重力坝毕业设计-水电站混凝土重力坝工程设计

毕业设计（论文）题目大华桥水电站混凝土重力坝工程设计完成日期：2014年5月25日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：2014年月日

学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：_________2014年月日导师签名：_________2014年月日大华桥水电站混凝土重力坝工程设计学生：乔雨指导老师：田斌三峡大学水利与环境学院摘要：大华桥水电站位于云南省怒江州澜沧江上游河段上，工程主要任务为发电，兼有防洪等功能。本设计中坝型采用混凝土实体重力坝，设计内容主要包含以下几步：根据基本资料进行枢纽布置、确定工程等别和主要建筑物级别；挡水坝段设计（确定坝顶高程、拟定坝体实用剖面、抗滑稳定及应力强度分析计算）；溢流坝段设计（确定泄洪建筑物方案、拟定溢流剖面、消能防冲设计、底孔设计）；细部构造设计（坝顶构造、廊道与排水系统设计、坝体分缝与止水设计、坝体混凝土分区）；地基处理（坝基开挖、固结灌浆、帷幕灌浆、坝基排水）。关键词：大华桥混凝土重力坝应力分析稳定分析断面设计Abstract：DahuabridgehydraulicpowerstationislocatedontheupperreachesoftheLancangRivewhichrunspastofYunnanNujiangrabbit,themaintaskoftheprojectistogenerateelectricity,anditcanbeusedtocontrolthefloods.Thetypeofconcreteentitygravitydamisadoptedinthisdesign.Thedesignmainlyconsistsofthefollowingsteps:conductingtheprojectlayoutanddeterminetheproject’sgradingandmajorbuildings’engineeringlevelaccordingtothebasicinformation;designingretainingdam(determinethecrestelevationandpracticaldamprofile,analysisandcalculatetheslidingstabilityandstressintensity);designingoverflowsection(definethefloodreleasingstructure,intendoverflowsections,designthestructureofenergydissipationanderosion-controlandbottomoutlet);detailstructuraldesign(creststructure,corridoranddrainagesystemdesign,concretepartingandsealingdesign,concretepartition);damfoundationtreatment(foundationexcavation,consolidationgrouting,curtaingrouting,drainindamfoundation).Keywords：Dahuaqiaoconcreteentitygravitydam；stressanalysis；slidingstabilityanalysis；sectionsdesign前言毕业设计是各工科院校为大学生安排的最后一次全面性、总结性的教学实践环节，既是学生在老师指导下运用所学的知识和技能，解决具体问题的一次尝试，也是学生走向工作岗位前的一次热身。本毕业设计内容为大华桥水电站混凝土重力坝设计，它基本包括了一般水利枢纽所需进行的坝工初步设计的全过程。大华桥水电站是澜沧江干流水电基地上游河段规划的八座梯级电站中的第六级，结合其基本资料，本次设计坝型选择混凝土重力坝，完成的主要内容包括以下几个方面：利用已给基本资料及相关规范确定枢纽组成、枢纽等级和建筑物级别，选择各主要建筑物的型式及确定枢纽布置方案；挡水坝段坝顶高程、坝顶宽度、坝坡的确定，对所选剖面进行基本荷载和特殊荷载计算，进行抗滑稳定分析及应力强度计算；泄洪建筑物方案选择，溢流坝剖面设计，消能防冲设计，坝身泄水孔和引水发电孔的选择与布置；坝体细部构造的设计（主要包括坝顶构造、廊道与排水系统设计、坝体分缝与止水设计、坝体混凝土分区）；地基处理措施的选择（主要包括坝基开挖与清理、固结灌浆、软弱夹层处理、帷幕灌浆、坝基排水等）。本设计在阐述各项设计与布置的同时，尽可能的配置了许多公式、插图、附表，以供查阅。通过本次设计，提高了我的动手能力，加强了整体思维能力，推动了理论联系实际的实用能力，贯穿四年所学知识的综合运用能力，着重培养独立思考与独立工作的能力，加强计算、绘图、编写文件、使用规范、手册的能力。本设计由卢晓春老师进行审核，期间提出了许多宝贵的修改意见，在编写的过程中，受到张萍老师、刘伟老师、殷德胜老师及研究室的各位师兄师姐和同班同学的关心，并对设计的编写提出了很多指导性的意见，在此一并致谢。由于时间仓促，水平有限，缺乏实际工程设计经验，特别是对本次设计的工程所在地未进行过实际考察，设计的不一定得当，对于设计中出现的疏误或不当之处，敬请各位老师和广大读者不吝指正。目录第一部分设计说明书1TOC\o"1-2"\h\u27711基本资料 ③体形简单、造价低、便于施工等。4.1溢流面曲线4.1.1顶部曲线（一）顶部曲线的选择溢流坝顶部曲线是控制流量的关键部位，其形状多与锐缘堰泄流水舌下缘曲线相吻合，否则会导致泄流量减少或堰面产生负压。顶部曲线得型式很多，常用的有克——奥曲线和WES曲线。我国早期多用克——奥曲线。由于WES坝面曲线得流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克——奥曲线用给定坐标值的方法设计施工方便，所以近年来我国多采用WES曲线。在本设计中也采用WES曲线。WES曲线可用式4-1表示：（4-1）式中：——定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75%95%计算；——与上游坝面坡度有关的系数与指数，当坝面铅直时，,。溢流面曲线的坐标原点取在堰顶最高点，上游可采用二圆弧组合曲线、三圆弧组合曲线与之连接，本设计采用三圆弧组合曲线与之连接。（二）定型设计水头定型设计水头取堰顶最大作用水头的75%~95%，设计洪水位=1478.35—1462=16.35m；；校核洪水位时。根据SL31-2005《混凝土重力坝设计规范》考虑到设计洪水位闸门全开时，堰顶附近出现的负压值不应超过0.03MPa，也即是3m水柱高；在校核洪水位闸门全开时，堰顶附近出现的负压值不应超过0.06MPa，也即是6m水柱高。定型设计水头选择及堰顶可能出现的最大负压值参照下表4-1：表4-1堰顶负压值0.750.7750.800.8250.850.8750.900.950.40.05设计水位的12.312.713.113.513.914.314.715.5校核水位的13.714.214.615.115.516.016.417.3设计水位的负压5.55.13.93.42.82.11.50.8校核水位的负压6.25.74.43.83.12.41.60.9由表4-1可知定型水头必须要大于82.5%。此次设计取，此时在设计洪水位闸门全开时产生负压2.8m水柱<3m，在设计洪水位闸门全开时产生负压3.1m水柱<6m，在允许范围内，满足规范要求。（三）WES曲线的设计计算因为顶部曲线段采用WES曲线，，根据三圆弧组合曲线可以求出相关参数的值。上游面采用三圆弧连接，其相关参数分别为：那么WES型堰顶下游段曲线段方程为：（4-2）即（4-3）按上式计算坐标值如下表4-2所示：表4-2WES曲面上的点坐标x02468101214y0.000.180.631.342.283.454.836.42x1618202224262830y8.2310.2312.4314.8317.4120.1923.1626.31将坐标原点0点定于堰顶，绘制WES曲线如图4-1：4-1WES型堰面曲线上游直线段AB做成垂直的，与非溢流段的上游面坡度一致，这样可以试两种坝段连接时坝内止水设施和廊道布置简化。下游直线段CD坡度常用1:07到1:0.6，本设计取1:0.7。4.1.2中间直线段溢流面中间直线上、下两端分别与顶部曲线和下部反弧段相切，而且坡度一般与非溢流坝段下游坝坡相同或相近。故中间直线段的坡度就可以取1:0.7。假设中间直线段与WES曲线相切于C点，且C点的坐标设为，WES堰面曲线的一阶导数为：（4-4）中间直线段的坡度为：（4-5）联立（4-1）、（4-5）解得那么4.1.3反弧段因为校核洪水位是1480.26m，对应的下游水位是1425.23m，水头不是很高，而且下游水深达50m，故消能方式不适宜选用挑流消能，因此在本设计中此工程选用底流消能。溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线，反弧半径应结合下游消能设施来确定。根据《水力学》（吴持恭主编第四版），可取反弧段半径（4-6）式中：——定型设计水头，取15.5m；——最大的上下游水位差，即。所以参照《水工建筑物》（林继镛主编第五版）可得反弧半径的经验公式为（4-7）式中：——收缩断面处的弗劳德数；——收缩断面处的流速；——收缩断面水深。收缩水深的基本计算公式为：（4-8）式中：——上游水位至坝趾的铅直距离（）；——以下游河床为基准面的泄水建筑物上游总水头，因为，所以是高堰，可不计行近流速，即；——收缩断面处的单宽流量（m2/s）；——流速系数。代入各数据可得：，故（4-9）将、的值带入到式（4-9）中可得。根据式（4-6）、式（4-7）可初步确定反弧段的半径R为35m。假设反弧曲线的上端与中间直线段相切于D点，下端与河床相切于E点。D点、E点及反弧曲线圆心点的坐标可用下面的分析法来确定。（1）反弧段曲线圆心点计算（4-10）式中：——下游堰高（）；——直线段的倾斜角（）。代入数据，那么（2）E点坐标（4-11）（3）D点坐标（4-12）代入各数据得根据上述计算结果可绘得图4-2溢流面曲线溢流面曲线如图4-2所示：4.2下游消能设计底流消能是通过水跃，将泄水建筑物泻出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面漩滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点。本设计中校核洪水位、设计洪水位与正常蓄水位相应的下游水位之间相差较大，即尾水变幅较大，消能时应该尽量减小雾化程度，故不适宜采用挑流消能，鉴于底流消能的诸多优点，故拟采用底流消能。底流消能方式一般由消力池组成。消能主要是在消力池中利用水跃消能。4.2.1消力池（一）消力池池深的计算参照《水力计算手册》，首先以下式估算池深（4-13）式中：——以下游原河床高程（）为基准算出的收缩断面的跃后水深；——下游水深，可取31.23m；——系数，，此处可取1.03。其中跃后水深（4-14）然后检验池深的安全程度，检验方法是以式（4-15）计算安全系数：（4-15）式中：——以消力池池深的池底为基准算出的收缩断面的跃后水深。试算过程：首先假设，即以河床高程1394m为基准起算，根据式（4-7）、（4-8）、（4-9）可得出，代入式（4-13）中得：再根据《水力计算手册》（李炜主编第二版）利用第四篇第二节图4-2-5可查得池深，由此结合，可假设，那么此时以池底高程1388.5m为基准重算，此时利用式（4-14）可得。将、代入式（4-14）中得，故有，满足安全条件，实际采用的池深应该稍大一些，以保留一点淹没度，则可选定消力池池深。那么池底高程为1388m。（二）消力池长度的计算因为收缩缎面的弗劳德数，池首断面平均流速，那么消力池的长度（4-16）所以所以可取消力池长度。（三）中墩、尾坎的计算为了更好地消除水流的多余能量，常在消力池接近中间部位设置中墩。其大致布置在池首以后处，即27m；高度可根据《水力计算手册》（李炜主编第二版）利用第四篇第二节图4-2-16查得为7.5m；宽度为0.75倍的高度，即6m；顶部厚度为倍的高度，即1.5m；之后以1:1的斜率延伸至池底；每隔6m布置一个中墩。一般消力池末端设有尾坎，用来稳定水跃，调整铅直面上的流速分布，又将水流挑向水面，这样可减小池后水流的底部流速，并使水流均匀扩散，本设计拟在末端设置实体坎（连续坎）。因为坎高，故在本设计中尾坎高度拟定为4m。（四）护坦构造护坦用来保护河床免受高速水流的冲刷，护坦长度一般应延伸至水跃跃尾；护坦厚度应满足稳定要求，即在扬压力和脉动压力等荷载作用下不被浮起，可按下面的方法进行粗略估算。脉动压力：（4-18）式中：——脉动压力强度，沿法线方向作用于建筑物的表面，kN/m2；——计算断面处的平均流速，m/s；——脉动压力系数，根据水流缓急程度分别取，校核抗浮稳定时，可近似取0.1。所以kN/m2护坦下设有排水，一般可不考虑渗流压力，作用于护坦底面的扬压力强度为（4-19）式中：——护坦厚度，。静水压力强度即时均压强：（4-20）式中：护坦始端取，在距离收缩断面之后取。所以kN/m2，kN/m2，护坦厚度应满足下式：（4-21）式中：——抗浮安全系数（），此处取。先假设，利用以上各式可得，但22m过大，故不符合，此时应考虑用钢筋将护坦锚固在基岩上，这是护坦的厚度应为：(4-22)式中：——岩石容重（kN/m3）；——钢筋有效长度。此时假设，利用以上各式可得，基本上可以满足抗浮安全条件，故可取护坦厚度为3m。4.3堰面水面线计算4.3.1水面线计算的目的为了设计闸墩高度，边墙顶高程，及选定弧型闸门门轴高程，需知道水面线。水面线以上的安全超高可采用，对于非直线段，宜适当增加。4.3.2基本资料WES曲线为，堰顶高程1462m，直线段坡度。定型设计水头。校核洪水位：1480.26m，对应下泄流量：m3/s。要求计算校核水位情况下的水面线。4.3.3计算过程在这里使用《水工设计手册6—泄水与过坝建筑物》（以下简称《手册6》）中提供的计算水面线的方法。（一）不掺气水面线头部的计算该堰为高堰，采用《手册6》表27-2-4计算。 堰上水深，定型设计水头，则。该表中无相应的数据，采用内插法予以补充如表4-3中第4列所示。表4-3水面线头部计算11.331.18-1-0.941-1.23-1.099-15.5-17.03-0.8-0.932-1.215-1.086-12.4-16.84-0.6-0.913-1.194-1.066-9.3-16.53-0.4-0.89-1.165-1.040-6.2-16.12-0.2-0.855-1.122-1.001-3.1-15.510-0.805-1.071-0.9500-14.730.2-0.735-1.015-0.8883.1-13.760.4-0.647-0.944-0.8096.2-12.540.6-0.539-0.847-0.7079.3-10.960.8-0.389-0.725-0.57212.4-8.871-0.202-0.564-0.39915.5-6.191.20.015-0.356-0.18718.6-2.901.40.266-0.1020.06521.71.011.60.5210.1720.33124.85.121.80.860.4650.64527.99.99（二）整个坝面（包括直线段）上的不掺气水面线的计算1.求曲线长度：对于WES堰，根据，由《手册6》图27-2-7查算得，由此查得，堰上游段的曲线长度。2.求直线段长度：从切点到直线段上任意一点的距离为（4-26）式中：——直线段坝面与水平方向的夹角，为55°。从堰顶曲线起点到计算点的坝面距离：（4-27）计算边界层厚度：按Bauer公式计算，（4-28）式中：——坝面粗糙高度，对于混凝土坝面，建议取0.427～0.691，这里取0.5；计算单宽流量：（4-29）式中：——堰上水头（）；——水头为时的流量系数（）。所以按下式，推求势流水深：（4-30）正交于坝面的坝面水深为（4-31）按照上述计算过程将计算列于表4-4。表4-4坝面不掺气水深计算19.9400.0033.560.476.816.8921.9422.4436.000.506.616.7023.9444.8838.440.526.426.5125.9467.3340.880.556.256.3527.9489.7743.330.586.16.2029.941012.2145.770.615.956.0631.941214.6548.210.645.835.9433.941417.1050.650.675.695.8135.941619.5453.100.695.575.7037.941821.9855.540.725.475.6039.942024.4257.980.755.375.5141.942226.8760.420.785.275.4143.942429.3162.870.805.185.3245.942631.7565.310.835.095.2447.942834.1967.750.865.015.1649.943036.6470.190.894.935.0951.943239.0872.640.914.855.0153.943441.5275.080.944.784.9555.943643.9677.520.974.714.8857.943846.4179.960.994.654.8359.944048.8582.411.024.594.7761.944251.2984.851.044.524.7163.944453.7387.291.074.474.6665.944656.1789.731.104.414.6167.944858.6292.171.124.334.5369.945061.0694.621.154.314.52（三）掺气水面线的计算由泄流重力坝下泄的水流，当流速超过时，空气从自由表面进入水体，产生掺气现象。掺气水流主要分为自掺气和强迫掺气两大类。掺气可以减免空蚀，有利于消能，但水流掺气后，水体膨胀，水深增加，要求溢流坝边墙加高。计算掺气起点位置的公式有：（4-32）式中：——掺气起点至堰顶的沿程距离（）；——单宽流量。将代入上式可得：所以可取，此时可得，那么由表4-4可知不掺气时水深为6m。掺气水深公式：（4-33）式中：——不计入掺气及波动的水深（m）； ——计入掺气及波动的水深（m）；——不计入掺气及波动的计算断面上的平均流速(m/s)； ——修正系数，一般为1.0～1.4。计算过程整理如表4-5所示。因为那么由表4-5可知掺气时最大水深为9.19m，而依据后面的闸门及闸墩的设计时可知闸墩延伸至距堰顶竖直距离为26.16m，由表4-5知此处的掺气水深为8,6m，导墙的高度在水面线的基础上再加上0.5~1.5m，则导水墙高度为8.6+0.5＝9.1m，为便于施工可取9.5m，导水墙顶宽取1m。表4-5掺气及波动水深计算19.946.8925.629.1921.946.7026.368.9923.946.5127.118.8125.946.3527.818.6527.946.2028.468.5029.946.0629.148.3631.945.9429.718.2433.945.8130.408.1135.945.7031.017.9937.945.6031.547.9039.945.5132.087.8041.945.4132.647.7143.945.3233.177.6245.945.2433.707.5447.945.1634.197.4649.945.0934.707.3951.945.0135.227.3153.944.9535.687.2455.944.8836.167.1857.944.8336.577.1259.944.7737.007.0761.944.7137.517.0063.944.6637.876.9665.944.6138.336.9067.944.5338.976.8369.944.5239.106.81

5坝身泄水底孔设计5.1泄水孔类型选择在水利枢纽中为满足泄洪、发电、排沙、放空水库及施工导流等要求，需要在重力坝体内设置不同高程的泄水孔口，进口一般布置在库水位以下较深处。泄水孔按其孔口流态分为有压泄水孔和无压泄水孔；按其进口高程可分为中孔和底孔。其中无压孔的工作闸门布置在深孔进口，为使工作闸门后形成无压流，需将门后孔道的顶部抬高。检修闸门一般设在工作闸门前部。泄流时工作闸门前的进口段为有压流，门后为无压流。运用时明流段水压力小，孔壁可不用钢板衬砌，施工较简便。与有压孔相比，其流速相对较小，对坝体应力和防渗影响不大。鉴于以上无压孔的工作原理及其优点，本设计中坝身泄水孔拟采用无压孔。考虑到协助泄洪及放空水库的需要，重力坝淤沙高程为1406.9m，折坡点高程为1415m，故拟设置1个深孔，为安全起见且其高程拟取为1420m。而本工程发电站厂房设置为尾部地下式，那就需要设置引水发电孔，本设计中引水发电孔拟采用有压孔，布置在左岸。6.5.2坝身泄水底孔布置坝身泄水孔可布置在非溢流坝段，也可布置在溢流坝段，但考虑到安全及便于施工的特点，在本设计中拟将1个底孔布置在右岸非溢流坝段。坝身泄水孔的组成部分有：进口段、闸门控制段、洞身段、出口段和消能设施等。由于孔内流速高，边界条件复杂，应特别重视进口段、闸门段、渐变段及竖向连接等部位的体型设计，并应注意施工质量，提高表面平整度，以免引起空蚀破坏。（一）进口段为使水流平顺，减少进口局部水头损失，避免孔壁发生空蚀，进口段采用四分之一椭圆曲线，进口顶部椭圆长轴取为水平，为了使水流条件更好，再取的倾角，椭圆长短半轴之比，取进口段末端的孔高，本设计根据泄洪要求及其他类似工程，拟采用10m，那么m。所以进口曲线方程为：（5-1）（二）闸门段无压泄水孔的工作闸门和检修闸门均设在进口段，且检修闸门拟采用平面闸门，尺寸为11×11m，利用延伸至坝顶的门机起吊；工作闸门拟采用弧形闸门，尺寸为10×10m，利用液压式启闭机起吊。检修闸门槽前的入口段长度控制在0.8~1.0倍工作闸门处的孔口高度范围内，此处拟取3.5m。检修闸门槽与工作闸门之间的顶板布置成压坡段，目的是利用收缩进一步改善进口的压力分布和水流流态，压坡段为等宽矩形断面，顶板的坡率应陡于曲线顶板末端的坡率，一般在1:4~1:6之间，此处拟采取1:4，压坡段长度取为5.05m。检修门槽边界突变，高速水流极易在门槽及其附近的边壁和底板上发生空蚀，为减免空蚀，拟采用矩形收缩式门槽，其门槽宽为1m，深0.6m，错距0.07m，下游收缩边墙斜率取，圆角半径为1.58m。当布置在进口段的闸门开启时，门后空气会被高速水流带走，造成门后的低压区，产生空蚀和振动，因此拟在工作闸门后设置通气孔进行补气。其中通气孔直径可按式5-2估算。（5-2）式中：——通气孔的通气量，m3/s；——闸门全开时过流断面流速，m/s；——闸门后泄水孔断面面积，m2；——通气孔允许风速，取25m/s；——通气孔断面面积，m2；——通气孔直径，m。（三）孔身段本设计中的深孔孔身段拟采用城门洞形断面。由以上分析可知断面底宽拟取9m，高9m，上部半圆半径为4.5m。泄流能力为（5-3）式中：——水流垂向收缩系数，取0.895；——流速系数，取0.975；——孔口的宽度和高度，均为9m；——孔口水头，取52.35m。所以泄流能力为。竖曲线段深孔的竖曲线段常设计为抛物线，其方程为：（5-4）式中各字符含义同上，故可得方程为：（四）出口段因为下游水位较高，尾水变幅较大，又考虑到与表孔泄洪效能效果相呼应，方便施工，故出口段也是拟采用扩散后的底流水跃消能。水流由出口段经曲线扩散段及斜坡扩散段进入消力池。其中曲线扩散段与出口段及斜坡段相切，根据表孔消能特点即可确定出曲线扩散段拟采用半径为135.81m的圆弧，斜坡段拟采用斜率为1:1.53，之后再以半径为21m的圆弧分别与直线段及消力池底板相切。其中消力池的设计类似于表孔消能时的设计，在此不再累述。6.5.3引水发电孔布置因为本工程拟采用地下式厂房，所以需要布置引水发电孔，布置成有压孔。根据工程资料电站总装机容量450MW(225MW×2)，年发电量20.35亿kWh，故而本工程拟采取4个直径为9m的有压孔从水库引水到地下厂房进行发电。因为竖井式进水口的结构简单，不受风浪和冰的影响，抗震和稳定性好，工程量小，造价较低，而且本工程左岸地质条件较好、岩体比较完整，较适宜布置进水口，故而进水口拟采用竖井式。。闸门段因为是有压流，故而将平面检修闸门设置在进口段，弧形工作闸门设置在出口处。

致谢光阴似箭，岁月如梭，四年的大学生活即将结束，在此我要衷心地感谢卢晓春老师在学业上对我的悉心教育指导，他严于律己、宽以待人、严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时半载，却给以终身受用无穷之道，他常常在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。再者我要感谢的是我的班主任黄耀英老师，是他将我引入了水电工程的大门，在近四年的时间里，常常为我指点迷津，帮助我开拓思路，精心点拨，热忱鼓励，他那开拓进取的精神、高度的责任心都将使我终身受益。还有教过我的所有老