计算书混合曲线拱坝设计.doc

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1、目 录第一章 调洪演算- 3 -1.1 调洪演算的原理- 3 -1.2 调洪方案的选择- 3 -1.2.1对以下四种方案进行调洪演算- 3 -1.2.2方案比较- 8 -1.2.3 2浅孔+2中孔方案选定后坝顶高程的计算- 8 -第二章 大坝工程量比较- 10 -2.1 大坝剖面设计计算- 10 -2.1.1混凝土重力坝设计- 10 -2.2 大坝工程量比较- 17 -2.2.1重力坝工程量- 17 -2.2.2拱坝工程量- 18 -2.2.3重力坝与拱坝工程量比较- 19 -第三章 第一主要建筑物的设计- 19 -3.1 拱坝的型式尺寸及布置- 19 -3.1.1坝型选择- 19 -3.1.

2、2拱坝的尺寸- 19 -3.2 荷载组合- 23 -3.2.1 正常水位+温降- 23 -3.2.2 设计水位+温升- 23 -3.2.3 校核水位+温升- 23 -3.2.4 正常水位+温降+地震- 23 -3.3 拱坝的应力计算- 23 -3.3.1对荷载组合1，2，3使用FORTRAN程序进行电算- 23 -3.3.2对荷载组合4进行手算- 25 -3.4 坝肩稳定验算- 36 -3.4.1计算原理- 36 -3.4.2验算工况- 38 -3.4.3验算步骤- 38 -4.1泄水建筑物的型式尺寸- 42 -4.2坝身进水口设计- 42 -4.2.1管径的计算- 42 -4.2.2进水口的

3、高程- 42 -4.3泄槽设计计算- 43 -4.3.1坎顶高程- 43 -4.3.2坎上水深hc- 43 -4.3.3反弧半径R- 43 -4.3.4坡度（直线段）- 44 -4.3.5挑射角- 44 -4.4导墙设计- 44 -4.5消能防冲计算- 45 -4.5.1水舌挑距- 45 -4.5.2冲刷坑深度- 46 -4.5.3消能率计算- 47 -4.6泄水孔口应力及配筋- 48 -4.6.1孔口应力- 48 -4.6.2配筋计算- 51 -附录- 52 -参考文献- 55 -结语- 56 - 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

4、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，并最好与所给限制流量差值在100m3/s以内。1.2 调洪方案的选择1.2.1对以下四种方案进行调洪演算（1） 2浅孔+2中孔 （2）4表孔+2中孔（3） 4中孔 （4）坝身泄流与利用导流隧洞1.2.1

5、.1方案一 2浅孔2中孔浅孔: 进口底高程为164m, 出口底高程为154m （1-1）式中：B孔口宽,m ； H孔口高,m ；A孔口面积(=BH)，m2；流量系数（=0.80）；H0出口中心处水头,m。中孔: 进口高程底135m, 出口底高程130m 式中：B孔口宽,m ； H孔口高,m ；A孔口面积(A=BH) ,m2；流量系数，（=0.97-0.3a/H0 ）；a孔口高度,m； H0-出口中心处水头，m。表1-1 2浅孔流量方案高宽出口高程上游水位出口中心处水头流量系数2孔面积起调流量（m）（m） (m)（m）（m） （m3）（m3/s）1设计8.0 8.5 154.0 182.0 24

6、.0 0.884136.00 2609.817校核8.0 8.5 154.0 182.0 24.0 0.884136.00 2609.817表1-2 2中孔流量方案高宽出口高程上游水位出口中心处水头流量系数2孔面积起调流量（m）（m） （m） （m）（m） （m3）（m3/s）1设计7.5 7.5130.0 182.0 48.5 0.927 112.53200.80 校核7.5 7.5130.0 182.0 48.50.927 112.5 3200.80 表1-3 2浅孔+2中孔总流量方案2浅孔起调流量2中孔起调流量总起调流量（m3/s）（m3/s）（m3/s）1设计2609.823200.8

7、06148.62校核2609.823200.806148.62表1-4 最大泄洪流量与最高水位结果表方案起调流量 最大泄量最高水位（m3/s）（m3/s）（m）1设计6148.626600186.7校核6148.626880189.8最大设计泄洪流量为6600m3/s，校核流量为6880m3/s，最高设计水位为186.7m，最高校核水位为189.8m。1.2.1.2方案二 4表孔+2中孔表孔: 进口底高程179m （1-2）式中： B堰顶宽，m；m流速系数；侧收缩系数；H0出口中心处水头，m。中孔: 进口底高程135m, 出口底高程130m 式中： B孔口宽,m ； H孔口高,m ；A孔口面积

8、(=BH)，m2；流量系数（=0.97-0.3a/H0）；a孔口高度,m；H0出口中心处水头，m。表1-5 4表孔流量方案高宽出口高程上游水位堰顶水位流速系数4孔面积起调流量（m）（m）(m)（m）（m）（m3）（m3/s）1设计412.0179.0182.03.00.48192.00530.29校核412.0179.0182.03.00.48192.00530.29表1-6 2中孔流量方案高宽出口高程上游水位出口中心处水头流量系数2孔面积起调流量（m）（m） （m） （m）（m） （m3）（m3/s）1设计7.5 7.5130.0 182.0 48.5 0.927 112.53200.8校核

9、7.5 7.5130.0 182.0 48.5 0.927 112.53200.8 表1-7 4表孔+2中孔总流量方案4表孔起调流量2中孔起调流量总起调流量（m3/s）（m3/s）（m3/s）1设计530.293200.84096.1校核530.293200.84096.1表1-8 最大泄洪量与最高水位结果表方案起调流量最大泄量最高水位（m3/s）（m3/s）（m）1设计4096.15580188.1校核4096.17620190.11.2.1.3方案三 4中孔中孔: 进口底高程135m, 出口底高程130m式中：B孔口宽,m ； H孔口高,m ； A孔口面积(=BH)，m2；流量系数（=0.

10、97-0.3a/H0 ）； a孔口高度,m； H0出口中心处水头，m。表1-9 4中孔最大泄洪量与最高水位结果表高宽出口高程上游水位出口中心处水头流量系数起调流量最大下泄量最高水位（m）（m）（m）（m）（m）（m3/s）（m3/s）（m）设计77.513018248.50.9276344.6246640186.6校核77.513018248.50.9275944.186820189.61.2.1.4方案四 坝身泄流与利用导流隧洞 因客观因素，现对坝身泄流与利用导流隧洞不进行调洪计算，只对其进行定性分析。1.2.2方案比较方案一即泄水建筑物采用2浅孔+2中孔时所需坝顶高程最小，加之方案一与方案

11、三都存在对坝体的结构影响较大的问题（方案二的4表孔使得坝体堰顶以上失去空间结构作用，方案三的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），并由调洪演算结果看，故本设计选择2浅孔+2中孔的泄流方案，浅孔位于两岸，中孔位于水电站进水口两侧，对称布置。设计洪水时，允许泄量6650m3/s，校核洪水时，允许泄量7650m3/s。设置两浅孔，孔口宽8.5m，高8.0m，进口底高程为164m，出口底高程为154m；两中孔，孔口宽7.5m，高7.5m，进口底高程为135m，出口底高程为130m，设计洪水时，下泄流量6600m3/s，校核洪水时，下泄流量6880m3/s，均小于允许下泄流量，设计洪水

12、位为186.7m，校核洪水位为189.8m。1.2.3 2浅孔+2中孔方案选定后坝顶高程的计算拱坝坝顶超出水库静水位的高度h为 （1-3）式中 h1%累积频率1%的波浪高度（m），按式（1-4）、（1-5）、（1-6）求出； hz波浪中心线高出静水位的高度 (m),按式（1-7）计算； 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）。 （1-4） （1-5） （1-6） （1-7）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。HDV0gD/V02Lmh5%h1%h1%2/Lmcth(2H/Lm)hz9

13、4.740002098.111.381.1130.8320.31910.5251.2.3.1设计洪水位情况下 查表得 ： 1.2.3.2校核洪水位情况下 HDV0gD/V02Lmh1%h1%2/Lmcth(2H/Lm)hz97.93400012272.56.8240.5880.8320.31910.319查表得 综上： 设计情况： 校核情况： 取得坝顶高程为: 由此计算得到的拱坝坝高为第二章 大坝工程量比较2.1 大坝剖面设计计算2.1.1混凝土重力坝设计坝前最大水深最大坝高 2.1.1.1基本剖面（1）. 按应力条件确定坝底最小宽度 （2-1）式中 c=24kN/m3 ；0=10kN/m3；

14、 1=扬压力折减系数,取0.3（河床坝段=0.20.3，岸坡坝段=0.30.4）。则 （2）.按稳定条件确定坝底最小宽度 （2-2）式中 K=1.05(查水工建筑物表4-1)；f=0.7 ； =0 ； 1=0.25。则 综合（1）、（2），取两值中的较大值，取坝底最小宽度B=68.5m2.1.1.2实用剖面（1）.坝顶宽度：取坝高的810%，即（810）%100.5=(8.0410.5)m，取为10.0m。（2）.下游坡度： 且坝底宽约为坝高0.7-0.9倍，则取m=0.80。（3）.上游折坡点：上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的（）范围内，即（）100.5=(33.567)m,取为54

15、m，上游折坡点高程为折 =146m。（4）.上游坡度：上游折坡的坡度取为1:0.15。（5）.坝底宽度：坝底宽度为 。 2.1.1.3排水装置设计洪水最大下泄流量6600m3/s，则Z下=114.4m，下游水深114.4-92=22.4m ，水头 。基础帷幕灌浆廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05-0.10倍水头，且不小于4-5m，即（0.050.1）72.3=（3.7717.23）m，取5m，宽取2.5m，高取3m，廊道底离坝底距离不小于1.5倍底宽，取5m。基础排水廊道兼作灌浆廊道宽取2.0m，高取2.5m。坝内纵向排水廊道上游壁到上游坝面不小于（0.050.10）倍水头，并不小于3

16、m，即（0.050.1）72.3=（3.7717.23）m,取帷幕排水廊道距上游坝面距离为5m。2.1.1.4荷载计算图2-2 坝体自重计算图 图2-3坝底扬压力计算图表2-1 荷载设计值计算表(设计水位状况)荷载（kN/m）水平应力（kN/m）铅直应力（kN/m）力臂力矩（m）+ （逆时针）-（顺时针）自重W1W2W35248.82412069850.540.4730.072.323212418.9725288.4162262.6水压力W水上W水下5483.7171439.6637.20217474.8 55659.6P上P下43988.482461.331.577.4718377.7138

17、8569.7扬压力U1U2U3U43821.16413.52503.618972.738.474.9936.120146997.732003.3790430.10浪压力PL23.16952200.2泥沙压力Pn22347.17.8318385.3表2-2 荷载设计值计算表(校核水位状况)荷载（kN/m）水平应力（kN/m）铅直应力（kN/m）力臂力矩（m）+ （逆时针）-（顺时针）自重W1W2W35248.82412069850.540.4730.072.323212418.9725288.4162262.6水压力W水上W水下5625.84202239.6637.20223120.875212

18、.3P上P下47951.42535.832.6437.50719036.31565277.6扬压力U1U2U3U43916.26652.7259719226.838.474.9936.120150656.233196.9793803.60泥沙压力Pn12347.067.8318377.52.1.1.5稳定校核用定值安全系数计算法沿坝基面的抗滑稳定分析：若认为坝体与基岩胶结较差，用下式计算 (2-3)为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；为作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和；U为作用于滑动面上的扬压力；f为滑动面上的抗剪摩擦系数，f=0.7；K为按抗剪强度计算公式计算的抗滑稳定安

19、全系数，查水工建筑物表4-1有K=1.10，1.05。若认为坝体与基岩胶结良好，按下式计算 （2-4）为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和，用标准值；为作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和，用标准值；U为作用于滑动面上的扬压力；为滑动面上的抗剪摩擦系数, =0.75；为坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力, =0.5MPa；A为坝体与坝基连接面的面积；为按抗剪断强度计算公式计算的抗滑稳定安全系数，查水工建筑物表4-1有=3.0、2.5。第一种方法偏于安全。（1）设计状况 所以在设计水位情况下，坝体抗滑稳定满足要求。（2）偶然状况=K=1.0偶然状况的抗滑稳定系数偏小，不满足要求，故需采

20、用一些工程措施，因为坝基岩较坚硬，可将坝基开挖成若干倾向上游的斜面，在坝踵和坝趾设置深入基岩的齿墙，以增强坝基抗滑稳定性。2.1.1.6应力分析（取坝基面）水平截面上的边缘正应力y和y y= （2-5） y= （2-6）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（逆时针正）； B计算截面沿上下游方向的宽度。（1） 设计状况M=MG+MU+MP= -396250.3 kNm (计入扬压力)W=74488.4kN(计入扬压力) a. y=0.544MPa y=1.182 MPa b.边缘剪应力和（m=0.8 n=0.15）=-0

21、.5440.15=-0.082MPa=yc.铅直截面上的边缘正应力和和(计入泥沙压力)2=-0.5440.152 =-0.0122MPa=y d.上游边缘主应力和 =0 MPae. 下游边缘主应力和 =0 MPa(2)校核状况 = -510397.76 kNm (计入扬压力) =74474.4kN(计入扬压力) a.y=0.452MPa y=1.273MPa b.边缘剪应力和（m=0.74 n=0.15）=0.076 MPa=0.84 MPac.铅直截面上的边缘正应力和和(计入泥沙压力)2=0.948 MPa=0.895 MPad.上游边缘主应力和0.441 MPa =0 MPae. 下游边缘

22、主应力和 =0 综上，设计状况与偶然状况下坝踵、坝趾处没有出现过大拉应力，且主压应力未大于允许压应力，故满足应力要求。2.2 大坝工程量比较2.2.1重力坝工程量在146m及176.64m将坝体沿水平向分成三块，从下往上依次为I、II、III，工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算： （2-7）式中 V所求坝块的体积，m3； H所求坝块的高度，m； L1所求坝块坝面长度，m； L2所求坝块坝底长度，m； b所求坝块坝顶宽度，m； m1、m2所求坝块上、下游坡度。表2-3 重力坝分块工程量计算列表相关数据坝体分块L1L2bm1m2HVI2057835.040.150.854434414.7II

23、2592051000.831.3252917.0III297259100015.242256 2.2.2拱坝工程量拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算： （2-8）其中 A/360（R外2-R内2） 第i层拱圈的中心角； R1第i层拱圈的外半径，m； R2第i层拱圈的内半径，m。表2-4 拱坝各高程拱圈面积计算列表高程(m)R内(m)R外(m)中心角（）V (m3)192.5195.75204.25103166.175154.4375167.562510385890141.45128.125145.87510297350116.72584.8125107.187510499690925

24、5.582.572804302.2.3重力坝与拱坝工程量比较经比较，拱坝较重力坝可节约工程量：第三章 第一主要建筑物的设计3.1 拱坝的型式尺寸及布置3.1.1坝型选择坝型选择双曲拱坝。3.1.2拱坝的尺寸3.1.2.1坝顶的厚度Tc 根据结构、人防、运用等要求并考虑改善坝体应力，初步设计，采用下列经验公式： （3-1） Tmin=35m式中 H坝高（m），H=100.5m； b1坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），b1=310m。 取Tc=8.5m3.1.2.2坝底的厚度TB ( 拱坝在高程上分为5层) （3-2）式中 L1坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），L1=310

25、m； Ln-1坝体倒第二层拱圈处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），Ln-1=163m； H坝体高度，m； K=0.0035；拱的允许压应力（MPa ），国内a一般取4-7MPa。 取 TB=25.7m3.1.2.3 上游面的曲线采用二次抛物线 （3-3）式中：，其中、为经验系数，（1=0.60.65，2=0.30.6）。取 10.62，20.30， H=100.5m，则则上游面的曲线方程为: 3.1.2.4 下游面的曲线Tc，TB沿高程线性内插，然后光滑修匀。设第i层拱圈的厚度为Ti , 则 （3-4） 下游面曲线方程为 表3-1 拱冠梁端面的几层典型拱圈的几何尺寸层数高程上游面坐标下游面坐

26、标坝体厚度1.00192.500.008.508.502.00167.38-7.954.8512.803.00142.25-11.895.2117.104.00117.13-11.819.5921.405.0092.00-7.7117.9925.70检验倒悬度：见附图，均满足小于1：3的要求。 表3-2 各层拱圈特性参数高程拱圈厚平均半径中心角右半中心角左半中心角1/2弦长岸坡平均坡度（m）（m）（m）（）（）（）（m）（）192.58.5200103515215545167.12512.8169974849126.545142. 2517.1140974849104.545117.12521

27、.4116104545071.5459225.77175373842.545 图 3-1 拱冠梁横剖面示意图（单位：m）3.2 荷载组合3.2.1 正常水位+温降3.2.2 设计水位+温升3.2.3 校核水位+温升3.2.4 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1，2，3使用FORTRAN程序进行电算3.3.1.1正常水位+温降n= 5 u= 0.20 AT=-47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= 0.85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC=0.000008 HW= 9.25 HS= 77.00 X1= 39

28、.835 X2= 32.125 输出结果： 235.11 140.17 103.59 277.39 .00 .00 .00 .00 282.01 108.05 50.75 239.57 60.17 50.29 -13.20 115.16 281.29 53.20 -4.87 200.47 87.08 115.51 14.59 169.10 207.04 -19.61 -54.53 124.15 45.25 229.90 133.97 118.30 93.52 -57.19 -40.45 47.91 -74.19 406.77 333.57 -34.82 .044624 .000308 .00

29、-7.94 7.94 .00 .036674 .000371 15.88 -.12 15.05 .95 .026313 .000463 41.00 16.33 21.92 2.76 .013924 .000429 66.13 37.67 22.17 6.29 .003475 .000192 105.31 68.07 23.25 14.00 1600.63 .00 571.43 1608.72 -17.03 -1046.10 2524.50 .00 2372.84 2563.29 -86.21 -4184.27 2939.32 .00 5544.11 3045.15 -236.13 -9271.

30、87 2155.04 .00 8600.69 2343.56 -459.26 -13267.57 703.13 .00 8112.45 951.15 -746.26 -9497.343.3.1.2设计水位+温升n= 5 u= 0.20 AT= 47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= 0.85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC=0.000008 HW= 5.80 HS= 77.00 X1= 39.835 X2= 32.125输出结果： 282.66 215.40 189.49 312.63 .00 .00 .00 .00 303.03 1

31、69.37 125.35 268.07 87.06 24.96 -13.20 115.16 296.55 111.27 64.10 228.58 120.00 84.62 14.59 169.10 226.67 37.85 8.77 155.79 81.46 194.11 133.97 118.30 122.88 -10.40 4.40 80.63 -5.12 329.83 333.57 -34.82 .031764 .000125 .00 -10.46 10.46 .00 .028333 .000215 19.33 .88 17.86 .58 .021538 .000347 44.45 16

32、.42 25.64 2.39 .011748 .000350 69.57 36.67 27.62 5.28 .003180 .000160 108.76 63.91 32.88 11.98 2120.83 .00 404.86 2126.56 -12.07 -741.17 3044.99 .00 1823.09 3074.80 -66.23 -3214.84 3551.48 .00 4503.58 3637.45 -191.81 -7531.71 2954.92 .00 7164.75 3111.97 -382.58 -11052.45 1654.33 .00 7174.02 1873.66

33、-659.94 -8398.713.3.1.3校核水位+温升n= 5 u= 0.20 AT= 47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= 0.85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC=0.000008 HW= 2.7 HS=77.00 X1=39.835 X2= 32.125输出结果： 312.79 236.09 206.54 346.96 .00 .00 .00 .00 332.71 183.45 134.29 294.33 93.61 20.26 -13.20 115.16 320.47 118.08 66.55 246.99 117.0

34、1 90.79 14.59 169.10 240.78 38.45 7.28 165.54 66.79 212.15 133.97 118.30 127.89 -11.97 3.57 84.26 -28.44 357.05 333.57 -34.82 .036209 .000169 .00 -11.53 11.53 .00 .031631 .000265 22.42 2.18 19.53 .71 .023518 .000396 47.55 17.33 27.61 2.62 .012583 .000383 72.68 37.80 29.24 5.63 .003334 .000172 111.86 65.01 34.18 12.67 2337.37 .00 461.67 2343.90 -13.76 -845.17 3327.53 .00 2035.96 3360.82 -73.97 -3590.21 3820.13 .00 4919.44 3914.04 -209.52 -8227.19 3121.22 .00 7677.81 3289.51 -409.98 -11843.92 1708.92 .00 7528.03 1939.