春河章谷水利枢纽毕业设计终稿.doc

目录目录 摘要：摘要：i 第一章第一章 基本资料基本资料 1 1.1 流域及枢纽任务概况1 1.2 水文气象资料1 1.2.1 河流特性 1 1.2.3 河流泥沙情况 3 1.2.4 其它 3 1.3 地形地质情况3 1.4 工程材料、交通运输及劳动力供应情况.4 1.4.1 当地材料 .4 1.4.2 交通运输及劳动力及机械供应条件.4 第二章第二章 坝型选择与主要建筑物的选择坝型选择与主要建筑物的选择.5 2.1 基础数据5 2.2 工程等别5 2.3 坝基的力学参数6 2.4 水文条件6 2.4.1 淤积高程的确定6 2.4.2 死水位及死库容的确定6 2.5 气象数据8 2.6 枢纽总布置8 2.7 坝址选择8 第三章第三章 非溢流坝设计非溢流坝设计.9 3.1 剖面设计9 3.1.2 坝顶宽度 12 3.1.3 坝底宽度 12 3.1.4 坝面坡度 12 3.2 抗滑稳定及坝基面应力分析 13 3.2.1 荷载组合及计算.13 3.2.2 上下游坝面应力计算.19 第四章第四章 溢流坝剖面设计溢流坝剖面设计 .26 4.1 泄水方式的选择26 4.2 孔口净宽的拟定26 4.3 求溢流坝段净宽 l0.27 4.4 求堰上水头 h0.27 4.5 堰型的确定27 第五章第五章 消能防冲设计消能防冲设计.30 5.1 消能形式及其比较30 5.2 洪水标准和相关参数的选定 31 5.3 反弧半径的确定31 5.4 坎顶水深的确定32 5.5 水舌抛距计算33 5.6 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 34 第六章第六章 泄水孔的设计泄水孔的设计.36 6.1 有压泄水孔的设计36 6.1.1 孔径 d 的拟定.36 6.1.2 进水口体形设计.36 6.1.3 闸门与门槽 36 6.2 泄水口断面设计38 6.2.1 渐宽段 .38 6.2.2 出水口 38 6.2.3 通气孔和平压管.38 第七章第七章 坝体细部构造设计坝体细部构造设计39 7.1 坝顶构造39 7.1.1 非溢流坝 39 7.1.2 溢流坝 39 7.1.3 闸门的布置 39 7.1.4 闸墩 39 7.1.5 导水墙 40 7.2 坝体分缝设计40 7.2.1 横缝 40 7.2.2 水平施工缝 41 7.3 止水设计41 7.4 廊道设计41 7.4.1 基础廊道 41 7.4.2 坝体廊道 41 7.5 坝体防渗与排水41 7.5.1 坝体防渗 41 7.5.2 坝体排水 42 7.6 坝体混凝土的强度等级42 附表：枢纽的技术指标和图例附表：枢纽的技术指标和图例44 附表 1 枢纽的主要技术指标44 附图 1 非溢流坝剖面设计计算 45 附图 2 非溢流坝剖面设计计算 46 附图 3 非溢流坝剖面设计计算 47 附图 4 枢纽工程的布置平面图 48 附图 5 枢纽工程的下游立面图 49 参考文献参考文献50 致谢致谢.51 毕业论文承诺书毕业论文承诺书 52 i 春河章谷水利枢纽重力坝设计 指导老师 田奥 信息与工程技术学院 农业水利工程 蒲蛟 摘要：摘要： 本设计对春河章谷水利枢纽进行了详细的论述和设计，包括了设计说明书和计算说 明书两部分。 设计说明书主要包括：春河章谷流域状况，坝型选择与主要建筑物的选择，挡水建 筑物的设计，泄水建筑物的设计。 枢枢纽以防洪和发电为主，本枢纽属于中型等工程，永久性建筑物为 3 级，按规 范要求，采用 50 年一遇洪水设计，500 一遇洪水校核。水库正常蓄水位 1300.58m，设计 洪水位 1305.31m。其主要建筑物有：非溢流坝、溢流坝、泄水建筑物、消能设施等。 关键词：水利枢纽；设计；重力坝 ii the gravity dam design of zhang valley on spring river tutor tianao information and engineering technology college agriculture hydraulic engineering pujiao abstract the designs of zhang valley water control project for spring river are discussed in detail and design, including the design specification and calculation instruction in two parts. the design specification mainly includes: spring river zhang valley basin condition, main buildings dam type selection and selection of the design of buildings, retaining water discharge water, the design of buildings. atlas of flood control and power hub is given priority to, this dam project belongs to medium-sized permanent buildings is 3 classes, according to standard requirement, the design flood happen 50 years in a flood, 500 dynamic rigidity. the reservoir 1300.58 m, normal impoundment level of design flood 1305.31. and its main building has: the overflow, overflow and discharging water buildings, energy facilities, etc. keywords: hydro project；design；gravity dam 1 第一章第一章 基本资料基本资料 1.1 流域及枢纽任务概况流域及枢纽任务概况 春河属于山区河道，流域内多高山峡谷，平原范围甚小，章谷以上河床平均坡度为 1/600，以下平均坡度为 1/1000，坡陡流急，暴雨急流时间甚短，每逢暴雨，山洪暴发， 易泛滥成灾，下游农田受到洪水威胁，流域内山区占 70，垦地占 30。 本流域内除粮食外，还出产棉花、桐油、木耳、药材等，上游以发现铜、银、锌、铅、 铁等矿很多，但目前尚未得到开发，春河本身虽流量不大，但因地势关系，水流遄急，蕴 藏着丰富的水力资源。 春河滩多流急，航行不便，故暂可不考虑航运问题。春河左岸有公路干线通过，交通 较便，右岸则仅有山区小道。 本枢纽位于春河上游山区，坝址选定在张谷，主要任务是防洪发电。发电尾水可供下 游农田灌溉，规划中仅在章谷以下 120km 处兴建壅水枢纽引水灌溉。 规划部门根据满足各水利专业部门的需要，提出了下列数据，可作为设计水工建筑物 的依据： 水电站正常高水位 1300.58m 最有利工作深度 41m 汛前水位 1287m 水库最高水位不得超过 1305.31m 设计泄水时下游安全泄量 807m3/s 校核洪水时下游安全泄量 956m3/s 电站装机容量 45000kw 机组数目 7 台 电站最大引用流量 140m/s 水轮机型式 hl-220-lh-250 1.2 水文气象资料水文气象资料 1.2.1 河流特性 2 降雨为形成春河洪水的原因,本流域水灾多由暴雨产生。洪水一般出现在 710 月份， 因坡陡流急，洪峰涨落时间很短，一般为 23 天。 表 1-1 各种频率下的最大洪峰流量（m/s） 频率 （%） 0.010.10.512510 夏秋季 1110902770730675600540 冬春季 350330285 表 1-2 实测洪峰过程（m/s） 时间（h） 04812162024283236 流量（m/s) 3540108216486597512436373310 时间（h） 404448525660646872 流量（m/s) 2481931561168863534031 表 1-3 实测月平均流量（m/s） 月份 123456789101112 流量 （m/s) 252432601801911831401701353522 表 1-4 多年平均降雨量（mm） 月份 项目 123456 多年平均 降雨量（mm） 10.734.244.156.9135165 多年平均 降雨日数（d） 58.68.68.29.87.4 月份 项目 789101112 多年平均 降雨量（mm） 191.618190.495.954.417.1 多年平均 降雨日数（d） 1211.410.61110.85.4 最多雨量发生在 1952 年，共计 201mm，最少雨量发生在 1954 年，只有 37mm。一 日最大雨量达 196mm。 1.2.2 气温情况 3 本流域气候温和，年平均温度约为 17，最低月平均温度为 4.6，极少冰冻现象， 最高月平均温度不超过 50，故夏季亦不太热，一年四季都可以施工。 表 1-5 每月的气温变化（）： 月份 123456789101112 月平均温度 4.661217.123.425.528.529.223.115.111.88 最高温度 20.121.829.535.638.140.24036.836.532.122.119.7 最低温度 -9.5-9-3.1-3.15.111.616.111.79.93-6-9.3 表中所示温度皆以摄氏度表示。 1.2.3 河流泥沙情况 泥沙大部分是页岩风化的产物，颗粒很细。据资料统计，该工程多年平均输沙量为 3.57wt， ，查得淤沙的饱和容重为 19.5kn/m3。在预留淤沙库容时，水土保持有效年限估计为 30 年。 1.2.4 其它 本地区多年平均最大风速为 14m/s，设计情况计算风速 21m/s，校核情况风速 14m/s，吹程为 1km。 1.3 地形地质情况地形地质情况 张谷坝址右岸高山重叠，交通不便。左岸地势较平坦，小丘陵绵延。在张谷上游地 形开阔，可以蓄水，容纳水量很多。张谷是一个峡谷，两岸悬崖陡壁，十分险要，河岸 狭窄，宽仅一百余米，是理想的筑坝地点。 坝址地质为青灰色的石灰岩，为整体岩石，石质坚硬。右岸山岗覆有薄层黄土。 在甲坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层最厚的为 5m，岩石风化厚度为 3m。左岸岩石露 头，节理不多，风化层有 3m 米多厚。 在乙坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层较厚，最后的达 18m。风化岩石最厚的达 7m。左岸山头亦有沙壤土覆盖。 经过调查研究，已查明坝址附近无断层。坝址基础石英岩的抗压强度为 1000 1200kg/cm2，摩擦系数为 0.65。抗剪断摩擦系数为 1.1 ，抗剪断凝聚力为 1.2mpa。 4 本地区曾发生过轻微地震，据分析地震烈度为 4 级。 1.4 工程材料、交通运输及劳动力供应情况工程材料、交通运输及劳动力供应情况 1.4.1 当地材料 石料 距坝址上游一公里处，两岸石英岩及页岩可大量开采，而且石质良好。 在 25 次冻融之后，抗压强度为 900kg/cm2。 砂料 距坝址上游 3km 处，滩地有坚硬的砾石和粗砂，蕴藏量约有 40 万 m3，砂为 石英颗粒，是风化产物。 土料 距坝址上游 5km 处有粘壤土，蕴藏量约为 20 万 m3，其内摩擦角为 20 (饱和的) ，天然干容重 =1.6t/m3，渗透系数值为 410-7cm/s。 木材 可自距坝址 15 公里的深山内取得。 1.4.2 交通运输及劳动力及机械供应条件 目前主要交通运输靠公路干线，公路干线距坝址左岸约 2km。水泥钢材可由公路自 离坝址 60km 处的甲城运来。 附近无施工动力，机械可由甲城供应。普通工人当地可以供应三万人，技术工人可 由甲城调来。 5 第二章第二章 坝型选择与主要建筑物的选择坝型选择与主要建筑物的选择 2.1 基础数据基础数据 由图 2-1 下游水位流量关系曲线可知当流量为零时，水位为 1253m，即河床高程为 1253 m。假设向下开挖地基 3 m，则坝基面高程为 1253-3=1250 m。 图 2-1 2.2 工程等别工程等别 经查表（课本 p10 表 1-1） ，由水库总库容为 1490 万 m3(0.149 亿 m3)可判断该工程为 中型级工程；由灌溉面积 6.28 万亩可判断该工程为中型级工程；由电站装机容量为 下游水位流量关系曲线 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 125212541256125812601262 水位(m) 流量(m3/s) 流量（m3/s） 6 2250=500kw1 万 kw 可判断为小（2）型级工程。对于综合利用的水利水电工程，其 工程等别应按其中最高等别确定，所以该工程为中型级工程。 我们所设计的建筑物为大坝，属永久性水工建筑物，查表（课本 p10 表 1-2）可得 该大坝属于 3 级主要建筑物，再查表（课本 p11 表 1-3）可得该水工建筑物的结构安全级 别为级。 2.3 坝基的力学参数坝基的力学参数 由于岩体较完整，有一定强度，抗滑、抗变形性能受结构面和岩石强度控制，可根 据表 1-4（混凝土重力坝设计规范坝基岩体工程地质分类及岩体力学系数表）判断该 坝基岩体的工程地质分类为中硬岩等。从而根据规范可查得混凝土与坝基接触面的抗 剪断参数为：，抗剪参数为：。 1.10 0.90,1.10 0.70()fcmpa0.65 0.55f 2.4 水文条件水文条件 本枢纽属于中型等工程，永久性建筑物为 3 级，按规范要求，采用 50 年一遇洪水 设计，500 一遇洪水校核。 2.4.1 淤积高程的确定 该工程多年平均输沙量为 3.57 万吨，本工程考虑正常运行期为 30 年，查得淤沙的饱 和容重为 19.5kn/m3,则淤积库容为： 4 3.57 1030 9.8 53.8m 19.5 m v r 3 万 由图 1-2 查得相对应的淤积高程为 1265m,淤沙高度为 1265-1250=15m,由于淤积库 容相对于总库容很小，故可不设排沙系统。 2.4.2 死水位及死库容的确定 在满足一定生态要求的条件下，死水位越低死库容越小，兴利库容越大，经济效益 7 越高，所以一般死水位取略高于淤积高程，即取 1270m。 查图 2-2 可得对应的死库容为 108.99 万 m3，兴利库容=正常蓄水位以下库容-死库容 =1188.99-108.99=1080 万 m3 图 2-2 因此可得下表： 表 2-1 特征水位 上游水位 （m） 下游水位 （m） 库容（万 m3） 溢流坝泄量 （m3/s） 校核洪水位1304.341258.141490965 设计洪水位1303.431257.261413807 正常蓄水位1300.581188.99 死水位1270108.99 水位库容关系曲线 0 500 1000 1500 2000 2500 1260128013001320 高程（m） 库容（万m3） 系列1 8 2.5 气象数据气象数据 本地区多年平均最大风速为 14m/s，设计情况计算风速 21m/s，校核情况风速 14m/s，吹程为 1km。 2.6 枢纽总布置枢纽总布置 根据对地形、地质、天然建筑材料等因素的考虑，本工程选用混凝土重力坝方案。 重力坝由溢流坝段和非溢流坝段组成。 2.7 坝址选择坝址选择 经地质勘查和流域资料分析，坝址选在平直峡谷段(长 1.0km)的出口处，坝轴线长度 (两岸等高线 1310.0m 间的距离)540.0m，左岸平均坡度 1：0.5，右岸平均坡度 1：0.45， 下游 500m 开始右岸有 1.5km2平地。 9 第三章第三章 非溢流坝设计非溢流坝设计 3.1 剖面设计剖面设计 3.1.1 坝顶高程的确定 （1）波浪要素按官厅水库公式计算： （m） ； 5/41/3 0 0.00166 l hvd （m） ； 0.8 10.4 l lh （m） ；（一般峡谷水库因，所以：） ； 2 2 coth l z hh h ll 2 l h 2 l z h h l lzc hhhh 其中： 为计算风速，m/s。正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节 50 年重现期最 0 v 大风速，校核洪水位时宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。 吹程，m；d 波长，m；l 波浪高度，m； l h 波浪中心线高于静水位的高度，m； z h 坝前水深，m；h 超高，m； h 安全加高（根据建筑物的安全级别可查表 2-1，课本 p34，由于该工程的结构 c h 安全级别为级，故查得，） 。0.5 c h 设 0.4 c h 校 （2）max(hh ) 设校 防浪墙顶高程正常蓄水位+，校核洪水位+ 其中： 正常蓄水位基本荷载组合作用下需要的超高；h 设 10 校核洪水位时需要的超高。h 校 计算过程如下： 1、在正常蓄水位中： 5/41/3 0 5/41/3 0.00166 0.00166 211000 0.746 l hvd 设设 取0.75 l h 设 0.8 0.8 10.4 10.4 0.75 8.226 l lh 设设 （） 取0.823l 设 2 2 2 coth 3.14 0.752 3.14 (1300.58 1253) coth 8.238.23 0.21 l z hh h ll 设设 设 设设 则，在正常蓄水位时，超高为： 0.750.21 0.5 1.46 lzc hhhh 设 设设设 则在正常蓄水位的情况下： 防浪墙高程为=水位高程+超高=1300.58+1.46=1302.04m 2、再校核蓄水位中： 11 5/41/3 0 5/41/3 0.00166 0.00166 141000 0.449 l hvd 校校 取0.45 l h 校 0.8 0.8 10.4 10.4 0.449 5.487 l lh 校校 （） 取5.49l 校 2 2 2 coth 3.14 0.452 3.14 (1304.34 1253) coth 5.495.49 0.12 l z hh h ll 校校 校 校校 则在校核蓄水位时，超高为： z 0.450.120.4 0.97 lc hhhh 校校校校 则在校核蓄水位的情况下： 防浪墙高程为=水位高程+超高=1304.34+0.97=1305.31m （3）经计算可得下表 3-1 基本情况 水位高程 （m） v0 m/s d km l h m l m z h m c h m lzc hhhh m 防浪墙高程 （m） 正常蓄水位1300.582110.758.230.210.51.461302.04 校核洪水位1304.341410.455.490.120.40.971305.31 12 经比较可知防浪墙墙顶高程=max(1302.04,1305.31)=1305.31m。假设防浪墙修 1.2m 高， 则坝顶高程=1305.31-1.2=1304.11m，最大坝高=1304.11-1250=54.11m，取 54m。 3.1.2 坝顶宽度 按规范，考虑交通需求，坝顶宽度取 7m。 3.1.3 坝底宽度 根据工程经验，坝底宽度一般为 0.70.9 倍的坝高。取底宽与坝高比为 0.8： 此时坝底宽 b 0.8 54.1143.29bm 则大坝坝底宽取 43m。 3.1.4 坝面坡度 上游坝面采用铅直；下游坡面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式， 则折坡处向上延伸与校核洪水位相交。根据几何关系，可得坡度为 1:0.8，下游折点高程 为 1295.55m。 因此可得非溢流坝段剖面尺寸如图 3-1。 13 1305.31 1304.111304.34 1303.43 1250 1280 385 图 3-1 非溢流坝段剖面面尺寸 1257.26 1258.14 43 1:0.8 54 1295.55 1300.58 3.2 抗滑稳定及坝基面应力分析抗滑稳定及坝基面应力分析 3.2.1 荷载组合及计算 选取两种荷载组合进行计算，分别为基本组合对应的是设计洪水位，偶然组合对应 的是校核洪水位。 由于坝基地质条件不是很好，即在离坝踵 5m 处设置防渗帷幕和排水孔。渗透压强系 数。荷载分布如下图 3-2（沿坝轴线方向取 1m 宽坝体作为计算单元）：25 . 0 7 14 图 3-2 荷载分布图 图中 p1为上游水压力；p2为下游水压力，w 为坝体自重；u 为扬压力,ps 为泥沙压 力。 设坝基面水平，根据抗剪断理论分析及其计算公式得： p acuwf ks 大坝在任何水平截面以上的坝体所承受的总水平推力，kn； p 为水平截面所承受的正压力； w 该平面上的摩擦系数（取）； f 1.2f 抗剪断凝聚力（取）； c 1.1cmpa a滑动截面面积； 设计洪水位时3.0；校核洪水位时2.5ksks 设下游坝面与水平地面的夹角分别为： ，因为坡度为 1:0.8。 可由三角函数得 、 625 . 0 cos781 . 0 sin p2 1 h w 2 h w u w p1 ps 15 图 3-3 将坝体分为一个矩形和一个三角形，如上图 3-3 其中矩形面积 s矩 ； 2 54 7378shlm 矩 而在三角形中 三角形高为 h： ，m m lb h45 8 . 0 743 三角形的底长为: 。mlb36743 则三角形面积 s： 2 11 45 36810 22 shbm a、设计洪水位时的抗滑稳定性计算：设计洪水位时的抗滑稳定性计算： 依据表 2-1 可知，该河流上游水位为 1303.43m,下游水位为 1257.26m。 则可得： 上游水深 h1=1303.43-1253=50.43m， 下游水深 h2=1257.26-1253=4.26m 坝体自重： 7 7 36 43 54 45 9 16 ； 1 2 1 2424 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7+ 上游水压力： ； 1 2 1 2 1 2 0.5 9.8 50.43 12461.6 w ph kn 下游水压力： ； 2 22 2 1 2 0.5 9.8 4.26 88.9 w ph kn 水平方向分力： ； 22sin 88.9 0.781 69.4 x pp kn 竖直方向分力： ； 22cos 88.9 0.625 55.6 y pp kn 扬压力的计算： 由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力25 . 0 作用水头为50.43m， 1 h 排水孔中心处： m 8 . 1526 . 4 43.5025 . 0 26 . 4 212 hhh 坝地面下游处（坝址）扬压力作用水头 h2=4.26m，各段之间都是直线连接。总的扬 压力为该图中折线和坝底围城的面积。如图 3-2 所示： 17 2221 11 15.8515.8515.85 22 43 4.260.5 (15.84.26) (435)(15.84.26) 50.5 (50.43 15.8) 59.8 183.18219.2657.786.5759.85357.8 w ubhhbhh kn 泥沙压力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn 则有 12 12461.6401.3469.4 12793.54 sx pppp kn 所以 2 1.2 (2851255.65357.8) 1.1 43 12793.54 3.23.0 y fwpuc a ks p ks 满足我国混凝土重力坝设计规范sdj 2178 及其补充规定(84)水电水规字第 131 号所规定的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 b、校核洪水位时的抗滑稳定性计算校核洪水位时的抗滑稳定性计算： 依据表 2-1 可知，该河流上游水位 1304.34m，下游水位 1258.14m。 则可得 上游水深 h1=1304.34-1253=51.34m 下游水深 h2=1258.14-1253=5.14m 坝体自重： 18 ； 1 2 1 24 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7 24+ 上游水压力： ； 1 2 1 2 1 2 0.5 9.8 51.34 12915.4 w ph kn 下游水压力： ； 2 22 2 1 2 0.5 9.8 5.14 129.5 w ph kn 水平方向分力： ； 22sin 129.5 0.781 101.1 x pp kn 竖直方向分力： ； 22cos 129.5 0.625 80.9 y pp kn 压力的计算： 由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力25 . 0 作用水头为51.34m。 1 h 排水孔中心处： mhhh69.1614 . 5 34.5125 . 0 14 . 5 212 坝地面下游处（坝址）扬压力作用水头 h2=5.14m，各段之间都是直线连接。总的 扬压力为该图中折线和坝底围城的面积。如图 3-2 所示： 19 2221 11 16.69516.69516.695 22 43 5.140.5 (16.695.14) (435)(16.695.14) 50.5 (51.34 16.69) 5 9.8 221.02219.4557.7586.625 9.85731.5 w ubhhbhh kn 泥沙压力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn 则有 12 12915.4401.34 101.1 13215.64 sx pppp kn 所以 2 1.2 (2851280.95731.5) 1.1 43 13215.64 3.12.5 y fwpuc a ks p ks 满足我国混凝土重力坝设计规范sdj 2178 及其补充规定(84)水电水规字第 131 号所规定的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 3.2.2 上下游坝面应力计算 重力坝设计时，除了按规范核算沿坝基面的抗滑稳定要求，还要核定大坝在施工期 和运行期是否满足强度要求。在一般情况下，坝体的最大、最小正应力和主应力都出现 在上下游坝面，所以重力坝设计规范规定，应核算上下游坝面的应力是否满足强度要求。 基于以下三点基本假定： （1）坝体混凝土为均质、连续、各项同性的弹性材料； （2）视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为 各坝段独立工作，永久横缝不传力； 20 （3）假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。 应用材料力学方法分析重力坝在正常蓄水位(1300.58m)下的应力。 为方便计算，假设下游水深为 0m。如图 3-4 建立坐标系，坐标原点为 o，坝踵为 o1,坝 址为 o2，则基础数据计算如下： 图 3-4 正常蓄水位时： 上游水深 h1=1300.58-1253=47.58m； 下游水深 h2=0 上游水压力： 2 11 2 1 2 0.5 9.8 47.58 11092.9 w ph kn ：作用点距坝踵 x y u w p1 ps o2 o1 21 11 1 o =h 3 1 47.58 3 15.86m 坝体自重： 1 2 1 24 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7 24+ ：作用点距坝踵 1 54 736 12 2 o7.1m 1 54 736 2 1 （-3. 5）+45 45 扬压力的计算： 由于设置有防渗帷幕，渗透压强系数。则坝底面上游处（坝踵）扬压力作用25 . 0 水头为47.58m， 1 h 排水孔中心处： mhhh 9 . 11034.5125 . 0 0 212 坝地面下游处（坝址）扬压力作用水头 h2=0m，各段之间都是直线连接。总的扬压 力为该图中折线和坝底围城的面积。如图 3-4 所示： 1 11 11.9511.9 511.95 22 5 11.9 9.80.5 (435) 11.9 9.80.5 (47.58 11.9) 5 9.8 3673.04 w ubh kn 22 作用点距坝踵： 1 13812 ( 4.5) 5 11.938 11.9 (2)(47.58 11.9) 5 (42) 2223 11 5 11.938 11.9(47.58 11.9) 5 22 o 泥沙压力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn 作用点距坝踵： 1 22 o1510m 33 s h 对坝踵的弯矩： 1 28512 (77.1) 11092.9 15.86401.34 103673.04 (4.457) 539909.7 o m knm 对坝址的弯矩： 2 28512 (367) 11092.9 15.86401.34 103673.04 (364.45) 528165.6 o m knm 3.2.2.1 水平截面上的正应力（以压应力为正，下同） 上游： yd 2 2 6 285126 ( 528165.6) 4343 23770 wm bb kpa 下游： 23 yu 2 2 6 285126 539909.7 4343 24150 wm bb kpa 坝踵、坝址处均没有出现拉应力，满足工程规范要求。 3.2.2.2 剪应力（、） u d 上游面水压力强度和泥沙压力强度和： 2 1 2 27 tan (45) 2 27 9.8 47.589.5 15 tan (45) 2 519.8 o o uwsbs o o phh kpa 下游面水压力强度： 2 9.8 0 0 dw ph 上游扬压力强度： 1 9.8 47.58 466.3 uuw ph kpa 下游扬压力强度： 0 ud p 24 上游剪应力： () (519.8466.32415) 0 0 uuuuyu ppn 说明：剪力为零，说明为主应力面。 下游剪应力： () (237700) 0.8 1901.6 dydudd pp m kpa 其中 n 为上游坝坡坡率，为上游坝面与竖直面的夹角。因为上游坝tan u n u 坡铅垂，故为 0，n 也为 0；m 为下游坝坡坡率，为下游坝面与竖直 u tanmd d 面的夹角，易得 m=0.8。 3.2.2.3 水平正应力() xuxd 、 () (519.8466.3)0 53.5 xuuuuu ppn kpa () 0 1901.6 0.8 1521.28 xddudd ppm kpa 3.2.2.4 主应力 1212 ( uudd 、及、） 22 1 (1)() 24150 2415 uyuuuu nppn kpa 2 519.8466.3 53.3 uuuu pp kpa 25 22 1 22 (1)() (1 0.8 ) 23770.80 3898.28 dyddud mppm kpa 2 0 ddud pp 26 第四章第四章 溢流坝剖面设计溢流坝剖面设计 4.1 泄水方式的选择泄水方式的选择 重力坝的泄水方式主要有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌 或其他漂浮物；设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利 用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，采用开敞式溢流水库有较 大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。 4.2 孔口净宽的拟定孔口净宽的拟定 孔口净宽按以下公式计算： q b q 溢 其中 q溢 为下泄流量； q 单宽流量。 由已知条件：50 年一遇洪水，相应洪峰流量为 961m3/s； 500 年一遇洪水，相应洪 峰流量为 1572 m3/s。经调洪演算求得设计洪水位达 1303.43m，相应下泄流量为 807 m3/s ；校核洪水位 1304.34m，相应下泄流量为 965m3/s。q2050m/s，下游河床宽为 =45m。分别计算设计水位和校核水位情况下溢洪道所需的孔口宽度如下表 下 l 表 4-1: 计算情况 流量 q(m3/s) 单宽流量 q(m3/s) 孔口净宽 b(m) 设计水位807205040.3516.14 校核水位965205048.2519.3 根据以上计算，取孔口净宽 b=30m，设计洪水位时单宽流量为 27m/s,为了保证泄洪 时闸门的对称开启，取：每孔净宽 b=5m，孔数 n=7。 27 4.3 求溢流坝段净宽求溢流坝段净宽 l0 根据闸门的形式取闸墩厚度 d1.2m，由上述计算孔口净宽 b5m，总和分别为 b 与 d。 则溢流前缘总长 l0为： l0b+d=nb+(n-1)d =75+(7-1)1.2 =42.2m45m。 4.4 求堰上水头求堰上水头 h0 由公式可确定堰上水头，公式为 0 h 2/3 0 2 hgmbq 溢 其中闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，取=0.92； m流量系数，按 wes 溢流面曲线查武汉大学出版社出版水力学得 m=0.502； g重力加速度，g=9.8m/s。 当设计洪水位时， =807 m3/s,b=30m,即=5.575.6m 溢 q 0 h 验算：当校核洪水位时，泄流量为 965 m3/s，=5.6m,代入公式求得孔口净宽 溢 q 0 h b 为 35.6m,对应的校核水位单宽流量 q 为 27 m/s，不大于设计水位的单宽流量 27m/s， 满足条件，说明设计合理。 所以取溢流坝段堰上水头 =5.6m,堰顶高程为: 1305.31-5.6=1299.71m。 0 h 4.5 堰型的确定堰型的确定 溢流面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求： （1）有较高的流量系数，泄流能力大； 28 （2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； （3）体型简单，造价低，便于施工等。 顶部曲线段 （1）由于 wes 溢流曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量教省，坝面曲线用方程 控制，容易找到切点位置，施工教方便，故采用 wes 溢流堰形式。 wes 溢流剖面堰型采用幂曲线公式如下： b dd h x a h y 其中定型设计水头，为了防止出现负压和得到经济的剖面，采用堰顶水头 d h hd=(0.750.95) h0，取 hd=0.8 h0=4.48m。 a、b系数，与堰的上游系数面倾斜坡度有关，由水工建筑物课本 p106 可知， 当上游面为垂直的时候 a=0.5,b=1.85 ； x、y以堰顶最高点为原点坐标。 化简为 85 . 1 85 . 1 03. 0 48. 4 5 . 0x x y 图 4-1 29 图 4-2 溢流坝坝型 （2）堰顶曲线与堰下游面的连接点：堰顶曲线和下游坝面应该是光滑连接，即下游 坝面直线是堰顶曲线在交接点的切线。这两条直线的斜率应相等。堰下游面坡度与非溢 流坝段的下游面相同为 1：m=1:0.8。设两曲线相交点坐标为（x,y）,易知下游坝面直线斜 率为 k=1.25,堰顶曲线在焦点处斜率为曲线方程对 x 求导： 1.85 1.85 0.5 4.48 (0.03) 1.25 x y x k 可求得 x=39.02、y=26.37 30 第五章第五章 消能防冲设计消能防冲设计 5.1 消能形式及其比较消能形式及其比较 通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游 河床免受冲刷。消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证 坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄 流量等综合考虑。 表 5-1 消能形式及其比较 消能形式原理及其特点适用情况 底流消能 基本原理是使水流产生临界水跃，通过 表层旋滚消能；它常需要护坦，消力池等措 施，对于基岩往往不够经济。 常用于水闸。 挑流消能 挑流消能，利用鼻坎将自溢流面下泄的 高速水流向空中抛射，使水流扩散并卷入大 量的空气，然后落入下游河床的水垫中。水 流在同空气摩擦的过程中，消耗了约 20%的 能量。抛射到下游河床水垫后，形成强烈的 旋滚区，冲刷河床形成冲坑，同时消耗掉大 部分的能量。 它一般适用于基岩上的 水工建筑物，特别是高水头、 大流量的泄水建筑物。 面流消能 面流消能的原理是将高速水流挑至尾水 面，在标成主流和河床之间形成逆流漩涡和 跃波，通过旋涡和主流扩散而消能。水流在 表面可减轻对坝下河床的冲刷，但是可能水 滚裹挟石块，磨损坝脚地基。 它适用于下游尾水较深， 流量变化范围小，水位变幅 不大的情况，由于表层水流 速很大，对下游的电站和航 运有影响。 消力戽消能 它将鼻坎设置在水下，不形成自由水舌， 水流在户戽产生旋滚，经鼻坎将高速主流挑 射至水流表面，消耗大量动能。 它一般适用于尾水较深， 变幅较小，无航运要求，切 地基条件比较好的情况。 31 消能形式及原理：重力坝的下泄水流具有很大的能量，如不能妥善的消除水流的能 量，将冲刷建筑物及河床基岩，危及建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流 消能、面流消能和消力戽消能等，他们的比较列于表 5-1 5.2 洪水标准和相关参数的选定洪水标准和相关参数的选定 本次设计的重力坝是 3 级水工建筑物，根据 sl2522000 表 3.2.4，消能防冲设计采 用按 50 年洪水重现期标准设计。 根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射 =20。 设反弧段起始点和挑出点在同一高程处。当下泄流量为 807m3/s 时，由下游流量水位 曲线关系可得下游水位为 1257.26m，下游水深为 1257.26-1250=7.26m。此时按 1：0.8 的 比列计算大坝下游淹没宽度为：5.8m。 该工程采用挑流消能工，根据下泄水流应该在高于下游水位大约 1m 处将水流挑出， 确定鼻坎高程为坎=1258.26m。挑角由工程类比经验和试验成果取得2=20。 5.3 反弧半径的确定反弧半径的确定 反弧半径 r 为： 对于挑流消能，可按下式求得反弧段的半径 2vgh 1 q bv h 堰面流速系数，取 0.95； h设计洪水位至坎顶高差，h=1303.43-1258.26=45.17m (取坎顶高程为 1258.26m) 故算出 m3/s20.952 9.8 45.1728.27vgh 32 q校核洪水时溢流坝下泄流量，(965m3/s)； b鼻坎处水面宽度，m，此处 b=单孔净宽+2边墩厚度； b=5+23=11m 1 965 3.1 11 28.27 q bv h r=（410）h r=12.431（m） 根据经验，取 r=8（m） 此时反弧最低点高程： 2 cos 1258.268 cos208 1257.8 rr m 坎 圆心高程： 02 cos 1258.268 cos20 1265.8 r m 坎 5.4 坎顶水深的确定坎顶水深的确定 坎顶水深计算公式为： q h bv 坎顶水流流速 v 按下式计算： 2vgh 堰面流速系数，取 0.95； h设计洪水位至坎顶高差，h=1303.43-1258.26=45.17m (取坎顶高程为 1258.26m) 33 故算出 m3/s20.952 9.8 45.1728.27vgh q50 年一遇洪水时溢流坝下泄流量，(807m3/s)； b鼻坎处水面宽度，m，此处 b=单孔净宽+2边墩厚度； b=5+23=11m 故坎顶平均水深： 1 807 2.6 11 28.27 q hm b v 5.5 水舌抛距计算水舌抛距计算 根据 sl253-2000溢洪道设计规范，计算水舌抛距和最大冲坑水垫厚度。 计算公式： 水舌抛距计算公式： )(2sincoscossin 1 21 22 11 2 1 hhgvvv g l