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1、水利水电工程专业专项设计说明书水 工 建 筑 物 课 程设计题目： 重力坝设计（西山水利枢纽） 班 级： 水电1141 姓 名 韩 磊 指导教师： 边 军 长春工程学院水利与环境工程学院水 工 教 研 室2013 年 3 月 3日55目录1 挡水坝段11.1 剖面轮廓及尺寸11.1.1 坝顶高程的确定11.2 坝体稳定应力分析41.2.1 挡水坝段荷载计算41.2.2 稳定验算181.2.3 坝基面应力计算191.2.4 坝体内部应力的计算252 溢流坝段342.1 孔口尺寸和泄流能力342.1.1 确定孔口尺寸和孔口数量342.1.1.2溢流坝最大高度和坡度的拟定。352.1.2 泄洪能力的
2、验算352.2 检修门槽空蚀性能验算372.2.1校核洪水位时堰顶压力验算372.2.2 平板门门槽空蚀验算372.3 溢流坝曲面设计372.3.1 上游前缘段计算372.3.2顶部曲线段382.3.3 中间直线段382.3.4 反弧段382.3.5 桥面布置392.4 堰面水深的校和计算402.4.1堰面水深计算402.4.2 直线段水深计算412.4.3 反弧段水深计算412.4.4 渗气后水深计算422.5 消力池的计算422.5.1判断消能方式422.5.2 判断是否要修消力池422.5.3 消力池尺寸的计算432.5.4 基本组合(2)442.6 溢流坝算段的稳定、应力计482.6.
3、1 荷载计算482.6.2 稳定验算522.6.3 坝基面应力计算532.6.4 坝体内部应力的计算543、设计参考资料55谢辞551 挡水坝段1.1 剖面轮廓及尺寸1.1.1 坝顶高程的确定由于设计洪水位低于正常洪水位，故取正常洪水位和校核洪水位作为控制情况。坝底高程取挡水坝段最低点440.00m，坝顶高程为正常蓄水位480.00 m，校核洪水位481.0 m，确定静水面以上的高度h后，加上相应水位，取二者之间较大的作为水库坝顶高程。公式： 教材水工建筑物356 教材水工建筑物24 教材水工建筑物25= hl2/L 教材水工建筑物26式中：h 静水面以上最低高度，m；hl 波浪爬高高度，m；
4、hz 波浪中心线至静水位的高度，m；L 波长，m；H 坝前水深，以m计；V0 计算风速,m/s,水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均风速的1.52.0倍；校核洪水位时,宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值，多年平均值为11.7 m/s；D 库面的波浪吹程,km，本库区吹程为1KM；hc 安全超高（m），据三级建筑物查教材P78表3-10，正常蓄水位为0.4 m；校核洪水位为0.3 m。1、正常蓄水位： hz = hl2/L= 0.7492/8.253= 0.214m m因此设计蓄水位时坝顶高程=480.0+1.363=481.363 m2、校核洪水位： hz = hl2/L
5、= 0.3592/4.583= 0.135 m因此校核洪水位时坝顶高程= 481.0+0.794 = 481.794 m取1、2两种情况的最大值为481.794m，取整最后坝顶高程取为482.00m。挡水坝段的剖面设计基本剖面如下图11所示图11根据基本假定，运用材料力学公式计算坝底应力，坝踵处应力为0，得到如下式 水工建筑物上册（张光斗、王光纶著）对于重力坝沿坝基面的抗滑稳定性，对于初选坝面的初略计算，采用较为简单的抗剪强度公式，对于图示基本剖面有： 水工建筑物上册（张光斗、王光纶著）同时由折减前后扬压力相等，有下式：H=H2B+1/21(H1-H2)*(1-)B+1(H1-H2)B+1/2
6、(1-1)(H1-H2)B符号意义：B 坝底宽，(米)；H 坝高，(米)；H1、H2上下游水位 上游坝坡的水平宽度与坝底宽的比值=nH/B；n 上游坝面坡度比； 水的容重，取9.8KN/m3；h 混凝土的容重，取24 KN/m3； 扬压力的折减系数，河床坝段 = 0.20.3， 岸坡坝段 = 0.30.5；f 混凝土与基岩之间的摩擦系数，一般取0.50.8之间；Ks 抗滑稳定安全系数，基本组合1.05，特殊组合1.00。其中，坝高为，440为坝底开挖线高程，查工程地质图得到。根据已建工程实例，廊道的最小宽度22.5m取2.5m。距离坝踵最小距离4m，取坝内廊道距坝踵6.0m。联立以上三个方程，
7、解得，B31.0m。 上游坡度为 1：n，即n= B/H = 0.0131.0430.001，由于其值较小，为施工方便，将坝体上游面作成铅直面，故视为边坡为垂直，即上游坝坡坡率为n=0。下游坡度为1：m，即m=B/H=31.0/43 0.73,本设计取0.70。坝顶宽度参照设计说明书解说，取实用坝面坝顶宽度12m，其图如后所示。1.2 坝体稳定应力分析1.2.1 挡水坝段荷载计算本工程计算荷载组合情况说明参见说明书。荷载组合分三种情况：基本组合 正常蓄水位情况；特殊组合 正常蓄水位 + 地震情况;特殊组合 校核洪水位情况。基本组合（1）正常蓄水位情况: 上游水位481.00m，下游水位取正常尾
8、水位452.00 m荷载组合:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力特殊组合（1）校核洪水位情况：上游水位482.00 m，下游水位取正常尾水位460.30m荷载组合:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力特殊组合（2）正常蓄水位+地震情况：荷载组合:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震荷载正常蓄水位和校核洪水位荷载分布分别为图12、图13所示：图12 正常蓄水位时的荷载分布图 单位：m图13 校核洪水位时的荷载分布图 单位：m正常蓄水位时各项荷载计算公式如下，取1 m坝长进行分析1、自重：将坝体分为一个三角形和一个长方形，混凝土容重在设计阶段取24 KN/m3 ,廊道自重不计。
9、则 W = = =18284.57KN弯矩：M = =60246.29KN.m2、静水压力：指上游面水平水压力P1和下游面的水平水压力P2，以及下游面垂直水压力G,下游尾水位取多年平均值 452.00 m，(即不泄洪情况，对坝体稳定较不利)。上游水位差，下游水位差。则 = =7840KN= = 705.6KN= = 493.92KN弯矩: M = = =113391.4KN.m3、浪压力：由确定坝顶高程可知，在正常蓄水位时波长，坝前水深为。则HL/2,波浪运动不受库底约束，属于深水波，深水波的浪压力计算公式为： 教材水工建筑物28=6.65KN下游水较浅忽略不计弯矩：M=(=150.86KN.
10、m式中：hl 波高，m； hz 波浪中心线高于静水面的高度，m。4、泥沙压力： 教材水工建筑物211= =1406.38KN弯矩: =11251.03KN.m式中：Ps 坝面每米宽度上的水平泥沙压力，KN/ m；sb 淤沙的浮容重，KN/ m3，泥沙饱和容重为18 KN/m3,浮容重取8KN/。hs 坝段前泥沙淤积厚度，m。泥沙淤积高程已知为 464.0 m，泥沙厚度为； 淤沙的内摩擦角，已知。5、扬压力：坝踵处扬压力为坝址处扬压力为，则、,.因为有帷幕及排水孔需将扬压力进行折减混凝土重力坝设计规范(SDJ2178)建议河床坝段，共分六块进行计算：第一块：U1为浮托力，长方形，117.6 第二
11、块：U2为长方形，56.84 =369.46KN第三块：U3为三角形， 第四块：U4为长方形，（127.89-56.84） =284.2KN 第五块：KN第六块：所以总的扬压力为U =5396.98KN弯矩为：其中M=0= 4359.63KN.m=266.91KN.m= 3708.81KN.m= 907.64KN.m= 4289.15KN.m所以有 M扬=13532.14KN.m6、地震荷载：地震荷载分地震惯性力和地震动水压力、动土压力等，对于中坝，只进行地震惯性力和水的动水压力，对于动土压力、扬压力、坝前泥沙压力的影响为简单，可以不予计算。查水工建筑物抗震设计规范，8级以下地震无须计算竖向惯
12、性力。本工程烈度为7级，不予计入竖向地震惯性力。1）地震惯性力： 教材水工建筑物31式中：Q0 水平向总地震惯性力KH 水平向地震系数，为地面水平最大加速度的统计平均值与重力加速度的比值，当设计烈度为7度时，KH 取0.1；C2 综合影响系数，可取0.25； F 地震惯性力系数，查教材水工建筑物按表31取F=1.3；W 产生地震惯性力的建筑物总重量，KN，；W = =18284.57KN则 ；为了计算地震惯性力对基础中心矩，将坝分成7段，如图14所示，分别计算各段的地震惯性力Pi及力矩。Pi = Q0 教材水工建筑物32式中：Wi 集中在质点i的重量，KN；i 地震惯性力分布系数，按教材水工建
13、筑物表31选用；n 计算质点的总数。图14 地震荷载分布图 单位：m由于地震惯性力按竖直方向重力不同而分布不均。现将混凝土重力坝挡水坝分为3块。分别计算惯性力并求出各自弯矩得：= 10836KN=2189.81KN=6372.72KN=6055.26KN =2774.78KN=971.37KN所以Wi i=29199.94KN。所以 P1=10836/29199.94x706.02=262.00KNP2=2189.81/29199.94x706.02=52.95KNP3=6372.72/29199.94x706.02=154.08KNP4=6055.26/29199.94x706.02=146.41KNP5=2774.78/29199.94x706.02=67.09KNP6=971.37/29199.94x706.02=23.
