大工2022年《水工建筑物课程设计》大作业及答案

大工2022年《水工建筑物课程设计》大作业答案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14m/s，重现期为50年的年最大风速23m/s，吹程：设计洪水位2.6km，校核洪水位3.0km。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。表一状况坝底高程(m)坝顶高程(m)上游水位(m)下游水位(m)上游坡率下游坡率设计情况3184.982.5045.5001∶0.8校核情况3184.984.7246.4501∶0.813 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。13 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，13 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。13 2.3.1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+γω△H，坝址处为γωH2，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=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γsbhs2tan2（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hs13 =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=1/4γωLm(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计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)↑↓→←↙+↘-自重W14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W21/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力P11/2*51.52*10132611/3*51.5=17.17227691P21/2*14.52*1010511/3*14.5=4.835076Q1/2*0.8*14.52*1084121.56-1/3*0.8*14.5=17.6914877扬压力u114.5*43.12*106252000u21/2*36.62*0.25*37*1016942/3*36.62-21.56=2.854828u30.25*37*6.5*1060121.56-1/2*6.5=18.3111004u41/2(1-0.25)*37*6.5*1090221.56-1/3*6.5=19.3917490泥沙压力Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*10*14.45*（14.45/2+1.1+2.25）-1/8*10*14.45238226151.5-14.45/2+（14.45/2+1.1+2.25）/3=47.8051.5-2/3*14.45=41.871092818260合计94492922714456141222308530254619778↓13044→79461↘13 2.3.2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+γω△H，坝址处为γωH2，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=7.7KN/m3。单位长度大坝迎水面上的水平泥沙压力值按公式Psk=1/2γsbhs2tan2（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。13 (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=1/4γωLm(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荷载计算式垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)↑↓→←↙+↘-自重W14.8*53.9*24620921.56-2.4=19.16118964W21/2*47.9*38.32*24220262/3*38.32-21.56=3.9987884水压力P11/2*53.722*10144291/3*53.72=17.91258423P21/2*15.452*1011941/3*15.45=5.156149Q1/2*0.8*15.452*1095521.56-1/3*0.8*15.45=17.4416655扬压力u115.45*43.12*106662000u21/2*36.62*0.25*38.27*1017522/3*36.62-21.56=2.854993u30.25*38.27*6.5*1062221.56-1/2*6.5=18.3111389u41/2(1-0.25)*38.27*6.5*1093321.56-1/3*6.5=19.3918091泥沙压力Ps11/2*7.7*20.02*tan2368131/3*20=6.675423Ps21/2*7.7*72*tan2361001/3*7=2.33233Ps31/2*7.7*0.8*7215121.56-0.8*7/3=19.692973浪压力Pw1/4*10*9.45*（9.45/2+0.42+1.12）-1/8*10*9.45214811253.72-9.45/2+（9.45/2+0.42+1.12）/3=51.0853.72-2/3*9.45=47.4253117560合计99692934115390140621854132550719372↓13984→106966↘2.3.3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13 荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)↑↓→←↙+↘-自重W1620919.16118964W2220263.9987884水压力P11326117.17227691P210514.835076Q84117.6914877扬压力u16252000u216942.854828u360118.3111004u490219.3917490泥沙压力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪压力Pw38226147.8041.871092818260合计94492922714456141222308530254619778↓13044→79461↘表三：坝体特殊荷载组合作用计算成果表荷载垂直力(kN)水平力(kN)对坝底截面形心力臂(m)力矩(kN.m)↑↓→←↙+↘-自重W1620919.16118964W2220263.9987884水压力P11442917.91258423P211945.156149Q95517.4416655扬压力u16662000u217522.854993u362218.3111389u493319.3918091泥沙压力Ps18136.675423Ps21002.33233Ps315119.692973浪压力Pw14811251.0847.4253117560合计99692934115390140621854132550719372↓13984→106966↘13 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。2.4.1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*19778+650*43.12)/13044=3.44＞[K′]=3.0，满足抗滑稳定要求。2.4.2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*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2.5.1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：δuy=∑W/B+6∑M/B2=19778/43.12+6*（-79461）/43.122=202.27(KPa)＞0，满足要求。δdy=∑W/B-6∑M/B2=19778/43.12-6*（-79461）/43.122=715.09(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-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：δux=(P-Puu)-(P-Puu-δuy)m12=(51.5*10-51.5*10)-(51.5*10-51.5*10-202.27)*0=0(KPa)。δdx=(P′-Pdu)+(δdy+Pdu-P′)m22=(14.5*10-14.5*10)+(715.09+14.5*10-14.5*10)*0.82=457.66(KPa)，满足要求。13 (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)δuy-(P-Puu)m12=(1+0)*202.27-(51.5*10-51.5*10)*0=202.27(KPa)，满足要求。δu2=P-Puu=51.5*10-51.5*10=0(KPa)。δd1=(1+m22)δdy-(P′-Pdu)m22=(1+0.82)*715.09-(14.5*10-14.5*10)*0.82=1172.75(KPa)，满足要求。δd2=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：δuy=∑W/B+6∑M/B2=29227/43.12+6*（-46139）/43.122=528.92(KPa)＞0，满足要求。δdy=∑W/B-6∑M/B2=29227/43.12-6*（-46139）/43.122=826.69(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=(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：δux=Pu-(Pu-δuy)m12=51.5*10-(51.5*10-528.92)*0=515.00(KPa)，满足要求。δdx=Pd+(δdy-Pd)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：δu1=(1+m12)δuy-Pu*m12=(1+0)*528.92-(51.5*10-51.5*10)*0=528.92(KPa)，满足要求。δu2=P=51.5*10=515.00(KPa)，满足要求。δd1=(1+m22)δdy-Pd*m22=(1+0.82)*826.69-14.5*10*0.82=1262.97(KPa)，满足要求。δd2=P′=14.5*10=145.00(KPa)，满足要求。2.5.2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：δuy=∑W/B+6∑M/B2=19372/43.12+6*（-106966）/43.122=104.08(KPa)＞0，满足要求。δdy=∑W/B-6∑M/B2=19372/43.12-6*（-106966）/43.122=794.43(KPa)＜1430KPa，满足抗压强度要求。13 (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：δux=(P-Puu)-(P-Puu-δuy)m12=(53.72*10-53.72*10)-(53.72*10-53.72*10-104.08)*0=0(KPa)。δdx=(P′-Pdu)+(δdy+Pdu-P′)m22=(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：δu1=(1+m12)δuy-(P-Puu)m12=(1+0)*104.08-(53.72*10-53.72*10)*0=104.08(KPa)，满足要求。δu2=P-Puu=53.72*10-53.72*10=0(KPa)。δd1=(1+m22)δdy-(P′-Pdu)m22=(1+0.82)*794.43-(15.45*10-15.45*10)*0.82=1302.87(KPa)，满足要求。δd2=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：δuy=∑W/B+6∑M/B2=29341/43.12+6*（-72493）/43.122=446.52(KPa)＞0，满足要求。δdy=∑W/B-6∑M/B2=29341/43.12-6*（-72493）/43.122=914.38(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=(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：δux=Pu-(Pu-δuy)m12=53.72*10-(53.72*10-446.52)*0=537.20(KPa)，满足要求。δdx=Pd+(δdy-Pd)m22=15.45*10+(914.38-15.45*10)*0.82=640.82(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)δuy-Pu*m12=(1+0)*446.52-(53.72*10-53.72*10)*0=446.52(KPa)，满足要求。δu2=P=53.72*10=537.20(Kpa)，满足要求。δd1=(1+m22)δdy-Pd*m22=(1+0.82)*914.38-15.45*10*0.8213 =1400.70(KPa)，满足要求。δd2=P′=15.45*10=154.50(KPa)，满足要求。2.5.3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挡水坝段建基面处设计(KP)校核(KP)抗滑稳定安全系数K′3.443.18正常工况下边缘应力a.上游边缘垂直正应力207.27104.08b.下游边缘垂直正应力715.09794.43c.上游面剪应力00d.下游面剪应力572.07635.54非正常工况下边缘应力e.上游边缘水平正应力515.00537.20f.下游边缘水平正应力581.28640.82g.上游边缘主应力δu1=528.92;δu2=515.00δu1=446.52;δu2=537.20h.下游边缘主应力δd1=1262.97;δd2=145.00δd1=1400.70;δd2=154.5013