水利樞紐設計-畢業(yè)設計

目錄5697緒論 129574第一章樞紐任務及樞紐根本資料 28040第一節(jié)樞紐任務 2931一、發(fā)電 218048二、灌溉 231145三、防洪 219870四、漁業(yè) 210084五、過木 232598六、其它 321792第二節(jié)樞紐的根本資料 321132一、自然地理 322236二、工程地質 510595三、筑壩材料 621468四、庫區(qū)經(jīng)濟 627889五、其他 67203第二章主要建筑物型式選擇和樞紐的布置 84974第一節(jié)樞紐的建筑物組成和工程等級與建筑物級別 8598一、樞紐的建筑物組成 819699二、工程等級與建筑物級別 89747第二節(jié)主要建筑物型式的選擇 913053一、壩型的選擇 914800二、溢流壩泄水方式的選擇 1131064三、水電站系統(tǒng)型式的選擇 1226795第三節(jié)樞紐布置 1221282一、樞紐布置的一般原那么 1225565二、各建筑物的具體要求 135368三、方案比擬 137345第三章?lián)跛畨卧O計 159623第一節(jié)擋水壩壩頂高程確定和擋水壩剖面設計 155923一、壩頂高程的計算 156258二、壩頂寬度計算 1725243三、壩底寬度計算 1727149四、壩面坡度計算 1729024第二節(jié)擋水壩的穩(wěn)定分析和應力計算 1821535一、荷載計算 183248二、各荷載對壩底形心的偏心距及力矩 278130三、穩(wěn)定性分析 3221163四、壩基面應力分析 3320036第四章溢流壩剖面設計 3621611第一節(jié)孔口設計 3630034一、泄水方式的選擇 3624061二、溢流孔口流量Q溢確實定 3620876三、單寬流量的選擇 3632544四、溢流壩段凈寬L計算 3627343五、溢流壩段總長度L0確實定 3725327六、堰頂高程確實定 3716309七、閘門高度確實定 3813793八、定型設計水頭Hd確實定 3823059第二節(jié)溢流壩剖面設計 385317一、堰頂曲線段 3831881二、反弧段 405283三、中間直線段 4122869第三節(jié)消能計算 4212972一、鼻坎型式 421296二、鼻坎高程 4313469三、反弧段半徑 4311259四、挑射角 431344五、挑距計算 431796六、沖刷坑深度計算 4413809第五章壩身泄水孔的設計 4613743第一節(jié)泄水孔直徑選定 4621841第二節(jié)進水口體形設計 463205第三節(jié)閘門與門槽 473214第四節(jié)孔身段設計 489141第五節(jié)漸變段 4816359第六節(jié)平壓管和通氣孔 504110一、平壓管 505205二、通氣孔 5116508第七節(jié)消能工型式的選那么 512947第六章水電站壩段設計 533240第一節(jié)有壓鋼管的布置和孔徑確實定 5312411一、壓力鋼管的布置 539587二、孔徑確實定 5325256第二節(jié)有壓進水口設計 5324157一、有壓進水口的高程確定 5331278二、有壓進水口的輪廓尺寸 546042第七章細部構造 561776第一節(jié)壩頂構造 5617019一、非溢流壩壩頂構造 5622376二、溢流壩壩頂構造 5721862第二節(jié)廊道系統(tǒng) 5910955一、根底灌漿廊道 5927503二、檢測和壩體排水廊道 596715第三節(jié)壩體分縫與止水 6025122一、壩體分縫 6023097二、止水 6023676第四節(jié)壩體排水 6118510第五節(jié)壩體混凝土分區(qū) 6222134第八章地基處理 6431445第一節(jié)壩基的開挖與清理 645663一、開挖深度確實定 643134二、開挖形狀和坡度 6428252第二節(jié)壩基灌漿 6525923一、固結灌漿 6510432二、帷幕灌漿 659697第三節(jié)壩基排水 6622307一、壩基排水目的 662845二、壩基排水的排水孔的布置及方向 664826第四節(jié)斷層的處理 6724535總結 687866致謝 6914640參考文獻 7019035附錄一：外文翻譯 71緒論為了進一步培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際的能力，為了讓我們更好地適應國家的根底建設、科技進步和社會開展，特別是為了能使我們盡快地適應即將面臨的工作，成為一名合格的水利水電工程技術人員，我們進行了歷時兩個多月的A江水利樞紐畢業(yè)設計。通過大學近四年的系統(tǒng)學習，我們已經(jīng)初步掌握了水工設計的根底知識,本次畢業(yè)設計是我們根據(jù)自己所學的知識，參考許多相關的教材、設計手冊和標準，并在指導教師的指導下完成的。本設計共八章，包括了：樞紐的任務和根本資料、樞紐布置、非溢流壩設計、溢流壩設計、泄水孔的設計、水電站壩段設計等內容。通過這次畢業(yè)設計，我提高了如下幾方面的能力：〔1〕穩(wěn)固了根底課和水工建筑物課的理論知識；〔2〕初步具有了正確的設計思路，提高了分析、解決實際工程問題的能力；〔3〕提高了設計、計算、查閱資料、繪圖和編寫說明書的能力；〔4〕從其他同學身上學到了嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L、踏實肯干的精神和踴躍探索積極討論的精神；〔5〕知道了在今后的工作中要靈活運用書本的知識，不能死板的硬套，知道了工程實例的重要性，更知道了將來我要學的東西還有很多。在這次畢業(yè)設計中我得到王軍璽老師的指導和其他很多同學的幫助，在此，對他們表示誠摯的謝意。由于時間倉促，知識水平有限本設計中難免有些缺乏之處，希望各位老師、同學批評指正。第一章樞紐任務及樞紐根本資料第一節(jié)樞紐任務本工程同時兼有防洪、發(fā)電、灌溉、漁業(yè)等綜合作用。一、發(fā)電水電站裝機容量為20萬千瓦，多年平均發(fā)電量5.09億度。本電站4臺5萬千瓦機組。正常蓄水位為184.25米，汛期限制水位為182米，死水位164米，4臺機滿載流量338立方米/秒，相應尾水位103.5米。廠房型式為壩后式，主廠房平面尺寸為81×18平方米，發(fā)電機層高程114.8米，尾水底板高程90.8米，廠房頂高程130.5米。副房平面尺寸為66×10平方米。安裝場尺寸為21×18平方米。開關站尺寸為20×75平方米。二、灌溉本工程建成后，可增加保灌面積50萬畝。三、防洪減輕洪水對A市和A平原的威脅，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水時，經(jīng)水庫調洪后，洪峰流量由原來的14900立方米/秒、11700立方米/秒分別削減為7850立方米/秒、6850立方米/秒。要求設計洪水時最大下泄流量限制為6850立方米/秒。其他參數(shù)見表1。表1洪水標準的調洪成果洪水標準來流量峰值〔m3/s〕泄流量〔m3/s〕上游水位〔m〕下游水位〔m〕設計〔0.1%〕11700校核〔0.02%〕14900四、漁業(yè)正常蓄水位時，水庫面積為35.60平方公里，可為開展養(yǎng)殖創(chuàng)造有利條件。五、過木根據(jù)林業(yè)部門的要求，木材過壩量每年為33.3萬立方米。其木材最大長度為12米，大頭直徑為115厘米。六、其它五年完工。第二節(jié)樞紐的根本資料一、自然地理〔一〕流域概況A江是我國東南一條河流，流向自西向東，流經(jīng)A省南部地區(qū)，匯人東海，干流全長153公里，流域面積4860平方公里。壩址以上流域面積2761平方公里，流域境內為山區(qū)，平均海拔高度為662米，最頂峰達1921米，流域境內氣候濕潤，雨量充分，屬熱帶氣候。徑流主要來自降雨，小局部由地下水補給，每年4～9月為汛期，其中5、6兩月為梅雨季節(jié)，河道坡降上游陡，下游緩，平均坡降6.32～0.97%，因河道陡，調蓄水能力低，匯流快，由暴雨產(chǎn)生的洪水迅速漲落，一次洪水過程線尖瘦，屬典型的山區(qū)性河流。流域境內，以農(nóng)林為主，森林茂盛，植被良好，水土流失不嚴重，樞紐下游為A省的重要農(nóng)付業(yè)生基地A平原。壩址下游約50公里有縣級城市兩座，在河流入海處，有省轄市一座?！捕硽夂蛱匦浴?，月平均最低氣溫5℃〔1月份〕、最高29℃℃(1月份)、最高氣溫為40.6℃(7月份)。年平均相對濕度為79%左右，其中6月份87%為最大，1月份72%為最小，日變化較大。壩址以上流域的年平均降雨量為1860毫米，實測最大降雨量為2574毫米，最少為1242毫米。雨量在年內分配不均，其中4～9月份占全年雨量的80%，5～6月占全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。各月降雨量的雨型及日數(shù)統(tǒng)計見表2。表2各月降雨量的雨型及日數(shù)統(tǒng)計表月份工程123456789101112全年實際天數(shù)31233130313031313031303134571212109876410-30mm雨日23458965432130mm以上雨日911856322100壩址處多年平均蒸發(fā)量為1349毫米，其中以7月份為最大，月蒸發(fā)量為217毫米，2月份為最小，月蒸發(fā)量為45.5毫米。實測最大風速為17米/分，風向西北偏西，吹程4.5公里。多年平均最大風速成為：汛期為12米/分，非汛期為13米/分。風向向根本垂直壩軸線，吹程4公里?！踩乘奶匦愿鶕?jù)資料分析，壩址處的多年平均流量為100m33，各頻率的月平均量見表3。表3各頻率的平均量〔單位：m3/s〕月頻率123456789101112多年平均1116267324490689679362633311021211131865781792353645105373521772107377731505021498914121627778444426161697808194773127184221512134574952522366912154261155據(jù)水文資料推算，壩址處的洪峰流量及總量如下：〔1〕洪峰流量Q=3310m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮Ⅲ型線。各頻率流量見表4。表4各頻率流量表頻率〔%〕1251020備注流量〔m3/s〕1490011700〔2〕洪峰總量3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮IV型線。各頻率洪流量見表5。表5各頻率洪流量表頻率〔%〕1251020備注△總量WP億m3△3。〔3〕施工期各設計洪水頻率流量見表6。表6施工期各設計洪水頻率流量表時段頻率〔%〕10～4月9～6月10～3月11～6月11～2月12～2月備注520871772136713678848241016731410107210726545962012751045784784434332據(jù)水文站實測資料分析，年固體徑流總量為331萬噸，百年后水庫淤積高程115m。淤沙浮容重為8.5kN/m3，內摩擦角為100。本壩址地震烈度為70。二、工程地質〔一〕壩址工程地質壩址處的河床寬度約100m。河底高程約100m，水深1～3m。河床覆蓋層由大塊石、卵石組成。厚度約5～6m，兩岸山坡為第四系覆蓋層，厚度為5～10m左右。河谷近似梯形，兩岸約400～600。壩基為花崗斑巖，風化較淺，巖性均一，新鮮堅硬完整，抗壓強度達120~200MPa。壩址的地質構造簡單，無大的地質構造，緩傾角節(jié)理延伸短，整體滑動可能性很小。但陡傾角節(jié)理較發(fā)育，以構造節(jié)理為主，左右岸各有走向互相垂直的二組節(jié)理。其中一組近于平行山坡等高線，方向見地形圖，節(jié)理傾角約350～900，節(jié)理面無夾泥存在。壩址處的水文地質較簡單，未發(fā)現(xiàn)裂隙承壓水。巖石的物理力學性質見表7。表7巖石的物理力學性質表巖性或地質構造容重〔kN/m3〕孔隙率〔%〕抗壓強度〔MPa〕彈性模量〔MPa〕摩擦系數(shù)粘著力〔MPa〕泊松比(u)抗剪系數(shù)抗剪斷系數(shù)干濕干飽和混凝土與基巖基巖內部混凝土與基巖基巖內部花崗斑巖2101902.2×104基巖與砼節(jié)理面基巖內相對隔水層離基巖外表深15m?！捕硯靺^(qū)工程地質庫區(qū)巖性以火山巖和沉積巖為主，皺褶規(guī)模不大，均為背斜，兩翼地層平緩，且不對稱。有較大的斷層二條，這些皺褶和斷層呈北東向展開，以壓扭性為主，傾角較陡，延伸長度達幾到幾十公里，斷層單寬1米左右，個別達10米以上。斷層破碎都已膠結。庫區(qū)水文地質簡單，以裂隙水為主，地下分水嶺高程均高出庫水位以上。三、筑壩材料〔一〕石料壩區(qū)大局部為花崗斑巖，基巖埋深淺，極易開采，且河床覆蓋層中的塊石、卵石亦可利用，因此筑壩石料極易解決。砂料在壩下游勘探6個砂料場，最遠料場離壩約9公里，以石英破碎帶的料料場為主，初估砂料儲量約430萬m3。經(jīng)質量檢驗，砂石料符合標準要求。壩址處缺乏筑壩的土料。四、庫區(qū)經(jīng)濟庫區(qū)除有小片盆地外，其余多為高山峽谷地帶。耕地主要分布在小片盆地上，高山上森林茂密。在正常蓄水位時，需遷移人口21444人，拆遷房屋19240間，淹沒、浸沒耕地16804畝，淹沒森林面積18450畝，淹沒縣鄉(xiāng)建造的二座小型水電站〔裝機2210kW〕等，共需賠償費4120萬元。五、其他〔一〕對外交通本壩址上游左岸30公里處有鐵路干線、車站，另有公路與壩址下游50公里的兩座縣于相通，兩縣城有公路和水路與河流入海處的省轄市相連，對外交通較為方便?！捕掣綄俟S和生活建筑區(qū)壩址下游兩岸有較大的沖積臺地，地形平緩面積較大，適宜布置附屬工石和生活建筑區(qū)?！踩池摵晌恢帽倦娬局饕┙o壩下游A平原的農(nóng)村生產(chǎn)用電及省轄市的工業(yè)用電，并擔負A電網(wǎng)的局部調峰任務?！菜摹硥雾斢须p線公路布置的要求。第二章主要建筑物型式選擇和樞紐的布置第一節(jié)樞紐的建筑物組成和工程等級與建筑物級別一、樞紐的建筑物組成根據(jù)樞紐的任務，可知樞紐的主要建筑物組成如下：擋水壩段、溢流壩段、泄水底孔壩段、電站壩段及其建筑物。二、工程等級與建筑物級別根據(jù)《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準》以及該工程的一些指標確定工程等級如下：〔1〕各效益指標等別根據(jù)樞紐灌溉面積50萬畝，判斷屬于Ⅱ等工程；根據(jù)電站裝機容量20萬千瓦，判斷屬于Ⅲ等工程；根據(jù)保護城鎮(zhèn)的重要性，判斷屬于Ⅱ等工程?！?〕水利樞紐等級根據(jù)標準規(guī)定，對具有綜合利用效益的水電工程，各效益指標分屬不同的等別時，整個工程的等級應按其最高的等別確定，故本水利樞紐為Ⅱ等工程?！?〕水工建筑物的級別根據(jù)水工建筑物級別的劃分標準，Ⅱ等工程的主要建筑物為2級水工建筑物，所以本樞紐中擋水壩段、溢流壩段、泄水底孔壩段、電站壩段及其建筑物為2級水工建筑物，次要建筑物為3級水工建筑物。注1：水利水電工程分等指標見表8。表8水利水電工程分等指標工程等別工程規(guī)模水庫總庫容〔108m3〕防洪治澇灌溉供水發(fā)電保護城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)重要性保護農(nóng)田〔104畝〕治澇面積〔104畝〕灌溉面積〔104畝〕供水對象重要性裝機容量〔104kw〕Ⅰ大〔1〕型≥10特別重要≥500≥200≥150特別重要≥120Ⅱ大〔2〕型重要500～100200～60150～50重要120～30Ⅲ中型中等100～3060～1550～5中等30～5Ⅳ小〔1〕型一般30～515～3一般5～1Ⅴ小〔2〕型＜5＜3＜1注2：永久性水工建筑物的級別見表9。表9永久性水工建筑物的級別工程等級永久性建筑物的級別主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55第二節(jié)主要建筑物型式的選擇一、壩型的選擇壩型有三種類型：重力壩、拱壩、土石壩?！惨弧持亓畏桨钢亓卧谒畨毫捌渌奢d作用下，主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求；同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應力來抵消由于水壓力產(chǎn)生的拉應力，以滿足強度的要求。且重力壩有如下的優(yōu)點：〔1〕結構作用明確，設計方法簡單，平安可靠?！?〕對地形地質條件適應性強。〔3〕樞紐泄洪問題容易解決。〔4〕便于施工導流?！?〕施工方便。同時，壩區(qū)大局部為花崗斑巖，基巖埋深淺，極易開采，且河床覆蓋層中的塊石、卵石亦可利用，因此筑壩石料極易解決。在壩下游勘探6個砂料場，最遠料場離壩約9公里，以石英破碎帶的料料場為主，初估砂料儲量約430萬m3。經(jīng)質量檢驗，砂石料符合標準要求。且對外交通較為方便，所需水泥等其他材料運輸方便。所以該方案可行。〔二〕拱壩方案拱壩是固接與基巖的空間殼體結構，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面豎直的或向上游凸出的曲線形。壩體結構既有拱作用又有梁作用，其承受的荷載一局部通過拱的作用壓向兩岸，另一局部通過豎直梁的作用傳到壩底基巖。與其他壩型相比拱壩具有以下特點：〔1〕穩(wěn)定特點。壩體的穩(wěn)定主要依靠兩岸拱端的反力作用，不像重力壩那樣依靠自重來維持穩(wěn)定?！?〕結構特點。拱壩屬于高次超靜定結構，超載能力強，平安度高，當外荷載增大或壩的某一局部發(fā)生局部開裂時，壩體的拱和梁作用將會自行調整，使壩體應力重新分配?！?〕荷載特點。拱壩壩身不設永久伸縮縫，溫度變化和根底變形對壩體應力的影響比擬顯著，設計時，必須考慮基巖變形，并將溫度作用列為一項主要荷載。由于拱壩剖面較薄，壩體幾何形狀復雜，因此，對于施工質量、建筑材料強和防滲要求等都較重力壩嚴格。除此之外，拱壩對地形的要求是左右兩岸對稱，岸坡平順無突變，在平面上向下游收縮的峽谷段。由于壩址處的河床寬度約100m，寬度較大，不宜建拱壩。所以該方案不可取?！踩惩潦瘔畏桨竿潦瘔问侵赣赏?、石料等當?shù)夭牧咸钪傻膲?，是歷史最為悠久的一種壩型，是世界壩工建設中應用最為廣泛和開展最快的一種壩型。其得到廣泛應用和開展的主要原因是：〔1〕可以就地、就近取材，節(jié)約大量的水泥、木材和鋼材，減少工地的外線運輸?！?〕能適應各種不同的地形、地質和氣候條件?！?〕大容量、多功能、高效率施工機械的開展，提高了土石壩的壓實密度，減少了土石壩的斷面，加快了施工進度，降低了造價，促進了高土石壩建設的開展?！?〕由于巖土力學理論、試驗手段和計算技術的開展，提高了分析計算水平，加快了設計進度，進一步保障了大壩設計的平安可靠性?！?〕高邊坡、地下工程結構、高速水流消能防沖等土石壩配套工程設計和施工技術的綜合開展，對加速土石壩的建設和推廣也起到了重要的促進作用。由于壩址處缺乏筑壩的土料，所以該方案不可取。綜上可得壩型初步選擇重力壩。而重力壩的形式比擬多，主要可分為實體重力壩、空腹重力壩、寬縫重力壩等。下面介紹這幾種壩型的優(yōu)缺點?？崭怪亓蔚膬?yōu)缺點：較實體重力壩節(jié)省砼20%左右，由于空腔下部不設地板，減少了揚壓力；可以減少壩基開挖量；壩體前后腿嵌固于巖體內，有利于壩體的抗滑穩(wěn)定；前后腿應力分布均勻，壩踵壓應力較大；有利于砼散熱；壩體施工可以不設縱縫；便于檢測和維修；可在空腹中布置電站廠房等優(yōu)點。但空腹重力壩設計繁難；施工復雜；工期長；鋼筋和模板用量較實體重力壩多；如在空腔內布置水電站廠房，施工干擾大。寬縫重力壩具有以下一些優(yōu)點：充分利用了混凝土的抗壓強度；揚壓力顯著降低；混凝土方量較實體重力壩可節(jié)約10％～20％，甚至更多；寬縫增加了壩塊的側向散熱面，加快了壩體混凝土的散熱進程；便于檢測和維修。從結構角度看，壩體內部應力較低，在該處將厚度減薄也是合理的。但也有一些缺點，如：增加了模板用量，立模也較復雜；分期導流不便；在嚴寒地區(qū)，對寬縫需要采取保溫措施。實體重力壩有以下優(yōu)點：〔1〕相對平安可靠,耐久性好，抵抗?jié)B漏、洪水漫溢、地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比擬強；〔2〕設計、施工技術簡單，易于機械化施工；〔3〕對不同的地形和地質條件適應性強，任何形狀河谷都能修建重力壩，對地基條件要求相對地說不太高；〔4〕在壩體中可布置引水、泄水孔口，解決發(fā)電、泄洪和施工導流等問題。實體重力壩的缺點:〔1〕壩體應力較低，材料強度不能充分發(fā)揮；〔2〕壩體體積大，耗用水泥多；〔3〕施工期混凝土溫度應力和收縮應力大，對溫度控制要求高。為了能夠適應于大型機械化作業(yè)，施工速度快，工期短，使工程盡早建成早日供水發(fā)電，提前受益，故本工程壩型選用實體重力壩。二、溢流壩泄水方式的選擇溢流壩泄水方式有壩頂溢流和壩身泄水孔。在水利樞紐中，泄水重力壩可以承當泄洪、向下游輸水、排沙、放空水庫和施工導流等任務?！惨弧硥雾斠缌骺卓谛褪降倪x擇壩頂溢流孔口型式分為：開敞溢流式和大孔口溢流式。開敞溢流式除宣泄洪水外，它還可以排除冰凌和其他漂浮物。堰頂可以設閘門，也可不設。不設閘門的溢流孔，堰頂高程與水庫的正常高水位齊平，泄洪時庫水位壅高，淹沒損失加大，非溢流壩壩頂高程也相應提高，但結構簡單，管理方便。適用于泄水量較小、淹沒損失不大的中、小型工程。設置閘門的溢流孔，其閘門頂略高于正常蓄水位，堰頂高程較低，可以調節(jié)庫水位和下泄流量，減少上游淹沒損失和非溢流壩工程量。通常大、中型工程的溢流壩均設有閘門。大孔口溢流式，上部設有胸墻，堰頂高程較低。這種型式的溢流孔可按洪水預報提前放水，加大蓄洪庫容，從而提高了調洪能力。當庫水位低于胸墻時，下泄水流形式和開敞溢流式相同；當庫水位高出孔口一定高度后為大孔口泄流，超泄能力不如開敞溢流式。為了使水庫具有較大的泄流能力，宜優(yōu)先考慮開敞溢流式。33/s。下泄流量都較大，所以本設計采用開敞溢流式?！捕硥紊硇顾仔褪降倪x擇按水流條件，壩身泄水孔可分為有壓和無壓；按泄水孔所處的高程可分為中孔和底孔；按布置的層數(shù)又可分為單層和多層。本設計中泄水孔選擇單層、有壓、底孔。三、水電站系統(tǒng)型式的選擇水電站廠房采用壩后式廠房，水庫至水輪機之間的輸水管道采用有壓鋼管輸送。第三節(jié)樞紐布置本樞紐建筑物的組成為：擋水壩、溢流壩、泄水底孔及水電站建筑物等等。進行樞紐布置就是研究這些建筑物的相互位置。一、樞紐布置的一般原那么樞紐布置的一般原那么如下：〔1〕壩址、壩及其他主要建筑物的型式選擇和樞紐布置要做到：施工方便，工期短，造價低?！?〕樞紐布置應當滿足各個建筑物在布置上的要求，保證其在任何工作條件下都能正常工作。〔3〕在滿足各建筑物強度和穩(wěn)定性的條件下，降低樞紐的總造價和年運轉費用?！?〕樞紐中建筑物布置緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少連接建筑物〔5〕盡可能使樞紐中局部建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益〔如提前蓄水、早期發(fā)電或灌溉〕?！?〕樞紐的外觀應與周圍環(huán)境相協(xié)調，在可能的條件下，注意美觀。二、各建筑物的具體要求〔一〕擋水壩主要是攔截水流，形成水庫，將其布置在河岸的兩邊?！捕骋缌鲏沃饕鹦购樽饔茫熬墤龑ι嫌蝸硭闹髁鞣较?，下游出口方向最好與主流槽水流方向一致。溢流壩應建在堅硬完整的巖基上，為了減少下泄水流對其他建筑物的影響，有時需要在溢流壩與這些建筑物之間布置導墻，沖沙孔常設在廠房進水口附近，其高程應滿足運用要求。〔三〕泄水底孔即深式泄水孔，起放空水庫以便檢修；排放泥沙，減少水庫淤積。正常情況下不進行泄洪?！菜摹畴娬舅娬具M水口水流應順直，不發(fā)生漩渦和橫向水流，尾水應順暢。廠房壩段與底孔并排布置，有以下優(yōu)點：〔1〕可以保證電站經(jīng)常引用活水，不會有泥沙淤積?！?〕將電站壩段與底孔壩段同寬布置，可以共用啟閉機設備，節(jié)省投資?！?〕便于管理和維修。三、方案比擬現(xiàn)在擬定兩個樞紐布置方案進行比擬分析：方案一是擋水壩段布置在河岸兩邊，溢流壩段布置在中間，電站布置在右岸的擋水壩之后。方案二是擋水壩段布置在河岸兩邊，溢流壩段布置在中間，電站布置在左岸的擋水壩之后。比擬如下：由對外交通和流域概況知：本壩址上游左岸30公里處有鐵路干線與車站，另有公路與壩址下游50公里的兩座縣城相同，兩縣城有公路和水路與河流入海處的省轄市相連，對外交通較為方便。A江是我國東南一條河流，流向自西向東，流經(jīng)A省南部地區(qū)，匯人東海，干流全長153公里，流域面積4860平方公里。所以知道用戶多位于左岸，少局部位于右岸。綜上知當水電站壩段布置在偏左岸時，交通便利，上壩及運送機組較為方便，而且出線省，節(jié)省投資。因為用戶多位于河流左岸，可以縮短出線線路。底孔緊靠電站壩段，有利于電站排沙，減少泥沙對水輪機的沖刷，且底孔閘門和電站進水口共用一臺啟閉機，減少啟閉設備。通過比擬知方案二優(yōu)于方案一，所以選擇方案二。第三章?lián)跛畨卧O計剖面設計是重力壩設計的重要環(huán)節(jié)，主要任務是選擇一個既滿足穩(wěn)定和強度要求，又使得壩體工程量最小，外形輪廓簡單，施工方便，運行可靠的剖面。重力壩剖面設計的原那么是：〔1〕滿足穩(wěn)定和強度要求，保證大壩平安?！?〕工程量最少?！?〕運用方便?！?〕便于施工。第一節(jié)擋水壩壩頂高程確定和擋水壩剖面設計根據(jù)重力壩設計標準規(guī)定，壩頂寬度一般為壩高的8%～10%，一般不小于2m。上、下游坡度范圍分別為：n=0～0.2和m=0.6～0.8,壩底寬約為壩高的0.7～0.9倍。本工程中上游折坡點以下坡率為n=0.2，下游坡率m=0.7。因為河床高程為100m，河床覆蓋層由大塊石、卵石組成，厚度約為5～6m。所以開挖深度取5m，得大壩建基面高程為95m。一、壩頂高程的計算〔一〕計算防浪墻的高程▽頂▽頂=▽靜+△h〔1〕式中：▽靜為水庫靜水位，m；△h為壩頂高出水庫靜水位的超高值，m?！捕秤嬎銐雾敻叱鏊畮祆o水位的超高值△h△h=hl+hz+hc〔2〕式中：hl為波浪高度，m；hz為波浪中心線高出靜水位的高度，m；hc為平安加高，m。hc按表10取值。表10平安加高(單位：m)運用情況壩的級別123設計情況校核情況本工程中大壩為2級，所以，設計情況時，hc為0.5m；校核情況時，hc為0.4m?！踩秤嬎悴ɡ烁叨萮l〔3〕式中：V0為計算風速，m／s；是指水面以上10m處10min的風速平均值，水庫為正常蓄水位和設計水洪水位時，宜采用相應季節(jié)50年重現(xiàn)期的最大值或采用相應洪水期多年平均最大風速的1.5～2.0倍，校核洪水位時，宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值；D為水庫吹程，km?！菜摹秤嬎悴ɡ酥行木€高出靜水位的高度hz〔4〕式中：為波浪長度，m；為壩前水深，m；cthx=?！参濉秤嬎悴ɡ碎L度L〔5〕由條件知：吹程D=4km，設計情況下：V0=17m／s；校核情況下：V0=12m／s。代入以上公式得：設計情況下：×175／4×41／3×=所以，壩頂高出水庫靜水位的超高值△h=hl+hz+hc=﹢﹢0.5=1.6794m，進而得計算防浪墻的高程▽頂=▽靜+△h=186.18+1.6794=187.8594m。校核情況下：×125／4×41／3×=所以，壩頂高出水庫靜水位的超高值△h=hl+hz+hc=﹢﹢0.4=1.1484m，進而得計算防浪墻的高程▽頂=▽靜+△h=189.06+1.1484=190.2084m。正常蓄水位情況下同設計情況下一樣。在設計、校核洪水位情況下和正常蓄水位情況下防浪墻高程取最大值得：▽頂=190.2084m,取整得防浪墻高程▽頂=191m。取防浪墻高度為1.2m，得壩頂高程為：191-1.2=189.8m，最大壩高為：189.8-95=94.8m。二、壩頂寬度計算×〔8%～10%〕=7.584m～9.48m。因為壩頂有雙向公路，所以取壩頂寬度為9m。三、壩底寬度計算×〔0.7～0.9〕=66.36m～85.32m。所以取壩底寬度為75.84m。四、壩面坡度計算上游壩坡采用折線，起坡點高程為145m，破率為1:0.2；下游坡度為1:0.7，因為根本三角形的頂點與校核洪水位齊平，所以重力壩的剖面的下游坡向上延伸應與校核洪水位相交，那么可以得出下游坡的起坡點高程為176.2m。擋水壩剖面圖見圖1。圖1擋水壩剖面圖〔單位：m〕第二節(jié)擋水壩的穩(wěn)定分析和應力計算一、荷載計算計算情況選擇在設計重力壩的剖面時，應按照承載能力極限狀態(tài)計算荷載的根本組合和偶然組合進行計算，荷載的根本組合有：正常蓄水位情況、設計洪位情況、冰凍情況〔本次設計不考慮，因為A江為我國東南地區(qū)的河流〕；偶然組合有：校核洪水位情況、地震情況。設計時應對幾種情況分別進行計算?！捕秤嬎憬孛娴倪x擇抗滑穩(wěn)定性的計算截面一般選擇在受力較大、抗剪強度低、容易產(chǎn)生滑動破壞的截面，一般情況有以下幾種：壩基面、壩內軟弱層面、壩基緩傾角結構面、不利地形、混凝土層面。應力分析的位置一般有：壩基面、折坡處的截面、壩體削弱部位等。本次設計僅以壩基面為例來分析計算?！踩澈奢d計算重力壩承受的荷載與作用主要有：1.自重；2.靜水壓力；3.揚壓力；4.波浪壓力；5.泥沙壓力；6.地震作用等。有關參數(shù)的選擇：砼的重度為24kN／m3，水的重度為9.81kN／m3，揚壓力折減系數(shù)為0.25，泥沙的浮重度8.5kN／m3，內摩擦角為10°。取單位壩寬為計算對象〔即壩的寬度為1m〕。G=γV〔6〕式中：γ為砼的重度，kN／m3；V為砼的體積，m3。重力壩分塊如圖2所示。圖2重力壩分塊〔單位：m〕V1=9×﹙189.8－95﹚×3V2=?×10×﹙145－95﹚×1=250m3V3=?××﹙176.2－95﹚×3G1=γV1=24×G2=γV2=24×250=6000kNG3=γV3=24×水平方向水壓力：P=?γH2〔7〕式中：γ為水的重度，kN／m3；H為水深，m。垂直方向水壓力：W=γV〔8〕式中：γ為水的重度，kN／m3；V為壓力體的體積，m3。計算簡圖見圖3。圖3靜水壓力計算簡圖〔單位：m〕校核洪水位情況上游水平水壓力P1=?γH12=?××﹙189.06－95﹚2上游垂直水壓力W1=γV1×[10×﹙189.06－145﹚＋?×10×﹙145－95﹚]×下游水平水壓力P2=?γH22=?××﹙115.8－95﹚2下游垂直水壓力W2=γV2×?×﹙115.8－95﹚××﹙115.8－95﹚×〔2〕設計洪水位情況上游水平水壓力P1=?γH12=?××﹙186.18－95﹚2上游垂直水壓力W1=γV1×[10×﹙186.18－145﹚＋?×10×﹙145－95﹚]×下游水平水壓力P2=?γH22=?××﹙114.45－95﹚2下游垂直水壓力W2=γV2×?×﹙114.45－95﹚××﹙114.45－95﹚×1=1正常蓄水位情況上游水平水壓力P1=?γH12=?××﹙184.25－95﹚2上游垂直水壓力W1=γV1×[10×﹙184.25－145﹚＋?×10×﹙145－95﹚]×下游水平水壓力P2=?γH22=?××﹙103.5－95﹚2下游垂直水壓力W2=γV2×?×﹙103.5－95﹚××﹙103.5－95﹚計算簡圖見圖4。圖4揚壓力計算簡圖〔單位：m〕本工程中帷幕灌漿廊道在壩踵附近距上游壩面為6.1m，廊道底部的高程為100m，經(jīng)計算在壩基面的高程上排水孔距壩踵距離為11m，即B=11m?！?〕校核洪水位情況γH1×﹙189.06－95﹚=922.7286kN／m2γH2×﹙115.8－95﹚=204.048kN／m2γ×﹙﹚=718.6806kN／m2αγ×718.6806=179.6702kN／m2U148××U2×?×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×?×11×設計洪水位情況γH1×﹙186.18－95﹚=894.4758kN／m2γH2×﹙114.45－95﹚=190.8045kN／m2γ×﹙﹚=703.6713kN／m2αγ×703.6713=175.9178kN／m2U1××U2×?×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×?×11×正常蓄水位情況γH1×﹙184.25－95﹚=875.5425kN／m2γH2×﹙103.5－95﹚=83.385kN／m2γ×﹙﹚=792.1575kN／m2αγ×792.1575=198.0394kN／m2U1××U2×?×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×?×11×當壩前水深大于半波長，即H＞L／2時，波浪運動不受庫底的約束，這樣條件下的波浪稱為深水波，此時浪壓力為：Pl=γL﹙hl+hz﹚／4〔9〕當壩前水深小于半波長且大于臨界水深H0，即L／2＞H＞H0時波浪運動受到庫底的影響，此時稱為淺水波，此時波浪壓力為：Pl=[﹙hl+hz﹚﹙γH＋pls﹚＋Hpls]／2〔10〕Pls=γhlsech〔11〕式中：Pls為建筑物建基面處波浪壓力的剩余強度。經(jīng)驗算在設計與校核洪水位情況下都滿足H＞L／2，所以均屬于深水波，計算公式均采用公式〔9〕。波浪壓力分布圖見圖5。圖5波浪壓力分布圖〔單位：m〕校核洪水位情況hl=0.5885m，hz=0.1599m，L=6.8050m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=12.4902kN／m得1m寬的壩體上的波浪壓力為12.4902kN。設計洪水位情況hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=27.8811kN／m得1m寬的壩體上的波浪壓力為27.8811kN。正常蓄水位情況hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=27.8811kN／m得1m寬的壩體上的波浪壓力為27.8811kN〔與設計洪水位情況相同〕。壩面單位寬度上的水平泥沙壓力Ps一般計算公式為：Ps=?γsbhs2tg2﹙45°－Φs／2﹚〔12〕式中：γsb為淤沙的浮容重，kN／m3；hs為壩前泥沙淤積厚度，m；Φs為淤沙的內摩擦角，〔°〕。由根本資料知γsb為8.5kN／m3；hs=〔115-95〕=20m；Φs為10°。代入公式〔12〕得：Ps=?γsbhs2tg2﹙45°－Φs／2﹚=?××202×tg2﹙45°－10°／2﹚=1196.9499kN／m,垂直泥沙壓力Ws計算公式為:Ws=γsbVs〔13〕式中：γsb為淤沙的浮容重，kN／m3；Vs為淤沙所形成的壓力體體積。代入數(shù)據(jù)得：Ws=γsbVs×?×﹙115－95﹚×﹙115－95﹚×1=340kN。地震慣性力一般情況下，水工建筑物可只考慮水平向的地震作用。設計烈度為8、9度的1、2級重力壩，應同時計入水平向和豎直向的地震作用。混凝土重力壩沿高度作用于質點i的水平向的地震慣性力代表值Fi可按下式計算：Fi=αhζGEiαi／g〔14〕式中：αh為水平向設計地震加速度代表值，當設計烈度為7度、8度、9度時，αh分別為0.1g、0.2g、0.4g；ζ為地震作用的效應折減系數(shù)，一般取ζ=0.25；GEi為集中在質點i的重力作用標準值，kN；g為重力加速度；αi為質點i的動態(tài)分布系數(shù)，一般按下式計算：αi×〔15〕式中：n為壩體計算質點總數(shù)；H為壩高；溢流壩的H應算至閘墩頂，m；hi、hj分別為質點i、j的高度，m；GEi為集中在質點i的重力作用標準值，kN；GE為產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重力作用的標準值，kN。由于本壩址處地震烈度為7度，所以該重力壩可只考慮水平向的地震作用，取αh=0.1g。將重力壩沿高程分為三塊，如圖6。圖6地震慣性力壩體分塊圖〔單位：m〕由圖中尺寸可求得：GE1=γV1kNGE2=γV2kNGE3=γV3=24×?×﹙75.84+30.84﹚×50×1=64008kNGEkNh1=﹙176.2－95﹚＋13.6／2=88mh2h3﹙h1／H﹚4=﹙88／94.8﹚4=0.7425﹙h2／H﹚4=﹙62.75／94.8﹚4=0.1920﹙h3／H﹚4=﹙21.48／94.8﹚4GE1／GEGE2／GEGE3／GE﹙GE1／GE﹚×﹙h1／H﹚4＋﹙GE2／GE﹚×﹙h2／H﹚4＋﹙GE3／GE﹚×﹙h3／H﹚4α1α2α3F1=αhζGE1α1kNF2=αhζGE2α3kNF3=αhζGE3α3kN地震動水壓力單位寬度上的總的地震動水壓力F0為：F0αhζρwH12〔16〕式中：αh為水平向設計地震加速度代表值，當設計烈度為7度、8度、9度時，αh分別為0.1g、0.2g、0.4g；ζ為地震作用的效應折減系數(shù)，一般取ζ=0.25；ρw為水體的質量密度，kg／m3；H11處。上游地震動水壓力：F01αhζρwH112×××﹙9.81／g﹚×﹙184.25－95﹚2=1269.8102kN／m當迎水面有折坡時，假設水面以下直立局部的高度等于或大于水深一半，那么可近似取作鉛直。否那么應取水面與壩面的交點和坡角點的連線作為代替坡度。而本設計中迎水面有折坡，且水面以下直立局部的高度小于水深的一半，所以應取水面與壩面的交點和坡角點的連線作為代替坡度。tanθ1=﹙184.25－95﹚／10=8.925得θ1°F01’=﹙θ1／90°﹚F01=﹙°／90°﹚×1269.8102=1179.5126kN／m1×﹙184.25－95﹚得1m寬的壩體上的地震動水壓力為1179.5126kN，作用點位于水面以下48.195m處。下游地震動水壓力：F02αhζρwH122×××﹙9.81／g﹚×﹙103.5－95﹚2=11.5176kN／mtanθ2=1／0.7=10／7得θ2=55°F02’=﹙θ2／90°﹚F02=﹙55°／90°﹚×11.5176=7.0385kN／m1×﹙103.5－95﹚得1m寬的壩體上的地震動水壓力為7.0385kN，作用點位于水面以下4.59m處。二、各荷載對壩底形心的偏心距及力矩〔一〕自重=37.92－10－﹙9／2﹚=G1·×·m=37.92－﹙2／3﹚×=G2·=6000×31.25=187500kN·m=﹙56.84／3﹚=G3·×·m〔二〕靜水壓力上游：=﹙189.06－95﹚=P1·×·m=37.92－﹙10／3﹚×[﹙189.06－95﹚＋2×﹙189.06－145﹚]／[﹙189.06－95﹚＋﹙189.06－145﹚=W1·×·m下游：=P2·×·m=37.92－(115.8－95)××﹙1/3﹚=W2·×·m上游：=﹙186.18－95﹚=P1·×·m﹙10／3﹚×[﹙186.18－95﹚＋2×﹙186.18－145﹚]／[﹙186.18－95﹚＋﹙186.18－145﹚=W1·×·m下游：=(114.45－95)/3=6.48m=P2·×·m=37.92－(114.45－95)××﹙1/3﹚=W2·×·m上游：=﹙184.25－95﹚=P1·×·m﹙10／3﹚×[﹙184.25－95﹚＋2×﹙184.25－145﹚]／[﹙184.25－95﹚＋﹙184.25－145﹚]=W1·×·m下游：=﹙103.5－95﹚／3=2.83m=P2·×·m=37.92－﹙103.5－95﹚××﹙1/3﹚=W2·×3·m〔三〕揚壓力=0=0=37.92－11－﹙75.84－11﹚=U2·×·m=37.92－11／2=32.42m=U3·×·m=U4·Du4×·m=0=0=U2·×·m=U3·×·m=U4·×·m=0=0=U2·×5.31=340·m=U3·×·m=U4·×·m〔四〕波浪壓力=Pl×﹛﹙189.06－95＋hZ＋hl﹚－﹙2／3﹚×[﹙L／2﹚＋hZ＋hl]﹜－Pl×[189.06－95－﹙2／3﹚×﹙L/2﹚]=Pl×﹙hZ/3＋hl/3﹚×﹙﹚·m2.設計洪水位情況=Pl×﹛﹙186.18－95＋hZ＋hl﹚－﹙2／3﹚×[﹙L／2﹚＋hZ＋hV]﹜－Pl×[186.18－95－﹙2／3﹚×﹙L/2﹚]=Pl×[﹙hZ/3﹚＋﹙hl/3﹚×[﹙﹚＋﹙﹚·m3.正常蓄水位情況〔同設計洪水位情況〕=Pl×﹙hZ/3＋hl/3﹚×[﹙﹚＋﹙﹚·m〔五〕泥沙壓力=﹙115－95﹚／3=6.67m=Ps·×·m=37.92－﹙115－95﹚××﹙1/3﹚=Ws·=340×·m〔六〕地震作用=﹙189.8－95﹚=F1·×·m=﹙145－95﹚＋﹙﹚×﹙30.84＋2×9﹚/﹙30.84＋9﹚=62.75m=F2·×·m=﹙50/3﹚×﹙75.84＋2×﹚/﹙﹚=F3·×·m2.地震動水壓力上游：=﹙184.25－95﹚1=F01'·×·m下游：=﹙103.5－95﹚1=F02'·×·m各種工況下的計算成果見以下各表：表11正常蓄水位情況計算成果荷載垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G3靜水壓力P1W1P2W2揚壓力U100U2U37U4浪壓力Pl泥沙壓力PsWs340小計合計70564.7542↓39941.5288→505471.6－表12設計洪水位情況計算成果荷載垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G3靜水壓力P1W1P212024.1W2揚壓力U100U2U3U4浪壓力Pl泥沙壓力PsWs340小計899420039827合計64981.2568↓40148.4089→575380.8－表13校核洪水位情況計算成果荷載垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G36靜水壓力P1W1P2W2揚壓力U100U2U3U429浪壓力Pl泥沙壓力PsWs340小計合計64221.1138↓42483.267→694471.3－表14僅自重荷載計算成果荷載垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1自重G16000187500自重G1小計合計81861.696↓665405.2＋表15僅地震荷載計算成果荷載垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－慣性力F288F2F3動水壓力F01'F02'小計161998.6合計4040.657→161971.1－三、穩(wěn)定性分析以一個壩段單寬作為計算單元，計算公式有抗剪強度公式和抗剪斷公式。本設計采用抗剪強度公式計算：Ks=／〔17〕式中：為接觸面以上的總的鉛直力；為接觸面以上的總的水平力；U為作用在接觸面上的揚壓力；f為接觸面間的摩擦系數(shù)；Ks為抗滑穩(wěn)定平安系數(shù)，其取值見表16。表16抗滑穩(wěn)定平安系數(shù)Ks荷載組合壩的級別123根本組合特殊組合〔1〕〔2〕〔一〕施工期末施工期末由于沒有蓄水，壩體僅受自身重力作用，所以一定滿足穩(wěn)定性要求?！捕尺\用期=88752.6914kNKs=／×﹙﹚／39941.5288=1.24＞1.05所以，正常蓄水位情況時滿足穩(wěn)定性要求。=89992.8556kNKs=／×﹙﹚／40148.4089=1.13＞1.05所以，設計洪水位情況時滿足穩(wěn)定性要。=90461.9514kNKs=／×﹙﹚／42483.267=1.06＞1.00所以，校核洪水位情況時滿足穩(wěn)定性要求。正常蓄水位情況時，=88752.6914kN，U=18187.9372kN，=39941.5288kN；僅地震荷載作用時，=4040.657kN。Ks=／總×﹙﹚／﹙﹚=1.12＞1.0所以，地震工況下滿足穩(wěn)定性要求。四、壩基面應力分析應力分析的目的是為檢驗大壩在施工期和運用期是否滿足強度要求，同時也是為研究、解決設計和施工中的某些問題，如為壩體混凝土標號分區(qū)和某些部位配筋等提供依據(jù)。〔一〕應力分析所采用的分析方法應力分析采用材料力學法，其根本假定為：〔1〕壩體混凝土為均質、連續(xù)、各向同性的彈性材料；〔2〕視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對壩體應力的影響，并認為各壩段獨立工作，橫縫不傳力；〔3〕假定壩體水平截面上的正應力按直線分布，不考慮廊道等對壩體應力的影響?！捕尺吘墤Φ挠嬎阍谝话闱闆r下，壩體的最大和最小應力都出現(xiàn)在壩面，所以應該校核壩體邊緣應力是否滿足強度要求。上、下游邊緣應力σyu和σyd按下式計算：σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚〔18〕σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚〔19〕式中：為作用于計算截面以上全部荷載的鉛直分力總和，kN；為作用于計算截面以上全部荷載對截面垂直水流流向形心軸的力矩總和，kN·m；B為計算截面的長度，m?！踩硰姸戎笜思膀炈氵^程施工期，下游壩面允許有不大于0.1MPa的拉應力。施工期考慮施工期末，易知只有重力作用，由表14知：=81861.696kN,·m，且B=75.84m。代入公式〔19〕得：σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－﹙6××1032﹚=0.3854MPa所以，運用期下游壩面處為壓應力而非拉應力，滿足要求。運用期，在各種荷載作用組合下〔地震荷載除外〕，壩基面的最大鉛直正應力σymax應小于壩基容許壓應力〔計算時計入揚壓力〕，最小鉛直正應力σymin應大于零〔計算時計入揚壓力〕。由根本資料知壩基巖石的容許壓應力為120～200MPa。正常蓄水位情況由表11得：=70564.7542kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.4MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.46MPa＜120～200MPa得知：運用期正常蓄水位情況時滿足強度指標。設計洪水位情況由表12得：=64981.2568kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.26MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.46MPa＜120～200MPa得知：運用期設計洪水位情況時滿足強度指標。校核洪水位情況由表13得：=64221.1138kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.12MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.57MPa＜120～200MPa得知：運用期校核洪水位情況時滿足強度指標。地震作用是一種發(fā)生概率極小的荷載，由于在動荷載作用下材料的強度有所提高，所以，在計入地震作用后，混凝土的容許壓應力一般可比正常情況提高30％，并容許出現(xiàn)瞬時拉應力，抗拉平安系數(shù)不小于2.0。地震作用工況下：由表11與表15得：∑W=70564.7542kN，∑M=﹙﹚＋﹙﹚·m。σymin=σyu=﹙∑W/B﹚＋﹙6∑M/B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹣﹚×103/75.842]=0.23MPa＞0σymax=σyd=﹙∑W/B﹚－﹙6∑M/B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹣﹚×1032]=1.63MPa＜120～200MPa得知：地震工況時滿足強度指標。第四章溢流壩剖面設計第一節(jié)孔口設計一、泄水方式的選擇為了使水庫具有較大的超泄能力，采用敞式孔口。二、溢流孔口流量Q溢確實定溢流孔口下泄流量計算公式為：Q溢=Q總－αQ0(20)式中：Q總為壩頂溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的總和，m3/s；α為系數(shù)，正常運用時取0.75～0.9，校核運用時取1.0；Q0為經(jīng)過電站和泄水孔等下泄的流量，m3/s。設計洪水位情況：Q總3/s，α=0.9，Q0=338m3/s，代入公式(20)得：Q溢=Q總－αQ0×3/s校核洪水位情況：Q總3/s，α=1.0，Q0=338m3/s，代入公式〔20得：Q溢=Q總－αQ0×3/s三、單寬流量的選擇對一般軟弱巖石常取q=30～50m3/﹙s·m﹚左右；對于地質條件好，下游尾水較深和采用消能效果好的消能工，可以選擇較大的單寬流量。由于本工程壩為花崗斑巖，風化較淺，巖性均一，新鮮堅硬完整，所以取q=100～150m3/﹙s·m﹚左右。四、溢流壩段凈寬L計算其計算公式為：L=Q溢/q〔21〕式中：Q溢為溢流孔口下泄的流量，m3/s；q為單寬流量，m3/﹙s·m﹚。分別計算設計和校核洪水位情況下溢流壩段凈寬L，計算成果見表17。計算情況流量Q〔m3/s〕單寬流量q〔m3/﹙s·m﹚〕溢流壩段凈寬L〔m〕設計情況100～150校核情況100～150表17溢流壩段凈寬計算根據(jù)以上計算，溢流壩段凈寬可取56m。假設每孔寬度為8m，那么孔數(shù)n=L/b=56/8=7個。五、溢流壩段總長度L0確實定根據(jù)工程經(jīng)驗，擬定閘墩的厚度，初擬中墩厚為d=3m，邊墩厚t=2m，那么溢流壩段總長為度L0為：L0=nb＋﹙n－1﹚d＋2t〔22〕代入數(shù)據(jù)得：L0=7×8＋﹙7－1﹚×3＋2×2=78m。六、堰頂高程確實定初擬側收縮系數(shù)ε=0.90,流量系數(shù)m=0.502。因為采用開敞溢流，所以可用下式計算堰上水頭H0。Q溢=nbεmH03/2〔23〕最后用計算水位分別減去其相應的堰上水頭，即得堰頂高程。由公式〔23〕計算堰上水頭H0?！惨弧吃O計洪水位情況Q溢3/s，把各數(shù)據(jù)代入公式〔23〕得：6498.1=7×8××××H03/2解得：H0≈14.5m，此為H0的第一次近似值。將H0值和溢流孔數(shù)n=7，按半圓形墩頭和自由出流〔hs／H0≤0.75〕，由參考文獻2:《水力學》下冊書表10-1，查的閘墩系數(shù)。按圓弧形邊墩，由參考文獻2:《水力學》下冊書表10-2得。,應按計算。代入公式：〔24〕計算得：恰好與假設相符，那么m,因為,仍按計算，故不再變化，可作為正確值?！捕承：撕樗磺闆rQ溢3/s，同理可算得：H0=14.8m，相應的堰頂高程為189.06－14.8=174.26m。比擬兩種情況下堰頂高程的計算結果可取堰頂高程為171.68m。七、閘門高度確實定計算如下：門高=正常高水位－堰頂高程＋﹙﹚取整得門高為13m。八、定型設計水頭Hd確實定定型設計水頭Hd一般為堰上最大水頭Hmax〔即校核洪水位的堰頂水頭〕的75％～95％。所以定型設計水頭Hd為：Hd=〔75％～95％〕×Hmax=(75％～95％)×(189.06－171.68)=13.04～16.51m,取Hd=14m，Hd/Hmax=14/17.38=0.81。表18Hd/Hmax最大負壓〔m〕0.5HdHd設Hd/Hmaxdd×14=5.32m＜6m〔水柱〕，所以滿足標準要求。第二節(jié)溢流壩剖面設計一、堰頂曲線段首先在堰頂處建立直角坐標系，以堰頂頂點作為坐標原點，坐標軸及正方向見WES型堰面曲線圖。溢流面由頂部曲線段，中間直線段和下部反弧段三局部組成。設計要求是：〔1〕有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；〔2〕水流平順，不產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞；〔3〕體形簡單、造價低、便于施工等。溢流壩頂部曲線段是控制流量的關鍵部位，其形狀多與銳緣堰泄流水舌下緣曲線相吻合，否那么會導致泄流量減小或者堰面產(chǎn)生負壓。頂部曲線的形式很多，常用的有克—奧曲線和WES曲線。由于WES壩面曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較省，壩面曲線用方程控制，比克—奧曲線用給定坐標值的方法設計施工方便，所以近年來我國多采用WES曲線。WES型溢流堰頂部曲線以堰頂為界分為上游段和下游段兩局部。上游段曲線曾用過雙圓弧、橢圓等形式。近年來，又提出了三圓弧及以下型式的曲線：y／Hd×﹙x／Hd﹚×﹙x／Hd﹚1.85〔25〕本設計采用三圓弧型式曲線。R1d×14=7mR2d×R3d×dd=d下游段曲線可按下式計算：〔26〕式中：為定型設計水頭，m。=14m,得。對該方程求導，可得切點B的坐標：。得：m,代入上式可得m。經(jīng)計算得溢流壩上游側超出了根本剖面，故需將溢流壩做成倒懸的堰頂以滿足溢流曲線的要求，計算得倒懸高度取10m，外懸長度為2.51m。冪曲線段的局部坐標值見表19。表19y1251015x得WES型堰面曲線圖如圖7。圖7WES型堰面曲線圖〔單位：m〕二、反弧段溢流壩壩面反弧段是使沿溢流面下泄的水流平順轉向的工程設施，通常采用圓弧曲線，反弧段半徑應結合下游消能設施來確定。根據(jù)DL5108—1999《混凝土重力壩設計標準》規(guī)定：對于挑流消能R=〔4～10〕h，h為校核洪水閘門全開時反弧段最低點處的水深或者取R=〔8～10〕h，h為鼻坎上水深。反弧處流速愈大，要求反弧段半徑愈大。當流速小于16m／s時取下限；流速大時，宜采用較大值。鼻坎高程在工程中一般采用下游最高尾水位以上m高，由于下游最高尾水位為115.8m，所以挑流鼻坎高程定為117.8m。挑射角按試驗，一般取20°～25°，在此取=25°。鼻坎處水流平均流速V為：V=ψ〔27〕式中：ψ為溢流壩的流速系數(shù)；H0為庫水位至坎頂高差，m。因為Q=AV=BhV,所以鼻坎處平均水深為：h=Q／﹙BV﹚〔28〕式中：Q為溢流壩下泄流量，m3／s；B為鼻坎處水面寬度，取B=L0=78m。反弧段半徑確實定H03／s.由于本設計中壩高和壩上水頭都較大，所以，溢流面長度較長，由參考文獻2：《水力學》下冊中泄水建筑物的流速系數(shù)ψ取值知ψ=0.90，代入公式〔27〕得：V=ψ×=33.65m／s，代入公〔28〕得：h=Q／﹙BV﹚=6752.8／﹙78×﹚得：R=〔8～10〕h=〔8～10〕×2.57=20.56～25.7m,取R=22m。H03／s，ψ=0.90。代入公式〔27〕得：V=ψ×=32.97m／s，代入公式〔28〕得：h=Q／﹙BV﹚=6498.1／﹙78×﹚得：R=〔8～10〕h=〔8～10〕×2.53=20.24～25.3m,亦可取R=22m。圓心高程確實定圓心O高程：mm?！踩持本€段和反弧段切點的坐標確實定m其中。m。圓心到堰頂?shù)乃骄嚯x圓心到堰頂?shù)乃骄嚯x：m?！参濉撤椿∽畹忘c和鼻坎頂D的坐標確實定三、中間直線段中間直線段與壩頂曲線和下部反弧段相切，坡度與非溢流壩段的下游坡度相同。溢流壩剖面圖如圖8。圖8溢流壩剖面圖〔單位：m〕第三節(jié)消能計算通過溢流壩頂下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保護下游河床免受沖刷。消能設計的原那么：消能效果好，結構可靠，防止空蝕和磨蝕，以保證壩體和有關建筑物的平安。設計時應根據(jù)壩址地形，地址條件，樞紐布置，壩高、下泄流量等綜合考慮。挑流消能設計的主要內容包括：選擇鼻坎型式，確定鼻坎高程、反弧半徑、挑射角，計算挑距和下游沖刷坑深度。一、鼻坎型式消能工型式有：底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。溢流壩常用的消能方式是：挑流消能和底流消能，挑流消能又分連續(xù)式挑流消能和差動式挑流消能。連續(xù)式挑流消能：構造簡單，施工方便，水流平順，射程較遠，一般不易產(chǎn)生空蝕，且其利用溢流壩下游的挑流鼻坎將從壩頂下泄的高速水流拋向空中，使水流擴散、摻氣，然后跌入下游河床的水墊中，水流在同空氣摩擦的過程中可消耗一局部能量于沖坑中，這種方式比擬經(jīng)濟。差動式挑流消能：沖坑最深點距壩腳較近，鼻坎上水流流態(tài)復雜，在高速水流作用下，容易引起空蝕破壞。底流消能：土石方開挖量和混凝土澆筑量一般都較大，與挑流消能比擬，底流消能在經(jīng)濟方面往往不利。根據(jù)地形地質條件選用連續(xù)式挑流消能。挑流消能是利用泄水建筑物出口處的挑流鼻坎，將下泄急流拋向空中，然后落入離建筑物較遠的河床，與下游水流相銜接的效能方式。二、鼻坎高程由溢流壩剖面設計中反弧段局部知鼻坎高程為117.8m。三、反弧段半徑由溢流壩剖面設計中反弧段局部知反弧段半徑R=22m。四、挑射角挑射角按試驗，一般取20°～25°，在此取=25°。五、挑距計算水舌挑射距L離按水舌外緣計算，其估算公式為：L=〔29〕式中：為水舌挑距，m；g為重力加速度，m／s2；V1為坎頂水面流速，m／s，取平均流速的1.1倍；θ為挑射角；為坎頂平均水深在垂直方向的投影，m；；為坎頂至河床面高差，m。計算簡圖如圖9。圖9挑距計算簡圖校核洪水位情況V1×，=25°，×cos25°=2.33m，h2=117.8－95=22.8m，代入公式〔29〕得：L==〔二〕設計洪水位情況V1×，=25°，×cos25°=2.29m，h2=117.8－95=22.8m，代入公式〔29〕得：L==六、沖刷坑深度計算最大沖坑水墊厚度一般按下式計算：〔30〕，=－H2〔31〕式中：為水墊厚度，自水面算至坑底，m；，為沖坑深度，m；為單寬流量，m3/﹙s·m﹚；為上下游水位差，m；為下游水深，m；α為沖坑系數(shù)，堅硬完整的巖取0.9～1.2，堅硬但完整性較差的基巖取1.2～1.5，軟弱破碎裂隙發(fā)育的基巖取1.5～2.0。由根本資料知壩基為花崗巖，風化較淺，巖性均一，新鮮堅硬完整，所以取α=1.0。〔一〕校核洪水位情況33/﹙s·m﹚,H=189.06－115.8=73.26m,代入公式〔30〕和〔31〕得：××=32.13m，=115.8－95=20.8m，=－H2=32.13－20.8=11.33m?！捕吃O計洪水位情況33/﹙s·m﹚,H=186.18－114.45=71.73m,代入公式〔30〕和〔31〕得：××=31.35m，=114.45－95=19.45m，=－H2=31.35－19.45=11.9m。設計挑流消能工時，可用挑射距離L與最大沖坑深度，的比值作為指標，一般要求L／，＞2.5～5.0。校核洪水位情況：L=146.41m，，=11.33m，L／，=146.41／11.33=12.92＞2.5～5.0，滿足要求。設計洪水位情況：L=141.73m，，=11.9m，L／，=141.73／11.9=11.91＞2.5～5.0，滿足要求。第五章壩身泄水孔的設計壩身泄水孔的型式有有壓和無壓式。有壓泄水孔：工作閘門布置在出口，門后為大氣壓，可以局部開啟，出口高程較低，作用水頭較大，斷面尺寸較小，缺點是閘門關閉時，孔內承受較大的內水壓力，對壩體應力和防滲都不利，常需用鋼板襯砌。無壓泄水孔：工作閘門布置在進口，為了形成無壓水流需要在閘門后將孔的頂部升高，閘門可以局部開啟，閘門關閉后孔內無水。明流段可不用鋼板襯砌，施工簡便，干擾少，有利于加快施工進度，與有壓泄水孔相比，對壩體削弱較大。比擬分析后本工程采用有壓泄水孔。壩體在內水壓力作用下可能會出現(xiàn)拉應力，因此孔壁需要用鋼板襯砌。且為單層、底孔。綜上本設計中泄水孔選擇單層、有壓、底孔。第一節(jié)泄水孔直徑選定依據(jù)經(jīng)驗取直徑D=3m，該局部泄水孔主要用于放空水庫以便檢修；排放泥沙，減少水庫淤積。正常情況下不用于泄洪。第二節(jié)進水口體形設計進水口體形應滿足水流平順，水頭損失小的要求；控制負壓，防止空蝕。進口曲線常采用?橢圓，其方程為：〔32〕橢圓的長軸〔x軸〕多與孔軸平行，有些試驗資料說明，長軸稍向上傾斜，不但可以保證良好的壓力分布，且有較大的泄水能力。對于圓形斷面的泄水孔，上式中的A為圓孔直徑，可取0.3。對于矩形斷面的泄水孔頂面曲線，A為孔高，采用1/3到1/4。空口兩側的壁曲線也用橢圓曲線，A為孔寬，采用1/4；進口底部邊界線可以采用圓弧，進口段的孔口中心線，一般布置成水平。進水口底面為平面進口。本設計泄水孔斷面為圓形，所以A=D=3m，取α=0.3，α×3=0.9m,于是，得進水口曲線方程為：進水口曲線局部坐標值如表20。表20x3210y0進水口形狀如圖10所示。圖10進水口形狀〔單位：m〕第三節(jié)閘門與門槽有壓泄水孔一般在進水口設置攔污柵和平面檢修閘門，在出口處設置無門槽的弧形閘門。平面檢修閘門的門槽設計不當容易產(chǎn)生空蝕破壞。根據(jù)工程實踐，在高水頭時，門槽應采用如圖11所示矩形收縮型門槽較好。圖11門槽其尺寸為：門槽寬深比W／d=1.6～1.8；錯距Δ=〔0.05～0.08〕W；下游邊墻破率為1∶8～1∶12；圓角半徑r=0.1d。本設計取d=60cm,W／d=1.7，得W=102cm，r=0.1d=6cm。第四節(jié)孔身段設計有壓泄水孔多用矩形斷面，但泄流能力較小的有壓泄水孔那么常采用圓形斷面。由于防滲和應力條件的要求，孔身周邊需要布設鋼筋，有時還要采用鋼板襯砌。本工程采用有壓泄水孔，孔壁需要用鋼板襯砌。第五節(jié)漸變段泄水孔進口一般都做成矩形，以便布置進口曲線和閘門。當有壓泄水孔斷面為圓形時，在進口閘門后需設漸變段，以便水流平順過渡，防止負壓和空蝕的產(chǎn)生。漸變段可采用在矩形4個角加圓弧的方法逐漸過渡，見圖12〔圖中B=H=D=3m?！?。當工作閘門布置在出口時，出口斷面也需做成矩形，因此在出口段同樣需要設置漸變段，見圖13。圖12進口漸變段圖13出口漸變段〔單位：m〕漸變段施工復雜，所以不宜太長。但為使水流平順，也不宜太短，一般采用洞身直徑的1.5～2.0倍。本工程中取L=2D=6m。邊壁的收縮率控制在1∶5～1∶8之間。在壩身有壓泄水孔末端，水流從壓力流突然變成無壓流，引起出口附近壓力降低，容易在該部位的頂部產(chǎn)生負壓，所以，在泄水孔末端常插入一小段斜坡將空頂壓低，面積收縮比可取0.85～0.90，孔頂壓坡取1∶10～1∶5之間。取壓坡率為：1∶5，計算得出口高度為1.8m。第六節(jié)平壓管和通氣孔一、平壓管平壓管是設置在檢修閘門和工作閘門之間與水庫相通的輸水管道，目的是為了減小檢修閘門的啟閉力。開啟閘門前先在兩道閘門中間充水，這樣就可以在靜水中起吊檢修閘門。二、通氣孔當工作閘門布置在進口，，提閘泄水時，門后的空氣被水流帶走，形成負壓，因此在工作閘門后需要設置通氣孔。通氣孔直徑d可按以下各式估算：QawA 〔33〕α=〔34〕d=〔35〕式中：Qa為通氣孔的通氣量，m3／s；Vw為閘門全開時過流斷面平均流速，m／s；A為閘門后泄水孔斷面面積，m2；[Va]為通氣孔允許風速，一般不超過40～45m／s；a為通氣孔斷面面積，m2；d為通氣孔直徑，m。在向兩道閘門之間充水時，需將空氣排出，為此有時再檢修閘門后也需設通氣孔。3／s，泄水底孔D=3m，可以估計泄水底孔的流量Q=VwA=56m3／s,代入以上得：Qaw×3／s，取[Va]=40m／s得：α==5.04／40=0.13,進而得：d===0.41m=41cm。第七節(jié)消能工型式的選那么泄水隧洞大都