混凝土重力坝毕业设计计算书.doc

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第1章非溢流坝设计 2

1.1坝基面高程的确定 2

1.2坝顶高程计算 2

1.2.1基本组合情况下：

2

1.2.2特殊组合情况下：

3

1.3坝宽计算 4

1.4坝面坡度 4

1.5坝基的防渗与排水设施拟定 5

第二章非溢流坝段荷载计算 5

2.1计算情况的选择 5

2.2荷载计算 5

2.2.1自重 6

2.2.2静水压力及其推力 6

2.2.3扬压力的计算 7

2.2.4淤沙压力及其推力 10

2.2.5波浪压力 11

2.2.6土压力 12

第3章坝体抗滑稳定性分析 13

3.2抗滑稳定计算 15

3.3抗剪断强度计算 16

第4章应力分析 17

4.1总则 17

4.1.1大坝垂直应力分析 17

4.1.2大坝垂直应力满足要求 18

4.2计算截面为建基面的情况 19

4.2.1荷载计算 19

4.2.2运用期（计入扬压力的情况） 20

4.2.3运用期（不计入扬压力的情况） 21

4.2.4施工期 21

第5章溢流坝段设计 22

5.1泄流方式选择 22

5.2洪水标准的确定 23

5.3流量的确定 23

5.4单宽流量的选择 23

5.5孔口净宽的拟定 23

5.6溢流坝段总长度的确定 24

5.7堰顶高程的确定 24

5.8闸门高度的确定 25

5.9定型水头的确定 25

5.10泄流能力的校核 26

5.11.1溢流坝段剖面图 26

5.11.2溢流坝段稳定性分析 27

（1）正常蓄水情况 27

（2）设计洪水情况 27

（3）校核洪水情况 28

第6章消能防冲设计 28

6.1洪水标准和相关参数的选定 29

6.2反弧半径的确定 29

6.3坎顶水深的确定 30

6.4水舌抛距计算 31

6.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 32

第7章泄水孔的设计 33

7.1有压泄水孔的设计 34

7.11孔径D的拟定 34

7.12进水口体形设计 34

7.13闸门与门槽 35

7.14渐宽段 35

7.15出水口 35

7.15通气孔和平压管 35

参考文献 36

毕业设计（论文）任务书

题目车家坝河水利枢纽

（碾压重力坝设计）

（任务起止日期2010年3月29日~2010年6月18日）

河海院水利水电专业03班

学生姓名谢龙学号06150311

指导教师张建梅教研室主任许光祥

院领导周华君

第一章非溢流坝设计

1.1坝基面高程的确定

由《混凝土重力坝设计规范》可知，坝高100~50米时，重力坝可建在微风化至弱风化中部基岩上，本工程坝高为50~100m，由于本坝址岩层分布主要为石英砂岩，故可确定坝基面高程为832.0m。

由水位—库容曲线查的该库容为0.03×108m3，故可知该工程等级为Ⅳ级。

1.2坝顶高程计算

1.2.1基本组合情况下：

1.2.1.1正常蓄水位时：

坝顶高程分别按设计和校核两种情况，用以下公式进行计算：

波浪要素按官厅公式计算。

公式如下：

库水位以上的超高：

式中--波浪高度，m

--波浪中心线超出静水位的高度，m

--安全超高，m

--计算风速。

水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s

D-风区长度；m

L--波长；M

H--坝前水深

1.2.1.2设计洪水位时：

根据水库总库容在之间可知，大坝工程安全级别为级

计算风速取相应洪水期多年平均最大风速的1.8倍，即=47.7m/s

根据公式，可知波浪高度=2.71m

根据公式，可知波长L=23.19m

根据公式，可知波浪中心线超静水位高度=0.994274m

可知库水位超高=4.1m

可知坝顶高程=890.00+4.1=894.1m1.2.1.2校核洪水位时：

计算风速取相应洪水期多年平均最大风速，即=26.5m/s

根据公式，可知波浪高度=1.30m

根据公式，可知波长L=7.0034m

根据公式，可知波浪中心线超静水位高度=0.7577m

可知库水位超高=2.355m

可知坝顶高程=890.00+2.355=892.355m

1.2.2特殊组合情况下：

Vo=26.5m/s

故按莆田试验站公式计算：

=6.43×10-3

故hm=0.4603m

=1.1146

故Tm=3.011s

综合

（1）、

（2），可知最大坝顶高程取894.1m

1.3坝宽计算

为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。

一般地，坝顶宽度取最大坝高的8%~10%。

，且不小于3m

所以坝顶宽度=6m，并可算出坝底宽为78.5m

1.4坝面坡度

上游坝坡采用折线面，一般起坡点在坝高的2/3附近，建坝基面高程为832m，折坡点高程为873.4m，坡度为1：

0.2；下游坡度为1：

0.8。

因为基本三角形的顶点与正常蓄水位齐平，故重力坝剖面的下游坡向上延伸应与正常蓄水位相交，具体尺寸见下图

图1.1重力坝剖面图

1.5坝基的防渗与排水设施拟定

由于防渗的需要，坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。

据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕及排水孔廊道中心线在坝基面处距离坝踵5.5m。

第二章非溢流坝段荷载计算

2.1计算情况的选择

作用在坝基面的荷载有：

自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力，常取坝长进行计算。

2.2荷载计算

2.2.1自重

自重在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位完全一样计算步骤如下；

坝体自重的计算公式：

式中：

可知：

W1=0.56302.49.81=2118.96KN

W2=662.12.49.81=8772.494KN

W3=0.566.557.32.49.81=44856.62KN

W=W1+W2+W3=55748.47KN

坝体自重=55748.47KN

2.2.2静水压力及其推力

①静水压力与作用水头有关，所以在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位时静水压力各不相同，应分别计算；

②静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平压力和垂直压力两种。

的计算公式为：

式中：

——计算点的作用水头，；

——水的重度，常取；

（1）基本组合：

正常蓄水位情况：

F1=0.59.81582=16500.42KN

W1=0.5（58+28）69.81=2538.72KN

设计洪水位情况：

F1=0.59.8158.092=16551.67KN

F2=－0.59.8121.72=-2309.715KN

W1=0.5（58.09+28.09）69.81=2536.277KN

W2=0.521.727.1259.81=2887.144KN

（2）特殊组合：

校核蓄水位情况：

F1=0.59.8160.332=17852.77KN

F2=－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

2.2.3扬压力的计算

规范：

当坝基设有防渗帷幕和排水孔时，坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为，排水孔中心线处为（，下游（坝趾）处为，其间各段依次以直线连接,则：

A坝踵处的扬压力强度为,坝址处的扬压力强度为,帷幕灌浆和排水孔处的渗透压力为（,的取值如表2-1所示）。

B扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。

图2.1扬压力计算图示

表2.1坝底面的渗透压力、扬压力强度系数

坝型及部位

坝基处理情况

（A）设置防渗帷幕及排水孔

（B）设置防渗帷幕及主、副排水孔并抽排

部位

坝型

渗透压力强度系数α

主排水孔前的扬压力强度系数α1

残余扬压力强度系数α2

河床坝段

实体重力坝

0.25

0.2

0.5

宽缝重力坝

0.2

0.15

0.5

大头支墩坝

0.2

0.15

0.5

空腹重力坝

0.25

-

-

岸坡

实体重力坝

0.35

-

-

宽缝重力坝

0.3

-

-

则：

帷幕灌浆处的，排水孔处的。

（1）正常蓄水情况下：

H1=890.0－832.0=58.0

H2=0

U1=γH2=0

U2=-11.50.39.8158=-1962.981KN

U3=-0.5670.39.8158=-5718.249KN

U4=0

Ucc=-（0+1962.981+5718.249+0）=-7681.23KN

（2）设计洪水情况：

H1=890.9－832.0=58.09

H2=21.7

U1=γH2=-212.877KN

U2=-11.50.39.8158.09=-1966.027KN

U3=-0.5670.39.8158.09=-5727.122KN

U4=-0.511.536.39=-209.2425KN

Ucc=-（212.877+1966.027+5727.122+209.2425）=-8115.269KN

（3）校核洪水位情况：

H1=60.33

H2=17.5

U1=γH2=-171.675KN

U2=11.50.39.8160.33=-2041.839KN

U3=-0.5670.39.8160.33=-5947.965KN

U4=-0.511.542.83=-246.2725KN

Ucc=-（171.675+2041.839+5947.965+246.2725）=-8407.751KN

2.2.4淤沙压力及其推力

图2.3淤沙压力计算图示

（1）水平泥沙压力为：

式中:

，

水平方向：

（2）竖直方向：

Psv=7.360.5（17.8+4）4=80.224KN

2.2.5波浪压力

波浪压力计算公式：

式中：

（1）基本组合（设计和正常情况）：

Hz=0.7577m；

Lm=7.0m；

h1%=1.30m

（2）特殊组合（校核）：

Hz=0.05402m；

Lm=2.488m；

h1%=0.207m；

2.2.6土压力

（1）正常蓄水情况：

（2）设计及校核洪水位情况：

第三章坝体抗滑稳定性分析

3.1总则

A、按抗剪断强度的计算公式进行计算，按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于表3-1规范规定；

B、它认为坝体混凝土与坝基基岩接触良好，属于交界面；

C、基础数据：

；

；

A=178.5=78.5m2。

此时其抗滑稳定安全系数的计算公式为：

式中：

表3.1坝基面抗滑稳定安全系数K′

荷载组合

K′

基本组合

3

特殊组合

（1）

2.5

（2）

2.3

表3.2全部荷载计算结果

荷载

水平力

垂直力

正常工况

设计工况

校核工况

正常工况

设计工况

校核工况

自重

144598.97

144598.97

144598.97

水压力

67144.54

60426.6

60333.51

9025.20

14775.9

15784.29

扬压力

-25586.66

-57222.22

-59984.09

波浪力

4.87

4.87

1.59

淤沙力

3614.42

3614.42

3614.42

964.13

964.13

964.13

土压力

-805.07

48.64

48.64

6688.2

4511.19

4511.19

总计

69958.76

64094.53

63998.16

135689.80

107585.0

105874.49

3.2抗滑稳定计算

（1）正常蓄水情况

∑W=51617.23KN

∑P=16889.85KN

K′=3.05611>3.0

（2）设计洪水情况

∑W=54067.9KN

∑P=14953.2KN

K′=3.615809>2.5

（3）校核洪水情况

∑W=54440.77KN

∑P=17061.85KN

K′=3.190789>2.3

3.3抗剪断强度计算

（1）正常蓄水情况

∑W=51617.23KN

∑P=16889.85KN

>3.0

（2）设计洪水情况

∑W=54067.9KN

∑P=14953.2KN

>2.5

（3）校核洪水情况

∑W=54440.77KN

∑P=17061.85KN

K′=3.190789>2.3

>2.3

故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。

第四章应力分析

4.1总则

4.1.1大坝垂直应力分析

根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》，按下列公式进行应力计算：

图4.1应力计算图示

（1）上游面垂直正应力：

（2）下游面垂直正应力：

式中：

4.1.2大坝垂直应力满足要求

由《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005可知：

重力坝坝基面：

运用期：

要求上游面垂直正应力不小于0，下游面垂直正应力应小于坝基容许压应力4.0Mpa=4000Kpa。

；

施工期：

坝趾垂直应力可允许由小于0.1Mpa（100Kpa）的拉应力；

重力坝坝体截面：

运用期：

坝体上游面不出现拉应力（计扬压力），下游面垂直正应力应不大于混凝土压应力值，采用C15混凝土，故混凝土压应力值为15/4=3.75Mpa=3750Kpa。

施工期：

坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的允许压应力，下游面可允许有不大于0.2Mpa（200Kpa）的主拉应力。

4.2计算截面为建基面的情况

4.2.1荷载计算

（1）自重力矩

自重如下图所示：

图4.2自重力矩计算图示

W1=2118.96KN；

W2=8772.494KN；

W3=44856.62KN

自重力矩计算如下：

M1=2118.9628.31=59987.76KNm

M2=8772.49424.2=212294.4KNm

M3=44856.622.03=91058.94KNm

M=M1+M2+M3=363341.1KNm

4.2.2运用期（计入扬压力的情况）

（1）上游面垂直正应力：

T=109.45

（2）下游面垂直正应力：

4.2.3运用期（不计入扬压力的情况）

（1）上游面垂直正应力：

T=109.45

（2）下游面垂直正应力：

4.2.4施工期

（1）上游面垂直正应力：

T=109.45

（2）下游面垂直正应力：

第五章溢流坝段设计

5.1泄流方式选择

为了使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口，WES实用堰。

5.2洪水标准的确定

洪水标准的确定：

本次设计的重力坝是Ⅲ级建筑物，根据GB50201—94表6.2.1，采用50年一遇的洪水标准设计，500年一遇的洪水标准校核。

5.3流量的确定

流量的确定：

根据基础资料可知，设计情况下，溢流坝的下泄流量为115.75m3/s；在校核情况下溢流坝的下泄流量为176m3/s。

5.4单宽流量的选择

坝址处基础节理裂隙发育，岩石软弱，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取20m3/（s.m）。

5.5孔口净宽的拟定

孔口净宽拟定，分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如下表：

表5.1孔口净宽

计算情况

流量（m3/s）

单宽流量q〔m3/（s.m）〕

孔口净宽B（m）

设计情况

115.75

20

5.79

校核情况

176

20

8.8

根据以上计算，溢流坝孔口净宽取B=16m，假设每孔宽度为b=8m，则孔数n为2。

5.6溢流坝段总长度的确定

溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定：

根据工程经验，拟定闸墩的厚度。

初拟中墩厚d为2.5m，边墩厚t为3m，则溢流坝段的总长度B0为：

B0=n×b+（n－1）×d+2×t=2×8+（2－1）×2.5+2×3=24.5（m）

5.7堰顶高程的确定

初拟侧收缩系数，流量系数m=0.463，因为过堰水流为自由出流，故

由堰流公式计算堰上水头Hw,计算水位分别减去其相应的堰上水头即为堰顶高程。

计算公式如下：

计算成果见表：

表5.2堰顶高程

计算情况

流量（m3/s）

侧收缩系数

流量系数

孔口净宽（m）

堰上水头（m）

堰顶高程（m）

设计情况

115.75

0.92

0.463

16

7.57

883.52

校核情况

176

0.92

0.463

16

9.86

882.47

根据以上计算，取堰顶高程为882.47m。

5.8闸门高度的确定

门高=正常高水位－堰顶高程+安全超高

=890.00－882.47+0.2=7.7（m）

则按规范取门高7.8m。

5.9定型水头的确定

堰上最大水头Hmax=校核洪水位－堰顶高程=892.33－882.47=9.86（m）；

定型设计水头Hd=（75%～95%）Hmax=7.4～9.4（m）；

取Hd=8.4，Hd/Hmax=8.4/9.86=0.85,查表知坝面最大负压为：

0.3Hd=2.8（m），小于规范的允许值（最大不超过3～6m水柱）

5.10泄流能力的校核

先由水力学公式计算侧收缩系数ε，然后计算不同水头作用下的流量系数m，根据已知条件，运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。

计算成果汇总如下表：

表5.3泄流能力校核

计算情况

m

B（m）

H（m）

Q（m3/s）

Q`（m3/s）

设计情况

0.463

0.92

16

7.57

142

141.95

0.0352%

校核情况

0.463

0.92

16

9.86

211

208.33

1.2654%

满足的要求，则符合规范设计的孔口要求。

5.11.1溢流坝段剖面图

图5.1溢流坝横剖面图

5.11.2溢流坝段稳定性分析

（1）正常蓄水情况

∑W=51617.23KN

∑P=16889.85KN

>3.0

（2）设计洪水情况

∑W=54067.9KN

∑P=14953.2KN

>2.5

（3）校核洪水情况

∑W=54440.77KN

∑P=17061.85KN

K′=3.190789>2.3

>2.3

故溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。

第六章消能防冲设计

通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。

消能设计的原则是：

消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。

设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。

6.1洪水标准和相关参数的选定

本次设计的重力坝是3级水工建筑物，根据SL252—2000表3.2.4，消能防冲设计采用按50年洪水重现期标准设计。

根据地形地质条件，选用挑流消能。

根据已建工程经验，挑射=20°。

6.2反弧半径的确定

反弧半径R为：

对于挑流消能，可按下式求得反弧段的半径

—堰面流速系数，取0.95；

H—设计洪水位至坎顶高差，H=891.09-851.0=40.09m（取坎顶高程为851.0m）

故算出V=26.65m/s

Q—校核洪水时溢流坝下泄流量，（211m3/s）；

B—鼻坎处水面宽度，m，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度；

B=8+2×3=14m

h1=5.65585（m）

R=（4～10）h

R=22.62～56.56（m）

取R=32（m）

6.3坎顶水深的确定

坎顶水深计算公式为：

坎顶水流流速v按下式计算：

—堰面流速系数，取0.95；

H—设计洪水位至坎顶高差，H=891.09-851.0=40.09m（取坎顶高程为851.0m）

故算出V=26.65m/s

Q—50年一遇洪水时溢流坝下泄流量，（105m3/s）；

B—鼻坎处水面宽度，m，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度；

B=8+2×3=14m

故坎顶平均水深：

6.4水舌抛距计算

根据SL253-2000《溢洪道设计规范》，计算水舌抛距和最大冲坑水垫厚度。

计算公式：

水舌抛距计算公式：

L：

水舌抛距

：

：

鼻坎的挑角

：

：

坎顶至河床面的高差

：

堰面流量系数，取0.95；

将这些数据代入水舌抛距的公式得：

6.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度

最大冲坑水垫厚度公式：

：

水垫厚度，自水面算至坑底。

：

单宽流量，由前面的计算可得单宽流量为20；

：

上下游水位差，根据资料可得水位差为40.5m；

：

冲刷系数，（这里根据地质情况取1.5）；

将数据代入公式得：

所以最大冲坑水垫厚度为14.35m。

最大冲坑厚度估算：

图6.1冲坑厚度图示

为了保证大坝的安全，挑距应有足够的的长度。

一般当时，认为是安全的。

计算结果为n=