混凝土重力坝设计-毕业设计计算书

'41题目：混凝土重力坝设计目　录目　录1第一章非溢流坝设计31.1坝基面高程的确定31.2坝顶高程计算31.2.1基本组合情况下：31.2.1.1正常蓄水位时：31.2.1.2设计洪水位时：41.2.2特殊组合情况下：51.3坝宽计算51.4坝面坡度61.5坝基的防渗与排水设施拟定6第二章非溢流坝段荷载计算72.1计算情况的选择72.2荷载计算72.2.1自重72.2.2静水压力及其推力82.2.3扬压力的计算92.2.4淤沙压力及其推力122.2.5波浪压力132.2.6土压力14第三章坝体抗滑稳定性分析153.1总则153.2抗滑稳定计算173.3抗剪断强度计算18第四章应力分析1941 414.1总则194.1.1大坝垂直应力分析194.1.2大坝垂直应力满足要求214.2计算截面为建基面的情况214.2.1荷载计算214.2.2运用期（计入扬压力的情况）224.2.3运用期（不计入扬压力的情况）234.2.4施工期23第五章溢流坝段设计245.1泄流方式选择255.2洪水标准的确定255.3流量的确定255.4单宽流量的选择255.5孔口净宽的拟定265.6溢流坝段总长度的确定265.7堰顶高程的确定265.8闸门高度的确定275.9定型水头的确定285.10泄流能力的校核285.11.1溢流坝段剖面图285.11.2溢流坝段稳定性分析29（1）正常蓄水情况29（2）设计洪水情况29（3）校核洪水情况30第六章消能防冲设计306.1洪水标准和相关参数的选定316.2反弧半径的确定316.3坎顶水深的确定326.4水舌抛距计算336.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度34第七章泄水孔的设计3641 417.1有压泄水孔的设计367.2孔径D的拟定367.3进水口体形设计367.4闸门与门槽377.5渐宽段377.6出水口377.7通气孔和平压管38参考文献3941 41第一章非溢流坝设计1.1坝基面高程的确定由《混凝土重力坝设计规范》可知，坝高100~50米时，重力坝可建在微风化至弱风化中部基岩上，本工程坝高为50~100m，由于本坝址岩层分布主要为石英砂岩，故可确定坝基面高程为832.0m。由水位—库容曲线查的该库容为0.03×108m3，故可知该工程等级为Ⅳ级。1.2坝顶高程计算1.2.1基本组合情况下：1.2.1.1正常蓄水位时：坝顶高程分别按设计和校核两种情况，用以下公式进行计算：波浪要素按官厅公式计算。公式如下：41 41库水位以上的超高：式中--波浪高度，m--波浪中心线超出静水位的高度，m--安全超高，m--计算风速。水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/sD-风区长度；mL--波长；MH--坝前水深1.2.1.2设计洪水位时：根据水库总库容在之间可知，大坝工程安全级别为级计算风速取相应洪水期多年平均最大风速的1.8倍，即=47.7m/s根据公式，可知波浪高度=2.71m根据公式，可知波长L=23.19m根据公式，可知波浪中心线超静水位高度=0.994274m可知库水位超高=4.1m可知坝顶高程=890.00+4.1=894.1m1.2.1.2校核洪水位时：计算风速取相应洪水期多年平均最大风速，即=26.5m/s根据公式，可知波浪高度=1.30m根据公式，可知波长L=7.0034m根据公式，可知波浪中心线超静水位高度=0.7577m41 41可知库水位超高=2.355m可知坝顶高程=890.00+2.355=892.355m1.2.2特殊组合情况下：Vo=26.5m/s故按莆田试验站公式计算：=6.43×10-3故hm=0.4603m=1.1146故Tm=3.011s综合（1）、（2），可知最大坝顶高程取894.1m1.3坝宽计算为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高的8%~10%。，且不小于3m所以坝顶宽度=6m，并可算出坝底宽为78.5m1.4坝面坡度41 41上游坝坡采用折线面，一般起坡点在坝高的2/3附近，建坝基面高程为832m，折坡点高程为873.4m，坡度为1：0.2；下游坡度为1：0.8。因为基本三角形的顶点与正常蓄水位齐平，故重力坝剖面的下游坡向上延伸应与正常蓄水位相交，具体尺寸见下图图1.1重力坝剖面图1.5坝基的防渗与排水设施拟定由于防渗的需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕及排水孔廊道中心线在坝基面处距离坝踵5.5m。41 41第二章非溢流坝段荷载计算2.1计算情况的选择作用在坝基面的荷载有：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力，常取坝长进行计算。2.2荷载计算2.2.1自重自重在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位完全一样计算步骤如下；坝体自重的计算公式：式中：可知：W1=0.56302.49.81=2118.96KNW2=662.12.49.81=8772.494KNW3=0.566.557.32.49.81=44856.62KNW=W1+W2+W3=55748.47KN坝体自重=55748.47KN41 412.2.2静水压力及其推力①静水压力与作用水头有关，所以在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位时静水压力各不相同，应分别计算；②静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平压力和垂直压力两种。的计算公式为：式中：——计算点的作用水头，；——水的重度，常取；（1）基本组合：正常蓄水位情况：F1=0.59.81582=16500.42KNW1=0.5(58+28)69.81=2538.72KN设计洪水位情况：F1=0.59.8158.092=16551.67KNF2=－0.59.8121.72=-2309.715KNW1=0.5(58.09+28.09)69.81=2536.277KNW2=0.521.727.1259.81=2887.144KN（2）特殊组合：41 41校核蓄水位情况：F1=0.59.8160.332=17852.77KNF2=－0.59.8117.52=－1502.156KNW1=0.5(60.33+30.33)69.81=2668.124KNW2=0.523.6229.5259.81=3420.651KN2.2.3扬压力的计算规范：当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为，排水孔中心线处为（，下游（坝趾）处为，其间各段依次以直线连接,则：A坝踵处的扬压力强度为,坝址处的扬压力强度为,帷幕灌浆和排水孔处的渗透压力为（,的取值如表2-1所示）。B扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。41 41图2.1扬压力计算图示表2.1坝底面的渗透压力、扬压力强度系数坝型及部位坝基处理情况（A）设置防渗帷幕及排水孔（B）设置防渗帷幕及主、副排水孔并抽排部位坝型渗透压力强度系数α主排水孔前的扬压力强度系数α1残余扬压力强度系数α2河床坝段实体重力坝0.250.20.5宽缝重力坝0.20.150.541 41大头支墩坝0.20.150.5空腹重力坝0.25--岸坡实体重力坝0.35--宽缝重力坝0.3--则：帷幕灌浆处的，排水孔处的。（1）正常蓄水情况下：H1=890.0－832.0=58.0H2=0U1=γH2=0U2=-11.50.39.8158=-1962.981KNU3=-0.5670.39.8158=-5718.249KNU4=0Ucc=-（0+1962.981+5718.249+0）=-7681.23KN（2）设计洪水情况：H1=890.9－832.0=58.09H2=21.7U1=γH2=-212.877KNU2=-11.50.39.8158.09=-1966.027KNU3=-0.5670.39.8158.09=-5727.122KNU4=-0.511.536.39=-209.2425KNUcc=-（212.877+1966.027+5727.122+209.2425）=-8115.269KN（3）校核洪水位情况：41 41H1=60.33H2=17.5U1=γH2=-171.675KNU2=11.50.39.8160.33=-2041.839KNU3=-0.5670.39.8160.33=-5947.965KNU4=-0.511.542.83=-246.2725KNUcc=-（171.675+2041.839+5947.965+246.2725）=-8407.751KN2.2.4淤沙压力及其推力图2.3淤沙压力计算图示（1）水平泥沙压力为：41 41式中:，水平方向：（2）竖直方向：Psv=7.360.5(17.8+4)4=80.224KN2.2.5波浪压力波浪压力计算公式：式中：41 41（1）基本组合（设计和正常情况）：Hz=0.7577m；Lm=7.0m；h1%=1.30m（2）特殊组合（校核）：Hz=0.05402m；Lm=2.488m；h1%=0.207m；2.2.6土压力（1）正常蓄水情况：41 41（2）设计及校核洪水位情况：第三章坝体抗滑稳定性分析41 413.1总则A、按抗剪断强度的计算公式进行计算，按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于表3-1规范规定；B、它认为坝体混凝土与坝基基岩接触良好，属于交界面；C、基础数据：；；A=178.5=78.5m2。此时其抗滑稳定安全系数的计算公式为：式中：表3.1坝基面抗滑稳定安全系数K′荷载组合K′41 41基本组合3特殊组合(1)2.5(2)2.3表3.2全部荷载计算结果荷载水平力垂直力正常工况设计工况校核工况正常工况设计工况校核工况自重144598.97144598.97144598.97水压力67144.5460426.660333.519025.2014775.915784.29扬压力-25586.66-57222.22-59984.09波浪力4.874.871.59淤沙力3614.423614.423614.42964.13964.13964.13土压力-805.0748.6448.646688.24511.194511.19总计69958.7664094.5363998.16135689.80107585.0105874.493.2抗滑稳定计算（1）正常蓄水情况∑W=51617.23KN∑P=16889.85KNK′=3.05611>3.041 41（2）设计洪水情况∑W=54067.9KN∑P=14953.2KNK′=3.615809>2.5（3）校核洪水情况∑W=54440.77KN∑P=17061.85KNK′=3.190789>2.33.3抗剪断强度计算（1）正常蓄水情况∑W=51617.23KN∑P=16889.85KN>3.0（2）设计洪水情况∑W=54067.9KN∑P=14953.2KN>2.5（3）校核洪水情况41 41∑W=54440.77KN∑P=17061.85KNK′=3.190789>2.3>2.3故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。41 41第四章应力分析4.1总则4.1.1大坝垂直应力分析根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》，按下列公式进行应力计算：图4.1应力计算图示(1)上游面垂直正应力：(2)下游面垂直正应力：式中：41 414.1.2大坝垂直应力满足要求由《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005可知：重力坝坝基面：运用期：要求上游面垂直正应力不小于0，下游面垂直正应力应小于坝基容许压应力4.0Mpa=4000Kpa。；施工期：坝趾垂直应力可允许由小于0.1Mpa（100Kpa）的拉应力；重力坝坝体截面：运用期：坝体上游面不出现拉应力（计扬压力），下游面垂直正应力应不大于混凝土压应力值，采用C15混凝土，故混凝土压应力值为15/4=3.75Mpa=3750Kpa。施工期：坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的允许压应力，下游面可允许有不大于0.2Mpa（200Kpa）的主拉应力。4.2计算截面为建基面的情况41 414.2.1荷载计算（1）自重力矩自重如下图所示：图4.2自重力矩计算图示W1=2118.96KN；W2=8772.494KN；W3=44856.62KN自重力矩计算如下：M1=2118.9628.31=59987.76KNm41 41M2=8772.49424.2=212294.4KNmM3=44856.622.03=91058.94KNmM=M1+M2+M3=363341.1KNm4.2.2运用期（计入扬压力的情况）(1)上游面垂直正应力：T=109.45(2)下游面垂直正应力：4.2.3运用期（不计入扬压力的情况）(1)上游面垂直正应力：T=109.45(2)下游面垂直正应力：41 414.2.4施工期(1)上游面垂直正应力：T=109.45(2)下游面垂直正应力：41 41第五章溢流坝段设计5.1泄流方式选择为了使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口，WES实用堰。5.2洪水标准的确定洪水标准的确定：本次设计的重力坝是Ⅲ级建筑物，根据GB50201—94表6.2.1，采用50年一遇的洪水标准设计，500年一遇的洪水标准校核。5.3流量的确定流量的确定：根据基础资料可知，设计情况下，溢流坝的下泄流量为115.75m3/s41 41；在校核情况下溢流坝的下泄流量为176m3/s。5.4单宽流量的选择坝址处基础节理裂隙发育，岩石软弱，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取20m3/（s.m）。5.5孔口净宽的拟定孔口净宽拟定，分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如下表：表5.1孔口净宽计算情况流量(m3/s)单宽流量q〔m3/(s.m)〕孔口净宽B（m）设计情况115.75205.79校核情况176208.8根据以上计算，溢流坝孔口净宽取B=16m，假设每孔宽度为b=8m，则孔数n为2。5.6溢流坝段总长度的确定41 41溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定：根据工程经验，拟定闸墩的厚度。初拟中墩厚d为2.5m，边墩厚t为3m，则溢流坝段的总长度B0为：B0=n×b+(n－1)×d+2×t=2×8+（2－1）×2.5+2×3=24.5(m)5.7堰顶高程的确定初拟侧收缩系数，流量系数m=0.463，因为过堰水流为自由出流，故由堰流公式计算堰上水头Hw,计算水位分别减去其相应的堰上水头即为堰顶高程。计算公式如下：计算成果见表：表5.2堰顶高程计算情况流量侧收缩系数流量系数孔口净宽41 41（m3/s）（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）设计情况115.750.920.463167.57883.52校核情况1760.920.463169.86882.47根据以上计算，取堰顶高程为882.47m。5.8闸门高度的确定门高=正常高水位－堰顶高程+安全超高=890.00－882.47+0.2=7.7（m）则按规范取门高7.8m。5.9定型水头的确定堰上最大水头Hmax=校核洪水位－堰顶高程=892.33－882.47=9.86（m）；定型设计水头Hd=（75%～95%）Hmax=7.4～9.4（m）；取Hd=8.4，Hd/Hmax=8.4/9.86=0.85,查表知坝面最大负压为：0.3Hd=2.8（m），小于规范的允许值（最大不超过3～6m水柱）5.10泄流能力的校核先由水力学公式计算侧收缩系数ε，然后计算不同水头作用下的流量系数m，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。41 41计算成果汇总如下表：表5.3泄流能力校核计算情况mB(m)H(m)Q(m3/s)Q`(m3/s)设计情况0.4630.92167.57142141.950.0352%校核情况0.4630.92169.86211208.331.2654%满足的要求，则符合规范设计的孔口要求。5.11.1溢流坝段剖面图图5.1溢流坝横剖面图41 415.11.2溢流坝段稳定性分析（1）正常蓄水情况∑W=51617.23KN∑P=16889.85KN>3.0（2）设计洪水情况∑W=54067.9KN∑P=14953.2KN>2.5（3）校核洪水情况∑W=54440.77KN∑P=17061.85KNK′=3.190789>2.3>2.3故溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。41 41第六章消能防冲设计通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。6.1洪水标准和相关参数的选定本次设计的重力坝是3级水工建筑物，根据SL252—2000表3.2.4，消能防冲设计采用按50年洪水重现期标准设计。根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射=20°。41 416.2反弧半径的确定反弧半径R为：对于挑流消能，可按下式求得反弧段的半径—堰面流速系数，取0.95；H—设计洪水位至坎顶高差，H=891.09-851.0=40.09m(取坎顶高程为851.0m)故算出V=26.65m/sQ—校核洪水时溢流坝下泄流量，(211m3/s)；B—鼻坎处水面宽度，m，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度；B=8+2×3=14mh1=5.65585(m)R=（4～10）hR=22.62～56.56（m）取R=32（m）6.3坎顶水深的确定坎顶水深计算公式为：41 41坎顶水流流速v按下式计算：—堰面流速系数，取0.95；H—设计洪水位至坎顶高差，H=891.09-851.0=40.09m(取坎顶高程为851.0m)故算出V=26.65m/sQ—50年一遇洪水时溢流坝下泄流量，(105m3/s)；B—鼻坎处水面宽度，m，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度；B=8+2×3=14m故坎顶平均水深：6.4水舌抛距计算根据SL253-2000《溢洪道设计规范》，计算水舌抛距和最大冲坑水垫厚度。计算公式：水舌抛距计算公式：L：水舌抛距：：鼻坎的挑角41 41：：坎顶至河床面的高差：堰面流量系数，取0.95；将这些数据代入水舌抛距的公式得：6.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度最大冲坑水垫厚度公式：：水垫厚度，自水面算至坑底。：单宽流量，由前面的计算可得单宽流量为20；：上下游水位差，根据资料可得水位差为40.5m；：冲刷系数，（这里根据地质情况取1.5）；将数据代入公式得：41 41所以最大冲坑水垫厚度为14.35m。最大冲坑厚度估算：图6.1冲坑厚度图示为了保证大坝的安全，挑距应有足够的的长度。一般当时，认为是安全的。41 41计算结果为n=3.817，所以满足规范。故，其消能防冲设计符合规范设计要求。第七章泄水孔的设计7.1有压泄水孔的设计坝体在内水压力的作用下可能会出现拉应力，因此孔壁需要钢板衬砌。7.2孔径D的拟定孔径D的拟定可依据下式：式中：Q—每个发电孔引取的流量，m3/svp—孔内的允许流速，m/s，对于发电孔vp=5.0~6.0m/s。41 417.3进水口体形设计进水口体形应满足水流平顺、水头损失小的要求，进水口形状应尽可能符合流线变化规律。工程中常采用椭圆曲线活着圆弧形的三向收缩矩形进水口椭圆方程为：式中a—椭圆长半轴，圆形进口时，a为圆孔直径：矩形进口时，顶面曲线a为孔高h，侧面曲线a为孔宽B；b—椭圆短半轴，圆形进口时，b=0.3a；矩形进口时，顶面曲线b=（1/3~1/4）a对于重要工程的进水口曲线应通过水工模型试验进行修改。孔口的高宽比（h/B）不宜太大，最大不超过2根据经验和流量情况，选用椭圆曲线的三向收缩矩形进水口可知：a=h=2.11m孔口的高宽比，故孔口设计符合要求7.4闸门与门槽有压泄水孔一般在进水口设置拦污栅和平面检修门，在出口处设置无门槽的弧形闸门。41 417.5渐宽段有压泄水孔控申断面为圆形，进水口闸门为矩形，在进口闸门之后需设置渐宽段，以保持水流平顺。根据规范取渐宽段长度为5.28m渐变规律一般都是收缩型，采用圆角过渡。7.6出水口有压泄水孔的出口控制着整个泄水孔的内水压力情况，为了避免空蚀破坏，讲出口缩小以增加孔内压力，常采用压坡段，根据规范，取出口断面面积为孔身断面面积的90%可知出水口断面面积A=2.458m27.7通气孔和平压管平压管是埋在坝体内部、平衡检修闸门两侧谁呀以减小启门力的输水管道。从水库中引水，阀门设在廊道内。平压管的直径应根据设计充水时间（一般不超过8h）确定。根据规范，通气孔的断面面积A通=0.022m241 41参考文献[1]索丽生，任旭华，胡明．水利水电工程专业毕业设计指南［M］．中国水利水电出版社，2002[2]祁庆和．水工建筑物［M］．中国水利水电出版社，2004[3]吴持恭．水力学（上下册）［M］．高等教育出版社，2004[4]中华人民共和国电力工业部．DL/T5039—95.水利水电工程钢闸门设计规范．中国电力出版社，1995-05-03[5]中华人民共和国水利部．SL252—2000.水利水电工程等级划分及洪水标准．中国水利水电出版社，2000-07-13[6]中华人民共和国电力工业部．DL5077—1997.水工建筑物荷载设计规范．中国电力出版社，1997-10-22[7]41 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