褒河水库单曲拱坝设计毕业设计说明书.docx

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褒河水库单曲拱坝设计毕业设计说明书1目目录录00绪论绪论1111概述概述2222已知资料已知资料332.1流域概况32.2水文气象资料32.3工程地质资料32.4工程规划32.5工程材料设计指标42.6施工、天然建材、交通情况433枢纽布置枢纽布置553.1坝型的选择53.1.1土石坝.53.1.2支墩坝53.1.3重力坝和拱坝53.2枢纽布置方案的选择63.2.1坝轴线的选择63.2.2引水隧洞的布置73.2.3东、西干渠渠首布置73.2.4泄洪方案的选择73.2.4.1坝顶泄流83.2.4.2坝面泄流83.2.4.3滑雪道式泄流道83.2.4.4坝身开孔泄洪844拱坝设计拱坝设计10104.1拱坝体型设计.104.1.1基本原则.104.1.2拱坝基本尺寸的拟定.104.1.2.1拱坝分层.104.1.2.2坝顶厚度cT104.1.2.3坝底厚度BT114.1.3拱冠梁剖面设计.124.1.3.1基本原则.124.2拱坝的平面布置.134.2.1基本原则及假定.134.2.1.1基本原则.134.2.2拱圈中心角的确定.1324.2.3拱圈的平面布置.1455拱坝应力计算和内力计算拱坝应力计算和内力计算16165.1荷载和荷载组合.165.1.1荷载.165.1.2荷载的组合.165.1.2.1基本组合.165.1.2.2特殊组合.165.2应力计算方法（拱冠梁法）.165.2.1拱冠梁法的基本原理.165.2.2拱冠梁法的主要步骤.175.3应力和内力计算过程.175.3.1计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位wi175.3.2计算拱冠梁单位三角形径向作用下径向变位系数ija275.3.3拱冠梁径向变位i、iC的求解345.3.4拱梁分荷值的求解.355.3.5拱冠梁应力计算.365.3.6拱圈应力计算.385.4其他方案的计算385.5方案计算结果和分析3866坝肩稳定计算坝肩稳定计算40406.1稳定分析.406.2稳定计算.416.2.1当不考虑凝聚力c时.426.2.2考虑凝聚力c时.436.3计算成果和分析.4477坝身孔口的设计坝身孔口的设计46467.1中孔的设计.467.2底孔的设计.467.2.1孔口的形状和尺寸（体形设计）.467.2.1.1进口控制段.467.2.1.2洞身段.477.2.1.3出口控制段.477.2.2底孔的应力计算.477.2.2.l作用于孔口的荷载477.2.1.2应力计算477.2.3底孔的配筋计算.4988拱坝的构造及结构拱坝的构造及结构515138.1坝顶.518.2廊道与坝体排水.518.3坝体临时收缩缝.518.4坝体内廊道及交通.5299拱坝的地基处理拱坝的地基处理53539.1坝基开挖.539.2拱端开挖.539.3固结灌浆和接触灌浆.539.4防渗帷幕.539.5坝基排水.541010结论结论5555附录及参考文献附录及参考文献5656谢谢辞辞5757100绪论绪论本次设计为毕业设计，是对大学五年来所学知识的一次综合性的总结概括；是考察学生理论知识与实践能力的一次演练；是为学生走向工作岗位打下一定基础的关键一步；是学生走向社会工作的第一步；是了解自我，自我定位的好机会。

本次设计的主要目的是让学生们体会在工作实践中所必须具备的精神，了解工程设计的过程程序，锻炼学生们的实践能力，为走向工作岗位打下一定基础。

本设计主要是混凝土拱坝设计方面的问题，要求设计成果合理，各项指标达到国家规范要求。

拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，因在平面上呈凸向上游的拱形而得名，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。

据现有资料，最早的圆筒面圬工拱坝可追溯到罗马帝国时代。

到20世纪，美国开始修建较高的拱坝。

并于1936年建成了高221米的胡佛重力拱坝。

1939年意大利建成了高75米，设有垫座及周边缝的奥·西列塔薄拱坝，对双曲拱坝建设起到了很大的推动作用。

目前世界上最高的是格鲁及亚的英古里拱坝，最大坝高272米，T/H=0.19。

中华人民共和国成立后，水利事业突飞猛进地发展，取得了举世瞩目的成就。

继葛洲坝水利枢纽建成后，三峡水利枢纽的开工、南水北调工程的规划设计等壮举进一步展示出人民水利蓬勃发展的强劲势头。

目前，我国在水利工程规模、水利人才素质以及水利科技水平等方面已达到世界前列。

中国的拱坝历史：

我国在拱坝建设取得了很大的进展。

截止到1988年底的不完全统计，已建成15米坝高以上的各类拱坝已达800座，约占全世界已建拱坝总数1/4强。

中国之最：

最高的拱坝——台湾省德基双曲拱坝，高181米，T/H=0.112；最高的砌石拱坝——河南省群英重力拱坝，高100.5米；最薄的砌石拱坝——浙江省方坑双曲拱坝，高76米，T/H＝0.147。

本设计主要是让同学们了解工程设计的过程程序，知道工程实践中所牵涉的工作环节，应注意的关键问题，为以后走向工作岗位打下良好的基础；同时锻炼同学们的实践动手能力和操作能力，改变思维方法，提高工作效率。

21概述概述褒河水库位于陕西省汉中平原褒河下游。

褒河规划作五级开发，其中枢纽在最下游。

汉中地区气候温和、湿润，土地开阔肥沃，是著名的粮仓，现有汉惠渠、褒惠渠等渠道，均系无坝引水，故灌溉保证率低；本地区又属三线，近年来大量工矿企业纷纷建立，电力负荷急剧增长，故在本地区修建褒河等一批水利枢纽，开发水力资源，对于促进工农业发展都有着重要意义。

根据规模、效益，参照相关规范将褒河水库定为三级，建筑物级别：

主要建筑物为三等，次要建筑物为四等，临时建筑物为五等。

褒河水利枢纽主要任务为灌溉、发电，其次为防洪。

为此，枢纽定为：

渠首电站、拦河坝（拱坝）、中孔泄洪、底孔、电站引水渠道等。

褒河水利枢纽对于汉中地区的工农业生产的发展起着相当重要的作用。

322已知资料已知资料2.1流域概况流域概况褒河属于山溪性河流，发源于秦岭南麓玉皇山及太白山，汇入汉江，整个流域面积上宽下窄呈漏斗状。

流域内植被尚好，水土流失不严重。

褒河水利枢纽控制流域面积3861平方公里，拟装机4.12万千瓦，年发电量1.42亿度，可将原灌区19.5万亩农田灌溉保证率由50%提高到73.8%，并扩浇32万亩耕地。

褒河库区坝址为“U”形河谷，水面宽40，水深2～7，河床砂砾石2～8，mmm坝址两岸山坡陡峭，590高程以上强风化岩石厚度为5，以下为3～5，河床mmm2～4。

迴水17，面积3.2，坝址附近平均水面宽度300。

mkm2kmm2.2水文气象资料水文气象资料褒河水库坝址下游三公里河东店站水文有1935～1970共36年资料。

①该地区多年平均降雨量为905.6，其中6～9月雨量约占全年75%。

多年平mm均径流量138亿立米，多年平均流量43.6。

sm/3②多年平均输沙率为4.7，多年平均输沙量为148万吨。

skg/③多年平均气温14.4℃，绝对最高气温44℃，绝对最低气温13.4℃；绝对最高水温33.3℃，绝对最低水温0℃。

2.3工程地质资料工程地质资料褒河库区在褒河峡谷出口段，大地构造上位于南秦岭褶皱带中断南缘，库区出露地层为石炭系，三迭系前海相沉积物经区域变质作用而成的变质岩，三迭系岩层为片岩、片麻岩，并夹有大理岩、白云岩，分布于将军铺至青桥铺一带，石炭系岩层为片岩及大理岩分布于坝区附近。

第四纪松散堆积物为砂质粘土冲击砾石，区内无大断裂。

经科学院西北地质大队判定该地区地震烈度为7度。

库区内虽有大理岩等露头，但两岸山势雄厚，水平方向溶洞发育不深，坝址处基岩透水性弱，单位吸水量小于0.01升/秒，故不存在渗漏问题。

库区内岸坡地段基岩裸露，不会产生塌岸。

2.42.4工程规划工程规划根据梯级水库运用规划，褒河正常高水位定为618米，相应库容1.05亿立米。

死水位595。

死库容0.443亿立米。

m4该水库设计洪水=4290，校核洪水位=5590。

可能最大洪水流量设Qsm/3校Qsm/310000。

sm/3河床最低高程535，基岩高程532。

mm三十年淤积高程565。

m下游水位：

设计洪水位：

548.75，校核洪水位：

550.05mm电站进口高程567，最大引水流量68.1。

msm/3东干渠进口高程588.5，引用流量30，灌溉27万亩农田。

西干渠进口高msm/3程592，引用流量6，灌溉5万亩农田。

msm/3淤沙浮容重7.5，水下摩擦角10°。

3/mkN2.5工程材料设计指标工程材料设计指标坝址区岩石容重模量26.5，弹性模量16，泊桑比0.2，摩擦系数3/mkNGPa0.6。

混凝土容重24，弹模16，线膨胀系数0.00001，泊松比0.2。

3/mkNGPa2.6施工、天然建材、交通情况施工、天然建材、交通情况①施工、交通情况。

峡口地势开阔，有公路可通宝成铁路线上略阳。

坝址下游20公里联接宝成和襄与铁道德阳（平关）安（康）铁路即将建成通车。

承担褒河水利枢纽工程的水电三局拥有较强的技术力量和机械设备。

②天然建筑材料。

坝址下游3.5～8.0的中滩、红庙等储有砂砾石116万。

kM3m砾石成分主要为花岗岩、石英岩，砂子以石英、长石为主，质地较好，交通运输便利。

土料很少，运距约4。

kM53枢纽布置枢纽布置3.13.1坝型的选择坝型的选择经过各方面的分析比较，拟订修建拱坝，下面从几方面说明修建拱坝的优越性。

由地质条件及地形资料可知能在这个坝址修建土石坝，重力坝，拱坝，支墩坝。

现分别比较如下：

3.1.13.1.1土石坝土石坝土石坝仅靠坝身自重与地基接触而产生的抗滑力维持稳定，因存在滑坡的问题，土石坝在各种坝型中体积最大，底宽最长，工程量也较大。

坝身不能泄流，须另外设置溢洪道，泄洪安全性不可靠，施工导流也不方便。

计算方法多采用材力法，手算占相当大的比例，为防止渗透变形须设置防渗心强，防渗材料的填筑受气候条件的影响较大。

另外，最主要原因为该地区的土料较少，没有足够的筑坝材料。

因此该坝址不选择修建土石坝。

3.1.23.1.2支墩坝支墩坝支墩坝与重力坝相比，混凝土用量小，能充分利用材料的强度，但侧向稳定性差，对地基的要求比重力坝更加严格，钢筋用量较多，施工散热条件好，温控措施简易，但模板复杂，用量大，混凝土标号要求高，每方混凝土的代价也高。

且单宽流量较大，但容易引起坝体振动，如果要在这里修建大坝，选择重力坝而不选择支墩坝，故也不修建支墩坝。

现在在下面的小节重点比较重力坝和拱坝的选择。

3.1.33.1.3重力坝和拱坝重力坝和拱坝⑴两种坝型均可满足枢纽布置的总体要求，也都适合坝址的地质及地形条件。

但是从地形图上可知道，该河谷为上宽下窄的喇叭形河口谷，修建拱坝更有优势，同时拱坝方量比重力坝的少，可节省1/3~1/2的方量。

⑵拱坝的工期比重力坝约可节约1/4。

⑶对大坝工程的总投资，拱坝可节约15%左右。

⑷重力坝重要依靠自重产生的抗滑力维持稳定，无疑坝体的工程量大，坝体内钢筋用量较多，未能很好的利用混凝土的抗压强度。

⑸重力坝的底宽较大，扬压力大，对坝身稳定不利，坝体过大，施工期温度应力、收缩应力较大。

6123拱坝除了有上述优点外，还有自身的结构优点：

⑴具有双向传力的性能，由拱梁共同承担受力。

⑵拱是推力结构，主要产生轴向压力，有利于充分发挥材料的抗压性能。

⑶拱坝具有较高的超载能力和抗震能力，可达到设计荷载的5~11倍。

⑷不设永久性伸缩逢，整体性能好。

当外荷载增大或坝体的某一部位发生局部开裂时，坝体的梁和拱将自行调节，抗渗性能好，弹性韧性好，抗震性能高。

⑸计算方法多采用材力法和有限元法，计算繁琐，但计算机和计算程序的普及与推广已大大的解决这一难题。

⑹可坝身泄水。

虽然拱坝的结构复杂，但综合比较后，选择拱坝为设计坝型。

由于该地的岩石均为一些片岩等整体性能不太好的岩石，又该处砌石料难找，而在该处交通发达，坝址下游3.5~8.0公里处有足够的沙砾石，能充分提供筑混凝土坝的骨料，故在该处修建混凝土拱坝。

3.23.2枢纽布置方案的选择枢纽布置方案的选择3.2.13.2.1坝轴线的选择坝轴线的选择从地形图可确定三种修建拱坝的坝址。

现分析比较选择中间合理的方案。

由于在两岸处都有一个凸出的山包，而总体河流弯道为顺时（）。

⑴图3-1中2处处于山包中间位置，该处不仅施工面狭窄开挖量大，最主要的原因不利于坝端的抗滑稳定。

⑵图3-1中3处的位置①离两山包较远，未能充分利用山包的抗滑能力。

②该处轴线较长，工程量大，造成浪费。

③对于梯级开发电站，造成了库容图3-1坝址选择地形图的浪费。

④在整体布置中，不利于隧洞的洞线布置，增加了洞线的长度，从而增加了工程量，增加了工期，造成浪费。

⑶图3-1中1的位置①充分利用了抗滑作用，且坝轴线不长。

②轴线与地形线垂直，能充分起抗滑作用。

7③有利于整体枢纽的布置。

综合以上几点，故选择在1处修建拱坝。

3.2.23.2.2引水隧洞的布置引水隧洞的布置由于修建的是拱坝，而拱坝有一个突出的特点是不能分期修建，只能采用全断面截流后修筑。

故必须在两岸山体中开挖隧洞作为施工导流和引水之用。

隧洞可布置在两岸山体中。

由于该河道为顺时针弯曲的弯道河流，左岸为凹岸，如果在左岸开凿隧洞，其洞线很长，不经济。

且绕了几个大弯，不满足快速泄流和引水的条件。

而右岸为凸岸，引水隧洞短而直，泄水迅速，经济合理，故拟在右岸修建隧洞。

引水隧洞为前期施工导流隧洞，为了充分利用该导流隧洞，把该隧洞做成电站的引水隧洞。

为便于电站进水口与下游电站厂房的布置和水流条件，隧洞的进出口不能太过靠近大坝，进口距大坝200左右，出口距大坝300左右，在距大坝50左右mmm的地方修建电站引水口，利用弯道和导流隧洞连接。

水库开始蓄水前，电站进水口与隧洞连接的前部用混凝土塞子封堵。

由于时间关系，引水隧洞不进行具体设计，采用原设计的数据，进口高程为544.0，电站引水口的进口高程为567.0。

隧洞直径mm采用经验值，取为7。

在隧洞的出口电站前面修建一个直径为10的压力前池。

mm3.2.33.2.3东、西干渠渠首布置东、西干渠渠首布置东干渠引水口高程588.5，引用流量为30，河流为东南走向，布置在河流msm/3的左岸每一位置。

根据坝轴线和地形地质条件，拟利用引水渠引水到坝端，再以引水道引水到下游东干渠渠首。

西干渠引水口高程592.0，引用流量为6，根据地形地质条件及、引水隧msm/3洞及厂房的位置，西干渠渠首布置在坝端右岸下游100处，引水隧洞右侧，为了不m影响电站进水口的布置，故把西干渠的引水道进口修建在坝体上面。

因此渠道的引水洞和引水隧洞在空间上交叉，引水隧洞在渠道引水道的上面。

为满足水流运行条件以及引水方便，渠首引水道在坝身处直线引水到坝后利用弯道至西干渠渠首。

在本次设计中，隧洞、电站厂房、引水道都未进行具体设计，在设计图纸上为一个大体形象，多数引用了原设计。

3.2.43.2.4泄洪方案的选择泄洪方案的选择褒河水利枢纽的主要的任务是灌溉，其次是发电、防洪。

而泄洪建筑物的布置是拱坝设计的关键，拱坝泄洪分坝外泄洪与坝体泄洪两种。

但拱坝多修建在峡谷河段上，一般无合适的垭口可供利用，因此多数情况下采用坝体泄洪。

而坝体泄洪有坝顶泄流、坝面泄流、滑雪道式和坝身泄水孔等几种，现对他们进行分析比较。

83.2.4.13.2.4.1坝顶泄流坝顶泄流坝顶泄流是指洪水经过坝顶自由跌落或经外悬臂挑坎往下游挑落的过流形式,优点是：

⑴结构较简单，设计施工较容易。

⑵对坝体的应力影响较小。

⑶一般水头不大，起闭设备易于检修。

⑷工程造价较低。

⑸用表孔排水时还可以排漂。

⑹对于调洪库容较小的水库，还可以通过超标准洪水，有利于工程安全。

坝顶泄流的缺点是：

⑴堰上水头低时泄流能力小，溢流前沿较长，而当全线溢流时，又容易冲刷岸坡。

⑵坝顶下泄水流的挑流速小，挑距近，容易冲刷坝脚，需对岸坡和坝脚采取一定的保护措施。

⑶不能适应低水位的泄流要求，因而坝顶泄流孔口通常与底孔和隧洞配合使用。

坝顶泄流由于水舌跌落较近，入对角大。

对坝基的冲刷力大，所以一般采用跌流消力池或在下游设二道坝抬高水位，形成水垫消能。

3.2.4.23.2.4.2坝面泄流坝面泄流坝面泄流指水流过堰顶后继续沿坝身下泄，最后以挑流或与下游尾水相接。

与坝顶溢流相比优点之处不同在于坝面溢流的落差较大，流速较高。

采用挑流形式与尾水相接时，挑距较大，对坝体安全更为有利，但坝面溢流存在水流同心集中的特点，水舌宽度沿程缩窄，无疑下游要增设消能设备，加大工程量，同时由于坝面泄流的挑距近，冲刷力大，难于满足安全泄流的要求。

3.2.4.33.2.4.3滑雪道式泄流道滑雪道式泄流道滑雪道式泄流道，即紧接坝体之后用支墩或混凝土排架将“滑雪式”支撑起来泄流。

若将滑雪道布置在拱坝的两侧，由于拱坝有向心集中和河床狭窄的特点，因此水舌能够在空中冲击消能。

同时，滑雪式在高速水流的作用下，震动的比较严重，因此安全泄洪性不高。

3.2.4.43.2.4.4坝身开孔泄洪坝身开孔泄洪9坝身开孔泄洪就是在坝体上一定的位置开设孔口用来满足泄洪要求。

按孔口设置的位置不同可以分为表孔，中孔和深孔。

坝身开孔泄流除节省工程量，经济外还具有以下的优点：

⑴泄流流量随水位的变化关系不大。

⑵若采用中、深孔泄流尚可结合施工导流或放空水库，比单独开挖隧洞更经济。

⑶如采用挑流消能，则一般起挑流速大，挑距远，有利于坝体安全。

⑷如采用中，深孔泄洪，不但工程建成后可严格控制蓄水速率，泄洪时又可按预报提前腾空库容，保证安全泄洪。

坝身开孔泄流的缺点是：

⑴坝身开孔过大或过多，不利于坝体受力，同时也会引起震动。

⑵闸门和起闭设备的容量一般较大，检修较困难。

⑶如果水库的调节性能不好，当发生超标准洪水时，可能漫顶，不利于安全，为此，最好设置必要的表孔泄流并结合排漂。

随着应力实验技术的发展，对一些坝身开孔工程的模拟实验表明，坝身开孔除对孔口周围的局部应力有影响外，对整个坝体的应力影响不大，此外，随着闸门制造技术的发展以及大容量起闭设备的制造，修建大孔口或深孔泄流已成为一种惯例。

坝身开孔泄流，一般布置于河心或对称的布置于河心中央的两侧。

由以上分析并根据褒河库区地质、地形资料，拟建一般拱坝。

并采用中孔，底孔联合泄流。

另外，由于时间的关系，本次设计未进行调洪验算。

所以中孔泄洪的形式、尺寸、高程、数目均沿用原设计。

坝顶高程也沿用原设计，确定为620.0。

m104拱坝设计拱坝设计4.14.1拱坝体型设计拱坝体型设计4.1.14.1.1基本原则基本原则⑴对与U形河谷，拱坝顶底跨度接近，刚度相差不大，因而沿水深增加的水压力需要由悬臂梁增加截面厚度承担坝体应力，从这个方面说较适合单曲拱坝的修建。

但是，单曲拱坝厚度过大，应力条件不好，造成了浪费不经济。

双曲拱坝虽然各层拱圈的刚度变化不大，但刚度条件已经能够满足受力条件，且能充分发挥混凝土的强度。

另外，双曲拱坝根据地形条件变化明显，开挖量比一般的单曲拱坝少。

但是，本设计要求做单曲拱坝。

从地形图上可看出，该U形河谷对称程度高，选择圆弧拱就可以满足设计的要求。

故本设计采用等中心角、等外半径的等截面圆弧单曲拱坝。

⑵由于河床最低高程535.0，基岩高程为532.0。

故以532.0处为坝底高mmm程，则坝高为88.0（=620-532=88）。

mm⑶由已知资料中可知，590高程上风化层厚5，590高程以下为3~5米，则mmm取5为开挖深度。

故在拱坝开挖后的河谷地形等高线要比原地形等高线的相同处少5m高程，也就是说，以前是625的高程，在开挖后变成了620高程。

由于坝顶高程mmm为620，现在前面3-1图中1处的适宜位置布置坝轴线，与620的等高线相交，量mm出两交点的连线长=200.0。

cLm4.1.24.1.2拱坝基本尺寸的拟定拱坝基本尺寸的拟定4.1.2.14.1.2.1拱坝分层拱坝分层在拱坝的应力计算和拱坝的平面布置的时候一般把拱分成5~7层。

本设计采用6拱圈5不等段，从上而下每段的高度分别是20、20、20、20、8。

则每截mmmmm面的高程分别为620.0、600.0、580、560.0、540.0、532.0。

这样分段mmmmmm是为便于地形图上开挖后的河谷地形的绘制以及每层拱圈的拱端之间的弦长的求解。

从地形图上可得每层拱圈弦长：

=191.4,=169.7,=134.3,=97.4,2Lm3Lm4Lm5Lm=73.6。

上面的数据只能作为初步设计的数据，最后的各层拱圈的弦长得由拱坝平6Lm面布置上得到。

4.1.2.24.1.2.2坝顶厚度坝顶厚度cT11选择时，应该考虑工程的规模，交通和运行要求。

如无交通要求，一般取cTcT3~5，但至少不得小于3。

可由下面的经验公式的求mmcT=0.012（+）（4•1）cTHL=0.0145（2+）（4•2）cTaRH=0.4+0.01（+3）（4·3）cTLH式中：

——最大坝高。

H——坝顶高程处，河谷开挖后两拱端之间的直线距离，。

等于LmcL——顶拱轴半径，初估时可取=（0.61~0.70）L。

本设计取aRaR=0.65=0.63×202.0=130.0aRLm由4•1得=0.012（88+200.0）=3.456cTm由4•2得=0.0145（2×130+88）=5.0