贵州大学水电毕业设计计算说明书.doc

第 1 页 共 20 页 1 第一章 清水河某电站工程条件 1 气象 水文 清水河流域属亚热带高原气候区 由于大气环流和流域地形影响 气候类型较为复 杂 垂直变化十分明显 多年平均气温为 14 1 C 流域内降水较多 但年内及地区分配极不均匀 年降雨量为 1130mm 4 10 月占全年降水量的 86 5 支流独木河上游为多雨区 多年平均降雨量超过 1200mm 每年 5 8 月为暴雨集中的季节 降雨量占全年的 60 坝址集雨面积为 4328km2 多年平均流量 76m3 s 多年平均来水量 23 97 亿 m3 径流系数 0 48 流域洪水特性与暴雨特性和流域自然地理条件密切相关 洪水过程一般从 5 月份开始 到 10 月份结束 汛期洪水较为频繁 年最大洪峰多出现在 6 7 月 设计洪水标准 P 1 时 洪峰流量为 5240m3 s 相应 3 天为洪量 6 0 亿 m3 校核洪水标准 P 0 1 时 洪峰流量为 7430m3 s 相应 3 天洪量为 8 4 亿 m3 坝址多年平均年输沙量 52 8 万 t 主要集中在汛期 占全年输沙量的 92 8 其中 5 7 月来沙量占全年的 73 8 2 工程地质 电站地处云贵高原的黔中地区 区域内碳酸盐岩广布 属中低山岩溶山地地貌 地层自寒武系至三迭系均布分布 区域地处黔北台隆 遵义断拱南部 属扬子准台地 中稳定的 III 级构造单元 自中更新世以来 区域内无断裂活动迹象 构造环境稳定 地震基本烈度为 6 度 水库河段均属峡谷型水库 库区构造以南北向为主 北东向和北西向断裂也很发 育 南明河近坝 6km 库段大部分为横向谷 上游库段为走向谷 左岸为顺向坡 独木 河库段大部为走向谷 右岸为顺向坡 水库两岸山体雄厚 其间分布有多层隔水层和相对隔水层 不存在向邻谷渗漏问 题 水库库岸多为坚硬的灰岩 白云岩组成 一般稳定性较好 局部以软岩为主的走 向谷顺向坡地段 风化后抗剪强度和抗冲刷能力降低 蓄水后可能产生顺层塌滑 除 近坝的南明河口左岸边坡外 其余边坡距坝址较远 规模不大 对库容和工程的建设 无影响 第 2 页 共 20 页 2 工程枢纽区河段 河谷断面呈不对称 V 型 左岸较缓 右岸较陡 河床及两岸 坡出露地层主要为吴家坪组 中厚层燧石条带灰岩 夹泥页岩 钙质页岩和少P w2 量泥灰岩 其中软岩占总厚度的 19 河床基岩大部裸露 岩层缓倾上游偏右岸 该 地层属弱岩溶含水层 在垂直层面方向可取相对隔水作用 防渗处理简单 坝址附近天然建筑材料丰富 开采及运输条件均较好 坝址下游 2km 处有公路通 过 距左右岸坝肩也仅 1 2km 3 设计标准 电站正常蓄水位初拟为 835m 装机容量 60MW 保证出力 10 1MW 多年平均发电 量 2 51 亿 kWh 装机年利用小时为 4183h 电站工程规模为大 二 型 属二等工程 主要挡水及泄水建筑物为 2 级 厂房 为 3 级建筑物 次要建筑物为 3 级 临时建筑物为 4 级 大坝及泄水建筑物正常运用 洪水为 100 年一遇 P 1 非常运用洪水标准为 1000 年一遇 P 0 1 厂房正常 运用洪水标准为 100 年一遇 P 1 非常运用洪水标准为 200 年一遇 P 0 5 4 水库 水能参数 正常蓄水位 835m 水库死水位 820m 装机容量 2 30Mw 电站引用流量 129 4m3 s 最大水头 64m 最小水头 42 8m 平均水头 55 5m 设计洪水 100 年一遇 坝址相应洪峰流量 5240m3 s 相应下泄流量 4593m3 s 设计洪水位 836 41m 相应下游水位 792 75m 校核洪水 1000 年一遇 坝址相应洪峰流量 7430m3 s 相应下泄流量 6654m3 s 设计洪水位 841 68m 相应下游水位 796 27m 5 工程地质岩体力学指标 坝基 肩 岩体力学指标及岩体质量分类表 第 3 页 共 20 页 3 抗剪断强度 岩 岩岩 砼 地 层 代 号 岩 性 风化 分级 容重 s T m3 承载力 MPa 泊 桑 比 变模 E0 103M Pa f c MPa f c MPa 质量 分类 P2w 中厚层含燧石条带 灰岩夹页岩和泥灰 岩 微风化 2 604 50 2580 90 80 80 7A 1 P2c 含燧石结核灰岩微风化 2 656 00 23121 21 01 10 9A Td 1 1 页岩夹薄层灰岩弱风化 2 301 00 3520 550 20 50 1C Td 1 2 薄层灰岩夹页岩弱风化 2 402 00 3030 650 30 60 2C P1m 中厚层灰岩微风化 2 606 00 23121 21 01 11 0A 节理裂隙 0 70 2 泥页岩夹层 0 30 02 6 6 课程设计要求课程设计要求 布置重力坝的溢流与非溢流部分 选择消能方式 在地形图上作出平面布置 图 上游立视图 下游立视图 溢流坝剖面图 非溢流坝剖面图 图纸要满足制图 规范要求 文字部分有相应稳定 应力 水力学计算及设计说明书 字数不限 所 布置的建筑物要根据地形 假设重力坝开挖深度为地面以下15M 帷幕灌浆中心线距上游坝面7M 淤沙 高程在1 3坝高处 7 7 方法步骤方法步骤 3 3 1 1 由基本三角形剖面 确定非溢流坝剖面 满足稳定及上 下游坝面强度要求 3 3 2 2 由水力计算确定溢流坝剖面及消能方式的具体布置 3 3 3 3 在电脑或图板上作出相应图 作图与计算可交叉进行 第二章 枢纽总体布置 2 1 基本剖面设计 第 4 页 共 20 页 4 1 坝底宽确定 设 n 为 0 m 为 0 8 B 78 4m W1 0 B 98 8 0 1 38 127181 9 188 018 2 1 2 W 4 92198 2 1 98 4 7824 3 W62 471079881 9 2 1 2 2 P 22 15891881 9 2 1 2 2 P kNU24281 74 781881 9 4 718081 9 25 0 2 1 2 1 7 8081 925 1 3 394 1589 22 47107 62 7840024281 7 92198 40 1 1 P AcUWf Ks 当 m 0 75 时3 178 s K 当 m 0 74 时3 135 s K 当 m 0 72 时 但为了以后计算都能满足 所以按 m 0 8 算 3 035 s K 2 2 实用剖面计算 2 2 1 坝顶高程的确定 第 5 页 共 20 页 5 坝顶应高于校核洪水位 坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程 其与正 常蓄水位和校核洪水位的高差 可根据 混凝土重力坝设计规范 由下式 3 1 计算 应选择两者中高程的高者作为选定高程 cz hhhh 1 式中 防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差 m h 波高 m 1 h 波浪中心线至正常或校核洪水位的高差 m z h 安全超高 按 混凝土重力坝设计规范 规定 按下表 3 10 采用 c h 表表 3 3 1010 安全超高安全超高 h hc c 坝的安全级别 相应水位 正常蓄水位 基本情况 0 70 50 4 第 6 页 共 20 页 6 校核洪水位 特殊情况 0 50 40 3 2 2 2 正常蓄水位时坝顶高程的确定 坝的安全级别为 级 查表 3 10 得 m5 0 c h 在 CAD 图中地形剖面图中测得 B 173 383m D 5Bkm smV20 0 在 20 250 之间 故 h 为累积频率为 5 的 21 26109 20 100 866928 9 2 3 2 0 V gD 5 h 0 6695m0166 0 3 1 45 DVh o l 9m7 54414817 4 10 8 0 l hL 0 1865356m 2 2 1 L H cth L h hz 4m0 8301236224 1 0 0 0 0 51 hh 0 5 0 186 0 830 1 517m 1 hhhh zc 2 2 3 校核蓄水位坝顶高程的确定 坝的安全级别为 级 查表 3 10 得 m5 0 c h 在 CAD 图中地形剖面图中测得 B 187 573m D 5Bkm smV20 0 在 20 250 之间 故 h 为累积频率为 5 的 23 001139 20 100 937878 9 2 3 2 0 V gD 5 h 0 6872m0166 0 3 1 45 DVh o l 4m7 70407602 4 10 8 0 l hL 0 1924984m 2 2 1 L H cth L h hz m0 8521787724 1 0 0 0 0 51 hh 0 4 0 192 0 853 1 445 m 1 hhhh zc 防浪墙顶高程 设计洪水位 h设 836 41 1 517 837 927m 防浪墙顶高程 校核洪水位 h校 841 68 1 445 843 125m 所以 坝顶高程 843 125 m 取其中较大值 2 3 稳定计算 第 7 页 共 20 页 7 2 3 1 正常蓄水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算 1 波浪压力 临界水深 m755 0 670 0 14 3 2544 7 670 0 14 3 2544 7 14 3 4 544 7 2 2 4 0 n l l n l hL hL l L H H 98 L 2 3 775 所以浪压力按深水波计算 l p KN15 838 187 0 670 0 4 755 7 81 9 4 zll hh l P 2 泥沙压力 Ps 为坝面单位宽度上的水平泥沙压力 KN m sb 为淤沙的浮容重 7 8 10 8KN m3 hs 为坝前泥沙淤积厚度 m s 为淤积的内摩擦角在 26 30 度 KN1381 755 2 28 45 3 1 8310 2 1 2 45 2 1 22 2 tgtghP s sss 33 2572 1381 755 15 83755 1589 22 47107 62 7840025819 92 92198 40 1271 376 1 1 P AcUWf Ks 2 3 2 校核洪水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算 1 波浪压力 临界水深 m777 0 678 0 14 3 2704 7 687 0 14 3 2704 7 14 3 4 704 7 2 2 4 0 n l l n l hL hL l L H H 98 L 2 3 852 所以浪压力按深水波计算 l p KN16 622 192 0 687 0 4 704 7 81 9 4 zll hh l P 2 泥沙KN1613 118 2 28 45 3 1 68 8910 2 1 2 45 2 1 22 2 tgtghP s sss 34 0433837 1613 118 16 62201 17230 936 53748 511 7840051873 548 92198 40 1271 376 1 1 P AcUWf Ks 2 4 应力计算 应力计算公式如下 上游面垂直正应力 2 6 B M B W yu 第 8 页 共 20 页 8 下游面垂直正应力 2 6 B M B W yd 上游面剪应力 np yuuu 下游面剪应力 mpd ydd 上游面水平正应力 np uuxu 下游面水平正应力 mp ddxd 上游面主应力 22 1 1npn uyuu 下游面主应力 dydd pmm 22 1 1 uu p 2 dd p 2 以上公式适用于无扬压力作用的情况 当截面上有扬压力作用时 应分别采用下列 公式 npp yuuuuu mpp uddydd 2 npppp yuuuuuuuxu 2 mpppp uddyduddyu 22 1 1nppn uuuyuu uuuu pp 2 22 1 1mppm uddydd uddd pp 2 其中 uuu pp dud pp 式中 B 坝体计算截面沿上 下游面的长度 m n 上游坝坡 m 下游坝坡 第 9 页 共 20 页 9 pu pd 计算截面在上 下游坝面所承受的水压力强度 如有淤沙压力时 应计入在内 puu pud 计算截面在上 下游坝面处的扬压力强度 计算截面上全部垂直力之和 包括坝体自重 水重 淤沙重及计算的扬 W 压力等 以下向下为正 对于实体重力坝 均切取单位宽度坝体为准 下同 计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和 以使上 M 游面产生压应力者为正 1 坝内垂直正应力 y 根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面 x 处的为 y bxa y 其中 a b 由边界条件和偏心受压公式确定 当 x 0 时 2 6 B M B W a yd 当 x B 时 3 12 B M B b ydyu 2 坝内剪应力 根据呈线性分布 由平衡条件可得出水平截面上剪应力 y 呈二次抛物线分布 即 其中 x 2 111 xcxba x 1 a 1 b 由边界条件确定 1 c d a 1 du B P B b 42 6 1 1 du B P B c 33 6 1 2 1 3 坝内水平截面正应力 x 根据在水平截面呈二次抛物线分布 由平衡条件可得出水平正应力 x x 第 10 页 共 20 页 10 呈三次抛物线分布 即 其中 3 2 2 222 xdxcxba x 2 a 2 b 可由边界条件确定 由于的三次抛物线分布与直线相当 2 c 2 d x 接近 因此 可近似地作为直线分布 即 其中 xba x22 xd a 2 B b xdxu 2 2 22 1 xyyx 2 2 22 xyyx xy ar 2 tan 2 1 1 2 4 1 正常蓄水位坝的应力计算 计算时 表示上游水位 m 表示下游水位 m H H 表示淤沙高度 m 以下符号表示意义相同 h 1 不计扬压力时 B 78 4m KN 95989 776W mM KN 341406 1560507 1529313 6 61248414 42 kPa 1238 059881 9 39810 Hhp wsbu 176 58kPa1881 9 Hp wd 891 094kpa 4 78 5 341406 16 4 78 95989 776 6 22 B M B W yu a1557 625kP 78 4 5 341406 16 78 4 95989 776 6 22 B M B W yd kPa00 094 91805 1238 np yuuu a1104 836kP8 0 58 1761557 625 mpd ydd kPa05 12380005 1238 np uuxu a1060 449kP8 01104 83658 176 mp ddxd kPa094 91801238 05 891 094 01 1 22 1 npn uyuu 第 11 页 共 20 页 11 a2441 494kP58 1768 01557 625 8 01 1 2222 1 dydd pmm kPa05 1238 2 uu p kPa58 176 2 dd p 2 计扬压力时 B 78 4m KN 70170 064W mM 6KN 525222 00183815 856 341406 15 kPa 1238 059881 9 39810 Hhp wsbu 176 58kPa1881 9 Hp wd 401 945kpa 4 78 6 525222 00 6 4 78 064 70170 6 22 B M B W yu a1427 342kP 78 4 06 525222 06 78 4 70170 064 6 22 B M B W yd 0 npp yuuuuu a1141 874kP8 0342 1427 mpp uddydd 0 2 npppp yuuuuuuuxu 913 499kPa 2 mpppp uddyduddxd 401 945kPa1 22 1 nppn uuuyuu a2340 841kP1 22 1 mppm uddydd 0 2 uuuu pp 0 2 uddd pp 3 坝内应力计算 2 6 B M B W a yd 3 12 B M B b ydyu 第 12 页 共 20 页 12 d a 1 du B P B b 42 6 1 1 du B P B c 33 6 1 2 1 xd a 2 B b xdxu 2 bxa y 2 111 xcxba x xb x22 a 2 22 1 xyyx 2 2 22 xyyx xy ar 2 tan 2 1 1 ab Pa1b1c1a2b2 1427 34 13 079 469001141 87 12 48 0 027913 5 11 65x 坐标 y x 1 2 1 19 61170 99887 095685 121847 828 301 3 652 1 303 74 72 39 2914 644611 856456 751338 9832 409 2 672 1 213 69 52 58 8658 294316 158228 37825 64861 021 1 471 0 974 55 82 2 4 2 设计洪水位坝的应力计算 B 78 4m KN106914 437W mM 9KN 392625 8560529 307 31327476 07 3995379 520 kPa 1251 879 75 79241 836 81 9 3 75 79241 836 10 Hhp wsbu 546 908kPa 73775 792 81 9 Hp wd 980 441kPa 78 4 59 392625 86 78 4 106914 437 6 22 B M B W yu a1746 969kP 78 4 9 392625 85 6 78 4 106914 437 6 22 B M B W yd kPa00 441 980879 1251 np yuuu 960 049kPa8 0 908 546969 1746 mpd ydd kPa879 125100879 1251 np uuxu 第 13 页 共 20 页 13 a1314 947kP8 0960 049908 546 mp ddxd 980 441kPa01251 879 980 441 01 1 22 1 npn uyuu a2515 008kP908 5468 0969 1746 8 01 1 2222 1 dydd pmm kPa879 1251 2 uu p kPa908 546 2 dd p 3 计扬压力时 B 78 4m 58340 4KNW mM 2KN 492943 36100317 503 392626 kPa 1251 879 75 79241 836 81 9 3 75 79241 836 10 Hhp wsbu 546 908kPa 73775 792 81 9 Hp wd 262 949kPa 78 4 623 492943 36 78 4 58340 438 6 22 B M B W yu a1225 328kP 78 4 2 492943 36 6 78 4 58340 438 6 22 B M B W yd 0 npp yuuuuu 980 262kPa8 0328 1225 mpp uddydd 0 2 npppp yuuuuuuuxu 784 210kPa 2 mpppp uddyduddxd 262 949kPa1 22 1 nppn uuuyuu a2009 538kP1 22 1 mppm uddydd 0 2 uuuu pp 0 2 uddd pp 3 坝内应力计算 算法与正常蓄水位相同 算得如下表 第 14 页 共 20 页 14 ab Pa1b1c1a2b2 1225 33 12 275 34610980 262 16 230 0475784 21 10 x 坐 标 y x 1 2 1 19 6984 733680 43588 161495 1877 712 3 432 1 287 73 79 39 2744 138417 108392 11020 85115 4 2 37 1 171 67 15 58 8503 543190 299196 05594 443105 15 1 238 0 891 51 09 2 4 3 校核洪水位坝的应力计算 1 不计扬压力时 B 78 4m 108503 1KNW mM 5KN 625991 4760612 77 41535038 86 969660 159 kPa 1026 911 27 79668 841 81 9 3 27 79668 841 10 Hhp wsbu 581 439kPa 73727 796 81 9 Hp wd 772 904kPa 4 78 5 625991 47 6 4 78 1 108503 6 22 B M B W yu a1995 034kP 78 4 5 625991 47 6 78 4 108503 1 6 22 B M B W yd kPa00 772 904911 1026 np yuuu 1130 88kPa8 0 439 5811995 034 mpd ydd kPa911 102600911 1026 np uuxu Pa1486 1396k8 01130 88581 439 mp ddxd 772 904kPa0 1026 911 772 904 01 1 22 1 npn uyuu a2899 735kP581 4398 0034 9951 8 01 1 2222 1 dydd pmm kPa 1026 911 2 uu p 581 439kPa 2 dd p 4 计扬压力时 KN 56993 576W 第 15 页 共 20 页 15 mM KN 730329 95104338 5 5 625991 47 kPa 1026 911 27 79668 841 81 9 3 27 79668 841 10 Hhp wsbu 581 439kPa 73727 796 81 9 Hp wd 14 0431kPa 4 78 730329 95 6 4 78 56993 576 6 22 B M B W yu a1439 875kP 78 4 730329 95 6 78 4 56993 576 6 22 B M B W yd 0 npp yuuuuu Pa1151 8997k8 01439 875 mpp uddydd 0 2 npppp yuuuuuuuxu 921 52kPa 2 mpppp uddyduddxd kPa043 4 11 22 1 nppn uuuyuu a2361 394kP1 22 1 mppm uddydd 0 2 uuuu pp 0 2 uddd pp 3 坝内应力计算 算法与正常蓄水位相同 算得如下表 ab Pa1b1c1a2b2 1439 87 18 187 378991151 9 21 770 0903921 52 11 75 x 坐 标 y x 1 2 1 19 61083 42759 817691 141672102 55 3 874 1 318 75 56 39 2726 959437 14460 761050 81136 91 3 284 1 275 73 1 58 8370 501183 867230 38497 204103 68 2 624 1 207 69 18 第三章溢流坝段设计 3 1 孔口设计 1 泄水方式的选择 为使水库有较好的超泄能力 采用开敞式孔口 2 洪水标准的确定 本次设计的重力坝是二级建筑物 根据规范查山区 丘陵区水利工程建筑物 第 16 页 共 20 页 16 洪水标准 采用 500 年一遇的洪水标准设计 1000 年一遇的洪水校核 3 流量的确定 设计情况下 溢流坝的下泄流量为 4593 129 4 0 85 4483 01m3 s 校核情况 下 溢流坝的下泄流量为 6654 129 4 0 85 6544 01m3 s 4 单宽流量的选择 坝址处基岩比较坚硬完整 综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求 单宽流 量取 50 100 m3 s 5 孔口净宽的拟定 分别计算设计和校核情况下溢洪道所需孔口宽度 计算成果如下 表表 4 4 1 1 孔口净宽计算孔口净宽计算 计算情况 流量 Q m3 s 单宽流量 q m3 s 孔口净宽 B m 设计情况4483 0150 10089 7 44 8 校核情况6544 0150 100131 65 4 根据以上计算 溢流坝孔口净宽取 45m 假设每一宽度为 15m 则孔数为 3 6 溢流坝段总长度 溢流孔口的总宽度 的确定 根据工程经验拟订闸墩的厚度为 中墩 3m 边墩 3m 则溢流坝段的总长度 L0为 mdnnbL513 13 153 1 0 7 堰顶高程的确定 初拟侧收缩系数 0 95 流量系数 0 502 因为过堰水流为自由 m 出流 故 1 由堰流公式 计算堰上水头 计算水位分别减去 s 23 2 o HgmbnQ o H 相应的堰上水头 即为堰顶高程 计算结果见下表 o H 计算情况 流量 m3 s 侧收缩数 流量 系数 m 孔口净 宽 m 堰上水 头 m 堰顶高 程 m 设计情况 4483 010 950 5024513 05 823 36 校核情况 6544 010 950 50245 16 8824 88 所以 堰顶高程取823 36m 8 闸门高度的确定计算如下 门高正常蓄水位 堰顶高程 0 1 0 2 取 12 m74 111 036 823835 m 第 17 页 共 20 页 17 9 定型设计水头的确定 d H 堰上最大水头校核洪水位 堰顶高程 max H m32 1836 82368 841 所以 定型设计水头 13 74 17 4m 取 15 m d H 75 95 max H d H 82 0 32 18 15 max HHd 3 2 溢流坝的剖面设计 1 顶部曲线段 坝体上游为铅直 WES 曲线上游区段曲线采用 85 1 625 0 81 0 413 0 ddd H x H x H y mHx d 625 2 15175 0 175 0 mHx d 14 4 15276 0 276 0 mHx d 23 4 15282 0 282 0 mHR d 5 7155 05 0 1 mHR d 3152 02 0 1 mHR d 6 01504 0 04 0 1 下游区段曲线采用 即yHx d 85 0 85 1 0 2 85 0 85 1 0 2 d H x y x12345678910 y0 050 180 3820 650 9831 3771 8312 3442 9153 542 2 挑流鼻坎 挑流鼻坎有连续式鼻坎和差动式 本设计采用连续式 按规范规定 鼻坎挑射角 根据工程经验 挑射角一般取 对于深水河槽 之之间 35 15 之间 25 20 15 20 间 取 鼻坝坝顶高程高出下游最高水位 1 2m 所以鼻坎高程为 796 27 2 798 27m 反弧半 25 径 R 4 10 h h 为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深 常近似取鼻坎上水深 3 中间直线段 中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切 坡度与非溢流坝段