拱坝计算书.docx
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拱坝计算书
第一章调洪演算-.1-
1.1调洪演算的原理-.1-
1.2泄洪方案的选择-..1-
1.2.1三种方案调洪演算-.1-
1.2.2对三种方案进行比较-.4-
1.2.3对第二种方案计算坝顶高程-.5-
1.2.4方案二结论:
.6-
第二章大坝工程量比较-.8-
2.1大坝剖面设计计算-.8-
2.1.1基本剖面-.8-
2.1.2实用剖面-.8-
2.1.3排水位置-.9-
2.1.4荷载计算-.9-
2.2工程量比较-..13-
2.2.1重力坝工程量...13-
2.2.2拱坝工程量计算-..14-
2.2.3工程量比较...14-
第三章第一建筑物一一大坝的设计计算-.15-
3.1拱坝的剖面设计以及拱坝的布置以及工程量的比较-15-
3.1.1坝型选择双曲拱坝•-..15-
3.1.2拱坝的尺寸...15-
3.2荷载组合-..17-
3.3拱坝的应力计算.-..17-
3.3.1对荷载组合⑴,
(2),(3)使用FORTRAN程序进行电算.-17-
工况1:
正常水位+温降...17-
3.3.2对荷载组合⑷进行手算.-..19-
3.4坝肩稳定验算30
3.4.1计算原理30
3.4.2验算工况31
3.4.3验算步骤31
第四章泄水建筑物的设计38
4.1泄水建筑物的型式尺寸38
4.2坝身进水口设计38
4.2.1管径的计算38
422进水口的高程38
4.3泄槽设计计算39
4.3.1坎顶高程39
4.3.2坎上水深he39
4.3.3反弧半径R40
4.3.4坡度(直线段):
40
4.3.5挑射角40
4.4导墙设计40
4.5消能防冲计算41
4.5.1水舌挑距41
4.5.2冲刷坑深度42
4.5.3消能率计算43
4.5.4孔口应力计算44
参考文献47
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
1.2.1三种方案调洪演算
(1)4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178m孔宽9m
(1-1)
(1-2)
Q1二mB.2gHm=0.48,B=4X9=36m
中孔:
进口高程134m出口高程129m孔口宽7.5m,高6m
Q2二JaB.2gHo
闸门开度a=6m孔口宽度B=2X7.5=15m,
(1-3)
表1-1四表孔+两中孔
水位
182
184.8
188
191
194
4表孔
堰上水头H
3
5.8
9
12
15
流量Q1
397.718
1069.14
2066.60
3181.74
4446.62
2中孔
H0
50
52.8
56
59
62
0.93276
0.9342
0.93568
0.93692
0.93276
流量Q2
2629.34
2706.14
2791.34
2868.92
2629.34
流量Q
Q1+Q2
3027.06
3775.29
4857.94
6050.66
7075.96
Q+338
3365.06
4113.29
5195.94
6388.66
7413.96
起调流量4113.29m3/s,作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线,4表孔
+2中孔的泄洪能力曲线,由两条曲线的交点可以得出:
最咼水位
最大下泄流量
设计下泄流量:
Q泄=6325m3/s——H设=190.8m
校核下泄流量:
Q泄=7000m3/s——H校=192.8m
方案二:
2浅孔+2中孔
浅孔:
进口高程164m出口高程154m孔口宽8m高8.5m
(1-4)
Q^-aB.2gH0
」-0.96-0.227aH
其中:
a=8m,B=8x2=16m
中孔:
进口高程135m出口高程129m孔口宽7m高7m
Q2二9B.2gH0—0.96一0.227a血
其中:
a=7ngB=7x2=14m
表1-22浅孔+2中孔
水位
182
184.8
188
191
194
2浅孔
H0
23.75
26.8
29.75
32.75
35.75
0.87876
0.88733
0.89514
0.90108
0.90603
流量Q2
2579.82
2754.25
2941.2
3106.41
3263.38
2中孔
H0
49.5
52.3
55.5
58.5
61.5
1
0.9279
0.92962
0.93137
0.93284
0.93416
流量Q3
2833.86
2918.31
3011.92
3097.13
3180.06
流量Q
Q2+Q3
5413.68
5672.56
5953.12
6203.54
6443.45
Q+338
5751.68
6010.56
6291.12
6541.54
6781.45
起调流量6010.56m3/s,作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线,2浅孔
+2中孔的泄洪能力曲线,由两条曲线的交点可以得出:
最咼水位
最大下泄流量
设计下泄流量:
Q泄=6420m3/s——H设=189.78m
方案三:
4中孔
进口高程134m出口高程129m孔口宽7.0m,高7.0m
Q2二9B.2gH0—0.96一0.227a出
a=7.0m,B=7X4=28m
表1-34中孔
水位
182
184.8
188
191
194
Hd
50
52.8
56
59
62
0.93276
0.93420
0.93568
0.93692
0.93803
流量Q
5609.26
5773.11
5954.86
6120.36
6281.51
Q+338
5947.26
6111.11
6292.86
6458.36
6619.51
起调流量6111.11m3/s,作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线,4中孔
的泄洪能力曲线,由两条曲线的交点可以得出:
1.2.2对三种方案进行比较
方案二即泄水建筑物采用2浅孔+2中孔时所需坝顶高程相对较小,加之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。
1.2.3对第二种方案计算坝顶高程
设计水位:
189.78m,对应下泄流量:
6420m3/s,对应的下游水位:
113.92m校核水位:
192.16m,对应下泄流量:
6610m/s,对应的下游水位:
114.11m水库总库容大于10X108m,属于大
(1)型一等,主要建筑物1级。
坝顶超出水库静水位的高度uh为:
h二h%hz忧(1-5)
式中币。
一一波浪高度
hz――波浪中心线高出静水位的高度:
hc—安全超高
利用官厅水库公式计算波高和波长
正常情况
计算风速V0=:
1.5~2.OV=(1.5~2.0)XV=12X(1.5~2.0)=18~24m/s
取V。
=18m/sD=4000m
gD2=9.81X4000/182=121.11
V。
1/12
hn=0(V7)V0=0.976064m为累计频率5%l勺波高
g
查表由P(1%)和P(10%关系可得:
h1%=1.21132m
得:
Lm=10.2417m,带入下式:
得hz=0.44986m
hc=0.7m
则:
=00。
hzhc=1.21132+0.44986+0.7=2.36118m(1-9)
坝顶高程*-h设:
h=189.78+2.36118=192.14118m
校核情况下:
V0=12m/s
hp=0.0076严护/3V02=0.588为累计频率10%勺波高
g
查表由P(1%)和P(10%)关系可得:
h1%=0.83214m
zJ/3.75
由步"33叫皿5马V。
V。
得:
Lm=6.8235m带入下式:
得:
hz=0.31865m
hc=0.5m
则:
h=h1%hzhc=0.83214+0.31865+0.5=1.65079m
坝顶高程l二h校:
h=192.16+1.65079=193.81m
比较设计和校核情况下的坝顶高程可得:
坝顶高程取193.81m
坝高H=193.81-92=101.81m
1.2.4方案二结论
方案二即泄水建筑物采用2浅孔+2中孔时所需坝顶高程相对较小,加之方案
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。
设置2浅孔,孔口宽8m高8.5m,进口底高程为164m出口底高程为154m对于2中孔,孔口宽7m高7m进口底高程为135m出口底高程为129m设计洪水时,下泄流量6420m3/s,校核洪水时,下泄流量6610nVs,略小于允许下泄流量,设计洪水位为189.78m,校核洪水位为192.16m,由此计算得到的坝顶高程为193.81m,最大坝高为101.81m。
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=189.78-92=97.78m
最大坝高为:
193.81-92=101.81m
2.1.1基本剖面
⑴按应力条件确定坝底最小宽度
(2-1)
(2-2)
H
B=
八八1
式中c——混凝土重度,取24kN/mi;
0——水的重度取10kN/mi;
:
1扬压力折减系数取0.25;
1/2
则B=97.78/24/10-0.25=66.685m
⑵按稳定条件确定坝底最小宽度
KH
fc/0•'-〉1
式中K=1.10f=0.7=0—=0.25
则Bh.197.78/0.724/100-0.25I-71.47m
综合⑴⑵,取坝底最小宽度B=71.47m。
2.1.2实用剖面⑴坝顶宽度:
取坝高的8〜10%即(8%-10%X101.8仁(8.145〜10.18)m,取
为10m⑵取下游坡度为1:
0.75
⑶上游折坡的坡度取为1:
0.15
⑷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33.94
67.87m,取为54m
⑸则折坡上部分宽B仁0.15X54=8.1m
B2=(192.16-92)X0.75=75.12m
B=B1+B2=8.1+75.12=83.22m
图2-1重力坝剖面图
2.1.3排水位置
设计洪水最大下泄流量为6420riVs,则Z下=113.92m,水头
H=189.78-113.92=70.46m
廊道上游壁到上游坝面距离不小于0.05〜0.1倍水头,且不小于4〜5m即
(0.05〜0.1)X70.46=(3.523〜7.046)m,取为5m
2.1.4荷载计算计算表格如下:
——设计水位189.78m时:
表2-1设计水位坝址处强度及稳定验算
荷载
标准值
距坝底中心
M弯矩(*10A5)
顺时针
逆时针
坝体自重
W1
5248.8
36.21
1.90059
W2
24434.4
28.51
6.966247
W3
67852.44
1.803
1.223379
水压力
W上
5618.516
38.075
2.13925
WT
1756.778
36.13
0.634724
P上
46848.55
32.59333
15.2695
P下
2354.383
7.307
0.172035
扬压力
U1
17876.99
0
0
U2
6086.817
36.37
2.213775
U3
6516.146
5.137
0.334734
浪压力
Pl
41.6826
忽略
忽略
泥沙压力
Wn
337.238
忽略
忽略
Pn
1582.966
7.667
0.121366
S(*)=刀Pr
46443.7441
R(*)=fR'刀Wr+C'rAr
66793.978
丫0S(*)
48533.7126
1/丫dR(*)
55661.6483
承载能力极限状态的抗压强度(MPa
S(*)=(刀Wr/Ar-刀MrTr/Jr)(1+mA2)
1.357923
R(*)=fc
15
丫MS(*)<1/丫dR(*)
结论:
经验算坝址处的强度和稳定性均满足要求
表2-2设计水位折坡处强度及稳定验算
荷载
标准值
距坝底中
心
M弯矩(*10A5)
顺时针
逆时针
坝体自重
W1
11474.4
12.31
1.412499
W2
9699.2952
0.896667
0.08697
水压力
P
9391.77316
14.59333
1.370573
浪压力
Pl
41.6826
忽略
忽略
S(*)=刀Pr
9441.79228
R(*)=fR'Wr+C'rAr
19558.7974
丫0©S(*)
9866.67293
1/丫dR(*)
16298.9978
承载能力极限状态的抗压强度(MPa
S(*)=(刀Wc/Ac-EMcTc/Jc)(1+mA2)
0.956916
R(*)=fc
15
丫0©S(*)
<1/丫dR(*)
结论:
经验算折坡处的强度和稳定性均满足要求
校核水位192.16m时:
表2-3校核水位坝址处强度及稳定验算
荷载
标准值
距坝底中心
M弯矩(*10A5)
顺时针
逆时针
坝体自重
W1
5248.8
36.21
1.90059
W2
24434.4
28.51
6.966247
W3
67852.44
1.803
1.223379
水压力
W上
5807.4408
38.058
2.210196
WT
1796.53147
36.083
0.648242
P上
49156.9254
33.387
16.41202
P下
2395.37529
7.37
0.176539
扬压力
U1
18031.9432
0
0
U2
6262.53688
36.02
2.255766
U3
6704.26085
5.137
0.344398
浪压力
Pl
19.238
忽略
忽略
泥沙压力
Wn
337.238
忽略
忽略
Pn
1582.966
7.667
0.121366
S(*)=刀Pr
48684.1955
R(*)=fR'刀Wr+C'rAr
66450.696
丫0©S(*)
50874.9842
1/丫dR(*)
55375.58
承载能力极限状态的抗压强度(MPa
S(*)=(刀Wr/Ar-刀MrTr/Jr)(1+mA2)
1.31721
R(*)=fc
15
丫0©S(*)<1/丫dR(*)
结论:
经验算坝址处的强度和稳定性均满足要求
表2-4校核水位折坡处强度及稳定验算
荷载
标准值
距坝底中心
M弯矩(*10A5)
顺时针
逆时针
坝体自重
W1
11474.4
12.31
1.412499
W2
9699.2952
0.896667
0.08697
水压力
P
10440.6534
15.38667
1.606469
浪压力
PI
41.6826
忽略
忽略
S(*)=刀Pr
10490.6726
R(*)=fR'刀Wr+C'rAr
19558.7974
Y0S(*)
10962.7528
1/丫dR(*)
16298.9978
承载能力极限状态的抗压强度(Mpa
S(*)=(刀Wc/Ac-EMcTc/Jc)(1+mA2)
0.957138
R(*)=fc
15
Yo©S(*)<1/丫dR(*)
结论:
经验算折坡处的强度和稳定性均满足要求
2.2工程量比较
2.2.1重力坝工程量
重力坝工程量计算分三个坝块利用下式进行计算:
V二H/6丄3bgm2H丨L23b2mnm2H1?
(2-3)
第「块
Li=216mL2=79mb=34.62mmi=0.15m2=0.75H=54m
Vi=54/6{216[334.62+(0.15+0.75)54]+79>[334.62+2(0.15+0.75)54]}
3
=439335.9m3
第U块
L1=283mL2=216mb=10mm1=0m2=0.75H=32.83m
Vn=32.83/6{283[310+(0+0.75)32.83]+216[310+2(0+0.75)32.83]}=178240m3
第川块
Li=309mL2=283mb=10mmi=0m2=0H=14.89m
V皿=14.89/6{309310+256310}=44074.4m3
•••重力坝工程量:
V1=Vi+Vn+V皿=661650.3m3。
2.2.2拱坝工程量计算
拱坝工程量分四个坝块列表计算如下:
表3-2拱坝工程量计算
高程
内径
外径
圆心角
面积
体积
193.81
182.473
190.913
108
2968.598
第一块
84256.85
168
158.2666
171.1735
96
3560.410
第二块
94398.23
143
135.6944
152.928
92
3991.448
第三块
95471.28
118
110.4054
131.9656
80
3646.254
第四块
73635.03
92
57.06
83.12
59
2021.056
总体积
347801.4
2.2.3工程量比较
拱坝的工程量仅为重力坝的52.6%,可以节约大量材料,故本设计采用拱坝设
第三章第一建筑物一一大坝的设计计算
3.1拱坝的剖面设计以及拱坝的布置以及工程量的比较
3.1.1坝型选择双曲拱坝
V形河谷或其它上宽下窄的河谷,若采用定半径式拱坝,其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求,此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小,以使上下各层拱圈的中心角基本相等,并在铅直向设计成一定曲率,形成变半径等中心角双曲拱坝,而做到上下层拱圈的中心角相等很困难,故采用变半径变中心角的双曲拱坝。
3.1.2拱坝的尺寸
⑴坝顶的厚度Tc
根据结构、人防、运用等要求并考虑改善坝体应力,初拟时,采用下列经验公式估算:
v0.01X(H+2.4b1)=0.01(100.16+2309)=8.27m>Tmin=3〜5m
•••Tc=0.01(H+2.4b1)=0.01(101.81+2.4309)=8.434m,取Tc=8.44m式中H——坝高(m),H=101.81m
b1——坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离(m),L1=309m
Tmin――最小坝宽,按工程规模及运用要求而定一般为3〜5m
⑵坝底的厚度Tb
Tb=K(b,b4)HM-J(3-1)
式中K=0.35
b1,b4——分别为第一,第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离
L1=309m,L4=170m
H——为坝高,101.81m
[(Ta]――拱的允许压应力,取[(Ta]=655t/m2
二Tb=0.35(309+170)1X1.81/655=26.06m
⑶上游面的曲线采用二次抛物线
X2y/H(3-2)
X2二'-2Tb/2'1-1
取-1=0.62
取2=0.32
Z=-Xjy/H
式中:
X^2MX2
i=0.60~0.65
2=0.3~0.6
X2=0.32X26.06/(2X0.62-1)=34.75
X1=2X0.62X34.75=43.09
2
•••上游面的曲线方程为Z=-43.09Xy/101.81+34.75X(y/101.81)
⑷下游面的曲线按Tc,Tb沿高程线性内插。
设第i层拱圈的厚度为T则
T=TcTb-Tc/Hyi=8.44+17.62/101.81yiX(3-3)
Z下=Z±Ti(3-4)
表格计算如下:
表3-1拱圈曲线计算
高程
y
Z上
Z下
各层拱厚
193.81
0
0
8.44
8.44
168
25.81
-8.4179
4.488972
12.90687
143
50.81
-12.4466
4.786926
17.23356
118
75.81
-12.4161
9.144106
21.56025
92
101.81
-8.0784
17.9816
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