B江水利枢纽工程设计计算书（二）

1 目目 录录 第一章第一章 调洪演算调洪演算4 1.1 洪水调节计算4 1.1.1 洪水调节计算方法 4 1.1.2 洪水调节具体计算.4 1.1.3 计算结果统计7 1.2 防浪墙顶高确定7 第二章第二章 防浪墙计算防浪墙计算.10 2.1 防浪墙尺寸设计10 2.2 危险工况下的荷载内力计算10 2.2.1 完建未蓄水工况下的荷载计算11 2.2.1.1 整体荷载计算.11 2.2.1.2 1-1 截面荷载计算 .13 2.2.1.3 2-2 截面荷载计算14 2.2.2 校核洪水位工况下的荷载计算15 2.2.2.1 整体荷载计算.15 2.2.2.2 1-1-截面荷载计算 17 2.2.2.3 2-2 截面荷载计算18 2.3 防浪墙配筋计算.19 2.3.1 竖墙配筋计算.19 2.3.2 底板配筋计算20 2.4 抗滑稳定计算.21 2.5 抗倾覆计算.22 第三章第三章 坝坡稳定分析坝坡稳定分析23 3.1 坝坡值选定 23 3.2 坝坡稳定计算过程23 3.2.1 假定滑动面计算25 第四章第四章 副坝副坝.28 4.1 副坝设计28 4.2 强度和稳定验算.29 4.2.1 荷载计算30 第五章第五章 趾板剖面计算趾板剖面计算(专题一专题一).32 5.1 趾板横截面32 5.1.2 岸坡段趾板剖面32 5.1.3 河床段趾板剖面32 2 5.3 配筋计算35 第六章第六章 溢洪道设计溢洪道设计（专题二）专题二）.37 6.1 引水渠设计.37 6.2 控制堰的结构设计37 6.2.1 闸室布置与构造.37 6.3 泄槽水力计算.39 6.3.1 泄槽水力计算39 6.3.2 边墙设计：42 6.3.2.1 边墙尺寸.42 6.3.2.1 边墙抗滑稳定分析.43 6.4 具体挑流消能计算45 附附 录录48 参考文献参考文献.51 3 50年一遇设计洪水过程线 0 50 100 150 200 250 300 350 400 01020304050607080 时间t(h) 入库流量Q 流量 p=1%校核洪水过程线 -100 0 100 200 300 400 500 600 01020304050607080 时间（t） Q(m3/s) 流量 第一章第一章 调洪演算调洪演算 1.1 洪水调节计算洪水调节计算 1.1.1 洪水调节计算方法洪水调节计算方法 本次洪水调节运用水库调洪计算公式，即：本次洪水调节运用水库调洪计算公式，即： （1-1） t V qQ 式中 Q计算时段中的平均入库流量（m3/s） ； q计算时段中的平均下泄流量（m3/s） ； v时段始末水库蓄水量之差(m3)； t计算时段，一般取 1-6 小时，本设计取 4 小时 即在一个计算时段内，入库水量与下泄水量之差为该时段中蓄水量的变化。 1.1.2 洪水调节具体计算洪水调节具体计算 用三角形法拟出洪水过程线，如图 1-1： 图 1-1 洪水过程线 4 根据本工程软弱岩基，选用单宽流量约为 2040m3/s，允许设计洪水最大下 泄流量 260 m3/s，故闸门宽度约为 6.25m12.5m，选择三种宽度进行比较，假定 溢流前缘净宽分别为 8m，9m 和 10m,并假定三个堰顶高程，分别为 271m,272m 和 273m，绘制出 ZQ 曲线。并根据公式求得的溢流堰的泄水能力 2 3 2 HgmBQ 曲线。 设计时用 AutoCAD 和 Microsoft Office Excel 作图列表计算，分别作出设计洪 水过程线和校核洪水过程线后，进行调洪演算。 正常蓄水位 276.8m，库容为 1999.1 万； 3 m 本工程汛前限制水位设为 274.8m,相应库容为 1835.0 万 m3 绘图（如附图） ，列表计算各曲线坐标点参数如下： 表 1-1 设计洪水水位流量关系曲线 堰 高 下泄流 量 （m3/s ） 面积 （m2） 增加库容 （m3） 初始库容 （m3） 总库容 （m3） 相应水 位（m） 20012585.2545306901599640020527090277.28 2712501194636195981599640019615998276.46 水库库容关系曲线 220 230 240 250 260 270 280 050010001500200025003000 V(万立方米) H(米) HV 5 表 12 关系曲线 0 H 泄 Q （m） 0 H （B8m） 泄 Q （m3/s） （B10m） 泄 Q （m3/s） （B12m） 泄 Q （m3/s） 0000 117.521.926.4 248.661.173.7 387.6110.7133.8 4132.3167.9203.5 5181.5231.2280.9 6234299.3364.7 7289.1371.5453.8 8346.2446.8547.4 9413.1524.7644.8 根据 （1-2）可得出与的关系，联立表 11 结果， 堰顶 0 H 泄 Q 可得出调洪演算的结果，见附图一至三。 1.1.3 计算结果统计 根据附图一至三所示结果，得出以下可行方案： 表 13 可行方案统计 方 案 堰顶 宽 堰顶 高程 (m) 起调流量 Q起调(m3/s) 设计洪 水位(m) 设计下泄 流量 (m3/s) 校核洪 水位(m) 校核下泄 流量 (m3/s) 超高 （m） 1271124.4277.0249.0278.33311.5 2 B=8 米27287.6277.6223279.53172.7 3271150.1276.8265277.5 3170.7 4 B=9 米27299.1277.4235278.7 328 1.9 300860327741021599640018770502275.47 20015583.3256099951661714022227135278.81 25012585.2545306901661714021147830277.84272 30010054.4436195981661714020236738277.02 20015583.3256099951723786022847855279.36 25012585.2545306901723786021768550278.39273 30010054.4436195981723786020857458277.73 6 5271167.9276.6272277.5 346 0.7 6 B=10 米272110.7277.2251278.43411.6 注：1.超高Z =校核洪水位-正常蓄水位； 2.发电引用最大流量 5m3/s，相对较小，在计算时不予考虑。 3.计算见附图。 以上方案中，设计下泄流量均不大于允许最大下泄流量 260m3/s，因而方案的选择需通过经 济技术比较选定。本设计对此只做定性分析。各个方案中应选择在满足最大下泄流量的情况 下下泄能力较大的方案。方案 1 与方案 6 较好。一般来说超高Z 大，坝增高大坝工程量加 大；B 大则增加隧洞的开挖及其它工程量，而 Q/B 越大消能越困难，衬砌要求也高。在 1 方 案和 6 中，6 方案 Q/B 远远小于方案，下游消能处理简单，故选择 6 方案，即堰顶高程 272.0m，溢流孔口净宽 10m； 综上所述该方案设计洪水位 277.2m，设计下泄流量 251 m3/s，校核洪水位 278.4m，校核泄 洪量 341m3/s。 1.2 防浪墙顶高确定防浪墙顶高确定 据碾压式土石坝设计规范,堰顶上游 L 型挡墙在水库静水位以上高度按 下式确定： (1-3)yReA 式中：y 坝顶超高,m； R 最大波浪在坝坡上的爬高，m； e 最大风雍水面高度， m；风壅水面高度可按式计算 2 0.036cos 2 v D e gH 式中计算点处的风壅水面高度 风区长度 综合摩阻系数取 计算风向与坝轴线法线的夹角 A 安全超高,m； 吹程，Km；D 坝前水深，m；H 风向与坝轴线法线方向的夹角，本设计中取 0； 安全超高，由坝的等级及运用情况按表选用，m。a 库区多年平均最大风速 12.6 m/s，吹程 1.6km。 7 表 1-4 土坝坝顶安全超高值(m) 坝 的 级 别 运用情况 IIIIII IV、V 正常 1.51.00.70.5 非常 0.70.50.40.3 波浪要素采用鹤地水库公式： （1-4） 3 1 2 0 8 1 0 2 0 %2 00625 . 0 V gD V V gh （1-5） 2 1 2 0 2 0 0386 . 0 V gD V gLm （1-6） mm z L H cth L h h 2 2 %1 式中： 累 %2 h 平均波长(m)。 m L V0为水面以上 10m 处的风速，正常运用条件下级坝，采用多年平均最大风 速的 1.5 倍；非常运用条件下的各级土石坝，采用多年平均最大风速。 设计波浪爬高值根据工程等级确定，3 级坝采用累积频率为 1%的爬高值。 %1 h 按上述公式算出的为，再根据频率法按下表可得出。 %2 h %1 h 表 1-5 不同累积频率下的波高与平均波高比值（） / pm hh % p / pm hh 0.0 1 0.112451014205090 SL253-2000的相关规定的相关规定: : 38 （ 6- 7） 试算得， )97 . 0 7 . 13(81 . 9 295 . 0 1 . 34 1 1 h h 402. 2 1 mh 堰后收缩断面水深为 2.402m，此水深亦为泄槽水面线的起始水深 当 h=时，A=B=104.99=49.9m2QCA Ri c h c h m x A RmBhx c 50. 2 98.19 9 . 49 ,98.191099 . 4 22 对表面较光滑的混凝土渠道，糙率 n=0.012 代入数据，C=97.1 1 6 1 CR n c i50. 2 9 . 491 .97341 故为陡坡 0020 . 0 c i c ii 247 . 0 15.132 2327 .264 根据根据SL253-2000的相关规定的相关规定: : 水面线应根据能量方程，用分段求和法计算 39 （6-8） 做如下计算：做如下计算： 表 6-2 具体计算 断面底坡 i 断面 水深 h 断面 面积 A 流量 Q 断面 流速 v 流速 不均 匀系 数 a a*v2 /2*g EsEs 平均流速 10.252.402 24.0234114.20 1.0510.79 13.12 0.72 14.46 20.252.317 23.1734114.72 1.0511.59 13.84 0.82 15.00 30.252.232 22.3234115.28 1.0512.49 14.66 0.93 15.58 40.252.147 21.4734115.88 1.0513.50 15.58 1.05 16.21 50.252.062 20.6234116.54 1.0514.64 16.64 1.20 16.89 60.251.977 19.7734117.25 1.0515.92 17.84 1.38 17.64 70.251.892 18.9234118.02 1.0517.38 19.22 1.59 18.45 80.251.807 18.0734118.87 1.0519.06 20.81 1.85 19.34 90.251.722 17.2234119.80 1.0520.99 22.66 2.15 20.32 100.251.637 16.3734120.83 1.0523.22 24.81 2.53 21.40 110.251.552 15.5234121.97 1.0525.84 27.34 3.00 22.61 120.251.467 14.6734123.24 1.0528.92 30.34 3.58 23.96 130.251.382 13.8234124.67 1.0532.58 33.92 4.61 25.53 140.251.292 12.9234126.39 1.0537.28 38.53 40 湿周 x 水力半 径 R 慥率 n 谢才系 数 C 平均半 径 平均谢 才系数 平均 J s 累积s 14.80 1.62 0.01290.33 1.60 90.15 0.019 3.13 3.13 14.63 1.58 0.01289.97 1.56 89.77 0.021 3.56 6.69 14.46 1.54 0.01289.58 1.52 89.38 0.023 4.08 10.77 14.29 1.50 0.01289.18 1.48 88.97 0.026 4.69 15.47 14.12 1.46 0.01288.76 1.44 88.54 0.029 5.43 20.90 13.95 1.42 0.01288.32 1.39 88.08 0.032 6.33 27.24 13.78 1.37 0.01287.85 1.35 87.61 0.036 7.45 34.68 13.61 1.33 0.01287.36 1.30 87.10 0.041 8.84 43.53 13.44 1.28 0.01286.84 1.26 86.57 0.047 10.62 54.15 13.27 1.23 0.01286.30 1.21 86.01 0.055 12.95 67.10 13.10 1.18 0.01285.72 1.16 85.41 0.063 16.08 83.17 12.93 1.13 0.01285.10 1.11 84.77 0.075 20.43 103.60 12.76 1.08 0.01284.44 1.05 84.07 0.089 28.64 132.24 12.58 1.03 0.01283.70 经 Excel 计算，泄槽末端 h=1.292m. 6.3.2 边墙设计：边墙设计： 6.3.2.1 边墙尺寸边墙尺寸 根据水面曲线计算可知，泄槽最大水深为 2.402m。 则边墙高度为泄槽段掺气水深+（0.51.5m）安全超高所得； 根据溢洪道掺气规范：掺气水深计算如下 （6-9） 在泄槽起始端时 mhb387 . 2 402 . 2 ) 100 20.142 . 1 1 ( 在泄槽末端时 41 mhb70 . 1 292 . 1 ) 100 39.262 . 1 1 ( 则边墙高度定为 2.387+1.113=3.5 m。 图 7-2 边墙设计 6.3.2.1 边墙抗滑稳定分析边墙抗滑稳定分析 泄槽上游段，山体比墙顶高程要高，稳定自然满足；在鼻坎偏上处，靠近 坝的边墙不受土压力作用，靠近山体的边墙仍受土压力作用。根据规范，近坝 边墙设置结构缝，与底板分开 完建时完建时 0 1 2 填土的有效内摩擦角（38. 58+37. 72）=38. 15 因静止土压力较大，故采用静止土压力. 00 K1 sin1 sin38.150.382 2.12.05 9.8120.36KN 2 土的重度 单位长度方向静止土压力 KNZKE 6 . 475 . 336.20382 . 0 2 1 2 1 22 1001 KNZKE97. 05 . 036.20382 . 0 2 1 2 1 02 22 20 42 KNVG2282.53.5012.5024）（自重 05 . 1 45 . 2 97 . 0 6 . 47 2285 . 0 cc K P Wf K 泄校核洪水时泄校核洪水时 对近坝导墙分析 mh402. 2 水 起始断面 KNhP 3 . 28402. 281 . 9 2 1 2 1 22 1 水水 向左静水压力 与向右的水压力相同，所以此工况下： KNZKE 6 . 475 . 336.20382 . 0 2 1 2 1 22 1001 KNVG2282.53.5012.5024）（自重 水重KNVG 6 . 235)402. 210(81 . 9 mhU37.12 2 1 扬压力 水1 0202 E0.97EKN土压力 05.184.4 97.0.647 )4.126.235228(5.0 cc K P Wf K 综上所述，边墙抗滑稳定满足要求综上所述，边墙抗滑稳定满足要求 6.3.2.26.3.2.2 基底应力分析基底应力分析 （一）完建时（一）完建时 对底板中心求弯矩 逆时针MKNhEM5 .555 . 3 3 1 6 . 47 3 1 1011 顺时针MKNhEM158 . 0 5 . 0 3 1 95 . 0 3 1 1022 kpa B M B G lL 3 . 21 12 )158 . 0 5 . 55(6 12 228 6 22 max kpa B M B G lL 7 .16 12 )158 . 0 5 .55(6 12 228 6 22 min 均远远小于地基承载力（大于 25MP） 43 满足规范要求m G M e312 4 1 243 . 0 228 158 . 0 5 . 55 偏心距 （二）泄校核洪水时（二）泄校核洪水时 对近坝导墙分析 水平水压力 P1 对底边中点求弯矩 逆时针）（ 水 MKNhPM 8 . 365 . 0402. 2 3 1 .328).50 3 1 ( 11 顺时针）（ 水 MKNhPM 8 . 365 . 0402 . 2 3 1 .328).50 3 1 ( 12 土压力对底边产生的弯矩 逆时针MKNhEM 5 . 555 . 3 3 1 6 . 47 3 1 1011土 顺时针MKNhEM158. 05 . 0 3 1 95. 0 3 1 1022土 KNVG2282.53.5012.5024）（自重 水重KNVG 6 . 235)402. 210(81 . 9 mhU37.12 2 1 1 水 扬压力 kpa B M B G lL 9 . 40 12 )158 . 0 5 . 55(6 12 6 .235228 6 22 max kpa B M B G lL 3 . 36 12 )158 . 0 5 . 55(6 12 6 . 235228 6 22 min 均远远小于地基承载力（大于 25MP） m G M e312 4 1 243 . 0 228 158 . 0 5 . 55 偏心距 故基底应力及偏心距均满足要求，综上所述，边墙设计满足规范要求故基底应力及偏心距均满足要求，综上所述，边墙设计满足规范要求 6.4 具体挑流消能计算具体挑流消能计算. 在在SL253-2000中规定中规定: : 挑流鼻坎挑角，可以采用挑流鼻坎挑角，可以采用 15-3515-35 度（在设计中取度（在设计中取 2020 度）半径度）半径 16m16m 本设计采用挑流消能方式，挑流鼻坎为连续式，挑角取 20.校核工况下，最 大下泄流量 Q=341225m3/s,最高水位 278.4m,堰顶高程 272m， 故堰上水头 44 H0=278.4-272=6.4m q=Q/B= 341/10 = 34.1m2/s 89. 0 4 . 6 ) 5 . 227272(0155. 0 1 0155 . 0 1 0 H P （6-10） 查坝址处 QH 曲线 下泄流量=341m3/s 时，下游水位约为 230.8m,鼻坎顶高程取高出下游水位 1.2m， 即 232m 断面平均流速 Vc=m3/s （6-11）51.26)232 2 . 277(81. 9289. 02 c gz Zc:上游水位至鼻坎的高差 m vc q hc29 . 1 51.26 1 .34 我国现行规范的挑流射距算法：我国现行规范的挑流射距算法： 水舌挑距估算公式： (6-12) )cos(2sincoscossin 1 21 22 11 2 1 hhgvvv g L 式中： 水舌挑距，为鼻坎末端至冲刷坑最深点的距离；L 坎顶水面流速; 1 v 鼻坎挑射角度,=20； 坎顶平均水深在铅直面上的投影，=1.21m； 1 h 1 h 坝址水位-流量关系曲线 0 50 100 150 200 250 300 350 400 227228229230231232 水位（m) 流量（m3/s) 系列1 45 坎顶至河床表面之差，=4.5m。 2 h 2 h 计算如下： v1=1.1Vc=1.126.56=29.21m/s h1=hccos=1.29cos20=1.21m h2=232-227.5=4.5m mL 2 . 60 5 . 21798 . 2 )5 . 420cos21. 1 (81. 9220sin21.2920sin21.29 81. 9 20cos21.29 00220 冲刷坑深度： （6-13） 1 0.5 4 trKrqzt 上下游水位差 Z=278.4-230.8=47.6m 下游水深 t=230.8-227.5=3.3m 0 . 233 6 . 47 1 . 345 . 1 4 1 5 . 0 tr 满足一般安全挑距约为可能冲刷坑深度的 2.5-5.0 倍范围内的要求。 对反弧段分析，R=(612)h1 即 (612) 1.21=7.2614.52 取 R=12m a=R(1-cos)=12(1-cos20)=0.72m 46 附附 录录 264 266 268 270 272 274 276 278 280 282 284 050100150200250300350400450500 水位流量关系曲线 下泄流量Q 水位H 47 48 49 参考文献 1、左东启,王世夏,林益才主编.水工建筑物（上册）.南京：河海大学出版社, 1995：208354. 2、傅志安,凤家骥.混凝土面板堆石坝.武汉：华中理工大学出版社,1993: 90103。 3、蒋国澄,傅志安,凤家骥,1997.混凝土面