泰安抽水蓄能电站水利枢纽上水库库盆及导流建筑物设计计算书.docx

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泰安抽水蓄能电站水利枢纽上水库库盆及导流建筑物设计计算书

第一章

坝体计算

1.1防浪墙顶高程及坝顶高程确定

1.1.1防浪墙顶高程确定

防浪墙顶高程由水库静水位加波浪爬高,壅高及安全超高决定，坝顶高程计

算分别考虑正常情况和非常情况，取所得坝顶高程的较大值。

即

坝顶高程=设计洪水位+Δh设

坝顶高程=校核洪水位+Δh校

其中，正常情况下坝顶高程应高于静水位0.5m以上，非常情况下不低于静水位。

图1-1坝顶超高计算简图

由于坝顶设防浪墙,超高计算采用重力坝超高计算公式（图1-1）

（1-1）

式中：

Δh——水库静水位以上的超高（m）

2h1——累计频率1%的波浪高度（m）

h0——波浪中心线高出静水位的高度（m）

hc——取决于坝的级别和计算情况的安全超高（m）,由表1-1确定。

表1-1土坝坝顶安全超高值（m）

运用情况

坝的级别

1

2

3

4，5

正常

1.5

1.0

0.7

0.5

非常

0.7

0.5

0.4

0.3

本工程坝的级别为Ⅰ级，故安全超高正常情况下取1.5m,非常情况下为0.7m

由于计算风速<20.0m/s,吹程D<20km,所以计算中波浪要素采用官厅公式:

（1-2）

（1-3）

（1-4）

其中，V0为计算风速，设计情况采用洪水期多年平均最大风速的1.5～2倍，校核情况采用洪水期多年平均最大风速;库面吹程D（km）指坝前沿水面至对岸的最大直线距离，根据水库形状确定．本设计多年平均最大风速16.6m/s,库面吹程为1.19km（由图中量得）.

本工程正常蓄水位为409.4m,设计洪水位409.8m,校核洪水位409.9m.正常蓄水位下坝前水深34.4m.

下面分别计算设计和校核情况确定的坝顶高程值.

1.1.1.1设计洪水位情况

=0.0166*（16.6*2.0）5/4*（1.19）1/3=1.40m

=10.4*（1.40）0.8=13.63m

=

m

=1.5m

=1.40+0.453+1.5=3.35m

由此所得防浪墙顶高程为:

411.0+3.35=414.35m

1.1.1.2校核洪水位情况

=0.0166*0.0166*（16.6*1.0）5/4*（1.19）1/3=0.589m

=10.4*（0.589）0.8=6.81m

=

m

=0.7m

=0.589+0.160+0.7=1.45m

故防浪墙顶高程为:

411.1+1.45=412.6m

综合以上两种情况,取较大值,则防浪墙顶高程取为▽=414.35m.

表1-2地震区土石坝的超高

坝高（m）

<50

50～100

100～200

>200

最小超高值（m）

2

3

4

5～7

本设计坝高在50～100m,根据表1-2,最小超高值为3m,防浪墙顶高程比正常蓄水位高出3.8m,>3.0m,满足地震区安全超高的要求.故防浪墙顶高程取为414.35m.

1.1.2防浪墙底高程的确定

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016-1999中的5.2.2规定:

防浪墙顶高出坝顶1～1.2m,防浪墙与面板顶部的接缝高程即防浪墙的底面高程宜高于水库正常蓄水位。

但对于本坝，坝高中等，现在的止水技术又可以承受一定的水头，为节省坝体的填筑方量，综合分析，取防浪墙高3.8m,底面高程为410.55m,与正常蓄水位齐平.防浪墙具体尺寸见图1-2.

图1-2防浪墙剖面图

1.1.3坝顶高程的确定

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016-1999中的5.2.2规定:

防浪墙顶高出坝顶1.0～1.2m。

现取防浪墙高出坝顶1.2m,则坝顶高程为：

414.35-1.2=413.15m.

1.1.4坝顶面宽度的确定

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-98中的第5.1.1条规定：

坝顶宽度应由运行布置坝顶设施和施工的要求确定，亦按照坝高不同采用5—8m，100m以上的高坝宜适当加宽，如坝顶有交通要求时，坝顶的宽度还用遵照有关规定选用。

本工程中最小坝顶宽度按公式：

Bmin=0.1h计算。

本工程最大坝高约为98.0m，所以Bmin=0.1

98=9.8m。

因考虑交通要求，现取坝顶净宽9.5m，上游防浪墙厚0.5m，则坝顶总宽为10.0m。

1.2防浪墙应力稳定计算及配筋计算

1.2.1防浪墙应力稳定计算

将防浪墙简化为等厚度的“L”型墙，作用在其上荷载有：

自重、土压力。

水工建筑物教材提到,欲使填土发生被动破坏，挡土墙位移量需达到墙高的5%～10%。

这是工程中所不允许的，所以计算不考虑被动土压力情况。

同时,假设防浪墙发生向上游的位移,此时应考虑主动土压力。

下面分别讨论不蓄水状况、设计洪水状况和校核洪水位三种情况。

考虑防浪墙最危险截面为竖墙与底版交界面，取竖墙部分，一端固定，相当于悬臂梁结构，受力分析图见图1-3。

图1-3防浪墙应力计算受力分析图

参考《土力学》,压实填土取Ko=1.3；由《水工建筑物》知，主动、静止土压力的作用分项系数皆为1.2;又由于Ka=tg²（45°-Φ/2）<

,故主动土压力Ea显著小于被动土压力Eo,故静止土压力为控制状况，不考虑主动土压力状况.因而防浪墙的应力稳定计算的控制工况为不蓄水工况。

设计洪水与校核洪水工况可不予计算。

1.2.1.1应力计算

荷载计算：

自重G=γA=1.0

24

39.6KN

静止土压力

=75.68KN

应力计算：

弯矩M=EoH/3=75.68×2.1/3=52.97KN·m

1.2.1.2抗滑稳定分析

图1-4防浪墙稳定计算受力分析图

（1-5）

防浪墙自重G1=

=75.6KN

堆石体自重G2=

=115.5KN

静止土压力Eo=1.2×1.3×22×2.6²/2=116.0KN

f=tgΦ=tg39°=0.81

抗滑力

KN

滑动力∑P=Eo=116.0KN

因此防浪墙抗滑稳定满足要求。

1.2.1.3抗倾覆稳定分析

依然采用静止土压力Eo=75.68KN

倾覆弯矩（作用于墙身各力对墙前的倾覆弯矩）:

Mo=EoH/3=75.68×2.1/3=52.98KN••m

抗倾覆弯矩（作用于墙身各力对墙前的稳定弯矩）:

My=W•e=115.5×3.0=346.5KN·m

抗倾覆安全系数:

K=∑My/Mo=346.5/52.98=6.54>[K]=1.6

由于抗倾弯矩没包括重力,故所得系数已偏于安全,因而防浪墙不会发生倾覆破坏。

1.2.2防浪墙配筋计算

对L型挡墙的竖直部分简化为悬臂梁计算

最不利荷载组合为不蓄水情况，静止土压力作用。

安全级别Ⅰ级，γo=1.1

短暂状况，ψ=1.0

故最大弯矩设计值M=

58.278KN·m

环境级别为：

三类

保护层厚度a=30mm

h0=h-a=500-30=470mm

取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C25，则轴心抗压强度设计值

。

钢筋采用Ⅱ级钢筋，

截面抵抗矩系数：

（2-8）

（2-9）

=

=0.025<

=0.544

属于适筋破坏。

钢筋面积：

（2-10）

=12.5×0.025×1000×470/310

=473.8mm2

计算的配筋率：

=

<

=0.15%（2-11）

故采用最小配筋率配筋：

选配

迎水面几乎不产生拉应力，按照构造配筋就能满足要求。

防浪墙配筋见图1-5。

图1-5防浪墙配筋图

1.3面板的计算

1.3.1面板的厚度计算

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016—1999第8.1.1条规定：

面板的厚度应使面板承受的水力梯度不超过200。

高坝面板顶部厚度宜取0.3m，并向底部逐渐增加。

相应高程面板厚度按下列公式计算：

t=0.3+（0.002～0.0035）H（2-12）

式中：

t——面板的厚度，（m）

H——计算断面至面板顶部的高度，（m）

中低坝可采用0.3～0.4m厚的等厚面板。

根据规范，本坝属于75~180m内的中等高度坝,参考已建工程的经验,故本设计采用0.3m的等厚度面板。

1.3.2面板的配筋计算

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016—1999第8.2.5条规定：

面板宜采用单层双向钢筋。

钢筋宜置于面板截面中部，每向配筋率为0.3%～0.4%,水平向配筋率可低于竖向配筋率。

本工程按规范选用单层双向配筋，各向配筋率均为0.4%，钢筋布置于面板中部,且一般采用直径24-28mm的螺纹筋（二级钢筋）。

为利于施工及行走，水平钢筋放置在上表面。

ρ=As/bh=0.4%

b=1.0m=1000mm

h=400mm

As=ρbh=0.4%×1000×400=1600mm2

每米选用Φ20@20（As=1963mm2）,实配的As大于计算所需As，但不超过10%，认为合理。

在拉应力和岸边周边缝附近配置增强钢筋和构造筋。

配筋形式如图1-6

图1-6面板配筋简图

1.4结论

防浪墙顶高程由设计洪水位控制，防浪墙顶高程为414.35m，防浪墙底高程410.55m，坝顶高程413.15m，坝顶宽度取为10m。

并确定采用L型防浪墙，进行了防浪墙应力计算和稳定验算，经计算防浪墙会出现微小的拉应力，需进行配筋。

本防浪墙采用双层双向配筋，经计算，下游侧按最小配筋率0.15%进行配筋即可以满足要求。

其余部分由于缺少相关的强度资料，初步按构造要求配筋。

第二章趾板计算

2．1趾板剖面尺寸

趾板是布置在防渗面板的周边、坐落在河床及两岸基岩上的混凝土结构。

趾板与面板共同作用，形成坝基上的防渗体。

趾板的横截面体型如图2-1所示，图中“X”点为面板底面线与趾板底面的交点，是趾板设计、施工的控制点。

2-1趾板横截面示意图

趾板端部斜长段ED,要求该段与防渗面板在同一平面上,取ED=1.0m；

周边缝处面板厚度为0.3m，故DC≥2×0.3=0.6m，取DC=0.8m；

根据本工程作用水头和基岩条件，参照已建工程龙溪面板坝的经验，拟定趾板尺寸如下：

2.1.1河床段连接板

本工程上水库回填石渣到375.00高程,面板底部设置连接板与坝前土工防渗层连接。

连接板宽6.00m,厚0.6m。

连接板设施工缝，间距12m。

2.1.2岸坡段趾板

375.00高程以上两岸岩基上布置趾板,与面板、连接板共同构成坝基以上的防渗体。

左岸趾板宽4m，厚度0.5m；右岸趾板因与大坝面板及右岸面板连接，加宽为7.00m，厚度0.5m。

趾板左右岸均设施工缝，间距10m。

根据库盆平面布置图，共有5个趾板折坡坡度不同的趾板剖面。

趾板剖面折坡坡度计算推导公式如下：

假定AD=1，则BD=m,CD=m′（见图2-2）

图2-2趾板剖面折坡坡度计算简图

由余弦定理知：

BC2=BD2＋CD2－2BD×CD×cosα

=m2＋m′2－2m×m′×cosα（3-1）

由于在斜面上，△ABC为直角三角形，AB⊥BC，所以根据勾股定理可知：

BC2=AC2－AB2

AC2=CD2＋AD2=m′2＋1

AB2=BD2＋AD2=m2＋1

所以：

BC2=m′2＋1－m2－1=m′2－m2（3-2）

联立①、②得

m2＋m′2－2m×m′×cosα=m′2－m2

2m2=2m×m′×cosα

m′=m/cosα（3-3）

式中：

m′——趾板折坡的坡度；

m——面板的坡度；

α——计算剖面与面板垂直伸缩缝在水平面上投影的夹角。

计算各趾板（4-4剖面为连接板）剖面尺寸见表3-1

表3-1趾板尺寸设计列表

剖面

趾板宽

（m）

趾板厚

（m）

α

（°）

m

m′

a

１－１

4.0

0.5

90.00

1.4

\

\

２－２

4.0

0.5

0.00

1.4

1.4

0.85

３－３

4.0

0.5

30.00

1.4

1.63

0.79

４－４

6.0

0.6

0.00

1.4

1.4

0.93

５－５

7.0

0.5

23.00

1.4

1.52

0.85

由《面板堆石坝规范》知最大坝高处坝址下游端最小堆石厚度a不得小于0.9。

由上表计算知最大坝高对应的4-4剖面下a=0.93>0.9,故设计合理满足要求。

2．2趾板配筋

根据《混凝土面板堆石坝设计规范》DL/T5016—1999要求，趾板宜采用单层双向钢筋，每向配筋率采用0.3%～0.4%。

岩基上趾板钢筋的保护层厚度为10cm～15cm。

趾板应用锚筋与基岩连接，锚筋参数可按经验确定。

2.2.1连接板

连接板混凝土采用C25，连接板混凝土为双层双向配筋，每向配筋率0.4%。

参照设计报告，选用Φ22钢筋，连接板混凝土含钢量约106kg/m³。

2.2.2趾板

本工程设计趾板混凝土采用C25，按配温度筋考虑，采用单层双向钢筋，布置于趾板表面，每向配筋率0.4%，顶面保护层15cm。

As=ρbh=0.4%×1000×500=2000mm²

式中:

As——钢筋面积，mm2；

ρ——配筋率；

b——板单宽，mm；

h0——有效宽度，因趾板相对较薄，故计算配筋时h0仍采用其设计厚度h来考虑。

趾板纵横筋均采用Φ22@200mm的钢筋（As=1902mm²，小于5%少筋控制范围,满足）。

加强筋采用Φ14@200mm，趾板混凝土配筋率约85.5kg/m³。

趾板用砂浆锚杆与基岩连接，锚筋用Φ25，长4.0m，间距1.0m，每排三根。

配筋简图见图2-3：

图2-3趾板配筋简图

2．3结论

根据计算结果并结合已建工程经验，确定面板厚度为0.3m，采用单层双向配筋，钢筋布置在面板中部。

连接板宽取6m，趾板宽左岸取为4m，右岸7m，相应厚度取为0.6m和0.5m。

配筋图见图2-3。

第三章坝体稳定和变形计算

根据《面板堆石坝设计导则》DL5016—93的规定，结合本工程地质，填料和地震烈度条件，本工程上水库主副坝可不作稳定分析和应力应变计算。

但对于坝体设计而言，为了更加全面掌握设计程序，这里应对坝体的稳定和变形进行初步分析。

3．1边坡稳定计算

钢筋混凝土面板堆石坝的稳定分析根据工程经验及设计理论,应进行施工期和蓄水发电期稳定分析,对于本工程而言,由于坝体施工采用的是分层碾压法,整个坝高在施工期都在不断变化,而且坝体受的汽车荷载、施工机器荷载和人群荷载，具体考虑起来比较复杂，并且数量级相对较小。

要准确分析整个施工期坝体稳定性比较困难。

所以，在这里只计算竣工期的坝体稳定，此时期的坝体稳定分析应分为上游坡、下游坡两种情况，但对于两种情况进行比较可知，由于上游坡有钢筋混凝土面板的作用，其整体性要好于干砌块石及次堆石区组成的下游坡，再加上上游坡库盆需用弃石碴回填至375m高程，由于这部分土的作用，上游坡的稳定性也要好于下游坡。

另外，对于钢筋混凝土面板坝其防渗性能很好，其面板后的浸润线很低，这对上、下游坡的影响都不大，不是控制性工况。

而对蓄水期，在施工质量得到保证的前提下，坝体的上游坡由于水的作用，其稳定性会增大，对于下游坡的稳定性变化会很小。

根据上述分析：

上游坡的稳定性要强于下游坡，所以这里只对竣工期下游坡的稳定性进行分析。

目前对于土石坝边坡稳定性，目前的稳定分析仍基于极限平衡理论，采用假定滑动面的方法。

依据滑弧的不同型式，可分为圆弧滑动法，折线滑动法和复合滑动法。

对于非粘性土坝坡，这里主要采用折线滑动面法，用自编的FORTRAN程序计算抗滑稳定系数。

3．1．1计算公式

3．1．1．1正常运用

计算示意图见图3-1：

图3-1正常运用非粘性土坝坡稳定计算示意图

DEBC土块的平衡式为：

（3-1）

式中

意义见图4-1

ADE土块的平衡式为：

（3-2）

式中：

——条块间作用力

——各条块重量

——土体底面的抗剪强度

3．1．1．2非常运用（地震荷载）

这里主要考虑水平向地震惯性力对坝坡稳定的影响。

水平向地震惯性力代表值可统一用下式表示：

（3-3）

式中：

为作用在质点

的水平向地震惯性力代表值

为水平向设计地震加速度代表值，参照《水工建筑物》表2-24。

对本工程，设计烈度7度，

为重力加速度

为地震作用的效应折减系数，一般

为集中在质点

的重力作用标准值

为质点

的动态分布系数。

对于土石坝，

按图3-2取值。

图中

在设计烈度为7度，8度，9度时，分别为3.0，2.5，2.0。

（a）坝高≤40m（b）坝高≥40m

图3-2土石坝动态系数

分布

具体计算示意图见图4-3

图3-3非常运用非粘性土坝坡稳定计算示意图

DEBC土块的平衡式为：

（3-4）

ADE土块的平衡式为：

（3-5）

式中：

，

，

同正常运用情况

——作用于各条块上的最不利水平地震荷载（图4-3中均指向迎水面）

3.1.2计算程序

边坡稳定计算的Fortran语言程序

折线法计算程序如下:

**********PROGRAMMAIN

*********变量说明

*********T-坝顶宽度，DELT---A的步长，DELB---B在Y方向的步长，DELA---B在X方向的步长

*********A（50）存放A，B（50，500，2）存放B，K（50，500）存放K，

*********ZXIA0K（50）存放每个A对应下的最小K，BK（50，2）用来存放ZXIAOK对应下B的座标，

*********（CX，CY）--坝的最低点的座标H1，H2--坝顶点及坝下游最低点所对应的高程

****H3---坝底的控制高程

***R1，R2---坝体材料的容重MOJIAO1，MOJIAO2--主堆石及次堆石的内摩擦角

***C----堆石的粘聚力GFK（10）每一分块的重量

***XFK（10），YFK（10）---分块界点FKJIAO（10）--每分块的倾角

***FKMO（10）---每分块的内摩擦角LENGTH（10）--每分块的底边长度

***AA（4），BB（4）-四条直线的的系数

***Y1，Y2，Y3，Y4---通过B点的垂直线与四条直线的交点的纵座标

***N---分块数JSK---用来计数

***I，J---循环变量M---用来表示A的个数

***PO----下游坡度

***KH，CZ，AI是用来表示地震力系数

REALT,T1,DELT,DELB,DELA

REALA（50）,B（50,500,2）,K（50,500）

REALZXIAOK（50）,BK（50,2）

REALXFK（0:

10）,YFK（0:

10）

REALLENGTH（10）,FKMO（10）,FKJIAO（10）,GFK（10）

REALCX,CY,H1,H2,H3,PO

REALR1,R2,MOJIAO1,MOJIAO2,C

REALAA（4）,BB（4）

REALY1,Y2,Y3,Y4

REALKH,CZ,AI

INTEGERI,J,M,JSK,N,KK

*****************************************************

READ（*,*）KK

******如果KK等于0，则表示不考虑地震力，如果KK等于1，则表示考虑地震力。

IF（KK.EQ.0）THEN

OPEN（0,FILE='W1.DAT'）

OPEN（1,FILE='W11.OUT'）

OPEN（2,FILE='W12.OUT'）

ENDIF

IF（KK.EQ.1）THEN

OPEN（0,FILE='W2.DAT'）

OPEN（1,FILE='W21.OUT'）

OPEN（2,FILE='W22.OUT'）

ENDIF

*****************************************************

READ（0,*）T,DELT,DELA,DELB

M=INT（T/DELT）

T1=M*DELT

IF（T.GT.T1）M=M+2

IF（T.EQ.T1）M=M+1

READ（0,*）（A（I）,I=1,M）

READ（0,*）H1,H2,H3

READ（0,*）R1,R2,MOJIAO1,MOJIAO2,C

doi=1,2

READ（0,*）AA（I）,BB（I）

enddo

READ（0,*）KH,CZ,AI

*************************************************************

PO=1.0/AA

（1）

CY=H1-H3

CX=PO*CY+T

AA（3）=（H2-H3）/CX

BB（3）=H1-H2

WRITE（*,*）（A（I）,I=1,M）,CX,CY

MOJIAO1=MOJIAO1*3.1415926/180

MOJIAO2=MOJIAO2*3.1415926/180

******************************************************

DO10I=1,M

AA（4）=CY/（CX-A（I））

BB（4）=-A（I）*AA（4）

JSK=1

B（I,JSK,1）=A（I）

110B（I,JSK,2）=-DELB

B（I,JSK,1）=B（I,JSK,1）+DELA

IF（B（I,JSK,1）.GE.CX）THEN

JSK=JSK-1

WRITE（*,*）I,JSK

GOTO140

ENDIF

B（I,JSK,2）=B（I,JSK,2）+DELB

130Y1=AA

（1）*B（I,JSK,1）+BB

（1）

Y2=AA

（2）*B（I,JSK,1）+BB

（2）

Y3=AA（3）*B（I,JSK,1）+BB（3）

Y4=AA（4）*B（I,JSK,1）+BB（4）

100IF（B（I,JSK,2）.LT.Y4）THEN

B（I,JSK,2）=B（I,JSK,2）+DELB

GOTO100

ELSE

GOTO120

ENDIF

120IF（B（I,JSK,2）.GT.Y3）THEN

GOTO110

ENDIF

*******************************************************

******在FENKUAI子程序中，利用坝顶的点A、折线与主次堆石分界线的交点（XJIAO，YJIAO）

******折点B、坝脚点C将滑动体分块，分别求出每分块点的X、Y座标、每分块体底的长度、

****　　每分块体底的内摩擦角及与水平线的夹角

CALL