毕业设计说明书-三峡重力坝设计.doc

三峡重力坝设计 1 目目 录录 目录目录 1 绪绪 论论 5 第一章第一章 基本基本资资料料及分析及分析 6 1 1 基本资料 6 1 1 1 工程概况 6 1 1 2 坝址自然条件 7 1 1 3 工程规模 8 1 1 4 工程效益 8 1 1 5 设计任务 10 1 1 6 基本要求 10 1 2 坝址坝型的选择 11 1 2 1 坝址选择 11 1 2 2 坝型选择 11 1 3 枢纽布置 11 1 3 1 枢纽布置 11 1 3 2 大坝结构布置 12 第第 2 2 章章 非溢流非溢流重重力力坝坝的的剖面设计剖面设计 13 2 1 坝体基本剖面设计 13 2 1 1 坝顶高程 H 的确定 14 2 2 非溢流坝段坡率M的确定 15 2 2 1 抗滑稳定计算 16 2 2 2 抗倾稳定计算 17 第第 3 3 章章 挡水坝段挡水坝段抗抗滑滑稳稳定定和和应应力分析力分析 18 3 1 概述 18 3 1 1 计算单元 18 3 1 2 计算工况 18 3 1 3 计算公式 19 3 1 4 控制标准 19 3 2 稳定和应力计算 20 3 2 1 坝顶宽度 b 的确定 20 3 2 2 荷载计算 20 3 2 3 荷载简化 26 三峡重力坝设计 2 3 3 抗滑稳定和应力校核 27 3 3 1 抗滑稳定校核 27 3 3 2 应力校核 28 第第 4 4 章章 溢流坝溢流坝段段表表孔孔设设计计 31 4 1 确定溢流断面长度 31 4 1 1 设计单宽流量 31 4 1 2 堰顶总水头的确定 32 4 2 溢流面曲线设计 33 4 2 1 定型设计水头的确定 33 4 2 2 堰面曲线的设计 34 4 3 导墙设计 40 4 3 1 不掺气水面线的确定 40 4 3 2 掺气水面线的确定 42 4 3 3 导墙的确定 42 第第 5 5 章章 深深孔孔设设计计 43 5 1 体形设计 43 5 1 1 底板进口高程和断面尺寸的确定 43 5 1 2 进水口体形设计 44 5 1 3 无压明流段 45 5 1 4 中部直线段 46 5 1 5 反弧段设计 47 5 1 6 计算最大冲坑深度 49 k t 5 2 泄流断面尺寸设计 49 5 2 1 抛物线段进口水深 50 5 2 2 下接直线段水深 50 5 2 3 明流断面形状确定 51 5 2 4 明渠段出口顶高程 51 第第 6 6 章章 底孔底孔设设计计 52 6 1 底孔轮廓的设计 52 6 1 1 进水口孔底高程与进口段体型 52 6 1 2 事故门槽的孔口高度及体形设计 53 6 1 3 有压泄水孔孔身及出口体形 53 6 1 4 明流泄槽体型 54 6 1 5 平压管和通气孔 55 三峡重力坝设计 3 6 1 6 导流底孔闸门的布置 55 第第 7 7 章章 水力计算水力计算 55 7 1 表孔泄流能力计算 55 7 1 1 侧向收缩系数 的确定 56 7 1 2 泄流量计算 56 7 2 深孔泄流能力计算 57 7 2 1 校核洪水位情况下泄流段的泄流能力 明渠 57 7 2 2 短有压段的泄流能力 57 第第 8 8 章章 细部细部构构造造 58 8 1 材料及坝顶构造 58 8 1 1 坝体材料 58 8 1 2 坝体分区 59 8 1 3 坝顶构造 60 8 2 坝体分缝与止水 60 8 2 1 横缝 60 8 2 2 横缝止水 61 8 2 3 纵缝 61 8 2 4 水平施工缝 61 8 3 廊道及排水系统 62 8 3 1 廊道系统 62 8 3 2 排水系统 62 第第 9 9 章章 地基地基处处理理 63 9 1 坝基的开挖与清理 63 9 1 1 坝基的加固处理 63 9 1 2 基岩固结灌浆 63 9 2 深层稳定处理 64 9 3 防渗处理 65 9 3 1 坝基渗流控制方案 65 9 3 2 防渗帷幕 65 结结 语语 66 谢谢 辞辞 67 参考文参考文献献和和附录附录 68 附录 68 1 公式说明 68 三峡重力坝设计 4 2 有关参数的选择 69 三峡重力坝设计 5 绪绪 论论 毕业设计是工科大学生在校期间最后一个全面性 总结性 实践性教学细节 它 既是学生运用所学知识技能解决某一工程具体问题的一项尝试 也是学生走向工作岗 位前的一次 实践演习 其主要目的和作用可以概括如下 1 巩固 联系 充实 加深 扩大所学基本理论和专业知识 并使之系统化 2 培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力和创新精神 提倡创新精神和 科学态度相结合 鼓励大胆提出新的设计方案和技术措施 3 培养学生初步掌握工程设计工作的流程方法 在设计 计算 绘图 编写设计 文件等方面得到较全面的锻炼和提高 特别是在使用计算机提高设计效率和质量方面 的训练 4 培养学生形成正确的设计思想 树立严肃认真 实事求是和刻苦钻研的工作作 风 为了使我们的专业素质有更好的提高 我们进行了本次毕业设计 长江三峡水利枢纽是举世瞩目的也是我国最大的水利水电工程 通过这次设计我 们对三峡水利枢纽有了进一步了解 它是多目标开发长江的综合利用骨干工程 在世 界上已建和在建水利枢纽中与葛洲坝工程同属坝址年径流量最大的水利枢纽 它已取 得了防洪 发电 航运 水产 灌溉 旅游 环境保护等十大效益 三峡工程的论证经过近 50 年的时间 由坝址选择 坝型设计到具体施工 以至落 成耗尽了无数水电专家的心血 但它的建成有很大的效益 三峡工程在长江开发利用 中的关键作用主要有以下 4 点 防洪 发电 航运 南水北调及其它 1 三峡工程是长江中下游防洪体系中一项关键工程 目前荆江河段安全泄量 60000 68000sm 3 汉口 70000sm 3 湖口 75000 80000sm 3 三峡工程防洪库容 221 5 亿立方米 汛期水位 145 米 百年一遇 83700 经三峡水 库调节可使荆江不超过 60000 荆江大堤标准从十年一遇提高到百年一遇 保证水位在 44 5 米以下 百年一遇至千年一遇洪水 98800 经三峡水库调节和分蓄洪区运用可使荆 江大堤安全 沙市水位在 45 米以下 2 三峡电站装机 1820 万 KW 年均发电量 847 亿 KW h 是中国电源与电力生产 基地 对华中地区能源和电力平衡及全国联网有举足轻重的作用 3 三峡工程从根本上改善了川江航道条件 渠化川江 660 千米 万吨船队直至 重庆 连同东部重要廉价交通渠道 加快了大西南的开发 有利于加强华东 华中和 西南三大经济区的联系 促进长江及经济带的发展 三峡重力坝设计 6 4 南水北调及其它效益 南水北调中线方案从汉江丹江口水库引水 向淮海平原西部和北京 天津供水 多年平均调水量约 150 亿立方米 远景规划修汉江运河从三峡水库供水 年引水量增 值 230 亿立方米 同时水库发展旅游业 还提供灌溉养殖 对发展库区经济效益显著 三峡水库蓄水后 据旅游部门透露 三峡水库中可新辟旅游景点 70 多个 可吸引 大批海内外游人 进一步发展旅游业 此外 三峡水库还可以提供灌溉 水库养殖等条件 对发展库区经济效益显著 三峡水利枢纽是举世瞩目的我国最大的水利水电工程 包括主坝即三峡砼重力坝 副坝即茅坪溪土石坝 左岸永久船闸部分集右岸地下发电厂房部分 我们的设计任务 是主坝即三峡混凝土重力坝 本课题的设计 使我们收到工程技术和科学技术的基本训练以及工程技术人员所 需的综合训练 提高了我们调查研究 理论分析 计算 绘图等各方面的能力 特别 是综合运用所学基本理论分析 解决工程实际问题的能力 研究范围即要达到的技术要求如下 根据地形地质条件和枢纽建筑物的作用进行坝线 坝型的选择论证 枢纽布置方 案比较 通过初步分析和计算 初步选定枢纽布置方案 并绘制枢纽平面布置及上游 立视图 进行非溢流坝面设计 内容包括 拟定挡水坝剖面 进行稳定 应力计算 并绘 制设计图 进行溢流坝的剖面设计 内容包括 溢流坝面曲线 体型设计 泄洪深孔 导流 底孔 进行计算 稳定分析 应力计算并绘制设计图 进行细部构造设计和地基处理设计 包括 标号分区 坝体分缝止水廊道 排水 等设计 以及地基开挖 清理 防渗帷幕 固结灌浆 断层破碎带处理等 并绘制有 关设计图 第一章第一章 基本资料及分析基本资料及分析 1 1 基本资料基本资料 1 1 1 工程概况工程概况 长江是中国最大的河流 它发源于青藏高原 干流全长 6300km 总落差 5500m 流域集水面积 180 万 km 年平均入海量约 9600 余亿 m 干支流水能理论蕴藏量 23 2 08 亿 kw 但目前仅开发约 3 从干流长度和入海水量论 长江均居世界第三位 三峡水利枢纽工程位于长江三峡西陵峡中段的湖北省宜昌市三斗坪 下距葛洲坝 三峡重力坝设计 7 水利枢纽 38 千米 坝址控制流域面积 100 万平方千米 多年平径流量 4510 亿立方米 多年平均年输沙量 5 3 亿吨 设计正常蓄水位 175 0 米 水库库容 393 亿立方米 防洪 库容 221 5 亿立方米 电站总装机容量 1820 亿千瓦 多年平均年发电量 84 亿 KW h 三峡水利枢纽具有防洪 发电 航运 水产灌溉 旅游 环境保护等综合效益的多目 标开发工程 1 1 2 坝址自然条件坝址自然条件 1 地形条件 坝址河谷宽阔 各底宽约 1100 米 河谷右侧有中堡岛顺江分布 岛顶面高程 70 78 米 按高程 65 米计算 中堡岛长 570 米 宽 90 160 米 2 水文特性 坝址至宜昌间没有大的支流汇入 宜昌流量资料可作为坝址的代表 长江宜昌站 多年平均流量 14300 立方米 秒 多年平均径流量 4510 亿立方米 宜昌以上干支流主要 测站汛水量占年水量 70 75 根据抽调洪水推算 1153 年以来的坝址历史最大洪 峰流量为 105000 立方米 秒 按 1877 年以来实测水位坝址最大洪峰流量 71100 立方米 秒 坝址各种频率的设计流量如表 1 表 1 坝址各种频率的设计流量 洪水频率洪峰流量 3 sm 20 年一遇72300 100 年一遇83700 200 年一遇88400 1000 年一遇98800 10000 年一遇124000 宜昌多年平均最小流量为 3560 立方米 秒 以 1937 年 2770 立方米 秒为最小值 葛洲坝水利枢纽建成后 三峡坝址洪枯水位变幅减小 枯水位由 41 米左右提高至 62 66 米 洪水位约由 73 米提高到 76 米 相应流量为 68000 立方米 枯洪水位分别 提高 21 米及 3 米 长江干流悬移泥沙的多年平均输沙量 寸滩站为 4 62 亿吨 宜昌站为 5 26 亿吨 相当多年平均含沙量分别为 1 32 千克 立方米和 1 2 千克 立方米 输沙量集中于汛期 5 10 月的输沙量一般占全年的 80 90 以上 长江泥沙中推移质数量相对较小 推 移质泥沙多年平均输沙量 宜昌站 704 万吨 为悬沙量的 1 33 5 10 月输移量占全 年的 96 7 卵石推移质多年平均输沙量 宜昌站为 75 7 万吨 3 气候特征 长江流域气候温暖 雨量丰沛 多年平均降雨量 1100 毫米 雨季 4 10 月 占全 三峡重力坝设计 8 年降水量的 85 由于幅员辽阔 地形变化大 因此有多种多样的气候类型 也经常发生洪 涝 旱 冰雹 滑坡 泥石流等自然灾害 长江中下游四季分明 冬冷夏热 多年平均气温 16 18 夏季最高超过 40 冬季 4 四川盆地气候较温和 冬季比中下游高 5 昆明周围四季如春 江源地区 属典型的高寒气候 年平均气温 4 4 四季如冬 干燥 低气压 日照长和冰雹大风 长江流域夏季和夏季前后 盛行分别采用太平洋和印度洋携带着大量水汽的东南 季风和西南季风 在季风进退和与冷暖气流交锋过程中 形成降水 西高 喜马拉雅山珠穆朗玛峰最高 8848 米 无台风灾害 东低 台风长驱直入形成灾害 1 1 3 工程规模工程规模 三峡水利枢纽建筑物由大坝 电站厂房 船闸及升船机组成 大坝为混凝土重力 坝 轴线全长 2309 47 米 坝顶高程 185 米 最大坝高 181 米 电站厂房采坝后式 分 设左岸及右岸厂房 分别安装 14 台及 12 台水轮机组 单机容量 70 万千瓦 总装机容 量 1820 兆瓦 右岸预留后期扩机 6 台机组 单机容量 70 万千瓦 地下厂房布置 永 久船闸为双线五级连续船闸 位于左岸坛子岭左侧 单级闸室有效尺寸为 280 米 34 米 5 米 长 宽 坎上水深 可通过万吨级船队 升船机为单线一级垂直提升式 承船有效尺寸为 120 米 18 米 3 5 米 长 宽 水深 一次可通过一艘 3000 吨级客 货轮或 1500 吨级船队 工程施工期间 在升船机右侧设单线一级临时船闸 闸室有效 尺寸为 240 米 24 米 4 米 长 宽 坎上水深 后期改建冲沙闸 大坝设计正常蓄水位 175 米 总库容 393 平方千米 防洪库容 221 5 亿立方米 三 峡水库淹没面积 632 平方千米 涉及重庆市 湖北省 22 个县 市 区 淹没县城 13 座 集镇 114 座 受淹人口 84 41 万人 其中城镇人口占 57 淹没耕 园 地 41 0 万亩 考虑三峡建设期内的人口增长和城镇迁建引的二次搬迁等因素 最终需要安置 的移民总数达 113 万人 三峡工程主体建筑物 含导航工程 的主要工程量为 土地石方开挖 10283 万立 方米 土石方填筑 3198 万立方米 混凝土浇注量 2794 万立方米 钢筋 25 65 万吨三峡 工程施工采用三期导流 明渠通航方案 设计总工期 17 年 春中施工准备一期工程施 工 5 年 二期工程施工 6 年 三峡工程施工 6 年 三峡工程于 1993 年 1 月开始大江截 流 计划 2003 年第一批机组发电 永久船闸通航 2009 年建成 三峡重力坝设计 9 1 1 4 工程效益工程效益 1 防洪效益 三峡水库防洪库容 221 5 亿立方米 防洪效益十分显著 三峡工程可使荆江防洪工 程由 10 年一遇提高到 100 年一遇 即遇到 100 年及 100 年一遇以下的洪水时 经三峡 水库调蓄后 可控制枝城流量不超过 56700 立方米 秒 沙市水位不超过 44 5 米 可不 起用荆江分洪区遇到 100 年一遇以上洪水至 1000 年一遇的洪水 经三峡水库调节后 可以使枝城最大流量不超过 80000 立方米 秒 再配合荆江分洪区及其它分蓄洪区 可以使沙市水位不超过 45 0 米 避免荆江两岸决口 减少汛期分流进洞庭湖的水沙 不但可有效减轻洪水对洞庭湖的威胁 还可以延缓洞庭湖泥沙淤积的速度 延长洞庭 湖寿命 提高了对城陵矶以上洪水的洪水控制能力 配合丹江口水库和武汉附近分洪 区的运用 不但提高了武汉防洪调度的灵活性 还对武汉市防洪起到保障作用 据 1991 年调查资料综合分析 按 1992 年价格水平 三峡工程防洪多年平均经济 效益为每年 22 0 25 2 亿元 另据计算 若遇特大洪水时 直接防洪经济效益为 减 少农村淹没损失 510 亿元 减少中小城市和城镇淹没损失 240 亿元 减少江汗油田淹 没损失 19 亿元 以上 3 项合计为 769 亿元 除直接经济效益外 还可避免大堤决堤而 造成的人口大量伤亡 避免了洪水对武汉市的威胁 避免了京广 汉丹等铁路干线中 断而不能运行 避免了灾区的环境恶化 疾病盛行 传染病蔓延 避免了洪灾带来的 灾民安置等一系列社会问题 这些是很难用经济指标具体表示的 2 发电效益 三峡水电站装机容量 18200 兆瓦 保证出力 4990 兆瓦 平均发电量 846 8 亿千瓦 时 三峡电站地处我国中部 向华中 华东 及川东地区 供电距离都在 400 1000 千米经济输电范围以内 三峡电站的 500 千伏交流输电线路共有 15 回和二回 500 千伏 直流线路向华东送电 可以把华中 华东 西南电网联成跨区的大电力系统 还将促 进全国电网的形成 三峡电站正处于西电东输的中间环节 可起到电压支撑作用 为 大规模西电东输创造有利条件 三峡电站日平均下泄流量可达 5800 立方米 秒左右 使得下游的葛洲坝电站枯水时 的来水流量增加近一倍 保证出力可提高到 1048 1198 兆瓦 发电量有所增加 三峡 电站具有挑峰作用 也对葛洲坝电站起到相应的调峰作用 改善了葛洲坝电站供电质 量 三峡电站建成后 年发电量 846 8 亿千瓦时 按电价 0 3 元 千瓦时计 每年毛收入 即达 254 亿元 三峡电站具有巨大的环境效益 所发电可代替燃煤 4000 5000 万吨 每年可少排放近 1 亿吨的二氧化碳 200 万吨二氧化硫 1 万吨一氧化碳 数十万吨氮 氧化合物 以及大量灰尘 废渣 将减轻环境污染和有害气体排放引起的酸雨的危害 三峡重力坝设计 10 3 航运效益 三峡水库为实现万吨级船队重庆至武汉直达运输创造了条件 有利于促进西南地 区经济发展和对外关系 目前 川江碍航滩险处 航道水流条件差 只能通航 3000 吨 级船队 三峡工程建成后 滩险淹没 航深和航宽增加 水流条件根本改善 每年约 有 50 的时间可行驶万吨级船队 使川江的通航能力由目前的 1000 万吨左右提高到每 年 5000 万吨以上 由于船队规模加大 船舶单位马上拖载能力增加 单位能耗降低 周转速度提高 从而可大幅度减少运输成本费用 经测算 三峡库区航运成本可比目 前的航运成本减少 35 37 三峡工程建成有利于发挥长江航运的潜力 有利于我国经济由沿海向内地 由东 向西逐步发展的宏伟战略的实施 4 南水北调效益 南水北调中方案从汉江丹江口水库引水 向黄淮海平原西部和北京 天津供水 多年平均调水量约 150 亿立方米 远景规划修江汉运河从三峡水库引水 年引水量可 增至 230 亿立方米 三峡水库蓄水后 据旅游部门透露 三峡水库中可新辟旅游景点 70 多个 可吸引 大批海内外游人 进一步发展旅游业 此外 三峡水库还可以提供灌溉 水库养殖等条件 对发展库区经济效益显著 1 1 5 设计任务设计任务 1 本次设计对枢纽工程的采用方案 实体混凝土重力坝进行初步设计 2 根据地形 地址条件和枢纽建筑物的作用进行坝线 坝型选择论证 枢纽布置 方案比较 通过初步分析和计算 选择枢纽布置方案 并绘制平面布置及上游立视图 3 进行非溢流坝的剖面设计 内容包括 拟定挡水坝剖面 进行稳定 应力分析 并绘制设计图 4 进行溢流坝的剖面设计 内容包括 溢流坝面曲线 泄洪深孔 导流底孔形体 设计 进行水利计算 稳定分析 应力分析 并绘制设计图 5 进行细部构造设计和地基处理设计 包括 标号分区 坝体分缝 止水 廊道 排水等设计 以及地基开挖 清理 防渗帷幕 固结灌浆 断层破碎带处理等 并绘 制有关设计图 1 1 6 基本要求基本要求 1 设计者必须发挥独立思考能力 创造性的完成任务 在设计中应遵循技术规范 尽量采用国内外的先进技术与经验 三峡重力坝设计 11 2 设计者对待设计 计算 绘画等工作 应严肃认真 一丝不苟的工作作风 以 使设计成果达到较高水平 并从中得到锻炼 3 设计者必须充分重视和熟悉原始材料 明确设计任务 在规定的时间内圆满完 成要求的设计内容 4 成果包括 设计说明书 计算书各一份 图纸 4 5 张 1 2坝址坝型的选择坝址坝型的选择 1 2 1 坝址选择坝址选择 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 址应选在地质构造简单 无大的地质构造的地方 长江枢纽提供的地形图在宜昌三斗 坪地段 河面开阔适于枢纽布置 江中有中堡岛 便于施工组织的安排 河床基岩为 震旦纪闪云斜长花岗岩 中间含多种岩脉 岩脉多与围岩紧密结合 基岩较为均一完 整 力学强度高 无大的地质缺陷 基岩透水性微弱 因此此地为坝址的最佳选择 1 2 2 坝型选择坝型选择 根据坝址自然条件及枢纽泄洪量大 电站机组尺寸大特点 坝型可主要对混凝土 重力坝和宽缝重力坝坝型进行研究比较 为便于在内布置大孔口 减少坝体结构的复 杂性 简化施工条件 在两种坝型对比结果中推荐采用混凝土重力坝 1 3 枢纽布置枢纽布置 1 3 1 枢纽布置枢纽布置 三峡水利枢纽主要由大坝 挡水 泄水建筑物 电站和通航建筑物组成 1 挡水及泄水建筑物 挡河大坝为混凝土重力坝 坝顶高程 185 米 最大坝高 181 米 大坝轴线总长度 为 2309 47 米 从右岸非溢流坝段至升船机左侧非溢流坝段 轴线方向 NE43 5 泄水建筑物为大坝段 布置在河床中部 泄水设施为深孔表孔 2 电站建筑物 电站厂房为坝后式 布置在泄水坝段两侧的厂房坝段下游 左右厂房分别装 14 台 和 12 台 70 万千瓦水轮发电机组 左岸厂房总长度 643 7 米 右岸厂房总长度为 584 2 米 电站进水口布置在大坝上游侧 采用单机单管引水 进水口高程 108 米 引水管 道内径 12 4 米 三峡重力坝设计 12 电站尾水渠高程 29 2 米至 50 米 渠工 110 米 左岸电站尾水渠宽 580 米 310 米 右岸尾水渠宽 556 米 310 米 3 通航建筑物 通航建筑物包括永久船闸和升船机 均布置在左岸 永久船闸位于临江最高峰坛 子岭左侧 为双线连续五级船闸 船闸轴线与大坝轴线延长线的交角为 67 25 20 闸室有效尺寸 280 米 34 米 5 米 长 宽 坎上水深 船闸主体段长度 1607 米 上游引航道长 2113 米 其在临时船闸坝段右侧布置长 2720 米的隔流堤 下游引航道 长 27722 米 右侧布置有与升船机共用的隔流堤长 3550 米 升船机位于永久船闸右侧 靠近左岸电站厂房 即永久船闸约 1000 米 升船机轴 线与大坝轴线交角为 80 主体段 包括上 下闸首 塔柱及柱顶机房 长 243 5 米 上游引航道与永久船闸共用 下闸首至下游引航道口门长 4500 米 其中距下游口段长 约 1800 米与永久船闸航道共用 1 3 2 大坝结构布置大坝结构布置 三峡大坝规模宏大 坝轴线总长 2309 米 主要坝段为厂房坝段和泄洪坝段 二 者合约 1700 米 两岸布置非溢流坝段 合计长约 500 米 坝高在 80 米以下 泄洪 坝段应布置在河床中部以利于宣泄洪水 其两侧分别布置左 右厂房坝段 厂房坝段 长度 升船机和船闸 1 泄洪坝段的布置 a 泄洪坝段 前缘长 483 米 可分为 23 个坝段 每坝段长 21 米 b 为满足泄洪 排沙 施工导流等要求 泄洪坝段布置 3 层泄洪空口 下部布置 22 个导流底孔 进水口高程 1 3 20 22 高程为 57 0 米 4 19 高程为 56 0 米 均为跨缝布置 孔口尺寸为 6 米 8 米 为长有压管形式 弧型工作闸门设在 底孔出口处 出水口尺寸为 6 米 7 5 米 进水口部位设事故闸门 进水口紧贴坝面处 还设有反钩检修闸门并用于底孔封孔 中部布置 23 个泄洪深孔 进水口高程 90 米 出水口高程为 79 米 为有压短管形 式 泄洪坝面顶部布置 22 个表孔 堰顶高程 158 米 跨缝布置 上述三层孔中 深孔与表孔为永久泄洪设施 底孔为用于三期截流 导流 泄洪 的临时孔 泄洪 导流时均采用挑流消能 c 左导墙坝段位于泄洪坝段左侧 长 32 米 该坝段布置一个泄洪排漂孔 孔口 尺寸为 10 米 12 米 进口底高 133 米 为有压短管形式 坝段下游接左导墙 用于分 隔泄洪区与左厂房尾水区 导墙顶部设泄洪排漂孔的泄水槽 用于分隔泄洪区与右厂 房尾水区 纵向围堰分为两个坝段 右纵 1 号坝段布置泄洪排漂孔 长 32 米 上游接 混凝土纵向围堰 泄洪排漂孔布置与形式与左导墙坝段基本相同 唯排漂孔出口直接 三峡重力坝设计 13 采取挑流消能 右纵 2 号坝段为实体非溢流坝段 长 36 米 后接下游纵向围堰 2 厂房坝段布置 左厂房坝段长 581 5 米 分 14 个坝段 每个坝段长 38 3 米 每个厂房又分为 2 个 坝段 钢管坝段 长 25 米 实体坝段 长 13 3 米 其中 14 坝段的实体坝段长 20 3 米 在左厂 6 7 坝段间布置安全坝段 长 38 3 米 并平分为 2 个坝段 各布置一个排沙 孔 进口底高程为 90 米 3 右厂房坝段布置 右厂房坝段总长 525 米 分为 12 个坝段 右厂房左端辅助安装场对应的坝段布置 1 个排沙孔 在 20 21 坝段间布置右安全坝段 该坝段布置 2 个排沙孔 其余同左 厂房坝段 厂房 26 坝段的实体坝段布置 1 个排沙孔 右岸 右厂房右端毗邻 26 坝段 布置 1 个排沙孔 长 27 1 米 电站引水钢管直径为 12 4 米 布置于各钢管坝段 进水口底高程为 108 米 压力 管道以下倾 3 5 角斜穿坝体后 在下游坝段采取浅预留槽背型式布置 上弯段与下弯 段的压力管道采用钢筋混凝土联合受力结构形式 4 左岸非溢流坝段布置 左岸非溢流坝段 7 8 9 坝段处布置临时船闸及升船机 每坝段长 20 米 坝体 上游面铅直 下游坝坡 1 0 7 在左岸 7 9 坝段间布置升船机上闸首 前缘长 62 米 和临时船闸坝段 二者之 间以左非 8 坝段相接 临时船闸坝段总长 62 米 分为 3 个坝段 两侧实体坝段各长 19 米 与临时船闸同时施工 中间为通航道 宽 24 米 待临时船闸停止后修建此坝段 临时船闸坝段布置有 2 个冲沙孔 孔口尺寸为 6 米 8 米 孔底高程 105 米 为短有压 孔形式 升船机 上闸首 坝段 前缘长 62 米 分为 3 个坝段 中间为航槽坝段 长 18 米 两侧墙坝段各长 22 米 第第 2 2 章章 非溢流重力坝的剖面设计非溢流重力坝的剖面设计 重力坝剖面设计原则是 满足稳定和强度要求 保证大坝安全运用 工程量 小 运用方便 外形简单 便于施工 为简化分析 通常剖面设计分两步进行 先按重力坝承受的主要荷载和基本原则确定一理论剖面称基本剖面 然后再根据全部 荷载及设计原则对基本剖面进行修改 调整 从而得到工程中采用的使用剖面 影响坝体剖面的因素很多 如荷载 地形 地质 运用要求 筑坝材料 施工条 件等 设计时应综合考虑上述因素进行方案比较 从中选出最大设计方案 具体设计 如下 三峡重力坝设计 14 2 1 坝体基本剖面设计坝体基本剖面设计 重力坝基本剖面是指坝体在自重 上游水压力和扬压力三项主要荷载作用下 满 足强度和稳定条件且工程量最小的剖面 它应该是一个三角形剖面 其顶点与水库最 高水位齐平 该剖面应满足 满库时 上游坝踵不出现拉应力 对于完整 坚硬的岩 基 f c 值较大时 它往往是运用期的应力控制条件 空库时 不致在下游坝址处产 生拉应力 因三角形剖面的中心偏向上游 这一点常是施工竣工期应力控制条件 当 基岩完整性较差 较软弱 f c 值较小时 应能保证坝体有足够的稳定性 2 1 1 坝顶高程坝顶高程 H 的确定的确定 考虑到交通 施工和运行管理 防止波浪漫溢坝顶 以及其他荷载作用等因素 重力坝采用的剖面 坝顶应有足够的宽度 坝顶高程在静水位以上还应有一定的超高 重力坝坝顶高程 H 的总的计算公式为 2 HHh 静 1 式中 选定工况下水库静水位的高度 m H静 坝顶或防浪墙顶高出水库静水位的高度 m 其中 h 2 0c hhhh 2 式中 波高 m h 波浪中心线至静水位的高度 m 0 h 安全超高 m 按 水工建筑物 教材表 1 11 选用 c h 1 波高 h 及波长 L 本设计选用官厅水库公式 5 41 3 0 0166hVD 0 8 10 4Lh 式中 V 计算风速 正常蓄水位工况下取 校核洪水位时取 由资料2V多V多 知 9 6Vm s 多 D 水库吹程 取 D 25 所以 设计洪水位时 mh95 1 256 920166 0 3 1 4 5 设 三峡重力坝设计 15 m74 1795 1 4 10 8 0 设 L 校核洪水位时 m82 0 256 90166 0 3 14 5 校 h mL87 8 82 0 4 10 8 0 校 波浪中心线至静水位的高度 0 h 2 0 h h L 设计洪水位时 m67 0 74 17 95 1 14 3 2 2 0 设 设 设 l h h 校核洪水位时 m24 0 87 8 82 0 14 3 2 2 0 设 校 校 l h h 安全超高hc 由 水工建筑物 表 1 11 查得 设计洪水位时 校核洪水位时 h0 7 c m 设 h0 5 c m 校 综上所述 将上列系数代入式 2 2 设计洪水位时 m h 32 3 7 067 0 95 1 设 校核洪水位时 m h 56 1 5 024 0 82 0 核 所以 正常蓄水位工况下坝顶高程为 mhhH32 17832 3 175 设设 校核洪水位工况下坝顶高程为 mhhH96 18156 1 4 180 校校 所以取坝顶高程为 185m 2 2非溢流坝段坡率非溢流坝段坡率 m 的确定的确定 工程中常用的坝体剖面形式 有如图所示几种 三峡重力坝设计 16 上游面铅直 即 n 0 适用于混凝土与基岩接触面间的 f c 值较大或坝内布置 有泄水孔或引水管道的情况 铅直的上游面便于布置其进水口控制闸门和拦污设备 但因重心偏于上游 库空或低水位时 下游坝面易产生拉应力 上游面上部铅直 下部倾斜 即折坡面形式 既便于布置坝内泄水孔 管进口控制设备 又可利用一部 分水重增加坝体稳定 是工程中常采用的一种形式 上游起坡点高度一般设在 1 3 2 3 倍坝高附近 但须对折坡处截面进行强度与稳定校核 上游面略向上游 倾斜 起坡点设于基本剖面三角形顶点 可更多地利用水重增加坝体稳定 但不利于 布置泄水孔 管口设备 适用于混凝土与基岩间 f c 值较低的情况 综合三峡地质条件及各方面考虑本设计挡水坝段上游坡率为 0 即 n 0 只需进行 下游坡率的计算 2 2 1 抗滑稳定计算抗滑稳定计算 本设计取单位坝段为计算单元 砼容重为 水容重为 如 3 5 24mKN 3 9 8 KN m 图 2 1 所示 1 T T U P H 3 W1 W2 1 n H H 1 m o 2 1 T 三峡重力坝设计 17 图 2 1 非溢流坝段所受荷载 1 抗剪强度公式 2 P UWf K 3 式中 坝基面以上的总铅直力 KN W 坝基面以上的总水平力 KN P 作用在坝底面上的扬压力 KN U 接触面间的摩擦系数 混凝土与基岩的 f 值在 0 5 0 8 之间 本设f 计取 8 0 f 2 抗剪断强度公式 2 fWUc A K P 4 式中 f c 坝体混凝土与坝基接触面处的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力 取 f 1 1 c 1 3MPa 2 2 2 抗倾稳定计算抗倾稳定计算 采用偏心受压公式 2 2 0 2 0 6 6 T M T W T M T W yd yu 5 式中 作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和 KN W 作用在计算截面以上全部荷载对截面形心 O 的力矩总和 0 M KN M 三峡重力坝设计 18 T 计算截面沿上下游方向的长度 因为该重力坝基本剖面应满足 满库时 上游坝踵不出现拉应力 对于完整 坚 硬的岩基 f c 值较大时 它往往是运用期的应力控制条件 空库时 不致在下游坝 趾处产生拉应力 因三角形剖面的重心偏向上游 这一点常是施工竣工应力控制条件 当基岩完整性较差 较软弱 f c 值较小时 应能保证坝体有足够的稳定性 于是基 本剖面应满足的强度和稳定的控制条件为 满库时 0 yu 空库时 0 yd 挡水期 kk 将荷载向基本剖面的基底形心简化求得后 应用公式 2 3 式 0 PWM 2 5 可依次得到满足上述要求的坝底宽度 T 或边缘应力如下 满库时 21 h H T 挡水期 h f HK T 空库时 坝基上下游边缘的铅直正应力为 H H hyd hyu 1 由上述可知当 时即可满足条件 此时 00 H hyd 故 h H T h f HK T 本设计中 大坝级别为 I 级坝 按特殊荷载组合 I 情况作为控制标准 因而根 据 水工建筑物 表 2 8 选用 K 1 05 由 得 7 0 5 0 8 9 5 24 11 hH T m 由 得 66 0 5 0 8 9 5 24 8 0 05 1 h f K H T m 综上所述 非溢流坝段的坡率取为 0 7 三峡重力坝设计 19 第第 3 3 章章 挡水坝段抗滑稳定和应力分析挡水坝段抗滑稳定和应力分析 3 1 概述概述 根据坝基地质条件和坝体剖面形式 应对受力大 抗剪强度低最易产生滑动破坏的 截面作为计算截面 本设计取最大坝高处为计算截面 取单位长度进行校核验算 本设计采用材料力学方法 计算坝体稳定与应力 基本假定 1 坝体砼为均质 连续 各向同性的弹性体 2 将坝体视为固结于坝基上的悬臂梁 各项坝段独立工作 按平面问题考虑 3 不考虑坝基变形对坝体应力的影响 假定坝体水平面截面上的铅直正应力 按直线分布 由偏心受压公式求出 不计廊道 管孔等对坝体应力的影响 y 3 1 1 计算单元计算单元 本设计选择挡水坝段单位长度 即 1 米 作为校核验算单元 单元下底面高程为 90 米 故计算单元坝高为 95 米 底面宽度为 63 28 米 3 1 2 计算工况计算工况 1 正常蓄水位工况 水位高 175 米 2 校核洪水位工况 水位高 180 4 米 特殊组合 I 3 基本组合 7 度地震 特殊组合 II 3 1 3 计算公式计算公式 1 抗滑稳定校核 采用抗剪断强度公式 认为坝体砼与基岩之间是接触良好的 胶结面 3 fWUc A K P 1 式中 f c 坝体砼与坝基接触面处抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力 由设 计资料已知 f 1 1 c 1 3 a Mp 2 1300 KN m W 坝基面以上的总铅直力 U 作用在坝基面上的扬压力 A 计算单元的坝底面积 坝基面以上的总水平力P 2 应力校核 选用公式为 三峡重力坝设计 20 3 2 0 2 0 6 6 T M T W T M T W yd yu 2 式中 作用在计算截面以上的全部荷载在铅直方向的总和 KN W 作用在计算截面以上的全部荷载在水平方向的总和 KN 0 M T 计算截面沿上下游方向的长度 m 上下游边缘的正应力 yu yd 3 1 4 控制标准控制标准 1 抗滑稳定标准 对于抗剪断强度计算值应小于其容许值 规范 SDJ 78 规定 不分工程级 K 别 基本组合时采用 3 0 特殊组合 I 时采用 2 5 特殊组合 II 时采用 2 3 2 应力控制标准 正应力 坝基 在各种荷载组合下 地震荷载除外 坝基的最大铅直正应力应小于坝基允许 maxy 压应力 计入扬压力 最小铅直正应力应大于零 计入扬压力 miny 3 坝基面与坝体混凝土结合面抗剪断参数 a 常态混凝土 C20 基岩结合面抗剪断参数 f 1 1 c 1 3 MPa b 碾压混凝土与基岩结合面抗剪参数 f 1 0 c 1 0 MPa 3 2 稳定和应力计算稳定和应力计算 3 2 1 坝顶宽度坝顶宽度 b 的确定的确定 需要有一定的宽度一满足设备的布置 运行 交通及施工的需要 按工程经验非溢 流坝的坝顶取坝高的 8 10 且不小于 2 米 当有交通要求和坝顶布置移动式启闭机时 坝顶宽度应满足交通和布置启闭机轨道的宽度 由以上计算知最大坝高为 181m 挡水坝 段只考虑交通要求 取坝顶宽度为 b 16m 上游坝底高程取为 90m 3 2 2 荷载计算荷载计算 1 自重计算 如图 3 1 坝段自重计算 180 4 3 3 VW K 式中 砼容重 由设计资料已知取值为 1 0 7 K 3 24 5 KN m 三峡重力坝设计 21 V 坝体砼体积 W KNVW k 3724019018516 5 24 11 图 3 1 自重示意 KN VW k 47 39119 7 0 167 090 4 180 2 1 5 24 2 22 图 KNWWW47 7635947 3911937240 21 2 水压力计算 本设计只计算选取单元的静水压力 且只有水平水压力 如下图 P 图 3 2 非溢流坝段所受静水压力示意图 挡水坝段计算单元的坝底最低高程为 90 米 高于下游最高水位 83 0m 故可按下 游无水情况计算水压力 由水力学公式有 2 1 2 PH 式中 水容重 3 9 8KN m H 坝前水深 代入计算得 a 设计水位时 mH8590175 设 KNP5 35402858 9 2 1 2 设 b 校核水位时 m 4 9090 4 180 校 H 三峡重力坝设计 22 H H KNP58 40043 4 908 9 2 1 2 校 3 扬压力 U 的计算 考虑渗透的影响 当帷幕中心线与排水孔中心线重合时 可只计算排水孔上扬压 力 折减系数取为 0 3 24 5KN m2 12 992 H HHHTHU 7 2 1 77 2 1 a 设计水位时 U 12 992 9 8 85 10822 336KN b 校核水位时 U 12 992 9 8 90 4 11509 87KN 图 3 3 扬压力示意图 4 泥沙压力计算 水流入水库后流速减小 携沙能力降低 泥沙逐渐淤积在坝前 淤沙对坝面产生 的压力叫泥沙压力 分布如下图 三峡重力坝设计 23 图 3 4 非溢流坝段所受泥沙压力示意图 根据资料已知 选定挡水坝段坝前淤沙高程为 则泥沙深度为 120m 120 坝底高程 120 90 30m n h 由教材 水工建筑物 公式 2 3 有泥沙压力公式为 3 220 1 45 22 n nnn Ph tg 4 式中 泥沙容重 一般取 6 9KN m3 按最不利情况考虑取 n n r 3 9 n rKN m 泥沙内摩擦角 考虑到坝前淤沙时间较长 取 20 n n 代入计算得 KNpn68 1985 2 20 45tan309 2 1 22 5 浪压力计算 由第二章计算得 设计工况下 波高 波长 波浪中心线至静水位高mh95 1 设 mL74 17 设 mh67 0 0 设 校核工况下 mh82 0 校 mL87 8 校 mh24 0 0 校 浪压力分布图如下 三峡重力坝设计 24 图3 5 非溢流坝 段所受浪 压力示意 图 a 设 计工况 KNdhhP L 64 3318 995 1 67 0 2 1 2 1 22 01 KNLdhhP L 87 11374 1718 995 1 67 0 4 1 4 1 02 b 校核工况 KNP L 51 5 18 924 0 82 0 2 1 2 1 KNP L 04 2387 8 18 924 0 82 0 4 1 2 6 地震荷载计算 工程中地震荷载对建筑物的影响程度用地震荷载来表示 设计烈度在 7 度及其以 上时 应作抗震设计 在抗震计算中 一般采用拟静力法 本设计取用地震烈度为 7 度 运用拟静力法计算中 作用在选取单元上的力只计算地震惯性力和地震动水压力 A 地震惯性力 混凝土重力坝的水平向总地震惯性力 3 0HZ QK C FW 5 式中 水平地震系数 为最大水平加速度的统计平均值与重力加速度的 H K 比值 当设计烈度为 7 度时 0 1 8 度时 0 2 9 度时 0 4 本设计取 0 1 H K H K H K 综合影响系数 可取 0 25 Z C 地震惯性系数 按水工建筑物教材表 2 4 采用 取为 F 1 5 F 三峡重力坝设计 25 产生惯性力的建筑物总重量 76359 47KN W 计算得 0 1 0 25 1 5 76359 47 2863 48KN 0 Q 沿建筑物高度作用于质点 i 的水平地震惯性力 Pi 为 3 0 1 Q W W P n i ii ii i 6 式中 地震惯性力的分布系数 按水工建筑物教材表 2 4 采用 i 集中在质点 的重量 KN i Wi n 建筑物计算质点总数 如图所示 图 3 6 地震惯性力分布系数 将坝剖面分成五块 用内插法得 25 4 1 75 1 2 46 1 3 0 1 4 0 1 5 则 39567 5KN4 2524 523 7516 11 W 32585KN1 7524 547 516 22 W KNW94 2400646 1 5 247 046 2725 71 2 1 2 33 KNW84 48360 1 5 247 075 23 2 1 2 44 三峡重力坝设计 26 KNW38 271470 1 5 247 046 2725 711675 23 55 故KNW i ii 66 128143 5 1 KNP17 88448 2863 66 128143 5 39567 1 KNP14 72848 2863 66 128143 32585 2 KNP46 53648 2863 66 128143 94 24006 3 KNP08 10848 2863 66 128143 84 4836 4 KNP63 60648 2863 66 128143 38 27147 5 B 地震动水压力 地震时 坝体上下游的水体随之震动 形成作用在坝面上的激 荡力即地震动水压力 1 米长坝段上的总地震动水压力为 3 2 10 65 0 HCKP ZH 7 式中 同上 取 0 1 H K 同上 取 0 25 Z C 水的容重 坝前水深 m 1 H 其作用点位于水面以下 0 54处 H 取正常蓄水位工况下 mH8590175 1 KNP58 1150858 925 0 1 065 0 2 0 其作用点在水面线以下处 mH 9 4554 0 1 取校核洪水位工况下 mH 4 9090 4 180 1 KNP42 1301 4 908 925 0 1 065 0 2 0 其作用点在水面线以下mH816 4854 0 1 三峡重力坝设计 27 3 2 3 荷载简化荷载简化 荷载简化及力臂 力矩见 表 3 1 水平力 KN 垂直力 KN 力矩 KN m 序 序 号 荷载 力臂 m 逆顺 13724023 64880353 6 1 自 重 239119 470 124694 3364 2 设 计 35402 528 331002952 825 10 静水压力 校 核 40043 5830 131206513 065 3 设 计 10822 3 36 13 9150430 4704 11 扬压力 校 核 11509 8713 9159987 193 4 泥沙 压力 1985 681019856 8 33 6485 872888 668 5 设 计 113 8782 049341 8948 5 5190 75500 0325 12 浪压力 校 核 23 0488 922048 7168 1884 1783 12573496 6313 2728 1447 534586 65 3536 4638 3520573 241 14 地 震 荷 载 水 平 地 震 荷 载 4108 087 92855 99 三峡重力坝设计 28 5606 6311 8757203 7313 8 设 计 1150 5839 144987 678 13 地 震 动 水 压 力 校 核 1301 4241 58454118 2493 3 3 抗滑稳定和应力校核抗滑稳定和应力校核 3