某江水利枢纽—薄双曲拱坝设计【含CAD图纸、说明书】
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含CAD图纸、说明书
江水
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A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计1目目 录录第一章第一章 调洪演算调洪演算 .11.1 调洪演算的原理.11.2 泄洪方案的选择.11.1.1 对以下三种方案进行调洪演算.11.1.2 泄流方案的选择.31.1.3 计算方案二的坝高.4第二章第二章 大坝工程量比较大坝工程量比较 .62.1 大坝剖面设计计算.62.2 工程量比较.11第三章第三章 第一建筑物第一建筑物大坝的设计计算大坝的设计计算 .133.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置.133.2 荷载组合.153.3 拱坝的应力计算.153.3.1 对荷载组合，使用 FORTRAN 程序进行电算.153.3.2 对荷载组合进行手算.183.4 坝肩稳定验算.303.4.1 验算原理.303.4.2 验算工况.313.4.3 验算过程及结果.31第四章第四章 泄水建筑物设计泄水建筑物设计 .364.1 泄水建筑物的型式尺寸.364.2 坝身进水口设计.364.3 泄槽设计计算.374.4 导墙设计.384.5 消能防冲计算.38参考参考文文献献 .42附录一附录一 .43附录二附录二 .44A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计1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，库水位又相对比较低。1.2 泄洪方案的选择1.1.1 对以下三种方案进行调洪演算4 表孔+2 中孔2 浅孔+2 中孔4 中孔方案一: 4 表孔+2 中孔表孔: 堰顶高程 179m，孔宽 12m23211)2(HgmBQ (1-1)式中：m=0.48 B=412=48m H 为泄孔中心水头中孔: 进口高程 135m, 出口高程 130m, 孔口宽 7.5m, 高 7.5m 2102)2( gHuaBQ (1-2) 式中：闸门开度 a=7.5m H0为泄孔中心水头孔口宽度 B=27.5=15m A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计20/227. 096. 0Hau(1-3) 表 1-1 4 表孔+2 中孔调洪演算水位182186190194H0371115m0.480.480.480.48表孔Q1530.29051890.0753723.245928.828空中心线 H048.2552.2556.2560.25侧收系数 u0.9247150.9274160.9297330.931743中孔流量 Q23200.83340.5653474.7353603.932Q1+Q23731.0915230.647197.9759532.76Q1+Q2+3384069.0915568.647535.9759870.76起调流量 4609.091m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，4 表孔+2 中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量: 设计 6420 m3/s校核 7400 m3/s最高水位: 设计 187.4m校核 189.4m方案二: 2 浅孔+2 中孔浅孔: 进口高程 164 米, 出口高程 154 米, 孔口宽 8.5 米, 高 8.8 米 , a=8.8m , B=8.52=17m2102)2( gHuaBQ 0/227. 096. 0Hau 中孔: 进口高程 135 米, 出口高程 130 米, 孔口宽 7.5 米, 高 7.2 米 , a=7.5m, B=7.52=15m2102)2( gHuaBQ 0/227. 096. 0Hau表 1-2 浅孔+2 中孔调洪演算水位182186190194孔中心线 H023.627.631.635.6侧收缩系数 U0.8753560.8892680.8982220.905163浅孔Q12817.8753095.7683345.8633578.762空中心线 H048.452.456.460.4侧收系数 u0.9262310.9288090.9310210.93294中孔流量 Q23082.5883216.3653344.8173468.531Q1+Q25900.4636312.1336690.687047.294Q1+Q2+3386238.4636650.1337028.687385.294起调流量 6238.463m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，2 浅孔+2 中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计3最大泄洪流量: 设计 6550 m3/s校核 7050 m3/s最高水位: 设计 184.80m校核 188.40m方案三: 4 中孔中孔: 进口高程 135 米, 出口高程 130 米, 孔口宽 7.5 米, 高 7.0 米 , a=7.0m, B=7.54=30m2102)2( gHuaBQ 0/227. 096. 0Hau表 1-3 4 中孔调洪演算水位182186190194空中心线 H048.552.556.560.5侧收系数 u0.9272370.9297330.9318760.933736中孔流量 Q16006.6246266.2376515.5526755.76344.6246604.2376853.5527093.7起调流量 6344.624m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，4 中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：最大泄洪流量: 设计 6550 m3/s校核 6850 m3/s最高水位: 设计 185.0m校核 188.8m1.1.2 泄流方案的选择由下游容许下泄流量在设计情况下为 6750 m3/s,校核情况下为 7750 m3/s.方案一使得坝体堰顶以上失去空间结构作用，而方案三开孔过多，拱圈削弱过多，方案二水头最小，坝高也就最小，节省工程量。选择泄洪防方案，即设置两浅孔，孔口尺寸为 8.58.8m，进口底高程为 164m，出口底高程 154m，两中孔，孔口尺寸为 7.5m7.2m，进口底高程为 135m，出口底高程为 130m。设计洪水时，设计水位为 184.8m，下泄流量为 6550m3/s，小于允许流量 6750m3/s,。校核洪水时，校核洪水位为 188.4m，下泄流量为 7050m3/s，小于允许下泄流量 7750 m3/s。A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计41.1.3 计算方案二的坝高 坝顶超出水库静水位的高度h 为 czhhhh12(1-4)式中： 2h1波浪高度 hz波浪中心线高出静水位的高度 hc安全超高 正常运用条件下，利用官厅公式 V0=20 m/s ,Hm=184.8-92=92.8 m , 20VgD=68 在 20-250 以内=1.113phgVVgdV203/12012/10)(076. 0(1-5)假设，=1.95，hm=0.57, =1.380Hmhm%5P%1hLm =11.38gVVgDV/)(331. 02075. 3/12025. 2/10Hz =0.52LmhcthLmh22%1正常情况下 hc=0.7h=21.38+0.526+0.7=3.986设计洪水位坝顶高程=184.8+3.986=188.79m校核情况下，Hm=188.4-92=96.4mhp=0.588,hm=0.344,h1%=0.832,gVVgdV203/12012/10)(076. 0Lm=6.835gVVgDV/)(331. 02075. 3/12025. 2/10hz=0.318mLmhcthLmh22%1A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计5h=20.832+0.318+0.5=2.48校核洪水位坝顶高程=188.4+2.482=190.88m两者取其大的:故坝顶高程定为 190.88 米A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计6第二章 大坝工程量比较2.1 大坝剖面设计计算混凝土重力坝：坝前最大水深 H=188.4-92=96.4m最大坝高为 190.88-92=98.88m基本剖面按应力条件确定坝底最小宽度2110)/(cHB(2-1)式中 c=24kN/m3 0=10kN/m3 扬压力折减系数 1取 0.25则 B=96.4/(24/10-0.25) 1/2=65.74m 按稳定条件确定坝底最小宽度 )/(/10cfKHB(2-2)式中 K=1.10 f=0.7 =0 1=0.25 则 B=1.196.4/0.7(24/10+0-0.25)=70.46m综合，取坝底最小宽度 B=71m实用剖面坝顶宽度：取坝高的 810%，即（810%）98.88=(7.91049.888)m,取为 10m下游坡度为 H/B=98.88/71=1:0.72 上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的 1/32/3 范围内，即（1/32/3）98.88=(32.9665.92)m,取为 40m。上游折坡的坡度取为 1：0.15坝底宽度为 71+400.15=77mA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计7图 2-1 重力坝剖面图（单位：m）(三) 排水位置设计洪水最大下泄流量为 6550m3/s，则 Z下=114m，水头 H=184.8-114=70.8m廊道上游壁到上游坝面距离不小于 0.050.1 倍水头，且不小于 45m， 即 （0.050.1）70.8=(3.547.08)m,取为 5m。(四)荷载计算坝体自重W1=1/264024=2880 kN/mW2=1098.8824=23731 kN/mW3=1/261(98.88-13.93)24=62183 kN/mW= W1+ W2+ W3=88794 kN/m(2-3)水压力垂直水压力W水上=1/26（184.8-132）+(184.8-92)10=4368kN/mA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计8W水下=1/2(114-92)20.7210=1742.4kN/m水平水压力P上=1/20H上2=1/210(184.8-92)2=43059.2 kN/m P下=1/20H下2=1/210(114 -92)2=2420 kN/m扬压力图 2-2 扬压力计算简图 H上=184.8-92=92.8m H下=114-92=22m0H上=1092.8=928 kN/m20H下=1022=220 kN/m20H=0H上-0H下=708 kN/m20H=0.25708=177 kN/m2U=77220=16940kN/mU=1/211(708+177)=4867.5 kN/mU=1/266177=5841 kN/mU= U+ U+ U=27648.5 kN/m(2-4) 浪压力 PL=0（LL+2hL+h0）LL/2-0LL2/2=10(6.8+1.4+0.45) 6.8/2-(2-5)A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计9106.82/2=62.9 kN/m 泥沙压力 垂直泥沙压力 Pn=1.21/22320.158.5=404.685 kN/m 水平泥沙压力 Ph=1/2nhn2tg2(45o-n/2) (2-6)式中 n=8.5kN/m3 hn=115-92=23m n =10o 故 Ph=1/28.5202tg2(45o-10o/2)=1582.4kN/m稳定校核 K=f(W-U)/ P=0.7 (88794+4368+1742.4+404.685-27648.5)/(43059.2-2420+62.9+1582.4)=1.12K (2-7)稳定满足要求。应力分析（取坝基面） 水平截面上的边缘正应力 y和 ”yy= W/B+6M/B2(2-8)”y= W/B-6M/B2 (2-9) 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（逆时针为正） B计算截面沿上下游方向的宽度 W1=2880kN(下) LW1=38.5-62/3=34.5m MW1=288034.5=99360kNmW2=23731 kN(下) LW2=38.5-6-5=27.5m A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计10MW2=2373127.5=652602kNmW3=62183 kN(下) LW3=612/3-38=2.667m MW3=621832.667=165842 kNmW水上=4368 kN(下) LW 水上= -(252.8+92.8)/(352.8+392.8)6+38.5=35.8 M W 水上=436835.8=157018.8kNmW水下=1742.4 kN(下) L W 水下=38.5-220.721/3=33.2m M W 水下= -1742.433.2= -57882.54 kNmP上=43059.2kN (右) L P 上=92.81/3=30.93m M P 上= -43059.230.93= -1331821kNmP下=2420kN (左) L P 下=221/3=7.3m M P 下=24207.3=17666kNmU=16940kN(上) L U=0 M U=0U=4867.5 kN(上) L U=38.5-(2177+708)/(3177+3708)11=34.1 m M U= -4867.534.1= -165981.75 kNmU=5741 kN(上) LU=662/3-38.5=5.5m MU=57415.5=31575.5 kNmW=67255.9 kN M= -431621.79 kNm y=67255.9/77+6(-431621.79)/772=436.7kpa”y=67255.9/77-6(-431621.79)/772=1310.24kpa 边缘剪应力 和 ” =(p-pu-y)n= -y n= -436.70.15= -65.505kpa ”=(”y +pu”-p”)m=”y m=1310.240.72=943.37kpa 铅直截面上的边缘正应力 x和 ”x x=(p-pu)-(p-pu-y)n2=yn2=436.70.152=9.83kpa ”x=(p”-pu”)+(”y +pu”-p”)m2=”y m2=1310.240.722=679.23kpaA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计11 上游边缘主应力 1和 2 1=(1+n2)y -( p-pu)n2=(1+0.152) 436.7=446.53kpa 2= p-pu=0 下游边缘主应力 ”1和 ”2 ”1=(1+m2)”y -( p”-pu”)m2=(1+0.722) 1310.24=1989.47kpa ”2= p”-pu”=0没有出现拉应力，故应力满足要求。2.2 工程量比较比较重力坝和拱坝的工程量：重力坝工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算：V=H/6L13b+(m1+m2)H+L23b+2(m1+m2)H (2-10)第块 L1=180m L2=82m b=71-400.72=42.2m m1=0.15 m2=0.72 H=40m V=40/6180342.2+(0.15+0.72)40+82342.2+2(0.15+0.72)40=324198m3第块 L1=257m L2=180m b=10m m1=0.15 m2=0.72 H=44.95m V=44.95/6257310+(0+0.72)44.95+180310+2(0+0.72)45.95=249755m3第块 L1=302m L2=257m b=10m m1=0 m2=0 H=13.93m A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计12V=13.93/6302310+(0+0)13.93+257310+2(0+0)13.93=38934.4m3重力坝工程量:V1= V+ V+ V=324198+249755+38934.4=612887.4 m3拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算：V=(A上+A下) h/2 (2-11)A1=（2002-191.52）100.5/360=2918.4m2A2=（1682-1552）97/360=3554.3m2A3=（1402-122.7542）99/360=3914.7.5m2A4=（1102-88.382）87/360=3256.2m2A5=（702-442）68/360=1758.8m2V=（A1 +A2）h/2=(2818.4+3554.3) 24.72/2=78766.57m3V=（A2 +A3）h/2=(3554.3+3914.75) 24.72/2=92317.5m3V=（A3 +A4）h/2=(3914.75+3256.2) 24.72/2=88632.9m3V=（A4 +A5）h/2=(3256.2+1758.8) 24.72/2=61985.4 m3拱坝工程量:V2= V+ V+ V+ V=321702.37m3经比较，拱坝较重力坝可节约工程量（V1- V2）/ V1=（612887.4-321702.37）/612887.4=47.5。故采用拱坝比较经济合理。 A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计13第三章 第一建筑物大坝的设计计算3.1 拱坝形式尺寸及拱坝布置V 形河谷或其它上宽下窄的河谷，若采用定半径式拱坝，其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求，此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小，以使上下各层拱圈的中心角基本相等，并在铅直向设计成一定曲率，形成变半径等中心角双曲拱坝，而做到上下层拱圈的中心角相等很困难，故采用变半径变中心角的双曲拱坝.3.1.2 拱坝的尺寸坝顶的厚度 Tc =0.01(98.88+2302)=8.23=35m )2(01. 01bH minT(3-1)= 0.01(98.88+2.4302)=8.23m )4 . 2(01. 01bHTc(3-2)取=8.5mcT坝底的厚度cT /)(21abHbbKT(3-3) 式中 K=0.35,分别为第一，第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离=302m 1b4b1b=170m 4bH=98.88m=655t/m3 a=0.35(302+170) 98.88/655=24.94m 取=26mbTbT上游面的曲线采用二次抛物线 /)(21abHbbKT(3-4)A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计14 221)/()/(HyxHyxz式中 x1=21x2 x2=2TB/(21-1) 1=0.60.65 2=0.30.6取 1=0.62 2=0.3 则x2=0.3276 (20.62-1)=32.5 x1=20.6232.5=40.3上游面的曲线方程为 z= -40.3y/98.88+32.5(y/98.88)2下游面的曲线按 Tc，TB沿高程线性内插。设第 i 层拱圈的厚度为 Ti 则=8.5+(26-8.5)/98.88yi =0.1769yi HyTTTTicbci/)(+8.5 (3-5)图 3-1 拱冠梁示意图表 3-1 各层拱圈的形体参数（单位：m）层12345高程190.88166.16141.44116.7292纵坐标 y024.7249.4474.1698.88上游面横坐标 z10-8.047-12.037-11.969-7.843拱厚 Ti8.512.87317.24621.61926下游面横坐标 z28.54.82585.209319.6503118.157A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计15图 3-2 拱冠梁横剖面图（单位：m）3.2 荷载组合正常水位+温降设计水位+温升校核水位+温升正常水位+温降+地震3.3 拱坝的应力计算3.3.1 对荷载组合，使用 FORTRAN 程序进行电算正常水位+温降 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= 7.63 HS= 75.88 X1= 40.30 X2= 32.50 DESIGN POINT 0 图 3-2 拱冠梁横剖面图（单位：m）A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计16 X1= 40.3000 X2= 32.5000 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 151.00 8.50 195.75 2 24.72 45.00 122.00 12.87 161.56 3 49.44 45.00 103.00 17.25 131.38 4 74.16 45.00 76.00 21.62 108.19 5 90.88 45.00 42.50 26.00 66.50 LEVEL SM= SS= 1 213.20 122.56 87.76 253.57 .00 .00 .00 .00 2 248.30 89.58 38.28 211.08 41.30 69.39 -18.56 118.88 3 220.98 44.78 1.71 162.94 44.75 157.21 16.33 164.04 4 139.03 -27.11 -49.09 82.19 -15.80 285.87 158.04 87.57 5 81.77 -49.54 -32.83 44.11 -67.80 361.16 296.87 -39.09 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .040292 .000357 7.27 .00 2 .031299 .000406 13.75 1.15 3 .020511 .000451 18.51 2.55 4 .009045 .000347 15.53 5.80 5 .003066 .000173 20.91 22.52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= 6.08 HS= 75.88 X1= 40.30 X2= 32.50 DESIGN POINT 0 X1= 40.3000 X2= 32.5000 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 151.00 8.50 195.75 2 24.72 45.00 122.00 12.87 161.56 3 49.44 45.00 103.00 17.25 131.38 4 74.16 45.00 76.00 21.62 108.19 5 90.88 45.00 42.50 26.00 66.50 LEVEL SM= A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计17SS= 1 245.62 188.33 166.33 271.14 .00 .00 .00 .00 2 254.71 144.51 108.89 226.56 66.70 44.39 -18.56 118.88 3 230.04 98.72 66.62 184.40 85.82 115.84 16.33 164.04 4 159.29 30.60 13.57 113.30 43.45 223.62 158.04 87.57 5 107.12 -2.15 11.76 73.73 18.89 262.81 296.87 -39.09 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .025607 .000141 9.31 .00 2 .021881 .000216 15.86 .64 3 .015455 .000308 21.84 2.09 4 .007148 .000260 21.41 4.49 5 .002665 .000132 30.18 17.56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= 2.42 HS= 75.88 X1= 40.30 X2= 32.50 DESIGN POINT 0 X1= 40.3000 X2= 32.5000 LEVEL HI AF SL T R 1 .00 45.00 151.00 8.50 195.75 2 24.72 45.00 122.00 12.87 161.56 3 49.44 45.00 103.00 17.25 131.38 4 74.16 45.00 76.00 21.62 108.19 5 90.88 45.00 42.50 26.00 66.50 LEVEL SM= SS= 1 277.85 210.17 184.18 308.00 .00 .00 .00 .00 2 286.08 159.10 118.07 254.33 73.31 40.17 -18.56 118.88 3 253.27 106.11 70.14 202.93 79.82 125.75 16.33 164.04 4 171.36 30.74 12.14 121.88 21.78 249.31 158.04 87.57 5 113.24 -3.83 11.08 78.18 -8.03 294.46 296.87 A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计18-39.09 LEVEL DISPLASE PA PAT 1 .030236 .000193 10.47 .00 2 .025197 .000273 17.70 .80 3 .017307 .000361 23.92 2.33 4 .007803 .000291 22.90 4.88 5 .002851 .000146 31.84 19.223.3.2 对荷载组合进行手算拱冠梁法计算应力的变形协调方程：iiiiiiiiiiiBApxxaxaaxaxa554432211(3-6) 式中：单位荷载作用在梁上 j 点使 i 点产生的径向变位，称为梁的变位ija系数； 在单位均匀径向水平荷载作用下，第 i 层拱圈拱冠处的径向变位，i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；iA 作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁上 i 点的径向变位；iB 、分别为 i 层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载。ipix i=1，2，3，4，51拱圈变位系数的计算及均匀温降 时的 Ai的计算i )/(0ciER(3-7)式中：0可由拱圈的 A、T/R 查表 4-7（沈长松编拱坝 ）得出； EC混凝土的弹性模量，取 2.2106； R第 i 层拱圈的平均半径。 )(0RCAi(3-8)式中：0可由拱圈的 A、T/R 查表 4-8（沈长松编拱坝 ）得出； R第 i 层拱圈的平均半径； C坝身材料线胀系数，取 0.810-5；第 i 层拱圈的均匀温度下降值。A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计19 (oC) )39. 3/(47T(3-9) T第 i 层拱圈的拱厚。和计算见表 3-2iiAA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计20表 3-2 各层拱圈的 i与 Ai的结果截面高程拱厚 T半径 R半中心角Aoi /Ec均匀温降R*C*Ai1190.98.5195.7550-51.358-100533.950.00619-1.8360.0113624985.32166.212.873161.5648.5-27.206-4395.42.890.00374-1.7590.0065714454.73141.417.246131.37749.5-17.666-2320.92.280.0024-1.6570.003978735.534116.721.619109.1943.5-10.964-1197.21.880.00164-1.3220.002174776.23592265734-3.2419-184.791.60.00073-0.4960.00036796.14A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计212.垂直荷载作用下引起的梁的径向变位 Bi的计算垂直荷载作用下拱冠梁各截面的 M/ECI（弯矩以顺时针为正）的计算见附表第四页“垂直荷载作用下各截面的 M/ECI 的计算” 。表 3-3 垂直荷载作用下各截面的 M/ECI 的计算计算项目拱冠粱计算截面编号序号类别符号名称单位123451h分段高度米24.7224.7224.7224.722Su上游高度米1.021.0391.0661.1091.2284Da形心距下游距离米4.256.43658.62310.8095135ua形心距上游距离米4.256.43658.62310.8095138aI截面惯性矩4米51.17177.67426.83842.031412.6101W分块自重吨0633.98893.481152.741433.17111M分块自重对形心力矩吨米01730.76766.61-1250.72-4323.9713 拱冠梁基本尺寸1M自重引起的力矩吨米01730.73767.31-1054.7-22306.82(2) 垂直荷载作用下由于梁本身弯曲引起的变位 BiI iiiyB(3-10)式中： i垂直荷载作用下 i 截面以下 M/ECI 图的面积；yii面积形心至 i 截面的距离。A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计22表 3-4 竖直方向荷载(水重)引起拱冠梁的径向变位 BiI端面号各层水重各截面弯矩iyi1/Ec5-544.5004-4209.4131600.24-32.0823-31910-1642.0840.5362.244.0-1065.33037.871-10-207.685010.64图 3-3 M/I 图(3) 拱冠梁梁基力系作用下，地基产生角变 x 及径变 f，由于地基变形而使拱冠梁随着产生变位，按几何关系可知，距梁基高为 hi处梁上某截面 I 处的径向变位为 Bi: iixihB(3-11)仅垂直荷载时x= Mx f= Mx2 (3-12)取拱坝 Ec=Er=22105t/m2，即 n=1 =5.62/（EcT2）n=5.62/(262Ec)=0.0083/EcA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计232=0.74/(26Ec)=0.0825/EcMx=1600.24= 1600.240.0083/Ec= 13.28/Ecx=1600.240.74/(26Ec)=45.61/Eci=13.28hi / Ec +45.61(1/Ec)iB表 3-5 地基变形产生径向变位为iB截面编号54321ih024.7249.4474.1698.88iB45.61-314.529230.57162100.11843745.1012(4)将和迭加得iBiBiB iiiBBB(3-13)表 3-6 竖直荷载引起的径向变位截面编号54321hi024.7249.4474.1698.88Bi (1/Ec)-45.61-282.177-609.964-937.7516-1265.539Bi(1/Ec)0-32.082840.5363037.875010.64Bi (1/Ec-45.61-314.259230.57162100.11843745.1012（5）梁变位系数的计算结果：ija表 3-7 梁变位系数ijaa116099.326a213615.288a311743.009a41607.7866a5176.2088a128231.207a225407.068a322793.362a421017.987a52140.5501a133978.417a232866.043a331740.854a43720.5964a53123.3011a141428.296a241014.734a34758.224a44413.7208a54105.8641a15222.8196a25181.3184a35139.8397a4598.36092a5547.1393（6）计算 pi 正常水位 183.75m H1=183.25-166.16=17.09m 水库淤积高程 115mp1=0p2=wH1=119=17.09t/m2(3-14)A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计24p3=wH2=1(17.09+24.72)=41.81t/m2p4=wH3=1(41.81+24.72)=66.53 t/m2p5w=wH4=1(66.53+24.72)=91.25 t/m2p5s=shstg2(45o-s/2)=0.8523tg2(45o-10o/2)=13.76 t/m2p5= p5w+p5s=91.25+13.76=105.01t/m2（7）根据列出五iiiiiiiiiiiBApxxaxaaxaxa554432211元一次方程组：16152.626x1+8231.207x2+3978.417x3+1428.296x4+222.8196x5=28730.383615.288x1+9802.458x2+2866.403x3+1014.734x4+181.3184x5=91671.9891743x1+2793.362x2+4061.784x3+758.224x4+139.84x5=106004.2856607.7866x1+1017.987x2+720.5964x3+1501.26x4+98.361x5=76378.2428476.2088x1+140.551x2+123.3x3+105.86x4+231.93x5=20155.1489求解此五元一次方程组得：梁所受的荷载：x1= -8.03246 x2=1.513587 x3=18.94507 x4=40.05949 x5=60.2679拱所受的荷载：p1-x1=8.03246 p2-x2=17.09-1.513587=15.229 p3-x3=41.81-18.94507=22.865 p4-x4=66.53-40.05949=26.471 p5-x5=105.01-60.2679=44.742图 3-4 拱冠梁荷载图A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计25（8）拱冠梁受水平荷载作用下的弯矩 M水平 ，受垂直荷载及水平荷载共同作用下的弯矩 M 以及应力的计算表 3-8 弯矩 M 以及应力的计算截面编号12345水平荷载产生的弯矩0-1482-1235.9710960.5247547.31自重产生的弯矩01730.763767.31-1054.7-22306.8水重产生的弯矩 t*m0-207.68-1065.3-16421600.24总弯矩41.081466.048263.8226840.73分块自重 t0633.98893.481152.741412.6截面面积8.512.87317.24621.61926截面惯性矩51.17177.67426.83842.031464.7水重44191213.614-44.45累计自重即轴力0633.981527.462680.24092.8N677.981718.462893.8144048.35N/A52.6668299.64398133.8551155.7058M/I0.2312153.4347169.81416318.32507au6.43658.62310.809513ad6.43658.62310.80951351.1786170.0264227.76893-82.520254.15504129.2615239.9413393.9317(9)泥沙，水压产生的应力 = p(t/m2) , 均匀温降产生的应力= EcC(t/m2) 的计算，见表 3-9 和表 3-10uaIMANudaIMANdA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计26表 3-9 水压产生的拱圈应力拱冠拱端上游下游上游下游水平荷载 Pi-xi18.0324630.52296245.174521.14632169.85717.34576139.329134.51256277.2208215.576418.00321280.42548.033462125.13254.42279468.8912721.96582342.1487322.864912.52013286.27193.54438481.042090.75777617.326515.79518361.1557426.47059.22708244.2455-0.17136-4.53599-2.29092-60.641812.07712319.6875544.74212.69944120.7786-0.92434-41.3569-0.55394-24.78442.864536128.1654表 3-10 均匀温降产生的拱圈应力拱冠拱端上游下游上游下游温度荷载169.520.1742412.11316-0.19664-13.6704-0.34592-24.04840.3315623.05005250.8640.29568815.03987-0.36826-18.7312-0.60874-30.9630.5589728.43145340.1280.3714214.90434-0.51129-20.517-0.78506-31.50290.69322627.81777433.0880.4231914.00251-0.64003-21.1773-1.05182-34.80260.7884126.08691528.160.0299760.844124-0.64526-18.1705-0.57833-16.28580.0697481.964104A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计27表 3-11 地震力计算纵向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA175.36460216.8922246.189122.33922316.6604246.189122.33922316.6604186.29180305.3338261.967417.04645-18.0257261.967417.04645-18.0257161.76880423.4356236.09758.601528-304.903236.09758.601528-304.90398.748160488.7153155.5761-20.5615-761.072155.5761-20.5615-761.07222.511090207.979148.1574-31.1291-386.02448.1574-31.1291-386.024纵向地震激荡力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA000000000203.52740236.0276205.98885.566355-161.627205.98885.566355-161.627168.44170337.7542174.0849-2.25218-403.632174.0849-2.25218-403.63285.475980352.99695.19664-19.9827-611.19695.19664-19.9827-611.19621.912870162.646530.21148-25.9277-310.37430.21148-25.9277-310.374横向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA030.603350-135.432-113.787-3427.81135.4322-113.7873427.808031.497220-146.078-117.492-2824.93146.0775-117.4922824.934030.622880-137.616-114.025-2280.66137.6162-114.0252280.656018.631270-101.319-70.476-925.629101.3186-70.476925.6294A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计2806.3490320-47.2619-24.2125-139.32947.26191-24.2125139.3289横向地震惯性力拱冠内力左拱端内力右拱端内力H0V0M0HAVAMAHAVAMA000000000016.2315308.93401-60.2886-1443.38-8.93401-60.28861443.379014.9513608.290935-55.0628-1089.24-8.29094-55.06281089.23807.61508903.524121-27.7056-349.558-3.52412-27.7056349.557603.03204700.754403-9.53214-43.001-0.7544-9.5321443.00095表 3-12 地震应力计算汇总地震应力汇总拱冠应力左拱端应力右拱端应力上游应力下游应力上游应力下游应力上游应力下游应力截面138.642942.61932-245.335271.3955342.4336-252.64249.8829610.68089-135.349186.7454195.0432-101.032333.859424.029389-65.989698.5602786.97113-22.405419.32686-2.28406-26.910641.0627714.8769117.3694654.99819-1.58096-6.573929.0247970.2402029.365674A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计29表 3-13 正常+地震+温降应力汇总正常+温降+地震应力汇总悬臂梁拱冠左拱端右拱端截面上游应力下游应力上游应力下游应力上游应力下游应力上游应力下游应力100295.9306158.8059-130.054571.6663457.714447.63081251.1786154.15504345.3483117.0822-97.4207557.3255232.9715269.5481370.02642129.2625335.035764.55444-80.166487.533772.79474366.5685427.76893239.9413277.5749-27.9974-122.355386.8372-80.5675363.14395-82.5202393.9317126.6209-61.1084-47.6441139.1543-40.83139.4951A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计303.4 坝肩稳定验算3.4.1 验算原理取任一高程单位高度的拱圈进行验算。设滑动面走向与河谷平行，其倾角与岸坡平行，拱端轴力为 Ha，剪力为 Va，用拱梁分载法计算内力时，V 应包括悬臂梁底部的水平力。将拱端轴力 Ha和剪力 Va投影到滑动面上：sincosaaVHS(3-15)cossinaaVHN(3-16)式中：轴力和滑动面的夹角Ha拱端轴向力Va拱端径向力在立视图上，滑动面与垂线的夹角为 ，将 N 分解为平行和垂直拱座面的分力 Q 和 P：cossinGNQ(3-17)UGNPsincos(3-18)式中：岸坡和垂线的夹角 G拱端面上悬臂梁的自重 U拱端面上的扬压力抗滑稳定安全系数计算公式为：SclWfPfKsecsin21 (3-19)式中：K抗滑稳定安全系数 f1滑动面间的摩擦系数 f2节理面间的摩擦系数 W拱端下游岩体的重量 c凝聚力 l滑动面的长度A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计313.4.2 验算工况工况：校核水位+温升；工况：正常水位+温降+地震3.4.3 验算过程及结果3.4.3.1 工况：校核水位+温升表 3-14 水压和温度作用系数计算截面TR半中心角T/R水-ha水-va温-ha温-va18.5195.75500.043421013.802-9.1723.42244.0824212.873161.5648.50.079671010.021-31.753521.0515822.72342317.246131.37749.50.131271003.7-69.145267.6170477.90996421.619109.1943.50.19799886.0054-202.188342.4216312.615652657340.45614576.5219-427.8541330.648886.2184表 3-15 校核情况下拱圈受的水平力：截面Pi-XiTm111.14313.95220.459162.89327.946632.28431.378991.88562.510591.6表 3-16 校核+温升 HA;VA 计算校核+温升 HA;VA 计算均匀水压力均匀温升水压+温升截面HAVAHAVAHAVA12211.368-20.00654.657386735.555552216.025-14.45123338.506-104.95717.2993207818.673173355.805-86.284333685.129-253.8735.64700241.073323720.776-212.79643035.695-692.751123.7127712112.94423159.408-579.80752054.207-1524.49213.5849718142.24872267.792-1382.24A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计32表 3-17 工况情况下各截面稳定因素汇总 单宽梁底径向力边坡角岸坡与垂直线夹角HA 拱轴向合力VA 拱径向合力左轴力与滑动面的夹角右轴力与滑动面夹角滑动面上悬臂梁重滑裂面长度左拱端岩体重右拱端岩体039.80.8761552216.025-14.4515049.5042.5803.251147.5-115.72480.7330383355.805-190.4324847.3570.8664.3651042.71123.2141.29400.8726653720.776-44.661245.242.81820.386.2313961513.2591.83460.7679453159.408-11.6548492588.3108.0951749.61807.91678.9420.8377582267.792481.339565.164.34545.5130351350A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计33表 3-18 工况情况下各截面稳定安全系数左拱端校核+温升截面 112345s1413.172103.5422587.7622104.9881390.492N1706.7632620.7622669.4722355.2341861.528p1092.3282137.7292332.0212229.7231800.438k5.2713034.8776725.860827.93234814.93884右拱端12345s1427.2172135.2682700.7252063.7761417.427N1693.5582595.632559.1882392.9961832.112p1083.8772119.0552262.4742258.1561780.759k5.2149784.7986415.5963668.10108414.64454所有的 K 均大于K=3.0，校核水位+温升工况下，满足稳定要求3.4.3.2 工况：正常水位+温降+地震A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计34表 3-19 正常+温降+地震内力计算正常+温降+地震均匀水压均匀温降地震水+温+地截面HAVAHAVA左 HA左 VA右 HA右 VA左 HA左 VA右 HA右 VA11594.056-14.4216-4.65738673-5.55555110.7569-91.448381.6214-91.4481700.155-111.4251971.02-111.42522541.743-79.9085-17.29932078-18.6732330.8127-155.167605.0997-155.1672855.257-326.2653129.544-326.26533015.04-207.707-35.647002-41.0733280.8572-162.738539.5076-162.7383260.251-206.4813518.901-206.48142560.835-584.387-123.7127712-112.944152.9783-138.726348.5672-138.7262590.129.469172785.68929.4691751470.304-1091.16-213.5849718-142.24931.86136-90.8014124.8764-90.80141288.581053.0141381.5951053.014A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计35表 3-20 工况情况下稳定因素截面单宽梁底径向力边坡角岸坡与竖直线夹角左轴力与滑裂面夹角右轴力与滑裂面夹角滑动面上悬臂梁重滑裂面长1039.80.8761555049.5042.52-80.5732480.7330384847.3570.8664.3653172.3400.87266545.242.81820.386.234901.59460.76794548492588.3108.09552141.64420.83775865.164.34545.5130 表 3-21 工况情况下稳定安全系数计算左拱端正常+温降+地震截面12345s1007.8481667.7522152.0811754.6731496.288N1373.9652339.7272456.8811903.934726.476p879.33781928.9192197.9941907.8261041.088k7.232746.0583237.0166389.3784313.51065右拱端12345s1194.5091882.3532474.3431849.6611535.354N1570.292518.2922540.8912083.864810.8407p1004.9862061.5942252.0132037.1961097.528k6.1814035.4204986.1191578.94926113.19445所有的 K 均大于K=2.5，正常水位+温降+地震工况下，满足稳定要求。 A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计36第四章 泄水建筑物设计4.1 泄水建筑物的型式尺寸泄水建筑物采用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。两浅孔：宽8.5m ，高8.8m，进口164m,出口154m.两中孔：宽7.5m,高7.2m,进口135m，出口130m,下泄流量为6550 m3/s4.2 坝身进水口设计一 管径的计算压力管道的直径在初步设计阶段可采用彭德舒公式来确定：713max)/2 . 5(HQD (4-1)式中：钢管的最大设计流量，(m3/s) maxQ H设计水头 =338/4=84.5 m3/smaxQH=184.8-103.5=81.3m=(5.284.53/81.3) 1/7=4.557m713max)/2 . 5(HQD 故取D=4.6m二 进水口的高程本设计进水口采用有压进水口。有压进水口应底于可能出现的最低水位，并有一定的淹没深度，以避免进水口前出现漏斗吸取旋涡并防止有压引水道内出现负压。可采用戈登公式：21CVDScr(4-2)式中：闸门门顶低于死水位的临界淹没水深（米）crS C经验系数，一般在0.550.73之间；本设计取0.64 V闸门断面的水流流速； D闸门孔口高度。A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计37V= S=84.5/(4.62/4)=5.085m/smaxQ=0.645.0854.61/2=6.98m21CVDScr取Scr=7m又死水位为164m进水口高程为164-7-4.6=152.4m4.3 泄槽设计计算坎顶高程=下游设计水位+（2-5）m=114+(2-5)=119m取坎顶高程为119m。坎上水深hc)2/(222cchgqhT(4-3)式中： T上游设计水位至坎顶的高差q单宽流量=0.95对浅孔：T=184.8-119=65.8m =3009.78m3/s 5 . 0)2( gHuwQ (4-4) q=Q/B= 2932.23/17=177.05m3/s 65.8= hc +177.052/(29.810.952hc2)经试算得 hc =5.413m对中孔：T=184.8-119=65.8m Q=w(2gH)0.5=3176.6m3/s q=Q/B= 1587.554/15=211.8m3/s 65.8= hc +211.82/(29.810.952hc2) 经试算得 hc =6.538m反弧半径RR=(610) hc对浅孔：R=32.47854.13m 取R=33m对中孔：R=39.22865.38m 取R=50m坡度（直线段）：与孔身底部坡度一致，浅孔 1：2.0 中孔 1：4.0挑射角：浅孔 =20o 中孔 =20oA 江水利枢纽薄双曲拱坝设计384.4 导墙设计 导墙厚度一般为0.52m,本设计导墙厚度取为1.0m,导墙应高出泄水时掺气水面以上11.5m。导墙厚度一般为0.52m,本设计导墙厚度取为1m,导墙应高出泄水时掺气水面以上11.5m。掺气水深可按下式计算： hvhb1001(4-5)式中 h不计入波动及掺气的水深； v不计入波动及掺气的计算端面上的平均流速；修正系数，值为 1.0s/m1.4s/m，视流速和断面收缩情况而定，流速大于 20m/s 时，宜用较大值。对于浅孔：=(1+7.01mhvhb1001)1001 .214 . 1413. 5导墙高度经计算取为 ha=8.5 米。导墙厚度取为 1.0 米。同理对于中孔：=(1+ 9.23mhvhb1001)10014 .294 . 16.538加上 1-1.5m,导墙高度经计算取为 ha=11 米,宽为 1m。4.5 消能防冲计算水舌挑距 1/2222221221Lsincoscosg2g()VVV sinhh (4-6)式中 L水舌挑距，是鼻坎末端至冲坑最深点的水平距离V1坎顶水面流速 V1=1.1V=1.1(2gH0)1/2 （H0为水库水位至坎顶的落差）鼻坎的挑射角度h1坎顶垂直方向的水深 h1=hcos (h为坎顶平均水深)h2坎顶至河床表面落差A 江水利枢纽薄双曲拱坝设计39对浅孔：H0=184.8-119=65.8m V1=1.1(2gH0)1/2 =1.10.95(29.8165.8)1
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