水工建筑物课程设计.pdf
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1、目录第一章基本资料1第二章坝体坡面拟定7第一节坝体坡面拟定7第二节荷载计算10第三章抗滑稳定分析13第四章应力分析15第五章细部结构设计16第六章地基处理与两岸连接24第一节地基处理24第二节重力坝与两岸连接26华北水利水电学院学生设计纸(一)工程概况第一章基本资料顺河水量丰沛,顺河中游与豫运河上游的礼河、还乡河分水岭均较单薄,并处于低山丘陵区,最窄处仅 10 余公里。通过礼河、洲河及输水渠道,可通向唐山市;经还乡河、陡河可通秦皇岛市。为解决唐山市、秦皇岛市两地区用水,国家决定修建顺河水库。顺河水库位于河北省唐山、承德两地区交界处,坝址位于迁西县扬岔子村的顺河干流上,控制流域面积33700 平
2、方公里,总库容为25.5 亿立方米。水库距迁西县城 35 公里,有公路相通。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成,水库主要任务是调节水量,供天津市和唐山地区工农业及城市人民生活用水,结合引水发电,并兼顾防洪要求,尽可能使其工程提前竣工获得收益,尽早建成。根据水库的工程规模及在国民经济中的作用,枢纽定为一等工程,主坝为I 级建筑物,其他建筑物按 II 级建筑物考虑。(二)水文分析(1).年径流:顺河水量较充沛,顺河站多年平均年径流量为 24.5 亿立方米占全流域的 53%,年内分配很不均匀,主要集中在汛期七、八月份。丰水年时占全年 5060%,枯水年占 3040%,而且年际变化也很大。(2).洪
3、水:多发生在七月下旬至八月上旬,有峰高量大涨落迅速的特点,据调查近一百年来有六次大水,其中 1883 年最大,由红痕估算洪峰流量约为1华北水利水电学院学生设计纸2440027400m3/s,实测的 45 年资料中最大洪峰流量发生在 1962 年为18800m3/s。(3).泥沙:本流域泥沙颗粒较粗,中值粒径0.0375 毫米,全年泥沙大部分来自汛期七、八月份,主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大,由计算得,多年平均悬移质输沙量为 1825 万吨多年平均含沙量 7.45 公斤/立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的 10%,这样总入库沙量为 2010 万吨。淤砂浮容量为 0.9 吨/立米,内
4、摩擦角为 12 度。淤砂高程 157.5 米。(三)气象(三)气象库区年平均气温为 10左右,一月最低月平均产气温为零下6.8,绝对最低气温达零下 21.7(1969 年)7 月份最高月平均气温 25,绝对最高达 39(1955 年),本流域无霜期较短(90180 天)冰冻期较长(120200 天),顺河站附近河道一般 12 月封冻,次年 3 月上旬解冻,封冻期约 70100 天,冰厚0.40.6 米,岸边可达 1 米,流域内冬季盛行偏北风,风速可达七八级,有时更大些,春秋两季风向变化较大夏季常为东南风,多年平均最大风速为21.5 米/秒,水库吹程 D=3 公里。(四)工程地质(四)工程地质库
5、区地质:顺河水库、库区属于中高山区,河谷大都为峡谷地形,只西城至北台子一带较为宽阔沿河两岸阶地狭窄,断续出现不对称,区域内无严重的坍岸及渗透问题。第四大岩层(Arl4)为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒千状花岗变晶结构,主要矿物为斜长石、石英及角闪石,本岩层体厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好,总厚度185 米左右。岩石物理力学性质:岩石容重2.682.70 吨/立米,饱和抗压强度,弱风化和微2华北水利水电学院学生设计纸分化岩石均在 650 公斤/厘米 2 以上,有的可达 1100 公斤/厘米 2 以上,混凝土与岩石的摩擦系数微分化及弱风化化下部,可取f=1.10、c=
6、7.5kg/cm。地震:库区附近历史地震活动较为频繁,近年来微繁。弱震任不断发生,其中1936 年和 1976 年两年内发生 6 度左右地震,1977 年 6 月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定,水库的基本烈度为6 度,考虑到枢纽的重要性,和水库激发地震的可能性 拦河坝设防烈度采用 7 度。(五)枢纽建筑物特性指标项目单位米米米米米米米米亿立米亿立米亿立米亿立米亿立米3指标227.2225.7224.7216.0180.0156.8152.0138.425.57.419.55.64.2备注校核洪水位设计洪水位水正常蓄水位汛期限制水位死水位(发电)位校核洪水位尾水位设计洪水尾水位正
7、常尾水位总库容库调洪库容兴利库容容共用库容死库容计入十年淤积计入十年淤积华北水利水电学院学生设计纸坝型坝顶溢孔数堰顶高程工作闸门尺寸启闭机(2)每孔净宽孔米米混凝土重力坝闸墩的中墩厚度为3 米1915.015 15193230042900160.045*7443404430170.0121.05.01043-5*734弧形钢闸门固定式卷扬机限泄 275003弧形闸门米 米台设计洪水下泄能力校核水位下泄量进口底高程底孔数目泄工作阀尺寸水启闭机米孔米*米台孔设计水位泄水能力米3/秒校核水位泄水能力米3/秒电站引水道水管道进口高程管线长度管径最大引水流量工作阀门工作阀门启闭机米米米米/秒米*米台三条
8、引水管道每条引水道华北水利水电学院学生设计纸平板检修闸门检修门启闭机电站主厂房尺寸机组间距水轮发电机组装机容量水轮机型号额定出力主要变压器型号输电线电压(六)坝型、坝址选择(1)坝型选择米*米台长*米*米5*8.51400/25 吨门机72*19.1*39.01633*6=18共 3 台米台万瓦HL720 LT-330万瓦SPL-800006.18220220千伏坝址地形地质条件,河谷断面比较宽浅,两岸不对称,坝址区域为花岗岩结构,岩体是厚层块状,质地均一,抗风化强,工程地质条件好,覆盖层及风化层较薄弱。建筑材料:经勘测,坝址附近有丰富的砂石料,但缺土料,只有很薄的表层堆积物。根据以上情况进行
9、综合分析如下:拱坝方案:河谷断面宽浅,不是 V 字型,两岸不对称,没有合适的地质条件,故该方案不可行。土石坝方案:坝址付近没有适宜的地形像溢洪道,若开挖溢洪道,则开挖量较大,并且当地土料比较缺乏,故也不可取。5华北水利水电学院学生设计纸重力坝方案:混凝土重力坝和浆砌石重力坝都不能充分利用当地的自然条件,泄洪问题容易解决,施工容易。浆砌石重力坝虽然节约水泥用量,但不能实现机械化施工、施工方便、速度快、缩短工期,故本工程采用混凝土重力坝。(2)坝址选择:经地形、地质勘测,综合考虑地质条件、施工条件、综合效益等情况,坝址位于迁西县杨岔村的顺河流上,控制流域面积33700 平方公里,总库容25.5 亿
10、立方米,水库距迁西县城 35 公里,有公路相通。(七)枢纽总体布置方案选择水库枢纽由主坝、电站及泄水孔等组成(1)溢流坝的布置:溢流坝的位置应使下泄洪水、排水时能与下游平顺连接,不致冲刷坝基和其他建筑物,溢流孔孔数 19 孔,净宽 15 米,中墩厚 3 米。(2)导流底孔布置:导流底孔宣泄期的流量一般应考虑与永久建筑物相组合,做到一孔多用,导流底孔孔数为 4,宽 44 米。(3)电站坝段布置:水电站厂房尽量布置在靠近用户的岸,且要布置在使出力最大的一岸,电站坝段 48 米,由 3 台水轮发电机组。(4)挡水坝段布置:非溢流坝一般布置在河岸部分与岸坡相连,非溢流坝与溢流坝或其他建筑物连接处,用导
11、墙、变强隔开。根据以上原则及尺寸,经分析 1/2 方案可选择,即:方案一6挡水坝溢流泄水坝坝溢流坝水电站挡水坝华北水利水电学院学生设计纸方案二挡水溢流有孔坝坡挡水坝坝坝方案一、方案二比较方案一:泄水孔布置在中间,在水库建成以后,它将承担排沙、放空水库使用,不是频繁使用,且开挖量大。方案二:溢流坝在中间,下泄洪水时,可以与主河槽水平顺连接且开挖量不大,故可采用。工程开挖量不大,且溢洪道泄水与主河槽平顺相连。第二章坝体坡面拟定第一节坝体坡面拟定(一)坝体坡面拟定从地形图可得拦水坝段的最底部高程为 127.5 米,故可据此确定最大坝高河坝顶高程。(1)坝顶高程应高于交河洪水位,把顶上游防浪墙顶高程高
12、于波浪高程,其与设计洪水位或校核洪水位的高差h 由下式确定:h=h1%+hz+hc其中:h-防浪墙顶呈设计洪水位或校核洪水位高差mh1%-累计频率为 1%时波浪高度 mhz-波浪中心线高出设计洪水位或校核洪水位高度 mhc-安全超高7华北水利水电学院学生设计纸由设计枢纽工程为一等,主坝为级建筑物,故计算的非溢流坝为级建筑物,查混凝土重力坝设计规范得安全超高,设计洪水位时为0.7m,校核洪水位时为 0.5m。坝顶上游防浪墙顶高程=设计洪水位+h 设坝顶或防浪墙顶高程=校核洪水位+h 校a:设计洪水情况风区长度 D=3 公里,计算风速 V0设计洪水情况下取的年平均风速的 1.5倍,为 V0=12.
13、5*1.5=18.75m/s.由于 gh5%/V02=0.0076 V0(1/-12)(gD/V02)1/3 V02/g 得h5%=0.0076*18.75(1/-12)(9.81*3000/18.752)1/3=0.94m由 gl/V02=0.331 V0-1/2.15(Gd/V02)1/3.75得L=9.89m波浪中心线呈计算水平的 高度h8=hl2/Lcth2H/L 因 HLcth2H/L1.0h1%=1.15mh8=h/L=3.14*1/9.89=0.426m因主坝为级建筑物,故取设计安全超高hc=0.7m坝顶高程=225.7+2.29=227.99mb 校核洪水位情况风区长度 D=3
14、 公里,计算风速 V0在校核洪水位情况的平均最大风速V0=12.5m/s波高:h5%=0.0076*12.55(1/-12)(9.81*3000/12.52)1/3=0.56m8华北水利水电学院学生设计纸波长:L=0.331 V0-1/2.15(Gd/V02)1/3.75*12.52/9.8=6.59m波浪中心线至计算水位高度h8=hl2/Lcth2H/L 因 HLcth2H/L=1.0h1%=1.24*0.563=0.698mh8=hc2/L=3.14*0.6982/9.89=0.232m因主坝为级建筑物,故取校核安全超高hc=0.=0.5mh 校=h1%+h8+hc=0.698+0.232
15、+0.0.5=1.43 m取上述两种情况坝顶高程中的最大值,并取防浪墙高为 1.2m,所以实际坝顶高程为 228.63-1.2=227.43m 取 227.5m。(二)坝顶宽度坝顶宽度一般为坝高 8%10%,并考虑交通要求,坝顶宽度取 10m,满足级建筑物坝顶宽度 1015m 要求。(三)坝面坡度考虑利用部分水重增加其抗滑稳定,据工程实践,上游边坡系数一般取n=0.2,下游坝坡 m=0.75.(四)上下游起坡点位置确定上下游起坡点、位置综合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来确定。一般起坡点在坝高的 1/32/3 附近,下游起坡点的位置距坝顶的实用剖面形式,坝顶宽度结合坝基本剖
16、面得到。根据实际情况,设计上游坝坡起点高程取 185m,下游起坡点高程取 214.2m。(五)坝体防身排水据上述尺寸得坝最大宽度为 86.5 米,分析基本条件,要求防渗帷幕和排水9华北水利水电学院学生设计纸廊道,灌浆廊道尺寸定为 3m*2.5m,廊道底部高程为 132.5m,距基岩面 5m,帷幕中心线距上游坝 7m,排水孔中心线距离防渗帷幕中心线 3.5m,拟设廊道系统、实体重力坝、剖面设计暂不计入廊道影响。第二节荷载计算(一)计算情况选择在设计重力坝剖面时,按照承载力极限状态,计算荷载的基本组合与偶然组合。基本组合荷载:正常蓄水位情况、设计洪水位情况和冰冻情况。荷载的偶然组合有:校核洪水位情
17、况、地震情况、设计时应对这种情况分别计算,在设计仅以设计洪水位情况进行荷载分析计算。(二)计算截面选择抗滑稳定的计算截面,一般应选择受力较大,抗剪强度低,容易产生滑动破坏的截面,一般情况下有几种:坝基面、坝基面内软弱层、坝基面缓顺角结构面,不利地形、混凝土层等。应力分析位置一般有坝基面、折坡处的截面、坝体削弱部位等,在设计仅以坝基面计算为例进行计算。(三)荷载计算首先 据非溢流坝坡面的受力图算出荷载作用的标准值、设计值后,求出荷载所产生的力矩的标准设计值。设计洪水位情况下,作用坝基面上的荷载有自重、静水压力、扬压力、淤泥压力、浪压力有关参数的选择。混凝土重度为 240Kn/m3,水的重度为 9
18、.81Kn/m3,扬压力折减系数为 0.25,泥沙的浮重度为 8.83 Kn/m3,内摩擦角为 12,荷载作用的分项系数值取 1m 坝长计算。10华北水利水电学院学生设计纸1 自重 W坝体自重计算公式:W=VrcV-坝体体积rc-坝体混凝图的重度,一般取 23.524.0Kn/m3坝体分成三块分别计算:W1=1/2*11.5*57.5*24*1=7935KNL=43.25-2/3*11.5=35.58mW2=0*(227.5-127.5)*24*1=2400kn力臂 L=43.25-(11.5+5)=26.75mW3=1/2*(214.5-127.5)*65*24*1=6762knL=43.2
19、5-2/3*65=-0.08m2、静水压力 PH静水压力 PH=1/2rwH2H计算点作用水头,m、rw水的重度,常取 9.81 Kn/m3PW1=1/2*9.81*98.22*1=473000.1KNL=43.25-1/2*11.5=32.73mPw2=1/2*9.81*24.52*1=2944.23KnL=1/3*24.5=81.7m3、自重Pv1=9.81*11.5*40.7*1=4591.57knL=43.25-1/2*11.5=32.73mPv2=9.81*11.5*57.5*1=3243.43knL=43.25-1/3*11.5=39.42mPv1=9.81*24.5*18.375
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