褒河拱坝枢纽设计说明书.doc

毕业设计 1 摘要摘要 本次毕业设计的题目是 褒河拱坝枢纽设计 褒河库区位于陕西省汉中平原堡河 下游 汉中平原地区气候温和 湿润 土地开阔肥沃 是著名的粮仓 由于现有的汉 惠渠 褒惠渠等渠道 均系无坝引水灌溉 保证率低 有汉中地区属于三线 近年来 大量工矿企业纷纷建立 电力负荷急剧增长 故拟在该地区修建水利枢纽 开发水资 源 对于促进工农业的发展都有重要意义 此次设计的目的是为了使水利水电专业学生了解和掌握我国各种拱坝设计方法与 思路 理论与实践相结合 提高分析问题和解决问题的能力 并通过此次设计系统了 解拱坝设计过程 拟定拱坝的不同设计方案 科学合理的确定拱坝的建设规模和运行 方式 褒河水利枢纽主要任务为灌溉 发电 其次为防洪 为此 枢纽定为 渠首电 站 拦河坝 拱坝 中孔泄洪 底孔 电站引水渠道等 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 根据工程规模 效益 参照相关规范将褒河水库定为三级 建筑物级别 主要建 筑物为三等 次要建筑物为四等 临时建筑物为五级 褒河拱坝的设计过程主要包括 坝型选择和枢纽布置 拱坝的平面布置 拱坝的应力计算 坝肩稳定 底孔应力和配 筋计算 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 关键词 关键词 混凝土拱坝 中心角 温度应力 应力计算 坝肩稳定 毕业设计 2 Abstract This graduation project s topic is Baohe arch dam Design Baohe reservoir area is located Bao river downstream of Hanzhong plain shensi The climate in Hanzhong plain region is mildness wetness and its tract open fecundity It is famous granary Owing to Hanhui 面板和支墩的厚度小 内部应力大 可以充分利用材料的强度 施工期 混凝土散热条件好 温度控制较重力坝简单 要求混凝土的标号高 施工模板复杂 平板坝和连拱坝的钢筋用量大 因而提高了混凝土单位体积的造价 支墩的侧向稳 定性较差 在上游水压作用下 对于高支墩 还存在纵向弯曲稳定问题 平板坝和 大头坝都设有伸缩缝 可适应地基变形 对地基条件的要求不是很高 连拱坝为整体 结构 对地基变形的反应比较灵敏 要求修建在均匀坚固的岩基上 坝体比较单薄 受外界温度变化的影响较大 特别是作为整体结构的连拱坝 对温度变化的反应更为灵敏 所以支墩坝宜于修建在气候温和地区 可做成溢流坝 也可设置坝身式泄水管或输 水管 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 支墩坝与重力坝相比 混凝土用量小 能充分利用材料的强度 但侧向稳定性差 对地基的要求比重力坝更加严格 钢筋用量较多 施工散热条件好 温控措施简易 但模板复杂 用量大 混凝土标号要求高 每方混凝土的代价也高 且单宽流量较大 但容易引起坝体振动 如果要在这里修建大坝 选择重力坝而不选择支墩坝 故也不 修建支墩坝 现在在下面的小节重点比较重力坝和拱坝的选择 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 3 1 33 1 3 重力坝和拱坝重力坝和拱坝 两种坝型均可满足枢纽布置的总体要求 也都适合坝址的地质及地形条件 但 是从地形图上可知道 该河谷为上宽下窄的喇叭形河口谷 修建拱坝更有优势 同时 拱坝方量比重力坝的少 可节省 1 3 1 2 的方量 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 拱坝的工期比重力坝约可节约 1 4 对大坝工程的总投资 拱坝可节约 15 左右 重力坝重要依靠自重产生的抗滑力维持稳定 无疑坝体的工程量大 坝体内钢 筋用量较多 未能很好的利用混凝土的抗压强度 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 重力坝的底宽较大 扬压力大 对坝身稳定不利 坝体过大 施工期温度应力 收缩应力较大 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 拱坝除了有上述优点外 还有自身的结构优点 具有双向传力的性能 由拱梁共同承担受力 拱是推力结构 主要产生轴向压力 有利于充分发挥材料的抗压性能 拱坝具有较高的超载能力和抗震能力 可达到设计荷载的 5 11 倍 不设永久性伸缩逢 整体性能好 当外荷载增大或坝体的某一部位发生局部开 裂时 坝体的梁和拱将自行调节 抗渗性能好 弹性韧性好 抗震性能高 则鯤愜韋瘓賈晖 园栋泷 毕业设计 7 1 2 3 计算方法多采用材力法和有限元法 计算繁琐 但计算机和计算程序的普及与 推广已大大的解决这一难题 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 可坝身泄水 虽然拱坝的结构复杂 但综合比较后 选择拱坝为设计坝型 由于该地的岩石均为一些片岩等整体性能不太好的岩石 又该处砌石料难找 而在该处交通发 达 坝址下游 3 5 8 0 公里处有足够的沙砾石 能充分提供筑混凝土坝的骨料 故在该处修建混凝 土拱坝 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 3 23 2 枢纽布置方案的选择枢纽布置方案的选择 3 2 13 2 1 坝轴线的选择坝轴线的选择 这里添加大本上的关于坝址选择的一段文字 从地形图可确定三种修建拱坝的坝址 现分析比较选择中间合理的方案 由于在 两岸处都有一个凸出的山包 而总体河流弯道为顺时 图 3 1 中 2 处处于山包中间位置 该 处不仅施工面狭窄开挖量大 最主要的原因 不利于坝端的抗滑稳定 图 3 1 中 3 处的位置 离两山包较远 未能充分利用山包 的抗滑能力 该处轴线较长 工程量大 造成 浪费 对于梯级开发电站 造成了库容 图 3 1 坝址选择地形图稟虛嬪赈 维哜妝扩踴粜 的浪费 在整体布置中 不利于隧洞的洞线布置 增加了洞线的长度 从而增加了工程 量 增加了工期 造成浪费 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 图 3 1 中 1 的位置 充分利用了抗滑作用 且坝轴线不长 轴线与地形线垂直 能充分起抗滑作用 有利于整体枢纽的布置 综合以上几点 故选择在 1 处修建拱坝 毕业设计 8 3 2 23 2 2 其他枢纽布置其他枢纽布置 主要建筑物有 混凝土双曲拱坝 岸边引水式电站 东西干渠渠首电站和反调节 池等 1 引水隧洞的布置 由于修建的是拱坝 而拱坝有一个突出的特点是不能分期修建 只能采用全断面 截流后修筑 故必须在两岸山体中开挖隧洞作为施工导流和引水之用 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 隧洞可布置在两岸山体中 由于该河道为顺时针弯曲的弯道河流 左岸为凹岸 如果在左岸开凿隧洞 其洞线很长 不经济 且绕了几个大弯 不满足快速泄流和引 水的条件 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 而右岸为凸岸 引水隧洞短而直 泄水迅速 经济合理 故拟在右岸修建隧洞 引水隧洞为前期施工导流隧洞 为了充分利用该导流隧洞 把该隧洞做成电站的 引水隧洞 为便于电站进水口与下游电站厂房的布置和水流条件 隧洞的进出口不能 太过靠近大坝 进口距大坝 200左右 出口距大坝 300左右 在距大坝 50左右 mmm 的地方修建电站引水口 利用弯道和导流隧洞连接 水库开始蓄水前 电站进水口与 隧洞连接的前部用混凝土塞子封堵 由于时间关系 引水隧洞不进行具体设计 采用 原设计的数据 进口高程为 544 0 电站引水口的进口高程为 567 0 隧洞直径 mm 采用经验值 取为 7 在隧洞的出口电站前面修建一个直径为 10的压力前池 懨俠 mm 劑鈍触乐鹇烬觶騮 2 东 西干渠渠首布置 东干渠引水口高程 588 5 引用流量为 30 河流为东南走向 布置在河流 msm 3 的左岸每一位置 根据坝轴线和地形地质条件 拟利用引水渠引水到坝端 再以引水 道引水到下游东干渠渠首 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 西干渠引水口高程 592 0 引用流量为 6 根据地形地质条件及 引水隧 msm 3 洞及厂房的位置 西干渠渠首布置在坝端右岸下游 100处 引水隧洞右侧 为了不 m 影响电站进水口的布置 故把西干渠的引水道进口修建在坝体上面 因此渠道的引水 洞和引水隧洞在空间上交叉 引水隧洞在渠道引水道的上面 为满足水流运行条件以 及引水方便 渠首引水道在坝身处直线引水到坝后利用弯道至西干渠渠首 呙铉們欤谦鸪饺 竞荡赚 在本次设计中 隧洞 电站厂房 引水道都未进行具体设计 在设计图纸上为一 个大体形象 多数引用了原设计 毕业设计 9 3 2 33 2 3 泄洪方案的选择泄洪方案的选择 褒河水利枢纽的主要的任务是灌溉 其次是发电 防洪 而泄洪建筑物的布置是 拱坝设计的关键 拱坝泄洪分坝外泄洪与坝体泄洪两种 但拱坝多修建在峡谷河段上 一般无合适的垭口可供利用 因此多数情况下采用坝体泄洪 而坝体泄洪有坝顶泄流 坝面泄流 滑雪道式和坝身泄水孔等几种 现对他们进行分析比较 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 1 坝顶泄流 坝顶泄流是指洪水经过坝顶自由跌落或经外悬臂挑坎往下游挑落的过流形式 优 点是 结构较简单 设计施工较容易 对坝体的应力影响较小 一般水头不大 起闭设备易于检修 工程造价较低 用表孔排水时还可以排漂 对于调洪库容较小的水库 还可以通过超标准洪水 有利于工程安全 坝顶泄流的缺点是 堰上水头低时泄流能力小 溢流前沿较长 而当全线溢流时 又容易冲刷岸坡 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 坝顶下泄水流的挑流速小 挑距近 容易冲刷坝脚 需对岸坡和坝脚采取一定 的保护措施 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 不能适应低水位的泄流要求 因而坝顶泄流孔口通常与底孔和隧洞配合使用 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 坝顶泄流由于水舌跌落较近 入对角大 对坝基的冲刷力大 所以一般采用跌流 消力池或在下游设二道坝抬高水位 形成水垫消能 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 2 坝面泄流 坝面泄流指水流过堰顶后继续沿坝身下泄 最后以挑流或与下游尾水相接 与坝 顶溢流相比优点之处不同在于坝面溢流的落差较大 流速较高 采用挑流形式与尾水 相接时 挑距较大 对坝体安全更为有利 但坝面溢流存在水流同心集中的特点 水 舌宽度沿程缩窄 无疑下游要增设消能设备 加大工程量 同时由于坝面泄流的挑距 近 冲刷力大 难于满足安全泄流的要求 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 3 滑雪式泄流道 滑雪道式泄流道 即紧接坝体之后用支墩或混凝土排架将 滑雪式 支撑起来泄 流 若将滑雪道布置在拱坝的两侧 由于拱坝有向心集中和河床狭窄的特点 因此水 舌能够在空中冲击消能 同时 滑雪式在高速水流的作用下 震动的比较严重 因此 毕业设计 10 安全泄洪性不高 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 4 坝身开孔泄洪 坝身开孔泄洪就是在坝体上一定的位置开设孔口用来满足泄洪要求 按孔口设置 的位置不同可以分为表孔 中孔和深孔 坝身开孔泄流除节省工程量 经济外还具有 以下的优点 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 泄流流量随水位的变化关系不大 若采用中 深孔泄流尚可结合施工导流或放空水库 比单独开挖隧洞更经济 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 如采用挑流消能 则一般起挑流速大 挑距远 有利于坝体安全 如采用中 深孔泄洪 不但工程建成后可严格控制蓄水速率 泄洪时又可按预 报提前腾空库容 保证安全泄洪 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 坝身开孔泄流的缺点是 坝身开孔过大或过多 不利于坝体受力 同时也会引起震动 闸门和起闭设备的容量一般较大 检修较困难 如果水库的调节性能不好 当发生超标准洪水时 可能漫顶 不利于安全 为 此 最好设置必要的表孔泄流并结合排漂 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 随着应力实验技术的发展 对一些坝身开孔工程的模拟实验表明 坝身开孔除对 孔口周围的局部应力有影响外 对整个坝体的应力影响不大 此外 随着闸门制造技 术的发展以及大容量起闭设备的制造 修建大孔口或深孔泄流已成为一种惯例 緦徑铫膾 龋轿级镗挢廟 坝身开孔泄流 一般布置于河心或对称的布置于河心中央的两侧 由以上分析并根据石门库区地质 地形资料 拟建一般拱坝 并采用中孔 底孔 联合泄流 另外 由于时间的关系 本次设计未进行调洪验算 所以中孔泄洪的形式 尺寸 高程 数目均沿用原设计 坝顶高程也沿用原设计 确定为 620 0 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 m 毕业设计 11 4 4 拱坝设计拱坝设计 4 14 1 拱坝拱坝布置布置 4 1 14 1 1 拱坝布置的基本原则拱坝布置的基本原则 拱坝布置的总要求是 应在满足枢纽布置 运用施工要求 坝肩岩体稳定的前提 下 通过调整其外形与尺寸 使坝体材料强度得到充分的发挥 拉应力控制在允许范 围内 并方便施工 工程量小 为达到上述要求 拱坝布置应遵循 光滑连续 的原 则 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 拱坝布置的步骤大概如下 1 根据坝型图 地质图和地质勘察资料 定出开挖深度 画出可利用岩基面 等高线地形图 2 根据地址地形条件选择适宜的坝型和平面布置形式 初拟坝轴线位置 顶 拱及各圈中心角 半径 拱圈厚度 拟定拱冠梁剖面 镞锊过润启婭澗骆讕瀘 3 布置顶拱 4 布置其他高程拱圈 5 检查坝体轮廓连续性及倒悬度 6 检查坝基轮廓线 本次设计我们大体选择如下 对与 U 形河谷 拱坝顶底跨度接近 刚度相差不大 因而沿水深增加的水压力 需要由悬臂梁增加截面厚度承担坝体应力 从这个方面说较适合单曲拱坝的修建 但 是 单曲拱坝厚度过大 应力条件不好 造成了浪费不经济 双曲拱坝虽然各层拱圈 的刚度变化不大 但刚度条件已经能够满足受力条件 且能充分发挥混凝土的强度 另外 双曲拱坝根据地形条件变化明显 开挖量比一般的单曲拱坝少 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 故 本设计选用双曲拱坝 变外半径等中心角 从地形图上可看出 该 U 形河谷对称程度高 选择圆弧拱就可以满足设计的要求 故本设计采用等中心角 变半径的等截面圆弧双曲拱坝 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 由于河床最低高程 535 0 基岩高程为 532 0 故以 532 0处为坝底高 mmm 毕业设计 12 程 则坝高为 88 0 620 532 88 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 m m 由已知资料中可知 590高程上风化层厚 5 590高程以下为 3 5 米 则 mmm 取 5为开挖深度 故在拱坝开挖后的河谷地形等高线要比原地形等高线的相同处少 5 m 高程 也就是说 以前是 625的高程 在开挖后变成了 620高程 由于坝顶高程 mmm 为 620 现在前面 3 1 图中 1 处的适宜位置布置坝轴线 与 625的等高线相交 量 mm 出两交点的连线长 200 0 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 c L m 4 1 24 1 2 拱冠梁断面尺寸拟定拱冠梁断面尺寸拟定 4 1 2 14 1 2 1 拱圈形式选择拱圈形式选择 在拱坝的应力计算和拱坝的平面布置的时候一般把拱分成 5 7 层 本设计采用 6 拱圈 5 不等段 从上而下每段的高度分别是 20 20 20 20 8 则每截mmmmm 面的高程分别为 620 0 600 0 580 560 0 540 0 532 0 这样分段mmmmmm 是为便于地形图上开挖后的河谷地形的绘制以及每层拱圈的拱端之间的弦长的求解 从地形图上可得拱圈弦长 68 5 上面的数据只能作为初步设计的数据 最后 6 Lm 的拱圈弦长得由拱坝平面布置上得到 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 4 1 2 24 1 2 2 拱冠梁断面尺寸拟定拱冠梁断面尺寸拟定 1 坝顶厚度 选择时 应该考虑工程的规模 交通和运行要求 如无交通要求 一般取 c T c T 3 5 但至少不得小于 3 可由下面的经验公式的求臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 mmc T 0 012 4 1 c T HL 0 0145 2 4 2 c T a R H 0 4 0 01 3 4 3 c T LH 式中 最大坝高 H 坝顶高程处 河谷开挖后两拱端之间的直线距离 等于Lm c L 顶拱轴半径 初估时可取 0 61 0 70 L 本设计取 a R a R 0 62 0 62 200 0 124 0鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 a R L m 由 4 1 得 0 012 88 200 0 3 456 c Tm 毕业设计 13 由 4 2 得 0 0145 2 124 0 88 4 87 c Tm 由 4 3 得 0 4 0 01 200 0 3 88 5 04 c Tm 由于该坝上没有交通要求 根据上面的数据取 5 0 c Tm 4 1 2 34 1 2 3 坝底厚度坝底厚度 B T 求坝底厚度的时候用下面的经验公式 B T 任德林公式 当 60 100 0 8 3 5 时 HmHL 0 0382 H 4 4 B T 1000 2 632 0 H H L 美国垦务局经验公式 4 5 B T 3122 21 122 0012 0 H H LHL 朱伯芳经验公式 4 6 B T HLLK n 11 式中 的意义同前 LH 为第一层拱圈的弦长 等于 1 L c L 为 0 15处拱圈的弦长 现取为与同长 2 LH c L 为到数第二层处的拱圈弦长 现取为与同长 1 n L c L 由 4 4 得 88 0 0382 21 73 B T 0 632 2002 88 881000 m 由 4 5 得 可拟 再折减 2 L 2 L 1 L 14 94 B T 88 1223 88 0 0012 88 200 200 122 m 由 钢筋混凝土结构学 中查得 0 5Mpa 可拟 再折减 Min 2 L 2 L 1 L 由 4 6 得 24 64 B T 0 35 200200 88 500 m 毕业设计 14 y x 由 4 5 得到的数据太小 现在不考虑 只比较 4 4 式和 4 6 式的数据 由于 4 6 中的数据要折减 故选择 22 0 米 则厚高比 0 25 属于中厚拱坝 B T H T 88 22 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 拱坝的类型可以分为四种 分别是按坝高 厚高比 曲率 水平拱圈形式这四种形式 具体的分类标准请参照参考书 4 1 34 1 3 拱冠梁剖面设计拱冠梁剖面设计 4 1 3 14 1 3 1 基本原则基本原则 拟定双曲拱坝拱冠梁剖面时应遵循的原则是 控制梁的自重拉应力不超过允许值 一般为 0 3 0 5 MPa 控制坝面倒悬度不超过允许值 整 体为 0 3 1 局部在 0 2 0 25 1 范围内 坝体轮廓线应光滑连续 本设计拱冠梁上下游面的曲线采用单圆弧 图 4 1 坐标轴隶誆荧鉴獫纲 鴣攣駘賽 所采用的坐标轴如图 4 1 所示 4 1 3 24 1 3 2 拱冠梁剖面设计的方案选择拱冠梁剖面设计的方案选择 方案一 美国垦务局方案 表表 4 14 1 美国垦务局方案三点定圆表格美国垦务局方案三点定圆表格 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0 0 0 5 0 5 0 0 0 45H 0 95 20 9 B T 20 9 48 4 0 0 48 4 坝底 0 67 14 74 B T 14 74 88 0 33 7 26 B T 7 26 88 方案二 任德林方案 毕业设计 15 表表 4 24 2 任德林方案的拱厚及拱冠梁断面的计算表任德林方案的拱厚及拱冠梁断面的计算表 HTHh Hx xT Tx 20 0 257 c TT 0 2270 0645 6329 3693 737 40 0 489 c TT 0 4550 1099 59213 3133 721 60 0 684 c TT 0 6820 1251116 6285 628 80 0 906 c TT 0 9090 1139 94420 40210 458 续表续表 4 24 2 88 B T 10 0988 6242213 376 48 4 0 5755 c TT 0 550 11910 472 14 773 996 注 17 0 其中离坝顶 48 4处的数据由 40 60 之间的数据内插而得 T B T c Tmm 从表 4 2 中拿出 88 与 48 4 处的上下游偏距来求三点定圆方程 为便于分析比较 取数据的位置和美国垦务局方案一样 数据如表 4 3 所示 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 表表 4 34 3 任德林方案的数据表任德林方案的数据表 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0 0 0 5 0 5 0 0 0 45H10 472 10 472 48 4 4 3 4 3 48 4 坝底8 624 8 624 88 13 376 13 376 88 从表 4 1 以及表 4 3 中的坐标可以看出来 美国垦务局的方案求的拱冠梁较瘦 应力条件好 倒悬度高 任德林方案较胖 适合砌石坝设计 应力条件差 倒悬度小 为了满足倒悬度小而应力条件又不至于太差 采用折中方案 在 0 45 坝底处 上H 下游面的坐标都采用两者的平均值 故求的坐标如表 4 4 所示 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 表表 4 44 4 折中方案的三点定圆数据表折中方案的三点定圆数据表 高程上游偏距上游坐标下游偏距下游坐标 坝顶0 0 0 5 0 5 0 0 0 45H15 686 15 686 48 4 2 15 2 15 48 4 毕业设计 16 x y H 坝底11 682 11 682 88 10 318 10 318 88 把折中方案的上下游坐标代进圆的方程得 222 Rbyax 上游面 222 222 222 15 686 48 4 11 682 88 abR abR abR 94 25 57 29 110 29 a b R 所以上游面的圆方程为 222 94 25 57 29 110 29xy 下游面 222 222 222 5 0 2 15 48 4 10 318 88 abR abR abR 171 59 34 09 170 04 a b R 所以下游面圆的方程为 222 167 24 34 36 165 84xy 由 H 以及上下游面的圆弧方程可绘制出拱冠梁剖面图 B T c T 从拱冠梁剖面上可量得 5 0 11 7 16 3 1 Tm 2 Tm 3 Tm 19 5 21 5 22 4 Tm 5 Tm 6 Tm 方案三 上游面定为二次抛物线 把他得到的曲面与折中方案的cbyayx 2 比较 简图如图 4 3 所示 当时 0 Hy 1 dx dy 当时 Hy 2B xT 当时 0 y0 xH 1 0 62 在 0 30 0 60 之间取值 1 2 本设计取 0 5 2 则可求的 图 4 3 抛物线方案简图 0 0059 0 65 0 a b c 则上游面抛物线方程为 2 0 00590 65xyy 把该方案上游面和这种方案的上游面曲线比较 可得折中方案是比较合理的 起 主要表现在以下几个方面 如表 4 5 所示 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 毕业设计 17 表表 4 54 5 倒悬度比较表倒悬度比较表 折中方案抛物线方案 高程 上游偏距倒悬度上游偏距倒悬度 坝顶00 小大 0 45H15 68617 9 坝底11 682 小 11 大 从上表中可以看出 抛物线方案中的拱冠梁剖面比折中方案的胖 造成了材料 的浪费 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 抛物线方案局部倒悬度大 应力条件差 折中方案为圆弧曲面比拱坝施工简单 从上面比较可以看出 这种方案是比较合理的 4 24 2 拱坝的平面拱坝的平面布置布置 4 2 14 2 1 基本原则及假定基本原则及假定 4 2 1 14 2 1 1 基本原则基本原则 控制梁的自重拉应力不超过允许值 一般为 0 3 0 5Mpa 控制坝面倒悬度不超过允许值 整体为 0 3 1 局部在 0 2 0 25 1 范围内 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 坝体轮廓线应光滑连续 坝体与基岩的接触线应光滑连续 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 4 2 1 24 2 1 2 假定假定 前面各拱圈拱端之间的距离在这里仍然适用 沿用前面的 6 拱 5 不等段法 各高程处的拱厚为 5 0 米 11 78 米 1 T 2 T 16 3 米 19 5 米 21 5 米 22 米齡践砚语蜗铸转絹攤濼 3 T 4 T 5 T 6 T 4 2 24 2 2 拱圈中心角的确定拱圈中心角的确定 在外荷载和河谷形状都相同的情况下 拱圈中心角越大 拱端应力越小 应 A 2 毕业设计 18 力条件越好 若按与工程实际更为接近的两端固端拱计算 当中心角 120 时 A 2 拱圈截面将不出现拉应力 因此 从减少拱圈厚度 改善坝体应力考虑 选较大的中 心角是比较有利的 但从稳定条件考虑 选用过大的中心角将较难满足坝肩的稳定要 求 绅薮疮颧訝标販繯轅赛 现代拱坝设计中 顶拱圈的中心角多为 75 110 之间 底拱中心角一般取 50 80 拱坝的最大应力常出现在坝高的拱圈处 2 1 3 1 本设计根据以上情况及地质地形资料 定底拱中心角 顶拱中心角 80 拱圈内 外半径如表 4 6 所示 表表 4 64 6 中心角选取和内外半径计算表中心角选取和内外半径计算表 高程 620600580560540532 拱圈厚T5 011 716 319 521 522 初拟中心角 80 80 80 80 80 80 外半径 u R 156 25131 0109 984 255 753 28 内半径 d R 151 25119 393 664 734 231 28 注 u R 2 sin2 L d R u RT 现把四个方案各拱圈各层中心角和半径列表如表 4 7 所示 表表 4 74 7 五个方案的中心角及半径汇集表五个方案的中心角及半径汇集表 方案高程中心角外半径内半径方案高程中心角外半径内半径 62080 147 79142 9962075 163 93158 93 60080 131 0119 260075 138 1126 42 58080 109 993 758075 115 398 97 56080 84 264 956075 88 769 16 54080 55 733 954075 58 436 86 方 案 一 53280 53 2831 28 方 案 二 53275 56 26234 262 方62085 147 06142 06方62090 140 813508 毕业设计 19 60085 124 1112 4260090 134 35122 67 58085 103 887 4758090 104 988 57 56085 79 359 7656090 87 768 16 54085 51 429 8654090 71 449 86 案 三 53285 50 69628 696 案 四 53290 65 843 8 62080 147 79115 4 60080 130 7118 4 58080 109 292 5 56080 84 264 4 54080 55 434 方 案 五 53280 53 2831 28 4 2 34 2 3 拱圈的平面布置拱圈的平面布置 拱坝平面布置的方法及步骤如下 定出坝址 可利用基岩面等高线地形图 这个工作前面已经作完 定出拱坝的对称中心线 该中心线即为顶拱外弧对应弦的垂直平分线 做法 将顶拱外弧 拱坝轴线 和它的垂直平分线绘制在透明纸上 在地形图上移动调整位 置 使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于 30 35 并使两端夹角大致接近 且 注意使拱轴的垂直平分线与河谷中心线大致重合 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛 根据顶拱的厚度可以绘制出内弧 其他拱圈的布置方法 做法 在顶拱的垂直平分线上量取该处的偏距 10 1 2 T 14 9 16 1 13 8 11 7 然后确定一点 再从该处m 1 3 Tm 1 4 Tm 1 5 Tm 1 6 Tm 往回量取外半径的长度 则就确定了该层拱圈的圆心 再根据中心角绘制出来该外弧 和内弧 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵 悬臂梁截片检查 由于该拱坝对称性较好 在左不拱切取三个悬臂 不包括拱 冠梁 检查坝面是否光滑 倒悬度是否满足施工要求 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 根据以上布置的尺寸 计算坝体工程量 以做出不同方案比较的依据 由于拱 坝应力计算程序在进行计算的同时 也算出了坝体工程量 因此 这一步骤也可由计 算机自动完成 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞 上面五个方案的平面布置图如附图所示 其中每个图对应一个方案 从轮廓线 切片的倒悬度以及工程量判断 得出其中较优秀的方案 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 毕业设计 20 5 5 拱坝应力计算和内力计拱坝应力计算和内力计算算 5 15 1 荷载和荷载组合荷载和荷载组合 5 1 15 1 1 荷载荷载 基本荷载主要有 静水压力 泥沙压力 浪压力 自重 水重 扬压力和温度荷 载 特殊荷载主要有 地震荷载 包括动水压力和地震惯性力 地震动土压力 在基本组合中 静水压力 泥沙压力 浪压力在拱梁分载法中由拱梁共同承担 静水压力 泥沙压力 浪压力中静水压力是坝体最主要的荷载 自重 对于分块浇注的混凝土坝 自重全部由悬臂梁承担 并不影响水平径向 荷载的分配 单独计算自重应力 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞 水重 一般假定有梁承担 通过梁的变化考虑对拱的影响 扬压力 对中厚拱坝和厚拱坝应记入扬压力作用 对薄拱坝可不计 当扬压力 对拱座及坝基岩体稳定影响较大时 必须计入其作用 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 温度荷载 包括沿截面厚度的平均温度变化 等效线性温差 非线性温差 m t d t n t 一般情况下不考虑 对于一般中小型工程也可不考虑 在本设计中只考虑 俦聹 n t d t m t 执償閏号燴鈿膽賾 荷载的具体计算方法见应力计算过程中的公式一栏 地震荷载 拱坝的地震荷载主要包括地震惯性力 地震动水压力和地震动土压力 地震时 震波可能来自任何方向 但对拱坝影响而言 以水平方向的地震力为最大 其中又以顺河流方向和垂直河流方向的地震力最为主要 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜 5 1 25 1 2 荷载的组合荷载的组合 5 1 2 15 1 2 1 基本组合基本组合 水库正常蓄水位 设计正常温降情况 计算荷载有 自重 扬压力 泥沙压力 水压力 温降荷载 这种情况为坝体应 力控制条件 水库运行最低水位 死水位 设计正常温升情况 毕业设计 21 计算荷载有 自重 扬压力 泥沙压力 水压力和相应的设计正常温升时的温度 荷载 这种情况为坝肩稳定控制条件 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤 5 1 2 25 1 2 2 特殊组合特殊组合 非常泄洪 校核洪水位 设计正常温升情况 计算荷载有 自重 静水压力 泥沙压力和设计正常温升的温度荷载 这种情况 为坝肩稳定的控制条件 基本组合 地震荷载 由于时间关系 省略浪压力和地震荷载 只计算基本组合 和特殊组合 癱噴导閽骋艳捣 靨骢鍵 5 25 2 应力计算方法 拱冠梁法 应力计算方法 拱冠梁法 5 2 15 2 1 拱冠梁法的基本原理拱冠梁法的基本原理 拱冠梁法是一种简化了的拱梁分载法 就是沿高程将坝体分成 5 7 层 在每层内 取 1 米高度的水平拱圈 以及取中面宽度为 1 米的拱冠梁作为计算单元 根据两者交 点处的径向变位一致条件建立荷载分配方程组 求解拱梁中的径向荷载分配比例 并 假定荷载沿拱圈均匀分布 以一根在拱冠的悬臂梁分配到的荷载代表全部悬臂梁的受 力情况 各拱圈分布到的荷载仍为径向荷载 且从拱冠到拱圈均匀分布 采用分段施 工时 则自重已由梁在封拱前单独承担 通过拱圈变位考虑对梁的影响 在进行拱梁 分载后计算应力时 自重 水沙重 扬压力等全部由梁承担 鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐 5 2 25 2 2 拱冠梁法的主要步骤拱冠梁法的主要步骤 选定若干拱圈 5 7 圈 分别计算各拱圈以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向 荷载作用下的变位 这些变位即为变位系数 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴 根据各个交点拱梁径向变位协调的关系以及各点拱梁荷载之和应等于总荷载强 度的要求建立变位协调方程组 逊输吴贝义鲽國鳩犹騸 将上述方程组联立求解 可以得到各点的拱梁荷载分配 根据求出的荷载分配值分别计算拱冠梁与各拱圈的内力和应力 拱冠梁法按其荷载分配的计算方法不同可分为试载法和解联立方程法两种 毕业设计 22 5 35 3 应力和内力计算过程应力和内力计算过程 计算方法 利用 Excel 解联立方程法 下面只打出所选方案的设计水位 温降的应力和校核水位 温升的拱端的内力 5 3 15 3 1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位 w i 拱冠梁的截面常数 梁自重及其弯矩 水重及其弯矩 淤沙重及其弯矩 扬压 力及其弯矩等项目的计算 详见表 5 1 参数意义如图 5 1 所示 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉 的计算表详见表 5 2 w i 毕业设计 23 重心 上核点 形心中心 下游水位 上游水位 T KdKu ad au b gbbgb b ga bga e1 hd下 Dh hu上 hu下 eu Da g DTd Dag DTu 中心 形心 上核点 e e b h1 hu hd DSd DSU T Rd rRU 形心 Ds 1 0 e ad a 图 5 1 拱冠梁参数意义示意图 毕业设计 24 截 面 分 类 名称及算式 123456 计算高程 620600580560540532 拱厚T5 011 716 319 521 522 外半径 u R156 25131 0109 984 255 753 28 外半径 d R151 25119 393 664 933 931 28 平均半径 r 2 u R d R153 75125 1 101 7 5 74 4544 9542 28 rT 0 0330 09430 1600 2620 4780 52 中线弧长S 111111 外弧长 r R SS u u 1 0161 0471 0801 1301 2401 260 内弧长 r R SS d d 0 9840 9530 9200 8700 7610 740 梁截面面积TSA 4 811 716 319 521 522 梁截面惯性矩 S r T TI 2 12 1 3 12 1 1 10 417133 47360 90617 91828 20 887 3 3 形心偏心距 r T e 12 2 1 0 01360 0910 2180 4260 8570 953 形心至上游面的距离 1 2 e T au 2 4875 7597 9329 3249 89311 形心至下游面的距离 1 2 e T ad 2 5135 9418 36810 17611 60711 5 不 拱 冠 梁 截 面 常 数 上核点至上游面的距离 r T u T K 6 2 1 6583 8405 2926 2286 6386 748 毕业设计 25 表表 5 15 1 垂直力的求解表垂直力的求解表 表表 5 15 1 垂直力的求解表垂直力的求解表 截 面 分 类 名称及算式 123456 下核点至下游面的距离 r T d T K 6 2 1 6783 9615 5826 7977 7878 29 形心至上核点的距离 uuu Kae 0 829 1 919 2 640 3 097 3 256 4 251 分段高度h 202020208 分块上游面水平投影 u T 104 91 2 2 3 2 1 分块顶底形心的水平距离 下上uuug aTaa 6 7282 7644 0 1919 2 869 2 253 拱 冠 梁 截 面 常 数 分块重心至分块底形心水平距 下上 下上 TT TTa a g g 3 2 2 9141 289 0 093 1 411 1 122 分块平均截面积 下上 AAA 2 1 8 251417 920 5521 8 分块重 ms AhW 39606720859298404176 分块重对块底形心的弯矩 gss aWM 115398659 2 800 13884 0 4686 2 分块累计弯矩 ss MM 01153920198193985514827 7 累计重量 ss WW 03960106801927229112332228 块顶自重对块底形心的弯矩 下上gss aWM 0010797 2050 55284 65589 累计弯矩 ss MM 001107968746 46538 112128 自 重 及 其 弯 矩 自重总弯矩 sss MMM 0115393099528144 41024 111300 毕业设计 26 续表续表 5 15 1 截 面 分 类 名称及算式 123456 截面至水面深度 u h019 539 559 579 587 5 平均水深 2 1 下上uuu hhh 9 7529 549 569 583 5 分块上游面的水面宽度 u T 8 34 91 2 2 3 2 1 平均弧长 2 1 下上uuu SSS 1 0321 0631 1051 1861 250 分块三角形水重 uuuuwwa SThhW 2 1 上下 1006521 07132 66 272 5 104 9 块顶上矩形水重 uuuwwb SThW 上 01016524 1621 2086 分块水重 wbwaw WWW 10061537656 1894 2191 累积水重 从上而 ww WW 下 0 0001006254231991035 886 三角形水重重心到块底形心的距离 3 1 uuga Tab 下 2 992 6 299 8 924 10 659 10 746 矩形水重重心到块底形心的距离 3 1 uugb Tab 下 1 609 5 482 8 724 11 041 11 096 三角形水重对块底形心的弯矩 gawawa bWM 3009 33282 2 1183 9 2905 1128 矩形水重对块底形心的弯矩 gbwbwb bWM 0 000 5570 6 4571 7 17909 23149 7 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算 改正值 gwwc aWM 上 0 000 2742 488 9178 2940 上 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 每块水重对底部形心的总弯 3009 11595 5268 29992 27218 1 毕业设计 27 wcwbwaw MMMM 续表续表 5 15 1 截 面 分 类 名称及算式 123456 累积水重的弯矩 从上向下 ww MM 0 000 300914604 19872 10121 37339 截面至水面深度 d h000010 0518 05 平均水深 2 1 下上ddd hhh 0005 02514 05 分块上游面的水面宽度 d T 1 92 4 平均弧长 2 1 下上ddd SSS 0 968 0 937 0 895 0 814 0 748 分块三角形水重 ddddwwa SThhW 2 1 上下 0 000 0 000 0 000 77 633 72 833 块顶上矩形水重 dddwwb SThW 上 0 000 0 000 0 000 0 000 180 9 分块水重 wbwaw WWW 0 000 0 000 0 000 77 8253 0 累积水重 从上 ww WW 而下 000077 8 330 8 三角形水重重心到块底形心的距离 3 1 ddga Tab 下 5 941 8 367 10 17510 973 11 154 矩形水重重心到块底形心的距离 2 1 ddgb Tab 下 5 941 8 367 10 175 10 656 10 754 三角形水重对块底形心的弯矩 gawawa bWM 0 000 0 000 0 000 853 82 803 4 矩形水重对块底形心的弯矩 gbwbwb bWM 0 000 0 000 0 000 0 000 1946 2 下 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算0 0000 0000 000 0 000 175 061 毕业设计 28 改正值 gwwc aWM 上 续表续表 5 15 1 截 面 分类名称及算式 123456 每块水重对底部形心的总弯矩 wcwbwaw MMMM 0 000 0 000 0 000 853 8212574 4 累积水重的弯矩 从上向下 ww MM 0 000 0 000 0 000 0 000 853 821 3428 2 浮托力AhW dwu 1 0 000 0 000 0 000 0 000 2160 3971 渗透压力 6 12 1 1 r T AhhW duwu 0 000 1158 3305 6054 8061 8302 扬压力 1 11uuu WWW 0 000 1158 3305 6054 8061 8302 浮托力对块底形心弯矩 1u M 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 渗透压力对块底形心的力矩 uuu eWM 1 1 0 000 2222 84 2 8762 92 5 18746 2 7 26242 6 78 23979 4 8 无 防 渗 排 水 时 的 扬 压 力 扬压力力矩 1 11uuu MMM 0 000 2222 84 2 8762 92 5 18746 2 7 26242 6 78 23979 4 8 排水点之上游面的距离 u b 6 5 防渗排水后水头折减系数 0 3 防渗排水减少的水头 1 1 T b hhh u du 28 095 防渗排水减少的弯矩 1 2 2 1 ThMu 309 2 扬 压 力 及 其 弯 矩 设 防 渗 排 水 时 的 扬 压 防渗排水减少的渗透压力的力臂 uuu abTe 3 1 2 0 546 毕业设计 29 力 防渗排水减少的弯矩 2 2 2uuu eWM 168 77 续表续表 5 15 1 截 面 分类名称及算式 123456 防渗排水时的扬压力 21uuu WWW 0 000 1158 3305 6054 10221 11963 设防渗排水时的扬压力的弯矩 21uuu MMM 0 000 2222 8 8726 18746 26884 27132 总垂直力 uwws WWWWW 0 000 3833 99931 9 16409 20256 20947 总 计 总垂直力弯矩 uwws MMMMM 0 000 161755358566157 28192 118395 注 1 单位 力为 弯矩为 长度为 截面面积为 截面惯性矩为 kNmkN m 2 m 4 m 2 形心水平距离以块顶形心对块底形心偏向下游为正 偏向上游为负 力的符号 以向下为正 向上为负 弯矩 顺时针方向为正 反时针方向为负 上下游面的 分段水平长上游面以指向下游为正 指向上游为负 而下游面则相反 誦终决懷区馱倆 侧澩赜 3 分别为水和混凝土的容重 mw 毕业设计 30 5 25 2 垂直力作用下的径向变位系数垂直力作用下的径向变位系数 单位 单位 w i m Em w 1 w 2 w 3 w 4 w 5 w 6 径向变位 系 数 乘积 系 数 乘积 系 数 乘积 系 数 乘积 系 数 乘积 系 数 乘积 0 1 2 1 I h M 0 25000000 47254 2 2 2 I h M 1472540 25118130000 60498 3 2 3 I h M 21209961604980 2515125000 44172 4 2 4 I h M 31325162883431441720 251104200 13061 5 2 5 I h M 2 59 338291 89 241861 19 155430 49 64000 04 5220 53371 6 2 6 I h M 0 84 448320 64 341580 44 234830 24 128090 04 21350 26663 2 6 61 T hMKn 4 4 117319 3 4 906562 4 639921 4 373290 4 106650 3606 6 65 T