【《溢流坝段设计计算过程案例》6700字】

溢流坝段设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u10967溢流坝段设计计算过程案例 119611.1溢流坝剖面设计 2293961.1.1泄流建筑物形式 2187811.1.2孔口设计 2263281.1.3溢流段总长 3121811.1.4溢流段堰顶高程 393511.1.5闸门高度 4361.1.6泄流能力校核 415691.1.7溢流坝段剖面 643831.2溢流坝荷载计算 989451.2.1自重W 10307271.2.2静水压力P 10123711.2.3扬压力U 1269721.2.4波浪压力 13122351.2.5泥沙压力 14441.2.6动水压力 15314991.3溢流坝稳定分析 15173711.1.1正常蓄水位时溢流坝稳定分析 1512321.1.2设计洪水位时溢流坝稳定分析 16227051.1.3校核洪水位时溢流坝稳定分析 1676781.1.4溢流坝稳定分析结果 17152831.4溢流坝力矩计算 17185451.4.1自重对溢流坝坝基面弯矩 1793641.4.2静水压力对溢流坝坝基面弯矩 17115931.4.3扬压力对溢流坝坝基面弯矩 1939041.4.4动水压力对溢流坝坝基面力矩 21150491.4.5泥沙压力对溢流坝坝基面弯矩 21130081.4.6波浪压力对溢流坝坝基面弯矩 22199701.5溢流坝应力分析 23227921.5.1正常蓄水位时溢流坝应力分析 23119871.5.2设计洪水位时溢流坝应力分析 24252891.5.3校核洪水位时溢流坝应力分析 2564191.5.4溢流坝应力分析结果 27269151.6消能设计 2791791.6.1消能方式选择 27102181.6.2消能防冲计算 2882641.6.3冲砂闸设计 291.1溢流坝剖面设计1.1.1泄流建筑物形式溢流坝段除了有泄洪的功能，还可以将冰凌以及其他漂浮物排到下游。由于本次设计工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（Ⅰ）型，泄流建筑物设计为一个开敞的溢流式孔口，在溢流孔口处设置闸门，闸门的门顶需要高于正常蓄水位，让堰顶的高程比正常蓄水位稍低，这样就可以有效的控制闸门开口的高度和大小，从而达到调节水库蓄水位和下泄流量的目标，闸门的设置还可以有效地减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量，减少工程复杂性，运营期管理难度降低。1.1.2孔口设计由基本资料可知，取水（兼放空、泄洪、导流）高程960.00m。设计洪水位时最大泄量540m3/s，校核洪水位时最大泄量605m3/s。（1）单宽流量确定单宽流量大，泄洪速度变快，但对下游消能防冲设施不利；相反的,单宽流量小，泄洪速率慢，对下游消能防冲设施有利。根据基本资料中地质资料，可知该工程岩石基础为一般的岩石基础，一般的岩石基础单宽流量，对比泄流和下游消能防冲可取。（2）孔口数目确定 (1.1)溢流段净宽，；单宽流量，。（1）设计洪水位（2）校核洪水位由工程实践得，取溢流段净宽,该小（Ⅰ）型工程中孔口宽度本设计取，孔口数为n=3。1.1.3溢流段总长 （1.2） 根据规范，取闸墩厚度d=1.0m，边墩厚度t=2.0m，代入式5.2中得：1.1.4溢流段堰顶高程本设计选用实用堰中的WES型剖面，堰流公式如下： （1.3） 式中：淹没系数，该工程拟定为自由出流，；侧收缩系数，无侧收缩，有侧收缩，该工程拟定为侧收缩；流量系数，由堰顶形式确定，本此设计为WES堰型取0.502；孔数；净宽，；堰上水头，。设计洪水位时，，采用迭代法计算，假设，代入式1.3，时，得出。校核洪水位时，，采用迭代法计算，假设，代入式1.3，时，得出。堰顶高程取为986.56m。堰上最大水土=校核洪水位-堰顶高程=996.40-986.56=9.84m设计定型水头，取。在闸门全开时，设计工况规定负压值不大于；校核工况规定负压值不大于。，，负压校核满足要求。综上，堰顶高程取为986.56m。1.1.5闸门高度正常蓄水位减去上面算出的堰顶高程，然后加上超高是闸门高度。闸门高度=995.13-986.56+0.2=8.77m。1.1.6泄流能力校核（1）设计洪水位情况（根据表1.3线性内差得到）=设计洪水泄流能力的校核满足要求。（2）校核洪水位情况（根据表5.3线性内差得到）=校核洪水泄流能力的校核满足要求。侧收缩系数计算公式如下： （1.4）闸墩系数，按照表1.1确定；边墩系数，按照表1.2确定。表1.1闸墩系数闸墩头部形状矩形尖角形0.800.860.920.981.00半圆形0.450.510.570.630.69尖角形0.250.320.390.460.53表1.2边墩系数边墩平面形状边墩平面形状直角形1.00斜角形0.70圆弧形0.70表1.3与关系0.20.40.60.81.01.21.40.850.900.950.9751.01.0251.071.1.7溢流坝段剖面溢流坝段剖面设计时的要求包括：保证水流平顺；与下游消能衔接紧凑，利于下泄水流消减能量；设计结构作用明确，减少材料用量，节省成本。（1）堰面曲线段上游堰面坡率采用与挡水坝段上游坡率相同，选取三圆弧形式，如图1.1所示。图1.1堰顶剖面曲线上游面铅直，三圆弧尺寸计算如下：根据《混凝土重力坝设计规范》，WES幂曲线计算公式如5.6所示：（1.5）堰面曲线定型设计水头；下游堰面曲线坐标；有上游堰坡有关的指数，见表1.4；k—时，k=2.0~2.2。表1.4堰面曲线参数上游面坡度（△y/△x）3:02.0001.8500.500.1750.200.2823:11.9361.8360.680.1390.210.2373:21.9391.8100.480.1150.220.2143:31.8731.7760.450.119————因上游面铅直，，，堰面幂曲线坐标计算如表1.5：表1.5幂曲线坐标表单位：mX0.51.01.52.02.51.01.54.0Y0.020.080.160.280.420.590.781.00X4.55.05.56.06.57.07.515Y1.251.521.812.132.462.821.2111.58（2）中间直线段中间直线段是连接斜率和下部反弧段的求导结果，设切点为B点，下游坡率取m=0.7，B点的坐标计算公式为式5.7和5.8。（1.6）（1.7）代入数据得：中间直线段与下部反弧段切点坐标为。（3）底部反弧段设反弧段与直线段的切点为C点，反弧段的圆心为O点。（1.8）上下游水位差；采用挑流消能方式时，鼻坎坎顶高出下游水位2m，则可得鼻坎的高程为：，则鼻坎高度：，鼻坎长度l/h大于0.5时截面拉应力较大，则拟定鼻坎长度为，鼻坎挑射角度为。假设反弧段圆心的坐标为，则反弧段圆心处的高程为：反弧段圆心①设反弧段与直线段的切点为C，则C点的坐标计算公式为式5.10；式5.11；式5.12:（1.9）（1.10）（1.11）直线与反弧段夹角角度，则反弧段与直线段切点坐标为。②反弧段圆心O的坐标：（1.12）则反弧段圆心的坐标为。溢流坝坝底宽度由以上计算可得该溢流坝剖面确定的基本坐标，用CAD绘图可得溢流坝剖面图。根据计算数据，溢流坝段剖面如图1.2所示。图1.2溢流坝剖面图1.2溢流坝荷载计算取1m坝长进行溢流坝自重荷载计算；不同水位静水压力、浪压力荷载计算；坝前淤沙厚度和泥沙压力荷载计算；不同水位扬压力的荷载计算，以及不同水位动水压力荷载计算。荷载组合包括基本组合与特殊组合,设计时选择最不利和最重要的进行计算。它们分别考虑的荷载如下表1.6所示。表1.6荷载组合荷载组合主要考虑情况自重泥沙压力基本组合正常素水位情况√√√√√设计洪水位情况√√√√√√特殊组合校核洪水位情况√√√√√√根据坝体工程的剖面设计及资料：溢流坝堰顶的高程为986.56m，坝底高程为937.00m，上游坝坡和溢流坝相同，取n=0.15，下游的坝坡坡率m=0.7，上游淤沙高度为28.34，混凝土容重为，底宽53m。1.2.1自重W根据CAD溢流段剖面图，可得溢流坝剖面面积为1452.66m2，溢流坝底宽度为53m。(1.13)1.2.2静水压力P对于溢流段，需要确保上游用水，航运要求，下游的正常供水。（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：（2）设计洪水位情况时设计水位995.83；设计尾水位945.00m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：（3）校核洪水位情况时校核水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水深：；下游水深：上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：1.2.3扬压力U扬压力折减系数α取α=0.3排水孔距离到坝底左侧的距离b=6.56。（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m浮托力渗透压力则扬压力U为：（2）设计洪水位情况时正常蓄水位995.83m，正常尾水位945.00m浮托力：渗透压力：则扬压力U为：（3）校核洪水位情况时正常蓄水位996.40m，正常尾水位946.50m浮托力：渗透压力：则扬压力U为：1.2.4波浪压力（1）正常蓄水位：波高：波长：壅高：因，；（2）设计洪水位时：波高：波长：壅高：因，；；（3）校核洪水位时：波高：波长：壅高：因，；；1.2.5泥沙压力坝前淤沙高度：则水平泥沙压力为：竖直泥沙压力为：1.2.6动水压力水流对曲面产生水平和竖直压力，计算公式如下： （1.14） （1.15）､水平和铅直动水压力，kN；反弧段两侧的中心角；单宽流量，；水的容重，；水的流速，。（1.16）（1）设计洪水位（2）校核洪水位1.3溢流坝稳定分析由基本材料可知，坝基基础所在的地基范围内没有大断层，也不存在软弱面，因此，和溢流坝段相同，溢流坝坝体稳定分析也按沿溢流坝坝体基础与河床相交的面滑动计算，根据公式，计算如下：1.1.1正常蓄水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算，满足要求1.1.2设计洪水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算：，满足要求1.1.3校核洪水位时溢流坝稳定分析（1）抗剪强度计算：，满足要求（2）抗剪断强度计算：，满足要求1.1.4溢流坝稳定分析结果由计算结果及稳定分析可知，该溢流坝坝体稳定满足要求。1.4溢流坝力矩计算1.4.1自重对溢流坝坝基面弯矩本次设计荷载已经计算完成，先计算出荷载关于坝底中心点O力臂，最后计算出荷载对坝底中心点O产使用材料力学法进行应力计算。取上游坝底中点为力矩作用中心点O，因为在上一章中已经对荷载的计算已经完成，则只需计算出荷载作用点至溢流坝坝底中心点O的力臂，即可得到该荷载的力矩。根据CAD知，溢流坝段剖面质心在距离坝底中心处，计算如下：1.4.2静水压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位情况时正常蓄水位995.13m，正常尾水位942.00m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对坝底中心O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)（2）设计洪水位情况时设计水位995.83；设计尾水位945.00m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)（3）校核洪水位情况时校核水位996.40m；校核尾水位946.50m。上游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：上游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游水平水压力作用点至坝底中心O点力臂：下游竖直方向水压力作用点至坝底中心O点力臂：静水压力对坝底中心O点的弯矩:(顺时针)(逆时针)(逆时针)(顺时针)1.4.3扬压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位时（2）设计洪水位时（3）校核洪水位时1.4.4动水压力对溢流坝坝基面力矩动水压力作用点近似于反弧中点，反弧中点到坝底中心的距离为16.46m,则。（1）设计洪水位（2）校核洪水位1.4.5泥沙压力对溢流坝坝基面弯矩水平泥沙压力作用点至坝底中心中点O力臂：；水平泥沙压力对坝底中心中点O的弯矩：竖直泥沙压力作用点至坝底中心中点O力臂：竖直泥沙压力对坝底中心中O点的弯矩：1.4.6波浪压力对溢流坝坝基面弯矩（1）正常蓄水位：由相似三角形得三角形的底为1.17m,则可得力臂：(顺时针)（2）设计洪水位时：由相似三角形得三角形的底为1.17m，则可得力臂：(顺时针)（3）校核洪水位时：由相似三角形得三角形的底为0.41m，则可得力臂：(顺时针)1.5溢流坝应力分析本工程设计中，溢流坝段应力分析采用的方法和非溢流坝段应力分析方法相同，进行溢流坝施工期和运用期的应力分析。该工程选择混凝土，该混凝土抗压强度设计值。基本组合特殊组合1.5.1正常蓄水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力1.5.2设计洪水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。上、下游面主应力：运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力1.5.3校核洪水位时溢流坝应力分析施工期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面主应力运用期（1）上、下游面垂直正应力上游面垂直正应力：，满足要求。下游面垂直正应力：，满足要求。（2）上、下游面剪应力上游面剪应力：下游面剪应力：（3）上、下游面水平正应力上游面水平正应力：下游面水平正应力：（4）上、下游面主应力1.5.4溢流坝应力分析结果根据以上计算及分析结果可知，溢流坝的坝踵拉应力等于0，且坝址处的压应力远小于地基所允许压应力。综上所述，该重力坝溢流坝坝体应力满足要求。1.6消能设计1.6.1消能方式选择（1）底流消能：把快速水流变为缓慢水流通过水跃的方式，使多余的水流能量得以消耗，水跃会产生表面漩涡，底部水流会产生剧烈的紊动、掺浑、剪切作用等，适用中、低水头泄水建筑物。优点：水流的流态稳定，消减多余的水流能量的效果比较好，能很强的适应不同的地质条件和溢流坝不同的尾水位，且水流的雾化不大。缺点：护坦的修建需要较长，开挖大量的土方，使用较大量的混泥土，较高的工程造价。（2）挑流消能：通过挑流鼻坎将水库中的水流抛向空中，使水流与大气接触产生热量，使机械能变为热能，达到减弱水流能量和机械能能量的目的后，然后水流会掉入经过挑流计算的位置且远离建筑物的下游冲刷坑之中，衔接下游水流，以达到消减多余水流能量的效果，适用高、中水头泄水建筑物。优点：可以控制抛向空中水流落到下游的位置，流量的分布和范围；可很强的适应不同的尾水位；结构简单；方便施工和维修；工程量比较少。缺点：由于水流与空气的摩擦作用，雾化严重，冲刷量较大，有较多的堆积物，对河床的破坏严重。（3）面流消能：将鼻坎设置在水下，其在水下使水流能够形成反向的漩涡，将主水流挑出到水面位置，将水流与河床分离，以达到消减主流多余水流能量的目标，适用于尾水位较深的泄流建筑物。优点：可适用于有排冰，漂木的情况，下游护坦不需要。缺点：对下游岸坡造成性较强破坏，下游尾水位变化较大时不能适用，（4）消力戽消能：与挑流消能相似，在水下设置挑流鼻坎，无自由水舌。通过戽斗使水流产生漩涡，在经过挑流鼻坎，将下泄水流挑到下游的水流表面，通过这种方式减小多余水流能量。优点：无雾化现象出现，工程量小，施工简单，对下游河床冲刷小。缺点：只适用于尾水位较深的情况，变幅小，要求岸坡和河床条件较高。根据本工程的情况，下游河床无较大的断裂构造通过，库区周围山体雄厚，出露岩层为非可溶岩，因此可以选用挑流消能的消能方式。1.6.2消能防冲计算（1）设计洪水位时消能防冲计算①挑距和冲坑的估算连续式的挑流鼻坎，其水舌挑距按水舌的外缘计算，查规范得，水舌抛距公式为：（1.17）式中：水舌抛距，；坎顶水面流速，,本设计取；鼻坎挑流角度，取；坎顶垂直方向水深，，； 坎顶至河床面高差，；则 ，取。②冲坑水垫厚度估算：查规范，水垫厚度估算公式为：（1.18）式中：；—单宽流量，；H—上下游水位差，m；冲坑