10水工建筑物重力坝课程设计

《水工建筑物》课程设计1第一章基本资料1.1工程概况该河流自西向东汇入东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。罢职以上流域面积2761平方公里，流于境内为山区，平均海拔高度662米，最高峰达1921米，流域境内气候湿润，雨量充沛，属热带气候。径流主要来自降雨，小部分由地下水补给，每年4-9月份为汛期，其中5、6份为梅雨季节，河道坡道上上游陡下游缓，平均坡降6.32-0.97%，因河道陡，蓄水能力低，汇流快，有暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。流于境内，一以农林为主，森林繁茂，植被良好，水土流失不严重枢纽下游为谋省的主要农副业生产基地某平原。坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处有省辖市一座。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是防洪、发电、灌溉、渔业养殖。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为三等工程，主坝为3级建筑物，其它建筑物按4级建筑物考虑。1.2水文条件1.年径流：根据资料分析，坝址处的多年平均流量100m3/s，多年平均总量为31.5m3/s，年内分配很不均匀，主要集中在汛期4-9月份。丰水年时占全年80%，枯水年占20%。2.洪水：根据统计资料推算1000年一遇的浑水流量为11700m3/s，5000年一遇的洪水14900m3/s。施工期间各设计洪水频率流量见下表。频率时段10-4月9-6月10-3月11-6月11-2月12-2月备注5%208717721367136788482410%167314101072107265459620%127510457847844343323.固体流量及水库淤积：根据水文站实测资料分析，年固体径流量为331万吨，百年之后水库淤积高程115m。淤沙浮容重为8.5kn/m3，内摩擦角100。4.其他;本坝址地震烈度为7o《水工建筑物》课程设计21.3气象条件(1)气温：坝址处的多年气温为17.3℃，月平均气温5℃（一月份）、最高29℃（七月份)。实测极端气温-8.2℃（一月份）、最高气温40.6℃（七月份）。(2)湿度：年平均相对湿度为79%左右，其中六月份87%为最大，一月份72%最小，日变化较大。(3)降雨量：坝址以上流域的年平均降雨量1860毫米，实测最大降雨量为2574毫米，最少降雨量1242毫米。雨量在年内分配不均，其中4-9月份占全年雨量的80%，5-6月份站全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。(4)蒸发量：坝址处多年平均蒸发量为1349毫米其中以七月份最大，月蒸发量为217毫米，二月份最少，月蒸发量为45.5毫米。(5)风向风力：实测最大风速为17米/分，风向西北偏西，吹程4.5公里，多年平均风速成为：汛期为12米/分，非汛期为13米/分。风行基本垂直坝轴线，吹程4公里。1.4工程地质1、坝址工程地质（1）地貌：坝址河床宽度约100米。河底高程约100米，水深1-3米。河床覆盖层，厚度为5-10米左右。河谷近似梯形，两岸约40o-60o。（2）岩性及工程地质：坝基为花岗斑岩，分化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120-200MPa。坝址构造简单，无大的地质构造，缓倾角解理延伸短，整体滑动的可能行小。但陡倾角解理较发育，以构造解理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组解理。解理的倾角约35-90度（3）岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质表岩性或地质构造容重（KN/m3）孔隙率（%）抗压强度（MPa）弹性模量（MPa）摩擦系数粘着力（MPa）泊松比（u）抗剪系数抗剪短系数干湿干饱和混凝土与基岩基岩内部混凝土与基岩基岩内部花岗斑岩0.5（基《水工建筑物》课程设计327.328.12.3210190220000.700.750.751.20岩与混凝土0.2解理面0.650.751.0（基岩内）（4）库区工程地质：库区岩性以火山岩和沉积岩为主，褶皱规模不大，均为背斜，两翼底层平缓，切不对称。有较大的断层两条，这些褶皱和断层成北东走向，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几十公里，断层单宽一米左右，个别达十米以上。断层破碎都已胶结。库区水文地质较简单，一裂隙水为主，地下分别水岭高程均高出库水位以上。1.5建筑材料1、石料坝区大部分为花岗岩，基岩埋省深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石也可利用由此筑坝石料极易解决。2、砂料在坝下游勘探6个砂料场，最远料厂离坝约9公里，以石英带料场为主，估计砂料储量430万方。经质量检测，砂料符合规范规定。坝址处缺乏筑坝材料。1.6库区经济库区出有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。耕地主要分布在小片盆地上，高山森林茂密。在正常蓄水位时，需迁移21444人，拆迁房屋19240间，淹没耕地面积16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的两座水电站（装机容量2210KW）共需赔偿费4120万元。本坝址上游左岸30公里处有铁路干线，车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县城相连对外交通较方便。本电站主要供应坝下游某平原的农村生产生活用电，比担负某电网的调峰任务。《水工建筑物》课程设计4第2章工程总体布置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标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。该水利枢纽水电站装机容量为20千万时；工程建成后，可增加保灌面积50万亩，可以列为中等，属于Ⅲ等中型工程。保护某城镇和某平原，属于一般，属于Ⅳ等小（1）型工程。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：该水利枢纽水库工程等级为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3级，而洪水标准不提高。第3章非溢流坝坝体设计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。《水工建筑物》课程设计5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=h1%+hz+hc（3-1）Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；H1%—累计频率为1%时的波浪高度，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＝0.5m，校核情况hc＝0.4m。表3－1坝的安全加高hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3下面按官厅公式计算h1%，hz。V0为计算风速，m/s，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，采用重现期为50年的最大风速17m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速13m/s。D为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时为4.5km，设计洪水位时为4.5km，校核洪水位时为4km。《水工建筑物》课程设计6波高hl，当gD/V02=20～250时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000时，为累计频率10%的波高h10%。规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41。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50年一遇的风速17m/s，吹程D=4.5km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.946m波长L=10.4(h1)0.8=9.48m壅高hz=πhl2/L=0.285mgD/V02=152.595h1%=1.24h5%=1.17m；hz=0.31m；hc=0.5mΔh=h1%+hz+hc=1.98m（2）校核洪水位时Δh计算风速采用多年平均风速13m/s，D=4km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166V05/4D1/3=0.65m波长L=10.4(h1)0.8=7.37m壅高hz=πhl2/L=0.18mgD/V02=231.95；h1%=1.41h10%=0.915m；hz=0.02m；hc=0.4mΔh=h1%+hz+hc=1.3365m2、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：《水工建筑物》课程设计7▽坝顶=设计洪水位+Δh=186.64+1.98=188.62m（2）校核洪水位时的坝顶高程：▽坝顶=校核洪水位+Δh=189.60+1.3365=190.9365m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝190.94m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽190.94m。二、确定坝基高程河床高程约100m，校核洪水位为189.60m，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（由地质剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。根据规范，坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上。弱风化层厚5.5～6.5m，微风化层厚6～7m，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。初步定出开挖深度7.5m，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▽82.5m。因此，最大坝高为108.44m，属于高坝。三、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10.8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11m，以满足大坝维修作业通行需要。四、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，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，百年后水库的淤积高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为165m的位置。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.1，下游坝坡取1：0.75。《水工建筑物》