畢業(yè)設(shè)計論文混凝土重力壩車家壩河水利樞紐碾壓重力壩設(shè)計計算書

1、目錄第一章 非溢流壩設(shè)計 1.1壩基面高程的確定由混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范可知，壩高10050米時，重力壩可建在微風(fēng)化至弱風(fēng)化中部基巖上，本工程壩高為50100m，由于本壩址巖層分布主要為石英砂巖，故可確定壩基面高程為832.0 m。由水位庫容曲線查的該庫容為0.03108m3，故可知該工程等級為級。1.2壩頂高程計算 基本組合情況下：.1 正常蓄水位時：壩頂高程分別按設(shè)計和校核兩種情況，用以下公式進(jìn)行計算：波浪要素按官廳公式計算。公式如下： 庫水位以上的超高：式中-波浪高度，m-波浪中心線超出靜水位的高度，m-安全超高，m-計算風(fēng)速。水庫為正常蓄水位和設(shè)計洪水位時，宜用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速

2、的1.52.0倍；校核洪水位時，宜用相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速，m/sD-風(fēng)區(qū)長度；mL-波長；MH-壩前水深.2 設(shè)計洪水位時：根據(jù)水庫總庫容在之間可知，大壩工程安全級別為級計算風(fēng)速取相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速的1.8倍，即=47.7m/s根據(jù)公式，可知波浪高度=2.71m根據(jù)公式，可知波長L=23.19m根據(jù)公式，可知波浪中心線超靜水位高度=0.994274m可知庫水位超高 =4.1m可知壩頂高程=890.00+4.1=894.1m .2 校核洪水位時：計算風(fēng)速取相應(yīng)洪水期多年平均最大風(fēng)速，即=26.5m/s根據(jù)公式，可知波浪高度=1.30m根據(jù)公式，可知波長L=7.0034m根據(jù)公式，可

3、知波浪中心線超靜水位高度=0.7577m可知庫水位超高 =2.355m可知壩頂高程=890.00+2.355=892.355m特殊組合情況下： Vo=26.5 m/s故按莆田試驗(yàn)站公式計算： =6.4310-3故 hm=0.4603 m =1.1146故 Tm=3.011 s綜合（1）、（2），可知最大壩頂高程取894.1m1.3壩寬計算為了適應(yīng)運(yùn)用和施工的需要，壩頂必須有一定的寬度。一般地，壩頂寬度取最大壩高的8%10%。，且不小于3m所以壩頂寬度=6m，并可算出壩底寬為 78.5m1.4 壩面坡度上游壩坡采用折線面，一般起坡點(diǎn)在壩高的2/3附近，建壩基面高程為832m，折坡點(diǎn)高程為873.

4、4m， 坡度為1：0.2；下游坡度為1：0.8。因?yàn)榛救切蔚捻旤c(diǎn)與正常蓄水位齊平，故重力壩剖面的下游坡向上延伸應(yīng)與正常蓄水位相交，具體尺寸見下圖圖1.1 重力壩剖面圖1.5 壩基的防滲與排水設(shè)施擬定由于防滲的需要，壩基須設(shè)置防滲帷幕和排水孔幕。據(jù)基礎(chǔ)廊道的布置要求，初步擬定防滲帷幕及排水孔廊道中心線在壩基面處距離壩踵5.5m。 第二章 非溢流壩段荷載計算 2.1 計算情況的選擇作用在壩基面的荷載有：自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、淤沙壓力、浪壓力、土壓力，常取壩長進(jìn)行計算。2.2 荷載計算 自重自重在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位完全一樣計算步驟如下；壩體自重的計算公式： 式中：可知： W1=

5、0.56302.49.81=2118.96 KNW2=662.12.49.81=8772.494 KNW3=0.566.557.32.49.81=44856.62KNW=W1+W2+W3=55748.47KN 壩體自重=55748.47KN 靜水壓力及其推力 靜水壓力與作用水頭有關(guān)，所以在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位時靜水壓力各不相同，應(yīng)分別計算； 靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載，計算時常分解為水平壓力和垂直壓力兩種。的計算公式為： 式中： 計算點(diǎn)的作用水頭，； 水的重度，常??；（1）基本組合：正常蓄水位情況：F1=0.59.81582=16500.42KN W1=0.5 (58+

6、28) 69.81=2538.72KN設(shè)計洪水位情況：F1=0.59.8158.092= 16551.67KNF2=0.59.8121.72= -2309.715KNW1=0.5 (58.09+28.09) 69.81= 2536.277KN W2=0.5 21.727.1259.81= 2887.144KN（2）特殊組合：校核蓄水位情況： F1=0.59.8160.332=17852.77KNF2=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 揚(yáng)壓

7、力的計算規(guī)范：當(dāng)壩基設(shè)有防滲帷幕和排水孔時，壩底面上游（壩踵）處的揚(yáng)壓力作用水頭為， 排水孔中心線處為（，下游（壩趾）處為，其間各段依次以直線連接,則：A 壩踵處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度為,壩址處的揚(yáng)壓力強(qiáng)度為,帷幕灌漿和排水孔處的滲透壓力為（,的取值如表2-1所示）。B 揚(yáng)壓力的大小等于揚(yáng)壓力分布圖的面積。圖2.1揚(yáng)壓力計算圖示 表 2.1 壩底面的滲透壓力、揚(yáng)壓力強(qiáng)度系數(shù)壩型及部位壩 基 處 理 情 況（A） 設(shè)置防滲帷幕及排水孔（B） 設(shè)置防滲帷幕及主、副排水孔并抽排部位壩 型滲透壓力強(qiáng)度系數(shù)主排水孔前的揚(yáng)壓力 強(qiáng)度系數(shù)1殘余揚(yáng)壓力強(qiáng)度系數(shù)2河 床 壩 段實(shí)體重力壩0.250.20.5寬縫重力壩0.

8、20.150.5大頭支墩壩0.20.150.5空腹重力壩0.25-岸 坡實(shí)體重力壩0.35-寬縫重力壩0.3-則：帷幕灌漿處的，排水孔處的。（1）正常蓄水情況下：H1=890.0832.0=58.0H2=0 U1= H2=0 U2=-11.50.39.8158=-1962.981 KNU3=-0.5670.39.8158=-5718.249 KNU4=0Ucc=-（0+1962.981+5718.249+0）=-7681.23 KN（2） 設(shè)計洪水情況：H1=890.9832.0=58.09H2=21.7 U1= H2=-212.877 KN U2=-11.50.39.8158.09=-196

9、6.027 KNU3=-0.5670.39.8158.09=-5727.122 KNU4=-0.511.536.39=-209.2425 KNUcc=-（212.877 +1966.027+5727.122+209.2425）=-8115.269 KN（3）校核洪水位情況：H1=60.33H2=17.5U1= H2=-171.675 KNU2=11.50.39.8160.33=-2041.839 KNU3=-0.5670.39.8160.33=-5947.965 KNU4=-0.511.542.83=-246.2725 KNUcc=-（171.675 +2041.839+5947.965+24

10、6.2725）=-8407.751 KN 淤沙壓力及其推力 圖2.3 淤沙壓力計算圖示（1）水平泥沙壓力 為：式中: ，水平方向： （2）豎直方向：Psv=7.360.5(17.8+4) 4=80.224KN 波浪壓力波浪壓力計算公式：式中： （1）基本組合（設(shè)計和正常情況）：Hz=0.7577m；Lm=7.0m；h1%=1.30m （2）特殊組合（校核）：Hz=0.05402m；Lm=2.488m；h1%=0.207m； 土壓力（1）正常蓄水情況： （2）設(shè)計及校核洪水位情況： 第三章 壩體抗滑穩(wěn)定性分析3.1 總則A、按抗剪斷強(qiáng)度的計算公式進(jìn)行計算，按抗剪斷強(qiáng)度公式計算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全

11、系數(shù)值應(yīng)不小于表3-1規(guī)范規(guī)定；B、它認(rèn)為壩體混凝土與壩基基巖接觸良好，屬于交界面；C、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：；A=178.5=78.5 m2。此時其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式為：式中：表 3.1 壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) K荷 載 組 合K基 本 組 合3特 殊 組 合(1)2.5(2)2.3表3.2 全部荷載計算結(jié)果荷載水平力垂直力正常工況設(shè)計工況校核工況正常工況設(shè)計工況校核工況自重144598.97144598.97144598.97水壓力67144.5460426.660333.519025.2014775.915784.29揚(yáng)壓力-25586.66-57222.22-59984.09波浪力4.87

12、4.871.59淤沙力3614.423614.423614.42964.13964.13964.13土壓力-805.0748.6448.646688.24511.194511.19總計69958.7664094.5363998.16135689.80107585.0105874.493.2 抗滑穩(wěn)定計算（1）正常蓄水情況 W=51617.23 KNP=16889.85 KNK=3.056113.0（2）設(shè)計洪水情況W=54067.9 KN P=14953.2 KNK=3.6158092.5 （3）校核洪水情況W=54440.77 KN P=17061.85 KN K=3.1907892.33.

13、3 抗剪斷強(qiáng)度計算（1）正常蓄水情況 W=51617.23 KNP=16889.85 KN 3.0（2）設(shè)計洪水情況W=54067.9 KN P=14953.2 KN 2.5（3）校核洪水情況W=54440.77 KN P=17061.85 KN K=3.1907892.3 2.3故非溢流壩段抗滑穩(wěn)定滿足設(shè)計規(guī)范要求。第四章 應(yīng)力分析4.1 總則大壩垂直應(yīng)力分析根據(jù)SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范，按下列公式進(jìn)行應(yīng)力計算：圖4.1應(yīng)力計算圖示(1)上游面垂直正應(yīng)力：(2)下游面垂直正應(yīng)力：式中： 4.1.2大壩垂直應(yīng)力滿足要求由混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范SL3192005可知：重力壩壩基面：

14、運(yùn)用期：要求上游面垂直正應(yīng)力不小于0，下游面垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基容許壓應(yīng)力4.0Mpa=4000Kpa。；施工期：壩趾垂直應(yīng)力可允許由小于0.1Mpa（100Kpa）的拉應(yīng)力；重力壩壩體截面：運(yùn)用期：壩體上游面不出現(xiàn)拉應(yīng)力（計揚(yáng)壓力），下游面垂直正應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土壓應(yīng)力值，采用C15混凝土，故混凝土壓應(yīng)力值為15/4=3.75Mpa=3750Kpa。施工期：壩體任何截面上的主壓應(yīng)力應(yīng)不大于混凝土的允許壓應(yīng)力，下游面可允許有不大于0.2Mpa（200Kpa）的主拉應(yīng)力。 4.2計算截面為建基面的情況4.2.1 荷載計算（1） 自重力矩自重如下圖所示：圖4.2自重力矩計算圖示W(wǎng)1=2118.96

15、 KN； W2=8772.494 KN；W3=44856.62KN自重力矩計算如下：M1=2118.96 28.31=59987.76 KNmM2=8772.49424.2=212294.4 KNmM3=44856.622.03=91058.94KNmM =M1+M2+M3=363341.1KNm4.2.2運(yùn)用期（計入揚(yáng)壓力的情況）(1)上游面垂直正應(yīng)力：T=109.45 (2)下游面垂直正應(yīng)力：4.2.3運(yùn)用期（不計入揚(yáng)壓力的情況）(1)上游面垂直正應(yīng)力：T=109.45(2)下游面垂直正應(yīng)力： 4.2.4 施工期(1)上游面垂直正應(yīng)力：T=109.45(2)下游面垂直正應(yīng)力：第五章 溢流壩

16、段設(shè)計5.1 泄流方式選擇為了使水庫具有較大的超泄能力，采用開敞式孔口，WES實(shí)用堰。5.2 洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定：本次設(shè)計的重力壩是級建筑物，根據(jù)GB5020194表，采用50年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，500年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。5.3 流量的確定流量的確定：根據(jù)基礎(chǔ)資料可知，設(shè)計情況下，溢流壩的下泄流量為115.75m3/s；在校核情況下溢流壩的下泄流量為176m3/s。 5.4 單寬流量的選擇壩址處基礎(chǔ)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石軟弱，綜合樞紐的布置及下游的消能防沖要求，單寬流量取20 m3/（s.m）。5.5 孔口凈寬的擬定孔口凈寬擬定，分別計算設(shè)計和校核情況下溢洪道所需的孔口寬度，計算成果

17、如下表： 表5.1 孔口凈寬計算情況流量(m3/s)單寬流量qm3/(s.m)孔口凈寬B（m）設(shè)計情況115.75205.79校核情況176208.8根據(jù)以上計算，溢流壩孔口凈寬取B=16m，假設(shè)每孔寬度為b=8m，則孔數(shù)n為2。5.6 溢流壩段總長度的確定溢流壩段總長度（溢流孔口的總寬度）的確定：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，擬定閘墩的厚度。初擬中墩厚d為2.5 m，邊墩厚t為3m，則溢流壩段的總長度B0為： B0=nb+(n1)d+2t = 28+（21）2.5+23=24.5(m)5.7 堰頂高程的確定初擬側(cè)收縮系數(shù)，流量系數(shù)m=0.463，因?yàn)檫^堰水流為自由出流，故由堰流公式計算堰上水頭Hw,計算水位

18、分別減去其相應(yīng)的堰上水頭即為堰頂高程。計算公式如下：計算成果見表：表5.2 堰頂高程計算情況流量 （m3/s）側(cè)收縮系數(shù)流量系數(shù)孔口凈寬 （m）堰上水頭（m）堰頂高程（m）設(shè)計情況115.750.920.463167.57883.52校核情況1760.920.463169.86882.47根據(jù)以上計算，取堰頂高程為882.47m。5.8 閘門高度的確定 門高=正常高水位堰頂高程+安全超高=890.00882.47+0.2=7.7（m） 則按規(guī)范取門高7.8m。5.9 定型水頭的確定堰上最大水頭Hmax=校核洪水位堰頂高程=892.33882.47=9.86（m）；定型設(shè)計水頭Hd=（75%95

19、%）Hmax=7.49.4（m）；取Hd=8.4，Hd/Hmax=8.4/9.86=0.85,查表知壩面最大負(fù)壓為：0.3Hd=2.8（m），小于規(guī)范的允許值（最大不超過36m水柱）5.10 泄流能力的校核 先由水力學(xué)公式計算側(cè)收縮系數(shù)，然后計算不同水頭作用下的流量系數(shù)m，根據(jù)已知條件，運(yùn)用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。計算成果匯總?cè)缦卤恚罕?.3 泄流能力校核計算情況mB (m)H (m)Q (m3/s)Q (m3/s)設(shè)計情況0.4630.92167.57142141.950.0352%校核情況0.4630.92169.86211208.331.2654%滿足的要求，則符合規(guī)范設(shè)計的孔口要

20、求。5.11.1 溢流壩段剖面圖圖5.1 溢流壩橫剖面圖5.11.2 溢流壩段穩(wěn)定性分析（1）正常蓄水情況 W=51617.23 KNP=16889.85 KN 3.0（2）設(shè)計洪水情況W=54067.9 KN P=14953.2 KN 2.5（3）校核洪水情況W=54440.77 KN P=17061.85 KN K=3.1907892.3 2.3故溢流壩段抗滑穩(wěn)定滿足設(shè)計規(guī)范要求。第六章 消能防沖設(shè)計 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(hù)下游河床免受沖刷。消能設(shè)計的原則是：消能效果好，結(jié)構(gòu)可靠，防止空蝕和磨損，以保證壩體和有關(guān)建筑物的安全。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)壩址地

21、形，地質(zhì)條件，樞紐布置，壩高，下泄流量等綜合考慮。 6.1洪水標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)參數(shù)的選定本次設(shè)計的重力壩是3級水工建筑物，根據(jù)SL2522000表，消能防沖設(shè)計采用按50年洪水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。根據(jù)地形地質(zhì)條件，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，挑射=20。6.2 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 堰面流速系數(shù)，取0.95；H設(shè)計洪水位至坎頂高差，H=891.09-851.0=40.09m (取坎頂高程為851.0m)故算出V=26.65m/sQ校核洪水時溢流壩下泄流量，(211m3/s)；B鼻坎處水面寬度，m，此處B=單孔凈寬+2邊墩厚度； B=8+23=14mh1=

22、5.65585(m)R=（410）hR=22.6256.56（m）取R=32（m）6.3 坎頂水深的確定坎頂水深計算公式為：坎頂水流流速v按下式計算：堰面流速系數(shù)，取0.95；H設(shè)計洪水位至坎頂高差，H=891.09-851.0=40.09m (取坎頂高程為851.0m)故算出V=26.65m/sQ50年一遇洪水時溢流壩下泄流量，(105m3/s)；B鼻坎處水面寬度，m，此處B=單孔凈寬+2邊墩厚度； B=8+23=14m故坎頂平均水深：6.4 水舌拋距計算根據(jù)SL253-2000溢洪道設(shè)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：L：水舌拋距：鼻坎的挑角： ：坎頂至河

23、床面的高差 ：堰面流量系數(shù)，取0.95； 將這些數(shù)據(jù)代入水舌拋距的公式得：6.5 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：水墊厚度，自水面算至坑底。：單寬流量，由前面的計算可得單寬流量為20；：上下游水位差，根據(jù)資料可得水位差為40.5m；：沖刷系數(shù)，（這里根據(jù)地質(zhì)情況取1.5）；將數(shù)據(jù)代入公式得： 所以最大沖坑水墊厚度為14.35m。最大沖坑厚度估算：圖6.1 沖坑厚度圖示為了保證大壩的安全，挑距應(yīng)有足夠的的長度。一般當(dāng)時，認(rèn)為是安全的。 計算結(jié)果為n=3.817，所以滿足規(guī)范。故，其消能防沖設(shè)計符合規(guī)范設(shè)計要求。第七章 泄水孔的設(shè)計7.1有壓泄水孔的設(shè)計壩體在內(nèi)水壓力的作用下可

24、能會出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此孔壁需要鋼板襯砌。7.11孔徑D的擬定孔徑D的擬定可依據(jù)下式： 式中：Q每個發(fā)電孔引取的流量，m3/s vp孔內(nèi)的允許流速，m/s，對于發(fā)電孔vp=5.06.0m/s。7.12 進(jìn)水口體形設(shè)計 進(jìn)水口體形應(yīng)滿足水流平順、水頭損失小的要求，進(jìn)水口形狀應(yīng)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(jìn)水口橢圓方程為：式中 a橢圓長半軸，圓形進(jìn)口時，a為圓孔直徑：矩形進(jìn)口時，頂面曲線a為孔高h(yuǎn)，側(cè)面曲線a為孔寬B；b橢圓短半軸，圓形進(jìn)口時，b=0.3a；矩形進(jìn)口時，頂面曲線b=（1/31/4）a 對于重要工程的進(jìn)水口曲線應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)進(jìn)行修改?？卓诘母邔挶龋╤/B）不宜太大，最大不超過2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和流量情況，選用橢圓曲線的三向收縮矩形進(jìn)水口可知： a=h=2.11m孔口的高寬比，故孔口設(shè)計符合要求7.13 閘門與門槽 有壓泄水孔一般在進(jìn)水口設(shè)置攔污柵和平面檢修門，在出口處設(shè)置無門槽的弧形閘門。7.14 漸寬段 有壓泄水孔控申斷面為圓形，進(jìn)水口閘門為矩形，在進(jìn)口閘門之后需設(shè)置漸寬段，以保持水流平順。 根據(jù)規(guī)范取漸