西山水利樞紐重力壩設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)

1、水利水電工程專(zhuān)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)水 工 建 筑 物 課 程設(shè)計(jì)題目： 重力壩設(shè)計(jì)（西山水利樞紐） 班 級(jí)： 水電1141 姓 名 韓 磊 指導(dǎo)教師： 邊 軍 長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院水 工 教 研 室2013 年 3 月 3日目錄1 擋水壩段11.1 剖面輪廓及尺寸11.1.1 壩頂高程的確定11.2 壩體穩(wěn)定應(yīng)力分析41.2.1 擋水壩段荷載計(jì)算41.2.2 穩(wěn)定驗(yàn)算181.2.3 壩基面應(yīng)力計(jì)算191.2.4 壩體內(nèi)部應(yīng)力的計(jì)算252 溢流壩段342.1 孔口尺寸和泄流能力342.1.1 確定孔口尺寸和孔口數(shù)量342.1.1.2溢流壩最大高度和坡度的擬定。352.1.2 泄洪能力的驗(yàn)算

2、352.2 檢修門(mén)槽空蝕性能驗(yàn)算372.2.1校核洪水位時(shí)堰頂壓力驗(yàn)算372.2.2 平板門(mén)門(mén)槽空蝕驗(yàn)算372.3 溢流壩曲面設(shè)計(jì)372.3.1 上游前緣段計(jì)算372.3.2頂部曲線段382.3.3 中間直線段382.3.4 反弧段382.3.5 橋面布置392.4 堰面水深的校和計(jì)算402.4.1堰面水深計(jì)算402.4.2 直線段水深計(jì)算412.4.3 反弧段水深計(jì)算412.4.4 滲氣后水深計(jì)算422.5 消力池的計(jì)算422.5.1判斷消能方式422.5.2 判斷是否要修消力池422.5.3 消力池尺寸的計(jì)算432.5.4 基本組合(2)442.6 溢流壩算段的穩(wěn)定、應(yīng)力計(jì)482.6.1

3、荷載計(jì)算482.6.2 穩(wěn)定驗(yàn)算522.6.3 壩基面應(yīng)力計(jì)算532.6.4 壩體內(nèi)部應(yīng)力的計(jì)算543、設(shè)計(jì)參考資料55謝辭551 擋水壩段1.1 剖面輪廓及尺寸1.1.1 壩頂高程的確定由于設(shè)計(jì)洪水位低于正常洪水位，故取正常洪水位和校核洪水位作為控制情況。壩底高程取擋水壩段最低點(diǎn)440.00m，壩頂高程為正常蓄水位480.00 m，校核洪水位481.0 m，確定靜水面以上的高度h后，加上相應(yīng)水位，取二者之間較大的作為水庫(kù)壩頂高程。公式： 教材水工建筑物356 教材水工建筑物24 教材水工建筑物25= hl2/L 教材水工建筑物26式中：h 靜水面以上最低高度，m；hl 波浪爬高高度，m；hz

4、 波浪中心線至靜水位的高度，m；L 波長(zhǎng)，m；H 壩前水深，以m計(jì)；V0 計(jì)算風(fēng)速,m/s,水庫(kù)為正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，宜采用相應(yīng)洪水期多年平均風(fēng)速的1.52.0倍；校核洪水位時(shí),宜采用相應(yīng)洪水期最大風(fēng)速的多年平均值，多年平均值為11.7 m/s；D 庫(kù)面的波浪吹程,km，本庫(kù)區(qū)吹程為1KM；hc 安全超高（m），據(jù)三級(jí)建筑物查教材P78表3-10，正常蓄水位為0.4 m；校核洪水位為0.3 m。1、正常蓄水位： hz = hl2/L= 0.7492/8.253= 0.214m m因此設(shè)計(jì)蓄水位時(shí)壩頂高程=480.0+1.363=481.363 m2、校核洪水位： hz = hl2/L=

5、0.3592/4.583= 0.135 m因此校核洪水位時(shí)壩頂高程= 481.0+0.794 = 481.794 m取1、2兩種情況的最大值為481.794m，取整最后壩頂高程取為482.00m。擋水壩段的剖面設(shè)計(jì)基本剖面如下圖11所示圖11根據(jù)基本假定，運(yùn)用材料力學(xué)公式計(jì)算壩底應(yīng)力，壩踵處應(yīng)力為0，得到如下式 水工建筑物上冊(cè)（張光斗、王光綸著）對(duì)于重力壩沿壩基面的抗滑穩(wěn)定性，對(duì)于初選壩面的初略計(jì)算，采用較為簡(jiǎn)單的抗剪強(qiáng)度公式，對(duì)于圖示基本剖面有： 水工建筑物上冊(cè)（張光斗、王光綸著）同時(shí)由折減前后揚(yáng)壓力相等，有下式：H=H2B+1/21(H1-H2)*(1-)B+1(H1-H2)B+1/2(1

6、-1)(H1-H2)B符號(hào)意義：B 壩底寬，(米)；H 壩高，(米)；H1、H2上下游水位 上游壩坡的水平寬度與壩底寬的比值=nH/B；n 上游壩面坡度比； 水的容重，取9.8KN/m3；h 混凝土的容重，取24 KN/m3； 揚(yáng)壓力的折減系數(shù)，河床壩段 = 0.20.3， 岸坡壩段 = 0.30.5；f 混凝土與基巖之間的摩擦系數(shù)，一般取0.50.8之間；Ks 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本組合1.05，特殊組合1.00。其中，壩高為，440為壩底開(kāi)挖線高程，查工程地質(zhì)圖得到。根據(jù)已建工程實(shí)例，廊道的最小寬度22.5m取2.5m。距離壩踵最小距離4m，取壩內(nèi)廊道距壩踵6.0m。聯(lián)立以上三個(gè)方程，解得

7、，B31.0m。 上游坡度為 1：n，即n= B/H = 0.0131.0430.001，由于其值較小，為施工方便，將壩體上游面作成鉛直面，故視為邊坡為垂直，即上游壩坡坡率為n=0。下游坡度為1：m，即m=B/H=31.0/43 0.73,本設(shè)計(jì)取0.70。壩頂寬度參照設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)解說(shuō)，取實(shí)用壩面壩頂寬度12m，其圖如后所示。1.2 壩體穩(wěn)定應(yīng)力分析1.2.1 擋水壩段荷載計(jì)算本工程計(jì)算荷載組合情況說(shuō)明參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。荷載組合分三種情況：基本組合 正常蓄水位情況；特殊組合 正常蓄水位 + 地震情況;特殊組合 校核洪水位情況?；窘M合（1）正常蓄水位情況: 上游水位481.00m，下游水位取正常尾水位

8、452.00 m荷載組合:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力特殊組合（1）校核洪水位情況：上游水位482.00 m，下游水位取正常尾水位460.30m荷載組合:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力特殊組合（2）正常蓄水位+地震情況：荷載組合:自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥沙壓力+浪壓力+地震荷載正常蓄水位和校核洪水位荷載分布分別為圖12、圖13所示：圖12 正常蓄水位時(shí)的荷載分布圖 單位：m圖13 校核洪水位時(shí)的荷載分布圖 單位：m正常蓄水位時(shí)各項(xiàng)荷載計(jì)算公式如下，取1 m壩長(zhǎng)進(jìn)行分析1、自重：將壩體分為一個(gè)三角形和一個(gè)長(zhǎng)方形，混凝土容重在設(shè)計(jì)階段取24 KN/m3 ,廊道自重不計(jì)。則

9、W = = =18284.57KN彎矩：M = =60246.29KN.m2、靜水壓力：指上游面水平水壓力P1和下游面的水平水壓力P2，以及下游面垂直水壓力G,下游尾水位取多年平均值 452.00 m，(即不泄洪情況，對(duì)壩體穩(wěn)定較不利)。上游水位差，下游水位差。則 = =7840KN= = 705.6KN= = 493.92KN彎矩: M = = =.4KN.m3、浪壓力：由確定壩頂高程可知，在正常蓄水位時(shí)波長(zhǎng)，壩前水深為。則HL/2,波浪運(yùn)動(dòng)不受庫(kù)底約束，屬于深水波，深水波的浪壓力計(jì)算公式為： 教材水工建筑物28=6.65KN下游水較淺忽略不計(jì)彎矩：M=(=150.86KN.m式中：hl 波

10、高，m； hz 波浪中心線高于靜水面的高度，m。4、泥沙壓力： 教材水工建筑物211= =1406.38KN彎矩: =11251.03KN.m式中：Ps 壩面每米寬度上的水平泥沙壓力，KN/ m；sb 淤沙的浮容重，KN/ m3，泥沙飽和容重為18 KN/m3,浮容重取8KN/。hs 壩段前泥沙淤積厚度，m。泥沙淤積高程已知為 464.0 m，泥沙厚度為； 淤沙的內(nèi)摩擦角，已知。5、揚(yáng)壓力：壩踵處揚(yáng)壓力為壩址處揚(yáng)壓力為，則、,.因?yàn)橛嗅∧患芭潘仔鑼P(yáng)壓力進(jìn)行折減混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SDJ2178)建議河床壩段，共分六塊進(jìn)行計(jì)算：第一塊：U1為浮托力，長(zhǎng)方形，117.6 第二塊：U2為長(zhǎng)方形

11、，56.84 =369.46KN第三塊：U3為三角形， 第四塊：U4為長(zhǎng)方形，（127.89-56.84） =284.2KN 第五塊：KN第六塊：所以總的揚(yáng)壓力為U =5396.98KN彎矩為：其中M=0= 4359.63KN.m=266.91KN.m= 3708.81KN.m= 907.64KN.m= 4289.15KN.m所以有 M揚(yáng)=13532.14KN.m6、地震荷載：地震荷載分地震慣性力和地震動(dòng)水壓力、動(dòng)土壓力等，對(duì)于中壩，只進(jìn)行地震慣性力和水的動(dòng)水壓力，對(duì)于動(dòng)土壓力、揚(yáng)壓力、壩前泥沙壓力的影響為簡(jiǎn)單，可以不予計(jì)算。查水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，8級(jí)以下地震無(wú)須計(jì)算豎向慣性力。本工程烈度

12、為7級(jí)，不予計(jì)入豎向地震慣性力。1）地震慣性力： 教材水工建筑物31式中：Q0 水平向總地震慣性力KH 水平向地震系數(shù)，為地面水平最大加速度的統(tǒng)計(jì)平均值與重力加速度的比值，當(dāng)設(shè)計(jì)烈度為7度時(shí)，KH 取0.1；C2 綜合影響系數(shù)，可取0.25； F 地震慣性力系數(shù)，查教材水工建筑物按表31取F=1.3；W 產(chǎn)生地震慣性力的建筑物總重量，KN，；W = =18284.57KN則 ；為了計(jì)算地震慣性力對(duì)基礎(chǔ)中心矩，將壩分成7段，如圖14所示，分別計(jì)算各段的地震慣性力Pi及力矩。Pi = Q0 教材水工建筑物32式中：Wi 集中在質(zhì)點(diǎn)i的重量，KN；i 地震慣性力分布系數(shù)，按教材水工建筑物表31選用；

13、n 計(jì)算質(zhì)點(diǎn)的總數(shù)。圖14 地震荷載分布圖 單位：m由于地震慣性力按豎直方向重力不同而分布不均?，F(xiàn)將混凝土重力壩擋水壩分為3塊。分別計(jì)算慣性力并求出各自彎矩得：= 10836KN=2189.81KN=6372.72KN=6055.26KN =2774.78KN=971.37KN所以Wi i=29199.94KN。所以 P1=10836/29199.94x706.02=262.00KNP2=2189.81/29199.94x706.02=52.95KNP3=6372.72/29199.94x706.02=154.08KNP4=6055.26/29199.94x706.02=146.41KNP5=

14、2774.78/29199.94x706.02=67.09KNP6=971.37/29199.94x706.02=23.49KN有關(guān)彎矩計(jì)算如下： =9856.50KN.m=1538.64KN.m=1158.72KN.m=783.29KN.m=1059.37KN.m= 84.08KN.mM=M1+M2+M3+M4+M5+M6=14480.59KN.m計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表11所示： 表11 數(shù)編 值號(hào)自重WiiWi iPi力臂li力矩Mi30963.5108360.37262.0037.629856.501183.681.852189.8080.0752.9529.061538.644720.531.

15、356372.71550.22154.087.521158.726055.2616055.260.21146.415.35783.292255.921.232774.78160.1067.0915.791059.37971.371971.370.0323.493.5884.0818282.7629199.935114480.59 2）地震動(dòng)水壓力地震時(shí)，壩前、壩后的水也隨著震動(dòng)，形成作用在壩面上的激蕩力。在水平地震作用下，重力壩鉛直面上的地震動(dòng)水壓力沿高度分布，單位寬度上的總地震動(dòng)水壓力，其作用點(diǎn)位于水面以下0.54H。上下游面的地震水壓力作用方向一致，與地震加速度方向相反。 教材水工建筑物3

16、-3式中:P0水深y處的地震動(dòng)水壓力強(qiáng)度KPa 水容重 ； H1 水深 ，m。上游，下游。則 上游對(duì)O點(diǎn)產(chǎn)生的力臂下游由于下游動(dòng)水壓力較小，動(dòng)水壓力垂直壩坡，所以計(jì)算比較復(fù)雜，故此不計(jì)。校核洪水位時(shí)：1 、水壓力及彎矩計(jì)算= 8236.9KN= 493.92KN= 705.6KN所以 = .08KN.m2、揚(yáng)壓力及其彎矩的計(jì)算：壩踵處揚(yáng)壓力為壩址處揚(yáng)壓力為，則、,.因?yàn)橛嗅∧患芭潘仔鑼P(yáng)壓力進(jìn)行折減混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范(SDJ2178)建議河床壩段，共分六塊進(jìn)行計(jì)算：第一塊：U1為浮托力，長(zhǎng)方形，117.6 第二塊：U2為長(zhǎng)方形，56.84 =369.46kN第三塊：U3為三角形， 第四塊：

17、U4為長(zhǎng)方形，（127.89-56.84） = 284.2kN第五塊：第六塊：所以總的揚(yáng)壓力為U =5393.89KN彎矩為：其中M=0= 4359.63KN.m= 462.78KN.m= 3708.81KN.m= 907.64KN.m= 4289.15KN.m所以有 M揚(yáng)=13728.01KN.m3、浪壓力：由確定壩頂高程可知，在校核洪水位時(shí)波長(zhǎng)為4.58 m，壩前水深為。則H L/2,波浪運(yùn)動(dòng)不受庫(kù)底約束，屬于深水波，深水波的浪壓力計(jì)算公式為： 教材水工建筑物28 = =19.49KN下游水較淺忽略不計(jì)彎矩： M = ( = 412.25KN.m式中：hl 波高，m； hz 波浪中心線高于

18、靜水面的高度，m。工況1：基本組合（1）內(nèi)力計(jì)算見(jiàn)附表一；工況2：特殊組合（1）內(nèi)力計(jì)算見(jiàn)附表二;附表 1 工況1 (正常蓄水位 479.5m，對(duì)基底中心O點(diǎn)取矩)荷載計(jì)算式垂直力(KN)水平力(KN)對(duì)截面形心力臂(m)力 矩 (KNm)+自重力W112123849.05.2W25617.412.9816739.88W1800.4195335.32垂直水壓力G 493.826345.22水平水壓力P18236.913.66.05P2705.642822.4泥沙壓力Ps1800.08814400.64浪壓力Pl119.4738.70753.48Pl2小計(jì)20295.6410056.45705.

19、698157.72.39揚(yáng)壓力U13539.7600U2369.4611.804359.63U3670.710.68462.78U4284.213.053708.81U588.8110.22907.64U6312.6213.724289.15合計(jì)附表 2 工況3 校核洪水位 +地震（正常蓄水位479.5m，對(duì)基底中心O點(diǎn)取矩)荷 載計(jì)算式垂直力(KN)水平力(KN)對(duì)截面形心力臂(m)力 矩 (KNm)+自重W114141128.12.44W24396.494.1718875.6W1508.49895713.84垂直水壓力G 518.412.246345.22水平水壓力P1840513.67.

20、67P272042880泥沙壓力Ps1815.118.0314581.38浪壓力Pl15.6638.72219.14Pl2地震動(dòng)水壓力P1273.1622.14P223.46.48地震慣性力Q1計(jì)算見(jiàn)表11小計(jì)揚(yáng)壓力U13628.800U237711.874474.99U3688.460.71486.51U429013.123804.8U590.6310.29932.28U631913.794397.95合計(jì)1.2.2 穩(wěn)定驗(yàn)算查教材水工建筑物可知，抗剪強(qiáng)度或抗剪斷公式：1.2.2.1 抗剪強(qiáng)度公式： 教材水工建筑物38式中： Ks 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 壩體混凝與壩基接觸面的抗剪摩擦系數(shù)，本

21、工程取0.7；U 作用在接觸面上的揚(yáng)壓力；W 接觸面以上的總鉛直力；P 接觸面以上的總水平力。Ks 抗滑穩(wěn)定安全指標(biāo)，查教材水工建筑物P51表35得基本組合（1）Ks = 1.05，特殊組合（2）Ks = 1.00，特殊組合（3）Ks = 1.00則基本組合（1） 滿(mǎn)足要求；特殊組合（1） 滿(mǎn)足要求。1.2.2.2 抗剪斷強(qiáng)度公式： 教材水工建筑物38式中：Ks抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f壩體混凝與壩基接觸面的抗剪斷擦系數(shù)，本工程；C壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪凝聚力，本工程；A 壩基接觸面的截面積為B單寬。Ks 抗剪斷安全指標(biāo)，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，不分工程級(jí)別，基本組合（1），特殊組合（1），特殊組合（

22、2）。則基本組合（1） 滿(mǎn)足要求；特殊組合（1） 滿(mǎn)足要求。1.2.3 壩基面應(yīng)力計(jì)算符號(hào)規(guī)定：正應(yīng)力以壓為正，彎應(yīng)力以微分體的拉伸對(duì)角線在一、三象線為正，水平外力以指向左方為正，鉛直外力以指向下方正正，力矩以逆時(shí)針為正。符號(hào)角標(biāo)，上游邊緣用“u”，下游邊緣用“d”。計(jì)算公式：1、不計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上的正應(yīng)力 教材水工建筑物316 教材水工建筑物317 式中：W 作用于計(jì)算截面以上全部荷載的鉛直分力的總和，KN；M 作用于計(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點(diǎn)和，KNm；B 計(jì)算截面的長(zhǎng)度，m。2）剪應(yīng)力 教材水工建筑物318 教材水工建筑物319式中：Pu 上游面水壓力強(qiáng)

23、度，KPa；n 上游壩坡坡率，n = 0；Pd 下游面水壓力強(qiáng)度，KPa；m 下游壩坡坡率，m = 0.7。3）水平正應(yīng)力 教材水工建筑物320 教材水工建筑物3214）上下游邊緣主應(yīng)力 教材水工建筑物322 教材水工建筑物323 2、計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上的正應(yīng)力 教材水工建筑物316 教材水工建筑物317 式中：W作用于計(jì)算截面以上全部荷載的鉛直分力的總和，KN；M作用于計(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點(diǎn)和，KNm；B計(jì)算截面的長(zhǎng)度，m。2）剪應(yīng)力 教材水工建筑物333 教材水工建筑物334式中：Puu 上游面水壓力強(qiáng)度，KPa；Pud 下游面水壓力強(qiáng)度，KPa；Pu

24、上游面水壓力強(qiáng)度，KPa；n 上游壩坡坡率，n = 0；Pd 下游面水壓力強(qiáng)度，KPa；m 下游壩坡坡率，m = 0.7。3）水平正應(yīng)力 教材水工建筑物333 教材水工建筑物3344）上下游邊緣主應(yīng)力 教材水工建筑物335 1.2.3.1 基本組合（1） 1、不計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上的正應(yīng)力 2）剪應(yīng)力3）水平正應(yīng)力4）上下游邊緣主應(yīng)力 1.2.3.2、計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上的正應(yīng)力 2）剪應(yīng)力3）水平正應(yīng)力4）上下游邊緣主應(yīng)力 1.2.3.3 特殊組合（1）（校核洪水位時(shí)）：1、不計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上的正應(yīng)力 2）剪應(yīng)力3）水平正應(yīng)力4）上下游邊緣主應(yīng)力 2、計(jì)入揚(yáng)壓力1）水平截面上

25、的正應(yīng)力2）剪應(yīng)力3）水平正應(yīng)力4）上下游邊緣主應(yīng)力 1.2.4 壩體內(nèi)部應(yīng)力的計(jì)算選取壩基面上12個(gè)點(diǎn)作為計(jì)算點(diǎn)，以下游壩趾點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。選取x1 = 0，x2 = 2.75，x3 = 5.5，x4 = 8.25，x5 =11.0，x6 =13.75，x7=16.5, x8=19.25, x9=22.0, x10=24.75, x11=27.5, x12=20.25作為計(jì)算點(diǎn)。計(jì)算公式：壩內(nèi)水平截面上的正應(yīng)力y假定y在水平截面上按直線分布，即 教材水工建筑物326 坐標(biāo)原點(diǎn)取在下游壩面，由偏心受壓公式可以得出系數(shù)a 和b.公式中符號(hào)的意義與前面的相同。2）壩內(nèi)剪應(yīng)力水平截面上的剪應(yīng)力呈二次

26、拋物線分布，距下游壩面的剪應(yīng)力可用下述拋物線方程表示 教材水工建筑物327式中：公式中符號(hào)的意義與前面相同。3）壩內(nèi)水平正應(yīng)力x水平正應(yīng)力的分布接近直線，對(duì)中、小型工程近似假定。 教材水工建筑物329式中：4）壩內(nèi)主應(yīng)力1和2求得任意點(diǎn)的三個(gè)應(yīng)力分量x、y和 以后，即可計(jì)算該點(diǎn)的主應(yīng)力和第一主應(yīng)力的方向1。 教材水工建筑物3291是以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，?dāng)yx時(shí)自豎直線量取，當(dāng)yx自水平線量取。1.2.4.1基本組合(1)1、不計(jì)入揚(yáng)壓力1）壩內(nèi)水平截面上的正應(yīng)力 當(dāng)X=0時(shí)： 則 計(jì)算結(jié)果如下表所示X1=0X2 =2.75X3 = 5.5X4 = 8.25X5= 11.0X6 =13.75y1=

27、819.2y2=784.6y3=750.1y4=715.5y5=680.9y6=646.4X7=16.5X8=19.25X9=22.0X10=24.75X11=27.5X12=30.1.y7=611.8y8=577.2y9=542.7y10=508.1y11=473.5y12=429.42）壩內(nèi)剪應(yīng)力則 計(jì)算結(jié)果如下表所示X1=0X2 =2.75X3 = 5.5X4 = 8.25X5= 11.0X6 =13.75T1=514T2=493.73T3=468.02T4=436.86T5=400.26T6=358.22X7=16.5X8=19.25X9=22.0X10=24.75X11=27.5X12=30.25T7=310.72T8=257.78T9=199.4T10=135.57T11=66.3T12=4.583）壩內(nèi)水平正應(yīng)力x則 計(jì)算結(jié)果如下表所示X1=0X2 =2.75X3 =5.5X4 = 8.25X5=11.0