毕业设计（论文）-混合曲线拱坝设计说明书.doc

1 摘 要 A 江是我国东南地区的一条河流 根据流域规划拟建一座水电站 A 江水利枢纽同时兼有防洪 发电 灌溉 渔业等综合作用 水库正常蓄水 位 185 5m 设计洪水位 187 3m 校核洪水位 190 0m 汛前限制水位 182m 死水 位 164m 尾水位 103 5m 水库死库容 4 76 亿 m3 总库容 9 6 亿 m3 A 江水利枢纽工程等别为一等 工程规模为大 1 型工程 主要建筑物级别 为 1 级 次要建筑物级别为 3 级 临时性建筑物级别为 4 级 A 江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物 主副厂房 泄水建筑物 过 木筏道等 经过坝型比选 选定挡水建筑物为一变圆心变外半径的双曲拱坝 坝顶弦长 309m 最大坝高 99 25m 坝底厚 24 88m 坝顶宽 8 41m 设计中对四种工况的坝体应力分别采用了电算和手算 手算运用拱冠梁法 泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成 浅孔位于两岸 孔口宽 8 0m 高 8 0m 进口底高程为 164m 出口底高程为 154m 中孔位于水电站进水口两侧 孔口宽 7 5m 高 7m 进口底高程为 135m 出口底高程为 130m 在坝身泄水孔的 上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门 检修闸门采用平板门 工作闸门采用弧 形闸门 在每一个工作闸门的上方有启闭机房 浅孔启闭机房高程为 173 0m 中 孔启闭机房高程为 150 79m 泄槽支撑结构采用框架式结构 坎顶高程为 119 3m 浅 孔反弧半径为 40m 中孔反弧半径为 50m 泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致 挑 射角 15o 导墙厚度为 2 0m 浅孔导墙高度为 6m 中孔导墙高度为 7 5m 坝后式厂房装有 4 台 5 万 kW 的发电机组 主厂房长 81m 宽 18m 副厂房长 66m 宽 10m 安装场长 21m 宽 18m 压力管道的直径为 4 6m 进水口底高程为 152 4m 发电机层高程为 114 8m 尾水管底高程为 90 8m 厂房顶高程为 130 5m 为防止坝基渗漏 在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆 并且为了减少坝基的扬 压力 在灌浆帷幕之后设置排水孔 各孔间距均为 5 0m 为了防止混凝土产生裂缝 拱坝坝体设置横缝 横缝面上需设置键槽 以咬 合加固 增强坝体的抗剪能力 当底宽在 40 50m 以上的拱坝 才考虑设置纵横 缝 而本设计中 拱坝坝底宽为 24 88m 小于 40m 故可不设置纵缝 2 Abstract A jiang is a river which lies in southeast of China According to drainage area programming a water power station is planning to built on it A jiang hydrocomplex plays an important parts in flood control waterpower irrigation fishery and so on The reservoir normal water level is 185 5m design flood level is 187 3m maximum flood level is 190 0m flood control level is 182m dead water level is 164m tailwater level of hydropower station is 103 5m The dead reservoir capacity is 476 000 000m3 and the total reservoir capacity is 960 000 000 m3 The hydraulic engineering grade is Grade I The key secondary and temporary structures grade is Grade I III and IV The key hydroproject is consist of water retaining structure power house auxiliary room sluice structure raft sluice and so on The water retaining structure is a double curvature arch dam The length of the axis of crest dam is about 309m Maximum height of the dam is 99 75m the thickness of the bottom of the dam is 24 88m and the width of the top of the dam is 8 41m In this design we use two different methods to calculate the stess of the arch dam in four status One is using program the other is using crown cantilever method to calculate The release structure is comprised of 2 mid level outlet and 2 short level outlet The width of the short level outlet is 8 0m and the height is 8 0m the width of the mid level outlet is 7 5m and the height is 7 0m The upstream and the downstream side of every outlet are a bulkhead gate and a operating gate which is a radial gate There is a room where a gate hoist is put above every service gate The two rooms which are above the mid level outlet service gate are at an elevation of 150 79 metres and the other two rooms are at an elevation of 173 0 metres The intake of the mid level outlet is at an elevation of 135 metres and the intake of the short level outlet is at an elevation of 164 metres The power house lies at the damtoe The dimensions of the power house and the auxiliary room are 81m 18m and 66m 10m The generator floor is at an elevation of 114 8m metres and the bottom of the draft tube is at an elevation of 3 90 8 metres the top of the power house is at an elevation of 130 5 metres and the intake of hydropower station is at an elevation of 152 4 metres In case of leakage of the dam foundation there need curtain grouting at the base of the dam behind which there are drainage holes which can decrease the uplift pressure of the dam foundation In radial directions it needs to set key strench which will reinforce the resistant of shearing intension of the dam For the bottom of the dam is smaller than 40 50 metres so it needs no longitudinal joints 4 目 录 第一章 综合说明 7 1 1 概述 7 1 1 1 枢纽概述 7 1 2 工程特性表 8 第二章 设计资料 10 2 1 枢纽任务 10 2 2 基本资料 10 2 2 1 自然地理 10 2 2 2 工程地质 13 2 2 3 筑坝材料 14 2 2 4 库区经济 15 2 2 5 其它 15 第三章 洪水调节 16 3 1 泄水建筑物型式选择 16 3 2 确定工程等别和级别 17 3 2 1 工程等级 17 3 2 2 技术规范 17 3 2 3 洪水标准 18 3 3 水库运用方式 18 3 4 调洪演算及设计基本数据 18 3 4 1 调洪演算的目的 18 3 4 2 调洪演算的原理 18 3 4 3 计算方法 19 3 4 4 泄洪方案的选择 20 第四章 坝型选择及枢纽布置 24 4 1 坝址坝型选择 24 4 1 1 混凝土重力坝 24 4 1 2 土石坝 24 4 1 3 混凝土面板堆石坝 25 4 1 4 拱坝 25 5 4 1 5 综合选择 26 4 2 坝体形态选择 26 4 2 1 单曲拱坝 26 4 2 2 双曲拱坝 26 4 2 3 坝型比较 26 4 3 方案比较 27 4 3 1 最大坝高计算 27 4 3 2 重力坝方案 28 4 3 3 拱坝方案 28 4 4 组成建筑物及枢纽布置 29 4 4 1 组成建筑物 29 4 4 2 枢纽布置 29 4 5 泄水建筑物型式选择 29 4 6 厂房及引水系统布置 30 4 7 枢纽总体布置 30 第五章 拱坝设计 31 5 1 拱坝形态和剖面尺寸的拟定 31 5 1 1 拱坝形式选择 31 5 1 2 拱冠梁剖面尺寸的拟定 31 5 2 拱坝的布置 33 5 2 1 拱坝布置的原则 33 5 2 2 拱坝布置步骤 33 5 3 拱坝的荷载及其组合 34 5 3 1 荷载及计算 34 5 3 2 荷载组合 40 5 4 计算原理和计算步骤 40 5 4 1 计算原理 40 5 4 2 计算步骤 40 5 5 拱坝应力分析 电算 手算 41 5 5 2 手算 42 6 5 6 坝肩稳定验算 47 5 6 1 基本资料 47 5 6 2 验算原理 48 5 6 3 主要作用力计算 50 5 6 4 验算工况 50 5 6 5 验算结果 50 第六章 泄水建筑物设计 53 6 1 泄水建筑物组成与布置 53 6 2 坝身进水口设计 53 6 2 1 管径的计算 53 6 2 2 进水口的高程 53 6 3 泄槽设计计算 54 6 4 导墙设计 54 6 5 消能防冲计算 55 6 6 泄水孔口应力及配筋 57 6 6 1 计算原理 57 6 6 2 坝内孔口的形状和作用力 57 6 6 3 矩形孔口的应力计算 59 6 6 4 配筋计算 61 第七章 坝体细部构造及地基处理 63 7 1 坝体构造与细部结构设计 63 7 1 1 坝体与坝面 63 7 1 2 坝体分缝 63 7 1 3 坝内廊道和坝后工作桥 63 7 2 坝基处理 64 7 2 1 坝基处理的一般要求 64 7 2 2 地基的处理和开挖 64 7 2 3 坝基排水 66 参考文献 66 结语 68 7 第一章 综合说明 1 1 概述概述 1 1 1 枢纽概述 A 江是我国东南地区的一条河流 流向自西向东 流经 省南部地区 汇入 东海 干流全长 153 公里 流域面积 4860 平方公里 根据流域规划拟建一座水 电站 本设计任务是对 A 江水利枢纽进行设计 A 江水利枢纽是一项同时兼顾防洪 发电 灌溉 渔业等综合作用的水利工 程 坝址以上流域面积 2761 平方公里 水库正常蓄水位为 183 25m 汛前限制 水位为 182m 死水位为 164m 设计水位为 187 3m 校核水位为 190 0m 8 电站多年平均发电量为 5 08 亿度 4 台机组满载时的流量为 338m3 s 尾水 位 103 5m 正常蓄水位时 水库面积为 35 6 平方公里 为发展养殖创造了有利 条件 同时增加灌溉面积 250 万亩 A 江水利枢纽的主要组成建筑物有拦河大坝 坝后式厂房 泄水建筑物 过 木筏道 开关站以及上坝公路等 拦河大坝为双曲拱坝 最大坝高为 99 25m 主体工程量约为 363360m3左右 坝顶宽 8 41m 坝顶拱弦长约 309m 坝底宽 24 88m 坝后式厂房装有 4 台 5 万 kW 的发电机组 主厂房长 81m 宽 18m 副厂房 长 66m 宽 10m 安装场长 21m 宽 18m 尾水管底高程为 90 8m 发电机层高程 114 8m 泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成 浅孔位于两岸 孔口宽 8 0m 高 8 0m 进口底高程为 164 0m 出口底高程为 154 0m 中孔位于水电站进水口两 侧 孔口宽 7 5m 高 7 0m 进口底高程为 135 0m 出口底高程为 130 0m 在坝 身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门 检修闸门采用平板门 工作 闸门采用弧形闸门 在每一个工作闸门的上方有启闭机房 浅孔启闭机房高程为 173 38m 中孔启闭机房高程为 150 82m 泄槽支撑结构采用框架式结构 坎顶高 程为 119 4m 浅孔反弧半径为 40m 中孔反弧半径为 50m 泄槽直线段的坡度与孔 身底部坡度一致 挑射角 15o 导墙厚度为 1 0m 浅孔导墙高度为 6m 中孔导墙 高度为 7 5m 过木筏道位于右岸 根据林业部的要求 每年木材过坝量为 33 3 万 m3 起 木材最大长度为 10m 大头直径为 100cm 开关站长 66m 宽 26m 位于左岸 1 1 21 1 2 设计要求设计要求 在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上 要求 1 根据防洪要求 对水库进行洪水调节计算 确定坝顶的高程和泄水建筑 物孔口尺寸 2 通过分析 对可能的方案进行比较 确定枢纽组成建筑物的形式 轮廓 尺寸及水利枢纽布置方案 3 详细做出大坝设计 并通过比较确定坝的基本剖面和轮廓尺寸 拟定地 基处理方案和坝身构造 进行水利计算 静力计算 4 对地基处理 待坝型选定后指定 进行设计 选择泄水建筑物的形式与 轮廓尺寸 确定布置方案 拟订细部构造 进行水利计算 静力计算 5 对 A 江水利枢纽各组成建筑物进行总体布置以及细部构造设计 9 1 2 工程特性表工程特性表 表 1 1 工程特性表 水 库 特 性 死水位高程 164 00m 汛前限制水位高程 182 00m 正常蓄水位高程 183 25m 设计洪水位高程 187 3m 水 库 水 位 校核洪水位高程 190 0m 主要建筑物 大坝级别 级 大坝型式双曲拱坝 坝顶高程 191 25m 坝底高程 92m 最大坝高 99 25m 坝顶弦长 309 00m 坝顶厚度 8 41m 坝底厚度 24 88m 大 坝 资 料 混凝土方量363360 立方米 孔口尺寸进口高程出口高程 两浅孔 8 0 8m2164 0m154 0m 泄洪方式 两中孔 7 5 7 0m2135 0m130 0m 检修闸门平板闸门 设在进口处 泄 水 建 筑 物 闸门形式 工作闸门弧形闸门 设在出口处 表 1 1 消能方式滑雪道式泄槽挑流对撞消能 P 1 下泄流量 6600m3 s 泄 水 建 筑 物 P 0 2 下泄流量 6880m3 s 最大引用流量 338 m3 s厂 房 装机容量4 5 0 万 kW 型式钢管 引 水 道 数量4 条 10 第二章 设计资料 A 江是我国东南地区的一条河流 根据流域规划拟建一水电站 本设计的任 务是对 A 江水利枢纽进行设计 其基本设计要求如下 2 1 枢枢纽纽任任务务 本工程同时兼有防洪 发电 灌溉 渔业等综合利用 水电站装机容量为 20 万 kW 多年平均发电量 5 08 亿度 正常蓄水位 183 25m 汛前限制水位 182m 死水位 164m 4 台机满载时的流量 338m3 s 尾水位 103 5m 厂房形式为 坝后式 本工程建成后 可增加保灌面积 250 万亩 减轻洪水对 A 江 A 市和 A 平原的威胁 在遇到 P 0 02 和 P 0 1 频率的洪水时 经水库调洪后 洪峰流 量由原来的 14900m3 s 11700m3 s 分别削减为 7650m3 s 6650m3 s 要求设计 内径 4 6m 11 洪水时最大下泄流量限制为 6650m3 s 正常蓄水位时 水库面积为 35 6 平方公 里 可为发展养殖创造有利条件 此外 根据林业部的要求 每年木材过坝量 为 33 3 万立方米 其木材最大长度为 10m 大头直径为 100cm 2 2 基本基本资资料料 2 2 1 自然地理 2 2 1 1 流域概况 A 江为我国东南部的一条河流 流向自西向东 流经 A 省南部地区 汇入东 海 干流全长 153km 流域面积 4860km2 坝址以上流域面积 2761 km2 流域境内为山区 平均高度 662m 最高山峰达 1921m 流域境内气候湿润 雨量充沛为热带气候 径流主要来自自降雨 小部 分由地下水补给 每年 4 9 月为汛期 其中 5 6 月份为梅雨季节 河道坡降上 游陡 下游缓 平均坡降 6 32 0 97 因为河道陡 调蓄水能力低 汇流快 由暴雨产生的洪水迅速涨落 一次洪水过程线尖瘦 属于典型的山区性河流 流域境内以农林为主 森林茂盛 植被良好 水土流失不严重 枢纽下游为 A 省的重要农副业基地 A 平原 坝址下游约 50 公里有县级城市两座 在河流入海处有省直辖市一座 2 2 1 2 气候特性 1 气温 坝址处的多年的平均气温为 17 3 C 月平均气温最低 一月份 5 C 最 高 七月份 29 C 实测极端最低气温 8 2 C 最高为 40 6 C 2 湿度 年平均相对湿度 79 左右 其中以 6 月份 87 为最大 1 月份 72 为最少 日变化较大 3 降雨量 坝址以上流域的年平均降雨量为 1680 毫米 实测年最大降雨量为 2389 毫 米 最少为 1380 毫米 雨量在年内分配不均 其中 4 9 月份的占年降雨量的 75 5 6 月份的占全年的 1 3 表 2 1 各月雨量的雨型及日数统计表 12 123456789101112 全年 实际天数 d312831303130313130313031 0 3 10 雨日 mm345712121098764 10 30 雨日 mm234589654321 30 以上雨日 mm911856322100 4 蒸发量 坝址处多年蒸发量为 1349 毫米 其中以 7 月份最大 月蒸发量 217 毫米 2 月份为最小 月蒸发量 45 4 毫米 5 风向风力 实测最大的风速为 71m sec 风向西北偏西 吹程 4 5 公里 多年平均最大 风速为 汛期 12m sec 非汛期 13m sec 风向基本垂直坝轴线 吹程 4 公里 6 水库水温 据资料分析 各层水温的多年平均水温 TH 及年变幅 TC 按下列公式计算 TH 8 105 8 45 2 12 27 H e Tc 40 2 1 5 40 2 21 25 H e 其中 H 为水深 2 2 1 3 水文特征 1 正常径流 根据资料分析 坝址处的多年平均径流量为 100m3 s 多年均径流总量为 31 5 亿 m3 各频率的月平均量见表 表 2 2 各频率的月平均流量 月份 频 率 123456789101112 多年 平均 1116267324490689679346263331102121113186 578179235364510537352177210737773150 5021498914121627778444426161697 月 份 项 目 13 808194773127184221512134574 952522366912154261155 23651031622152951156167312424100 2 洪峰流量和总量 根据水文资料推算 坝址处的洪峰流量和总量如下 a 洪峰流量 Q 3310m3 s Cv 0 45 Cs 4Cv 皮 型线 各频率流量如下表所 示 表 2 3 各频率流量表 频率 0 020 10 215102050 备注 流量 1490011700m3 s b 洪峰总量 三日洪水总量的均值 W 3 5 亿 m3 Cv 0 38 Cs 3Cv 皮 型线 各频率流量 如下表所示 表 2 4 各频率流量表 频率 0 010 10 20 215102050 备注 总量 Wp 7 946 85 亿 m3 可能最大三日洪量为 15 4 亿 m3 三日洪水过程线见附图 c 施工期的设计洪水频率量 表 2 5 施工期的设计洪水频率量 施工时段 频率 10 4 月9 6 月10 3 月11 6 月11 2 月12 2 月备 注 52087177213671367884824 101673141010721072654596 2012751045784784434332 3 固体径流量及水库淤积 14 据水文站实测资料分析 年固体径流总量为 331 万吨 百年后水库淤积高程 115m 淤沙容量为 8 5kN m3 内摩擦角 10 4 其他 本坝址地震烈度为 7 2 2 2 工程地质 2 2 2 1 库区工程地质 库区岩性以火山岩和沉积岩为主 褶皱规模不大 均为背斜 两翼地层平 缓 并且不对称 有较大的断层二条 这些褶皱和断层呈北东向展布 以压扭性 为主 倾角较陡 延伸长度达几至几十公里 断层单宽 1 米左右 个别达 10 米 以上 断层破碎都已胶结 库区水文地质简单 以裂隙水为主 地下分水岭均高出库水位以上 2 2 2 2 坝址工程地质 1 地貌 坝址处的河床宽度为 100m 河底高程 100m 水深 1 3m 河谷近似 V 型 两岸约 40 60 河床覆盖层由大块石 卵石组成 厚度约 5 6m 两岸山坡为第四系覆盖层 厚度为 5 10m 左右 2 岩性和工程地质 坝基为花岗岩 风化较浅 岩性均一 新鲜坚硬完整 抗压强度达 120 200MPa 坝址的地质构造简单 无大的地质构造 缓倾角节理延伸短 整体滑动可 能性小 但陡倾角节理较发育 以构造节理为主 左右岸各有走向互相垂直的二 组节理 其中一组近似平行于山坡等高线 方向见地形图 节理倾角约 35 90 节理面无夹泥存在 坝址处的水文地址较简单 未发现裂隙承压水 3 岩石的物理力学性质 表 2 6 岩石的物理力学性质表 15 摩擦系数容重 kN m3 抗压强度 MPa 抗剪系数抗剪断系数 岩性或 地质构 造 干湿 孔隙 率 干 饱 和 弹性 模量 MPa 混 凝 土 基 岩 内部 混凝 土基 岩 内部 粘着力 MPa 泊 松 比 花岗斑 岩 27 3 28 1 2 3210190 2 2 104 0 70 750 751 20 0 5 基 岩与混 凝土 0 20 节理面 0 650 75 1 0 基 岩与混 凝土 相对隔水层离基岩表面深 15m 2 2 3 筑坝材料 2 2 3 1 石料 坝区大部分地区为花岗岩 基岩埋深浅 极易开采 且河床覆盖层中的块石 卵石可利用 因此筑坝石料极易解决 2 2 3 2 砂料 在坝下游勘探 6 个砂料场 最远料场离坝约 9km 以石英破碎带的料场为主 初估砂料储量 430 万 m3 经质量检验 砂石料符合规范要求 坝址处缺乏筑坝的土料 2 2 4 库区经济 库区除有小片盆地外 其余多为高山峡谷地带 耕地主要分布在小片盆地上 高山上的森林茂密 在正常蓄水位时 需迁移人口 21444 人 拆迁房屋 19240 间 淹没 浸没耕地 16804 亩 淹没森林面积 18450 亩 淹没县社建造的二座小型水 电站 装机 2210kW 等 共需赔偿费 4120 万元 16 2 2 5 其它 2 2 5 1 对外交通 本坝址上游左岸 30km 处有铁路干线车站 另有公路与坝址下游 50km 的两座 县城相通 两县城有公路和水路与河流入海处的直辖市相连 对外交通较为方便 2 2 5 2 附属工厂和生活建筑区 坝址下游两岸有较大的冲积台地 地形平缓面积较大 适宜布置工厂和生活 建筑区 2 2 5 3 负荷位置 本电站主要供应坝下游 A 平原的农村生产用电及直辖市的工业用电 并担负 A 电网的部分调峰任务 2 2 5 4 坝顶有双线公路布置的要求 经计算所得的坝顶宽度符合要求为 8 5m 第三章 洪水调节 17 3 1 泄水建筑物型式选择 本工程已选定拱坝方案 见后 故泄水建筑物型式选择需要考虑拱坝结构 的特点 其泄洪方式 有 表孔溢流 坝身开孔泄流 浅孔或中孔 坝身溢洪 道和利用导流隧洞泄洪等 1 坝身开孔方案 实验研究表明 坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案 为合理布置厂房 浅孔或中孔设在两岸 对称布置 可利用水流对撞消耗能量 其优点与表孔溢流方案相同 适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大 利用坝身 开孔可节省另建溢洪道的投资 缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽 并进 行合理选型和布置 泄槽若做成排架式 进厂公路可从排架间穿过 此外 应 注意开孔数量和设置高程 若同一高程开孔数量多 该层拱圈削弱较多 应尽 量避免 坝身开孔方案 实验研究表明 坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案 为合 理布置厂房 浅孔或中孔设在两岸 对称布置 可利用水流对撞消耗能量 其 优点与表孔溢流方案相同 适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大 利用坝身开 孔可节省另建溢洪道的投资 缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽 并进行 合理选型和布置 泄槽若做成排架式 进厂公路可从排架间穿过 此外 应注 意开孔数量和设置高程 若同一高程开孔数量多 该层拱圈削弱较多 应尽量 避免 2 表孔溢流方案 突出优点是泄洪能力大 可减小孔口尺寸 闸门上的 水压力小 操作检修方便 缺点是坝身单薄 需设置泄槽或滑雪道结构 实体 的泄槽结构工程量较大 不经济 轻型的滑雪道结构易引起振动 稳定性不好 此外 表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用 拱的空间结构作用从堰顶 高程以下才能得以发挥 3 利用导流隧洞泄洪方案 拱坝的施工导流须采用一次断流方案 故施 工时需在某一岸开挖导流隧洞 以便坝体施工 竣工后导流隧洞完成自己的使 命 不再使用 为充分利用现成的洞子 水利建设中常将进口段改建成 龙抬 头 将导流隧洞改建成泄洪洞 以节省工程投资 结合该工程的实际情况 考 虑因导流洞长度较短 改建成泄洪洞后 除 龙抬头 部分外可利用的长度不 长 加上改建部分的开挖和老洞的封堵 实际并不能有效节省工程投资 故需 认真比较决定 4 坝外溢洪道泄洪方案 该方案适用于有天然垭口 便于布置正槽式溢 洪道的地形条件 A 江提供的地形图坝址附近 未见有天然垭口地形 故不考虑 该方案 18 5 方案选择 依据 A 江水利枢纽的具体情况 全面综合比较以上所述 四种方案 坝外溢洪道泄洪方案和利用导流隧洞方案不及采用表孔溢流和坝身 泄水孔方案 采用滑雪道结构工程投资远小于修建坝外泄水建筑物的工程投资 故初步选择以下方案进行调洪演算 1 4 表孔 2 中孔泄洪方案 2 2 浅孔 2 中孔泄洪方案 3 4 中孔泄洪方案 4 坝身泄流与利用导流隧洞 3 2 确定工程等别和级别 3 2 13 2 1 工程等级工程等级 在工程安全与经济之间存在着矛盾 为使工程的安全可靠性与其造价的经济 合理性适当统一起来 水利枢纽及其组成建筑物要分等分级 即先按工程的规模 效益及其在国民经济中的重要性 将水利枢纽分等 而后再对各组成建筑物按其 所属枢纽等别 建筑物作用及重要性进行分级 本工程校核水位为 189 80m 查库容曲线得相应库容为 12 01 亿 m3 10 亿 m3 根据我国水利部颁发的现行规范 SDJ12 78 水利水电枢纽工程等级划分 及设计标准 山区 丘陵区部分 结合 A 江枢纽给定的特征水位和基本资料 通盘考虑水库总库容 防洪效益 装机容量等因素 确定 A 江水利枢纽工程等别 为一等 工程规模为大 1 型工程 主要建筑物级别为 1 级 次要建筑物级别 为 3 级 临时性建筑物级别为 4 级 3 2 23 2 2 技术规范技术规范 混凝土拱坝设计规范 SL282 2003 规定 对于基本荷载组合 允许拉应力 为 1 2MPa 安全系数为 4 0 对于非地震情况特殊荷载组合 允许拉应力为 1 5MPa 安全系数为 3 5 混凝土极限抗压强度指 90d 龄期 15cm 立方体的强度 保证率为 80 则混凝土的容许压应力为混凝土极限抗压强度除以安全系数 当 考虑地震荷载时 允许拉应力可适当提高 但不超过 30 即 1 95 MPa 19 3 2 33 2 3 洪水标准洪水标准 设计洪水标准为千年一遇 校核洪水标准为五千年一遇 3 3 水库运用方式 根据上述分析 本工程采用 2 浅孔和 2 中孔泄洪方案 在不影响工程效益前 提下 尽量降低坝高可大大节省投资 故水库在洪水期的运用方式为 洪水到来 之前开闸放水 腾空水库 将库水位降落至汛前限制水位 182m 处 即起调水位 起调流量为正常水位下开启浅 中孔时对应的下泄流量及发电流量之和 3 4 调洪演算及设计基本数据 3 4 13 4 1 调洪演算的目的调洪演算的目的 1 根据防洪要求 对水库进行洪水调节计算 以确定上游不同洪水标准下 的下泄流量 然后确定出设计洪水位和校核洪水位 2 根据调洪演算得出设计水位下的下泄流量 以选定泄洪方式和拟定泄洪 建筑物的孔口尺寸 3 4 23 4 2 调洪演算的原理调洪演算的原理 洪水在水库中行进时 水库沿程的水位 流量 过水断面 流速等均随时间 变化 其流态属于明渠非恒定流 根据水力学明渠非恒定流的基本方程 即圣维 南方程组为 连续性方程 0 s Q t 3 1 运动方程 2 2 1 K Q s v g v t v gs Z 3 2 式中 过水断面面积 m2 t 时间 s Q 流量 m3 s s 沿水流方向的距离 m Z 水位 m g 重力加速度 m s 20 v 断面平均流速 m s k 流速模量 m3 s 通常 采用简化的瞬态法来解这个方程组 瞬态法将上式进行简化而得出基 本公式 在结合水库的特有条件对基本公式进一步简化 则得出专用于水库调洪 计算的实用公式 t V t VVqqQQ qQ 122121 22 3 3 式中 Q1 Q2 分别为计算时段初 末的入库流量 m3 s Q 计算时段中的平均入库流量 m3 s 它等于 Q1 Q2 2 q1 q2 分别为计算时段初 末的下泄流量 m3 s q 计算时段中的平均下泄流量 m3 s 即等于 q1 q2 2 V1 V2 分别为计算时段初 末的水库蓄水量 m3 V 为 V1 V2之差 t 计算时段 一般取 1 6 小时 需化为秒 这个公式实际表现为一个水量平衡方程式 当已知水库入库洪水过程线时 Q1 Q2 Q均为已知 V1 q1 则是计算时段 t 开始时的初始条件 于是 式中的未知数仅剩下 V2 q2 当前一个阶段 v2 q2求出后 其值即成为后一个阶段的 v1 q1值 使计算可以逐时段的进行下 去 又知 假定不计自水库取水的兴利部门泄向下游的流量 则下泄流量 q 应是 泄洪建筑物泄流水头 H 的函数 而当泄洪建筑物的形式 尺寸等已定时 B qf HAH 3 4 式中 A 系数 与建筑物形式和尺寸 闸孔开度以及淹没系数等有关 B 指数 对于堰流为 3 2 对于闸孔出流 一般为 1 2 3 4 33 4 3 计算方法计算方法 采用高切林计算法 以直线近似代替泄水过程线 计算步骤如下 假定三条泄水过程线 AB1 AB2 AB3 如图 1 1a 21 图 1 1 洪水调节计算图 a b 1 求出相应的库容 V1 V2 V3 阴影部分面积 下泄流量 Q1 Q2 Q 2 根据 V1 V2 V3在库容曲线上得出的相应的上游水位 Z1 Z2 Z3 3 在绘有泄水建筑物泄流能力曲线 L1的 Q Z 坐标图上 绘出相应的点 P1 Q1 Z1 P2 Q2 Z2 P3 Q3 ZZ 如图 1 1b 4 过点 P1 P2 P3绘出曲线 L2交 L1于 P 对于 P 点的泄流量 Q 必为拦洪时泄水 建筑物最大下泄流量 相应的水位 Z 即是所求拦洪水位 展 展 3 4 43 4 4 泄洪方案的选择泄洪方案的选择 3 4 4 1 可能方案 1 坝身开孔方案 实验研究表明 坝身开孔方案包括浅孔方案和中孔方案 为合理布置厂房 浅孔和中孔设在两岸 对称布置 可利用水流对撞消耗能量 其优点与表孔溢流 相同 适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响 利用坝身开孔泄洪可节省另建 溢洪道的投资 缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽 并进行合理选型和布置 泄槽若做成排架式 进厂公路可从排架间通过 此外 应注意开孔数量和设置高 程 若同一高程开孔数量多 该层拱圈削弱数量多 应尽量避免 2 表孔溢流 其突出优点是泄洪能力大 可减小孔口尺寸 闸门上的水压力小 操作检修 方便 缺点是坝身单薄 需设置泄槽和滑雪道结构 实体的泄槽结构工程量较大 不经济 轻型的滑雪道结构易引起震动 稳定性不好 此外 表孔结构使坝体堰 顶以上失去空间结构作用 拱的空间结构作用从堰顶高程以下才得以发挥 3 利用导流隧洞泄洪方案 22 拱坝的施工导流需采用一次断流方案 故在施工时需在某一岸开挖导流隧洞 以便坝体施工 竣工后导流隧洞完成自己的使命 不再使用 为充分利用现成的 洞子 水利建设中常将进口段改建成 龙抬头 将导流洞改建成泄洪洞 以节 省工程投资 结合该工程的实际情况 考虑因导流洞长度较短 改建成泄洪洞后 除 龙抬头 部分外 可利用的长度不长 加上改建部分的开挖和老洞的封堵也 需要一定的投资 故须认真比较决定 4 坝外溢洪道泄洪方案 该方案适用于有天然垭口 便于布置正槽式溢洪道的地形条件 A 江提供的 地形图坝址附近 未见有天然垭口地形 故不考虑该方案 3 4 4 2 方案初选 本设计从坝址处的地形地质条件等因素综合考虑 拟采用坝身泄洪方式 初 步选择以下方案进行调洪演算 方案一 4 表孔 2 中孔 方案二 2 浅孔 2 中孔 方案三 4 中孔 3 4 4 3 调洪演算 调洪演算根据水量平衡原理计算 计算时先按不同的出口高程和孔口尺寸拟 定多组方案 计算结果见后表 用水力学公式计算出上游库水位与下泄流量的关系 公式 表孔 2 3 01 2 HgBmQ 3 5 式中 Q1 流量 m3 s B 溢流孔净宽 m H0 溢流孔堰顶作用水头 m g 重力加速度 m s2 侧收缩系数 m 流量系数 初设计时 在定型设计水头下 当 P H 3 P 为堰高 m 时 则 m 0 47 0 49 当 P H 3 时 m 0 44 0 4 本次设计取为 0 48 23 孔口泄流公式 Q A2gH 3 6 式中 A 出口处的面积 m2 H 自由泄流时 为孔口中心处的作用水头 m 淹没泄流时 为上下游 水位差 m 孔口或管道的流量系数 浅孔和中孔的 值可用下式计算 0 97 0 3 a H 3 7 式中 a 孔口高度 m g 重力加速度 m s2 Q 下泄流量 m3 s 1 2 浅孔 2 中孔 表 3 1 2 浅孔 2 中孔最大泄洪流量与最高水位结果表 起调流量 最大泄量最高水位 方案 m3 s m3 s m 设计 6148 626270187 3 1 校核 6148 626510190 0 最大设计泄洪流量为 6600m3 s 校核流量为 6880m3 s 最高设计水位为 186 7m 最高校核水位为 189 80m 2 4 表孔 2 中孔 表 3 2 4 表孔 2 中孔最大泄洪量与最高水位结果表 起调流量最大泄量最高水位 方案 m3 s m3 s m 设计 3484 8866200188 5 1 校核 3484 8867300190 7 24 3 4 中孔 表 3 3 4 中孔最大泄洪量与最高水位结果表 高宽 出口 高程 上游 水位 出口 中心 处水 头 起调流量最大下泄量最高水位 m m m m m 流量 系数 m3 s m3 s m 设计 77 513018248 50 9276344 6246640186 6 校核 77 513018248 50 9275944 186820189 6 4 坝身泄流与利用导流隧洞 因客观因素 现对坝身泄流与利用导流隧洞不进行调洪计算 只对其进行定 性分析 3 4 4 4 调洪方案的最终选择 对于表孔 浅孔 中孔方案在满足防洪要求时 4 中孔方案缺点是同一高程开孔数量多 令该层拱圈削弱过多 对坝体结构 作用影响大 不宜布置 4 表孔 2 中孔方案优点是泄洪能力强 但缺点是坝体较高 同时表孔结构使 坝体堰顶以上失去空间结构作用 拱的空间结构作用从堰顶以下才得以发挥 2 中孔 2 浅孔方案有较大泄流能力 而且经过合理布置 采用挑流对撞消能 工可以解决消能问题 也可使坝体空间结构作用少受影响 综合比较上述四个方案 结合 A 江水利枢纽具体情况 坝外溢洪道和利用导 流隧洞方案不尽合理 选择表孔 浅孔 中孔方案 虽有水流向心收聚 能力集 中的特点 但只要合理布置 采用挑流对撞消能工可以解决消能问题 泄槽的工 程投资远小于另建泄水建筑物的投资 为使坝体空间结构作用少受影响 宜选择 两浅孔和两中孔方案 浅孔位于两岸 中孔位于水电站进水口两侧 对称布置 由表中可知 方案 2 3 满足防洪要求的同时 坝前水位较低 从而可节省坝体工 程量 故选其为最终泄洪防方案 即设置两浅孔 孔口尺寸为 8 0m 8 0m 进口 底高程为 164m 出口底高程 154m 两中孔 孔口尺寸为 7 5m 7 0m 进口底高 程为 135m 出口底高程为 130m 设计洪水时 允许泄量 6300m3 s 校核洪水时 允许泄量 7300m3 s 设置两 25 浅孔 孔口宽 8 0m 高 8 0m 进口底高程为 164m 出口底高程为 154m 两中孔 孔口宽 7 5m 高 7 0m 进口底高程为 135m 出口底高程为 130m 设计洪水时 下泄流量 6270m3 s 校核洪水时 下泄流量 6510m3 s 均小于允许下泄流量 设 计洪水位为 187 3m 校核洪水位为 190m 第四章 坝型选择及枢纽布置 4 1 坝址坝型选择 坝址选择与地形地质条件 坝型 枢纽布置和施工导流等因素有关 在满足 枢纽布置和施工导流要求的前提下 坝轴线应尽可能短 以节省工程量 从地质 条件看 坝址选择应选在地质构造简单 无大的地质构造的地方 A 江枢纽提供 的地形图有明显喇叭口状 河谷形状呈 V 形 无明显的地质构造 左右岸仅 有两条互相垂直的二组节理 坝址附近无土料 故坝址易于选择 4 1 1 混凝土重力坝 混凝土重力坝依靠坝体自重或垂直荷载在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水 压力以达到稳定的要求 利用坝体自重或垂直荷载在水平截面上产生的压应力来 抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度的要求 其优点比较明显 坝体断面形态适于在坝顶布置溢洪道和坝身设置泄水孔 不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞 在坝址河谷狭窄而洪水流量大的情况下 重 力坝可以较好地适应这种自然条件 结构简单 施工技术比较容易掌握 在放 样 立模和混凝土浇捣方面都比较方便 有利于机械化施工 由于断面尺寸大 材料强度高 耐久性能好 因而对抵抗水的渗透 特大洪水的漫顶 地震和战争 破坏能力都比较强 安全性较高 对地形地质条件适应性较好 几乎任何形状 的河谷都可以修建重力坝 具有足够强度的岩基就可满足要求 因为重力坝常 沿坝轴线分成若干独立的坝段 所以能较好地适应岩石的物理力学特性的变化和 各种非均质的地质 但缺点也比较明显 剖面尺寸较大 坝体内部的压应力一般不大 因此材 料的强度不能充分发挥 坝体体积大 水泥用量多 混凝土凝固时水化热高 散热条件差 且各部浇筑顺序有先有后 因而同一时间内冷热不均 热胀冷缩 相互制约 往往容易形成裂缝 从而削弱坝体的整体性 因而混凝土重力坝施工 期需有严格的温度控制和散热措施 26 4 1 2 土石坝 土石坝主要由坝址附近的土石料填筑而成 由于该坝址处缺乏筑坝的土石料 并且土石料坝身不能泄洪 需另外建泄水建筑物 本工程两岸附近无垭口等适合 建泄洪建筑物的地形 故不宜建土石坝 4 1 3 混凝土面板堆石坝 混凝土面板堆石坝是近十多年来重新崛起的一种新坝型 得益于振动碾得应 用 因其使用机械化施工 造价低而取胜 但坝身不能泄洪 需另建泄水建筑物 本工程附近无垭口等适合建泄洪建筑物的地形 水电站厂房也不能放在坝后 需 另找位置 因此 将坝节省下来的费用又用到泄水建筑物和水电站建筑物上 工 程总投资也不一定经济 开挖隧洞虽不十分困难 也无技术上的难题 但总比地 面工程复杂 4 1 4 拱坝 拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物 依靠拱的作用 将力传给拱 座 依靠梁的作用将力传给基岩 其优点是 受力条件好 在荷载作用下 拱坝同时起拱的作用和悬臂梁的 作用 主要依靠两岸坝肩和坝基的岩体维持稳定 坝体自重对坝体的稳定性影响 不大 坝的体积小 因为拱坝是一种受压结构 拱向除拱端外 几乎全部受压 梁方向除底部外大部分也是受压 故可充分发挥混凝土抗压性能 厚度可以较小 故其体积可比同样高度的重力坝节省 1 3 2 3 拱坝超载能力强 安全度高 拱坝通常属周边嵌固的高次超静定结构 当外荷载增大或坝的某一部位因拉应力 过大而发生局部开裂时 能调整拱作用和梁作用及其荷载分配 进行坝内应力重 分配 不致使坝全部丧失承载能力 裂缝对于拱坝的威胁不象对其他坝型那样严 重 拱坝水平裂缝中的扬压力只会降低坝体悬臂梁的作用 铅直裂缝会使拱圈未 开裂部分的应力增加 原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈 坝内应力重分 配 成为无拉应力的有效拱 所以按结构的观点 拱坝坝面允许局部开裂 另外 混凝土具有一定的塑性和徐变特性 在局部压应力特大的部位 变形受限制的情 况下 经过一段时间 混凝土的徐变变形增大 弹性变形减小 从而这些特大应 力有所降低 而且三维受力时混凝土的实际极限抗压强度比单轴时的极限抗压强 度要高 由于以上所述原因 拱坝在合适的地形地质条件下具有很强的超载能力 据国内外试验资料表明 其超载能力可达设计荷载的 5 11 倍 抗震性能好 27 由于拱坝是整体性的空间结构 坝体较轻韧 富有弹性 又能自行调整其结构性 能 因此拱坝抗震性能好 但拱坝也有明显的缺点 施工技