双曲拱坝课程设计.docx
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双曲拱坝课程设计.docx
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双曲拱坝课程设计
目录
第一张课程设计目的-----------------------2
第二章工程概况---------------------------2
第三章坝体设计---------------------------3
第四章坝肩稳定分析--------------—-------12
第五章边坡开挖计算-----------------------13
第六章溢流坝设计计算---------------------14
第七章坝体的细部构造——————---------15
第八章设计成果分析与总结——————-----16
附录---------------------------------------16
第一张课程设计的目的
课程设计安排在“水工建筑物”课程内容学习完成之后进行,课程设计作为综合性实践环节,是对平时作业的一个补充,课程设计包括拱坝设计的主要理论与计算问题,通过课程设计可以达到综合训练的目的。
课程设计的目的,是使学生融会贯通“水工建筑物”课程所学专业理论知识,完成一个较完整的设计计算过程,以加深对所学理论的理解与应用。
培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工程设计问题的初步技能,全面分析考虑问题的思想方法、工作方法。
培养设计计算、绘图、编写设计文件、使用规范手册和应用计算机的能力。
提高查阅和应用参考文献和资料的能力。
第二章工程概括
2.1地理资料
坝址地形图及河谷地质剖面图(附图2张)。
2.2设计标准
本水库总库容2.1千万方。
灌溉2万亩,电站装机1万千瓦。
工程等级,建筑物级别以及各项控制标准按有关规范自行确定。
2.3坝址地形地质资料
(1)坝址区峡谷呈“V””型,两岸谷坡陡削,高程300米以下较为对称,坡角40—50度。
唯右岸自高程300米以上地形转缓变为25一30度。
两岸附近山高均超出400米高程以上.河谷底宽11米高程260米,左岸受冲沟切割后山脊较为单薄。
(2)河床和岸坡有大片基岩课露,距河床高47米范围内形成岩石陡壁。
以上为第四纪残、坡积的砂壤覆盖层。
厚度左岸2一5米,右岸3—5米,坝址区基岩一般风化不深,剧风化垂直深度,左岸为3—6米,右岸为4一8米,河床为0—3米,微风化或新鲜基岩距地表深度,在320米高程以下:
两岸为10—20米,河床为4米左右。
坝址区岩性为坚硬致密的花岗岩,较为新鲜完整的物理力学指标甚高,抗压强度1500kg/cm2,岩石容重=26KN/m3。
滑动面上岩石之间的摩擦系数f=0.65、粘着力c=2kg/cm2。
基岩弹性模量Ef=(1~4)×105kg/cm2。
泊松比=0.2,坝体混凝土基岩摩擦系数f=0.65。
两岸基岩无成组有规律的节理裂隙存在,主要受F1、F3、F5断裂切割影响。
F1断裂切割右岸坝肩,其底板高程在314米,顶底岩层破碎。
靠右岸在314米高程以上坝肩稳定须予重视。
F3、F5断裂在较接近拱坝坝后通过,在拱座推力作用下,将产生压缩变形因此在拱座推力作用范围内必须给予工程上的处理。
(3)岩层抗冲刷条件:
泄洪建筑物下游高速水流沿程河床和岸坡,基岩基本裸露、岩性坚硬,抗冲刷力强,大部不须抗冲处理,但在靠近坝体部分的岸坡段对断裂破碎带等出露地带必须封闭固结,适当扩大表层固结灌浆。
(4)区域地震条件;本区地震基本裂度为六度。
2.4特征水位
经水库规划计算结果、坝址上、下游特征水位如下:
P=0.2%校核洪水位319m,相应尾水位270.5m。
P=2%设计洪水位316.8。
相应尾水位269m。
正常高水位316m
死水位298m
淤砂高程283m。
坝顶溢流堰堰顶高程310.2m
坝顶高程320m
2.5荷载及荷载组合
荷载应按实际情况进行分析,决定计算内容、荷载组合根据实际情况分析选取二种控制性的组合进行设计计算。
有关荷载资料及设计系数如下:
1.坝体自重,混凝土容重=24KN/m3。
2.上游砂压力,泥砂干容重g=14KN/m3,空隙率n=0.4,淤砂内摩擦角=16o。
3.温度荷载:
均匀温度变化t;按经验公式估算
4.混凝土线膨胀系数=1×10-5(1/oC)。
5.混凝土弹性模量Eh=1.85×105kg/cm2(C10砼)。
2.6坝顶布置要求
(1)坝顶交通要求,有公路通过桥面宽6米。
(2)坝顶泄洪要求,经水库调洪演算采用坝顶溢流挑流消能,设四孔每孔净宽九米的溢流段每孔设平板闸门一扇。
第三章坝体设计
3.1坝型选择
该枢纽坝址为V形河谷,由坝址地形地质资料可知其地质条件较好,由地形图可知两岸有厚实的山体。
参照坝址地形地质资料和坝址地形图及河谷地质剖面图可知,该处具备建造拱坝的良好条件。
拱坝系两向或三向应力状态,材料强能充分利用,依靠岸坡维持安全性高,坝型轻韧,抗震性能好,坝的体积小,混凝土用量少。
拱坝工程量小,施工速度快,投资少;虽然拱坝对地质地形条件要求较重力坝为高,但该地区的地质地形条件较为理想。
综上所述,在此修建拱坝较为合理。
3.2设计依据
根据下表可对水工建筑物分等:
表2-1水利水电工程分等指标表
工程等别
水库总库容(108m3)
防洪
治涝
灌溉
供水
发电
保护城镇及工矿企业的重要性
保护农田(104ha)
治涝面积(104ha)
灌溉面积(104ha)
供给城镇及矿区
装机容量(MW)
一
>10
特别重要
>33.30
>13.33
>10
特别重要
>1200
二
10~1.0
重要
33.30~6.67
13.33~4.0
10~3.33
重要
1200~300
三
1.0~0.10
中等
6.67~2.0
4.0~1.0
3.33~0.33
中等
300~50
四
0.10~0.01
一般
2.0~0.33
1.0~0.20
0.33~`0.03
一般
50~10
由设计资料知
水库总库容2.1千万方判定的工程等别为三等
灌溉灌溉面积2万亩判定的工程等别为三等
发电装机容量1万千瓦判定的工程等别为四等
取其最高等别:
判定的工程等别为三等
3.3拱坝几何尺寸的拟定
3.3.1拱圈形式的选择
拱圈形状以变厚拱最为理想,但等截面圆弧固有丰富的使用经验,设计和施工都较为方便,故本设计采用等截面圆弧拱圈,设计该拱坝为优先考虑的双曲拱坝。
3.3.2坝址、坝高的确定
根据对地形图的分析及拱坝对坝址条件的要求确定坝址与图上。
由地支图上强风化层地质线可确定其开挖线该坝坝基开挖线如图(2-1)
图2-1
地基开挖图
坝基开挖后由于综合考虑该坝的开挖后的河谷形状与设计标准对坝基加7.7米的混凝土垫层。
即将坝建在高程260m处;确定坝高60m,故坝顶高程为320m.
3.3.3根据开挖后的地质图画出可利用基岩等高线地形图
3.3.4拟定坝顶拱圈中心角2
及与坝轴线半径
坝顶拱圈中心角常视作一个控制性数据,它会影响整个坝的曲率,曲率不够会导致拱中产生不利的拉应力,在“V”型河谷中拱坝的较低部位常出现这样的情况。
一般情况下顶拱的最大实用中心角约为90o~110o。
初选时可取
R轴=0.6L1;即2ØA110o
为使拱坝布置对称于河谷,建议以顶拱圈园心与
坝高拱圈的园心联线为基准线来试探,在试探过程中要更多地照在
坝高各拱环的对称性。
并尽可能使该部位能获较优的中心角和与两岸等高线的夹角不小于35o。
另外亦可采用在坝高中间部位附近采用最大中心角,向下和向上拱环的中心角逐渐减小的布置方案。
由基岩石等高线地形图上可以确定开挖后坝顶高程处:
河谷宽度L1=179.5m,最大坝高H=60m。
R轴=0.6L1=107.7m
所以,根据拱坝坝址对地形的要求,理想的地形应是左右两岸对称,岸坡平顺无突变,在平面上向下游收缩的峡谷段。
坝端下游侧要有足够的岩体支承,以保证坝体的稳定。
宽高比L/H=179.5m/60m=2.99,为稍宽河谷,则修建中厚拱坝。
可知坝底最大厚度T和最大坝高H的比值T/H=0.2~0.35,取T/H=0.25
所以坝底最大厚度T=0.24H=0.25×60=15m
3.3.5拱冠梁剖面尺寸的拟定
1、坝顶厚度Tc
根据美国垦务局推荐的经验公式确定Tc
Tc=0.01(H+1.2L1)=0.01×(60+1.2×179.5)=2.75m<6m
但由于坝顶有交通要求,公路通过桥面宽6米
所以,确定坝顶厚度Tc=6m
2、拱圈厚度
(1)坝底厚度
式中TB——坝底厚度(m)
H——最大坝高(m)
L1——坝顶高程处拱端可利用基岩面间的河谷宽度(m)
L2——顶底以上0.15H处拱端可利用基岩面间的河谷宽度(m)
L2=44.0m
经计算得TB=7.34m。
综合考虑后,取坝底厚度为TB=15m。
(2)0.45H高度处的厚度
T0.45H=0.90TB=0.90×15=13.5m
(3)上游面曲线初拟
对于双曲拱坝,拱冠梁的上游面曲线可用凸点与坝顶的高差Z0,凸度β2和最大倒悬度S来描述(Z0=β1H,β2=DA/H,S=x/h)。
拟定这些参数的原则是:
控制悬臂梁由自重产生的拉应力不超过0.3~0.5MPa,对高坝还可适当加大,并使坝体在正常荷载组合情况下具有良好的应力状态。
坝的下部向上游倒悬,由于自重在坝踵产生的竖向压应力可抵消一部分由水压力产生的竖向拉应力,但倒悬度不宜太大,一般不超过0.3。
根据我国对东风、拉西瓦等11座拱坝的β1、β2和S值的敏感性计算分析,其适合范围是:
β1=0.6~0.7,β2=0.15~0.2,S=0.15~0.3
计算时参数取值为:
β1=0.6,β2=0.15,S=0.15
则:
断面的基本参数如表(单位m):
坝顶高程H1
320
河谷宽L
179.5
坝底高程H2
260
R轴
107.7
坝高H
60
β1
β2
S
TB
T0.45H
0.6
0.15
0.15
15
13.5
Z0
DA
x
Tc
H0.45
36
9
3.6
6
27
断面图见(3-2):
图3-2拱冠梁剖面尺寸示意图
3.3.6各高程拱圈的厚度,中心角,半径及圆心位置的拟定
在确定每一层拱圈的半径、半中心角及圆心位置时,应该注意和遵循以下原则:
a、沿坝高每隔10米左右取一层,本设计全坝高60米,分成5层拱圈,前四层每层12.5米,最后一层10米。
b、为使各拱圈的布置应尽量接近对称河谷,各拱圈的左右半中心角相差应控制在3度以内。
c、为保证坝面在水平和铅直方向都是光滑的,园心的轨迹线宜是光滑的连续曲线并必须位于基准面上(基准面为穿过拱冠梁与拱坝轴线园心的铅直面)。
由以上原则确定其各拱圈布置如图:
3-3
3.3.7检查调整
1、在不同高程沿径向(指该高程拱圈的径向)切取若干垂直剖面检查两岸悬臂梁轮廓是否光滑连续是否有过大的倒悬度。
如图3--4
单位:
m
高程
307.5
295
282.5
270
260
倒悬度
0.20
0.04
0.12
0.0.16
由以上计算表格画出拱坝各高层的剖面示意图,计算出倒悬度。
可以看出,所有的倒悬度S均小于0.30,符合要求。
2.将各层拱圈的半径、中心角与园心位置分别按高程点绘,各连成曲线以检查其是否平顺光滑。
检查其是为平顺光滑,本设计满足要求。
3.检查坝底与基岩接触面的轮廓线是否光滑连续,无突变。
检查得出坝底与基岩接触面的轮廓线光滑连续,无突变,本设计满足要求。
4.绘制沿拱轴线展开的纵剖面图检查沿河谷开挖表面的坡度是否连续均匀变化以求得到光滑的纵剖面展开图。
绘制后从图上可以看出沿河谷开挖表面的坡度是连续均匀变化的,本设计满足要求。
见图3-5
表2-5拱圈几何参数表
拱圈编号
高程
拱圈厚T
园心距
Lc
拱圈半径
拱圈中心角
X0i
R外
R内
R平均
Ø右
Ø左
Ø计算
1
320
6.00
58
107.7
101.7
104.7
60
62
61
58
2
307.5
9.5
35
89
79.5
84.25
54
52
53
35
3
295
12
20
77.5
65.5
71.5
45
44
44.5
20
4
282.5
14
6.5
66.5
52.5
59.5
32
34
33
6.5
5
270
14
2
59.5
45.5
52.5
25
27
26
2
6
260
15
0
55
40
47.5
14
14
14
0
3.3.9拱冠梁法计算坝体应力
1、计算方法及荷载组合
电算可采用拱冠梁法程序计算各高程拱圈的拱冠与拱端应力。
拱坝应力按多拱多梁混合法计算,本设计初拟采用7拱圈,其高程分别为307.5m295m、282.5m、270m、260m。
荷载组合分基本组合和特殊组合两种。
荷
载
组
合
主要考虑情况
荷载类型
自
重
静
水
压
力
温度荷载
扬
压
力
泥
沙
压
力
浪
压
力
冰
压
力
动
水
压
力
地
震
荷
载
设计
正常
温降
设计
正常
温升
基本组合
1、情况正常蓄水位
√
√
√
√
√
√
2、设计洪水位情况
√
√
√
√
√
√
特殊组合
1、校核洪水位情况
√
√
√
√
√
√
√
2、计算基本情况以及电算输入数据
表2-6
工况
上游水位H1(m)
下游水位H2(m)
淤沙高程h(m)
温升、温降
正常水位
316
260
283
1
设计水位
316.8
269
283
1
校核水位
319
270.5
283
1
坝体材料E(kg/cm2)
18.5E4
坝基E(kg/cm2)
30E4
砼线膨胀系数(1/oC)
0.1E-6
坝体容重(KN/m3)
2.4
沙浮容重浮(KN/m3)
0.812
沙内摩擦角φ(度)
16
拱圈数(层)
6
根据以上数据,结合拱冠梁程序数据说明,确定各个工况下的输入数据:
(1)校核工况
输入:
10DATA100,1,1
(工程序号,方案序号,计算情况编号)
20DATA319,270.5,283,1
(水库上游水位,下游水位,淤沙高程,温升为1,温降为-1)
30DATA18.5E4,30E4,1E-5,2.4,0.8,16
(坝体材料E,坝基E,混凝土线膨胀系数,坝体容重,沙浮容重,沙内摩擦角)
40DATA6
(拱圈数)
50DATA1,320,107.7,101.7,58.00,61.00
(拱圈编号,拱圈高程,拱圈外半径,拱圈内半径,Xoi,拱圈半中心角)
60DATA2,307.5,89,79.5,35.00,53.00
70DATA3,295,77.5,65.5,20.00,44.50
80DATA4,282.5,66.5,52.50,6.50,33.00,
90DATA5,270,59.5,45.50,2.00,26.00
100DATA6,260,55,40,0,14.00
(2)设计工况
输入:
10DATA100,1,2
20DATA316.8,269,283,1
30DATA18.5E4,30E4,1E-5,2.4,0.8,16
40DATA6
50DATA1,320,107.7,101.7,58.00,61.00
60DATA2,307.5,89,79.5,35.00,53.00
70DATA3,295,77.5,65.5,20.00,44.50
80DATA4,282.5,66.5,52.50,6.50,33.00,
90DATA5,270,59.5,45.50,2.00,26.00
100DATA6,260,55,40,0,14.00
(3)正常工况
输入:
10DATA100,1,3
20DATA316,260,283,1
30DATA18.5E4,18.5E4,1E-5,2.4,0.8,16
40DATA6
50DATA1,320,107.7,101.7,58.00,61.00
60DATA2,307.5,89,79.5,35.00,53.00
70DATA3,295,77.5,65.5,20.00,44.50
80DATA4,282.5,66.5,52.50,6.50,33.00,
90DATA5,270,59.5,45.50,2.00,26.00
100DATA6,260,55,40,0,14.00
电算结果:
1)p=0.2%校核洪水
GC-100FA-1JSQX-1
*****
V=64769(M^3)
IXWLSLX
(T/M^2)(MM)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
1-6.995128.500
2-1.388101.122.9371.357
36.5873.53.5145.086
49.26646.521.07512.176
531.13322.361.2315.168
635.0386.39-5.23621.683
IGGSGGXGDSGDX
(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
114.42410.4838.93416.079
216.2436.663.30520.094
317.0511.377-3.24322.839
417.589-5.116-9.619001
24.312
511.404-5.032-7.1215.215
64.144-2.462-2.094.465
IGDMGDHGDV
(T-M)(T)(T)
1-214.34750.407-5.392
2-1262.7031111.463-47.219
3-3129.7711175.743-171.298
4-5542.0971028.55-524.867
5-3648.053566.697-522.4681
6-1229.209178.139-423.12
*****CANXYUGBJS-2
2).p=2%设计洪水
GC-100FA-1JSQX-1
*****
V=64769(M^3)
IXWLSLX
(T/M^2)(MM)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
1-6.256113.900
2-2.24790.042.9111.505
36.07466.043.7054.886
49.399999
42.481.63911.506
530.97220.982.31914.049
634.6636.25-3.77920.297
IGGSGGXGDSGDX
(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
112.8859.392999
8.020001
14.352
214.535.9983.01117.958
315.3671.286-2.86420.566
416.091-4.639-8.7522.23
510.719-4.7-6.65914.294
64.058-2.403-2.044.372
IGDMGDHGDV
(T-M)(T)(T)
1-189.949671.146-4.779
2-1124.152996.012-42.038
3-2811.6111062.144-153.885
4-5060.111943.616-479.22
5-3422.222534.458-490.125
6-1129.209158.139-383.12
*****CANXYUGBJS-2
3)正常水位
GC-100FA-1JSQX-1
*****
V=64769(M^3)
IXWLSLX
(T/M^2)(MM)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
1-5.984108.5200
2-2.56486.052.9011.56
35.8663.463.7784.809
49.314999
41.241.87411.231
530.41420.782.86113.467
639.7416.38-3.06420.263
IGGSGGXGDSGDX
(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)
112.3198.9917.68313.716
213.9125.7592.90517.188
314.7851.255-2.73319.781
415.632-4.493-8.48421.592
510.618-4.651-6.59114.159
64.136-2.456-2.0864.457
IGDMGDHGDV
(T-M)(T)(T)
2-1074.207954.392-40.17
3-2701.6251022.873-147.865
4-4912.362917.58-465.22825
5-3389.094529.729-485.38
6-1226.76177.848-422.277
*****CANXYUGBJS-2
第四章把肩稳定分析
取单位高度拱圈分层校核坝肩的局部稳定,首先应根据拱坝平面布置图和坝址地质情况通过分析选取那些拱端推力较大而下游岩体单薄的拱圈即310、290、280进行核算。
在坝肩的岩石无明显的节理裂隙等软弱结构滑动面情况下为简便起见可假设最危险的滑动面为平行于拱圈基准线。
即滑动面走向大致平行于河谷且其倾角地与岸坡是平行的。
坝肩稳定公式可按下列公式计算
α——通过上游拱端的陡斜角滑裂面与拱段径向夹角
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