公伯峡混凝土重力坝设计

毕业设计 （ 论文 ）题 目 公伯峡混凝土重力坝设计及坝 体应力、变形二维有限元分析专 业 水利水电工程 班 级 学 生 指导教师 2016 年1摘 要公伯峡水电站枢纽位于青海省循化撒拉自治县和化隆回族自治县交界处。电站以发电为主，兼顾灌溉及供水。该工程属一等大()工程。永久性挡水和泄水建筑物设计洪水标准为五百年一遇，校核洪水标准为万年一遇或可能最大洪水。本毕业设计的主要内容包括：对所给工程资料和有关工程地质条件进行分析，对坝址、坝轴线、坝型进行选择和整体枢纽布置；利用所学知识和所给水文气象资料进行调洪演算，确定特征水位及相应的特征库容；根据调洪演算的成果确定坝顶高程；根据水工建筑物的相关知识进行非溢流坝剖面拟定，根据安全系数法和极限状态分项系数法进行抗滑稳定、强度验算；进行溢流坝剖面拟定、根据水力计算的相关知识进行溢流坝水力计算；泄水排沙底孔剖面拟定、水力计算；根据细部构造的相关规范规定进行细部构造设计；进行专题（坝体应力、变形二维有限元分析）的设计。关键词：混凝土重力坝；公伯峡；有限元分析；抗滑稳定ABSTRACTThe hub of the Gongboxia Hydropower Station is located in the junction of Xunhua Hua and long Hui Autonomous County in Qinghai Province. This hydropower station is focused on generating electricity, taking into account the irrigation and water supply. The project is the 1st class project of big () type. The design flood standards of Permanent retaining water and discharge structure are in five hundred years, and the check flood standard is in million years or probable maximum flood.The main content of this graduation design includes these following points: selecting the site, axis, type of the dam and general hub layout according to those given engineering data and related engineering geological conditions to analyse, using the knowledge and hydrological and meteorological data to carry on flood routing, determining the characteristic water level and the corresponding capacity, deciding the crest elevation according to the characteristics of flood routing; proposing the non-overflow section according to the related knowledge of hydraulic structures, carrying out the anti-slide and stability calculation based on the safety factor method and partial coefficient method; proposing the overflow section and making hydraulic calculation; making calculation of discharge desilting bottom and hydraulic calculation; designing the specification according to the relevant provisions of the detailed structure; carrying out special project design (two-dimension finite element analysis of dam deformation and stress). 第 1 章 绪论1.1 工程概况公伯峡水电站是黄河干流上游龙羊峡至青铜峡河段中，接龙羊峡、拉西瓦、李家峡之后的第四座大型梯级电站。枢纽位于青海省循化撒拉自治县和化隆回族自治县交界处，距循化县城 25km，距西宁公路里程153km（直线距离 95km） 。公伯峡水电站以发电为主，兼顾灌溉及供水。该工程属一等大()工程。永久性挡水和泄水建筑物设计洪水标准为五百年一遇，校核洪水标准为万年一遇或可能最大洪水。1.2 工程特性表本工程的部分工程特性值，见表 1-1。表 1-1 公伯峡水电站工程特性表工程规模等别 建筑物级别 1地震烈度 7总库容 亿 m 5.5调洪库容 亿 m 0.75死库容 亿 m 4.75校核洪水位 m 2008.40 校核洪水位 m 2005.99 正常蓄水位 m 2005.00 水库死水位 m 2002.00 坝底高程 m 1875.00 最大坝高 m 133.84 最大坝长 m 582.55 坝顶宽度 m 11 非溢流坝段下游侧坡比 1:0.8溢流坝段堰顶高程 m 1995.20 溢流坝最大泄量 m/s 7477.50 单宽流量 m/(s*m) 93.47 溢流坝段溢流坝净宽 m 80鼻坎反弧段半径 m 18消能方式 挑流消能进口中心高程 m 1985孔口尺寸 m*m 2*2底孔最大泄量 m/s 81.68底孔消能方式 m/(s*m) 挑流消能第 2 章 水文气象2.1 流域概况黄河发源于青海省巴颜喀拉山北麓各恣各雅山下的卡日曲。流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东九省（区） ，于山东省恳利县、利津两县之间汇入渤海。干流全长 5464 km，全流域面积752443 km2 。黄河公伯峡水电站坝址位于青藏高原东部，青海省循化县与化隆县境内黄河干流的公伯峡峡谷出口段，是龙羊峡青铜峡河段梯级开发规划报告中的第 4 个大型梯级水电站。距上游李家峡、龙羊峡水电站坝址分别约为：76 km 和 184.6 km，距上游贵德水文站 140.6 km。坝址上游 22km 处有隆务河汇入。距下游循化县城及循化水文站约 25 km。公伯峡坝址控制流域面积 143619 km2，多年平均径流量 221 亿 m3，占全流域面积的 19.1%，水量占全流域的 38.8%，水力开发条件十分优越。公伯峡水电站采用循化水文站为设计代表站，其多年平均流量 703 ，多年平均含沙量 1.253/, 为全流域含沙量较小的河段。/3坝址上游有已建的龙羊峡、李家峡水电站。龙羊峡水库是一个具有多年调节性能的巨型水库，总库容达 275 亿 m3。当龙羊峡水电站投入正常运行后，与下游刘家峡水库联合调度运用，使公伯峡径流年内分配趋于均匀，提高公伯峡的发电效益。同时大大削减公伯峡入库洪水，减小公伯峡水库的设计洪水和校核洪水。李家峡水库为日调节水库，调节性能较差，对公伯峡水库的入库洪水和径流年内分配影响较小。2.2 水文资料黄河上游干流安宁渡以上有黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥、贵德、循化、上诠、兰州、安宁渡等水文站。上述站均为国家基本测站，观测系列较长，资料精度较高，资料整编规范，由黄河水利委员会整编刊印成黄河水文年鉴 ，在使用中未发现不合理现象。其中兰州站观测年限最长，始于 1934 年。循化水文站位于公伯峡坝址下游约 25km 处，控制流域面积145459 km2 ，与公伯峡坝址以上流域面积相差 1.26%。循化水文站测量断面上下河流基本顺直、水流流态顺畅，1945 年建站观测至今。循化水文站为公伯峡工程的设计代表站。循化水文站水文资料延长至 2000 年。19902000 年这 10 年中未发生过特大洪水。在循化水文站资料系列的插补延长和 1980 年以后因龙羊峡和李家峡水库调蓄影响的资料还原中，还引用了唐乃亥、贵德、上诠、兰州站及其它一些支流水文站资料。2.2.1 径流特性根据黄河公伯峡水电站工程初步设计重编报告,公伯峡水电站设计时径流计算采用 19191990 年 71 年系列资料，包括了丰、平、枯三个部分，具有较好的代表性。根据循化水文站 19192000 年共 81 年水文年径流系列，进行频率计算，采用矩法估算参数，P- 型曲线适线，并经上、下游参数平衡，得循化水文站多年平均流量 703 m3/ s，Cv=0.24，Cs=2Cv，经频率计算循化站年径流成果见表 2-1 和表 2-2。表 2-1 循化站年径流频率计算成果表各种频率设计值(P%)站名 均值 Cv Cs/Cv 10 20 50 75 90 95 资料年限循化 7.3 0.24 2 926 840 690 583 497 450 1919-2000表 2-2 循化站径流年内分配成果表月份 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6多年平均流量(m 3/s) 1422 1223 1327 1093 577 278 216 199 259 367 594 978占年水量的百分数(%) 16.6 14.3 15.5 12.9 6.76 3.3 2.5 2.3 3.0 4.3 6.9 11.52.2.2 设计洪水黄河上游大洪水是由大尺度天气系统所造成的长历时，大面积连续降雨所形成的，局部暴雨对造洪影响不大。一般是暴雨特性在地面的反映，所形成洪水多由大面积降雨所致，洪水涨落较缓，一次洪水过程约 40 天左右，洪型矮胖，历时较长，峰形多以单峰为主，峰、量关系对应较好，在实测的较大洪水中洪峰出现在 9 月份占 40%，出现在 7 月份占36%。 1946、 1967、1981 年洪峰都出现在 9 月份，1964 年和调查的 1904年历史洪水洪峰出现在 7 月份。公伯峡水库受上游水库调蓄影响的设计洪水作为公伯峡水库设计洪水。其设计洪水计算结果见表 2-3。表 2-3 公伯峡设计洪水成果表（流量：m 3/s，洪量：亿 m3）各种频率 P 的设计值( )项目 均值 Cv Cv/Cs0.01 0.2 1 2 5洪峰流量 2520 0.36 4 7860 5850 5400 4990 428015 天洪量 27.3 0.34 4 88.2 67.6 56.2 51.1 44.245 天洪量 65.1 0.33 4 207 160 133 122 106公伯峡水电站施工期洪水控制标准为 20 年一遇。公伯峡水电站 20 年一遇导流流量主要受李家峡水电站发电流量及李家峡公伯峡区间洪水控制。经过分析，在电网非异常运行情况下，李家峡水库下泄流量控制在1000 m3/s 左右，当李家峡 公伯峡区间发生洪水的时候，李家峡水电站下泄流量控制在 1000 m3/s 以下，在考虑 20 年一遇洪水李家峡公伯峡区间流量，得到公伯峡水电站 20 年一遇洪水最大流量为 1500 m3/s。2.3 水库泥沙公伯峡水电站坝址位于黄河上游青海省循化县与化隆县交界处的公伯峡峡谷出口处，上距循化水文站 25 km，坝址控制流域面积 143619 km2。公伯峡坝址上游 77 km 处已建有李家峡水库。该库相对库大沙小，库沙比为 157，水库泥沙淤积平衡年限很长，对入库水沙有巨大的调节作用，入库泥沙基本淤积在库内，仅有少量细颗粒泥沙排出库外。据李家峡水电站设计成果，水库运行的 1030 年期间平均年出库沙量 126 万 t，水库运行 1060 年期间平均年出库沙量为 165 万 t，不到入库沙量的 14%。公伯峡水库设计入库悬移质泥沙多年平均含沙量为 0.32kg/m3，汛期（69 月）平均含沙量为 0.456 kg/m3。实测最大含沙量采用贵德站实测值 131 kg/m3（1981 年 8 月 5 日） 。库悬移质泥沙中值粒径为 0.03mm，平均粒径为 0.062mm。公伯峡水库设计年平均入库沙量为 709 万 t，库沙比为 93，水库泥沙淤积平衡年限长，水库泥沙问题并不严重。但由于入库泥沙颗粒较细，粒径小于 0.02mm 的冲泻质泥沙占入库泥沙的 40%，这部分泥沙易于到达坝前，经水库泥沙淤积计算，20 年坝前淤积高程为 1948.2 m，50 年坝前淤积高程 1968.8 m。泥沙浮容重按 7.5kg/m3 计算。第 3 章 工程地质3.1 区域地质概况本区出露地层有前震旦系尕让群（岩性为上亚群暗绿色黑云角闪片岩、斜长角闪片岩；下亚群黑云石英片岩、斜长角闪片岩和片麻岩，以及条带状、眼球状花岗质混合岩） ；三迭系（岩性为浅变质的灰岩、灰绿色砂岩、板岩互层，夹砂砾岩、灰岩） 、白垩系（岩性为浅紫褐色紫灰色含砾砂岩，中粗粒砂岩夹泥质粉砂岩、泥岩等） 、上第三系（性为砂岩、细砂岩、砂砾岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩等，局部夹泥灰岩、石膏薄层）及第四系（Q）层。库坝区位于祁吕孤形西褶带的次一级构造化隆槽地和河西系的德恒隆加吾力吉隆起带两个构造单元的复合部位上，工程场地四周约10km30km 范围内的各边界性断裂，自晚更新世以来均处于相对稳定状态。新构造运动主要表现为间歇性和差异性的隆升运动，工程区属构造基本稳定区。地震基本烈度经复核为度，对应的基岩峰值加速度值为0.11g，100 年超越概率 2的基岩峰值加速度值为 0.20g。3.2 水库区工程地质条件公伯峡水库区位于青海省循化、化隆与尖扎三县交界处。正常蓄水位2005m 时，坝前最大水深约为 110m，水面宽 400m600m，水库全长（包括翘尾部分）约 61Km。峡谷水库段：该段自坝前至隆务河口长约 18km。此河段河谷狭窄，坡度多在 4050 ，坡高 600m700m 。岸坡基岩裸露，主要由前震旦系变质岩组成。河水面宽约 30m50m。盆地水库段：该段长约 43km。两岸地形开阔，水流平缓。库盆主要由第三系上新统红层及前震旦系古老变质岩组成，表部广泛覆盖着第四系松散堆积层。3.2.1 地层岩性前震旦系（Anzgr）尕让群下亚群：岩性以黑云斜长片麻岩、条带状混合岩为主。与上覆地层呈不整合或断层接触。三迭系中统上部岩组（T2b ）：岩性为灰绿色厚层块状砾岩、含砾砂岩及长石砂岩等。与下伏前震旦系地层呈不整合接触。白垩系下统下部岩组（K1hka）：岩性主要为砖红紫红色砂岩、含砾粗砂岩及砾砂岩等。与下伏地层呈不整合接触。第三系上新统临夏组（N2L）：上部为砖红、桔黄、灰绿色的含粉砂泥钙质泥岩，夹白色泥