毕业论文-李家河碾压混凝土重力坝枢纽工程设计及ANSYS建模.doc

毕业设计（论文）毕业设计说明书题 目 李家河碾压混凝土重力坝枢纽工程设计及ANSYS建模专 业 水利水电工程 班 级 工092班 学 生 指导教师 2013 年李家河碾压混凝土重力坝枢纽工程设计及ANSYS建模摘 要李家河水库工程位于西安市蓝田县境内，水库枢纽位于灞河的一级支流辋川河中游河段，是解决西安市东部用水紧张的骨干供水工程之一，工程由水库枢纽和输水渠道两大部分组成。工程任务主要以西安市城东区城镇供水为主，兼有发电。本次毕业设计分析了坝址的地形和地质条件，对比几种坝型最终选取碾压混凝土重力坝,碾压混凝土坝与常态混凝土坝相比,工艺程序简单，可快速施工，缩短工期；碾压混凝土坝可不设纵缝，节省了模板和接缝灌浆等费用。对比上下两条不同的坝轴线，在其它条件类似的情况下，从抗滑稳定的角度考虑，最终选取了上坝线。最后还进行了枢纽布置：枢纽建筑物包括泄水建筑物、挡水大坝、底孔、供水管道和坝后式电站等。坝体剖面的稳定和应力计算时，荷载组合取了基本组合和特殊组合两种不同的情况，以正常蓄水位时的荷载组合作为基本组合,以地震荷载作为特殊组合。设计中选取了坝基面作为计算截面，对坝体的稳定和强度都依据DL5108-1999混凝土重力坝设计规范及SL319-2005混凝土重力坝设计规范分别进行计算验证，在这两种情况下坝体的稳定和强度都能满足要求。本设计对溢流坝段除进行体型设计外，还进行了详细的水力计算，并进行了溢流坝面的水面线计算。此外，本设计对泄洪排沙底孔进行了详细的体型设计，确保了大坝的泄洪能力及稳定条件。最后，对于坝址区的地基，进行了固结灌浆及帷幕灌浆，保证了坝体的稳定和防渗，确保了工程的安全。本次设计的主要成果有：设计说明书1份，设计CAD图纸7张以及其他相关附图附表等。 关键词： 碾压混凝土重力坝；溢流坝；底孔；挑流消能；枢纽布置Li Jia River roller compacted concrete (RCC)gravity dam project design and modeling of ANSYSABSTRACTLi Jia River Project is located in Lantian Country of Xian, the project is consisted of reservoir complex and water channel. The reservoir is for daily life water-based and compensation for flood control, as well as power generation. Analyses and of the dam site of the terrain and geological conditions, comparing several dams, the graduate design finally select the RCC dam and the down dam axis and the general layout,Roller compacted concrete dam compared with the conventional concrete dam, process simple, quick construction, shorten the construction period. Buildings hub include the water-releasing structure, retaining dam, bottom hole, water pipeline and power plant, and so on. Later the overflow dam, shape of bottom hole and incorporated dissipater are designed. In order to ensure the safety of the dam, careful stability and stress calculation is made by material mechanic method, the load group conjunction basic combination and specially combined two kind of different situations, took the basic combination by the normal store water level time load combination; Takes the special combination by the earthquake load. In the design has selected the dam basic plane to take the computation section, and stable all carried on the computation to the dam body, the result has all answered the purpose. At last, do the construction design for construction of the dam. The design of the dam foundation as the section, the dam stability and strength of DL5108-1999concrete gravity dam design specification according to SL319-2005 and concrete gravity dam design specification respectively are validated, the two cases in which the stability and strength can meet the requirements.The design of the overflow dam section in addition to the shape design, detailed hydraulic calculation are conducted, and the overflow of the water surface line calculation. In addition, the design of the detailed design of the body to release flood waters Desilting Bottom intake, ensure the ability to release flood waters and stability conditions of the dam. Finally, for the dam foundation, the consolidation grouting and curtain grouting, ensure the stability of dam body and impervious, ensure that the project safety.The main results of the design are: one design manual, seven design drawings and other related schedule, attached map and so on. KEY WORDS：the RCC dam ；retaining dam ；overflow dam ；bottom hole；ski jump energy dissipation ；layout of hydro-project 目录第1章 绪论11.1工程概况11.2 工程特性表1第2章 水文气象 32.1 流域水文概况 32.2 洪水分析计算3第3章 调洪计算63.1 底孔规模和死库容确定63.2调洪计算6第4章 工程地质164.1 区域地质164.1.1地质简况164.1.2区域构造稳定性和地震164.2水库区工程地质条件164.2.1基本地质条件164.2.2水库渗漏174.2.3库岸稳定性174.2.4库区淹没及浸没174.2.5水库诱发地震分析174.3坝区基本地质条件及主要工程地质问题评价184.3.1地质概况184.3.2坝区岩体物理力学性质184.3.3坝区主要工程地质问题评价19第5章 枢纽布置205.1坝轴线的选择205.2 坝型选择225.3 枢纽布置22第6章 建筑物设计236.1非溢流坝设计236.1.1坝体断面尺寸的拟定 236.1.2结构计算（以单宽计算）256.2 溢流坝设计396.2.1溢流坝断面尺寸的拟定396.2.2溢流坝段挑流消能水力要素的计算426.2.3 溢流坝坝面水面线的计算436.3 底孔设计50 6.3.1 底孔的形式506.3.2底孔泄流能力Q的计算536.3.3底孔水头线的计算536.4引水孔设计53第7章 构造设计557.1 坝顶构造557.2 廊道系统577.2.1 基础灌浆廊道577.2.2 坝体检查及排水廊道577.3混凝土分区577.4坝体分缝587.5坝体排水与止水59第8章 地基处理598.1 地基开挖与处理598.2 帷幕灌浆与固结灌浆608.2.1 帷幕灌浆608.2.2 固结灌浆608.3断层与软弱夹层处理61致 谢61参考文献622013届水利水电工程专业毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 工程概况李家河水库工程位于西安市蓝田县境内，水库枢纽位于灞河的一级支流辋川河中游河段，距西安市约68km，距蓝田县县城23km，是解决西安市东部用水紧张的骨干供水工程之一，工程由水库枢纽和输水渠道两大部分组成。工程的开发目标以浐河以东城镇供水为主，兼有发电。城镇供水范围包括西安市纺织城组团、洪庆组团、阎良区、蓝田县城及白鹿塬的狄寨、安村、孟村、砲里乡及前卫镇等。李家河水库工程供水设计流量为3.15m3/s，多年平均供水量7230104m3。水库正常蓄水位为880.0m。大坝枢纽正常运用的设计洪水标准为50年一遇，非常运用的校核洪水标准为500年一遇。李家河水库为中型水库,该枢纽为III等工程，永久性主要建筑物拦河大坝、泄水建筑物、引水建筑物、生态供水管道和输水渠道按3级设计，次要建筑物按4级设计，电站厂房及临时建筑物按5级设计。 该坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高96.4m，坝顶宽9m，长338.36m。上游上半部分铅直，下半部分坝坡为1:0.15；下游坝坡为1：0.75。坝顶采用开敞式溢流，堰顶高程为875m，只有1孔，净宽9m。采用鼻坎挑流消能。 该坝设有一个底孔，底孔进口中心线高程为839m，孔口尺寸为3m4.5m。1.2 工程特性表李家河水库工程特性见表1-1。表1-1 李家河水库工程特性表名称单位数量名称单位数量水文气象特性坝底宽度m73.88流域面积km2534.12.溢流坝多年平均气温13.1堰顶高程m875实测最大流量m3/s1290溢流堰净宽m9多年平均径流量亿m31.33最大泄量m3/s407.06多年平均输沙量万t25消能方式鼻坎挑流设计洪水流量m3/s9903.泄洪排沙底孔1校核洪水流量m3/s1790孔口尺寸m34.5水库特征检修闸门尺寸m61.4坝址河床高程m796.6工作闸门尺寸m6.2,7正常蓄水位m880进口中心线高程m839死水位m839最大泄量m3/s376.89总库容万m35609.28最大流速m/s27.9死库容万m341.30消能方式鼻坎挑流兴利库容万m35032.884.引水孔1工程特性孔口尺寸m221.拦河坝检修闸门尺寸m2.760.4坝型碾压混凝土重力坝进口底板高程m839最大坝高m97.06最大泄量m3/s3.15坝顶高程m883.36最大流速m/s0.8坝顶长度m338.36坝顶宽度m9第2章 水文气象2.1 流域水文概况李家河水库坝址位于辋川河中游河段，坝址以上流域面积362km2，占全流域67.8%，干流总长28.5km，河道比降28.6。流域呈扇形，地形南高北低，属秦岭土石山区，群山叠帐。流域内森林密布，植被良好，平时水流清澈。2.2 洪水分析计算由于李家河坝址无实测洪水资料，故洪峰流量和洪水总量计算仍以灞河罗李村站为参证站。罗李村站自19562007年有52年实测洪水资料。洪峰流量、不同时段洪量系列由每年内的最大值组成。洪量设计时段采用1、3日两个时段。李家河坝址设计洪水过程线采用将典型过程线按同频率法进行放大。经比较选取辋川河黄土砭站1958年8月2日实测洪水过程作为典型。该场洪水洪峰流量为328m3/s，最大一日洪量为1110万m3，最大三日洪量为1440万m3。典型洪水线及其用同倍比放大的设计洪水过程线见表2-1，绘制成曲线见图2-1。表2-1 李家河坝址设计洪水过程线月日时分流量月日时分流量Q典0.10%0.20%2%Q典0.10%0.20%2%826010.914013299.18316025.62001761137013.614814010517024.91991751128017.916415511018024.219917411283031.818416512019023.51981731119045.623420914020022.819717211193097.841837423321021.9196171110100266114010206002202119517011010303101330119074223020.21951691091103221500134084024019.319416810811303282040179099041020.4195169110120322150013408402021.419617111013027712201090680302119617011014024410109045644020.519516910915022388679349550201951681081601917516724196019.61951671081701656455773607019.11941661081801315464893058018.71931661081901164824322699017.81931651072001034113682301001719216410721090.835431719711016.119016310522078.631227917512015.218816210423070.528425416013014.418716110324062.426223514714013.518616010231058.224121614015013.4185160102205423420913516013.31851601023050.322720313017013.21851601014046.622019712618013.11841591015044.12151911241930131831591016041.621218812120012.51821581007039.221018712021012.6182158100续表2-1 李家河坝址设计洪水过程线月日时分流量月日时分流量Q典0.10%0.20%2%Q典0.10%0.20%2%8036.820918512022012.718315810083035.820818411923012.81831591009034.720718311824012.918415910010032.62061821175101318515910111030.52051811162013.118515910112028.42041801153013.118515910113027.72031791144013.1185159101140272021781145013.118515910115026.32011771136013.1185159101图2-1 水库设计洪水和校核洪水过程线第3章 调洪计算3.1 底孔规模和死库容确定灌溉要求放水入坝下游河道，同时考虑水库排沙和以外情况下泄洪的需要，宜建底孔。根据水库淤积计算和排沙要求，为了保证设计洪水时宣泄通畅，选取底孔进口高程839m,孔口尺寸34.5m，底孔明流泄量为376.89m/s，兼顾水力发电最小工作水头的要求，选取死水位（即兴利下限水位）为839m，相应死库容为41.3104m。3.2 调洪计算初定大坝采用底孔和溢流坝联合泄流，溢流坝段堰顶高程为875m,溢流坝段总长定为338.36m，只有1孔，孔净宽9米。底孔设一个,进口高程839m,孔口尺寸34.5m。大坝库水位库容ZV关系曲线见图3-1，大坝下游河道水位流量ZQ关系曲线见图3-2。图3-1 水库水位、库容（ZV）关系曲线图3-2 坝下游河道水位流量z1q1关系曲线表3-1 李家河水库库水位下泄流量曲线计算表上游水位Z m表孔m3/s（溢流堰）泄洪排沙底孔m3/s总下泄流量 m3/s8750.00 340.67 340.67 875.56.29 343.03 349.32 87617.79 345.37 363.16 876.532.68 347.70 380.37 87750.31 350.01 400.32 877.570.31 352.30 422.61 87892.42 354.58 447.01 878.5116.47 356.85 473.31 879142.29 359.10 501.39 879.5169.79 361.34 531.13 880198.86 363.56 562.42 880.5229.42 365.77 595.20 881261.41 367.97 629.38 881.5294.76 370.15 664.91 882329.41 372.32 701.74 882.5365.33 374.48 739.81 883402.47 376.63 779.09 883.5440.78 378.76 819.54 884480.24 380.88 861.12 续表3-1 李家河水库库水位下泄流量曲线计算表上游水位Z m表孔m3/s（溢流堰）泄洪排沙底孔m3/s总下泄流量 m3/s884.5520.81 382.99 903.80 885562.46 385.09 947.56 885.5605.17 387.18 992.35 886648.91 389.26 1038.16 886.5693.65 391.32 1084.97 887739.38 393.37 1132.75 887.5786.07 395.42 1181.49 888833.70 397.45 1231.15 888.5882.26 399.47 1281.73 8901033.31 405.48 1438.79 图3-3 水库库水位下泄流量q-z关系图根据水力学计算手册，混凝土重力坝设计规范（SL） ：表3-1中各流量分别由下列公式确定：表孔 ： (3.1)式中：m为堰流量系数，取0.496，为侧收缩系数，取0.9，h1为作用水头h1=Z上-875，875为溢流坝堰顶高程。底孔 ： (3.2)式中：为孔口流量系数，本设计中底孔为有压孔，经过计算沿程及局部水头损失，的计算公式如下： 经计算可取=0.87为底孔断面面积， 取用13.5。表3-2 底孔水头损失计算表 断面1/nd(m)R(m)V2C2L(m)hf(m)hj(m)H（m）1-1（右）83.33.80.95778.46821.3 0.0300.00 1.19 42.87 2-2(左）83.330.75778.46304.4 031.98 0.00 42.08 2-2（右）83.330.75778.46304.4 0.231.98 7.94 34.14 3-3（左）83.330.75778.46304.4 015.19.94 0.00 34.12 3-3（右）83.330.75778.46304.4 0.0415.19.94 1.59 32.53 4-4（左）83.320.5778.45507.4 020.122.73 0.00 21.33 4-4（右）83.320.5778.45507.4 0.220.122.73 7.94 13.39 h2为堰上水头,h2=Z上-836.75，836.75为底孔进口底板高程。取t=30分钟=1800秒，根据上面B=9m计算的库水位下泄流量曲线，即可计算相应工作曲线q(V/t+q/2)，q(V/t-q/2)，计算步骤见表3-3。工作曲线见图3-4。库水位Z （m）库容V（万m3）下泄流量q （ m3/s）q/2 （m3/s）v/t （m3/s）v/t - q/2 （m3/s）v/t + q/2 （m3/s）8754140 340.67 170.34 0.00 -170.34 170.34 875.54200 349.32 174.66 333.33 158.67 507.99 8764290 363.16 181.58 832.22 650.64 1013.80 876.54350 380.37 190.19 1166.67 976.48 1356.85 8774580 400.32 200.16 2444.44 2244.29 2644.60 877.54650 422.61 211.31 2833.33 2622.03 3044.64 8784710 447.01 223.50 3166.67 2943.16 3390.17 878.54784 473.31 236.66 3577.78 3341.12 3814.43 8794858 501.39 250.70 3988.89 3738.19 4239.59 879.54933 531.13 265.56 4405.56 4139.99 4671.12 8805007 562.42 281.21 4818.33 4537.12 5099.54 880.55105 595.20 297.60 5361.11 5063.51 5658.71 8815203 629.38 314.69 5905.56 5590.87 6220.24 881.55302 664.91 332.45 6455.56 6123.10 6788.01 8825400 701.74 350.87 7002.44 6651.58 7353.31 882.55499 739.81 369.91 7549.33 7179.43 7919.24 8835597 779.09 389.55 8096.22 7706.68 8485.77 883.55696 819.54 409.77 8643.11 8233.34 9052.88 8845794 861.12 430.56 9190.00 8759.44 9620.56 884.55899 903.80 451.90 9774.72 9322.82 10226.62 8856005 947.56 473.78 10359.44 9885.67 10833.22 885.56110 992.35 496.18 10944.17 10447.99 11440.34 8866215 1038.16 519.08 11527.22 11008.14 12046.30 886.56365 1084.97 542.49 12360.56 11818.07 12903.04 8876515 1132.75 566.38 13193.89 12627.51 13760.27 887.56665 1181.49 590.74 14027.22 13436.48 14617.96 8886815 1231.15 615.58 14860.56 14244.98 15476.13 888.56965 1281.73 640.87 15693.89 15053.02 16334.75 8907115 1438.79 719.40 16527.78 15808.38 17247.17 表3-3 q(V/t+q/2) ，q(V/t-q/2)工作曲线计算表图3-4 下泄流量q(V/t+q/2) ，q(V/t-q/2)工作曲线根据水库兴利水位变化和枢纽工程布设方案，选定调洪起始水位为879m，采用洪水分析成果中提供的洪水过程线。用半图解法进行调洪计算，选取时段t0.5h1800s,分别进行设计洪水和校核洪水调洪计算，从而确定设计洪水位、校核洪水位。调洪演算工作曲线绘出后，先对50年一遇设计洪水进行调洪演算。起调水位为879m，随着入库流量的增大，先由泄洪底孔闸门逐渐开启来控制下泄，使泄量等于来量。随后，因底孔闸门已全开而来水量仍然继续增大，故进入自由泄流情况，库水位被迫上升，由初时段的泄量q1查q(V/t-q/2)曲线得（V1/t-q1/2），加上Q平均值后得（V2/t+q2/2），再回查q(V/t+q/2)曲线得q2，由此逐步向下计算，最后求得最大泄量和相应水位即设计洪水位。计算列表见3-4。表3-4 调洪计算工作曲线计算表(P=2% 设计洪水)时间t(日.时：分)入库流量 (m3/s)平均入库流量( m3/s)库水位Z1 (m)v/t - q/2 (m3/s)v/t +q/2(m3/s)下泄流量Q（m3/s）库水位Z2 (m)2.9:0140255879.00 3738.19 4239.59 255.00 879.00 2.9:30370485879.00 3508.07 3993.19 485.00 879.00 2.10:0600671879.00 3507.96 3993.07 485.12 878.71 2.10:30742791878.71 3681.73 4178.96 497.22 879.08 2.11:0840915879.08 3955.31 4472.73 517.42 879.33 2.11:30990915879.33 4325.55 4870.31 544.76 879.67 2.12:0840800879.67 4670.33 5240.55 570.22 879.98 2.12:30760720879.98 4884.32 5470.33 586.02 880.18 2.13:0680651880.18 5009.09 5604.32 595.23 880.29 2.13:30622593880.29 5061.02 5660.09 599.06 880.34 2.14:0564546.75880.34 5055.38 5654.02 598.65 880.34 2.14:30529.5512.25880.34 5007.05 5602.13 595.08 880.29 2.15:0495476880.29 4929.92 5519.30 589.38 880.22 2.15:30457438880.22 4824.33 5405.92 581.59 880.12 2.16:0419404.25880.12 4690.61 5262.33 571.71 880.00 2.16:30389.5374.75880.00 4534.66 5094.86 560.20 879.86 2.17:0360346.25879.86 4361.96 4909.41 547.45 879.70 2.17:30332.5318.75879.70 4174.60 4708.21 533.62 879.53 2.18:0305296879.53 3974.51 4493.35 518.84 879.35 2.18:30287278879.35 3766.99 4270.51 503.52 879.16 2.19:0269259.25879.16 3556.97 4044.99 488.01 878.97 2.19:30249.5239.75878.97 3343.94 3816.22 472.28 878.77 2.20:0230221.75878.77 3127.39 3583.69 456.30 878.58 2.20:30213.5205.25878.58 2908.98 3349.14 440.17 878.38 2.21:0197图3-5 设计洪水与泄水过程线从设计洪水的调节得出:设计洪水位为880.34m，相应的下泄流量599.06m3/s.同理，对于500年一遇校核洪水与50年一遇洪水调洪演算方法相同，可推求出校核洪水位及其相应的下泄流量，见下表3-5：表3-5 调洪计算工作曲线计算表(P=0.2% 校核洪水)时间t (日.时:分)入库流量( m3/s)平均入库流量 (m3/s)库水位Z1 (m)v/t - q/2 ( m3/s)v/t +q/2( m3/s)下泄流量q (m3/s)库水位Z2 (m)2.9:0209291.5879.00 3738.19 4239.59 291.50 879.00 2.9:30374697879.00 3542.16 4029.69 487.53 878.75 2.10:010201105878.75 3737.80 4239.16 487.53 879.00 2.10:3011901265879.00 4299.93 4842.80 542.87 879.65 2.11:013401565879.65 4972.41 5564.93 592.52 880.26 2.11:3017901565880.26 5878.02 6537.41 659.39 881.09 2.12:013401277.5881.09 6721.37 7443.02 721.65 881.86 2.12:3012151152.5881.86 7238.99 7998.87 759.87 882.33 2.13:010901043.5882.33 7604.63 8391.49 786.87 882.66 2.13:30997950.5882.66 7843.61 8648.13 804.51 882.88 2.14:0904876.25882.88 7979.56 8794.11 814.55 883.01 2.14:30848.5820.75883.01 8037.02 8855.81 818.79 883.06 2.15:0793762.75883.06 8038.84 8857.77 818.93 883.06 2.15:30732.5702.25883.06 7986.52 8801.59 815.07 883.01 2.16:0672648.25883.01 7881.47 8688.77 807.31 882.92 2.16:30624.5600.75882.92 7733.34 8529.72 796.37 882.78 2.17:0577555882.78 7551.17 8334.09 782.92 882.61 2.17:30533511882.61 7338.92 8106.17 767.25 882.42 2.18:0489474.75882.42 7100.29 7849.92 749.63 882.20 2.18:30460.5446.25882.20 6844.31 7575.04 730.73 881.97 2.19:0432416881.97 6579.39 7290.56 711.17 881.73 2.19:30400384881.73 6304.51 6995.39 690.88 881.48 2.20:0368355.25881.48 6018.74 6688.51 669.78 881.22 2.20:30342.5329.75881.22 5725.84 6373.99 648.15 880.95 2.21:0317图3-6 校核洪水与泄水过程线由计算结果可得出最高水位即校核洪水位为883.06m,对应的最大下泄流量为818.93m3/s。调洪成果汇总为下表3-6：表3-6 调洪成果汇总表P%库水位Z(m)库容（104m3）下泄q(m3/s)下游水位（m)2880.34 5074599.06797.680.2883.065609818.93798.28第4章 工程地质4.1 区域地质4.1.1 地质简况根据区域的地质地貌特征，区域的水文地质单元，可粗略地划分为：山岳基岩的水文地质类型；河流沟谷冲积、洪积的水文地质类型；黄土塬松散堆积的水文地质类型。4.1.2 区域构造稳定性和地震工程区位于秦岭纬向构造体系与新华夏构造体系的复合部位，区域断裂以东西向为主。库坝区位于华山北侧断裂以南约12.5km(直线距离)以外的草坪库峪断裂与铁炉子断裂所夹持的带状相对稳定的地块上，属基本稳定地区。区域断裂的构造线，一般延伸远，发育深度大，具有多序次构造特点。据记载本区域在历史上曾发生过一次中强震地震活动，表明距坝址2040km区域范围内存在有地震活动的历史背景。根据1：400万中国地震动参数区划图(GB183062008版)及国家标准第1号修改单，工程区地震动峰值加速度为a=0.15g,地震动反映特征周期为T=0.35s，相应的地震基本烈度为度。4.2 水库区工程地质条件4.2.1 基本地质条件水库区位于秦岭北部的中低山区，为“V”字型峡谷地貌，植被丰茂。河流两岸山势陡峻，冲沟发育，总体趋势为南高北低。库区岩性主要可分为三大