水利樞紐拱壩施工設(shè)計(jì)方案

1、- 1 - 目 錄 第一章 綜合說明.- 5 - 1.1 概述 .- 5 - 1.1.1 樞紐概述 .- 5 - 1.1.2 設(shè)計(jì)要求 .- 5 - 1.2 工程特性表 .- 6 - 第二章 設(shè)計(jì)資料.- 7 - 2.1 樞紐任務(wù) .- 7 - 2.2 基本資料 .- 7 - 2.2.1 自然地理 .- 7 - 2.2.2 工程地質(zhì) .- 9 - 2.2.3 筑壩材料 .- 10 - 2.2.4 庫區(qū)經(jīng)濟(jì)及其它 .- 11 - 第三章 樞紐主要建筑物的型式與總體布置.- 12 - 3.1 工程等級(jí)及技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) .- 12 - 3.1.1 工程等級(jí) .- 12 - 3.1.2 技術(shù)規(guī)范 .

2、- 12 - 3.1.3 洪水標(biāo)準(zhǔn) .- 12 - 3.2 調(diào)洪演算及設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù) .- 12 - 3.2.1 調(diào)洪演算的目的 .- 12 - 3.2.2 調(diào)洪演算的原理 .- 12 - 3.2.3 計(jì)算方法 .- 14 - 3.2.4 泄洪方案的選擇.- 14 - 3.3 樞紐組成建筑物 .- 17 - 3.4 壩型選擇 .- 17 - 3.4.1 壩型初選 .- 17 - 3.4.2 方案比較.- 19 - 3.4.3 壩體形態(tài)選擇 .- 20 - 3.5 泄水建筑物型式選擇 .- 20 - 3.6 廠房及引水系統(tǒng)布置 .- 21 - 3.7 樞紐總體布置 .- 21 - 第四章 拱壩設(shè)計(jì)

3、.- 21 - 4.1 拱壩型式及布置.- 21 - 4.1.1 拱壩剖面設(shè)計(jì).- 21 - 4.1.2 拱壩的布置.- 22 - 4.2 荷載及其組合 .- 23 - 4.2.1 荷載及計(jì)算 .- 23 - 4.2.2 荷載組合 .- 28 - 4.3 計(jì)算原理和計(jì)算方法 .- 28 - - 2 - 4.3.1 計(jì)算原理 .- 28 - 4.3.2 計(jì)算方法 .- 29 - 4.4 應(yīng)力與強(qiáng)度分析(電算,手算) .- 29 - 4.4.1 應(yīng)力控制指標(biāo) .- 29 - 4.4.2 電算 .- 30 - 4.4.3 手算 .- 31 - 4.5 壩肩穩(wěn)定驗(yàn)算 .- 33 - 4.5.1 驗(yàn)算原

4、理 .- 33 - 4.5.2 驗(yàn)算工況 .- 36 - 4.5.3 驗(yàn)算結(jié)果 .- 36 - 第五章 泄水建筑物設(shè)計(jì).- 36 - 5.1 基本資料 .- 36 - 5.2 泄水建筑物組成與布置 .- 36 - 5.3 泄槽設(shè)計(jì) .- 37 - 5.3.1 泄槽尺寸 .- 37 - 5.4 消能與防沖 .- 39 - 5.4.1 挑距計(jì)算 .- 39 - 5.4.2 沖坑計(jì)算.- 39 - 5.4.3 防沖評(píng)價(jià).- 39 - 5.4.4 消能率計(jì)算 .- 39 - 5.4.5 消能防沖計(jì)算成果.- 40 - 5.5 泄水孔口應(yīng)力及配筋.- 40 - 5.5.1 計(jì)算原理.- 40 - 5.5

5、.2 孔口作用力.- 40 - 第六章 壩體細(xì)部構(gòu)造及地基處理.- 43 - 6.1 壩體構(gòu)造與細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .- 43 - 6.1.1 壩體與壩面 .- 43 - 6.1.2 壩體分縫 .- 43 - 6.1.3 壩內(nèi)廊道和壩后工作橋 .- 43 - 6.2 壩基處理 .- 44 - 6.2.1 壩基處理的一般要求 .- 44 - 6.2.2 地基的處理和開挖 .- 44 - 6.2.3 壩基排水孔 .- 46 - 結(jié)束語.- 47 - 參考文獻(xiàn).- 48 - - 3 - 第一章 綜合說明 1.1 概述 1.1.1 樞紐概述 A 江是我國東南地區(qū)的一條河流, 流向自西向東,流 XX 省南部地

6、區(qū),匯入東海,干流全長 153km,流域面積 4860 平方公里。根椐流域規(guī)劃擬建一水電站。本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) A 江水利 樞紐進(jìn)行設(shè)計(jì)。 A 江水利樞紐是一項(xiàng)同時(shí)兼顧防洪,發(fā)電,灌溉,漁業(yè)等綜合作用的水利工程。壩址以上 流域面積 2761 平方公里, 水庫正常蓄水位為 184.0m,汛前限制水位為 182m,死水位為 164m, 設(shè)計(jì)水位為 186.9m,校核水位為 189.8m。 電站多年平均發(fā)電量為 5.08 億度,正常蓄水位時(shí),水庫面積為 35.60 平方公里,為發(fā)展養(yǎng) 殖創(chuàng)造了有利條件,同時(shí)增加保灌面積 50 萬畝。 A 江水利樞紐的主要組成建筑物有攔河大壩,壩后式廠房,泄水建筑物,過木

7、筏道,開關(guān)站 以及上壩公路等。 攔河大壩為雙曲拱壩,最大壩高為 100.3m,主體工程量約為 34.1 萬方左右,壩頂寬 8.5m, 壩頂長約 353.32 m,壩底寬 26m。 壩后式廠房裝有 4 臺(tái) 5 萬 kw 的發(fā)電機(jī)組,主廠房長 81m,寬 18m,副廠房長 66m,寬 10m, 安裝場長 21m,寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m,進(jìn)水口底高程為 152.3m。 泄水建筑物采用兩個(gè)淺孔和兩個(gè)中孔相結(jié)合的方案:淺孔位于兩岸,孔口寬 8.5m,高 8m, 進(jìn)口底高程為 164m,出口底高程為 154m；中孔位于水電站進(jìn)水口兩側(cè),孔口寬 7.4m,高 7.4m,進(jìn) 口底高程為 135

8、m,出口底高程為 130m。泄槽支撐結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)?？岔敻叱虨?118m, 淺孔反弧半徑為 35m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 =20o,導(dǎo)墻厚度為 1m, 淺孔導(dǎo)墻高度為 8.5m,中孔導(dǎo)墻高度為 12.0m。 過木筏道位于右岸。根據(jù)林業(yè)部的要求,每年木材過壩量為 33.3 萬立方米,其木材最大長 度為 10m,大頭直徑為 100cm。 開關(guān)站長 20m,寬 75m,位于左岸。 1.1.2 設(shè)計(jì)要求 在明確設(shè)計(jì)任務(wù)及對(duì)原始資料進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上,要求: 1.根據(jù)防洪要求,對(duì)水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算,確定壩頂?shù)母叱毯托顾ㄖ锟卓诔叽纭?2.通過分析,

9、對(duì)可能的方案進(jìn)行比較,確定樞紐組成建筑物的形式,輪廓尺寸及水利樞紐 布置方案。 3.詳細(xì)做出大壩設(shè)計(jì),并通過比較確定壩的基本剖面和輪廓尺寸,擬定地基處理方案和 壩身構(gòu)造,進(jìn)行水利計(jì)算、靜力計(jì)算。 - 4 - 4.對(duì)泄水建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇泄水建筑物的形式與輪廓尺寸,確定布置方案,擬訂細(xì)部 構(gòu)造,進(jìn)行水利計(jì)算、靜力計(jì)算。 5.對(duì) A 江水利樞紐各組成建筑物進(jìn)行總體布置以及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)。 1.2 工程特性表 表 1-1 工程特性表 水 庫 特 性 死水位高程 164.00 米 汛前限制水位高程 182.00 米 正常蓄水位高程 184.00 米 設(shè)計(jì)洪水位高程 186.90 米 水 庫 水 位 校

10、核洪水位高程 189.80 米 主要建筑物 大壩級(jí)別級(jí) 大壩型式變半徑變中心角雙曲拱壩 壩頂高程192.3 米 壩底高程 92.0 米 最大壩高 100.3 米 壩頂弦長306 米 壩頂厚度 8.5 米 壩底厚度 26.0 米 大 壩 資 料 混凝土方量341000 立方米 /孔口尺寸進(jìn)口高程出口高程 兩淺孔 8.58.0 164.0m154.0m 泄洪方式 兩中孔 7.47.4m2 135.0m130.0m 檢修閘門平板閘門,設(shè)在進(jìn)口處 閘門形式 工作閘門弧形閘門,設(shè)在出口處 消能方式滑雪道式泄槽挑流對(duì)撞消能 P=1下泄流量 6520m3/s 泄 水 建 筑 物 P=0.2下泄流量 7000

11、m3/s 最大引用流量338 m3/s 廠 房 裝機(jī)容量 45.0 萬千瓦 型式鋼管 數(shù)量4 條 引 水 道 內(nèi)徑4.5 米 - 5 - 第二章 設(shè)計(jì)資料 A 江是我國東南地區(qū)的一條河流,根據(jù)流域規(guī)劃擬建一水電站。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì) A 江 水利樞紐進(jìn)行設(shè)計(jì),其基本設(shè)計(jì)要求如下。 2.1 樞紐任務(wù) 本工程同時(shí)兼有防洪,發(fā)電,灌溉,漁業(yè)等綜合利用。水電站裝機(jī)容量為 20 萬 kW,多年 平均發(fā)電量 5.08 億度。正常蓄水位 184.0m,汛前限制水位 182m,死水位 164m,4 臺(tái)機(jī)滿載時(shí) 的流量 338m3/s,尾水位 103.5m,廠房形式為壩后式。本工程建成后,可增加保灌面積 50 萬

12、 畝,減輕洪水對(duì) AXX 市和 A 平原的威脅,在遇到 P=0.02%和 P=0.1%頻率的洪水時(shí),經(jīng)水庫調(diào)洪 后,洪峰流量由原來的 14900m3/s、11700m3/s 分別削減為 7550m3/s、6550m3/s,要求設(shè)計(jì)洪 水時(shí)最大下泄流量限制為 6550m3/s,正常蓄水位時(shí),水庫面積為 35.60 平方公里,可為發(fā)展 養(yǎng)殖創(chuàng)造有利條件。此外,根據(jù)林業(yè)部的要求,每年木材過壩量為 33.3 萬立方米,其木材最 大長度為 10m,大頭直徑為 100cm。 2.2 基本資料 2.2.1 自然地理 2.2.1.1 流域概況 A 江是我國東南部的一條河流,流向自西向東,流 XX 省南部地區(qū),

13、匯入東海,干流全長 153km,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(nèi)是山區(qū),平均高度為 662m,最高山峰達(dá) 1921m,流 域境內(nèi)氣候濕潤,雨量豐沛,屬熱帶氣候。徑流主要來自降雨,小部分由地下水補(bǔ)充,每年 49 月份為汛期,其中 5、6 兩月為梅雨期,河道坡降上游陡,下游緩,平均坡降 6.32%0.97%,因 河道陡,調(diào)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)河流。 流域境內(nèi),以農(nóng)林為主,森林茂盛,植被良好,水土流失不嚴(yán)重,樞紐下游為 XX 省的重要農(nóng) 副業(yè)生產(chǎn)基地A 平原。 壩址下游約 50 公 XX 縣 X

14、X 市兩座,在河流入海處 XXXX 市一座。 2.2.1.2 氣候特征 (1)氣溫 壩址處的多年平均氣溫為 17.3,月平均最低氣溫(1 月份)5C,最高氣溫(7 月份)29 C。實(shí)測極端最低氣溫(1 月份)-8.2C,最高為(7 月份)40.6C。 (2)濕度 年平均相對(duì)濕度為 79%左右,其中以 6 月份 87%為最大,1 月份 72%為最小,日變化較大。 - 6 - (3)降雨量 壩址以上流域的年平均降雨量為 1680mm,實(shí)測最大年降雨量為 2389mm,最少為 1380mm, 雨量在年內(nèi)分布不均,其中 49 月份占全年降雨量的 75%,而 5、6 兩月占全年的 1/3。 表 2-1

15、各月降雨量的雨型及日數(shù)統(tǒng)計(jì)表 月份 123456789101112 全年 實(shí)際天數(shù) 312831303130313130313031 0.3-10mm 雨 日 345712121098764 10-30mm 雨 日 234589654321 30mm 以上雨 日 911856322100 (4)蒸發(fā)量 壩址處多年平均蒸發(fā)量為 1349mm,其中 7 月份最大,月蒸發(fā)量為 217mm,2 月份為最小,月 蒸發(fā)量為 45.4mm。 (5)風(fēng)向風(fēng)力 實(shí)測最大風(fēng)速 17m/s,風(fēng)向西北偏西,吹程 4.5km。多年平均最大風(fēng)速為:汛期為 12m/s, 非汛期為 13m/s,風(fēng)向基本垂直壩軸線,吹程 4k

16、m。 (6)水庫水溫 據(jù)資料分析,各層水溫的多年平均水溫(TH)及年變幅(Tc)按下列公式計(jì)算: = (2-1) H T 8 . 105 . 8 45 . 2 12.27 H e Tc (2-2)40 . 2 1 . 5 40 . 2 21.25 H e 其中:H 為水深。 2.2.1.3 水文特性 (1)正常徑流 根據(jù)資料分析,壩址處的多年平均流量為 100m3/s,多年平均徑流總量為 31.5 億 m3,各頻 率的月平均量見下表。 表 2-2 月平均流量 - 7 - 頻 率 (% ) 123456789101112 多 年 平 均 11162673244906896793462633311

17、02121113186 578179235364510537352177210737773150 5021498914121627778444426161697 80819477312134221512134574 952522366912154261155 23651031622152951156167312424100 (2)洪峰流量及總量 據(jù)水文資料推算,壩址處的洪峰流量及總量如下:洪峰流量 Q=3310 m3/s,Cv=0.45,Cs=4Cv,皮型線,各頻率流量為: P=0.02%,Q=14900m3/s；P=0.1%,Q=11700m3/s。 洪峰總量:三日洪水總量的均值 W=3.5

18、 億 m3,Cv=0.38,Cs=3Cv,皮型線,各頻率洪量:P=0.02%, 三日洪水總量 Wp=7.94 億 m3；P=0.1%,三日洪水總量 Wp=6.58 億 m3?？赡茏畲笕蘸榱繛?15.4 億 m3。 施工期各設(shè)計(jì)洪水頻率流量見下表: 表 2-3 施工期設(shè)計(jì)洪水頻率流量表 頻率 104 月 96 月 103 月 116 月 112 月 122 月 備注 52087177213671367884824 101673141010721072654596 2012751045784784434332 （3） 體徑流量及水庫淤積 據(jù)水文站實(shí)測資料分析,年固體徑流總量為 331 噸,百年后

19、水庫淤積高程 115m,淤沙容 量為 8.5kN/m3,內(nèi)摩擦角 10。 2.2.1.4 其他 本壩址地震烈度為 7。 2.2.2 工程地質(zhì) 2.2.2.1 庫區(qū)工程地質(zhì) 庫區(qū)巖性以火山巖和沉積巖為主,褶皺規(guī)模不大,均為背斜,兩翼地層平緩,并且不對(duì)稱。 有較大的斷層二條,這些褶皺和斷層呈北東向展布,以壓扭性為主,傾角較陡,延伸長度達(dá)幾直 - 8 - 幾十公里,斷層單寬 1 米左右。個(gè)別達(dá) 10 米以上。斷層破碎都已膠結(jié)。庫區(qū)水文地質(zhì)簡單, 以裂隙水為主,地下分水嶺均高出庫水位以上。 2.2.2.2 壩址工程地質(zhì) (1) 地貌 壩址處的河床寬度為 100m。河底高程 100m,水深 13m,河谷

20、近似“V”型,兩岸約 。河床覆蓋層由大理石,卵石組成。厚度約m,兩岸山坡為第四系覆蓋 層,厚度為m 左右。 (2)巖性和工程地質(zhì) 壩基為花崗巖,風(fēng)化較淺,巖性均一,新鮮堅(jiān)硬完整,抗壓強(qiáng)度達(dá) 120200MPa。壩址的 地質(zhì)構(gòu)造簡單,無大的地質(zhì)構(gòu)造,緩傾角節(jié)理延伸短,整體滑動(dòng)可能性小,但陡傾角節(jié)理較發(fā)育,以 構(gòu)造節(jié)理為主,左右岸各有走向互相垂直的二組節(jié)理。其中一組近似于平行山坡等高線,方向 見地形圖,節(jié)理傾角約 3590,節(jié)理面無夾泥存在,壩址處的水文地址較簡單,未發(fā)現(xiàn)裂 隙承壓水。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)見下表。 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)表 表 2-4 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)表 摩擦系數(shù) 容重 (kN/m3)

21、 抗壓強(qiáng) 度 (MPa) 抗剪系數(shù) 抗剪斷系 數(shù) 巖 性 或 地 質(zhì) 構(gòu) 造 干濕 孔 隙 率 %干 飽 和 彈 性 模 量 MPa 混 凝 土 基 巖 內(nèi) 部 混 凝 土 基 巖 內(nèi) 部 粘著力 (MPa) 泊 松 比 花 崗 斑 巖 27.3 28. 1 2. 3 21 0 19 0 2.2 1 04 0.7 0 0.7 5 0.7 5 1. 20 0.5 基 巖與混 凝土 0.2 0 節(jié) 理 面 0.6 5 0. 75 1.0 基 巖內(nèi) 相對(duì)隔水層離基巖表面深 15m。 2.2.3 筑壩材料 2.2.3.1 石料 壩區(qū)大部分地區(qū)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

22、可利 用,因此筑壩石料極易解決。 2.2.3.2 砂料 - 9 - 在壩下游勘探 6 個(gè)砂料場,最遠(yuǎn)料場離壩約 9km,以石英破碎帶的料場為主,初估砂料儲(chǔ) 量 430 萬 m3。 經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn),砂石料符合規(guī)范要求。壩址處缺乏筑壩的土料。 2.2.4 庫區(qū)經(jīng)濟(jì)及其它 2.2.4.1 庫區(qū)經(jīng)濟(jì) 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,高山上的森 林茂密。在正常蓄水位時(shí),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,XX 縣社建造的二座小型水電站(裝機(jī) 2210kw)等,需賠償費(fèi) 4120 萬元。 2.

23、2.4.2 其它 (1) 對(duì)外交通 本壩址上游左岸 30km 處有鐵路干線車站,另有公路與壩址下游 50km 的 XX 縣城相通 XX 縣城有公路與水路與河流入海 XXXX 市相連,對(duì)外交通較為方便。 (2) 附屬工廠和生活建筑區(qū) 壩址下游兩岸有較大的沖積臺(tái)地,地形平緩面積較大,適宜布置工廠和生活建筑區(qū)。 (3) 負(fù)荷位置 本電站主要供應(yīng)壩下游 A 平原的農(nóng)村生產(chǎn)用 XXXX 市的工業(yè)用電,并擔(dān)負(fù) A 電網(wǎng)的部分調(diào) 峰任務(wù)。 (4) 壩頂有雙線公路布置的要求。 (5) 水庫水位容積關(guān)系曲線、壩址處水位流量關(guān)系曲線、設(shè)計(jì)洪水(三日)過程線和 壩址地形圖見附圖。 - 10 - 第三章 樞紐主要建筑

24、物的型式與總體布置 3.1 工程等級(jí)及技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 3.1.1 工程等級(jí) 在工程安全與經(jīng)濟(jì)之間存在著矛盾,為使工程的安全可靠性與其造價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理性適當(dāng) 統(tǒng)一起來,水利樞紐及其組成建筑物要分等分級(jí),即先按工程的規(guī)模,效益及其在國民經(jīng)濟(jì)中 的重要性,將水利樞紐分等,而后再對(duì)各組成建筑物按其所屬樞紐等別,建筑物作用及重要性 進(jìn)行分級(jí)。 本工程校核水位為 189.8m,查庫容曲線得相應(yīng)庫容為 12 億 m310 億 m3,根據(jù)我國水利部 頒發(fā)的現(xiàn)行規(guī)范水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(山區(qū)、丘陵區(qū)部分),確定 A 江水利樞紐工程等別為一等,工程規(guī)模為大(1)型工程,主要建筑物級(jí)別為 1 級(jí),次要

25、建筑物 級(jí)別為 3 級(jí),臨時(shí)性建筑物級(jí)別為 4 級(jí)。 3.1.2 技術(shù)規(guī)范 混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SD145-85)規(guī)定:對(duì)于基本荷載組合,允許拉應(yīng)力為 1.2Mpa,安全系 數(shù)為 4.0；對(duì)于特殊荷載組合,允許拉應(yīng)力為 1.5Mpa,安全系數(shù)為 3.5；當(dāng)考慮地震荷載時(shí), 允許拉應(yīng)力可適當(dāng)提高,但不超過 30%。 3.1.3 洪水標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為五千年一遇。 3.2 調(diào)洪演算及設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù) 3.2.1 調(diào)洪演算的目的 (一) 根據(jù)防洪要求,對(duì)水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計(jì)算,以確定上游不同洪水標(biāo)準(zhǔn)下的下泄流量, 然后確定出設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位。 (二) 根據(jù)調(diào)洪演算得出設(shè)計(jì)水

26、位下的下泄流量,以選定泄洪方式和擬定泄洪建筑物的孔 口尺寸。 3.2.2 調(diào)洪演算的原理 洪水在水庫中行進(jìn)時(shí),水庫沿程的水位、流量、過水?dāng)嗝妗⒘魉俚染S時(shí)間變化,其流態(tài) 屬于明渠非恒定流。根據(jù)水力學(xué)明渠非恒定流的基本方程,即圣維南方程組為: - 11 - 連續(xù)性方程: (3-1)0 s Q t 運(yùn)動(dòng)方程:- (3-2) 2 2 1 K Q s v g v t v gs Z 式中:過水?dāng)嗝婷娣e(m2) t時(shí)間(s) Q流量(m3/s) s沿水流方向的距離(m) Z水位(m) g重力加速度(m/s) v斷面平均流速(m/s) k流速模量(m3/s) 通常,采用簡化的瞬態(tài)法來解這個(gè)方程組。瞬態(tài)法將上

27、式進(jìn)行簡化而得出基本公式,在結(jié) 合水庫的特有條件對(duì)基本公式進(jìn)一步簡化,則得出專用于水庫調(diào)洪計(jì)算的實(shí)用公式: (3-3) t V t VVqqQQ qQ 122121 22 式中:Q1,Q2分別為計(jì)算時(shí)段初、末的入庫流量(m3/s) 計(jì)算時(shí)段中的平均入庫流量(m3/s),它等于(Q1+Q2)/2Q q1,q2分別為計(jì)算時(shí)段初、末的下泄流量(m3/s) 計(jì)算時(shí)段中的平均下泄流量(m3/s),即等于(q1+q2)/2q V1、V2分別為計(jì)算時(shí)段初、末的水庫蓄水量(m3) V為 V1、V2之差 t計(jì)算時(shí)段,一般取 16 小時(shí),需化為秒 這個(gè)公式實(shí)際表現(xiàn)為一個(gè)水量平衡方程式。 當(dāng)已知水庫入庫洪水過程線時(shí)

28、,Q1、Q2、均為已知:V1、q1 則是計(jì)算時(shí)段t 開始時(shí)的Q 初始條件。于是,式中的未知數(shù)僅剩下 V2、q2。當(dāng)前一個(gè)階段 v2、q2求出后,其值即成為后一 個(gè)階段的 v1、q1值,使計(jì)算可以逐時(shí)段的進(jìn)行下去。又知,假定不計(jì)自水庫取水的興利部門泄 向下游的流量,則下泄流量 q 應(yīng)是泄洪建筑物泄流水頭 H 的函數(shù),而當(dāng)泄洪建筑物的形式、尺 寸等已定時(shí): q=f(H)=AHB (3-4) 式中: A系數(shù),與建筑物形式和尺寸、閘孔開度以及淹沒系數(shù)等有關(guān) B指數(shù),對(duì)于堰流為 3/2,對(duì)于閘孔出流,一般為 1/2 - 12 - 圖 3-1 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算圖 (a)(b) 3.2.3 計(jì)算方法 采用高切林

29、計(jì)算法,以直線近似代替泄水過程線 計(jì)算步驟如下: 假定三條泄水過程線 AB1,AB2 , AB3 ,(如圖-a) 1.求出相應(yīng)的庫容 V1,V2,V3 (陰影部分面積),下泄流量 Q1,Q2,Q； 2.根據(jù) V1,V2,V3在庫容曲線上得出的相應(yīng)的上游水位 Z1,Z2,Z3； 3.在繪有泄水建筑物泄流能力曲線 L1的 Q-Z 坐標(biāo)圖上,繪出相應(yīng)的點(diǎn) P1(Q1,Z1)P2(Q2,Z2) P3(Q3,ZZ) (如圖-b) 4.過點(diǎn) P1P2P3繪出曲線 L2交 L1于 P,對(duì)于 P 點(diǎn)的泄流量 Q 必為攔洪時(shí)泄水建筑物最 大下泄流量,相應(yīng)的水位 Z 即是所求攔洪水位。 攔 泄 3.2.4 泄洪方

30、案的選擇 3.2.4.1 可能方案 (1) 表孔溢流 其突出優(yōu)點(diǎn)是泄洪能力大,可減小孔口尺寸,閘門上的水壓力小,操作檢修方便,缺點(diǎn)是壩 身單薄,需設(shè)置泄槽和滑雪道結(jié)構(gòu)。實(shí)體的泄槽結(jié)構(gòu)工程量較大,不經(jīng)濟(jì),輕型的滑雪道結(jié)構(gòu) 易引起震動(dòng),穩(wěn)定性不好。此外,表孔結(jié)構(gòu)使壩體堰頂以上失去空間結(jié)構(gòu)作用,拱的空間結(jié)構(gòu) 作用從堰頂高程以下才得以發(fā)揮； (2) 壩身開孔方案 實(shí)驗(yàn)研究表明,壩身開孔方案包括淺孔方案和中孔方案。為合理布置廠房,淺孔和中孔設(shè) 在兩岸,對(duì)稱布置,可利用水流對(duì)撞消耗能量。其優(yōu)點(diǎn)與表孔溢流相同,適當(dāng)尺寸的孔口對(duì)壩 體應(yīng)力并無大的影響,利用壩身開孔泄洪 XX 省另建溢洪道的投資。缺點(diǎn)是當(dāng)水流過

31、壩后需設(shè) - 13 - 置滑雪道泄槽,并進(jìn)行合理選型和布置,泄槽若做成排架式,進(jìn)廠公路可從排架間通過。此外, 應(yīng)注意開孔數(shù)量和設(shè)置高程,若同一高程開孔數(shù)量多,該層拱圈削弱數(shù)量多,應(yīng)盡量避免； (3) 壩外溢洪道泄洪方案 該方案適用于有天然埡口,便于布置正槽式溢洪道的地形條件,A 江提供的地形圖壩址附 近,未見有天然埡口地形,故不考慮該方案； (4) 利用導(dǎo)流隧洞泄洪方案 拱壩的施工導(dǎo)流需采用一次斷流方案,故在施工時(shí)需在某一岸開挖導(dǎo)流隧洞,以便壩體施 工,竣工后導(dǎo)流隧洞完成自己的使命,不再使用。為充分利用現(xiàn)成的洞子,水利建設(shè)中常將進(jìn) 口段改建成“龍?zhí)ь^”,將導(dǎo)流洞改建成泄洪洞,XX 省工程投資。

32、結(jié)合該工程的實(shí)際情況,考 慮因?qū)Я鞫撮L度較短,改建成泄洪洞后,除“龍?zhí)ь^”部分外,可利用的長度不長,加上改建部 分的開挖和老洞的封堵也需要一定的投資,故須認(rèn)真比較決定。 3.2.4.2 方案初選 本設(shè)計(jì)從壩址處的地形地質(zhì)條件等因素綜合考慮,擬采用壩身泄洪方式。初步選擇以下 方案進(jìn)行調(diào)洪演算: 方案一:4 表孔+2 中孔 方案二:2 淺孔+2 中孔 方案三:4 中孔 3.2.4.3 調(diào)洪演算 調(diào)洪演算根據(jù)水量平衡原理計(jì)算,計(jì)算時(shí)先按不同的出口高程和孔口尺寸擬定多組方案, 計(jì)算結(jié)果見后表。 用水力學(xué)公式計(jì)算出上游庫水位與下泄流量的關(guān)系。公式: 表孔: Q= =mBH (3-5)2gH 式中: Q流

33、量(m3/s) B溢流孔凈寬(m) H溢流孔堰頂作用水頭(m) g重力加速度(m/s2) m流量系數(shù),初設(shè)計(jì)時(shí),在定型設(shè)計(jì)水頭下,當(dāng) P/H3(P 為堰高 m)時(shí),則 m=0.470.49；當(dāng) P/H3 時(shí),m=0.440.4。本次設(shè)計(jì)取為 0.48。 孔口泄流公式: : Q= =A2gH 式中: A出口處的面積(m2) H自由泄流時(shí),為孔口中心處的作用水頭(m)；淹沒泄流時(shí),為上下游水位差(m). 孔口或管道的流量系數(shù),淺孔和中孔的值可用下式計(jì)算: - 14 - =0.96-0.227a/H (3-6) a孔口高度(m) g重力加速度(m/s2) Q下泄流量(m3/s) 表 3-1 洪水調(diào)節(jié)

34、計(jì)算方案成果表 4 表孔2 淺孔中孔 方案 寬(m)寬(m)高(m)數(shù)目寬(m)高(m) 最大泄 量 (m3/s) 最高水位 (m) 設(shè)計(jì)6420188.3 1.1 校核 12.0/27.57.0 7530190.4 設(shè)計(jì)6520186.9 2.1 校核 /8.58.027.47.4 7000189.8 設(shè)計(jì)6540186.9 3.1 校核 /47.57.5 6640189.8 3.2.4.4 方案選擇 (1) 方案比較 對(duì)于表孔、淺孔、中孔方案在滿足防洪要求時(shí), 4 中孔方案缺點(diǎn)是同一高程開孔數(shù)量多,令該層拱圈削弱過多,對(duì)壩體結(jié)構(gòu)作用影響大, 不宜布置。 4 表孔+2 中孔方案優(yōu)點(diǎn)是泄洪能力

35、強(qiáng),但缺點(diǎn)是壩體較高,同時(shí)表孔結(jié)構(gòu)使壩體堰頂以上 失去空間結(jié)構(gòu)作用,拱的空間結(jié)構(gòu)作用從堰頂以下才得以發(fā)揮。 2 中孔+2 淺孔方案有較大泄流能力,而且經(jīng)過合理布置,采用挑流對(duì)撞消能工可以解決消 能問題,也可使壩體空間結(jié)構(gòu)作用少受影響。 綜合比較上述四個(gè)方案,結(jié)合 A 江水利樞紐具體情況,壩外溢洪道和利用導(dǎo)流隧洞方案不 盡合理,選擇表孔、淺孔、中孔方案,雖有水流向心收聚,能力集中的特點(diǎn),但只要合理布置, 采用挑流對(duì)撞消能工可以解決消能問題。泄槽的工程投資遠(yuǎn)小于另建泄水建筑物的投資.為 使壩體空間結(jié)構(gòu)作用少受影響,宜選擇兩淺孔和兩中孔方案,淺孔位于兩岸,中孔位于水電站 進(jìn)水口兩側(cè),對(duì)稱布置。由表中

36、可知,方案 2.3 滿足防洪要求的同時(shí),壩前水位較低,從而 XX 省壩體工程量,故選其為最終泄洪防方案,即設(shè)置兩淺孔,孔口尺寸為 8.5m8m,進(jìn)口底高程 為 164m,出口底高程 154m,兩中孔,孔口尺寸為 7.4m7.4m,進(jìn)口底高程為 135m,出口底高程 為 130m。設(shè)計(jì)洪水時(shí),設(shè)計(jì)水位為 186.9m,下泄流量為 6520m3/s,小于允許流量 6550m3/s,。 - 15 - 校核洪水時(shí),校核洪水位為 189.8m,下泄流量為 7000m3/s,小于允許下泄流量 7550 m3/s?？?庫容為 12.60 億 m3,屬大(I)型工程。 (2) 水庫運(yùn)用方式 根據(jù)上述分析,本工

37、程采用 2 淺孔和 2 中孔泄洪方案,在不影響工程效益的前提下,盡量 降低壩高可大 XX 省開支。故水庫在洪水期的運(yùn)用方式為:洪水到來之前開閘放水,騰空庫容, 將庫水位降落直汛前限制水位 182m 處,即起調(diào)水位,起調(diào)流量為汛前限制水位下開啟淺中孔 時(shí)對(duì)應(yīng)的下泄流量之和。 3.3 樞紐組成建筑物 1.擋水建筑物 施工期的施工圍堰 攔河的大壩變半徑變中心角的雙曲拱壩 2.泄水建筑物 施工期的城門洞型導(dǎo)流隧洞 洪水期泄流的 2 個(gè)泄水淺孔和 2 個(gè)泄水中孔及滑雪道式溢洪道 3.引水建筑物 發(fā)電引水鋼管,直徑 4.5 米,采用外包混凝土管壩外背敷設(shè)方式 3.4 壩型選擇 3.4.1 壩型初選 3.4

38、.1.1 土石壩 土石壩主要由壩址附近的土石料填筑而成,由于該壩址處缺乏筑壩的土石料,并且土石料 壩身不能泄洪,需另外建泄水建筑物,本工程兩岸附近無埡口等適合建泄洪建筑物的地形,故 不宜建土石壩。 3.4.1.2 重力壩 重力壩依靠壩體自重或垂直荷載在壩基面上產(chǎn)生摩阻力來抵抗水平水壓力以達(dá)到穩(wěn)定的 要求,利用壩體自重或垂直荷載在水平截面上產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消由于水壓力所引起的拉應(yīng) 力以滿足強(qiáng)度的要求。 其優(yōu)點(diǎn)比較明顯:壩體斷面形態(tài)適于在壩頂布置溢洪道和壩身設(shè)置泄水孔,不需要另設(shè) 河岸溢洪道或泄洪隧洞,在壩址河谷狹窄而洪水流量大的情況下,重力壩可以較好地適應(yīng)這種 自然條件；結(jié)構(gòu)簡單,施工技術(shù)比較容

39、易掌握,在放樣,立模和混凝土澆搗方面都比較方便, 有利于機(jī)械化施工；由于斷面尺寸大,材料強(qiáng)度高,耐久性能好,因而對(duì)抵抗水的滲透,特大 - 16 - 洪水的漫頂,地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比較強(qiáng),安全性較高；對(duì)地形地質(zhì)條件適應(yīng)性較好,幾 乎任何形狀的河谷都可以修建重力壩；具有足夠強(qiáng)度的巖基就可滿足要求,因?yàn)橹亓纬?沿壩軸線分成若干獨(dú)立的壩段,所以能較好地適應(yīng)巖石的物理力學(xué)特性的變化和各種非均質(zhì) 的地質(zhì)。 但缺點(diǎn)也比較明顯:剖面尺寸較大,壩體內(nèi)部的壓應(yīng)力一般不大,因此材料的強(qiáng)度不能 充分發(fā)揮；壩體體積大,水泥用量多,混凝土凝固時(shí)水化熱高,散熱條件差,且各部澆筑順序 有先有后,因而同一時(shí)間內(nèi)冷熱不均,熱

40、脹冷縮,相互制約,往往容易形成裂縫,從而削弱壩體 的整體性,因而混凝土重力壩施工期需有嚴(yán)格的溫度控制和散熱措施。 3.4.1.3 拱壩 拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物,依靠拱的作用,將力傳給拱座,依靠梁的 作用將力傳給基巖。 其優(yōu)點(diǎn)是:受力條件好,在荷載作用下,拱壩同時(shí)起拱的作用和懸臂梁的作用,主要依靠 兩岸壩肩和壩基的巖體維持穩(wěn)定,壩體自重對(duì)壩體的穩(wěn)定性影響不大；壩的體積小,因?yàn)楣?壩是一種受壓結(jié)構(gòu),拱向除拱端外,幾乎全部受壓,梁向除底部外大部分也是受壓,故可充分發(fā) 揮混凝土抗壓性能,厚度可以較小,故其體積可比同樣高度的重力 XX 省 1/32/3；拱壩超 載能力強(qiáng),安全度高,拱壩

41、通常屬周邊嵌固的高次超靜定結(jié)構(gòu),當(dāng)外荷載增大或壩的某一部位 因拉應(yīng)力過大而發(fā)生局部開裂時(shí),能調(diào)整拱作用和梁作用及其荷載分配,進(jìn)行壩內(nèi)應(yīng)力重分配,不 致使壩全部喪失承載能力,裂縫對(duì)于拱壩的威脅不象對(duì)其他壩型那樣嚴(yán)重,拱壩水平裂縫中的 揚(yáng)壓力只會(huì)降低壩體懸臂梁的作用,鉛直裂縫會(huì)使拱圈未開裂部分的應(yīng)力增加,原來的拱圈變 成具有更小曲率半徑的拱圈,壩內(nèi)應(yīng)力重分配,成為無拉應(yīng)力的有效拱,所以按結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn),拱 壩壩面允許局部開裂,另外混凝土具有一定的塑性和徐變特性,在局部壓應(yīng)力特大的部位,變 形受限制的情況下,經(jīng)過一段時(shí)間,混凝土的徐變變形增大,彈性變形減小,從而這些特大應(yīng)力 有所降低,而且三維受力時(shí)混凝

42、土的實(shí)際極限抗壓強(qiáng)度比單軸時(shí)的極限抗壓強(qiáng)度要高,由于以 上所述原因,拱壩在合適的地形地質(zhì)條件下具有很強(qiáng)的超載能力,據(jù)國內(nèi)外試驗(yàn)資料表明,其 超載能力可達(dá)設(shè)計(jì)荷載的 511 倍；抗震性能好,由于拱壩是整體性的空間結(jié)構(gòu),壩體較輕 韌,富有彈性,又能自行調(diào)整其結(jié)構(gòu)性能,因此拱壩抗震性能好。 但拱壩也有明顯的缺點(diǎn):施工技術(shù)要求高,由于拱壩壩體斷面較薄,幾何形狀復(fù)雜,因此 對(duì)施工技術(shù),施工質(zhì)量控制的要求高；對(duì)地基處理的要求更為嚴(yán)格,以致有時(shí)開挖量很大； 施工導(dǎo)流不如重力壩來得方便,需一次斷流,要另開導(dǎo)流隧洞；拱壩壩肩巖體穩(wěn)定,巖基 穩(wěn)固是拱壩結(jié)構(gòu)優(yōu)越性發(fā)揮的前提條件。 綜合上述分析,對(duì) A 江水利樞紐而

43、言,有合適的喇叭口地形“V”形河谷,兩岸也沒有順 河向的節(jié)理裂隙,故選擇混凝土拱壩方案。 3.4.2 方案比較 3.4.2.1 計(jì)算最大壩高 - 17 - (1)波浪三要素計(jì)算(采用官廳水庫公式) 2hL=0.0166Vf5/4 D1/3 (3-7) 2LL =10.4(2hL)0.8 (3-8) h0=cth (3-9) L L L2 4h 1L 式中: Vf計(jì)算風(fēng)速,設(shè)計(jì)情況采用洪水起多年平均最大風(fēng)速的 1.52 倍校核情況采用洪水 期多年平均最大風(fēng)速； D庫面吹程。 (2)壩頂高程計(jì)算公式 壩頂高程=Max設(shè)計(jì)洪水位+h設(shè),校核洪水位+h校 其中: h= 2hL + h0 + hc (3

44、-10) 2hL波浪高度 h0 波浪中心線高出靜水位的高度 hc安全超高 (等級(jí)為 1 級(jí)時(shí):設(shè)計(jì) hc=0.7,校核 hc=0.5) 經(jīng)計(jì)算得:壩頂高程為 192.3 米 3.4.2.2 重力壩方案 重力壩的尺寸: a.壩頂寬:10.00 米 b.壩底寬:81.47 米 c.上游壩坡斜率:0.15 d.下游壩坡斜率:0.75 e. 重力壩的混凝土方量:795200m3 3.4.2.3 拱壩方案 拱壩的壩體尺寸: a.壩頂厚度:Tc=8.6 米 b.壩底厚度:TB=26.0 米 c.上游面曲線方程: (3-11) 2 40.332.5 9797 yy Z d.下游面曲線方程:各高程的厚度 Ti

45、由 Tc,TB內(nèi)插求得 - 18 - (3-12) i cB ci y H TT TT e.拱壩的混凝土方量:341000m3 ,比重力 XX 省 57.1%的方量。 3.4.3 壩體形態(tài)選擇 拱壩按壩體形態(tài)可分為單曲拱壩和雙曲拱壩。 1. 單曲拱壩 單曲拱壩只在水平截面上呈拱形,而鉛直懸臂梁斷面不彎曲或曲率很小。定圓心定外半 徑拱壩設(shè)計(jì)施工簡單,但工程量大,且河谷上寬下窄時(shí),壩底部圓心角過小,使拱的作用減小, 而定中心角變半徑拱壩雖然比較經(jīng)濟(jì),但兩岸壩段剖面有倒懸,在施工和庫空運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉 應(yīng)力。 2. 雙曲拱壩 雙曲拱壩又稱穹形拱壩,在水平和垂直截面內(nèi)都呈拱形,在 V 形河谷或其它上寬下

46、窄的河 谷,若采用定半徑式拱壩,其底部會(huì)因中心角過小而不能滿足應(yīng)力的要求,此時(shí)宜將水平拱圈 的半徑從上到下逐漸減小,以使上下各層拱圈的中心角基本相等,并在鉛直向設(shè)計(jì)成一定曲率,形 成變半徑等中心角雙曲拱壩,而做到上下層拱圈的中心角相等很困難,故廣泛采用變半徑變中 心角的雙曲拱壩,這種拱壩各層拱圈的中心角,外弧面和內(nèi)弧面的半徑從上到下都是變化的, 而各層拱圈內(nèi)外弧的圓心聯(lián)線均為光滑的曲線,變半徑等中心角雙曲拱壩更能適應(yīng)河谷形狀 的變化。 雙曲拱壩比單曲拱壩更具特殊的優(yōu)點(diǎn):由于其梁系也呈彎曲形狀,兼有垂直拱的作用, 它在承受水平向荷載后,在產(chǎn)生水平位移的同時(shí)還有向上位移的傾向,使梁的彎矩有所減少,

47、 而軸向力加大,對(duì)降低壩體拉應(yīng)力有利；在水壓力作用下,雙曲拱壩中部的垂直梁應(yīng)力是上 游面受壓而下游面受拉,這同自重產(chǎn)生的梁應(yīng)力正好相反。 3.5 泄水建筑物型式選擇 泄水建筑物采用兩個(gè)淺孔和兩個(gè)中孔相結(jié)合的方案:淺孔位于兩岸,孔口寬 8.5m,高 8m,進(jìn) 口底高程為 164m,出口底高程為 154m；中孔位于水電站進(jìn)水口兩側(cè),孔口寬 7.4m,高 7.4m,進(jìn) 口底高程為 135m,出口底高程為 130m。泄槽支撐結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)。坎頂高程為 118m,淺 孔反弧半徑為 35m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 =o,導(dǎo)墻厚度為 1m, 淺孔導(dǎo)墻高度為 8

48、.5m,中孔導(dǎo)墻高度為 12m 20 3.6 廠房及引水系統(tǒng)布置 壩后式廠房裝有 4 臺(tái) 5 萬 kw 的發(fā)電機(jī)組,主廠房長 81m,寬 18m,副廠房長 66m,寬 10m, - 19 - 安裝場長 21m,寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m,進(jìn)水口底高程為 152.3m。 3.7 樞紐總體布置 雙曲拱壩的最大壩高為 100.3m,壩頂寬 8.5m,壩頂弧長約 353.32m,壩底寬 26m。壩后式 廠房,主廠房長 81m,寬 18m,副廠房長 66m,寬 10m,安裝場長 21m,寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m,進(jìn)水口底高程為 152.3m。淺孔位于兩岸,孔口寬 8.5m,高

49、8m,進(jìn)口底高程為 164m,出口 底高程為 154m；中孔位于水電站進(jìn)水口兩側(cè),孔口寬 7.4m,高 7.4m,進(jìn)口底高程為 135m,出口 底高程為 130m。在壩身泄水孔的上下游側(cè)分別布置檢修閘門和工作閘門,檢修閘門采用平板 門,工作閘門采用弧形閘門,在每一個(gè)工作閘門的上方有啟閉機(jī)房,淺孔啟閉機(jī)房高程為 170m,中 孔啟閉機(jī)房高程為 150m。泄槽支撐結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu),坎頂高程為 118m,淺孔反弧半徑為 35m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 =20o,導(dǎo)墻厚度 為 1m, 淺孔導(dǎo)墻高度為 8.5m,中孔導(dǎo)墻高度為 12m。過木筏道位于右岸。開關(guān)

50、站長 75m,寬 20m,位于左岸。 第四章第四章 拱壩設(shè)計(jì)拱壩設(shè)計(jì) 4.1 拱壩型式及布置 4.1.1 拱壩剖面設(shè)計(jì) 拱冠梁剖面的主要尺寸包括壩頂厚度、壩底厚度和拱冠梁上游曲線參數(shù)。 1壩頂厚度(TC):根據(jù)結(jié)構(gòu)、人防、運(yùn)用等要求并考慮改善壩體應(yīng)力,初步設(shè)計(jì),采用下列經(jīng) 驗(yàn)公式: TC=0.01(H+2.4b1) (4-1) Tmin=35m (4-2) 式中:H壩高(m) b1壩頂高程處兩拱端新鮮基巖之間的直線距離(m)。 需要指出:頂部拱圈的厚度,對(duì)頂部拱圈和壩下游面上部的應(yīng)力影響十分明顯,而且頂拱鋼度 的大小對(duì)調(diào)整整個(gè)壩體的應(yīng)力,特別是河床部位的梁底(壩踵)應(yīng)力也有相當(dāng)?shù)挠绊?加大頂拱

51、 厚度將有利于減小梁底上游面的垂直拉應(yīng)力值；相反,如頂拱兩端的巖石較為軟弱或壩下游 面上部的垂直向拉應(yīng)力較為顯著,頂拱的厚度取得薄些較為有利。 綜合以上取 Tc=8.5 米。 2底部厚度(TB):拱壩的底部厚度是控制拱壩斷面尺寸的一個(gè)重要特征數(shù)據(jù),其影響因素較 - 20 - 多,其中最主要的是壩高和河谷形狀。通?？蓞⒄找呀ǔ傻膲胃吆秃庸刃螤畲笾孪嘟墓皦?來初步擬定其尺寸,再通過反復(fù)的修改布置和試算,定出合適的尺寸 本設(shè)計(jì)采用我國朱伯芳等建議,作為拱壩的優(yōu)選初始方案: TB=K(b1+bn-1)H/a (4-3) 式中:K經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般可取 K=0.35 b1、bn-1第一層和倒數(shù)第二層拱圈兩

52、拱端新鮮基巖面之間的直線距離(m) a拱的允許壓應(yīng)力(t/m3) H 壩高 將 A 江拱壩數(shù)據(jù)代入得 TB=26 米。 雙曲拱壩上游面曲線:用黎展眉高級(jí)工程師推薦的方程式定出: z= -x1(y/H)+x2(y/H)2 (4-4) 式中 x1=21x2 x2=2TB/(21-1) 1=0.60.65 2=0.30.6 取 1=0.62 2=0.3 經(jīng)計(jì)算得: 上游面的曲線方程為 z= -40.3y/100.3+32.5(y/100.3)2 下游面的曲線按 Tc,TB沿高程線性內(nèi)插。設(shè)第 i 層拱圈的厚度為 Ti 則 Ti=Tc+(TB-Tc)/ Hyi (4-5) 表 4-1 拱冠梁端面的幾層

53、典型拱圈的幾何尺寸 高程 192.3167.3142.3117.392 縱坐標(biāo) y 0255075100.3 上游面橫坐標(biāo) z10-8.04-12.03-11.94-7.8 拱厚 Ti 8.512.8817.2521.6326 下游面橫坐標(biāo) z28.54.845.229.6918.2 4.1.2 拱壩的布置 (一) 根據(jù)初步擬訂的拱壩斷面尺寸進(jìn)行平面布置,確定各高程拱圈中心角、半徑、圓心 位置等參數(shù),然后按擬訂的方案進(jìn)行應(yīng)力和穩(wěn)定分析。拱壩布置按下列程序進(jìn)行: 1.根據(jù)地形地質(zhì)等基本資料,找出壩址可利用巖石等高線。 2.在已定壩址處,選定拱壩在平面上的壩軸線,在壩址可利用巖面的等高線上,定出頂

54、拱 的中心角和頂拱厚位置。 3.結(jié)合地形特點(diǎn),初定拱冠懸臂梁的剖面形態(tài)及尺寸,以各層拱圈的拱冠斷面與懸臂梁剖 面尺寸相重合為準(zhǔn),從上往下,每 25m 為一層,試畫出各層拱圈的水平拱圈線。 4.按試畫的拱圈線,切出幾個(gè)垂直剖面,檢查垂直方向是否扭曲,倒懸度是否滿足要求。 5.根據(jù)上述初步選定的拱壩形式和尺寸,按拱冠梁法求出分配荷載后,計(jì)算拱梁上下游壩 - 21 - 面應(yīng)力及兩岸壩肩的穩(wěn)定。 (二) 拱壩布置的原則: 1.壩面力求平順； 2.壩軸線布置處應(yīng)使下游有足夠的支撐巖體； 3.剖面的倒懸度小于 1/3； 4.各層拱圈,拱端的內(nèi)弧面的切線與利用的巖面等高線的夾角不小于 30o； 5.頂部中心

55、角取 70110之間,對(duì)各層中心角,左右半中心角相差小于 5 o,中心角方 向盡可能順河向。 (三) 拱壩布置的結(jié)果: 表 4-2 各層拱圈特性參數(shù) 層 數(shù) 高程 拱圈厚 (米) 左半中 心角(度) 右半 中心角 (度) 上游拱 圈半徑 下游拱 圈半徑 拱軸線 半徑 1192.38.552.550201.25193.25197.5 2167.312.884546.5169.56182.44176 3142.317.254244160.62143.37152 4117.321.634246118.3196.685107.5 592263939704457 4.2 荷載及其組合 4.2.1 荷載及

56、計(jì)算 作用在拱壩上的荷載主要有自重、靜水壓力、泥沙壓力、風(fēng)浪壓力、溫度和地震荷載。 1自重計(jì)算 本設(shè)計(jì)自重應(yīng)力在施工過程中就已經(jīng)形成,全部由梁承擔(dān)。將拱壩各壩塊的水平截面由扇 形簡化為矩形,上下游壩面簡化為梯形,計(jì)算公式如下: (4-6) hRc AA G 2 21 式中:Rc混凝土容重,取 2.4 噸/米 3 h計(jì)算壩塊的垂直高度 A1,A2上、下兩端截面的面積。 經(jīng)計(jì)算得拱壩總重量為 818000 噸。 2泥沙壓力 水庫建成后,過水端面加大,使得流速減緩,入庫水流挾帶的泥沙逐漸淤積在壩前,對(duì)壩 體產(chǎn)生了泥沙壓力。由于淤積高程是隨時(shí)間而逐年增加,故淤積計(jì)算年限可取為 50100 年。計(jì)算公式

57、如下: ps=shstg2(45o-s/2) (4-7) - 22 - 式中:ps泥沙對(duì)上游壩底的水平壓強(qiáng)； s泥沙浮容重。取為 0.85t/m3； s泥沙的內(nèi)摩擦角,為 10o； hs泥沙的淤積高度,為 23m。 經(jīng)計(jì)算得 ps =15.83t/m3 3溫度荷載 拱壩是固結(jié)于基巖的整體結(jié)構(gòu),因此溫度和基巖的變化對(duì)拱壩應(yīng)力的影響較顯著,故設(shè) 計(jì)時(shí),溫度荷載必須列為一項(xiàng)主要荷載。 其中:=47/(T+3.39) (4-8) 表 4-3 截面溫度變化 截面溫升時(shí)溫降時(shí) 1-13.95-3.95 2-22.89-2.89 3-32.28-2.28 4-41.88-1.88 5-51.60-1.60

58、4靜水壓力 作用在壩面上的靜水壓力是拱壩所承受的主要荷載。按水力學(xué)原理計(jì)算,壩面上任意一 點(diǎn)靜水強(qiáng)度為: pi=0y (4-9) 式中:0水的容重,取為 1.0t/m3 y計(jì)算點(diǎn)距水面的深度 5.地震荷載: 地震引起的作用于拱壩的動(dòng)荷載,包括地震慣性力、地震動(dòng)水壓力和上游淤沙的地震 土壓力。該工程的設(shè)計(jì)烈度為 7 度,計(jì)算地震影響力時(shí)采用擬靜力法。由于本設(shè)計(jì)地震烈度 不高,故可將擬靜力法進(jìn)一步簡化取作用在每層拱圈上的慣性力為 KhCzWi,方向與地 震加速度方向相反。 為一沿高程變化的系數(shù), 取 2.0。壩面所受的最大動(dòng)水壓力 q0 可 按式 q0=KhCzFyH0 計(jì)算,由于本設(shè)計(jì)為等截面圓

59、拱的情況,可以用下面的公式直接計(jì)算: (1).計(jì)算縱向地震慣性力(忽略基礎(chǔ)影響): AAAAAAAAAA r T Z2cos22sin 12 1 22cos2sin 2 7 sin8 2 2 22 2 1 (4-10) AAAAAAA r T 2sin28 12 1 sin42sin2 2 2 2 2 (4-11) sin 1 ()cos1 ( sin2 10 A A A A A ZZ - 23 - 拱冠截面的內(nèi)力: H0=kcTrZ1 V0=0 M0= kcTr2Z0 拱端截面的內(nèi)力: HA= kcTr(Z1COSA+AsinA); VA= kcTr(-AcosA+ Z1sinA); MA=

60、 kcTr2-A sinA-cosA+1+Z0+Z1(1- COSA) 式中:c壩體容重； k地震系數(shù)(KhCz); T截面厚度； r中心軸線半徑； A拱圈半中心角； (2).計(jì)算縱向地震激蕩力(忽略基礎(chǔ)的影響): )2sin(sin2)2sin(sin8 )2cos(cos43()( 12 1 )2sin(sin 4 1 sin2)2sin( 4 5 sin 2 1 )2cos( 2 1 cos2 0 2 2 22 2 2 AAAAAA AAAAAr T AA AAAAAAAAA U (4-12) )2sin(sin28()( 12 1 sin4)2sin(2 22 22 AAAr T AA