说明书.pdf

I 摘要 本设计对位于我国西南地区的某水利枢纽进行了以坝工为重点的工程设计 经过对几种可建造坝型的经济比较估算 最终选择建造高碾压混凝土重力坝 溢洪道为河川水利枢纽中必备的泄水建筑物 用以排泄水库不能容纳的多余 洪水量 保证枢纽挡水建筑物及其它有关建筑物的安全运行 重力坝通常设置坝 顶溢洪道 入库设计洪水的选择和确定 必须在充分研究流域水文因素的基础上 进行 然后才能确定溢洪道尺寸 对于过坝水流的调泄 需要有合理审慎的设计 以避免生命财产的损失 本次设计的调洪演算在基于水量平衡的基础上 采用列 表试算法 在可行的几种泄流方案中 择优选出采用的方案和相应的设计与校核 水位 然后进入主要建筑物设计 确定枢纽的组成建筑物 包括挡水建筑物 泄水 建筑物 水电站等 在定性分析的基础上 确定出大坝的型式 在第一主要建筑物设计阶段 确定出大坝的基本剖面和轮廓尺寸 拟定地基 的处理方案和坝身构造 之后依次进行了细部构造设计 稳定计算 材料力学法 分析 应力有限元法和渗流计算 从各个方面验证了设计剖面的可行性 在设计坝体断面时 必须本着重力坝依靠自身重量来维持结构稳定的原则 本次设计中 下游面坡度是一致的 和上游面交于水库设计洪水位处 坝体上游 面垂直 只在坝踵附近有陡的折坡 溢流坝上游顶部有倒悬 重力坝坝体的应力 以材料力学法分析 坝体稳定的条件是坝体和坝基的最大应力须在坝段混凝土和 坝基岩石的容许应力范围之内 重力坝以材料力学法分析 它可以直接求出坝体横剖面边界之内的任何一点 的应力 坝体稳定的条件是坝体和坝基的最大应力须在坝段混凝土和坝基岩石的 容许应力范围之内 溢流坝段的分析也是一样 其次为第二主要建筑物设计 确定出泄水建筑物的结构型式和轮廓尺寸 进 行选线布置 进行水力计算 从挑距和冲刷深度等方面验证设计型式的可行性 并进行细部构造设计 本次设计我掌握了碾压混凝土重力坝的设计方法 了解了这样一个水利工程项 目建设的主要步骤 完成了专业知识从理论学习到实际运用的过渡 体会了身为 一个水利项目设计者所需要具备的品质和担负的责任 这些必将在我今后的工作 中起到关键性的指导作用 关键词关键词 碾压混凝土重力坝 有限单元法 RCC II Abstract The design is designed for one river water control project lying to the Southwest of China and the dam construction is emphasized After making and evaluating alternative economic estimates of the possible type of dam we chose the type of high RCCD The spillway is a necessary discharge structure for a river project which is used to discharge the excess flood that the reservoir can not accommodate so as to guarantee the project retaining structure and other structure security run Usually the gravity dam installs spillway in the crest The selection of the reservoir inflow design flood must be based on an adequate study of the hydrologic factors of the basin and then to decide the spillway size The routing of the flow past the dam requires a reasonably conservative design to avoid loss of life and property damage The design of the blood calculus based on the water balance and I used the list algorithm find out the best one in the practicable spilling alternatives with their design water level and check water level together Then it is the main structure design grade the parts of project are defined consisting of blocking structure spillway structure hydropower station and so on The dam type is defined based on the qualitative analysis The basis cross section and the outline dimension is defined in the first main structure design grade The processing alternative of the dam foundation and the construction of the dam body is formulated in the same time After this the feasibility of design construction is verified from detail construction plan infiltrating stability analysis gravity methods analyzed FEM theory seepage compute When we design the cross section of a gravity dam we must rely on the principle that a gravity dam depends on its own weight for structural stability In this design the downstream face is uniform slope and would intersect the upstream face at the maximum reservoir level The upstream face is normally vertical excepting for steep batter near the heel I used mechanics of materials to analyze the stress of the gravity dam For the gravity dam to be stable maximum stresses in the dam section and the foundation should be within the permissible stress of the concrete used in the dam section and the foundation rock respectively Gravity dams can be analyzed by gravity methods It provides a direct method of calculating stresses at any point within the boundaries of a transverse section of the dam Then the author has made a particular analysis and research in the basis of the III FEM theory with a project practice and literatures research After that study on the FEM theory cited by the analysis of the seepage The author has analyzed its seepage control measures and seepage characteristics The design has enabled us to grasp the method of RCCD and know the main steps of the construction water project In practice I achieve the professional knowledge of the theoretical study and know the necessary responsibility and factors as a water project designer These experiences will definitely play a instructive role in my future work Keywords RCCD finite element method FEM RCC 目 录 摘要 I 第一章 综合说明 1 1 1 枢纽任务 1 1 1 1 发电 1 1 1 2 防洪 1 1 1 3 航运 1 1 2 设计要求 1 1 3 工程特性表 2 第二章 设计基础资料 4 2 1 自然地理 4 2 1 1 流域概况 4 2 1 2 气候特征 4 2 1 3 径流 洪水 泥沙 5 2 2 工程地质 11 2 2 1 地震烈度 11 2 2 2 地形地貌 11 2 2 3 地层岩性 12 2 2 4 地质构造 12 第三章 洪水调节计算 13 3 1 调洪演算 13 3 2 坝顶高确定 14 第四章 枢纽布置与坝型选择 15 4 1 枢纽布置 15 4 1 1 工程等级及建筑物级别划分 15 4 1 2 枢纽布置 15 4 1 3 坝型选择 15 第五章 大坝设计 17 5 1 剖面拟订 17 5 1 1 溢流坝段宽 17 5 1 2 非溢流坝基本剖面设计 17 5 2 稳定及应力计算 18 5 2 1 荷载计算 18 5 2 2 稳定的校核计算 21 5 2 3 坝体上游面拉应力正常使用极限状态计算 22 5 2 4 坝趾抗压强度承载能力极限状态 23 5 2 5 三个不同截面不同工况下的荷载计算结果及稳定应力分析 23 5 3 坝体边缘及内部应力计算 33 5 3 1 确定计算截面和计算荷载 33 5 3 2 边缘应力 33 5 3 3 重力坝内部各点的应力 34 5 3 4 计算结果 35 5 3 5 结果分析 37 5 4 应力图 37 5 5 溢流坝段的设计 40 5 5 1 堰面曲线的拟定 40 5 5 2 反弧半径的确定 40 5 5 3 稳定及应力的计算 40 5 6 渗流计算 48 5 7 应力形变 50 第六章 第二建筑物 压力钢管 的设计 53 6 1 引水管道的布置 53 6 1 1 压力钢管的型式 53 6 1 2 轴线布置 53 6 1 3 进水口 53 6 2 闸门及启闭设备 54 2 启闭设备安放在坝顶 54 6 3 细部结构 54 6 3 1 通气孔 54 6 3 1 1 布置 54 6 3 2 充水阀 54 6 3 3 伸缩节 54 6 4 压力钢管结构设计 54 6 4 1 确定钢管厚度 54 6 4 2 承受内水压力的结构分析 55 第七章 施工组织设 59 7 1 导流标准 59 7 2 导流方案的选择 59 7 3 导流工程特性表 59 第八章 专题 枢纽布置设计 61 8 1 坝址和坝型的选择 61 8 2 枢纽布置的要求 61 8 3 枢纽布置的步骤 62 8 4 枢纽布置方案的优选 62 8 5 设计选择 63 第九章 总结及对下阶段工作的建议 64 9 1 小结 64 9 2 对下阶段的建议 64 参考文献 66 1 第一章 综合说明 1 1 枢纽任务 本工程同时兼有防洪 发电 灌溉 渔业等综合利用效益 1 1 1 发电 装机容量 7 600MW 正常蓄水位 375 8m 死水位 330 1m 台机组满发时 的流量为 7 537 3 m s 尾水位为 225 5m 厂房为全地下式厂房 主厂房尺寸为 338 5 28 5 74 4 m m m 机组间距 为 32 5m 安装间 主 副 长度为 60 30m 主变室为地下式 尺寸为 405 5 19 5 32 3 34 2 m m m 开关站为地面户内式 平面尺寸为 335 17 5 m m 1 1 2 防洪 LT 水库是 W 江防洪的战略性工程 承担 W 江中下游地区防洪任务 总防护 人口达 1200 万人 保护耕地近 700 万亩 工程的兴建可使 W 江和 W N 江三角洲 防洪标准由约 20 年一遇提高到约 400 年一遇 400m 提高到约 50 年一遇 遇 DTX 水库联合防洪 可使下游的防洪标准由 20 年一遇提高到 100 年一遇 无论式从 防洪效益还是替代防洪工程投资来说 其防洪作用均非常显著 在遇 500 年和 10000 年一遇的洪水时 经水库调洪后 洪峰流量由原来 27600m3 s 和 35500m3 s 分别削减为 24144 6m 3 s 和 28269 2m3 s 要求校核洪水 时最大下泄流量限制为 28350m 3 s 校核洪水位不超过正常蓄水位的 4 3m 1 1 3 航运 H 河属于滩多 坡陡 流急的河流 全河大小滩险约 300 处 天然情况下 除 O 滩至 SL 镇 L 江河口 170km 河段为常年通航河段外 其余河段基本不能通 航 LT 建成后 水库会使库区干流以上 250km 范围内形成深水航道 坝址下游 河道枯水流量得到大幅度增加 为实现 H 河全面通航 并直达珠江三角洲出海奠 定了基础 为西南有关省区物资外运提供了一条廉价的水上运输线 从而可带动 沿河经济的发展 促使西部大开发战略的实施 1 2 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 2 1 根据防洪要求 对水库进行洪水调节计算 确定坝顶高程及溢洪道孔尺 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 通过比较 确定坝的基本剖面和轮廓尺寸 拟订地 基处理方案与坝身构造 进行水力 静力计算 4 对碾压混凝土重力坝进行设计 选择建筑物的形式与轮廓尺寸 确定布 置方案 拟订细部构造 进行水力 静力计算 5 决定枢纽的施工导流方案 安排施工的控制进度 1 3 工程特性表 表 1 1 工程特性表 名称 数量 单位 备注 河 流 特 性 流域面积 98500 km2 坝址控制面积 多年平均径流总量 508 108m3 设计洪水流量 27600 m3 s 洪峰 校核洪水流量 35500 m3 s 洪峰 多年平均径流量 1610 m3 s 水 库 特 性 正常蓄水位 375 8 m 发电死水位 330 1 m 设计洪水位 377 3 m 校核洪水位 380 36 m 库容 164 108m3 设计下泄流量 234834 m3 s 设计下游水位 225 5 m 校核下泄流量 28253 108m3 校核下游水位 260 4 m 发电装机容量 7 600 MW 拦 河 大坝等级 一级 大坝类型 碾压砼重力坝 坝顶高程 381 m 防浪墙顶高程 382 3m 最大坝高 186 m 坝顶宽度 16 m 3 大 坝 上游坡度 0 2 下游坡度 0 75 上游折坡点高程 290 m 泄 水 建 筑 物 堰顶高程 356 m 溢流前沿净宽 105 m 消能方式 挑流消能 鼻坎高程 262 m 反弧半径 50 m 挑射角 30 度 单宽流量 268 93 立方米 秒 4 第二章 设计基础资料 2 1 自然地理 2 1 1 流域概况 H 河是 W 江水系的中上游河段 H 河全长 1573km 流域面积 138340km2 流域属副热带气候区 气候温和多雨 4 10 月份为雨季 降水量占年降水量的 89 5 雨日占全年的 71 2 流域各地多年平均降水量在 760 1860mm之间 总的趋势山东向西递减 径流主要由降雨形成 径流年内分配为 5 10 月份占 年总量的 82 9 11 月 次年 4 月占年总量的 17 1 LT 水电站位于 H 上游 坝址以上流域面积为 98500km2 占 H 河流流域面 积的 71 坝址以上流域 大支流多 地形复杂 汛期暴雨量级虽不大但却频繁 发生 造成洪水连续 洪水总量较大 2 1 2 气候特征 2 1 2 1 气温 坝址多年平均气温为 20 1 月平均最低 1 月份 气温为 11 0 月平 均最高气温 7 月份 为 27 1 实测最低值 1 月份 为 2 9 实测最高值 7 月份 为 38 9 2 1 2 2 湿度 历年平均相对湿度为 80 其中最高为 6 7 8 月 历年平均值均为 85 最低为 2 月 历年平均值为 74 2 1 2 3 降雨量 坝区多年平均降水量 1343 5mm 雨季 4 10 月份 降水量占年降水量的 89 2 其中 5 9 月份降水量占全年的 76 0 多年平均降雨日数为 156d 雨季 雨日占全年的 69 7 多年平均日雨量 10mm 中雨及以上 日数为 38 5d 日 雨量 25mm 大雨及以上 日数为 15 0d 日雨量 50mm 暴雨 日数为 3 9d 日雨量 100mm 大暴雨 日数为 0 6d 表 2 1 坝区历年 1972 1992 年 各时段最大降水量 5 时段 min 10 20 30 60 90 120 180 240 360 540 720 1440 雨量 mm 25 2 40 2 58 8 99 9 117 3 125 8 139 5 144 6 155 6 158 6 159 4 160 9 2 1 2 4 蒸发量 历年水面蒸发量平均值为 1023 3mm 历年最大值为 1218 7mm 历年最小 值为 842 7mm 2 1 2 5 风向风力 历年最大风速为 24m s 吹程为 2km 2 1 3 径流 洪水 泥沙 2 1 3 1 径流 径流主要由降水形成 多年平均径流量为 1610m3 s 多年平均年径流总量为 508 亿 m3 年际变化较为平稳 年变差系数为 0 24 实测最大年平均径流量和 最小平均径流量分别为多年平均流量的 1 42 倍和 0 54 倍 实测最大流量为 16900m3 s 实测最小流量为 174m3 s 各频率年径流成果见表 1 2 表 2 2 年径流频率成果表 2 1 3 2 洪水 H 河流域洪水由暴雨形成 LT 以上流域面积大 主流源远流长 大支流多 汛期暴雨量级虽不大 但发生频繁 往往造成连续性洪水 单峰洪水甚少 复峰 居多 设计洪水成果见表2 3 表 设计洪水成果表 项目 6 洪峰流量 7d洪 量 亿 m 3 s 表 坝址处设计洪水过程线 月 日 时 流量 月 日 时 流量 水利水电工程专业毕业设计 7 H 江碾压混凝土重力坝设计 8 水利水电工程专业毕业设计 9 表 坝址处设计洪水过程线 月 日 时 流量 月 日 时 流量 6 19 14 17954 5 14 26363 6 20 19545 5 20 26590 9 20 2 20227 3 5 2 25227 3 8 19545 5 8 24772 7 14 18863 6 14 23636 4 20 17954 5 20 22272 7 21 2 16818 2 6 2 20681 8 8 15909 1 8 19318 2 14 15000 0 14 18181 8 20 14090 9 20 17045 5 22 2 13409 1 7 2 16136 4 8 12727 3 8 15227 3 14 12272 7 14 14090 9 20 11590 9 20 13181 8 23 2 11136 4 8 2 12727 3 8 10909 1 8 12272 7 14 10681 8 14 12500 0 20 10454 5 20 15227 3 24 2 10227 3 9 2 19318 2 H 江碾压混凝土重力坝设计 10 8 10454 5 8 23863 6 14 10909 1 14 28181 8 20 11363 6 20 28636 4 25 2 11590 9 10 2 27954 5 8 11590 9 8 25909 1 14 11818 2 14 23636 4 20 12045 5 20 22272 7 26 2 12045 5 11 2 22045 5 8 11818 2 8 24318 2 14 12045 5 14 27727 3 20 12272 7 20 31363 6 27 2 12500 0 12 2 34090 9 8 12272 7 8 35909 1 14 11818 2 14 36136 4 20 11590 9 20 35454 5 28 2 11136 4 13 2 33863 6 8 10909 1 8 31818 2 14 10681 8 14 29545 5 20 10681 8 20 28181 8 29 2 12045 5 14 2 26136 4 8 15000 0 8 25000 0 14 17272 7 14 23409 1 20 18409 1 20 21818 2 30 2 20000 0 15 2 21136 4 8 18409 1 8 19772 7 14 19090 9 14 19318 2 20 18409 1 20 18636 4 7 1 2 18181 8 16 2 17954 5 8 17500 0 8 17500 0 14 17045 5 14 16818 2 20 16590 9 20 16363 6 2 2 16136 4 17 2 15909 1 8 15681 8 8 15681 8 14 15454 5 14 15454 5 水利水电工程专业毕业设计 11 20 15227 3 20 15227 3 3 2 15681 8 18 2 15227 3 8 17727 3 8 15000 0 14 20681 8 14 15000 0 20 23863 6 20 14772 7 4 2 25227 3 19 2 14545 5 8 25681 8 8 14318 2 6 19 14 17954 5 14 26363 6 20 19545 5 20 26590 9 20 2 20227 3 5 2 25227 3 8 19545 5 8 24772 7 14 18863 6 14 23636 4 20 17954 5 20 22272 7 2 1 3 3 泥沙 H 河泥沙以悬移质为主 悬沙颗粒较细 由实测资料统计 坝址处多年平均 输沙率为 1660kg s 多年平均含沙量为 1 05kg m3 多年平均输沙量为 5240 万 t 坝前百年淤沙高程 287 6m 淤沙内摩擦角 24 度 浮容重 12kN m3 2 2 工程地质 2 2 1 地震烈度 坝址位于相对稳定地块内 属弱震环境 无区域性活动断层穿过 不存在发 生地震的地质背景 区域地震危险性主要受外围地震影响 经审定 坝址地震基 本烈度和水库可能诱发地震影响烈度均为 7 度 2 2 2 地形地貌 坝址河谷为较平坦 V 形谷 宽高比为 3 5 河流流向为 S300E 至坝址处 转为 S800E 枯水期河水面高程为 219m 水面宽 90 100m 水深 13 19 5m 河床沙卵石厚 0 6m 局部达 17m 河床两侧均有基岩礁滩裸露 左岸宽 10m 右岸宽 40 70m 左岸地形整齐 山体宽厚 右岸受冲沟切割 地形完整程度稍逊于左岸 两 岸山顶高程 600m 岸坡坡度 32 42 残坡积物厚 0 5 2m 局部厚 8 25m H 江碾压混凝土重力坝设计 12 2 2 3 地层岩性 坝址上游地层为三叠系下统罗楼组 以薄层 中厚层硅质泥板岩 硅质泥质 灰岩为主 夹少量粉砂岩互层岩组 坝址及其下游出露地层为三叠系中统板纳组 由厚层钙质砂岩 粉砂岩 泥板岩互层组成 属坚硬和中坚硬岩石 地下洞室布置区是坝区地质条件相对较好的地段之一 90 95 以上的洞 体位于质量较好和中等的 类围岩内 围岩地层为板纳组 岩性以砂岩为主 或为砂岩 泥板岩互层岩组 岩石强度较高 进水口边坡蠕变岩体自然现状稳 定 只要开挖后采取一定的工程措施 边坡整体稳定 2 2 4 地质构造 坝址岩层为单斜构造 走向 N50 200W 与河流向夹角约为 70 倾向 NE 下游偏左岸 倾角 550 63 坝址下游岩层倾角逐步变缓至约 40 左右 断层依其走向 主要可分为四组 第一组 产状 N50 200W NE 600 以层间错动为主 多达 200 余条 80 以上的破碎带宽度小于 10cm 第二组 产状 N300 600W NE 600 850 平均间距 30 50m 条 第一组 产状 N700 900W NE 700 850 第一组 产状 N650 800W NE 800 破碎带较宽 水利水电工程专业毕业设计 13 第三章 洪水调节计算 3 1 调洪演算 本枢纽的泄洪建筑物采用 WES 式溢流堰 其溢流能力可用公式 2 3 2 ws HgBCMQ 3 1 式中 C 上游面坡度影响修正系数 m 流量系数 侧收缩系数 s 淹没系数 B 溢流堰净宽 HW 堰上作用水头 近似计算中可以认为 gBCM s 2 2 01 则开敞式溢流堰泄流能力计算公 式就近似为 Q 3 2 2 01 w BH 假定三种不同的溢流堰净宽 B 和堰顶高程 W 进行方案的比较确定符合 要求以及最优的方案 具体计算结果如下 表 3 1 洪水调节计算成果 方案 一 方案 二 方案 三 孔口净宽 m 15 7 105 15 7 105 15 7 105 堰顶高程 m 354 0 355 0 356 0 设计情况 水位 Z m 376 35 376 76 377 3 库容 亿 m3 166 22 167 67 169 37 下泄流量 m3 s 25133 24242 23483 校核情况 水位 Z m 378 76 379 56 380 36 库容 亿 m3 174 67 177 47 180 26 下泄流量 m3 s 28890 28571 28253 由上表可知 本设计采用方案为 B 15 7 105m 堰顶高程为 堰 356m 设 计洪水位 设 377 3m 校核洪水位 校 380 36m 设计下泄流量为 23483 m3 s 校核下泄流量为 28253 m3 s H 江碾压混凝土重力坝设计 14 3 2 坝顶高确定 由规范 防浪墙顶高程高于波浪顶高程 其与正常蓄水位或校核洪水位的高 差 h h1 hz hc 3 2 式中 h1 累计频率为 1 的波高 hz 波浪中心线至正常蓄水位或校核洪水位的高差 hc 安全超高 库区多年平均计算风速 0 24 26 5 vm sm s 吹程27 5Dkmkm 按鹤 地水库公式计算 3 1 2 0 2 0 2 0 2 00625 0 v gD v v gh 3 3 3 1 2 0 2 0 0386 0 v gD v gLm 3 4 2 1 2 z mm hH hcth LL 3 5 1 1 1 2 2 ln 4hL hLhL H m mm cr 3 6 式中 Lm 平均波长 m h2 累计频率为 2 的浪高 m 0 v 计算风速 m s 取 24 4m s D 风区长度 m D 4000m g 重力加速度 9 81m s2 Hcr 使风浪破碎的临界水深 经计算得设计情况下 顶 379 3m校核情况下顶高 顶 382 3m综合以上两种 情况 取大值 顶 382 3m 防浪墙顶高程为 382 3m 根据规范取防浪墙 1 3m 最终确定坝顶高程为 382 3m 1 3m 381m 水利水电工程专业毕业设计 15 第四章 枢纽布置与坝型选择 4 1 枢纽布置 4 1 1 工程等级及建筑物级别划分 根据 SL252 2000 水利水电工程等级划分及洪水标准 正常蓄水位 H 376m 相应库容 V 164 10 8m 水电站装机容量 7 600MW 根据 水利水电枢纽工程等级划分和洪水标准规范 确定本工程的规模为大 1 型 等别为一等 相应永久建筑物级别为一级 临时建筑物级别为四级 4 1 2 枢纽布置 安排泄洪建筑物在原河床的主流部位 发电建筑物 开关站等布置在左岸 泄洪建筑物的型式采用开敞式溢流堰 4 1 3 坝型选择 可供选择的坝型有 拱坝 宽缝重力坝 面板堆石坝 大头坝 土石坝等 具体比较选择如下 4 1 3 1 土石坝 在有条件的情况下 为了节约材料 选择坝型的时候应首先考虑当地材料坝 土石坝材料可就地取用 并且对地基要求不是很高 较能适应地基变形 结构简 单 施工技术简易 工序少 可以组织机械化快速施工 但坝址附近缺乏符合筑 坝条件的土料 难以满足建坝对土料的需求量 其次 H 江流域雨量丰富 降雨 天数多 对土石坝施工干扰大 易延长工期 另外 土石坝坝顶不能溢流 施工 导流不如混凝土坝方便 坝体的断面大 故不适合修建土石坝 4 1 3 2 拱坝 拱坝的工作原理 一是依靠拱的作用 将力传给拱座 二是依靠悬臂梁的作 用将力传给基岩 其主要特点 a 受力条件好 河谷形状深窄较好 b 坝体积小 主要依靠拱作用维持稳定 自重作用影响不大 c 超载能力强 安全度高 d 抗震性能好 e 施工技术要求高 地基处理要求严格 根据拱坝的特点 要求建造于狭窄河谷上 对地质较理想的条件是岩石尽量 密致 质地均匀 有足够的强度 不透水性和耐久性 两岸拱座基岩坚固而完整 边坡稳定 没有大的断裂构造和软弱夹层 H 江碾压混凝土重力坝设计 16 坝址处河谷形状为梯形 河床较宽 宽高比约为 3 5 若在这种河谷中修建 拱坝 拱坝作为拱的部分发挥的作用很小 且河床两岸无足够强度的岩体支承拱 坝 两岸节理发育 有平行河谷及垂直河谷的两组倾角节理 节理面不能承受两 岸渗透水压力的作用 即使进行必要的加固处理 如清洗节理 固结灌浆等 也不能达到强度要求 故不适合修建拱坝 4 1 3 3 面板堆石坝 经初步估算 在坝址附近有足够的砂石料 能满足建坝的材料要求 省材料 节约投资 另外 面板堆石坝适应气候性能好 整个坝体作为受力结构 利于稳 定 面板还有防浪作用 但是面板堆石坝 抗严寒冰冻差 抗震性能差 对基础 沉陷较敏感 面板变形 开裂问题较难解决 坝体对周边缝也是难题之一 其次 施工过程中要采取隧洞导流 并要单独在岸边修建溢洪道 工程开挖量大 增加 投资 故不适合修建面板堆石坝 4 1 3 4 实体重力坝 宽缝重力坝 碾压混凝土重力坝 1 实体重力坝 实体重力坝的主要优点就是 结构相对比较简单 施工比较方便 并且有丰 富的经验技术 施工过程中质量容易控制 其不足之处就是坝体体积较大 扬压 力也比较大 施工时不利于混凝土的散热 2 宽缝重力坝 宽缝重力坝具有以下一些优点 充分利用了混凝土的抗压强度 扬压力显著 降低 节省混凝土方量 但也有一些缺点 如 增加了模板用量 立模也较复杂 分期导流不便 在严寒地区 对宽缝需要采取保温措施 而且宽缝重力坝的散热 比较好 并且一般情况下 不易出现被坝体内部混凝土由于膨胀而破坏坝体的稳 定 3 碾压混凝土重力坝 碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比 具有以下一些优点 工艺程序 简单 可快速施工 缩短工期 提前发挥工程效益 胶凝材料用量少 又特别是 水泥用量减少 由于水泥用量减少 结合薄层大仓面浇筑 坝体内部混凝土的水 化热温升可大大降低 从而简化了温控措施 不设纵缝 节省了模板和灌浆等费 用 可使用大型施工机械设备 提高混凝土运输和填筑的工效 但也有一定缺点 如 坝体混凝土分区 各区域内混凝土的级 再结合设计内容 结合工程中有丰富的砂石料场 地质条件不是很复杂 故 确定选择碾压混凝土重力坝方案 水利水电工程专业毕业设计 17 第五章 大坝设计 5 1 剖面拟订 5 1 1 溢流坝段宽 L B N 闸墩厚度 B 表示溢流堰净宽 根据调洪演算得 105m N 表示闸孔数 满足闸门开启要求取 7 孔 闸敦厚度取 4 0m L 经计算得 133 0m 5 1 2 非溢流坝基本剖面设计 枢纽布置画在坝轴线地质图上 见 H 江重力坝设计图纸 1 3 枢纽平面总布 置图 非溢流坝基本剖面按前面的调洪演算的结果 H 设为 377 3m 即基本三角形 顶点高程为 377 3m 坝顶高程由前面计算得为 381m 其剖面形式应通过技术经济 比较 即在满足坝体抗滑稳定和坝踵不出现拉应力的条件下 使基本剖面的面积 最小 利用复合形法优化程序可以确定上游边坡 n 0 2 下游边坡 m 0 75 具体尺寸如下 1 上游边坡 n 取为 0 2 下游边坡 m 取为 0 75 2 底取最低坝高为 195m 3 折的确定 经济流速取为 6m s 根据公式 Q V A A D 2 4 得到压力钢管直径 D 为 10 7m 利用 GORDON 公式 SCR dcv 5 1 c 经验系数为 0 55 0 73 v 经济流速为 6m s cr S 经计算为 11 8m 折 死 SCr D 5 2 其中 取为 17 6m 折经计算得到为 290m 4 底宽 B 按照几何关系得到为 250 2400 300 2700 300 2700 300 2700 300 2700 300 2650 350 正常蓄水位对应下游水位 校核洪水位对应下游水位 225 5 260 4 校核洪水位 正常蓄水位376 0 379 3 381 5 290 0 195 0 帷幕 1 0 66 1 0 2 500 800 250 10205 H 江碾压混凝土重力坝设计 18 156m 5 坝 顶 宽 度 按 照 双 向 交 通 的 要 求 取 为16 0 m 图 5 1 非溢流坝剖面 6 基础灌浆廊道及坝内检修排水廊道位置的确定 根据重力坝设计规定拟定上游壁到上游坝面的距离为 22 5m 下游至坝趾 5 5m 基础灌浆廊道宽度可选用 5m 高度 H 选取 3 5m 采用上圆下方的城门洞 形 廊道底面至岩基的距离宜不小于 1 5 倍的底宽 取为 5m 以免廊道地板被 灌浆压力掀动开裂 帷幕距上游面距离为 24m 坝内检修排水廊道相对位置为 上游壁到上游坝面距离为 5 0m 廊道宽度 可选用 3 5m 高度 H 选取 3m 采用上圆下方的城门洞形 廊道上下间距 30m 根据以上对坝体剖面的叙述设计的剖面如图 5 1 5 2 稳定及应力计算 选取最大坝高进行计算 底高程为 190 m 各种荷载按坝宽 B 1 m 计算 5 2 1 荷载计算 1 自重 水工建筑物 结构 的自重标准值 可按结构设计尺寸与其材料重度计算确 定 本枢纽计算中取材料重度为 24 0KN m 3 2 静水压力 垂直作用于建筑物 结构 表面某处的静水压强应按下式计算 Hp wwr 5 3 式中 wr p 计算点处的静水压强 KN m 2 H 计算点处的作用水头 m 按计算水位与计算点之间的高差确定 w 水的重度 KN m 3 一般采用 9 81 KN m 3 对于多泥沙河流应根 据实际情况确定 本枢纽计算采用 9 81 KN m 3 3 扬压力 规范规定混凝土坝应按垂直作用于计算截面积上的分布力计算 本枢纽计算采用浮托力和渗透压力分别计算 坝体计算截面上扬压力分布 如下 水利水电工程专业毕业设计 19 图 5 2 扬压力分布图 主排水孔前扬压力系数 1取为 0 2 残余扬压力系数 2取为 0 5 4 淤沙压力 作用在坝 水闸等挡水建筑物定为长度上的水平淤沙压力标准值可按下式 计算 2 45 2 1 2 2 s sSbSK tghP 5 4 式中 SK P 淤沙压力标准值 KN M S 淤沙的浮重度 KN M 3 s h 挡水建筑物前泥沙淤积厚度 M s 淤沙的内摩擦角 垂直向淤沙压力按淤沙的浮重度和淤沙作用面积计算 5 浪压力 浪压力分布如下图 上游水位 图 5 3 波浪压力计算简图 H 江碾压混凝土重力坝设计 20 单位长度上的浪压力标准值按下式计算 4 1 0 1 zmwwkhhLP 5 5 式中 L P 单位长度迎水面上的浪压力标准值 KN m w 水的重度 KN m 3 m L 平均波长 m 1 h 累计频率为 1 的浪高 m 由规范 DL5077 3 1 2 0 2 0 2 0 2 00625 0 v gD v v gh 5 6 3 1 2 0 2 0 0386 0 v gD v gLm 5 7 式中 0 v 计算风速 m s D 风区长度 m g 重力加速度 9 81 2 m s 6 地震作用 a 地震惯性力 采用拟静力法计算地震作用效应 沿建筑物高度作用于质点 I 的水平地震惯 性力代表值按下式计算 gGaFiEihi 5 8 式中 iF 作用在质点 I 的水平向地震惯性力代表值 h a 水平向设计地震加速度代表值 地震作用的效应折减系数 取为 0 25 EiG 集中在质点 I 的重力作用标准值 i 质点 i 的动态分布系数 n j j E Ej i i H h G G H h 1 4 4 41 41 4 1 5 9 式中 n 坝体计算质点总数 水利水电工程专业毕业设计 21 H 坝高 jih h 分别为质点 i j 的高度 EG 产生地震惯性力的建筑物总重力作用标准值 gGaFiEihi 重力加速度 9 81 2 m s b 地震动水压力 地震时由于地面和坝体的振动引起库水的激荡 在坝面产生附加的地震动水 压力 在水平地震作用下 铅直坝面水深 h 处的地震动水压强代表值按下式计 算 1 whwp hahH 5 10 式中 hpw 作用在直立迎水坝面面水深 h 处的地震动水压力代表值 h 水深 h 处的地震动压力分布系数 按规范 SL203 97 查表 6 1 9 1H 水深 地震作用的效应折减系数 取为 0 25 w 水体质量密度的标准值 沿坝轴线单位宽度的总地震动水压力为 2 0 1 0 65iwFaH 5 11 其作用点位于水位以下 0 54H1处 5 2 2 稳定的校核计算 本阶段按照 混凝土重力坝设计规范 DL5108 1999 规定 按承载能力极 限状态的计算方法计算以检验坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定 对基本组合 应采用下列极限状态设计表达式 1 1 K m K d KKQKGa f RaQGSo 5 12 式中 o 结构重要性系数 对应于结构安全级别为 I II III 级的结构 及构件 可取 1 1 1 0 0 9 设计状况系数 对应于持久状况 短暂状况 偶然状况 可分别取 1 0 0 95 0 85 H 江碾压混凝土重力坝设计 22 S 作用效应函数 R 结构及构件抗力函数 G 永久作用分项系数 Q 可变作用分项系数 GK 永久作用标准值 QK 可变作用标准值 ak 几何参数的标准值 可作定值处理 fK 材料性能的标准值 m 材料性能 分项系数 1d 基本组合结构系数 对于偶然组合 应采用下列极限状态设计表达式 1 2 K m K d KKKQKGa f RaAQGSo 5 13 式中 AK 偶然作用代表值 2d 偶然组合结构系数 作用效应系数 S PR 5 14 抗滑稳定抗力函数 R fR WR m CR AR m 5 15 式中 PR 坝基面上全部切向作用之和 KN WR 坝基面上全部法向力作用之和 KN fR 坝基面抗剪断摩擦系数 CR 坝基面抗剪断摩擦粘聚力 KP m 作用分项系数 5 2 3 坝体上游面拉应力正常使用极限状态计算 坝体上游面的垂直应力不出现拉应力 计杨压力 计算公式为 0 C CC C C J TM A W 5 16 水利水电工程专业毕业设计 23 式中 MC 计算截面上全部作用对截面形心的力矩之和 KN m 逆时针方向 为正 Jc 计算截面面积对形心轴的惯性矩 m 4 TC 计算截面形心轴到上游面的距离 m 核算坝体上游面的垂直应力时 根据重力坝设计规范规定 应按作用的标准 值计算作用的长期组合 5 2 4 坝趾抗压强度承载能力极限状态 验算坝趾抗压强度时 应按承载能力极限状态 按 5 12 和 5 13 分别 计算基本组合和偶然组合两种情况 作用效应系数 S 2 1 RRR RR WM T m AJ 5 17 抗滑稳定抗力函数 R c f 5 18 5 2 5 三个不同截面不同工况下的荷载计算结果及稳定应力分析 5 2 5 1 坝基面的荷载计算结果及稳定应力分析 H 江碾压混凝土重力坝设计 24 表 5 1 坝基面正常蓄水位下荷载表 荷载作用及分项系数 标准值 10 3KN 设计值 10 3KN 力臂 m 力矩标准值 10 3KN m 力矩设计值 10 3KN m 垂直力 水平力 垂直力 水平力 坝体自重 G1 1 0 21 66 21 66 65 20 1412 14 1412 14 G2 1 0 71 81 71 81 50 86 3652 33 3652 33 G3 1 0 233 19 233 19 2 62 611 16 611 16 水平水压力 P上 1 0 160 34 160 34 60 27 9663 02 9663 02 P下 1 0 4 56 4 56 10 17 46 39 46 39 垂直水压力 P上 1 0 24 38 24 38 69 57 1696 18 1696 18 P下 1 0 3 42 3 42 70 24 240 36 240 36 泥沙压力 Pskx 1 2 21 70 26 04 30 87 669 73 803 67 Psky 1 2 10 29 12 35 71 69 737 66 885 19 浪压力 Pwk 1 2 0 09 0 11 179 53 16 28 19 54 扬压力 U1 1 1 26 60 29 27 68 14 1812 85 1994 14 U2 1 2 30 95 37 14 0 18 5 59 6 71 U3 1 2 1 80 2 15 74 31 133 40 160 08 总计 305 41 177 56 298 25 181 92 4107 40 4250 55 结论 a 0 S 2 1 d R在正常蓄水位的工况下稳定能够满足要求 水利水电工程专业毕业设计 25 b 0 C CC C C J TM A W 在正常蓄水位工况下坝体上游面拉应力