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拱坝毕业设计
山东科技大学学士学位论文
摘要
洞门山水利枢纽工程位于位于西南某河干流中下游，是一座中型水利枢纽工程，其主要任务有发电，灌溉和防洪。
该工程主要由双曲拱坝、泄洪隧洞、取水建筑物以及厂房等组成。
本文扼要介绍设计中进行的主要工作和设计成果：
调洪计算，枢纽布置，拱坝坝体设计，坝体应力计算，坝肩稳定分析，泄洪隧洞的设计，坝身泄水孔的设计，坝体的细部构造以及地基处理等。
设计最后提交的成果有：
设计说明书一份，工程设计图纸3张以及其他计算附图附表等。
关键字
拱坝，调洪演算，应力分析，稳定分析。
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山东科技大学学士学位论文
summary
DongMenmountainwaterconservancyhubprojectislocatedinthesouthwestarivermainstreammiddleandlowerreaches,isamedium-sizedwaterconservancyhubproject,itsmaintaskispowergeneration,irrigationandfloodcontrol.Theprojectmainlybythehyperbolicarchdam,tunnel,waterandfloodbuildingworkshopetc.Thispaperbrieflyintroducesthemainworkinthedesignandthedesignresults:
floodregulatingcalculation,thegenerallayout,archdamdesign,damabutmentdamstresscalculation,stabilityanalysisofflooddischargetunnel,thedesign,thedesignofwaterleakage,includingtheinfluencesofthedetailstructureandfoundationtreatment,etc.
Theresearchresultshavesubmitteddesign:
thedesignspecificationa,theengineeringdrawingsthreeandothercalculationschedule,etc.Theappendeddrawings
Keywords
Archdam,floodregulatingcalculation,stressanalysis,stabilityanalysis.
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第一章
第二章
（3）
山东科技大学学士学位论文
工程概况………………………………...........
（1）
设计基本资料及水库工程特性……………
1.设计基本资料………………………………………………（3）
2.水库水位与库容关系及水位流量关系…………………（12）
3.效益及淹没损失…………………………………………（13）
4.施工组织设计和建议……………………………………（14）
5.坝址地形图+其他…………………………………………（14）
第三章
（15）
工程等级划分及水库运行方式…………
1.确定工程等别和级别……………………………………（15）
2.水库运用方式……………………………………………（15）
第四章
（15）
枢纽布置…………………………………
1.调洪演算…………………………………………………（15）
1.1.基本资料的收集……………………………………（15）
1.2.孔口尺寸拟定………………………………………（18）
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1.3.调洪演算……………………………………………（20）
1.4.方案比较……………………………………………（34）
1.5.坝高的确定…………………………………………（34）
2.组成建筑物及枢纽布置…………………………………（35）
第五章
（36）
混凝土拱坝设计…………………………
1.拱坝形态和剖面尺寸的拟定……………………………（36）
1.1.拱圈形式的选择……………………………………（36）
1.2.拱冠梁剖面尺寸的拟定……………………………（36）
1.2.1.坝顶厚度（T（36）
C
）………………………………
1.2.2.坝底厚度（TB）………………………………
（37）
1.2.3.上游面曲线……………………………………（38）
1.2.4.下游面曲线…………………………………（38）2.拱坝的布置………………………………………………（39）3.拱坝的荷载及其组合……………………………………
（40）
3.1.荷载计算……………………………………………（40）
3.1.1.温度荷载……………………………………（40）
3.1.2.净水压力+淤沙压力…………………………（41）
3.1.3.地震荷载……………………………………（42）
3.1.4.坝体自重……………………………………
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（42）
3.1.5.扬压力………………………………………（42）
3.1.6.风浪压力（不予考虑）………………………（43）
3.2.荷载组合……………………………………………（43）
3.2.1.基本组合……………………………………（43）
3.2.2.特殊组合……………………………………（43）
4.拱坝的应力分析…………………………………………（44）
4.1.应力分析的基本方法………………………………（44）
4.2.应力分析（纯拱法）………………………………（45）
4.拱坝的稳定分析……………………………………………（48）
5.1.稳定计算原理………………………………………（50）
5.2.稳定验算……………………………………………（53）
5.2.1.工况一：
（正常蓄水位+温升）………………（54）
5.2.1.1坝肩局部稳定验算………………………（54）
5.2.1.2左岸整体稳定验算………………………（56）
5.2.2.工况二：
（校核洪水位+温升）………………（56）
5.2.2.1坝肩局部稳定验算………………………（57）
5.2.2.2左岸整体稳定验算………………………（59）
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第六章
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泄水建筑物…………………………………（59）
1.泄水建筑物的形式尺寸…………………………………（59）2.泄水建筑物的布置………………………………………（60）
2.1.坝身泄水孔的布置…………………………………（60）2.2.泄槽设计计算………………………………………（60）2.3.泄水隧洞的布置……………………………………（61）
第七章
坝体细部构造及地基处理………………….（62）
1.坝体构造与细部结构设计………………………………（62）1.1.坝体与坝面…………………………………………（62）1.2.坝体分缝……………………………………………（63）1.3.坝内廊道……………………………………………（63）1.4.坝后工作桥…………………………………………（64）
2.地基处理…………………………………………………（64）2.1坝基处理的基本要求………………………………（64）2.2地基的处理和开挖…………………………………
（64）
2.3.坝基灌浆……………………………………………（65）
2.3.1固结灌浆………………………………………
（65）
2.3.2.帷幕灌浆………………………………………
（66）
2.4.坝基排水……………………………………………
（66）
设计专题：
拱坝的稳定性分析……………………
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（68）
附录：
外文文献及翻译………………………………（77）
参考文献……………………………………………..（89）
结
语
……………………………………………………
（90）
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第一章
工程概况
西南某河是南方河流中少有的多沙河流，为减少水库泥沙淤积量，通过设置底孔泄流排沙就可使水库基本处于冲刷状态，满足排沙要求，可使水库进出库泥沙保持平衡或略有冲刷。
流域干流国内部分全长692km，落差2510m，流域面积34629km2。
沿河多急滩，但无集中落差，河谷断面为“U”型和“V”型，水面宽多为60m～100m，河道狭窄，漫滩很少，岸坡30°～70°,成库库容较小。
流域总的地势自西北向东南倾斜，绝大部份属山区或半山区地势，平坝面积不足5%。
河谷深切，分水岭高程一般在2000m～3000m之间，河流最低水面高程约70米。
洞门山水电站工程位于西南某河干流中下游。
坝址处属炎热气候区，受河谷地带干热焚风的影响，气候干燥炎热，常年不结冰。
多年平均年气温20℃～21℃，极端最高气温42.3℃，极端最低气温2.8℃，历年有霜日为0.7d，平均日照时数为2284h；降水地区分布的一般趋势为上游小、下游大，年际间变化不大，但年内分配不均，一般集中在5月～10月,占全年的85%左右；该区域多年平均蒸发量在2731mm～1565.9mm（φ20cm蒸发皿），相对湿度为68%～85%，多年平均风速2.8m/s～3.3m/s，年最多风向为C、ESE、SW，相应发生频率为37、21、21%，历年最大风速为20m/s（ESE、SSW）。
洞门山电站为径流式日调节电站，可改善库区水环境质量。
电站运用不改变径流的年际年内过程，不会恶化下游水环境。
坝址处地震基本烈度Ⅶ度，水库区蓄水后无永久性渗漏问题，选定的下坝址坝基岩可以适应重力坝、拱坝及当地材料坝等各种坝
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型，天然建筑材料丰富，储量、质量基本满足要求。
从地质的角度没有影响工程建设的制约因素。
确定西南某河干流梯级综合规划的方针是以水电为先导，兼顾防洪、航运、灌溉和供水，因地制宜、综合规划；提出洞门山梯级的任务为以发电为主，远期兼顾防洪，为发展供水、航运创造条件。
根据洞门山水电站开发任务以发电为主，远期兼顾供水和航运等。
洞门山水库根据《防洪标准GB50201-94》、《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180—2003），工程等别属Ⅱ等，工程规模为大（Ⅱ）型工程，永久性主要建筑物级别为2级，永久性次要建筑物为3级。
发电进水口、放空排沙底孔进水口、溢洪道进水口洪水标准与大坝标准一致，发电厂房按100年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。
洞门山水库无防洪任务，当上游来量小于或等于水库正常蓄水位的泄流能力时，水库按来水量下泄，水库水位维持在正常蓄水位；当上游来量大于水库正常蓄水位的泄流能力时，让洪水自由下泄。
总体来看，洞门山水电站的建设，抓住国家实施“西部大开发”的历史机遇，以“西电东送”为突破口，把电力培植成仅次于烟草、有色金属之后的第三大支柱产业，拉动地方经济增长，改变地方能源结构，“以电代薪”，促进水土保持和生态建设，拉动工程建设所在地的经济发展，实施可持续发展战略有着重要的意义，工程建设是十分必要的。
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第二章
1.设计基本资料
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设计基本资料及水库工程特性
1.1.气象与水文资料
1.1.1.气象资料
多年平均年气温20℃～21℃；
极端最高气温42.3℃；
极端最低气温2.8℃；
该区年平均降水量700mm～1200mm，降水一般集中在5月～10月，占全年降水量的85%，其中7、8月集中全年降水量的40%～50%；
流域多年平均蒸发量在2731mm～1565.9mm（φ20cm蒸发皿）；
相对湿度为68%～85%；
多年平均风速2.8m/s～3.3m/s；
年最多风向为C、ESE、SW，相应发生频率为37、21、21%；历年最大平均风速为17m/s；
历年最大风速为20m/s（ESE、SSW）。
1.1.2.水文资料
径流年内分配极不均匀，每年6月～11月为汛期，径流量占年径流量的80%以上，12月～翌年5月为枯水期，径流量不足年径流量的20%，其中尤以3月～4月份最枯，径流量不足年径流量的4%。
附近A站最丰水年年平均流量为315m3/s，最枯水年年平均流量为89.2m3/s，丰枯水年径流比3.53倍;附近B站最
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丰水年年平均流量为507m3/s（1971年6月～1972年5月），最枯水年年平均流量为180m3/s（1980年6月～1981年5月），丰枯水年径流比2.82倍。
西南某河洞门山坝址径流及设计洪水成果见下表。
表1-1
洞门山坝址径流成果表
单位：
m3/s
项目
均值
各级频率设计值
5%
10%
20%
50%
75%
80%
90%
95%
年径流
261
397
362
322
254
207
197
170
150
枯水径
流
99.2
149
136
121
96.5
79.4
75.5
66.0
58.5
表1-2
坝址设计代表年径流年内分配成果表
频
率
设计代表年径流年内分配
6
月
7
月
8
月
9
月
10月
11月
12月
1月
2月
3月
4
月
5
月
10
%
27
0
57
8
84
2
69
5
41
6
71
5
26
3
162
101
78.
1
78.
0
127
25
%
35
3
36
8
98
3
49
4
46
2
33
5
22
0
150
117
71.
5
52.
1
82.
5
50
%
27
7
52
7
61
8
51
0
32
5
19
8
16
8
133
97.
3
62.
0
57.
7
60.
1
75
%
37
2
34
8
42
3
35
9
19
2
30
7
16
5
100
79.
3
44.
4
57.
7
29.
0
90
%
15
0
37
2
50
1
30
9
187
115
101
67.2
74.1
49.8
51.
4
52.
5
表1-3
洞门山坝址设计洪水成果表
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站
名
项
目
单位
各级频率p（%）设计值
0.05
0.1
0.2
0.5
1
2
3.3
3
5
洞
门
山
坝
址
Q
m
（m3/s
）
1610
0
1450
0
1280
0
1060
0
899
0
744
0
632
0
547
0
W
1d
（10m
）
9.83
8.91
8.00
6.77
5.8
7
4.9
7
4.3
1
3.8
1
W
3d
（10m
）
23.7
21.5
19.4
16.4
14.
4
12.
3
10.
7
9.5
5
W
7d
（10m
）
39.4
35.9
32.5
27.9
24.
5
21.
0
18.
6
16.
5
表1-4
分期设计洪水洪峰成果表
站名
（坝址）
分期
各级频率P（%）设计值
（m/s）
5
10
20
50
洞门山坝
址
3个月（2月～4月）
487
371
272
165
4个月（1月～4月）
518
414
317
206
5个月（1月～5月）
1210
946
708
366
6个月（12月～翌年
5月）
1490
1200
896
440
7个月（12月～翌年6月）
2370
1770
1310
843
1.1.3.泥沙资料
西南某河为多沙性河流，流域内植被破坏较严重，水土流失现象较为普遍。
泥沙年际年内变化较大，有90%以上的泥沙集中于汛期。
坝址处多年平均悬移质输沙量4080万吨，多年平均含沙量5.35kg／m3，最大年平均悬移质含沙量11.8kg／m3（1986年），最小年平均悬移质含沙量2.75kg／m3（1980年）。
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推移质输沙量按悬移质输沙量的7%计，为286万吨，则洞门山坝址多年平均输沙总量为4370万t。
表1-5
列）
洞门山坝址泥沙特征值统计表（1973年～2003年系
集
水
面
积
（km2
）
多年
平均
流量
（m/
s）
多年
平均
年悬
移质
输沙
量
（万
t）
多年
平均
年推
移质
输沙
量
（万
t）
多年
平均
悬移
质含
沙量
（kg/m
）
最大年平
均
悬移质含
沙量
最小年平
均
悬移质含
沙量
含沙
量
（kg/m
）
年
份
含沙
量
（kg/m
）
年
份
288
75
265
（242
）
4240
（408
0）
63.6
（286
）
5.08
（5.35
）
11.8
19
86
2.75
19
80
1.2.主要地质资料及参数
1.2.1.设计采用地质资料及参数
坝区N14a（Ⅰ线）岩组泥岩碎屑较多或泥岩碎屑为主，以钙泥质胶结为主，岩石强度较低：
弱风化砾岩、砂砾岩单轴湿抗压
强度Rb=18.7～25.0MPa，Rb
=21.8MPa，软化系数0.62～0.81，
平均0.68，属软岩。
N14b（Ⅲ线）以灰岩碎屑为主，以钙质胶结为主，岩石强度较高：
弱风化上部（180m高程以上）单轴湿抗
压强度Rb=25.7～39.1MPa，Rb=31.5MPa，软化系数0.44～
0.60，平均0.52，属偏软的中硬岩；（180m高程以下）弱风化下部～微风化带岩石单轴湿抗压强度Rb=37.8～80.9MPa，Rb=56.7MPa，软化系数0.54～
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0.92，平均0.72，属偏硬的中硬岩。
N15灰岩角砾岩弱风化带岩石Rb=49.6MPa，软化系数0.50～0.93，平均0.71，为中硬岩，微风化带岩石Rb=62.4MPa，软化系数0.74，为坚硬岩。
设计中采用的其他地质资料及参数见表1-6、表1-7、表1-8：
表1-6
坝址岩层风化深度
位置
覆盖层（m）
弱风
化顶板埋深（m）
相对隔水层埋深
（m）
河床
厚小于30m
高程约191.0m
左右
埋深小于30m
顶板高程高于
184.0m
坝基弱风化岩体透水率普遍较大，在本阶段70～120m勘探深度范围内，未发现较连续分布的相对隔水层（q≤3Lu）
左岸
存在第四系松散堆积层，为残坡积、崩塌堆积和人工堆积，厚度不大
两岸坝头石场范围弱风化出露
右岸
表1-7
岩体渗透性能特征表
地
层
岩
性
砂砾岩夹砾岩（N1）
灰岩角砾岩（N1）
位
置
左岸
河床
右岸
左岸
河
床
右岸
分
布
高
程
（m）
178.28～
208.96
174.30～
135.49
166.0～
216.46
238.14～
270.25
238.14～
252.07
以上
以下
以上
以下
以上
以下
以
上
以下
以上
以下
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