重力坝设计计算书.docx
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重力坝设计计算书
重力坝设计计算书
水工建筑物课程设计
设计名称:
混凝土重力坝设计
学院:
土木工程学院
专业:
水利水电工程专业
年级:
2012
学号:
1208070176
学生姓名:
杨林
指导教师:
邹爽老师
2015
16日
设计坝顶高程
1.确定坝基开挖高
程
1
2.计算坝顶高
程
1
二、绘制坝基开挖
线
2
三、设计非溢流坝段
1.设计实用剖面
3
2.实用坝体剖面稳定及强度验
算4
四、设计溢流坝段
1.孔口形式及溢流坝前沿总长
2.
溢流面体型设
15
五、
溢流坝段稳定验算
流
坝
段
剖
面
1.
溢
图
18
2.
设
计
洪
水
位
状
况
19
3.
校核
洪
水
位
情
况…
21
六、
设计消能工
1.
选
择
鼻
坎
形
式…
・24
2.确
定挑角
、
鼻坎高程和反弧半
径…
24
3.计算挑距和下游冲刷坑深
七、坝体细部构造拟定
1.橫缝布
置
28
2.坝顶的布
置
28
3.廊道系
统
28
4.橫缝灌浆,固结灌浆,排水措
施29
八、附录
重力坝设计资
料
30
、设计坝顶高程
1.确定坝基开挖咼程
由相关水文、地质等资料初步估计坝高为50米左右,可建在微风
化至弱风化上部基岩上,又下坝址河面高程1858.60m,综合槽探、硐探、钻探和地表地质勘察资料,坝址区左右岸坡残坡积层厚度达3〜
5m局部地段深达10m河床上第四纪冲积覆盖层厚度为8.8m左右;
结合风化线深度,初步拟定坝基最低开挖高程为1843.50m。
大坝校核洪水为500年一遇,坝体级别为4级。
2.计算坝顶高程
坝顶应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程,其与正常蓄水位或校核洪水位的高差,选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。
(1).相关资料
吹程
坝底咼程
校核水位
设计水位
防浪墙顶
高程
防浪墙顶
高程
取用风速
600m
1843.50m
1892.71m
1892.50m
H设+▽h设
H校+▽h校
20.7m/s
⑵.计算hi
根据官厅公式计算:
当岑=20〜250时,为累计频率5%勺波高h5%;
V0
当亚=250〜1000时,为累计频率10%勺波高he%
V02
本设计业二
(9.8X0.6X103)/20.72=13.723
故取hi斜5%.
(3).计算防浪墙顶高程及基本剖面坝高
设计洪水位m
校核洪水位m
坝前水深H=H较/设-H底
49.00
49.21
hi0.0166V°5/4D1/3
0.618
0.618
L10.4(hl)0.8
7.077
7.077
2
―hi.2H
hzcot
LL
0.179
0.178
gD
V02
13.723(s2)
13.723(s2)
h1%1.24hl
0.766
0.766
安全加高hc
0.4
0.3
hh%hzhc
1.345
1.244
防浪顶高程
1893.845
1893.954
最终防浪顶高程
1893.954
坝高
50.454
二、绘制坝基开挖线
坝高超过100m时,坝可建在新鲜、微风化或弱风化下部基岩上;坝咼在50~100m时,可建在微风化至弱风化上部基岩上;坝咼小于50m时,可建在弱风化中部至上部基岩上。
本设计坝高为50.454m,
根据地质资料坝基建在弱风化层上部基岩上。
开挖线见CAD|附图。
三、设计非溢流坝段
1.设计实用剖面
(1).坝顶宽度
—般取坝咼的8%~10%且不小于2m此处坝咼范围可取为:
8%x50.454=4.036m10%x50.454=5.045m综合取坝顶宽度为5m.
(2).上下游坝坡坡率
根据工程经验,一般情况下,上游坝坡坡率为n=0~0.2,常做成
铅直、或上部铅直,下部倾斜;下游坝坡坡率为m=0.6~0.8。
考虑施
工,枢纽布置,地质条件等因素,坝体上游面设计为上部铅直,下部倾斜,转折点取和淤沙高程等高,即为1876.25m,坡率为0.2;下游
坝坡坡率取为0.8。
故可得坝体底宽:
B=49x0.8+(1876.25-1843.50)x0.2=45.75m。
(3).坝体实用剖面参数
序号
部位
项目
单位
数量
备注
1
坝高
m
50.454
2
水
坝顶宽度
m
5
3
上游坡率
0.2
4
下游坡率
0.8
5
库
坝底宽度
m
45.75
6
上游折点高程
m
1876.25
7
下游折点咼程
m
1886.25
8
坝顶咼程
m
1893.954
2.实用坝体剖面稳定及强度验算
帷幕灌浆中心线取距坝踵8m取单宽1m进行计算。
砼的容重丫c=2.4t/m'水的容重:
丫w=1t/m3。
(1).设计洪水位情况(正常蓄水位情况与此相同)
a.实用剖面图
45,75
b.计算简图:
pt
基本数据
坝顶咼程
1893.954m
上游水位
1892.500m
坝基咼程
1843.500m
相应下游水位
1861.290m
二角形起点咼程
1892.500m
泥沙高程
1876.250m
坝顶宽b
5.000m
f抗剪断摩擦系数
0.850
下游坡率m
0.800
c'抗剪断凝聚力
0.45MPa
上游坡率n
0.200
r砼
3
2.400t/m
扬压力折减系数
0.25
r水
1.000t/m3
上游起坡咼程
1876.250m
泥沙内摩擦角
30o
下游起坡高程
1886.250m
r沙
0.800t/m3
c.荷载计算
取1延米计算,坝底宽B=45.75m。
则:
坝体自重:
W2=r坝A=2.4x(1886.25-1843.5)x34.2x0.5=1754.46t
W=r坝A3=2.4x5x(1893.954-1843.5)=605.448t
W=r坝A=2.4x(1876.25-1843.5)x6.55x0.5=576.240t
水重:
W=r水A=1.0x17.788x17.788x0.8x0.5=126.594t
W=r水As=1.0x6.55x(1876.25-1843.5)x0.5=107.256t
W=r水A6=1.0x(1892.50-1876.25)x6.55=106.438t
水压力:
Pi=0.5r水H2=0.5x1.0x(1892.50-1843.5)2=1200.5t
P2=0.5r水H22=-0.5x1.0x(1861.29-1843.5)2=158.242t
泥沙压力:
FS=-rsbhStan2(450)
22
=0.5x0.8x(1876.25-1843.5)2xtan230°
=143.008t
扬压力:
U=(1861.29-1843.5)x1.0x45.75=813.893t
U2=(45.75-8)x(1892.5-1861.29)x1.0x0.25x0.5=147.27t
U3=8x(1892.5-1861.29)x0.25x1.0=62.42t
U4=8x(1892.5-1861.29)x0.5x1.0x(1-0.25)=93.63t
则W=Wi+W2+W+W4+W+W
=1754.46+605.448+576.240+126.594+107.256+106.438
=3276.436t
U二U1+U+U+U=813.893+147.27+62.42+93.63=1117.213t
P二P1-P2+Ps=1200.5-158.242+143.008=1185.266t
d.稳点判定
安全系数:
f'(WU)c'A0.85(3276.4361117.213)4545.75
K3.2853.0
P1185.266
根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定:
何载组合
安全系数K'
基本组合
3.0
特殊组合
(1)
2.5
(2)
2.3
满足稳点要求。
e.坝体应力计算
计算力矩:
何载
大小t
力臂m
力矩t?
m
W4坝自重
576.24
18.508
10665.050
w3坝自重
605.448
13.825
8370.319
W2坝自重
1754.46
-0.075
-131.585
W5上游水自重
107.256
20.692
2219.341
W6上游水自重
106.438
19.6
2086.185
w1下游水自重
126.594
-18.131
-2295.276
pl上游静水压力
1200.5
-16.333
-19607.767
p2下游静水压力
-158.242
-5.93
938.375
pt泥沙压力
142.833
-10.917
-1559.308
U1扬压力
-813.892
0
0.000
U2扬压力
-147.27
2.29
-337.248
U3扬压力
-62.42
18.875
-1178.178
U4扬压力
-93.63
20.21
-1892.262
水平截面上的正应力:
W
6
M
21592.24
6?
27223.53
yu
B
B2
45.75
45.752
393.92kpa
W
6
M
21592.24
6?
27223.53
550.00kpa
yd
B
B2
45.75
2
45.75
剪应力:
uPuPuuyun
10?
498?
32.75?
tan2(30°)10?
49393.92?
0.2
61.32kpa
dPudPdydm
10?
17.7910?
17.79550?
0.8
440kpa
水平正应力:
XU
PuPuu
Pu
Puu
yu
n2
8?
32.75?
tan2(30°)
10?
498?
32.75?
tan2(30°)10?
49393.92?
0.22
99.6kpa
2xdpdpudpudpdydm
10?
17.7910?
17.79550?
0.82
352kpa
主应力:
22
1u1nyuPuPuun
10.04?
393.9287.33?
0.04
406.184kpa
22
1d1myuPdPudm
10.64?
393.9287.33?
0.64
590.138kpa
2uPupuu10?
498?
32.75?
tan2(30o)10?
4987.33kpa
xdPdPud0kpa
由上计算可得:
运用期:
坝踵铅直应力393.92kpa>0kpa,没有出现拉应力,满足强度要求。
坝址铅直应力较小,为550kpa,远小于坝基容许压应力。
施工期:
坝址铅直应力:
yd
W'6M
BB2
29361.48
45.75
6?
189037.4899.88kpa为压应力,即满足
45.75
拉应力小于0.1Mpa,满足强度要求。
(2).校核洪水位
a.计算简图
tui
1
__ui-一—一—
基本数据
坝顶咼程
1893.954m
上游水位
1892.710m
坝基咼程
1843.500
相应下游水位
1862.860m
二角形起点咼程
1892.500m
泥沙高程
1876.250m
坝顶宽b
5.000m
f'抗剪断摩擦系数
0.850
下游坡率m
0.800
c'抗剪断凝聚力
0.45Mpa
上游坡率n
0.200
r砼
2.400t/m3
扬压力折减系数
2.5
r水
3
1.000t/m
上游起坡咼程
1876.250m
泥沙内摩擦角
30o
下游起坡高程
1886.250m
r沙
0.800t/m3
b.计算各荷载
取1延米计算,坝底宽B=45.75m。
则:
坝体自重:
W2=r坝A=2.4x(1886.25-1843.5)x34.2x0.5=1754.46t
W=r坝A3=2.4x5x(1893.954-1843.5)=605.448t
W=r坝A=2.4x(1876.25-1843.5)x6.55x0.5=576.240t
水重:
W=r水A=1.0x19.36x19.36x0.8x0.5=149.92t
W=r水As=1.0x6.55x(1876.25-1843.5)x0.5=107.256t
W=r水A6=1.0x(1892.71-1876.25)x6.55=107.813t
水压力:
Pi=0.5r水H2=0.5x1.0x(1892.71-1843.5)2=1210.81t
P2=0.5r水H22=0.5x1.0x(1862.86-1843.5)2=187.40t
泥沙压力:
FS=-rsbhStan2(450)
22
=0.5x0.8x(1876.25-1843.5)2xtan230°
=143.008t
扬压力:
U=(1862.86-1843.5)x1.0x45.75=885.72t
U2=(45.75-8)x(1892.71-1862.86)x1.0x0.25x0.5
=140.855t
U3=8x(1892.71-1862.86)x0.25x1.0=59.70t
U4=8x(1892.71-1862.86)x0.5x1.0x(1-0.25)=89.55t
则W=Wi+W2+W+W4+W+W
=1754.46+605.448+576.240+149.92+107.256+107.813
=3301.137t
U=U+L2+U+U=885.72+140.855+59.70+89.55=1175.825t
P二P1+B+Ps=1210.81-187.40+143.008=1166.418t
c.稳定判定
安全系数:
2.5
f'(WU)c'A0.85(3301.1371175.825)4545.75oK3.314
P1166.418
根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定:
何载组合
安全系数K'
基本组合
3.0
特殊组合
(1)
2.5
(2)
2.3
满足稳点要求。
d.坝体应力计算
计算力矩:
何载
大小t
力臂m
力矩t?
m
W4坝自重
576.24
18.508
10665.050
w3坝自重
605.448
13.825
8370.319
W2坝自重
1754.46
-0.075
-131.585
W5上游水自重
107.256
20.692
2219.341
W6上游水自重
107.813
19.6
2113.135
w1下游水自重
149.92
-18.131
-2718.200
pl上游静水压力
1210.81
-16.403
-19860.916
p2下游静水压力
-187.4
-6.453
1209.292
pt泥沙压力
142.833
-10.917
-1559.308
U1扬压力
-885.72
0
0.000
U2扬压力
-140.855
2.29
-322.558
U3扬压力
-59.7
18.875
-1126.838
U4扬压力
-89.55
20.21
-1809.806
水平截面上的正应力:
W
6
M
22148.62
6?
29520.73
yu
B
B2
45.75
45.752
399.50kpa
W
6
M
22148.62
6?
29520.73
568.75kpa
yu
B
B2
45.75
2
45.75
剪应力:
uPuPuuyun
10?
49.218?
32.75?
ta『(30°)10?
49.21399.50?
0.2
一62.43kpa
dPudPdydm
10?
19.3610?
19.36568.75?
0.8
455kpa
水平正应力:
xuPuPuuPu
Puu
2yun
8?
32.75?
tan2(30°)
8?
32.75?
tan2(30°)399.5?
0.22
99.82kpa
xdpdpudpud
2
Pdydm
10?
19.3610?
19.36
568.75?
0.82
364kpa
主应力:
1u
22nyuPuPuun
0.04?
399.50
87.33?
0.04
412.00kpa
2
1d1m
yd
2
PdPudm
10.64?
568.75
87.33?
0.64
876.86kpa
2u
PuPuu
10?
49.218?
32.75?
tan2(30°)10?
49.2187.33kpa
xdPd
PudOkpa
由上计算可得:
运用期:
坝踵铅直应力399.50kpa>0kpa,没有出现拉应力,满足强
度要求。
坝址铅直应力较小,为568.75kpa,远小于坝基容许压应力施工期:
坝址铅直应力:
yd
W'6M'29361.486?
189037.48
B2
45.75
2
45.75
99.88kpa为压应力,即满足
拉应力小于0.1Mpa,强度满足要求。
四、设计溢流坝段
1.孔口形式及溢流坝前沿总长
采用孔口形式:
开敞溢流式,溢流孔口设为3孔,每孔净宽10m
采用平面闸门;堰顶高程为1888.000m,溢流段净宽L=nb=3x10=30m由工程经验,采用平面闸门时需设闸门槽,工作闸门槽深0.5~2m,考虑工程级别,此处取1m;门槽处闸墩厚度不得小于1~1.5m,以保证有足够的强度,此处取1.5m;平面闸门多采用活动式启闭机,机距取10m。
由此溢流坝段溢流前沿总长为L0=nb+(n-1)d=30+2x1.5=33m.溢流坝
段位于大坝中部。
2.溢流面体型设计
溢流面由顶部直线段、中间直线段和反弧段三部分组成。
a.顶部曲线段
WES®面曲线的流量系数较大且剖面较廋,工程量较省,此处采
用WES&线,坝面曲线由方程控制。
坐标原点为堰顶最高点,水平右向为x轴,竖直向下为y轴。
WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分上游段和下游段两部分。
上
游段采用三圆弧方法或下列形式的曲线绘制:
f\0.525
=0.4以冊1
-0.81
式中:
Hd为定型设计水头,一般为校核洪水位时堰顶水头的75%~95%
本设计采用三圆弧方法绘制上游段曲线:
校核洪水位时的堰顶水:
H0=1892.71-1888.OO=4.71m则
Hf0.75x4.71~0.95x4.7仁3.5325~4.4745m,取Hd=4m
三圆弧绘制数据如下:
X=-0.175Hd=-0.7m
R
1=0.5Hd=2m
夫=-0.276Hd=-1.104m
R=0.2Hd=0.8m
X=-0.282Hd=-1.128m
R
3=0.04Hd=0.16m
WES型堰顶下游段曲线,当坝体上游面铅直时,按下式计算:
X1-85=2.OHdo,85y
取值计算得下表:
x
1.00:
LOO3.
004.0
05.00
6.00
7.008.
00
9.00
10.00
y
0.15(
).551.
172.0
03.02
4.23!
5.637.
21
8.97
10.89
b.中间直线段
中间直线段坡率与非溢流坝段下游坡率一致,为1:
0.8,与堰顶
vl,85—nALj0.85v
曲线相切与a点,对堰顶曲线方程兀一厶y求一阶导数,其斜率应等于1:
0.8。
;_1.85x085_1
即:
y=2x4°莎=0.8
解得兀=5.7m,带入堰顶曲线方程得YA=3.85m。
c.反弧段
a)确定反弧半径
本设计水头为中水头,且下游基岩较为坚固,设计初步选用消能
方式为挑流消能。
本设计鼻坎米用连续式。
下游反弧段反弧半径R=(4~10)hc,挑射角一般米用20°~25。
he为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。
R太小水流不平顺,
过大会导致向下游延生过长,增加工程量。
综合取R=9h,=25°。
查《水利学》得he迭代公式:
hCi1#g(Eohe)
式中q为单宽流量,校核洪水位时:
c_校咳洪水时最大下泄流量_756_9rn3/
9溢流坝段净宽顶r-25.m/
Eo为以收缩断面底部为基准断面的上游水流总能量。
丘=1892.71—1861.29=31.42m
为流量系数。
主要取决于上游堰高与设计水头之比。
R/Hd=44.5/4=11.1>1.33,堰为高堰;堰顶全水头与设计水头之
比H0/Hd=4.71/4=1.17,查表计算=1.9x0.502=0.954.迭代初值山=0,带入式子迭代得h1=1.06,h2=1.08,h3=1.08.故hc=1.08m。
反弧半径R=9x1.08=9.72m。
在实际工程中,反弧段半径R远远超过
O3,
以上取值,用经验公式:
R-Fr2h。
又V=j2g(Sgeos);
3
得:
V1=20.07m/s2.故Frv^/gh21.07/j9.8?
1.086.48。
则:
33
R-Fr2h-?
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