大工《水工建筑物课程设计》

网络教育学院《水工建筑物课程设计》

题目：水库混凝土重力坝设计

学习中心：

专业：

年级：

学号：

学生：

指导教师：

1 项目基本资料

1.1 气候特征

根据当地气象局50年统计资料，多年平均最大风速14 m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位2.6 km，校核洪水位3.0 km 。

最大冻土深度为1.25m。

河流结冰期平均为150天左右，最大冰厚1.05m。

1.2 工程地质与水文地质

1.2.1坝址地形地质条件

（1）左岸：覆盖层2～3m，全风化带厚3～5m，强风化加弱风化带厚3m，微风化厚4m。

（2）河床：岩面较平整。冲积沙砾层厚约0～1.5m，弱风化层厚1m左右，微风化层厚3～6m。坝址处河床岩面高程约在38m左右，整个河床皆为微、弱风化的花岗岩组成，致密坚硬，强度高，抗冲能力强。

（3）右岸：覆盖层3～5m，全风化带厚5~7m，强风化带厚1～3m，弱风化带厚1～3m，微风化厚1～4m。

1.2.2天然建筑材料

粘土料、砂石料和石料在坝址上下游2~3km均可开采，储量足，质量好。粘土料各项指标均满足土坝防渗体土料质量技术要求。砂石料满足砼重力坝要求。

1.2.3水库水位及规模

①死水位：初步确定死库容0.30亿m3，死水位51m。

②正常蓄水位：80.0m。

注：本次课程设计的荷载作用只需考虑坝体自重、静水压力、浪压力以及扬压力。

表一

基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

2 设计及计算内容

2.1 坝高计算

据大坝特性表资料，坝高H=坝顶高程-坝底高程=84.90-31.00=53.90m,为中坝。

2.2 挡水坝段剖面设计

2.2.1 坝顶构造设计

坝顶宽度取8%～10%坝高，且不小于3m，设计坝顶宽度取5.0m。

坝顶上游设置防浪墙，墙身采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，高度取1.35m(按设计洪水位计算)，宽度取0.50m, 坝顶下游侧设拦杆,栏杆高取1.3m。

2.2.2 坝底宽度计算

根据大坝特性表资料，坝底宽度T=（84.90-31.00）×0.8=43.12m。

2.2.3 坝体检查排水廊道、排水管幕设计

为了便于检查、观测和排除坝体渗水，在坝体高程65.00处设一检查兼作排水用的廊道，廊道断面采用城门洞形，宽度取1.5m，高度取2.5m，其上游侧至上游坝面的距离取0.05～0.07倍作用水头，且不小于3m，设计取4.00m。

为了减小坝体的渗透压力，靠近上游坝面设置排水管幕，排水管幕至上游坝面的距离取1/15～1/25倍作用水头，且不小于2m，设计取3.00m，间距取2.50m，管径取200mm，排水管幕做成铅直，与纵向排水检修廊道相通，渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，排水管幕上端通至坝顶。

2.2.4 坝基灌浆排水廊道设计

坝基灌浆排水设置在上游坝踵处，廊道上游侧距上游坝面的距离取0.05～0.1倍作用水头，且不小于4～5m，设计取4.0m，廊道断面采用城门洞形，宽度取3.00m，高度取3.50m，廊道上游侧设排水沟，下游侧设排水孔及扬压力观测孔，廊道底面距离基岩面不小于1.5倍廊道宽度，设计取4.00m。

为减少坝基渗漏，防止较大渗流对坝基产生渗透破坏，减小坝基底面的防渗扬压力，提高坝体的抗滑稳定性，在廊道上游侧布置一排帷幕灌浆，帷

幕灌浆深度取0.05～0.07倍作用水头，帷幕灌浆深度设计取20.00m。灌浆帷幕中心线距上游坝面 4.50m。帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土后进行，灌浆压力表层不宜小于 1.0～1.5倍坝前静水头，取60m*10KN/m3=600KPa；在孔低不宜小于2～3倍坝前静水头，取130m*10KN/m3=1300KPa。

为了充分降低坝底扬压力和排除基岩渗水，在廊道下游侧布置一排排水孔幕，排水孔深度为帷幕灌浆深度的0.4～0.6倍，且坝高50m以上的深度不小于10m，排水孔深度设计取10.00m，孔距取2.50m，孔径取200mm，排水孔略向下游倾斜，与帷幕灌浆成10°交角。排水孔中心线距帷幕中心线2.00m。

2.2.5 地基处理

基岩开挖的边坡必须保持稳定，两岸岸坡尽量开挖成有足够宽度的台阶状，以确保坝体的侧向稳定。对于靠近坝基面的缓倾角软弱夹层，埋藏不深的溶洞、溶浊面应尽量挖除。开挖至距利用岩面0.5～1.0m时，应采用手风钻钻孔，小药量爆破，以免产生裂隙或增大裂隙。遇到易风化的页岩、黏土岩时，应留0.2～0.3m的保护层，待浇筑混凝土前再挖除。坝基应清到比较坚硬完整的完整的岩面，基面平整、水平即可，地基开挖后，在浇筑混凝土前，必须彻底清理、冲洗和修凿,风化、松动、软弱破碎的岩块都要清除干净，突出的尖角要打掉，光滑的岩面要凿毛，并用水冲洗干净，基岩表面不得残留有泥土、石渣、油渍等其它污物，排除基岩面上全部积水，基坑内原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。

2.2.6 坝体材料分区

(1)上、下游最高水位以上坝体表层采用C

15、W

4

、F

100

厚3.00m的混凝土。

(2)下游水位变化区的坝体表层采用C

15、W

8

、F

200

厚3.00m的混凝土。

(3)上、下游最低水位以下坝体表层采用C

20、W

10

、F

100

厚3.00m的混凝土。

(4)坝体靠近基础的底部采用C

20、W

10

、F

200

厚8.00m的混凝土，满足强度

要求。

(5)坝体内部采用C

10、W

2

低热混凝土。

2.3 挡水坝段荷载计算

本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况。

3.1 荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3，因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。

(2)静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。

(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为γωH1，排水孔线上为γωH2+αγω

H2，其间均以直线连接，扬压力折减系数α=0.25。

△H，坝址处为γ

ω

(4)泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m，大坝迎水面前泥沙的淤积高度h s=51.0-31.0=20.0m，水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度γsd取13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取

18°，泥沙的浮重度γsb=γsd-(1-n) γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式P sk=1/2γsb h s2tan2（45°-φs/2）。坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度h s=38.00-31.00=7.00m，除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。

2600m，按鹤地水库试验公式gh2%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gL m/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=2.07m，平均波长L m=14.45m，经查表求得h1%=2.25m。

使波浪破碎的临界水H

=L m/(4π)ln[(L m+2πh1%)/(L m-2πh1%)]=5.19m。

cr

和H＞L m/2，发生深水波，因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m，H＞H

cr

单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P wk=1/4γωL m(h1%+h z)计算。

波浪中心至计算静水位的高度h z=πh1%2/L m cth(πH/L m)=1.10m。

防浪墙顶高程为：82.50+h1%+h z+h c=82.5+2.25+1.10+0.40=86.25m。

上述荷载计算见计算表。

重力坝基本荷载组合计算表

3.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)自重。坝体断面分为一个三角形和一个矩形分别计算，混凝土容重采用24KN/m3，因廊道尺寸较小，计算自重时不考虑。

(2)静水压力。静水压力包括上下游的水平水压力和下游斜坡上的垂直水压力。

(3)扬压力。坝踵处的扬压力强度为γωH1，排水孔线上为γωH2+αγω△H，坝址处为γ

H2，其间均以直线连接，扬压力折减系数α=0.25。

ω

(4)泥沙压力。大坝迎水面前泥沙的淤积高度计算至死水位51m，大坝迎水面前泥沙的淤积高度h s=51.00-31.00=20.00m，水平泥沙压力在垂直方向上呈三角形分布，泥沙干重度γsd取13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°，泥沙的浮重度γsb=γsd-(1-n) γω=13.5-(1-0.42)×10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式P sk=1/2γsb h s2tan2（45°-φ

/2）。坝址处河床岩面高程约在38m左右，大坝背水面前泥沙的淤积高度s

h s=38.00-31.00=7.00m，除计算水平泥沙压力外还应计算竖直泥沙压力，其值按泥沙浮重度与泥沙体积的乘积求得。

(5)浪压力。计算风速取多年平均最大风速14m/s，风区长度取3000m，按鹤地水库试验公式gh2%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gL m/v02=0.0386(gD/v02)(1/2)计算得累积频率为2%的波高h2%=1.03m，平均波长L m=9.45m，经查表求得h1%=1.12m。

=L m/(4π)ln[(L m+2πh1%)/(L m-2πh1%)]=1.45m。

使波浪破碎的临界水H

cr

和H＞L m/2，发生深水波，因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m，H＞H

cr

单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式P wk=1/4γωL m(h1%+h z)计算。

波浪中心至计算静水位的高度h z=πh1%2/L m cth(πH/L m)=0.42m。

防浪墙顶高程为：84.72+h1%+h z+h c=84.72+1.12+0.42+0.30=86.56m。大坝特性表资料提供的坝顶高程不足。

上述荷载计算见计算表。

重力坝特殊荷载组合计算表

本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况，荷载组合作用计算成果见表二和表三。

表二：坝体基本荷载组合作用计算成果

沿坝轴线方向取1m长进行抗滑稳定分析计算。

4.1 荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f′=0.85，C′=0.65MPa，基岩允许抗压强度取1430KPa。

建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K′= (f′∑W+ C′A)/∑P =(0.85*19808+650*43.12)/13044=3.44＞[K′]=3.0，满足抗滑稳定要求。

4.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

参照类似工程资料，微、弱风化的花岗岩抗剪断摩擦系数及黏聚力分别取f′=0.85，C′=0.65MPa，基岩允许抗压强度取1430KPa。

建基面抗滑稳定根据抗抗剪断强度公式计算得：K′= (f′∑W+ C′A)/∑P

=(0.85*19402+650*43.12)/13984=3.18＞[K′]=2.5，满足抗滑稳定要求。

2.5 挡水坝段建基面边缘应力计算和强度校核

5.1 荷载基本组合(2)为设计洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

δu y=∑W/B+6∑M/B2=19808/43.12+6*（-79110）/43.122=204.02(KPa)＞0，满足要求。

δd y=∑W/B-6∑M/B2=19808/43.12-6*（-79110）/43.122=714.65(KPa)＜1430Kpa，满足抗压强度要求。

(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：

τu=(P-P u u-δu y)m1=(51.5*10-51.5*10-204.02) *0=0(KPa)。

τd=(δd y+P d u-P′)m2=(714.65+14.5*10-14.5*10)*0.8=571.72(KPa)，满足要求。

(3)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

δu x=(P-P u u)-(P-P u u-δu y)m12=(51.5*10-51.5*10)- (51.5*10-51.5*10-204.02)*0

=0(KPa)。

δd x=( P′-P d u)+ (δd y+P d u-P′)m22=(14.5*10-14.5*10)+ (714.65+14.5*10

-14.5*10)*0.82=457.38(KPa)，满足要求。

(4)当计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：

δu1=(1+m12)δu y-(P-P u u)m12=(1+0)*204.02 -(51.5*10-51.5*10)*0=204.02(KPa)，满足要求。

δu2= P-P u u=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。

δd1=(1+m22)δd y - (P′-P d u)m22=(1+0.82)* 714.65-(14.5*10-14.5*10) *0.82

=1172.03(KPa)，满足要求。

δd2= P′-P d u=14.5*10-14.5*10=0(KPa)。

(5)当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

δu y=∑W/B+6∑M/B2=29257/43.12+6*（-46239）/43.122=529.29(KPa)＞0，满足要求。

δd y=∑W/B-6∑M/B2=29257/43.12-6*（-46239）/43.122=827.71(KPa)＜1430Kpa，满足抗压强度要求。

(6)当不计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：

τu=(P u-δu y)m1=(51.5*10-529.29)*0=0(KPa)。

τd=(δd y–P d)m2=(827.71-14.5*10)*0.8=546.17(KPa)，满足要求。

(7)当不计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

δu x=P u-(P u-δu y)m12=51.5*10-(51.5*10-529.29)*0 =515.00(KPa)，满足要求。

δd x=P d+(δd y-P d)m22=14.5*10+ (827.71-14.5*10)*0.82=581.93(KPa)，满足要求。

(8)当不计入扬压力时，建基面上、下游上游边缘主应力分别为：

δu1=(1+m12)δu y- P u*m12=(1+0)*529.29-(51.5*10-51.5*10) *0=529.29(KPa)，满足要求。

δu2= P =51.5*10=515.00(KPa)，满足要求。

δd1=(1+m22)δd y-P d*m22=(1+0.82)* 827.71-14.5*10*0.82=1264.64(KPa)，满足要求。

δd2= P′=14.5*10=145.00(KPa)，满足要求。

5.2荷载特殊组合(1)为校核洪水位情况，其荷载组合为：自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力。

(1)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘垂直正应力分别为：

δu y=∑W/B+6∑M/B2=19402/43.12+6*（-106615）/43.122=105.51(KPa)＞0，满足要求。

δd y=∑W/B-6∑M/B2=19402/43.12-6*（-106615）/43.122=794.00(KPa)＜1430KPa，满足抗压强度要求。

(2)当计入扬压力时，建基面上、下上游面剪应力分别为：

τu=(P-P u u-δu y)m1=(53.72*10-53.72*10-105.51) *0=0(KPa)。