毕业设计计算书-A江水利枢纽复杂地基上双曲拱坝设计.doc

水利水电工程专业毕业设计目 录全套图纸加扣 3012250582第一章 调洪演算- 3 -1.1调洪演算的原理- 3 -1.2 泄洪方案的选择- 3 -1.2.3 确定坝高- 5 -第二章 大坝工程量比较- 6 -2.1 大坝剖面设计计算- 6 -2.2工程量比较- 10 -第三章 第一建筑物大坝的设计计算- 11 -3.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置- 11 -3.1.1 坝型选择双曲拱坝- 11 -3.1.2拱坝的尺寸- 11 -3.2荷载组合- 13 -3.3拱坝的应力计算- 13 -3.3.1对荷载组合，使用FORTRAN程序进行电算- 13 -3.3.2对荷载组合进行手算- 14 -3.4坝肩稳定计算- 21 -3.4.1计算原理- 21 -3.4.2验算工况- 22 -3.4.3验算步骤- 22 -第四章 泄水建筑物的设计- 25 -4.1 泄水建筑物的型式尺寸- 25 -4.2 泄槽设计计算- 25 -4.3 导墙设计- 26 -4.3 消能防冲计算- 26 -4.3.1 水舌挑距- 26 -4.3.2 冲刷坑深度- 27 -4.3.3 消能率计算- 27 -4.3.4 孔口应力计算及配筋- 28 -参考文献- 31 -附录一- 32 -附录二- 33 -第一章 调洪演算1.1调洪演算的原理 先对一种泄洪方案，求得不同水头下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲线，再假定几组最大泄流量，对设计（校核）洪水过程线进行调洪演算，求得这几组最大泄流量分别对应的水库存水量，查水位库容曲线，得出这几组最大泄流量分别对应的上游水位，并作最大泄流量与上游水位的关系曲线。上述两条曲线相交得出一交点，此交点坐标即为设计（校核）情况下的孔口最大泄流量及相应的水库水位，再对其它泄洪方案按同样的方法进行调洪演算，最后选定的泄洪方案孔口最大泄流量应接近并不超过容许值，库水位又相对比较低。1.2 泄洪方案的选择1.2.1 对以下三种方案进行调洪演算4表孔+2中孔2浅孔+2中孔4中孔方案一：4表孔+2中孔表孔：堰顶高程179m，孔宽12m m=0.48 , =412=48m 中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.5m，高7m 闸门开度a=7m，孔口宽度B=27.5=15m， =0.96-0.227a /表1-1 四表孔二中孔泄流方案四表孔二中孔泄流水头（m）182186190194表孔下泄流量（m3/s）530.29051890.0753723.245928.828中孔侧收缩系数0.9272370.9297330.9318760.933736中孔下泄流量（m3/s）3003.3123133.1193257.7763377.85总下泄流量（m3/s）3533.6035023.1946981.0169306.678起调流量3871.603 m3/s，做出4表孔+2中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6420 m3/s 校核7350 m3/s最高水位 ：设计188.3m 校核190.4m方案二：2浅孔+2中孔浅孔：进口高程164m，出口高程154m，孔口宽8.5m，高8m =0.96-0.227a / a=7m B=17m中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.4m,高7.4m =0.96-0.227a / a=7.4m B=14.8m表1-2 2浅孔2中孔泄流方案2浅孔2中孔泄流水头（m）182186190194浅孔侧收缩系数0.8843330.8951430.903250.909556浅孔下泄流量(m3/s)2609.8172853.3813078.023287.524中孔侧收缩系数0.9252220.9278810.9301630.932143中孔下泄流量(m3/s)3119.3373255.2643385.7623511.43总下泄流量(m3/s)6067.1536446.6466801.7817136.953起调流量6067.2 m3/s，做出2浅孔+2中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6520 m3/s 校核7000 m3/s最高水位 ：设计186.9m 校核189.8m方案三：4中孔中孔：进口高程135m，出口高程130m，孔口宽7.5m，高7.5m =0.96-0.227a / a=7.5m B=30m表1-3 4中孔泄流方案4中孔泄流水头182186190194中孔侧收缩系数0.9272370.9297330.9318760.933736中孔下泄流量(m3/s)6184.4486437.1386679.8046913.548起调流量6184.4 m3/s，做出4中孔的泄洪能力曲线及水库水位与所需的最大泄流量的曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量：设计6540m3/s 校核6640 m3/s最高水位 ：设计186.9m 校核189.8m1.2.2 泄流方案的选择由下游容许下泄流量在设计情况下为6550 m3/s,校核情况下为7550 m3/s.选择泄洪防方案，即设置两浅孔，孔口尺寸为8.5m8m，进口底高程为164m，出口底高程154m，两中孔，孔口尺寸为7.4m7.4m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。设计洪水时，设计水位为186.9m，下泄流量为6520m3/s，小于允许流量6550m3/s,。校核洪水时，校核洪水位为189.8m，下泄流量为7000m3/s，小于允许下泄流量7550 m3/s。1.2.3 确定坝高1.2.3.1波浪三要素计算（采用官厅水库公式）坝顶超出水库静水位的高度h为 式中 V0计算风速, m/s； D库面吹程，m； 平均波高，m；平均波周期，s；H水深，m。1.2.3.2 坝顶高程计算 坝顶高程= Max设计洪水位+h设，校核洪水位+h校 其中： h=2式中h1%累积频率1%的波浪高度（m）， hz波浪中心线高出静水位的高度 (m), hc取决于坝的级别和计算情况的安全超高（等级为1级时：设计hc=0.7m，校核hc=0.5m）。经计算得：坝顶高程为192.3米，即拱坝坝高100.3米。第二章 大坝工程量比较2.1 大坝剖面设计计算混凝土重力坝：坝前水深：189.8-92=97.8m最大坝高：192.3-92=100.3m基本剖面 根据应力条件，确定坝底最小宽度 式中 =24kN/m3 =10kN/m3 扬压力折减系数1取0.25则B=97.8/(24/10-0.25) 1/2=68.4m 按稳定条件确定坝底最小宽度 式中=1.10 =0.7 =0 =0.25 则B=1.197.8/0.7(24/10+0-0.25)=73.3m综合，取坝底最小宽度B=74m实用剖面坝顶宽度：取坝高的810%，即（810%）100.3=(8.0210.03)m,取为10m下游坡度为1：0.75 上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的1/32/3范围内，即（1/32/3）100.3=(33.166.2)m,取为54m。上游折坡的坡度取为1：0.15坝底宽度为6+(100.3-2.48-13.33)0.75+10=81.47m排水位置设计洪水最大下泄流量为6520m3/s，则Z下=114.4m，水头H=189.8-114.4=75.4m廊道上游壁到上游坝面距离不小于0.050.1倍水头，且不小于45m， 即 （0.050.1）75.4=(3.777.54)m,取为6m。宽取2.5m，高取3m。荷载计算设计水位时坝体自重W1=1/264024=2880 kN/mW2=109524=22800 kN/mW3=1/26081.124=58392 kN/mW= W1+ W2+ W3=84072 kN/m水压力垂直水压力W水上=108.1(186.9-146)+108.154/2=5499.9kN/mW水下=1/210（114-92）0.75=1815 kN/m水平水压力P上=1/20H上2=1/210(186.9-92)2=44175.5 kN/m P下=1/20H下2=1/210(114.0-92)2=2420.0 kN/m扬压力 =22m，m， U1=102281.47=17923.4 kN/m U2=100.2572.914.1=2569.71 kN/m U3=1/20.2572.967.3710=6139.09 kN/m U4=1/21014.154.675=3854.59 kN/m浪压力 =54.31 kN/m泥沙压力 垂直泥沙压力8.5230.15/2=337.2 kN/m 水平泥沙压力Ph=1/2nhn2tg2(45o-n/2)式中 n=8.5kN/m3 hn=115-92=23m n =10o 故 Ph=1/28.5232tg2(45o-10o/2)=1582.9kN/m稳定校核 设计状况 f(W-U)/ P=0.75/3（93575.4+5499.9+1815-17923.4-（2569.73+3854.591.1）-6139.091.2+337.2）+0.5/381.4710/（44174.5-2420+1582.971.2+54.311.2）=1.16K校核状况f(W-U)/ P=0.75/3（93575.4+5734.8+1898.4-18330.75-（2654.325+3981.571.1）-6341.21.2+337.2）+0.5/381.4710/（47824.2-2531.25+1582.971.2+19.641.2）/1.2=1.12K稳定满足要求应力分析(取坝基面) 设计水位力(kN)力臂(m)弯矩(105kN/m)重力3799.227.6351.055248.835.3351.85844568.1786.91静水压力5499.936.92.0344175.531.63-13.97181529.735-0.5424207.330.177扬压力17923.4002509.7333.685-0.8456139.094.18-0.263854.5936.035-1.39淤沙压力1582.97180.285浪压力忽略上游拉应力 =420.20 满足 =2183.60 满足 =2306.721833.3 应力满足2.2工程量比较比较重力坝和拱坝的工程量：重力坝工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算：第块 L1=205m L2=79m b=57.6m m1=0.15 m2=0.75 H=54m V=54/6205357.6+(0.15+0.75)54+79357.6+2(0.15+0.75)54=600000m3第块 L1=263m L2=205m b=10m m1=0 m2=0.75 H=30.5m V=30.5/6263310+(0+0.75)30.5+205310+2(0+0.75)30.5=150000m3第块 L1=308m L2=263m b=10m m1=0 m2=0 H=15.83m V=15.83/6308310+(0+0)15.83+263310+2(0+0)15.83=45200m3重力坝工程量:V1= V+ V+ V=795200 m3拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算A1=3003.22m2A2=3620.15m2A3=3935.58m2A4=3571.29m2A5=2017.53m2V2=（A1 +A2）h/2+（A2 +A3）h/2+（A3 +A4）h/2+（A4 +A5）h/2=341000 m3经比较，拱坝较重力坝可节约工程量（V1- V2）/ V1=（795200-341000）/795200=57.1故本次设计选择拱坝。第三章 第一建筑物大坝的设计计算3.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置3.1.1 坝型选择双曲拱坝V形河谷或其它上宽下窄的河谷，若采用定半径式拱坝，其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求，此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小，以使上下各层拱圈的中心角基本相等，并在铅直向设计成一定曲率，形成变半径等中心角双曲拱坝，而做到上下层拱圈的中心角相等很困难，故采用变半径变中心角的双曲拱坝.3.1.2拱坝的尺寸坝顶的厚度Tc 0.01(H+2.4b1)=0.01(100.3+2.4310)=8.44mTmin=35mTc=0.01(H+2.4b1)= 0.01(100.3+2.4310)=8.44m 取Tc=8.5m坝底的厚度TB式中K=0.0035b1,b4分别为第一，第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离b1=310m b4=170m H=100.3ma=6.55t/m3 TB=0.0035(310+170) 100.3/6.55=25.73m 取TB=26m上游面的曲线采用二次抛物线 式中 =0.60.65 =0.30.6取=0.62 =0.3 则x2=0.326/(20.62-1)=32.5 x1=20.6232.5=40.3上游面的曲线方程为 z= -40.3y/100.3+32.5(y/100.3)2下游面的曲线按Tc，TB沿高程线性内插。设第i层拱圈的厚度为Ti 则Ti=Tc+(TB-Tc)/ Hyi=8+(26-8)/100.3yi 图3-1 拱冠梁示意图表3-1 各层拱圈的形体参数（单位：m）层12345高程192.3167.3142.3117.392纵坐标y0255075100.3上游面横坐标z10-8.04-12.03-11.94-7.8拱厚Ti8.512.8817.2521.6326下游面横坐标z28.54.845.229.6918.23.2荷载组合正常水位+温降设计水位+温升校核水位+温升正常水位+温降+地震3.3拱坝的应力计算3.3.1对荷载组合，使用FORTRAN程序进行电算正常水位+温降n= 5 u= .20 AT=-47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 8.3 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 252.23 152.45 114.17 296.62 .00 .00 .00 .00 2 283.23 96.89 34.83 236.18 61.09 49.15 -13.01 114.15 3 272.52 27.83 -36.17 184.02 70.90 131.65 14.80 167.25 4 221.77 -30.62 -63.51 129.57 17.17 259.06 131.90 118.39 5 104.82 -59.05 -26.82 59.47 -61.46 397.93 324.64 -31.66 设计水位+温升n= 5 u= .20 AT=47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 5.4 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 293.53 223.24 196.27 324.80 .00 .00 .00 .00 2 299.52 158.49 111.52 261.78 85.19 26.35 -13.01 114.15 3 283.06 88.57 37.69 210.63 102.26 101.94 14.80 167.25 4 232.32 27.58 .90 155.92 57.08 218.70 131.90 118.39 5 129.22 -13.31 14.72 87.85 12.01 313.31 324.64 -31.66校核水位+温升n= 5 u= .20 AT=47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 2.5 HS= 77.3 X1= 40.3 X2= 32.5LEVEL HI AF SL T R 1 0.0 45.00 153.5 8.5 196.5 2 25.0 45.00 126.1 12.88 176.5 3 50.0 45.00 104.0 17.25 152 4 75.0 45.00 75.0 21.63 108.5 5 100.3 45.00 36.1 26.0 57.5LEVEL SM= SS=1 322.51 243.19 212.76 357.80 .00 .00 .00 .00 2 326.81 170.45 118.38 285.53 91.20 22.09 -13.01 114.15 3 304.51 93.06 37.75 226.44 98.32 108.89 14.80 167.25 4 246.11 27.49 -1.00 165.17 41.95 237.18 131.90 118.39 5 134.19 -14.84 14.47 91.61 -8.28 337.74 324.64 -31.663.3.2对荷载组合进行手算拱冠梁法计算应力的变形协调方程： 式中：aij单位荷载作用在梁上j点使i点产生的径向变位，称为梁的变位系数； i在单位均匀径向水平荷载作用下，第i层拱圈拱冠处的径向变位，称为拱的变位系数； Ai第i层拱圈由于该层均匀温度变化时在拱冠处的径向变位； Bi作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁上i点的径向变位； Pi、xi分别为i层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载。 i=1，2，3，4，51拱圈变位系数i的计算及均匀温降时的Ai的计算式中：可由拱圈的A、T/R查表4-7（沈长松编拱坝）得出； EC混凝土的弹性模量，取2.2106； R第i层拱圈的平均半径。式中：0可由拱圈的A、T/R查表4-8（沈长松编拱坝）得出； R第i层拱圈的平均半径； C坝身材料线胀系数，取0.810-5；第i层拱圈的均匀温度下降值。=47/（T+3.39）(oC) T第i层拱圈的拱厚。i和Ai计算见附表第一页“单位均匀径向水平荷载作用下拱圈拱冠处变位表3-2 i与均匀温降o时拱圈拱冠处的变位Ai的计算i与ai的计算i截面高程拱厚半径RT/R半中心角。*（R/Ec）均匀温降R*C*。Ai*Ec1192.38.5197.50.04351.25-10130.928643.9529015980.00625-1.843-253232167.312.881760.073146.75-5027.92842.8887523050.00407-1.732-154983142.317.251520.113443-2833.8122.2771317830.00277-1.624-9893.14117.321.63107.50.201244-1087.19051.8784972020.00162-1.259-4474.659226570.456139-263.911.5991833960.00073-0.744-1193.62.垂直荷载作用下引起的梁的径向变位Bi的计算垂直荷载作用下拱冠梁各截面的M/ECI（弯矩以顺时针为正）的计算 表3-3垂直荷载作用下各截面的M/ECI的计算水重(t/m)弯矩（逆时针为正）IM/I43.00254.723333333203.1151417178.061.1407190.5695.5783333331063.057405427.7462.4853258.65287.6151638.362847843.3121.9428-152.55914.56333333-1569.373891464.67-1.071(2) 垂直荷载作用下由于梁本身弯曲引起的变位BiIBiI=iyi式中： i垂直荷载作用下i截面以下M/ECI图的面积；yii面积形心至i截面的距离。表3-4垂直荷载下由于梁本身弯曲引起的变位BiI垂直荷载下由于梁本身弯曲引起的变位BiI断面yy1-1109.3445.444968.40962-295.0841.343930.60723-364.96834.342231.001124-410.1118.39333185.95665-5000(3) 拱冠梁梁基力系作用下，地基产生角变x及径变f，由于地基变形而使拱冠梁随着产生变位，按几何关系可知，距梁基高为hi处梁上某截面I处的径向变位为Bi:Bi=xhi+f仅垂直荷载时x= Mx f= Mx2取拱坝Ec=Er=22105t/m2，即n=1=5.62/（EcT2）n=5.62/(262Ec)=0.00831/Ec2=0.74/(26Ec)Mx=-1569.4x= -1569.40.00831/Ecf=-1569.40.74/(26Ec)Bi=x+f表3-5 垂直荷载引起的径向变位计算HiBiBiBi100.3-1352.794968.413615.62029275.3-1026.753930.6072903.85531850.3-700.7142231.0011530.28666425.3-374.677185.9566-188.72043060-44.72720-44.72715587（4）梁变位系数aij的计算结果：表3-6 梁变位系数aij的计算a116331.187a213751.625a311809.287a41629.2299a5177.44231a118622.67a215609.838a312898.188a411053.208a51142.7452a114132.456a212972.845a311803.928a41744.2773a51125.101a111479.599a211131.796a31783.992a41425.7292a51107.2644a11229.2908a21186.3713a31143.4517a41100.5803a5147.70673（5）计算pi 正常水位184m H1=184-167.3=16.7m 水库淤积高程115mp1=0p2=wH1=116.7=16.7t/m2p3=wH2=1(16.7+25)=41.7 t/m2p4=wH3=1(41.7+25)=66.7 t/m2p5w=wH4=1(66.7+25)=92 t/m2 p5s=shstg2(45o-s/2)=0.8523tg2(45o-10o/2)=13.76 t/m2p5= p5w+ p5s=92+13.76=105.51 t/m2（6）根据ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xii=Pii+Ai-Bi列出五元一次方程组：表3-7 ai 计算16461.938622.674132.4557391479.599154229.2908174=217083751.62510637.772972.8450651131.795581186.3712775=965611809.2872898.1884637.739819783.9920072143.4517377=126533629.22991053.208744.2772971512.919702100.5802748=7717977.44231142.7452125.1009593107.2644219311.6167306=29149求解此五元一次方程组得：表3-8 拱梁分配荷载pipi-xix1-9.0180309.01803379x20.85614916.715.84385055x321.4466441.720.25336303x438.7343466.727.96565745x573.44857105.7632.31143102（7）拱冠梁受水平荷载作用下的弯矩M水平 ，受垂直荷载及水平荷载共同作用下的弯矩M以及应力的计算表3-9 拱冠梁应力计算顺时针为正拱冠梁应力应力计算截面编号2345截面长度12.8817.2521.6326截面积惯性矩178.05999427.7461843.31211464.667自重（单宽）641.4903.9121166.41446.048自重弯矩1751.0223673.867-747.457-21154.5水重弯矩-203.1151-1063.06-1638.361569.374水平荷载弯矩-1788.047-2014.9711493.151301.17总弯矩-240.1402595.83879107.28131716.03水重43.0025190.569258.6528-152.559轴力684.40251778.8843203.9364497.426N/A53.13684103.1237148.1247172.9779M/I-1.3486481.39297310.7994221.6541Au6.448.62510.81513Ad6.448.62510.8151361.8221391.1092931.32892-108.52544.45155115.1381264.9204454.4812（8）拱圈应力的计算表3-10水压产生的拱圈应力水平荷载Pi-xi拱冠拱端上游下游上游下游T/R半中心角9.0180337930.077271.221.61194.918.2164.133.7303.60.04351.2515.8438505518.988300.88.252130.74.27567.7323.5371.90.073246.7520.2533630314.215287.93.40568.96-0.13-2.6618.53750.11354327.965657458.5412238.9-0.32-8.93-2.18-60.911.1311.50.20124432.311431023.8681125-1.04-33.5-1.03-33.24.56147.20.456139表3-11温降产生的拱圈应力拱冠拱端温度荷载上游下游上游下游T/R半中心角69.571068120.167911.68-0.19-13.1-0.33-23.10.3222.190.04351.2550.842040570.304415.47-0.38-19.5-0.53-26.80.5829.410.073246.7540.077519380.409916.43-0.63-25.1-0.95-380.7931.760.11354333.061550760.413413.67-0.79-26.1-1.04-34.40.7725.60.20124428.145627760.11833.33-0.74-20.9-0.66-18.60.25.7360.456139(9)地震荷载产生的应力计算表3-12 地震荷载计算地震荷载产生应力截面纵向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1176.0490233.997250.7224.508368.89250.724.508368.92204.8270327.131281.816.116-32.33281.816.116-32.33187.2540490.742257.73-1.818-585.8257.7-1.818-5864112.8160526.05174.18-17.97-809.4174.2-17.97-809528.63850241.51660.345-29.01-436.360.34-29.01-436截面纵向地震激荡力拱冠内力左拱端内力右拱端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩10000000002206.6350234.243208.924.4807-167.1208.94.4807-1673173.8660377.12180.1-8.279-570.9180.1-8.279-571489.08230345.92397.831-15.46-594.697.83-15.46-595525.82190173.01734.55-18.66-324.534.55-18.66-324截面横向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1032.4640-138.1-120.2-3752138.1-120.237522031.8850-156.3-119.6-3004156.3-119.630043026.7070-147.7-101.2-2006147.7-101.220064020.6550-110.7-78.17-1124110.7-78.171124508.2930-52.26-31.64-21152.26-31.64211截面横向地震激荡力拱冠内力左拱端内力右拱端内力轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩10000000002015.22708.0887-56.9-1424-8.09-56.914243011.81605.7109-44.3-868-5.71-44.3868407.709503.6436-28.2-391.7-3.64-28.2391.7503.592401.1313-11.69-64.48-1.13-11.6964.48表3-13地震内力汇总地震内力汇总拱冠左拱端右拱端截面轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1176.04932.464233.997112.61-95.69-3383388.8-95.6941212411.46247.112561.374342.51-155.9-4627638.9-155.942293361.1238.524867.862295.81-155.6-4031579.9-155.617174201.89828.364871.974164.97-139.8-2920379.1-139.8111.8