《水工建筑物》系列课程设计--------重力坝电算课程设计指示书一、设计任务：浆砌石重力坝典型剖面设计二、设计内容：根据提供的水文、水利计算成果，在分析研究所提供的资料的基础上，进行水工建筑物的设计工作，设计深度为初步设计。

主要设计内容为：1、确定水利枢纽工程和水工建筑物的等级、洪水标准2、通过稳定、强度分析，拟定坝体经济断面尺寸；3、通过坝基水平截面处坝体内部应力分析，定出坝体混凝土分区方案；4、坝体细部构造设计：廊道布置、坝体止水、坝体排水及基础防渗和排水等。

三、设计作法分析基本资料，根据课堂所学内容，参照规范[1～3]各相应部分进行设计，对设计参数进行选取、方案进行拟定等。

设计中所需基本资料，除已给定之外，还有自行研究确定的。

四、基本资料(一)、设计标准：某水库位于某河道的上游，库区所在位置属高山峡谷地区。

根据当地的经济发展要求需修建水库，该工程以发电、灌溉、防洪为主。

拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量9600kw。

工程等级、建筑物级别以及各项控制标准、指标按现行的国家规范规范[4]自行确定。

(二)、坝基地质条件1、开挖标准：本工程坝体在河床部分的基岩设计高程原定在827.20m。

2、力学指标：坝体与坝基面接触面的抗剪断摩擦系数f＇=1.05，粘结力系数c＇＝900kPa。

3、基岩抗压强度：15002kg/cm(三)、特征水位经水库规划计算，坝址上、下游特征水位如下：P=0.1%校核洪水位为909.92m，相应下游水位为861.15m；P=1% 设计洪水位为907.32m，相应下游水位为859.80m；正常挡水位为905.70m；相应下游水位为855.70m；淤沙高程为842.20m；(四)、荷载及荷载组合荷载组合根据实际情况并参照规范[1～3]要求。

具体计算时选取了1种有代表性或估计其为控制性的组合进行设计计算。

有关荷载资料如下：1、筑坝材料：浆砌石容重5.233/m kN 。

2、坝基扬压力、坝基防渗处理：根据水库地基情况，设置帷幕灌浆和排水孔幕，扬压力折减系数取0.3，折减位置距上游坝轴线8m 。

3、风速与吹程：坝址洪水期多年平均最大风速18.1m/s ，洪水期50年重现期最大风速25m/s ，坝前吹程1公里。

4、水库淤沙：淤沙浮容重为8.03/m kN ，淤沙内摩擦角 12=ϕ。

5、坝址地震基本烈度：根据“中国地震烈度区划图”坝址位于7度区，设防烈度按7度考虑。

6、坝顶有一般交通要求。

五、设计步骤(一)、工程等级确定由于拟建的水库总库容1.33亿立方米，电站装机容量9600kw 。

按现行的国家规范规范[4]如下表由以上工程等级规范可得出，工程等级为Ⅱ级。

(二)、初步拟定坝体断面1、基本剖面尺寸的确定：假定基本剖面为三角形，上游水位与坝顶齐平，扬压力、静水压力均为三角形分布，确定满足强度和稳定条件下的最小坝底宽度T 。

①按满足强度条件确定坝底的最小宽度T当库满时： )(221w w c THU W W W αγβγγ-+=-+=∑ )2232(122222w T H ww w c c HT M αγγβγβγβγγ---+-=∑上游边缘铅直正应力()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡---+-=2221T H H w w w c yuγαγββγβγσ (1)下游边缘铅直正应力()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+--=221T H H w w c ydγββγβγσ (2)当库空时，令式(1)、式(2)中w γ=0，得：)(221w c THU W W W αγγ-=-+=∑ )2(12222w T H wc HT M αγγγ--=∑上游边缘铅直正应力()βγσ-=1H c yu (3) 下游边缘铅直正应力βγσH c yd = (4) 强度控制条件是坝基面不允许出现拉应力。

当库空时，由式(3)可以看出：只要β在0～1之间，即上游坡度取正坡，坝基面不出现拉应力。

当库满时要使上游不出现拉应力，可令式(2)中=yu σ0，求得坝底宽度为：()()αβββγγ--+-=21wcHT ，由该式可知，当H 为一定值时，β值越小，则底宽也越小。

考虑库空时，下游坝面不出现拉应力，可取β=0，求得上游坝面为铅直面的三角形基本剖面的最小底宽m 35.553.081.95.2312.80=-=-=αγγwcHT 。

②演算宽度T=55.35m 时是否满足稳定要求 由式()∑-+=-+=w w c THU W W W αγβγγ221 ()KN W 47.4558181.93.05.23212.8035.55=⨯-⨯=∑ KN H r P w 3148612.8081.95.02122=⨯⨯==∑ ()16.13148647.455818.0=⨯=-=∑∑PU W f K()1..3314865590047.4558105.1''=⨯+⨯=+-=∑∑PAc U W f KK 值大于3，满足要求。

所以取T=63m2、坝顶高程、坝顶宽度的确定：根据已给的设计洪水位及校核洪水位，考虑风浪及安全加高等确定浪墙顶高程及坝顶高程。

又由于坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0米。

计算设计洪水位和校核洪水位情况下的h 1%(m)和hz 则由公式 可求出安全超高。

计算过程如下表：c z h h h h ++=∆%1最后确定坝顶防浪墙高程为911.35m ，防浪墙高为1.2m ，所以坝高为82.95m 。

一般坝顶宽度取坝高的百分之八到百分之十，且不小于3m ，当在坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求，由于坝顶需要行走门式起重机，门机轨距7.0米，7m m 35.85.831.01000≥=⨯=H ，取坝顶宽度为9m 。

3、拟定坝体基本断面①上游坝面坡度应与溢流坝段、放水孔坝段相协调，为照顾泄、放水需要，上游面宜采用直立布置。

②坝体基本三角形顶点，可放在校核洪水位，或略予提高；③参考碧流河水库设计成果拟定，将已拟定的断面，按比例画出图如下：图中出以标出单位外，其它数据单位均按mm计。

(三)确定荷载组合：荷载组合表计算简图如下：各荷载计算分别如下：自重W1=23.5³9³82.95=17544KN自重W2=0.5³23.5³（63-9）³68.67=43571KN上游水压力水平方向P1=0.5³9.81³80.12³80.12=31486KN下游水压力水平方向P2θsin=5225KNsin=0.5³9.81³32.6³41.47³θcos=4082KN下游水压力垂直方向P2θ扬压力U1=9.81³32.6³63=20160KN扬压力U2=140³0.5³(63-8)=3850KN扬压力U3=140³8=1120KN扬压力U4=(780-454)³8³0.5=1304KN淤沙压力KN h P s s sb S 590)21245tan(1585.0)245(tan 21222=-⨯⨯⨯=-=。

ϕγ 上游浪压力:928.00166.031450==DV h l()834.94.108.0==l h L 423.022==LHcthLh h l z ππ 因为上游水位9.4252.79=>=mL H ，所以计算浪压力选取深水波公式： ()()KN h h L P z ml 38423.0151.14834.981.94%1=+⨯=+=γ 荷载及力矩计算表对几种荷载组合情况分别进行稳定分析：按照规范规定的抗剪断强度计算公式：0.362.326889639003876305.1>=⨯+⨯='+''∑∑P A c W f K ＝满足要求。

式中：f ’ 为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断摩擦系数；c’ 为坝体混凝土与基岩接触面的抗剪断凝聚力；W ∑为作用于坝体全部荷载对滑动平面的法向分值；P ∑为作用于坝体全部荷载对滑动平面的切向分值。

由以上得01586330243166338763622>=⨯-=+=∑∑B M B W yu σ符合要求。

(五)、抗滑稳定计算电算过程 本计算遵循以下规范：《混凝土重力坝设计规范 》 (DL 5108-1999) 《水工混凝土结构设计规范 》(DL/T5057-1996) 《水工建筑物抗震设计规范 》(DL 5073-2000) 《水工建筑物荷载设计规范 》(DL 5077-1997)《水利水电工程结构可靠度设计统一标准》(GB50199-94) 重力坝断面按单宽计算。

基本资料重力坝建筑物级别：2级，安全类别：Ⅱ。

坝基截面高程为827.200m。

水平向设计地震加速度代表值αh＝0.10g，计地震作用。

地震动态分布系数采用拟静力法计算。

上游地震动水压力折减角θ＝90.000°下游地震动水压力折减角θ＝90.000°重力坝为常态混凝土，强度等级：C10混凝土重度 Rc＝23.5kN/m^3水重度 Rw＝9.8kN/m^3淤沙浮重度 Rs＝8.0kN/m^3淤沙内摩檫角ψ＝12.000°扬压力图形折减点离上游面距离Lo＝8.000m扬压力图形折减系数α＝0.300基岩抗剪断摩檫系数 f'= 1.050基岩抗剪断凝聚力 c'(MPa) = 0.900工况表┍━┯━━━━┯━━┯━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━━━┯━━━━┑│ I│设计状况│地震│上游水位│下游水位│淤沙高程│平均波长│波高 h1%│┝━┿━━━━┿━━┿━━━━┿━━━━┿━━━━┿━━━━┿━━━━┥│ 1│正常状况│不计│ 905.700│ 855.700│ 842.200│ 9.834│ 1.151││ 2│设计状况│不计│ 907.320│ 859.800│ 842.200│ 9.834│ 1.151││ 3│校核状况│不计│ 909.920│ 861.150│ 842.200│ 7.116│ 0.768││ 4│偶然状况│计及│ 905.700│ 855.700│ 842.200│ 9.834│ 1.151│┕━┷━━━━┷━━┷━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━━━┷━━━━┙荷载组合 1正常状况上游水位 905.700m 下游水位 855.700m 淤沙高程 842.200m ┍━━┯━━━━━━━┯━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┑│序号│荷载名称│垂直力(kN)│水平力(kN) │ M(kN²m) │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥│ 1 │坝体自重│ 61115.0 │ 0.0 │ 669756.0 ││ 2 │上游水平水压力│ 0.0 │ -30225.8 │ -790909.4 ││ 4 │下游水平水压力│ 0.0 │ 3984.1 │ 37848.8 ││ 5 │下游垂直水压力│ 3133.0 │ 0.0 │ -75283.5 ││ 6 │水平淤沙压力│ 0.0 │ -590.2 │ -2950.9 ││ 8 │浮托力│ -17613.9 │ 0.0 │ 0.0 ││ 9 │渗透压力│ -6597.2 │ 0.0 │ -92880.3 ││ 10 │浪压力│ 0.0 │ -38.0 │ -2996.4 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥││标准荷载合计│ 40036.9 │ -26869.9 │ -257415.7 │┝━━┿━━━━━━━━━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥荷载组合 2设计状况上游水位 907.320m 下游水位 859.800m 淤沙高程 842.200m┍━━┯━━━━━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┑│序号│荷载名称│垂直力(kN) │水平力(kN) │ M(kN²m) │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥│ 1 │坝体自重│ 61115.0 │ 0.0 │ 669756.0 ││ 2 │上游水平水压力│ 0.0 │ -31486.2 │ -840892.7 ││ 4 │下游水平水压力│ 0.0 │ 5212.8 │ 56646.2 ││ 5 │下游垂直水压力│ 4099.2 │ 0.0 │ -94096.6 ││ 6 │水平淤沙压力│ 0.0 │ -590.2 │ -2950.9 ││ 8 │浮托力│ -20147.8 │ 0.0 │ 0.0 ││ 9 │渗透压力│ -6270.0 │ 0.0 │ -88273.4 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥││标准荷载合计│ 38796.5 │ -26901.6 │ -302869.4 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥荷载组合 3校核工况上游水位 909.920m 下游水位 861.150m 淤沙高程 842.200m┍━━┯━━━━━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┑│序号│荷载名称│垂直力(kN) │水平力(kN) │ M(kN²m) │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥│ 1 │坝体自重│ 61115.0 │ 0.0 │ 669756.0 ││ 2 │上游水平水压力│ 0.0 │ -33562.9 │ -925442.3 ││ 4 │下游水平水压力│ 0.0 │ 5653.5 │ 63978.9 ││ 5 │下游垂直水压力│ 4445.8 │ 0.0 │ -100478.1 ││ 6 │水平淤沙压力│ 0.0 │ -590.2 │ -2950.9 ││ 8 │浮托力│ -20982.1 │ 0.0 │ 0.0 ││ 9 │渗透压力│ -6434.9 │ 0.0 │ -90595.5 ││ 10 │浪压力│ 0.0 │ -17.9 │ -1489.3 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥││标准荷载合计│ 38143.7 │ -28517.6 │ -387221.1 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥荷载组合 4偶然工况上游水位 905.700m 下游水位 855.700m 淤沙高程 842.200m 计地震┍━━┯━━━━━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━━┯━━━━━━━┑│序号│荷载名称│垂直力(kN) │水平力(kN) │ M(kN²m) │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥│ 1 │坝体自重│ 61115.0 │ 0.0 │ 669756.0 ││ 2 │上游水平水压力│ 0.0 │ -30225.8 │ -790909.4 ││ 4 │下游水平水压力│ 0.0 │ 3984.1 │ 37848.8 ││ 5 │下游垂直水压力│ 3133.0 │ 0.0 │ -75283.5 ││ 6 │水平淤沙压力│ 0.0 │ -590.2 │ -2950.9 ││ 8 │浮托力│ -17613.9 │ 0.0 │ 0.0 ││ 9 │渗透压力│ -6597.2 │ 0.0 │ -92880.3 ││ 10 │浪压力│ 0.0 │ -38.0 │ -2996.4 ││ 11 │水平地震惯性力│ 0.0 │ -2139.0 │ -72179.4 ││ 13 │上游地震动水压力│ 0.0 │ -982.3 │ -35472.3 ││ 14 │下游地震动水压力│ 0.0 │ -129.5 │ -1697.5 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥││标准荷载合计│ 40036.9 │ -30120.7 │ -366764.9 │┝━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━━┿━━━━━━━┥按《混凝土重力坝设计规范》(SDJ21-78)计算抗剪安全系数公式：K1＝f∑W／∑P，式中：基岩抗剪摩檫系数f＝0.800抗剪断安全系数公式：K2＝(f'∑W＋cA)／∑P，式中：基岩抗剪断摩檫系数 f'＝1.050 基岩凝聚力 c'＝0.900Mpa，坝基单宽截面积 A＝63.000m^2坝基上、下游面垂直正应力公式：σy＝∑W／T±6∑M／T^2式中：坝基截面长T＝63.000m计算成果汇总表┍━━━━━━━━┯━━━━━┯━━━━┯━━━━━━┯━━━━━━┑│名称│组合 1 │组合 2 │组合 3 │组合 4 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│上游水位(m) │ 905.700 │907.320 │ 909.920 │ 905.700 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│下游水位(m) │ 855.700 │859.800 │ 861.150 │ 855.700 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│淤沙高程(m) │ 842.200 │842.200 │ 842.200 │ 842.200 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│地震情况│不计│不计│不计│计及│┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│垂直力∑W(kN) │ 40036.9 │38796.5 │ 38143.7 │ 40036.9 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│水平力∑P(kN) │ -26869.9 │-26901.6│ -28517.6 │ -30120.7 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│力矩∑M(kN²m)│-257415.7 │-302869 │ -387221.1 │ -366764.9 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│抗剪安全系数 k1│ 1.192 │ 1.154 │ 1.070 │ 1.063 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│抗剪断安全系数k2│ 3.675 │ 3.622 │ 3.393 │ 3.278 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│上游面σy (MPa) │ 0.246 │ 0.158 │ 0.020 │ 0.081 │┝━━━━━━━━┿━━━━━┿━━━━┿━━━━━━┿━━━━━━┥│下游面σy (MPa) │ 1.025 │ 1.074 │ 1.191 │ 1.190 │┕━━━━━━━━┷━━━━━┷━━━━┷━━━━━━┷━━━━━━┙由以上各表分析可知在各工况抗剪安全系数均大于1满足稳定要求，抗剪断安全系数均大于3满足稳定要求，上游面σy均大于零，不产生拉应力，满足设计要求。