水利枢纽非溢流坝毕业设计计算书.docx

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水利枢纽非溢流坝毕业设计计算书

一、非溢流坝设计

（一）、初步拟定坝型的轮廓尺寸

（1）坝顶高程的确定

①校核洪水位情况下：

波浪高度2hl=0.0166V5/4D1/3=0.0166×185/4×41/3=0.98m

波浪长度2Ll=10.4×（2hl）0.8=10.4×0.980.8=10.23m

波浪中心线到静水面的高度h0=π（2hl）2/2Ll=3.14×0.982/10.23=0.30m

安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=0.3m

坝顶高出水库静水位的高度△h校=2hl+h0+hc=0.98+0.30+0.3=1.58m

②设计洪水位情况下：

波浪高度2hl=0.0166（1.5V）5/4D1/3=0.0166×（1.5×18）5/4×41/3=1.62m

波浪长度2Ll=10.4×（2hl）0.8=10.4×1.620.8=15.3m

波浪中心线到静水面的高度h0=π（2hl）2/2Ll=3.14×1.622/15.3=0.54m

安全超高按Ⅲ级建筑物取值hc=0.4m

坝顶高出水库静水位的高度△h设=2hl+h0+hc=1.62+0.54+0.4=2.56m

③两种情况下的坝顶高程分别如下：

校核洪水位时：

225.3+1.58=226.9m

设计洪水位时：

224.0+2.56=226.56m

坝顶高程选两种情况最大值226.9m，可按227.00m设计，则坝高227.00-174.5=52.5m。

（2）坝顶宽度的确定

本工程按人行行道要求并设置有发电进水口，布置闸门设备，应适当加宽以满足闸门设备的布置，运行和工作交通要求，故取8米。

（3）坝坡的确定

考虑到利用部分水重增加稳定，根据工程经验，上游坡采用1：

0.2，下游坡按坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，挡水坝段和厂房坝段均采用1：

0.7。

（4）上下游折坡点高程的确定

理论分析和工程实验证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3~2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定。

根据坝高确定为52.5m，则1/3H=1/3×52.5=17.5m，折坡点高程=174.5+17.5=192m；2/3H=2/3×52.5=35m，折坡点高程=174.5+35=209.5m，所以折坡点高程适合位于192m~209.5m之间，则取折坡点高程为203.00m。

挡水坝段和厂房坝段的下游折坡点在统一高程216.5m处。

（5）坝底宽度的确定

由几何关系可得坝底宽度为T=（203-174.5）×0.2+8+（216.5-174.5）×0.7=43.1m

（6）廊道的确定

坝内设有基础灌浆排水廊道，距上游坝面6.1m，廊道底距基岩面4m，尺寸

2.5×3.0m（宽×高）。

（7）非溢流坝段纵剖面示意图

（二）、基本组合荷载计算及稳定分析

由上述非溢流剖面设计计算得知校核洪水位情况下的波浪三要数：

波浪中心线到静水面的高度h0=0.3m

波浪高度2hl=0.98m

波浪长2Ll=10.23m

因为gD/v2=9.81×4000/182=121.11m,在20～250m之间

所以波高应安转换为累计频率1%时的波高：

2hl（1%）=0.98×1.24=1.22m。

又因为半个波长Ll=10.23/2=5.12

所以浪压力Pl按深水波计算。

式中：

其中灌浆处及排水处扬压力折减系数取α=0.25

水重度Υ=9.81KN/m3

混泥土等级强度C10

混泥土重度24KN/m3

坝前淤沙浮容重0.95T/m3=9.5KN/m3

水下淤沙内摩擦角Φ=18°。

（1）正常洪水位情况

正常洪水位情况下荷载计算示意图

正常洪水位情况下的荷载计算过程见附表1

附表1-------------···---非溢流重力坝基本荷载计算表

上游水位：

217.00m--------下游水位:

180.00m--------坝高：

52.5m-------------------------计算情形：

正常洪水位217.00m情况

荷载

符号

计算公式

垂直力（KN）

水平力（KN）

对坝底面中点的偏心距（m）

力矩（KN·m）

↓

↑

←

→

正

负

自重

W1

1/2×5.7×28.5×24

1949.40

17.75

34601.85

W2

8×52.5×24

10080.00

11.85

119448.00

W3

1/2×29.4×42×24

14817.60

1.95

28894.32

水平水压力

P1

1/2×9.81×42.52

8859.66

14.17

125541.33

P2

1/2×9.81×5.52

148.38

1.83

271.53

垂直水压力

Q1

5.7×14×9.81

782.84

18.70

14639.07

Q2

1/2×5.7×28.5×9.81

796.82

19.65

15657.46

Q3

1/2×3.85×5.5×9.81

103.86

20.27

2105.31

扬压力

U1

43.1×5.5×9.81

2325.46

0.00

0.00

U2

1/2×36.15×9.25×9.81

1640.17

2.55

4182.44

U3

6.95×9.25×9.81

630.66

18.08

11402.34

U4

1/2×6.95×27.75×9.81

945.99

19.23

18191.40

浪压力

P11

1/2×9.81×（5.12+0.3+1.22）×5.12

166.75

39.60

6603.47

P12

1/2×9.81×5.122

128.58

39.09

5026.26

水平泥沙压力

Pn1

1/2×9.5×202×tg（45°-18°/2）

1002.94

6.67

6689.61

垂直泥沙压力

Pn2

1/2×4×20×9.5

380.00

20.22

7683.60

合计

28910.52

5542.88

276.96

10029.35

203610.21

197327.76

总计

∑W=23368.24

∑P=9752.39

∑M=6282.45

注：

垂直力以↓为正，↑为负；水平力以→为正，←为负；力矩以顺时针为正，逆时针为负

②抗滑稳定分析

＝[0.9×（23368.24-5542.88）＋700×43.1]／9752.39

＝4.74＞[3.0]，满足抗滑稳定要求。

（2）校核洪水位情况

校核洪水位情况下荷载计算示意图

1校核洪水位情况下的荷载计算过程见附表2

附表2----------···-----非溢流重力坝基本荷载计算表

上游水位：

225.30m-------下游水位:

190.65m--------坝高：

52.5m--------------------------计算情形：

校核洪水位225.30m情况

荷载

符号

计算公式

垂直力（KN）

水平力（KN）

对坝底面中点的偏心距（m）

力矩（KN·m）

↓

↑

←

→

正

负

自重

W1

1/2×5.7×28.5×24

1949.40

17.75

34601.85

W2

8×52.5×24

10080.00

11.85

119448.00

W3

1/2×29.4×42×24

14817.60

1.95

28894.32

水平水压力

P1

1/2×9.81×50.82

12658.04

16.93

214342.80

P2

1/2×9.81×16.152

1279.33

5.38

6887.08

垂直水压力

Q1

5.7×22.3×9.81

1246.95

18.70

23317.95

Q2

1/2×5.7×28.5×9.81

796.82

19.65

15657.46

Q3

1/2×11.31×16.15×9.81

895.93

17.78

15931.13

扬压力

U1

43.1×16.15×9.81

6828.40

0.00

0.00

U2

1/2×36.15×8.67×9.81

1537.33

2.55

3920.19

U3

6.95×8.67×9.81

591.12

18.08

10687.38

U4

1/2×6.95×25.98×9.81

885.65

19.23

17031.08

浪压力

P11

1/2×9.81×（5.12+0.3+1.22）×5.12

166.75

39.60

6603.47

P12

1/2×9.81×5.122

128.58

39.09

5026.26

水平泥沙压力

Pn1

1/2×9.5×202×tg（45°-18°/2）

1002.94

6.67

6689.61

垂直泥沙压力

Pn2

9.5×1/2×4×20

380.00

20.22

7683.60

合计

30166.70

9842.49

1407.92

13827.73

304099.98

212622.20

总计

∑W=20324.20

∑P=12419.82

∑M=91477.78

注：

垂直力以↓为正，↑为负；水平力以→为正，←为负；力矩以顺时针为正，逆时针为负。

2抗滑稳定分析

＝[0.9×（20324.20-9842.49）＋700×43.1]／12419.82

＝3.19＞[2.5]，满足抗滑稳定要求。

四、应力分析（运行期）

（一）正常洪水位情况下

1、水平截面上的正应力

2、剪应力

上游面水压力强度：

下游面水压力强度：

剪应力：

3、水平应力

4、主应力

（二）校核洪水位情况下

1、水平截面上的正应力

2、剪应力

上游面水压力强度：

下游面水压力强度：

剪应力

3、水平应力

4、主应力

五、内部应力计算

（一）正常洪水位情况下

坐标原点设在下游坝面，由偏心受压公式可以得出系数a和b，如下

具体坝内应力计算过程见附表3

（二）校核洪水位情况下

坐标原点设在下游坝面，由偏心受压公式可以得出系数a和b，如下

具体坝内应力计算过程见附表4

附表3

非溢流坝坝内应力分析计算表

正常洪水位情况下

选取点距坝址距离X

0

10

20

30

40

43.1

a=∑W/B-6∑M/B²

521.89

512.89

512.89

512.89

512.89

512.89

b=12∑M/B³

0.94

0.94

0.94

0.94

0.94

0.94

水平截面正应力σy=a+bX

521.89

522.29

531.69

541.09

550.49

553.40

a1=τd

327.56

327.56

327.56

327.56

327.56

327.56

b1=（-1/B）×（6∑P/B+2τu+4τd）

-61.47

-61.47

-61.47

-61.47

-61.47

-61.47

c1=﹙1/B²﹚×（6∑P/B+3τu+3τd）

1.24

1.24

1.24

1.24

1.24

1.24

坝内剪应力τ=a1+b1X+c1X²

327.56

-163.14

-405.84

-400.54

-147.24

-18.36

a2=σxd

283.25

283.25

283.25

283.25

283.25

283.25

b2=（σxu-σxd）/B

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

4.47

坝内水平正应力σx=a2+b2X

283.25

327.95

372.65

417.35

462.05

475.91

坝内主应力

751.18

615.01

865.73

884.51

660.01

557.53

坝内主应力

539.37

471.28

596.64

606.04

493.78

422.55

第一主应力方向

﹣35°0′

29°37′

39°27′

40°36′

36°38′

12°35′

附表4

非溢流坝坝内应力分析计算表

校核洪水位情况下

选取点距坝址距离X

0

10

20

30

40

43.1

a=∑W/B-6∑M/B²

176.09

176.09

176.09

176.09

176.09

176.09

b=12∑M/B³

13.71

13.71

13.71

13.71

13.71

13.71

水平截面正应力σy=a+bX

176.09

313.19

450.29

587.39

724.49

766.99

a1=τd

12.36

12.36

12.36

12.36

12.36

12.36

b1=（-1/B）×（6∑P/B+2τu+4τd）

-39.69

-39.69

-39.69

-39.69

-39.69

-39.69

c1=﹙1/B²﹚×（6∑P/B+3τu+3τd）

0.90

0.90

0.90

0.90

0.90

0.90

坝内剪应力τ=a1+b1X+c1X²

12.36

-294.54

-421.44

-368.34

-135.24

-26.43

a2=σxd

167.08

167.08

167.08

167.08

167.08

167.08

b2=（σxu-σxd）/B

8.33

8.33

8.33

8.33

8.33

8.33

坝内水平正应力σx=a2+b2X

167.08

250.38

333.68

416.98

500.28

526.10

坝内主应力

184.74

577.99

817.44

880.25

788.05

769.86

坝内主应力

158.43

295.18

414.90

446.31

400.20

391.11

第一主应力方向

﹣34°58′

41°57′

41°03′

38°28′

25°12′

6°12′

六、坝内应力分析图

根据坝内应力分析计算成果，可做出坝内应力分布图，如下所示：

（1）正常洪水位情况下

（2）校核洪水位情况下

二、溢流坝设计

一、孔口型式及尺寸拟定

已知：

校核洪水位时泄流量为3340m³/s

设计洪水位时泄流量2600m³/s

设：

单宽流量为q=80m³/s·m

闸门孔口数为5孔，每孔净宽为8m。

①前缘净宽

校核洪水位时：

L=Q溢/q=3340/80=41.75（m）

设计洪水位时：

L=Q溢/q=2600/80=32.5（m）

综上所述，取L=40m

2堰顶高程

由资料可知，堰顶高程为213.00m。

二、溢流坝的堰面曲线设计

①顶部曲线段

开敞式溢流堰面曲线，采用幂曲线时按下式计算：

定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75%-95%计算，m；

n、K—与上游坝面坡度有关的指数和系数；

x、y——溢流面曲线的坐标，其原点设在颜面曲线的最高点。

按85%计算，则：

上游坝面铅直：

k=2,n=1.85

x-y关系如下表：

x

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

y

0

0.068

0.245

0.519

0.883

1.335

1.87

2.488

3.185

3.96

4.812

3原点上游曲线段

R1=0.5Hd=0.5×10.46=5.23（m）,0.175Hd=0.175×10.46=1.83（m）；

R2=0.2Hd=0.2×10.46=2.09（m）,0.276Hd=0.276×10.46=2.89（m）；

R3=0.04Hd=0.04×10.46=0.42（m）,0.282Hd=0.282×10.46=2.95（m）。

4堰面曲线与直线段的切点坐标

上游坡度垂直：

A=1.096B=0.592a=1.1765b=2.176

直线段与溢流曲线的切点坐标：

θ1=arctan1.43=55°

切点高程=堰顶高程-=213-13.49=199.51（m）

5底部反弧段

取=0.95时，坝顶水面流速为V1

H0=校核洪水位-坎顶高程=225.3-191.65=33.65（m）

因为q=80m³/s·m,则q/V1=80/28.1=2.85

所以h=2.85m。

又因为R=（4—10）h，所以取R=6h=6×2.85=17.1（m）

取挑射角θ2=20°

则：

圆心高程=坎顶高程+Rcosθ2=191.65+17.1cos20°=207.72（m）

圆心纵坐标y0=堰顶高程-圆心高程=213-207.72=5.25（m）

反弧段和直线段的切点坐标：

圆心坐标：

E点坐标（坎顶坐标）：

离心力作用点坐标：

⑥溢流坝段纵剖面示意图

根据溢流坝的堰面曲线设计数据画出溢流坝段的纵剖面示意图，如下：

溢流坝段纵剖面示意图

三、基本组合荷载计算及稳定分析

波浪三要数：

波浪中心线到静水面的高度h0=0.3m

波浪高度2hl=0.0166V5/4D1/3=0.0166×185/4×41/3=0.98m

波浪长度2Ll=10.4×（2hl）0.8=10.4×0.980.8=10.23m

因为gD/v2=9.81×4000/182=121.11m,在20～250m之间

所以波高应安转换为累计频率1%时的波高：

2hl（1%）=0.98×1.24=1.22m。

又因为半个波长Ll=10.23/2=5.12

所以浪压力Pl按深水波计算。

式中：

灌浆处及排水处扬压力折减系数取α=0.25

水重度Υ=9.81KN/m3

混泥土等级强度C10

混泥土重度24KN/m3

坝前淤沙浮容重0.95T/m3=9.5KN/m3

水下淤沙内摩擦角Φ=18°。

（1）基本组合荷载计算

在CAD中绘制溢流坝段纵剖面图，并利用面域查出一个坝段坝体面积A1=1179.90m²,坝体重心距坝踵X1=21.67m；一个闸墩面积A2=181.75m²，闸墩重心距坝踵X2=11.93m。

溢流坝段基本组合荷载计算过程见附表5，基本组合荷载示意图如下：

溢流坝段基本组合荷载计算示意图

附表5溢流重力坝基本荷载计算表

上游水位：

225.30m下游水位:

190.65m溢流坝高：

38.5m计算情形：

校核洪水位225.30m情况

荷载

符号

计算公式

垂直力（KN）

水平力（KN）

对坝底面中点的偏心距（m）

力矩（KN·m）

↓

↑

←

→

正

负

自重

W1

119.27×24

2862.48

12.11

34658.91

W2

1179.90×24

28317.60

2.46

69661.30

水平水压力

P1

1/2×9.81×50.82

12658.04

16.93

214342.80

P2

1/2×9.81×16.152

1279.33

5.38

6887.08

垂直水压力

Q1

5.7×22.3×9.81

1246.95

21.19

26416.62

Q2

1/2×5.7×28.5×9.81

796.82

22.14

17637.55

扬压力

U1

48.07×16.15×9.81

7615.80

0.00

0.00

U2

1/2×41.12×8.67×9.81

1748.68

3.38

5907.05

U3

6.95×8.67×9.81

591.12

20.56

12153.35

U4

1/2×6.95×25.98×9.81

885.65

21.72

19234.58

浪压力

P11

1/2×9.81×（5.12+0.3+1.22）×5.12

166.75

39.60

6603.47

P12

1/2×9.81×5.122

128.58

39.09

5026.26

水平泥沙压力

Pn1

1/2×9.5×202×tg²（45°-18°/2）

1002.94

6.67

6689.61

垂直泥沙压力

Pn2

9.5×1/2×4×20

380.00

22.72

8631.70

合计

33603.85

10841.25

1407