拱坝计算书.doc

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1、水利水电工程专业毕业设计 1 目录 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.12 2.2.1 重力坝工程量.12 2.2.2 拱坝工程量计算. 13 2.2.3 工程量比较. 13 第三章 第一建筑物大坝的设计计算.14 3.1 拱坝

2、的剖面设计以及拱坝的布置以及工程量的比较. 14 3.1.1 坝型选择双曲拱坝.14 3.1.2 拱坝的尺寸. 14 3.2 荷载组合.16 3.3 拱坝的应力计算.16 3.3.1 对荷载组合，使用 FORTRAN 程序进行电算 .16 工况 1:正常水位+温降.16 3.3.2 对荷载组合进行手算.18 3.4 坝肩稳定验算.29 3.4.1 计算原理.29 3.4.2 验算工况.30 3.4.3 验算步骤.30 第四章 泄水建筑物的设计.37 4.1 泄水建筑物的型式尺寸.37 4.2 坝身进水口设计.37 水利水电工程专业毕业设计 2 4.2.1 管径的计算.37 4.2.2 进水口的

3、高程.37 4.3 泄槽设计计算.38 4.3.1 坎顶高程.38 4.3.2 坎上水深.38hc 4.3.3 反弧半径 R .39 4.3.4 坡度（直线段）：.39 4.3.5 挑射角.39 4.4 导墙设计.39 4.5 消能防冲计算.40 4.5.1 水舌挑距.40 4.5.2 冲刷坑深度.41 4.5.3 消能率计算.42 4.5.4 孔口应力计算.43 参考文献.46 水利水电工程专业毕业设计 - 0 - 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

4、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 4 表孔+2 中孔 2 浅孔+2 中孔 4 中孔 方案一：4 表孔+2 中孔 表孔：堰顶高程 178m，孔宽 9m （1-1） 2 3 2 1 HgmBQ m=0.48，B=49=36m 中孔:

5、 进口高程 134m，出口高程 129m，孔口宽 7.5m，高 6m （1-2） 02 2gHaBQ 闸门开度 a=6m，孔口宽度 B=27.5=15m， （1-3） 0 a 227 . 0 96. 0 H 水利水电工程专业毕业设计 - 1 - 表 1-1 四表孔+两中孔 水位 182184.8188191194 4表孔堰上水头 H 35.891215 流量 Q1 397.7181069.142066.603181.744446.62 2中孔 H05052.8565962 0.932760.93420.935680.936920.93276 流量 Q2 2629.342706.142791.3

6、42868.922629.34 流量 Q Q1+Q23027.063775.294857.946050.667075.96 Q+3383365.064113.295195.946388.667413.96 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： 最大下泄流量 最高水位 设计下泄流量：Q 泄=6325 H 设=190.8ms/m3 校核下泄流量：Q 泄=7000 H 校=192.8ms/m3 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 01

7、2gHaBQ （1- 0 0.960.227 a H 水利水电工程专业毕业设计 - 2 - 4） 其中：a=8m , B=82=16m 中孔：进口高程 135m，出口高程 129m，孔口宽 7m，高 7m 02 2gHaBQ 0 0.960.227 a H 其中：a=7m，B=72=14m 表 1-2 2 浅孔+2 中孔 水位 182184.8188191194 2浅孔 H023.7526.829.7532.7535.75 0.878760.887330.895140.901080.90603 流量 Q2 2579.822754.252941.23106.413263.38 2中孔 H049.

8、552.355.558.561.5 0.92790.929620.931370.932840.93416 流量 Q3 2833.862918.313011.923097.133180.06 流量 Q Q2+Q35413.685672.565953.126203.546443.45 Q+3385751.686010.566291.126541.546781.45 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： 最大下泄流量 最高水位 设计下泄流量：Q 泄=6420 H 设=189.78ms/m3 水利水电工

9、程专业毕业设计 - 3 - 校核下泄流量：Q 泄=6610 H 校=192.16ms/m3 方案三：4 中孔 进口高程 134m，出口高程 129m，孔口宽 7.0m，高 7.0m 02 2gHaBQ 0 0.960.227 a H a=7.0m，B=74=28m 表 1-3 4 中孔 水位 182184.8188191194 H05052.8565962 0.932760.934200.935680.936920.93803 流量 Q3 5609.265773.115954.866120.366281.51 Q+3385947.266111.116292.866458.366619.51 起

10、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： 最大下泄流量 最高水位 设计下泄流量：Q 泄=6350 H 设=189.78ms/m3 校核下泄流量：Q 泄=6500 H 校=192.14ms/m3 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 水利水电工程专业毕业设计 - 4 - 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

11、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：6420 m3/s，对应的下游水位：113.92m 校核水位：192.16m，对应下泄流量：6610 m3/s，对应的下游水位：114.11m 水库总库容大于 10108m3，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为：h （1- cz hhhh 0 0 1 5） 式中 波浪高度 0 0 1 h 波浪中心线高出静水位的高度： z h （1- mm z L H cth L h h 2 0 0 1 2 6） 安全超高 c h 利用官厅水库公式计算波高和波

12、长 正常情况 计算风速 =（1.52.0）V =12（1.52.0）=1824 m/s VV0 . 25 . 1 0 取=18 m/s D=4000m 0 V 9.814000/182=121.11 2 0 V gD =0.976064m 为累计频率 5%的波高。 p h g V V gD V 2 0 3/1 2 0 12/1 0 )(0076 . 0 查表由 P(1%)和 P(10%)关系可得：=1.21132m 0 0 1 h 由 （1-7） 75. 3/1 2 0 15 . 2 /1 0 2 0 331 . 0 V gD V V gLm 水利水电工程专业毕业设计 - 5 - 得：=10.

13、2417m，带入下式： m L （1- mm z L H cth L h h 2 0 0 1 2 8） 得 hz =0.44986m hc=0.7m 则： =1.21132+0.44986+0.7=2.36118m （1- cz hhhh 0 0 1 9） 坝顶高程 =189.78+2.36118 =192.14118mhh 设 校核情况下:=12m/s 0 V =9.814000/122=272.5 2 0 V gD =0.588 为累计频率 10%的波高 p h g V V gD V 2 0 3/1 2 0 12/1 0 )(0076 . 0 查表由 P(1%)和 P(10%)关系可得：=

14、0.83214m 0 0 1 h 由 75. 3/1 2 0 15 . 2 /1 0 2 0 331 . 0 V gD V V gLm 得：=6.8235m 带入下式： m L mm z L H cth L h h 2 0 0 1 2 得：=0.31865m z h =0.5m c h 则：=0.83214+0.31865+0.5=1.65079m cz hhhh 0 0 1 坝顶高程=192.16+1.65079 =193.81mhh 校 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 水利水电工程专业毕业设计 - 6 - 1.2

15、.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 6420 m3/s，校核洪水时，

16、下泄流量 6610m3/s，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。 水利水电工程专业毕业设计 - 7 - 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 按应力条件确定坝底最小宽度 （2- 10 / c H B 1） 式中 混凝土重度，取 24kN/m3； c 水的重度取 10kN/m3； 0 扬压力折减系数取 0.25； 1 则 B=66.6

17、85m 2/1 25. 010/24/78.97 按稳定条件确定坝底最小宽度 （2- 10 / c f KH B 2） 式中 K=1.10 =0.7 =0 =0.25f 1 则mB47.7125 . 0 010/247 . 0/78.971 . 1 综合，取坝底最小宽度 B=71.47m。 2.1.2 实用剖面 坝顶宽度：取坝高的 810%，即（8%10%）101.81=(8.14510.18)m,取 为 10m 水利水电工程专业毕业设计 - 8 - 取下游坡度为 1:0.75 上游折坡的坡度取为 1：0.15 上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的 1/32/3 范围内，即 33.9467

18、.87m,取为 54m 则折坡上部分宽 B1=0.1554=8.1m B2=(192.16-92)0.75=75.12m B=B1+B2=8.1+75.12=83.22m 图图 2-12-1 重力坝剖面图 2.1.3 排水位置 设计洪水最大下泄流量为 6420m3/s，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 0.050.1 倍水头，且不小于 45m，即 （0.050.1）70.46=(3.5237.046)m,取为 5m。 2.1.4 荷载计算 计算表格如下： 设计水位 189.78m 时： 水利水电工程专业毕业设计 -

19、9 - 表 2-1 设计水位坝址处强度及稳定验算 M 弯矩(*105) 荷载标准值距坝底中心 顺时针逆时针 W15248.836.211.90059 W224434.428.516.966247 坝体自重 W367852.441.8031.223379 W 上 5618.51638.0752.13925 W 下 1756.77836.130.634724 P 上 46848.5532.5933315.2695 水压力 P 下 2354.3837.3070.172035 U117876.9900 U26086.81736.372.213775 扬压力 U36516.1465.1370.33473

20、4 浪压力 Pl41.6826 忽略忽略 Wn337.238 忽略忽略 泥沙压力 Pn1582.9667.6670.121366 S(*)=Pr46443.7441 R(*)=fRWr+CrAr66793.978 0S（*） 48533.7126 1/dR(*)55661.6483 承载能力极限状态的抗压强度（MPa） S(*)=(Wr/Ar-MrTr/Jr)(1+m2)1.357923 R(*)=fc15 0S（*） 1/dR(*) 结论：经验算坝址处的强度和稳定性均满足要求 水利水电工程专业毕业设计 - 10 - 表 2-2 设计水位折坡处强度及稳定验算 M 弯矩(*105) 荷载标准值

21、距坝底中 心 顺时针逆时针 W111474.412.311.412499 坝体自重 W29699.29520.8966670.08697 水压力 P9391.7731614.593331.370573 浪压力 Pl41.6826 忽略忽略 S(*)=Pr9441.79228 R(*)=fRWr+CrAr19558.7974 0S（*） 9866.67293 1/dR(*)16298.9978 承载能力极限状态的抗压强度（MPa） S(*)=(Wc/Ac-McTc/Jc)(1+m2)0.956916 R(*)=fc15 0S（*） 1/dR(*) 结论：经验算折坡处的强度和稳定性均满足要求 水利

22、水电工程专业毕业设计 - 11 - 校核水位 192.16m 时： 表 2-3 校核水位坝址处强度及稳定验算 M 弯矩(*105) 荷载标准值距坝底中心 顺时针逆时针 W15248.836.211.90059 W224434.428.516.966247 坝体自重 W367852.441.8031.223379 W 上 5807.440838.0582.210196 W 下 1796.5314736.0830.648242 P 上 49156.925433.38716.41202 水压力 P 下 2395.375297.370.176539 U118031.943200 U26262.5368

23、836.022.255766 扬压力 U36704.260855.1370.344398 浪压力 Pl19.238 忽略忽略 Wn337.238 忽略忽略 泥沙压力 Pn1582.9667.6670.121366 S(*)=Pr48684.1955 R(*)=fRWr+CrAr66450.696 0S（*） 50874.9842 1/dR(*)55375.58 承载能力极限状态的抗压强度（MPa） S(*)=(Wr/Ar-MrTr/Jr)(1+m2)1.31721 R(*)=fc15 0S（*） 1/dR(*) 结论：经验算坝址处的强度和稳定性均满足要求 水利水电工程专业毕业设计 - 12 -

24、 表 2-4 校核水位折坡处强度及稳定验算 M 弯矩(*105) 荷载标准值距坝底中心 顺时针逆时针 W111474.412.311.412499 坝体自重 W29699.29520.8966670.08697 水压力 P10440.653415.386671.606469 浪压力 Pl41.6826 忽略忽略 S(*)=Pr10490.6726 R(*)=fRWr+CrAr19558.7974 0S（*） 10962.7528 1/dR(*)16298.9978 承载能力极限状态的抗压强度（Mpa） S(*)=(Wc/Ac-McTc/Jc)(1+m2)0.957138 R(*)=fc15 0

25、S（*） Tmin=35m Tc =0.01(H+2.4 b1)=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 35m 坝底的厚度 TB （3-1） aB HbbKT/)( 41 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 a拱的允许压应力，取a=655t/m2 水利水电工程专业毕业设计 - 15 - TB=0

26、.35(309+170) 101.81/655=26.06m 上游面的曲线采用二次抛物线 2 21 /HyXHyXZ （3-2） 式中： 211 2XX12/ 122 B TX =0.600.65 取=0.62 1 1 =0.30.6 取=0.32 2 2 =0.3226.06/(20.62-1)=34.75 2 X =20.6234.75=43.09 1 X 上游面的曲线方程为 Z= -43.09y/101.81+34.75(y/101.81)2 下游面的曲线按下游面的曲线按 Tc，TB沿高程线性内插。沿高程线性内插。 设第 i 层拱圈的厚度为 则 i T =8.44+17.62/101.8

27、1yi （3-yiHTTTT CBc / i 3） （3- i TZZ 上下 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 193.81008.448.44 16825.81-8.41794.48897212.90687 14350.81-12.44664.78692617.23356 11875.81-12.41619.14410621.56025 92101.81-8.078417.981626.06 130.6963.12-12.93896.42511519.36402 水利水电工程专业毕业设计 - 16 - 图图 3-1 拱冠梁剖面示意图 3.2 荷载

28、组合 正常水位正常水位+温降温降 设计水位设计水位+温升温升 校核水位校核水位+温升温升 正常水位正常水位+温降温降+地震地震 3.3 拱坝的应力计算 3.3.1 对荷载组合，使用 FORTRAN 程序进行电算 工况 1:正常水位+温降 输入： 5 0.2,-47,3.39,2.4,10,.85,2200000,2200000,.000008,9.01,78.81,41.7384,33.66 0,25.81,50.81,75.81,101.81 45,45,45,45,45 154.5,127.316,98.935,85,43.423 8.44,12.90687162,17.23355859,

29、21.56024556,26.06 186.693,164.7201,144.3112,121.1855,75.352 输出： 水利水电工程专业毕业设计 - 17 - 244.53 157.63 124.84 282.85 0.00 0.00 0.00 0.00 286.17 117.66 62.81 241.84 67.92 45.63 -16.95 121.21 301.71 27.51 -41.52 197.07 97.45 107.37 10.65 174.27 207.00 -16.67 -53.22 123.13 53.95 222.40 130.33 122.61 94.45 -

30、59.47 -43.87 45.33 -74.27 407.67 340.99 -39.44 0.043951 0.000270 0.00 -9.01 9.01 0.00 0.036719 0.000346 16.80 -0.11 16.02 0.89 0.026897 0.000454 41.80 16.20 22.17 3.43 0.014628 0.000435 66.80 40.86 21.43 4.52 0.003595 0.000195 106.56 67.49 23.04 16.03 工况 2:设计水位+温升 输入： 5 0.2,47,3.39,2.4,10,.85,220000

31、0,2200000,.000008,4.03,78.81,41.7384,33.66 0,25.81,50.81,75.81,101.81 45,45,45,45,45 154.5,127.316,98.935,85,43.423 8.44,12.90687162,17.23355859,21.56024556,26.06 186.693,164.7201,144.3112,121.1855,75.352 输出： 304.84 239.22 214.46 333.78 0.00 0.00 0.00 0.00 321.85 184.31 139.54 283.55 98.32 17.85 -16

32、.95 121.21 326.55 91.98 32.93 235.05 129.49 79.11 10.65 174.27 234.55 40.59 8.89 160.38 80.95 197.83 130.33 122.61 126.29 -14.10 0.13 80.01 -17.61 345.56 340.99 -39.44 0.033358 0.000110 0.00 -12.12 12.12 0.00 0.030138 0.000217 21.78 1.46 19.73 0.59 0.023157 0.000365 46.78 17.03 26.68 3.07 0.012837 0

33、.000373 71.78 40.17 27.57 4.04 0.003383 0.000170 111.54 64.65 32.85 14.05 工况 3:校核水位+温升 输入： 水利水电工程专业毕业设计 - 18 - 5 0.2,47,3.39,2.4,10,.85,2200000,2200000,.000008,1.65,78.81,41.7384,33.66 0,25.81,50.81,75.81,101.81 45,45,45,45,45 154.5,127.316,98.935,85,43.423 8.44,12.90687162,17.23355859,21.56024556,26.06 186.693,164.7201,144.3112,121.1855,75.352 输出： 328.04 255.98 228.79 359.81 0.00 0.00 0.00 0.00 344.17 195.40 146.97 303.17 104.05 13.59 -16.95 121.21 345.53 95.59 32.67 248.52 128.33 82.74 10.65 174.27 245.19 41.17 7.83 167.62 70.62 210.74 130.33 122.61 130.12 -15.38 -