hnz大坝毕业设计 （未完成） 2

1、第1章 总论1.1 设计基本资料1.1.1 地理位置wx江属qj支流，发源于闽、浙、赣三省交界的仙霞岭，于衢县樟树潭附近流入q江，全长170公里，流域面积2623平方公里，本次设计的hnz水电站距离黄坛口水电站25公里。流域内除黄坛口以下属qj平原外，其余均属山区、森林覆盖面积小，土层薄，地下渗流小，沿江两岸岩石露头，洪水集流迅速，从河源至黄坛口段，河床比降为1/1000，水能蕴藏量丰富。1.1.2 水文与气象1.1.2.1 水文条件hnz坝址控制流域面积为2197，年平均降水量为1770mm，断面处多年平均径流量为83.0。表1-1 坝址断面处山前峦水位流量关系曲线水位（m） 122.711

2、23.15123.5124.04125.4126.6128.5流量（m3/s） 105010020050010002000水位（m） 130.1132.6135.31 37.6139.8141.8流量（m3/s） 300050007500100001250015000表1-2 电站厂房处获青水位流量关系曲线水位（m）115115.17115.39115.57115.72115.87116流量（m3/s）1020406080100120水位（m）116.13116.25116.37116.4717.05117.9118.5流量（m3/s）1401601802004007001000水位（m）11

3、9.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8流量（m3/s）150020003000400060008000100001.1.2.2 气象条件wx江流域属副热带季风气候，多年平均气温10.4，月平均最低气温4.9，最高气温28；7、8、9月份会受台风过境影响，时有台风暴雨影响。水面上空10m高度处10min平均风速的年最大值为11m/s，水库最大风区长度（吹程）为d=2km。1.1.3 工程地质本工程曾就获青、项家、山前峦三个坝址进行地质勘测工作，经分析比较，选用了山前峦坝址。山前峦坝址河谷狭窄，河床仅宽110m左右，两岸地形对称，覆盖层较薄，厚度一般在0.5m 以

4、下，或大片基岩出露，河床部分厚约24m。岩石风化普遍不深，大部分为新鲜流纹斑岩分布，局部全风化岩层仅1m左右，半风化带厚约212m，坝址地质构造条件一般较简单，经坝基开挖仅见数条挤压破碎带，产状以西北和北西为主，大都以高倾角发育，宽仅数厘米至数十厘米。坝址主要工程地质问题为左岸顺坡裂隙、发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形地线一致，影响边坡岩体的稳定性。坝址地下水埋置不深，左岸为1126m，右岸1534m。岩石透水性小，相对抗水层（条件吸水量0.01l/dm）埋深不大，一般在开挖深度范围内，故坝基和坝肩渗透极微，帷幕灌奖深度可在设计时根据扬压力对大坝的影响考虑选用。坝址的可利用基岩的埋置深度

5、，左岸1012m，右岸69m，河中68m，坝体与坝基岩石的摩擦系数采用0.68。根据已知资料，山前峦坝址地形图，选择两条坝轴线。a线沿东西向与河道垂直，纵坐标76341，b线也沿东西向，纵坐标76370。a线总长462m，穿过左岸部分裂隙；b线总长470m，穿过左岸裂隙。岩石等级为级，基岩抗压强度为6000kpa。本区地震烈度小于6度。坝体岩体力学参数：为坝基面上的抗剪断凝聚力，为坝基面上的抗剪断摩擦系数。参考书本水工建筑物（p45）中表3-5，由岩石等级级查得=1.20mpa，=1.2。1.1.4 交通状况坝址至q县的交通依靠公路，q县以远靠浙赣铁路。1.1.5 工程的任务 （1）防洪：根据

6、工程下游防洪要求，为保护县城的重要工厂，两岸75万亩农田和40万人的生命财产的安全，在设计洪水条件下安全泄量为4800m3/s，在校核洪水条件下安全泄量为8500m3/s。根据上游城镇、矿山高程及减少农田淹没损失的要求，建议非常洪水位在242高程以下。 （2）发电：为了解决该流域铜、银、锌、镁、铝等矿藏开发用电和补充县城用电不足，故发电为修建该工程另一主要任务。拟建电站装机容量为56kw，2台机组，每台最大引用流量50m3/s。1.1.6规划设计控制数据根据各用水部门要求，经过技术经济比较，确定如下规划控制数据：水电站装机容量256=112mw；设计蓄水位232.0米，设计低水位192.0米，

7、校核洪水位240.0m，设计洪水位238米。最大水头为116.4米，最小水头为75米，设计水头和平均水头为95.7米。校核最大洪水下泄流量8500m3/s，相应的水库库容2043.54108m3；计洪水最大下泄流量5200m3/s。1.2 工程综合说明第2章 枢纽布置2.1 工程等级确定2.1.1 根据枢纽的任务确定枢纽组成建筑物根据hnz水库枢纽的主要任务，hnz水库的效益主要是发电和防洪，故需的永久建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、开关站。为便于施工，还需要导流建筑物、施工围堰等临时建筑物。2.1.2确定建筑物等级根据已知条件：水电站装机容量256=112mw；设计蓄水位232

8、.0米，设计低水位192.0米，校核洪水位240.0m，设计洪水位238米。最大水头为116.4米，最小水头为75米，设计水头和平均水头为95.7米。校核最大洪水下泄流量8500m3/s，相应的水库库容2043.54108m3；计洪水最大下泄流量5200m3/s。按表2-1知该水库属，取工程规模为大（1）型，主要建筑物级别：1级，次要建筑物：3 级，临时建筑物：4级。2.2坝轴线选择根据已知资料，山前峦坝址地形图，选择两条坝轴线。a线沿东西向与河道垂直，纵坐标76341，b线也沿东西向，纵坐标 76370。a线总长462m，穿过左岸部分裂隙；b线总长470m，避开左岸裂隙。由于将河床中裂隙处置

9、于坝体中上部，以防止尾水冲刷造成坝体不稳定，且坝轴线适中，选择b 线方案。 表2-1 水利水电枢纽工程的分等指标工程等别工程规模 分等指标水库总库容（亿米） 防洪灌溉面积（万亩）水电站装机容量（万千瓦）保护城镇及工矿区保护农田面积（万亩） 一大（1）型 10特别重要城市、工矿区 500 150120 二大（2）型 101 重要城市、工矿区5001001505012030 三中 型 10.1 中等城市、工矿区10030505305 四小（1）型 0.10.01 一般城镇、工矿区30550.551 五小（2）型0.00.00150.512.3 坝型确定由基本资料知坝址设计洪水条件下安全泄量为480

10、0m3/s，在校核洪水条件下安全泄量为8500m3/s，洪水来量大，要求泄水建筑物有较大的过水能力，由于本水库除满足防洪标准外，尚需要承担下游防洪任务，所以单宽流量不宜过大，必须有足够的溢流前缘宽度。坝区水文气象和工程地质条件具备了修建1001500m,坝高及成库条件，特别是坝址处河床狭窄，其宽度仅为110m左右，两岸地形对称，覆盖层较薄，厚度一般在0.5m 以下，或大片基岩出露，河床部分厚约24m。岩石风化普遍不深，大部分为新鲜流纹斑岩分布，局部全风化岩层仅1m左右，半风化带厚约212m，坝址地质构造条件一般较简单，经坝基开挖仅见数条挤压破碎带，产状以西北和北西为主，大都以高倾角发育，宽仅数

11、厘米至数十厘米。坝址处水流急，故无砂卵石等淤积物，无侵蚀地下水。首先考虑重力坝、土石坝、拱坝三种基本坝型。（1） 从地质来看，重力坝是用混凝土或石料等材料修筑、主要依靠坝身自重保持稳定的坝，对地形、地质适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。在土基上也可修建高度不高的重力坝。拱坝坝体的稳定主要依靠两岸拱段的反力作用，不像重力坝那样依靠自重维持稳定。因此拱坝对坝址的地形、地质条件要求较高，对地基处理要求也较严格。再者由于左岸顺坡裂隙、发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形地线一致，影响边坡岩体的稳定性，不适于建拱坝。土石坝能适应不同的地形、地质和气候条件。除极少数例外，几乎任何不良地基，经处理

12、后均可修建土石坝。但因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，不适合修建土石坝。故考虑地质条件以修建混凝土坝较为适宜。（2） 地形条件。河谷狭窄，地质条件良好，适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石、沙砾等当地材料储量丰富，适宜修建土石坝。由于坝址处河床狭窄但地质条件较差，且左右岸岩性不均一，左岸顺坡裂隙、发育，差不多普及整个山坡，其走向与地形地线一致，不适于建拱坝。同时在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，坝址处不适宜修建土石坝。故此处修建重力坝最为适宜。经综合考虑，选定重力坝。再考

13、虑以下几种重力坝坝型：常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、混凝土宽缝重力坝、混凝土空腹重力坝。（1）因全河道泄洪，溢流坝堰顶会定的很低，空腹重力坝和宽缝重力坝节省投资有限，且这两种坝型结构复杂，钢筋和模板用量较多，施工难度大，渡汛过水较困难，故放弃这两种坝型。（2）因为本工程洪水泄量大，所以非溢流坝段长度较小，溢流坝段长度所占比例较大，且堰顶高程较低，除去基础部位和坝体外部的常态混凝土以外，碾压混凝土的方量较少，如采用此坝型，还需要增设碾压施工设备，拌和楼的容量也要扩大，就近又没有粉煤灰，经比较，放弃此坝型。（3）常态混凝土重力坝相对以上坝型，坝身泄洪安全可靠，坝体结构简单，施工期便于过水渡汛

14、，施工速度快。综上，根据乌溪坝址的地形、地质及洪水特点，选则常态混凝土重力坝比较合适。2.4 枢纽布置 因坝址附近河道蜿蜒曲折，多年平均径流量 83.0m3/s，较小；河床坡度比降1/1000，故根地形条件选用有压引水式地面厂房方案。上游山前峦断面布置挡水建筑物及泄水建筑物，大坝右岸上游约 150m 处有天然凹口，在此布置引水隧洞进水口。下游获青处布置地面厂房，开关站等建筑物，具体位置见枢纽布置图。 第3章 挡水、泄水建筑物设计3.1挡水建筑物设计3.1.1 坝体剖面尺寸的拟定3.1.1.1坝高确定根据水电站装机256=112mw，水库总库容2043.54108m3，取工程规模为大（1）型，主

15、要建筑物级别：1级，次要建筑物：3 级，临时建筑物：4级。 防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差为h (2-1) 式中： 波高（m）； 波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）； 安全超高，按规范sl319-2005表8.1.1采用。该水库缘地势高峻，由官厅公式（20m/s及dl/2 = 10.4/2 =5.2 浪压力（ ）按深水波计算浪压力标准值. l/2 = = 176.0 ( ) l/2 图3-4 浪压力分解示意图 = =132.6 ( )b、校核洪水位情况坝前水深h=130l/2 = 6.16/2 =3.08 浪压力（ ）按深水波计算浪压力标准值. = = 55.6 kn ( ) =

16、 = 46.5 kn ( ) 荷载 （分项系数） 作用标准值 作用设计值力臂 (m) 力矩标准值(kn.m) 力矩设计值(kn.m)顺时针逆时针顺时针逆时针 自重（kn） （1.0）4320.04320.048.2208224.0208224.037785.637785.640.21518981.11518981.1119439.4119439.45.4644972.8644972.8水平水压力 （kn）1.080363.580363.542.73431521.53431521.52549.82549.87.619378.519378.5竖直水压力 （kn） 1.04002.54002.549

17、.2196923.0196923.01765.81765.850.288643.288643.21912.41912.446.588926.688926.6 扬 压 力 (kn)1.023350.923350.9000001.23354.04024.845.716177.819413.411790.714148.88.7102579.1123094.95031.16037.347.9240989.7289187.6 浪压力 (kn) 1.2176.0211.2130.322932.827519.4132.6159.1129.717198.220637.8合计125699.077857.1121

18、663.977865.81208806.71281903.0 荷载 （分项系数） 作用标准值 作用设计值力臂(m)力矩标准值(kn.m) 力矩设计值(kn.m)顺时针逆时针顺时针逆时针 自重（kn） （1.0）4320.04320.048.220822420822437785.637785.640.21518981.11518981.1119439.4119439.45.4644972.8644972.8水平水压力 （kn）1.082894.582894.543.33589331.93589331.93367.03367.08.729292.929292.9竖直水压力 （kn） 1.04120

19、.24120.249.2202713.8202713.81765.81765.850.288643.288643.22525.22525.245.7115401.6115401.6 扬 压 力 (kn)1.026833.126833.1000001.23309.43971.345.7151240.0181488.011633.813960.68.7101214.1121456.94964.15956.947.9237780.4285336.5 浪压力 (kn) 1.255.666.7131.27294.78753.646.5 55.8131.06091.57309.8合计123215.8795

20、36.6119234.379538.41503343.41601630.93.1.3 挡水建筑物的抗滑稳定分析 重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。正常蓄水位情况和地震情况按单一安全系数法验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算。1. 单一安全系数法： 因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下： （2-8） 式中 ： 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数； 坝体混凝土与坝基接

21、触面的抗剪断摩擦系数 ， =1.20 ； 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力， =1200 kpa ； a 坝基接触面截面积， ； 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值,kn； 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kn 。按抗剪断强度公式（ 3- 18 ）计算的坝基面抗滑稳定安全系数 值应不小于表3-4的规定。 表3-4 坝基面抗滑稳定安全系数荷载组合 基本组合 3.0特殊组合 （1） 2.5 （2） 2.3a、 设计洪水位情况=3满足规范要求。b、校核洪水位情况=2.5满足规范要求。2、分项系数极限状态设计法： 承载能力极限状态设计式 (3-9) 式中：为作用效应函

22、数； 为抗力函数； 为结构重要性系数，1级建筑物的结构安全级别为级，取=1.1； 为设计状况系数，基本组合取持久状况的设计状况系数=1.0，,特殊组合取偶然 状况的设计状况系数=0.85； 为结构系数，1.2。（1）抗滑稳定极限状态作用效应函数为 （3-10），坝基面上全部切向作用之和 , 即作用设计值水平方向的代数和 。（2）抗滑稳定极限状态抗力函数 （3-11）查材料性能分项系数表得的分项系数为1.3，的分项系数为3.0 ，则坝基面抗剪断系数设计值= 0.9坝基面抗剪断黏聚力设计值=400kpa下面对不同荷载组合情况下大坝抗滑稳定进行分析。a、 设计洪水位情况抗滑稳定极限状态计算 =778

23、65.8kn =0.9121663.9+400104.4=151257.5kn持久状况（基本组合）设计状况系数=1.0 ；结构重要性参数=1. 1； 基本组合结构系数 =1.2 。根据式 = 1.11.077865.8=85652.4kn 85652.4kn 126047.9kn计算结果表明，重力坝在设计洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。 b、校核洪水位情况抗滑稳定极限状态计算 =79538.4kn =0.9119234.3+400104.4=149070.9kn偶然状况（特殊组合）设计状况系数=0.85；结构重要性参数=1. 0 ； 基本组合结构系数 =1.2 。根据式 =

24、1.10.8579538.4=74368.4kn 74368.4kn 0坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。 坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。 坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算： =小于混凝土的容许压应力,满足要求。b、校核洪水位情况 偶然状况，只需采用承载能力极限状态法 判别大坝是否满足强度要求。 荷载及力矩设计值及相应计算结果见附表，由附录一附表查得各分项系数 。（1）计算作用效应函数 （2）验算抗压强度 偶然状况（特殊组合）设计状况系数= 0.85；结构重要性参数 =1. 1 ； 抗压基本组合结构系数=1. 2 。根据式 =0.9119234.3+400104.

25、4=149070.9kn 380.5kn 124225.8kn满足强度要求。3.2 泄水建筑物混凝土溢流坝设计3.2.1 溢流孔口设计3.2.1.1溢流堰形式的选择 溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外，还便于设计和施工，同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。根据比较，本设计采用开敞溢流式孔口形式和河床式溢洪道。3.2.1.2 洪水标准确定根据水工建筑物p83山区、丘陵水利水电

26、枢纽工程水工建筑洪水标准规范要求，采用500年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。 表3-6 山区、丘陵水利水电工程水工建筑物洪水标准（重现期：年）3.2.1.3单宽流量q的确定单宽流量是确定孔口尺寸的重要依据，单宽流量大，溢流孔口的宽度可以缩短。有利于枢纽的布置，但增加下游消能的困难，下游的局部冲刷可能更严重。反之，单宽流量小，有利于下游消能，但溢孔口的宽度增大，对枢纽的布置不利。因此，一个 经济而安全的单宽流量必须综合地质条件、下游河水深、枢纽布置、消能等各种困难。经技术经济比较后确定。工程实践证明对于软弱夹层岩石常取。中等坚硬的岩石取。特别坚硬的岩石。因坝址岩基状况良好，故本设计取。

27、3.2.1.4 溢流孔口尺寸的确定（1）孔口净宽的计算 (3-17) 式中：b 孔口净宽，m； q 相应洪水位时的下泄流量，； q 单宽流量，。设计洪水位与校核洪水位情况的孔口净宽计算如下表： 表3-7 孔口净宽计算表 计算情况 下泄流量单宽流量 孔口净宽m设计情况5200 50100 52104校核情况8500 50100 17085根据以上计算取溢流坝孔口净宽90m，假设每孔净宽为10m，孔数为9。 3.2.1.5 溢流坝总长度确定根据工程经验，拟定闸墩的厚度，初拟中墩厚d=3m，边墩厚t=2m，则溢流坝总长度为： =nb+(n-1)d+2t=910+(9-1)3+22=118m 3.2.

28、1.6 堰顶高程的确定 根据公式 (3-18)式中： m流量系数，设计水头下取0.502； 侧收缩系数，与有关，初拟时取0.9； g重力加速度，9.81； 淹没系数，假设为自由出流，取1；忽略行进流速水头，故堰顶高程即为设计洪水位减去堰上水头h。试算得设计情况和校核情况的堰顶高程如下表： 表3-8 堰顶高程计算表计算情况 流 量 侧收缩 系数孔口净宽m流量系数 堰上水头m水位高程 m堰顶高程 m设计情况52000.9900.5029.4238228.6校核情况85000.9900.50213.1240226.9根据以上计算取堰顶高程为226.9m。3.2.1.7 闸门高度的确定考虑安全超高，取

29、0.7m。 门高=设计蓄水水位-堰顶高程+0.7 = 232-226.9+0.7 = 5.8m按规范取门高6m，10/6=2，满足闸门宽高比1.52.0。3.2.1.8 定型设计水头的确定堰上最大水头的确定。 = 校核洪水位-堰顶高程 = 240 - 226.9 =13.1 m 定型设计水头为=(75%95%)=9.812.4 (m) 取 =12m，=12/13.1=0.0.92，查表知坝面最大负压为：0.16=1.92（m），小于规定的允许值(不超过36m水柱)。 表3-9 堰面可能出现的最大负压参考表0.750.7750.800.8250.850.8750.900.951.0最大负压值（m

30、）0.50.450.40.350.30.250.20.103.2.1.9 泄流能力校核由水力学侧收缩系数公式 式中：n溢流孔数； b每孔净宽； 堰顶水头； 闸墩形状系数； 边墩形状系数； 3.2.2 溢流坝实用剖面设计 溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求 ： （1）有较高的流量系数，泄流能力大； （2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； （3）体形简单，造价低，便于施工。 本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0.2，溢流面由顶部曲线段、中间直线段、底部反弧段三部分组成。3.2.2.1坝顶曲线段 溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克奥曲线和wes 曲线。本工程选用 wes 曲线。首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。wes