调洪演算计算书.doc

水利水电工程专业毕业设计 目录第一章 调洪演算- 3 -1.1 调洪演算的原理- 3 -1.2洪水调节计算- 3 -1.2.1对以下四种方案进行调洪演算- 3 -1.2.2方案比较- 7 -第二章 大坝工程量比较- 8 -2.1 大坝剖面设计计算- 8 -2.1.1混凝土重力坝设计- 8 -2.2 大坝工程量比较- 13 -2.2.1重力坝工程量- 16 -2.2.2拱坝工程量- 16 -第三章 第一主要建筑物的设计- 17 -3.1 拱坝的型式尺寸及布置- 17 -3.1.1坝型选择- 17 -3.1.2拱坝的尺寸- 17 -3.2 荷载组合- 20 -3.2.1 正常水位+温降- 20 -3.2.2 设计水位+温升- 20 -3.2.3 校核水位+温升- 20 -3.2.4 正常水位+温降+地震- 20 -3.3 拱坝的应力计算- 20 -3.3.1对荷载组合1，2，3使用FORTRAN程序进行电算- 20 -3.3.2对荷载组合4进行手算- 23 -3.4 坝肩稳定验算- 42 -3.4.1计算原理- 42 -3.4.2验算工况- 44 -3.4.3验算步骤- 44 -第四章 泄水建筑物的设计- 50 -4.1泄水建筑物的型式尺寸- 50 -4.2坝身进水口设计- 50 -4.3泄槽设计计算- 51 -4.3.1坎顶高程- 51 -4.3.2坎上水深hc- 51 -4.3.3反弧半径R- 52 -4.3.4坡度（直线段）- 52 -4.3.5挑射角- 52 -4.4导墙设计- 52 -4.5消能防冲计算- 53 -4.5.1消能率计算- 53 -4.5.2水舌挑距- 54 -4.5.3冲刷坑深度- 55 -4.6孔口应力及配筋- 56 -4.6.1孔口应力- 56 -4.6.2配筋- 60 -参考文献- 63 -结束语- 63 -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，并最好与所给限制流量差值在100m3/s以内。1.2洪水调节计算1.2.1对以下四种方案进行调洪演算四种调洪方案：4表孔+2中孔 2浅孔+2中孔 4中孔 坝身泄流与利用导流隧洞1.2.1.1方案一 4表孔+2中孔表孔: 堰顶高程179米，四孔412m=48m （1-1） 式中：B孔口宽,m ； H出口中心线高程,m ；m流速系数，取0.84；侧收缩系数（=0.96-0.227a/H0）；H0出口中心处水头,m。中孔: 进口高程底135m, 出口底高程130m,两孔尺寸7.5m7.5m(宽 高) （12）式中：B孔口宽,m ； H出口中心线高程,m ；A孔口面积(A=BH) ,m2；侧收缩系数，（=0.96-0.227a/H0 ）；a孔口高度,m； H0-出口中心处水头，m。 表1-1 4表孔流量4表孔高（m）宽（m）上游水位（m）进口高程（m）m四孔面积（）起调流量（）设计4121821790.48192530.2905校核4121821790.48192530.2905 表1-2 2中孔流量2中孔高（m）宽（m）上游水位（m）进口高程（m）出口高程（m）两孔面积（）起调流量（）设计7.57.51821351300.92907956.253159.689校核7.57.51821351300.93013256.253159.689表1-3 4表孔+2中孔最大泄洪量与最高水位结果表最高水位总起调流量（）最大泄洪量（）设计188.564027.9796642.854校核190.54027.9797670.9311.2.1. 2方案二 2浅孔+2中孔浅孔，中孔均用以下公式： （13）浅孔进口高程164m，出口高程154m，两孔尺寸9m8.5m(宽 高)式中：B孔口宽,m ； H出口中心线高程,m ；A孔口面积(A=BH) ,m2；侧收缩系数，（=0.96-0.227a/H0 ）；a孔口高度,m； H0-出口中心处水头，m。 表 14 2浅孔流量2浅孔高（m）宽（m）上游水位（m）进口高程（m）出口高程（m）两孔面积起调流量设计98.51821641600.89265376.52526.6校核98.51821641600.89884376.52526.6 表15 2中孔流量2中孔高（m）宽（m）上游水位（m）进口高程（m）出口高程（m）两孔面积（）起调流量（）设计7.57.51821351300.92973356.253159.1校核7.57.51821351300.92973356.253159.1 表 16最大泄洪流量与最高水位结果表最高水位（m）总起调流量（）最大泄洪流量（）设计186.96023.7256564校核189.86023.72568611.2.1.3方案三 4中孔中孔: 进口底高程135m, 出口底高程130m （1-4）式中：B孔口宽,m ； H孔口高,m ； A孔口面积(=BH)，m2；流量系数（=0.97-0.3a/H0 ）； a孔口高度,m； H0出口中心处水头，m。 表17 4中孔流量4中孔高（m）宽（m）上游水位（m）进口高程（m）出口高程（m）两孔面积（）起调流量（）设计7.57.51821351300.92973356.255966校核7.57.51821351300.92973356.255966 表 18 最大泄洪流量与最高水位结果表最高水位（m）总起调流量（）最大泄洪流量（）设计187.461006300校核19061006557.81.2.1.4方案四 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。1.2.2方案比较 通过比较方案一即泄水建筑物采用2浅孔+2中孔时所需坝顶高程最小，加之方案一与方案三都存在对坝体的结构影响较大的问题（方案二的4表孔使得坝体堰顶以上失去空间结构作用，方案三的4中孔使得坝体同一高程开孔数量过多，该层拱圈削弱过多），并由调洪演算结果看，故本设计选择2浅孔+2中孔的泄流方案，浅孔位于两岸，中孔位于水电站进水口两侧，对称布置。设计洪水时，允许泄量66003/s，校核洪水时，允许泄量7600m3/s。设置两浅孔，孔口宽9.0m，高8.5m，进口底高程为164m，出口底高程为154m；两中孔，孔口宽7.5m，高7.5m，进口底高程为135m，出口底高程为130m，设计洪水时，下泄流量6564m3/s，校核洪水时，下泄流量6861m3/s，均小于允许下泄流量，设计洪水位为186.9m，校核洪水位为189.8m。1.2.3 2浅孔+2中孔方案选定后坝顶高程的计算拱坝坝顶超出水库静水位的高度h为 （1-5）式中 hb波高（m），当=20250时，为累计频率为5%的波高；当=2501000时，为累计频率为10%的波高；按式（1-6）求出； hz波浪中心线高出静水位的高度 (m),按式（1-7）、（1-8）计算； 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）。 （1-6） （1-7） （1-8）式中 V0计算风速, m/s； D库面吹程，m； H水深，m。1.2.3.1设计洪水位情况下 H D V0gD/V02Lm hbcth(2H/Lm)hz94.9400018121.110.2410.9760.29 10.29查表得 ： hc=0.7m 坝顶=0.976+0.29+0.7+186.9=188.9m1.2.3.2校核洪水位情况下 H D V0gD/V02Lm hbcth(2H/Lm)hz99.1400012272.56.820.590.16 10.16 查表得 hc=0.5m 校核=0.59+0.16+0.5+189.8=191.1m综上：取坝顶高程为191.1m，坝高为99.1m。第二章 大坝工程量比较2.1 大坝剖面设计计算2.1.1混凝土重力坝设计坝前最大水深H=189.8-92=97.8m最大坝高=191.1-92=99.1m2.1.1.1基本剖面（1）. 按应力条件确定坝底最小宽度 （2-1）式中 c=24kN/m3 ；0=10kN/m3； 1=扬压力折减系数,取0.3（河床坝段=0.20.3，岸坡坝段=0.30.4）。则B=67.49m（2）.按稳定条件确定坝底最小宽度 （2-2）式中 K=1.05(查水工建筑物表4-1)；f=0.7 ； =0 ； 1=0.25。则 =68.23m综合（1）、（2），取两值中的较大值，取坝底最小宽度B=68.5m2.1.1.2实用剖面（1）.坝顶宽度：取坝高的810%，即（810）%99.1=(7.9289.91)m，取为10.0m。（2）.下游坡度： ，且坝底宽约为坝高0.7-0.9倍，则取m=0.7413。（3）.上游折坡点：上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的（）范围内，即（）99.1=(3366.1)m,取为50m，上游折坡点高程为折 =142m。（4）.上游坡度：上游折坡的坡度取为1:0.15。（5）.坝底宽度：坝底宽度为500.15+97.80.7413=80m。图 2-1 重力坝剖面图（单位：m）2.1.1.3排水装置设计洪水最大下泄流量6564.289m3/s，则Z下=114.1m，下游水深22.1m ，水头H=189.8-114.1=75.7m。基础帷幕灌浆廊道上游壁到上游坝面的距离应不小于0.05-0.10倍水头，且不小于4-5m，即（0.050.1）75.7=（3.7717.541）m，取5m，宽取2.5m，高取3m，廊道底离坝底距离不小于1.5倍底宽，取5m。基础排水廊道兼作灌浆廊道宽取2.0m，高取2.5m。坝内纵向排水廊道上游壁到上游坝面不小于（0.050.10）倍水头，并不小于3m，即（0.050.1）75.7=（3.7717.541）m,取帷幕排水廊道距上游坝面距离为5m。2.1.1.4荷载计算图2-2 坝体自重计算图表2-1 荷载设计值计算表(设计水位状况)荷载水平应力（t/m2)铅直应力（t/m2)力臂力矩（m)(逆时针)（顺时针）自重22378.427.565406W36308.541.709310783.19水压力W上游524.2536.697119238.45W下游180.71134.42076220.223P上游4417.4531.63333139738.7P下游239.5657.366661764.796扬压力U1450.4535.416715953.45U2300.333.1259947.438U3722.0524.213039.84U41765.1700浪压力PL2.31695220.02泥沙压力Pn140.47331335.51Pn2189.967.6771458.3234609.72239.5653237.99882.37114277.9176578表2-2 荷载设计值计算表(校核水位状况)荷载水平应力（t/m2)铅直应力（t/m2)力臂力矩（m)(逆时针)（顺时针）自重22378.427.565406W36308.541.709310783.19水压力W上游54636.679320026.9W下游185.091434.3556358.815P上游4691.5532.6152944.5P下游1073.1132.634983.39扬压力U1466.723135.416716529.79U2311.148833.12510306.8U3755.20894.0013021.591U41800.71800浪压力PL2.31697.93226.8059泥沙压力Pn140.47331335.51Pn2189.967.6771458.3234883.8261073.113333.7999908.501113301.6225830用定值安全系数计算法沿坝基面的抗滑稳定分析：若认为坝体与基岩胶结较差，用下式计算 为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；为作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和；U为作用于滑动面上的扬压力；f为滑动面上的抗剪摩擦系数，f=0.7；K为按抗剪强度计算公式计算的抗滑稳定安全系数，查水工建筑物表4-1有K=1.10，1.05。若认为坝体与基岩胶结良好，按下式计算 （2-4）为作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和，用标准值；为作用于滑动面以上的力在水平方向投影的代数和，用标准值；U为作用于滑动面上的扬压力；为滑动面上的抗剪摩擦系数, =0.75；为坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力, =0.5MPa；A为坝体与坝基连接面的面积；为按抗剪断强度计算公式计算的抗滑稳定安全系数，查水工建筑物表4-1有=3.0、2.5。第一种方法偏于安全。（1）设计状况=1.1=K=1.10所以在设计水位情况下，坝体抗滑稳定满足要求。（2）偶然状况=1.21K=1.05所以在设计水位情况下，坝体抗滑稳定满足要求。2.1.1.6应力分析（取坝基面）水平截面上的边缘正应力y和y y= （2-5） y= （2-6）式中 W作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和（向下为正）； M作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和（逆时针正）； B计算截面沿上下游方向的宽度。（1） 设计状况M=MG+MU+MP=-62300 kNm (计入扬压力)W=6644.398计入扬压力) a. y=-332.304y=863.8561b.边缘剪应力和（m=0.7413 n=0.15）=(0.1955-0.241)0.15=-0.0068MPa=ym=1.430.7413=1.0582MPac.铅直截面上的边缘正应力和和(计入泥沙压力)2=0.1955-（0.1955-0.241）0.152 =0.1965MPa=y m2=1.430.742=0.783MPad.上游边缘主应力和(1+0.152)0.241-0.19550.152=0.242 MPa =0.1955 MPae. 下游边缘主应力和=(1+0.742) 1.43=2.213 MPa =0 MPa(2)校核状况M=MG+MU+MP= -800720.12 kNm (计入扬压力)W=99431.84N(计入扬压力) a.y=0.492MPa y=1.994MPa b.边缘剪应力和（m=0.74 n=0.15）=(0.1955-0.492)0.15=-0.0445MPa=ym=(1.994+0.1955)0.74=1.583MPac.铅直截面上的边缘正应力和和(计入泥沙压力)2=0.1955-（0.1955-0.492）0.152 =0.202MPa=ym2=1.9940.742=1.092MPad.上游边缘主应力和(1+0.152)0.492-0.19550.152=0.499MPa =0.1955 MPae. 下游边缘主应力和=(1+0.742) 1.994=3.086 MPa =0 MPa综上，设计状况与偶然状况下坝踵、坝趾处没有出现过大拉应力，且主压应力未大于允许压应力，故满足应力要求。2.2 大坝工程量比较2.2.1重力坝工程量重力坝工程量计算利用下式从上到下分别对三个坝块进行计算： （2-3）其中H坝高，m；L1，L2分别为梯形坝块上下底高程处的河谷宽度，m；b梯形坝块上底宽，m；m1，m2分别为梯形坝块的上下游的边坡；表2-3 重力坝分块工程量计算列表相关数据坝体分块L1L2bm1m2HVI28425951000154441958.2II2595192100074 3429170727.4III1927435.80157450364286.3则 V=VI+VII+VIII=576971.9m3 2.2.2拱坝工程量拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算： （2-4）其中 A/360（R外2-R内2） 第i层拱圈的中心角； R1第i层拱圈的外半径，m； R2第i层拱圈的内半径，m。表2-4 拱坝各高程拱圈面积计算列表高程R外R内中心角（）拱圈面积Ai(m2)191.1196.95188.451042989.058166.3162.915150.2851033547.465141.5138.0908121.3251033933.986116.7111.66390.765993658.7379274.949.9862370.712算得V=342392.3 m3 第三章 第一主要建筑物的设计3.1 拱坝的型式尺寸及布置3.1.1坝型选择坝型选择双曲拱坝。3.1.2拱坝的尺寸3.1.2.1坝顶的厚度Tc 根据结构、人防、运用等要求并考虑改善坝体应力，初步设计，采用下列经验公式： （3-1） Tmin=35m式中 H坝高（m），H=99.1m； 坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），=309.8m。 0.01(H+2.4 )=0.01(99.1+2.4309.8)=8.43mTmin=35m 取Tc=8.5 m3.1.2.2坝底的厚度TB ( 拱坝在高程上分为5层) （3-2）式中 坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），L1=309.8m；坝体倒第二层拱圈处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m），=162m； H坝体高度，m； K=0.0035；拱的允许压应力（MPa ），国内a一般取4-7MPa。 TB=0.0035(309.8+162)99.1/6.55=25m 取TB=25m3.1.2.3 上游面的曲线采用二次抛物线 （3-3）式中：，其中、为经验系数，（1=0.60.65，2=0.30.6）。取 10.62，20.30， H=99.1m，则 x2=31.23 x1=38.73则上游面的曲线方程为3.1.2.4 下游面的曲线Tc，TB沿高程线性内插，然后光滑修匀。设第i层拱圈的厚度为Ti , 则Ti=Tc+(TB-Tc) （3-4） 下游面曲线方程为 表3-1 拱冠梁端面的几层典型拱圈的几何尺寸层数12345高程191.1166.325141.55116.77592纵座标y024.77549.5574.32599.1上游面横坐标z0-7.23-11.55-11.477-7.5拱厚Ti8.512.62516.7520.87525下游面横坐标z28.54.8955.29.39817.5检验倒悬度：见附图，均满足小于1：3的要求。 表3-2 各层拱圈特性参数高程拱圈厚平均半径中心角右半中心角左半中心角1/2弦长岸坡平均坡度（m）（m）（m）（）（）（）（m）（）191.18.5192.71045252152.345166.312.625156.61035152122.645141.516.75129.71035152101.845116.720.875101.299514876.9945922562.486414542.7145图 3-1 拱冠梁横剖面示意图（单位：m）3.2 荷载组合3.2.1 正常水位+温降3.2.2 设计水位+温升3.2.3 校核水位+温升3.2.4 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1，2，3使用FORTRAN程序进行电算3.3.1.1正常水位+温降 n=5u= .20 AT=-47.00 BT= 3.39 RG= 2.40 FS=10.00 RS= .85 EC=2200000.0 EF=2200000.0 GC= .000008 HW= 7.60 HS= 76.10 X1= 38.73 X2= 31.23 DESIGN POINT 0 X1= 38.7300 X2= 31.2300 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 152.36 8.50 192.70 2 24.77 45.00 122.65 12.63 156.64 3 49.55 45.00 101.81 16.75 129.72 4 74.32 45.00 76.99 20.88 101.23 5 99.10 45.00 42.71 25.00 62.40 LEVEL SM= SS= 1 229.11 137.85 103.02 269.63 .00 .00 .00 .00 2 284.55 117.77 64.07 245.26 61.98 48.24 -12.58 113.75 3 281.16 65.74 12.45 206.69 89.67 112.66 13.81 168.83 4 216.81 -6.06 -36.08 137.55 51.48 223.05 130.57 120.07 5 91.82 -47.57 -30.58 52.74 -69.03 402.14 326.42 -31.57 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .042319 .000289 8.05 .00 2 .034953 .000352 16.40 .93 3 .025200 .000446 23.57 2.65 4 .013399 .000418 26.27 6.99 5 .003356 .000188 22.78 10.423.3.1.2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= 4.20 HS= 76.10 X1= 38.73 X2= 31.23 DESIGN POINT 0 X1= 38.7300 X2= 31.2300 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 152.36 8.50 192.70 2 24.77 45.00 122.65 12.63 156.64 3 49.55 45.00 101.81 16.75 129.72 4 74.32 45.00 76.99 20.88 101.23 5 99.10 45.00 42.71 25.00 62.40 LEVEL SM= SS= 1 273.60 210.43 186.32 301.65 .00 .00 .00 .00 2 302.10 175.95 135.33 269.89 89.15 22.51 -12.56 113.72 3 295.16 122.04 79.21 232.81 122.42 81.82 13.80 168.84 4 234.82 50.52 25.69 167.27 89.27 185.26 130.57 120.07 5 121.80 .74 15.49 85.87 -1.01 325.37 326.42 -31.57 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .029442 .000103 10.54 .00 2 .026606 .000192 19.14 .55 3 .020428 .000328 27.33 2.30 4 .011250 .000337 32.11 5.81 5 .003046 .000156 33.82 9.063.3.1.3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= 1.30 HS= 76.10 X1= 38.73 X2= 31.23 DESIGN POINT 0 X1= 38.7300 X2= 31.2300 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 152.36 8.50 192.70 2 24.77 45.00 122.65 12.63 156.64 3 49.55 45.00 101.81 16.75 129.72 4 74.32 45.00 76.99 20.88 101.23 5 99.10 45.00 42.71 25.00 62.40 LEVEL SM= SS= 1 300.25 228.90 201.66 331.94 .00 .00 .00 .00 2 329.15 189.50 144.53 294.10 95.39 17.97 -12.56 113.72 3 316.78 129.09 82.65 249.89 120.32 86.86 13.80 168.84 4 248.11 51.83 25.39 176.83 76.97 200.73 130.57 120.07 5 126.27 -.24 15.18 89.39 -21.31 349.42 326.42 -31.57 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .033246 .000141 11.52 .00 2 .029445 .000236 20.77 .66 3 .022139 .000370 29.24 2.49 4 .011975 .000366 33.83 6.17 5 .003180 .000167 35.01 9.463.3.2对荷载组合4进行手算3.3.2.1拱冠梁法计算拱梁荷载分配(1)变形协调方程为： （3-5） 式中：i1，2，3，n,拱冠梁与水平拱交点的序号，即拱的层数； j单位荷载作用点的序号； pi作用在第i层拱圈中面高程上总的水平径向荷载强度，包括水压力、泥沙压力等； xi拱冠梁在第i层上所分配到的水平径向荷载强度，为未知数；（pi-xi）第i层拱圈所分配到的水平径向均布荷载强度； xj梁在j点所分配到的荷载强度；aij梁在j点的单位荷载所引起i点的径向变位，称为梁的“单位变位”； 作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁i处的径向变位； 单位径向荷载作用下拱冠处的径向变位，称为拱的变位系数； 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。(2)计算步骤：a.梁的径向变位系数 的计算。 查表得各块的变位系数,1,2 见附表第二页，查表所得的各块的变位系数,1,2拱冠梁变位系数aij的计算见下表表3-3 拱冠梁变位系数aij的计算 aijh4/t13h4/t13613.4764187.22361113.3972.0957.9149a110.4178000.8333330.50.333333333a120.14340.55630.79760.6666670.50.166666667a1300.19430.251000a14000000a15000000a210000.3333330.50a2200.556300.1666670.50a2300.19430000a24000000a25000000a31000000a32000000a33000000a34000000a35000000a41000000a42000000a43000000a44000000a45000000a51000000a52000000a53000000a54000000a55000000h4/t3380.16969113.85652.41758.7411001.8333330.51.6666670000312000.64891.83861.1666670.50.333333000.22890.58440000.71543.0168000000.25340.9681001.3333330.50.8333330000211000.64890.91930.6666670.50.166667000.22890.29220000.71542.0112000000.25340.6454000.8333330.500000110000.648900.1666670.50000.228900000.71541.0056000000.25340.3227000000000000000000000000000.71540000000.2534000000000000000000000000000000000000h4/t43h2/t1h2/t241.4166772.2118448.617874.17982.65729.1948112.596312.8333330.540.773400.505160.36790.83430.5041300.402700.86