混凝土重力坝的应力分析

1水工建筑物课程设计设计题目:混凝土重力坝的应力分析姓名：学号：年级专业：2013级水利水电工程指导老师：提交时间：2016年12月2目录一、基本资料.............................................................................................1二、确定工程等别和主要建筑物级别....................................................2三、非溢流坝剖面尺寸拟定....................................................................3四、荷载计算及组合................................................................................6五、抗滑稳定极限状态计算....................................................................7六、坝址抗压强度极限状态计算............................................................71一、基本资料某高山峡谷地区规划的水利枢纽，拟定坝型为混凝土重力坝，其任务以灌溉为主、兼顾供水，水库总库容4亿m3。1．水电规划成果上游设计洪水位为355.0m，相应的下游水位为331.0m；上游校核洪水位356.3m，相应的下游水位为332.0m；正常高水位354.0m；死水位339.5m。2．地质资料：河床高程320.0m，约有1～2m覆盖层，基础要求开挖至弱风化层，清基后岩石表面最低高程为318.0m。岩基为石灰岩，地质构造良好。坝体和基岩抗剪断摩擦系数f=0.82，凝聚力c=0.6MPa。3．其它有关资料：河流泥沙计算年限采用50年，据此求得坝前淤沙高程330.0m。泥沙浮重度为6.5kN/m3，内摩擦角φ=18°。枢纽所在地区洪水期的多年平均最大风速为15m/s，水库最大风区长度由库区地形图上量得D=0.9km。坝体混凝土重度γc=24kN/m3，地震设计烈度为4度。拟采用混凝土强度等级C10，90d龄期，80%保证率，fckd强度标准值为10MPa，坝基岩石允许压应力设计值为4000kPa。2二、确定工程等别和主要建筑物级别（1）水利水电枢纽工程等级划分：根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252－2000）的规定，水利水电工程根据其工程规模、效益以及在国民经济中的重要性，划分为I、II、III、IV、V五等，适用于不同地区、不同条件下建设的防洪、灌溉、发电、供水和治涝等水利水电工程，见表格1：山区、丘陵区水利水电枢纽工程分等指标表格1工程等别工程规模水库总库容（108m）防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业的重要性保护农田（104亩）治涝面积（104亩）灌溉面积（104亩）供水对象重要性装机容量（104𝑘𝑤）Ⅰ大（1）型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大（2）型10∼1重要500∼100200∼60150∼50重要120∼30Ⅲ中1∼0.1中等100∼3060∼1550∼5中等30∼5Ⅳ小（1）型0.1∼0.01一般30∼515∼35∼0.5一般5∼1Ⅴ小（2）型0.01∼0.001530.51对于综合利用的水利水电工程，当按各分项利用项目的分等指标确定的等别不时，其工程等别应按其中的最高等别确定。（2）水工建筑物的级别划分水利水电工程中水工建筑物的级别，反映了工程对水工建筑物的技术要求和安全要求。应根据所属工程的等别及其在工程中的作用和重要性分析确定。水利水电工程的永久性水工建筑物的级别应根据建筑物所在工程的等别，以及建筑物的重要性确定为五级，分别为1、2、3、4、5级，见表23永久性水工建筑物级别表格2工程等别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55该工程水库总库容4亿m3；由表可知：工程等别为二等，工程规模为大（2）型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时性建筑物为4级。三、非溢流坝剖面尺寸拟定1．坝顶高程的确定。坝顶在水库静水位以上的超高∆h=h1+hz+hc对于3级建筑物，其安全级别为Ⅱ级的坝，查得安全超高设计洪水位时为0.5m，校核洪水位时为0.4m。分设计洪水位和校核洪水位，两种情况计算。（1）设计洪水位情况D风区长度（有效吹程）为0.9kM，v0计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为30m/s。①波高hl=0.0076v0−112(gDv02)13×v02g=0.0076×30−112(9.81×900302)13×3029.81=0.0076×0.7532×2.1407×91.7431=1.124(m)②波长L=0.331v0−12.15(gDv02)13.75×v02g=0.331×30−12.15(9.81×900302)13.75×3029.81=0.331×0.2056×1.8384×91.7431=11.478(m)③波浪中心线至计算水位的高度：4hz=πhl2Lcth2πHL因为H𝐿，cth2πHL≈1，则:hz=πhl2L=3.14×1.124211.478=0.346(m)∆h=1.124+0.346+0.5=1.97(m)坝顶高程=355+1.97=356.97(m)（2）校核洪水位情况D风区长度为0.9km，v0计算风速在校核洪水位情况取多年平均年最大风速的1倍为15m/s。①波高hl=0.0076v0−112(gDv02)13×v02g=0.0076×15−112(9.81×900152)13×1529.81=0.0076×0.7980×3.3970×22.9358≈0.473(m)②波长L=0.331v0−12.15(gDv02)13.75×v02g=0.331×15−12.15(9.81×900152)13.75×1529.81=0.331×0.2838×2.6607×22.9358=5.733(m)③波浪中心线至计算静水位的高度：hz=πhl2L=3.14×0.47325.733=0.123(m)∆h=0.473+0.123+0.4=0.996(m)坝顶高程=356.3+0.996=357.296(m)取上述两种情况坝顶高程中的大值，并取防浪墙高度1.2m，防浪墙基座高0.1m并外伸0.3m，则坝顶高程为357.296−1.2−0.1≈356.0(m)最大坝高为：356.0−318.0=38(m)2．坝顶宽度。因该水利枢纽位于山区峡谷，无交通要求，按构造要求取坝顶宽度5m，同时满足维修时的单车道要求。3．坝坡的确定。根据工程经验，考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为1/3~2/3坝高，该工程拟折坡点高程为349.33m，上部铅直，下部为1：0.2的斜坡，下游坝坡取1：0.75，基本三角形顶点位于坝5顶，349.33m以上为铅直坝面。4．坝体防渗排水。根据上述尺寸算得坝体最大宽度为33.57m。分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵5.3m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线1.5m。拟设廊道系统，实体重力坝剖面设计时暂不计入廊道的影响。拟定的非溢流坝剖面如下图所示:6四、荷载计算及组合以设计洪水位情况为例进行稳定和应力的极限状态验算（其它情况略）。设计洪水情况的荷载组合包含：自重+静水压力+淤沙压力+扬压力+浪压力。沿坝轴线取单位长度1m计算。1．自重将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的影响暂时不计入。W1=12×4×20×24×1=960(KN)W2=5×30×24×1=3600(KN)W3=12×17.5×23.3×24×1=4893(KN)2．静水压力按设计洪水时的上下游水平水压力和斜面上的垂直水压力分别计算其标准值。水平水压力：PH1=12×9.81×292×1=4125.11(KN→)PH2=12×9.81×52×1=255.06(KN←)垂直水压力：PV1=9.81×4×9×1=353.16(KN)PV2=12×9.81×4×20×1=609.6(KN)PV3=12×9.81×3.75×5×1=91.97(KN)3．扬压力扬压力强度在坝踵处为γH1，排水孔中心线上为γ（H2+αH），坝趾处为γH2。α为0.25，按图中4块分别计算其扬压力标准值浮托力：U1=9.81×26.5×5×1=1299.83(KN)渗透力：U2=9.81×0.25×24×6.8×1=400.25(KN)U3=12×9.81×0.25×24×19.7×1=579.77(KN)7U4=12×9.81×(24−24×0.25)×6.8×1=600.37(KN)4．淤沙压力分水平方向和垂直方向计算。泥沙浮重度为6.5kN/m3，内摩擦角φs=18°。水平淤沙压力标准值为PSKH=12γsbhs2tg(45°−∅s2)=12×6.5×11.12×2tg(45°−18°2)=211.37(KN)垂直淤沙压力标准值为PSKV=12×6.5×11.12×(11.12−0.2)×1=80.09(KN)5．浪压力坝前水深大于1/2波长（H＞L/2）采取下式计算浪压力标准值：Pwk=14γwLm(hl+hz)=14×9.81×11.478×(1.124+0.346)=41.38(KN)五、抗滑稳定极限状态计算坝体抗滑稳定极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能均应以设计值代入。基本组合时γ0=1.0；ψ=1.0，γd=1.2；f＇d=0.82/1.3=0.6308；c＇d=600/3=200.00kPγ0ψs(∙)=γ0ψ(12γH12−12γH22+PWK+PSKH)=1×1×(4125.11−122.63+41.38+211.37)=4255.23(KN)1γdR(∙)=1γd(f′d∑W+C′dA)=11.2(0.6308×7190.35+200.00×26.5×1)=11.2(4535.67+5300.00)=8196.39(KN)由于4255.23kN＜8196.39kN，故基本组合时抗滑稳定极限状态满足要求。六、坝址抗压强度极限状态计算坝趾抗压强度极限状态，属承载能力极限状态，核算时，其作用和材料性能均以设计值代入。基本组合时，γ0=1；ψ=1.0，γd=1.3；8γ0ψs(∙)=γ0ψ(∑WB−6∑MB2)(1+m2)=1×1(7190.3526.5+6×19078.1926.52)(1+0.752)=678.64(kPa)对于坝趾岩基：1γdR(∙)=1γd×400=11.3×4000=3076.92(kPa)由于678.64kPa＜3076.92kPa，故基本组合时坝址基岩抗压强度极限状态满足要求。对于坝趾混凝土C10：1γdR(∙)=1γdfckdγm=11.3×100002.0=3846.15(kPa)由于678.64kPa＜3846.15kPa，故基本组合时坝趾混凝土C10抗压强度极限状态满足要求。