精品福州大学拱坝毕业课程设计计算说明书文档格式.docx

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经水库规划计算结果、坝址上、下游特征水位如下：

P＝0.2%校核洪水位319m，相应尾水位270.5m。

P＝2%设计洪水位316.8。

相应尾水位269m。

正常高水位316m

死水位298m

淤砂高程283m。

坝顶溢流堰堰顶高程310.2m

坝顶高程320m

2.2.4荷载及荷载组合

荷载应按实际情况进行分析，决定计算内容、荷载组合根据实际情况分析选取二种控制性的组合进行设计计算。

有关荷载资料及设计系数如下，未经列出者由设计人自行拟定。

1．坝体自重，混凝土容重＝24KNm3。

2．上游砂压力，泥砂干容重g＝14KNm3，空隙率n＝0．4，淤砂内摩擦角＝16o。

3．温度荷载：

均匀温度变化t；

按经验公式估算

4．混凝土线膨胀系数＝1×

10－5（1oC）。

5．混凝土弹性模量Eh=1.85×

105kgcm2（C10砼）。

3.设计步骤

3.1工程等级的确定

本水库总库容2.1千万方。

灌溉2万亩，电站装机1万千瓦。

根据工程规模为中型。

程等别为III级，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

3.2拱坝形式的选择与坝高的确定

3.2.1确定可用基岩等高线

经充分研究坝址地形图、地质剖面图和地形地质报告，可以初步确定拱坝大致布置于高程255～320m左右，属于中坝。

根据[2]《水工建筑物》的建议，中坝坝基应当尽量开挖到微风化至弱风化中、下部。

本工程坝址区基岩一般风化不深，剧风化垂直深度，左岸为3～6米，右岸为4～8米，河床为0～3米，微风化或新鲜基岩距地表深度，在320米高程以下：

所以本工程左岸基本沿建议开挖线开挖，只在高程280～290m处修均。

而右岸为了同左岸对称在高程260～320m比建议开挖线多下挖4～6m。

320m以上基本控建议开挖线开挖，而对于河床部分为了不使拱坝底产生尖角，开挖至高程255m，并回填混凝土至高程260m,保证高程260m处河床宽度在12.5m。

3.2.2拱坝形式的选择

合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面内的压应力分布趋于均匀。

由于本工程河谷较为对称，且为初步设计，故本设计采用等截面圆弧拱圈，设计该拱坝为双曲拱坝。

3.2.3坝高确定

已知坝顶高程为320m，河谷高程为260m，河谷底部强分化层的厚度为3.59m，为满足大坝底部应力要求，将河谷底部开挖至256m，但地基处理时本设计回填混凝土至高程260m,则可以确定大坝的高度为

，同时可以确定大坝的开挖线见图1图1：

图1拟定的河谷开挖线

3.3拟定圆心角与坝轴线半径

拟定坝顶拱圈的圆心角为，已知坝顶高程为320m，根据坝轴线与320m等高线的交点，在图纸上量出，所以，可以算出，

因为图与实际的比例是1:

500，所以，坝顶河谷宽坝轴线半径

为使拱坝布置对称于河谷，建议以顶拱圈园心与坝高拱圈的园心联线为基准线来试探，在试探过程中要更多地照在坝高各拱环的对称性。

并尽可能使该部位能获较优的中心角和与两岸等高线的夹角不小于35o。

画出拱坝布置图，见1号大图。

3.4初步拟定拱冠梁的剖面尺寸

3.4.1坝顶宽度的拟定

已知坝顶河谷宽，大坝的高度为。

在选择拱冠梁的顶部厚度时，应考虑工程规模和运用要求，已知坝顶交通要求，有公路通过桥面宽6m。

根据美国垦务局建议公式：

所以，大坝顶部的高程取6m。

3.4.2坝底厚度与的确定

河谷的形状特征常用坝顶高程出的河谷宽度与最大坝高的比值，即使宽高比来表示。

拱坝的厚薄程度，常以坝底最大厚度和最大的坝高的比值，即厚高比来区分。

已知坝顶河谷宽，坝高，故

根据以往工程经验取，将带入计算，可以得，大坝的厚度为

。

所以，大坝的底部厚度为13.2m。

根据美国垦务局建议公式

3.4.3凸点、凸度和倒悬度的计算

对于双曲拱坝，拱冠梁的上游面得曲线可用凸点与坝顶的高差、凸度和最大倒悬度（两点间的水平距离与其高差的比）来描述。

根据对我国的东风、拉西瓦等11座拱坝的值的敏感性的计算分析，得其合适的范围是：

由于本工程的宽高比较大，所以。

取,，所以可以得

，

又已知凸点距离坝顶的高差为，且坝高为60m，所以凸点距离把地点高差为，且，所以可取,结果得

根据以上的计算结果，得见图2:

图2拱冠梁剖面

3.4.4拟定各高程拱圈的厚度，中心角，半径及圆心位置。

1、沿坝高每隔10米左右取一层拱圈，本设计全坝高可取5～6层拱圈。

在河谷形状宽突变处，要布置一个拱圈。

2、为使各拱圈布置尽量接近对称于河谷．各拱圈的左右半中心角相差应控制在3o以内。

3、为保证坝面在水平和铅直方向都是光滑的，圆心的轨迹线宜是光滑的连续曲线并必须位于基准面上（基准面为穿过拱冠梁与拱坝轴线圆心的铅直面）。

由以上原则确定其各拱圈布置见图3，大图见1号大图

图3拱冠梁剖面的布置

3.4.5检查调整

1.在不同高程沿径向（指该高程拱圈的径向）切取若干垂直剖面检查两岸悬臂梁轮廓是否光滑连续是否有过大的倒悬度（混凝土坝倒悬度可达13左右）。

直接在拱圈平面布置图上量出各个的交点。

右岸的切下的剖面详见大图1，计算各个剖面下的倒悬度是否满足要求，结果如下表格1：

表格1左岸各高程倒悬度

高程

300

290

280

260

倒悬度

0.182

0.150

0.238

0.278

左岸的切下的剖面详见大图1，计算各个剖面下的倒悬度是否满足要求，结果如下表格2：

表格2右岸各高程倒悬度

0.100

0.190

0.292

综上，根据计算的结果，可知工右岸高程260m处的径向切剖面倒悬度为0.292大于拱冠梁的最大倒悬度0.280，但仍小于允许倒悬度0.333，满足要求，且切出的剖面悬臂梁轮廓光滑连续。

总体上本设计倒悬度偏大，且有可能由于手工测量误差，在实际施工中出现倒悬度过在，所以在进一步的设计当中应加以注意，设计时厚高比TH应取稍大的值建议取0.26，最在倒悬度S建议取0.25坝面曲线应采用圆弧线，以保证凸点的合理性。

2.将各层拱圈的半径、中心角与圆心位置分别按高程点绘，各联成曲线以检查其是否平顺光滑

将各个拱圈的半径、圆心角与拱圈高层的坐标关系画出，如下图（具体情况见A1图）

图4圆心轨迹线和中心角连线

分析后可以得出将各层拱圈的半径、中心角与圆心位置分别按高程点绘，各联成曲线检查基本平顺光滑，满足要求。

3.检查坝底与基岩接触面的轮廓线，基本达到了光滑连续，无突变。

设计满足要求。

4.绘制沿拱轴线展开的纵剖面图检查沿河谷开挖表面的坡度是否连续均匀变化以求得到光滑的纵剖面展开图。

根据已知条件，画出绘制沿拱轴线展开的纵剖面图，如A1图所示，经过一些局部调整，基本满足要求。

经过调整拱坝设计已符合基本要求，列出拱圈的几何参数如表格3：

表格3拱圈参数

拱圈厚T

圆心距Lc

拱圈半径

拱圈中心角

拱圈内半径

拱圈外半径

平均半径

320

6.00

0.00

110.00

116.00

113.00

55.0

56.0

111.0

10.41

40.00

72.70

83.11

77.91

45.0

46.0

91.0

12.15

52.60

50.34

62.49

56.42

42.0

41.0

83.0

13.24

65.97

45.48

58.72

52.10

39.0

37.0

76.0

13.20

92.50

12.92

26.12

19.52

32.0

33.0

65.0

3.5拱坝应力分析

拱冠梁法电算坝体应力，电算可采用拱冠梁法程序计算各高程拱圈的拱冠与拱端应力，已知大坝的上下游的水位概况，如下表格4：

表格4水位情况

设计工况

校核工况

正常工况

上游水位（m）

319

316.8

316

下游水位（m）

269

270.5

269

坝体材料、坝基弹性模量等概况，见表格5：

表格5荷载计算参数

坝体材料E

坝基E

砼线膨胀系数

坝体容重

沙浮容重

沙内摩擦角

185000kgcm^2

1.00E-05

24KNm^3

0.812KNm^3

16

注：

由于本工程基底回填混凝土，所以坝基弹性模量取值为混凝土的弹性模量。

将以上的表格的已知的结果带入电算程序，分别计算校核洪水位温升、设计洪水位温降、正常蓄水位温降三种工况下的应力分析，结果如下：

电算结果本工程的混凝土方量是V=58914。

1）校核洪水位+温升工况（工况1）电算成果（表格6～表格8）

表格6拱冠梁应力成果

I

X

W

LS

LX

（TM^2）

（MM）

（KGCM^2）

1

-6.026

130.74

2

4.325

93.38

1.285

5.936

3

1.564

73.31

13.918

-8.647

4

14.599

48.52

-5.045

20.961

5

39.017

6.07

-13.732

38.06

表格7拱圈应力成果单位：

Mpa

GGS

GGX

GDS

GDX

1.335

0.928

0.773

1.500

1.710

0.319

-0.059

2.169

2.170

-0.261

-0.662

2.782

1.678

-0.398

-0.630

2.115

0.412

-0.150

-0.034

0.409

表格8拱端内力

GDM

GDH

GDV

（T-M）

（T）

-222.102

695.043

-5.828

-2050.978

1119.404

-101.971

-4317.961

1312.779

-349.192

-4087.692

1001.901

-400.158

-656.054

252.692

-261.587

2）设计洪水位+温降工况（工况2）电算成果（表格9～表格11）

表格9拱冠梁应力成果

-5.081

129.36

3.309

91.84

1.027

6.28

1.015

71.95

14.696

-9.004

14.04

47.53

-4.636

20.56

39.369

5.92

-11.452

35.666

表格10拱圈应力成果单位：

1.154

0.750

0.597

1.318

1.587

0.213

-0.160

2.040

2.060

-0.336

-0.731

2.663

1.585

-0.459

-0.688

2.015

0.372

-0.188

-0.072

0.369

表格11拱端内力

-220.551

585.416

-5.787

-2025.601

997.302

-100.709

-4256.347

1196.612

-344.209

-4026.236

895.604

-394.141

-653.024

199.465

-260.379

3）正常蓄水们+温降工况（工况3）电算成果（表格12表格9～表格14）

表格12拱冠梁应力成果

-4.963

126.61

2.999

90.59

1.073

6.248

0.719

71.39

15.032

-9.267999

13.541

47.52

-4.233

20.13

42.601

6.09

-10.676

35.36

表格13拱圈应力成果单位：

1.128

0.733

0.582

1.288

1.564

0.210

-0.159

2.011

2.044

-0.333

-0.726

2.642

0.383

-0.193

-0.074

0.380

表格14拱端内力

-215.869

571.869

-5.664

-1997.908

982.922

-99.333

-4223.293

1186.939

-341.536

-4026.043

895.558

-394.122

-672.394

206.155

-268.102

压应力不得在于混凝土的容许压应力，拉应力不得大于1.2Mpa。

综上三种工况下，拱坝坝体最在压应力为2.782Mpa,最在拉应力为0.731Mpa，由于本工程坝体采用C10混凝土，所以本工程坝体应力符合规范应力要求。

3.6坝肩稳定分析

取单位高度（1米）拱圈分层校核坝肩的局部稳定，首先应根据拱坝平面布置图和坝址地质情况通过分析选取那些拱端推力较大而下游岩体单薄的拱圈进行核算。

在坝肩的岩石无明显的节理裂隙等软弱结构滑动面情况下为简便起见可假设最危险的滑动面为平行于拱圈基准线。

即滑动面走向大致平行于河谷且其倾角地与岸坡是平行的。

根据电算结果，查的可得在高程300m、290m、280m处拱端推力H较大,故选取这三个高程进行核算。

设是通过上游高程处拱端的一条陡倾角滑裂面，与拱端径向的夹角为，与整体分析相似，可以得滑移体上的力计算公式如下

—拱端轴力，从电算成果中GDH得到；

—拱端剪力，从电算成果中GDV得到；

—拱冠梁的剪力，可由电算成果中的X作图得到；

—为所截拱圈所支承的单宽坝体重量，为G=tg

对所核算的那层拱圈，抗滑力显然发生在竖向滑裂面和水平滑裂面bc上，方向与平行，指向上游。

两个滑裂面上的抗滑力分别

其中

—作用于ab面上的渗流压力，其中U=

—作用于bc面上的渗流压力，其中U=

—破裂面上的岩体重量，W=

已知

由于本书的篇幅所限，关于坝肩稳定计算本书仅列出高程300m处，右岸坝肩稳定计算原理图如下：

（a）（b）

（c）（d）

图5（a）假定滑裂面（b）φ角的测量（c）阻滑体计算（d）梁的剪力Vb计算

表格15滑裂面参数

项目

高程（m）

f1

f2

c1

c2

（°

）

L（m）

W（kN）

300右岸

0.65

196.2

64

32

51.1

4846

300左岸

62

33

29.76

3028

290右岸

60

29.83

1981

290左岸

54

22

19.55

2110

表格16校核洪水校位+温升工况下（工况一）坝肩稳定计算单位：

kN

H

Va

Vb

N

Q

G

U1

U2

S1

S2

K

10981

-1000

437

9368

5731

7514

4762

9764

13019

22445

6.19

401

9343

5775

7709

2773

5216

10109

14154

4.20

12878

-3425

824

12930

1629

11177

2780

4815

12450

14414

16.4

655

12886

2484

9188

1822

2508

11027

8703

7.94

表格17设计洪水校位+温降工况下（工况二）坝肩稳定计算单位：

9784

-988

279

8517

4832

4136

8479

12874

23280

7.48

256

8481

4904

2409

4530

9786

14600

4.97

11739

-3377

579

11939

954

2414

4182

12044

14826

28.2

460

11912

1853

1582

2178

10550

8918

10.5

表格18正常蓄水位+温降工况下（工况三）坝肩稳定计算单位：

9642

-974

218

8457

4662

4010

8222

12916

23447

7.80

200

8413

4750

2336

4393

9789

14689

5.15

11644

-3350

459

11897

754

2341

4055

12064

14908

35.8

365

11863

1722

1534

2112

10549

8961

11.3

综上表格13～15，在校核洪水位（温升），设计洪水位（温降）下和正常蓄水位（温降）等三种最不利的工况下，本大坝岩体单薄的高程300m和290m处的拱端安全系数K值均大于3.0，符合坝肩稳定的要求。

但是，在高程315m附近有一条破碎带F3，本设计并没有进行坝肩稳定计算，是因为本设计认为F3断层较浅（接近拱顶320m）不易产生滑动，且可以在施工中采取适当加固措施。

相反，300m高程处拱推力大，岩体相对单薄，更有可能产生滑动。

出于安全考虑建议在进一步的设计中对F3进行稳定计算。

3.7坝体细部构造设计

坝体细部构造设计

坝体溢流坝设计主要包括以下两项：

1．坝顶细部设计，主要为坝顶溢流堰及消能的设计计算。

2．坝基、拱座设计，主要为拱座形式，坝基垫座等细部构造在说明书中要说明细部构造设计的成果及依据并将细部构造图绘制于大图中

3.7.1坝顶细部设