水工建筑物课程设计肖新熙.docx
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水工建筑物课程设计肖新熙
《水工建筑物》
课程设计
姓名:
肖新熙
学号:
2014010183
专业班级:
水利水电建筑工程(3)班
指导教师:
石莎
2016年6月15日
设计计算说明书
1.基本资料...........................................................................................
1.1自然条件及工程............................................................................
1.2坝址与地形情况............................................................................
1.3工程枢纽任务与效益....................................................................
2.枢纽布置...........................................................................................
2.1枢纽组成建筑物及其等级............................................................
2.2坝线,坝型选择............................................................................
2.3枢纽布置........................................................................................
3.非溢流坝剖面设计...........................................................................
3.1设计原则........................................................................................
3.2剖面拟定要素................................................................................
3.3荷载计算及其组合........................................................................
3.4抗滑稳定分析与计算....................................................................
3.5应力计算........................................................................................
4.溢流坝段设计...................................................................................
4.1泄水方式的选择、布置原则........................................................
4.2工程布置........................................................................................
4.3溢流坝剖面设计............................................................................
4.4消能防冲设计................................................................................
5.细部构造设计...................................................................................
5.1坝顶构造........................................................................................
5.2分缝止水........................................................................................
5.3混凝土标号分区............................................................................
5.4坝体排水........................................................................................
5.5廊道系统........................................................................................
6.地基处理设计...................................................................................
6.1清基开挖........................................................................................
6.2坝基加固........................................................................................
6.3防渗排水........................................................................................
6.4软弱带处理....................................................................................
设计计算说明书
2.枢纽布置
2.1枢纽组成建筑物及其等级
2.1.1根据枢纽的任务确定枢纽组成建筑物
由课程设计任务书和水库的主要任务,枢纽主要建筑物挡水建筑物,泄水建筑物,为便于施工,还需要导流建筑物,施工围堰等临时建筑物。
2.1.2确定建筑物等级
表2-1水利水电枢纽工程的分等指标
工程等别
工程规模
分等指标
水库总库容(亿m³)
防洪
灌溉面积(万亩)
水电站装机容量(万千瓦)
保护城镇及工矿区
保护农田面积(万亩)
一
大
(1)型
>10
特别重要城市,工矿区
>500
>150
>120
二
大
(2)型
10~1
重要城市,工矿区
50~100
150~50
120~30
三
中型
1~0.1
中等城市,工矿区
100~30
50~5
30~5
四
小
(1)型
0.1~0.01
一般城镇,工矿区
30~5
5~0.5
5~1
五
小
(2)型
0.01~0.001
<5
<0.5
<1
因为任务书并未给出灌溉面积、保护农田面积以及水电站装容量,但已知大坝集水面积144.5km²,河底高程约556-557m,河中开挖深度5m,故计算此坝库容为:
V=144.5×[643.86-(556-5)]×10³/108≈0.1342亿m³
确定工程规模为中型,工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3级,次要建筑物为4级.
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)》,确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。
灌溉农田在50万亩以上,属于Ⅲ等中型工程。
发电在20万千瓦。
根据规范,按各指标中最高等级确定工程等别:
综合取水库工程等级为Ⅲ等中型工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)》中“水库大坝提级指标”表中的规定,混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m,按提高一级的规定,大坝的建筑物级别提高为1级。
其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级,次要建筑物和临时建筑物为2级,而洪水标准不提高。
本设计中大坝高度未超过100m,故建筑物级别不提高。
2.2坝线,坝型选择
坝型,坝址选择是水力枢纽设计的重要内容,二者互相联系,不同的坝址可以选用不同的坝型。
同一个坝址也应考虑几种不同的枢纽布置方案并进行比较。
在选择坝型,坝址时,应研究枢纽附近的地形地质条件,水流条件和建筑材料,施工条件,枢纽布置等。
2.2.1坝址、坝型比较与选择
根据坝区水文气象以及地质条件,本水库枢纽可行性研究阶段,在选择坝型,坝址时选择如图所示:
2.3枢纽布置
2.3.1布置原则:
通过对水文站历史洪水换算,坝址历史洪水两次,1933年洪峰流量1380m³/s和1934年洪峰流量1180m³/s.坝区水文气象和工程地质条件具备了修建50~60米坝高及成库条件,特别是坝址处河谷呈“V”型,两岸山体较雄厚,地形基本对称,较完整,两岸地形坡度为30°~40°.流域内峰峦叠嶂,山体雄伟,四周分水岭为700m~1856m的高山.地势西南高,东北低,河道两岸基岩裸露,河床堆积块石,孤石和卵石,坡降大,水流急,属山区性河流.河床宽20~30m,坝址基岩岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗岩,河岸边及冲沟底部见有弱风化基岩出露.河床冲积层厚度一般为2.0~2.5m,左岸覆盖层厚度为3-8m,右岸覆盖层厚度为0.5~5.0m,覆盖层主要为坡残积含碎石粘土层.
3.非溢流坝剖面设计
3.1.1剖面设计原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求;
2、力求剖面较小;
3、外形轮廓简单;
4、工程量小,运用方便,便于施工。
3.1.2拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定和强度要求,并使工程量最小的三角形剖面,如图3—1,在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下,根据抗滑稳定和强度要求,可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。
根据工程经验,一般情况下,上游坝坡坡率n=0~0.2,常做成铅直或上铅直下部倾向上游;下游坝坡坡率m=0.6~0.8;底宽约为坝高的0.7~0.9倍。
图3-1重力坝的基本剖面图示
3.1.3拟定实用剖面
一.确定坝顶高程
1、超高值Δh的计算
(1)基本公式
坝顶高程应高于校核洪水位,坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程,防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh,可由式(3-1)计算。
Δh=h+hz+hc(3-1)
Δh—坝顶与设计洪水位或校核洪水位的高差,m;
h—波浪高度,m;
hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差,m;
hc—安全加高,按表3-1采用,对于Ⅲ级工程,设计情况hc=0.4m,校核情况hc=0.3m。
表3-1坝的安全加高hc
运用情况
坝的级别
1 23
设计情况( 基本情况)
0.7
0.5
0.4
校核情况( 特殊情况)
0.5
0.4
0.3
下面按官厅公式计算h,hz。
(适用于V0小于20m/s,D小于20km的峡谷水库)
V0为计算风速,m³/s,库水面以上10m高处的风速.在正常运用条件下的Ⅰ,Ⅱ级坝,采用多年平均最大风速的1.5-2.0倍;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝,采用多年平均最大风速。
在本设计中大坝属于Ⅲ级中坝故采用多年平均最大风速14.5m³/s.
D为吹程,km,按回水长度计算:
正常蓄水位和校核蓄水位均取14km。
首先计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。
(1)设计洪水位时Δh计算
风速采用多年平均最大风速14.5m³/s,吹程D=14km。
波浪三要素计算如下:
波高h=0.0166V05/4D1/3=0.0166×14.55/4×141/3=1.132m
波长L=10.4(h1)0.8=10.4×1.1320.8=11.48m
壅高hz=πhl2/L=3.14×1.1322/11.48=0.35m
hz=0.35m;hc=0.4m
Δh=h+hz+hc=1.132+0.35+0.4=1.1882m
(2)校核洪水位时Δh计算
风速采用多年平均风速14.5m/s,D=14km。
波浪三要素计算如下:
波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×14.55/4×141/3=1.132m
波长L=10.4(h1)0.8=10.4×1.1320.8=11.48m
壅高hz=πhl2/L=3.14×1.1322/11.48m=0.35m
;hz=0.35m;hc=0.3m
Δh=h1+hz+hc=1.132+0.35+0.3=1.0882m
2、坝顶高程计算
坝顶高程按式(3-5)计算,并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh设
坝顶高程=校核洪水位+Δh校(3-5)
根据以上两种水位时Δh计算结果,得出两种状况下坝顶高程。
(1)设计洪水位时的坝顶高程:
▽坝顶=设计洪水位+Δh
=642.88+1.1882=644.0682m
(2)校核洪水位时的坝顶高程:
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=643.86+1.0882=644.9482m
为保证大坝的安全运行,应该选用其中的较大值▽坝顶=644.9482m,且坝顶高程要高于校核洪水位,所以取坝顶高程为▽644.9482m。
3.2剖面拟定要素
3.2.1确定坝基高程
河床高程556m,校核洪水位为643.86m,坝址地质构造主要表现为断层、节理裂隙。
坝址发育11条断层。
建议开挖深度:
河中5m,左岸6-12m,右岸6-15m。
故坝基的最低开挖高程为▽=551m。
坝高H=坝顶高程-坝底高程=644.9482-551=93.9482(m)。
坝高小于100m,属于中坝。
防浪墙高程▽=坝顶高程+1.2=644.9482+1.2=646.1482(m)。
3.2.2拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震,特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求,根据规范的规定,坝顶宽度可采用坝高的8%~10%取值,且
不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。
按坝高的10%计算,即为9.39482米。
坝顶宽度B=(8%-10%)H=10%×93.9482=9.39482m。
3.2.3拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2005规定,非溢流坝段的基本断面呈三角形,其顶点宜在坝
顶附近。
基本断面上部设坝顶结构。
坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。
实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0~1∶0.2,坝坡采用折面时,折坡点高程应
结合电站进水口、泄水孔等布置,以及下游坝坡优选确定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度,应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同
时选定。
下游坝坡宜采用1∶0.6~1∶0.8;对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝,可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。
拟定坝体形状为基本三角形。
坝的下游面为均一斜面,斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处,为了便于布置进口控制设备,又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定,本次设计采用上游坝面铅直的形式。
该形式为实际工程中经常采用的一种形式,具有比较丰富的工程经验。
通过最优方案的比较,上游坝坡取1:
0,下游坝坡取1:
0.7。
3.2.4坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7~0.9倍,本工程的坝高为93.9482m,通过已经确定的
上下游坝坡坡率,最终确定坝底宽度T=(0.7-0.9)H=0.85×93.9482=79.85597(m)。
3.2.5基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道,兼作灌浆、排水和检查之用。
基础灌浆廊道的断面尺寸,应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定,一般宽为2.5~3m,高为3~4m,为了保证完成其功能且可以自由通行,本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m,形状采用城门洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求,在坝踵附近距上游坝面0.05~0.1倍作用水头、且不小于4~5m处设置,本次设计取8m,为满足压力灌浆,基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度,取5m。
图3-2非溢流坝段剖面尺寸图
3.3荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有:
自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等,常取1m坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。
基本组合属于设计情况或正常情况,由同时出现的基本荷载组成。
特殊组合属校核情况或非常情况,由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。
设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算,使之满足规范中规定的要求。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位;特殊组合为校核洪水位和地震情况,它们分别考虑的荷载如表3-3-1所示。
表3-3-1荷载组合
荷载
组合
主要考虑情况
荷载
自重
静水
压力
扬压
力
泥沙
压力
浪压
力
地震
荷载
动水
压力
土压
力
基本
组合
(1)正常蓄水位情况
√
√
√
(2)设计洪水位情况
√
√
√
特殊
组合
(1)校核洪水位情况
√
√
√
(2)地震情况
注:
1.应根据各种作用同时发生的实际可能性,选择计算中的最不利的组合;
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。
3.施工期的情况应作必要核算,作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件,如考虑运用时排水设备,易于堵塞,须经常维修时,应考虑排水失效的情况,作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。
6.表中的“+”表示应考虑的荷载。
图3-3-1重力坝荷载计算示意图
(1)自重W
坝体自重的计算公式:
W=Vγc(kN)(3-6)
式中V——坝体体积,m3;由于取1m坝长,可以用断面面积代替
γc——坝体混凝土的重度(本设计中混凝土的重度为24kN/m3)
四种情况下自重相同。
W11=γcV1V1=H×B×1W11=24×93.9482×9.39482=21183(KN)
W12=γcV2V2=(T-B)×H(T-B)×1/2T
W12=24×(79.85597-9.39482)×93.9482×(79.85597-9.39482)/2×79.85597=70090.9(KN)
W1=W11+W12+=21183+70090.9=91273.9(KN)
(2)静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载,计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。
计算各种情况下的上下游水深:
根据所给图:
图3-3-2某水库坝址水位流量关系曲线
表3-3-2经调洪演算得到的水利水能资料
上游水位(m)
最大下泄流量(m³/s)
正常
642.00
0
设计
642.88
1059.4
校核
643.86
1137.94
根据图中设计洪水上游水位和校核洪水上游水位最大下泄流量可以定出设计洪水下游水位为565.11m,校核洪水下游水位为567.64m.
根据水力学公式:
可算出堰上水头9.7m,则下游正常蓄水位=下游设计洪水位-堰上水头=565.11-9.7=555.41(m)。
表3-3-3不同情况下上下游水深
特征水位
上游水深H1(m)
下游水深H2(m)
上下游水位差H(m)
正常蓄水位
91.00
4.41
86.59
设计洪水位
91.88
14.11
77.77
校核洪水位
92.86
16.64
76.22
计算各种情况下静水压力:
水平水压力PH计算公式为:
(3-8)
式中:
H—计算点处的作用水头,m;
γw—水的重度,常取9.81kN/m3;
垂直水压力PV按水重计算。
a.正常蓄水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=1/2×9.81×(642.00-551)²×1=40618.305kN(→)
b.设计洪水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=1/2×9.81×(642.88-551)²×1=41407.69kN(→)
下游水平水压力:
PH2=Pd=1/2×9.81×14.11×14.11=976.54675kN(←)
上游垂直水压力:
0
下游垂直水压力:
PV3=W3=1/2×9.81×14.11×14.11×0.7=683.583kN
c.校核洪水位:
上游水平水压力:
PH1=Pu=1/2×9.81×(643.86-551)²×1=42295.7kN(→)
下游水平水压力:
PH2=Pd=1/2×9.81×16.64×16.64=1358.14kN(←)
上游垂直水压力:
0
下游垂直水压力:
PV3=W3=1/2×9.81×16.64×16.64×0.7=950.7kN
(3)扬压力U
扬压力计算公式:
U=1/2γw×H×T×1.
a.设计洪水位:
U=1/2×9.81×77.77×79.85597=30462kN
b.校核洪水位:
U=1/2×9.81×76.22×79.85597=29854.88kN
3.4抗滑稳定分析与计算
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法进行计算。
1.抗剪强度计算公式如下:
(3-9)
—接触面间的摩擦系数;
—接触面以上的总铅直力;
—作用在接触面上面的扬压力;
—为接触面以上的总水平力。
设计洪水位时:
KS=
=
=1.095
而查表知
显然
,满足抗滑稳定要求。
校核洪水位时:
KS=
=
=1.0969
而查表知
显然
,满足抗滑稳定要求。
表3-4-1抗滑稳定安全系数K
2.抗剪断强度计算公式如下:
(3-10)
式中:
K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;
f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,f′=0.75;
c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力,KPa,c′=500KPa;
A——坝基接触面截面积,m2。
ΣW——作用于坝体上全部荷载(包括扬压力)对滑动平面的法向分值,kN;
ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值,kN;
由本课程设计任务书已
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