贵州大学水电毕业设计计算说明书.doc

第一章清水河某电站工程条件1.气象、水文清水河流域属亚热带高原气候区，由于大气环流和流域地形影响，气候类型较为复杂，垂直变化十分明显，多年平均气温为14.1°C。流域内降水较多，但年内及地区分配极不均匀，年降雨量为1130mm，4～10月占全年降水量的86.5%。支流独木河上游为多雨区，多年平均降雨量超过1200mm。每年5～8月为暴雨集中的季节，降雨量占全年的60%。坝址集雨面积为4328km2，多年平均流量76m3/s，多年平均来水量23.97亿m3，径流系数0.48。流域洪水特性与暴雨特性和流域自然地理条件密切相关。洪水过程一般从5月份开始，到10月份结束，汛期洪水较为频繁，年最大洪峰多出现在6～7月。设计洪水标准（P=1%时），洪峰流量为5240m3/s，相应3天为洪量6.0亿m3。校核洪水标准（P=0.1%）时，洪峰流量为7430m3/s，相应3天洪量为8.4亿m3。坝址多年平均年输沙量52.8万t，主要集中在汛期，占全年输沙量的92.8%，其中5～7月来沙量占全年的73.8%。2.工程地质电站地处云贵高原的黔中地区，区域内碳酸盐岩广布，属中低山岩溶山地地貌，地层自寒武系至三迭系均布分布。区域地处黔北台隆、遵义断拱南部，属扬子准台地中稳定的III级构造单元，自中更新世以来，区域内无断裂活动迹象，构造环境稳定，地震基本烈度为6度。水库河段均属峡谷型水库。库区构造以南北向为主，北东向和北西向断裂也很发育。南明河近坝6km库段大部分为横向谷，上游库段为走向谷，左岸为顺向坡；独木河库段大部为走向谷，右岸为顺向坡。水库两岸山体雄厚，其间分布有多层隔水层和相对隔水层，不存在向邻谷渗漏问题。水库库岸多为坚硬的灰岩、白云岩组成，一般稳定性较好。局部以软岩为主的走向谷顺向坡地段，风化后抗剪强度和抗冲刷能力降低，蓄水后可能产生顺层塌滑，除近坝的南明河口左岸边坡外，其余边坡距坝址较远，规模不大，对库容和工程的建设无影响。工程枢纽区河段，河谷断面呈不对称“V” 型，左岸较缓，右岸较陡。河床及两岸坡出露地层主要为吴家坪组（）中厚层燧石条带灰岩、夹泥页岩、钙质页岩和少量泥灰岩，其中软岩占总厚度的19%，河床基岩大部裸露，岩层缓倾上游偏右岸。该地层属弱岩溶含水层，在垂直层面方向可取相对隔水作用，防渗处理简单。坝址附近天然建筑材料丰富，开采及运输条件均较好，坝址下游2km处有公路通过，距左右岸坝肩也仅1~2km。3.设计标准电站正常蓄水位初拟为835m，装机容量60MW，保证出力10.1MW，多年平均发电量2.51亿kWh，装机年利用小时为4183h。电站工程规模为大（二）型，属二等工程，主要挡水及泄水建筑物为2级，厂房为3级建筑物，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。大坝及泄水建筑物正常运用洪水为100年一遇（P=1%），非常运用洪水标准为1000年一遇（P=0.1%）；厂房正常运用洪水标准为100年一遇（P=1%），非常运用洪水标准为200年一遇（P=0.5%）。4.水库、水能参数正常蓄水位835m水库死水位820m装机容量2´30Mw电站引用流量129.4m3/s最大水头64m最小水头42.8m平均水头55.5m设计洪水：100年一遇，坝址相应洪峰流量5240m3/s，相应下泄流量4593m3/s。设计洪水位836.41m，相应下游水位792.75m。校核洪水：1000年一遇，坝址相应洪峰流量7430m3/s。相应下泄流量6654m3/s。设计洪水位841.68m，相应下游水位796.27m。5.工程地质岩体力学指标坝基(肩)岩体力学指标及岩体质量分类表 地层代号岩性风化分级容重sΥ(T/m3)承载力(MPa)泊桑比μ变模E0(103MPa)抗剪断强度质量分类岩/岩岩/砼f¢c¢(MPa)f¢c¢(MPa)P2w中厚层含燧石条带灰岩夹页岩和泥灰岩微风化2.604.50.2580.90.80.80.7AⅢ1P2c含燧石结核灰岩微风化2.656.00.23121.21.01.10.9AⅡ页岩夹薄层灰岩弱风化2.301.00.3520.550.20.50.1CⅥ薄层灰岩夹页岩弱风化2.402.00.3030.650.30.60.2CⅥP1m中厚层灰岩微风化2.606.00.23121.21.01.11.0AⅡ节理裂隙0.70.2泥页岩夹层0.30.026课程设计要求布置重力坝的溢流与非溢流部分，选择消能方式。在地形图上作出平面布置图；上游立视图；下游立视图；溢流坝剖面图；非溢流坝剖面图；图纸要满足制图规范要求。文字部分有相应稳定、应力、水力学计算及设计说明书，字数不限。所布置的建筑物要根据地形。假设重力坝开挖深度为地面以下15M，帷幕灌浆中心线距上游坝面7M，淤沙高程在1/3坝高处。7方法步骤3．1由基本三角形剖面，确定非溢流坝剖面。满足稳定及上、下游坝面强度要求。3．2由水力计算确定溢流坝剖面及消能方式的具体布置。3．3在电脑或图板上作出相应图（作图与计算可交叉进行）第二章枢纽总体布置2.1基本剖面设计 1.坝底宽确定设n为0，m为0.8B=78.4mW1=0当m=0.75时当m=0.74时当m=0.72时，但为了以后计算都能满足，所以按m=0.8算。2.2实用剖面计算2.2.1坝顶高程的确定 坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位和校核洪水位的高差，可根据《混凝土重力坝设计规范》，由下式（3-1）计算，应选择两者中高程的高者作为选定高程式中：——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）；——波高（m）；——波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）；——安全超高，按《混凝土重力坝设计规范》规定，按下表3－10采用。表3－10安全超高hc相应水位坝的安全级别ⅠⅡⅢ正常蓄水位（基本情况）0.70.50.4校核洪水位（特殊情况）0.50.40.3 2.2.2正常蓄水位时坝顶高程的确定坝的安全级别为Ⅱ级，查表3－10得,m在CAD图中地形剖面图中测得B=173.383mD=5Bkm在20～250之间,故h为累积频率为5%的；=0.5+0.186+0.830=1.517m2.2.3校核蓄水位坝顶高程的确定坝的安全级别为Ⅱ级，查表3－10得,m在CAD图中地形剖面图中测得B=187.573mD=5Bkm在20～250之间,故h为累积频率为5%的；=0.4+0.192+0.853=1.445m防浪墙顶高程=设计洪水位+△h设=836.41+1.517=837.927m防浪墙顶高程=校核洪水位+△h校=841.68+1.445=843.125m所以，坝顶高程=843.125m(取其中较大值)2.3稳定计算2.3.1正常蓄水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算（1）波浪压力临界水深m H=98＞L/2=3.775，所以浪压力按深水波计算。KN（2）泥沙压力Ps为坝面单位宽度上的水平泥沙压力，KN/m;γsb为淤沙的浮容重7.8-10.8KN/m3;hs为坝前泥沙淤积厚度，m;φs为淤积的内摩擦角在26-30度。KN2.3.2校核洪水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算（1）波浪压力临界水深mH=98＞L/2=3.852，所以浪压力按深水波计算。KN（2）泥沙KN2.4应力计算应力计算公式如下：上游面垂直正应力：下游面垂直正应力：上游面剪应力：下游面剪应力： 上游面水平正应力：下游面水平正应力：上游面主应力：下游面主应力：以上公式适用于无扬压力作用的情况，当截面上有扬压力作用时，应分别采用下列公式：其中式中：B——坝体计算截面沿上、下游面的长度，m;n——上游坝坡；m——下游坝坡；pu、pd——计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有淤沙压力时，应计入在内）；puu、pud——计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度； ——计算截面上全部垂直力之和（包括坝体自重、水重、淤沙重及计算的扬压力等），以下向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准（下同）；——计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正。1）坝内垂直正应力根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的为：其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。当x=0时，当x=B时，2）坝内剪应力根据呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力呈二次抛物线分布，即：其中，、、由边界条件确定。3、坝内水平截面正应力根据在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应力呈三次抛物线分布，即：其中、、、可由边界条件确定。由于的三次抛物线分布与直线相当接近。因此，可近似地作为直线分布，即： 其中2.4.1正常蓄水位坝的应力计算计算时：表示上游水位，m；表示下游水位，m；表示淤沙高度，m；以下符号表示意义相同。1.不计扬压力时：B=78.4m 1.计扬压力时B=78.4m3．坝内应力计算 x坐标ab∑Pa1b1c1a2b21427.34-13.079-469001141.87-12.48-0.027913.5-11.65σyτσxσ1σ2φ119.61170.99887.095685.121847.828.301-3.652-1.303-74.7239.2914.644611.856456.751338.9832.409-2.672-1.213-69.5258.8658.294316.158228.37825.64861.021-1.471-0.974-55.822.4.2设计洪水位坝的应力计算B=78.4m 1.计扬压力时B=78.4m3．坝内应力计算算法与正常蓄水位相同，算得如下表x坐标ab∑Pa1b1c1a2b21225.33-12.275-34610980.262-16.230.0475784.21-10σyτσxσ1σ2φ119.6984.733680.43588.161495.1877.712-3.432-1.287-73.7939.2744.138417.108392.11020.85115.4-2.37-1.171-67.1558.8503.543190.299196.05594.443105.15-1.238-0.891-51.09 2.4.3校核洪水位坝的应力计算1.不计扬压力时：B=78.4m1.计扬压力时 3．坝内应力计算算法与正常蓄水位相同，算得如下表x坐标ab∑Pa1b1c1a2b21439.87-18.187-378991151.9-21.770.0903921.52-11.75σyτσxσ1σ2φ119.61083.42759.817691.141672102.55-3.874-1.318-75.5639.2726.959437.14460.761050.81136.91-3.284-1.275-73.158.8370.501183.867230.38497.204103.68-2.624-1.207-69.18第三章溢流坝段设计3.1孔口设计1．泄水方式的选择：为使水库有较好的超泄能力，采用开敞式孔口。2．洪水标准的确定；本次设计的重力坝是二级建筑物，根据规范查山区、丘陵区水利工程建筑物洪水标准，采用500年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水校核。3．流量的确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为(4593-129.4×0.85)=4483.01m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为(6654-129.4×0.85)=6544.01m3/s。 4．单宽流量的选择：坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取50～100m3/s。5．孔口净宽的拟定：分别计算设计和校核情况下溢洪道所需孔口宽度。计算成果如下：表4－1孔口净宽计算计算情况流量Q（m3/s）单宽流量q（m3/s）孔口净宽B(m)设计情况4483.0150～10089.7～44.8校核情况6544.0150～100131～65.4根据以上计算，溢流坝孔口净宽取45m，假设每一宽度为15m，则孔数为3。6．溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定：根据工程经验拟订闸墩的厚度为：中墩3m，边墩3m,则溢流坝段的总长度L0为：7．堰顶高程的确定：初拟侧收缩系数=0.95，流量系数=0.502，因为过堰水流为自由出流，故=1。由堰流公式：计算堰上水头，计算水位分别减去相应的堰上水头，即为堰顶高程。计算结果见下表：计算情况流量（m3/s）侧收缩数流量系数m孔口净宽（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）设计情况4483.010.950.5024513.05823.36校核情况6544.010.950.5024516.8824.88所以，堰顶高程取823.36m。8．闸门高度的确定计算如下：门高正常蓄水位-堰顶高程+（0.1～0.2）=取12.9．定型设计水头的确定：堰上最大水头校核洪水位-堰顶高程=所以，定型设计水头（～）13.74～17.4m取=15m. 3.2溢流坝的剖面设计1.顶部曲线段坝体上游为铅直，WES曲线上游区段曲线采用：下游区段曲线采用：即x12345678910y0.050.180.3820.650.9831.3771.8312.3442.9153.5422.挑流鼻坎挑流鼻坎有连续式鼻坎和差动式，本设计采用连续式；按规范规定，鼻坎挑射角，根据工程经验，挑射角一般取，对于深水河槽～之间，取；鼻坝坝顶高程高出下游最高水位1～2m，所以鼻坎高程为796.27+2=798.27m,反弧半径R=（4～10）h，h为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深（常近似取鼻坎上水深）。3．中间直线段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同．坡度n=0.8的下游直线段CD与曲线OC相切于C点，C点坐标（，），可如下求得：对堰面曲线求一阶导数直线CD的坡度为：=则0.093=算得：=21.26=14.2984.反弧段鼻坎处水流速V2的计算，对上游和鼻坎处列方程： 又因为，所以鼻坝平均水深为：Q—校核洪水时溢流坝下泄流量为B—鼻坎处水面宽度，m。反弧半径～～49.84取在实际工程中用经验公式取R=25m确定反弧圆心点的坐标（，）及直线与反弧切点D（，）和E（，）的坐标：圆心高程所以：直线与反弧切点D为：5.挑距和冲坑的估算根据地形条件挑坎体形采用连续坎，鼻坎挑射角度一般采用θ=20～25度，取23度。式中：L—坝下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离，m；—为坎顶水面流速；—鼻坎的挑角，（度）；—为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcos；h2为坎顶至河床面的高差；最大冲坑水垫厚度估算：单宽流量q=87.25m/s,上下游水位差H=45.41m,冲刷坑系数α=1.0; 所以:5.闸门的布置:工作闸门的宽为2m，检修闸门为2m，门顶高程取835.36m，工作门槽取2m。6.闸墩和工作桥闸墩根据之前的计算，取3m.启闭机轨距取10m。