香山水电工程碾压混凝土重力坝设计.docx

本科毕业设计计算书题 目 香山水电工程碾压混凝土重力坝设计 学 院 水 利 水 电 学 院 专 业 水 利 水 电 工 程 学生姓名 邓 子 谦 学 号 0843062161 年 级 2008级 指导教师 张 林 教授 二一二年六月八日四川大学本科毕业设计 香山水电工程碾压混凝土重力坝设计目 录1 水文水利计算11.1 水文计算11.1.1水文资料11.1.2工程等别及建筑物级别21.1.3洪水标准21.1.4洪水过程线的推求21.2 水利计算31.2.1调洪方案31.2.2调洪演算31.2.3调洪结果141.3 淤沙高程计算142 坝体剖面设计162.1坝顶高程计算162.2 剖面设计183 坝体稳定计算193.1 荷载及荷载组合193.1.1荷载193.1.2荷载组合193.2 沿坝基面稳定计算203.2.1稳定计算公式203.2.2稳定计算过程203.3.3稳定计算结果263.3 沿碾压层面稳定计算263.3.1大坝230.00m高程碾压层面稳定计算273.3.2大坝250.00m高程碾压层面稳定计算293.3.3大坝270.00m高程碾压层面稳定计算314 坝体应力计算334.1 计算截面选择334.2 计算工况选择334.3 应力计算过程334.4 计算结果分析425 溢流坝段设计445.1 溢流坝剖面设计445.2 水面线及导墙高度计算485.3 溢流坝沿坝基面稳定计算535.4 溢流坝段坝基面应力计算565.5 溢流坝下游消能防冲计算605.6 启闭设施计算626 厂房坝段设计636.1 厂房剖面尺寸设计636.2 厂房平面尺寸设计646.3 压力钢管设计656.4 进水口设计667 底孔坝段设计697.1 孔口高程和尺寸697.2 底孔体型设计697.3 底孔消能校核718 施工初步设计728.1横向围堰设计728.1.1导流建筑物的水力计算728.1.2下游围堰的堰顶高程及堰高738.1.3上游围堰的堰顶高程及堰高748.2 纵向围堰设计748.2.1纵向围堰的高度748.2.2纵向围堰的长度758.3 分段围堰法后期底孔和缺口的水力计算758.3.1底孔与缺口底高程及尺寸的拟定758.3.2导流底孔和缺口的水力计算768.3.3二期上下游横向土石围堰的尺寸76II四川大学本科毕业设计 香山水电工程碾压混凝土重力坝设计1 水文水利计算1.1 水文计算1.1.1水文资料大清河流域属于亚热带气候，每年平均气温为20.4，最高月气温28（7月），最低气温8（1月）。多年平均降雨量为1474毫米。枢纽控制流域面积为67176平方公里，径流来源主要是降水，根据香山水电站38年实测水文资料分析，其年际间的变化相对稳定，汛期一般是510月，枯水期11月4月，多年平均流量为772m3/s，多年平均径流量为243.6亿立方。通过洪水频率分析，各种频率洪水流量及各月不同频率洪水列于表1.11.2示。表1.1 各种频率洪水流量频率P（%）0.010.020.10.21251020Q（m3/s）15370138601281411710102069061827873456337河流多年平均输沙量450万吨，淤沙干容重为1.40T/m3，浮容重为0.86 T/m3，内摩擦角为12，多年平均最大风速15.39m/s，吹程2.2公里。表1.2 各月不同频率洪水流量（m3/s） P(%) 月份5%10%20%50%53956328330951827670956296543241757827873456338487187686682158854523959224956419529191037802814201612091122891810114668512932756563364表1.2（续） 各月不同频率洪水流量（m3/s） P(%) 月份5%10%20%50%1467389345280234530225921636465213992594150711087214061.1.2工程等别及建筑物级别由香山水电工程的基本资料知：（1）水库库容：香山水电工程正常高水位314.00m，由水位库容曲线差得对应库容为20.0亿m3；（2）电站装机：根据水能计算的基本公式为：N=9.81QH净=AQH净（万KW），在初步计算时，对于大中型水电站=8.08.5，小型水电站=6.57.5，本设计综合考虑后取=8.5，发电引用流量Q=1150 m3/s，当四台机组满发时，由下游水位流量关系曲线图上可以查出下游水位Zd=253.40m，上游正常蓄水位Zu=314.00m，故水轮机上的静水头H净=Zu-Zd=314.00-253.40=60.6m。故香山水电站装机容量为： N=9.81QH净=AQH净=8.5115060.6=59.24（万KW）选定装机容量为60万KW。（3）防洪对象：香山水电工程位于大清河中游，距下游香山市约30公里，香山市是该工程的重点保护对象，城市重要。综合考虑香山水电工程水库库容、电站装机、防洪、灌溉等要求，根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）确定香山水利枢纽工程的工程等别为等，工程规模为大（1）型，主要建筑物（拦河大坝、坝后式厂房）级别为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为3级。1.1.3洪水标准根据规范确定本设计取永久性水工建筑物洪水标准的设计洪水重现期为1000年，即=0.1%，校核洪水重现期为5000年，即=0.02%。查基本资料得：设计对应洪峰流量为Q=12814m3/s，校核对应洪峰流量为Q=13860m3/s， 典型洪水洪峰流量为Q=9920 m3/s。1.1.4洪水过程线的推求本工程采用同倍比放大法推求洪水过程线，以洪峰流量控制，其放大倍比为K。对于设计洪水情况：K设=12814/9920=1.292校核洪水情况：K校=13860/9920=1.397按半天为一个时段，分为8个时段进行设计和校核洪水过程线的推求。推求的洪水过程线见图1-1所示，相应数据见表1.3所示：图1-1 洪水过程线表1.3 洪水过程线数据时刻（h）01224364860728496典型流量245031504600695089509900830049502450设计流量3165 4070 5943 8979 11563 12791 10724 6395 3165 校核流量3423 4401 6426 9709 12503 13830 11595 6915 3423 1.2 水利计算1.2.1调洪方案本设计按坝顶溢流的泄洪方式进行洪水调节计算，以确定坝顶高程和最大坝高。同时考虑让电站取水口前“门前清”，在溢流坝段的左右两侧各设置一个冲沙底孔，在汛期冲沙孔作为辅助泄洪设施。参考已建工程，溢洪表孔尺寸初步拟定两种方案，分别为714m和911m（孔数孔宽）。电站引用流量为1150m3/s，计入调洪流量，但需要乘以折减系数，底孔流量不计入调洪演算，只是作为安全储备。1.2.2调洪演算常见的调洪演算方法有列表试算法、半图解法等方法。其中，列表试算法需要逐步演算，工作量较大，因此设计中常采用半图解法进行调洪演算。本设计中采用计算机调洪程序进行调洪演算，其原理即为列表试算法。计算机程序调洪中各代码含义及在本设计中的取值见表1.4所示：表1.4 调洪程序各代码含义及取值序号代码含 义本设计取值1p洪水频率设计洪水：P=0.001 （1000年一遇）校核洪水：P=0.0002 （5000年一遇）2ZA正常高水位 （m）314.003ZM起调水位 （m）306.00VM相应库容 （亿m3）12.04M某频率入库洪水分段数8DT每段小时数12QU相应洪水流量 （m3/s）见上表1.3所示5NU水库水位库容曲线分段 （以ZM为起点）10ZU相应水位 （m）见下表1.5所示VU相应库容 （亿m3）6ND下游水位流量关系曲线分段数8ZD相应水位 （m）见下表1.6所示QD相应流量 （m3/s）7KA输入数据打印 标志1打印10不打印8KB输入泄洪方式 信息1溢洪道泄洪加电站辅助泄洪12溢洪道、底孔加电站辅助泄洪3溢洪道、底孔、隧洞（有压式）加电站辅助泄洪9KC成果绘图标志1绘图10不需绘图10C绘图时流量坐标所取段数（812）8表1.4（续） 调洪程序各代码含义及取值序号代码含 义本设计取值11QP电站泄洪流量 （m3/s）1150KP折减系数0.812NS溢洪道孔数7、9BS每孔净宽 （m）14、11MS流量系数 （2*g）0.52ZS堰顶高程 （m）306.0013NH底孔孔数因本设计不计底孔 这些系数均为0BH孔口宽EH孔口高MH流量系数 （2*g）0.5ZH底孔底高程KH折减系数14NT隧洞条数因本设计不计隧洞 这些系数均为0RT洞半径MT流量系数 （2*g）0.5KT折减系数表1.5 上游水位库容关系表水位 （m）306308310312314315316317318319320库容 （亿m3）11.913.715.717.720.021.022.423.825.226.727.8表1.6 下游水位流量关系表水位 （m）253256259262265268271274277流量（ m3/s）11001690270039305450729092901150014200本设计分2种孔口尺寸方案714m和911m（孔数孔宽）进行调洪演算。每种孔口尺寸方案又分设计工况和校核工况，共计4种计算工况，程序计算过程如下： （1）孔口尺寸714m，设计洪水工况：输 入 数 据 为:洪水频率P%= .001 正常高水位ZA= 314 起调水位ZM= 306分段数M= 8 每段小时数DT= 12 NU= 10 ND= 8KA= 1 KB= 1 KC= 1 C= 8QP= 1150 KP= .8NS= 7 BS= 14 MS= 2 ZS= 306NH= 0 BH= 0 EH= 0 MH= 0 ZH= 0KH= 0 NT= 0 RT= 0 MT= 0 KT= 0QU( 0 )= 3165QU( 1 )= 4070QU( 2 )= 5943QU( 3 )= 8979QU( 4 )= 11563QU( 5 )= 12791QU( 6 )= 10724QU( 7 )= 6396QU( 8 )= 3165ZU( 0 )= 306 VU( 0 )= 11.9ZU( 1 )= 308 VU( 1 )= 13.7ZU( 2 )= 310 VU( 2 )= 15.7ZU( 3 )= 312 VU( 3 )= 17.7ZU( 4 )= 314 VU( 4 )= 20ZU( 5 )= 315 VU( 5 )= 21ZU( 6 )= 316 VU( 6 )= 22.4ZU( 7 )= 317 VU( 7 )= 23.8ZU( 8 )= 318 VU( 8 )= 25.2ZU( 9 )= 319 VU( 9 )= 26.7ZU( 10 )= 320 VU( 10 )= 27.8ZD( 0 )= 253 QD( 0 )= 1100ZD( 1 )= 256 QD( 1 )= 1690ZD( 2 )= 259 QD( 2 )= 2700ZD( 3 )= 262 QD( 3 )= 3930ZD( 4 )= 265 QD( 4 )= 5450ZD( 5 )= 268 QD( 5 )= 7290ZD( 6 )= 271 QD( 6 )= 9290ZD( 7 )= 274 QD( 7 )= 11500ZD( 8 )= 277 QD( 8 )= 14200调 洪 演 算 结 果 为:频 率 P= .1 %正常高水位 ZA= 314 MN T QU Q1 Z1 V10 0 3165 920 306 11.91 12 4070 1221 307.17 12.932 24 5943 1846 308.78 14.483 36 8979 3109 310.98 16.644 48 11563 4871 313.4 19.355 60 12791 6909 315.77 22.086 72 10724 8150 317.08 23.917 84 6396 8260 317.19 24.068 96 3165 7356 316.25 22.75QUMAX= 12791 T= 60Q1MAX= 8260 T= 84Z1MAX= 317.19 T= 84图1-2 714方案设计洪水调洪过程线（2）孔口尺寸714m，校核洪水工况：输 入 数 据 为:洪水频率P%= .0002 正常高水位ZA= 314 起调水位ZM= 306分段数M= 8 每段小时数DT= 12 NU= 10 ND= 8KA= 1 KB= 1 KC= 1 C= 8QP= 1150 KP= 1NS= 7 BS= 14 MS= 2 ZS= 306NH= 0 BH= 0 EH= 0 MH= 0 ZH= 0KH= 0 NT= 0 RT= 0 MT= 0 KT= 0QU( 0 )= 3423QU( 1 )= 4401QU( 2 )= 6426QU( 3 )= 9709QU( 4 )= 12503QU( 5 )= 13830QU( 6 )= 11595QU( 7 )= 6915QU( 8 )= 3423ZU( 0 )= 306 VU( 0 )= 11.9ZU( 1 )= 308 VU( 1 )= 13.7ZU( 2 )= 310 VU( 2 )= 15.7ZU( 3 )= 312 VU( 3 )= 17.7ZU( 4 )= 314 VU( 4 )= 20ZU( 5 )= 315 VU( 5 )= 21ZU( 6 )= 316 VU( 6 )= 22.4ZU( 7 )= 317 VU( 7 )= 23.8ZU( 8 )= 318 VU( 8 )= 25.2ZU( 9 )= 319 VU( 9 )= 26.7ZU( 10 )= 320 VU( 10 )= 27.8ZD( 0 )= 253 QD( 0 )= 1100ZD( 1 )= 256 QD( 1 )= 1690ZD( 2 )= 259 QD( 2 )= 2700ZD( 3 )= 262 QD( 3 )= 3930ZD( 4 )= 265 QD( 4 )= 5450ZD( 5 )= 268 QD( 5 )= 7290ZD( 6 )= 271 QD( 6 )= 9290ZD( 7 )= 274 QD( 7 )= 11500ZD( 8 )= 277 QD( 8 )= 14200调 洪 演 算 结 果 为:频 率 P= .02 %正常高水位 ZA= 314 MN T QU Q1 Z1 V10 0 3423 920 306 11.91 12 4401 1260 307.3 13.052 24 6426 1975 309.04 14.743 36 9709 3393 311.41 17.084 48 12503 5350 313.99 19.995 60 13830 7463 316.37 22.926 72 11595 8845 317.78 24.887 84 6915 8954 317.89 25.048 96 3423 7946 316.87 23.62QUMAX= 13830 T= 60Q1MAX= 8954 T= 84Z1MAX= 317.89 T= 84图1-3 714方案校核洪水调洪过程线（3）孔口尺寸911m，设计洪水工况：输 入 数 据 为:洪水频率P%= .001 正常高水位ZA= 314 起调水位ZM= 306分段数M= 8 每段小时数DT= 12 NU= 10 ND= 8KA= 1 KB= 1 KC= 1 C= 8QP= 1150 KP= .8NS= 9 BS= 11 MS= 2 ZS= 306NH= 0 BH= 0 EH= 0 MH= 0 ZH= 0KH= 0 NT= 0 RT= 0 MT= 0 KT= 0QU( 0 )= 3165QU( 1 )= 4070QU( 2 )= 5943QU( 3 )= 8979QU( 4 )= 11563QU( 5 )= 12791QU( 6 )= 10724QU( 7 )= 6396QU( 8 )= 3165ZU( 0 )= 306 VU( 0 )= 11.9ZU( 1 )= 308 VU( 1 )= 13.7ZU( 2 )= 310 VU( 2 )= 15.7ZU( 3 )= 312 VU( 3 )= 17.7ZU( 4 )= 314 VU( 4 )= 20ZU( 5 )= 315 VU( 5 )= 21ZU( 6 )= 316 VU( 6 )= 22.4ZU( 7 )= 317 VU( 7 )= 23.8ZU( 8 )= 318 VU( 8 )= 25.2ZU( 9 )= 319 VU( 9 )= 26.7ZU( 10 )= 320 VU( 10 )= 27.8ZD( 0 )= 253 QD( 0 )= 1100ZD( 1 )= 256 QD( 1 )= 1690ZD( 2 )= 259 QD( 2 )= 2700ZD( 3 )= 262 QD( 3 )= 3930ZD( 4 )= 265 QD( 4 )= 5450ZD( 5 )= 268 QD( 5 )= 7290ZD( 6 )= 271 QD( 6 )= 9290ZD( 7 )= 274 QD( 7 )= 11500ZD( 8 )= 277 QD( 8 )= 14200调 洪 演 算 结 果 为:频 率 P= .1 %正常高水位 ZA= 314 MN T QU Q1 Z1 V10 0 3165 920 306 11.91 12 4070 1224 307.17 12.932 24 5943 1854 308.78 14.483 36 8979 3126 310.97 16.634 48 11563 4899 313.39 19.345 60 12791 6948 315.75 22.056 72 10724 8188 317.04 23.857 84 6396 8289 317.15 248 96 3165 7372 316.2 22.68QUMAX= 12791 T= 60Q1MAX= 8289 T= 84Z1MAX= 317.15 T= 84图1-4 911方案设计洪水调洪过程线（4）孔口尺寸911m，校核洪水工况：输 入 数 据 为:洪水频率P%= .0002 正常高水位ZA= 314 起调水位ZM= 306分段数M= 8 每段小时数DT= 12 NU= 10 ND= 8KA= 1 KB= 1 KC= 1 C= 8QP= 1150 KP= 1NS= 9 BS= 11 MS= 2 ZS= 306NH= 0 BH= 0 EH= 0 MH= 0 ZH= 0KH= 0 NT= 0 RT= 0 MT= 0 KT= 0QU( 0 )= 3423QU( 1 )= 4401QU( 2 )= 6426QU( 3 )= 9709QU( 4 )= 12503QU( 5 )= 13830QU( 6 )= 11595QU( 7 )= 6915QU( 8 )= 3423ZU( 0 )= 306 VU( 0 )= 11.9ZU( 1 )= 308 VU( 1 )= 13.7ZU( 2 )= 310 VU( 2 )= 15.7ZU( 3 )= 312 VU( 3 )= 17.7ZU( 4 )= 314 VU( 4 )= 20ZU( 5 )= 315 VU( 5 )= 21ZU( 6 )= 316 VU( 6 )= 22.4ZU( 7 )= 317 VU( 7 )= 23.8ZU( 8 )= 318 VU( 8 )= 25.2ZU( 9 )= 319 VU( 9 )= 26.7ZU( 10 )= 320 VU( 10 )= 27.8ZD( 0 )= 253 QD( 0 )= 1100ZD( 1 )= 256 QD( 1 )= 1690ZD( 2 )= 259 QD( 2 )= 2700ZD( 3 )= 262 QD( 3 )= 3930ZD( 4 )= 265 QD( 4 )= 5450ZD( 5 )= 268 QD( 5 )= 7290ZD( 6 )= 271 QD( 6 )= 9290ZD( 7 )= 274 QD( 7 )= 11500ZD( 8 )= 277 QD( 8 )= 14200调 洪 演 算 结 果 为:频 率 P= .02 %正常高水位 ZA= 314 MN T QU Q1 Z1 V10 0 3423 920 306 11.91 12 4401 1264 307.3 13.052 24 6426 1984 309.03 14.733 36 9709 3412 311.4 17.074 48 12503 5379 313.97 19.975 60 13830 7506 316.34 22.886 72 11595 8887 317.74 24.837 84 6915 8986 317.84 24.978 96 3423 7962 316.81 23.53QUMAX= 13830 T= 60Q1MAX= 8986 T= 84Z1MAX= 317.84 T= 84图1-5 911方案校核洪水调洪过程线1.2.3调洪结果各工况下的调洪演算结果见下表1.7所示：表1.7 调洪演算结果表方案孔口 尺寸设计工况校核工况最大下泄 流量（m3/s）最大单宽 流量（m3/s）设计 洪水位（m）最大下泄 流量（m3/s）最大单宽 流量（m3/s）校核 洪水位（m）17*14米826084.3317.19895491.4317.8929*11米828983.7317.15898690.8317.84根据本设计说明书里的分析，本工程所选孔口形式为714m（孔数孔宽）尺寸方案。相应设计工况下的最大下泄流量为8260m3/s，设计洪水位为317.19m。校核工况下的最大下泄流量为8954m3/s，校核洪水位为317.89m。1.3 淤沙高程计算香山水电工程所在大清河河流多年平均输沙量为450万吨，淤沙干容重为1.4T/m3，浮容重为0.86T/m3，内磨擦角为12，年平均径流量为243.6亿m3；根据重力坝设计规范，大型水库坝前泥沙淤积高程计算年限为50100年，本设计取70年。参考水库泥沙（水利水电出版社），多年泥沙淤积量估算有三种方法：库容损失率法（淤损率）、拦沙率法和淤积年限法。本设计采用库容损失率法（淤损率）进行计算，计算公式如下所示：式中：K、m按下列条件选取 1）V/W入0.5，或无底孔情况，K=m=1； 2）0.5V/W入0.08，K=1.00.6及m=1.00.95，（采取内插取值）； 3）V/W入=0.08左右，K=0.6，m=0.95； 4）0.08V/W入0.03，K=0.60.4及m=0.950.90，（采取内插取值）； 5）V/W入0.03，K=0.4，m=0.9。蓄水T年后的总淤积量：式中：av多年平均库容淤损率，%； R多年平均入沙量，m3； V水库总库容，m3； T淤沙高程计算年限； Ws多年平均淤沙量，m3； W入多年平均入库流量，m3。由工程基本资料可得：V=20.0108 m3， W入=243.6108 m3故：V/W入=20.0108/243.6108=0.0821， 则：K=0.6，m=0.95。多年平均入沙量：R=450104/1.4=3214285.7 m3多年平均库容淤损率：av=K（R/V）m =0.133%总淤沙量：Ws淤=avVT=0.133%20.070=1.862亿m3根据工程基本资料里水位库容关系曲线可知，70年水库淤沙量所对应的淤沙高程为：278.00m。2 坝体剖面设计2.1坝顶高程计算根据混凝土重力坝设计规范(SL3192005)可知，坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，应高于波浪顶高程。防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，可按下式计算：上式中：h防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%累计频率为1%时的波浪高度，m；hz波浪中心线高于静水位的高度，m； hc安全加高，按表5.1取值。表5.1 重力坝安全加高hc的取值运用情况坝的安全级别123正常蓄水位0.70.50.4校核蓄水位0.50.40.3注：表中正常蓄水位指设计工况下，包含正常蓄水位和设计洪水位两种情况。本设计重力坝的安全级别为1级，所以hc正常=0.7m，hc校核 =0.5m。根据本工程基本资料可知，香山水电工程坝址地处中低峰峡谷地形，属于山区峡谷水库。多年平均最大风速v=15.39m/s20m/s，吹程D=2.2kmLm/2时，波浪运动不受库底约束，这样条件下的波浪称为深水波。水深小于半波长而大于临界水深H0，即Lm/2HH0时，波浪运动受到库底影响，称为浅水波。水深小于临界水深，即HL/2，属于深水波。则波浪压力Pwk可由下式计算： 其中： 式中： Pwk波浪压力，KN； w水的容重，KN/m3，取9.81； Lm平均波长，m； h1%累积频率为1%的波高，m ，h1%=1.24h5%； hz波浪中心线至计算水位的高度，m； hl波高，m，本设计中gD/v02=20250时，hl为累计频率5%的波高h5% v0计算风速，是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常