褒河水庫單曲拱壩設計畢業(yè)設計說明書土木工程畢業(yè)設計(含圖紙)

目錄0緒論(11概述(22已知資料(32.1流域概況(32.2水文氣象資料(32.3工程地質(zhì)資料(32.4工程規(guī)劃(32.5工程材料設計指標(42.6施工、天然建材、交通情況(43樞紐布置(53.1壩型的選擇(53.2樞紐布置方案的選擇(64拱壩設計(104.1拱壩體型設計(104.2拱壩的平面布置(135拱壩應力計算和內(nèi)力計算(175.1荷載和荷載組合(175.2應力計算方法(拱冠梁法(175.3應力和內(nèi)力計算過程(185.4其他方案的計算(395.5方案計算結果和分析(396壩肩穩(wěn)定計算(416.1穩(wěn)定分析(416.2穩(wěn)定計算(426.3計算成果和分析(457壩身孔口的設計(477.1中孔的設計(477.2底孔的設計(478拱壩的構造及結構(538.1壩頂(538.2廊道與壩體排水(538.3壩體臨時收縮縫(538.4壩體內(nèi)廊道及交通(549拱壩的地基處理(559.1壩基開挖(559.2拱端開挖(559.3固結灌漿和接觸灌漿(559.4防滲帷幕(559.5壩基排水(5610結論(57附錄及參考文獻(58謝辭(590緒論本次設計為畢業(yè)設計,是對大學五年來所學知識的一次綜合性的總結概括;是考察學生理論知識與實踐能力的一次演練;是為學生走向工作崗位打下一定基礎的關鍵一步;是學生走向社會工作的第一步;是了解自我,自我定位的好機會。本次設計的主要目的是讓學生們體會在工作實踐中所必須具備的精神,了解工程設計的過程程序,鍛煉學生們的實踐能力,為走向工作崗位打下一定基礎。本設計主要是混凝土拱壩設計方面的問題,要求設計成果合理,各項指標達到國家規(guī)范要求。拱壩是固接于基巖的空間殼體結構,因在平面上呈凸向上游的拱形而得名,其拱冠剖面呈豎直的或向上游凸出的曲線形。據(jù)現(xiàn)有資料,最早的圓筒面圬工拱壩可追溯到羅馬帝國時代。到20世紀,美國開始修建較高的拱壩。并于1936年建成了高221米的胡佛重力拱壩。1939年意大利建成了高75米,設有墊座及周邊縫的奧·西列塔薄拱壩,對雙曲拱壩建設起到了很大的推動作用。目前世界上最高的是格魯及亞的英古里拱壩,最大壩高272米,T/H=0.19。中華人民共和國成立后,水利事業(yè)突飛猛進地發(fā)展,取得了舉世矚目的成就。繼葛洲壩水利樞紐建成后,三峽水利樞紐的開工、南水北調(diào)工程的規(guī)劃設計等壯舉進一步展示出人民水利蓬勃發(fā)展的強勁勢頭。目前,我國在水利工程規(guī)模、水利人才素質(zhì)以及水利科技水平等方面已達到世界前列。中國的拱壩歷史:我國在拱壩建設取得了很大的進展。截止到1988年底的不完全統(tǒng)計,已建成15米壩高以上的各類拱壩已達800座,約占全世界已建拱壩總數(shù)1/4強。中國之最:最高的拱壩——臺灣省德基雙曲拱壩,高181米,T/H=0.112;最高的砌石拱壩——河南省群英重力拱壩,高100.5米;最薄的砌石拱壩——浙江省方坑雙曲拱壩,高76米,T/H=0.147。本設計主要是讓同學們了解工程設計的過程程序,知道工程實踐中所牽涉的工作環(huán)節(jié),應注意的關鍵問題,為以后走向工作崗位打下良好的基礎;同時鍛煉同學們的實踐動手能力和操作能力,改變思維方法,提高工作效率。1概述褒河水庫位于陜西省漢中平原褒河下游。褒河規(guī)劃作五級開發(fā),其中樞紐在最下游。漢中地區(qū)氣候溫和、濕潤,土地開闊肥沃,是著名的糧倉,現(xiàn)有漢惠渠、褒惠渠等渠道,均系無壩引水,故灌溉保證率低;本地區(qū)又屬三線,近年來大量工礦企業(yè)紛紛建立,電力負荷急劇增長,故在本地區(qū)修建褒河等一批水利樞紐,開發(fā)水力資源,對于促進工農(nóng)業(yè)發(fā)展都有著重要意義。根據(jù)規(guī)模、效益,參照相關規(guī)范將褒河水庫定為三級,建筑物級別:主要建筑物為三等,次要建筑物為四等,臨時建筑物為五等。褒河水利樞紐主要任務為灌溉、發(fā)電,其次為防洪。為此,樞紐定為:渠首電站、攔河壩(拱壩、中孔泄洪、底孔、電站引水渠道等。褒河水利樞紐對于漢中地區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展起著相當重要的作用。2已知資料2.1流域概況褒河屬于山溪性河流,發(fā)源于秦嶺南麓玉皇山及太白山,匯入漢江,整個流域面積上寬下窄呈漏斗狀。流域內(nèi)植被尚好,水土流失不嚴重。褒河水利樞紐控制流域面積3861平方公里,擬裝機4.12萬千瓦,年發(fā)電量1.42億度,可將原灌區(qū)19.5萬畝農(nóng)田灌溉保證率由50%提高到73.8%,并擴澆32萬畝耕地。褒河庫區(qū)壩址為“U”形河谷,水面寬40m,水深2~7m,河床砂礫石2~8m,壩址兩岸山坡陡峭,590m高程以上強風化巖石厚度為5m,以下為3~5m,河床2~4m。迴水17km,面積3.22km,壩址附近平均水面寬度300m。2.2水文氣象資料褒河水庫壩址下游三公里河東店站水文有1935~1970共36年資料。①該地區(qū)多年平均降雨量為905.6mm,其中6~9月雨量約占全年75%。多年平均徑流量138億立米,多年平均流量43.6sm/3。②多年平均輸沙率為4.7skg/,多年平均輸沙量為148萬噸。③多年平均氣溫14.4℃,絕對最高氣溫44℃,絕對最低氣溫13.4℃;絕對最高水溫33.3℃,絕對最低水溫0℃。2.3工程地質(zhì)資料褒河庫區(qū)在褒河峽谷出口段,大地構造上位于南秦嶺褶皺帶中斷南緣,庫區(qū)出露地層為石炭系,三迭系前海相沉積物經(jīng)區(qū)域變質(zhì)作用而成的變質(zhì)巖,三迭系巖層為片巖、片麻巖,并夾有大理巖、白云巖,分布于將軍鋪至青橋鋪一帶,石炭系巖層為片巖及大理巖分布于壩區(qū)附近。第四紀松散堆積物為砂質(zhì)粘土沖擊礫石,區(qū)內(nèi)無大斷裂。經(jīng)科學院西北地質(zhì)大隊判定該地區(qū)地震烈度為7度。庫區(qū)內(nèi)雖有大理巖等露頭,但兩岸山勢雄厚,水平方向溶洞發(fā)育不深,壩址處基巖透水性弱,單位吸水量小于0.01升/秒,故不存在滲漏問題。庫區(qū)內(nèi)岸坡地段基巖裸露,不會產(chǎn)生塌岸。2.4工程規(guī)劃根據(jù)梯級水庫運用規(guī)劃,褒河正常高水位定為618米,相應庫容1.05億立米。死水位595m。死庫容0.443億立米。該水庫設計洪水設Q=4290sm/3,校核洪水位校Q=5590sm/3。可能最大洪水流量10000sm/3。河床最低高程535m,基巖高程532m。三十年淤積高程565m。下游水位:設計洪水位:548.75m,校核洪水位:550.05m電站進口高程567m,最大引水流量68.1sm/3。東干渠進口高程588.5m,引用流量30sm/3,灌溉27萬畝農(nóng)田。西干渠進口高程592m,引用流量6sm/3,灌溉5萬畝農(nóng)田。淤沙浮容重7.53/mkN,水下摩擦角10°。2.5工程材料設計指標壩址區(qū)巖石容重模量26.53/mkN,彈性模量16GPa,泊桑比0.2,摩擦系數(shù)0.6?；炷寥葜?43/mkN,彈模16GPa,線膨脹系數(shù)0.00001,泊松比0.2。2.6施工、天然建材、交通情況①施工、交通情況。峽口地勢開闊,有公路可通寶成鐵路線上略陽。壩址下游20公里聯(lián)接寶成和襄與鐵道德陽(平關安(康鐵路即將建成通車。承擔褒河水利樞紐工程的水電三局擁有較強的技術力量和機械設備。②天然建筑材料。壩址下游3.5~8.0kM的中灘、紅廟等儲有砂礫石116萬3m。礫石成分主要為花崗巖、石英巖,砂子以石英、長石為主,質(zhì)地較好,交通運輸便利。土料很少,運距約4kM。3樞紐布置3.1壩型的選擇經(jīng)過各方面的分析比較,擬訂修建拱壩,下面從幾方面說明修建拱壩的優(yōu)越性。由地質(zhì)條件及地形資料可知能在這個壩址修建土石壩,重力壩,拱壩,支墩壩?，F(xiàn)分別比較如下:土石壩僅靠壩身自重與地基接觸而產(chǎn)生的抗滑力維持穩(wěn)定,因存在滑坡的問題,土石壩在各種壩型中體積最大,底寬最長,工程量也較大。壩身不能泄流,須另外設置溢洪道,泄洪安全性不可靠,施工導流也不方便。計算方法多采用材力法,手算占相當大的比例,為防止?jié)B透變形須設置防滲心強,防滲材料的填筑受氣候條件的影響較大。另外,最主要原因為該地區(qū)的土料較少,沒有足夠的筑壩材料。因此該壩址不選擇修建土石壩。支墩壩與重力壩相比,混凝土用量小,能充分利用材料的強度,但側向穩(wěn)定性差,對地基的要求比重力壩更加嚴格,鋼筋用量較多,施工散熱條件好,溫控措施簡易,但模板復雜,用量大,混凝土標號要求高,每方混凝土的代價也高。且單寬流量較大,但容易引起壩體振動,如果要在這里修建大壩,選擇重力壩而不選擇支墩壩,故也不修建支墩壩?，F(xiàn)在在下面的小節(jié)重點比較重力壩和拱壩的選擇。⑴兩種壩型均可滿足樞紐布置的總體要求,也都適合壩址的地質(zhì)及地形條件。但是從地形圖上可知道,該河谷為上寬下窄的喇叭形河口谷,修建拱壩更有優(yōu)勢,同時拱壩方量比重力壩的少,可節(jié)省1/3~1/2的方量。⑵拱壩的工期比重力壩約可節(jié)約1/4。⑶對大壩工程的總投資,拱壩可節(jié)約15%左右。⑷重力壩重要依靠自重產(chǎn)生的抗滑力維持穩(wěn)定,無疑壩體的工程量大,壩體內(nèi)鋼筋用量較多,未能很好的利用混凝土的抗壓強度。⑸重力壩的底寬較大,揚壓力大,對壩身穩(wěn)定不利,壩體過大,施工期溫度應力、收縮應力較大。拱壩除了有上述優(yōu)點外,還有自身的結構優(yōu)點:123⑴具有雙向傳力的性能,由拱梁共同承擔受力。⑵拱是推力結構,主要產(chǎn)生軸向壓力,有利于充分發(fā)揮材料的抗壓性能。⑶拱壩具有較高的超載能力和抗震能力,可達到設計荷載的5~11倍。⑷不設永久性伸縮逢,整體性能好。當外荷載增大或壩體的某一部位發(fā)生局部開裂時,壩體的梁和拱將自行調(diào)節(jié),抗?jié)B性能好,彈性韌性好,抗震性能高。⑸計算方法多采用材力法和有限元法,計算繁瑣,但計算機和計算程序的普及與推廣已大大的解決這一難題。⑹可壩身泄水。雖然拱壩的結構復雜,但綜合比較后,選擇拱壩為設計壩型。由于該地的巖石均為一些片巖等整體性能不太好的巖石,又該處砌石料難找,而在該處交通發(fā)達,壩址下游3.5~8.0公里處有足夠的沙礫石,能充分提供筑混凝土壩的骨料,故在該處修建混凝土拱壩。3.2樞紐布置方案的選擇從地形圖可確定三種修建拱壩的壩址?，F(xiàn)分析比較選擇中間合理的方案。由于在兩岸處都有一個凸出的山包,而總體河流彎道為順時(。⑴圖3-1中2置,該處不僅施工面狹窄開挖量大,最主要的原因不利于壩端的抗滑穩(wěn)定。⑵圖3-1中3處的位置①離兩山包較遠,未能充分利用山包的抗滑能力。②該處軸線較長,工程量大,造成浪費。③對于梯級開發(fā)電站,造成了庫容圖3-1壩址選擇地形圖的浪費。④在整體布置中,不利于隧洞的洞線布置,增加了洞線的長度,從而增加了工程量,增加了工期,造成浪費。⑶圖3-1中1的位置①充分利用了抗滑作用,且壩軸線不長。②軸線與地形線垂直,能充分起抗滑作用。③有利于整體樞紐的布置。綜合以上幾點,故選擇在1處修建拱壩。由于修建的是拱壩,而拱壩有一個突出的特點是不能分期修建,只能采用全斷面截流后修筑。故必須在兩岸山體中開挖隧洞作為施工導流和引水之用。隧洞可布置在兩岸山體中。由于該河道為順時針彎曲的彎道河流,左岸為凹岸,如果在左岸開鑿隧洞,其洞線很長,不經(jīng)濟。且繞了幾個大彎,不滿足快速泄流和引水的條件。而右岸為凸岸,引水隧洞短而直,泄水迅速,經(jīng)濟合理,故擬在右岸修建隧洞。引水隧洞為前期施工導流隧洞,為了充分利用該導流隧洞,把該隧洞做成電站的引水隧洞。為便于電站進水口與下游電站廠房的布置和水流條件,隧洞的進出口不能太過靠近大壩,進口距大壩200m左右,出口距大壩300m左右,在距大壩50m左右的地方修建電站引水口,利用彎道和導流隧洞連接。水庫開始蓄水前,電站進水口與隧洞連接的前部用混凝土塞子封堵。由于時間關系,引水隧洞不進行具體設計,采用原設計的數(shù)據(jù),進口高程為544.0m,電站引水口的進口高程為567.0m。隧洞直徑采用經(jīng)驗值,取為7m。在隧洞的出口電站前面修建一個直徑為10m的壓力前池。東干渠引水口高程588.5m,引用流量為30sm/3,河流為東南走向,布置在河流的左岸每一位置。根據(jù)壩軸線和地形地質(zhì)條件,擬利用引水渠引水到壩端,再以引水道引水到下游東干渠渠首。西干渠引水口高程592.0m,引用流量為6sm/3,根據(jù)地形地質(zhì)條件及、引水隧洞及廠房的位置,西干渠渠首布置在壩端右岸下游100m處,引水隧洞右側,為了不影響電站進水口的布置,故把西干渠的引水道進口修建在壩體上面。因此渠道的引水洞和引水隧洞在空間上交叉,引水隧洞在渠道引水道的上面。為滿足水流運行條件以及引水方便,渠首引水道在壩身處直線引水到壩后利用彎道至西干渠渠首。在本次設計中,隧洞、電站廠房、引水道都未進行具體設計,在設計圖紙上為一個大體形象,多數(shù)引用了原設計。褒河水利樞紐的主要的任務是灌溉,其次是發(fā)電、防洪。而泄洪建筑物的布置是拱壩設計的關鍵,拱壩泄洪分壩外泄洪與壩體泄洪兩種。但拱壩多修建在峽谷河段上,一般無合適的埡口可供利用,因此多數(shù)情況下采用壩體泄洪。而壩體泄洪有壩頂泄流、壩面泄流、滑雪道式和壩身泄水孔等幾種,現(xiàn)對他們進行分析比較。3.2.4.1壩頂泄流壩頂泄流是指洪水經(jīng)過壩頂自由跌落或經(jīng)外懸臂挑坎往下游挑落的過流形式,優(yōu)點是:⑴結構較簡單,設計施工較容易。⑵對壩體的應力影響較小。⑶一般水頭不大,起閉設備易于檢修。⑷工程造價較低。⑸用表孔排水時還可以排漂。⑹對于調(diào)洪庫容較小的水庫,還可以通過超標準洪水,有利于工程安全。壩頂泄流的缺點是:⑴堰上水頭低時泄流能力小,溢流前沿較長,而當全線溢流時,又容易沖刷岸坡。⑵壩頂下泄水流的挑流速小,挑距近,容易沖刷壩腳,需對岸坡和壩腳采取一定的保護措施。⑶不能適應低水位的泄流要求,因而壩頂泄流孔口通常與底孔和隧洞配合使用。壩頂泄流由于水舌跌落較近,入對角大。對壩基的沖刷力大,所以一般采用跌流消力池或在下游設二道壩抬高水位,形成水墊消能。3.2.4.2壩面泄流壩面泄流指水流過堰頂后繼續(xù)沿壩身下泄,最后以挑流或與下游尾水相接。與壩頂溢流相比優(yōu)點之處不同在于壩面溢流的落差較大,流速較高。采用挑流形式與尾水相接時,挑距較大,對壩體安全更為有利,但壩面溢流存在水流同心集中的特點,水舌寬度沿程縮窄,無疑下游要增設消能設備,加大工程量,同時由于壩面泄流的挑距近,沖刷力大,難于滿足安全泄流的要求。3.2.4.3滑雪道式泄流道滑雪道式泄流道,即緊接壩體之后用支墩或混凝土排架將“滑雪式”支撐起來泄流。若將滑雪道布置在拱壩的兩側,由于拱壩有向心集中和河床狹窄的特點,因此水舌能夠在空中沖擊消能。同時,滑雪式在高速水流的作用下,震動的比較嚴重,因此安全泄洪性不高。3.2.4.4壩身開孔泄洪壩身開孔泄洪就是在壩體上一定的位置開設孔口用來滿足泄洪要求。按孔口設置的位置不同可以分為表孔,中孔和深孔。壩身開孔泄流除節(jié)省工程量,經(jīng)濟外還具有以下的優(yōu)點:⑴泄流流量隨水位的變化關系不大。⑵若采用中、深孔泄流尚可結合施工導流或放空水庫,比單獨開挖隧洞更經(jīng)濟。⑶如采用挑流消能,則一般起挑流速大,挑距遠,有利于壩體安全。⑷如采用中,深孔泄洪,不但工程建成后可嚴格控制蓄水速率,泄洪時又可按預報提前騰空庫容,保證安全泄洪。壩身開孔泄流的缺點是:⑴壩身開孔過大或過多,不利于壩體受力,同時也會引起震動。⑵閘門和起閉設備的容量一般較大,檢修較困難。⑶如果水庫的調(diào)節(jié)性能不好,當發(fā)生超標準洪水時,可能漫頂,不利于安全,為此,最好設置必要的表孔泄流并結合排漂。隨著應力實驗技術的發(fā)展,對一些壩身開孔工程的模擬實驗表明,壩身開孔除對孔口周圍的局部應力有影響外,對整個壩體的應力影響不大,此外,隨著閘門制造技術的發(fā)展以及大容量起閉設備的制造,修建大孔口或深孔泄流已成為一種慣例。壩身開孔泄流,一般布置于河心或?qū)ΨQ的布置于河心中央的兩側。由以上分析并根據(jù)褒河庫區(qū)地質(zhì)、地形資料,擬建一般拱壩。并采用中孔,底孔聯(lián)合泄流。另外,由于時間的關系,本次設計未進行調(diào)洪驗算。所以中孔泄洪的形式、尺寸、高程、數(shù)目均沿用原設計。壩頂高程也沿用原設計,確定為620.0m。4拱壩設計4.1拱壩體型設計⑴對與U形河谷,拱壩頂?shù)卓缍冉咏?剛度相差不大,因而沿水深增加的水壓力需要由懸臂梁增加截面厚度承擔壩體應力,從這個方面說較適合單曲拱壩的修建。但是,單曲拱壩厚度過大,應力條件不好,造成了浪費不經(jīng)濟。雙曲拱壩雖然各層拱圈的剛度變化不大,但剛度條件已經(jīng)能夠滿足受力條件,且能充分發(fā)揮混凝土的強度。另外,雙曲拱壩根據(jù)地形條件變化明顯,開挖量比一般的單曲拱壩少。但是,本設計要求做單曲拱壩。從地形圖上可看出,該U形河谷對稱程度高,選擇圓弧拱就可以滿足設計的要求。故本設計采用等中心角、等外半徑的等截面圓弧單曲拱壩。⑵由于河床最低高程535.0m,基巖高程為532.0m。故以532.0m處為壩底高程,則壩高為88.0m(=620-532=88m。⑶由已知資料中可知,590m高程上風化層厚5m,590m高程以下為3~5米,則取5m為開挖深度。故在拱壩開挖后的河谷地形等高線要比原地形等高線的相同處少5m高程,也就是說,以前是625m的高程,在開挖后變成了620m高程。由于壩頂高程為620m,現(xiàn)在前面3-1圖中1處的適宜位置布置壩軸線,與620m的等高線相交,量出兩交點的連線長cL=200.0m。在拱壩的應力計算和拱壩的平面布置的時候一般把拱分成5~7層。本設計采用6拱圈5不等段,從上而下每段的高度分別是20m、20m、20m、20m、8m。則每截面的高程分別為620.0m、600.0m、580m、560.0m、540.0m、532.0m。這樣分段是為便于地形圖上開挖后的河谷地形的繪制以及每層拱圈的拱端之間的弦長的求解。從地形圖上可得每層拱圈弦長:2L=191.4m,3L=169.7m,4L=134.3m,5L=97.4m,6L=73.6m。上面的數(shù)據(jù)只能作為初步設計的數(shù)據(jù),最后的各層拱圈的弦長得由拱壩平面布置上得到。選擇cT時,應該考慮工程的規(guī)模,交通和運行要求。如無交通要求,cT一般取3~5m,但至少不得小于3m。可由下面的經(jīng)驗公式的求cTcT=0.012(H+L(4?1cT=0.0145(2aR+H(4?2cT=0.4+0.01(L+3H(4·3式中:H——最大壩高。L——壩頂高程處,河谷開挖后兩拱端之間的直線距離,m。等于cLaR——頂拱軸半徑,初估時可取aR=(0.61~0.70L。本設計取aR=0.65L=0.63×202.0=130.0m由4?1得cT=0.012(88+200.0=3.456m由4?2得cT=0.0145(2×130+88=5.046m由4?3得cT=0.4+0.01(200.0+3×88=5.04m由于該壩上沒有交通要求,根據(jù)上面的數(shù)據(jù)取cT=5.0m。求壩底厚度BT的時候用下面的經(jīng)驗公式。任德林公式:當H=60~100m,HL/=0.8~3.5時。BT=(0.038210002(632.0HHL+H(4?4美國墾務局經(jīng)驗公式:BT=(4?5朱伯芳經(jīng)驗公式:BT=[]σHLLKn(11-+(4?6式中L、H的意義同前。1L——為第一層拱圈的弦長,等于cL。2L——為0.15H處拱圈的弦長,現(xiàn)取為與cL同長。1-nL——為到數(shù)第二層處的拱圈弦長,現(xiàn)取為與cL同長。?+=21.14m由4?5得:2L可擬2L=1L,再折減。BT14.94m由《鋼筋混凝土結構學》中查得[]Minσ=5Mpa.2L可擬2L=1L,再折減。由4?6得:BT=0.35(20020088500?+?=24.64m由4?5得到的數(shù)據(jù)太小,現(xiàn)在不考慮,只比較4·4式和4·6式的數(shù)據(jù)。任德林方案適用于砌石壩,倒懸度小,應力不易滿足條件;美國墾務局方案應力易滿足條件,但壩體肥厚,倒懸度大。參考同類建筑和兩種方案故選擇BT=22.0米。則厚高比HT=88圖4-1方案四拱冠梁剖面圖4.2拱壩的平面布置⑴控制梁的自重拉應力不超過允許值,一般為0.3~0.5Mpa.⑵控制壩面倒懸度不超過允許值,整體為0.3:1,局部在(0.2~0.25:1范圍內(nèi)。⑶壩體輪廓線應光滑連續(xù)。⑷壩體與基巖的接觸線應光滑連續(xù)。?2越大,拱端應力越小,應在外荷載和河谷形狀都相同的情況下,拱圈中心角A?2?120°時,拱力條件越好。若按與工程實際更為接近的兩端固端拱計算,當中心角A圈截面將不出現(xiàn)拉應力。因此,從減少拱圈厚度,改善壩體應力考慮,選較大的中心角是比較有利的。但從穩(wěn)定條件考慮,選用過大的中心角將較難滿足壩肩的穩(wěn)定要求。現(xiàn)代拱壩設計中,頂拱圈的中心角多為90°~110°之間,對于壩址河谷平面上是漏斗形,其中心角可適當?shù)募哟蟮?10°~120°。本設計根據(jù)以上情況及地質(zhì)地形資料并結合設計要求,定各方案中心角為96°,100°,104°,110°。各方案保持拱壩在上下游面曲線與各拱圈的厚度不變,僅改變半徑,布置時保證兩個半中心角之差不超過2°。完成上下游面圓心線坐標圖與拱壩的平面布置圖共四個方案。拱面力求光滑,現(xiàn)把四個方案各自的中心角與各層拱圈內(nèi)外半徑列入表4·1表4·1四個方案的中心角及半徑匯集表注uR=2sin2,dR=uR-T(L=200拱壩平面布置的方法及步驟如下:⑴定出壩址,可利用基巖面等高線地形圖,這個工作前面已經(jīng)作完。⑵定出拱壩的對稱中心線,該中心線即為頂拱外弧對應弦的垂直平分線。做法:將頂拱外弧(拱壩軸線和它的垂直平分線繪制在透明紙上,在地形圖上移動調(diào)整位置,使拱軸線與等高線在拱端處的夾角不小于30°~35°,并使兩端夾角大致接近(其余各層拱圈也要求左右半中心角之差小于2°,且注意使拱軸的垂直平分線與河谷中心線大致重合。⑶根據(jù)頂拱的厚度可以繪制出內(nèi)弧。⑷其他拱圈的布置方法。做法:在頂拱弦長線的中點上量取各圈的弦長(2L=191.4m,3L=169.7m,4L=134.3m,5L=97.4m,6L=73.6m。,并于頂拱外弧交于一點,然后確定一點,量取各圈外半徑的長度,畫圓于頂拱垂直平分線交于一點則就確定了該層拱圈的圓心,再根據(jù)各圈的外、內(nèi)半徑畫出來該外弧和內(nèi)弧。⑸懸臂梁截片檢查,由于該拱壩對稱性較好,在左不拱切取三個懸臂(不包括拱冠梁,檢查壩面是否光滑,倒懸度是否滿足施工要求。⑹根據(jù)以上布置的尺寸,計算壩體工程量,以做出不同方案比較的依據(jù)。由于拱壩應力計算程序在進行計算的同時,也算出了壩體工程量。因此,這一步驟也可由計算機自動完成。上面四個方案的平面布置圖如附圖Ⅰ~Ⅴ所示。其中每個圖對應一個方案。從輪廓線以及工程量判斷,得出其中較優(yōu)秀的方案。4-2方案四平面布置圖5拱壩應力計算和內(nèi)力計算5.1荷載和荷載組合基本荷載主要有:靜水壓力,泥沙壓力,浪壓力,自重,水重,揚壓力和溫度荷載。特殊荷載主要有:地震荷載,包括動水壓力和地震慣性力,地震動土壓力。在基本組合中,靜水壓力,泥沙壓力,浪壓力在拱梁分載法中由拱梁共同承擔。⑴自重:對于分塊澆注的混凝土壩,自重全部由懸臂梁承擔,并不影響水平徑向荷載的分配,單獨計算自重應力。⑵水重:一般假定有梁承擔,通過梁的變化考慮對拱的影響。⑶揚壓力:對中厚拱壩和厚拱壩應記入揚壓力作用,對薄拱壩可不計。當揚壓力對拱座及壩基巖體穩(wěn)定影響較大時,必須計入其作用。⑴水庫正常蓄水位+設計正常溫降情況計算荷載有:自重,揚壓力,泥沙壓力,水壓力,溫降荷載。這種情況為壩體應力控制條件。⑵水庫運行最低水位(死水位+設計正常溫升情況⑴非常泄洪:校核洪水位+設計正常溫升情況計算荷載有:自重,靜水壓力,泥沙壓力和設計正常溫升的溫度荷載。這種情況為壩肩穩(wěn)定的控制條件。⑵基本組合⑴+地震荷載由于時間關系,省略浪壓力和地震荷載。只計算基本組合⑴和特殊組合⑴。5.2應力計算方法(拱冠梁法拱冠梁法是一種簡化了的拱梁分載法,就是沿高程將壩體分成5~7層,在每層內(nèi)取1米高度的水平拱圈,以及取中面寬度為1米的拱冠梁作為計算單元。根據(jù)兩者交點處的徑向變位一致條件建立荷載分配方程組,求解拱梁中的徑向荷載分配比例,并假定荷載沿拱圈均勻分布。以一根在拱冠的懸臂梁分配到的荷載代表全部懸臂梁的受力情況,各拱圈分布到的荷載仍為徑向荷載,且從拱冠到拱圈均勻分布,采用分段施工時,則自重已由梁在封拱前單獨承擔,通過拱圈變位考慮對梁的影響,在進行拱梁分載后計算應力時,自重、水沙重、揚壓力等全部由梁承擔。⑴選定若干拱圈(5~7圈,分別計算各拱圈以及拱冠梁與各拱圈交點在單位徑向荷載作用下的變位,這些變位即為變位系數(shù)。⑵根據(jù)各個交點拱梁徑向變位協(xié)調(diào)的關系以及各點拱梁荷載之和應等于總荷載強度的要求建立變位協(xié)調(diào)方程組。⑶將上述方程組聯(lián)立求解,可以得到各點的拱梁荷載分配。⑷根據(jù)求出的荷載分配值分別計算拱冠梁與各拱圈的內(nèi)力和應力。拱冠梁法按其荷載分配的計算方法不同可分為試載法和解聯(lián)立方程法兩種。5.3應力和內(nèi)力計算過程計算方法:利用Excel解聯(lián)立方程法。下面只打出所選方案的設計水位+溫降的應力和校核水位+溫升的拱端的內(nèi)力。wi⑴拱冠梁的截面常數(shù)、梁自重及其彎矩、水重及其彎矩、淤沙重及其彎矩、揚壓力及其彎矩等項目的計算,詳見表5·1。參數(shù)意義如圖5·1所示。參數(shù)圖如圖5·2所示。gbb'gabgad圖5·1拱冠梁參數(shù)意義示意圖表5·1垂直力的求解表續(xù)表5·1續(xù)表5·1續(xù)表5·1續(xù)表5·1注1.單位:力為kN,彎矩為mkN?,長度為m,截面面積為2m,截面慣性矩為4m。2.形心水平距離以塊頂形心對塊底形心偏向下游為正,偏向上游為負,力的符號以向下為正,向上為負。彎矩:順時針方向為正,反時針方向為負。上下游面的分段水平長上游面以指向下游為正,指向上游為負,而下游面則相反。3.mwγγ,分別為水和混凝土的容重。(2根據(jù)五不等段徑向變位系數(shù)iδ系數(shù)表和五不等段拱冠梁單位三角形徑向荷載徑向變位系數(shù)的乘數(shù)值表ija算出iδ與ija。見表5·2和表5·35·2垂直力作用下的徑向變位系數(shù)wiδ單位(mEm/注:1.'n="n=11K=5.453K=2.725K=0.67m=4.020=2.本表系數(shù)見《砌石壩設計》(廣西大學主編水利出版社出版中表3-3-9中的方程計算。ija徑向變位ija,由梁內(nèi)各截面彎矩引起的Mijδ、剪力引起的變位Mijδ、以及梁基產(chǎn)生的變位θδij、γδij,所以拱冠梁在單位三角形徑向荷載作用下的徑向變位系數(shù)ija=Mijδ+Mijδ+θδij+γδij。采用計算表格的形式,把他們列表計算,系數(shù)已經(jīng)給出,其具體計算過程見表5·3。由表5·3所列系數(shù)計算得11a=4448.8(mE1,……66a=11.205(mE1,共36個徑向變位系數(shù)。詳見表5·3中計算。其中1K、3K、5K、'n、"n采用與表5-2相同。iT、iA、iI見表5·1中的常數(shù)計算單元。h?=20m、m=0.4;如:44220230121257.93hI?==?,其余見表中算值。表5·3單位三角徑向荷載作用下徑向變位系數(shù)求解表單位mE/1續(xù)表5·3續(xù)表5·3iδ、iC的求解根據(jù)rT/值和半中心角以及FmEE/值查《砌石壩設計》中附表可得內(nèi)插系數(shù),見表5·4中61-δ、61-C欄所示。拱壩的均勻溫度變化mt,水,沙荷載P,61-δ以及61-C的計算見下表5·4。表5·4mt、P、61-δ及61-C的計算表注:溫度系數(shù)mα=0.00001,mE=16MPa,sφ=10°。建立拱冠梁的梁、拱徑向變位一致的關系式(5?1,求解拱梁分荷值及計算拱梁應力將以上計算的變位及徑向荷載代入式(5?1得:iiiiwinjjijCXPXa+-=+∑==δδ(61(6~1=i(5?1式中ija——梁上j點的單位荷載使梁上i點產(chǎn)生的徑向變位,稱為梁的徑向變位系數(shù);jX——梁在j點處的荷載;iP——梁在截面處的水平荷載;wiδ——在垂直力作用下,梁上的徑向變位i點的徑向變位系數(shù);iδ——水、沙壓力和產(chǎn)生的徑向變位系數(shù);iC——在均勻溫度變化下的徑向變位系數(shù)。212346605.8X+8909.6X+4366.4X+1772.7X+444.99X+37.86X-260480.65=X(0-6320-2389751.023987X+5837X+3158X+1356X+346X+32.06X-174832.11=X(180-2992-1167691.04??1234566486.6-2926651.53X+91.4X+80.4X+69.4X+42.42X+11.13X-1698.07=X(1034.26-366.5-225221.1?????????????????????????????由Excel與線性代數(shù)BAX1-=解聯(lián)立方程式得梁各截面分荷iX:?123456X-82.27(kN/m,X12.884(kN/m,X129.570(kN/mX262.647(kN/m,X815.17(kN/m,X1092.26(kN/m===??===?則拱冠梁分配到的荷載強度ix:?12345?====???====??拱圈分配到的荷載為iiixPx-=',即:'1x=80.58/(mkN,'2x=182.6/(mkN,'3x=273.4/(mkN,'4x=385.33/(mkN,'5x=222.87/(mkN,'6x=135.91/(mkN。如圖5·2所示。拱冠梁應力計算過程詳見表5·5。1092.26815.17129.5712.884-82.27263.64780.58182.6273.4385.33222.87135.91梁荷載分配圖5.2表5·5水平力作用下的彎矩和拱冠梁應力的計算表2.其中對截面的力臂il從第三個截面開始都為下一個對上一個截面的力臂。拱圈的應力計算詳見表5·6~5·9。利用純拱法的計算的應力成果來計算拱圈的應力。純拱法成梁中的水、沙壓產(chǎn)生的應力乘以拱圈分荷強度比iiipxP-,即得分荷后的拱圈徑向均布荷載的應力,再加上由均勻溫度變化產(chǎn)生的應力就得到了拱圈應力,如表中所示。由于第一和第二截面中的截面荷載為負,分荷強度不好確定,則以拱分荷強度作為P值,以與純拱法計算的方法得到。5.4其他方案的計算由于四個方案的計算步驟是一樣的,故其他方案的計算過程不打印出來了,只打印計算結果,現(xiàn)把四個方案的計算結果都列出來,如表5·10~5·14所示。5.5方案計算結果和分析通過前面幾部分的計算,四個方案的結果都已經(jīng)知道,把每個截面上最不力的荷載列出來,然后列表給出,如表5·16所示。從SD145-85規(guī)范中可以查出來在設計荷載情況下的[]1200=設計σ2/mkN,[]1500=校核σ2/mkN;從表5·16中可以看出來,四個方案的應力都滿足條件?，F(xiàn)從應力大小、拱端推力、工程量、平面布置以及倒懸度四個方面比較,具體見表5·15。表5·15方案比較表注拱端推力、及工程量中間的數(shù)據(jù)由小到大排列。從表5·15中看出,由于方案四應力最小,推力小,工程量小。因此確定方案四為選定的方案。表5·16四個方案的結果匯總表注1.應力的單位為2/mkN,推力的單位為kN,工程量的單位3m。2.拉應力為負,計算得到的壓應力表中未列出。工程量的計算方法為:利用拱壩的中心角,壩厚及內(nèi)外半徑,計算出每個方案的工程量,計算公式如式5·2所示。8(14.336021(14.3360(14.3360(14.3360(14.3360(14.336021262662525524244232332222221211?-??+?-?+?-?+?-?+?-?+?-??=dudududududuRRhRRhRRhRRhRRhRRWφφφφφφ(5·26壩肩穩(wěn)定計算壩址區(qū)巖性為片巖及大理巖,庫區(qū)出露地層為石炭系三疊系前海相沉積物經(jīng)區(qū)域變質(zhì)而成的變質(zhì)巖,庫區(qū)內(nèi)無大斷裂,則對壩肩穩(wěn)定無太大影響,所以滑坡以一般組合發(fā)生滑移,一個較陡的側裂面和一個平緩的底裂面。6.1穩(wěn)定分析拱壩的抗滑穩(wěn)定,主要取決于兩岸壩肩巖石的穩(wěn)定條件,如果兩岸基巖在拱推力作用下發(fā)生滑動,勢必拉裂壩體,影響大壩的安全,壩肩巖體的穩(wěn)定分析是拱壩設計中的一個重要內(nèi)容,只能在抗滑穩(wěn)定有保證的前提下,才能談到壓縮變形和壩體應力的問題。當壩肩處在校核水位+溫升情況下時,其壩肩的穩(wěn)定條件是最差的,故以校核水位+溫升情況作為壩肩穩(wěn)定分析的原始依據(jù)。拱壩壩肩穩(wěn)定分析是個空間問題。必須按空間抗滑穩(wěn)定計算才能反映實際情況,本次設計采用取單位寬度、單位高度的拱圈進行分層計算。如各高程的拱圈能獨立穩(wěn)定,則整體穩(wěn)定便不存在問題。若在穩(wěn)定分析中,發(fā)現(xiàn)某些層的穩(wěn)定不足,且無把握判斷整個壩的安全時,則必須創(chuàng)造條件進行岸坡的整體穩(wěn)定分析,最后的結果應該使整體穩(wěn)定必須滿足要求,同時應對局部不穩(wěn)定的部位采取必要的工程措施。根據(jù)工程規(guī)模和地質(zhì)條件,采用剛體極限平衡法進行平面穩(wěn)定分析。采用剛體極限平衡法必須采用下列的假設。⑴將滑移的各塊巖體視為剛體,不考慮其中各部分間的相對位移。⑵只考慮滑移體上的力的平衡,不考慮力矩平衡,后者可由力的分布自行調(diào)整滿足。⑶忽略拱壩內(nèi)力的重分布作用,認為拱端作用在巖體上的力系為定值。⑷巖體達到極限平衡狀態(tài)時,滑裂面上的剪力方向?qū)⑴c滑移方向平行,指向相反,數(shù)值達到極限值。由于做了各種假定,剛體極限平衡理論為半經(jīng)驗性的,所得成果有一定的局限性,但因其具有長期的工程實踐經(jīng)驗,采用的抗剪強度指標和安全系數(shù)配套,計算精度又與當前的勘探和試驗手段所獲取的原始數(shù)據(jù)的精度相當,方法簡便易行。因此本設計采用此方法。在各種荷載作用下,拱壩壩肩對山坡作用有一定的力,現(xiàn)切取單位高度(1m和單位寬度(1m水平拱進行分析,作用在壩肩處的荷載可分解為:⑴拱端反力——法向力aH,剪力aV⑵梁底反力——垂直力G,剪力bV(a平面圖(b力系圖1×tgωacos以上力系以圖中的指向為正。力系簡圖如圖6·1所示。圖6·1平面穩(wěn)定分析計算簡圖6.2穩(wěn)定計算從地形圖上來看,某一高程拱圈與等高線相交,從該拱圈上游面交點任作對線四條,對線與等高線的交點即該線段的長為L,將拱端所受的力aH、aV分解為αsinaH,αcosaH,αsinaV,αcosaV。使分力作用在滑離面上,如圖6·2所示。圖6·2拱端力的分解圖作用在上述滑移體上的力有:⑴1m高的水平拱圈傳來的拱端推力aH與徑向剪力aV。⑵梁底傳來的鉛直壓力?Gtg和徑向剪力?tgVb(G,bV為單位寬度的梁底鉛直壓力和徑向剪力。⑶滑移體自重?Wtg(W為圖6·1中底裂面上相應巖體的單位寬度自重。⑷側裂面和底裂面上的法向基巖反力1R、2R,滲透壓力1U、2U,抗滑力1S、2S。由圖6·1可知。將全部的力向ad面的法向和切向進行分解。法向力:α?αsin(costgVVHNbaa+-=(6?1切向力:α?αcos(sintgVVHQbaa++=(6?2當滑移體處于極限平衡狀態(tài)時,由靜力平衡條件可求得:111sincos(sinsinUtgVVHUNRbaa-++=-=δα?αδ(6?322(UNctgtgWGR--+=δ?(6?4根據(jù)基本假定⑷,在側裂面和底裂面將產(chǎn)生指向上游的水平抗滑力,其大小分別為:111fRS=(6?5222fRS=(6?6作用在滑移體上的滑移力即為切向力Q,由于不考慮凝聚力c,則抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為:α?αcos(sin2211221121tgVVHfRfRQfRf