A江水利枢纽—复杂地基上双曲拱坝设计 计算书.doc

水利水电工程专业毕业设计完整设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。目 录第一章 调洪演算- 3 -1.1调洪演算的原理- 3 -1.2 泄洪方案的选择- 3 -1.2.3 确定坝高- 5 -第二章 大坝工程量比较- 6 -2.1 大坝剖面设计计算- 6 -2.2工程量比较- 10 -第三章 第一建筑物大坝的设计计算- 11 -3.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置- 11 -3.1.1 坝型选择双曲拱坝- 11 -3.1.2拱坝的尺寸- 11 -3.2荷载组合- 13 -3.3拱坝的应力计算- 13 -3.3.1对荷载组合，使用FORTRAN程序进行电算- 13 -3.3.2对荷载组合进行手算- 14 -3.4坝肩稳定计算- 21 -3.4.1计算原理- 21 -3.4.2验算工况- 22 -3.4.3验算步骤- 22 -第四章 泄水建筑物的设计- 25 -4.1 泄水建筑物的型式尺寸- 25 -4.2 泄槽设计计算- 25 -4.3 导墙设计- 26 -4.3 消能防冲计算- 26 -4.3.1 水舌挑距- 26 -4.3.2 冲刷坑深度- 27 -4.3.3 消能率计算- 27 -4.3.4 孔口应力计算及配筋- 28 -参考文献- 31 -附录一- 32 -附录二- 33 -第一章 调洪演算1.1调洪演算的原理 先对一种泄洪方案，求得不同水头下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲线，再假定几组最大泄流量，对设计（校核）洪水过程线进行调洪演算，求得这几组最大泄流量分别对应的水库存水量，查水位库容曲线，得出这几组最大泄流量分别对应的上游水位，并作最大泄流量与上游水位的关系曲线。上述两条曲线相交得出一交点，此交点坐标即为设计（校核）情况下的孔口最大泄流量及相应的水库水位，再对其它泄洪方案按同样的方法进行调洪演算，最后选定的泄洪方案孔口最大泄流量应接近并不超过容许值，库水位又相对比较低。1.2 泄洪方案的选择1.2.1 对以下三种方案进行调洪演算4表孔+2中孔2浅孔+2中孔4中孔方案一：4表孔+2中孔表孔：堰顶高程179m，孔宽12m m=0.48 , =4×12=48m 中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.5m，高7m 闸门开度a=7m，孔口宽度B=2×7.5=15m， =0.96-0.227a /表1-1 四表孔二中孔泄流方案四表孔二中孔泄流水头（m）182186190194表孔下泄流量（m3/s）530.29051890.0753723.245928.828中孔侧收缩系数0.9272370.9297330.9318760.933736中孔下泄流量（m3/s）3003.3123133.1193257.7763377.85总下泄流量（m3/s）3533.6035023.1946981.0169306.678起调流量3871.603 m3/s，做出4表孔+2中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6420 m3/s 校核7350 m3/s最高水位 ：设计188.3m 校核190.4m方案二：2浅孔+2中孔浅孔：进口高程164m，出口高程154m，孔口宽8.5m，高8m =0.96-0.227a / a=7m B=17m中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.4m,高7.4m =0.96-0.227a / a=7.4m B=14.8m表1-2 2浅孔2中孔泄流方案2浅孔2中孔泄流水头（m）182186190194浅孔侧收缩系数0.8843330.8951430.903250.909556浅孔下泄流量(m3/s)2609.8172853.3813078.023287.524中孔侧收缩系数0.9252220.9278810.9301630.932143中孔下泄流量(m3/s)3119.3373255.2643385.7623511.43总下泄流量(m3/s)6067.1536446.6466801.7817136.953起调流量6067.2 m3/s，做出2浅孔+2中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6520 m3/s 校核7000 m3/s最高水位 ：设计186.9m 校核189.8m方案三：4中孔中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.5m，高7.5m =0.96-0.227a / a=7.5m B=30m表1-3 4中孔泄流方案4中孔泄流水头182186190194中孔侧收缩系数0.9272370.9297330.9318760.933736中孔下泄流量(m3/s)6184.4486437.1386679.8046913.548起调流量6184.4 m3/s，做出4中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6540m3/s 校核6640 m3/s最高水位 ：设计186.9m 校核189.8m1.2.2 泄流方案的选择由下游容许下泄流量在设计情况下为6550 m3/s,校核情况下为7550 m3/s.选择泄洪防方案，即设置两浅孔，孔口尺寸为8.5m×8m，进口底高程为164m，出口底高程154m，两中孔，孔口尺寸为7.4m×7.4m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。设计洪水时，设计水位为186.9m，下泄流量为6520m3/s，小于允许流量6550m3/s,。校核洪水时，校核洪水位为189.8m，下泄流量为7000m3/s，小于允许下泄流量7550 m3/s。1.2.3 确定坝高1.2.3.1波浪三要素计算（采用官厅水库公式）坝顶超出水库静水位的高度h为 式中 V0计算风速, m/s； D库面吹程，m； 平均波高，m；平均波周期，s；H水深，m。1.2.3.2 坝顶高程计算 坝顶高程= Max设计洪水位+h设，校核洪水位+h校 其中： h=2式中h1%累积频率1%的波浪高度（m）， hz波浪中心线高出静水位的高度 (m), hc取决于坝的级别和计算情况的安全超高（等级为1级时：设计hc=0.7m，校核hc=0.5m）。经计算得：坝顶高程为192.3米，即拱坝坝高100.3米。第二章 大坝工程量比较2.1 大坝剖面设计计算混凝土重力坝：坝前水深：189.8-92=97.8m最大坝高：192.3-92=100.3m基本剖面 根据应力条件，确定坝底最小宽度 式中 =24kN/m3 =10kN/m3 扬压力折减系数1取0.25则B=97.8/(24/10-0.25) 1/2=68.4m 按稳定条件确定坝底最小宽度 式中=1.10 =0.7 =0 =0.25 则B=1.1×97.8/0.7×(24/10+0-0.25)=73.3m综合，取坝底最小宽度B=74m实用剖面坝顶宽度：取坝高的810%，即（810%）×100.3=(8.0210.03)m,取为10m下游坡度为1：0.75 上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的1/32/3范围内，即（1/32/3）×100.3=(33.166.2)m,取为54m。上游折坡的坡度取为1：0.15坝底宽度为6+(100.3-2.48-13.33)×0.75+10=81.47m排水位置设计洪水最大下泄流量为6520m3/s，则Z下=114.4m，水头H=189.8-114.4=75.4m廊道上游壁到上游坝面距离不小于0.050.1倍水头，且不小于45m， 即 （0.050.1）×75.4=(3.777.54)m,取为6m。宽取2.5m，高取3m。荷载计算设计水位时坝体自重W1=1/2×6×40×24=2880 kN/mW2=10×95×24=22800 kN/mW3=1/2×60×81.1×24=58392 kN/mW= W1+ W2+ W3=84072 kN/m水压力垂直水压力W水上=10×8.1×(186.9-146)+10×8.1×54/2=5499.9kN/mW水下=1/2×10×（114-92）²×0.75=1815 kN/m水平水压力P上=1/20H上2=1/2×10×(186.9-92)2=44175.5 kN/m P下=1/20H下2=1/2×10×(114.0-92)2=2420.0 kN/m扬压力 =22m，m， U1=10×22×81.47=17923.4 kN/m U2=10×0.25×72.9×14.1=2569.71 kN/m U3=1/2×0.25×72.9×67.37×10=6139.09 kN/m U4=1/2×10×14.1×54.675=3854.59 kN/m浪压力 =54.31 kN/m泥沙压力 垂直泥沙压力8.5×23²×0.15/2=337.2 kN/m 水平泥沙压力Ph=1/2nhn2tg2(45o-n/2)式中 n=8.5kN/m3 hn=115-92=23m n =10o 故 Ph=1/2×8.5×232×tg2(45o-10o/2)=1582.9kN/m稳定校核 设计状况 f(W-U)/ P=0.75/3×（93575.4+5499.9+1815-17923.4-（2569.73+3854.59×1.1）-6139.09×1.2+337.2）+0.5/3×81.47×10³/（44174.5-2420+1582.97×1.2+54.31×1.2）=1.16>K校核状况f(W-U)/ P=0.75/3×（93575.4+5734.8+1898.4-18330.75-（2654.325+3981.57×1.1）-6341.2×1.2+337.2）+0.5/3×81.47×10³/（47824.2-2531.25+1582.97×1.2+19.64×1.2）/1.2=1.12>K稳定满足要求应力分析(取坝基面) 设计水位力(kN)力臂(m)弯矩(105kN/m)重力3799.227.6351.055248.835.3351.85844568.1786.91静水压力5499.936.92.0344175.531.63-13.97181529.735-0.5424207.330.177扬压力17923.4002509.7333.685-0.8456139.094.18-0.263854.5936.035-1.39淤沙压力1582.97180.285浪压力忽略上游拉应力 =420.2>0 满足 =2183.6<21833.3 应力满足 校核水位 力(kN)力臂(m)弯矩(105kN/m)重力3799.227.6351.055248.835.3351.85844568.1786.91静水压力5734.836.92.1247824.232.6-15.591898.429.735-5.5652531.257.50.1898扬压力18330.75002654.32533.685-0.8943891.536.035-1.4356341.24.18-0.65淤沙压力1582.97180.285浪压力忽略 上游拉应力 =265.77>0 满足 =2306.7<21833.3 应力满足2.2工程量比较比较重力坝和拱坝的工程量：重力坝工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算：第块 L1=205m L2=79m b=57.6m m1=0.15 m2=0.75 H=54m V=54/6×205×3×57.6+(0.15+0.75)×54+79×3×57.6+2×(0.15+0.75)×54=600000m3第块 L1=263m L2=205m b=10m m1=0 m2=0.75 H=30.5m V=30.5/6×263×3×10+(0+0.75)×30.5+205×3×10+2×(0+0.75)×30.5=150000m3第块 L1=308m L2=263m b=10m m1=0 m2=0 H=15.83m V=15.83/6×308×3×10+(0+0)×15.83+263×3×10+2×(0+0)×15.83=45200m3重力坝工程量:V1= V+ V+ V=795200 m3拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算A1=3003.22m2A2=3620.15m2A3=3935.58m2A4=3571.29m2A5=2017.53m2V2=（A1 +A2）×h/2+（A2 +A3）×h/2+（A3 +A4）×h/2+（A4 +A5）×h/2=341000 m3经比较，拱坝较重力坝可节约工程量（V1- V2）/ V1=（795200-341000）/795200=57.1故本次设计选择拱坝。第三章 第一建筑物大坝的设计计算3.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置3.1.1 坝型选择双曲拱坝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，故采用变半径变中心角的双曲拱坝.3.1.2拱坝的尺寸坝顶的厚度Tc 0.01×(H+2.4b1)=0.01×(100.3+2.4×310)=8.44mTmin=35mTc=0.01×(H+2.4b1)= 0.01×(100.3+2.4×310)=8.44m 取Tc=8.5m坝底的厚度TB式中K=0.0035b1,b4分别为第一，第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离b1=310m b4=170m H=100.3ma=6.55t/m3 TB=0.0035×(310+170) ×100.3/6.55=25.73m 取TB=26m上游面的曲线采用二次抛物线 式中 =0.60.65 =0.30.6取=0.62 =0.3 则x2=0.3×26/(2×0.62-1)=32.5 x1=2×0.62×32.5=40.3上游面的曲线方程为 z= -40.3×y/100.3+32.5×(y/100.3)2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Ti=Tc+(TB-Tc)/ H×yi=8+(26-8)/100.3×yi 图3-1 拱冠梁示意图表3-1 各层拱圈的形体参数（单位：m）层12345高程192.3167.3142.3117.392纵坐标y0255075100.3上游面横坐标z10-8.04-12.03-11.94-7.8拱厚Ti8.512.8817.2521.6326下游面横坐标z28.54.845.229.6918.23.2荷载组合正常水位+温降设计水位+温升校核水位+温升正常水位+温降+地震3.3拱坝的应力计算3.3.1对荷载组合，使用FORTRAN程序进行电算正常水位+温降n= 5 u= .20 AT=-47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 8.3 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 252.23 152.45 114.17 296.62 .00 .00 .00 .00 2 283.23 96.89 34.83 236.18 61.09 49.15 -13.01 114.15 3 272.52 27.83 -36.17 184.02 70.90 131.65 14.80 167.25 4 221.77 -30.62 -63.51 129.57 17.17 259.06 131.90 118.39 5 104.82 -59.05 -26.82 59.47 -61.46 397.93 324.64 -31.66 设计水位+温升n= 5 u= .20 AT=47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 5.4 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 293.53 223.24 196.27 324.80 .00 .00 .00 .00 2 299.52 158.49 111.52 261.78 85.19 26.35 -13.01 114.15 3 283.06 88.57 37.69 210.63 102.26 101.94 14.80 167.25 4 232.32 27.58 .90 155.92 57.08 218.70 131.90 118.39 5 129.22 -13.31 14.72 87.85 12.01 313.31 324.64 -31.66校核水位+温升n= 5 u= .20 AT=47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 2.5 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 322.51 243.19 212.76 357.80 .00 .00 .00 .00 2 326.81 170.45 118.38 285.53 91.20 22.09 -13.01 114.15 3 304.51 93.06 37.75 226.44 98.32 108.89 14.80 167.25 4 246.11 27.49 -1.00 165.17 41.95 237.18 131.90 118.39 5 134.19 -14.84 14.47 91.61 -8.28 337.74 324.64 -31.663.3.2对荷载组合进行手算拱冠梁法计算应力的变形协调方程： 式中：aij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； i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； Ai第i层拱圈由于该层均匀温度变化时在拱冠处的径向变位； Bi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； Pi、xi分别为i层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载。 i=1，2，3，4，51拱圈变位系数i的计算及均匀温降时的Ai的计算式中：可由拱圈的A、T/R查表4-7（沈长松编拱坝）得出； EC混凝土的弹性模量，取2.2×106； R第i层拱圈的平均半径。式中：0可由拱圈的A、T/R查表4-8（沈长松编拱坝）得出； R第i层拱圈的平均半径； C坝身材料线胀系数，取0.8×10-5；第i层拱圈的均匀温度下降值。=47/（T+3.39）(oC) T第i层拱圈的拱厚。i和Ai计算见附表第一页“单位均匀径向水平荷载作用下拱圈拱冠处变位表3-2 i与均匀温降o时拱圈拱冠处的变位Ai的计算i与ai的计算i截面高程拱厚半径RT/R半中心角。*（R/Ec）均匀温降R*C*。Ai*Ec1192.38.5197.50.04351.25-10130.928643.9529015980.00625-1.843-253232167.312.881760.073146.75-5027.92842.8887523050.00407-1.732-154983142.317.251520.113443-2833.8122.2771317830.00277-1.624-9893.14117.321.63107.50.201244-1087.19051.8784972020.00162-1.259-4474.659226570.456139-263.911.5991833960.00073-0.744-1193.62.垂直荷载作用下引起的梁的径向变位Bi的计算垂直荷载作用下拱冠梁各截面的M/ECI（弯矩以顺时针为正）的计算 表3-3垂直荷载作用下各截面的M/ECI的计算水重(t/m)弯矩（逆时针为正）IM/I43.00254.723333333203.1151417178.061.1407190.5695.5783333331063.057405427.7462.4853258.65287.6151638.362847843.3121.9428-152.55914.56333333-1569.373891464.67-1.071(2) 垂直荷载作用下由于梁本身弯曲引起的变位BiIBiI=iyi式中： i垂直荷载作用下i截面以下M/ECI图的面积；yii面积形心至i截面的距离。表3-4垂直荷载下由于梁本身弯曲引起的变位BiI垂直荷载下由于梁本身弯曲引起的变位BiI断面yy1-1109.3445.444968.40962-295.0841.343930.60723-364.96834.342231.001124-410.1118.39333185.95665-5000(3) 拱冠梁梁基力系作用下，地基产生角变x及径变f，由于地基变形而使拱冠梁随着产生变位，按几何关系可知，距梁基高为hi处梁上某截面I处的径向变位为Bi:Bi=xhi+f仅垂直荷载时x= Mx f= Mx2取拱坝Ec=Er=22×105t/m2，即n=1=5.62/（Ec×T2）×n=5.62/(262×Ec)=0.00831/Ec2=0.74/(26×Ec)Mx=-1569.4x= -1569.4×0.00831/Ecf=-1569.4×0.74/(26×Ec)Bi=x+f表3-5 垂直荷载引起的径向变位计算HiBiBiBi100.3-1352.794968.413615.62029275.3-1026.753930.6072903.85531850.3-700.7142231.0011530.28666425.3-374.677185.9566-188.72043060-44.72720-44.72715587（4）梁变位系数aij的计算结果：表3-6 梁变位系数aij的计算a116331.187a213751.625a311809.287a41629.2299a5177.44231a118622.67a215609.838a312898.188a411053.208a51142.7452a114132.456a212972.845a311803.928a41744.2773a51125.101a111479.599a211131.796a31783.992a41425.7292a51107.2644a11229.2908a21186.3713a31143.4517a41100.5803a5147.70673（5）计算pi 正常水位184m H1=184-167.3=16.7m 水库淤积高程115mp1=0p2=wH1=1×16.7=16.7t/m2p3=wH2=1×(16.7+25)=41.7 t/m2p4=wH3=1×(41.7+25)=66.7 t/m2p5w=wH4=1×(66.7+25)=92 t/m2 p5s=shstg2(45o-s/2)=0.85×23×tg2(45o-10o/2)=13.76 t/m2p5= p5w+ p5s=92+13.76=105.51 t/m2（6）根据ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xii=Pii+Ai-Bi列出五元一次方程组：表3-7 ai 计算16461.938622.674132.4557391479.599154229.2908174=217083751.62510637.772972.8450651131.795581186.3712775=965611809.2872898.1884637.739819783.9920072143.4517377=126533629.22991053.208744.2772971512.919702100.5802748=7717977.44231142.7452125.1009593107.2644219311.6167306=29149求解此五元一次方程组得：表3-8 拱梁分配荷载pipi-xix1-9.0180309.01803379x20.85614916.715.84385055x321.4466441.720.25336303x438.7343466.727.96565745x573.44857105.7632.31143102（7）拱冠梁受水平荷载作用下的弯矩M水平 ，受垂直荷载及水平荷载共同作用下的弯矩M以及应力的计算表3-9 拱冠梁应力计算顺时针为正拱冠梁应力应力计算截面编号2345截面长度12.8817.2521.6326截面积惯性矩178.05999427.7461843.31211464.667自重（单宽）641.4903.9121166.41446.048自重弯矩1751.0223673.867-747.457-21154.5水重弯矩-203.1151-1063.06-1638.361569.374水平荷载弯矩-1788.047-2014.9711493.151301.17总弯矩-240.1402595.83879107.28131716.03水重43.0025190.569258.6528-152.559轴力684.40251778.8843203.9364497.426N/A53.13684103.1237148.1247172.9779M/I-1.3486481.39297310.7994221.6541Au6.448.625