水工建筑物課程設(shè)計

水工建筑物課程設(shè)計水工建筑物課程設(shè)計水工建筑物課程設(shè)計資料僅供參考文件編號：2022年4月水工建筑物課程設(shè)計版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準:發(fā)布日期：課程設(shè)計：混凝土重力壩設(shè)計專業(yè)班級：12級水利水電工程卓越班姓名：饒宇學號：96指導教師：王志強南昌工程學院水利與生態(tài)工程學院印制2015——2016學年第一學期第一章基本資料基本資料一、地質(zhì)河床高程332m。約有2～3m覆蓋層，巖石為石灰?guī)r，較完整，結(jié)理不發(fā)育，風化層后1～2m無特殊不利地質(zhì)構(gòu)造。壩基的力學參數(shù)：抗剪斷系數(shù)（混凝土與基巖之間）為f'=,c'=700kPa?；鶐r的允許抗壓強度3000kPa。地震的設(shè)計烈度為6度。二、水文本樞紐屬中型Ⅲ等工程。永久性重要建筑物為3級，按規(guī)范要求，采用50年一遇洪水設(shè)計，500年一遇洪水校核。特征水位上游水位（m)下游水位（m)庫容（萬m3）溢流壩泄量（m3/s)校核洪水位12001696設(shè)計洪水位11401250正常蓄水位895死水位40表1水文計算結(jié)果經(jīng)水文水利計算，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示：三、氣象本地區(qū)多年平均最大風速為14m/s，水庫吹程為。四、其它有關(guān)數(shù)據(jù)河流泥沙計算年限采用50年，據(jù)此求得壩前淤沙高程345m。淤沙的浮重度為m3，內(nèi)摩擦角為12°。壩體混凝土重度采用24kN/m3。五、樞紐總體布置根據(jù)地形、地質(zhì)、天然建筑材料等因素的考慮，本工程選用混凝土重力壩方案，重力壩由非溢流壩段和溢流壩段組成。第二章非溢流壩設(shè)計剖面設(shè)計重力壩剖面設(shè)計的原則是：①滿足穩(wěn)定和強度要求，保證大壩安全；②工程量小，造價低；③結(jié)構(gòu)合理，運用方便；④利于施工，方便維修；重力壩的基本剖面是指壩體在自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚壓力3項主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強度要求，并使工程量最小的三角形剖面。在擬好的基本三角形基礎(chǔ)上，根據(jù)已確定的壩頂高程及寬度，初擬主要防滲，排水設(shè)施，即可得到重力壩實用剖面。剖面尺寸的初步似定主要內(nèi)容有：壩頂高程，壩頂寬度，壩頂及上、下游起坡點的位置。一、壩頂高程的確定波浪要素按官廳公式計算。公式如下：庫水位以上的超高對于安全級別為Ⅱ級的壩，查得安全超高設(shè)計洪水位時為m，校核洪水位時為m。計算成果見下表2-1 風速(m/s)波高(m)波長(m)雍高(m)安全加高(m)超高(m)壩頂高程（m）2814表2-1壩頂高程計算成果表經(jīng)比較可以得出壩頂或防浪墻頂高程為，并取防浪墻高度，則壩頂高程為：最大壩高為：=二、壩頂寬度考慮交通要求，壩頂寬度取7m。三、壩面坡度考慮利用部分水重增加壩體穩(wěn)定，上游壩面采用折坡，起坡點按要求為壩高，該工程擬折坡點高程為，上部鉛直，下部為1：的斜坡，下游壩坡取1：，基本三角形頂點位于壩頂，以上為鉛直壩面。四、壩體防滲排水分析地基條件，要求設(shè)防滲灌漿帷幕和排水幕，灌漿帷幕中心線距上游壩踵7m，排水孔中心線距防滲帷幕中心線9m。擬設(shè)廊道系統(tǒng)，實體重力壩剖面設(shè)計時暫不計入廊道的影響。擬定的非溢流壩剖面如圖所示。確定剖面尺寸的過程歸納為：初擬尺寸——穩(wěn)定和應(yīng)力校核——修改尺寸——穩(wěn)定和應(yīng)力校核的重復(fù)計算過程。荷載計算一、計算情況的選擇在設(shè)計重力壩剖面時，應(yīng)按照承載力極限狀態(tài)計算荷載的基本組合和偶然組合?；窘M合有正常蓄水位情況和設(shè)計洪水情況，偶然組合有校核洪水情況和地震情況。考慮的主要荷載有自重、水壓力、浪壓力、淤沙壓力及揚壓力。從以上荷載組合中分別選一種基本組合（如設(shè)計洪水位情況）和一種偶然組合（如校核洪水位情況）計算。二、計算截面的選擇滑動面一般有以下幾種情況：壩基面、壩基內(nèi)軟弱層面、基巖緩傾角結(jié)構(gòu)面等。對于本工程，巖石較完整，結(jié)理不發(fā)育，可僅分析沿壩基面的抗滑穩(wěn)定。荷載計算壩體自重計算壩頂寬度=7(m)壩基寬度=×+(347-327)×=(m)W1=1/2×24×20×20××1=960(kN)力臂=2－2/3×20×=(m)力矩=960×=(kN?m)W2=24×7××1=(kN)力臂=2－20×－2=(m)力矩=×=(kN?m)W3=1/2×24××××1=(kN)力臂=××2/3－2=(m)力矩=×=(kN?m)2.靜水壓力（校核洪水位）PH1=1/2××××1=(kN)力臂=1/3×=(m)力矩=×=(kN?m)PH2=-1/2××××1=(kN)力臂=1/3×=(m)力矩=×=(kN?m)PV1=××(347-327)×=(kN)力臂=2－20××1/2=(m)力矩=×=(kN?m)PV2=1/2××20×20×=(kN)力臂=2－20××1/3=(m)力矩=×=(kN?m)PV3=1/2××××=(kN)力臂=2－××1/3=(m)力矩=×=(kN?m)揚壓力（校核洪水位）U1=－×（）××1=－(kN)力臂=0(m)力矩=0(kN?m)U2=－×××力臂=2－2=(m)力矩=－×=－(kN?m)U3=－×1/2×－××－=－(kN)力臂=2/3×－－2=(m)力矩=×=－(kN?m)U4=－×1/2××(1－×力臂=2－1/3×=(m)力矩=×=－(kN?m)4．泥沙壓力PSH=1/2××（345-327）×（345-327）×tan2(45°－12°/2)=(kN)力臂=1/3×18=6(m)力矩=×6=(kN?m)PSV=1/2××18×18×=(kN)力臂=2－18××1/3=(m)力矩=×=(kN?m)荷載標準值（kN)力臂(m)力矩標準值（kN?m）垂直荷載水平荷載自重W1960（↓）19382W210013（↓）153796W320416（↓）306241靜水壓力水平水壓力PH117248(→)-341001PH2330(←)900垂直水壓力Pv11542（↓）32007PV2392（↓）8405Pv3231（↓）-4812泥沙壓力PSH1009(→)6-6055PSV308（↓）6635揚壓力浮托力U13661(↑)0滲透壓力U21128(↑)-20590U32288(↑)-3626U41692(↑)-33423總計∑W=25093（↓）∑P=17942(→)∑M=-185314表2-3校核洪水位情況下荷載計算成果抗滑穩(wěn)定分析重力壩沿壩面失穩(wěn)的機理是：首先在壩踵處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)微裂松弛區(qū)，隨后在壩趾處基巖和膠結(jié)面出現(xiàn)局部區(qū)域的剪切屈服，進而屈服范圍逐漸增大并向上游延伸，最后，形成滑動通道，導致壩的整體失穩(wěn)。==f'=c'=700kPa校核洪水位情況∑W=(PV1+PV2+PV3)+(W1+W2+W3)-（U1+U2+U3）-PSV=25093（↓）∑P=PH1-PH2+PSH=17942(→)基本組合：由以上計算可知，在設(shè)計和校核洪水情況下壩基面均滿足抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)要求。應(yīng)力分析一、分析目的應(yīng)力分析的目的是檢驗所擬壩體斷面尺寸是否經(jīng)濟合理，并為確定壩內(nèi)材料分區(qū)、某些部位配筋提供依據(jù)。二、分析的方法應(yīng)力分析的方法有理論理論計算和模型試驗兩類。設(shè)計時一般使用理論計算的方法，理論的計算方法有材料力學法、彈性理論和彈塑性理論的方法。三、材料力學法校核洪水位情況∑W==(PV1+PV2+PV3)+(W1+W2+W3)-（U1+U2+U3）-PSV=25093（↓）∑P=17942(→)∑M=∑M=W1+W2-W3+PV1+PV2+PV3-U1-U2-U3–U4=-185314基本組合對于壩踵處：對于壩趾處:由以上計算可知：設(shè)計洪水位和校核洪水位情況下，壩址和壩踵應(yīng)力符合強度要求。第三章溢流壩設(shè)計孔口設(shè)計泄水方式的選擇：為使水庫具有較大的超泄能力，采用開敞式孔口。洪水標準的確定。本次設(shè)計的重力壩是3級建筑物，根據(jù)相關(guān)規(guī)范可知：采用50年一遇的洪水標準，500年一遇的洪水標準校核。流量的確定。設(shè)計情況下溢流壩下泄流量為1250；校核情況下溢流壩下泄流量為1696。單寬流量的選擇。壩基處基巖比較堅硬完整，綜合樞紐的布置及下游的防沖要求，單寬流量取50~100/s。孔口凈寬似定。分別計算設(shè)計和校核情況下溢洪道所需的孔口寬度，計算成果如表3--1所示：計算情況流量Q（/s）單寬流量（/s）孔口凈寬B（m）設(shè)計情況125050~10025~校核情況169650~100~表3-1孔口凈寬計算根據(jù)以上計算，溢流壩孔口凈寬取24m，假設(shè)每孔凈寬為8m，則孔數(shù)n為3。溢流壩段總長度的確定。根據(jù)工程經(jīng)驗，似定閘墩的厚度。初擬中墩厚d為3m，邊墩厚為2m則溢流壩段的總長度為：壩頂高程的確定。根據(jù)公式:初擬側(cè)收縮系數(shù)=流量系數(shù).設(shè)計情況：堰頂高程=（m）校核情況：堰頂高程=（m）計算情況流量Q（/s）側(cè)收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬（m）堰上水頭（m）堰頂高程（m）設(shè)計情況125024校核情況169624表3-2堰頂高程計算根據(jù)以上計算，取堰頂高程為。閘門高度的確定。計算如下：門高=正常水位-堰頂高程+（~）=（m）按規(guī)范取門高為8m。定型設(shè)計水頭的確定。堰上最大水頭，=校核洪水位-堰頂高程，即：=（m）定型設(shè)計水頭為：=（75%~95%）=~（m）取=，=，查表知壩面最大負壓為：=，小于規(guī)定的允許值（最大不超過3~6m水柱）。十、泄流能力的校核。先由水力學公式計算側(cè)收縮系數(shù)，然后計算不同水頭作用下的流量系數(shù)，根據(jù)已知條件，運用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。由規(guī)范可得：閘墩用半圓形確定側(cè)收縮系數(shù)：確定流量系數(shù)m:綜上可知：設(shè)計的孔口符合要求。表3-3泄流能力校核計算計算情況側(cè)收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬（m）堰上水頭（m）流量Q設(shè)計情況24%校核情況24%溢流壩剖面設(shè)計溢流堰面曲線常采用非真空剖面線，采用較為廣泛的非真空剖面曲線有克-奧曲線和WES曲線兩種，經(jīng)比較本工程采用WES曲線，溢流壩的基本剖面為三角形，一般其上游面為鉛直，溢流面由頂部的曲線，中間的直線，底部的反弧段三部分組成。上游堰面曲線，原點上又采用橢圓曲線，其方程為：根據(jù)計算則橢圓方程為：二、WES曲線設(shè)計其方程為：則：直線段與WES曲線相切時，切點C的橫坐標為:反弧半徑的確定根據(jù)工程經(jīng)驗挑流鼻坎應(yīng)高出下游最高水位（）1~2,鼻坎的高程為+1=（）。流能比壩面流速系數(shù)取R為10。反弧段的圓心求法：先畫一條平行于壩下游面且相距圓弧半徑R的直線，再畫一條與壩頂點相距為的水平線，兩線交點即為圓心。消能防沖設(shè)計根據(jù)地形地質(zhì)條件，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經(jīng)驗，挑射角θ=25°，挑流鼻坎應(yīng)高出下游最高水位（）1~2,鼻坎的高程為+1=（）。反弧半徑的確定坎頂水流流速v按下式確定:取R為10。水舌的挑距L及可能最大沖坑的深度估算挑距計算：沖坑深度計算：由此可知，挑流消能形成的沖坑不會影響大壩安全。另外，為了避免小流量時產(chǎn)生貼面流，掏刷壩腳，可在挑流鼻坎后面做一短段護坦，以保護壩腳安全。重力壩主要構(gòu)造壩頂構(gòu)造一、非溢流壩。壩頂上游設(shè)置防浪墻，與壩體連成整體，其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。墻高，厚度為30cm，以滿足運用安全的要求。壩頂采用混凝土路面，向兩側(cè)傾斜，坡度為2%，兩邊設(shè)有排水管，匯集路面的雨水，并排入水庫中。壩頂公路兩側(cè)設(shè)有寬人行道，并高出壩頂路面20cm，壩頂總寬度為7m，下游設(shè)置欄桿及路燈。細部構(gòu)造圖略。二、溢流壩。溢流壩上部設(shè)有閘墩、閘門、門機、交通橋等結(jié)構(gòu)和設(shè)備。閘門的布置：工作閘門布置在溢流壩的頂稍偏下游一些，以防閘門部分開啟時水舌脫離壩面形成負壓。采用平面鋼閘門，門的尺寸：高×寬=8m×8m，工作閘門的上游設(shè)有檢修閘門，二門之間的間距為2m。閘墩：閘墩的墩頭形狀，上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程，即；下游布置交通橋，橋面高程為非溢流壩壩頂高程。中墩的厚度為3m，邊墩的厚度為2m，溢流壩的分縫設(shè)在閘孔中間，故沒有縫墩。工作閘門槽深1m，寬1m，檢修閘門槽深，寬。導水墻：邊墩向下游延伸成導水墻。其長度延伸到挑流鼻坎的末端；高度經(jīng)計算得。導水墻需分縫，間距為15m，其橫斷面為梯形，頂寬取。細部構(gòu)造圖略。分縫與止水橫縫。垂直于壩軸線布置，縫距為15m，縫寬為2cm，內(nèi)有止水。止水。設(shè)有兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片用厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面。兩道止水片間距為，中間設(shè)有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。縱縫?？v縫為臨時性縫，縫內(nèi)設(shè)有鍵槽，待混凝土充分冷卻后，水庫蓄水前進行灌漿?？v縫與壩面正交，縫距為15m。水平縫?；炷翝仓K厚度為4m，縱縫兩側(cè)相鄰壩塊的水平縫錯開布置，上下層混凝土澆筑間歇為5d，上層混凝土澆筑前對下層混凝土鑿毛，并沖洗干凈，鋪2cm厚的水泥漿。廊道系統(tǒng)一、基礎(chǔ)廊道。位置：廊道底部距壩基面5m，上游側(cè)距上游壩面7