贵州大学水工建筑物课程设计

1、第一章 清水河某电站的工程条件1.1. 气象、水文清水河流域属亚热带高原气候区，由于大气环流和流域地形影响，气候类型较为复杂，垂直变化十分明显，多年平均气温为14.1c。流域内降水较多，但年内及地区分配极不均匀，年降雨量为1130mm ，410月占全年降水量的86.5%。支流独木河上游为多雨区，多年平均降雨量超过1200mm 。每年 58 月为暴雨集中的季节，降雨量占全年的60% 。坝址集雨面积为4328km2 ，多年平均流量 76m3/s，多年平均来水量23.97 亿m3 ，径流系数 0.48 。流域洪水特性与暴雨特性和流域自然地理条件密切相关。洪水过程一般从5月份开始，到 10 月份结束，

2、汛期洪水较为频繁，年最大洪峰多出现在67 月。设计洪水标准（ p=1% 时），洪峰流量为5240m3/s，相应 3 天为洪量 6.0 亿 m3 。校核洪水标准（ p=0.1% ）时，洪峰流量为7430m3/s，相应 3 天洪量为 8.4 亿 m3 。坝址多年平均年输沙量52.8 万 t ，主要集中在汛期，占全年输沙量的92.8%，其中 57 月来沙量占全年的73.8%。1.2. 工程地质电站地处云贵高原的黔中地区，区域内碳酸盐岩广布，属中低山岩溶山地地貌，地层自寒武系至三迭系均布分布。区域地处黔北台隆、遵义断拱南部，属扬子准台地中稳定的级构造单元，自中更新世以来，区域内无断裂活动迹象，构造环境

3、稳定，地震基本烈度为 6 度。水库河段均属峡谷型水库。库区构造以南北向为主，北东向和北西向断裂也很发育。南明河近坝6km库段大部分为横向谷，上游库段为走向谷，左岸为顺向坡；独木河库段大部为走向谷，右岸为顺向坡。水库两岸山体雄厚，其间分布有多层隔水层和相对隔水层，不存在向邻谷渗漏问题。水库库岸多为坚硬的灰岩、白云岩组成，一般稳定性较好。局部以软岩为主的走向谷顺向坡地段，风化后抗剪强度和抗冲刷能力降低，蓄水后可能产生顺层塌滑，除近坝的南明河口左岸边坡外，其余边坡距坝址较远，规模不大，对库容和工程的建设无影响。工程枢纽区河段，河谷断面呈不对称“v”型，左岸较缓，右岸较陡。河床及两岸坡出露地层主要为吴

4、家坪组（）中厚层燧石条带灰岩、夹泥页岩、钙质页岩和少量泥灰岩，其中软岩占总厚度的19% ，河床基岩大部裸露，岩层缓倾上游偏右岸。该地层属弱岩溶含水层，在垂直层面方向可取相对隔水作用，防渗处理简单。坝址附近天然建筑材料丰富，开采及运输条件均较好，坝址下游2km处有公路通过，距左右岸坝肩也仅12km 。1.3. 设计标准电站正常蓄水位初拟为835m ，装机容量 60mw ，保证出力 10.1mw ，多年平均发电量 2.51 亿 kwh ，装机年利用小时为4183h。电站工程规模为大（二）型，属二等工程，主要挡水及泄水建筑物为2 级，厂房为 3 级建筑物，次要建筑物为3 级，临时建筑物为4 级。大坝

5、及泄水建筑物正常运用洪水为 100 年一遇（ p=1% ），非常运用洪水标准为1000 年一遇（p=0.1% ）；厂房正常运用洪水标准为100 年一遇（ p=1% ），非常运用洪水标准为200 年一遇（ p=0.5% ）。1.4. 水库、水能参数正常蓄水位 835m 水库死水位 820m 装机容量 a 230mw 电站引用流量 129.4m3/s 最大水头 64m 最小水头 42.8m 平均水头 55.5m 历年最大风速： 25.0m/s 多年平均最大风速： 16.0m/s 设计洪水： 100 年一遇，坝址相应洪峰流量5240m3/s，相应下泄流量4593m3/s。设计洪水位 836.41m；

6、校核洪水： 1000 年一遇，坝址相应洪峰流量7430m3/s。相应下泄流量6654m3/s。设计洪水位 841.68m。1.5. 工程地质岩体力学指标坝基( 肩) 岩体力学指标及岩体质量分类表地层代号岩 性风化容重s承载力泊桑变模 e0 (103mpa) 抗剪断强度质量分类岩/ 岩岩/ 砼分级(t/m3) (mpa) 比f c(mpa) f c(mpa) p2w 中厚层含燧石条带灰岩夹页岩和泥灰岩微风化2.60 4.5 0.25 8 0.9 0.8 0.8 0.7 a1p2c 含燧石结核灰岩微风化2.65 6.0 0.23 12 1.2 1.0 1.1 0.9 a页岩夹薄层灰岩弱风化2.30

7、 1.0 0.35 2 0.55 0.2 0.5 0.1 c 薄层灰岩夹页岩弱风化2.40 2.0 0.30 3 0.65 0.3 0.6 0.2 c p1m 中厚层灰岩微风化2.60 6.0 0.23 12 1.2 1.0 1.1 1.0 a节理裂隙0.7 0.2 泥页岩夹层0.3 0.02 第二章 枢纽总体布置2.1 坝顶及防浪墙高程2.1.1 校核洪水位情况坝的安全级别为级，查表310 得, =0.4m；在河谷剖面图中测得校核洪水位时b=171.925m d=5bkm ， v。=16m/s ；, 在 20250 之间, 故 h 为累积频率为 5% 的；; = ; = ; = ; =0.4

8、+0.133+0.6263=1.1593m 防浪墙顶高程 =校核洪水位 +h校=841.68+1.1593=842.84 . 2.1.2 设计洪水位情况坝的安全级别为级，查表310 得, m ；在河谷剖面图中测得设计洪水位下b=167.41m d=5bkm v。=16m/s ；在 20250 之间, 故 h 为累积频率为 5% 的；=0.5+0.131+0.620=1.251 ；防浪墙顶高程 =设计洪水位 +h设=836.41+1.251=837.66m. 两者比较取大者即坝顶高程及防浪墙高程为842.84m. 2.2 确定下游水位根据水力学公式，得：，其中：q:下泄流量；: 粗糙系数，查水力

9、学得：；w:河谷断面面积，单位；河底坡率，由地形图资料算得：；：湿周，单位；下游水深在下游水位 - 流量关系曲线上量得，通过河谷断面剖面图和上述水力学公式，以 1 米为模数做图。计算表格如下：下游水位高于河底高度h( ) 断面面积 a( ) 湿周（）坡率流量 q( ) 1 7.386772 11.224 0.0049 9.780569 2 20.832833 16.372 0.0049 42.81055 3 38.139668 20.559 0.0049 100.7701 4 59.046761 24.412 0.0049 186.1927 5 83.598183 28.681 0.0049

10、298.5176 6 112.49305 34.774 0.0049 430.6037 7 147.543288 42.431 0.0049 592.6273 8 188.837622 47.579 0.0049 828.4037 9 234.103706 51.123 0.0049 1129.729 10 281.586107 53.928 0.0049 1483.135 12 381.203111 59.015 0.0049 2313.789 14 486.209407 63.652 0.0049 3300.165 16 595.7777 68.052 0.0049 4428.784 18

11、 707.484665 72.237 0.0049 5667.523 20 823.054522 76.467 0.0049 7021.604 下游水位 -流量关系曲线如下图所示：对应与正常蓄水位的电站引用流量时下游水深，对应于校核洪水位时的下泄流量时，下游水深，对应于设计洪水为下泄流量时，下游水深=16.04m. 2.3 非溢流坝设计2.3.1 基本剖面2.3.1.1坝底宽度确定设解得：2.3.1.2校核洪水位下基本剖面的稳定计算取 1m为计算宽度 , 校核洪水对应的下游水深为19.91m. 运用抗剪断公式：，代入数据得：对于校核洪水位，=3.272.5 ，稳定满足要求。2.3.1.3校核洪

12、水位下基本剖面的应力计算在一般情况下，坝的最大和最小都应力出现在坝面，在基本剖面中，考虑自重、水压力、扬压力时，由计算得：水平截面上的正应力为：坝踵、坝址处应力均满足符合强度指标，满足要求。2.3.2 实用剖面防浪墙顶高程 1=校核洪水位 +h校=841.68+1.1593=842.84 . 防浪墙顶高程 2=设计洪水位 +h设=836.41+1.251=837.66 . 取坝顶高程为校核洪水位 +h校=841.68+1.1593=842.84 . 坝高. 取坝顶宽度为坝高的9% ，即坝顶宽度为m ，取为 10m. 2.3.2.1校核洪水位作用的稳定与应力计算实用剖面图如图：稳定计算 (取 1

13、m为计算宽度 ) 根据混凝土重力坝规范查得：，代入数据计算得：。，波浪运动不受库底约束，为深水波，波浪压力泥沙压力：其中：运用抗剪断公式：，代入数据得：对于校核洪水位，=3.222.5 ，稳定满足要求。应力计算(1) 坝底边缘应力边缘应力按直接考虑扬压力作用情况下计算，计算如下：= = =0 =1097.13kpa =0 =877.20kpa =341.93kpa =0 =2249.11kpa =0 b 坝体计算截面沿上、下游面的长度，单位m ; n 上游坝坡， n=0；m 下游坝坡 ,m=0.8；pu、pd计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度; puu、pud计算截面在上、下游坝面处的扬

14、压力强度；计算截面上全部垂直力之和（包括坝体自重、水重、淤沙重及计算的扬压力等），以下向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准（下同）；计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正。(2) 坝底内部应力计算内部应力，按照先不计扬压力作用，利用公式，计算出各点的，然后叠加由扬压力引起的应力，最后利用主应力公式：，计算得出各点主应力。以上公式中：坝内垂直正应力：坝内剪应力：坝内水平截面正应力：第一主应力的方向，以顺时针方向为正，当时，自竖直量取；当时，自水平方向量取 . 坝底边缘应力 ( 不计扬压力时 ) = = =0 =1065.45kpa =101

15、7.10 kpa =1194.83 kpa =929.35 kpa =1017.10kpa =2526.64kpa =342.47kpa 由系数公式计算得：a 1674.28 c1 -0.03 b -8.98 a3 1194.83 a1 1065.45 b3 -2.14 b1 -9.97 坝底应力计算成果， 2、3、4 为内部应力计算点：应力点号未考虑扬压力叠加扬压力主应力1 0 341.93 0 341.93 0 2 1061.53 1115.59 311.02 1537.92 1591.98 311.02 1877.14 536.76 -42.5 3 1105.96 1301.82 592

16、.26 1537.71 1733.57 592.26 2235.94 1035.34 -40.3 4 1150.39 1488.05 843.74 1537.50 1875.16 843.74 2566.80 845.87 -39.3 5 877.20 1371.41 1097.13 2249.11 0 内部 2、3、4 点应力图如下：(3) 坝高底边缘应力计算简图如下：边缘应力按直接考虑扬压力作用情况下计算，计算如下：= =0 =901.60kpa =0 =721.28kpa =326.70kpa =0 =1848.27kpa =0 (4) 坝高内部应力计算计算方法同上坝底内部应力，式中符号

17、含义相同。坝高边缘应力 ( 不计扬压力时 ) = =1073.12 =0 =858.50kpa =674.24kpa =686.80kpa =576.40kpa =674.24kpa =1759.92kpa =0kpa 由系数公式计算得：a 1073.12 c1 0.02 b -8.98 a3 686.80 a1 858.50 b3 -0.23 b1 -16.62 坝底应力计算成果， 2、3、4 为内部应力计算点：应力点未考虑扬压力叠加扬压力主应力号1 0 326.70 0 326.70 0 2 677.38 700.58 203.31 780.06 803.26 203.31 995.30

18、588.02 -43.4 3 680.52 824.76 414.17 748.97 893.21 414.17 1241.49 400.69 -40.1 4 683.66 948.94 632.56 717.89 983.17 632.56 1496.85 204.21 -39.1 5 721.28 1126.99 901.60 1848.27 0 内部 2、3、4 点应力图如下：2.3.2.2正常蓄水位作用的稳定与应力计算稳定计算：在河谷剖面图中测得校核洪水位时b=163.406m d=5bkm ， v。=16m/s ；在 20250 之间, 故 h 为累积频率为 5% 的；取 1m为计算

19、宽度 , 对应于正常蓄水位的下游水深为3.35m. 根据混凝土重力坝规范查得：，代入数据计算得：。，波浪运动不受库底约束，为深水波，波浪压力泥沙压力：其中：运用抗剪断公式：，代入数据得：对于校核洪水位，=3.223.0 ，稳定满足要求。应力计算(1) 坝底边缘应力边缘应力按直接考虑扬压力作用情况下计算，计算如下：= = =0 =984.64kpa =0 =787.71kpa =694.50kpa =0 =2018.52kpa =0 (2) 坝底内部应力计算内部应力，按照先不计扬压力作用，利用公式，计算出各点的，然后叠加由扬压力引起的应力，最后利用主应力公式：，计算得出各点主应力。坝底边缘应力

20、( 不计扬压力时 ) =1154.66kpa =1365.52kpa =0 =948.41kpa =951.57kpa =938.74 kpa =1154.66kpa =951.57kpa =2124.25kpa =180.01kpa 由系数公式计算得：a 1365.52 c1 -0.06 b -2.54 a3 938.74 a1 948.41 b3 0.15 b1 -6.29 坝底应力计算成果， 2、3、4 为内部应力计算点：应力点号未考虑扬压力叠加扬压力主应力1 0 694.50 0 694.50 0 2 948.36 1207.37 317.08 1267.41 1526.42 317.

21、08 1739.42 1054.41 -33.9 3 1704.43 1260.09 580.84 1977.13 1532.79 580.84 2376.84 1133.08 34.5 4 941.95 1312.81 791.28 1168.31 1539.17 791.28 2166.46 541.02 -38.4 5 787.71 1230.80 984.64 2018.52 0 内部 2、3、4 点应力图如下：(3) 坝高底边缘应力计算简图如下：边缘应力按直接考虑扬压力作用情况下计算，计算如下：= =0 =657.25kpa =0 =525.80kpa =656.78kpa =0 =

22、1347.37kpa =0 (4) 坝高内部应力计算计算方法同上坝底内部应力，式中符号含义相同。坝高边缘应力 ( 不计扬压力时 ) =891.49kpa =767.39kpa =0 =613.91kpa =608.71kpa =491.13kpa =891.49kpa =608.71kpa =1258.52kpa =0kpa 由系数公式计算得：a 767.39 c1 -0.07 b 2.24 a3 491.13 a1 613.91 b3 2.13 b1 -7.33 坝底应力计算成果， 2、3、4 为内部应力计算点：应力点号未考虑扬压力叠加扬压力主应力1 0 656.78 0 656.78 0

23、2 579.32 860.46 192.57 668.18 949.32 192.57 1047.17 281.14 -26.9 3 549.92 829.44 359.08 609.16 888.68 359.08 1134.24 363.60 -34.4 4 520.53 798.42 499.52 550.15 828.40 499.52 1207.80 170.75 -36.6 5 525.80 821.57 657.25 1347.37 0 内部 2、3、4 点应力图如下：第三章 溢流坝设计3.1 孔口设计3.1.1 洪水标准本次设计的重力坝是二级建筑物，根据规范查山区、丘陵区水利工

24、程建筑物洪水标准，采用 500 年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水校核。3.1.2 孔口型式选用开敞溢流式，泄洪能力大，具有较大的超泄流能力，放水条件好，给水库运用以巨大的灵活性。3.1.3 孔口尺寸1根据设计洪水初步确定溢流坝顶高程坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取 50100 m3/s，初步选择过坝单宽流量，溢流线型选用 wes 曲线型。由公式，初步选定溢流坝的坎顶水深h= =11.81m。则溢流坝顶高程为： 836.41-11.81=824.6m. 2估算溢流坝的前沿净长l 根据公式，计算溢流坝的下泄流量。其中：溢流孔口的下泄流量；：总下泄流量

25、，包括其它建筑物下泄的流量；：经过电站和泄水孔等下泄的流量；：系数，正常运行取设计情况下取0.75 0.9 ，校核情况下取1.0; 设计情况下：=4593-0.8129.4=4489.48；校核情况下：=6654-1.0129.4=6524.60. 根据公式：计算得：=49.9m 72.5m. 3. 选择溢流孔口尺寸根据以上计算，初步选定溢流孔口净宽为80m,每个孔口净宽为 16m,孔口数为5 个。根据 l、坝顶水深、我国闸门制作能力及生产系列选择闸墩形状为半圆曲线型，中墩厚度取为3m ，边墩厚度取为3.0m. 则溢流坝段的总长度l0 为：= 其中：n: 孔口数，； b ：孔口宽度； d :

26、闸墩厚度；4. 验算溢流坝总泄流能力q= =9080=7200规定的正常及校核库水位时的洪水流量。5. 堰顶高程的确定利用公式计算堰顶水头，查水力学书得侧收缩系数=0.95，流量系数=0.502，过堰水流为自由出流，故=1，设计情况下=8.9m,校核情况下=11.4m。设计洪水位减去即为堰顶高程，计算结果如下：计算情况流量（m3/s）侧收缩数流量系数m 孔口净宽（m ）堰上水头（m ）堰顶高程（m ）设计情况4489.48 0.95 0.502 16 8.9 827.51 校核情况6524.60 0.95 0.502 16 11.4 825.00 所以，堰顶高程取825.00m. 6. 闸门高

27、度的确定计算如下门高正常蓄水位 - 堰顶高程 +（0.1 0.2 ）= 835.00-825.00+0.2=10.2m.取 11 . 露顶式溢洪道闸门的孔口宽度为16 米时，孔口高度在622m之间，符合要求。闸门形式采用平板闸门，根据规范，取门槽槽深为1.0m，门槽宽取 1.8m. 7. 定型设计水头的确定堰上最大水头校核洪水位 - 堰顶高程 =841.68-825.00=16.68m. 所以定型设计水头=（75% 95% ）=12.5115.85m.取=14m. / =0.84. 3.2 剖面设计3.2.1 顶部曲线段溢流坝的顶部曲线段是控制流量的关键部位，采用wes 曲线。把顶部曲线段以堰

28、顶分界分为上游段和下游段两部分，以堰顶为坐标原点建立坐标。确定上游段的基本方程式：= wes 型堰顶的部曲线的下游段，当上游面铅垂时，按以下公式进行计算。，即，计算结果如下：x 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 y 0.05 0.19 0.40 0.69 1.04 1.46 1.94 2.49 3.09 3.76 4.48 x 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 y 5.26 6.10 7.00 7.95 8.96 10

29、.03 11.14 12.32 13.54 14.82 16.15 3.2.2 中间直线段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同,坡度 n=0.8 的下游直线段 bc与曲线 ob相切于 b点， b 点坐标 （）可由如下方法求得：对堰顶曲线下游段求一阶导数直线段 bc的坡度为：= 则 0.098 = 算得：=19.99m, =13.53m. 3.2.3 反弧段挑流鼻坎有连续式鼻坎和差动式，本设计采用连续式；按规范规定，鼻坎挑射角，根据工程经验，挑射角一般取，对于深水河槽之间，本设计取；鼻坝坝顶高程高出下游最高水位12m ，所以鼻坎高程为772.91+2=774.91m

30、。反弧段是使沿溢流面下泄的水流平顺转向，通常采用圆弧曲线根据混凝土重力坝设计规范，对于挑流消能，反弧半径，h 为校核洪水闸门全开时反弧段最低点的水深，流速时，取小值，流速大时采用较大值。设反弧段最低点处水流速度为v2，大气压强为零，上游大气压强为零，对上游和反弧段最低点处列能量方程：，忽略水头损失，所以：. 根据连续性方程，q为校核洪水时溢流坝下泄流量为6524.6 ; b反弧段最低点处水面宽度。所以水深为：= . 反弧半径=8.822m,取=22m. 在实际工程中反弧半径r的取值范围，远远超出的限度，用经验公式 : = : 反弧最低点的弗劳德数，= ; 取 r=30m. 确定反弧圆心点的坐标

31、（，）及直线与反弧切点c（）和反弧段末端 d点（）的坐标：圆心高程, 所以：圆心纵坐标：直线与反弧切点c为：圆心横坐标：. 反弧段末端 d点：. . 反弧段中心角为. 3.2.4 剖面设计溢流坝剖面要与其邻近的非溢流坝的基本剖面相适应。上游坝面设成铅垂的，与非溢流坝一致。溢流坝坝底宽为3.948+78.59=82.54m. 约等于非溢流坝的底宽 b，不用将堰顶突向上游。堰顶水头=11.4m，反弧段最低点水深为2.2m.坝面的水流深度从11.4m2.2m ，两侧挡水墙高度为水流深度加上安全加高0.5 1.0m, 取堰顶安全加高为0.5m，反弧段最低点安全加高为 1.0m, 挡水墙高度从 11.93.2m. 3.3 下游消能设计由溢流坝下泄的水流具有巨大的能量，必须进行妥善处理，否则会影响下游河床被严重冲刷。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量都有重要意义。通过对各种消能方案的比较结合经济考虑，本设计采用挑流消能，根据地形条件，挑坎体形采用连续坎。鼻坝坝顶高程高出下游最高水位12m ，所以鼻坎高程为 772.91+2=774.91m。3.3.1 校核洪水位下挑距和冲坑的计算按重力坝设计规范规定，鼻坎挑射角，根据工程经验，挑射角一般取，对于深水河槽之间，本设计取；设鼻坎处水流速度为v2，大气压强为零，上游大气压强为零，对