河章谷水利樞紐畢業(yè)設計終稿

1、目錄目錄 摘要：摘要：.i 第一章第一章 基本資料基本資料 .1 1.1 流域及樞紐任務概況.1 1.2 水文氣象資料.1 1.2.1 河流特性 .1 1.2.3 河流泥沙情況 .3 1.2.4 其它 .3 1.3 地形地質情況.3 1.4 工程材料、交通運輸及勞動力供應情況.4 1.4.1 當地材料 .4 1.4.2 交通運輸及勞動力及機械供應條件.4 第二章第二章 壩型選擇與主要建筑物的選擇壩型選擇與主要建筑物的選擇.5 2.1 基礎數據.5 2.2 工程等別.5 2.3 壩基的力學參數.6 2.4 水文條件.6 2.4.1 淤積高程的確定.6 2.4.2 死水位及死庫容的確定.6 2.5

2、 氣象數據.8 2.6 樞紐總布置.8 2.7 壩址選擇.8 第三章第三章 非溢流壩設計非溢流壩設計.9 3.1 剖面設計.9 3.1.2 壩頂寬度 .12 3.1.3 壩底寬度 .12 3.1.4 壩面坡度 .12 3.2 抗滑穩(wěn)定及壩基面應力分析 .13 3.2.1 荷載組合及計算.13 3.2.2 上下游壩面應力計算.19 第四章第四章 溢流壩剖面設計溢流壩剖面設計 .26 4.1 泄水方式的選擇.26 4.2 孔口凈寬的擬定.26 4.3 求溢流壩段凈寬 l0.27 4.4 求堰上水頭 h0.27 4.5 堰型的確定.27 第五章第五章 消能防沖設計消能防沖設計.30 5.1 消能形式

3、及其比較.30 5.2 洪水標準和相關參數的選定 .31 5.3 反弧半徑的確定.31 5.4 坎頂水深的確定.32 5.5 水舌拋距計算.33 5.6 最大沖坑水墊厚度及最大沖坑厚度 .34 第六章第六章 泄水孔的設計泄水孔的設計.36 6.1 有壓泄水孔的設計.36 6.1.1 孔徑 d 的擬定.36 6.1.2 進水口體形設計.36 6.1.3 閘門與門槽 .36 6.2 泄水口斷面設計.38 6.2.1 漸寬段 .38 6.2.2 出水口 .38 6.2.3 通氣孔和平壓管.38 第七章第七章 壩體細部構造設計壩體細部構造設計.39 7.1 壩頂構造.39 7.1.1 非溢流壩 .39

4、 7.1.2 溢流壩 .39 7.1.3 閘門的布置 .39 7.1.4 閘墩 .39 7.1.5 導水墻 .40 7.2 壩體分縫設計.40 7.2.1 橫縫 .40 7.2.2 水平施工縫 .41 7.3 止水設計.41 7.4 廊道設計.41 7.4.1 基礎廊道 .41 7.4.2 壩體廊道 .41 7.5 壩體防滲與排水.41 7.5.1 壩體防滲 .41 7.5.2 壩體排水 .42 7.6 壩體混凝土的強度等級.42 附表：樞紐的技術指標和圖例附表：樞紐的技術指標和圖例.44 附表 1 樞紐的主要技術指標.44 附圖 1 非溢流壩剖面設計計算 .45 附圖 2 非溢流壩剖面設計計

5、算 .46 附圖 3 非溢流壩剖面設計計算 .47 附圖 4 樞紐工程的布置平面圖 .48 附圖 5 樞紐工程的下游立面圖 .49 參考文獻參考文獻.50 致謝致謝.51 畢業(yè)論文承諾書畢業(yè)論文承諾書 .52 春河章谷水利樞紐重力壩設計 指導老師 田奧 信息與工程技術學院 農業(yè)水利工程 蒲蛟 摘要：摘要： 本設計對春河章谷水利樞紐進行了詳細的論述和設計，包括了設計說明書和計算說 明書兩部分。 設計說明書主要包括：春河章谷流域狀況，壩型選擇與主要建筑物的選擇，擋水建 筑物的設計，泄水建筑物的設計。 樞樞紐以防洪和發(fā)電為主，本樞紐屬于中型等工程，永久性建筑物為 3 級，按規(guī) 范要求，采用 50 年

6、一遇洪水設計，500 一遇洪水校核。水庫正常蓄水位 1300.58m，設計 洪水位 1305.31m。其主要建筑物有：非溢流壩、溢流壩、泄水建筑物、消能設施等。 關鍵詞：水利樞紐；設計；重力壩 the gravity dam design of zhang valley on spring river tutor tianao information and engineering technology college agriculture hydraulic engineering pujiao abstract the designs of zhang valley water cont

7、rol project for spring river are discussed in detail and design, including the design specification and calculation instruction in two parts. the design specification mainly includes: spring river zhang valley basin condition, main buildings dam type selection and selection of the design of building

8、s, retaining water discharge water, the design of buildings. atlas of flood control and power hub is given priority to, this dam project belongs to medium-sized permanent buildings is 3 classes, according to standard requirement, the design flood happen 50 years in a flood, 500 dynamic rigidity. the

9、 reservoir 1300.58 m, normal impoundment level of design flood 1305.31. and its main building has: the overflow, overflow and discharging water buildings, energy facilities, etc. keywords: hydro project；design；gravity dam 第一章第一章 基本資料基本資料 1.1 流域及樞紐任務概況流域及樞紐任務概況 春河屬于山區(qū)河道，流域內多高山峽谷，平原范圍甚小，章谷以上河床平均坡度為 1/

10、600，以下平均坡度為 1/1000，坡陡流急，暴雨急流時間甚短，每逢暴雨，山洪暴發(fā)， 易泛濫成災，下游農田受到洪水威脅，流域內山區(qū)占 70，墾地占 30。 本流域內除糧食外，還出產棉花、桐油、木耳、藥材等，上游以發(fā)現銅、銀、鋅、鉛、 鐵等礦很多，但目前尚未得到開發(fā)，春河本身雖流量不大，但因地勢關系，水流遄急，蘊 藏著豐富的水力資源。 春河灘多流急，航行不便，故暫可不考慮航運問題。春河左岸有公路干線通過，交通 較便，右岸則僅有山區(qū)小道。 本樞紐位于春河上游山區(qū)，壩址選定在張谷，主要任務是防洪發(fā)電。發(fā)電尾水可供下 游農田灌溉，規(guī)劃中僅在章谷以下 120km 處興建壅水樞紐引水灌溉。 規(guī)劃部門根據

11、滿足各水利專業(yè)部門的需要，提出了下列數據，可作為設計水工建筑物 的依據： 水電站正常高水位 1300.58m 最有利工作深度 41m 汛前水位 1287m 水庫最高水位不得超過 1305.31m 設計泄水時下游安全泄量 807m3/s 校核洪水時下游安全泄量 956m3/s 電站裝機容量 45000kw 機組數目 7 臺 電站最大引用流量 140m/s 水輪機型式 hl-220-lh-250 1.2 水文氣象資料水文氣象資料 1.2.1 河流特性 降雨為形成春河洪水的原因,本流域水災多由暴雨產生。洪水一般出現在 710 月份， 因坡陡流急，洪峰漲落時間很短，一般為 23 天。 表 1-1 各種

12、頻率下的最大洪峰流量（m/s） 頻率 （%） 0.010.10.512510 夏秋季 1110902770730675600540 冬春季 350330285 表 1-2 實測洪峰過程（m/s） 時間（h） 04812162024283236 流量（m/s) 3540108216486597512436373310 時間（h） 404448525660646872 流量（m/s) 2481931561168863534031 表 1-3 實測月平均流量（m/s） 月份 123456789101112 流量 （m/s) 252432601801911831401701353522 表 1-4 多

13、年平均降雨量（mm） 月份 項目 123456 多年平均 降雨量（mm） 10.734.244.156.9135165 多年平均 降雨日數（d） 58.68.68.29.87.4 月份 項目 789101112 多年平均 降雨量（mm） 191.618190.495.954.417.1 多年平均 降雨日數（d） 1211.410.61110.85.4 最多雨量發(fā)生在 1952 年，共計 201mm，最少雨量發(fā)生在 1954 年，只有 37mm。一 日最大雨量達 196mm。 1.2.2 氣溫情況 本流域氣候溫和，年平均溫度約為 17，最低月平均溫度為 4.6，極少冰凍現象， 最高月平均溫度不超

14、過 50，故夏季亦不太熱，一年四季都可以施工。 表 1-5 每月的氣溫變化（）： 月份 123456789101112 月平均溫度 4.661217.123.425.528.529.223.115.111.88 最高溫度 20.121.829.535.638.140.24036.836.532.122.119.7 最低溫度 -9.5-9-3.1-3.15.111.616.111.79.93-6-9.3 表中所示溫度皆以攝氏度表示。 1.2.3 河流泥沙情況 泥沙大部分是頁巖風化的產物，顆粒很細。據資料統(tǒng)計，該工程多年平均輸沙量為 3.57wt， ，查得淤沙的飽和容重為 19.5kn/m3。在預

15、留淤沙庫容時，水土保持有效年限估計為 30 年。 1.2.4 其它 本地區(qū)多年平均最大風速為 14m/s，設計情況計算風速 21m/s，校核情況風速 14m/s，吹程為 1km。 1.3 地形地質情況地形地質情況 張谷壩址右岸高山重疊，交通不便。左岸地勢較平坦，小丘陵綿延。在張谷上游地 形開闊，可以蓄水，容納水量很多。張谷是一個峽谷，兩岸懸崖陡壁，十分險要，河岸 狹窄，寬僅一百余米，是理想的筑壩地點。 壩址地質為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石，石質堅硬。右岸山崗覆有薄層黃土。 在甲壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為 5m，巖石風化厚度為 3m。左岸巖石露 頭，節(jié)理不多，風化層有 3m 米多厚。

16、 在乙壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層較厚，最后的達 18m。風化巖石最厚的達 7m。左岸山頭亦有沙壤土覆蓋。 經過調查研究，已查明壩址附近無斷層。壩址基礎石英巖的抗壓強度為 1000 1200kg/cm2，摩擦系數為 0.65?？辜魯嗄Σ料禂禐?1.1 ，抗剪斷凝聚力為 1.2mpa。 本地區(qū)曾發(fā)生過輕微地震，據分析地震烈度為 4 級。 1.4 工程材料、交通運輸及勞動力供應情況工程材料、交通運輸及勞動力供應情況 1.4.1 當地材料 石料 距壩址上游一公里處，兩岸石英巖及頁巖可大量開采，而且石質良好。 在 25 次凍融之后，抗壓強度為 900kg/cm2。 砂料 距壩址上游 3km 處，灘地

17、有堅硬的礫石和粗砂，蘊藏量約有 40 萬 m3，砂為 石英顆粒，是風化產物。 土料 距壩址上游 5km 處有粘壤土，蘊藏量約為 20 萬 m3，其內摩擦角為 20 (飽和的) ，天然干容重 =1.6t/m3，滲透系數值為 410-7cm/s。 木材 可自距壩址 15 公里的深山內取得。 1.4.2 交通運輸及勞動力及機械供應條件 目前主要交通運輸靠公路干線，公路干線距壩址左岸約 2km。水泥鋼材可由公路自 離壩址 60km 處的甲城運來。 附近無施工動力，機械可由甲城供應。普通工人當地可以供應三萬人，技術工人可 由甲城調來。 第二章第二章 壩型選擇與主要建筑物的選擇壩型選擇與主要建筑物的選擇

18、2.1 基礎數據基礎數據 由圖 2-1 下游水位流量關系曲線可知當流量為零時，水位為 1253m，即河床高程為 1253 m。假設向下開挖地基 3 m，則壩基面高程為 1253-3=1250 m。 下游水位流量關系曲線 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 125212541256125812601262 水位(m) 流量(m3/s) 流量（m3/s） 圖 2-1 2.2 工程等別工程等別 經查表（課本 p10 表 1-1） ，由水庫總庫容為 1490 萬 m3(0.149 億 m3)可判斷該工程為 中型級工程；由灌溉面積 6.28 萬畝可判斷該工程為中型級工程；由

19、電站裝機容量為 2250=500kw1 萬 kw 可判斷為?。?）型級工程。對于綜合利用的水利水電工程，其 工程等別應按其中最高等別確定，所以該工程為中型級工程。 我們所設計的建筑物為大壩，屬永久性水工建筑物，查表（課本 p10 表 1-2）可得 該大壩屬于 3 級主要建筑物，再查表（課本 p11 表 1-3）可得該水工建筑物的結構安全級 別為級。 2.3 壩基的力學參數壩基的力學參數 由于巖體較完整，有一定強度，抗滑、抗變形性能受結構面和巖石強度控制，可根 據表 1-4（混凝土重力壩設計規(guī)范壩基巖體工程地質分類及巖體力學系數表）判斷該 壩基巖體的工程地質分類為中硬巖等。從而根據規(guī)范可查得混凝

20、土與壩基接觸面的抗 剪斷參數為：，抗剪參數為：。 1.10 0.90,1.10 0.70()fcmpa0.65 0.55f 2.4 水文條件水文條件 本樞紐屬于中型等工程，永久性建筑物為 3 級，按規(guī)范要求，采用 50 年一遇洪水 設計，500 一遇洪水校核。 2.4.1 淤積高程的確定 該工程多年平均輸沙量為 3.57 萬噸，本工程考慮正常運行期為 30 年，查得淤沙的飽 和容重為 19.5kn/m3,則淤積庫容為： 4 3.57 1030 9.8 53.8m 19.5 m v r 3 萬 由圖 1-2 查得相對應的淤積高程為 1265m,淤沙高度為 1265-1250=15m,由于淤積庫

21、容相對于總庫容很小，故可不設排沙系統(tǒng)。 2.4.2 死水位及死庫容的確定 在滿足一定生態(tài)要求的條件下，死水位越低死庫容越小，興利庫容越大，經濟效益 越高，所以一般死水位取略高于淤積高程，即取 1270m。 查圖 2-2 可得對應的死庫容為 108.99 萬 m3，興利庫容=正常蓄水位以下庫容-死庫容 =1188.99-108.99=1080 萬 m3 圖 2-2 因此可得下表： 表 2-1 特征水位 上游水位 （m） 下游水位 （m） 庫容（萬 m3） 溢流壩泄量 （m3/s） 校核洪水位1304.341258.141490965 設計洪水位1303.431257.261413807 正常蓄水

22、位1300.581188.99 死水位1270108.99 水位庫容關系曲線 0 500 1000 1500 2000 2500 1260128013001320 高程（m） 庫容（萬m3） 系列1 2.5 氣象數據氣象數據 本地區(qū)多年平均最大風速為 14m/s，設計情況計算風速 21m/s，校核情況風速 14m/s，吹程為 1km。 2.6 樞紐總布置樞紐總布置 根據對地形、地質、天然建筑材料等因素的考慮，本工程選用混凝土重力壩方案。 重力壩由溢流壩段和非溢流壩段組成。 2.7 壩址選擇壩址選擇 經地質勘查和流域資料分析，壩址選在平直峽谷段(長 1.0km)的出口處，壩軸線長度 (兩岸等高線

23、 1310.0m 間的距離)540.0m，左岸平均坡度 1：0.5，右岸平均坡度 1：0.45， 下游 500m 開始右岸有 1.5km2平地。 第三章第三章 非溢流壩設計非溢流壩設計 3.1 剖面設計剖面設計 3.1.1 壩頂高程的確定 （1）波浪要素按官廳水庫公式計算： （m） ； 5/41/3 0 0.00166 l hvd （m） ； 0.8 10.4 l lh （m） ；（一般峽谷水庫因，所以：） ； 2 2 coth l z hh h ll 2 l h 2 l z h h l lzc hhhh 其中： 為計算風速，m/s。正常蓄水位和設計洪水位時，宜采用相應季節(jié) 50 年重現期最

24、0 v 大風速，校核洪水位時宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值。 吹程，m；d 波長，m；l 波浪高度，m； l h 波浪中心線高于靜水位的高度，m； z h 壩前水深，m；h 超高，m； h 安全加高（根據建筑物的安全級別可查表 2-1，課本 p34，由于該工程的結構 c h 安全級別為級，故查得，） 。0.5 c h 設 0.4 c h 校 （2）max(hh ) 設校 防浪墻頂高程正常蓄水位+，校核洪水位+ 其中： 正常蓄水位基本荷載組合作用下需要的超高；h 設 校核洪水位時需要的超高。h 校 計算過程如下： 1、在正常蓄水位中： 5/41/3 0 5/41/3 0.00166 0.0

25、0166 211000 0.746 l hvd 設設 取0.75 l h 設 0.8 0.8 10.4 10.4 0.75 8.226 l lh 設設 （） 取0.823l 設 2 2 2 coth 3.14 0.752 3.14 (1300.58 1253) coth 8.238.23 0.21 l z hh h ll 設設 設 設設 則，在正常蓄水位時，超高為： 0.750.21 0.5 1.46 lzc hhhh 設 設設設 則在正常蓄水位的情況下： 防浪墻高程為=水位高程+超高=1300.58+1.46=1302.04m 2、再校核蓄水位中： 5/41/3 0 5/41/3 0.001

26、66 0.00166 141000 0.449 l hvd 校校 取0.45 l h 校 0.8 0.8 10.4 10.4 0.449 5.487 l lh 校校 （） 取5.49l 校 2 2 2 coth 3.14 0.452 3.14 (1304.34 1253) coth 5.495.49 0.12 l z hh h ll 校校 校 校校 則在校核蓄水位時，超高為： z 0.450.120.4 0.97 lc hhhh 校校校校 則在校核蓄水位的情況下： 防浪墻高程為=水位高程+超高=1304.34+0.97=1305.31m （3）經計算可得下表 3-1 基本情況 水位高程 （m）

27、 v0 m/s d km l h m l m z h m c h m lzc hhhh m 防浪墻高程 （m） 正常蓄水位1300.582110.758.230.210.51.461302.04 校核洪水位1304.341410.455.490.120.40.971305.31 經比較可知防浪墻墻頂高程=max(1302.04,1305.31)=1305.31m。假設防浪墻修 1.2m 高， 則壩頂高程=1305.31-1.2=1304.11m，最大壩高=1304.11-1250=54.11m，取 54m。 3.1.2 壩頂寬度 按規(guī)范，考慮交通需求，壩頂寬度取 7m。 3.1.3 壩底寬度

28、根據工程經驗，壩底寬度一般為 0.70.9 倍的壩高。取底寬與壩高比為 0.8： 此時壩底寬 b 0.8 54.1143.29bm 則大壩壩底寬取 43m。 3.1.4 壩面坡度 上游壩面采用鉛直；下游坡面采用基本三角形頂點與校核洪水位齊平的剖面形式， 則折坡處向上延伸與校核洪水位相交。根據幾何關系，可得坡度為 1:0.8，下游折點高程 為 1295.55m。 因此可得非溢流壩段剖面尺寸如圖 3-1。 1305.31 1304.111304.34 1303.43 1250 1280 385 圖 3-1 非溢流壩段剖面面尺寸 1257.26 1258.14 43 1:0.8 54 1295.55

29、 1300.58 7 3.2 抗滑穩(wěn)定及壩基面應力分析抗滑穩(wěn)定及壩基面應力分析 3.2.1 荷載組合及計算 選取兩種荷載組合進行計算，分別為基本組合對應的是設計洪水位，偶然組合對應 的是校核洪水位。 由于壩基地質條件不是很好，即在離壩踵 5m 處設置防滲帷幕和排水孔。滲透壓強系 數。荷載分布如下圖 3-2（沿壩軸線方向取 1m 寬壩體作為計算單元）：25 . 0 圖 3-2 荷載分布圖 圖中 p1為上游水壓力；p2為下游水壓力，w 為壩體自重；u 為揚壓力,ps 為泥沙壓 力。 p2 1 h w 2 h w u w p1 ps 設壩基面水平，根據抗剪斷理論分析及其計算公式得： p acuwf

30、ks 大壩在任何水平截面以上的壩體所承受的總水平推力，kn； p 為水平截面所承受的正壓力； w 該平面上的摩擦系數（?。?； f 1.2f 抗剪斷凝聚力（?。?c 1.1cmpa a滑動截面面積； 設計洪水位時3.0；校核洪水位時2.5ksks 設下游壩面與水平地面的夾角分別為： ，因為坡度為 1:0.8。 可由三角函數得 、 625 . 0 cos781 . 0 sin 圖 3-3 將壩體分為一個矩形和一個三角形，如上圖 3-3 其中矩形面積 s矩 ； 2 54 7378shlm 矩 7 7 36 43 54 45 9 而在三角形中 三角形高為 h： ，m m lb h45 8 . 0 7

31、43 三角形的底長為: 。mlb36743 則三角形面積 s： 2 11 45 36810 22 shbm a、設計洪水位時的抗滑穩(wěn)定性計算：設計洪水位時的抗滑穩(wěn)定性計算： 依據表 2-1 可知，該河流上游水位為 1303.43m,下游水位為 1257.26m。 則可得： 上游水深 h1=1303.43-1253=50.43m， 下游水深 h2=1257.26-1253=4.26m 壩體自重： ； 1 2 1 2424 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7+ 上游水壓力： ； 1 2 1 2 1 2 0.5 9.8 50.43 12461.6 w ph kn

32、 下游水壓力： ； 2 22 2 1 2 0.5 9.8 4.26 88.9 w ph kn 水平方向分力： ； 22sin 88.9 0.781 69.4 x pp kn 豎直方向分力： ； 22cos 88.9 0.625 55.6 y pp kn 揚壓力的計算： 由于設置有防滲帷幕，滲透壓強系數。則壩底面上游處（壩踵）揚壓力25 . 0 作用水頭為50.43m， 1 h 排水孔中心處： m 8 . 1526 . 4 43.5025 . 0 26 . 4 212 hhh 壩地面下游處（壩址）揚壓力作用水頭 h2=4.26m，各段之間都是直線連接。總的揚 壓力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如

33、圖 3-2 所示： 2221 11 15.8515.8515.85 22 43 4.260.5 (15.84.26) (435)(15.84.26) 50.5 (50.43 15.8) 59.8 183.18219.2657.786.5759.85357.8 w ubhhbhh kn 泥沙壓力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn 則有 12 12461.6401.3469.4 12793.54 sx pppp kn 所以 2 1.2 (2851255.65357.8) 1.1 43 12793.54

34、3.23.0 y fwpuc a ks p ks 滿足我國混凝土重力壩設計規(guī)范sdj 2178 及其補充規(guī)定(84)水電水規(guī)字第 131 號所規(guī)定的按剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數。 b、校核洪水位時的抗滑穩(wěn)定性計算校核洪水位時的抗滑穩(wěn)定性計算： 依據表 2-1 可知，該河流上游水位 1304.34m，下游水位 1258.14m。 則可得 上游水深 h1=1304.34-1253=51.34m 下游水深 h2=1258.14-1253=5.14m 壩體自重： ； 1 2 1 24 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7 24+ 上游水壓力： ； 1 2 1 2

35、 1 2 0.5 9.8 51.34 12915.4 w ph kn 下游水壓力： ； 2 22 2 1 2 0.5 9.8 5.14 129.5 w ph kn 水平方向分力： ； 22sin 129.5 0.781 101.1 x pp kn 豎直方向分力： ； 22cos 129.5 0.625 80.9 y pp kn 壓力的計算： 由于設置有防滲帷幕，滲透壓強系數。則壩底面上游處（壩踵）揚壓力25 . 0 作用水頭為51.34m。 1 h 排水孔中心處： mhhh69.1614 . 5 34.5125 . 0 14 . 5 212 壩地面下游處（壩址）揚壓力作用水頭 h2=5.14m

36、，各段之間都是直線連接?？偟?揚壓力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如圖 3-2 所示： 2221 11 16.69516.69516.695 22 43 5.140.5 (16.695.14) (435)(16.695.14) 50.5 (51.34 16.69) 5 9.8 221.02219.4557.7586.625 9.85731.5 w ubhhbhh kn 泥沙壓力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn 則有 12 12915.4401.34 101.1 13215.64 sx pppp k

37、n 所以 2 1.2 (2851280.95731.5) 1.1 43 13215.64 3.12.5 y fwpuc a ks p ks 滿足我國混凝土重力壩設計規(guī)范sdj 2178 及其補充規(guī)定(84)水電水規(guī)字第 131 號所規(guī)定的按剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數。 3.2.2 上下游壩面應力計算 重力壩設計時，除了按規(guī)范核算沿壩基面的抗滑穩(wěn)定要求，還要核定大壩在施工期 和運行期是否滿足強度要求。在一般情況下，壩體的最大、最小正應力和主應力都出現 在上下游壩面，所以重力壩設計規(guī)范規(guī)定，應核算上下游壩面的應力是否滿足強度要求。 基于以下三點基本假定： （1）壩體混凝土為均質、連續(xù)、各項同性

38、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，永久橫縫不傳力； （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。 應用材料力學方法分析重力壩在正常蓄水位(1300.58m)下的應力。 為方便計算，假設下游水深為 0m。如圖 3-4 建立坐標系，坐標原點為 o，壩踵為 o1,壩 址為 o2，則基礎數據計算如下： 圖 3-4 正常蓄水位時： 上游水深 h1=1300.58-1253=47.58m； 下游水深 h2=0 上游水壓力： x y u w p1 ps o2 o1 2 11 2 1 2 0.5 9.8 47

39、.58 11092.9 w ph kn ：作用點距壩踵 11 1 o =h 3 1 47.58 3 15.86m 壩體自重： 1 2 1 24 45 36 2 28512 whlh bl kn 混混 （） =54 7 24+ ：作用點距壩踵 1 54 736 12 2 o7.1m 1 54 736 2 1 （-3. 5）+45 45 揚壓力的計算： 由于設置有防滲帷幕，滲透壓強系數。則壩底面上游處（壩踵）揚壓力作用25 . 0 水頭為47.58m， 1 h 排水孔中心處： mhhh 9 . 11034.5125 . 0 0 212 壩地面下游處（壩址）揚壓力作用水頭 h2=0m，各段之間都是直

40、線連接?？偟膿P壓 力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如圖 3-4 所示： 1 11 11.9511.9 511.95 22 5 11.9 9.80.5 (435) 11.9 9.80.5 (47.58 11.9) 5 9.8 3673.04 w ubh kn 作用點距壩踵： 1 13812 ( 4.5) 5 11.938 11.9 (2)(47.58 11.9) 5 (42) 2223 11 5 11.938 11.9(47.58 11.9) 5 22 o 泥沙壓力： 22 22 1 tan (45) 22 27 0.5 9.5 15tan (45) 2 401.34 s ssbs ph kn

41、作用點距壩踵： 1 22 o1510m 33 s h 對壩踵的彎矩： 1 28512 (77.1) 11092.9 15.86401.34 103673.04 (4.457) 539909.7 o m knm 對壩址的彎矩： 2 28512 (367) 11092.9 15.86401.34 103673.04 (364.45) 528165.6 o m knm 3.2.2.1 水平截面上的正應力（以壓應力為正，下同） 上游： yd 2 2 6 285126 ( 528165.6) 4343 23770 wm bb kpa 下游： yu 2 2 6 285126 539909.7 4343 2

42、4150 wm bb kpa 壩踵、壩址處均沒有出現拉應力，滿足工程規(guī)范要求。 3.2.2.2 剪應力（、） u d 上游面水壓力強度和泥沙壓力強度和： 2 1 2 27 tan (45) 2 27 9.8 47.589.5 15 tan (45) 2 519.8 o o uwsbs o o phh kpa 下游面水壓力強度： 2 9.8 0 0 dw ph 上游揚壓力強度： 1 9.8 47.58 466.3 uuw ph kpa 下游揚壓力強度： 0 ud p 上游剪應力： () (519.8466.32415) 0 0 uuuuyu ppn 說明：剪力為零，說明為主應力面。 下游剪應力：

43、 () (237700) 0.8 1901.6 dydudd pp m kpa 其中 n 為上游壩坡坡率，為上游壩面與豎直面的夾角。因為上游壩tan u n u 坡鉛垂，故為 0，n 也為 0；m 為下游壩坡坡率，為下游壩面與豎直 u tanmd d 面的夾角，易得 m=0.8。 3.2.2.3 水平正應力() xuxd 、 () (519.8466.3)0 53.5 xuuuuu ppn kpa () 0 1901.6 0.8 1521.28 xddudd ppm kpa 3.2.2.4 主應力 1212 ( uudd 、及、） 22 1 (1)() 24150 2415 uyuuuu np

44、pn kpa 2 519.8466.3 53.3 uuuu pp kpa 22 1 22 (1)() (1 0.8 ) 23770.80 3898.28 dyddud mppm kpa 2 0 ddud pp 第四章第四章 溢流壩剖面設計溢流壩剖面設計 4.1 泄水方式的選擇泄水方式的選擇 重力壩的泄水方式主要有開敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外還可以排除冰凌 或其他漂浮物；設置閘門時，閘門頂高程大致與正常高水位齊平，堰頂高程較低，可利 用閘門的開啟高度調節(jié)水位和下泄流量，適用于大中型工程，采用開敞式溢流水庫有較 大的泄洪能力，本設計采用開敞式溢流。 4.2 孔口凈寬的擬定孔口凈寬的擬定 孔

45、口凈寬按以下公式計算： q b q 溢 其中 q溢 為下泄流量； q 單寬流量。 由已知條件：50 年一遇洪水，相應洪峰流量為 961m3/s； 500 年一遇洪水，相應洪 峰流量為 1572 m3/s。經調洪演算求得設計洪水位達 1303.43m，相應下泄流量為 807 m3/s ；校核洪水位 1304.34m，相應下泄流量為 965m3/s。q2050m/s，下游河床寬為 =45m。分別計算設計水位和校核水位情況下溢洪道所需的孔口寬度如下表 下 l 表 4-1: 計算情況 流量 q(m3/s) 單寬流量 q(m3/s) 孔口凈寬 b(m) 設計水位807205040.3516.14 校核水

46、位965205048.2519.3 根據以上計算，取孔口凈寬 b=30m，設計洪水位時單寬流量為 27m/s,為了保證泄洪 時閘門的對稱開啟，?。好靠變魧?b=5m，孔數 n=7。 4.3 求溢流壩段凈寬求溢流壩段凈寬 l0 根據閘門的形式取閘墩厚度 d1.2m，由上述計算孔口凈寬 b5m，總和分別為 b 與 d。 則溢流前緣總長 l0為： l0b+d=nb+(n-1)d =75+(7-1)1.2 =42.2m45m。 4.4 求堰上水頭求堰上水頭 h0 由公式可確定堰上水頭，公式為 0 h 2/3 0 2 hgmbq 溢 其中閘墩側收縮系數，與墩頭形式有關，取=0.92； m流量系數，按 w

47、es 溢流面曲線查武漢大學出版社出版水力學得 m=0.502； g重力加速度，g=9.8m/s。 當設計洪水位時， =807 m3/s,b=30m,即=5.575.6m 溢 q 0 h 驗算：當校核洪水位時，泄流量為 965 m3/s，=5.6m,代入公式求得孔口凈寬 溢 q 0 h b 為 35.6m,對應的校核水位單寬流量 q 為 27 m/s，不大于設計水位的單寬流量 27m/s， 滿足條件，說明設計合理。 所以取溢流壩段堰上水頭 =5.6m,堰頂高程為: 1305.31-5.6=1299.71m。 0 h 4.5 堰型的確定堰型的確定 溢流面由頂部曲線段、中間直線段和下部反弧段三部分組

48、成。設計要求： （1）有較高的流量系數，泄流能力大； （2）水流平順，不產生不利的負壓和空蝕破壞； （3）體型簡單，造價低，便于施工等。 頂部曲線段 （1）由于 wes 溢流曲線的流量系數較大且剖面較瘦，工程量教省，壩面曲線用方程 控制，容易找到切點位置，施工教方便，故采用 wes 溢流堰形式。 wes 溢流剖面堰型采用冪曲線公式如下： b dd h x a h y 其中定型設計水頭，為了防止出現負壓和得到經濟的剖面，采用堰頂水頭 d h hd=(0.750.95) h0，取 hd=0.8 h0=4.48m。 a、b系數，與堰的上游系數面傾斜坡度有關，由水工建筑物課本 p106 可知， 當上游

49、面為垂直的時候 a=0.5,b=1.85 ； x、y以堰頂最高點為原點坐標。 化簡為 85 . 1 85 . 1 03 . 0 48 . 4 5 . 0 x x y 圖 4-1 圖 4-2 溢流壩壩型 （2）堰頂曲線與堰下游面的連接點：堰頂曲線和下游壩面應該是光滑連接，即下游 壩面直線是堰頂曲線在交接點的切線。這兩條直線的斜率應相等。堰下游面坡度與非溢 流壩段的下游面相同為 1：m=1:0.8。設兩曲線相交點坐標為（x,y）,易知下游壩面直線斜 率為 k=1.25,堰頂曲線在焦點處斜率為曲線方程對 x 求導： 1.85 1.85 0.5 4.48 (0.03) 1.25 x y x k 可求得

50、 x=39.02、y=26.37 第五章第五章 消能防沖設計消能防沖設計 5.1 消能形式及其比較消能形式及其比較 通過溢流壩頂下泄的水流，具有很大的能量，必須采取有效地消能措施，保護下游 河床免受沖刷。消能設計的原則是：消能效果好，結構可靠，防止空蝕和磨損，以保證 壩體和有關建筑物的安全。設計時應根據壩址地形，地質條件，樞紐布置，壩高，下泄 流量等綜合考慮。 表 5-1 消能形式及其比較 消能形式原理及其特點適用情況 底流消能 基本原理是使水流產生臨界水躍，通過 表層旋滾消能；它常需要護坦，消力池等措 施，對于基巖往往不夠經濟。 常用于水閘。 挑流消能 挑流消能，利用鼻坎將自溢流面下泄的 高

51、速水流向空中拋射，使水流擴散并卷入大 它一般適用于基巖上的 水工建筑物，特別是高水頭、 量的空氣，然后落入下游河床的水墊中。水 流在同空氣摩擦的過程中，消耗了約 20%的 能量。拋射到下游河床水墊后，形成強烈的 旋滾區(qū)，沖刷河床形成沖坑，同時消耗掉大 部分的能量。 大流量的泄水建筑物。 面流消能 面流消能的原理是將高速水流挑至尾水 面，在標成主流和河床之間形成逆流漩渦和 躍波，通過旋渦和主流擴散而消能。水流在 表面可減輕對壩下河床的沖刷，但是可能水 滾裹挾石塊，磨損壩腳地基。 它適用于下游尾水較深， 流量變化范圍小，水位變幅 不大的情況，由于表層水流 速很大，對下游的電站和航 運有影響。 消力

52、戽消能 它將鼻坎設置在水下，不形成自由水舌， 水流在戶戽產生旋滾，經鼻坎將高速主流挑 射至水流表面，消耗大量動能。 它一般適用于尾水較深， 變幅較小，無航運要求，切 地基條件比較好的情況。 消能形式及原理：重力壩的下泄水流具有很大的能量，如不能妥善的消除水流的能 量，將沖刷建筑物及河床基巖，危及建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流 消能、面流消能和消力戽消能等，他們的比較列于表 5-1 5.2 洪水標準和相關參數的選定洪水標準和相關參數的選定 本次設計的重力壩是 3 級水工建筑物，根據 sl2522000 表 3.2.4，消能防沖設計采 用按 50 年洪水重現期標準設計。 根據地形地質

53、條件，選用挑流消能。根據已建工程經驗，挑射 =20。 設反弧段起始點和挑出點在同一高程處。當下泄流量為 807m3/s 時，由下游流量水位 曲線關系可得下游水位為 1257.26m，下游水深為 1257.26-1250=7.26m。此時按 1：0.8 的 比列計算大壩下游淹沒寬度為：5.8m。 該工程采用挑流消能工，根據下泄水流應該在高于下游水位大約 1m 處將水流挑出， 確定鼻坎高程為坎=1258.26m。挑角由工程類比經驗和試驗成果取得2=20。 5.3 反弧半徑的確定反弧半徑的確定 反弧半徑 r 為： 對于挑流消能，可按下式求得反弧段的半徑 2vgh 1 q bv h 堰面流速系數，取

54、0.95； h設計洪水位至坎頂高差，h=1303.43-1258.26=45.17m (取坎頂高程為 1258.26m) 故算出 m3/s20.952 9.8 45.1728.27vgh q校核洪水時溢流壩下泄流量，(965m3/s)； b鼻坎處水面寬度，m，此處 b=單孔凈寬+2邊墩厚度； b=5+23=11m 1 965 3.1 11 28.27 q bv h r=（410）h r=12.431（m） 根據經驗，取 r=8（m） 此時反弧最低點高程： 2 cos 1258.268 cos208 1257.8 rr m 坎 圓心高程： 02 cos 1258.268 cos20 1265.8

55、 r m 坎 5.4 坎頂水深的確定坎頂水深的確定 坎頂水深計算公式為： q h bv 坎頂水流流速 v 按下式計算： 2vgh 堰面流速系數，取 0.95； h設計洪水位至坎頂高差，h=1303.43-1258.26=45.17m (取坎頂高程為 1258.26m) 故算出 m3/s20.952 9.8 45.1728.27vgh q50 年一遇洪水時溢流壩下泄流量，(807m3/s)； b鼻坎處水面寬度，m，此處 b=單孔凈寬+2邊墩厚度； b=5+23=11m 故坎頂平均水深： 1 807 2.6 11 28.27 q hm b v 5.5 水舌拋距計算水舌拋距計算 根據 sl253-2

56、000溢洪道設計規(guī)范，計算水舌拋距和最大沖坑水墊厚度。 計算公式： 水舌拋距計算公式： )(2sincoscossin 1 21 22 11 2 1 hhgvvv g l l：水舌拋距 ： 1 v為為為為為為為為為為為為ho為 21 . 11 . 1 為為為為為為 01 ghvv坎 ：鼻坎的挑角 ： 1 h 為為為為為為為為h為 cos 為 為為為為為為為為 1 ， h h ：坎頂至河床面的高差 2 h ：堰面流量系數，取 0.95； 1 cos0.281 cos200.27hhm 2 851.0848.22.8hm 將這些數據代入水舌拋距的公式得： 2 22 1 31.1sin20cos20

57、 9.8 31.1 cos2031.1sin 202 9.8 (2.445.26) 65.18 l m 5.6 最大沖坑水墊厚度及最大沖坑厚度最大沖坑水墊厚度及最大沖坑厚度 最大沖坑水墊厚度公式： 25 . 0 5 . 0 hkqtk ：水墊厚度，自水面算至坑底。 k t ：單寬流量，由前面的計算可得單寬流量為 20； q ：上下游水位差，根據資料可得水位差為 40.5m； h ：沖刷系數，（這里根據地質情況取 1.5）； k 將數據代入公式得： 1303.43 1257.646.17hm 0.50.25 1.5 2746.1720.32 k tm 所以最大沖坑水墊厚度為 20.32m。 最大

58、沖坑厚度估算： 0.50.25 2k tkqhh 2 5.26h 20.325.2615.06 k tm 圖 5-1 沖坑厚度圖示 為了保證大壩的安全，挑距應有足夠的的長度。一般當時，認為是安全的。 /2.55.0 k nl t 計算結果為 65.18 4.33 15.06 k l n t 所以滿足規(guī)范。 故，其消能防沖設計符合規(guī)范設計要求。 第六章第六章 泄水孔的設計泄水孔的設計 6.1 有壓泄水孔的設計有壓泄水孔的設計 壩體在內水壓力的作用下可能會出現拉應力，因此孔壁需要鋼板襯砌。 6.1.1 孔徑 d 的擬定 孔徑 d 的擬定可依據下式： p q d v 式中：q每個發(fā)電孔引取的流量，m

59、3/s vp孔內的允許流速，m/s，對于發(fā)電孔 vp=5.06.0m/s。 6.1.2 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，進水口形狀應盡可能符合流線變化 規(guī)律。工程中常采用橢圓曲線活著圓弧形的三向收縮矩形進水口 橢圓方程為： 2 2 22 1 y x ab 式中 a橢圓長半軸，圓形進口時，a 為圓孔直徑：矩形進口時，頂面曲線 a 為孔高 h，側面曲線 a 為孔寬 b； b橢圓短半軸，圓形進口時，b=0.3a；矩形進口時，頂面曲線 b=（1/31/4）a 對于重要工程的進水口曲線應通過水工模型試驗進行修改?？卓诘母邔挶龋╤/b）不 宜太大，最大不超過 2。 根據經驗和流

60、量情況，選用橢圓曲線的三向收縮矩形進水口 可知： a=h=2.11m 1 0.70 3 bam 孔口的高寬比，故孔口設計符合要求1.632 h b 6.1.3 閘門與門槽 閘門形式的型式選擇 比較常見的閘門形式是平板和弧形門。平板直升閘門能滿足各種類型的泄水孔道的 要求，所以他是應用最為廣泛的一種閘門形式：弧形門也是一種應用十分廣泛的門型， 它一般可用于泄洪道和無壓泄水孔的泄水形勢。二者具有特性如表 6-2 所示： 閘門形式及其優(yōu)缺點 表 6-2 閘門形式優(yōu)點缺點 平板門 1、可封閉相當大面積的空口； 2、建筑物順流方向尺寸較小； 3、閘門結構簡單，其制造、安裝和運輸工作 相對來說比較簡單方便