混合曲线拱坝设计说明书

1、混合曲线拱坝设计说明书 摘要 A江是我国东南地区的一条河流,根据流域规划拟建一座水电站。 A江水利枢纽同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用,水库正常蓄水位183.25m,设计洪水位186.7m,校核洪水位189.80m,汛前限制水位182m,死水位164m,尾水位103.5m。水库死库容 4.76亿m3,总库容9.6亿m3。 A江水利枢纽工程等别为一等,工程规模为大(1)型工程,主要建筑物级别为1级,次要建筑物级别为3级,临时性建筑物级别为4级。 A江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物、主副厂房、泄水建筑物、过木筏道等。 经过坝型比选,选定挡水建筑物为一变圆心变外半径的双曲拱坝,坝顶弦长

2、310m,最大坝高100.5m,坝底厚25.7m,坝顶宽8.5m。 设计中对四种工况的坝体应力分别采用了电算和手算,手算运用拱冠梁法。 泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成:浅孔位于两岸,孔口宽8.5m,高8.0m,进口底高程为164m,出口底高程为154m;中孔位于水电站进水口两侧,孔口宽7.5m,高7.5m,进口底高程为135m,出口底高程为130m。在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门,检修闸门采用平板门,工作闸门采用弧形闸门,在每一个工作闸门的上方有启闭机房,浅孔启闭机房高程为173.38m,中孔启闭机房高程为150.82m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119.4m

3、,浅孔反弧半径为35m,中孔反弧半径为50m。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角20o,导墙厚度为1.0m, 浅孔导墙高度为8.5m,中孔导墙高度为11m。 坝后式厂房装有4台5万kW的发电机组,主厂房长81m,宽18m,副厂房长66m,宽10m,安装场长21m,宽18m。压力管道的直径为4.6m,进水口底高程为152.4m。发电机层高程为114.8m,尾水管底高程为90.8m,厂房顶高程为130.5m。 为防止坝基渗漏,在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆,并且为了减少坝基的扬压力,在灌浆帷幕之后设置排水孔。各孔间距均为5.0m。 为了防止混凝土产生裂缝,拱坝坝体设置横缝,横缝面上需设置键槽

4、,以咬合加固,增强坝体的抗剪能力。当底宽在4050m以上的拱坝,才考虑设置纵横缝,而本设计中,拱坝坝底宽为25.7m,小于40m,故可不设置纵缝。 AbstractA jiang is a river which lies in southeast of China.According to drainage area programming,a water power station is planning to built on itA jiang hydrocomplex plays an important parts in flood control ,waterpower, irr

5、igation, fishery and so on. The reservoir normal water level is 183.25m,design flood level is 186.7m,imum flood level is 189.80m,flood control level is 182m,dead water level is 164m, tailwater level of hydropower station is 103.5m.The dead reservoir capacity is 476,000,000m3,and the total reservoir

6、capacity is 960,000,000 m3The hydraulic engineering grade is Grade I. The key 、secondary and temporary structures grade is Grade I、III and IV. The key hydroproject is consist of water retaining structure,power house,auxiliary room,sluice structure,raft sluice,and so on. The water retaining structure

7、 is a double curvature arch dam.The length of the axis of crest dam is about 310m.imum height of the dam is 100.5m,the thickness of the bottom of the dam is 25.7m,and the width of the top of the dam is 8.5m. In this design, we use two different methods to calculate the stess of the arch dam in four

8、status.One is using program ,the other is using crown cantilever method to calculateThe release structure is comprised of 2 mid-level outlet and 2 short-level outlet.The width of the short-level outlet is 8.5m,and the height is 8.0m;the width of the mid-level outlet is 7.5m,and the height is 7.5m.Th

9、e upstream and the downstream side of every outlet are a bulkhead gate and a operating gate which is a radial gate.There is a room where a gate hoist is put above every service gate.The two rooms which are above the mid-level outlet service gate are at an elevation of 150.82 metres,and the other two

10、 rooms are at an elevation of 173.38 metres.The intake of the mid-level outlet is at an elevation of 135 metres,and the intake of the short-level outlet is at an elevation of 164 metresThe power house lies at the damtoe.The dimensions of the power house and the auxiliary room are 81m×18m and 66

11、m×10m.The generator floor is at an elevation of 114.8m metres,and the bottom of the draft tube is at an elevation of 90.8 metres, the top of the power house is at an elevation of 130.5 metres ,and the intake of hydropower station is at an elevation of 152.4 metresIn case of leakage of the dam f

12、oundation,there need curtain grouting at the base of the dam,behind which there are drainage holes which can decrease the uplift pressure of the dam foundationIn radial directions it needs to set key strench, which will reinforce the resistant of shearing intension of the dam.For the bottom of the d

13、am is smaller than 4050 metres, so it needs no longitudinal joints. 目录第一章 综合说明- 7 -1.1概述- 7 -1.1.1枢纽概述- 7 -1.2工程特性表- 8 -第二章 设计资料- 10 -2.1枢纽任务- 10 -2.2根本资料- 11 -2.2.1自然地理- 11 -2.2.2工程地质- 14 -2.2.3筑坝材料- 15 -2.2.4库区经济- 15 -2.2.5其它- 16 -第三章 洪水调节- 17 -3.1泄水建筑物型式选择- 17 -3.2确定工程等别和级别- 18 -3.2.1工程等级- 18 -3.

14、2.2技术标准- 18 -3.2.3洪水标准- 19 -3.3水库运用方式- 19 -3.4调洪演算及设计根本数据- 19 -3.4.1调洪演算的目的- 19 -3.4.2调洪演算的原理- 19 -3.4.3计算方法- 20 -3.4.4 泄洪方案的选择- 21 -第四章 坝型选择及枢纽布置- 25 -4.1 坝址坝型选择- 25 -4.1.1混凝土重力坝- 25 -4.1.2土石坝- 26 -4.1.3混凝土面板堆石坝- 26 -4.1.4拱坝- 26 -4.1.5综合选择- 27 -4.2坝体形态选择- 27 -4.2.1单曲拱坝- 27 -4.2.2双曲拱坝- 27 -4.2.3坝型比拟

15、- 28 -4.3方案比拟- 28 -4.3.1最大坝高计算- 28 -4.3.2重力坝方案- 29 -4.3.3拱坝方案- 29 -4.4组成建筑物及枢纽布置- 30 -4.4.1组成建筑物- 30 -4.4.2枢纽布置- 31 -4.5泄水建筑物型式选择- 31 -4.6厂房及引水系统布置- 31 -4.7 枢纽总体布置- 31 -5.1拱坝形态和剖面尺寸的拟定- 32 -拱坝形式选择- 32 -5.1.2拱冠梁剖面尺寸的拟定- 32 -5.2拱坝的布置- 34 -5.2.1拱坝布置的原那么:- 34 -5.2.2拱坝布置步骤- 34 -5.3拱坝的荷载及其组合- 35 -5.3.1荷载及

16、计算- 35 -5.3.2荷载组合- 41 -5.4计算原理和计算步骤- 41 -5.4.1计算原理- 41 -5.4.2计算步骤- 42 -5.5拱坝应力分析电算,手算- 42 -5.5.2手算- 43 -5.6坝肩稳定验算- 49 -5.6.1根本资料- 49 -5.6.2验算原理- 50 -5.6.3主要作用力计算- 51 -5.6.4验算工况- 52 -5.6.5验算结果- 52 -第六章 泄水建筑物设计- 53 -6.1泄水建筑物组成与布置- 53 -6.2坝身进水口设计- 53 -6.2.1管径的计算- 53 -6.2.2进水口的高程- 53 -6.3 泄槽设计计算- 54 -6.

17、4 导墙设计- 54 -6.5 消能防冲计算- 55 -6.6 泄水孔口应力及配筋- 57 -6.6.1计算原理- 57 -6.6.2坝内孔口的形状和作用力- 57 -6.6.3 矩形孔口的应力计算- 59 -6.6.4配筋计算- 61 -第七章 坝体细部构造及地基处理- 62 -7.1坝体构造与细部结构设计- 62 -7.1.1坝体与坝面- 62 -7.1.2坝体分缝- 62 -7.1.3坝内廊道和坝后工作桥- 63 -7.2坝基处理- 64 -7.2.1坝基处理的一般要求- 64 -7.2.2地基的处理和开挖- 64 -7.2.3坝基排水- 65 -参考文献- 66 -结语- 68 -第一

18、章 综合说明 A江是我国东南地区的一条河流,流向自西向东,流经A省南部地区,汇入东海,干流全长153公里,流域面积4860平方公里。根据流域规划拟建一座水电站,本设计任务是对A江水利枢纽进行设计。 A江水利枢纽是一项同时兼顾防洪,发电,灌溉,渔业等综合作用的水利工程。坝址以上流域面积2761平方公里, 水库正常蓄水位为183.25m,汛前限制水位为182m,死水位为164m,设计水位为186.7m,校核水位为189.80m。 电站多年平均发电量为5.08亿度,4台机组满载时的流量为338m3/s,尾水位103.5m。正常蓄水位时,水库面积为35.6平方公里,为开展养殖创造了有利条件,同时增加灌

19、溉面积250万亩。 A江水利枢纽的主要组成建筑物有拦河大坝,坝后式厂房,泄水建筑物,过木筏道,开关站以及上坝公路等。 拦河大坝为双曲拱坝,最大坝高为100.5m,主体工程量约为363360m3左右,坝顶宽8.5m,坝顶拱弦长约310m,坝底宽25.7m。 坝后式厂房装有4台5万kW的发电机组,主厂房长81m,宽18m,副厂房长66m,宽10m,安装场长21m,宽18m,尾水管底高程为90.8m。发电机层高程114.8m。 泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成:浅孔位于两岸,孔口宽8.5m,高8.0m,进口底高程为164.0m,出口底高程为154.0m;中孔位于水电站进水口两侧,孔口宽7.5m,高

20、7.5m,进口底高程为135.0m,出口底高程为130.0m。在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门,检修闸门采用平板门,工作闸门采用弧形闸门,在每一个工作闸门的上方有启闭机房,浅孔启闭机房高程为173.38m,中孔启闭机房高程为150.82m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119.4m,浅孔反弧半径为35m,中孔反弧半径为50m。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角20o,导墙厚度为1.0m, 浅孔导墙高度为8.5m,中孔导墙高度为11m。 过木筏道位于右岸。根据林业部的要求,每年木材过坝量为33.3万m3,起木材最大长度为10m,大头直径为100cm。 开关站长66

21、m,宽26m,位于左岸。在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的根底上,要求: 1根据防洪要求,对水库进行洪水调节计算,确定坝顶的高程和泄水建筑物孔口尺寸。 2通过分析,对可能的方案进行比拟,确定枢纽组成建筑物的形式,轮廓尺寸及水利枢纽布置方案。 3详细做出大坝设计,并通过比拟确定坝的根本剖面和轮廓尺寸,拟定地基处理方案和坝身构造,进行水利计算、静力计算。 4对地基处理(待坝型选定后指定)进行设计,选择泄水建筑物的形式与轮廓尺寸,确定布置方案,拟订细部构造,进行水利计算、静力计算。 5对A江水利枢纽各组成建筑物进行总体布置以及细部构造设计。表1-1 工程特性表水 库 特 性主要建筑物大坝资料大

22、坝级别级大坝型式双曲拱坝坝顶厚度8.50m混凝土方量363360立方米泄水建筑物 泄洪方式/孔口尺寸进口高程出口高程××闸门形式检修闸门 平板闸门,设在进口处工作闸门 弧形闸门,设在出口处(表1-1)泄水建筑物消能方式滑雪道式泄槽挑流对撞消能P1下泄流量6600m3/s下泄流量6880m3/s厂房最大引用流量338 m3/s装机容量4×引水道型式钢管数量4条第二章 设计资料 A江是我国东南地区的一条河流,根据流域规划拟建一水电站。本设计的任务是对A江水利枢纽进行设计,其根本设计要求如下。 本工程同时兼有防洪,发电,灌溉,渔业等综合利用。水电站装机容量为20 万kW

23、,多年平均发电量5.08亿度。正常蓄水位183.25m,汛前限制水位182m,死水位164m,4台机满载时的流量338m3/s,尾水位103.5m,厂房形式为坝后式。本工程建成后,可增加保灌面积250万亩,减轻洪水对A江A市和A平原的威胁,在遇到P0.02%和P0.1%频率的洪水时,经水库调洪后,洪峰流量由原来的14900m3/s、11700m3/s分别削减为7650m3/s、6650m3/s,要求设计洪水时最大下泄流量限制为6650m3/s,正常蓄水位时,水库面积为35.6平方公里,可为开展养殖创造有利条件。此外,根据林业部的要求,每年木材过坝量为33.3万立方米,其木材最大长度为10m,大

24、头直径为100cm。2.2.1自然地理 2.2.1.1流域概况 A江为我国东南部的一条河流,流向自西向东,流经A省南部地区,汇入东海,干流全长153km,流域面积4860km2。 坝址以上流域面积2761 km2,流域境内为山区,平均高度662m,最高山峰达1921m,流域境内气候湿润,雨量充分为热带气候。径流主要来自自降雨,小局部由地下水补给,每年49月为汛期,其中5、6月份为梅雨季节,河道坡降上游陡,下游缓,平均坡降6.320.97%,因为河道陡,调蓄水能力低,汇流快,由暴雨产生的洪水迅速涨落,一次洪水过程线尖瘦,属于典型的山区性河流。 流域境内以农林为主,森林茂盛,植被良好,水土流失不严

25、重,枢纽下游为A省的重要农副业基地A平原。 坝址下游约50公里有县级城市两座,在河流入海处有省直辖市一座。1气温°C,月平均气温最低(一月份)5°C,最高(七月份)29°°°C。2湿度 年平均相对湿度79%左右,其中以6月份87%为最大,1月份72%为最少,日变化较大。3降雨量 坝址以上流域的年平均降雨量为1680毫米,实测年最大降雨量为2389毫米,最少为1380毫米,雨量在年内分配不均,其中49月份的占年降雨量的75%,5、6月份的占全年的1/ 3。表2?1 各月雨量的雨型及日数统计表123456789101112全年实际天数d312831

26、3031303131303130310.3-10雨日mm34571212109876410-30雨日mm23458965432130以上雨日mm9118563221004蒸发量: 坝址处多年蒸发量为1349毫米,其中以7月份最大,月蒸发量217毫米,2月份为最小,月蒸发量45.4毫米。5风向风力 实测最大的风速为71m/sec,风向西北偏西,吹程4.5公里,多年平均最大风速为:汛期12m/sec,非汛期13m/sec,风向根本垂直坝轴线,吹程4公里。6水库水温 据资料分析,各层水温的多年平均水温TH及年变幅TC按以下公式计算: TH Tc= 其中:H为水深。 1正常径流 根据资料分析,坝址处的

27、多年平均径流量为100m3/s,多年均径流总量为31.5亿m3,各频率的月平均量见表:表2?2 各频率的月平均流量月份频率(%)123456789101112多年平均1116267324490689679346263331102121113186578179235364510537352177210737773150502149891412162777844442616169780819477312718422151213457495252236691215426115523651031622152951156167312424100 2洪峰流量和总量 根据水文资料推算,坝址处的洪峰流量和总量

28、如下:a.洪峰流量Q=3310m3/s,Cv0.45,Cs4Cv, 皮型线,各频率流量如下表所示:表2?3各频率流量表频率(%)0.020.10.215102050备注流量1490011700m3/s 三日洪水总量的均值W3.5亿m3,Cv0.38,Cs3Cv,皮型线,各频率流量如下表所示:表2?4各频率流量表频率(%)0.010.10.20.215102050备注 可能最大三日洪量为15/4亿m3。 三日洪水过程线见附图表2?5施工期的设计洪水频率量 施工时段 频率104月96月103月116月112月122月 备注52087177213671367884824101673141010721

29、07265459620127510457847844343323固体径流量及水库淤积 据水文站实测资料分析,年固体径流总量为331万吨,百年后水库淤积高程115m,淤沙容量为8.5kN/m3,内摩擦角10°。4其他 本坝址地震烈度为7?。 库区岩性以火山岩和沉积岩为主,褶皱规模不大,均为背斜,两翼地层平缓,并且不对称。有较大的断层二条,这些褶皱和断层呈北东向展布,以压扭性为主,倾角较陡,延伸长度达几至几十公里,断层单宽1米左右。个别达10米以上。断层破碎都已胶结。 库区水文地质简单,以裂隙水为主,地下分水岭均高出库水位以上。1地貌 坝址处的河床宽度为100m,河底高程100m,水深1

30、3m。河谷近似“V型,两岸约40°60°。 河床覆盖层由大块石、卵石组成。厚度约56m,两岸山坡为第四系覆盖层,厚度为510m左右。2岩性和工程地质 坝基为花岗岩,风化较浅,岩性均一,新鲜坚硬完整,抗压强度达120200MPa。 坝址的地质构造简单,无大的地质构造,缓倾角节理延伸短,整体滑动可能性小。但陡倾角节理较发育,以构造节理为主,左右岸各有走向互相垂直的二组节理。其中一组近似平行于山坡等高线,方向见地形图,节理倾角约35°90°,节理面无夹泥存在。坝址处的水文地址较简单,未发现裂隙承压水。3 岩石的物理力学性质表2?6 岩石的物理力学性质表岩性或地

31、质构造容重(kN/m3)孔隙率(%)抗压强度(MPa)弹性模量MPa摩擦系数粘着力(MPa)泊松比()抗剪系数抗剪断系数干湿干饱和混凝土基岩内部混凝土基岩内部×节理面0.650.751.0基岩与混凝土相对隔水层离基岩外表深15m。 坝区大局部地区为花岗岩,基岩埋深浅,极易开采,且河床覆盖层中的块石、卵石可利用,因此筑坝石料极易解决。 在坝下游勘探6个砂料场,最远料场离坝约9km,以石英破碎带的料场为主,初估砂料储量430万m3。经质量检验,砂石料符合标准要求。 坝址处缺乏筑坝的土料。 库区除有小片盆地外,其余多为高山峡谷地带。耕地主要分布在小片盆地上,高山上的森林茂密。在正常蓄水位时

32、,需迁移人口21444人,拆迁房屋19240间,淹没、浸没耕地16804亩,淹没森林面积18450亩,淹没县社建造的二座小型水电站装机2210kW)等,共需赔偿费4120万元。 本坝址上游左岸30km处有铁路干线车站,另有公路与坝址下游50km的两座县城相通,两县城有公路和水路与河流入海处的直辖市相连,对外交通较为方便。 坝址下游两岸有较大的冲积台地,地形平缓面积较大,适宜布置工厂和生活建筑区。 本电站主要供给坝下游A平原的农村生产用电及直辖市的工业用电,并担负A电网的局部调峰任务。 经计算所得的坝顶宽度符合要求为8.5m。第三章 洪水调节 本工程已选定拱坝方案见后,故泄水建筑物型式选择需要考

33、虑拱坝结构的特点,其泄洪方式,有:表孔溢流、坝身开孔泄流(浅孔或中孔)、坝身溢洪道和利用导流隧洞泄洪等。 (1)坝身开孔方案:实验研究说明,坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案。为合理布置厂房,浅孔或中孔设在两岸,对称布置,可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流方案相同,适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大,利用坝身开孔可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽,并进行合理选型和布置。泄槽假设做成排架式,进厂公路可从排架间穿过。此外,应注意开孔数量和设置高程,假设同一高程开孔数量多,该层拱圈削弱较多,应尽量防止。 坝身开孔方案:实验研究说明,坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案。为合理布置厂

34、房,浅孔或中孔设在两岸,对称布置,可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流方案相同,适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大,利用坝身开孔可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽,并进行合理选型和布置。泄槽假设做成排架式,进厂公路可从排架间穿过。此外,应注意开孔数量和设置高程,假设同一高程开孔数量多,该层拱圈削弱较多,应尽量防止。 2 表孔溢流方案:突出优点是泄洪能力大,可减小孔口尺寸,闸门上的水压力小,操作检修方便;缺点是坝身薄弱,需设置泄槽或滑雪道结构。实体的泄槽结构工程量较大,不经济,轻型的滑雪道结构易引起振动,稳定性不好。此外,表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用,拱的空间

35、结构作用从堰顶高程以下才能得以发挥。 (3)利用导流隧洞泄洪方案:拱坝的施工导流须采用一次断流方案,故施工时需在某一岸开挖导流隧洞,以便坝体施工,竣工后导流隧洞完成自己的使命,不再使用。为充分利用现成的洞子,水利建设中常将进口段改建成“龙抬头,将导流隧洞改建成泄洪洞,以节省工程投资。结合该工程的实际情况,考虑因导流洞长度较短,改建成泄洪洞后,除“龙抬头局部外可利用的长度不长,加上改建局部的开挖和老洞的封堵,实际并不能有效节省工程投资,故需认真比拟决定。 (4)坝外溢洪道泄洪方案:该方案适用于有天然垭口,便于布置正槽式溢洪道的地形条件。A江提供的地形图坝址附近,未见有天然垭口地形,故不考虑该方案

36、。 (5) 方案选择:依据A江水利枢纽的具体情况,全面综合比拟以上所述四种方案,坝外溢洪道泄洪方案和利用导流隧洞方案不及采用表孔溢流和坝身泄水孔方案,采用滑雪道结构工程投资远小于修建坝外泄水建筑物的工程投资,故初步选择以下方案进行调洪演算: 1) 4表孔+2中孔泄洪方案 2) 2浅孔+2中孔泄洪方案 3) 4中孔泄洪方案 4) 坝身泄流与利用导流隧洞 在工程平安与经济之间存在着矛盾,为使工程的平安可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来,水利枢纽及其组成建筑物要分等分级,即先按工程的规模、效益及其在国民经济中的重要性,将水利枢纽分等,而后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别,建筑物作用及重要性进行分

37、级。 本工程校核水位为189.80m,查库容曲线得相应库容为12.01亿m310亿m3,根据我国水利部颁发的现行标准?SDJ12-78?水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区局部)?,结合A江枢纽给定的特征水位和根本资料,通盘考虑水库总库容、防洪效益、装机容量等因素,确定A江水利枢纽工程等别为一等,工程规模为大(1)型工程,主要建筑物级别为1级,次要建筑物级别为3级,临时性建筑物级别为4级。 混凝土拱坝设计标准(SL282-2003)规定:对于根本荷载组合,允许拉应力为1.2MPa,平安系数为4.0;对于非地震情况特殊荷载组合,允许拉应力为1.5MPa,平安系数为3.5;混凝土极限抗

38、压强度指90d龄期15cm立方体的强度,保证率为80%,那么混凝土的容许压应力为混凝土极限抗压强度除以平安系数;当考虑地震荷载时,允许拉应力可适当提高,但不超过30%,即1.95 MPa。 设计洪水标准为千年一遇,校核洪水标准为五千年一遇。 根据上述分析,本工程采用2浅孔和2中孔泄洪方案,在不影响工程效益前提下,尽量降低坝高可大大节省投资,故水库在洪水期的运用方式为:洪水到来之前开闸放水,腾空水库,将库水位降落至汛前限制水位182m处,即起调水位,起调流量为正常水位下开启浅、中孔时对应的下泄流量及发电流量之和。 1、 根据防洪要求,对水库进行洪水调节计算,以确定上游不同洪水标准下的下泄流量,然

39、后确定出设计洪水位和校核洪水位。 2、根据调洪演算得出设计水位下的下泄流量,以选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物的孔口尺寸。 洪水在水库中行进时,水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间变化,其流态属于明渠非恒定流。根据水力学明渠非恒定流的根本方程,即圣维南方程组为: 连续性方程:(3-1) 运动方程:- (3-2) 式中:?过水断面面积(m2) t?时间(s) Q?流量(m3/s) s?沿水流方向的距离(m) Z?水位(m) g?重力加速度(m/s) v?断面平均流速(m/s) k?流速模量(m3/s) 通常,采用简化的瞬态法来解这个方程组。瞬态法将上式进行简化而得出根本公式,在结合水库的特

40、有条件对根本公式进一步简化,那么得出专用于水库调洪计算的实用公式: (3-3) 式中:Q1,Q2?分别为计算时段初、末的入库流量(m3/s) ?计算时段中的平均入库流量(m3/s),它等于(Q1+Q2)/2 q1,q2?分别为计算时段初、末的下泄流量(m3/s) ?计算时段中的平均下泄流量(m3/s),即等于(q1+q2)/2 V1、V2?分别为计算时段初、末的水库蓄水量(m3) V?为V1、V2之差 t?计算时段,一般取16小时,需化为秒。 这个公式实际表现为一个水量平衡方程式。 当水库入库洪水过程线时,Q1、Q2、均为:V1、q1 那么是计算时段t开始时的初始条件。于是,式中的未知数仅剩下

41、V2、q2。当前一个阶段v2、q2求出后,其值即成为后一个阶段的v1、q1值,使计算可以逐时段的进行下去。又知,假定不计自水库取水的兴利部门泄向下游的流量,那么下泄流量q应是泄洪建筑物泄流水头H的函数,而当泄洪建筑物的形式、尺寸等已定时: (3-4) 式中: A?系数,与建筑物形式和尺寸、闸孔开度以及淹没系数等有关 B?指数,对于堰流为3/2,对于闸孔出流,一般为1/2采用高切林计算法,以直线近似代替泄水过程线计算步骤如下:假定三条泄水过程线AB1,AB2 , AB3 ,(如图1-1a)1)求出相应的库容 V1,V2,V3 阴影局部面积,下泄流量Q1,Q2,Q3;2)根据V1,V2,V3在库容

42、曲线上得出的相应的上游水位Z1,Z2,Z3;3)在绘有泄水建筑物泄流能力曲线L1的Q-Z坐标图上,绘出相应的点P1Q1,Z1?P2Q2,Z2?P3Q3,ZZ (如图1-1b)4)过点P1?P2?P3绘出曲线L2交L1于P,对于P点的泄流量Q必为拦洪时泄水建筑物最大下泄流量,相应的水位Z即是所求拦洪水位。3.4.4 泄洪方案的选择(1)坝身开孔方案 实验研究说明,坝身开孔方案包括浅孔方案和中孔方案。为合理布置厂房,浅孔和中孔设在两岸,对称布置,可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流相同,适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响,利用坝身开孔泄洪可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道

43、泄槽,并进行合理选型和布置,泄槽假设做成排架式,进厂公路可从排架间通过。此外,应注意开孔数量和设置高程,假设同一高程开孔数量多,该层拱圈削弱数量多,应尽量防止;(2)表孔溢流 其突出优点是泄洪能力大,可减小孔口尺寸,闸门上的水压力小,操作检修方便,缺点是坝身薄弱,需设置泄槽和滑雪道结构。实体的泄槽结构工程量较大,不经济,轻型的滑雪道结构易引起震动,稳定性不好。此外,表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用,拱的空间结构作用从堰顶高程以下才得以发挥;(3)利用导流隧洞泄洪方案 拱坝的施工导流需采用一次断流方案,故在施工时需在某一岸开挖导流隧洞,以便坝体施工,竣工后导流隧洞完成自己的使命,不再使用。

44、为充分利用现成的洞子,水利建设中常将进口段改建成“龙抬头,将导流洞改建成泄洪洞,以节省工程投资。结合该工程的实际情况,考虑因导流洞长度较短,改建成泄洪洞后,除“龙抬头局部外,可利用的长度不长,加上改建局部的开挖和老洞的封堵也需要一定的投资,故须认真比拟决定。(4)坝外溢洪道泄洪方案 该方案适用于有天然垭口,便于布置正槽式溢洪道的地形条件,A江提供的地形图坝址附近,未见有天然垭口地形,故不考虑该方案; 本设计从坝址处的地形地质条件等因素综合考虑,拟采用坝身泄洪方式。初步选择以下方案进行调洪演算: 方案一:4表孔+2中孔 方案二:2浅孔+2中孔 方案三:4中孔 调洪演算根据水量平衡原理计算,计算时

45、先按不同的出口高程和孔口尺寸拟定多组方案,计算结果见后表。 用水力学公式计算出上游库水位与下泄流量的关系。公式:表孔: (3-5) 式中:Q1?流量(m3/s) B?溢流孔净宽(m) H0?溢流孔堰顶作用水头(m) g?重力加速度(m/s2); ?侧收缩系数,;m?流量系数,初设计时,在定型设计水头下,当P/H3P为堰高m时,那么m0.470.49;当P/H3时,m0.440.4。本次设计取为0.48。孔口泄流公式: QA (3-6)式中:A?出口处的面积(m2)H?自由泄流时,为孔口中心处的作用水头(m);淹没泄流时,为上下游水位差(m).×a/H (3-7) 式中:a?孔口高度(

46、m) g?重力加速度(m/s2) Q?下泄流量(m3/s)(1) 2浅孔+2中孔表3-1 2浅孔+2中孔最大泄洪流量与最高水位结果表 方案起调流量 最大泄量最高水位(m3/s)(m3/s)(m) 最大设计泄洪流量为6600m3/s,校核流量为6880m3/s,最高设计水位为186.7m,最高校核水位为189.80m。(2)4表孔+2中孔表3-24表孔+2中孔最大泄洪量与最高水位结果表 方案 起调流量 最大泄量 最高水位 (m3/s) (m3/s) (m) (3)4中孔表3-34中孔最大泄洪量与最高水位结果表高宽出口高程上游水位出口中心处水头流量系数起调流量最大下泄量最高水位(m)(m)(m)(m)(m)(m3/s)(m3/s)(m)(4)坝身泄流与利用导流隧洞 因客观因素,现对坝身泄流与利用导流隧洞不进行调洪计算,只对其进行定性分析。 对于表孔、浅孔、中孔方案在满足防洪要求时, 4中孔方案缺点是同一高程开孔数量多,令该层拱圈削弱过多,对坝体结构作用影响大,不宜布置。 4表孔+2中孔方案优点是泄洪能力强,但缺点是坝体较高,同时表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用