褒河拱坝枢纽设计_毕业设计说明书.doc

毕业设计 1 摘要摘要 本次毕业设计的题目是褒河拱坝枢纽设计 。褒河库区位于陕西省汉中平原堡河 下游，汉中平原地区气候温和、湿润、土地开阔肥沃，是著名的粮仓。由于现有的汉 惠渠、褒惠渠等渠道，均系无坝引水灌溉，保证率低；有汉中地区属于三线，近年来 大量工矿企业纷纷建立，电力负荷急剧增长，故拟在该地区修建水利枢纽，开发水资 源，对于促进工农业的发展都有重要意义。 此次设计的目的是为了使水利水电专业学生了解和掌握我国各种拱坝设计方法与 思路，理论与实践相结合，提高分析问题和解决问题的能力。并通过此次设计系统了 解拱坝设计过程，拟定拱坝的不同设计方案，科学合理的确定拱坝的建设规模和运行 方式。褒河水利枢纽主要任务为灌溉、发电，其次为防洪。为此，枢纽定为：渠首电 站、拦河坝（拱坝） 、中孔泄洪、底孔、电站引水渠道等。 根据工程规模、效益，参照相关规范将褒河水库定为三级，建筑物级别：主要建 筑物为三等，次要建筑物为四等，临时建筑物为五级。褒河拱坝的设计过程主要包括 坝型选择和枢纽布置、拱坝的平面布置、拱坝的应力计算、坝肩稳定、底孔应力和配 筋计算。 关键词：关键词：混凝土拱坝、中心角、温度应力、应力计算、坝肩稳定 毕业设计 2 abstract this graduation projects topic is “baohe arch dam. design ” baohe reservoir area is located bao river downstream of hanzhong plain shensi. the climate in hanzhong plain region is mildness wetness and its tract open fecundity. it is famous granary. owing to hanhui 面板和支墩的厚度小,内部应力大，可以充分利用材料的强度；施工期 混凝土散热条件好，温度控制较重力坝简单；要求混凝土的标号高，施工模板复杂， 平板坝和连拱坝的钢筋用量大，因而提高了混凝土单位体积的造价；支墩的侧向稳 定性较差；在上游水压作用下，对于高支墩，还存在纵向弯曲稳定问题；平板坝和 大头坝都设有伸缩缝，可适应地基变形，对地基条件的要求不是很高；连拱坝为整体 结构，对地基变形的反应比较灵敏，要求修建在均匀坚固的岩基上；坝体比较单薄， 受外界温度变化的影响较大,特别是作为整体结构的连拱坝,对温度变化的反应更为灵敏， 所以支墩坝宜于修建在气候温和地区；可做成溢流坝，也可设置坝身式泄水管或输 水管。 支墩坝与重力坝相比，混凝土用量小，能充分利用材料的强度，但侧向稳定性差， 对地基的要求比重力坝更加严格，钢筋用量较多，施工散热条件好，温控措施简易， 但模板复杂，用量大，混凝土标号要求高，每方混凝土的代价也高。且单宽流量较大， 但容易引起坝体振动，如果要在这里修建大坝，选择重力坝而不选择支墩坝，故也不 修建支墩坝。现在在下面的小节重点比较重力坝和拱坝的选择。 .3 重力坝和拱坝重力坝和拱坝 两种坝型均可满足枢纽布置的总体要求，也都适合坝址的地质及地形条件。但 是从地形图上可知道，该河谷为上宽下窄的喇叭形河口谷，修建拱坝更有优势，同时 拱坝方量比重力坝的少，可节省 1/31/2 的方量。 拱坝的工期比重力坝约可节约 1/4。 对大坝工程的总投资，拱坝可节约 15%左右。 重力坝重要依靠自重产生的抗滑力维持稳定，无疑坝体的工程量大，坝体内钢 筋用量较多，未能很好的利用混凝土的抗压强度。 重力坝的底宽较大，扬压力大，对坝身稳定不利，坝体过大，施工期温度应力、 收缩应力较大。 拱坝除了有上述优点外，还有自身的结构优点： 具有双向传力的性能，由拱梁共同承担受力。 拱是推力结构，主要产生轴向压力，有利于充分发挥材料的抗压性能。 拱坝具有较高的超载能力和抗震能力，可达到设计荷载的 511 倍。 不设永久性伸缩逢，整体性能好。当外荷载增大或坝体的某一部位发生局部开 裂时，坝体的梁和拱将自行调节，抗渗性能好，弹性韧性好，抗震性能高。 计算方法多采用材力法和有限元法，计算繁琐，但计算机和计算程序的普及与 毕业设计 7 1 2 3 推广已大大的解决这一难题。 可坝身泄水。 虽然拱坝的结构复杂，但综合比较后，选择拱坝为设计坝型。 由于该地的岩石均为一些片岩等整体性能不太好的岩石，又该处砌石料难找，而在该处交通发 达，坝址下游 3.58.0 公里处有足够的沙砾石，能充分提供筑混凝土坝的骨料，故在该处修建混凝 土拱坝。 3.23.2 枢纽布置方案的选择枢纽布置方案的选择 .1 坝轴线的选择坝轴线的选择 这里添加大本上的关于坝址选择的一段文字 从地形图可确定三种修建拱坝的坝址。现分析比较选择中间合理的方案。由于在 两岸处都有一个凸出的山包， 而总体河流弯道为顺时（ ） 。 图 3-1 中 2 处处于山包中间位置，该 处不仅施工面狭窄开挖量大，最主要的原因 不利于坝端的抗滑稳定。 图 3-1 中 3 处的位置 离两山包较远，未能充分利用山包 的抗滑能力。 该处轴线较长，工程量大，造成 浪费。 对于梯级开发电站，造成了库容 图 3-1 坝址选择地形图 的浪费。 在整体布置中，不利于隧洞的洞线布置，增加了洞线的长度，从而增加了工程 量，增加了工期，造成浪费。 图 3-1 中 1 的位置 充分利用了抗滑作用，且坝轴线不长。 轴线与地形线垂直，能充分起抗滑作用。 有利于整体枢纽的布置。 综合以上几点，故选择在 1 处修建拱坝。 毕业设计 8 .2 其他枢纽布置其他枢纽布置 主要建筑物有：混凝土双曲拱坝、岸边引水式电站、东西干渠渠首电站和反调节 池等。 1）引水隧洞的布置 由于修建的是拱坝，而拱坝有一个突出的特点是不能分期修建，只能采用全断面 截流后修筑。故必须在两岸山体中开挖隧洞作为施工导流和引水之用。 隧洞可布置在两岸山体中。由于该河道为顺时针弯曲的弯道河流，左岸为凹岸， 如果在左岸开凿隧洞，其洞线很长，不经济。且绕了几个大弯，不满足快速泄流和引 水的条件。 而右岸为凸岸，引水隧洞短而直，泄水迅速，经济合理，故拟在右岸修建隧洞。 引水隧洞为前期施工导流隧洞，为了充分利用该导流隧洞，把该隧洞做成电站的 引水隧洞。为便于电站进水口与下游电站厂房的布置和水流条件，隧洞的进出口不能 太过靠近大坝，进口距大坝 200左右，出口距大坝 300左右，在距大坝 50左右 mmm 的地方修建电站引水口，利用弯道和导流隧洞连接。水库开始蓄水前，电站进水口与 隧洞连接的前部用混凝土塞子封堵。由于时间关系，引水隧洞不进行具体设计，采用 原设计的数据，进口高程为 544.0 ，电站引水口的进口高程为 567.0。隧洞直径 mm 采用经验值，取为 7。在隧洞的出口电站前面修建一个直径为 10的压力前池。 mm 2）东、西干渠渠首布置 东干渠引水口高程 588.5，引用流量为 30，河流为东南走向，布置在河流 msm / 3 的左岸每一位置。根据坝轴线和地形地质条件，拟利用引水渠引水到坝端，再以引水 道引水到下游东干渠渠首。 西干渠引水口高程 592.0，引用流量为 6，根据地形地质条件及、引水隧 msm / 3 洞及厂房的位置，西干渠渠首布置在坝端右岸下游 100处，引水隧洞右侧，为了不 m 影响电站进水口的布置，故把西干渠的引水道进口修建在坝体上面。因此渠道的引水 洞和引水隧洞在空间上交叉，引水隧洞在渠道引水道的上面。为满足水流运行条件以 及引水方便，渠首引水道在坝身处直线引水到坝后利用弯道至西干渠渠首。 在本次设计中，隧洞、电站厂房、引水道都未进行具体设计，在设计图纸上为一 个大体形象，多数引用了原设计。 .3 泄洪方案的选择泄洪方案的选择 褒河水利枢纽的主要的任务是灌溉，其次是发电、防洪。而泄洪建筑物的布置是 拱坝设计的关键，拱坝泄洪分坝外泄洪与坝体泄洪两种。但拱坝多修建在峡谷河段上， 毕业设计 9 一般无合适的垭口可供利用，因此多数情况下采用坝体泄洪。而坝体泄洪有坝顶泄流、 坝面泄流、滑雪道式和坝身泄水孔等几种，现对他们进行分析比较。 （1）坝顶泄流 坝顶泄流是指洪水经过坝顶自由跌落或经外悬臂挑坎往下游挑落的过流形式, 优 点是： 结构较简单，设计施工较容易。 对坝体的应力影响较小。 一般水头不大，起闭设备易于检修。 工程造价较低。 用表孔排水时还可以排漂。 对于调洪库容较小的水库，还可以通过超标准洪水，有利于工程安全。 坝顶泄流的缺点是： 堰上水头低时泄流能力小，溢流前沿较长，而当全线溢流时，又容易冲刷岸坡。 坝顶下泄水流的挑流速小，挑距近，容易冲刷坝脚，需对岸坡和坝脚采取一定 的保护措施。 不能适应低水位的泄流要求，因而坝顶泄流孔口通常与底孔和隧洞配合使用。 坝顶泄流由于水舌跌落较近，入对角大。对坝基的冲刷力大，所以一般采用跌流 消力池或在下游设二道坝抬高水位，形成水垫消能。 （2）坝面泄流 坝面泄流指水流过堰顶后继续沿坝身下泄，最后以挑流或与下游尾水相接。与坝 顶溢流相比优点之处不同在于坝面溢流的落差较大，流速较高。采用挑流形式与尾水 相接时，挑距较大，对坝体安全更为有利，但坝面溢流存在水流同心集中的特点，水 舌宽度沿程缩窄，无疑下游要增设消能设备，加大工程量，同时由于坝面泄流的挑距 近，冲刷力大，难于满足安全泄流的要求。 （3）滑雪式泄流道 滑雪道式泄流道，即紧接坝体之后用支墩或混凝土排架将“滑雪式”支撑起来泄 流。若将滑雪道布置在拱坝的两侧，由于拱坝有向心集中和河床狭窄的特点，因此水 舌能够在空中冲击消能。同时，滑雪式在高速水流的作用下，震动的比较严重，因此 安全泄洪性不高。 （4）坝身开孔泄洪 坝身开孔泄洪就是在坝体上一定的位置开设孔口用来满足泄洪要求。按孔口设置 的位置不同可以分为表孔，中孔和深孔。坝身开孔泄流除节省工程量，经济外还具有 以下的优点： 毕业设计 10 泄流流量随水位的变化关系不大。 若采用中、深孔泄流尚可结合施工导流或放空水库，比单独开挖隧洞更经济。 如采用挑流消能，则一般起挑流速大，挑距远，有利于坝体安全。 如采用中，深孔泄洪，不但工程建成后可严格控制蓄水速率，泄洪时又可按预 报提前腾空库容，保证安全泄洪。 坝身开孔泄流的缺点是： 坝身开孔过大或过多，不利于坝体受力，同时也会引起震动。 闸门和起闭设备的容量一般较大，检修较困难。 如果水库的调节性能不好，当发生超标准洪水时，可能漫顶，不利于安全，为 此，最好设置必要的表孔泄流并结合排漂。 随着应力实验技术的发展，对一些坝身开孔工程的模拟实验表明，坝身开孔除对 孔口周围的局部应力有影响外，对整个坝体的应力影响不大，此外，随着闸门制造技 术的发展以及大容量起闭设备的制造，修建大孔口或深孔泄流已成为一种惯例。 坝身开孔泄流，一般布置于河心或对称的布置于河心中央的两侧。 由以上分析并根据石门库区地质、地形资料，拟建一般拱坝。并采用中孔，底孔 联合泄流。 另外，由于时间的关系，本次设计未进行调洪验算。所以中孔泄洪的形式、尺寸、 高程、数目均沿用原设计。坝顶高程也沿用原设计，确定为 620.0。 m 毕业设计 11 4 4 拱坝设计拱坝设计 4.14.1 拱坝拱坝布置布置. . .1 拱坝布置的基本原则拱坝布置的基本原则 拱坝布置的总要求是：应在满足枢纽布置、运用施工要求、坝肩岩体稳定的前提 下，通过调整其外形与尺寸，使坝体材料强度得到充分的发挥，拉应力控制在允许范 围内，并方便施工，工程量小。为达到上述要求，拱坝布置应遵循“光滑连续”的原 则。 拱坝布置的步骤大概如下： 1）根据坝型图、地质图和地质勘察资料，定出开挖深度，画出可利用岩基面 等高线地形图。 2）根据地址地形条件选择适宜的坝型和平面布置形式，初拟坝轴线位置、顶 拱及各圈中心角、半径、拱圈厚度，拟定拱冠梁剖面。 3）布置顶拱。 4）布置其他高程拱圈。 5）检查坝体轮廓连续性及倒悬度。 6）检查坝基轮廓线。 本次设计我们大体选择如下： 对与 u 形河谷，拱坝顶底跨度接近，刚度相差不大，因而沿水深增加的水压力 需要由悬臂梁增加截面厚度承担坝体应力，从这个方面说较适合单曲拱坝的修建。但 是，单曲拱坝厚度过大，应力条件不好，造成了浪费不经济。双曲拱坝虽然各层拱圈 的刚度变化不大，但刚度条件已经能够满足受力条件，且能充分发挥混凝土的强度。 另外，双曲拱坝根据地形条件变化明显，开挖量比一般的单曲拱坝少。 故，本设计选用双曲拱坝（变外半径等中心角） 。 从地形图上可看出，该 u 形河谷对称程度高，选择圆弧拱就可以满足设计的要求。 故本设计采用等中心角、变半径的等截面圆弧双曲拱坝。 由于河床最低高程 535.0，基岩高程为 532.0。故以 532.0处为坝底高 mmm 程，则坝高为 88.0（=620-532=88） 。 mm 毕业设计 12 由已知资料中可知，590高程上风化层厚 5，590高程以下为 35 米，则 mmm 取 5为开挖深度。故在拱坝开挖后的河谷地形等高线要比原地形等高线的相同处少 5 m 高程，也就是说，以前是 625的高程，在开挖后变成了 620高程。由于坝顶高程 mmm 为 620，现在前面 3-1 图中 1 处的适宜位置布置坝轴线，与 625的等高线相交，量 mm 出两交点的连线长=200.0。 c l m .2 拱冠梁断面尺寸拟定拱冠梁断面尺寸拟定 拱圈形式选择拱圈形式选择 在拱坝的应力计算和拱坝的平面布置的时候一般把拱分成 57 层。本设计采用 6 拱圈 5 不等段，从上而下每段的高度分别是 20、20、20、20、8。则每截mmmmm 面的高程分别为 620.0、600.0、580、560.0、540.0、532.0。这样分段mmmmmm 是为便于地形图上开挖后的河谷地形的绘制以及每层拱圈的拱端之间的弦长的求解。 从地形图上可得拱圈弦长： =68.5。上面的数据只能作为初步设计的数据，最后 6 lm 的拱圈弦长得由拱坝平面布置上得到。 拱冠梁断面尺寸拟定拱冠梁断面尺寸拟定 （1）坝顶厚度 选择时，应该考虑工程的规模，交通和运行要求。如无交通要求，一般取 c t c t 35，但至少不得小于 3。可由下面的经验公式的求 mmc t =0.012(+) （41） c t hl =0.0145(2+) （42） c t a r h =0.4+0.01(+3) （43） c t lh 式中 最大坝高。h 坝顶高程处，河谷开挖后两拱端之间的直线距离，。等于lm c l 顶拱轴半径，初估时可取=（0.610.70）l。本设计取 a r a r =0.62=0.62200.0=124.0 a r l m 由 41 得 =0.012(88+200.0)=3.456 c tm 毕业设计 13 由 42 得 =0.0145(2124.0+88)=4.87 c tm 由 43 得 =0.4+0.01(200.0+388)=5.04 c tm 由于该坝上没有交通要求，根据上面的数据取=5.0。 c tm 坝底厚度坝底厚度 b t 求坝底厚度的时候用下面的经验公式。 b t 任德林公式：当=60100， =0.83.5 时。hmhl/ =（0.0382）h （44） b t 1000 2 )( 632. 0 h h l 美国垦务局经验公式： = （45） b t 3122 21 ) 122 (0012 . 0 h h lhl 朱伯芳经验公式： = （46） b t hllk n )( 11 式中 、 的意义同前。 lh 为第一层拱圈的弦长，等于。 1 l c l 为 0.15处拱圈的弦长，现取为与同长。 2 lh c l 为到数第二层处的拱圈弦长，现取为与同长。 1n l c l 由 44 得：=88（0.0382）=21.73 b t 0.632 2002 88 () 881000 m 由 45 得： 可拟=，再折减。 2 l 2 l 1 l =14.94 b t 88 1223 88 0.0012 88 200 200() 122 m 由钢筋混凝土结构学中查得=0.5mpa. 可拟=，再折减。 min 2 l 2 l 1 l 由 46 得： =24.64 b t 0.35 (200200) 88 500 m 毕业设计 14 y x 由 45 得到的数据太小，现在不考虑，只比较 44 式和 46 式的数据。由于 46 中的数据要折减，故选择=22.0 米。则厚高比=0.25，属于中厚拱坝。 b t h t 88 22 拱坝的类型可以分为四种。 分别是按坝高、厚高比、曲率、水平拱圈形式这四种形式。 具体的分类标准请参照参考书。 .3 拱冠梁剖面设计拱冠梁剖面设计 基本原则基本原则 拟定双曲拱坝拱冠梁剖面时应遵循的原则是： 控制梁的自重拉应力不超过允许值， 一般为 0.30.5.mpa 控制坝面倒悬度不超过允许值，整 体为 0.3:1，局部在（0.20.25）:1 范围内。 坝体轮廓线应光滑连续。 本设计拱冠梁上下游面的曲线采用单圆弧。 图 41 坐标轴 所采用的坐标轴如图 41 所示。 拱冠梁剖面设计的方案选择拱冠梁剖面设计的方案选择 方案一：美国垦务局方案 表表 4141 美国垦务局方案三点定圆表格美国垦务局方案三点定圆表格 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0（0，0）-5.0（-5.0，0） 0.45h 0.95=20.9 b t (20.9，48.4)0(0,48.4) 坝底 0.67=14.74 b t (14.74,88) -0.33=-7.26 b t (-7.26,88) 方案二：任德林方案 表表 4242 任德林方案的拱厚及拱冠梁断面的计算表任德林方案的拱厚及拱冠梁断面的计算表 毕业设计 15 hthh/hx/xt-tx 20 +0.257 c tt 0.2270.0645.6329.3693.737 40 +0.489 c tt 0.4550.1099.59213.3133.721 60 +0.684 c tt 0.6820.1251116.6285.628 80 +0.906 c tt 0.9090.1139.94420.40210.458 续表续表 4.24.2 88 b t 10.0988.6242213.376 48.4 +0.5755 c tt 0.550.11910.472 14773996 注：=-=17.0。其中离坝顶 48.4处的数据由 40、60 之间的数据内插而得。t b t c tmm 从表 42 中拿出 88 与 48.4 处的上下游偏距来求三点定圆方程。为便于分析比较， 取数据的位置和美国垦务局方案一样。数据如表 43 所示： 表表 4343 任德林方案的数据表任德林方案的数据表 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0（0，0）-5.0（-5.0，0） 0.45h10.472(10.472，48.4)-4.3(-4.3,48.4) 坝底8.624(8.624,88)-13.376(-13.376,88) 从表 41 以及表 43 中的坐标可以看出来，美国垦务局的方案求的拱冠梁较瘦， 应力条件好，倒悬度高。任德林方案较胖，适合砌石坝设计，应力条件差，倒悬度小。 为了满足倒悬度小而应力条件又不至于太差，采用折中方案。在 0.45，坝底处，上h 下游面的坐标都采用两者的平均值，故求的坐标如表 44 所示。 表表 4444 折中方案的三点定圆数据表折中方案的三点定圆数据表 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0（0，0）-5.0（-5.0，0） 0.45h15.686(15.686，48.4)-2.15(-2.15,48.4) 坝底11.682(11.682,88)-10.318(-10.318,88) 毕业设计 16 x y h 把折中方案的上下游坐标代进圆的方程得： 222 )()(rbyax 上游面： 222 222 222 (15.686)(48.4) (11.682)(88) abr abr abr 94.25 57.29 110.29 a b r 所以上游面的圆方程为：。 222 (94.25)(57.29)110.29xy 下游面： 222 222 222 (5.0) (2.15)(48.4) (10.318)(88) abr abr abr += +-= +-= 171.59 34.09 170.04 a b r = - = = 所以下游面圆的方程为：。 222 (167.24)(34.36)165.84xy 由，h 以及上下游面的圆弧方程可绘制出拱冠梁剖面图。 b t c t 从拱冠梁剖面上可量得：=5.0，=11.7，=16.3， 1 tm 2 tm 3 tm =19.5，=21.5，=22。 4 tm 5 tm 6 tm 方案三：上游面定为二次抛物线，把他得到的曲面与折中方案的cbyayx 2 比较，简图如图 43 所示 当时，=0 hy 1 dx dy 当时， hy 2b xt 当时， 0y0xh 1 =0.62，在 0.300.60 之间取值， 1 2 本设计取=0.5。 2 则可求的 图 43 抛物线方案简图 0.0059 0.65 0 a b c 则上游面抛物线方程为： 2 0.00590.65xyy 把该方案上游面和这种方案的上游面曲线比较，可得折中方案是比较合理的，起 主要表现在以下几个方面，如表 45 所示。 表表 4545 倒悬度比较表倒悬度比较表 毕业设计 17 折中方案抛物线方案 高程 上游偏距倒悬度上游偏距倒悬度 坝顶00 小大 0.45h15.68617.9 坝底11.682 小 11 大 从上表中可以看出，抛物线方案中的拱冠梁剖面比折中方案的胖，造成了材料 的浪费。 抛物线方案局部倒悬度大，应力条件差。 折中方案为圆弧曲面比拱坝施工简单。 从上面比较可以看出，这种方案是比较合理的。 4.24.2 拱坝的平面拱坝的平面布置布置 .1 基本原则及假定基本原则及假定 基本原则基本原则 控制梁的自重拉应力不超过允许值，一般为 0.30.5mpa. 控制坝面倒悬度不超过允许值，整体为 0.3:1，局部在（0.20.25）:1 范围内。 坝体轮廓线应光滑连续。 坝体与基岩的接触线应光滑连续。 假定假定 前面各拱圈拱端之间的距离在这里仍然适用。 沿用前面的 6 拱 5 不等段法，各高程处的拱厚为=5.0 米，=11.78 米， 1 t 2 t =16.3 米，=19.5 米，=21.5 米，=22 米 3 t 4 t 5 t 6 t .2 拱圈中心角的确定拱圈中心角的确定 在外荷载和河谷形状都相同的情况下，拱圈中心角越大，拱端应力越小，应 a 2 力条件越好。若按与工程实际更为接近的两端固端拱计算，当中心角120时， a 2 毕业设计 18 拱圈截面将不出现拉应力。因此，从减少拱圈厚度，改善坝体应力考虑，选较大的中 心角是比较有利的。但从稳定条件考虑，选用过大的中心角将较难满足坝肩的稳定要 求。 现代拱坝设计中，顶拱圈的中心角多为 75110之间，底拱中心角一般取 50 80。 拱坝的最大应力常出现在坝高的拱圈处。 。 2 1 3 1 本设计根据以上情况及地质地形资料，定底拱中心角=顶拱中心角=80。拱圈内 外半径如表 46 所示 表表 4646 中心角选取和内外半径计算表中心角选取和内外半径计算表 高程620600580560540532 拱圈厚t5011.716.319.521.522 初拟中心角808080808080 外半径 u r 156.251310109984255753.28 内半径 d r 151.2511939366473423128 注： =，=- u r 2 sin2 l d r u rt 现把四个方案各拱圈各层中心角和半径列表如表 47 所示。 表表 4747 五个方案的中心角及半径汇集表五个方案的中心角及半径汇集表 方案高程中心角外半径内半径方案高程中心角外半径内半径 62080147791429962075163.93158.93 600801310119260075138112642 5808010999375807511539897 5608084.2649560758876916 54080557339540755843686 方 案 一 5328053283128 方 案 二 532755626234262 62085147.06142.0662090140.813508方 案 60085124111242 方 案 6009013435122.67 毕业设计 19 580851038874758090104.988.57 5608579359.765609087.768.16 5408551429865409071.449.86 三 532855069628696 四 5329065.843.8 62080147.79115.4 60080130.7118.4 58080109.292.5 5608084.264.4 5408055.434 方 案 五 53280532831.28 .3 拱圈的平面布置拱圈的平面布置 拱坝平面布置的方法及步骤如下： 定出坝址，可利用基岩面等高线地形图，这个工作前面已经作完。 定出拱坝的对称中心线，该中心线即为顶拱外弧对应弦的垂直平分线。做法： 将顶拱外弧（拱坝轴线）和它的垂直平分线绘制在透明纸上，在地形图上移动调整位 置，使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于 3035，并使两端夹角大致接近（且 注意使拱轴的垂直平分线与河谷中心线大致重合。 ） 根据顶拱的厚度可以绘制出内弧。 其他拱圈的布置方法。做法：在顶拱的垂直平分线上量取该处的偏距（=10 1 2 t ，=14.9，=16.1，=13.8，=11.7。 ） ，然后确定一点，再从该处m 1 3 tm 1 4 tm 1 5 tm 1 6 tm 往回量取外半径的长度，则就确定了该层拱圈的圆心，再根据中心角绘制出来该外弧 和内弧。 悬臂梁截片检查，由于该拱坝对称性较好，在左不拱切取三个悬臂（不包括拱 冠梁） ，检查坝面是否光滑，倒悬度是否满足施工要求。 根据以上布置的尺寸，计算坝体工程量，以做出不同方案比较的依据。由于拱 坝应力计算程序在进行计算的同时，也算出了坝体工程量。因此，这一步骤也可由计 算机自动完成。 上面五个方案的平面布置图如附图所示。其中每个图对应一个方案。从轮廓线、 切片的倒悬度以及工程量判断，得出其中较优秀的方案。 毕业设计 20 5 5 拱坝应力计算和内力计拱坝应力计算和内力计算算 5.15.1 荷载和荷载组合荷载和荷载组合 .1 荷载荷载 基本荷载主要有：静水压力，泥沙压力，浪压力，自重，水重，扬压力和温度荷 载。 特殊荷载主要有：地震荷载，包括动水压力和地震惯性力，地震动土压力。 在基本组合中，静水压力，泥沙压力，浪压力在拱梁分载法中由拱梁共同承担。 静水压力、泥沙压力、浪压力中静水压力是坝体最主要的荷载。 自重：对于分块浇注的混凝土坝，自重全部由悬臂梁承担，并不影响水平径向 荷载的分配，单独计算自重应力。 水重：一般假定有梁承担，通过梁的变化考虑对拱的影响。 扬压力：对中厚拱坝和厚拱坝应记入扬压力作用，对薄拱坝可不计。当扬压力 对拱座及坝基岩体稳定影响较大时，必须计入其作用。 温度荷载：包括沿截面厚度的平均温度变化，等效线性温差，非线性温差。 m t d t n t 一般情况下不考虑。对于一般中小型工程也可不考虑。在本设计中只考虑。 n t d t m t 荷载的具体计算方法见应力计算过程中的公式一栏。 地震荷载：拱坝的地震荷载主要包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力。 地震时，震波可能来自任何方向，但对拱坝影响而言，以水平方向的地震力为最大， 其中又以顺河流方向和垂直河流方向的地震力最为主要。 .2 荷载的组合荷载的组合 基本组合基本组合 水库正常蓄水位+设计正常温降情况 计算荷载有：自重，扬压力，泥沙压力，水压力，温降荷载。这种情况为坝体应 力控制条件。 水库运行最低水位（死水位）+设计正常温升情况 计算荷载有：自重，扬压力，泥沙压力，水压力和相应的设计正常温升时的温度 毕业设计 21 荷载。这种情况为坝肩稳定控制条件。 特殊组合特殊组合 非常泄洪：校核洪水位+设计正常温升情况 计算荷载有：自重，静水压力，泥沙压力和设计正常温升的温度荷载。这种情况 为坝肩稳定的控制条件。 基本组合+地震荷载 由于时间关系，省略浪压力和地震荷载。只计算基本组合和特殊组合。 5.25.2 应力计算方法（拱冠梁法）应力计算方法（拱冠梁法） .1 拱冠梁法的基本原理拱冠梁法的基本原理 拱冠梁法是一种简化了的拱梁分载法，就是沿高程将坝体分成 57 层，在每层内 取 1 米高度的水平拱圈，以及取中面宽度为 1 米的拱冠梁作为计算单元。根据两者交 点处的径向变位一致条件建立荷载分配方程组，求解拱梁中的径向荷载分配比例，并 假定荷载沿拱圈均匀分布。以一根在拱冠的悬臂梁分配到的荷载代表全部悬臂梁的受 力情况，各拱圈分布到的荷载仍为径向荷载，且从拱冠到拱圈均匀分布，采用分段施 工时，则自重已由梁在封拱前单独承担，通过拱圈变位考虑对梁的影响，在进行拱梁 分载后计算应力时，自重、水沙重、扬压力等全部由梁承担。 .2 拱冠梁法的主要步骤拱冠梁法的主要步骤 选定若干拱圈（57 圈） ，分别计算各拱圈以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向 荷载作用下的变位，这些变位即为变位系数。 根据各个交点拱梁径向变位协调的关系以及各点拱梁荷载之和应等于总荷载强 度的要求建立变位协调方程组。 将上述方程组联立求解，可以得到各点的拱梁荷载分配。 根据求出的荷载分配值分别计算拱冠梁与各拱圈的内力和应力。 拱冠梁法按其荷载分配的计算方法不同可分为试载法和解联立方程法两种。 5.35.3 应力和内力计算过程应力和内力计算过程 计算方法：利用 excel 解联立方程法。 下面只打出所选方案的设计水位+温降的应力和校核水位+温升的拱端的内力。 毕业设计 22 .1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位 w i 拱冠梁的截面常数、梁自重及其弯矩、水重及其弯矩、淤沙重及其弯矩、扬压 力及其弯矩等项目的计算，详见表 51。参数意义如图 51 所示。 的计算表详见表 52。 w i 毕业设计 23 重心 上核点 形心中心 下游水位 上游水位 t kdku ad au bgbbgb bga bga e1 hd下 dh hu上 hu下 eu dag dtd dag dtu 中心 形心 上核点 e e b h1 hu-hd dsd dsu t rd rru 形心 ds=1.0 e ad a 图 51 拱冠梁参数意义示意图 毕业设计 24 截 面 分 类 名称及算式 123456 计算高程 620600580560540532 拱厚t5.011.716.319.521.522 外半径 u r156.25131010998425575328 外半径 d r151.2511939366493393128 平均半径 r=（+）/2 u r d r153.751251 1017 5 74.4544954228 rt /0.0330.09430.1600.2620.4780.52 中线弧长s111111 外弧长 r r ss u u 1.0161.0471.0801.1301.2401.260 内弧长 r r ss d d 0.9840.9530.9200.8700.7610.740 梁截面面积tsa4811.716.319.521.522 梁截面惯性矩 s r t ti 2 12 1 3 12 1 )(1 10.417133.47360.90617.91828.20 8873 3 形心偏心距 r t e 12 2 1 0.01360.0910.2180.4260.8570.953 形心至上游面的距离 1 2 e t au 2.4875.7597.9329.3249.89311 形心至下游面的距离 1 2 e t ad 2.5135.9418.36810.17611.60711 5 不 拱 冠 梁 截 面 常 数 上核点至上游面的距离 r t u t k 6 2 1.6583.8405.2926.2286.6386.748 毕业设计 25 表表 5151 垂直力的求解表垂直力的求解表 表表 5151 垂直力的求解表垂直力的求解表 截 面 分 类 名称及算式 123456 下核点至下游面的距离 r t d t k 6 2 1.6783.9615.5826.7977.7878.29 形心至上核点的距离 )( uuu kae -0.829-1.919-2.640-3.097-3.256-4.251 分段高度h202020208 分块上游面水平投影 u t10491.2-2.3-2.1 分块顶底形心的水平距离 下上uuug ataa 6.7282.7644-0.1919-2.869-2.253 拱 冠 梁 截 面 常 数 分块重心至分块底形心水平距 ）（ 下上 下上 tt tta a g g 3 )2( 2.9141.289-0.093-1.411-1.122 分块平均截面积）（ 下上 aaa 2 1 8.251417.920.5521.8 分块重 ms ahw39606720859298404176 分块重对块底形心的弯矩 gss awm 115398659.2-800-13884.0-4686.2 分块累计弯矩 ss mm 01153920198193985514827.7 累计重量 ss ww03960106801927229112332228 块顶自重对块底形心的弯矩 下上gss awm “ 0010797-2050-55284-65589 累计弯矩 “ ss mm001107968746-46538-112128 自 重 及 其 弯 矩 自重总弯矩 “ sss mmm 0115393099528144-41024-111300 毕业设计 26 续表续表 5151 截 面 分 类 名称及算式 123456 截面至水面深度 u h019.539.559.579.587.5 平均水深)( 2 1 下上uuu hhh9.7529.549.569.583.5 分块上游面的水面宽度 u t-2.3-2.1 平均弧长 )( 2 1 下上uuu sss 1.0321.0631.1051.1861.250 分块三角形水重 uuuuwwa sthhw )( 2 1 上下 1006521.07132.66-272.5-104.9 块顶上矩形水重 uuuwwb sthw 上 01016524-1621-2086 分块水重 wbwaw www10061537656-1894-2191 累积水重（从上而 ww ww 下） 0.0001006254231991035-886 三角形水重重心到块底形心的距离 3 1 uuga tab 下 2.992 6.299 8.924 10.659 10.746 矩形水重重心到块底形心的距离 3 1 uugb tab 下 1.609 5.482 8.724 11.041 11.096 三角形水重对块底形心的弯矩 gawawa bwm 3009.33282.2 1183.9 -2905-1128 矩形水重对块底形心的弯矩 gbwbwb bwm 0.000 5570.6 4571.7 -17909-23149.7 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算 改正值 gwwc awm 上 0.000 2742 -488-9178 -2940 上 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 每块水重对底部形心的总弯 3009 11595 5268 -29992 -27218.1 毕业设计 27 wcwbwaw mmmm 续表续表 5151 截 面 分 类 名称及算式 123456 累积水重的弯矩（从上向下） ww mm 0.000 300914604 19872 -10121 -37339 截面至水面深度 d h000010.0518.05 平均水深)( 2 1 下上ddd hhh0005.02514.05 分块上游面的水面宽度 d t1.92.4 平均弧长 )( 2 1 下上ddd sss 0.968 0.937 0.895 0.814 0.748 分块三角形水重 ddddwwa sthhw )( 2 1 上下 0.000 0.000 0.000 77.633 72.833 块顶上矩形水重 dddwwb sthw 上 0.000 0.000 0.000 0.000 180.9 分块水重 wbwaw www 0.000 0.000 0.000 77.8253.0 累积水重（从上 ww ww 而下） 000077.8 330.8 三角形水重重心到块底形心的距离 3 1 ddga tab 下 5.941 8.367 10.17510.973 11.154 矩形水重重心到块底形心的距离 2 1 ddgb tab 下 5.941 8.367 10.175 10.656 10.754 三角形水重对块底形心的弯矩 gawawa bwm 0.000 0.000 0.000 853.82 803.4 矩形水重对块底形心的弯矩 gbwbwb bwm 0.000 0.000 0.000 0.000 1946.2 下 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算0.0000.0000.000 0.000-175.061 毕业设计 28 改正值 gwwc awm 上 续表续表 5151 截 面 分类名称及算式 123456 每块水重对底部形心的总弯矩 wcwbwaw mmmm 0.000 0.000 0.000 853.8212574.4 累积水重的弯矩（从上向下） ww mm 0.000 0.000 0.000 0.000 853.821 3428.2 浮托力ahw dwu 1 0.000 0.000 0.000 0.000 -2160 -3971 渗透压力 )6()( 12 1 “ 1 r t ahhw duwu 0.000 -1158-3305 -6054 -8061 -8302 扬压力 “ 1 11uuu www 0.000-1158-3305-6054-8061-8302 浮托力对块底形心弯矩 1u m 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 渗透压力对块底形心的力矩 uuu ewm 1 “ 1 0.000 2222.84 2 8762.92 5 18746.2 7 26242.6 78 23979.4 8 无 防 渗 排 水 时 的 扬 压 力 扬压力力矩 “ 1 11uuu mmm 0.000 2222.84 2 8762.92 5 18746.2 7 26242.6 78 23979.4 8 排水点之上游面的距离 u b 6.5 防渗排水后水头折减系数 0.3 防渗排水减少的水头 )1)( 1 t b hhh u du 28.095 防渗排水减少的弯矩 1 2 2 1 thmu -309.2 扬 压 力 及 其 弯 矩 设 防 渗 排 水 时 的 扬 压 防渗排水减少的渗透压力的力臂 uuu abte)( 3 1 2 -0.546 毕业设计 29 力 防渗排水减少的弯矩 2 2 “ 2uuu ewm 168.77 续表续表 5151 截 面 分类名称及算式 123456 防渗排水时的扬压力 “ 21uuu www 0.000 -1158.-3305-6054 -10221 -11963 设防渗排水时的扬压力的弯矩 “ 21uuu mmm 0.000 2222.8 8726 18746 26884 27132 总垂直力 uwws wwwww 0.000 3833.99931.9 16409 20256 20947 总 计 总垂直力弯矩 uwws mmmmm 0.000 161755358566157 -28192 - 118395 注 ：1.单位：力为，弯矩为，长度为，截面面积为，截面惯性矩为。knmkn m 2