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某江水利枢纽拱坝设计(说明书)


目 录


目 摘



录 ............................................................... 1 要 ............................................................. 1

r />ABSTRACT .............................................................. 2 第一章 综合说明 ....................................................... 1
1.1 概述 ...................................................................... 1 1.1.1 枢纽概述....................................................... 1 1.1.2 设计要求 ...................................................... 1

第二章 设计资料 ....................................................... 4
2.1 枢纽任务 .................................................................. 4 2.2 基本资料 .................................................................. 4 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 自然地理....................................................... 4 工程地质....................................................... 7 筑坝材料....................................................... 8 库区经济及其它 ................................................. 8

第三章

枢纽主要建筑物的型式与总体布置 .............................. 9

3.1 工程等级及技术规范设计标准 ................................................ 9 3.1.1 工程等级....................................................... 9 3.1.2 技术规范....................................................... 9 3.1.3 洪水标准....................................................... 9 3.2 调洪演算及设计基本数据 .................................................... 9 3.2.1 调洪演算的目的 ................................................. 9 3.2.2 调洪演算的原理 ................................................. 9 3.2.3 计算方法...................................................... 11 3.2.4 泄洪方案的选择 ................................................. 11 3.3 枢纽组成建筑物 ........................................................... 14 3.4 坝型选择 ................................................................. 14 3.4.1 坝型初选...................................................... 14 3.4.2 方案比较 ...................................................... 16 3.4.3 坝体形态选择 .................................................. 17 3.5 泄水建筑物型式选择 ....................................................... 18 3.6 厂房及引水系统布置 ....................................................... 18 3.7 枢纽总体布置 ............................................................. 18

第四章

拱坝设计 ................................................... 19

4.1 拱坝型式及布置 ........................................................... 19 4.1.1 拱坝剖面设计................................................... 19

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目 录

4.1.2 拱坝的布置 .................................................... 20 4.2 荷载及其组合 ............................................................. 21 4.2.1 荷载及计算 .................................................... 21 4.2.2 荷载组合...................................................... 26 4.3 计算原理和计算方法 ....................................................... 26 4.3.1 计算原理...................................................... 26 4.3.2 计算方法...................................................... 27 4.4 应力与强度分析(电算,手算) ................................................ 27 4.4.1 应力控制指标 .................................................. 27 4.4.2 电算 ......................................................... 28 4.4.3 手算 ......................................................... 29 4.5 坝肩稳定验算 ............................................................. 32 4.5.1 验算原理...................................................... 32 4.5.2 验算工况...................................................... 34 4.5.3 验算结果...................................................... 34

第五章 泄水建筑物设计 ................................................ 36
5.1 基本资料 ................................................................. 36 5.2 泄水建筑物组成与布置 ..................................................... 36 5.3 泄槽设计 ................................................................. 36 5.3.1 泄槽尺寸...................................................... 36 5.4 消能与防冲 ............................................................... 38 5.5 泄水孔口应力及配筋 ....................................................... 40

第六章

坝体细部构造及地基处理 ..................................... 42

6.1 坝体构造与细部结构设计 ................................................... 43 6.1.1 坝体与坝面 .................................................... 43 6.1.2 坝体分缝...................................................... 43 6.1.3 坝内廊道和坝后工作桥 ........................................... 43 6.2 坝基处理 ................................................................. 44 6.2.1 坝基处理的一般要求 ............................................. 44 6.2.2 地基的处理和开挖 .............................................. 44 6.2.3 坝基排水孔 .................................................... 46

结束语 ............................................... 错误!未定义书签。 参考文献 ............................................................. 47

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摘 要





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 185m,设计洪水位 186.81m,校核洪水位 189.89m,汛前限制水位 182m,死 水位 164m,尾水位 103.5m。水库死库容 9.3 亿 m3,总库容 10.8 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,坝顶弧长 354m ,最大坝高 99.14m,坝底厚 25.5m,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 9.0m,高 8.0m,进口底高程为 164m,出口底高程为 158m;中孔位于水电站进水口两侧,孔 口宽 7.5m,高 7.0m,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,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,浅孔启闭机房高程为 177.7m,中 孔启闭机房高程为 160.7m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为 118m,浅 孔反弧半径为 40m,中孔反弧半径为 55m。 泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致, 挑射角 θ =20o,导墙厚度为 1.0m, 浅孔导墙高度为 6.7m,中孔导墙高度为 8m。 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,进水口底高程为 152.4m。发电机层高程为 114.8m,尾水管底高程为 90.8m,厂房进水口底高程为 152.3m。 为防止坝基渗漏,在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆,并且为了减少坝基的扬 压力,在灌浆帷幕之后设置排水孔。 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 25.5m,小于 40m,故可不设置纵缝。

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Abstract

Abstract
Ajiang hydrocomplex play parts in flood control,water power,irrigation,water conservancy related fisheries,and so on.The reservoir normal water level is 185m,design flood level is 186.81m,maximum flood level is 189.89m,flood control level is 182m,dead water level is 164m,and tailwater level of hydropower station is 103.5m.The dead reservoir capacity is 930,000,000m3,and the total reservoir capacity is 1,080,000,000 m3. The hydraulic engineering grade is Grade I. The hydroproject is consist of water retaining structure,power house,auxiliary room,sluice structure,raft sluice,and so on. The water retaining structure is a double curvature arch dam.The length of the axis of crest dam is about 304m.Maximum height of the dam is 99.14m,the thickness of the bottom of the dam is 25.5m,and the width of the top of the dam is 8.5m. The release structure is comprised of 2 mid-level outlet and 2 short-level outlet.The width of the mid-level outlet is 7.5m,and the height is 7m;the width of the short-level outlet is 9.0m,and the height is 8m.The upstream and the downstream side of every outlet are a bulkhead gate and a operating gate which is a radial gate.There is a room where a gate hoist is put above every service gate.The two rooms which are above the mid-level outlet service gate are at an elevation of 160.7 metres,and the other two rooms are at an elevation of 177.7 metres.The intake of the mid-level outlet is at an elevation of 135 metres,and the intake of the short-level outlet is at an elevation of 164 metres. The type of the power house is at damtoe.The dimensions of the power house and the auxiliary room are 81m×18m and 66m×10m.The generator floor is at an elevation of 114.8 metres,and the bottom of the draft tube is at an elevation of 92 metres,and the intake of hydropower station is at an elevation of 152.4metres. In case of leakage of the dam foundation,there is grouting curtain at the base of the dam,behind which there are drainage holes which decrease the uplift pressure of the dam foundation. In radial directions there are transverse joints in which there are keys,and because the thickness of the bottom of the dam is smaller than 40~50 metres,there is no longitudinal joint.

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水利水电工程专业毕业设计

第一章
1.1 概述
1.1.1 枢纽概述

综合说明

A 江是我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 185m,汛前限制水位 为 182m,死水位为 164m,设计水位为 186.81m,校核水位为 189.89m。 电站多年平均发电量为 5.09 亿度,正常蓄水位时,水库面积为 35.60 平方 公里,为发展养殖创造了有利条件,同时增加保灌面积 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 99.14m,主体工程量约为 34 万方左右, 坝顶宽 8.5m,坝顶长约 354 m,坝底宽 25.5m。 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 66m,宽 10m,安装场长 21m,宽 18m。压力管道的直径为 4.6m,进水口底高 程为 152.4m。 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 9.0m,高 8.0m,进口底高程为 164m,出口底高程为 158m;中孔位于水电站 进水口两侧,孔口宽 7.5m,高 7.0m,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 118m,浅孔反弧半径为 40m,中孔反 弧半径为 55m。 泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角 θ =20o,导墙厚度 为 1m, 浅孔导墙高度为 6.7m,中孔导墙高度为 8.0m。 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, 其木材最大长度为 10m,大头直径为 100cm。 开关站长 20m,宽 75m,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:

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

1. 根据防洪要求,对水库进行洪水调节计算,确定坝顶的高程和泄水建筑 物孔口尺寸。 2. 通过分析,对可能的方案进行比较,确定枢纽组成建筑物的形式,轮廓 尺寸及水利枢纽布置方案。 3. 详细做出大坝设计,并通过比较确定坝的基本剖面和轮廓尺寸,拟定地 基处理方案和坝身构造,进行水利计算、静力计算。 4. 对泄水建筑物进行设计,选择泄水建筑物的形式与轮廓尺寸,确定布置 方案,拟订细部构造,进行水利计算、静力计算。 5. 对 A 江水利枢纽各组成建筑物进行总体布置以及细部构造设计。

1.2 工程特性表

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水利水电工程专业毕业设计

表 1-1 工程特性表

水 库 特 性 死水位 水 库 水 位 汛前限制水位 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 主要建筑物 大坝级别 大坝型式 坝顶高程 坝底高程 最大坝高 坝顶弦长 坝顶厚度 坝底厚度 混凝土方量 / 泄洪方式 泄 水 建 筑 物 两浅孔 两中孔 孔口尺寸 9.0×8.0m2 7.5×7.0m2 Ⅰ级 变半径变中心角双曲拱坝 191.14m 92.0m 99.14m 304m 8.5m 25.5m 34.37 万 m3 进口高 程 164.0m 135.0m 高程 164.00m 高程 182.00m 高程 185.00m 高程 186.81m 高程 189.89m

大 坝 资 料

出口高程 158.0m 130.0m

闸门形式

检修闸门 工作闸门 消能方式 P=1‰下泄流量

平板闸门,设在进口处 弧形闸门,设在出口处 滑雪道式泄槽挑流对撞消能 6534m3/s 6873m3/s 338 m3/s 4×5.0 万 kW 钢管 4条 4.6m

厂 房 引 水 道

P=0.2‰下泄流量 最大引用流量 装机容量 型式 数量 内径

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

第二章

设计资料

A 江是我国东南地区的一条河流,根据流域规划拟建一水电站。本设计的任 务是对 A 江水利枢纽进行设计,其基本设计要求如下。

2.1 枢纽任务
本工程同时兼有防洪,发电,灌溉,渔业等综合利用。水电站装机容量为 20 万 kW,多年平均发电量 5.09 亿度。正常蓄水位 185m,汛前限制水位 182m, 死水位 164m,4 台机满载时的流量 338m3/s,尾水位 103.5m,厂房形式为坝后式。 本工程建成后, 可增加保灌面积 50 万亩, 减轻洪水对 A 江 A 市和 A 平原的威胁, 在遇到 P=0.02% 和 P=0.1% 频率的洪水时,经水库调洪后,洪峰流量由原来的 14900m3/s、11700m3/s 分别削减为 7550m3/s、6550m3/s,要求设计洪水时最大下 泄流量限制为 6550m3/s,正常蓄水位时,水库面积为 34.2 平方公里,可为发展 养殖创造有利条件。此外,根据林业部的要求,每年木材过坝量为 33.3 万立方 米,其木材最大长度为 10m,大头直径为 100cm。

2.2 基本资料
2.2.1 自然地理
2.2.1.1 流域概况 A 江是我国东南部的一条河流,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。 坝址以上流域面积 2761 平方公里,流域境内是山区,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, 小部分由地下水补充,每年 4~9 月份为汛期,其中 5、6 两月为梅雨期,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,一次洪水过程线尖瘦,属典型的山区河流。 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 省的重要农副业生产基地——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。 2.2.1.2 气候特征 (1) 气温

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水利水电工程专业毕业设计

坝址处的多年平均气温为 17.3°,月平均最低气温(1 月份)5°C,最高气 温 (7 月份) 29°C。 实测极端最低气温 (1 月份) -8.2°C, 最高为 (7 月份) 40.6° C。 (2) 湿度 年平均相对湿度为 79%左右,其中以 6 月份 87%为最大,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,雨量在年内分布不均,其中 4~9 月份占全年降雨量的 75%,而 5、6 两月占全年的 1/3。 表 2-1 月份 实际天数 0.3-10mm 雨日 10-30mm 雨日 30mm 以上雨日 1 31 3 2 9 2 28 4 3 1 3 31 5 4 1 各月降雨量的雨型及日数统计表 4 30 7 5 8 5 31 12 8 5 6 30 12 9 6 7 31 10 6 3 8 31 9 5 2 9 30 8 4 2 10 31 7 3 1 11 30 6 2 0 12 31 4 1 0 全 年

(4) 蒸发量 坝址处多年平均蒸发量为 1349mm,其中 7 月份最大,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 17m/s,风向西北偏西,吹程 4.5km。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 4km。 (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:

TH = 8.5e

2.45 ? H ? ?? ? ? 27.12 ?

? 10.8 ? 2.40

△Tc= 5.1e 其中:H 为水深。 2.2.1.3 水文特性

2.40 ? H ? ?? ? ? 25.21 ?

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

(1) 正常径流 根据资料分析, 坝址处的多年平均流量为 100m3/s, 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 频 率 (%) 1 5 50 80 95 1 116 78 21 8 2 23 2 267 179 49 19 5 65 3 324 235 89 47 22 103 4 490 364 141 73 36 162 5 689 510 216 12 69 215 6 679 537 277 134 121 295 月平均径流量 7 346 352 78 22 5 115 8 263 177 44 15 4 61 9 331 210 44 12 2 67 10 102 73 26 13 6 31 11 121 77 16 4 1 24 12 113 73 16 5 1 24 多年 平均 186 150 97 74 55 100

(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=3310 m3/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=11700m3/s。 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 频率 5 10 20 10—4 月 2087 1673 1275 9—6 月 1772 1410 1045 施工期设计洪水频率流量表 10—3 月 1367 1072 784 11—6 月 1367 1072 784 11—2 月 884 654 434 12—2 月 824 596 332 备注

(3) 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°。 2.2.1.4 其他 本坝址地震烈度为 7?。

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水利水电工程专业毕业设计

2.2.2 工程地质
2.2.2.1 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, 并且不对称。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 1 米左右。个别达 10 米以上。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。 2.2.2.2 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 性 或 地 质 构 造 花 岗 斑 岩 节 理 面 容重 (kN/m3) 孔 隙 率 % 抗压强 度 (MPa) 饱 和 岩石的物理力学性质表 摩擦系数 抗剪系数 抗剪断系数 弹性 模量 混凝 混凝 MPa 土基 内部 土基 内部 岩 岩 2.2 ×10 0.70 0.75 0.75 1.20
4



湿



粘着 力 (MPa )

泊 松 比 μ

27.3 28.1

2. 3

21 0

19 0

0.5 基 岩与 0.20 混凝 土 1.0 基 岩内

0.65 相对隔水层离基岩表面深 15m。

0.75

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

2.2.3 筑坝材料
2.2.3.1 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。 2.2.3.2 砂料 在坝下游勘探 6 个砂料场,最远料场离坝约 9km,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
2.2.4.1 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。 2.2.4.2 其它 (1) 对外交通 本坝址上游左岸 30km 处有铁路干线车站,另有公路与坝址下游 50km 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附图。

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水利水电工程专业毕业设计

第三章

枢纽主要建筑物的型式与总体布置

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 189.89m,查库容曲线得相应库容为 10.8 亿 m3>10 亿 m3, 根据我国水利部颁发的现行规范—— 《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 (山 区、丘陵区部分) 》 ,确定 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。

3.1.2 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
(一) 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。 (二) 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

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

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: 运动方程: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) 通常,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:
Q?q ? Q1 ? Q2 q1 ? q 2 V2 ? V1 ?V ? ? ? 2 2 ?t ?t
?? ?Q ? ?0 ?t ?s

?Z 1 ?v v ?v Q 2 ? ? ? ?s g ?t g ?s K 2

式中:Q1,Q2——分别为计算时段初、末的入库流量(m3/s) ,它等于(Q1+Q2)/2 Q ——计算时段中的平均入库流量(m /s) q1,q2——分别为计算时段初、末的下泄流量(m3/s) ,即等于(q1+q2)/2 q ——计算时段中的平均下泄流量(m /s) V1、V2——分别为计算时段初、末的水库蓄水量(m3) △V——为 V1、V2 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,Q1、Q2、 Q 均为已知:V1、q1 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 V2、q2。当前一个阶段 v2、q2 求出后,其值即成为后一个阶段的 v1、q1 值,使计算可以逐时段的进行下去。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
3 3

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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: q=f(H)=AHB 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
采用调洪列表试算法,以水量平衡公式为理论基础。把来水过程平均分为若 干个时间段,本设计以三个小时为一个时间段,假设一个水位, 经计算得出相应 的流量,查流量水位曲线,得出一个水位,如果与假设水位一致,则假设正确, 如果不一致,则重复以上操作,直至理论水位与假设水位相等,这个水位就是所 要求的水位。以此为下一时段初水位,求时段末水位。此方法比较适合在 EXCEL 中进行计算,可以节约大量的工作量。

3.2.4 泄洪方案的选择
3.2.4.1 可能方案 (1) 表孔溢流

其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,需设置泄槽和滑雪道结构。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震动,稳定性不好。此外,表孔结构使坝体堰 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得以发挥; (2) 坝身开孔方案 实验研究表明,坝身开孔方案包括浅孔方案和中孔方案。为合理布置厂房, 浅孔和中孔设在两岸,对称布置,可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流 相同,适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响,利用坝身开孔泄洪可节省另建 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, 泄槽若做成排架式,进厂公路可从排架间通过。此外,应注意开孔数量和设置高 程,若同一高程开孔数量多,该层拱圈削弱数量多,应尽量避免; (3) 坝外溢洪道泄洪方案

该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

拱坝的施工导流需采用一次断流方案, 故在施工时需在某一岸开挖导流隧洞,

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

以便坝体施工,竣工后导流隧洞完成自己的使命,不再使用。为充分利用现成的 洞子,水利建设中常将进口段改建成“龙抬头” ,将导流洞改建成泄洪洞,以节省 工程投资。结合该工程的实际情况,考虑因导流洞长度较短,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也 需要一定的投资,故须认真比较决定。 3.2.4.2 方案初选

本设计从坝址处的地形地质条件等因素综合考虑,拟采用坝身泄洪方式。初 步选择以下方案进行调洪演算: 方案一:4 表孔+2 中孔 方案二:2 浅孔+2 中孔 方案三:4 中孔 3.2.4.3 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:

Q2 ? mB 2g H 0

3/ 2

式中

Q2 ——流量(m3/s)
B ——溢流孔净宽(m)

H 0 ——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: Q2 ? ?A 2 gH0 式中:
A ——出口处的面积(m2)

;淹没泄流时,为上下游 H 0 ——自由泄流时,为孔口中心处的作用水头(m) 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:

? =0.96-0.227a/H0a——孔口高度(m)

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g——重力加速度(m/s )

2

Q2 ——下泄流量(m /s)
表 3-1 洪水调节计算方案成果表

3

方案 设计 校核 设计 校核 设计 校核

浅孔 高(m) 宽(m) 12.0 9.0 —

中孔 高(m) 7.0 7.0 7.0 宽(m) 7.5 7.5 7.6

最大泄量 (m3/s) 6235.7 7483.2 6534 6873 6532 6602

最高水位 (m) 188.42 190.9 186.81 189.89 186.98 189.9

1 2 3

— 8.0 —

3.2.4.4

方案选择

(1) 方案比较 对于表孔、浅孔、中孔方案在满足防洪要求时, 4 中孔方案缺点是同一高程开孔数量多,令该层拱圈削弱过多,对坝体结构 作用影响大,不宜布置。 4 表孔+2 中孔方案优点是泄洪能力强,但缺点是坝体较高,同时表孔结构使 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以下才得以发挥。 2 中孔+2 浅孔方案有较大泄流能力,而且经过合理布置,采用挑流对撞消能 工可以解决消能问题,也可使坝体空间结构作用少受影响。 综合比较上述四个方案,结合 A 江水利枢纽具体情况,坝外溢洪道和利用导 流隧洞方案不尽合理,选择表孔、浅孔、中孔方案,虽有水流向心收聚,能力集 中的特点,但只要合理布置,采用挑流对撞消能工可以解决消能问题。泄槽的工 程投资远小于另建泄水建筑物的投资.为使坝体空间结构作用少受影响, 宜选择两 浅孔和两中孔方案,浅孔位于两岸,中孔位于水电站进水口两侧,对称布置。由 表中可知,方案 2.3 满足防洪要求的同时,坝前水位较低,从而可节省坝体工程 量,故选其为最终泄洪防方案,即设置两浅孔,孔口尺寸为 9m×8m,进口底高程 为 164m,出口底高程 158m,两中孔,孔口尺寸为 7.5m×7m,进口底高程为 135m, 出口底高程为 130m。设计洪水时,设计水位为 186.81m,下泄流量为 6534m3/s, 小于允许流量 6550m3/s, 。校核洪水时,校核洪水位为 189.89m ,下泄流量为

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6873m /s,小于允许下泄流量 7550 m /s。总库容为 12. 08 亿 m ,属大(I)型工 程。 (2) 水库运用方式 根据上述分析,本工程采用 2 浅孔和 2 中孔泄洪方案,在不影响工程效益的 前提下,尽量降低坝高可大大节省开支。故水库在洪水期的运用方式为:洪水到 来之前开闸放水, 腾空库容, 将库水位降落直汛前限制水位 182m 处, 即起调水位, 起调流量为汛前限制水位下开启浅中孔时对应的下泄流量之和。

3

3

3

3.3 枢纽组成建筑物
1. 挡水建筑物 施工期的施工围堰 拦河的大坝——变半径变中心角的双曲拱坝 2. 泄水建筑物 施工期的城门洞型导流隧洞 洪水期泄流的 2 个泄水浅孔和 2 个泄水中孔及滑雪道式溢洪道 3. 引水建筑物 发电引水钢管,直径 4.6 米,采用外包混凝土管坝外背敷设方式

3.4 坝型选择
3.4.1 坝型初选
3.4.1.1 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, 并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。 3.4.1.2 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

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力坝可以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 的河谷都可以修建重力坝;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,所以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。 3.4.1.3 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,厚度可以较小, 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, 拱坝通常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象对其他坝型那样严 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,所以按结构的观点,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

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

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 方案比较
3.4.2.1 计算最大坝高

(1) 波浪三要素计算(采用官厅水库公式)

h5%~10% ?
hz ?
式中:

0.0076 V023 / 12 ( gD / V02 ) g

1/ 3

?h52%~10%
Lm

cth

2?H 1 Lm

Vf——计算风速, 设计情况采用洪水起多年平均最大风速的 1.5~2 倍校核情 况采用洪水期多年平均最大风速; D——库面吹程。 (2) 坝顶高程计算公式 坝顶高程=Max{设计洪水位+△h 设,校核洪水位+△h 校 } 其中
? h ? h5% ?10% ? h z ? hc

h h

5%?10%

——波浪高度

z

——波浪中心线高出静水位的高度 (等级为 1 级时:设计 hc=0.7,校核 hc=0.5)

h ——安全超高
c

经计算得:坝顶高程为 191.14 米 3.4.2.2 重力坝方案

重力坝的尺寸: a.坝顶宽:9.5 米 b.坝底宽:80 米

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c.上游坝坡斜率:0.15 d.下游坝坡斜率:0.731 e. 重力坝的混凝土方量:604262.49m3 3.4.2.3 拱坝方案

拱坝的坝体尺寸: a.坝顶厚度:Tc=8.50 米 b.坝底厚度:TB=25.50 米 c.上游面曲线方程: -40.16(y/H)+31.88(y/H)2 d.下游面曲线方程:各高程的厚度 Ti 由 Tc,TB 内插求得
Ti ? Tc ? TB ? Tc yi H

e.拱坝的混凝土方量:343746.14m3 ,比重力坝节省 43.11%的方量。

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。 1. 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。 2. 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

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

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。

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 9m,高 8m,进口底高程为 164m,出口底高程为 158m;中孔位于水电站进水口 两侧,孔口宽 7.5m,高 7m,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 118m,浅孔反弧半径为 40m,中孔反弧半径为 55m。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角θ = 20? ,导墙厚度为 1m, 浅 孔导墙高度为 6.7m,中孔导墙高度为 8m

3.6 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 66m,宽 10m,安装场长 21m,宽 18m。压力管道的直径为 4.6m,进水口底高 程为 152.4m。

3.7 枢纽总体布置
双曲拱坝的最大坝高为 99.14m, 坝顶宽 8.5m, 坝顶弧长约 354m, 坝底宽 26m。 坝后式厂房,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 152.3m。浅孔位于两岸,孔口宽 8.5m,高 8m,进口底高程为 163m,出口底高程为 153m;中孔位于水电站进水口 两侧,孔口宽 8.0m,高 7m,进口底高程为 134m,出口底高程为 129m。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,浅孔启闭机房高程为 173.5m,中孔启闭机房高程为 146m。泄槽支撑结构采用框架式结构,坎顶高程为 118m,浅孔反弧半径为 40m,中孔反弧半径为 55m。 泄槽直线段的坡度与孔身底部坡 度一致,挑射角θ =20 o,导墙厚度为 1m, 浅孔导墙高度为 6.7m,中孔导墙高度为 8m。过木筏道位于右岸。开关站长 75m,宽 20m,位于左岸。

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水利水电工程专业毕业设计

第四章
4.1 拱坝型式及布置
4.1.1 拱坝剖面设计

拱坝设计

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善坝体应力,初步设 计,采用下列经验公式:

TC ? 0.01?H ? 2.4b1 ?
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) 。

Tmin=3~5m

需要指出:顶部拱圈的厚度,对顶部拱圈和坝下游面上部的应力影响十分明显, 而且顶拱钢度的大小对调整整个坝体的应力,特别是河床部位的梁底(坝踵)应 力也有相当的影响,加大顶拱厚度将有利于减小梁底上游面的垂直拉应力值;相 反,如顶拱两端的岩石较为软弱或坝下游面上部的垂直向拉应力较为显著,顶拱 的厚度取得薄些较为有利。 综合以上取 Tc=8.5 米。 2. 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。通常可参照已建成的坝高和 河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定其尺寸,再通过反复的修改布置和试算,定 出合适的尺寸 本设计采用我国朱伯芳等建议,作为拱坝的优选初始方案: TB=K(b1+bn-1)H/〔σ a〕 式中 K——经验系数,一般可取 K=0.0035 b1、 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) 〔σ a〕——拱的允许压应力(t/m3) H ——坝高 将 A 江拱坝数据代入得 TB=25.5 米。 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: z= -x1(y/H)+x2(y/H)2 式中 x1=2β 1x2 取β 1=0.62 经计算得: x2=β 2TB/(2β 1-1) β 2=0.3 β 1=0.6~0.65 β 2=0.3~0.6

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

上游面的曲线方程为 Z ? ?40.16 ?

y ? y ? ? 31.88? ? ? 99.14 ? 99.14 ?

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
Ti ? TC ? (TB ? TC ) yi H



表 4-1 拱冠梁端面的几层典型拱圈的几何尺寸 截面
1 2 3 4 5 y 0 24.785 49.57 74.355 99.14 H 99.14 99.14 99.14 99.14 99.14 Z上 0.00 -8.05 -12.11 -12.19 -8.28 Z下 8.50 4.70 4.89 9.06 17.22 厚 8.50 12.75 17.00 21.25 25.50 高程 191.14 166.355 141.57 116.785 92

4.1.2 拱坝的布置
(一) 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: 1. 根据地形地质等基本资料,找出坝址可利用岩石等高线。 2. 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。 3. 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 24.785m 为一层,试画出各 层拱圈的水平拱圈线。 4. 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。 5. 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。 (二) 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

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5 ,中心角方向尽可能顺河向。 (三) 拱坝布置的结果: 表 4-2 各层拱圈特性参数 截面 1 2 3 4 5 高程 191.14 166.355 141.57 116.785 92 拱圈厚(m) 8.5 12.75 17 21.25 25.5 左半中 心角(o) 52 51 52 51 37 右半中心 角(o) 54 51 53 46 39 拱轴线 半径(m) 191.40 157.09 127.09 102.06 69.45

o

4.2 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。 1.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:
G?

? A1 ? A2 ?
2

? Rc ? ?h

式中:Rc——混凝土容重,取 2.4t/m3 △h——计算坝块的垂直高度 A1,A2——上、下两端截面的面积。 经计算得拱坝总重量为 824990.736 t。 2.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 50~100 年。计算公式如下:
Ps ?

? 1 ? s hs tan2 (45? ? s ) 2 2

式中 ps——泥沙对上游坝底的水平压强; γ s——泥沙浮容重。取为 0.85t/m3; υ s——泥沙的内摩擦角,为 10o;

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hs——泥沙的淤积高度,为 23m。 经计算得 ps =13.765t/m3 3.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。 其中:△θ =47/(T+3.39) 表 4-3 截面温度变化 截面 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 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: pi=γ 0×y 式中 γ 0——水的容重,取为 1.0t/m3 y——计算点距水面的深度 5. 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α KhCzWii,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 q0 可按式 q0=KhCzFyγ H0 计算,由于 本设计为等截面圆拱的情况,可以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) :
2 ? ? 7 1 ?T ? 2 2 2 Z1 ? ?8 sin 2 ? A ? ? A sin ?2? A ? ? ? A cos?2? A ? ? 2? A ? ? ? ? A sin ?2? A ? ? 2? A cos?2? A ? ? 2 12 ? r ? ? ? ? ?

温升时△θ 3.95 2.91 2.31 1.91 1.63

温降时△θ -3.95 -2.91 -2.31 -1.91 -1.63

?

?

2 ? 2 ? 1 ?T ? 2 2 ? ?2? A ? ? A sin ?2? A ? ? 4 sin ? A ? ? ? 8? A ? 2? A sin ?2? A ? ? 12 ? r ? ? ? ? ?

?

?

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Z0 ?

2 sin ? A

?A

? (1 ? cos? A ) ? Z1 (1 ?

sin ? A

?A

)

拱冠截面的内力: H0=k·γ c·T·r·Z1 V0=0 M0= k·γ c·T·r2·Z0 拱端截面的内力: HA= k·γ c·T·r·(Z1COSφ A+φ Asinφ A); VA= k·γ c·T·r·(-φ Acosφ A+ Z1sinφ A); MA= k·γ c·T·r2·[-φ 式中:γ c——坝体容重; k——地震系数(=α KhCz); T——截面厚度; r——中心轴线半径; φ A——拱圈半中心角; (2). 计算纵向地震激荡力(忽略基础的影响) :
1 2 1 5 ? 2 ?? ? A 2 cos? A ? 2 ? A cos(2? A ) ? 2 ? A sin ? A ? 4 ? A sin(2? A ) ? 2 sin ? A ? 1 1 2 2 2 2 U 0 ? ? sin ? A sin(2? A ) ? ( T r ) ( ?3? A ? 4? A cos? A ? ? A cos(2? A ) ? ?4 12 ?8? sin ? ? sin(2? ) ? 2 sin ? sin(2? )) A A A A A ? A ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?
A

sinφ A-cosφ A+1+Z0+Z1(1- COSφ A) ]

1 2 ? 2 ? 2 ? ?2? A ? ? A sin(2? A ) ? 4 sin 2 ? A ? ( T r ) (8? A ? 2 sin ? A sin(2? A ))? 12 ? ?

5 1 ?1 2 ? 2 2 2 ? A cos(2? A ) ? ? A sin(2? A ) ? 2 sin 2 ? A ? ( T r ) (3? A ? ? A cos(2? A ) ? ? U1 ? 2 4 12 ? ? ??? Asin(2? A) ?
1 ? 2 ? 2 2 2 ? ?2? A ?? Asin(2? A) ? 4 sin 2 ? A ? ( T r ) (8? A ? ? A sin(2? A ))? 12 ? ?

拱冠截面的内力:
H0=q0·Ru·U1; V0=0; M0=q0·Ru·U0·r

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拱端截面的内力:

?? ? H A ? q 0 ? R u ? A sin ? A ? U1 cos? A ? ? 2 ?
VA ? q 0 ? R u (? ?A 1 cos? A ? sin ? A ? U1 sin ? A ) 2 2

? 1 ? M A ? q 0 ? R u ? r ?? ? A sin ? A ? U 0 ? U1 (1 ? cos? A )? ? 2 ?

式中:Ru——拱圈外半径。 (3). 计算横向地震惯性力(忽略基础影响) :
3 1 ? ?2 (4? A sin 2 ? A ? sin(2? A ) ? 2? A ? ?0 ? ?3? A ? sin(2? A ) ? 2? A sin 2 ? A ? ?T r ? 2 12 ? ? 1 ? ?2 (8? A ? 2 sin(2? A ))? ? ?2? A ? sin(2? A ) ? ?T r ? 12 ? ?

拱冠截面的内力: H0=0.0 V0=kγ cTrY0 M0=0.0 拱端截面的内力:

H A ? ?k? c Tr(??0 sin ?A ? ?A cos?A ) VA ? k? c T r(Y0 cos?A ? ?A sin ?A )

MA ? ?k? c Tr2 ?Y0 sin ?A ? sin ?A ? ?A cos?A ?
(4). 计算横向地震激荡力(忽略基础的影响)
3 1 1 ? ?2 ?v ? ? A cos?2? A ??? X 0 ? ?? A ? sin ?2? A ? ? ? A cos?2? A ? ? ?T r ? 4 2 12 ? ? 1 ? ?2 ?8? A ? 2 sin ?2? A ??? ? ?2? A ? sin ?2? A ? ? ?T r ? 12 ? ?

左半拱的内力:
H0=0

V0=q0RuX0 M0=0

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拱端截面的内力:
1 ? ? H A ? q 0 R u ? ? X 0 sin ? A ? ?sin ? A ? ? A cos? A ?? 2 ? ? 1 ? ? VA ? q 0 R u ? X 0 cos? A ? ? A sin ? A ? 2 ? ? 1 ? ? M A ? q 0 R u r? X 0 cos?A ? sin ?A ? ?A cos?A ? 2 ? ?

地震荷载用 Excel 编制表格计算出纵向地震惯性力,纵向地震激荡力,横向 地震惯性力,横向地震激荡力。 表 4-4 地震荷载汇总 拱冠 H0 169.1986 378.7228 318.3593 210.0334 73.78772 VO 33.64361 51.17741 49.03415 33.16637 13.65207 M0 243.03505 532.17795 708.54464 805.21298 561.35698 Ha(+) 110.8998 326.99194 279.718 181.00691 59.553071 Ha(-) 381.9629 593.9635 529.378 388.1942 179.4896 拱端 Va -98.01 -161.3 -165.365 -144.254 -110.322 Ma(+) -3540.61 -4755.63 -4304.47 -3060.78 -1431.58 Ma(-) 4394.159 4770.195 3264.37 718.4673 -650.274

表 4-5 地震应力汇总 拱冠 左拱端 右拱端 上游 下游 上游 下游 上游 下游 40.08856 -0.27712 -280.9826 307.0766 409.8497 -319.976 49.34584 10.06165 -149.8787 201.1716 222.6479 -129.477 33.43728 4.016746 -72.91223 105.8202 98.91226 -36.6325 20.58295 -0.8151 -32.15121 49.18716 27.81438 8.721545 8.073401 -2.28613 -10.87408 15.5449 1.038585 13.03903

6.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。

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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 计算原理和计算方法
4.3.1 计算原理
拱坝应力分析的方法较多,都在不断改进和完善的基础上发展起来的。最早 是用圆桶公式。以后按纯拱理论应用纯拱法,再后来又考虑垂直悬臂梁作用即试 荷载法,随着计算机的发展,薄壳理论、有限单元法、网络松弛法、变分法等计 算方法都已用来计算拱坝的应力。 1. 圆桶法 把拱坝当作一个放在水中的铅直圆筒,采用薄壁圆桶公式进行计算。它只实 用等截面的圆形拱圈,只能求出拱圈上的切向应力,故在本设计中不宜采用。 2. 纯拱法 假定拱坝由一系列各自独立,互不影响的水平拱圈组成,每层拱圈简化为两 端固结的平面拱,用结构力学的方法求解。该方法忽略了拱坝的整体稳定,算出 的拱应力偏大,误差很大,故也不宜采用。 3. 拱梁分载法 该法是目前用于拱坝应力分析的基本方法。该方法在一定程度上反映了拱坝 的整体作用。基本概念是把拱坝看做由一系列的水平拱圈和铅直梁所组成,荷载 由拱和梁共同承担, 根据拱梁交点处变位一致的条件, 确定拱梁系统的荷载分配。 然后梁按静力结构计算应力,拱按弹性拱的纯拱法计算应力。 4. 拱冠梁法 取拱冠处的一根悬臂梁,根据拱圈和拱冠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
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拱冠梁所分配到的荷载代表全部梁系的受力情况。较实用于对称和狭窄河谷中修 建的拱坝。本设计中采用该法进行计算。 拱冠梁法计算应力的变形协调方程: ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xiδ i= Piδ i+Δ Ai-Δ Bi 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; δ 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; Δ Ai——第 i 层拱圈由于该层均匀温度变化Δ θ 时在拱冠处的径向变位; Δ 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=1,2,3,4,5 在求得梁荷载 xi,拱荷载(Pi- xi)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。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。

4.3.2 计算方法
拱冠梁法的主要步骤是: ① 选定若干拱圈, 分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向 荷载作用下的变位,这些变位称为“单位变位” ; ② 根据各共轭点拱梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载 强度的要求建立变位协调方程组; ③ 将上述方程组联立求解,得出各点的荷载分配; ④ 根据求出的荷载分配值,分别计算拱冠梁的内力和应力。

4.4 应力与强度分析(电算,手算)
4.4.1 应力控制指标
1. 压应力 混凝土的容许压应力等于混凝土的极限抗压强度除以安全系数。基本荷载组 合安全系数采用 4.5; 特殊荷载组合安全系数采用 4.0, 当特殊组合中考虑地震荷

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载时容许压应力可比静荷载下有所提高,但不超过 30%。 2. 拉应力 对于基本荷载组合,混凝土的容许拉应力不得大于 1.2MPa;对于特殊组合, 混凝土的容许拉应力不得大于 1.5MPa;当特殊荷载组合中考虑到地震荷载时,容 许拉应力可适当提高,但不超过 30%。

4.4.2 电算
表 4-6 梁拱应力电算结果(正常水位+温降) (单位:t/m2) 截 面 1 2 3 4 5 拱冠 上游 237.27 290.71 290.11 220.78 91.72 下游 145.28 118.77 68.62 11.25 -54.76 上游 110.26 63.54 15.17 41.39 -38.68 拱端 下游 278.07 248.60 212.83 137.39 -72.17 上游 0.00 59.96 79.46 42.44 91.72 悬臂梁 下游 0.00 51.31 124.90 234.41 404.66

表 4-7 梁拱应力电算结果(设计水位+温升) (单位:t/m2) 截 面 1 2 3 4 5 拱冠 上游 268.40 294.25 291.56 231.33 119.16 下游 208.01 170.17 120.27 44.71 6.81 拱端 上游 185.02 130.31 78.93 20.47 7.02 下游 295.17 261.35 229.23 162.12 79.22 上游 0.00 84.00 114.51 87.37 5.67 悬臂梁 下游 0.00 27.81 90.09 187.76 317.29

表 4-8 梁拱应力电算结果(校核水位+温升) (单位:t/m2)

截 面 1 2 3 4 5

拱冠 上游
296.14 322.27 314.33 245.27 123.83

拱端 下游
227.40 184.01 127.66 45.75 -8.17

悬臂梁 下游
326.62 286.22 247.10 171.93 82.61

上游
201.22 139.60 82.61 19.83 6.32

上游
0.00 90.38 112.10 74.75 -15.23

下游
0.00 23.31 95.75 203.85 341.97

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4.4.3 手算
4.4.3.1 拱冠梁法计算拱梁荷载分配 (1) 变形协调方程为 ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xiδ i= Piδ i+Δ Ai-Δ Bi 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 δ 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 Δ Ai——第 i 层拱圈由于该层均匀温度变化Δ θ 时在拱冠处的径向 变位 Δ 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 i——1,2,3,4,5 Pi、xi——分别为第 i 层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载 (2) 计算步骤 1. 拱圈变位系数δ i 的计算及均匀温降Δ θ 时的Δ Ai 的计算: δ i=Δ γ 0(R/EC) 式中:Δ γ 0——可由拱圈的Φ 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。 Δ Ai=Δ γ 0(RCΔ θ ) 式中:Δ γ 0——可由拱圈的Φ 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; Δ θ ——第 i 层拱圈的均匀温度下降值。 Δ θ =47/(T+3.39)( C) T——第 i 层拱圈的拱厚。 经计算得
o

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表 4-9 各层拱圈的δi 与ΔAi 的结果 截面 高程 拱厚 T 半径 R T/R 半中心角 ΦA △γ
o

1 191.14 8.5 191.4 0.044 53 -49.2023 -9417.42 3.953 0.00605 -1.842 -24525.5

2 166.355 12.75 157.09 0.081 51 -26.2251 -4119.65 2.912 0.00366 -1.769 -14244.9

3 141.57 17 127.09 0.134 52.5 -16.3749 -2081.09 2.305 0.00234 -1.661 -8565.99

4 116.785 21.25 102.06 0.208 48.5 -10.0703 -1027.76 1.907 0.00156 -1.375 -4712.45

5 92 25.5 69.45 0.367 38 -4.5137 -313.471 1.627 0.0009 -0.701 -1394.59

δ i(1/Ec) 均匀温降 △θ R*C*△θ △γ o △Ai

2. 垂直荷载作用下引起的梁的径向变位Δ Bi 的计算: 垂直荷载(坝重、水荷载)作用下由于弯矩引起的变位Δ BiI Δ BiI=Ω iyi 式中:Ω i——垂直荷载作用下 i 截面以下 M/ECI 图的面积; yi——Ω i 面积形心至 i 截面的距离。 由于梁基变形产生的拱冠梁径向变位 Δ BiⅡ Δ BiⅡ=θ xhi+Δ γ 仅垂直荷载时 θ x= Mxα 表 4-10 Hi 99.14 74.355 49.57 24.785 0
f

Δ γ f= Mxα Δ BiⅡ/Ec -2158.99 -1636.92 -1114.86 -592.79 -70.72

2

垂直荷载下梁的径向变位△Bi 的计算结果(单位:m) Δ BiⅠ/Ec 4982.397 2279.235 397.348 -190.946 0 Δ Bi/Ec 2823.41 642.31 -717.51 -783.74 -70.72

3. 第 i 层截面处水平径向总荷载 pi 的计算结果: p1=0 p2=18.645 t/ m2 p3=43.43 t/m2 p4= 66.25 t/m2 p5w= 93 t/m2

4. 梁变位系数 aij 的计算结果:

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表 4-11 梁变位系数 aij a11 a12 a13 a14 a15 5342.9820 6839.5273 4195.5488 1498.8598 231.0251 a21 a22 a23 a24 a25 3810.5646 5696.7034 3016.2094 1122.2079 187.5487 a31 a32 a33 a34 a35 1835.8597 2939.5758 1686.1793 792.3851 144.0957 a41 a42 a43 a44 a45 637.0365 1065.6627 751.9745 428.7377 100.6427 a51 a52 a53 a54 a55 77.1276 142.0898 124.4077 106.5328 47.3282

5. 根据 ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xiδ i=Piδ i+Δ Ai-Δ Bi 求解得表如下 表 4-12 拱梁荷载分配表(单位:kpa)
截面编号

1 -9.1475 9.1475

2 -4.3265 22.9715

3 22.2167 21.2133

4 40.9779 27.2371

5 80.3284 26.4366

梁荷载 Xi 拱荷载 Pi-Xi

4.3.3.2 拱梁应力分配 表 4-13 梁拱应力汇总表(正常水位+温降+地震) (单位:t/m2) 截 面 1 2 3 4 5 上游 σu 319.41 455.06 289.70 251.05 118.08 拱冠 下游 σd 177.71 179.00 55.95 -16.59 -53.23 上游 σu -143.71 -65.82 -82.20 -99.41 -62.90 左拱端 下游 σd 629.22 700.56 435.42 353.22 148.65 上游 σu 547.13 306.70 89.63 -39.44 -50.99 右拱端 下游 σd 2.17 369.91 292.97 312.75 146.15

通过应力计算,应力均满足规范要求。

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4.5 坝肩稳定验算
4.5.1 验算原理
4.5.1.1 基本资料 由于拱坝所承受的大部分荷载都是通过拱的作用传递到两岸拱座岩体上,坝 体重量对维持坝体稳定不起主要作用, 因此坝体体积较小, 并有较强的超载能力。 拱坝所具有的一切优点均建立在坝肩稳定的基础上,故在拱坝设计中,必须保证 坝肩稳定。 拱坝坝肩稳定分析相对较为复杂,它与地形和地质构造等因素有关。一般可 分为两种情况,即① 存在明显滑裂面的滑动问题;② 不具备滑动条件但下游存 在较大软弱带或断层时的变形问题。 对第① 种情况, 其滑动体的边界常由若干个 滑裂面和临空面组成,滑裂面一般为岩体内的各种结构面,尤其是软弱结构面, 临空面则为天然地表面,滑裂面必须在工程地质查勘基础上,经初步研究得出最 可能的滑动形式后确定,然后根据此进行滑动稳定分析。对于第② 种情况,即拱 座下游存在较大的断层或软弱带时的变形问题,必要时应采取加固措施以控制其 变形,加固的必要性和加固方案可以通过有限元分析,比较论证后确定。 在拱坝坝肩稳定分析前应进行以下几项工作: ① 深入了解两岸岩体的工程地 质和水文地质勘察资料; ② 了解岩体、 结构面及其中充填物的岩石力学特性等试 验条件和试验参数;③ 研究和确定作用在拱座上的空间力系;④ 研究选择合理 的分析方法。分析方法采用刚体极限平衡法进行分析。 采用刚体极限平衡法进行分析基于以下假定:① 将滑移的各块岩体视为刚 体,不考虑其中各部分的相对位移;② 只考虑滑移体上力的平衡,不考虑力矩的 平衡,在坝端作用的力系中也不考虑弯矩的影响,认为拱端作用在岩体上的力系 为定值;③ 忽略拱坝的内力重分布影响,认为拱端作用在岩体上的力系为定植; ④ 达到极限平衡状态时, 破裂面上的剪力方向与将产生滑移的方向平行, 指向相 反,数值达到极限值。 验算整体稳定的计算公式。由两个破裂面 F1 和 F2 切割出的岩体楔体,承受 自重 W,坝体作用力 P(有坝体应力分析成果得到) ,破裂面上的渗透压力 U1、U2 以及其他已知外力(如地震惯性力等) 。为了平衡这些荷载,在破裂面上一定存在 反力,包括法向反力,R1- U1、R2-U2 和切向力(破裂面上的剪力)S1、S2,当楔体 达到极限平衡时, S1 和 S2 方向平行, 指向反抗滑移的方向故可取其代数和 S=S1+S2。 如果已求出除渗透压力以外的所有荷载作用下的法向反力 R1、R2,则根据安全系 数 Kc 的定义:

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KC=

f ( R1 ? U 1 ) ? f ( R2 ? U 2 ) ? cA1 ? cA2 S

拱坝坝肩的稳定安全系数只要取决于两岸的地形地质条件,该坝坝址处地质 构造简单,无大的地质构造,缓倾角节理延伸较短,整体滑动的可能性较小,故 可不进行整体稳定验算。但由于在河谷左右岸各有走向互相垂直的两组节理,因 此该坝坝趾处采用平面稳定分析。

ψ

(a)A-A平面
图 4-1 4.5.1.2 主要作用力计算 (1) 坝体对坝头岩体的作用力

(b)立视展开
平面稳定分析计算简图

单位高拱圈拱端轴力 Ha、剪力 Va;单位宽度梁的梁底径向剪力 Vb,切向剪力 Qb 及铅直力 G. 1. 沿拱轴向作用的合力为:

H ? H a ? Qb tg?
2. 沿拱轴径向作用的合力为:

V ? Va ? Vb tg?
3. 铅直力为:
W ? Gtg?

式中:ψ ——拱座面与垂线的交角。 α ——拱端径向与滑动面的夹角; (2) 岩体自重 岩体体积可采用“竖向切条法”计算。为简化,也可不计,偏于安全。 (3) 渗透压力

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

渗透压力是坝头稳定分析的重要荷载之一,它与地质条件及地基处理措施有 关,计算时从上游面起假定呈线性分布作用于滑裂面上,遇到帷幕排水时进行折 减。

4.5.1.2 坝肩抗滑稳定计算 在明确滑动面和荷载后,用刚体极限平衡法进行坝肩稳定计算,左右岸各分 五层分别按下列式子进行计算: S=Hsinα +Vcosα N=Hcosα -Vsinα P=NcosΨ +GsinΨ -U K=(f1P+CLsecΨ +f2WsinΨ )/s 本工程地质资料实测得 f1=0.75, f2=0.75

4.5.2 验算工况
工况Ⅰ:校核水位+温升; 工况Ⅱ:正常水位+温降+地震

4.5.3

验算结果
表 4-14 工况Ⅰ的抗滑稳定安全系数 K 截 面 1 2 3 4 5 左半拱 3.21 2.79 4.28 4.25 4.41 抗滑稳定安全系数 K 右半拱 3.11 2.79 4.28 4.42 4.42

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水利水电工程专业毕业设计

表 4-15 工况Ⅱ的抗滑稳定安全系数 K 截 面 1 2 3 4 5 左半拱 3.07 2.72 4.45 5.22 6.79 抗滑稳定安全系数 K 右半拱 2.67 2.56 4.12 5.14 6.60

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

第五章 泄水建筑物设计
5.1 基本资料 5.2 泄水建筑物组成与布置
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 7.5m,高 7m,进口底高程为 164m,出口底高程为 158m;中孔位于水电站进水口 两侧,孔口宽 9m,高 8m,进口底高程为 135m,出口底高程为 130m。

5.3 泄槽设计
5.3.1 泄槽尺寸
5.3.1.1 浅孔设计 1. 进口段 采用椭圆三向收缩矩形进口,顶部曲线方程为:
x2 y2 ? ?1 9 2 32

侧曲线方程为

x2 y2 ? ?1 4.5 2 1.5 2

底部与两侧采用圆弧形连接,圆弧半径为 10.0m。 2. 孔身 因坝体较薄,尽管圆形断面优于矩形端面,但无法设置渐变段。故采用矩形 孔口以便闸门的布置和施工。工作闸门设在出口,为弧形闸门。 3. 槽身设计 ⑴.坎顶高程 经调洪演算知下游最高水位为 114.033 米,在加上坎顶应高出下游最高水 位 2~5 米,最终确定坎顶高程为 118 米。 ⑵. 坎上水深

T ? hc ?
根据水力学公式:

q2 2 g? 2 hc
2

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水利水电工程专业毕业设计

式中:T——上游设计水位至坎顶高程; q——单宽流量; Ф ——流量系数。 经计算,可得坎上水深浅孔为 5.078 米,中孔为 6.324 米。 ⑶. 反弧半径 反弧半径一般取为(6~10)倍的坎上水深,计算得浅孔 40 米,中孔 55 米。 4. 挑射角 α =200 5. 导墙设计 泄槽内部宽度与孔口宽度保持一致, 在溢洪道与相邻非溢流坝段连接处设墩, 也是溢流坝两端的闸墩。边墩向下延伸成导墙,墙厚应由结构计算确定,一般位 0.5~2.0m。导墙应高出泄水渗气高度以上 1~1.5m。 掺气水深可按下式计算:

?v ? ? hb ? ?1 ? ?h ? 100?
式中 h—不计入波动及掺气的水深; v—不计入波动及掺气的计算端面上的平均流速;

? —修正系数,值为 1.0s/m~1.4s/m,视流速和断面收缩情况而定,当流
速大于 20m/s 时,宜用较大值。 导墙高度经计算取为 ha=9.5 米。导墙厚度取为 1.0 米。 5.3.1.2 中孔的设计 1. 进口段 采用椭圆三向收缩矩形进口,顶部曲线方程为:
x2 y2 ? ?1 7.5 2 2.5 2

侧曲线方程为

x2 y2 ? ?1 3.6 1.2 2

底部与两侧采用圆弧形连接,圆弧半径为 10.0m。 2. 孔身 底坡 1:3,顶坡 1:2.5,弧形闸门设置于出口。 3. 槽身设计

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

⑴. 坎顶高程 经调洪演算知下游最高水位为 114.6 米, 在加上坎顶应高出下游最高水位 2~ 5 米,最终确定坎顶高程为 118 米。 ⑵. 坎上水深 根据水力学公式:

T ? hc ?

q2 2 g? 2 hc
2

式中:T——上游设计水位至坎顶高程; q——单宽流量; Ф ——流量系数。 经试算可得坎上水深为 7.29 米。 ⑶. 反弧半径 反弧半径一般取为(6~10)倍的坎上水深,计算得 55 米。 4. 挑射角 θ =200 5. 导墙设计 导墙高度经计算浅孔取为 6.7 米,中孔取为 8 米。

5.4 消能与防冲
5.4.1 挑距计算
L=

1? 2 2 v1 sin ? cos? ? v1 cos? v1 sin 2? ? 2 g (h1 ? h2 ) ? ? ? ? g?

v1——坝顶水面流速(m/s)可取为坝顶平均流速的 1.1 倍。 α ——鼻坎挑射角度。 h1——坝顶平均水深 h 在铅直方向的投影。h1=hcosα h2——坝顶至河床表面高差, 如冲坑已经形成, 作为冲坑进一步发展时, 可算至坑底。 G——重力加速度

5.4.2 冲坑计算

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水利水电工程专业毕业设计

hk= 3 tr=2.44Krhk H

q2 g
-t

0.89 0.11

5.4.3 防冲评价
5.4.4

满足 2.5〈L/tr 的要求。

消能率计算

对冲消能主要研究对冲点处水舌相撞的动能损失。由理论力学可知,塑性对 心正碰撞令 m1=ρ q1,m2=ρ q2,ρ 为水的密度。X,y,z 三个方向计算碰撞体的

?Ty ?
动能损失为:

?
2

?

q1q2 ?v1 cos?1 sin?1 ? v2 cos? 2 sin? 2 ?2 q1 ? q2

?Tx ?
?Tz ?

?
2

?
?

q1q2 ?v1 cos?1 sin?1 ? v2 cos? 2 sin? 2 ?2 q1 ? q2
q1q2 ?gt1 ? v1 sin ?1 ? gt2 ? v2 sin ? 2 ?2 q1 ? q2

?
2

△T=△Tx+△Ty+△Tz

如忽略水流挑离鼻坎至交绘处的阻力损失,则碰撞前的总动能为
T?

?

?q v 2

2 1 1

? q2v2

2

?

交汇点的消能率为:

??

?T T

5.4.5 消能防冲计算成果
表 5-1 孔 口 类 型 尺寸(宽 ×高) 单宽流量 q (m3/s) 消能防冲计算成果表

挑角θ (0)

挑距 L 冲坑深度 (m) tr(m)

L/tr

防冲

消能率

评价 ? (%)

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浅 孔 中 孔

7.5× 7

170.6

20

150.7735

16.116 9.3553 安全

32.0

9× 8

210.37

20

152.2789 20.3304 7.4902 安全

33.47

5.5 泄水孔口应力及配筋
5.5.1 计算原理
将坝内孔口视为无限弹性体中小孔进行计算

5.5.2 孔口作用力

轴向力 弯矩 剪力

扭矩

图 5-1 坝体内力换成均匀 分布
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水利水电工程专业毕业设计

1.孔口附近的坝体应力,如孔口较小,可取无孔口时的孔口形心处的坝体应 力数值; 2.孔内水压力,取下游闸门关闭时孔内最大水压力作为设计荷载; 3.孔口内外温差,孔内温度取最低水温,坝外取坝体稳定温度。 上述三种荷载的作用方向不一定相同,应采用矢量相加。 坝体内力中的轴向力 N、剪力 S、弯矩 M、扭矩 Mt 可换算成均布发向力和剪 力,如图 5-1 所示。 轴向力在孔口形心处分布不均匀时,可以分为均布和三角形分布两部分,前 者为均布应力,后者为应力梯度。见图 5-2。 图 5-2 不均匀轴向力换算成均匀和三角形两部分

y p p

p x

(1)两向均匀拉力

(2)σ x=σ y=-p

(3)均匀内水压力

图 5-3 孔内均匀水压力化为两向均布外拉力 横向剪力 Q 因与孔口截面正交,计算时略去。 孔内均布水压力按图 5-3 化为两向均布外压力来计算。

5.5.3 矩形孔口的应力计算
将矩形孔口置于σ x=Px,σ y=Py 和τ xy 的均匀应力场中,测定 1-6 线上的正 应力。见图 5-3。应用有关表格,先求出矩形孔口中心处的三个应力σ x,σ y, τ xy,然后将表中系数分别乘上这三个应力,并将水压、坝体应力、温度等作用 结果叠加,即得各射线上的正应力。

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表 5-2 孔口应力计算成果表 浅孔进口 ρ 0° 1 45° 90° 0° 45° 90° 0° 45° 90° 0° 45° 90° 浅孔出口 中孔进口 中孔出口

28.76 743.3 79.23 -122.4 1486 356.6 74.62 1026 31.47 121.1 1779 114.9

0.95 40.50 368.8 86.62 -82.81 742.5 354.9 86.27 497.4 46.83 143.9 876.8 138.2 0.9 52.13 246.1 94.44 -45.40 498.8 356.2 98.36 324.2 62.18 167.1 581.1 161.9 0.85 62.78 188.3 101.6 -11.09 383.8 357.2 109.4 242.5 76.23 188.3 441.6 183.5 0.8 71.78 155.3 107.3 19.13 318.3 356.2 118.4 196.0 88.02 205.8 362.1 201.5 0.75 78.62 134.4 113.4 44.27 276.5 359.2 124.6 166.3 98.79 218.4 311.4 219.0 0.7 83.10 119.8 112.7 63.78 247.8 344.8 127.7 145.9 102.4 225.6 276.6 222.0 0.65 85.24 109.3 112.3 77.49 227.0 334.6 127.8 131.1 104.7 227.6 251.4 224.3 0.6 85.34 101.4 110.3 85.82 211.2 322.4 125.5 119.9 104.2 225.1 232.2 222.1 0.55 83.83 95.14 107.0 89.50 198.8 309.1 121.4 111.1 101.6 219.2 217.2 216.4 0.5 81.20 90.08 102.9 89.57 188.7 295.8 116.1 104.0 97.49 211.1 204.9 208.4 0.45 77.94 85.86 98.61 87.06 180.4 283.3 110.3 98.02 92.59 201.9 194.8 199.3

配筋计算: 由表可知孔口 45°和 90°两条线没有出现大的拉应力, 在 0°线上距孔边处 由于应力集中出现较大的拉应力,因此以 45°线上最大拉应力来进行配筋计算。 45°和 90°两条线以最小配筋率 0.1%来配筋。
根据《坝内的孔口与廊道》中的配筋计算方法是按照孔口拉应力分布,算出拉应力总值 P, 在 P 中可以扣除混凝土可以承担的部分,然后用 P 除以钢筋的容许应力[σ s]得出配筋面积

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水利水电工程专业毕业设计

第六章

坝体细部构造及地基处理

6.1 坝体构造与细部结构设计
6.1.1 坝体与坝面
坝顶高程为 191.14m,在坝体横缝处留伸缩缝并设止水。坝顶下游侧 设置栏杆。坝顶宽度为 8.5m,布置有双线公路。坝顶路面有横向坡度,以 便排除坝顶路面积水。排水系统采用暗沟排入水库内。由于本坝址地震烈度 为 7°,故工作桥与坝体整体连接。

6.1.2 坝体分缝
为了防止混凝土产生裂缝,拱坝坝体设置横缝,在平面图是位于射线 方向的扭曲竖面从坝底向上升至坝顶,贯穿坝的整个横断面。横缝的主要功 能是:把相邻的坝段分割开,不相连接,以适应所在河谷的地形和地质的变 化,满足施工期内沉陷的需要;浇注混凝土的温升和气温变化,将使坝段胀 缩,横缝则可以听其自由变形,且又便于散热,以满足防止开裂的需要;分 段分块,浇筑方便,可满足施工的需要。 由于双曲拱坝在水平面上是按整体拱圈设计的,所以横缝是临时性构 造。达到封拱温度时,进行压力灌浆,把所有横缝一律严密填塞封闭,恢复 整体的拱圈原形,以符合设计规范。灌浆后的横缝除应保证其整体性的强度 外,还应具有防渗性。该种横缝只须附设止浆片和注浆有关的管阀,不需要 永久性的止水装置。 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。而该设计中,拱坝底宽为 25.5m, 小于 40m,故可不设置纵缝。

6.1.3 坝内廊道和坝后工作桥
1 坝内廊道 由于拱坝坝体应力较高,廊道对其周围的坝体应力有较大的影响。为 避免过多的削弱坝体,对于中等厚度的薄拱坝,可不设置廊道,或只设置一 层灌浆廊道,而将检查、观测、交通及封拱灌浆工作移至后桥上进行。 基础帷幕灌浆廊道在平面上沿拱圈或弧形布置在坝踵附近,两岸沿岸

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

坡上升至一定高程终止,与横向廊道接通至下游坝外。该工程中两岸岸坡较 陡,为 40°~60°,应在廊道内设置安全平台与扶手。基础灌浆廊道底部 混凝土板厚度为 5m。其上游壁离上游坝面的距离一般约(0.05~0.1)倍坝 面作用水头,且不小于 4~5m,该工程中最小处取为 4m,廊道断面采用上圆 下方的城门洞型,宽为 3m,高为 4m。 坝内廊道应有适宜的通风和良好的排水条件,并需要安装足够的和安 全的照明设备。由于廊道在一定程度上削弱了坝体断面,会引起应力集中。 可能在其周围产生局部拉应力,应在廊道周围配置钢筋。 2 坝后工作桥 在拱坝上半部设置坝后工作桥以减免坝内廊道,作为坝体交通、封拱 灌浆和观测之用。坝后工作桥与坝体整体连接。坝后工作桥的宽度一般取为 1.2~1.5m,每层间隔为 15~30m。坝后工作桥伸缩的位置与坝的横缝一致, 以适应坝的变形,缝宽 1~3cm。本设计中取坝后工作桥宽为 1.5m。

6.2 坝基处理
6.2.1 坝基处理的一般要求
其要求如下: ①足够的整体性、强度、和变形模量,能承受拱坝传来的力和各种荷 载,保证稳定安全,并且不发生过大或不均匀的变形; ②有足够的抗渗性和有利的渗流场,满足渗透坡降的要求,降低孔隙 水压力等; ③有足够的耐久性,以防止在水的长期作用下基岩性质发生恶化; ④坝体与基础接触面的形状适宜,避免不利的应力分布。

6.2.2 地基的处理和开挖
1. 坝基的开挖 坝基开挖的深度,应根据坝基应力情况,岩石强度及其完整性,结合 上部结构对基础的要求研究确定。一般而言,高坝应开挖至新鲜岩面或微风 化的下部基岩,中坝应尽量开挖至微风化或弱风化的中下部基岩。该工程坝 高 100m,属于高坝范围,故应开挖至新鲜或微风化岩面。整个坝基利用岩 石的纵坡应平顺而无突变。河床覆盖层原则上应全部挖除,如遇困难,应在 结构上采取措施。 坝基开挖的边坡必须保持稳定。在顺河向,为保持坝体的抗滑稳定,

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水利水电工程专业毕业设计

不宜开挖成向下游倾斜的斜面,必要时可开挖成风级平台或向上游倾斜面: 两岸岸坡应开挖成台阶形,以利用坝体侧向的稳定:基坑开挖轮廓应尽量平 顺,避免有高差悬殊的突变,以免应力集中造成坝体裂缝:当地基中有软弱 夹层存在,且用其他措施无法解决时,也应挖除。 为保持基岩的完整性,避免开挖爆破震裂,基岩应分层开挖。当开挖 到设计高程 0.5~1.0m 时,应用手风钻造空,小药量爆破。如基岩较软弱, 也可利用人工借助风镐清除。 基岩开挖后,在浇筑混凝土前,需进行彻底的清理和冲洗,清除一切 松动的岩块,打掉突出的尖角。机坑中原有的勘探钻孔井、洞等均应回填封 堵。 2. 坝基灌浆 坝基灌浆分为固结灌浆和帷幕灌浆。 ① 固结灌浆 即采用浅孔低压灌注泥浆的方法对坝基进行加固处理。其目的是提高基岩 整体稳定性和弹性摸量,减少基岩受力后的变形,并提高基岩的抗压抗剪强度; 降低坝基的渗透性,减少渗透量;在帷幕灌浆旁的固结灌浆还可以提高帷幕的 灌浆压力。 固结灌浆的范围根据大坝基础的地质条件,基岩的受力条件以及岩石的破 碎情况等而定。该工程坝基岩石为花岗岩,风化较浅,岩性均一,新鲜坚硬完 整,岩石教好,故仅在坝基内的上游和下游应力较大的地区进行固结灌浆。 固结灌浆孔的布置常采用方格形或梅花形排列,孔距和排距应根据地质条 件并参照灌浆实验确定。为提高灌浆效果,尽可能使钻孔方向和主要裂隙面正 交。灌浆压力是决定灌浆效果的重要因素,应根据岩面裂隙发育程度,浆液的 浓度以及孔深等因素确定。 ② 帷幕灌浆 在靠近上游坝面布设一排或几排钻孔,利用高压灌浆填筑基岩内裂隙和孔 隙等渗水通道,在基岩中形成一道相对密实的阻水帷幕。其目的是降低坝基的 渗透压力,减少渗透流量;防止坝基内产生机械或化学管涌。帷幕灌浆材料目 前最常用的是水泥浆,具有结石体强度高,材料廉价和施工方便等优点。 防渗帷幕的深度应根据基岩的透水性,坝体承受的水头和降低渗透压力的 要求来决定。 当坝基下不深处存在明显的相对不透水层时,防渗帷幕应深入相对不透水 层 3 ~ 5m , 而 且 由 于 该 拱 坝 为 高 坝 , 要 求 相 对 不 透 水 层 的 单 位 吸 水 率 <0.01L/min.m, 从而形成理论上的封闭阻水帷幕。 该工程中相对不透水层为 15m, 因此防渗帷幕长度取为 20m。

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

防渗帷幕厚度取为 20m,为减少两岸绕坝渗流的不利影响,保证两岸边坡的 稳定,帷幕灌浆需从河床向两岸延伸一定的范围,形成一道从左至右的防渗帷 幕。

6.2.3 坝基排水孔
坝基虽已进行帷幕灌浆,但并不能完全截断渗流。为了收集并排走地基渗 透过来的水,进一步降低压力,需在防渗帷幕后设置排水孔,在帷幕灌浆完成后 钻空,以免浆液堵塞。孔距 2~3m,孔径 15~20cm。孔深采用帷幕深度的 1/2~ 1/3,方向略倾向下游。

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水利水电工程专业毕业设计

参考文献
⒈《水工建筑物》左东启 王世夏 林益才主编 河海大学出版社 ⒉《毕业设计参考资料 拱坝》1984 年 1 月 华东水利学院河川系水工教研组 ⒊《拱坝》黎展眉编著 1982 年 12 月 水利电力出版社 ⒋《水利水电工程专业毕业设计指南》索丽生 任旭华 胡明编著 2001 年 中国水 利水电出版社 ⒌《拱坝泄洪与消能的水力设计和计算》艾克明编著 1987 年 水利电力出版社 ⒍《水利水能规划》周之豪等编 1997 年 中国水利水电出版社 ⒎《水电站》刘启钊等编 1998 年 中国水利水电出版社 ⒏《拱坝》沈长松编 河海大学出版社 ⒐《水工设计手册(混凝土坝) 》水利水电规划设计总院 1987 年 水利电力出版 社 ⒑《拱坝设计》美国垦务局著 拱坝设计翻译组译 1984 年 6 月 州人民出版社 ⒓《水工建筑物荷载设计规范 DL5077-1997》 ⒔《混凝土重力坝设计规范 SDJ21-78》 ⒕《混凝土拱坝设计规范 SD145-75》 水利电力出版社 ⒒《拱坝坝肩岩体稳定分析》王锍泰 周维垣 毛健全 顾悦编著 1982 年 11 月 贵

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A 江水利枢纽——百米级拱坝设计

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