1.課程設(shè)計(jì)目的合訓(xùn)練的目的。方法、工作方法。培養(yǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖、編寫設(shè)計(jì)文件、使用規(guī)范手冊(cè)和應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力。提高查閱和應(yīng)用參考文獻(xiàn)和資料的能力。2.課程設(shè)計(jì)題目描述和要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)、內(nèi)容及作法一、設(shè)計(jì)任務(wù)：重力壩典型剖面設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)內(nèi)容水工建筑物的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)深度為初步設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：1、確定水利樞紐工程和水工建筑物的等級(jí)、洪水標(biāo)準(zhǔn)2、通過穩(wěn)定、強(qiáng)度分析，擬定壩體經(jīng)濟(jì)斷面尺寸；3、通過壩基水平截面處壩體內(nèi)部應(yīng)力分析，定出壩體混凝土分區(qū)方案；4、壩體細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)：廊道布置、壩體止水、壩體排水及基礎(chǔ)防滲和排水等。要求成果：1、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份；2、A3設(shè)計(jì)圖紙兩張。三、設(shè)計(jì)作法從分析基本資料做起，復(fù)習(xí)消化課堂內(nèi)容，參照規(guī)范[13]各相應(yīng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取、方案的擬定等要多加思考。設(shè)計(jì)所需基本資料，除已給定之外，要自行研究確定。2.2基本資料一、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：某水庫位于某河道的上游，庫區(qū)所在位置屬高山峽谷地區(qū)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展要求需修建水庫，該工程以發(fā)電、灌溉、防洪為主。擬建的水庫總庫容1.33億立方米，電站裝機(jī)容量9600kw。工程等級(jí)、建筑物級(jí)別以及各項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)按現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范規(guī)范自行確定。[4]二、壩基地質(zhì)條件1、開挖標(biāo)準(zhǔn)：本工程壩體在河床部分的基巖設(shè)計(jì)高程原定在827.2m。2、力學(xué)指標(biāo)：壩體與壩基面接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)＇=1.04，粘結(jié)力系數(shù)＇＝900kPa。3、基巖抗壓強(qiáng)度：1500kg/cm2三、特征水位經(jīng)水庫規(guī)劃計(jì)算，壩址上、下游特征水位如下：1P=0.1%校核洪水位為909.92m，相應(yīng)下游水位為861.15m；P=1%設(shè)計(jì)洪水位為907.32m，相應(yīng)下游水位為859.80m；正常擋水位為905.70m；相應(yīng)下游水位為855.70m；淤沙高程為842.20m；四、荷載及荷載組合范[13]要求。具體計(jì)算時(shí)每人選取1種有代表性或估計(jì)其為控制性的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。有關(guān)荷載資料如下，未經(jīng)列出者由設(shè)計(jì)者自行擬定。1、筑壩材料：混凝土容重24/m。3c2、壩基揚(yáng)壓力、壩基防滲處理：根據(jù)水庫地基情況，設(shè)置帷幕灌漿和排水孔幕。為簡(jiǎn)化計(jì)算起見，揚(yáng)壓力折減系數(shù)取0.3。3、風(fēng)速與吹程：壩址洪水期多年平均最大風(fēng)速18.1m/s，洪水期50年重現(xiàn)期最大風(fēng)速25m/s，壩前吹程1公里。4、水庫淤沙：淤沙浮容重為8.0/m，淤沙內(nèi)摩擦角。35、壩址地震基本烈度：根據(jù)“中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖”壩址位于7度區(qū)，設(shè)防烈度按7度考慮。6、壩頂有一般交通要求。3.課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容3.1工程等別及建筑物級(jí)別確定據(jù)其工程規(guī)模、效益和在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性分為五等，見表2-1-1表3-1-1水利水電工程分等指標(biāo)防洪治澇水庫總保護(hù)城庫容鎮(zhèn)及工(10m礦企業(yè)發(fā)電裝機(jī)容量(10KW844443大（1）型ⅠⅡⅢⅣⅤ≥120大（2）型120～3030～55～1<130～5<5?。?）0.01～型0.001<3<0.5本設(shè)計(jì)中，水庫總庫容為1.33億m3，由表3-1-1可知，工程等別為Ⅱ級(jí)；電站裝機(jī)容量為9600kW，由表3-1-1可知，工程等別為Ⅴ級(jí)。2故確定該工程等別為Ⅱ級(jí)。等別及在工程中的作用和重要性劃分為五等和三等，見表3-1-2。表3-1-2永久性水工建筑物的級(jí)別永久性建筑物級(jí)別臨時(shí)性建筑物級(jí)別次要建筑物ⅠⅡⅢⅣⅤ123453345534555由于確定了水利工程等別為Ⅱ級(jí)，查表3-2可知，主要建筑物級(jí)別確定為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別確定為3級(jí)。本設(shè)計(jì)未設(shè)計(jì)臨時(shí)性水工建筑物。3.2初步擬定壩體斷面3.2.1基本剖面尺寸的確定形分布，確定滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定條件下的最小壩底寬度T。一、按滿足強(qiáng)度條件確定壩底的最小寬度TTH2當(dāng)庫滿時(shí)：WWWU12cwwT2HHT2M212ccwww2wH2上游邊緣鉛直正應(yīng)力H12(1)T2yucwwwH2下游邊緣鉛直正應(yīng)力1(2)HT2ydcww當(dāng)庫空時(shí)，令式、式中，得：w上游邊緣鉛直正應(yīng)力1(3)(4)Hyuc下游邊緣鉛直正應(yīng)力Hydc強(qiáng)度控制條件是壩基面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)庫空時(shí)，由式(3)可以看出：301只要在～之間，即上游坡度取正坡，壩基面不出現(xiàn)拉應(yīng)力。當(dāng)庫滿時(shí)要使上游不出現(xiàn)拉應(yīng)力，可令式(2)中0，求得壩底寬度為：yuHT，由該式可知，當(dāng)H為一定值時(shí)，值越小，則底12cw寬也越小。考慮庫空時(shí)，下游壩面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，可取，求得上游壩面為鉛H直面的三角形基本剖面的最小底寬T。cw本設(shè)計(jì)中取壩頂水位為校核洪水位，則H909.92827.282.72mmHT57m0.3c9.81w119.818333790.55kNHP2222wcW124835756772kN1HT2211HTU0.39.8183576961.67kN22w二、按滿足穩(wěn)定條件確定壩底的最小寬度T將求得的、、U及由強(qiáng)度要求得出的T代入WPf'WUc'AK，若滿足要求，則由強(qiáng)度條件確定的最小壩底寬T就是P壩底的最小寬度。若不滿足要求則將壩底寬T增大，直到滿足抗滑穩(wěn)定要求為止。1.04(567726961.67)980571f'WUc'AK3.192.5P33790.55求。綜上：Hm,T57m3.2.2壩頂高程、壩頂寬度的確定一、壩頂高程4正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式3-2-1計(jì)算，應(yīng)選擇兩者中防浪墻頂高程的高者作為選定高程。hhhh21%zc式中：△h—防浪墻頂至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）;h1%—波高（m）;hz—波浪中心線至正?；蛐：撕樗坏母卟睿╩）;hc—安全超高，按表8.1.1采用。hh計(jì)算和時(shí)選用官廳水庫公式，公式如下zh4V5D0.0166103l()hL0.8lh22HhcthlLLzV式中：為計(jì)算風(fēng)速，/，是指水面以上10m處10min的風(fēng)速平均值，水庫為ms050為風(fēng)作用于水域的長(zhǎng)度，km，稱為吹程或風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度；為壩前水深，m。h表3-2-2-1安全超高c相應(yīng)水位123正常蓄水位校核洪水位1、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)H907.32827.280.12mVD0.016641h50.016615m3034l()10.40.93mhLl2h22H280.12hcthcthm0.28mlLL9.819.81zhhhm5%l由表3-2-1得mhc所以h=1.15+0.28+0.5=1.93mZ=907.32+1.93=909.25m2、校核洪水位時(shí)5H909.92827.282.72mVD0.016618.141h50.0166150.62m3034l()10.40.62hL7.09ml2h2H82.72hcthcthm0.12mlLL9.819.81zhhhm1%5%l由表3-2-1得0.4hmc所以h=0.77+0.12+0.4=1.29mZ=909.92+1.29=911.21m綜上，防浪墻頂高程Z=911.21m，防浪墻高取1.2m,則壩頂高程Z=911.21-1.2=910.01m位，Z=910.01m滿足要求。所以壩頂高程為910.01m二、壩頂寬度壩頂寬度一般取壩高的8%~10%,且不小于3m,又壩頂需要行走門式起重機(jī)，門機(jī)軌距7.0m，所以壩頂寬度定為8m。3.2.3擬定壩體基本斷面上游壩面坡度應(yīng)與溢流壩段、放水孔壩段相協(xié)調(diào)，為照顧泄、放水需要，上略予提高。1、上游面鉛直，適用于混泥土與基巖接觸面間的c值較大或壩體內(nèi)設(shè)有泄水孔或引水管道、有進(jìn)口控制設(shè)備的情況；2、上游壩面上部鉛直，下部?jī)A斜，既便于布置進(jìn)口控制設(shè)備，又可利用一部分水重幫助壩體維持穩(wěn)定，是實(shí)際工程中經(jīng)常采用的一種形式；3、上游壩面略向上游傾斜，適用于混泥土與基巖接觸面間的c值較低的情況。本設(shè)計(jì)中、c值較低，故采用上游壩面略向上游傾斜，坡率取為1:0.1?；酒拭嫒鐖D一：6自水揚(yáng)淤浪冰地動(dòng)其重壓壓沙壓壓震水他力力壓力力力壓781、基本組合（設(shè)計(jì)洪水位）H1=907.32-827.2=80.12m,H2=859.80-827.2=32.6m荷載名(m)+-27.12223143.4A1115899.5220.36323714.2A21258.61A3840892.7P21wW水壓力揚(yáng)壓力11wP222wW22wUA11w2A3A49110.36淤沙壓力P2950.920LP浪壓力27624.5mw41%zV2、特殊組合（校核洪水位）H1=909.92-827.2=82.72m,H2=861.15-827.2=33.95m表3-3-3荷載及力矩計(jì)算表荷載每m壩長(zhǎng))水平(kN)垂直(kN)8228.00荷載名(m)+-27.12223143.4115899.5220.36323714.20.031258.627.57925442.32w29.88100286.1W水壓力揚(yáng)壓力w11.3264035.5P2222w3884.56-3098.21-2604.04-19582.42-4217.4897036.292056.579344.9W22wUA11UA22343wUA6.5527624.54w10110.363436.6淤沙壓力Ps590.182950.91266.920L浪壓力15.4881.84mw4zV28511.7643930.383、地震力計(jì)算水平向地震慣性力Gg//FHh上游地震動(dòng)水壓力0.650.19.810.25178.5kN129.5kNFHH22uhuw下游動(dòng)水壓力0.650.19.810.25128.5F22dhdw地震力方向都沿水平方向指向下游。三、壩體抗滑穩(wěn)定分析fWcA式＝計(jì)算。式中：f’為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷摩擦系KPW數(shù)；c’為壩體混凝土與基巖接觸面的抗剪斷凝聚力；為作用于壩體全部荷P載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值；為作用于壩體全部荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值。11fc抗滑穩(wěn)定計(jì)算及成果分析表（'1.04,980kPa,A65.28m）表3-3-4'44517.126897.計(jì)洪水位）9943930.328511.7核洪水位）滿足抗滑穩(wěn)定要求滿足抗滑穩(wěn)定要求ffK＝PK＝P863.4校核洪水位下壩體應(yīng)力分析（手算）對(duì)壩基截面，上、下游邊緣應(yīng)力及內(nèi)部應(yīng)力用材料力學(xué)法計(jì)算。重力壩壩基面壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力應(yīng)符合下列要求：運(yùn)用期：1）垂直應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力；2）在地震荷載作用下，壩踵、壩趾的垂直應(yīng)力應(yīng)符合《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)施工期：壩趾垂直應(yīng)力可允許有小于0.1MPa的拉應(yīng)力。一、計(jì)算邊緣應(yīng)力，判定壩基、壩體強(qiáng)度是否滿足要求1、依次計(jì)算、、、、、及主應(yīng)力、、、；yuydudxuxdud2u2dW6M43930.386(446009.14)44.99kPaB22B65.28yuydW6M43930.386(446009.14)1300.92kPaB22B65.2812tan45tan450pph81578.69kPa2020s22sbuuusbpp0dnm0.7ppn78.6944.990.13.37uyuuuuppm1300.920.7910.64dyduddppn78.693.370.178.35xuuuuu12ppm0910.640.7637.45xddd1ppn2222uyuum2221dyddudppuuuud基巖容許應(yīng)力9.81壩基截面上、下游邊緣處滿足強(qiáng)度要求。1、選取壩基水平截面處6個(gè)計(jì)算點(diǎn)，對(duì)、、、、分別進(jìn)行計(jì)算；x12y2、選坐標(biāo)，作計(jì)算簡(jiǎn)圖表明計(jì)算點(diǎn)如下：y列分布表達(dá)式：ayy13x時(shí)，1300.92kPa所以1300.9219.24xy列表計(jì)算各計(jì)算點(diǎn)的值yy計(jì)算點(diǎn)編號(hào)26.111300.921049.65798.56547.29296.2144.992myⅠ—Ⅰ截面分布圖如下y4、計(jì)算水平截面Ⅰ—Ⅰ截面上剪應(yīng)力列分布表達(dá)式：abxcx2111x代入表達(dá)式得dxua910.64...........................................112111將BP代入表達(dá)式得2B1116a3b2c628511.76.........................32111abc由（123）解得11114所以910.6415.86x列表計(jì)算各計(jì)算點(diǎn)的值計(jì)算點(diǎn)編號(hào)坐標(biāo)x(m)516.992xx22xxab代入表達(dá)式解得8.5622y列表計(jì)算各計(jì)算點(diǎn)的值xx計(jì)算點(diǎn)編號(hào)坐標(biāo)()12345xm26.112mx15畫出Ⅰ—Ⅰ截面分布圖x1212=122xy2yx212yx1計(jì)算點(diǎn)編號(hào)坐標(biāo)()012345xm013.0626.11637.45413.952x2y21543.171157.85781.84415.8778.6932.1454.6667.6070.7944.652122計(jì)算主應(yīng)力方向從鉛直線到主應(yīng)力的夾角1yxyx將值列表計(jì)算如下：16值計(jì)算表計(jì)算點(diǎn)編號(hào)坐標(biāo)x(m)1033.98670.86328.482yx663.47523.99384.61245.14105.76(/m)2yx度)-34.99-34.85-34.80-34.96-36.08176、計(jì)算主剪應(yīng)力：，所在平面與主應(yīng)力面成45°。212maxmax計(jì)算表max計(jì)算點(diǎn)編號(hào)26.11254.6644.6517.022(/m)969.18755.51551.6357.12172.542max3.5荷載計(jì)算及抗滑穩(wěn)定分析電算）一、基本資料重力壩建筑物級(jí)別：2級(jí)安全類別：Ⅱ壩基截面高程827.200m水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值＝0.10g，計(jì)地震作用。地震動(dòng)態(tài)分布系數(shù)采用擬靜力法計(jì)算。上游地震動(dòng)水壓力折減角θ＝90.000°下游地震動(dòng)水壓力折減角θ＝90.000°重力壩為常態(tài)混凝土，強(qiáng)度等級(jí)：C20混凝土重度水重度Rc＝24.0kN/m^3Rw＝9.8kN/m^3Rs＝8.0kN/m^3淤沙浮重度淤沙內(nèi)摩檫角ψ＝12.000°揚(yáng)壓力圖形折減點(diǎn)離上游面距離Lo＝8.000m揚(yáng)壓力圖形折減系數(shù)α＝0.300二、本計(jì)算有如下規(guī)定：壩軸線與基礎(chǔ)面交點(diǎn)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，Ｘ軸指向下游為正，Ｙ軸向上為正。垂直力向下為正，水平力指向上游為正，力矩繞壩基面形心逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正。應(yīng)力受壓為正，受拉為負(fù)。1866082.3234560.0790.08-18251.6-6397.20.00.00.090.010-29.047282.2-26861.0VH66082.3-31486.20.019V45943.8H-26892.6M=-320382.7工況三：特殊組合（校核洪水位）上游水位:909.920m下游水位:861.150m淤沙高程:842.200m-21741.8-6239.890.0100.0-13.7V45429.6H-28513.3M=-399151.6工況四：特殊組合（正常蓄水位地震）上游水位:905.700m下游水位:855.700m淤沙高程:842.200m計(jì)地震66082.3234560.0790.08-18251.6-6397.20.00.00.090.0-982.3-35472.3VH-30285.7M=-391892.747282.220抗滑穩(wěn)定分析成果表KK47282.2-26861.0-278571.0滿足要求滿足要求滿足要求3.02.5常高水位地47282.2-30285.73.7362.3滿足要求-391892.7震）3.6壩體應(yīng)力分析（電算）本計(jì)算按作用的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，并作如下規(guī)定：壩軸線與基礎(chǔ)面交點(diǎn)為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，Ｘ軸指向下游為正，Ｙ軸向上為正。垂直力向下為正，水平力指向上游為正，力矩繞壩基面形心逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正。應(yīng)力受壓為正，受拉為負(fù)。當(dāng)垂直正應(yīng)力大于水平正應(yīng)力時(shí)，夾角為第Ⅰ主應(yīng)力與鉛垂線夾角；當(dāng)垂直正應(yīng)力小于水平正應(yīng)力時(shí)，夾角為第Ⅱ主應(yīng)力與鉛垂線夾角；夾角正負(fù)號(hào)規(guī)定：從鉛垂線轉(zhuǎn)向相應(yīng)的主應(yīng)力，順時(shí)針轉(zhuǎn)為正。Ｕ代表用邊界條件計(jì)算上游面應(yīng)力，檢驗(yàn)計(jì)算的正確性。工況一：基本組合（正常高水位下壩基應(yīng)力）點(diǎn)號(hào)到下游面距離垂直正應(yīng)力剪應(yīng)力水平正應(yīng)力第Ⅰ主應(yīng)力第Ⅱ主應(yīng)力夾角10.0001.11650.76680.52661.64310.0000-34.4802345678U4.77617.83230.88843.94457.00058.78165.28165.2811.05910.90220.74530.58850.43160.41020.33210.33210.72460.59690.45120.28730.10530.0791-0.0206-0.02120.52450.50340.46950.43470.41130.40960.08180.08081.56411.33221.07920.80900.52720.48900.33380.33390.01950.07340.13560.21420.31560.33080.08010.0790-34.875-35.764-36.500-37.510-42.246-44.8974.6684.79121工況二：基本組合（設(shè)計(jì)洪水位下壩基應(yīng)力）點(diǎn)號(hào)到下游面距離垂直正應(yīng)力剪應(yīng)力水平正應(yīng)力第Ⅰ主應(yīng)力第Ⅱ主應(yīng)力12345678U4.3691.4482712345678U3.337壩基強(qiáng)度分析成果表(強(qiáng)度單位：/m2)yuuxuuyddd1116766.526.1643.5.11154793.544.1699.9.5特校核洪水1257863.593.18513各種組合下均大于0，均小于容許應(yīng)力147150/m2ydyu上、下游邊緣處滿足強(qiáng)度要求。3.7校核洪水位下手算與電算成果比較表3-7-1荷載及穩(wěn)定系數(shù)比較VHK手算電算-28511.8-28513.343930.445429.6-446009.1-399表3-7-2壩踵、壩址應(yīng)力比較yuuxuuyddxdd78.444.778.71300.910.6637.51938.094電算133.91257863.593.1851.9.1-1.478.813478.8093通過比較可以看出，水平向荷載誤差較小，鉛直向荷載和力矩相差都較大，能出在鉛直向荷載的計(jì)算或者力臂計(jì)算上。但是一旦鉛直荷載或者力矩改動(dòng)了，在實(shí)際工程中是不能這樣的。3.8壩體混凝土分區(qū)設(shè)計(jì)根據(jù)壩體各部位不同的工作特點(diǎn)，考慮防滲、抗凍等耐久性及低熱性要求，并適當(dāng)參考?jí)蔚捉孛嫣帒?yīng)力分析成果，定出混凝土分區(qū)及其相應(yīng)的強(qiáng)度、抗?jié)B、紐中其他建筑物的混凝土強(qiáng)度等級(jí)一致。同一澆筑塊中的強(qiáng)度等級(jí)不得超過兩寬度一般不小于2~3米，以便澆筑施工。本設(shè)計(jì)中靠近地基的混凝土分區(qū)寬度為3米，其他分區(qū)寬度為2.5米，具體分區(qū)見A2圖紙。壩體各區(qū)對(duì)混凝土的要求見下表：ⅠⅡⅢⅣⅤ注+-------+++-+0.550.450.500.500.65++++++++++0.55+++++0.55+