褒河水库单曲拱坝设计毕业设计说明书土木工程毕业设计(含图纸)

目录0绪论(11概述(22已知资料(32.1流域概况(32.2水文气象资料(32.3工程地质资料(32.4工程规划(32.5工程材料设计指标(42.6施工、天然建材、交通情况(43枢纽布置(53.1坝型的选择(53.2枢纽布置方案的选择(64拱坝设计(104.1拱坝体型设计(104.2拱坝的平面布置(135拱坝应力计算和内力计算(175.1荷载和荷载组合(175.2应力计算方法(拱冠梁法(175.3应力和内力计算过程(185.4其他方案的计算(395.5方案计算结果和分析(396坝肩稳定计算(416.1稳定分析(416.2稳定计算(426.3计算成果和分析(457坝身孔口的设计(477.1中孔的设计(477.2底孔的设计(478拱坝的构造及结构(538.1坝顶(538.2廊道与坝体排水(538.3坝体临时收缩缝(538.4坝体内廊道及交通(549拱坝的地基处理(559.1坝基开挖(559.2拱端开挖(559.3固结灌浆和接触灌浆(559.4防渗帷幕(559.5坝基排水(5610结论(57附录及参考文献(58谢辞(590绪论本次设计为毕业设计,是对大学五年来所学知识的一次综合性的总结概括;是考察学生理论知识与实践能力的一次演练;是为学生走向工作岗位打下一定基础的关键一步;是学生走向社会工作的第一步;是了解自我,自我定位的好机会。本次设计的主要目的是让学生们体会在工作实践中所必须具备的精神,了解工程设计的过程程序,锻炼学生们的实践能力,为走向工作岗位打下一定基础。本设计主要是混凝土拱坝设计方面的问题,要求设计成果合理,各项指标达到国家规范要求。拱坝是固接于基岩的空间壳体结构,因在平面上呈凸向上游的拱形而得名,其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。据现有资料,最早的圆筒面圬工拱坝可追溯到罗马帝国时代。到20世纪,美国开始修建较高的拱坝。并于1936年建成了高221米的胡佛重力拱坝。1939年意大利建成了高75米,设有垫座及周边缝的奥·西列塔薄拱坝,对双曲拱坝建设起到了很大的推动作用。目前世界上最高的是格鲁及亚的英古里拱坝,最大坝高272米,T/H=0.19。中华人民共和国成立后,水利事业突飞猛进地发展,取得了举世瞩目的成就。继葛洲坝水利枢纽建成后,三峡水利枢纽的开工、南水北调工程的规划设计等壮举进一步展示出人民水利蓬勃发展的强劲势头。目前,我国在水利工程规模、水利人才素质以及水利科技水平等方面已达到世界前列。中国的拱坝历史:我国在拱坝建设取得了很大的进展。截止到1988年底的不完全统计,已建成15米坝高以上的各类拱坝已达800座,约占全世界已建拱坝总数1/4强。中国之最:最高的拱坝——台湾省德基双曲拱坝,高181米,T/H=0.112;最高的砌石拱坝——河南省群英重力拱坝,高100.5米;最薄的砌石拱坝——浙江省方坑双曲拱坝,高76米,T/H=0.147。本设计主要是让同学们了解工程设计的过程程序,知道工程实践中所牵涉的工作环节,应注意的关键问题,为以后走向工作岗位打下良好的基础;同时锻炼同学们的实践动手能力和操作能力,改变思维方法,提高工作效率。1概述褒河水库位于陕西省汉中平原褒河下游。褒河规划作五级开发,其中枢纽在最下游。汉中地区气候温和、湿润,土地开阔肥沃,是著名的粮仓,现有汉惠渠、褒惠渠等渠道,均系无坝引水,故灌溉保证率低;本地区又属三线,近年来大量工矿企业纷纷建立,电力负荷急剧增长,故在本地区修建褒河等一批水利枢纽,开发水力资源,对于促进工农业发展都有着重要意义。根据规模、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,临时建筑物为五等。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。褒河水利枢纽对于汉中地区的工农业生产的发展起着相当重要的作用。2已知资料2.1流域概况褒河属于山溪性河流,发源于秦岭南麓玉皇山及太白山,汇入汉江,整个流域面积上宽下窄呈漏斗状。流域内植被尚好,水土流失不严重。褒河水利枢纽控制流域面积3861平方公里,拟装机4.12万千瓦,年发电量1.42亿度,可将原灌区19.5万亩农田灌溉保证率由50%提高到73.8%,并扩浇32万亩耕地。褒河库区坝址为“U”形河谷,水面宽40m,水深2~7m,河床砂砾石2~8m,坝址两岸山坡陡峭,590m高程以上强风化岩石厚度为5m,以下为3~5m,河床2~4m。迴水17km,面积3.22km,坝址附近平均水面宽度300m。2.2水文气象资料褒河水库坝址下游三公里河东店站水文有1935~1970共36年资料。①该地区多年平均降雨量为905.6mm,其中6~9月雨量约占全年75%。多年平均径流量138亿立米,多年平均流量43.6sm/3。②多年平均输沙率为4.7skg/,多年平均输沙量为148万吨。③多年平均气温14.4℃,绝对最高气温44℃,绝对最低气温13.4℃;绝对最高水温33.3℃,绝对最低水温0℃。2.3工程地质资料褒河库区在褒河峡谷出口段,大地构造上位于南秦岭褶皱带中断南缘,库区出露地层为石炭系,三迭系前海相沉积物经区域变质作用而成的变质岩,三迭系岩层为片岩、片麻岩,并夹有大理岩、白云岩,分布于将军铺至青桥铺一带,石炭系岩层为片岩及大理岩分布于坝区附近。第四纪松散堆积物为砂质粘土冲击砾石,区内无大断裂。经科学院西北地质大队判定该地区地震烈度为7度。库区内虽有大理岩等露头,但两岸山势雄厚,水平方向溶洞发育不深,坝址处基岩透水性弱,单位吸水量小于0.01升/秒,故不存在渗漏问题。库区内岸坡地段基岩裸露,不会产生塌岸。2.4工程规划根据梯级水库运用规划,褒河正常高水位定为618米,相应库容1.05亿立米。死水位595m。死库容0.443亿立米。该水库设计洪水设Q=4290sm/3,校核洪水位校Q=5590sm/3。可能最大洪水流量10000sm/3。河床最低高程535m,基岩高程532m。三十年淤积高程565m。下游水位:设计洪水位:548.75m,校核洪水位:550.05m电站进口高程567m,最大引水流量68.1sm/3。东干渠进口高程588.5m,引用流量30sm/3,灌溉27万亩农田。西干渠进口高程592m,引用流量6sm/3,灌溉5万亩农田。淤沙浮容重7.53/mkN,水下摩擦角10°。2.5工程材料设计指标坝址区岩石容重模量26.53/mkN,弹性模量16GPa,泊桑比0.2,摩擦系数0.6。混凝土容重243/mkN,弹模16GPa,线膨胀系数0.00001,泊松比0.2。2.6施工、天然建材、交通情况①施工、交通情况。峡口地势开阔,有公路可通宝成铁路线上略阳。坝址下游20公里联接宝成和襄与铁道德阳(平关安(康铁路即将建成通车。承担褒河水利枢纽工程的水电三局拥有较强的技术力量和机械设备。②天然建筑材料。坝址下游3.5~8.0kM的中滩、红庙等储有砂砾石116万3m。砾石成分主要为花岗岩、石英岩,砂子以石英、长石为主,质地较好,交通运输便利。土料很少,运距约4kM。3枢纽布置3.1坝型的选择经过各方面的分析比较,拟订修建拱坝,下面从几方面说明修建拱坝的优越性。由地质条件及地形资料可知能在这个坝址修建土石坝,重力坝,拱坝,支墩坝。现分别比较如下:土石坝仅靠坝身自重与地基接触而产生的抗滑力维持稳定,因存在滑坡的问题,土石坝在各种坝型中体积最大,底宽最长,工程量也较大。坝身不能泄流,须另外设置溢洪道,泄洪安全性不可靠,施工导流也不方便。计算方法多采用材力法,手算占相当大的比例,为防止渗透变形须设置防渗心强,防渗材料的填筑受气候条件的影响较大。另外,最主要原因为该地区的土料较少,没有足够的筑坝材料。因此该坝址不选择修建土石坝。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。⑴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。⑵拱坝的工期比重力坝约可节约1/4。⑶对大坝工程的总投资,拱坝可节约15%左右。⑷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。⑸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。拱坝除了有上述优点外,还有自身的结构优点:123⑴具有双向传力的性能,由拱梁共同承担受力。⑵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。⑶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。⑷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。⑸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。⑹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。3.2枢纽布置方案的选择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(。⑴图3-1中2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。⑵图3-1中3处的位置①离两山包较远,未能充分利用山包的抗滑能力。②该处轴线较长,工程量大,造成浪费。③对于梯级开发电站,造成了库容图3-1坝址选择地形图的浪费。④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。⑶图3-1中1的位置①充分利用了抗滑作用,且坝轴线不长。②轴线与地形线垂直,能充分起抗滑作用。③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。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。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。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200m左右,出口距大坝300m左右,在距大坝50m左右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544.0m,电站引水口的进口高程为567.0m。隧洞直径采用经验值,取为7m。在隧洞的出口电站前面修建一个直径为10m的压力前池。东干渠引水口高程588.5m,引用流量为30sm/3,河流为东南走向,布置在河流的左岸每一位置。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。西干渠引水口高程592.0m,引用流量为6sm/3,根据地形地质条件及、引水隧洞及厂房的位置,西干渠渠首布置在坝端右岸下游100m处,引水隧洞右侧,为了不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。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。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。3.2.4.1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:⑴结构较简单,设计施工较容易。⑵对坝体的应力影响较小。⑶一般水头不大,起闭设备易于检修。⑷工程造价较低。⑸用表孔排水时还可以排漂。⑹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:⑴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。⑵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。⑶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。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。3.2.4.2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。3.2.4.3滑雪道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,因此安全泄洪性不高。3.2.4.4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:⑴泄流流量随水位的变化关系不大。⑵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。⑶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。⑷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。坝身开孔泄流的缺点是:⑴坝身开孔过大或过多,不利于坝体受力,同时也会引起震动。⑵闸门和起闭设备的容量一般较大,检修较困难。⑶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。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。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。由以上分析并根据褒河库区地质、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620.0m。4拱坝设计4.1拱坝体型设计⑴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。但是,本设计要求做单曲拱坝。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、等外半径的等截面圆弧单曲拱坝。⑵由于河床最低高程535.0m,基岩高程为532.0m。故以532.0m处为坝底高程,则坝高为88.0m(=620-532=88m。⑶由已知资料中可知,590m高程上风化层厚5m,590m高程以下为3~5米,则取5m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5m高程,也就是说,以前是625m的高程,在开挖后变成了620m高程。由于坝顶高程为620m,现在前面3-1图中1处的适宜位置布置坝轴线,与620m的等高线相交,量出两交点的连线长cL=200.0m。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20m、20m、20m、20m、8m。则每截面的高程分别为620.0m、600.0m、580m、560.0m、540.0m、532.0m。这样分段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。从地形图上可得每层拱圈弦长:2L=191.4m,3L=169.7m,4L=134.3m,5L=97.4m,6L=73.6m。上面的数据只能作为初步设计的数据,最后的各层拱圈的弦长得由拱坝平面布置上得到。选择cT时,应该考虑工程的规模,交通和运行要求。如无交通要求,cT一般取3~5m,但至少不得小于3m。可由下面的经验公式的求cTcT=0.012(H+L(4•1cT=0.0145(2aR+H(4•2cT=0.4+0.01(L+3H(4·3式中:H——最大坝高。L——坝顶高程处,河谷开挖后两拱端之间的直线距离,m。等于cLaR——顶拱轴半径,初估时可取aR=(0.61~0.70L。本设计取aR=0.65L=0.63×202.0=130.0m由4•1得cT=0.012(88+200.0=3.456m由4•2得cT=0.0145(2×130+88=5.046m由4•3得cT=0.4+0.01(200.0+3×88=5.04m由于该坝上没有交通要求,根据上面的数据取cT=5.0m。求坝底厚度BT的时候用下面的经验公式。任德林公式:当H=60~100m,HL/=0.8~3.5时。BT=(0.038210002(632.0HHL+H(4•4美国垦务局经验公式:BT=(4•5朱伯芳经验公式:BT=[]σHLLKn(11-+(4•6式中L、H的意义同前。1L——为第一层拱圈的弦长,等于cL。2L——为0.15H处拱圈的弦长,现取为与cL同长。1-nL——为到数第二层处的拱圈弦长,现取为与cL同长。⨯+=21.14m由4•5得:2L可拟2L=1L,再折减。BT14.94m由《钢筋混凝土结构学》中查得[]Minσ=5Mpa.2L可拟2L=1L,再折减。由4•6得:BT=0.35(20020088500⨯+⨯=24.64m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。任德林方案适用于砌石坝,倒悬度小,应力不易满足条件;美国垦务局方案应力易满足条件,但坝体肥厚,倒悬度大。参考同类建筑和两种方案故选择BT=22.0米。则厚高比HT=88图4-1方案四拱冠梁剖面图4.2拱坝的平面布置⑴控制梁的自重拉应力不超过允许值,一般为0.3~0.5Mpa.⑵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。⑶坝体轮廓线应光滑连续。⑷坝体与基岩的接触线应光滑连续。ϕ2越大,拱端应力越小,应在外荷载和河谷形状都相同的情况下,拱圈中心角Aϕ2›120°时,拱力条件越好。若按与工程实际更为接近的两端固端拱计算,当中心角A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。现代拱坝设计中,顶拱圈的中心角多为90°~110°之间,对于坝址河谷平面上是漏斗形,其中心角可适当的加大到110°~120°。本设计根据以上情况及地质地形资料并结合设计要求,定各方案中心角为96°,100°,104°,110°。各方案保持拱坝在上下游面曲线与各拱圈的厚度不变,仅改变半径,布置时保证两个半中心角之差不超过2°。完成上下游面圆心线坐标图与拱坝的平面布置图共四个方案。拱面力求光滑,现把四个方案各自的中心角与各层拱圈内外半径列入表4·1表4·1四个方案的中心角及半径汇集表注uR=2sin2,dR=uR-T(L=200拱坝平面布置的方法及步骤如下:⑴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。⑵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(其余各层拱圈也要求左右半中心角之差小于2°,且注意使拱轴的垂直平分线与河谷中心线大致重合。⑶根据顶拱的厚度可以绘制出内弧。⑷其他拱圈的布置方法。做法:在顶拱弦长线的中点上量取各圈的弦长(2L=191.4m,3L=169.7m,4L=134.3m,5L=97.4m,6L=73.6m。,并于顶拱外弧交于一点,然后确定一点,量取各圈外半径的长度,画圆于顶拱垂直平分线交于一点则就确定了该层拱圈的圆心,再根据各圈的外、内半径画出来该外弧和内弧。⑸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。⑹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。上面四个方案的平面布置图如附图Ⅰ~Ⅴ所示。其中每个图对应一个方案。从轮廓线以及工程量判断,得出其中较优秀的方案。4-2方案四平面布置图5拱坝应力计算和内力计算5.1荷载和荷载组合基本荷载主要有: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。⑴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。⑵水重:一般假定有梁承担,通过梁的变化考虑对拱的影响。⑶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。⑴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。⑵水库运行最低水位(死水位+设计正常温升情况⑴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。⑵基本组合⑴+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⑴和特殊组合⑴。5.2应力计算方法(拱冠梁法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。⑴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。⑵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。⑶将上述方程组联立求解,可以得到各点的拱梁荷载分配。⑷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。5.3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。wi⑴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。参数图如图5·2所示。gbb'gabgad图5·1拱冠梁参数意义示意图表5·1垂直力的求解表续表5·1续表5·1续表5·1续表5·1注1.单位:力为kN,弯矩为mkN⋅,长度为m,截面面积为2m,截面惯性矩为4m。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。3.mwγγ,分别为水和混凝土的容重。(2根据五不等段径向变位系数iδ系数表和五不等段拱冠梁单位三角形径向荷载径向变位系数的乘数值表ija算出iδ与ija。见表5·2和表5·35·2垂直力作用下的径向变位系数wiδ单位(mEm/注:1.'n="n=11K=5.453K=2.725K=0.67m=4.020=2.本表系数见《砌石坝设计》(广西大学主编水利出版社出版中表3-3-9中的方程计算。ija径向变位ija,由梁内各截面弯矩引起的Mijδ、剪力引起的变位Mijδ、以及梁基产生的变位θδij、γδij,所以拱冠梁在单位三角形径向荷载作用下的径向变位系数ija=Mijδ+Mijδ+θδij+γδij。采用计算表格的形式,把他们列表计算,系数已经给出,其具体计算过程见表5·3。由表5·3所列系数计算得11a=4448.8(mE1,……66a=11.205(mE1,共36个径向变位系数。详见表5·3中计算。其中1K、3K、5K、'n、"n采用与表5-2相同。iT、iA、iI见表5·1中的常数计算单元。h∆=20m、m=0.4;如:44220230121257.93hI∆==⨯,其余见表中算值。表5·3单位三角径向荷载作用下径向变位系数求解表单位mE/1续表5·3续表5·3iδ、iC的求解根据rT/值和半中心角以及FmEE/值查《砌石坝设计》中附表可得内插系数,见表5·4中61-δ、61-C栏所示。拱坝的均匀温度变化mt,水,沙荷载P,61-δ以及61-C的计算见下表5·4。表5·4mt、P、61-δ及61-C的计算表注:温度系数mα=0.00001,mE=16MPa,sφ=10°。建立拱冠梁的梁、拱径向变位一致的关系式(5•1,求解拱梁分荷值及计算拱梁应力将以上计算的变位及径向荷载代入式(5•1得:iiiiwinjjijCXPXa+-=+∑==δδ(61(6~1=i(5•1式中ija——梁上j点的单位荷载使梁上i点产生的径向变位,称为梁的径向变位系数;jX——梁在j点处的荷载;iP——梁在截面处的水平荷载;wiδ——在垂直力作用下,梁上的径向变位i点的径向变位系数;iδ——水、沙压力和产生的径向变位系数;iC——在均匀温度变化下的径向变位系数。212346605.8X+8909.6X+4366.4X+1772.7X+444.99X+37.86X-260480.65=X(0-6320-2389751.023987X+5837X+3158X+1356X+346X+32.06X-174832.11=X(180-2992-1167691.04⨯⨯1234566486.6-2926651.53X+91.4X+80.4X+69.4X+42.42X+11.13X-1698.07=X(1034.26-366.5-225221.1⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⨯⎪⎪⎪⎪⨯⎪⎩由Excel与线性代数BAX1-=解联立方程式得梁各截面分荷iX:⇒123456X-82.27(kN/m,X12.884(kN/m,X129.570(kN/mX262.647(kN/m,X815.17(kN/m,X1092.26(kN/m===⎧⎨===⎩则拱冠梁分配到的荷载强度ix:⇒12345⎪====⎨⎪⎪====⎪⎩拱圈分配到的荷载为iiixPx-=',即:'1x=80.58/(mkN,'2x=182.6/(mkN,'3x=273.4/(mkN,'4x=385.33/(mkN,'5x=222.87/(mkN,'6x=135.91/(mkN。如图5·2所示。拱冠梁应力计算过程详见表5·5。1092.26815.17129.5712.884-82.27263.64780.58182.6273.4385.33222.87135.91梁荷载分配图5.2表5·5水平力作用下的弯矩和拱冠梁应力的计算表2.其中对截面的力臂il从第三个截面开始都为下一个对上一个截面的力臂。拱圈的应力计算详见表5·6~5·9。利用纯拱法的计算的应力成果来计算拱圈的应力。纯拱法成梁中的水、沙压产生的应力乘以拱圈分荷强度比iiipxP-,即得分荷后的拱圈径向均布荷载的应力,再加上由均匀温度变化产生的应力就得到了拱圈应力,如表中所示。由于第一和第二截面中的截面荷载为负,分荷强度不好确定,则以拱分荷强度作为P值,以与纯拱法计算的方法得到。5.4其他方案的计算由于四个方案的计算步骤是一样的,故其他方案的计算过程不打印出来了,只打印计算结果,现把四个方案的计算结果都列出来,如表5·10~5·14所示。5.5方案计算结果和分析通过前面几部分的计算,四个方案的结果都已经知道,把每个截面上最不力的荷载列出来,然后列表给出,如表5·16所示。从SD145-85规范中可以查出来在设计荷载情况下的[]1200=设计σ2/mkN,[]1500=校核σ2/mkN;从表5·16中可以看出来,四个方案的应力都满足条件。现从应力大小、拱端推力、工程量、平面布置以及倒悬度四个方面比较,具体见表5·15。表5·15方案比较表注拱端推力、及工程量中间的数据由小到大排列。从表5·15中看出,由于方案四应力最小,推力小,工程量小。因此确定方案四为选定的方案。表5·16四个方案的结果汇总表注1.应力的单位为2/mkN,推力的单位为kN,工程量的单位3m。2.拉应力为负,计算得到的压应力表中未列出。工程量的计算方法为:利用拱坝的中心角,坝厚及内外半径,计算出每个方案的工程量,计算公式如式5·2所示。8(14.336021(14.3360(14.3360(14.3360(14.3360(14.336021262662525524244232332222221211⨯-⨯⨯+∆-⨯+∆-⨯+∆-⨯+∆-⨯+∆-⨯⨯=dudududududuRRhRRhRRhRRhRRhRRWφφφφφφ(5·26坝肩稳定计算坝址区岩性为片岩及大理岩,库区出露地层为石炭系三叠系前海相沉积物经区域变质而成的变质岩,库区内无大断裂,则对坝肩稳定无太大影响,所以滑坡以一般组合发生滑移,一个较陡的侧裂面和一个平缓的底裂面。6.1稳定分析拱坝的抗滑稳定,主要取决于两岸坝肩岩石的稳定条件,如果两岸基岩在拱推力作用下发生滑动,势必拉裂坝体,影响大坝的安全,坝肩岩体的稳定分析是拱坝设计中的一个重要内容,只能在抗滑稳定有保证的前提下,才能谈到压缩变形和坝体应力的问题。当坝肩处在校核水位+温升情况下时,其坝肩的稳定条件是最差的,故以校核水位+温升情况作为坝肩稳定分析的原始依据。拱坝坝肩稳定分析是个空间问题。必须按空间抗滑稳定计算才能反映实际情况,本次设计采用取单位宽度、单位高度的拱圈进行分层计算。如各高程的拱圈能独立稳定,则整体稳定便不存在问题。若在稳定分析中,发现某些层的稳定不足,且无把握判断整个坝的安全时,则必须创造条件进行岸坡的整体稳定分析,最后的结果应该使整体稳定必须满足要求,同时应对局部不稳定的部位采取必要的工程措施。根据工程规模和地质条件,采用刚体极限平衡法进行平面稳定分析。采用刚体极限平衡法必须采用下列的假设。⑴将滑移的各块岩体视为刚体,不考虑其中各部分间的相对位移。⑵只考虑滑移体上的力的平衡,不考虑力矩平衡,后者可由力的分布自行调整满足。⑶忽略拱坝内力的重分布作用,认为拱端作用在岩体上的力系为定值。⑷岩体达到极限平衡状态时,滑裂面上的剪力方向将与滑移方向平行,指向相反,数值达到极限值。由于做了各种假定,刚体极限平衡理论为半经验性的,所得成果有一定的局限性,但因其具有长期的工程实践经验,采用的抗剪强度指标和安全系数配套,计算精度又与当前的勘探和试验手段所获取的原始数据的精度相当,方法简便易行。因此本设计采用此方法。在各种荷载作用下,拱坝坝肩对山坡作用有一定的力,现切取单位高度(1m和单位宽度(1m水平拱进行分析,作用在坝肩处的荷载可分解为:⑴拱端反力——法向力aH,剪力aV⑵梁底反力——垂直力G,剪力bV(a平面图(b力系图1×tgωacos以上力系以图中的指向为正。力系简图如图6·1所示。图6·1平面稳定分析计算简图6.2稳定计算从地形图上来看,某一高程拱圈与等高线相交,从该拱圈上游面交点任作对线四条,对线与等高线的交点即该线段的长为L,将拱端所受的力aH、aV分解为αsinaH,αcosaH,αsinaV,αcosaV。使分力作用在滑离面上,如图6·2所示。图6·2拱端力的分解图作用在上述滑移体上的力有:⑴1m高的水平拱圈传来的拱端推力aH与径向剪力aV。⑵梁底传来的铅直压力ϕGtg和径向剪力ϕtgVb(G,bV为单位宽度的梁底铅直压力和径向剪力。⑶滑移体自重ϕWtg(W为图6·1中底裂面上相应岩体的单位宽度自重。⑷侧裂面和底裂面上的法向基岩反力1R、2R,渗透压力1U、2U,抗滑力1S、2S。由图6·1可知。将全部的力向ad面的法向和切向进行分解。法向力:αϕαsin(costgVVHNbaa+-=(6•1切向力:αϕαcos(sintgVVHQbaa++=(6•2当滑移体处于极限平衡状态时,由静力平衡条件可求得:111sincos(sinsinUtgVVHUNRbaa-++=-=δαϕαδ(6•322(UNctgtgWGR--+=δϕ(6•4根据基本假定⑷,在侧裂面和底裂面将产生指向上游的水平抗滑力,其大小分别为:111fRS=(6•5222fRS=(6•6作用在滑移体上的滑移力即为切向力Q,由于不考虑凝聚力c,则抗滑稳定安全系数为:αϕαcos(sin2211221121tgVVHfRfRQfRf