水工建筑物课程设计

水工建筑物课程设计
课程设计：专业班级：12级水利水电工程卓越班姓名：饶宇学号：2012102196 指导教师：王志强
南昌工程学院水利与生态工程学院印制
2015——2016学年第一学期
第一章基本资料
1.1 基本资料
一、地质
河床高程332m。

约有2～3m覆盖层，岩石为石灰岩，较完整，结理不发育，风化层后1～2m无特殊不利地质构造。

坝基的力学参数：抗剪断系数（混凝土与基岩之间）为
f'=0.9,c'=700kPa。

基岩的允许抗压强度3000kPa。

地震的设计烈度为6度。

二、水文
本枢纽属中型Ⅲ等工程。

永久性重要建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇
表1 水文计算结果
经水文水利计算，有关数据如表1所示：
三、气象
本地区多年平均最大风速为14m/s，水库吹程为2.96km。

四、其它有关数据
河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程345m。

淤沙的浮重度为9.5kN/m3，内摩擦角为12°。

坝体混凝土重度采用24kN/m3。

五、枢纽总体布置
根据地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选用混凝土重力坝方案，重力坝由非溢流坝段和溢流坝段组成。

第二章非溢流坝设计
2.1 剖面设计
重力坝剖面设计的原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；
②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修；
重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3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。

在拟好的基本三角形基础上，根据已确定的坝顶高程及宽度，初拟主要防渗，排水设施，即可得到重力坝实用剖面。

剖面尺寸的初步似定主要内容有：坝顶高程，坝顶宽度，坝顶及上、下游起坡点的位置。

一、坝顶高程的确定
波浪要素按官厅公式计算。

公式如下：
Hl?0.0166V0D
5
4
13
L?10.4hl
HZ?
0.8
?hl2
L
cth
2?HL
库水位以上的超高
?h?hl?hz?hc
对于安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5 m，校
核洪水位时为0.4 m。

计算成果见下表2-1
表2-1坝顶高程计算成果表
经比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为387.8m，并取防浪墙高度1.2m，则坝顶高程为：387.8-1.2=386.6m
最大坝高为：386.6-327=59.6m
二、坝顶宽度
考虑交通要求，坝顶宽度取7m。

三、坝面坡度
12~考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按
要求为33坝高，
该工程拟折坡点高程为347.0m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，
下游坝坡取1：0.7，基本三角形顶点位于坝顶，376.30m以上为铅直坝面。

四、坝体防渗排水
分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上
游坝踵7m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线9m。

拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。

拟定的非溢流坝剖面如图所示。

确定剖面尺寸的过程归纳为：初拟尺寸——稳定和应力校核——修改尺寸——稳定和应力校核的重复计算过程。

2.2 荷载计算
一、计算情况的选择
在设计重力坝剖面时，应按照承载力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。

基本组合有正常蓄水位情况和设计洪水情况，偶然组合有校核洪水情况和地震情况。

考虑的主要荷载有自重、水压力、浪压力、淤沙压力及扬压力。

从以上荷载组合中分别选一种基本组合（如设计洪水位情况）和一种偶然组合（如校核洪水位情况）计算。

二、计算截面的选择
滑动面一般有以下几种情况：坝基面、坝基内软弱层面、基岩缓倾角结构面等。

对于本工程，岩石较完整，结理不发育，可仅分析沿坝基面的抗滑稳定。

三、荷载计算
1．坝体自重计算
坝顶宽度=7(m)
坝基宽度=(386.60-327)×0.7+(347-327)×0.2=45.72(m)
W1=1/2×24×20×20×0.2×1=960(kN)
力臂=45.72/2－2/3×20×0.2=20.19(m)
力矩=960×20.19=19382.4(kN?m)
W2=24×7×(386.60-327)×1=10012.8(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2－7.0/2=15.36(m)
力矩=10012.8×15.36=153796.61(kN?m)
W3=1/2×24×(376.30-327)×(376.30-327)×0.7×1=20416.116(kN)
力臂=(376.30-327)×0.7×2/3－45.72/2=0.15(m)
力矩=20416.116×0.15=3062.417(kN?m)
2. 静水压力（校核洪水位）
PH1=1/2×9.81×(386.96-327)×(386.96-327)×1=17248.383(kN)
力臂=1/3×(386.96-327)=19.77(m)
力矩=-17248.383×19.77=-341000.53(kN?m)
PH2=-1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×1=-329.812(kN)
力臂=1/3×(335.2-327)=2.73(m)
力矩=329.812×2.73=900.387(kN?m)
PV1=9.81×(386.96-347)×(347-327)×0.2=1542.132(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2×1/2=20.755(m) 力矩=1542.132×20.755=32006.95(kN?m)
PV2=1/2×9.81×20×20×0.2=392.4(kN)
力臂=45.72/2－20×0.2×1/3=21.42(m)
力矩=392.4×21.42=8405.21(kN?m)
PV3=1/2×9.81×(335.2-327)×(335.2-327)×0.7=230.87(kN)
力臂=45.72/2－(335.2-327)×0.7×1/3=20.842(m) 力矩=-230.87×
20.842=-4811.80(kN?m)
扬压力（校核洪水位）
U1=－9.81×（335.2-327.0）×45.51×1=－3660.9(kN)
力臂=0(m) 力矩=0(kN?m)
U2=－9.81×9.0×0.25×(386.96-335.2)=－1127.9(kN)
力臂=45.72/2－9.0/2=18.255(m)
力矩=－1127.9×18.255=－20589.81(kN?m)
U3=－9.81×1/2×(45.72－9.0)×0.25×(386.96－335.2)=－2287.77(kN) 力臂=2/3×(45.72－9.0)－45.51/2=1.585(m) 力矩=-2287.77×
1.585=－3626.12(kN?m)
U4=－9.81×1/2×9.0×(1－0.15)×(386.96-335.2)=－1691.86(kN)
力臂=45.72/2－1/3×9.0=19.55(m) 力矩=-1691.86×19.55=－33422.69(kN?m) 4．泥沙压力
PSH=1/2×9.5×（345-327）×（345-327）×tan2(45°－12°
/2)=1009.20(kN) 力臂=1/3×18=6(m) 力矩=-1009.20×
6=-6055.20(kN?m) PSV=1/2×9.5×18×18×0.2=307.8(kN) 力臂
=45.51/2－18×0.2×1/3=21.555(m) 力矩=307.8×
21.555=6634.629(kN?m)
表2-3 校核洪水位情况下荷载计算成果
2.3 抗滑稳定分析
重力坝沿坝面失稳的机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝趾处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范
围逐渐增大并向上游延伸，
最后，形成滑动通道，导致坝的整体失稳。

?0=1.0 ?=1.0 f'=0.9 c'=700kPa
校核洪水位情况
∑W=( P+ P+ P)+(W1+W2+W3)-（U+ U + U）- P
=25093（↓）∑P= PH1-PH2+PSH=17942(→)
基本组合：V1 V2 V31 23SV
K'?f'W?c'A
P?0.9?25412?700?45.51?3.13?3.0 17492
由以上计算可知，在设计和校核洪水情况下坝基面均满足抗滑稳定极限状态要求。

2.4 应力分析
一、分析目的
应力分析的目的是检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。

二、分析的方法
应力分析的方法有理论理论计算和模型试验两类。

设计时一般使用理论计算的方法，理论的计算方法有材料力学法、弹性理论和弹塑性理论的方法。

三、材料力学法
校核洪水位情况
∑W==( P+ P+ P)+(W1+W2+W3)-（U+ U + U）-P =25093（↓）∑
P=17942(→) ∑M=∑M=W1+W2-W3+P+P+P-U-U-U–U =-185314 V1 V2
V31 23SVV1V2V31234基本组合
对于坝踵处：?yu W6M254126?170061?????65.74kPa?0BB245.5145.512 对于坝趾处:
?ydW?6M?BB2
254126?1700613000???1051.04??750(kPa)245.5145.514.0
由以上计算可知：设计洪水位和校核洪水位情况下，坝址和坝踵应力符合强度要求。

第三章溢流坝设计
3.1 孔口设计
一、泄水方式的选择：
为使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。

二、洪水标准的确定。

本次设计的重力坝是3级建筑物，根据相关规范可知：采用50年一遇的洪水标准，500年一遇的洪水标准校核。

三、流量的确定。

设计情况下溢流坝下泄流量为1250m3s；校核情况下溢流坝下泄流量为1696ms。

3
四、单宽流量的选择。

坝基处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的防冲要求，单宽流量取50~100m/s。

五、孔口净宽似定。

分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果
3表3-1 孔口净宽计算
根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，假设每孔净宽为8m，则孔数n为3。

六、溢流坝段总长度的确定。

根据工程经验，似定闸墩的厚度。

初拟中墩厚d为3m，边墩厚为2m则溢流坝段的总长度B0为：B0?nb?(n?1)d?2t?24?6?4?34(m)
七、坝顶高程的确定。

根据公式: Q溢??2gH0 3
2
初拟侧收缩系数?=0.95流量系数m?0.502.
设计情况：
?Q溢?1250??H0???????8.5(m) ?mB2g0.95?0.502?242?9.81??????2323 堰顶高程=385.4-8.5=376.9（m）
校核情况：
?Q
溢?1696??H0???????10.4(m) ?0.95?0.502?24?2?9.81????mB2g??2323 堰顶高程=386.96-10.4=376.56（m）
表3-2 堰顶高程计算
根据以上计算，取堰顶高程为376.56m。

八、闸门高度的确定。

计算如下：
门高=正常水位-堰顶高程+（0.1~0.2）=383.96-376.56+0.1=7.5（m）按规范取门高为8m。

九、定型设计水头的确定。

堰上最大水头，Hmax=校核洪水位-堰顶高程，即：
Hmax=386.96-376.56=10.4（m）
定型设计水头Hs为：Hs=（75%~95%）Hmax=7.80~9.88（m）
取Hs=8.8m，8.8/10.4=0.85，查表知坝面最大负压为：0.3Hs=2.64m，小于规定的允许值（最大不超过3~6m水柱）。

十、泄流能力的校核。

先由水力学公式计算侧收缩系数?，然后计算不同水头作用下的流量系数m，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。

由规范可得：闸墩用半圆
形?0?0.45 ?k?0.4 ??1?0.2?(n?1)?0??k?
确定侧收缩系数?：H0 nb
?3-1）?设?1-0.2（?0.45?0.4?
?校8.5?0.9083?8
10.4?3-1）?1-0.2（?0.45?0.4??0.8873?8
确定流量系数m:
HH8.5
Z?设??0.966
HSHS8.8ms1?0.975?0.975??(0.966?0.8)?0.996m0.2
ms?0.502?0.996?0.500HZH设10.1
???1.15
HSHS8.8ms1.025-1.0
?1.0??(1.15?1.0)?1.02m0.2
ms?0.502?1.02?0.512
Q设??mB2gH0?0.908?0.500?24?2?9.81?8.5?1196.0(m3s)
32
32
32
32
Q校??mB2gH0?0.891?0.512?24?2?9.81?10.1?1556.（7m3s）
Q'?Q1196.0??100%??100%?4.32%?5.0%
Q1250Q'?Q1556.7??100%??100%?4.50%?5.0%
Q1696
综上可知：设计的孔口符合要求。

表3-3泄流能力校核计算
3.2 溢流坝剖面设计
溢流堰面曲线常采用非真空剖面线，采用较为广泛的非真空剖面曲线有克-奥曲线和WES曲线两种，经比较本工程采用WES曲线，溢流坝的基本剖面为三角形，一般其上游面为铅直，溢流面由顶部的曲线，中间的直线，底部的反弧段三部分组成。

一、上游堰面曲线，原点上又采用椭圆曲线，其方程为：
(bHS?y)2H2
??1 22
(aHS)(bHS)
根据计算HS?8.8m a?0.28 b?a?0.16 0.87?3a
x2(0.16?8.8?y)2
则椭圆方程为：??1 (0.28?8.8)2(0.16?8.8)2
二、WES曲线设计
其方程为：
xn?kHsn?1y n?1.85,k?2.0,HS?8.8
则：x1.85?2.0?8.80.85y或y?0.079x1.85
直线段与WES曲线相切时，切点C的横坐标为: xc??km?n)1
n?1?2.0?HS???0.7?1.85??11.85?1?8.8?13.53(m)
三、反弧半径的确定
根据工程经验??25? 挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2m）1~2m,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（m）。

高差H0?校核水位-坎顶高程?386.96?336.2?50.76(m)
过流宽度B0?24?2?4?32(m)
流能比KE?Q校
B0H01.5?1696?0.045 32?9.81?50.761.5
坝面流速系数???0.055?0.90 0.5KE
v??2gH0?0.90??9.81?(386.96?336.2)?28.2(s) 坎前水深为：
Q1696h?校??1.81(m)B0v32?28.2
反弧半径R为：
R?（4~10）h?7.24~18.1(m)
取R为10m。

Rcos??10?cos25??9.06(m)
反弧段的圆心求法：先画一条平行于坝下游面且相距圆弧半径R的直线，再画一条与坝顶点相距为Rcos25?的水平线，两线交点即为圆心。

3.3 消能防冲设计
根据地形地质条件，选用挑流消能。

根据已建工程经验，挑射角θ
=25°，挑流鼻坎应高出下游最高水位（335.2m）1~2m,鼻坎的高程为335.2+1=336.2（m）。

一、反弧半径的确定
坎顶水流流速v按下式确定:
v??2gH0?0.90?2?9.81?(386.96?336.2)?28.2(ms)
坎前水深为：
Q校1696 h???1.81(m)B0v32?28.2
反弧半径R为：
R?（4~10）h?7.24~18.1(m)
取R为10m。

二、水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度t'k估算
挑距计算：v1?29.8?1.1?32.78s h1?hcos??1.81?cos25??1.64(m) h2?336.2?332?4.2(m)
L?1?22v1sin?cos??v1cos?v1sin2??2g(h1?h2)? ???g?
1?32.782?sin25?cos25??32.78?cos25?32.782sin225??2?9.81(1.64?4.2) 9.81??
?95.0(m)
冲坑深度计算：
Q1250??52.1m3s?m) H?386.96?335.2?51.76(m) q?nb24 H2?335.2?332?3.2(m)
t'k??q0.5H0.25?H2?1.1?52.10.5?51.760.25?3.2?18.03(m)
95.0Lt'k??5.27?2.5~5.018.03
由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。

另外，为了避免小流量时产生贴面流，掏刷坝脚，可在挑流鼻坎后面做一短段护坦，以保护坝脚安全。

第四章重力坝主要构造
4.1 坝顶构造
一、非溢流坝。

坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为
钢筋混凝土结构。

防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。

墙高1.2m，厚度为30cm，以满足运用安全的要求。

坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。

坝
顶公路两侧设有宽0.75m人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为
7m，下游设置栏杆及路灯。

细部构造图略。

二、溢流坝。

溢流坝上部设有闸墩、闸门、门机、交通桥等结构和
设备。

闸门的布置：工作闸门布置在溢流坝的顶稍偏下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面形成负压。

采用平面钢闸门，门的尺寸：高×宽=8m ×8m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的间距为2m。

闸墩：闸墩的墩头形状，上游采用半圆形，下游采用流线型。

其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程，即386.96m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝坝顶高程。

中墩的厚度为3m，边墩的厚度为2m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。

工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。

导水墙：边墩向下游延伸成导水墙。

其长度延伸到挑流鼻坎的末端；
高度经计算得3.5m。

导水墙需分缝，间距为15m，其横断面为梯形，顶宽取0.5m。

细部构造图略。

4.2 分缝与止水
一、横缝。

垂直于坝轴线布置，缝距为15m，缝宽为2cm，内有止水。

二、止水。

设有两道止水片和一道防渗沥青井。

止水片用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。

两道止水片间距为1.0m，中
间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。

三、纵缝。

纵缝为临时性缝，缝内设有键槽，待混凝土充分冷却后，水库蓄水前进行灌浆。

纵缝与坝面正交，缝距为15m。

四、水平缝。

混凝土浇筑块厚度为4m，纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥浆。

4.3 廊道系统
一、基础廊道。

位置：廊道底部距坝基面5m，上游侧距上游坝面7m;形状：城门洞形，底宽3m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。

平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于40?。

一、坝体廊道。

自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设两层。

底部高程分别为352m、372m，形状为城门洞形，其上游侧距上游坝面3m，底宽1.5m，高2.5m，左右岸各有一个出口。

4.4 坝体防渗与排水
一、坝体防渗。

在坝的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用一层厚2m具有防渗性能的混凝土作为坝体的防渗设施。

二、坝体排水。

距离坝的上游面3m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。

管内径为15cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。

排水管采用无砂混凝土管。

4.5 坝基的防渗与排水
由于坝趾处河床上有2~3m的覆盖层，有1~2m的风化层，地基开挖时应把覆盖层和严重的风化层全部挖除，坝底面的最底高程为327.0m，顺水流方向挖成锯齿状，并在上下游坝面开挖一个浅齿墙。

沿坝轴线方向的两岸岸坡坝段基础，开挖成有足够宽度的分级平台，平台的宽度为至少1/3坝段长，相邻两级平台的高差不超过10m。

注意根据横缝的布置、开挖的深度调整平台的宽度和高程。

一、坝基的防渗处理。

在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕。

防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料，其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。

帷幕的深度取10~30m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向垂直，孔距取2m，设置一排。

二、坝基排水。

坝基的排水孔幕布置在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为10?，孔距取3m，孔径为130mm，孔深为10~15m，沿坝轴线方向设置一排。