溢洪道坝体稳定计算书.docx
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溢洪道坝体稳定计算书
1洪水调节
1．1建筑物等级
本枢纽等别为Ⅱ等，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级。
1.2调洪步骤
（1）溢洪道型式及堰顶高程的选择：
由于本枢纽主要任务为发电，兼做防洪之用，故决定采用无闸门控制的溢洪道。
溢洪道无闸门时，正常蓄水位就是溢洪道堰顶的高程；本枢纽的正常高水位为345.0m，故溢洪道堰顶高程取345.0m。
（2）溢洪道宽度的选择：
根据坝址地质条件，确定大致的泄洪单宽流量q为80m3/（s·m）（一般为60～120m3/（s·m））。
溢流坝段下泄流量Q溢：
Q溢=Qs-αQ0
式中：
Qs—最大下泄流量或下游河道安全下泄流量，m3/s；
α—安全系数，正常运用情况，取0.75～0.9，非常情况取1.0；
Q0—其他建筑物下泄的流量，m3/s。
本枢纽水库下游防洪标准，安全泄量为3500m3/s，按百年一遇，取允许最大设计流量Q溢为3200m3/s。
根据Q溢与单宽流量q，初拟溢流堰净宽B=Q溢/q=3200/80=40m，在该工程中取B=40m。
1.3调洪演算
1.3.1计算公式
溢洪道的下泄流量可按堰流公式计算，即：
q溢=M1BH3/2
式中：
q溢—溢洪道的下泄流量，m3/s；
H—溢洪道堰上水头，m；M1—流量系数；
M1=mεσ（2g）1/2
式中：
m—溢流系数，一般取0.465～0.485；
ε—侧向收缩系数，初步设计中可取ε=0.90～0.95；
σ—淹没系数。
在本枢纽中，取μ=mεσ=0.40，则q溢=0.4B（2g）1/2H3/2。
水库q=f（V）关系曲线计算表如表1-1：
表1-1水库q=f（V）关系曲线计算表
库水位Z（m）
溢洪道堰顶
水头H（m）
溢洪道泄量q溢
（m3/s）
库容V（亿m3）
345
0
0
4.63
345.5
0.5
26
4.78
346
1
74
5.04
346.5
1.5
137
5.25
347
2
210
5.59
347.5
2.5
294
5.8
348
3
387
6.15
348.5
3.5
487
6.36
349
4
595
6.66
350
5
832
7.15
水库的q=f（V）关系曲线见图1-1：
图1-1：
水库的q=f（V）关系曲线
计算洪水来量，见表1-2：
表1-2洪水来量计算表
时段（天）
流量（%）
设计洪量Q
（m3/s）
校核洪量Q
（m3/s）
0
10
405
700
1
89
3605
6230
1.06
100
4050
7000
2
57
2309
3990
3
32.5
1316
2275
4
19
770
1330
5
12
486
840
洪水来量过程曲线如图1-2：
图1-2洪峰过程线
1.3.2计算步骤如下：
（1）引用水库的设计洪水过程线。
（2）根据已知水库q=f（V）关系曲线计算表做z-q,z-v,辅助曲线，求出下泄流量与库容的关系曲线q-v
图1-3z-q关系曲线
图1-4z-v关系曲线
图1-5q-v关系曲线
（3）根据水库汛期的控制运用方式，确定调洪计算的起始条件，即确定起调水位和相应的库容、下泄流量。
（4）取△t=4小时=14400s，由设计洪水过程线摘录Q1,Q2,…。
（5）决定起始计算时刻得q1，V1值，然后列表计算，计算过程中，对每一计算时段的q2，V2值都要进行试算。
试算方法：
由起始条件已知时段的q1，V1和入库流量Q1,Q2,，假设时段末的下泄流量q2，就能根据式q益M1BH3/2求出时段末水库的蓄水增量△V，而V1+△V=V2,由V2查q=f（V）曲线得q2。
将其与假定的q2相比较，如两者相等，则所设q2同时满足式q益M1BH3/2和q=f（V），即为所求，否则需要重新假设一个q2值，重复上述试算过程，直至两者相等或很接近为止，这样便完成了一个时段的计算工作，接下去，把这一时段末的q2，V2作为下一时段的q1，V1，再进行下一时段的试算，如此下去便可求得整个泄流过程q-t。
，
（6）将入库洪水Q-T过程和计算所得的泄流q-t过程绘制在同一张图上，如计算素的的最大下泄流量qm正好是两线的交点，说明计的qm正确，否则应缩小qm附近的计算时段△t，重新进行试算，直至计算的qm正好是两线的交点为止。
（7）由qm查q=f（V）关系线，可得最高洪水位时的库容V总。
由V总减去起调水位相应库容，即得水库为调节该次入库洪水所需调洪库容Vm。
再由V总查水位库容曲线，就可得到最高洪水位Zm。
显而易见，当入库洪水为相应枢纽设计标准的洪水，而起调水位为汛期水位时，求得Vm和Zm即是设计调洪库容和设计洪水位。
当入库洪水位校核标准的洪水、起调水位位汛限水位时，求得的Vm和Zm即是校核洪水位。
1.3.3调洪计算过程见下表
表1-6设计调洪计算表
时间t
（h）
入库洪水流量（m3/s）
时段平均入库流量（m3/s）
时段入库水量（万m3）
下泄流量（m3/s）
时段平均下泄流量（m3/s）
时段下泄水量（万m3）
时段内水库存水量变化（万m3）
水库存水量（万m3）
水库水位（m）
0
405
0
46300
345
4
950
677.5
975.6
20
10
14.4
961.2
47261.2
345.36
8
1460
1205
1735.2
50
35
50.4
1684.8
48946
345.72
12
2010
1735
2498.4
110
80
115.2
2383.2
51329.2
346.23
16
2530
2270
3268.8
190
150
216
3052.8
54382
346.78
20
3070
2800
4032
360
275
396
3636
58018
347.54
24
3605
3337.5
4806
447
403.5
581.04
4224.96
62242.96
348.16
25.4
4050
3827.5
1929.06
530
488.5
246.204
1682.856
63925.816
348.57
28
3870
3960
3706.56
618
574
537.264
3169.296
67095.112
349.1
32
3550
3710
5342.4
826
722
1039.68
4302.72
71397.832
349.9
36
3200
3375
4860
870
848
7221.12
3638.88
7199.98
350.16
40
2870
3035
4370.4
1140
1005
1447.2
2923.2
7419.89
350.3
44
2575
2722.5
3920.4
1600
1370
1972.8
1947.6
7447
350.6
48
2309
2442
3516.48
3282
2441
3515.04
1.44
7879
351.4
52
2090
2199.5
3167.28
2000
2641
3803.04
-635.76
7589
351
表1-7校核调洪计算表
时间t
（h）
入库洪水流量（m3/s）
时段平均入库流量（m3/s）
时段入库水量（万m3）
下泄流量（m3/s）
时段平均下泄流量（m3/s）
时段下泄水量（万m3）
时段内水库存水量变化（万m3）
水库存水量（万m3）
水库水位（m）
0
700
0
46300
345
4
1630
1165
1677.6
35
17.5
25.2
1652.4
47952.4
345.54
8
2530
2080
2995.2
92
63.5
91.44
2903.76
50856.16
346.1
12
3450
2990
4305.6
198
145
208.8
4096.8
54952.96
346.86
16
4350
3900
5616
378
288
414.72
5201.28
60154.24
347.82
20
5310
4830
6955.2
592
485
698.4
6256.8
66411.04
348.3
24
6230
5770
8308.8
1005
823.5
1185.84
7122.96
73534
350.8
25.4
7000
6615
3333.96
1700
1377.5
694.26
2639.7
76173.7
351.4
28
6670
6835
6397.56
2500
2100
1965.6
4431.96
80605.66
351.89
32
6100
6385
9194.6
2798
2649
3814.56
5379.84
85985.5
352.4
36
5550
5825
8388
3578
3188
4590.72
3797.28
89782.78
353.16
40
4960
5255
7567.2
3800
3689
5312.16
2255.04
92037.82
352.88
44
4420
4690
6753.6
4100
3950
5688
1065.6
93103.42
353.16
48
3990
4205
6055.2
4250
4175
6012
43.2
93146.62
353.18
52
3601
3795.5
5465.52
4000
4125
5904
-474.48
92672.14
352.9
经调洪演算，堰顶高程为345.0m，孔口净宽为40m时，满足要求，此时设计洪水位为351.4m，最大下泄流量为3282m3/s；校核洪水位为353.18m3/s，最大下泄流量为4205m3/s。
根据坝址处水位流量关系，可知与上游设计洪水位相对应的下游水位为315.86m，与校核洪水位相对应的下游水位为317.65m。
2坝体稳定计算及应力分析
2.1坝体稳定计算
基岩上混凝土重力坝的抗滑稳定计算主要校核坝底与地基接触面的滑动条件。
在岸坡坝段，应视地形、地质条件，基础开挖及坝体结构情况，核算在三向荷载共同作用下的抗滑稳定。
2.1.1稳定计算基本资料
该重力坝按2级建筑物设计，正常蓄水位为345.0m，设计水位为351.4m，相应下游水位为315.86m，校核水位为353.18m，相应下游水位为317.65m，坝前泥砂淤积高程为20.0m，泥砂浮容重为5KN/m3，混凝土容重为24KN/m3，水的容重为9.81KN/m3。
2.1.2稳定计算
（1）抗剪强度计算
由截面图知：
H1=51.1m，H2=20m,H3=15m,H=36.1m,B=40m。
扬压力折减系数取α=0.3，接触面间的摩擦系数取f=0.8，沿坝轴线取单宽为研究对象。
坝体自重：
W=γ砼V=24×（5×54.9+0.5×35×49.27）=27281.4KN
扬压力：
U=U1+U2+U3
=9.81×15.86×40+0.5×12×40×9.81+0.5×23.54×4×9.81
=9039.71KN
总水平力：
∑P=1/2γ水H12+1/2γ砂H22-1/2γ水H32
=0.5×9.81×51.42+0.5×5×202-0.5×9.81×15.86
=12958.81+1000-1233.80
=12725.01KN
抗滑稳定安全系数：
Ks=f（∑W-U）∕∑P
=0.8×（27281.4-9039.71）∕12725.01
=1.15>[Ks]=1.05
符合抗滑稳定。
（2）抗剪断计算
抗剪断摩擦系数取f′=1.2，抗剪断凝聚力取c′=1.0Mpa。
∑W=27281.4KN，∑P=12725.01KN，U=9039.71KN
抗滑稳定安全系数：
Ks′=f′（∑W-U）+c′A/∑P
=1.2×（27281.4-9039.71）+1.0×103×40/12725.01
=4.86>[Ks]=3.0
所以符合抗滑稳定。
2.2坝基面应力计算
2.2.1正常情况下应力计算
（1）不计扬压力情况下应力计算
坝体自重：
W1=27281.4KN
下游水重：
W2=γ水V=0.5×12.69×15.86×9.81=987.20KN
上游水平压力：
P1=1/2γ水H12=0.5×9.81×51.42=12958.81KN
上游泥砂压力：
P2=1/2γ砂H22=0.5×5×202=1000KN
下游水平水压力：
P3=1/2γ水H32=0.5×9.81×15.862=1233.80KN
∑W=W1+W2=27281.4+987.20=28268.6KN
∑M=-1/3P1H1-1/3P2H2-W2（B/2-4）+W1×d+1/3P3H3
=-12958.81×51.4/3-1000×20/3-987.20×（40/2-4）+[24×54.9×5×（20-2.5）+0.5×35×49.27×24×（20-5-35/3）]+1233.80×15.86/3
=-222027.61-6666.67-15795.2+（115290+68978）+6522.69
=-53698.79KN·m
上游边缘应力：
σyu=∑W/B+6∑M/B2
=28268.6/40-6×53698.79/402
=706.72-201.37
=505.35KN/㎡﹥αγ水H=0.3×9.81×51.4=151.27KN/㎡
其中：
α—折减系数，一般取0.25～0.67；
γH—为同一点上的上游静水位压力。
下有边缘应力：
σyd=∑W/B-6∑M/B2
=28268.6/40+6×53698.79/402
=706.72+201.37
=908.09KN/㎡
上游剪应力：
τu=0（上游坝坡为铅直面）
下游剪应力：
τd=（σyd-Pd）·m
=（908.09-9.81×15.86）×0.8
=602KN/㎡
其中：
Pd—为下游面水压力强度；
m—为下游坡率。
上游水平正应力：
σxu=Pu-τun=γ水H1+γ砂H2-0
=9.81×51.4+5×20
=604.23KN/㎡
下游水平正应力：
σxd=Pd+τdm=γ水H3+τdm
=9.81×15.86+602×0.8
=155.59+481.6
=637.19KN/㎡
主应力：
上游坝面：
σ1u=（1+n2）σyu-Pun2
=σyu
=505.35KN/㎡
下游坝面：
σ1d=（1+m2）σyd-Pdm2
=（1+0.82）×908.09-9.81×15.86×0.82
=1489.26-99.58
=1389.69KN/㎡
坝面水压强度也是主应力：
σ2u=Pu=γ水H1+γ砂H2
=604.23KN/㎡
σ2d=Pd=γ水H3
=9.81×15.86
=155.59KN/㎡
（2）计扬压力情况下应力计算
由不计扬压力计算知：
W1=27281.4KN，W2=987.2KN，P1=12958.81KN，P2=1000KN，
P3=1233.80KN
得U1=9.81×15.86×40=6233.46KN
U2=0.5×12×40×9.81=2354.4KN
U3=0.5×24.1×4×9.81=472.84KN
U=U1+U2+U3=9050.70KN
∑W=W1+W2-U=19217.9KN
∑M=-1/3P1H1-1/3P2H2-W2（B/2-4）-U2（B/2-B/3）-U3（B/2-4/3）+W1×d+1/3P3H3
=-78221.14KN·m
上游边缘应力：
σyu=∑W/B+6∑M/B2
=19217.9/40-6×78221.14/402
=187.12KN/㎡﹥0
下游边缘应力：
σyd=∑W/B-6∑M/B2
=19217.9/40+6×78221.14/402
=773.78KN/㎡
上游剪应力：
τu=0（上游坝坡为铅直面）
下游剪应力：
τd=σyd·m
=773.78×0.8
=619.02KN/㎡
上游水平正应力：
σxu=σyun2=0
下游水平正应力：
σxd=σydm2
=773.78×0.82
=495.22KN/㎡
主应力：
上游坝面：
σ1u=（1+n2）σyu=σyu=187.12KN/㎡
下游坝面：
σ1d=（1+m2）σyd
=（1+0.82）×773.78
=1249.55KN/㎡
坝面水压强度也是主应力：
σ2u=0σ2d=0
2.2.2校核情况下应力计算
（1）不计扬压力情况下应力计算
坝体自重：
W1=27281.4KN
下游水重：
W2=γ水V
=0.5×14.12×17。
65×9.81
=1108.14KN
上游水平压力：
P1=1/2γ水H12
=0.5×9.81×53.182
=13871.891KN
上游泥砂压力：
P2=1/2γ砂H22
=0.5×5×202
=1000KN
下游水平水压力：
P3=1/2γ水H32
=0.5×9.81×17.652
=1528.02KN
∑W=W1+W2
=27281.4+1108.14
=28389.54KN
∑M=-1/3P1H1-1/3P2H2-W2（B/2-14.12/3）+W1×d+1/3P3H3
=-77098.75KN·m
上游边缘应力：
σyu=∑W/B+6∑M/B2
=28389.54/40-6×77098.75/402
=420.62KN/㎡﹥αγ水H=0.3×9.81×53.18=156.51KN/㎡
其中：
α—折减系数，一般取0.25～0.67；
γH—为同一点上的上游静水位压力。
下有边缘应力：
σyd=∑W/B-6∑M/B2
=28389.54/40+6×77098.75/402
=998.86KN/㎡
上游剪应力：
τu=0（上游坝坡为铅直面）
下游剪应力：
τd=（σyd-Pd）·m
=（998.86-9.81×16）×0.8
=673.52KN/㎡
其中：
Pd—为下游面水压力强度；
m—为下游坡率。
上游水平正应力：
σxu=Pu-τun
=γ水H1+γ砂H2-0
=9.81×53.18+5×20
=621.7KN/㎡
下游水平正应力：
σxd=Pd+τdm=γ水H3+τdm
=9.81×16+673.52×0.8
=695.78KN/㎡
主应力：
上游坝面：
σ1u=（1+n2）σyu-Pun2=σyu=420.62KN/㎡
下游坝面：
σ1d=（1+m2）σyd-Pdm2
=（1+0.82）×998.86-9.81×16×0.82
=1537.68KN/㎡
坝面水压强度也是主应力：
σ2u=Pu=γ水H1+γ砂H2
=621.70KN/㎡
σ2d=Pd=γ水H3
=173.15KN/㎡
（2）计扬压力情况下应力计算
由不计扬压力计算知：
W1=27281.4KN，W2=1108.14KN，P1=13871.89.18KN，P2=1000KN，
P3=1254.4KN
U1=9.81×16×40=6278.4KN
U2=0.5×11.84×40×9.81=2323.01KN
U3=0.5×23.69×4×9.81=464.80KN
U=U1+U2+U3=9066.21KN
∑W=W1+W2-U=19313.33KN
∑M=-1/3P1H1-1/3P2H2-W2（B/2-14.12/3）-U2（B/2-B/3）-U3（B/2-4/3）+W1×d+1/3P3H3
=-116748.49KN·m
上游边缘应力：
σyu=∑W/B+6∑M/B2
=19313.33/40-6×116748.49/402
=45.02KN/㎡﹥0
下游边缘应力：
σyd=∑W/B-6∑M/B2
=19313.33/40+6×116748.49/402
=920.64KN/㎡
上游剪应力：
τu=0（上游坝坡为铅直面）
下游剪应力：
τd=σyd·m
=920.64×0.8
=610.94KN/㎡
上游水平正应力：
σxu=σyun2=0
下游水平正应力：
σxd=σydm2
=920.64×0.82
=589.21KN/㎡
主应力：
上游坝面：
σ1u=（1+n2）σyu=σyu=45.02KN/㎡
下游坝面：
σ1d=（1+m2）σyd
=（1+0.82）×920.64
=1509.85KN/㎡
坝面水压强度也是主应力：
σ2u=0σ2d=0
2.3A-A截面正常情况下应力计算
A-A截面为从坝顶起坝高2/3处，即从坝基起18.3m处，从坝顶起向下36.6m处。
（1）不计扬压力情况下应力计算
坝体自重：
W=γ砼V
=24×（5×36.6+0.5×20.36×30.97）
=11958.59KN
上游水平压力：
P1=1/2γ水H12
=0.5×9.81×33.12
=5373.97KN
上游泥砂压力：
P2=1/2γ砂H22
=0.5×5×1.72
=7.23KN
∑W=11958.59KN
∑M=-1/3P1H1-1/3P2H2+W1×d
=-7826.85KN·m
坝内水平截面上的正应力σy：
假定σy在水平截面上按直线分布，即σy=a+bx
坐标原点取在下游坝面，由偏心受压公式可以得出系数a和b，即：
a=∑W/B-6∑M/B2=11958.59/25.36+6×7826.85/25.362=544.57
b=12∑M/B3=-12×7826.85/25.362=-5.76
∴上游面垂直正应力：
σyu=544.57-5.76×25.36=398.50KN/㎡
下游面垂直正应力：
σyd=a=544.57KN/㎡
坝高2/3处坝体内部各点垂直正应力：
σy=544.57-5.76x
坝内水平截面上的剪应力τ：
τ=a1+b1x+c1x2
上游边界点：
τu=（Pu-σyu）n=0（上游面铅直）
下游边界点：
τd=（σyd-Pd）·m
=544.57×0.8
=435.66KN/㎡
剪应力计算式中：
a1=τd=435.66
b1=-1/B（6∑P/B+2τu+4τd）
=-（6×5381.2/25.36+2×0+4×435.66）/25.36
=-118.92
其中：
∑P为该断面所承受的总的水平推力：
∑P=P
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