混凝土碾压重力坝毕业设计计算书.doc

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第1章 非溢流坝设计 2
1.1坝基面高程de确定 2
1.2坝顶高程计算 2
1.2.1基本组合情况下： 2
1.2.2特殊组合情况下： 3
1.3坝宽计算 4
1.4 坝面坡度 4
1.5 坝基de防渗与排水设施拟定 5
第二章 非溢流坝段荷载计算 5
2.1 计算情况de选择 5
2.2 荷载计算 5
2.2.1 自重 6
2.2.2 静水压力及其推力 6
2.2.3 扬压力de计算 7
2.2.4 淤沙压力及其推力 10
2.2.5 波浪压力 11
2.2.6 土压力 12
第3章 坝体抗滑稳定性分析 13
3.2 抗滑稳定计算 15
3.3 抗剪断强度计算 16
第4章 应力分析 17
4.1 总则 17
4.1.1大坝垂直应力分析 17
4.1.2大坝垂直应力满足要求 18
4.2计算截面为建基面de情况 19
4.2.1 荷载计算 19
4.2.2运用期（计入扬压力de情况） 20
4.2.3运用期（不计入扬压力de情况） 21
4.2.4 施工期 21
第5章 溢流坝段设计 22
5.1 泄流方式选择 22
5.2 洪水标准de确定 23
5.3 流量de确定 23
5.4 单宽流量de选择 23
5.5 孔口净宽de拟定 23
5.6 溢流坝段总长度de确定 24
5.7 堰顶高程de确定 24
5.8 闸门高度de确定 25
5.9 定型水头de确定 25
5.10 泄流能力de校核 26
5.11.1 溢流坝段剖面图 26
5.11.2 溢流坝段稳定性分析 27
（1）正常蓄水情况 27
（2）设计洪水情况 27
（3）校核洪水情况 28
第6章 消能防冲设计 28
6.1洪水标准和相关参数de选定 29
6.2 反弧半径de确定 29
6.3 坎顶水深de确定 30
6.4 水舌抛距计算 31
6.5 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 32
第7章 泄水孔DE设计 33
7.1有压泄水孔de设计 34
7.11孔径Dde拟定 34
7.12 进水口体形设计 34
7.13 闸门与门槽 35
7.14 渐宽段 35
7.15 出水口 35
7.15 通气孔和平压管 35
参考文献 36

毕业设计（论文）任务书

题 目 车家坝河水利枢纽

(碾压重力坝设计)

（任务起止日期 2010 年 3 月29日~ 2010年 6月18 日）

第一章 非溢流坝设计

1.1坝基面高程de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832.0 m。由水位—库容曲线查de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：

库水位以上de超高：

式中--波浪高度，m
--波浪中心线超出静水位de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de1.5~2.0倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s
D-风区长度；m
L--波长；M
H--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de1.8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=894.1m 1.2.1.2 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=0.7577m
可知库水位超高 =2.355m
可知坝顶高程=890.00+2.355=892.355m
1.2.2特殊组合情况下：
Vo=26.5 m/s
故按莆田试验站公式计算：

=6.43×10-3
故 hm=0.4603 m

=1.1146
故 Tm=3.011 s
综合（1）、（2），可知最大坝顶高程取894.1m
1.3坝宽计算
为了适应运用和施工de需要，坝顶必须有一定de宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高de8%~10%。，且不小于3m
所以坝顶宽度=6m，并可算出坝底宽为 78.5m

1.4 坝面坡度

上游坝坡采用折线面，一般起坡点在坝高de2/3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de顶点与正常蓄水位齐平，故重力坝剖面de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de防渗与排水设施拟定
由于防渗de需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。据基础廊道de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。

第二章 非溢流坝段荷载计算

2.1 计算情况de选择
作用在坝基面de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de计算公式：

式中：

可知：
W1=0.56302.49.81=2118.96 KN
W2=662.12.49.81=8772.494 KN
W3=0.566.557.32.49.81=44856.62KN
W=W1+W2+W3=55748.47KN
坝体自重=55748.47KN

2.2.2 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de主要荷载，计算时常分解为水平压力和垂直压力两种。
de计算公式为：

式中：
——计算点de作用水头，；
——水de重度，常取；
（1）基本组合：
正常蓄水位情况：
F1=0.59.81582=16500.42KN
W1=0.5 (58+28) 69.81=2538.72KN
设计洪水位情况：
F1=0.59.8158.092= 16551.67KN
F2=－0.59.8121.72= -2309.715KN
W1=0.5 (58.09+28.09) 69.81= 2536.277KN
W2=0.5 21.727.1259.81= 2887.144KN
（2）特殊组合：
校核蓄水位情况：
F1=0.59.8160.332=17852.77KN
F2=－0.59.8117.52=－1502.156KN
W1=0.5 (60.33+30.33) 69.81=2668.124KN
W2=0.523.6229.5259.81= 3420.651KN

2.2.3 扬压力de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de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de扬压力强度为,坝址处de扬压力强度为,帷幕灌浆和排水孔处de渗透压力为（,de取值如表2-1所示）。
B 扬压力de大小等于扬压力分布图de面积。

图2.1扬压力计算图示

表 2.1 坝底面de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de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
0.25
0.2
0.5
宽缝重力坝
0.2
0.15
0.5
大头支墩坝
0.2
0.15
0.5
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de，排水孔处de。

（1）正常蓄水情况下：
H1=890.0－832.0=58.0
H2=0
U1= γH2=0
U2=-11.50.39.8158=-1962.981 KN
U3=-0.5670.39.8158=-5718.249 KN
U4=0
Ucc=-（0+1962.981+5718.249+0）=-7681.23 KN

（2） 设计洪水情况：
H1=890.9－832.0=58.09
H2=21.7
U1= γH2=-212.877 KN
U2=-11.50.39.8158.09=-1966.027 KN
U3=-0.5670.39.8158.09=-5727.122 KN
U4=-0.511.536.39=-209.2425 KN
Ucc=-（212.877 +1966.027+5727.122+209.2425）=-8115.269 KN
（3）校核洪水位情况：
H1=60.33
H2=17.5
U1= γH2=-171.675 KN
U2=11.50.39.8160.33=-2041.839 KN
U3=-0.5670.39.8160.33=-5947.965 KN
U4=-0.511.542.83=-246.2725 KN
Ucc=-（171.675 +2041.839+5947.965+246.2725）=-8407.751 KN

2.2.4 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：

式中:

，
水平方向：

（2）竖直方向：
Psv=7.360.5(17.8+4) 4=80.224KN

2.2.5 波浪压力
波浪压力计算公式：

式中：

（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：

（2）设计及校核洪水位情况：

第三章 坝体抗滑稳定性分析

3.1 总则

A、按抗剪断强度de计算公式进行计算，按抗剪断强度公式计算de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=78.5 m2。
此时其抗滑稳定安全系数de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′
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

144598.97
144598.97
144598.97
水压力
67144.54
60426.6
60333.51
9025.20
14775.9
15784.29
扬压力

-25586.66
-57222.22
-59984.09
波浪力
4.87
4.87
1.59

淤沙力
3614.42
3614.42
3614.42
964.13
964.13
964.13
土压力
-805.07
48.64
48.64
6688.2
4511.19
4511.19
总计
69958.76
64094.53
63998.16
135689.80
107585.0
105874.49

3.2 抗滑稳定计算
（1）正常蓄水情况
∑W=51617.23 KN
∑P=16889.85 KN
K′=3.05611>3.0

（2）设计洪水情况
∑W=54067.9 KN
∑P=14953.2 KN
K′=3.615809>2.5

（3）校核洪水情况
∑W=54440.77 KN
∑P=17061.85 KN
K′=3.190789>2.3

3.3 抗剪断强度计算
（1）正常蓄水情况
∑W=51617.23 KN
∑P=16889.85 KN
> 3.0
（2）设计洪水情况
∑W=54067.9 KN
∑P=14953.2 KN

> 2.5

（3）校核洪水情况
∑W=54440.77 KN
∑P=17061.85 KN
K′=3.190789>2.3
> 2.3

故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。

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：

4.1.2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）de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de主压应力应不大于混凝土de允许压应力，下游面可允许有不大于0.2Mpa（200Kpa）de主拉应力。

4.2计算截面为建基面de情况

4.2.1 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=2118.96 KN；
W2=8772.494 KN；
W3=44856.62KN

自重力矩计算如下：
M1=2118.96 28.31=59987.76 KNm
M2=8772.49424.2=212294.4 KNm
M3=44856.622.03=91058.94KNm
M =M1+M2+M3=363341.1KNm
4.2.2运用期（计入扬压力de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de情况）
(1)上游面垂直正应力：
T=109.45

(2)下游面垂直正应力：

4.2.4 施工期
(1)上游面垂直正应力：
T=109.45

(2)下游面垂直正应力：

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de超泄能力，采用开敞式孔口，WES实用堰。

5.2 洪水标准de确定

洪水标准de确定：本次设计de重力坝是Ⅲ级建筑物，根据GB50201—94表6.2.1，采用50年一遇de洪水标准设计，500年一遇de洪水标准校核。

5.3 流量de确定

流量de确定：根据基础资料可知，设计情况下，溢流坝de下泄流量为115.75m3/s；在校核情况下溢流坝de下泄流量为176m3/s。

5.4 单宽流量de选择

坝址处基础节理裂隙发育，岩石软弱，综合枢纽de布置及下游de消能防冲要求，单宽流量取20 m3/（s.m）。

5.5 孔口净宽de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de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
115.75
20
5.79
校核情况
176
20
8.8
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de确定

溢流坝段总长度（溢流孔口de总宽度）de确定：根据工程经验，拟定闸墩de厚度。初拟中墩厚d为2.5 m，边墩厚t为3m，则溢流坝段de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de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de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 （m3/s）
侧收缩系数
流量系数
孔口净宽 （m）
堰上水头（m）
堰顶高程（m）
设计情况
115.75
0.92
0.463
16
7.57
883.52
校核情况
176
0.92
0.463
16
9.86
882.47
根据以上计算，取堰顶高程为882.47m。

5.8 闸门高度de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de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de允许值（最大不超过3～6m水柱）

5.10 泄流能力de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de流量系数m，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰de泄流能力。

计算成果汇总如下表：
表5.3 泄流能力校核
计算情况
m

B (m)
H (m)
Q (m3/s)
Q` (m3/s)

设计情况
0.463
0.92
16
7.57
142
141.95
0.0352%
校核情况
0.463
0.92
16
9.86
211
208.33
1.2654%
满足de要求，则符合规范设计de孔口要求。

5.11.1 溢流坝段剖面图

图5.1 溢流坝横剖面图

5.11.2 溢流坝段稳定性分析
（1）正常蓄水情况
∑W=51617.23 KN
∑P=16889.85 KN
> 3.0
（2）设计洪水情况
∑W=54067.9 KN
∑P=14953.2 KN

> 2.5

（3）校核洪水情况
∑W=54440.77 KN
∑P=17061.85 KN
K′=3.190789>2.3
> 2.3
故溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。

第六章 消能防冲设计
通过溢流坝顶下泄de水流，具有很大de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de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de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de选定

本次设计de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°。

6.2 反弧半径de确定
反弧半径R为：
对于挑流消能，可按下式求得反弧段de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/s
Q—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=14m
h1=5.65585(m)
R=（4～10）h
R=22.62～56.56（m）
取R=32（m）

6.3 坎顶水深de确定
坎顶水深计算公式为：

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/s
Q—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de挑角
：
：坎顶至河床面de高差
：堰面流量系数，取0.95；

将这些数据代入水舌抛距de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de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：

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de安全，挑距应有足够dede长度。一般当时，认为是安全de。

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de设计
7.1有压泄水孔de设计
坝体在内水压力de作用下可能会出现拉应力，因此孔壁需要钢板衬砌。
7.11孔径Dde拟定
孔径Dde拟定可依据下式：

式中：Q—每个发电孔引取de流量，m3/s
vp—孔内de允许流速，m/s，对于发电孔vp=5.0~6.0m/s。

7.12 进水口体形设计
进水口体形应满足水流平顺、水头损失小de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de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de进水口曲线应通过水工模型试验进行修改。孔口de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de三向收缩矩形进水口
可知：
a=h=2.11m

孔口de高宽比，故孔口设计符合要求

7.13 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de弧形闸门。

7.14 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。
7.15 出水口
有压泄水孔de出口控制着整个泄水孔de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de90%
可知出水口断面面积A=2.458m2

7.15 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de输水管道。从水库中引水，阀门设在廊道内。平压管de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de断面面积A通=0.022 m2

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