水工建筑物計(jì)算書

1、水工建筑物課程設(shè)計(jì)計(jì)算書寧村水庫重力壩初步設(shè)計(jì)班級(jí)：水利水電工程？學(xué)生： ？ 指導(dǎo)教師：？完成時(shí)間：？ ？大學(xué)土木建筑工程學(xué)院目錄一、工程等級(jí)的確定·····································

2、3;·······················3 （一）原理·························

3、83;···············································3 （二）計(jì)算過程·

4、··················································

5、················3 二、孔口尺寸擬定及設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的確定·····················3 （一）堰頂高程的擬定·······

6、;··················································

7、;··3 （二）堰頂溢流前沿寬度的擬定·············································&

8、#183;·3 （三）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的計(jì)算·······································4三、擋水壩設(shè)計(jì)····

9、3;·················································

10、3;···············4 （一）壩頂高程的確定································

11、3;···························4 （二）建基面高程的確定····················

12、83;···································5 （三）壩頂寬度的確定············

13、83;···············································5 （四）上下游壩坡坡率及起坡

14、點(diǎn)位置的確定································5 （五）壩體強(qiáng)度穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)·············

15、3;······················6（6） 壩體上游面拉應(yīng)力的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)·······················

16、3;6（7） 壩體應(yīng)力分析················································

17、;···············6四、溢流壩設(shè)計(jì)·································

18、83;····································6 （一）溢流壩斷面設(shè)計(jì)···········

19、83;················································6 （二）消能防沖

20、設(shè)計(jì)·················································

21、3;·············8 （三）導(dǎo)墻設(shè)計(jì)···································&

22、#183;·································9 （四）壩體強(qiáng)度穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)·············&#

23、183;································9 （五）壩體正常使用極限狀態(tài)合計(jì)··············

24、83;·······························9五、大壩剖面優(yōu)化和應(yīng)力穩(wěn)定分析················

25、;······························10六、工程量與開挖量計(jì)算·················

26、3;··········································10七、附表······

27、3;·················································

28、3;························11 （一）附表一：擋水壩電算方案·······················

29、;························11 （二）附表二：溢流壩電算方案·······················

30、·························21寧村水庫重力壩初步設(shè)計(jì)計(jì)算書一、工程等級(jí)的確定（1） 原理： 擬定泄水建筑物，進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，求得校核洪水位，再根據(jù)附圖1（寧村水庫水位庫容關(guān)系曲線）查得水庫總庫容，最終根據(jù)規(guī)范水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)SL252-2000確定工程等級(jí)。（2） 計(jì)算過程：已知：在校核洪水（0.2%）下，Q=5

31、88m3/s；正常蓄水位126.50m；死水位106.00m。 壩址巖層以砂巖為主，夾泥巖和頁巖，砂巖抗壓強(qiáng)度較高，但泥巖、頁巖抗壓強(qiáng)度稍低，其允許承載能力為0.60.7MPa，巖層傾向上游，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，整體性稍差，并夾有軟薄層，抗滑能力較低。下游河道平均水深2米左右。預(yù)計(jì)采用消能效果較好的消能工。綜合地質(zhì)條件、下游河道水深、樞紐布置和消能工設(shè)計(jì)，因此，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選定單寬流量q=22.61m3/(s·m)。則堰頂寬b=Q/q=588/22.61=26m由Hd=(0.70.95) H校，取Hd=0.8H校即Hw / Hd=0.8查圖3可得m=0.512式中：Hd為定型設(shè)

32、計(jì)水頭，m；Hw 為堰上水頭，m。根據(jù)公式Q=1smnbH3/2 ，式中：1：側(cè)收縮系數(shù)，與邊墩、閘墩及閘墩頭部的型式、堰孔的數(shù)目、堰孔的尺寸、全 大大大大的 水頭等有關(guān)，1=0.90.95，取1=0.90； s：淹沒系數(shù)，為自由出流s=1； n：堰孔數(shù)，本設(shè)計(jì)中為1； m：流量系數(shù)，由計(jì)算得出m=0.512； b：堰頂寬，由計(jì)算得出b=26m； g取9.81m2/s。帶入公式有：H校=Q/(1smnb)2/3=588/()2/3=4.97mHd=0.85 H校 =0.8*4.97=3.98m 查水位庫容關(guān)系表確定總庫容V總=565（萬m3）根據(jù)工程效益、總庫容查詢規(guī)范SL2522000，該工

33、程的等別為等，水工建筑物級(jí)別為3級(jí)。二、孔口尺寸擬定及設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的確定（1） 堰頂高程的擬定 因?yàn)槭情_敞式溢流壩身泄水，并無調(diào)節(jié)等要求，因此堰頂高程就是正常蓄水位高程，即為126.50m。（2） 堰頂溢流前沿寬度的擬定 因?yàn)樯皫r中還夾有泥巖、頁巖等，砂巖本身強(qiáng)度也不高，且不完整，因此從消能防沖考慮，應(yīng)按破碎巖石處理，單寬流量q=2050m3/s，又綜合考慮了以上四方面的因素，初步選定單寬流量q=22.61m3/(s·m)，按渲泄最大洪水時(shí)的流量Q校=588m3/s考慮，得到溢流前沿寬度為：L=Q校/q=588/22.61=26m（3） 設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位的計(jì)算1、 原

34、理： 試算法。首先假定一個(gè)堰上水頭H設(shè)，計(jì)算H設(shè)/Hd值，查附圖3，寧村水庫Hw / Hd與流量系數(shù)m關(guān)系曲線，得出流量系數(shù)m，代入公式Q=1smnbH設(shè)3/2 求出設(shè)計(jì)洪水H設(shè)。與資料給的設(shè)計(jì)洪水（2%）Q設(shè)=450m3/s比較，誤差不超過1%即可。2、 已知: 由以上計(jì)算知堰頂高程為126.50m，單寬流量q=22.61m3/s，及前沿寬度L=26m。由確定工程等級(jí)過程推求得校核洪水位為Z校=126.50+4.97=131.47m。3、計(jì)算過程： 通過多次試算結(jié)果簡單列表如下：（表1）方案堰上水頭H設(shè)（m）HdH設(shè)/Hd流量系數(shù)m設(shè)計(jì)洪水Q設(shè)（m3/s）設(shè)計(jì)洪水（2%）Q設(shè)（m3/s）誤差

35、一4.853.981.2190.511565.71450.0020.45%二4.503.981.1310.508502.63450.0010.47%三4.203.981.0550.504449.65450.000.08% 經(jīng)過多次試算，方案一、二、不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，方案三滿足設(shè)計(jì)要求。故選定方案三作為設(shè)計(jì)依據(jù)。即H設(shè)=4.20m。 推求設(shè)計(jì)洪水位：Z設(shè)=4.20+126.50=130.70m。3、 擋水壩設(shè)計(jì)（一）壩頂高程的確定重力壩壩頂高程按壩頂上游防浪墻頂高程計(jì)，按下式計(jì)算，取其大值。 防浪墻頂高程=設(shè)計(jì)洪水位 +h設(shè)防浪墻頂高程=校核洪水位 + h校其中設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位已計(jì)算得出，只

36、需求h即可。h=h1%+hz+hc式中：h1% ：累計(jì)頻率為1%時(shí)的波浪高度； hz：波浪中心線高于靜水位的高度； hc：安全加高，按表5選用。表2 安全加高h(yuǎn)c運(yùn)用情況壩的級(jí)別123設(shè)計(jì)情況（基本情況）0.70.50.4校核情況（特殊情況）0.50.40.3根據(jù)官廳水庫公式求h1%、hz：1、 設(shè)計(jì)情況 波高：hl=0.0166*V05/4D1/3=0.0166*305/4*31/3=1.681m 由于gD/Vo2=9.81*3000/302=32.7在（20，250）之間，故為累計(jì)頻率為5%的波高。參照SL274-2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范估算累計(jì)頻率為1%的波高： h1%=1.24*h

37、5%=2.084 波長：L=10.4(h1%)0.8=10.4*（2.084）0.8=18.713m 壅高：hz=(h1%2/L)cth(2H)/L=0.729m 查表5得hc=0.4 因此h=h1%+hz+h=2.084+0.0.729+0.4=3.213m H=130.7+3.213=133.91m2、 校核情況波高：h1%=0.707*1.24=0.877m波長：L=10.4(h1%)0.8=10.4*（0.877）0.8=9.363m 壅高：hz=(h1%2/L)cth(2H)/L=0.258m 查表5得hc=0.3 因此h=h1%+hz+h=0.877+0.258+0.3=1.44m

38、 H=131.47+1.44=132.91m相比取大者，所以壩頂高程為133.91m。（2） 建基面高程的確定 根據(jù)該壩的地形地質(zhì)條件，建基面可設(shè)在弱風(fēng)化處，在高程為85m86m附近，該設(shè)計(jì)取建基面高程為84.00m（三）壩頂寬度的確定根據(jù)混凝土重力壩規(guī)范SDJ21-78，壩頂寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)備布置運(yùn)行檢修施工和交通等需要確定，并應(yīng)考慮抗震特大洪水時(shí)搶護(hù)以及其他特殊要求。壩頂寬度一般取(8%10%)H，且不小于2m。常態(tài)混凝土壩壩頂最小寬度為3m，碾壓混凝土壩為5m。H=133.91-84=49.91mB=(0.080.1)H=(0.080.1)*49.91=4.004.91m考慮施工要求，取B=

39、5.0m（4） 上下游壩坡坡率及起坡點(diǎn)位置的確定根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，上游坡率n=00.2,下游坡率m=0.60.8。根據(jù)寧村水庫工程地質(zhì)條件，初擬n=0.2，m=0.8。1、 上游面設(shè)置為垂直，不設(shè)起坡2、 下游起坡點(diǎn)起坡高程可按基本三角形頂點(diǎn)約在正常蓄水位以上擬定，且低于壩頂高程，如下圖。G點(diǎn)為下游壩坡坡面延長線與上游面交點(diǎn)。F點(diǎn)為下游起坡點(diǎn)。（壩頂高程為133.91m，正常蓄水位為126.50m，建基面高程為84m。）當(dāng)J點(diǎn)恰好在正常蓄水位與上游壩面交點(diǎn)時(shí)： BJ=AG=133.91-126.50=7.41mGF=5/0.8=6.25mAF=AG+GF=13.66m當(dāng)J點(diǎn)恰好在壩頂與

40、上游壩面交點(diǎn)時(shí)：BJ=AG=0mGF=45/0.8=6.25mAF=AG+GF=6.25m因此，設(shè)計(jì)中AF應(yīng)在6.2513.66之間， 取AF=8m。FI=AH-AF=49.04-10=39.04m3、 重力壩底寬DE DE= 41.91*0.8+5=38.53m（5） 壩面優(yōu)化通過電算對(duì)比分析，可知最優(yōu)方案為：下游起坡高程：125.91m；下游坡比：0.8；壩頂寬度：5m；該工況下單位工程量最省：952.1m3。（五）壩體強(qiáng)度穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 詳見：附表一：擋水壩電算方案（6） 壩體上游面拉應(yīng)力的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 詳見：附表一：擋水壩電算方案（7） 壩體應(yīng)力分析 詳見：附表一：擋水

41、壩電算方案4、 溢流壩設(shè)計(jì)（1） 溢流壩斷面設(shè)計(jì)溢流堰斷面設(shè)計(jì)包括上游直線段，堰頂曲線段、下游曲線段、下游直線段以及反弧段5個(gè)部分組成。設(shè)計(jì)要求：有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；水流平順，不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞；體形簡單、造價(jià)低，便于施工。上游直線段在該設(shè)計(jì)中，由于擋水壩已經(jīng)確定，故為了不使擋水壩產(chǎn)生側(cè)向水壓力，則溢流壩的上游直線段設(shè)計(jì)與擋水壩保持一致。堰頂曲線段WES剖面堰頂曲線如右圖。堰頂O1點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），曲線采用三段復(fù)合圓弧相接。這樣做可使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善了堰面壓強(qiáng)分布，減小了負(fù)壓。三段復(fù)合圓弧的半徑R如圖中所示。R1=0.5Hd=0.5*3.98=2.0mR

42、2=0.2Hd=0.2*3.98=0.8mR3=0.04Hd=0.04*3.98=0.16m三段復(fù)合圓弧水平坐標(biāo)值： 0.175Hd=0.175*3.98=0.70m 0.276Hd=0.276*3.98=1.10m0.282Hd=0.282*3.98=1.12m下游曲線段該剖面堰頂O1點(diǎn)下游的曲線由公式(y/Hd)=k(x/Hd)n計(jì)算，式中系數(shù)k及指數(shù)n決定于堰上游面的坡度，取k=2.0，n=1.85，代入上述公式得：x1.85=2.0Hd0.85y式中的Hd為不包括行近流速水頭的剖面設(shè)計(jì)水頭，Hd=3.98m。計(jì)算與下游直線段銜接處點(diǎn)A的坐標(biāo)。由于溢流壩與擋水壩銜接部分有導(dǎo)墻連接，從工程

43、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)等方面綜合考慮，擬定下游直線段的坡度m2=0.8。對(duì)y求導(dǎo)，y'=1.85*x0.85/2.0Hd0.85=1/m2 , x0.85=2.0Hd0.85/(1.85*m2)=2.0*3.980.85/(1.85*0.8)=4.99m求得：xA=5.67m，yA=3.83m，即A(5.67，3.83)。x01234565.67y00.140.491.031.762.663.733.83 反弧段溢流壩面反弧段是使溢流面下泄水流平順轉(zhuǎn)向的工程措施，通常采用圓弧曲線，反弧半徑應(yīng)結(jié)合下游消能設(shè)施來確定。根據(jù)DL51081999混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：對(duì)于挑流消能，R=(410)h。h

44、為校核洪水位閘門全開時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水深。查資料下游水位流量關(guān)系曲線，校核洪水（0.2%）下，Q=588m3/s時(shí)的下游水位為94m。地面高程84m，挑砍高度1.51m，初步擬定為1m。則有挑砍高程為94+1=95m。上游水位至挑砍高程S1=133.91-95=38.91m流能比KE=q/(S11.5)=22.61/(*38.911.5)=0.030壩面流速系數(shù)=0.880鼻砍斷面流速=24.31m/s反弧段最低點(diǎn)處的水深h=q/v=22.61/24.31=0.930m因?yàn)榉椿《瘟魉儆?，要求反弧半徑愈大。?dāng)流速小于16m/s時(shí)，取下限；流速大時(shí)，宜采用較大值。鼻砍斷面流速為24.31m/s

45、，初擬R=（810）h=7.449.30m。取R=9m下游直線段由知，下游直線段與壩頂曲線和下部反弧段相切，其與曲線段交點(diǎn)A(5.67，3.83)，坡度與非溢流壩段的下游坡相同，取m2=0.8。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鼻砍挑射角度一般取20°25°，擬定為=20°。因?yàn)橄掠沃本€段與反弧段相切，且坡率為0.8，由此計(jì)算出BO2C=tan-1(1/0.8)=51.3°則O2所在高程為HO2=84+19.38=103.38m底寬B=37.35m上游直線段，堰頂曲線段、下游曲線段、下游直線段以及反弧段如圖所示。（2） 消能防沖設(shè)計(jì)1、 確定鼻坎高程、反弧半徑、挑角 由溢流壩斷

46、面設(shè)計(jì)部分得知：鼻坎高程為95m，反弧半徑為9.0m，挑角為20°。2、 計(jì)算挑距和下游沖刷坑深度挑距的計(jì)算水舌挑射距離是按水舌外緣計(jì)算，其估算公式為式中：L為水舌挑距，m；g為重力加速度，m/s2；v1為坎頂水面流速，m/s約為鼻坎處平均流速的1.1倍；為挑射角度，本設(shè)計(jì)為20°；h1為坎頂平均水深h在鉛直向的投影，h1=hcos，約等于h；h2為坎頂至河床面的高差，m。v1=v=24.31m/sh1=h=0.930mh2=95-89=6mL=1/9.8124.312sin20cos20+24.31cos20*24.312sin220+2*9.81(0.930+6)1/2

47、=52.73m 下游沖刷坑深度的計(jì)算關(guān)于沖刷坑深度，目前還沒有比較精確的公式，可按下式進(jìn)行估算：t k=q0.5H0.25式中：t k為水墊厚度，自水面至沖刷坑的距離，m； q為單寬流量，m3/(s·m)； H為上、下游水位差，m； 為沖坑系數(shù)，對(duì)堅(jiān)硬完整的基巖，取0.91.2，堅(jiān)硬但完整性較差的基巖，取1.21.5，軟弱破碎、裂隙發(fā)育的基巖，取1.22.0。q=22.61m3/(s·m)H=133.91-94.00=39.91m=1.2mt k=q0.5H0.25=1.2*22.610.5*39.910.25=14.34mht為沖刷坑后的下游水深，則沖刷坑深度為ts=t

48、k-ht=14.34-4=10.3m（三）導(dǎo)墻設(shè)計(jì)邊墩或?qū)敻叱虘?yīng)根據(jù)計(jì)算水面線加上0.51.5m的超高確定。對(duì)非直線段適當(dāng)增加，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算導(dǎo)墻高度取3米。1、各控制點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算見溢流壩斷面設(shè)計(jì)部分。2、確定控制面的水深，水面線計(jì)算如右圖和下表：表3 水面曲線計(jì)算表格：斷面h/mA=hXR=A/XR2/nvJ=v2/C2R006.235 6.235 13.360 0.467 31.006 4.296 0.024 113.658 3.658 7.400 0.494 29.782 8.934 0.124 223.250 3.250 6.672 0.487 29.012 10.548 0.132

49、332.766 2.766 5.968 0.463 28.664 12.067 0.172 442.328 2.328 5.242 0.444 27.943 15.023 0.236 551.891 1.897 4.294 0.441 26.708 18.245 0.498 續(xù)表：JiJv2/2gESESSS1.262 7.382 0.000 0.066 0.215 0.146 4.835 7.622 0.2402.032 2.030 0.1310.497 0.385 5.956 8.5460.9242.306 4.338 0.1780.738 0.533 8.045 9.923 1.377

50、2.404 6.742 0.242 0.777 0.550 10.563 12.629 2.7064.370 11.112 0.391 0.819 0.48417.355 18.568 5.637 13.960 25.072 由此得到各控制點(diǎn)水深，確定水面曲線。（四）壩體強(qiáng)度穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 詳見：附表二：溢流壩電算方案（五）壩體正常使用極限狀態(tài)合計(jì)詳見：附表二：溢流壩電算方案5、 大壩剖面優(yōu)化和應(yīng)力穩(wěn)定分析利用電算比較得到，溢流壩和擋水壩優(yōu)化斷面的三種可行性方案，計(jì)算結(jié)果參見附表。最終確定最優(yōu)方案為：表4 大壩剖面優(yōu)化最優(yōu)方案（單位：m）壩段最優(yōu)方案擋水壩建基面高程84壩頂高程133.91下

51、游起坡高程125.91下游坡率0.8壩頂寬5壩底寬38.53單寬工程量V（m3）952溢流壩建基面高程84堰頂高程126.5反弧半徑9.0下游坡率0.8坎頂高程95壩底寬37.35單寬工程量V（m3）9216、 工程量與開挖量計(jì)算根據(jù)地形圖以及各壩段在地形圖中的位置，繪出各壩段開挖線，計(jì)算開挖面積，近似取壩段左右兩斷面的開挖面積的平均值為該壩段的開挖面積。（見附圖）表5寧村水庫開挖量計(jì)算壩段（m）一二三四五六七八九十壩段長（m）17.4020.0020.0020.0020.0028.0020.0020.0020.0019.38面積（m2)31.5946.4956.7870.19197.3628

52、5.63531.86732.7522.65226.48開挖量（m3）549.67929.801135.61403.803947.27997.6410637.1014653.910453.04389.18總開挖量(m3)56096.89表6 寧村水庫工程量計(jì)算 壩段（m）一二三四五六七八九十壩段長（m）17.4020.0020.0020.0020.0028.0020.0020.0020.0019.38面積（m2)17.556.4695.88165.22458.34811.42937.46728.43330.49114.33工程量（m3）304.51129.21917.63304.39166.72

53、2719.618749.214568.56609.82215.7總工程量(m3)80685.1七、附表（一）附表一：擋水壩電算方案（方案一為最優(yōu)方案）方案一：數(shù)據(jù)：READ YT,YF,T0,YU,NU,YD,NDDATA 133.91,84,5,84,0,125.91,0.8 READ Y8,Y9,VZ,FDDATA 126.5,90,30,3READ Y3,Y4,VFDATA 131.47,94,15READ RD,YN,RN,NF,UT,UHDATA 24,92,7,20,7,0.25READ F,FF,FC,RC,YCDATA 0.7,1,500,14300,1.5READ YG,XG

54、DATA 90.5,7LET YY=10LET XX=10LET RD=RD/10LET KP=9.81NEW SPECIFICATION- CONDITION 1 CONDITION 2 CRITICAL STATE LEFT RIGHT LEFT RIGHT-Yv*(CP)<=1/rd*(f*W/rf+C*A/rc) 15120 16067 15142 15198 kNYv*(W/B-6M/B2)(1+m2)<=1/rd*(fc/rm) 1263 5296 1421 5296 kPa(W/B+6M/B2)>=0 398 0 160 0 kPa-* STRESES &

55、; STABILITY ANALYSIS OF GRAVITY DAM * BY WCT * - STRESES & SLIDING ON BASE - Yu= 84 m Nu= 0 Yd= 125.91 m Nd= .8 To= 5 m- WETHOUT UPLIFT INCLUDING UPLIFTCONDITION Syu kPa Syd kPa Syu kPa Syd kPa k Kc- 1 648 523 398 501 1.23 3.71 2 455 729 160 669 .96 3.02 - Tb = 38.53 m VOLUME OF DAM 952 m3 - STR

56、ESES OF DAM ( WETHOUT UPLIFT ) -CONDITION 1 : Y1= 126.5 m Y2= 90 m Y= 84 m P= 9847.19 kN W= 22558.2 kN M= 15525.5 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 38.53 523 356 371 820 59 -38.66 30 551 454 361 867 138 -41.19 20 583 566 298 872 277 -44.18 10 616 652 177 812 456 -47.93 0 648 686 0 68

57、6 648 90 - Y= 94 m P= 5267.63 kN W= 14287.7 kN M= 18011.9 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 30.53 352 225 282 577 0 -38.66 20 432 293 228 600 124 -36.48 10 508 316 134 577 247 -27.18 0 584 319 0 584 319 0 - Y= 104 m P= 2569.88 kN W= 8041.91 kN M= 12350.7 kN-m-Xa m Sy kPa Sx kPa Ss kPa S1 kPa S2 kPa Fs1- 22.53 211 135 169 346 0 -38.66 10 373 213 119 437 150 -27.98 0 503 221 0 503 221 0 - Y= 114 m P= 853.134 kN W= 3679.67 kN M= 5833