某江水利枢纽拱坝设计计算书论文

'某江水利枢纽拱坝设计计算书毕业论文目录第一章调洪演算11.1调洪演算的原理11.2泄洪方案的选择11.2.1对三种方案进行调洪演算11.2.2对三种方案分别计算坝顶高程51.2.3对三种方案进行比较7第二章大坝工程量比较82.1大坝剖面设计计算82.2工程量比较14第三章第一建筑物——大坝的设计计算163.1拱坝的剖面设计以及拱坝的布置163.1.1坝型选择双曲拱坝163.1.2拱坝的尺寸163.2荷载组合173.3拱坝的应力计算173.3.1对荷载组合⑴，⑵，⑶使用FORTRAN程序进行电算173.3.2对荷载组合⑷进行手算203.4坝肩稳定验算293.4.1计算原理293.4.2验算工况293.4.3验算步骤30第四章泄水建筑物的设计364.1泄水建筑物的型式尺寸364.2坝身进水口设计3647 4.2.1管径的计算364.2.2进水口的高程364.3泄槽设计计算374.3.1坎顶高程374.3.2坎上水深hc374.3.3反弧半径R384.3.4坡度（直线段）：与孔身底部坡度一致。384.3.5挑射角θ=20°384.4导墙设计384.5消能防冲计算394.5.1水舌挑距394.5.2冲刷坑深40参考文献43附录一44附录二4547 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1.2.1对三种方案进行调洪演算⑴4表孔+2中孔⑵2浅孔+2中孔⑶4中孔方案一:4表孔+2中孔表孔:堰顶高程179m，孔宽12m流速系数m=0.48,孔口面积B=4×12=48m单孔流量中孔:进口高程135m,出口高程130m,孔口宽7.5m,高7m闸门开度a=7.0m,孔口宽度B=2×7.5=15m,μ=0.96-0.227a/H0单孔流量47 表1—14表孔+2中孔方案水位（m）中孔表孔总流量Q(m3/s)(m)(m3/s)H2(m)(m3/s)18248.50.92723003.19230.48530.2913533.48318652.50.92973133.00670.481890.0755023.08119056.50.93193257.859110.483723.2406981.099表1—2设计校核流量（m³/s）水位(m)流量（m³/s）水位（m）8000186.934410000188.11746000188.89918000190.1874000190.60446000191.9174图1-14表孔+2中孔方案起调流量3533.483m³/s，用列表试算法进行洪水调节，根据以上表格可以得出：47 最大泄洪流量:设计6235.7m3/s校核7483.2m3/s最高水位:设计188.42m校核190.9m方案二:2浅孔+2中孔浅孔:进口高程164米,出口高程158米,孔口宽9.0米,高8.0米侧收缩系数μ=0.96-0.227a/H0单孔流量中孔:进口高程135米,出口高程130米,孔口宽7.5米,高7.0米侧收缩系数μ=0.96-0.227a/H0单孔流量表1—32浅孔+2中孔方案水位（m）中孔浅孔总流量Q(m3/s)(m)(m3/s)(m)(m3/s)18248.40.92623003.312240.88432479.4015482.71318652.40.92883133.119280.89512763.3355896.45419056.40.93103257.776320.90333021.2276279.003表1—4设计校核流量（m³/s）水位(m)流量（m³/s）水位（m）10000184.193810000187.24838000185.7818000188.91246400186.89836400190.025647 图1-22浅孔+2中孔方案起调流量5482.713m³/s，用列表试算法进行洪水调节，根据以上表格可以得出：最大泄洪流量:设计6534m3/s校核6873m3/s最高水位:设计186.81m校核189.89m方案三:4中孔中孔:进口高程135米,出口高程130米,孔口宽7.6米,高7.0米单孔流量侧收缩系数μ=0.96-0.227a/H0表1-54中孔方案水位（m）中孔(m)(m3/s)18248.50.92726086.71318652.50.92976349.78719056.50.93196602.42647 表1—6设计校核流量（m³/s）水位(m)流量（m³/s）水位（m）10000184.182910000187.23288000185.76248000188.89176300187.01816300190.1414图1-34中孔方案起调流量6086.713m3/s，用列表试算法进行洪水调节，根据以上表格得出：最大泄洪流量:设计6532m3/s校核6602m3/s最大泄洪流量:设计6532m3/s校核66m3/s最高水位:设计186.97m校核189.9m1.2.2对三种方案分别计算坝顶高程坝顶超出水库静水位的高度△h为式中——波浪高（ｍ）其中＝20~250时为累积频率5%的波高，=250~1000时为累积频率10%的波高47 ——计算最大风速（ｍ／ｓ）D—库面吹程（km）——波浪中心线至计算水位的高差——安全超高（ｍ）校核情况下:故0.588+0.160+0.5=1.248m正常情况下:m（0，250）故1.226+0.386+0.7=2.312m方案一(4表孔+2中孔)时坝顶高程：设计情况：188.42+2.312=190.732m校核情况：190.9+1.248=192.148m方案二(2浅孔+2中孔)时坝顶高程：设计情况：186.81+2.312=187.312m47 校核情况：189.89+1.248=191.138m方案三(4中孔)时坝顶高程：设计情况：186.97+2.312=189.282m校核情况：189.9+1.248=191.148m1.2.3对三种方案进行比较方案二即泄水建筑物采用2中孔+2浅孔时所需坝顶高程相对比较小，且方案一与方案三都存在对坝体的结构影响较大的问题（方案一的4表孔使得坝体堰顶以上失去空间结构作用，方案三的4中孔使得坝体同一高程开孔数量过多，该层拱圈削弱过多），故本设计选择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。设计洪水时，允许泄量6550m³/s，校核洪水时，允许泄量7550m³/s，设置两浅孔，孔口宽9.0m，高8.0m，进口底高程为164m，出口底高程为158m；两中孔，孔口宽7.5m，高7.0m，进口底高程为135m，出口底高程为130m，设计洪水时，下泄流量6534m³/s，校核洪水时，下泄流量6873m³/s，略小于允许下泄流量，设计洪水位为186.81m，校核洪水位为189.89m，由此计算得到的坝顶高程为191.138m,取191.14m，最大坝高为99.14m。47 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=189.89-92=97.89m最大坝高为191.14-92=99.14m㈠基本剖面⑴按应力条件确定坝底最小宽度式中扬压力折减系数取0.25则⑵按稳定条件确定坝底最小宽度式中K=1.10λ=0则综合⑴⑵，取坝底最小宽度B=72.5m㈡实用剖面⑴坝顶宽度：取坝高的8%～10%，即（8%～10%）×99.14=(7.931～9.914)m,取为9.5m⑵下游坡度为H/B=99.14/72.5=1:0.731⑶上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的1/3～2/3范围内，即（1/3～2/3）×99.14=(33.047～66.093)m,取为50m。⑷上游折坡的坡度取为1：0.15⑸坝底宽度为72.5+50×0.15=80m47 图2-1重力坝剖面图（单位：m）㈢排水位置设计洪水最大下泄流量为6534m³/s，则Z下=114.033m，水头H=186.81-114.033=72.78m校核洪水最大下泄流量为6873m³/s，则Z下=114.3684m，水头H=189.89-114.368=75.522m廊道上游壁到上游坝面距离不小于1/25～1/15倍水头，且不小于4～5m，即（1/25～1/15）×75.522=(3.02～5.03)m,取为4m。㈣荷载计算⑴坝体自重W1=1/2×7.5×50×24=4500kN/mW2=9.5×99.14×24=22603.92kN/mW3=1/2×63×86.15×24=65129.4kN/mW=W1+W2+W3=92233.32kN/m⑵水压力设计垂直水压力P上y=1/2×7.5×［（186.81-142）+(185-92)］×10=5235.75kN/mP下y=1/2×(114.033-92)²×0.731×10=1775.03kN/m水平水压力P上x=1/2=1/2×10×(186.81-92)²=44944.68kN/m47 P下x=1/2=1/2×10×(114.033-92)²=2427.27kN/m校核垂直水压力P上y=1/2×7.5×［（189.89-142）+(189.89-92)］×10=5466.75kN/mP下y=1/2×(114.368-92)²×0.731×10=1829.42kN/m水平水压力P上x=1/2=1/2×10×(189.89-92)²=47912.26kN/mP下x=1/2=1/2×10×(114.368-92)²=2501.64kN/m⑶扬压力设计上游坝踵处=186.81-92=94.81m下游坝趾处=114.033-92=22.033m排水孔中心线处+α(-)=22.033+0.25×（93-22.033）=39.77kN/m²图2-2设计洪水下重力坝坝底扬压力分布图面积则坝底扬压力校核47 上游坝踵处=189.89-92=97.89m下游坝趾处=114.368-92=22.368m排水孔中心线处+α(-)=22.37+0.25×（97.89-22.37）=41.25kN/m²图2-3校核洪水下重力坝坝底扬压力分布图面积则坝底扬压力⑷浪压力设计=校核=⑸泥沙压力垂直泥沙压力水平泥沙压力47 ——坝前泥沙淤积高度，——泥沙浮容重，——泥沙内摩擦角，故㈤稳定校核设计＞校核＞∴稳定满足要求。㈥应力分析（取坝基面）设计⑴水平截面上的边缘正应力和==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47 ⑵边缘剪应力和⑶铅直截面上的边缘正应力和′⑷上游边缘主应力和⑸下游边缘主应力和没有出现拉应力，故应力满足要求。校核⑴水平截面上的边缘正应力和==∴⑵边缘剪应力和47 ⑶铅直截面上的边缘正应力和⑷上游边缘主应力和⑸下游边缘主应力和没有出现拉应力，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：⑴重力坝工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算：第Ⅰ块=200m=80mb=35.95m=0.15=0.731H=50m第Ⅱ块=265m=200mb=9.5m=0=0.731H=36.15m第Ⅲ块=298m=265mb=9.5m=0=0H=12.99m47 ∴重力坝工程量:=383800+185723.98+34738.51=604262.49⑵拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算：拱坝总工程量经比较，拱坝较重力坝可节约工程量为：（604262.49-343746.14）/604262.49=43.11℅又因为坝址处地形地质条件都较好，能适宜建拱坝，故选择拱坝方案作为设计方案。47 第三章第一建筑物——大坝的设计计算3.1拱坝的剖面设计以及拱坝的布置3.1.1坝型选择双曲拱坝3.1.2拱坝的尺寸⑴坝顶的厚度（3—1）∵=0.01×(99.14+2×310.1616)=8.435m＞Tmin=3～5m∴取=8.5m⑵坝底的厚度（3-2）式中K=0.0035[]=6.55kN/m³，——分别为第一，第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离=310.16m=163.99mH——坝高，99.14m∴=0.0035×(310.16+163.99)×100/6.55=25.12m取=25.5m⑶上游面的曲线采用二次抛物线式中，取=0.62=0.3则=0.3×25.5/(2×0.62-1)=31.88=2×0.62×31.88=40.16∴上游面的曲线方程为⑷下游面的曲线按，沿高程线性内插。设第i层拱圈的厚度为则47 （3—3）表3-1各层拱圈的形体参数（单位：m）截面H高程1099.140.008.508.50191.14224.78599.14-8.054.7012.75166.355349.5799.14-12.114.8917.00141.57474.35599.14-12.199.0621.25116.785599.1499.14-8.2817.2225.5092图3-1拱冠梁横剖面图（单位：m）3.2荷载组合⑴正常水位+温降⑵设计水位+温升⑶校核水位+温升⑷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⑴，⑵，⑶使用FORTRAN程序进行电算⑴正常水位+温降47 N=5u=0.20AT=-47.00BT=3.39RG=2.40FS=10.00RS=0.85EC=2200000.0EF=2200000.0GC=0.000008HW=6.14HS=76.14X1=40.16X2=31.88DESIGNPOINT0X1=40.1600X2=31.8800LEVELHIAFSLTR10.0045.00152.808.50191.40224.7845.00122.5012.75157.09349.5745.00100.7317.00127.09474.3645.0076.3721.25102.06599.1445.0042.8125.5069.45H_STRESSV_STRESSWITHWATERV_STRESSWITHOUTWATERLEVELCROWN_UCROWN_DABUT._UABUT._DCROWN_UCROWN_DCROWN_UCROWN_D1237.27145.28110.26278.07.00.00.00.002290.71118.7763.54248.6059.9651.31-14.62115.523290.1168.6215.17212.8379.46124.909.81172.274220.78-11.25-41.39137.3942.44234.41124.21125.68591.72-54.76-38.6847.81-72.17404.66320.22-24.04LEVELRADIALDISP.ROT.ANGLEPi-XiROT.LAOD10.0433400.0003088.440.0020.0355090.00037016.821.0230.0253620.00045425.212.8840.0134550.00041726.937.2750.0034200.00018822.4810.36⑵设计水位+温升n=5u=0.20AT=47.00BT=3.39RG=2.40FS=10.00RS=0.85EC=2200000.0EF=2200000.0GC=0.000008HW=4.33HS=76.14X1=40.16X2=31.88DESIGNPOINT0X1=40.1600X2=31.880047 LEVELHIAFSLTR10.0045.00152.808.50191.40224.7845.00122.5012.75157.09349.5745.00100.7317.00127.09474.3645.0076.3721.25102.06599.1445.0042.8125.5069.45H_STRESSV_STRESSWITHWATERV_STRESSWITHOUTWATERLEVELCROWN_UCROWN_DABUT._UABUT._DCROWN_UCROWN_DCROWN_UCROWN_D1268.40208.01185.02295.17.00.00.00.002294.25170.17130.31261.3584.0027.81-14.62115.523291.56120.2778.93229.23114.5190.099.81172.274231.3344.7120.47162.1287.37187.76124.21125.685119.16-6.817.0279.225.67317.29320.22-24.04LEVELRADIALDISP.ROT.ANGLEPi-XiROT.LAOD10.0285980.00010210.440.0020.0257860.00018918.720.5530.0197910.00031527.922.3840.0109820.00032231.805.8950.0030510.00015231.838.87⑶校核水位+温升n=5u=0.20AT=47.00BT=3.39RG=2.40FS=10.00RS=0.85EC=2200000.0EF=2200000.0GC=0.000008HW=1.25HS=76.14X1=40.16X2=31.88DESIGNPOINT0X1=40.4100X2=31.5700LEVELHIAFSLTR10.0045.00152.808.50191.40224.7845.00122.5012.75157.09349.5745.00100.7317.00127.09474.3645.0076.3721.25102.0647 599.1445.0042.8125.5069.45H_STRESSV_STRESSWITHWATERV_STRESSWITHOUTWATERLEVELCROWN_UCROWN_DABUT._UABUT._DCROWN_UCROWN_DCROWN_UCROWN_D1296.14227.40201.22326.62.00.00.00.002322.27184.01139.60286.2290.3823.31-14.62115.523314.33127.6682.61247.10112.1095.759.81172.274245.2745.7519.83171.9374.75203.85124.21125.685123.83-8.176.3282.61-15.23341.97320.22-24.04LEVELRADIALDISP.ROT.ANGLEPi-XiROT.LAOD10.0325440.00014211.470.0020.0287220.00023420.430.6830.0215580.00035930.002.5940.0117360.00035333.616.2850.0031950.00016333.049.283.3.2对荷载组合⑷进行手算拱冠梁法计算应力的变形协调方程：式中i——1，2，3…，n,拱冠梁与水平拱交点的序号，即拱的层数；J——单位荷载作用点的序号；pi——作用在第i层拱圈中面高程上总的水平径向荷载强度，包括水压力、泥沙压力等；xi——拱冠梁在第i层上所分配到的水平径向荷载强度，为未知数；（pi-xi）——第i层拱圈所分配到的水平径向均布荷载强度；xj——梁在j点所分配到的荷载强度；aij——梁在j点的单位荷载所引起i点的径向变位，称为梁的“单位变位”；δi—单位径向均布荷载作用在第层水平拱圈时，在拱冠处所引起的径向变位，称为拱“单位变位”；ΔAi——第i层拱圈由于该层均匀温度变化Δθ时在拱冠处的径向变位；47 ——作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁上i截面的水平径向变位。3.3.2.1.2计算步骤：⑴拱圈变位系数δi的计算及均匀温降Δθ时的ΔAi的计算：（3-6）式中Δγ0——可由拱圈的ΦA、T/R查表4-7（沈长松编《拱坝》）得出；EC——混凝土的弹性模量，取2.2×104MPa；R——第i层拱圈的平均半径,m。（3-7）式中Δγ0——可由拱圈的ΦA、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，m；C——坝身材料线胀系数，取1×10-5；Δθ——第i层拱圈的均匀温度下降值，由式Δθ=47/（T+3.39）(oC)Ti——第i层拱圈的拱厚,m。表3-2Δθ计算表高程T191.148.53.95166.35512.752.91141.57172.31116.78521.251.9192.025.51.6347 表3-3δi和ΔAi的计算表截面12345高程191.14166.355141.57116.78592拱厚T8.512.751721.2525.5半径R191.4157.09127.09102.0669.45T/R0.0440.0810.1340.2080.367半中心角ΦA535152.548.538△γo-49.2023-26.2251-16.3749-10.0703-4.5137δi(1/Ec)-9417.42-4119.65-2081.09-1027.76-313.471均匀温降△θ3.9532.9122.3051.9071.627R*C*△θ0.006050.003660.002340.001560.0009△γo-1.842-1.769-1.661-1.375-0.701△Ai-24525.5-14244.9-8565.99-4712.45-1394.59垂直荷载作用下引起的梁的径向变位ΔBi的计算（1）垂直荷载（只计水荷载）作用下由于梁本身弯曲引起的变位式中：Ωi——垂直荷载作用下i截面以下M/ECI图的面积；yi——Ωi面积形心至i截面的距离。表3-4水重产生的水平位移计算表截面12345上部水面积m²051.641168.809172.324-8.681156.0343-209.73水重t051.641168.809172.324-8.68156.0343-209.73距离Xm04.495.3847.58710.777810.793914.5042弯矩Mt·m0231.884908.8861307.42-93.563604.829-3041.97M/EI01.3432.221.518-1.764M/I图面积121.65108.661.97　10.780-10.1-10.1-10.1-10.10y48.8127.7414.223.96094.72572.72347.93823.1530位移BiⅠΩ·y4982.3972279.235397.3479-190.946047 图3-3M/I（2）拱冠梁梁基力系作用下，地基产生角变θx及径变Δγf，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ΔBiⅡΔBiⅡ=θxhi+Δγf仅垂直荷载时θx=MxαΔγf=Mxα2取拱坝Ec=Er=，即n=1Mx=-2437.137t/m³θx=-2437.137×5.62/(25.5²×Ec)=-21.064/EcΔγf=-2437.137×0.74/(25.5²×Ec)=-70.725/EcΔBiⅡ=(-21.064×Hi-70.725)/Ec（3）将ΔBiI和ΔBiⅡ迭加得ΔBiΔBi=ΔBiI+ΔBiⅡ表3-5总位移ΔBi计算（/Ec）HiΔBiⅡ/EcΔBiⅠ/EcΔBi/Ec99.14-2158.994982.3972823.4174.355-1636.922279.235642.3149.57-1114.86397.348-717.5124.785-592.79-190.946-783.7447 0-70.720-70.72（4）梁变位系数aij的计算。拱冠梁变位系数aij的计算见下表。表3-6拱冠梁变位系数aij的计算表a115342.9820a213810.5646a311835.8597a41637.0365a5177.1276a126839.5273a225696.7034a322939.5758a421065.6627a52142.0898a134195.5488a233016.2094a331686.1793a43751.9745a53124.4077a141498.8598a241122.2079a34792.3851a44428.7377a54106.5328a15231.0251a25187.5487a35144.0957a45100.6427a5547.3282（5）计算pi正常水位185mH1=191.14-185=6.14m泥沙淤积高程115mp1=0p2=γwH1=1×18.645=18.645t/m2p3=γwH2=1×43.43=43.43t/m2p4=γwH3=1×68.215=66.25t/m2p5w=γwH4=1×93=93t/m2p5n=γnhn2tg2(45o-φs/2=8.5×23×tg2(45o-10o/2)=13.765t/m2p5=p5w+p5n=91.25+13.76=106.765t/m2（6）根据ai1x1+ai2x2+ai3x3+ai4x4+ai5x5+xiδi=Piδi+ΔAi-ΔBi求解得：梁所受的荷载：=-9.1475t/m2=-4.3265t/m2=22.2167t/m2=40.9779t/m2=80.3284t/m247 拱所受的荷载：p1-x1=9.1475t/m2p2-x2=22.9715t/m2p3-x3=21.2133t/m2p4-x4=27.2371t/m2p5-x5=26.4366t/m2统计见下表表3-10截面编号12345P（含水压，泥沙）kpa018.64543.4366.25106.765Xi-9.1475-4.326522.216740.977980.3284拱荷载Pi-Xikpa9.147522.971521.213327.237126.4366（7）地震荷载产生的应力计算见下表“地震荷载计算表”。表3-11纵向地震惯性力拱冠截面的内力拱端内力H0V0M0HaVaMa169.19860243.03505246.4313526.82061426.7765178.42090302.80595258.160521.2074594.50282154.67450399.20735235.9180114.58645-200.894111.04030469.62653177.04435-7.88405-632.81137.954680316.8835973.499991-32.1872-577.832表3-12纵向地震激荡力(力单位KN，弯矩KN·m)拱冠的内力拱端的内力H0V0M0HaVaMa000000200.30180229.37201202.317248.363408-87.2221163.68470309.33729168.629971.783801-319.15798.993120335.58645107.55618-12.432-538.34535.833040244.4733946.021338-27.4046-463.09547 表3-13横向地震惯性力(力单位KN，弯矩KN·m)拱冠内力拱端内力H0VOM0Ha左（+）Ha右（-）VaMa左（+）Ma右（-）033.643610-135.5315135.5315-124.831-3967.383967.383033.532930-143.8851143.8851-125.236-3129.33129.303032.8580-134.5221134.5221-122.186-2552.642552.64023.416670-108.8237108.8237-88.2194-1355.861355.85509.4102060-61.425961.4259-36.237-289.42289.4201表3-14横向地震激荡力(力单位KN，弯矩KN·m)拱冠内力拱端内力H0V0M0Ha左（+）Ha右（-)VaMa左（+）Ma右（-）00000000017.64448010.399328-10.3993-65.6348-1633.611633.612016.1761509.692167-9.69217-59.5501-1231.781231.78109.74969905.2300328-5.23003-35.7185-533.768533.768304.24186801.4576446-1.45764-14.4935-101.232101.2321（8）悬臂梁上下游，拱冠上下游，拱端上下游在正常水位+温降+地震情况下的应力大小见下表。表3-15梁拱应力汇总表（正常水位+温降+地震）(力单位KN，弯矩KN·m)截面悬臂梁拱冠右拱端左拱端上游下游上游下游上游下游上游下游1003148.7662185.2931495.4034637.9052118.8472264.5582817.92269.073545.2131361.5351046.2824402.186-446.1144202.7113782.512193309.866591.209-55.9164452.386-863.6423930.264455.292674.22386.061-480.550-961.8703369.142-1462.3702945.4935-1217.44501.62740.360-599.296-526.768896.637-671.922756.796(9)孔口应力计算。47 47 表3-16孔口应力计算结果表（单位：MPa）ρ浅孔进口浅孔出口中孔进口中孔出口0°45°90°0°45°90°0°45°90°0°45°90°128.76743.379.23-122.41486356.674.62102631.47121.11779114.90.9540.50368．886.62-82.81742.5354.986.27497.446.83143.9876.8138.20.952.13246.194.44-45.40498.8356.298.36324.262.18167.1581.1161.90.8562.78188.3101.6-11.09383.8357.2109.4242.576.23188.3441.6183.50.871.78155.3107.319.13318.3356.2118.4196.088.02205.8362.1201.50.7578.62134.4113.444.27276.5359.2124.6166.398.79218.4311.4219.00.783.10119.8112.763.78247.8344.8127.7145.9102.4225.6276.6222.00.6585.24109.3112.377.49227.0334.6127.8131.1104.7227.6251.4224.30.685.34101.4110.385.82211.2322.4125.5119.9104.2225.1232.2222.10.5583.8395.14107.089.50198.8309.1121.4111.1101.6219.2217.2216.40.581.2090.08102.989.57188.7295.8116.1104.097.49211.1204.9208.40.4577.9485.8698.6187.06180.4283.3110.398.0292.59201.9194.8199.3配筋计算：由表可知孔口45°和90°两条线没有出现大的拉应力，在0°线上距孔边处由于应力集中出现较大的拉应力，因此以45°线上最大拉应力来进行配筋计算。45°和90°两条线以最小配筋率0.1％来配筋。根据《坝内的孔口与廊道》中的配筋计算方法是按照孔口拉应力分布，算出拉应力总值P，在P中可以扣除混凝土可以承担的部分，然后用P除以钢筋的容许应力[σs]得出配筋面积47 3.4坝肩稳定验算3.4.1计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：S=Hacosφ+VasinφN=Hasinφ-Vacosφ式中：φ——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ψ，将N分解为平行和垂直拱座面的分力Q和P：Q=Nsinψ-GcosψP=Ncosψ+Gsinψ-U式中：ψ——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：K=(f1P+f2Wsinψ+clsecψ)/S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3.4.2验算工况工况Ⅰ，校核水位+温升；47 工况Ⅱ，正常水位+温降+地震3.4.3验算步骤3.4.3.1对工况Ⅰ进行稳定验算：表3-18ha,Ua的数值表截面T（m）T/R（°）均匀水压力均匀温度升高haUahaUa18．50.0445325.15809-0.179570.0060710.007704212.750.0815112.74576-0.34960.0204780.0248393170.13452.57.63026-0.488880.0419140.052678421.250.20848.54.474986-0.771510.1074970.114375525.50.367381.788848-1.014020.2356560.182392⑵求拱由均匀水压P和均匀温升△θ产生的轴向力Ha，剪力Va由均匀水压P产生：，由均匀温升产生：,表3-19截面拱圈承担梁承担水压+温升水压水压温升温升11917.088-13.68353.590114.5557901920.678-9.1277423695.952-101.37613.381516.23122161.88573709.33476.7409432765.498-177.18928.9068936.33051-61.32562794.405-202.18447 42599.551-448.17676.6747581.59431-841.9082676.225-1208.4951207.592-684.531172.0607133.1708-2343.511379.652-2894.87表3-20截面右端左端轴向力Ｈ与滑动面的夹角ＳＮ轴向力Ｈ与滑动面的夹角ＳＮ10.66322511507.8951189.680.6283191548.4961136.330720.68067842930.9882274.720.6806782930.9882274.720330.66322512077.5451879.7310.6632252077.5451879.730840.68067841319.2912623.3760.7679451085.6282728.376950.9250245-1481.652844.0140.890118-1381.492893.9904（3）渗透压力计算（下游水位114.368m）表3-21截面排水廊道与上游面距离上游水头折减系数厚度作用水头扬压力Ｕ1300.358.500002323.5350.3512.7523.5358.23725087.827433.548.32220.351748.322216.91280226.69164573.1050.3521.3573.10525.58680453.598247 5897.890.3525.575.521648.8010924.2986表3-22截面滑动面与垂线的夹角QPG右端左端右端左端10.7854803.5072841.231803.5072841.231020.78541160.5741160.5741968.5391968.539633.421230.7854260.0402260.04022171.6092171.6091511.97840.785463.03665-11.21033341.8733267.6262639.2350.7854-799.607-834.9463968.0293932.6914024.806⑷抗滑稳定安全系数——滑动面上摩擦系数，取0.75——凝聚力系数，取50MPa——滑动面长度，取5T表3-23工况Ⅰ的抗滑稳定安全系数K截面抗滑稳定安全系数K左半拱右半拱13.213.1122.792.7934.284.2844.254.4254.414.4247 3.4.3.2对工况Ⅱ进行稳定验算：⑴同工况Ⅰ。⑵求拱由均匀水压P和均匀温降△θ产生的轴向力Ha，剪力Va由均匀水压P产生：，由均匀温降产生：,表3-24截面拱圈承担梁承担水压+温升水压水压温升温升11917.088-13.68353.590114.5557901920.678-9.1277423695.952-101.37613.381516.23122161.88573709.33476.7409432765.498-177.18928.9068936.33051-61.32562794.405-202.18442599.551-448.17676.6747581.59431-841.9082676.225-1208.4951207.592-684.531172.0607133.1708-2343.511379.652-2894.87表3-25截面右端左端轴向力Ｈ与滑动面的夹角ＳＮ轴向力Ｈ与滑动面的夹角ＳＮ10.6661787.4961234.5230.6801770.0941259.34820.7502306.7071941.6740.7852237.5742020.95430.7822525.0762122.8490.8132457.1852201.07740.8901958.2661608.6290.9771810.6921773.10247 51.2042304.8771085.5161.2212285.5921125.556（3）渗透压力计算表3-26截面排水廊道与上游面距离上游水头折减系数厚度作用水头扬压力Ｕ1300.358.500002318.6450.3512.7518.6458.23725080.4833.543.43220.351743.432216.91280218.14484568.2150.3521.3568.21525.58680432.73755770.96660.3525.570.966648.8010565.0716表3-27截面滑动面与垂线的夹角QPG右端左端右端左端10.78541033.492960.3061033.492960.306020.78541708.5611589.762532.8742405.072633.421230.7854491.3236382.6372411.4392302.7531511.97840.7854-619.511-855.0972680.1862444.62639.2350.7854-3026.31-3057.512100.5492069.3564024.80647 ⑷抗滑稳定安全系数——滑动面上摩擦系数，取0.75——凝聚力系数，取50MPa——滑动面长度，取5T表3-28工况Ⅱ的抗滑稳定安全系数K截面抗滑稳定安全系数K左半拱右半拱13.072.6722.722.5634.454.1245.225.1456.796.60本拱坝的坝肩稳定以校核+温升；正常+温降+地震为控制情况，Kmin=2.56,两种控制情况均为特殊组合，当无地震时,K’值不应小于3.00；当有地震时，K’值不应小于2.5,因此，满足稳定安全要求，故不需做整体稳定分析。47 第四章泄水建筑物的设计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，孔口宽9.0m，高8.0m，进口底高程为164m，出口底高程为158m；两中孔，孔口宽7.5m，高7.0m，进口底高程为135m，出口底高程为130m，下泄流量6534m/³。4.2坝身进水口设计4.2.1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：式中：：Qmax——钢管的最大设计流量(m3/s)；H——设计水头（m）Qmax=338/4=84.5m3/sH=186.81-114.033=72.78m故取D=4.6m。4.2.2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。根据工程经验，不出现吸气漩涡的临界淹没深度可采用下面的戈登公式估算：式中：Scr—闸门门顶低于死水位的临界淹没水深（m）；C—经验系数，一般在0.55～0.73之间,本设计取0.64；V—闸门断面的水流流速m/s；47 D—闸门孔口高度mV=Qmax/S=84.5/(π×2.3²)=5.087m/sScr=CVD1/2==0.64×5.087×4.61/2/2=6.98m取Scr=7.0m又∵死水位为164m∴进水口高程为164-7.0-4.6=152.4m4.3泄槽设计计算4.3.1坎顶高程坎顶高程=下游设计水位+（2～5m）=114.033+（2～5m）=116.033～119.033m取坎顶高程为118m。4.3.2坎上水深式中：T——上游设计水位至坎顶的高差q——单宽流量φ——流速系数，取0.95对浅孔：T=186.81-118=68.81mQ=3070.858m3/sq=Q/(9.0×2)=3070.858/16=170.6m3/s经试算得hc=5.078m对中孔：T=186.81-118=68.81mQ=3155.604m3/sq=Q/(7.5×2)=3155.604/15=210.37m3/s)47 经试算得hc=6.324m4.3.3反弧半径RR=(6～10)hc对浅孔：R=30.468～50.78m取R=40m对中孔：R=37.944～63.34m取R=55m4.3.4坡度（直线段）：与孔身底部坡度一致。4.3.5挑射角θ=20°4.4导墙设计导墙厚度一般为0.5~1m,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1~1.5m。溢流坝面高速水流自掺气现象的断面平均掺气浓度CC=0.538(Ae-0.02)式中Ae=nV/R2/3N——溢流面满宁糙率V——不计掺气时的断面平均流速R——不计掺气时的水力半径掺气水流总深度ha=h/(1-c)对浅孔：Ho=186.81-118=68.81mR=h=5.078mAe=nV/R2/3=0.012×34.91/5.0782/3=0.1418C=0.538(Ae-0.02)=0.538×(0.1418-0.02)=0.0655ha=h/(1-c)=5.078/(1-0.0655)=5.43mha+(1~1.5)=(6.43~6.93)故取浅孔导墙高度为6.7m。对中孔：Ho=186.81-118=68.81m47 R=h=6.324mAe=nV/R2/3=0.012×34.91/6.3242/3=0.1225C=0.538(Ae-0.02)=0.538×(0.1225-0.02)=0.0551ha=h/(1-c)=6.324/(1-0.0551)=6.693mha+(1-1.5)=(7.693~8.193)故取中孔导墙高度为8m。4.5消能防冲计算4.5.1水舌挑距⒈水舌挑距式中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=1.1φ(2gH0)1/2（H0为水库水位至坎顶的落差）α——鼻坎的挑射角度h1——坎顶垂直方向的水深h1=hcosα(h为坎顶平均水深)h2——坎顶至河床表面落差对浅孔：H0=186.81-118=68.81mh1=hcosα=5.078×cos20o=4.772mh2=118-92=26m=150.7735m对中孔：H0=186.81-118=68.81mh1=hcosα=6.324×cos20o=5.943mh2=118-92=26m47 =152.2789m4.5.2冲刷坑深tk=2.44αhk0.89H0.11–t式中H——上下游水位差（m）tk——最大冲坑深度，由河床面算至坑底（m）α——冲坑系数，本设计α=1.0q——泄水建筑物出口断面的单宽流量（m3/s）对浅孔：q=170.6m3/sH=186.81－114.033=72.777mt=114.033－92=22.033mtk=αq0.5H0.25-t=1.0×170.60.5×72.7770.25-22.033=16.116mL/tk=150.7735/16.811=9.3553>2.5满足要求。对中孔：q=210.37m3/sH=186.81－114.033=72.777mt=114.033－92=22.033mtk=αq0.5H0.25-t=1.0×210.370.5×72.7770.25-22.033=20.3304mL/tk=152.2789/20.3304=7.4902>2.5满足要求。⒊消能率计算对冲消能主要研究对冲点处水舌相撞的动能损失。令m1=ρq1，m2=ρq2，ρ为水的密度。挑射水流的分速度计算公式为：47 （5-8）至对冲点的挑射时间为：（5-9）各个分方向的动能损失计算公式：（5-10）总的动能损失为：(5-11)忽略挑射水流至对冲点的阻力损失，则碰撞前的总动能为：(5-12)因此，对冲点的消能率为：%本设计中：α1=α2=20oθ1=θ2=θV1=V2=V=34.91m/sq1=q2t1=t2△Tx=ρ/2×q/2×(Vcosαsinθ1+Vcosαsinθ2)2=ρ×q×(Vcosαsinθ)2△Ty=ρ/2×q/2×(Vcosαcosθ1-Vcosαcosθ2)2=0△Tz=ρ/2×q/2×(Vsinα-Vsinα)2=0T=ρ/2×(q1V12+q2V22)=ρqV2对浅孔：q=170.6m3/sθ=37o47 η=△T/T==(cosαsinθ1)=32.0%对中孔：q=210.37m3/sθ=38oη=△T/T=(cosαsinθ1)=33.47%47 参考文献⒈左东启王世夏林益才主编《水工建筑物》河海大学出版社⒉华东水利学院河川系水工教研组《毕业设计参考资料拱坝》1984年1月⒊黎展眉编著《拱坝》水利电力出版社1982年12月⒋索丽生任旭华胡明编著《水利水电工程专业毕业设计指南》中国水利水电出版社2001年⒌艾克明编著《拱坝泄洪与消能的水力设计和计算》水利电力出版社1987年⒍周之豪等编《水利水能规划》中国水利水电出版社1997年⒎刘启钊等编《水电站》中国水利水电出版社1998年⒏沈长松编《拱坝》河海大学出版社⒐水利水电规划设计总院《水工设计手册（混凝土坝）》水利电力出版社1987年⒑美国垦务局著拱坝设计翻译组译《拱坝设计》水利电力出版社1984年6月⒒王锍泰周维垣毛健全顾悦编著《拱坝坝肩岩体稳定分析》贵州人民出版社1982年11月⒓《水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997》⒔《混凝土重力坝设计规范SDJ21-78》⒕《混凝土拱坝设计规范SD145-75》47 附录一47 附录二47'