大工14春《水工建筑物课程设计》作业答案

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《水工建筑物课程设计》

题

学 学

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

本设计仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况：

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。

1.3大坝设计概况

1.3.1工程等级

本水库死库容0.3亿m3，最大库容未知，估算约为5亿m3左右。根据现行《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180-2003），按水库总库容确定本工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型水库。枢纽主要建筑物挡水、泄水、引水系统进水口建筑物为2级建筑物，施工导流建筑物为3级建筑物。 1.3.2坝型确定

坝型选择与地形、地质、建筑材料和施工条件等因素有关。确定本水库大坝为混凝土重力坝。 1.3.3基本剖面的拟定

重力坝承受的主要荷载是水压和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度要求。由于作用于上游面的水压力呈三角形分部，所以重力坝的基本剖面是三角形，根据提供的资料，确定坝底宽度为43.29m（约为坝高的0.8倍），下游边坡m=0.8，上游面为铅直。

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4.80m。 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。 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C15、W4、F100厚3.00m的混凝土。 (2)下游水位变化区的坝体表层采用C15、W8、F200厚3.00m的混凝土。 (3)上、下游最低水位以下坝体表层采用C20、W10、F100厚3.00m的混凝土。 (4)坝体靠近基础的底部采用C20、W10、F200厚8.00m的混凝土，满足强度要求。 (5)坝体内部采用C10、W2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。

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。

设计洪水位坝体尺寸与荷载

（m）

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γ坝址处为γ

ω

(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

ω

H1，排水孔线上为γ

ω

H2+ γ

ω

△H，

H2，其间均以直线连接，扬压力折减系数 =0.25。

(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hs=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γ重度γ

sd取

13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°，泥沙的浮γ

ω

sb=γsd-(1-n)

=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Psk=1/2γsbhs

2

tan2（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hs=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。计算风速取重现期为50年的年最大风速23m/s，风区长度取2600m，按鹤地水库试验公式gh2%/v02=0.00625v0(1/6)(gD/v02)(1/3)和gLm/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Lm=14.45m，经查表求得h1%=2.25m。

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=5.19m。 因为坝前水深H=82.50-31.00=51.50m，H＞Hcr和H＞Lm/2，发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γ

ω

Lm(h1%+hz)计算。

波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth(πH/Lm)=1.10m。 防浪墙顶高程为：82.50+h1%+hz+hc=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

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。

校核洪水位坝体尺寸与荷载

（m）

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γ坝址处为γ

ω

(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

ω

H1，排水孔线上为γ

ω

H2+ γ

ω

△H，

H2，其间均以直线连接，扬压力折减系数 =0.25。

(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hs=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γ沙的浮重度γ

sd取

13.5KN/m3，孔隙率n取0.42，内摩擦角φs取18°，泥γ

ω

sb=γsd-(1-n)

=13.5-(1-0.42) ×10=7.7 KN/m3。单位长度大坝迎水

sbhs

2

面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γ

tan2（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hs=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gLm/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Lm=9.45m，经查表求得h1%=1.12m。

使波浪破碎的临界水Hcr=Lm/(4π)ln[(Lm+2πh1%)/(Lm-2πh1%)]=1.45m。 因为坝前水深H=84.72-31.00=53.72m，H＞Hcr和H＞Lm/2，发生深水波，单位长度大坝迎水面上的浪压力值按公式Pwk=1/4γ

ω

Lm(h1%+hz)计算。

波浪中心至计算静水位的高度hz=πh1%2/Lmcth(πH/Lm)=0.42m。

防浪墙顶高程为：84.72+h1%+hz+hc=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

挡水坝段荷载计算成果

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

表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表

2.4 挡水坝段建基面抗滑稳定计算

沿坝轴线方向取1m长进行抗滑稳定分析计算。

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*19778+650*43.12)/13044=3.44＞[K′]=3.0，满足抗滑稳定要求。

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*19372+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

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： δδ

u

22

y=∑W/B+6∑M/B=19778/43.12+6*（-79461）/43.12=202.27(KPa)＞0，满

足要求。

d

2

（-79461）/43.122=715.09(KPa)＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=19778/43.12-6*

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-Puu-δuy)m1=(51.5*10-51.5*10-202.27) *0=0(KPa)。

τd=(δdy+Pdu-P′)m2=(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.8=572.07(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：

δδ

u

uuu2

x=(P-Pu)-(P-Pu-δy)m1=(51.5*10-51.5*10)- (51.5*10-51.5*10-202.27)*0

=0(KPa)。

dx=( P

′

-Pdu)+ (δ

d

′d2

y+Pu-P)m2=(14.5*10-14.5*10)+ (715.09+14.5*10

-14.5*10)*0.82=457.66(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： δδδ δ

δδ

u

2uu2

1=(1+m1)δy-(P-Pu)m1=(1+0)*202.27 -(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa)，

满足要求。

ud

u

2= P-Pu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。

′2dd222

1=(1+m2)δy - (P-Pu)m2=(1+0.8)* 715.09-(14.5*10-14.5*10) *0.8

=1172.75(KPa)，满足要求。

d2= P

′

-Pdu=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：

u

22

y=∑W/B+6∑M/B=29227/43.12+6*（-46139）/43.12=528.92(KPa)＞0，满

足要求。

d

2

（-46139）/43.122=826.69(KPa)＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=29227/43.12-6*

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=(Pu-δuy)m1=(51.5*10-528.92)*0=0(KPa)。

τd=(δdy–Pd)m2=(826.69-14.5*10)*0.8=545.35(KPa)，满足要求。 (7)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

δδδδδ求。

δ

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： δδ

u

22

y=∑W/B+6∑M/B=19372/43.12+6*（-106966）/43.12=104.08(KPa)＞0，满d2= P

′

ud

x=Px=P

ud

-(Pu-δ+(δ

d

u

y)m1d

2

=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0 =515.00(KPa)，满足要求。

y-P

)m22=14.5*10+ (826.69-14.5*10)*0.82=581.28(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：

u

2uu2

1=(1+m1)δy- P *m1=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10) *0=528.92(KPa)，满

足要求。

ud

2= P =51.5*10=515.00(KPa)，满足要求。

2dd222

1=(1+m2)δy-P*m2=(1+0.8)* 826.69-14.5*10*0.8=1262.97(KPa)，满足要

=14.5*10=145.00(KPa)，满足要求。

足要求。

dy=

∑W/B-6∑M/B=19372/43.12-6*（-106966）/43.12=794.43(KPa)＜

22

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-Puu-δuy)m1=(53.72*10-53.72*10-104.08) *0=0(KPa)。

τd=(δdy+Pdu-P′)m2=(794.43+15.45*10-15.45*10)*0.8=635.54(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： δδ

u

uuu2

x=(P-Pu)-(P-Pu-δy)m1=(53.72*10-53.72*10)- (53.72*10-53.72*10-

104.08)*0=0(KPa)。

dx=( P

′

-Pdu)+ (δ

d

′d2

y+Pu-P)m2=(15.45*10-15.45*10)+ (794.43+15.45*10

-15.45*10)*0.82=508.44(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： δδδ δ

δδ

u

2uu2

1=(1+m1)δy-(P-Pu)m1=(1+0)*104.08 -(53.72*10-53.72*10)*0=104.08

(KPa)，满足要求。

ud

u

2= P-Pu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。

′2dd222

1=(1+m2)δy - (P-Pu)m2=(1+0.8)* 794.43-(15.45*10-15.45*10) *0.8

=1302.87(KPa)，满足要求。

d2= P

′

-Pdu=15.45*10-15.45*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：

u

22

y=∑W/B+6∑M/B=29341/43.12+6*（-72493）/43.12=446.52(KPa)＞0，满

足要求。

d

2

（-72493）/43.122=914.38(KPa)＜1430Kpa，y=∑W/B-6∑M/B=29341/43.12-6*

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=(Pu-δuy)m1=(53.72*10-446.52)*0=0(KPa)。

τd=(δdy–Pd)m2=(914.38-15.45*10)*0.8=607.90(KPa)，满足要求。 (7)当计入扬压力时，建基面上、下游边缘水平正应力分别为：

δδ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： δδδ

u

2uu2

1=(1+m1)δy- P *m1=(1+0)*446.52-(53.72*10-53.72*10) *0=446.52(KPa)，ux=Pu

-(Pu-δ+(δ

d

u

y)m1d

2

=53.72*10-(53.72*10-446.52)*0 =537.20(KPa)，满足要求。

d

x=P

d

y-P

)m22=15.45*10+ (914.38-15.45*10)*0.82=640.82(KPa)，满足要

满足要求。

u

2= P =53.72*10=537.20(Kpa)，满足要求。 2dd22

1=(1+m2)δy-P*m2=(1+0.8)* d

914.38-15.45*10*0.82=1400.70(KPa)，满足

要求。

δ

挡水坝段坝体稳定应力计算计算成果

本设计荷载仅分析基本组合(2)及特殊组合(1)两种情况，坝体稳定应力计算成果见表四，正常工况考虑自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力，非正常工况不计入扬压力。

表四:坝体稳定应力计算成果表

d2= P

′

=15.45*10=154.50(KPa)，满足要求。