水工建设物课程设计第11组

1基本资料1.1兴建缘由和工程效益溪源水库位于A省境内B江上游峡谷内，下游灌区虽有些小型水利设施，但现有保灌面积3843亩，尚有13217亩缺水，加上可开垦面积2792亩，共有受旱面积15009亩，属于重旱区。溪源水库建成后，将彻底解决该地区作物的灌溉问题。水库枢纽组成包括：重力坝；左、右灌溉输水隧洞；坝后式水电站。1.2地形地质概况坝址地形详见地形图。河床覆盖层为砂、卵石及大孤石，库岩多属基岩，岩性为砂岩和砾岩以及千枚页岩，基岩强度坚硬，地质条件较好，无滑坡和大量渗水的可能。仅地质构造上裂隙节理比较发育，透水性较大。1.3水库特性及大坝数据（一）、水库特性1、设计洪水位（P=2%）：152.5m，相应下游水位103.5；2、校核洪水位（P=0.2%）：153.5m，相应下游水位104；3、设计洪水下泄流量353m3/s；4、校核洪水下泄流量400m3/s；5、河底高程100m；6、死水位高程118.5m；7、最终淤积高程115.5m。（二）、大坝计算数据1、混凝土容重24KN/m3；2、泥沙饱和容重16KN/m3；3、泥沙内摩擦角φ=19º；4、下游允许最大冲刷单宽流量：q=40m3/s；5、吧基面摩擦系数f=0.65；6、渗透压力系数：α=0.3；7、风速：多年平均最大风速：13m/s；8、吹程：D=2公里；9、基岩容许抗压强度3.0MPa。2工程总体布置2.1工程等别及建筑物级别根据《水利水电工程等级划分及洪水（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。判断出该水库属于3级水工建筑物。3非溢流坝坝体设计3.1剖面拟定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，如图所示，在已知坝高、水压力、抗剪强度参数、和扬压力的条件下，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，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率；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3.1.3.1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，可由以下公式计算。—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；—累计频率为1%时的波浪高度，m；—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；—安全加高按采用,对于Ⅲ级工程。官厅水库公式：，，。为计算风速，，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位和设计洪水位时，采用多年平均风速的倍；校核洪水位时，采用多年平均风速。（1）设计洪水位时Δh计算风速采用采用多年平均风速的倍，吹程。不妨取，，。（2）校核洪水位时Δh计算风速采用多年平均风速，。不妨取，，。2坝顶高程计算坝顶高程按下式计算，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：坝顶高程=设计洪水位+Δh=152.5+2.067=154.567m（2）校核洪水位时的坝顶高程：坝顶高程=校核洪水位+Δh=153.5+1.687=155.187m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值坝顶高程为155.187m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为156m。3.1.3.2坝确定基高程河床高程100m，校核洪水位为153.5m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除。初步定出开挖深度3m，通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽97m，因此，最大坝高为59m。3.1.3.3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5.9米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为6m，以满足大坝维修作业通行需要。3.1.3.4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上部铅直，下部倾斜的形式。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。上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置坝高的三分之一处。即折点的高程为116.67m通过最优的比较，上游坝坡取1：0.1，下游坝坡取1：0.75。3.1.3.5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59m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=50m。3.1.3.6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8.5m，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。初步拟定坝体形状剖面如图所示。3.2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设计洪水位；特殊组合为校核洪水位。3.2.1自重坝体自重的计算公式:—坝体体积，m3；—坝体的重度，KN/m3。由于取1ｍ坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；其计算结果见附表。3.2.2静水压力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和垂直水压力两种。水平水压力计算公式：；垂直水压力计算公式：。—水的重度，9.8KN/m3；—上下游水位差，m；—计算范围内水的体积，m3同自重计算类似，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3-3所示的若干个简单的几何图形分别计算静水压力；其计算结果见附表。3.2.3扬压力根据规范，排水处扬压力折减系数：,如图3-3所示，将扬压力分成四部分，，，，。其计算结果见附表。3.2.4泥沙压力3.2.5浪压力由前面的计算可知：设计洪水位时：，，，为深水波。校核洪水位时:，，，也为深水波。而深水波浪压力的计算公式为。设计洪水位：校核洪水位：3.2.5其他荷载在本次设计中忽略除了上述荷载外的其他荷载。荷载计算结果汇总如附表所示。3.3稳定性分析3.3.1其他荷载重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法进行计算。其计算公式如下：—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：而查表知,显然，满足抗滑稳定要求。校核洪水位时：而查表知,显然，满足抗滑稳定要求。3.4应力分析用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。当采用材料力学法分析坝体应力时，SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求；重力坝坝体应力应符合下列要求：1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求。同样采用单一安全系数法分析水平截面上的正应力。因为假定按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力和。其计算公式如下：—作用于计算截面以上的全部荷载的铅直分力总和，KN；—作用于计算截面以上的全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，；—计算截面的长度，m。坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：4溢流坝坝体设计4.1泄水方式的选择