hnz大坝毕业设计 （未完成） 2.doc

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） 122.71123.15123.5124.04125.4126.6128.5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）119.45120.3121.97123.2125.65127.8129.8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，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2×56=112MW；设计蓄水位232.0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2043.54×108m3；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2×56=112MW；设计蓄水位232.0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2043.54×108m3；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 >150>120 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0.00.001<5<0.5<12.3 坝型确定由基本资料知坝址设计洪水条件下安全泄量为4800m3/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，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2×56=112MW，水库总库容2043.54×108m3，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。 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D<20km）： 此处=11m/s及D=2km (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 式中： 计算风速，m/s，此处为11m/s； D 风区长度，m，此处为2000m； 累计频率为 5%的波高，m； 累计频率为 1%的波高，m； 波浪中心线高于静水面产生的雍高，m； H 坝前水深，m； L 波长，m； 对于安全级别为级的坝，查得安全超高hc正常蓄水位时为0.7m，校核洪水位时为0.5m。分正常蓄水位和校核洪水位两种情况计算。（1）正常蓄水位情况 风区长度（有效吹程）D为2km，V0计算风速在设计洪水情况下取多年平均年最大风速的2倍为22m/s。波高 =1.00m =1.24×1.00=1.24m波长 =10.4m波浪中心线至计算水位的高度 防浪墙高程=240.0+2.4=242.4m（2）校核洪水位情况 风区长度D为2km，计算风速在校核洪水位情况取多年平均年最大风速11m/s波高 =1.24×0.42=0.52m波长 =6.16m波浪中心线至计算水位的高度 防浪墙高程=240.0+1.1=241.1m取上述两种情况防浪墙高程中的大值，并取防浪墙高度1.2m，则坝顶高程为 242.4-1.2=241.2m查坝轴线工程地质剖面图，得出可利用基岩最低点高程 110.0m，由此知大坝实际高度为 241.2-110.0=131.2m。 3.1.1.2 坝顶宽度的确定 坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。 因该水利枢纽位于山区峡谷，无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的 8% 10%即（10.5013.12m）取值，且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。考虑到上游防浪墙、下游侧 护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为12m，以满足大坝维修作业通行需要。3.1.1.3 坝坡的确定根据工程经验，考虑利用部分水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为1/32/3坝高，即取（43.7387.47)m，取60m，则该工程拟折坡点高程为170m，上部铅直，下部为1:0.1的斜坡，下游坝坡取1:0.75，基本三角形顶点位于坝顶，225.2m以上为铅直坝面。 图3-2 廊道剖面图3.1.1.4 坝体防渗排水根据上述尺寸算得坝体最大宽度为104.4m。高、中坝内必须设置基础灌浆廊道、兼作灌浆、排水和检查之用。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.5 3m，高为34m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0× 3.5m ，形状采用城门洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.050.1 倍作用水头、且不小于45m处设置，本次设计取10.0m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度取5m 。初步拟定坝体形状剖面如图（3-1）所示。3.1.2 挡水建筑物荷载计算及组合重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、扬压力等，常沿坝轴线取单位长度1m计算。 荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成 。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。本次设计考虑的基本荷载组合为设计洪水位；特殊组合为校核洪水位情况。 13m 91.4m 104.4m 图3-3 重力坝荷载计算示意图3.1.2.1 自重 将坝体剖面分成两个三角形和一个长方形计算其标准值，廊道的影响暂时不计入。坝体自重的计算公式： （2-6）式中 坝体体积，； 坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24）。 =×6×60×24×1=4320.0 =12×131.2×24×1=37785.6 =×86.4×115.2×24×1=119439.43.1.2.2 静水压力 静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力和垂直水压力两种。 查表1-1坝址断面处山前峦水位流量关系曲线表，由内插法可得下游水位高程。 设计洪水位： 上游水深：=238m ，最大下泄流量Q=5200，下游水深=132.8m 校核洪水位： 上游水深：=240m ，最大下泄流量Q=8500，下游水深=136.2m 计算各情况下静水压力： 水平水压力计算公式为： （2-7） 式中： 计算点处的作用水头，； 水的重度，常取 9.81 ； 垂直水压力按水重计算。A、 设计洪水位 上游水平水压力：=×9.81×=80363.5 ( ) 下游水平水压力：=×9.81×=2549.8 ( ) 上游垂直水压力：=9.81×6×(238-170)=4002.5 ( ) =9.81××6×(170-110)=1765.8 ( ) 下游垂直水压力：=9.81××(132.8-110)×0.75×(132.8-110)=1912.4 ( )B、校核洪水位 上游水平水压力：=×9.81×=82894.5 ( ) 下游水平水压力：=×9.81×=3367.0 ( ) 上游垂直水压力：=9.81×6×(240-170)=4120.2 ( ) =9.81××6×(170-110)=1765.8 ( ) 下游垂直水压力：=9.81××(136.2-110)×0.75×(136.2-110)=2525.2( )3.1.2.3 扬压力扬压力强度在坝踵处为H1 ，排水孔中心线上为(H2+H)，坝趾处为H2。扬压力折减系数为0.25，按图中4块分别计算其扬压力标准值。A、设计洪水位浮托力 =9.81×104.4×(132.8-110)×1=23350.9渗透力 =9.81×0.25×(238-132.8)×13=3354.0 =×9.81×0.25×(238-132.8)×91.4=11790.7 =×9.81×(238-132.8)-0.25×(238-132.8)×13=5031.1B、校核洪水位浮托力 =9.81×104.4×(136.2-110)×1=26833.1渗透力 =9.81×0.25×(240-136.2)×13=3309.4 =×9.81×0.25×(240-136.2)×91.4=11633.8 =×9.81×(240-136.2)-0.25×(240-136.2)×13=4964.13.1.2.4 浪压力1、 基本数据 表3-1 浪压力计算基本数据表设计洪水位校核洪水位计算风速2211有效吹程D (m)20002000重力加速度g (m/s )9.89.8水位高程 (m)238 240坝基高程 （m）110110安全超高（m）0.70.5坝前水深H (m)128130波长L（m）10.46.16波浪中心线至计算水位高度 （m）0.460.08累计频率为 1%的波高 (m)1.240.522、 波态判别及波浪压力计算a、设计洪水位情况 坝前水深H=128>L/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=130>L/2 = 6.16/2 =3.08 浪压力（ ）按深水波计算浪压力标准值. = = 55.6 KN ( ) = = 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） 1.04002.54002.549.2196923.0196923.01765.81765.850.288643.288643.21912.41912.446.588926.688926.6 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125699.077857.1121663.977865.81208806.71281903.0 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） 1.04120.24120.249.2202713.8202713.81765.81765.850.288643.288643.22525.22525.245.7115401.6115401.6 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123215.879536.6119234.379538.41503343.41601630.93.1.3 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 =77865.8KN =0.9×121663.9+400×104.4=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 = 1.1×1.0×77865.8=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 =0.9×119234.3+400×104.4=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 = 1.1×0.85×79538.4=74368.4KN 74368.4KN < 124225.8KN计算结果表明，重力坝在校核洪水位情况下满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。3.1.3 挡水建筑物的应力分析 用材料力学法计算边缘应力 。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。 当采用材料力学法分析坝体应力时，SL 319 -2005混凝土重力坝设计规范规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。 重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求： 运用期 1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力； 2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合水工建筑物抗震设计规范（SL 203 -97）的要求；重力坝坝体应力应符合下列要求：运用期1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合水工建筑物抗震设计规范（SL 203 -97）的要求。同样采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计式对两种情况分别分析水平截面上的正应力。1. 单一安全系数法 因为假定按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力和。 （3- 12） （3- 13）坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算： （3- 14），作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水