=581.28(KPa),

30、滿足要求。(8)當不計入揚壓力時，建基面上、下游上游邊緣主應力分別為：川1=(1+m12)對y-Pu*m12=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)*0=528.92(KPa),滿足要求。6u2=P=51.5*10=515.00(KPa),滿足要求。6d1=(1+m22)6dy-Pd*m22=(1+0.82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KPa),滿足要求。6d2=P=14.5*10=145.00(KPa),滿足要求。2.5.2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+揚壓力+泥沙壓力+浪壓力。(1)當計入揚壓力時，建基

31、面上、下游邊緣垂直正應力分別為：5 uy=EW/B+6EM/B2=19372/43.12+6*(-106966)/43.122=104.08(KPa)>0,滿足要求。6 dy=匯W/B-6匯M/B2=19372/43.12-6*(-106966)/43.122=794.43(KPa)<1430KPa,滿足抗壓強度要求。(2)當計入揚壓力時，建基面上、下上游面剪應力分別為：ru=(P-PUu-對y)mi=(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。rd=(6dy+Pdu-P)m2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(

32、KPa),滿足要求。(3)當計入揚壓力時，建基面上、下游邊緣水平正應力分別為：6ux=(P-Puu)-(P-Puu-6uy)m12=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。6dx=(P-Pdu)+(6dy+Pdu-P)m22=(15.45*10-15.45*10)+(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.82=508.44(KPa),滿足要求。(4)當計入揚壓力時，建基面上、下游上游邊緣主應力分別為：川1=(1+m12)對y-(P-Puu)m12=(1+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KPa),滿足要求。對2=P-Puu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。6d1=(1+m22)6dy-(P-Pdu)m22=(1+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82=1302.87(KPa),滿足要求。6d2=P-Pdu=15.45*10-15.45*10=0(KPa)。(5)當不計入揚壓力時，建基