心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算毕业设计说明书模板

心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算毕业设计说明书资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。目录摘要 1Abstract 2第一章综合说明 31.1概述 31.1.1枢纽概述 31.1.2设计要求 31.2工程特性表 4第二章设计资料 52.1枢纽任务 52.2基本资料 52.2.1自然地理 52.2.2工程地质 82.2.3筑坝材料 92.2.4库区经济及其它 10第三章枢纽主要建筑物的形式与总体布置 133.1工程等级及技术规范设计标准 133.1.1工程等级 133.1.2技术规范 133.1.3洪水标准 133.2调洪演算及设计基本数据 133.2.1调洪演算的目的 133.2.2调洪演算的原理 143.2.3计算方法 153.2.4泄洪方案的选择 163.3枢纽组成建筑物 183.4坝型选择 193.4.1坝型初选 193.4.2坝型选定 203.4.3坝体形态选择 243.5泄水建筑物型式选择 253.6厂房及引水系统布置 253.7枢纽总体布置 25第四章拱坝设计 274.1拱坝型式及布置 274.1.1拱坝剖面设计 274.1.2拱坝的布置 284.2荷载及其组合 294.2.1荷载及计算 294.2.2荷载组合 374.3计算原理和计算步骤 374.3.1计算原理 374.3.2计算步骤 384.4应力强度分析(电算、手算) 384.4.1电算 384.4.2手算 404.5坝肩稳定计算 454.5.1验算原理 454.5.2验算工况 474.5.3验算结果 47第五章泄水建筑物设计 495.1泄水建筑物的组成与布置 495.2泄槽设计 495.2.1浅孔设计 495.2.2中孔设计 505.3消能与防冲 525.3.1水舌挑距 525.3.2冲刷坑深度 525.3.3消能率计算 525.3.4消能防冲计算成果 535.4坝身进水口设计 535.4.1管径的计算 535.4.2进水口的高程 545.5泄水孔口应力及配筋 545.5.1计算原理 545.5.2孔口作用力 55第六章坝体细部构造及地基处理 606.1坝体构造与细部结构设计 606.1.1坝体与坝面 606.1.2坝体分缝 606.1.3坝内廊道和坝内工作桥 606.2坝基处理 616.2.1地基处理的一般要求 616.2.2地基的处理与开挖 616.2.3坝基排水孔 63结语 64参考文献 65摘要A江位于中国东南地区,全长153km,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183.75m,设计洪水位184.8m,校核洪水位188.8m,汛前限制水位182m,死水位164m,尾水位103.5m。水库死库容5.3亿m3,总库容12.8亿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。挡水建筑物是一变圆心变外半径的双曲拱坝,坝顶弦长302m,最大坝高98.88m,坝底厚26m,坝顶宽8.5m。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8.8m,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7.2m,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,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175.0m,中孔启闭机房高程为161.28m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119m,浅孔反弧半径为33m,中孔反弧半径为50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4.5m,进水口底高程为153.3m。发电机层高程为115m,尾水管底高程为90.8m,厂房进水口底高程为152.4m。为防止坝基渗漏,在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆,而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,以咬合加固,增强坝体的抗剪能力。当底宽在40～50m以上的拱坝,才考虑设置纵横缝,而本设计中,拱坝坝底宽为26m,小于40m,故可不设置纵缝。AbstractAjiangisariverinsoutheastofChina,Thetotallengthis153km.weplantobuiltaAjianghydrocomplexplaypartsinfloodcontrol,waterpower,irrigation,waterconservancyrelatedfisheries,andsoon.Thereservoirnormalwaterlevelis183.75m,designfloodlevelis184.8m,maximumfloodlevelis188.4m,floodcontrollevelis182m,deadwaterlevelis164m,andtailwaterlevelofhydropowerstationis103.5mThehydraulicengineeringgradeisGradeI.Thehydroprojectisconsistofwaterretainingstructure,powerhouse,auxiliaryroom,sluicestructure,raftsluice,andsoon.Thewaterretainingstructureisadoublecurvaturearchdam.Thelengthoftheaxisofcrestdamisabout302m.Maximumheightofthedamis98.88m,thethicknessofthebottomofthedamis26Thereleasestructureiscomprisedof2mid-leveloutletsand2short-leveloutlet.Thewidthoftheshort-leveloutletis8.5m,andtheheightis8.8m;thewidthofthemid-leveloutletis7.5m,andtheheightis7.2m.Theupstreamandthedownstreamsideofeveryoutletareabulkheadgateandaoperatinggatewhichisaradialgate.Thereisaroomwhereagatehoistisputaboveeveryservicegate.Thetworoomswhichareabovethemid-leveloutletservicegateareatanelevationof161.28metres,andtheothertworooThetypeofthepowerhouseisatdamtoe.Thedimensionsofthepowerhouseandtheauxiliaryroomare81m×18mand66m×10m.Thegeneratorfloorisatanelevationof115mmetres,andthebottomofthedrafttubeisatanelevationof90.8metres,andtheintakeofhydropowerstationisatanelevationof152.4metres.Incaseofleakageofthedamfoundation,thereisgroutingcurtainatthebaseofthedam,behindwhichtherearedrainageholeswhichdecreasetheupliftpressureofthedamfoundation.Inradialdirectionstherearetransversejointsinwhichtherearekeys,andbecausethethicknessofthebottomofthedamissmallerthan40～50metres,thereisnolongitudinaljoint.第一章综合说明1.1概述1.1.1枢纽概述A江是中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153km,流域面积4860平方公里。根椐流域规划拟建一水电站。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184.8m电站多年平均发电量为5.08亿度,正常蓄水位时,水库面积为34.2平方公里,为发展养殖创造了有利条件,同时增加灌溉面积50万亩。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98.88m,坝顶宽8.5m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60m,宽10m,安装场长21m,宽18m。压力管道的直径为4.6m,泄水建筑物采用两个浅孔和两个中孔相结合的方案:浅孔位于两岸,孔口宽8.5m,高8.8m,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7.2m,进口底高程为135m,出口底高程为130m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119m,浅孔反弧半径为33m,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θ=20过木筏道位于右岸。根据林业部的要求,每年木材过坝量为33.3万立方米,起木材最大长度为10m,大头直径为开关站长75m,宽20m,位于左岸。1.1.2设计要求在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上,要求:1、根据防洪要求,对水库进行洪水调节计算,确定坝顶高程及溢洪道孔口尺寸;2、经过分析,对可能的方案进行比较,确定枢纽组成建筑物的型式,轮廓尺寸及水利枢纽布置方案;3、详细做出大坝设计,经过比较确定坝的基本剖面与轮廓尺寸拟定地基处理方案与坝身构造,进行水力,静力计算;4、对拱坝进行设计:选择建筑物的型式与轮廓尺寸,确定布置方案:拟定细部构造,进行水力、静力计算;5、决定枢纽的施工导流方案,安排施工的控制性进度。1.2工程特性表表1-1水库特性表表1-2枢纽特性表第二章设计资料2.1枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。1、发电装机20万千瓦,多年平均发电量为5.08亿度。本电站4台5万千瓦机组。正常蓄水位为183.25m,汛期限制水位:182m,死水位为164m,4台机满载时的流量为338s/m3,尾水位为厂房形式为坝后式,主厂房平面尺寸为18m×81m,发电机层高程:114.8m,尾水管底高程:90.8m,厂房顶高程130.5m,副厂房平面尺寸为60m×10m,安装场尺寸为21m×18m,开关站尺寸为20m2、灌溉增加灌溉面积50万亩。3、防洪可减轻洪水对A市平原及A市的威胁,在遇50一遇和10一遇洪水时,经水库调洪后,洪峰流量由原来14900,11700m3/s分别消减为7750,6750m3/4、渔业正常蓄水位时,水库面积为34.2平方公里,为发展养殖创造有利条件。5、过木根据林业部门提供的要求,木材过坝量为每年33.3万m3。其木材最大才长10m,大头直径为100cm。2.2基本资料2.2.1自然地理流域概况A江是中国东南的一条河流,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。坝址以上流域面积2716平方公里,流域境内为山区,平均高度为662m,最高山峰达1921m,流域境内气候湿润,雨量丰沛,属热带气候。径流主要来自降雨,小部分由地下水补给,每年4～9月为汛期,其中5、6两个月为霉雨季节,河道坡降上游陡,下游缓,平均坡降6.32~0.97%,因河道陡,调蓄水能力低,汇流快,由暴雨产生的洪水迅速涨落,一次洪水过程线尖痩,属典型的山区性河流。流域境内,以农林为主,森林茂盛,植被良好,水土流失不严重,枢纽下游为A省的重要农副生产基地A平原。坝址下游约50公里有县级城市两座,在河流入海处有省辖市一座。气候特性(1)气温坝址处的多年平均气温为17.3℃,月平均最低气温(一月份)5℃,最高(七月份)29℃,。实测极端最低气温(一月份)-8.2℃,最高(七月份)为40.6℃。(2)湿度年平均相对湿度为79％左右,其中以6月份87％最大,1月份72％为最小,日变化较大。(3)降雨量坝址以上流域的年平均降雨量为1680mm,实测最大年降雨量为2389mm,最少为1380mm,雨量在年内分配不均,其中4～9月份占全年降雨量的75％,而5、6两月占全年雨量的1／3。表2—1各月降雨量的雨型及日数统计表月份项目123456789101112全年实际天数3123313031303131303130310.3~10mm雨日34571212109876410~30mm雨日23458965432130mm以上雨日911856322100(4)蒸发量坝址处多年平均蒸发量为1349mm,其中全年7月份为最大,月蒸发量为217mm,2月份为最小,月蒸发量为45.4mm。(5)风向风力实测最大风速为17m/s,风向西北偏西,吹程4.5公里。多年平均最大风速为:汛期为12m/s,非汛期为13m/s,风向基本垂直坝轴线,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)按下列公式计算:(2-1)(2-2)其中:H――水深。水文特性(1)正常径流根据资料分析,坝址处的多年平均流量为100秒m3,多年平均径流总量为31.5亿m3,各频率的月平均量见下表。表2-2多年平均径流总量各频率的月平均量月频率123456789101112多年平均1％1162673244906896793462633311021211131865％7817923536451053735217721073777315050％2149891412162777844442616169780％81947731213422151213457495％252236691215426115523651031622152951156167312424100(2)洪峰流量及总量据水文资料推算,坝址处的洪峰流量及总量如下:洪峰流量Q=3310m3/s,Cv=0.45,Cs=4Cv,皮Ⅲ型线,各频率流量为:P=0.02%,Q=14900m3/s;P=0.1%,Q=洪峰总量:三日洪水总量的均值W=3.5亿m3,Cv=0.38,Cs=3Cv,皮Ⅳ型线,各频率洪量:P=0.02%,三日洪水总量Wp=7.94亿m3;P=0.1%,三日洪水总量Wp=6.58亿m3。可能最大三日洪量为15.4亿m3。施工期各设计洪水频率流量见下表。表2-3施工期设计洪水频率流量表频率10—4月9—6月10—3月11—6月11—2月12—2月备注520871772136713678848241016731410107210726545962012751045784784434332(3)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吨,百年后水库淤积高程115m,淤沙容量为8.5kN/m3,内摩擦角10°。其它本坝址地震烈度为7˚。2.2.2工程地质库区工程地质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,而且不对称。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,延伸长度达几直几十公里,断层单宽1m左右。个别达10m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。坝址工程地质(1)地貌坝址处的河床宽度为100m。河底高程100m,水深1～3m,河谷近似”V”型,两岸约40°～60°。河床覆盖层由大理石,卵石组成。厚度约5～6m,两岸山坡为第四系覆盖层,厚度为5～10m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120——200Mpa。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。其中一组近似于平行山坡等高线,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。岩石的物理力学性质见下表。表2-4岩石的物理力学性质表岩性或地质构造容重(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Μ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花岗斑岩27.328.12.32101902.2×1040.700.750.751.200.5基岩与混凝土0.20节理面0.650.751.0基岩内注:相对隔水层离基岩表面深15m。2.2.3筑坝材料石料坝区大部分地区为花岗斑岩,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。砂料在坝下游勘探6个砂料场,最远料场离坝约9公里,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,砂石料符合规范要求。坝址处缺乏筑坝的土料。2.2.4库区经济及其它库区经济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,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,需赔偿费4120万元。其它(1)对外交通本坝址上游左岸30公里处有铁路干线车站,另有公路与坝址下游50公里的两座县城相通,两县城有公路与水路与河流入海处的省辖市相连,对外交通较为方便。(2)附属工厂和生活建筑区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。(3)负荷位置本电站主要供应坝下游A平原的农村生产用电及省辖市的工业用电,并担负A电网的部分调峰任务。(4)坝顶有双线公路布置的要求。(5)水库水位——容积关系曲线、坝址处水位——流量关系曲线、设计洪水(三日)过程线和坝址地形图见下列附图。第三章枢纽主要建筑物的形式与总体布置3.1工程等级及技术规范设计标准3.1.1工程等级在工程安全与经济之间存在着矛盾,为使工程的安全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级。本工程校核水位为188.4m,查库容曲线得相应库容为12.27亿m3>10亿m3.1.2技术规范混凝土拱坝设计规范(SD145-85)规定:对于基本荷载组合,允许拉应力为1.2Mpa,安全系数为4.0;对于特殊荷载组合,允许拉应力为1.5Mpa,安全系数为3.5;当考虑地震荷载时,允许拉应力可适当提高,但不超过30%。3.1.3洪水标准设计洪水标准为千年一遇,校核洪水标准为五千年一遇。3.2调洪演算及设计基本数据3.2.1调洪演算的目的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。3.2.2调洪演算的原理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基本方程,即圣维南方程组为:连续性方程:(3-1) 运动方程:-(3-2)式中:ω——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)一般,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基本公式,在结合水库的特有条件对基本公式进一步简化,则得出专用于水库调洪计算的实用公式:(3-3)式中:,——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,——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、——分别为计算时段初、末的水库蓄水量(m3)△V——为、之差△t——计算时段,一般取1——6小时,需化为秒这个公式实际表现为一个水量平衡方程式。当已知水库入库洪水过程线时,、、均为已知:、则是计算时段△t开始时的初始条件。于是,式中的未知数仅剩下、。当前一个阶段、求出后,其值即成为后一个阶段的、值,使计算能够逐时段的进行下去。又知,假定不计自水库取水的兴利部门泄向下游的流量,则下泄流量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。3.2.3计算方法采用高切林计算法,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,,,(如图3-１a)1.求出相应的库容,,(阴影部分面积),下泄流量,,;2.根据,,在库容曲线上得出的相应的上游水位,,;3.在绘有泄水建筑物泄流能力曲线的Q-Z坐标图上,绘出相应的点﹑)﹑(如图3-１b);4.过点﹑﹑绘出曲线交于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。(b)(a)(b)(a)图图3-1洪水调节计算图3.2.4泄洪方案的选择调洪方案初选①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。缺点是坝身单薄,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;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能得以发挥。②坝身开孔方案(浅孔方案和中孔方案):优点是对坝体应力影响不大,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:若同一高程开孔数量多,该层拱圈削弱较多。③坝外溢洪道泄洪方案: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。④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,为节省工程投资,可将进口段改建成”龙抬头”,将导流洞改建成泄洪洞,但本工程导流洞长度较短,改建成泄洪洞后,除”龙抬头”部分外可利用的长度不长,加上改建部分的开挖和老洞的封堵,实际并不能有效节省工程投资。依据A江水利枢纽的具体情况,全面综合比较以上所述四种方案,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)2表孔+2中孔泄洪方案(2)2浅孔+2中孔泄洪方案(3)4中孔泄洪方案调洪演算调洪演算根据水量平衡原理计算,计算时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:Q——流量(m3/s)B——溢流孔净宽(m)H——溢流孔堰顶作用水头(m)g——重力加速度(m/s2)m——流量系数,初设计时,在定型设计水头下,当P/H>3(P为堰高m)时,则m=0.47～0.49;当P/H≤3时,m=0.44～0.4。本次设计取为0.48。孔口泄流公式:(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).——孔口或管道的流量系数,浅孔和中孔的值可用下式计算:(3-7)a——孔口高度(m)g——重力加速度(m/s2)Q——下泄流量(m3/s)表3-1各泄洪方案参数 尺寸方案表孔(数目×宽度)浅孔(宽×高)中孔(宽×高)QmaxHmax设计校核设计校核4表孔+2中孔4×12m-7.5×7.5m64207400187.4189.42浅孔+2中孔-8.5×8.8m7.5×7.2m65507050184.8188.44中孔--7.5×7.0m65506850185.0188.8由调洪演算确定,设计洪水时,允许下泄流量为6750m3/s,方案2浅孔+2中孔设置两浅孔,孔口尺寸为8.5m×8.8m(宽×高),进口底高程为164.0m,出口底高程为154.0m;两中孔,孔口尺寸为7.5m×7.2m(宽×高),进口底高程为135m,出口底高程为130.0m。实际最大下泄流量为6550m调洪方案的最终选择为减小坝身开孔对坝体空间结构的不利影响(4表孔使得坝体堰顶以上失去空间结构作用,4中孔使得坝体同一高程开孔数量过多,该层拱圈削弱过多),采用两浅孔与两中孔相结合的方案。两浅孔,孔口宽8.5m,高8.8m,进口底高程为164m,出口底高程为154m;两中孔,孔口宽7.5m,高7.2m,进口底高程为135m,出口底高程为130m,设计洪水时,下泄流量6550m3/s,校核洪水时,下泄流量7050m3/s,略小于允许下泄流量,设计洪水位为184.83.3枢纽组成建筑物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98.88m,坝顶宽8.5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60m,宽10m,安装场长21m,宽18m。压力管道的直径为4.6m,进水口底高泄水建筑物采用两个浅孔和两个中孔相结合的方案:浅孔位于两岸,孔口宽8.5m,高8.8m,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7.2m,进口底高程为135m,出口底高程为130m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119m,浅孔反弧半径为33m,中孔反弧半径50m。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角浅孔θ=20°中孔θ过木筏道位于右岸。根据林业部的要求,每年木材过坝量为33.3万立方米,起木材最大长度为10m,大头直径为开关站长75m,宽20m,位于左岸。3.4坝型选择3.4.1坝型初选土石坝土石坝主要由坝址附近的土石料填筑而成,由于该坝址处缺乏筑坝的土石料,而且土石料坝身不能泄洪,需另外建泄水建筑物,本工程两岸附近无垭口等适合建泄洪建筑物的地形,故不宜建土石坝。重力坝重力坝依靠坝体自重或垂直荷载在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定的要求,利用坝体自重或垂直荷载在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度的要求。其优点比较明显:①坝体断面形态适于在坝顶布置溢洪道和坝身设置泄水孔,不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞,在坝址河谷狭窄而洪水流量大的情况下,重力坝能够较好地适应这种自然条件;②结构简单,施工技术比较容易掌握,在放样,立模和混凝土浇捣方面都比较方便,有利于机械化施工;③由于断面尺寸大,材料强度高,耐久性能好,因而对抵抗水的渗透,特大洪水的漫顶,地震和战争破坏能力都比较强,安全性较高;④对地形地质条件适应性较好,几乎任何形状的河谷都能够修建重力坝;⑤具有足够强度的岩基就可满足要求,因为重力坝常沿坝轴线分成若干独立的坝段,因此能较好地适应岩石的物理力学特性的变化和各种非均质的地质。但缺点也比较明显:①剖面尺寸较大,坝体内部的压应力一般不大,因此材料的强度不能充分发挥;②坝体体积大,水泥用量多,混凝土凝固时水化热高,散热条件差,且各部浇筑顺序有先有后,因而同一时间内冷热不均,热胀冷缩,相互制约,往往容易形成裂缝,从而削弱坝体的整体性,因而混凝土重力坝施工期需有严格的温度控制和散热措施。拱坝拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物,依靠拱的作用,将力传给拱座,依靠梁的作用将力传给基岩。其优点是:①受力条件好,在荷载作用下,拱坝同时起拱的作用和悬臂梁的作用,主要依靠两岸坝肩和坝基的岩体维持稳定,坝体自重对坝体的稳定性影响不大;②坝的体积小,因为拱坝是一种受压结构,拱向除拱端外,几乎全部受压,梁向除底部外大部分也是受压,故可充分发挥混凝土抗压性能,厚度能够较小,故其体积可比同样高度的重力坝节省1/3～2/3;③拱坝超载能力强,安全度高,拱坝一般属周边嵌固的高次超静定结构,当外荷载增大或坝的某一部位因拉应力过大而发生局部开裂时,能调整拱作用和梁作用及其荷载分配,进行坝内应力重分配,不致使坝全部丧失承载能力,裂缝对于拱坝的威胁不像对其它坝型那样严重,拱坝水平裂缝中的扬压力只会降低坝体悬臂梁的作用,铅直裂缝会使拱圈未开裂部分的应力增加,原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈,坝内应力重分配,成为无拉应力的有效拱,因此按结构的观点,拱坝坝面允许局部开裂,另外混凝土具有一定的塑性和徐变特性,在局部压应力特大的部位,变形受限制的情况下,经过一段时间,混凝土的徐变变形增大,弹性变形减小,从而这些特大应力有所降低,而且三维受力时混凝土的实际极限抗压强度比单轴时的极限抗压强度要高,由于以上所述原因,拱坝在合适的地形地质条件下具有很强的超载能力,据国内外试验资料表明,其超载能力可达设计荷载的5～11倍;④抗震性能好,由于拱坝是整体性的空间结构,坝体较轻韧,富有弹性,又能自行调整其结构性能,因此拱坝抗震性能好。但拱坝也有明显的缺点:①施工技术要求高,由于拱坝坝体断面较薄,几何形状复杂,因此对施工技术,施工质量控制的要求高;②对地基处理的要求更为严格,以致有时开挖量很大;③施工导流不如重力坝来得方便,需一次断流,要另开导流隧洞;④拱坝坝肩岩体稳定,岩基稳固是拱坝结构优越性发挥的前提条件。综合上述分析,对A江水利枢纽而言,有合适的喇叭口地形”V”形河谷,两岸也没有顺河向的节理裂隙,故选择混凝土拱坝方案。3.4.2坝型选定重力坝的基本剖面拱坝方案和混凝土坝之间主要做工程量的比较,工程量的计算采用简化的方法。在确地坝高的条件下确定混凝土坝的基本破剖面,并在基本剖面的基础上得到使用剖面。基本剖面一般只在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面,因此,基本剖面分析的任务是在满足强度和稳定要求下,根据给定的坝高H求得一个最小的坝底宽度B。也就是确定三角形的上下游边坡。为分析方便,沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究。基本破剖面按应力条件确定坝底最小宽度用如下公式:(3-8)式中γc=24kN/m3γ0=10kN/m3扬压力折减系数α1取0.25则B=65.74按稳定条件确定坝底最小宽度用如下公式:(3-9)式中K=1.05f=0.7λ=0α1=0.2则B==70.46综合⑴⑵,取坝底最小宽度B=71m实用剖面的确定重力坝的基本剖面是在荷载和剖面形态都作了简化之后求得的,实用剖面当然不能是顶点与上游水位齐平的简单三角形。因此还要考虑其它荷载和运用条件对基本剖面进行修改,使其成为符合实际需要的实用剖面。坝顶需要有一定的宽度,以满足设备、运行、交通、及施工的需要,非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8~10%,并不小于2m,如作为交通要道或有移动式启闭机设施时,应根据实际需要确定,当有较大的冰压力或漂浮物撞击时,把顶最小宽度还应满足强度的要求。由于最大坝高为98.88m,故取坝顶宽度为10重力坝的上游面采用上部铅直、而下部为呈倾斜,既可利用部分水重来增加坝的稳定性,又可保留铅直的上部便于管道进水口布置设备和操作的优点。上游折坡的起坡点伪造置应结合应力控制条件和引水、泄水建筑物的进口高程来选定,一般在坝高的1/3~2/3的范围内。根据工程经验上游面的坡度选为1:0.15,折坡点位置距坝底40m处。下游面的坡度取为1:0.7稳定校核稳定分析的主要目的是验算在各种可能荷载组合下的稳定安全度。工程实践和实验表明,岩基上的重力坝的失稳破坏可能有两种形式:一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动,包括沿坝与基岩的接触面滑动以及沿坝基岩体内的连续软弱结构面产生的深层滑动;另一种是在荷载作用下,上游坝踵以下的岩体手辣产生倾斜裂缝以及下游坝址岩体受压发生压碎区而引起倾倒滑移破坏。在本坝址处,深层滑移的条件没有出现,因此在坝型选定时只分析沿坝基面的抗滑稳定分析。采用摩擦公式,此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面,而不是胶结面。滑动面上的阻滑利只计摩擦力。实际工程中的坝基面可能是水平面,也可能是倾斜面。当滑动面是水平面时其抗滑稳定安全系数K可按下式计算:(3-10)式中:∑W—作用于滑动面上的力在垂直方向的投影的代数和;∑P—作用于滑动面上的力在水平方向的投影的代数和;U—作用于滑动面上的力杨压力;K—抗滑稳定安全系数;计算可得在校核洪水情况时抗滑稳定系数为1.12,故稳定满足设计要求。应力分析应力分析的目的在于检查坝体和坝基在计算情况下是否能满足强度的要求。重力坝一般分成若干个相互独立的坝段。能够作为平面问题处理,使应力分析得以简化。应力分析可分为理论计算和模型试验两大类。理论计算又可分为材料力学法和弹性理论法等,材料力学法是一种常见的计算方法,其基本的假定是坝体水平截面上的垂直正应力为直线分布。即可按材料力学的偏心受压公式计算。1、水平截面上的边缘正应力和(3-11)(3-12)式中∑W——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和(向下为正)∑M——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和(逆时针为正)B——计算截面沿上下游方向的宽度当水库正常蓄水且运行较长时间后,经过坝体和坝基的渗透水流,已逐渐形成稳定的渗流场,需要考虑扬压力的作用。故有:=436.7kpa=1310.24kpa2、边缘剪应力τ’和τ”3、铅直截面上的边缘正应力和4、上游边缘主应力和5、下游边缘主应力和由上可见,没有出现拉应力,故应力满足要求。工程量比较拱坝方案和混凝土坝之间主要做工程量的比较,工程量的计算采用简化的方法。重力坝的工程量计算采用下式:(3-13)式中:L1——计算部分坝体顶部长度;H——计算部分坝体高度;b——计算部分坝体顶宽;L2——计算部分坝体低部长度;m1、m2分别为计算部分坝体上下游边坡。拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算:(3-14)式中:、——分别为计算部分坝块顶部,顶部面积,、——为上游面半径,下游面半径;其中:(3-15)式中:θ——为该层拱圈中心角;△h——分块高度。由计算的重力坝的工程量为612887.4m3,拱坝的工程量为321702.37m3。可见拱坝方案要比混凝土方案节省混凝土工程量从工程量的角度混凝土拱坝方案优与混凝土重力坝方案,同时对A江水利枢纽而言,有合适的喇叭口地形”V”形河谷,两岸也没有顺河向的节理裂隙,又有向下游收缩的喇叭口,由此能够得出坝型选择为混凝土拱坝方案。3.4.3坝体形态选择拱坝按坝体形态可分为单曲拱坝和双曲拱坝。单曲拱坝单曲拱坝只在水平截面上呈拱形,而铅直悬臂梁断面不弯曲或曲率很小。定圆心定外半径拱坝设计施工简单,但工程量大,且河谷上宽下窄时,坝底部圆心角过小,使拱的作用减小,而定中心角变半径拱坝虽然比较经济,但两岸坝段剖面有倒悬,在施工和库空运行时会产生拉应力。双曲拱坝双曲拱坝又称穹形拱坝,在水平和垂直截面内都呈拱形,在V形河谷或其它上宽下窄的河谷,若采用定半径式拱坝,其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求,此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小,以使上下各层拱圈的中心角基本相等,并在铅直向设计成一定曲率,形成变半径等中心角双曲拱坝,而做到上下层拱圈的中心角相等很困难,故广泛采用变半径变中心角的双曲拱坝,这种拱坝各层拱圈的中心角,外弧面和内弧面的半径从上到下都是变化的,而各层拱圈内外弧的圆心联线均为光滑的曲线,变半径等中心角双曲拱坝更能适应河谷形状的变化。双曲拱坝比单曲拱坝更具特殊的优点:①由于其梁系也呈弯曲形状,兼有垂直拱的作用,它在承受水平向荷载后,在产生水平位移的同时还有向上位移的倾向,使梁的弯矩有所减少,而轴向力加大,对降低坝体拉应力有利;②在水压力作用下,双曲拱坝中部的垂直梁应力是上游面受压而下游面受拉,这同自重产生的梁应力正好相反。鉴于双曲拱坝的优点,本坝址的坝型选为变半径变中心角的双曲拱坝。3.5泄水建筑物型式选择泄水建筑物采用两个浅孔和两个中孔相结合的方案:浅孔位于两岸,孔口宽8.5m,高8.8m,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7.2m,进口底高程为135m,出口底高程为130m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为119m,浅孔反弧半径为33m,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,挑射角浅孔θ=20°中孔θ3.6厂房及引水系统布置坝后式厂房装有4台5万kw的发电机组,主厂房长81m,宽18m,副厂房长60m,宽10m,安装场长21m,宽18m。压力管道的直径为4.6m,进水口底高3.7枢纽总体布置根据A江的枢纽任务,本工程的组成建筑物有:拦河大坝——双曲拱坝、泄水建筑物——2中孔和2浅孔、坝后式厂房、开关站、导流隧洞、过木筏道等六个主要建筑物。双曲拱坝的最大坝高为98.88m,坝顶宽8.5m,坝底宽26m。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,浅孔启闭机房顶高程为175m,中孔启闭机房顶高程为第四章拱坝设计4.1拱坝型式及布置4.1.1拱坝剖面设计拱冠梁剖面的主要尺寸包括坝顶厚度、坝底厚度和拱冠梁上游曲线参数。1、坝顶厚度(TC):根据结构、人防、运用等要求并考虑改进坝体应力,初步设计,采用下列经验公式:(4-1)=3～5m式中:H——坝高(m)b1——坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离(m)考虑到交通要求、以及顶拱厚度加大对梁应力有利,取=8.5m2、底部厚度(TB):拱坝的底部厚度是控制拱坝断面尺寸的一个重要特征数据,其影响因素较多,其中最主要的是坝高和河谷形状。本设计采用中国朱伯芳等建议,作为拱坝的优选初始方案:(4-2)式中:K——经验系数,一般可取K=0.35b1、bn-1——第一层和倒数第二层拱圈两拱端新鲜基岩面之间的直线距离(m)〔〕——拱的允许压应力(t/m3)H——坝高将A江拱坝数据代入得TB=263、双曲拱坝上游面曲线:用黎展眉高级工程师推荐的方程式定出:(4-3)式中:,——经验系数:=0.6~0.65=0.3~0.6取＝0.62,＝0.3计算得到:=40.3,=32.5上游面曲线方程:4、双曲拱坝下游面曲线:下游面的曲线按Tc,TB沿高程线性内插。设第i层拱圈的厚度为Ti,则(4-4)将A江拱坝数据代入得表4—1拱冠梁端面的几层典型拱圈的几何尺寸(单位:m)高程190.88166.16141.44116.7292纵坐标y024.7249.4474.1698.88上游面横坐标z10-8.047-12.037-11.969-7.843拱厚Ti8.512.87317.24621.61926下游面横坐标z28.54.82585.20939.6518.1574.1.2拱坝的布置1、根据初步拟订的拱坝断面尺寸进行平面布置,确定各高程拱圈中心角、半径、圆心位置等参数,然后按拟订的方案进行应力和稳定分析。拱坝布置按下列程序进行:⑴根据地形地质等基本资料,找出坝址可利用岩石等高线。⑵在已定坝址处,选定拱坝在平面上的坝轴线,在坝址可利用岩面的等高线上,定出顶拱的中心角和顶拱厚位置。⑶结合地形特点,初定拱冠悬臂梁的剖面形态及尺寸,以各层拱圈的拱冠断面与悬臂梁剖面尺寸相重合为准,从上往下,每24.72m⑷按试画的拱圈线,切出几个垂直剖面,检查垂直方向是否扭曲,倒悬度是否满足要求。⑸根据上述初步选定的拱坝形式和尺寸,按拱冠梁法求出分配荷载后,计算拱梁上下游坝面应力及两岸坝肩的稳定。2、拱坝布置的原则:(1)坝面力求平顺;(2)坝轴线布置处应使下游有足够的支撑岩体;(3)剖面的倒悬度小于1/3;(4)各层拱圈,拱端的内弧面的切线与利用的岩面等高线的夹角不小于30o;(5)顶部中心角取70°～110°之间,对各层中心角,左右半中心角相差小于5o,中心角方向尽可能顺河向。3、拱坝布置的结果:拱坝布置结果见下表。表4—2各层拱圈特性参数层数高程拱圈厚(m)左半中心角(o)右半中心角(o)上游拱圈半径(m)下游拱圈半径(m)拱轴线半径(m)1190.888.55149.5200191.5195.752166.1612.87350.749.9168155.1161.563141.4417.24648.649140122.75131.3774116.7221.61940.3642.7711088.3899.195922635337044574.2荷载及其组合4.2.1荷载及计算作用在拱坝上的荷载主要有自重、静水压力、泥沙压力、风浪压力、温度和地震荷载。自重计算本设计自重应力在施工过程中就已经形成,全部由梁承担。将拱坝各坝块的水平截面由扇形简化为矩形,上下游坝面简化为梯形,计算公式如下:(4-5)式中:——混凝土容重,取2.4t/m3——计算坝块的垂直高度,——上、下两端截面的面积。由此可计算单宽悬臂梁自重。泥沙压力水库建成后,过水端面加大,使得流速减缓,入库水流挟带的泥沙逐渐淤积在坝前,对坝体产生了泥沙压力。由于淤积高程是随时间而逐年增加,故淤积计算年限可取为50——1。计算公式如下:(4-5)式中:——泥沙对上游坝底的水平压强;——泥沙浮容重。取为0.85t/m3;——泥沙的内摩擦角,为10o;——泥沙的淤积高度,为23m经计算得=13.7649t/m温度荷载拱坝是固结于基岩的整体结构,因此温度和基岩的变化对拱坝应力的影响较显著,故设计时,温度荷载必须列为一项主要荷载。表4-3截面温升时△θ温降时△θ1-13.95-3.952-22.89-2.893-32.28-2.284-41.88-1.885-51.6-.4静水压力作用在坝面上的静水压力是拱坝所承受的主要荷载。按水力学原理计算,坝面上任意一点静水强度为:(4-6)式中:——水的容重,取为1.0t/m3y——计算点距水面的深度地震荷载地震引起的作用于拱坝的动荷载,包括地震惯性力、地震动水压力和上游淤沙的地震土压力。该工程的设计烈度为7度,计算地震影响力时采用拟静力法。由于本设计地震烈度不高,故可将拟静力法进一步简化——取作用在每层拱圈上的惯性力为,方向与地震加速度方向相反。α为一沿高程变化的系数,α取2.0。坝面所受的最大动水压力可按式计算,由于本设计为等截面圆拱的情况,能够用下面的公式直接计算:(1).计算纵向地震惯性力(忽略基础影响):(4-7)(4-8)拱冠截面的内力:(4-9)(4-10)(4-11)拱端截面的内力:;(4-12);(4-13)(4-14)式中:γc——坝体容重;k——地震系数(＝αKhCz);T——截面厚度;r——中心轴线半径;φA——拱圈半中心角;(2).计算纵向地震激荡力(忽略基础的影响):(4-15)(4-16)拱冠截面的内力:;(4-17);(4-18)(4-19)拱端截面的内力:(4-20)(4-21)(4-22)式中:Ru——拱圈外半径。(3).计算横向地震惯性力(忽略基础影响):(4-24)拱冠截面的内力:(4-25)(4-27)(4-27)拱端截面的内力:(4-28)(4-29)(4-30)(4).计算横向地震激荡力(忽略基础的影响)(4-31)左半拱的内力:(4-32)(4-33)(4-34)拱端截面的内力:(4-35)(4-36)(4-37)表4-4地震引起的内力计算纵向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA175.36460216.8922246.189122.33922316.6604246.189122.33922316.6604186.29180305.3338261.967417.04645-18.0257261.967417.04645-18.0257161.76880423.4356236.09758.601528-304.903236.09758.601528-304.90398.748160488.7153155.5761-20.5615-761.072155.5761-20.5615-761.07222.511090207.979148.1574-31.1291-386.02448.1574-31.1291-386.024纵向地震激荡力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA000000000203.52740236.0276205.98885.566355-161.627205.98885.566355-161.627168.44170337.7542174.0849-2.25218-403.632174.0849-2.25218-403.63285.475980352.99695.19664-19.9827-611.19695.19664-19.9827-611.19621.912870162.646530.21148-25.9277-310.37430.21148-25.9277-310.374横向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA030.603350-135.432-113.787-3427.81135.4322-113.7873427.808031.497220-146.078-117.492-2824.93146.0775-117.4922824.934030.622880-137.616-114.025-2280.66137.6162-114.0252280.656018.631270-101.319-70.476-925.629101.3186-70.476925.629406.3490320-47.2619-24.2125-139.32947.26191-24.2125139.3289横向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA000000000016.2315308.93401-60.2886-1443.38-8.93401-60.28861443.379014.9513608.290935-55.0628-1089.24-8.29094-55.06281089.23807.61508903.524121-27.7056-349.558-3.52412-27.7056349.557603.03204700.754403-9.53214-43.001-0.7544-9.5321443.00095表4－5地震荷载产生的内力汇总表地震应力汇总截面拱冠应力左拱端应力右拱端应力上游应力下游应力上游应力下游应力上游应力下游应力138.642942.61932-245.335271.3955342.4336-252.64249.8829610.68089-135.349186.7454195.0432-101.032333.859424.029389-65.989698.5602786.97113-22.405419.32686-2.28406-26.910641.0627714.8769117.3694654.99819-1.58096-6.573929.0247970.2402029.36567扬压力由于拱坝底厚度很小,作用于坝底的扬压力很小,故在计算坝体应力时,可忽略扬压力。但在分析拱座稳定时,要求计算作用于滑裂面的扬压力。而实际计算中由于没有考虑地下水位等因素的影响,将扬压力作用于拱坝坝肩,然后投影到滑裂面上。坝体内的基础帷幕灌浆廊道上游壁至上游坝面距离应不小于0.05～0.1倍水头,且不小于4～5m。4.2.2荷载组合荷载组合情况包括基本组合(水库处于正常运行情况下可能发生的各种荷载组合,由基本荷载组成)以及特殊组合(水库处于非常运行情况下可能发生的各种荷载组合,由基本荷载和特殊荷载组成)。1、基本组合包括:(1)正常水位+温降;(2)设计水位+温升。2、特殊组合包括:(1)校核水位+温升;(2)正常水位+温降+地震。4.3计算原理和计算步骤4.3.1计算原理本设计中采用拱冠梁法进行计算。取拱冠处的一根悬臂梁,根据拱圈和拱冠梁的各交点径向变位一致的条件来求得拱梁的荷载分配,且各层拱圈分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布,以拱冠梁所分配到的荷载代表全部梁系的受力情况。拱冠梁法计算应力的变形协调方程:(4-38)式中:——单位荷载作用在梁上j点使i点产生的径向变位,称为梁的变位系数;——在单位均匀径向水平荷载作用下,第i层拱圈拱冠处的径向变位,称为拱的变位系数;——第i层拱圈由于该层均匀温度变化Δθ时在拱冠处的径向变位;——作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁上i点的径向变位;-——分别为i层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载。i=1,2,3,4,5在求得梁荷载xi,拱荷载(-)后,梁的应力用结构力学法算,拱圈的应力用纯拱法算。本设计中采用拱冠梁法进行计算。