钟吕水利枢纽堆石坝设计计算书.docx

水利水电工程专业毕业设计目 录第一章 调洪演算 31.1 洪水调节计算31.2 防浪墙顶高确定7第二章 L型挡墙计算 102.1 L型挡墙荷载计算 102.2 最危险工况判定 142.3 L型挡墙的抗滑稳定计算142.4 L型挡墙的基底应力计算162.5L型挡墙抗倾覆稳定计算 172.6L型挡墙配筋计算 18第三章 复合土工膜强度及厚度校核 233.1 0.4mm厚土工膜 233.2 0.6mm厚土工膜 24第四章 坝坡稳定计算 254.1 第一组滑动面 254.2 第二组滑动面 264.2 第三组滑动面 264.4 第四组滑动面 274.5 第五组滑动面 284.6 第六组滑动面 284.7 第七组滑动面（马道）294.8 第八组滑动面（马道）304.9 第九组滑动面（马道）304.10 第十组滑动面（马道）31第五章 坝坡面复合土工膜稳定计算 325.1混凝土护坡与复合土工膜间抗滑稳定计算325.2复合土工膜与下垫层间的抗滑稳定计算32第六章 副坝的设计 346.7趾板设计38第七章 拦洪水位确定 427.1洪水调节原理427.2隧洞下泄能力曲线的确定42第八章 工程量计算 458.1堆石体施工458.2混凝土工程量及机械数量计算50第九章 导流洞施工计算 539.1基本资料539.2开挖方法选择539.3钻机爆破循环作业项目及机械设备的选择539.4开挖循环作业组织54附图一：水库水位-库容关系曲线 56附图二：坝址水位-流量关系曲线 56附图三：调洪演算QH曲线(设计) 57附图三：0.4mm土工膜厚度验算 63附图四：0.6mm土工膜厚度验算 64第一章 调洪演算1.1 洪水调节计算1.1.1 洪水调节计算方法利用瞬态法，结合水库特有条件，得出用于水库调洪计算的实用公式下：Q-q=v/t (1-1)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 时段初末水库蓄水量之差(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 洪水调节具体计算用三角形法（高切林法）拟出洪水过程线，如图1-1、1-2。根据本工程软弱岩基，选用单宽流量约为20 m3/s40 m3/s，允许设计洪水最大下泄流量240 m3/s260m3/s，故闸门宽度约为6m13m，选择四种宽度进行比较，假定溢流前缘净宽分别为7m、8m、9m和10m，并假定三个堰顶高程，绘制出ZQ曲线。并根据公式求得的溢流堰的泄水能力曲线。正常蓄水位276.3m，库容为1943.44万m3；绘图（如附图），列表计算各曲线坐标点参数如下：图1-1 设计洪水过程线(P=2%)图1-2 校核洪水过程线(P=0.1%)表1-1设计洪水水位流量关系表工况高程（m）下泄流量（m3/s)面积(m2)增加库容Vi（万m3）初始库容V（万m3）最终库容V（万m3）水位（m）设计工况27110015583.325609995.741599640021606395.74278.2515012585.254530690.001599640020527090.00277.2820010054.443619598.001599640019615998.40276.462507705.842774102.001599640018770502.40275.4727210015583.325609995.74 1661714022227135.74278.8115012585.254530690.001661714021147830.00277.8420010054.443619598.401661714020236738.40277.022507705.842774102.401661714019391242.40276.2627310015583.325609995.741723786022847855.74279.3615012585.254530690.001723786021768550.00278.3920010054.443619598.401723786020857458.40277.732507705.842774102.401723786020011962.40276.99表1-2 溢洪道下泄能力曲线表闸门宽（m)流量系数m堰上水头（m）侧收缩系数下泄流量Q(m3/s)堰顶高程271时水位（m)堰顶高程272时水位（m)堰顶高程273时水位（m)70.50201027127227310.9815.2527227327420.9642.2627327427530.9476.0327427527640.92114.5627527627750.9156.6227627727860.88201.3127727827970.86247.9127827928080.86302.8927928028180.50201027127227310.9817.4827227327420.9748.5527327427530.9587.5827427527640.93132.3527527627750.91181.4827627727860.9233.9927727827970.88289.0927827928080.86346.16279280281续表1-2 溢洪道下泄能力曲线表90.50201027127227310.9819.727227327420.9754.8427327427530.9599.1327427527640.94150.1427527627750.92206.3427627727860.91266.6727727827970.89330.2727827928080.88396.472792802810.502010271272273 10.9921.9227227327420.9761.1327327427530.96110.69274275276 1040.94167.9227527627750.93231.227627727860.92299.3527727827970.9371.4627827928080.89446.792792802811.1.3 计算结果统计高程（m）下泄流量（m3/s)面积(m2)增加库容Vi（万m3）初始库容V（万m3）最终库容V（万m3）水位（m）273 15022662.588158527.411723786017237860281.6520019345.826964495.071723786017237860280.5825016676.966003704.881723786017237860279.7230014307.065150541.601723786017237860278.9535012105.394357939.361723786017237860278.244009996.813598851.601723786017237860277.561.1.4 计算结果统计表1-3 方案比较表方案堰顶高程(m)堰顶宽（m）设计洪水位(m)设计下泄流量(m3/s)12717276.69187.0022718276.41202.5032719276.16215.50427110275.96226.0052727277.41174.5062728277.18190.0072729276.96204.50827210276.77216.5092737278.18164.00102738277.98179.00112739277.79191.001227310277.53207.50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。1.2 防浪墙顶高确定根据碾压式土石坝设计规范SL274-2001，堰顶上游L型挡墙在水库静水位以上高度按下式确定： y=R+e+A (1-2)式中：y 坝顶超高； R 最大波浪在坝坡上的爬高，按式（1-3）中的h1%计算；E 最大风雍水面高度，按式（1-4）中的hz计算；A 安全超高，按表1-4选用。库区多年平均最大风速12.6 m/s，吹程1.6Km。表1-4 土坝坝顶安全超高值(m)运用情况坝 的 级 别IIIIIIIV、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：，（1-3）式中累积频率为2%的波高(m)； Lm平均波长(m)；V0为水面以上10m处的风速，正常运用条件下III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 。按上述公式算出的为 ，再根据频率法按下表可得出 。表1-5不同累积频率下的波高与平均波高比值(hp/hm)hm/Hm0.010.112451014205090<0.13.422.972.422.232.021.951.711.61.430.940.370.10.23.252.822.32.131.931.871.641.541.380.950.431.2.1 正常蓄水位和设计设计洪水位状况V =1.5×12.6=18.9m/s.查表1-5，因为hm/Hm接近于0，故，则 A =0.7m得，h正=h设= R+e+A =1.259+0.534+0.7=2.493m 正=Z正+h正 =276.3+2.493=278.793m 顶=Z设+h设 =277.53+2.493=280.023m 1.2.2 校核状况V =12.6m/s查表1-5，因为hm/Hm接近于0，故，则A =0.4m得，h校= R+e+A =0.697+0.246+0.4=1.343m 校=Z校+h校 =278.98+1.343=280.323m 综上，取顶=280.4m。第二章 L型挡墙计算2.1 L型挡墙荷载计算 L型挡墙的危险工况一般为：正常蓄水位或校核洪水位。（1）荷载计算方法 土压力：土压力采用朗肯土压力理论计算，取单宽1m。 （2-1）式中：E 土压力； 土的容重；H 土体厚度；K 土压力系数，分别根据实际情况按（2-1）、（2-2）和（2-3）计算。1）主动土压力系数： = （2-2） 式中： 内摩擦角，由于挡墙后坝顶路面，采用的是细堆石料，故试验参数选用A组，=38.58°。=0.232。2）被动土压力系数 =4.314 （2-3）3）静止土压力系数： （2-4）式中： 墙后填土的泊松比，取为0.25。计算得K0=0.33。静水压力： （2-5）式中：水的容重； H 水深。浪压力：坝前水深H大于，为深水波。 （2-6）式中： 水的容重； 累积频率1%的波高；波浪中心线高出计算静水位；L1、L2见图2-1。 （2）工况一：正常蓄水位 由于挡墙底高程在正常蓄水位上，虽 然浪压力会对挡墙产生作用，但较小故忽略，因此作用在挡墙上的力只有墙后填土压力。由于在墙后填土的作用下墙有背离填土移动的趋势，故墙后填土压力应为主动土压力。图2-1 浪压力计算示意图墙身底截面处以上的土压力 其产生的弯矩M=21.506×3/3=11.01kN·m（逆时针）图2-2工况一下荷载示意图底板截面的土压力 （3）工况二：设计洪水位 墙身底截面处以上：静止水压力： 图2-2 工况一荷载示意图 浪压力：= =10.20kN作用点距墙身底截面判断墙后填土压力是何种土压力：若是被动土压力，则=399.927KN远大于静止水压力与浪压力，故不可能是被动土压力。 静止水压力和浪压力之和大于主动土压力，故墙后填土压力应为静止土压力。其产生的弯矩M=28.59×3/3=28.59kN·m（逆时针）底板截面以上： 静止水压力： 图2-3 工况二荷载示意图 浪压力：= =9.061kN作用点距底板底截面在底板底截面产生的弯矩M3=9.061×1.534=13.899kN·m（顺时针）判断墙后填土压力是何种土压力：若是被动土压力，则=323.9KN远大于静止水压力与浪压力，故不可能是被动土压力。 静止水压力和浪压力之和大于主动土压力，故墙后填土压力应为静止土压力。 静止土压力: = kN·m（4）工况三：校核洪水位 墙身底截面处以上： 静止水压力：产生的弯矩M0=37.908×1.98/3=25.02kN·m（顺时针） 浪压力：= =14.246kN 作用点距墙身底截面 在墙身底截面产生的弯矩M3=14.246×2.077=29.589kN·m（顺时针）判断墙后填土压力是何种土压力：若是被动土压力，则=399.927KN远大于静止水压力与浪压力，故不可能是被动土压力。 且静止水压力和浪压力之和亦大于主动土压力，故该工况下土压力近似为静止土压力。=28.59KN 产生的弯矩M1=28.59×3/3=28.59KN·m(逆时针)图2-4 工况三荷载示意图底板截面以上： 静止水压力： 浪压力：= =14.364kN作用点距底板底截面在底板底截面产生的弯矩M3=14.364×2.562=36.801kN·M（顺时针）静止土压力: =17.98 KN（5）工况四：完建（坝建好但没蓄水） 与正常蓄水位工况相同。2.2 最危险工况判定由于抗滑稳定验算和基底应力验算时不同工况下虽然荷载大小不同，但两种工况下的规范允许值也不同，故不宜判断何种工况为最危险工况，为避免判断错误，对两种工况均进行验算。挡墙配筋计算时的最危险工况判定具体见2.6。2.3 L型挡墙的抗滑稳定计算摩擦公式： （2-7）式中：KC 沿基底面的抗滑稳定安全系数，基本组合为1.25，特殊组合为1.1 f 摩擦系数，f=0.50.6，取f=0.5； 作用在挡墙上全部垂直于基底面的荷载（kN）； 作用在挡墙上全部平行于基底面的荷载（kN）。工况一：正常蓄水位（如图2-2） 主动土压力：（）；土盖重： ()； 挡墙自重： () ； 则抗滑稳定系数KK=1.25，满足要求。工况二：设计洪水位静止土压力：（）； 静止水压力：（）；浪压力：（）； 土盖重： ()； 挡墙自重： () ； 水重： ()则抗滑稳定系数KK=1.25，满足要求。 工况三：校核洪水位(如图2-3)静止土压力：（）； 静止水压力：（）；浪压力：（）； 土盖重： ()； 挡墙自重： () ； 水重： ()则抗滑稳定系数KK=1.1，满足要求。工况四：完建(坝建好但没蓄水) 此工况与正常蓄水位工况相同。2.4 L型挡墙的基底应力计算 （2-8）式中：挡墙基底应力的最大值或最小值； 作用在挡墙上全部垂直于基底面的荷载（kN）； 作用在挡墙上的全部荷载对于挡墙底板底部中点的力矩之和；A 挡墙基底面的面积（A=1×4=4m2）；W 挡墙基底面对于基底面中点平行前墙方向的截面矩（）。工况一：正常蓄水位（如图2-2） 墙身自重对底板底部中点的力矩M1=42.3×1.15=48.65（逆时针）；盖土重对底板底部中点的力矩M2=143.38×0.55=78.86（顺时针）；主动土压力对底板底部中点的矩M3=28.59×2.7/3=19.43 (逆时针)； (顺时针)；计算得：。工况二：设计洪水位(如图2-3)；墙身自重对底板底部中点的力矩M1=42.3×1.15=48.65（逆时针）；盖土重对底板底部中点的力矩M2=143.38×0.55=78.86（顺时针）；水重对底板底部中点的力矩M3=7.06×1.7=12.00 (逆时针)；静止土压力对底板底部中点的矩M4=28.59×2.7/3=21.64 (逆时针)；静水压力对底板底部中点的矩M5=1.278×1.03/3=0.47 (顺时针)；浪压力对底板底部中点的力矩M6=9.061×1.534=13.899 (顺时针)； (顺时针)计算得：。工况三：校核洪水位(如图2-4)；墙身自重对底板底部中点的力矩M1=42.3×1.15=48.65（逆时针）；盖土重对底板底部中点的力矩M2=143.38×0.55=78.86（顺时针）； 水重对底板底部中点的力矩M3=7.06×1.7=12.00 (逆时针)；静止土压力对底板底部中点的矩M4=28.59×2.7/3=21.64 (逆时针)；静水压力对底板底部中点的矩M5=14.18×1.98/3=9.36 (顺时针)；浪压力对底板底部中点的力矩M6=10.20×1.762=17.97 (顺时针)； (顺时针)；计算得：。工况四：完建(坝建好但没蓄水) 此工况与正常蓄水位工况相同。四种工况下挡墙平均基底应力均小于地基允许承载力，最大基底应力均不大于地基允许承载力的1.2倍；且挡墙基底应力的最大值与最小值之比为分别为1.10、1.49、1.91、1.10，小于规范允许2.5。所以基底应力满足要求。2.5 L型挡墙抗倾覆稳定计算根据水工挡土墙设计规范（SL379-2007）规定，土质地基上的挡土墙，在同时满足以下2个规定的要求时，可不进行抗倾覆稳定计算。1. 在各种计算情况下，挡土墙平 均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；2. 挡土墙基地应力的最大值与最小值之比不大于2.5（特殊组合）。 本设计挡土墙同时满足以上2个规定，故不进行抗倾覆稳定计算。2.6 L型挡墙配筋计算（1）墙身配筋计算最危险工况判定： （2-9）式中： 安全级别，该防浪墙属3级，结构安全级别为II级，；设计状况系数。正常工况；偶然状况为0.85 、永久、可变荷载分项系数，浪压力取1.2； 静止土压力和主动土压力取1.2 ；静水压力取1.0。 工况一：正常蓄水位 墙身底截面上只受到主动土压力产生的弯矩。 其产生的弯矩M120.10 kN·m（逆时针）。工况二：设计洪水位 静止土压力产生的弯矩M1=28.59kN·m（逆时针）； 静止水压力产生的弯矩M2=0.47 kN·m（顺时针）； 浪压力产生的弯矩M3=13.899 kN·m（顺时针）。 工况三：校核洪水位(如图2-5) 静止土压力产生的弯矩M1=21.64kN·m（逆时针）； 静止水压力产生的弯矩M2=9.36 kN·m（顺时针）； 浪压力产生的弯矩M3=17.97 kN·m（顺时针）。 工况四：完建 与正常蓄水位工况相同。故最危险工况为工况三，即校核洪水位工况。配筋计算：根据水工挡土墙设计规范(SL_379-2007)，墙身配筋可按固支在底板上的悬臂板按受弯构件计算。由于防浪墙处于水位变动区，故环境类级为三类，混凝土保护层厚度c=30mm，a=35mm，取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C20，则轴心抗压强度设计值。钢筋采用级钢筋，截面抵抗矩系数： （2-10）式中：结构系数，属于适筋破坏。 钢筋面积：配筋率：故采用最小配筋率配筋：选配10110（），分布钢筋采用10250。在下游侧采用构造对称配筋，配10110，分布钢筋采用10250。 配筋图见细部构造图。（2）底板配筋计算最危险工况判定： 工况一：正常蓄水位与完建根据水工挡土墙设计规范（SL-379-2007），前趾和底板配筋可按固支在墙体上的悬臂板按受弯构件计算。图2-5 2-2截面受力图基底反力作用点距2-2截面： 基底反力在2-2截面产生的弯矩： (逆时针)；盖土重在此截面产生的弯矩=83.64×2.9/2=259.869（顺时针）；自重在截面产生的弯矩（顺时针）；各力在2-2截面产生的弯矩之和： 工况二：设计洪水位图2-6 2-2截面受力图基底反力作用点距2-2截面： 基底反力在2-2截面产生的弯矩 (逆时针)；各力在2-2截面产生的弯矩之和： 工况三：校核洪水位图2-7 2-2截面受力图基底反力作用点距2-2截面： 基底反力在2-2截面产生的弯矩： (逆时针)；各力在2-2截面产生的弯矩之和： 故最危险工况为校核洪水位工况。由于防浪墙处于水位变动区，故环境类级为三类，混凝土保护层厚度c=30mm，a=35mm，取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C20，则轴心抗压强度设计值。钢筋采用级钢筋，。 截面抵抗矩系数： （2-10）式中：结构系数，属于适筋破坏。 钢筋面积：配筋率：故采用最小配筋率配筋：选配10110（），分布钢筋采用10250。第三章 复合土工膜强度及厚度校核3.1 0.4mm厚土工膜250m高程以上铺设0.4mm厚复合土工膜，故其所承受最大水压力：在垂直于长条方向，拉应力最大，为 （取b=0.01m）计算结果如下： 表3-1 土工膜拉伸实验曲线数据应变（%）122.535101520拉应力T（kN/m）5.804.103.673.352.591.831.501.30应变（%）1235810拉应力（kN/m）1.412.743.935.958.299.55表3-2 土工膜拉伸实验曲线数据(纵向)注：，表3-3 土工膜拉伸实验曲线数据(横向)应变（%）1235810拉应力（kN/m）1.73.224.466.348.479.69注：， 取表（3-1）、表（3-2）、和表（3-3）分别与两条土工膜拉伸实验曲线相交，见附图八，得数据如下表： 表3-4 土工膜拉伸试验交线数据边界情况TK1K2长条缝纵向3.532.6430.3360.98.5923.07横向3.752.3933.6966.88.9827.95注：T、单位为kN/m，、单位为%； K1 =/T，K2=/； 根据经验，当K1、K2均大于5时，即认为所用土工膜强度满足要求。3.2 0.6mm厚土工膜250高程以下铺设0.6mm厚复合土工膜，故其所承受最大水压力：在垂直于长条方向，拉应力最大，为 （取b=0.01m）计算结果如下表：表3-5 土工膜拉伸实验曲线数据应变（%）122.535101520拉应力T（kN/m）10.907.716.896.294.873.452.812.44注：T=1.069/。表3-6 土工膜拉伸实验曲线数据(纵向)应变（%）1235810拉应力（kN/m）2.214.386.4410.0413.7415.4注：，表3-7 土工膜拉伸实验曲线数据(横向)应变（%）1235810拉应力（kN/m）1.573.646.38.7611.6113.16注：， 取表（3-5）、表（3-6）、和表（3-7）分别与两条土工膜拉伸实验曲线相交，见附图九，得数据如下表：表3-8 土工膜拉伸试验交线数据边界情况TK1K2长条缝纵向6.32.939.5162.26.2720.73横向6.25337.9469.56.0723.17注：T、单位为kN/m，、单位为%； K1 =/T，K2=/；根据经验，当K1、K2均大于5时，即认为所用土工膜强度满足要求。第四章 坝坡稳定计算 第二组土的浮重度由土力学公式可求得，为7.004.1 第一组滑动面图4-1 坝坡稳定示意图 ; ； ； ；··························；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.2 第二组滑动面图4-2 坝坡稳定示意图 ; ； ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.2 第三组滑动面图4-3 坝坡稳定示意图 ; ； ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.4 第四组滑动面图4-4 坝坡稳定示意图 ; ； ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.5 第五组滑动面图4-5 坝坡稳定示意图 ; ； ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.6 第六组滑动面图4-6 坝坡稳定示意图 ; ； ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得：； 。4.7 第七组滑动面（马道）图4-7 坝坡稳定示意图 ; ； ; ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得： 。4.8 第八组滑动面（马道）图4-8 坝坡稳定示意图 ; ； ; ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得： 。4.9 第九组滑动面（马道）图4-9 坝坡稳定示意图 ; ； ; ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得： 。4.10 第十组滑动面（马道）图4-10 坝坡稳定示意图 ; ； ; ；把已知数据代入上两式，并联立求解可得： 。表4-1：安全系数统计表组数123456789101.291.481.581.711.872.001.291.381.211.3