计算说明书1参考1

西昌学院毕业设计 目 录1 工程概况 11.1 概述 11.2 各种类型时洪峰值 11.3 降水量 21.4 水利水能计算资料 32 坝挡水坝段的稳定及应力分析 43 坝高的计算 94 冲沙闸设计计算 .115 进水口的计算 .126 沉砂池计算 .136.1 沉砂池主要尺寸的拟定 .136.2 沉沙池纵向底坡的计算 .177 引水隧洞的计算 .187.1 隧洞尺寸设计计算 .187.2 隧洞荷载计算与隧洞围岩稳定分析 .187.3 隧洞衬砌设计计算结论 .208 压力管道的计算 218.1 压力管道的布置 218.2 管径的拟定 218.3 压力管道的水力计算 218.4 水锤计算 238.5 管壁厚度的拟定 249 镇墩的计算 26西昌学院毕业设计 9.1 镇墩计算 2610 水头损失计算 .3010.1 拦污栅水头损失 .3010.2 进水口连接渠道水头损失 .3010.3 进水口连接渠道转弯处局部水头损失 .3110.4 沉砂池渐变段的局部水头损失 .3210.5 沉砂池沿程水头损失 .32参考文献 .33致 谢 词 .34独 撰 声 明 35西昌学院毕业设计 01 工程概况1.1 概述设计流域多在习水县境内，坝址距习水气象站也较近，因此，以习水气象站来说明设计流域的气象特征。习水县处于北亚热带，气候属亚热带湿润季风气候区。主要气候特点是四季分明，冬冷夏凉，多阴雨天气，日照较少，气温低。由于地势起伏较大，地貌类型多样，小区气候差异十分明显。习水县的中部山区雨量较多，年降水量一般大于 1150 ，西部、南部河谷地带雨量较少，一般不足 1000 ，土城站降水mm量最少，仅 776.7 ；热量较高，气温近似于赤水。主要的灾害性天气有干旱、冰雹、秋季低温绵雨、倒春寒、暴雨、大风、凝冻等。 1.2 各种类型时洪峰值根据流域的杨家湾杨家湾坝址径流历年逐月平均流量表(见附录 1 表 1-1),推算得的各种类型时洪峰值表 1-2表 1-2 杨家湾电站分期洪水成果表分期 暴雨统计参数 不同频率设计值（ /s）3m)(mHvCVS%5P 10%20P114 月 24.7 0.39 3.5 176 141 107113 月 16.7 0.55 3.5 125 93.0 64.6124 月 22.4 0.45 3.5 168 130 95.7112 月 15.1 0.67 3.5 128 89.1 57.4123 月 13.1 0.49 3.5 79.3 61.5 45.014 月 21.7 0.49 3.5 171 130 92.8西昌学院毕业设计 11.3 降水量 表 1-3 各站年降水量频率分析成果表河流名称 站 名 资料系列 系列年限 )(mPvCVS习水河 官渡 19562001 46 1071.8 0.15 2.0寨坝 19561996 41 974.6 0.15 2.0习水 19512001 51 1101.1 0.15 2.0据习水气象站观测资料分析，多年平均降水量为 1101.1 mm（其中 58 月占58.1%，49 月占 76.8%） ，日降水量 P0.1 mm 降水日数 211.7 天，P 25.0 mm 降水日数 9.7 天，P 50.0 mmm 降水日数 2.1 天，年最大一日降水量发生在 1968 年 5 月 22日，日降水量达 178.8 mm。另据习水气象站、寨坝和官渡雨量站资料分析，杨家湾电站坝址以上流域多年平均面降水量为 1100 （详细分析请见后） 。习水河流域各站年降水量频率分析成果见m表 1-3。1.3.1 气温记录及冰冻情况习水县气象站位于习水县东皇乡，建于 1940 年，是国家基本气象站。根据习水气象站观测，贵州省气候资料中心整编并刊布的统计资料，习水县多年平均气温 13 ，最冷月一月平均气温 2.6 ，最热月七月平均气温 22.9 ，极端最低气温-8.6 （1982 年 12 月 26 日） ，极端最高气温 34.4 （1972 年月 27 日） 。年平均日照时数1124.3 h，日照百分率 25%，以夏季为最多，冬季为少。年平均相对湿度 85%，年平均雾日数 25.7 天，大风日数 0.7 天，冰雹日数 0.7 天，雷暴日数 46.3 天，降雪日数 22.4天。年平均风速 1.5 m/s，最大风速 13.0 m/s，全年主导风向为 W 风，夏季盛行 SE 风，冬季盛行 W 风。1.3.2 坝址流量水位关系(见附录 2 表 2-3)西昌学院毕业设计 21.4 水利水能计算资料蓄水位 390.60 m死水位 389.60 水库最高洪水不得超过 396.77设计洪水安全泄量 1590 /s3校核洪水安全泄量 2220 /sm电站总装机容量 9000 KW电站平均流量 17.9 /s3西昌学院毕业设计 32 坝挡水坝段的稳定及应力分析 1 13计算部分（单位：牛吨米）（1）基本原理及计算公式抗滑稳定分析主要就是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。主要计算方法有两种：抗剪断强度公式（Ksh ）抗剪强度公式（Ksl） 。此本工程为五等小（二）型工程，因此采用抗剪强度公式。抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数为：=(1)KPUWf)(式中 接触面间的摩擦系数；f作用于接触面上的扬压力；U作用于接触面以上的总水平力；P作用于接触面以上的总铅直力。W设计的坝体断面需要满足规定的应力条件：在基本荷载组合下，重力坝坝基面的最大垂直正应力应小于坝基允许压应力，最小垂直正应力应大于零；对于坝体应力，在基本荷载组合下，下游面最大主压应力不大于混凝土的允许压应力值，上游面的最小主压应力大于零。（2）计算工况在这里分两种工况进行计算：设计洪水位+扬压力；校核洪水位+ 扬压力。西昌学院毕业设计 4 WP1234 P56U水 平 力 垂直力力 矩 231图 2-2 坝体荷载示意图（3）基本资料坝基高程： 坝顶高程： 坝顶宽度：mZj0.382mZd7.396mB3下游折坡点： 坡度： =0.7dz95淤沙高程：384.50水的容重： 混凝土容重： =2.4 泥沙浮容重： =0.410cs排水管距上游坝面距离： =0 渗透折减系数： =0.3pL设计时，浪高： =0.61 浪长： =7 波浪中心高： =0.331hm1lm1zm上游水位： =395.50 下游水位： =390.00uz dz校核时，浪高： =0.27 浪长： =3.65 波浪中心高： =0.131 1l 1z上游水位： =396.00 下游水位 =390.50uzmdzm抗剪断摩擦系数： =0.6f西昌学院毕业设计 5坝基长度： =131 lm（4）基本荷载及其力臂计算为了方便计算，将个别力按如图所示的虚线切割。计算过程列于附录 2 表 2-1（5）稳定分析抗滑稳定安全系数为设计时： 1.052.53)(KPUWf校核时： 1.0.0)(f均符合稳定要求。（6）应力分析垂直正应力 和yud(2)2yuTM6W(3)2yd式中： 作用在计算截面以上全部荷载的垂直分力总和。设计时： = =261.87；WUV校核时： = =264.27;M作用在计算截面以上全部荷载的对截面形心的力矩总和。设计时： = =-485.03；LP校核时： = =-497.44；坝体计算截面沿上下游方向的长度， = =12.1。T Tl带入求得： 设计时： =1.76 =41.52yuyd校核时： =1.45 =42.23均未出现负值（拉应力） ，符合应力要求。西昌学院毕业设计 6剪应力 ，ud设计时： =(91.13-1.76-91.13)0=0 (4) nPuy)(=(41.52+32-32)0.7=29.06 (5) mdd/校核时： =(98-1.45-98)0=0uyu)(=(42.23+36.13-36.13)0.7=29.56Pdd/水平正应力 ,xu设计时:=(91.13-91.13)-(91.13-1.76-91.13)0=0 (6) 2)()(nPPuyuxu =(32-32)+(41.52+32-32)0.72=20.34 (7) / mddd校核时：=(98-98)-(98-1.45-98)0=02)()(nPPuyuxu =(36.13-36.13)-(42.23+36.13-36.13)0.72=20.69/ ddd第一主应力 ,plul设计时:=1.76(1+0)-(91.13-91.13)0=1.76 (8) 22)()1(nPnuyupi =41.52(1+0.72)-(32-32)0.72=61.86 (9) /mddl校核时:=1.45(1+0)-(98-98)0.32=1.362522)()1(nPnuyupi =42.23(1+0.72)-(36.13-36.13)0.72=62.92/ddl第二主应力设计时：=91.13-91.13=0 (10) uupP2西昌学院毕业设计 7=32-32=0 (11) udpP/2校核时:=98-98=0uup2=36.13-36.13=0dP/（5）成果分析由以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。西昌学院毕业设计 83 坝高的计算 1 3 9 13坝顶高出静水面 高程计算(1)chh012波浪高度校核时， (2)smV3 mDV26.03106.016.2 1453145 设计时， (3)6h2波浪中心线高出静水位高度0h校核时， (4)mL65.327.041)2(4.108.8.0mh3.10设计时： mLh3.02410安全超高，根据c坝的等级为五等小（二）型知：校核时， =0.2ch；设计时，m=0.3 。ch由以上可得坝顶超高为：校核时 mhhc57.0201设计时 则 确定坝顶高程为： mhc24.1201 2084.770校 设 352083图 2-1 非溢流坝型式西昌学院毕业设计 9图 2-1 重力坝形式校核时 mZ70.284坝 顶设计时 坝 顶取其中大者即 2084.77 ,作为坝顶高程（如图 2-1 所示） 。西昌学院毕业设计 104 冲沙闸设计计算 5初拟尺寸为 2.0 1.0 ，冲沙流速应大于启动流速，且不宜小于m。2.0/.5/s02QAgH式中，冲沙孔为自由出流属于底部无收缩侧向收缩极小，流量系数 查水力学得： =0.8， 为孔口形心的作用水头。0=0.82（29.817.2） 0.5=19.02 /s2Ag 3m=19.02/2=9.5 QVsm泥沙启动流速为：0.140.3shvgdd式中： 测点水深；h推移质泥沙粒径；d泥沙容重，天然泥沙取 25987.6 ；s 3mN清水容重，取 9806.7 ；3重力加速度，取 9.81 m/s2。g=1.34( )0.14 =1.34( )0.14 =1.66m/s0vdhrs045. 7.9806254.0819大于启动流速，且大于 ，初拟尺寸合理，所以冲沙闸尺寸拟定V2/ms为 2.0m1.0 m。西昌学院毕业设计 115 进水口的计算 5 7取水口引用流量为 3.0 m3/s，进水口设计底板高程为 2076.7 m，溢流坝正常蓄水位2078.2 m，拟定进水口水深 1.5 m，设计连接渠断面为矩形断面，计算参数边坡系数m=0， 查水力学 ，得河道糙率 n=0.015，由已知参数，推求 i、b，因为在基本公式中表达 b 和 h 的关系都是高次方程，不能直接求解，所以只能采取试算。计算成果表如下（具体程序见下表:进水口尺寸试算）：表 5-1 计算成果表计算水深 h、渠道宽 b、底坡 iQ I b m n A x R C h 渠顶高5.48533 500 0.002 1.8 0 0.015 2.7 4.8 0.5625 60.57069 1.5 23.99821 800 0.00125 1.7 0 0.015 2.55 4.7 0.542553 60.2073 1.5 23.66615 800 0.00125 1.6 0 0.015 2.4 4.6 0.521739 59.81604 1.5 25.03021 800 0.00125 2 0 0.015 3 5 0.6 61.22573 1.5 2由成果表选定进水渠断面设计尺寸为 1.7 m2.0 m，过水断面为 1.7 m1.5 m。由 得， =3/（1.71.5）=1.176 m/s，采用混凝土护面，根据水力AVQA学和水电站 ，渠道的最大允许不冲流速为 8.0 m/s，不长草流速为 0.6 m/s，根据水中泥沙最大粒径为 0.1 mm，不淤流速为 0.692 m/s所以尺寸合理，满足设计要求。西昌学院毕业设计 126 沉砂池计算 1 7 12 13 156.1 沉砂池主要尺寸的拟定6.6.1 概述根据杨家湾是实际情况，习水河流域内无泥沙实测资料，参证站二郎坝水文站具有 1975 年2001 年（缺 1983 年、1988 年）共 25 年的泥沙观测资料。据二郎坝水文站 25 年实测资料统计，该站多年平均悬移质输沙模数为 284t/km2；对照“贵州省多年平均悬移质输沙模数分区图”，习水河流域的年悬移质输沙模数 G=200 t/km2500 t/km2，二郎坝水文站泥沙分析成果符合地区分布规律。根据现场查勘，结合地区变化规律，设计流域多年平均悬移质输沙模数采用 300 t/km2，推移质按悬移质的 20%计。经计算杨家湾电站多年平均年输沙量 30.9 万 t，其中悬移质年输沙量 25.7 万 t，推移质年输沙量 5.2 万 t。习水河流域水属于多沙河流，为了避免泥沙进入水轮机，所以在无压进水口后修建沉沙池，通过断面的扩大，流速的减慢，使水流速度呈均匀分布并降低。根据流速低到 0.25-0.7 m/s 时，泥沙将会沉淀于池内。6.6.2 尺寸设计参考水利水电工程沉砂池设计规范 （DL/T 5107-1999） 、 小型水电站 （天津大学水利系编） 、 水工建筑物下册（张光斗、王先纶编，水利电力出版社出版）以及水电站第三版（河海大学、刘启钊主编）等进行综合拟定。沉砂池底板高程拟选 2068.8 m 正常水位高程 2073.4 m。（1）平均水深的拟定规范规定，对于小型水电站，沉砂池水深不宜小于 4.0 m，以免影响沉砂池的泥沙沉降效果，所以初拟尺寸是将水深定为 H=4.5 m，尔后再验证是否满足设计要求。（2）长度的拟定由于资料无河流泥沙的粒径、级配资料，所以本工程引用相近的沙拉地水文站的资料，沙拉地水文站悬疑质颗粒级配曲线和级配表见下表（表 6-1 和表 6-2）：西昌学院毕业设计 13根据级配和规范选定最大沉降粒径为 1.00 mm，最小有害粒径为 0.10 mm，根据规范拟定对应的进入沉砂池水流的流速为 =0.1375 m/s（初拟方案时，当沉降xV时， ，选取 0.1375 m/s） 。由于泥沙颗粒在沉砂池min0.51d0.51/xVms中的沉降运动是很复杂的，因为 在竖直断面上不是均匀分布的，表层流速较大，底x层流速较小，在沉砂池中水流有紊动，所以采用紊动流速，计算式为 ，其中/xV是系数，根据水深 H=4.5 m，查表取 =11，所以 0.0125 m/s。V沉沙颗粒下降的设计流速计算式是：SV(1)SV表 6-1西昌学院毕业设计 14表 6-2粒 径 级 （mm） 0.007 0.01 0.025 0.05 0.1 0.25 0.5 1.0 2.0小于某粒径沙重百分数（）23.2 27.9 48.1 68.8 88.8 97.8 99.4 99.9 100其中， 是泥沙颗粒的水力沉速。由于泥沙颗粒靠底层的较粗，靠表层的较细，V目前很难进行严格的泥沙沉降理论计算，所以常采用半经验法进行计算，取泥沙平均直径 对应的水力沉降流速，根据沙拉地水文站泥沙级配资料可知， 查表， =0.027 50d Vm/s。计算得： m/s.0145SV颗粒从水面下降到水底的时间计算式为：(2)/mSTHV已知水深为 4.5 m，计算得： s310要求的沉砂池长度为： =0.15310=46.5 mxml根据规范，设计时，宜取工作长度为计算长度的 1.2 倍，所以m 1.25.8Ll（3）宽度的拟定根据规范采用计算式 计算设计，已知 =3.0 /s、 、xQBHVQ34.5Hm,计算得 =4.44 m，选取 =4.5 m。0.15/xVms6.6.3 冲沙孔设计本工程属于定期式有压排沙，规范规定：有压排沙道内不应出现淤堵，选定的冲沙流速 应大于临界冲沙流速 ,且不宜小于 。CVKV2.0/.5/s矩形断面排沙道的临界冲沙流速可采用苏罗耶尔经验公式计算，计算公式为：西昌学院毕业设计 15(3)87510KmwCsCDCVERSQS式中， 临界冲沙流速，m/s ；KV常数，与廊道绝对糙度有关，当当量粗糙高度=0.001m 时，取 =66，当E E当量粗糙高度=0.005 m 时，取 =50，冲沙廊道采用混凝土护面，取 =50。E廊道内浑水密度，t/ ；m3泥沙密度，t/ ；取 2.65 t/s 33m清水密度，t/ ；取 1.00 t/w泥沙沉速，m/s，廊道挟沙水流中，小于该粒径沙重占 ；取75 75%=0.0028 m/s冲沙水流中的含沙量， ； CS3/kgm沉砂池设计入池含沙量， ； =0.238D DS3/kgm沉砂池工作流量， ； =3.0Q3/sQ3/s冲沙流量， ； =3.0CmC水力半径，m。 =RR14是系数，查表取 =0.1计算得： =1.00296 t/ ， =0.0476 ， =0.506 m/s。m3CS3/kgmKV综合分析：若拟选冲沙流速为 3 .0 m/s，满足设计规范要求，此时可出冲沙孔的断面尺寸为 ；所以初选冲沙孔设计尺寸为 。CQ2/1V1西昌学院毕业设计 166.2 沉沙池纵向底坡的计算沉沙池纵向底坡的计算应满足 , (4)i2cViCR式中 冲沙流速；cC谢才系数， ；16n水力半径R已知冲沙流速为 3.0 m/s，水力半径 = ， 按照水工建筑物下册查表,冲沙R14mn廊道采用混凝土护面，选取 =0.015，可求的 C=52.9，代入数据计算：n=0.01282cViC所以取 =1/50i4沉砂池底板高程拟选 2068.8 m，正常水位高程 2073.4 m。西昌学院毕业设计 177 引水隧洞的计算 167.1 隧洞尺寸设计计算因隧洞较长，顺坡、断面规则，故可按均匀流计。假定：b=3.60 m h1=2.20 m（直墙高度） m=0 i=0.001 n=0.016 过水断面面积 =3.60 m2.20 m=7.92 m2 (1)1)(hbA湿周 (2) 8.26.322水力半径 (3)9.08.7R由曼宁公式得 (4)35.62.16nC所以隧洞输水能力为 (5)smRiAQ35.10.9.9.7满足输水要求。 所以上述尺寸合理。7.2 隧洞荷载计算与隧洞围岩稳定分析隧洞围岩稳定与开挖时的应力重分布及围岩强度有关，而应力重分布状态则主要取决于初始应力的特征、隧洞的断面和形状、岩体性质等因素。初始应力的大小和方向是隧道岩体变形与稳定程度决定性的因素。由于影响围岩稳定的因素很多，而且错综复杂，目前还不能完全依靠理论计算，尚需借助经验或现场测量做出判断。围岩的稳定分析大致包括以下内容：（1）结合地质条件及岩石的力学性质、初始应力状态、施工方法等因素，初步选择隧道轴线和断面（前面已作分析计算） ，然后用弹性理论公式或有限元法计算围岩应力，并与围岩的极限强度进行比较。西昌学院毕业设计 18（2）隧洞开挖时的应力集中可使围岩出现应力超载，产生塑性变形，形成塑性区。（3）假定岩体为连续、均匀、各向同性的弹塑性体，初始应力符合静水压力条件，对于城门洞形隧道，按轴对称问题的平衡微分方程，利用摩尔库伦塑性准则及弹塑性界面上的应力相等条件，当洞室周边不存在支护抗力时，任意点的径向力 、切向r力 及塑性区半径 R 的计算式为：t(6)1)(sin120rctgr(7)(sisin20rtt(8)sin2100 i1)( ctgprR式中： 为岩石的内摩擦角， （ ） ；为岩石的凝聚力， ；Cak为圆形洞室的开挖半径，m；0r为塑性区内任一点的半径，m；为岩体的初始应力， 。0pakp再按卡柯公式近似判断是否失稳。卡柯公式是在假定初始应力符合静水压力分布，洞顶塑性区作用有自重力，洞内无支护力，符合摩尔库伦准则，洞顶以上弹、塑性区分离，该处 的条件下求得。洞顶塑性区内径向正应力 的计算式为：r r(9)(1sin3)()( sin12sin12 RrRrctgt Rr式中： 为洞顶塑性区内任一点半径，m；为无支护力的塑性区半径，m；R为岩石的容重， ；r3mkN为塑性区岩体的凝聚力， ；cap为塑性区岩体的内摩擦角， （ ） 。当 时，0r由上式得 0，则洞室是稳定的。由于地质条件复杂，计算结果很难完全反应实际情况，因此，现场量测对对指导西昌学院毕业设计 19施工、改进设计是十分必要的。7.3 隧洞衬砌设计计算结论根据地质资料描述，隧洞进出口各 150 m 长度范围属于 类围岩，该段采取全断面 C20 钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度 25 cm，底板厚 20 cm；对类围岩边墙采取 C20 素混凝土衬砌，厚 15 cm，底板厚 25 cm，顶拱采取喷 C20 混凝土，厚度 15 cm，衬砌长度 300 m；对类围岩边墙采取 M7.5 浆砌条料石衬砌，厚 30 cm，底板采取 C15 混凝土浇筑，厚 15 cm，顶拱可不衬砌，在裂缝密集处采取喷 C20 混凝土，厚度 10 cm 支护，必要时加以挂网。西昌学院毕业设计 208 压力管道的计算 178.1 压力管道的布置根据地形，地质条件，压力管道采用明管的布置形式。引用流量 2.62 m/s。全管沿线设镇墩 7 个，支墩 9 个。根据工程布置在 2#设置空间弯管。用 c15 块石砼浇筑。管轴线长 396 m。钢管材料采用 Q345-B 钢板。8.2 管径的拟定本工程设计水头 300.0 m，设计流量 2.62 m/s，根据经验公式进行拟定计算：（1） 按彭德舒公式进行计算：（见水电站第三版，P121）(1)mHQD87.02.51axD压力管道管径，m。Q最大引用流量，m/s 。H设计水头，m。（2）按法布尔公式进行计算。=0.91 (2)714352.0HNDN电站装机容量，kW 。（3）按国内经验公式计算：(3)985.063.045.maxQ综合考虑，为了使投资回收年限最短，所以选择经济管径为 D=1.00 m，考虑到管道内的水力 95%的损失，流速为 V=2.76 m/s.8.3 压力管道的水力计算1、水头损失计算西昌学院毕业设计 21水头损失用压力前池进水室至水轮机控制闸阀的局部和沿程损失之和。计算过程如下：（1）沿程损失 计算fh由曼宁公式： (4)16CrnC谢齐系数N粗糙系数R断面水力半径根据管道的种类 取 n=0.012， 1/n=83.3。R 为水力半径 R=A/X=D/4。直管：所以=66.12 /s61RnC21m(5)2118g于是 =0.0221c由达西公式 (6)gVDLhf21管道中的沿程水头损失f阻力系数=3.07 m/fh( 2 )局部损失计算局部损失计算包括进水室进口，锥管等计算。可用 (7)21jvhg局部水头损失系数西昌学院毕业设计 22V发生局部水头损失以后的平均流速(8) 21hHm039.876.01m212.2h于是 H=0.039+0.218=0.257 m是进水口水头损失； 阀门水头损失1 2h8.4 水锤计算电站毛水头 300 m，主管长 396 m，水锤计算方法为简单管道计算。机组满负荷运行，突然丢弃全部负荷时的情况，此时水轮机导叶关闭时间 =5.5 sts，压力波传播速度近似取 c=1200 m/s，经计算最大水击升压为第一相水击，取=0.258=2356.13/1200=0.66Ts=5.5 s (9) CLT于是 =0.84 (10) 5.0)1(V为相对流速，任意时刻的流速与最大流速的比值可判定其发生的是间接水击，而水管特性常数 P 和 = (11) GHTL=0.05=(12) CV2=0.48=0.481 为第一相水击西昌学院毕业设计 23= = =0.07 (13) Z-1205.48= = =0.06 (14) Y.所以水锤压力升高值 =24.5mZH1水锤降压值 21mY18.5 管壁厚度的拟定厚度包括设计厚度和锈蚀厚度两部分。并考虑在制作安装过程中避免出现过大变形的最小厚度。锅炉公式初拟：(15) 0.12jhdC为设计管段计算水头jhd 为钢管直径C 为锈蚀厚度为 0.2 mm为估算时材料允许应力 97.5 MPa为焊接系数 0.901#