重力壩畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

1、四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) 目錄四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)5.3壩體排水 .-43-5.4壩內(nèi)廊道 .-43-參考文獻(xiàn) . . - 44 -四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) 第一章 調(diào)洪演算1.1 建筑物級(jí)別根據(jù) 防洪標(biāo)準(zhǔn) (GB50201-94 及 水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn) (SL252-2000 的規(guī)定,樞紐工程屬于等中型工程,其主要建筑物攔河大壩、溢洪道、放空隧洞及取水 隧洞等樞紐永久主要建筑物按 3級(jí)設(shè)計(jì),樞紐永久次要建筑物按四級(jí)設(shè)計(jì),樞紐臨時(shí)建筑 物按 5級(jí)設(shè)計(jì)。根據(jù)灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB50288-99的規(guī)定,灌溉渠道工程級(jí)別

2、及建筑物 級(jí)別為 5級(jí)。1.2 設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算*流域洪水主要由暴雨形成, *水庫(kù)流域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文資料,計(jì)算采用歷史洪水調(diào) 查結(jié)果, *水庫(kù)上壩址集水面積 9.44km 3,與曉壩水文站集水面積相差較大, *水庫(kù)設(shè) 計(jì)洪水根據(jù)四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè) ,采用推理公式法,由設(shè)計(jì)暴雨推求。 基本公式:FsQ n /(278. 0=式中:Q -最大流量, sm /3;-洪水徑流系數(shù);S-流域匯流時(shí)間, h ;n-暴雨公式指數(shù);F-流域面積, km2.*水庫(kù)流域特征值在 1/10000航測(cè)圖上量算,河道比降采用加權(quán)平均計(jì)算,成果見(jiàn)表 1-1。表 1-1 *水庫(kù)流域特征值成果表 各時(shí)段最大降雨量及變

3、差系數(shù)由 2005年出版的四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖冊(cè)中 查讀,見(jiàn)表 1-2。表 1-2 *水庫(kù)壩址設(shè)計(jì)洪水暴雨參數(shù)成果表 根據(jù)流域下墊面條件和手冊(cè)區(qū)域,選取產(chǎn)匯流參數(shù)計(jì)算公式如下: 流域產(chǎn)流參數(shù) :屬盆緣山區(qū),計(jì)算式如下: ; 6. 319. 0-=F ; 23. 0=v C v S C C 5. 3=由設(shè)計(jì)暴雨推求洪水總量,洪水總量采用四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)中的 計(jì)算公式計(jì)算,即:F h F HT W P p =1. 01. 0計(jì)算洪水總量的暴雨歷時(shí),采用單峰洪水計(jì)算公式:4/18. 12F T =*水路壩址設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表 1-3,由于設(shè)計(jì)流域面積較小,而推理公式法在小流域四川大

4、學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)的暴雨洪水計(jì)算中使用廣泛,精度較高,因此認(rèn)為推理公式法的計(jì)算成果可作為 *水庫(kù) 設(shè)計(jì)洪水采用結(jié)果 .表 1-3 *水庫(kù)上壩址設(shè)計(jì)洪水成果表水利水電樞紐工程永久擋水和泄水建筑物所采用的正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn), 應(yīng)根據(jù)建筑物等級(jí)確定。由 1.1章節(jié)知:正常運(yùn)用(設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為 50年,頻率為 2%。非正常運(yùn)用(校核洪水重現(xiàn)期為 1000年,頻率為 0.1%。1.3 洪水及上下游水位流量關(guān)系*工程無(wú)調(diào)洪功能要求,由章節(jié) 1.2可知,設(shè)計(jì)洪水時(shí)下泄流量為 102m 3/s,校核洪 水時(shí)下泄流量為 183m 3/s。 根據(jù)水庫(kù)流量 -容積曲線 q-V 圖及相關(guān)

5、水文資料的出成果如表 1-4. 第二章 非溢流壩段設(shè)計(jì)2.1 非溢流壩段剖面設(shè)計(jì)原則重力壩剖面設(shè)計(jì)原則是:滿(mǎn)足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求,保證大壩的安全;工程量要小; 運(yùn)用方便;便于施工。壩壩頂高程應(yīng)高于校核洪水位,壩頂上游防浪墻高程,應(yīng)高于波浪頂高程。 壩頂高程 =設(shè)計(jì) /校核洪水位 +安全超高,選用其中較大者。 安全超高:1%z c h h h h =+ 式中:h 壩頂超高,即防浪墻頂至設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位的高差, m ;1%h 累計(jì)頻率為 1%的波浪高度, m ;z h 波浪中心線高于靜水位的高度, m ; ch 安全加高,取值按表 2-1.表 2-1 安全超高 c h (m 設(shè)計(jì)情況:h,根據(jù)資

6、料可得,壩區(qū)計(jì)算風(fēng)速 0v =18m/s;吹程 D=746m?？刹捎?201020%2(0625. 0vgD v vgh =四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)(9446. 08. 918187468. 9(1800625. 0212%2m h =÷=22020(0386. 0vgD vgL m =Lm 為 平均 波 長(zhǎng)m L m 058. 61018(0386. 02187468. 92=÷=m h h 0228. 142. 223. 2%2%1=÷= 波浪中心線至計(jì)算水位的高度 : mmz L H L h h 2coth2%1=0.5424m校核情況:其

7、中計(jì)算風(fēng)速取 12m/s,安全超高取 0.3米。 計(jì)算結(jié)果:mmz L H L h h 2coth2%1=0.2421m.防浪墻高程:設(shè)計(jì)情況:H=573+0.24+1.02+0.4=574.66m校核情況:H=573.6+0.56+0.24+0.3=574.70m 壩頂高程:設(shè)計(jì)狀況:H 0=H-1.2=573.46m 校核情況:H 0=H-1.2=573.50m根據(jù)重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范考慮設(shè)備布置、運(yùn)行、檢修、施工交通等要求混凝土,故初 選非溢流壩段的壩頂寬度為 6m 。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),底寬一般為壩高的 0.70.9倍,初步設(shè)計(jì)取壩底寬度為 B=30m左右。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)一般情況下, 上游壩坡坡率

8、n=00.2, 常做成鉛直或上部鉛直下部?jī)A向 上游; 下游壩坡坡率 m=0.60.8; 參考已建成工程的經(jīng)驗(yàn)在本工程中可取上游壩坡坡率為 n=0.2,下游壩坡坡率為 m=0.75。由剖面設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出最優(yōu)剖面。初步擬定其實(shí)用剖面如下圖 2.1所示,其中壩底寬度為 29.7m 。: 圖 2.1非溢流壩段剖面圖2.2 確定荷載作用力(取單位寬度壩體研究根據(jù)國(guó)家防洪標(biāo)準(zhǔn) (GB50201-94 ,確定該工程為等工程。其主要水工建筑物按 3級(jí)建筑物設(shè)計(jì),建筑物亦按 4級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為級(jí),相應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要 性系數(shù)為 0=0.9又由混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (DL5108-1999中查得自重、靜水

9、壓力 的作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.0,滲透壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.2,浮托力的作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.0, 淤沙壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.2,波浪壓力的作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.2。材料分項(xiàng)系數(shù)中,混凝 土 /基巖的抗剪斷摩擦系數(shù)為 1.3,粘聚力分項(xiàng)系數(shù)為 3.0,混凝土抗壓強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)為 1.5由混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 (DL5108-1999中查得抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式中基本組合 和偶然組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)都為 d =1.2, 混凝土抗壓極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式中的基本組合和偶然組合 的結(jié)構(gòu)系數(shù)為 d =1.8四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) - 7 -設(shè)計(jì)采用的混凝土為 R 18020.0Mpa ,三級(jí)配,

10、其理論容重為 24kg/m3。分三塊計(jì)算:圖 2.2 自重計(jì)算簡(jiǎn)圖W1=0.5×3×15×24=540kN G1=6939kN.m將水壓力分解為水平水壓力 P 和鉛直水壓力 W (又叫水重兩部分計(jì)算:- 8 -221H P w =w w V W = 式中 w 水的容重,取 9.81KN/m³ H計(jì)算點(diǎn)以上水深, m ; w V 壩斜坡面以上水的體積, m ³。正常蓄水位情況:上游水位 573m ,相應(yīng)下游水位 546.15m 。 上游:水平水壓力 : (6. 60082121KN HP w = 力臂 L 1=31H鉛直水壓力 : (80911K

11、N V W w = 力臂 L=29.7/2=14.85m 鉛直力矩值: G1=-W1*L=-1203kN.m下游: 水平水壓力: (8. 32521222KN H P w -=-= 力臂 L 2=32H校核洪水位情況:上游洪水位 573.6m ,相應(yīng)下游水位 546.53m. 上游: 水平水壓力 : (4. 621621211KN H P w =力臂 : L 1=31H水平力矩值: M 1=P1*L1=6216.4×-11.867=-73770kN.m 鉛直水壓力 : (82611KN V W w = 力臂 : L=29.7/2=14.85m 鉛直力矩值: G 1=W1*L=1226

12、8kN.m四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) 下游: 水平水壓力: (9. 35621222KN H P w -=-=力臂 : L 2=32H鉛直力矩值: G 2=W2*L=3970kN.m壩基設(shè)有防滲帷幕和排水孔,孔中心距上游面 6m ,見(jiàn)下圖所示。 - 10 -力臂: 3121(1-=B L =12.87m M 1k =-7551kN.m第二部分滲透壓力 1(212-=d u w k H H B U =-782.3KN力臂: 6131(2-=B L =0.99m M 2k =-774kN.m第三部分滲透壓力: (3d u w K H H B U -= =-391.1kN 力臂: 1

13、(213-=B L =11.87m M 3k =-4646kN.m第四部分浮托力: d w k BH U -=4 =2374.6kN 合計(jì):合計(jì):標(biāo)準(zhǔn)值: U k =-4134.7kN Mk =-12971kN.m設(shè)計(jì)值: U=-4486.6kN M=-15564kN.m校核洪水位情況:其中相應(yīng)上游水深 H u =35.6m,相應(yīng)下游水深 H d =8.53m。表 2-3 校核洪水位揚(yáng)壓力統(tǒng)計(jì):由資料知水庫(kù)泥沙淤積高程為 10m ,淤沙浮容重sb為 0.887kg/m3,內(nèi)摩擦角 =0,四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) - 11 -其作用分項(xiàng)系數(shù)為 1.2。 淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值 : kN

14、 h P s sb sk 4. 44245tan 212=-=力臂 L=3.33表 2-4 基本情況統(tǒng)計(jì)表浪壓力作用分項(xiàng)系數(shù) Q4=1.2,水容重 w =9.81kN/m3波浪中心線至水庫(kù)靜水位的高度 hz 按下式計(jì)算:h 1%采用鶴地公式計(jì)算:/gv *0.00625v =h 021/3v gD 1/602%2使波浪破碎的臨界水深 Hcr 按下式計(jì)算:正常蓄水位情況: 因?yàn)?H>HCR 和 H>=2m L ,所以按第一種浪壓力分布計(jì)算。Pwk =w L m (h1%+hz /4 代入基本水文數(shù)據(jù)計(jì)算得: 標(biāo)準(zhǔn)值: P wk =14.8kN 設(shè)計(jì)值: PW =17.76kN 力臂

15、L=-35m校核洪水位情況: 因?yàn)?H>HCR 和 H>=2m L ,所以按第一種浪壓力分布計(jì)算。Pwk =wL m (h1%+hz /4代入基本水文數(shù)據(jù)計(jì)算得: 標(biāo)準(zhǔn)值: P wk =5.8kN 設(shè)計(jì)值: PW =6.96kN 力臂 L=-35.6m上游回填土高度 10.2m ,下游回填土高度 8.1m 。四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) 圖 2-4 土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖上游為主動(dòng)土壓力:土的容重 =13kg/m3K a 為主動(dòng)土壓力系數(shù),查表得 Ka=0.42,Sa 為上游壩上填土面積, S B 為下游壩上填土面積。 水平:M1=273*1/3*10.2=910kN.m豎直

16、:W1=-*Sa =13*10.2=132kN.mG1=-130*(2/3*2-29.7/2=-1846kN.m下游以被動(dòng)土壓力計(jì)算:K a' 為被動(dòng)土壓力系數(shù)取 2.39水平:M2=-994.24*8/3=2651kN.m豎直:表 2-7 正常蓄水位時(shí)荷載計(jì)算結(jié)果 (設(shè)計(jì)值 壩體混凝土和基巖基礎(chǔ)面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算:采用抗剪斷公式:+-=PAc U W f K S ' (' '其中:W 為接觸面上的總鉛直力, W =9763.4kN P為接觸面上的總水平力, P=5030kNU 為接觸面上的揚(yáng)壓力:U=4486.6KN抗剪斷摩擦系數(shù) f' 取 0.95,凝聚

17、力 c' 取 150MPa 。 接觸面積 A=29.7 所以 Ks'=2.16基本荷載時(shí),安全系數(shù)為 K S ' 取 3, 因 Ks'<3,所以不符合安全要求。提高壩體抗滑穩(wěn)定可采用在壩趾預(yù)加應(yīng)力, 由類(lèi)似工程對(duì)比, 以及施工要求充分考慮, 可通過(guò)底部抬高來(lái)增加抗滑安全。多次比較擬采用下圖基本剖面:四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì) 圖 2.5 新剖面自重計(jì)算簡(jiǎn)圖2.3 非溢流壩段新剖面荷載計(jì)算如圖 1.5,設(shè)計(jì)采用的混凝土為 R 18020.0Mpa ,三級(jí)配,其理論容重為 24kg/m3。 由 CAD 計(jì)算此剖面封閉面積 S=620.9m2大壩

18、自重 :W=*S=14901.6kNCAD 查詢(xún)質(zhì)心坐標(biāo)(13.55, 11.6所以自重力矩 :L=37.5/2-13.55=4.2m自重力矩 :G=W*L=14901*4.2=62584kN.m 圖 2.6 新剖面靜水壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 2.6:221H P w =w w V G = 式中 w 水的容重,取 9.81KN/m³ H 計(jì)算點(diǎn)以上水深, m ;w V 壩斜坡面以上水的體積, m ³。 正常蓄水位情況:上游水位 573m ,相應(yīng)下游水位 546.15m 。 對(duì)應(yīng)上游水深 H 1=35m,下游水深 H 2=8.15m在簡(jiǎn)圖中,上游 G I 面積 S 1=18

19、9.6m2, 下游 G 2水面積 S 2=15.0m2.四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)力臂: T1=15.4m豎直力矩: K1=G1*T1=-28644kN.m力臂: L2=2.4m豎直壓力: G2=w *S2=9.81*15=147kN力臂: T2= 15.7m豎直力矩: K2=G2*T2=147*15.7=2307kN.m校核洪水位情況 :上游水深 573.6m ,相應(yīng)下游水位 546.53m對(duì)應(yīng)上游水深 35.6m ,下游水深 8.53m 。在簡(jiǎn)圖中,上游 G 1面積 193.7m 2, 下游 G 2面積 20m 2.力臂: L1=H1/3水平力矩: M1=P1*L1=622

20、0×11.87=73831kN.m豎直壓力: G1=W *S1=9.81×193.7=1900kN.m力臂: T1=-15.2m豎直力矩: K1=G1*T1=-28883kN.m力臂: L2=-2.84m水平力矩: M2=P2*L2=357*-2.84=1017kN.m豎直壓力: G2=w *S2=9.81*20=196.2kN力臂: T2= 15.7m 圖 2.7 新截面揚(yáng)壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖正常蓄水位情況:由 CAD 求出揚(yáng)壓力面積 S=302m2。所以豎直力: P1=S*w =302*9.81=2962kN力矩: L1=-3.8m豎直力矩: G1=P1*L1=-11257kN

21、.m因揚(yáng)壓力作用在接觸面上,所以水平力矩為 0.校核洪水位情況:揚(yáng)壓力面積 S 2=310m2.豎直力: P2=S2*w =310*9.81=3041kN力矩: L2=-3.5m豎直力矩: G2=P2*L2=10644kN.m水平力: F2=281.2kN水平力矩為 0.四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)由資料知水庫(kù)泥沙淤積高程為 10m , 淤沙浮容重 sb 為 0.887kg/m3, 內(nèi)摩擦角 =0, 其作 用分項(xiàng)系數(shù)為 1.2。 淤沙壓力標(biāo)準(zhǔn)值 : kN h P s sb sk 4. 44245tan 212=-=表 1.5 水文統(tǒng)計(jì)表 浪壓力作用分項(xiàng)系數(shù) Q4=1.2,水容重

22、w =9.81kN/m3 波浪中心線至水庫(kù)靜水位的高度 hz 按下式計(jì)算:h 1%采用鶴地公式計(jì)算:/gv *0.00625v =h 021/3v gD 1/602%2使波浪破碎的臨界水深 Hcr 按下式計(jì)算: 正常蓄水位情況: 表 2-8 正常蓄水位波浪要素計(jì)算成果表因?yàn)?H>HCR 和 H>=2m L ,所以按第一種浪壓力分布計(jì)算。Pwk =w L m (h1%+hz /4 代入基本水文數(shù)據(jù)計(jì)算得: 標(biāo)準(zhǔn)值: P wk =14.8kN 設(shè)計(jì)值: PW =17.76kN 力臂 L=-35m校核洪水位情況: 因?yàn)?H>HCR 和 H>=2m ,所以按第一種浪壓力分布計(jì)算

23、。Pwk =wL m (h1%+hz /4代入基本水文數(shù)據(jù)計(jì)算得: 標(biāo)準(zhǔn)值: P wk =5.8kN 設(shè)計(jì)值: PW =6.96kN 力臂 L=-35.6m 圖 2.7 新截面土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖上游為主動(dòng)土壓力:土的容重 =13kg/m3, 上游填土高 10.20米,下游填土高 8.1米。K a 為主動(dòng)土壓力系數(shù),查表得 Ka=0.42,Sa 為上游壩上填土面積, S B 為下游壩上填土面積。 水平:M1=283*1/3*10.2=961N.m豎直:W1=-*Sa =13*18.3=238kN.mG1=-238*15.8=-3758kN.m下游以被動(dòng)土壓力計(jì)算:K a' 為被動(dòng)土壓力系數(shù)取

24、 2.39水平力:M2=-1020*8/3=-2750kN.m豎直力:W1=*Sa =13*20=260kN.mG1=260*15.8=4108kN.m表 2-10 正常蓄水位時(shí)荷載計(jì)算結(jié)果 (設(shè)計(jì)值 表 2-11 校核洪水位情況荷載統(tǒng)計(jì) 四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)壩體混凝土和基巖基礎(chǔ)面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算:采用抗剪斷公式:+-=PAc U W f K S ' (' '正常蓄水位情況:W 為接觸面上的總鉛直力, W =14444kN P為接觸面上的總水平力, P=4916kNU 為接觸面上的揚(yáng)壓力: U=2962KN抗剪斷摩擦系數(shù) f' 取 0.95,凝

25、聚力 c' 取 150MPa 。 接觸面積 A=29.7所以 Ks'=3.25基本荷載時(shí),由 SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,不分工程級(jí) 別,基本荷載組合時(shí),安全系數(shù)為 K S ' 取 3, 因 Ks>3, 所以符合安全要求。校核洪水位情況:其中 W 為接觸面上的總鉛直力, W =14623kNP 為接觸面上的總水平力, P =4735kNU 為接觸面上的揚(yáng)壓力 :U=2962KN抗剪斷摩擦系數(shù) f' 取 0.95,凝聚力 c' 取 150MPa 。 接觸面積 A=29.7所以 Ks'=3.16基本荷載時(shí),由 SL319-20

26、05混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,不分工程級(jí) 別,基本荷載組合時(shí),安全系數(shù)為 K S ' 取 3, 因 Ks>3,2.4 承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)式為:01, (, d k d k dS F a R f a (式中:S ( 作用效應(yīng)函數(shù);( R 抗力函數(shù);結(jié)構(gòu)重要性系數(shù); 設(shè)計(jì)狀況系數(shù); d F 作用設(shè)計(jì)值;df 材料性能設(shè)計(jì)值; d結(jié)構(gòu)系數(shù)?？够€(wěn)定極限狀態(tài)作用效應(yīng)函數(shù)為:S ( =P抗滑穩(wěn)定極限狀態(tài)抗力函數(shù)為:( R f W c A ''=+f '抗剪段摩擦系數(shù);c '抗剪段凝聚力?；窘M合時(shí) 校核洪水位情況取持久狀況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)狀況

27、系數(shù) =1.0,結(jié)構(gòu)系數(shù) d =1.2kN S r o 426147359. 00. 1(.=kNA c W f r R r d d dd15289 7. 291501462395. 0(2. 11 ' ' (1(.1=+=+=所以可得:0( SR d1( K=3.5正常蓄水位情況取偶然狀況對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)狀況系數(shù) =0.85,結(jié)構(gòu)系數(shù) d =1.2kN S r o 442449169. 00. 1(.=kNA c W f r R r d d dd15147 7. 291501444495. 0(2. 11 ' ' (1(.1=+=+=所以可得:0( SR d1( K

28、=3.3綜上所述可知非溢流壩段滿(mǎn)足抗滑穩(wěn)定要求。四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)2.5 應(yīng)力計(jì)算 圖 2.8 應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖假定 Y 按直線分布,所以可以按照偏心受壓公式計(jì)算: 上游面垂直正應(yīng)力: 26BM BWyu+=下游面垂直正應(yīng)力: 26BM BWyd-=式中:W 為作用在計(jì)算截面以上全部荷載的鉛直分力的總和;M 為作用在計(jì)算截面以上全部荷載對(duì)截面垂直水流流向形心軸的力矩總和, B 為 計(jì)算截面的長(zhǎng)度。 計(jì)算得:=14444/37.5-6*(-8965 /37.5/37.5=406kN 校核洪水位情況: yuyd =14623/37.5-6*(-4955 /37.5/37.5=4

29、12kN均為出現(xiàn)負(fù)值,符合應(yīng)力要求。已知上下游垂直正應(yīng)力后,可以根據(jù)邊緣分體的平衡條件解出上下游邊緣剪應(yīng)力 u 和d ,見(jiàn)圖,根據(jù)平衡條件解:u =(P u - yu -P u u n d =( yd-Pd+P u d m其中, P u 為上游面水壓力強(qiáng)度, n 為上游面坡率; Pd 為下游面水壓力強(qiáng)度, m 為下游面坡率;Pu u 和 P u d 是計(jì)算截面上,下游坡面處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度。在本次設(shè)計(jì)中,因?yàn)橛偕硥毫?相對(duì)來(lái)說(shuō)太小,可忽略不計(jì),此時(shí) P u =Pu u ,P d =Pu d 。 計(jì)算得:正常蓄水位情況:u =(6008-364-6008*0.2=72.8kN d =(406-(-3

30、26-326*0.75=304kN 校核洪水位情況:已知 u 和 d 后,可以根據(jù)平衡條件求出上下游邊緣的水平正應(yīng)力 xu 和 xd 。 xu =(Pu -P u u-(P u -P u u-u n2xd=(Pd -P u d +(d +Pu d -P d m 2代入數(shù)據(jù):校核洪水位情況:上游面主應(yīng)力: ( n 1(221uu u yu u P P n -+= 下游面主應(yīng)力: ( m 1(221uu u yd u P P n -+= 代入數(shù)據(jù):正常蓄水位情況: u四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)校核洪水位情況:u1d1重力壩壩基面壩踵,壩趾的鉛直應(yīng)力應(yīng)符合以下要求:1. 運(yùn)用期在各種

31、荷載組合下,壩踵鉛直應(yīng)力不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力,壩址鉛直應(yīng)力小于壩基容許壓應(yīng) 力。2. 施工期壩址鉛直應(yīng)力允許有小于 0.1MPa 的拉應(yīng)力。重力壩壩體應(yīng)力應(yīng)符合下列要求 :1. 運(yùn)用期壩體上游面的鉛直應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力(計(jì)揚(yáng)壓力壩體最大主應(yīng)力,不大于混凝土的容許壓應(yīng)力2. 施工期壩體任何截面上的主應(yīng)力不應(yīng)大于混凝土容許壓應(yīng)力在壩體的下游面,允許有不大于 0.2MPa 的主拉應(yīng)力綜上分析:此壩應(yīng)力符合要求第三章 溢流壩段設(shè)計(jì)溢流壩段剖面除了應(yīng)該滿(mǎn)足強(qiáng)度,穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)等要求外,還需要考慮水流運(yùn)動(dòng)的要 求。通常他是由非溢流壩段修改而成。溢流壩段由頂部溢流段,中部直線段和下游消能段組成,上游邊直線或者折線。溢

32、流面的中間直線段一般可與非溢流壩段下游面斜率保持相同,上段與堰頂溢流曲線相切, 下端和下游反弧段相切,其作用是使水流平順的按要求的消能方式與下游水銜接。其設(shè)計(jì) 要求: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(fù)壓和空蝕破壞; 3. 體形簡(jiǎn)單·造價(jià)低·便于施工。3.1 泄流方式的選擇為了使水庫(kù)具有較大的泄洪能力,采用開(kāi)敞式堰頂泄流。3.2 堰頂高程通過(guò)調(diào)洪演算求出:設(shè)計(jì)洪水時(shí), Q 溢 =102m3/s.校核洪水時(shí), Q 溢 =183m3/s. 孔口尺寸的確定:擬定單寬流量 q=30m3/s·m 設(shè)計(jì)水位時(shí):溢流段凈寬 L=Q溢 /q=3.3m

33、 校核水位時(shí):溢流段凈寬 L=Q溢 /q=6m 因凈寬較小,只需要設(shè)置 1孔?？讓?b=6m。 大壩采用壩頂溢流宣泄洪水,可利用公式: 2/32w s H g B Cm Q =溢確定高程。式中, 為閘墩側(cè)收縮系數(shù),與墩頭有關(guān),可取 0.900.95; m為流量系數(shù),與堰頂有關(guān);可查表。 C為上游面坡度影響修正系數(shù),可查表。 B為溢流堰凈寬。四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)代入數(shù)據(jù):s 在不淹沒(méi)的時(shí)候取 1.0, 取值 0.95.正常蓄水位時(shí):所以: Hw =4.03m堰頂高程 :573-4.03=568.97m上游堰高 :P1=568.57-535=33.57m校核洪水位時(shí):所以 :

34、 Hw =5.95m堰頂高程 :573.6-5.95=567.65m上游堰高 :P1=567.65-535=332.65m堰頂最大作用水頭:Hmax = 校核 - 堰頂 = 573.6-567.65=5.95m. 由水力學(xué)有關(guān)知識(shí)知工程中常用的定型設(shè)計(jì)水頭為:Hd =(75%95% H max =(0.750.95×5.95=(4.465.65 m , H d =5.0m。 則 H w /Hd =4.03/5=0.86, P/Hd 1.33查 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范附錄 C 中表 C1-流量系數(shù) m 值,得 m=0.489. 因此: 設(shè)計(jì)水位時(shí):2/32ws H g B Cm Q =溢

35、3/2所以: Hw =4.09m堰頂高程 :573-4.09=568.91m上游堰高 :P1=568.91-535=33.91m 校核洪水位時(shí):2/32ws H g B Cm Q =溢所以 : Hw =6.04m 堰頂高程 :573.6-6.04=567.54m上游堰高 :P1=567.54-535=32.54m 綜合:H 設(shè)計(jì) =568.91m H校核 =567.54m所以: 最終擬定堰頂高程 H=567m.2/32w/s.所以溢流壩段滿(mǎn)足要求。3.3 頂部曲線段頂部實(shí)用堰曲線的型式,常用的有 WES 曲線與克 -奧曲線,由于 WES 曲線的流量系數(shù)較 大且體型較瘦,工程量較省,堰面曲線用方

36、程控制,施工方便快捷,本階段選擇 WES 曲線 為堰面曲線。開(kāi)敞式堰面堰頂上游堰頭曲線可采用雙圓弧曲線 三圓弧曲線 橢圓曲線三種曲線, 本階段選擇三圓弧曲線。按水力學(xué)中的 WES 型實(shí)用堰設(shè)計(jì),以堰頂點(diǎn) O 為坐標(biāo)原點(diǎn), X 軸向右為正, Y 軸 向下為正。如圖 3.1示:四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)R30.282H d y x0.276H d175H dR2R1圖 3.1 堰面曲線上游面曲面為三圓弧曲線,其中:R 1=0.5Hd , R 2=0.2Hd , R 3=0.04Hd .H d 為定型設(shè)計(jì)水頭, H d =0.85*(573.6-567=5.6。所以:R 1=0.5H

37、d =2.8m x1= 0.175H d = 0.98mR2=0.2Hd =1.12m x2= 0.276H d = 1.377mR3=0.04Hd =0.224m x3=- 0.282H d = 1.579mWES 型堰頂下游壩段曲線,當(dāng)壩體上游為鉛直時(shí),可按下式計(jì)算:xn =kHd n-1y式中: Hd -堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭, m. 可根據(jù)容許負(fù)壓的大小按堰頂最大作用水頭 H max 的 75%95%計(jì)算。x,y-原點(diǎn)下游堰面曲線,橫縱坐標(biāo)。在本次設(shè)計(jì)中, K=1.939, n=1.810x1.810=1.939Hd 0.810y代入數(shù)據(jù):坐標(biāo)原點(diǎn)在堰頂,如圖 3.1。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 3-

38、1。表 3-1 WES 曲線計(jì)算表 溢流壩段反弧段是使沿溢流面下泄水流平順轉(zhuǎn)向的工程設(shè)施,通常采用圓弧曲線,反 弧半徑結(jié)合下游消能設(shè)施確定。本設(shè)計(jì)溢流壩段采用挑流消能。根據(jù)混凝土重力壩設(shè)計(jì) 規(guī)范規(guī)定,對(duì)于挑流消能, R=(410 h , h 為校核洪水閘門(mén)全開(kāi)時(shí)反弧段最低點(diǎn)處的水 深。 圖 3.2 溢流壩計(jì)算剖面建立水流的能量旅程 (圖中 0-0至 1-1斷面 222g vh Eo +=式中:E 0 =573.6-546.53=27.07m流速系數(shù),對(duì)于該樞紐為中等長(zhǎng)度的溢流面,取為 0.95 V 該斷面流速 h 該斷面處水深帶入得: 27.07=h+v2斷面流速qV h =式中:q 該處單寬

39、流量, q =Q /B =183/6=30.5m3/s四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)即 v=30.5/h聯(lián)列以上兩式解得: V =18.25m/s h=1.67m 則反弧段半徑可取(6.6816.7 m 。 由經(jīng)驗(yàn)公式:h FrR 2/332=為了設(shè)計(jì)閘墩高度,邊墻頂高程,需計(jì)算水面線。水面以上安全超高可取 0.51.0m 。 根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第六卷 P8-181, 插值計(jì)算:H=6.6m Hd =5.6m H/Hd =1.18因?yàn)橐缌鳛閱慰?無(wú)中墩,采用水工手冊(cè)第六冊(cè)表 27-2-3無(wú)中墩時(shí)的水面曲線坐 標(biāo)表: 中間直線段與堰頂曲線和下部反弧段相切,坡度與非溢流段的下游坡相同,為

40、 m = 0.75,則直線段 cd 與曲線段 bc 相切于 C 點(diǎn), C 點(diǎn)坐標(biāo) X C , Y C 可如下求得:81. 081. 11275. 0XdX dY=直線 cd 的坡度為33. 175. 011=m dXdY所以有33. 1230. 081. 0=tX解之得: Xt =8.72 Yt =6.43冥曲線段長(zhǎng)度 L c當(dāng)下游坡度為 0.75時(shí),直線坡段斜率和下游坡度相同,查水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第六卷圖 27-2-2, 當(dāng)溢流面下游壩坡 =0.75, Xt/Hd=1.25。堰頂上游段曲線長(zhǎng)度 L cu =0.315Hd =3.44m 直線段長(zhǎng)度 L s從切點(diǎn)到直線段上任意一點(diǎn)(Xi , Yi 的

41、距離,計(jì)算見(jiàn)式 : sin (t i si Y Y L -=其中 a 為直線段與水平方向夾角,由坡度 0.75計(jì)算得 a=53o Yt=6.43則從堰頂曲線起點(diǎn)到直線段上任意一點(diǎn)(Xi , Yi 的距離,見(jiàn)式 : 53sin 43. 6(92. 10-+=-=i si ct Y L L L利用韓立公式計(jì)算邊界層厚度 (m1. 0(02. 0-=KL LK-壩面粗糙高度,對(duì)于混凝土壩面,建議取 K=0.4270.61mm, 本階段取 L=0.5 勢(shì)流水深 h p : 222cos pp i gh qh Y H +=+四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)正交于壩面的壩面水深 h : 18.

42、0+=p h h 用試算法在 excel 上推求 h p : 自然摻氣開(kāi)始發(fā)生點(diǎn)的位置 k L , 參考設(shè)計(jì)手冊(cè)公式 27-2-11 718. 02. 12q L k = 經(jīng)計(jì)算, k L =141.93m由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壩長(zhǎng),因此不會(huì)發(fā)生自然摻氣。3.4 閘門(mén)設(shè)計(jì)常用工作閘門(mén)有平面閘門(mén)和弧形閘門(mén),弧形閘門(mén)啟門(mén)力較小,閘墩較薄,無(wú)門(mén)槽,水 流平順,本樞紐只有一個(gè)孔,采用弧形閘門(mén)。閘門(mén)高度: H=正常蓄水位 -堰頂高程 +安全超高 =573-567+0.2=6.2m3.5 邊墻設(shè)計(jì)溢流壩兩側(cè)設(shè)邊墻, 一方面起閘墩作用, 一方面也起分割溢流壩段和非溢流壩段的作 用,邊墩從壩頂延伸到壩趾,邊墩高度由溢流

43、水深決定,一般高出水面 11.5米,根據(jù)實(shí) 踐工程要求,可適當(dāng)提高。由表 1-3可知邊墻高,以便施工方面,邊墻設(shè)置為折線型,具 體布置參照附圖 -溢流壩段剖面圖。3.6 堰頂上游剖面設(shè)計(jì)因?yàn)橐缌髦亓纹拭娲笥诨救切纹拭?為了節(jié)約壩體工程量,但又不影響泄流 能力,可將堰頂突向上游,其突出高度 h 1應(yīng)大于 0.5H max (堰頂最大水頭 。具體布置見(jiàn)附圖 -溢流壩段剖面圖。四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)第四章 挑流消能設(shè)計(jì)挑流消能設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括:選擇鼻坎型式,確定鼻坎高程、反弧半徑、挑角。計(jì)算 挑距和下游沖刷坑深度。4.1 挑流鼻坎型式連續(xù)式鼻坎結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于避免發(fā)生空蝕破壞

44、,急流在挑離鼻坎錢(qián)獲得均化,水 流霧化也輕。其水流平順,射程較遠(yuǎn),施工也方便。本設(shè)計(jì)挑流鼻坎型式采用連續(xù)坎。4.2 挑射角鼻坎挑射角度愈大,跳射距離越遠(yuǎn)。但此時(shí)水舌落入下游水墊的入射角較大,沖刷坑 也就越深。設(shè)計(jì)挑流消能時(shí),可用挑射距離與最大沖刷坑深度的比值作為指標(biāo) , 一般要求 L/tk ' >2.55.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)挑射角一般取 =20o 25o .4.3 反弧半徑鼻坎反弧半徑一般采用(810 h , h 為鼻坎上水深。4.4 鼻坎高程鼻坎坎頂應(yīng)高出下游水位,一般以 12m為宜。本樞紐初步擬定 2m.4.5 水舌挑射距離計(jì)算初步擬定,鼻坎跳射角為 25o , 鼻坎坎頂高出下游水位

45、2m 。下 游 水 位游 最 高 水 位h 1h 2LH圖 4.1 挑距計(jì)算簡(jiǎn)圖 (2sin cos cos sin (121221121h h g v v v gL +=式中: L 水舌拋距,按水舌外緣計(jì)算(m 1v 坎 頂 水 面 流 速 , 約 為 鼻 坎 處 平 均 流 速 v 的 1.1倍 , 即v 1=1.1v=1.102gH .H o 為水庫(kù)水位至坎頂?shù)穆洳? m.鼻坎挑射角, =25° 1h 坎頂垂直方向水深 . 1h =sin h2h 坎頂與河床間的高差正常蓄水位情況:坎頂高程: H2=546.15+2=548.15m. 上游水位高程:H 1=573m 相應(yīng)下游水位

46、高程:H 2=546.15m 建立堰頂?shù)娇岔數(shù)乃髂芰糠匠?222g vh Eo +=式中:流速系數(shù), V 該斷面流速 h 該斷面處水深E =573-543.5=29.5m=0.888E o =567-546.15=20.85m四川大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 草溪河水庫(kù)重力壩設(shè)計(jì)斷面流速qV h =式中:q 該處單寬流量, q =Q /B =102/6=17m3/s即 v=17/h聯(lián)列以上兩式解得:V =18.8m/s h=0.9m 坎頂垂直方向水深:h1=0.9*sin25=0.38m 坎頂至河床面高差:h2=548.15-543.5=4.65m v1= 15. 548573(8. 92888. 01

47、. 1-=23.06m/s 所以挑距:L=65. 438. 0(8. 9225sin 06. 2325cos 06. 2325cos 25sin 06. 238. 91222+=0.102*(203.67+290.71 =50.42m校核洪水位情況: 坎頂高程:H 2=546.53+2=548.53m. 上游水位高程:H 1=573.6m 相應(yīng)下游水位高程: H 3=546.53m 建立堰頂?shù)娇岔數(shù)乃髂芰糠匠? 222g vh Eo +=式中:E 0 =567-546.53=20.47m 流速系數(shù) V 該斷面流速 h 該斷面處水深 E=573.6-543.5=30.1m 所以 =0.908

48、帶入得:斷面流速 :V=q/h 式中:q 該處單寬流量q=Q/b=183/6=30m3/s.m 即v=30.5/h聯(lián)列以上兩式解得:V=18.25m/s h=1.67m坎頂垂直水深:h 1=1.67*sin25=0.71m 坎頂至河床高差 :h 2=548.53-543.5=5.03m所以:v 1= 53. 5486. 573(8. 92907. 01. 1-=23.16m/s挑距: L=03. 571. 0(8. 9225sin 16. 2325cos 16. 2325cos 25sin 16. 238. 91222+=0.102*(205.47+324.88 =53.32m4.6 沖刷坑深度計(jì)算工程常按以下公式估算:250501. . k H q t =式中: k t -為水墊厚度,自水面至坑底的距離, m. q-為單寬流量, m 3/(s.m; H-為上下游水位差, m;-為沖坑系數(shù),本設(shè)計(jì)取 1.0值; 正常蓄水位情況:根據(jù) 混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范 挑流消能的沖坑最低點(diǎn)距離壩址的距離應(yīng)大于 2.5倍坑