三河口碾压混凝土拱坝设计及坝体工程量计算.docx
《三河口碾压混凝土拱坝设计及坝体工程量计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《三河口碾压混凝土拱坝设计及坝体工程量计算.docx（58页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
三河口碾压混凝土拱坝设计及坝体工程量计算
毕业设计（论文）
题目三河口碾压混凝土拱坝设计
及坝体工程量计算
专业水利水电工程
班级
学生
指导教师
2014年
三河口碾压混凝土拱坝设计及坝体工程量计算
摘要
三河口水利枢纽位于子午河中游，是引汉济渭工程重要水源之一。
兼供水和防洪功能的水利枢纽工程。
本设计通过对三河口水利枢纽各坝址的比较，确定坝轴线及枢纽布置方案，进而进行枢纽的设计，包括调洪演算、大坝设计、细部构造设计以及地基处理、坝体工程量计算等，其中调洪演算中运用双辅助线方法计。
三河口水利枢纽工程等别为二等，500年一遇洪水作为设计洪水，2000年一遇洪水作为校核洪水。
枢纽永久性建筑物等级为一级，在本次设计中为碾压混凝土拱坝，最大坝高138m。
在大坝设计中重点完成三种拱圈的布置，包括单圆心拱圈布置、三圆心拱圈布置、抛物线拱圈布置。
选取单圆心拱圈拱坝进行细部构造设计以及地基处理、坝体工程量计算中。
泄水方式选择坝身泄水，泄水建筑物布置方案选择表孔+底孔方案。
本次设计在李守义老师的指导下，我达到了毕业设计的目标。
我完成了枢纽建筑物的布置，拱坝各种拱圈的布置以及泄水建筑物设计，拓展了我的专业知识。
本次设计对以后的工作有很大帮助。
关键字：
碾压混凝土拱坝；枢纽布置；三河口水利枢纽；单圆心拱圈；三圆心拱圈；抛物线拱圈。
TheDesignofSanhekouRCCArchDamandDamengineeringcalculation
ABSTRACT
SanhekouHydroProjectlocatedinthemiddlereachesofZiwuRiverisoneoftheimportantwatersourcesoftheprojecttodivertwaterfromHanRivertoWeiRiver.Themainuseofthisprojectisprovidingwater,controllingfloodandsoon.ComparingdifferentdamsitesofSanhekouHydroProject,thispaperconfirmsthepositionofdamaxisandtheblueprintofthelayoutofhydroproject,thendesignsthehinge,suchasfloodrouting,dambody,detailstructure,treatmentofdamfoundationandDamengineeringcalculation.
SanhekouHydroProjectisinthe2ndregulation,whosefloodcontrolstandardis500-yearfloodfordesignand2000-yearfloodforcheck.Thepermanentbuildingofthisproject,atthe1stgrade,isanRCCarchdam,whichisoftheheightof138m.Iselectedthesingle-centerarchdamfordetailstructuredesign,foundationtreatmentandtheengineeringcalculation.
Iselecteddambodydischargemodeasdischargemode,selectedtablehole+bottomschemeasthelayoutschemeofdischargestructure.
Inthedesignprocessofthedam,Icompletedthelayoutofthreekindsofarchdam,includingthelayoutofsingle-centerarchdam,thelayoutofthree-centersarchdam,thelayoutofparabolicarchdam.
Undertheguidanceofmyprofessor,LiShouyi,Ihaveaccomplishedthegoalofthedesign.Broadingmyprofessionalfield,Ihavecompletedthelayoutofbuildings,thelayoutofvariouskindsofarchdamsandthedesignofbuildingsforwaterleakage.Thisexperiencemustdogoodtomycareer.
KEYWORDS：
Rollercompactedconcretearchdam;layoutofhydroproject;SanhekouHydroProject;single-centerarch;
there-centersarch;parabolicarch
第1章工程基本资料
1.1工程概况
三河口水利枢纽地处佛坪县与宁陕县交界的子午河中游狭谷段，坝址位于佛坪县大河坝乡三河口村下游约2km处，北距佛坪县城35km，东距宁陕县城45km，南距石泉县城49km，西距洋县县城50km。
工程区对外交通方便，西岔河～宁陕县两河口公路由坝址右岸通过，其北接108国道，南连210国道，是对外交通干线，椒溪河和蒲河均有公路可达库尾。
西安至汉中高速公路在坝址下游约4km的大河坝乡通过，并设有出入口。
水库坝址以上多年平均径流量8.65×108m3。
整个河段地处秦岭山区，人口、耕地不多，区内无工业用水要求，只有少量的农村生活和灌溉用水需要。
截至目前，流域内无大中型水利水电设施，人类活动影响较小。
规划的三河口水利枢纽坝址以下河段有十余条常流水的支流汇入，多年平均自产水量超过3×108m3，能满足其用水需求。
本次设计的枢纽布置方案：
三河口水利枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、放空建筑物及放水建筑物组成。
挡水建筑物选用碾压式混凝土双曲拱坝，等厚单圆心水平拱圈，布置在上坝址；泄水建筑物选用表孔泄水，表孔对称于拱冠梁，放空建筑物选用底孔，位于左右岸非溢流坝段[1][2]。
1.2水文气象
1.2.1流域概况
子午河系汉江北岸的一级支流，上游由汶水河、蒲河、椒溪河汇合而成。
主源汶水河发源于宁陕、周至、户县交界的秦岭南麓，由东北向西南流经宁陕县境内，在宁陕与佛坪交界处汇入蒲河、椒溪河后称子午河，汇合口以下河流由北流向南，于石泉县三华石乡白沙渡附近入汉江。
子午河全长161km，流域面积3010km2，河道平均比降5.44‰，流域呈扇形。
上游汶水河长106km，流域面积1094km2，河道比降9.3‰；椒溪河长70km，流域面积596km2，河道比降18.7‰；蒲河长58km，流域面积496km2，河道比降26.6‰。
子午河流域地形北高南低，中上游为高中山区，人烟稀少，森林茂密；下游为低山河谷区，人口相对集中，除农耕田外，多为灌木杂草覆盖。
八十年代后，由于经济的发展，佛坪县城附近局部林木遭到破坏，水土流失有所增加。
流域内无大中型水利水保设施，人类活动影响较小，河流含沙量小，水质良好。
三河口水库坝址位于子午河三河口以下约2km处，坝址以上河长106km，控制流域面积2186km2，占全流域的72.6%，坝址处河床高程525m（黄海）。
1.2.2水文资料
子午河系汉江北岸的一级支流，干流上设有两河口水文站，控制流域面积2816km2，与子午河相邻的酉水河流域设有酉水街水文站，控制流域面积911km2，同为汉江北岸一级支流的湑水河设有升仙村水文站，控制流域面积2143km2。
子午河流域还设有四亩地、钢铁、筒车湾、龙草坪、火地塘、十亩地、新厂街、菜子坪、黄草坪、兴坪等雨量站。
上述水文站、雨量站有50年以上的水位、流量、泥沙、降水、蒸发等整编资料，满足本工程水文分析计算要求。
1.2.2.1径流
三河口水库坝址以上控制流域面积2186km2，占子午河全流域的72.6%，多年平均降雨量886mm。
坝址的年径流是将两河口水文站年径流按面积比拟法采用降雨修正计算得到。
考虑与引汉济渭工程另一水源汉江干流黄金峡坝址径流系列同步，利用邻近流域径流资料将两河口站径流资料插补延长，插补延长后径流资料系列年限为1954～2005年，共51年。
计算得到三河口水库坝址处多年平均径流量为8.65亿m3。
1.2.2.2洪水
子午河的洪水是由暴雨形成的，暴雨的特性决定着洪水特性。
该河的洪水最早出现在4月，11月由于受霖雨的影响，亦有洪水发生。
年最大洪水一般出现在6~10月，洪水具有峰高、量大的特点，峰型多呈单峰，双峰和复峰相对较少，一次洪水过程约4~6天，主峰历时2~4天。
据两河口站实测资料统计，年最大洪水出现在6月的机率占7.69%，7~9月占77.0%，10月占12.8%，11月占2.56%；峰型为单峰的占66.7%，双峰和复峰占33.3%；实测洪水最大洪峰流量6270m3/s，最大24小时、72小时洪量分别为2.418亿m3和3.344亿m3。
根据洪水调查访问情况及有关资料分析，考虑安全起见，本次将2002年洪水的重现期定为100年。
（1）三河口水库坝址洪水根据两河口站成果采用面积比拟法计算，面积比指数洪峰流量取2/3，洪量取1。
计算结果见表1-1。
表1-1三河口水库坝址不同频率洪峰流量、时段洪量计算成果表
洪水特征量
P（%）
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1
2
5
10
20
Qm（m3/s）
9960
8860
7990
7130
6010
5170
4350
3280
2480
1730
W24（亿m3）
4.852
4.332
3.936
3.540
3.092
2.632
2.243
1.739
1.358
0.986
W72（亿m3）
6.296
5.698
5.248
4.798
4.200
3.742
3.276
2.663
2.197
1.716
（2）设计洪水过程线
采用典型洪水过程按同频率放大的方法计算。
典型洪水过程选择1983年7月21日洪水过程，洪水过程线见表1-2。
表1-2三河口水库坝址典型洪水过程线单位：
m3/s
月
日
时
分
流量
月
日
时
分
流量
7
21
0
0
472
7
21
18
0
1174
1
0
3618
19
0
1083
2
0
3906
20
0
1051
3
0
3796
21
0
1021
4
0
4231
22
0
988
5
0
4271
23
0
959
6
0
4318
7
22
0
0
933
7
0
4265
1
0
902
8
0
3902
2
0
878
9
0
3406
3
0
852
10
0
2961
4
0
829
11
0
2527
5
0
809
12
0
2290
6
0
790
13
0
1876
7
0
773
14
0
1723
8
0
754
15
0
1550
9
0
742
16
0
1434
10
0
725
17
0
1276
11
0
705
（3）施工洪水
根据子午河的洪水特性和施工组织设计的要求，将全年划分两个期：
汛期6~10月和非汛期11~5月，汛期6~10月洪水采用年最大洪水计算成果，在此只计算11~5月洪水。
设计依据站：
两河口水文站
系列年限：
1963~2005年37年（其中缺1977~1980年）
洪峰流量选样采用年最大值法按跨期5~10日的原则。
计算方法同年最大洪水计算，计算结果见表1-3。
表1-3三河口水库坝址分期设计洪水计算成果表单位：
m3/s
分期
P（%）
0.02
0.05
0.2
0.5
2
3.3
5
10
20
11~5月
1720
1560
1310
1150
890
810
720
580
440
1.2.3坝址水位与流量关系曲线
三河口水库上坝址下游220m处，水位~流量关系采用满宁公式Q=R2/3J1/2A/n计算。
式中：
Q—流量（m3/s）
n—河道糙率
R—水力半径（m）
J—水力坡度
A—过水断面面积（m2）
公式中参数确定如下：
计算断面：
采用我院测量队2007年3月实测纵、横断面；
水面比降：
根据河道比降、水边比降，2002年6月9日大洪水比降综合分析，采用2002年6月9日大洪水比降，其值为2.83‰。
河道糙率：
根据上坝址下游河道及两岸情况，坝址处的糙率采用0.038。
将上述参数代入满宁公式，计算得到三河口水库上坝址下游220m处河道断面的水位流量关系见表1-4。
表1-4三河口水库坝址下游水位流量关系曲线表
水位（m）
525
527
529
531
533
流量（m3/s）
0
623
1276
1962
2765
水位（m）
535
537
539
540
流量（m3/s）
3643
4782
6522
7653
1.2.4泥沙
据两河口水文站1964～2005年38年实测悬移质输沙量资料统计，多年平均悬移质输沙量54.8万t，三河口水库坝址悬移质输沙量按面积比拟法计算为42.5万t。
子午河及邻近流域无推移质观测资料，故水库坝址处的推移质可按一般山区河流推移质与悬移质的比例上限0.3估算，则水库坝址处推移质的多年平均输沙量为12.8万t，其多年平均天然输沙量为55.3万t。
1.2.5气象
子午河流域属北亚热带湿润、半湿润气候区，四季分明，夏无酷热，冬无严寒，春季气温上升较快、间有“倒春寒”，秋凉湿润多连阴雨。
三河口水库坝址附近无气象观测资料，气象特性用宁陕县气象站实测资料来说明。
据宁陕县气象资料统计，多年平均气温12.3℃，一月最低，平均-2.1℃，七月最高，平均25.9℃，极端最高气温37.4℃，最低气温-16.4℃；多年平均降水量901mm，降水主要集中在汛期，5~10月降水量占全年降水量的84.4%。
多年平均蒸发量1213mm，多年平均风速1.2m/s，最多风向SSW，多年平均最大风速8.7m/s，最大风速12.3m/s，风向NE。
土层冻结期为11月到次年3月，最大冻土深度13cm。
库底水温6℃，水表面年平均水温14.2℃，表面水温年变幅：
14.0℃。
1.3工程地质
1.3.1区域地质概况
工程区位于秦岭中段、汉江以北的中低山区，区内地层岩性分布有片岩、片麻岩、结晶灰岩、大理岩、硅质板岩、花岗岩，还有下第三系砂岩、砂砾岩和第四系松散岩层。
工程区地质构造属相对稳定地区，工程区地震动峰值加速度为0.062g，地震动反应谱特征周期为0.53s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。
100年超越概率2%进行抗震设计时，地震动峰值加速度为0.146g，地震动反应谱特征周期为0.57s，相应地震烈度为Ⅶ度。
1.3.2水库区工程地质条件
水库区断裂构造较发育，可溶岩主要为大理岩及结晶灰岩，岩溶形态多以溶隙、溶孔为主，溶洞甚少，连通性差，对水库蓄水无明显的影响。
库区不良物理地质现象主要为滑坡和崩塌体，崩塌体一般低于正常库水位，岸坡局部零星存在危岩体，分布高程一般低于700m，规模较小。
库区周边山体雄厚，岩体完整，透水性较弱，没有与外界连通的沟谷凹地。
两岸地下水出露高程高于正常蓄水位643m。
库区不存在永久性渗漏问题。
库区基岩岸坡整体基本稳定，水库蓄水后局部陡坡地段和不稳定岩体有可能出现小规模崩塌，土质边坡存在局部小量塌岸问题，但对水库工程无大的影响。
库区无可开采的矿产资源及文物分布，水库蓄水后，将淹没两岸的部分耕地和公路，淹没区不存在浸没问题。
库区岸坡以基岩边坡为主，植被覆盖率较高，水土流失程度较低，水库淤积量很少，对水库的使用寿命影响甚微。
水库区不具备水库诱发地震的基本条件。
1.3.3坝址工程地质条件
1.3.3.1上坝址工程地质条件
上坝址位于佛坪县大河坝乡以北约3.5km的子午河峡谷段，该河段河谷呈“V”型发育，两岸地形较为对称，山体雄厚，坝轴线位置河谷底宽约90m，河床高程525m，坝顶处河谷宽约327m。
坝址区阶地不发育，两岸残留二级基座阶地，阶地地层上部为1～2m厚壤土，下部为卵砾石层。
上坝址出露的地层岩性：
（1）第四系松散堆积物：
坡积、崩积堆积层，分布于两岸斜坡表层低凹处及坡脚，厚度一般1～5m。
河床砂卵石层厚度6.5～7.2m，河谷中心最大厚度11m。
渗透系数约K=92m/d，属强透水层。
（2）志留系下统梅子亚组变质砂岩段（Smss）：
岩性以变质砂岩、结晶灰岩、大理岩及印支期侵入花岗伟晶岩脉。
大理岩及结晶灰岩为可溶岩，与非可溶岩变质砂岩呈互层状分布。
出露宽度大理岩一般20～30m，结晶灰岩一般35～60m，未发现可溶岩地层中有明显的溶洞及落水洞，岩溶类型特征以溶蚀裂隙为主。
根据现有的勘探资料，初步分析认为：
上坝址区可溶岩地层中岩溶发育程度轻微，连通性差，对工程无较大影响。
在坝轴线下游右岸80m，左岸70m发育一小型倾伏背斜构造，轴向约315°，与河流方向近垂直，背斜轴部发育纵向剪性裂隙及横向张性裂隙。
上坝址岩层走向310°～330°，倾向SW，倾角50°～70°，岩性倾向下游；坝轴线下游80m以外岩层受褶曲影响，产状为310°～330°，倾向NE，倾角45°～65°，岩层倾向上游。
坝址处河床基础及两岸边坡主要由变质砂岩、结晶灰岩、大理岩组成，夹少量伟晶岩脉。
强风化带厚度一般8～17.5m（水平），弱风化带厚度一般12～20m（水平）。
坝址区发育的断层主要为f13、f14、f15、f16、f43、f44、f45，力学性质以压性及压扭性为主，断层破碎带宽度一般30～150cm，对工程有一定的影响。
其中距离坝轴线较近的有f44、f45。
坝区发育4组裂隙，除第一组裂隙走向与河流走向基本平行外，其余各组裂隙走向与河流呈大角度相交。
裂隙倾角大于65°，裂隙宽1～3mm，多闭合，延伸较长一般大于5～10m。
无结构面组合及滑移条件。
坝址区地下水类型主要为第四系松散堆积层孔隙潜水和基岩裂隙水。
孔隙潜水主要分布于河床及漫滩的砂卵石层中，基岩裂隙水主要分布于河谷两岸基岩裂隙中。
都是受降雨补给，孔隙潜水向河流排泄，基岩裂隙水以下降泉的形式补给河水。
河水和地下水对砼无腐蚀性[4][5]。
1.3.3.2下坝址工程地质条件
下坝址位于大河坝乡上游约1km处的子午河峡谷段，河谷呈“V”字型发育，两岸基岩边坡陡峻，自然边坡40～65°。
坝轴线位置河谷底宽约100m，河床高程514～518m，坝顶处河谷宽约340m。
坝址区阶地不发育，两岸残留三、四级基座阶地，阶地地层上部为1～2m厚壤土，下部为卵砾石层。
坝址区出露的地层岩性主要为奥陶系上统斑鸠关组（O-S）硅质板岩、硅质岩及二云石英片岩，及覆于其上第四系松散堆积层。
河床及漫滩部分布的中粗砂层、卵石层厚度一般为3.5～8.8m，最大厚度15.5m。
下坝址附近的4#滑坡规模较大，估算体积约37万m3，距下坝址轴线上游左岸约450m，约1/3方量位于正常蓄水位643m以上，自然状况条件下边坡稳定，蓄水后存在局部失稳的可能，对下坝址建筑物有一定影响。
下坝址位于近东西向倾伏背斜构造的核部，地层南倾，倾角55°～80°。
河谷与岩层走向夹角为40°～70°，属斜向谷。
在区域南北向挤压应力作用和山体隆起作用下，地层发育较多的逆冲断层和小型褶皱变形现象。
坝址处硅质岩、硅质板岩岩层产状陡倾，岩体坚硬，卸荷裂隙两岸发育，水平厚度一般为3～16m，受高倾角构造裂隙切割，易产生崩塌。
右坝肩高程560m以下，受一组产状为330°∠40°的夹泥断层控制，与其垂直的裂隙组合构成侧向切割面，形成不稳定岩体，厚度为5～10m，呈倒三角形分布，初步估算方量为4200m3，易塌落掉块，蓄水后稳定性极差。
坝址区断裂以小断裂为主，主要沿层面发育。
坝址区发育较大的断裂有F1、F2、F3、F5、F6等5条。
由于F1～F5距坝轴线较远，对工程影响小。
坝区发育小断层22条，主要沿岩层面发育。
小断层对工程影响主要是与裂隙的不利组合，对坝肩局部产生不稳定块体。
坝址区地下水类型主要为第四系松散堆积孔隙潜水和基岩裂隙潜水。
潜水主要接受降水补给，河谷两岸地下水补给地表水。
坝址区强风化带厚度左岸3～13.5m，右岸17m；弱风化带厚度左岸4～26m，右岸21～26m。
河床无强风化层，弱风化厚度5～7m。
组成坝基的主要岩石为弱风化硅质板岩、硅质岩。
弱风化硅质板岩，饱和抗压强度Rb=63.23MPa，纵波速度Vp=3600m/s；微风化硅质板岩，饱和抗压强度Rb=116.8MPa，纵波速度Vp=4200m/s。
1.3.3.3天然建筑材料
本阶段初步选择了五个砂砾料场、两个土料场和两个石料场。
根据勘探试验结果，其质量和储量均可满足要求，各料场均有公路相通，开采运输方便。
1.3.4地质结论
从地形、地质条件上综合比较认为：
坝址区不存在对工程影响较大的区域性断裂分布，两岸边坡稳定，地质构造相对稳定，出露的岩石属硬质岩类，坝基岩体质量分级为Ⅱ～Ⅲ类为主，具有建高坝的地形、地质条件。
水库回水区库盆周边山体雄厚，地形封闭，岩溶不发育，河谷两岸地下水高于水库正常蓄水位643.0m高程，因此，水库蓄水后不存在永久性渗漏问题。
水库基岩岸坡约占70%以上，整体基本稳定，工程区内没有发现大型滑坡和不稳定岩体。
土质岸坡水库蓄水后存在塌岸问题，但塌岸宽度、规模较小，对水库影响不大。
上坝址河谷顺直，两岸地形完整，岸坡基本对称。
下坝址两岸沟谷较发育，地形起伏较破碎，地层陡倾，存在崩塌、卸荷现象，风化较深，坝基中小型溶蚀带发育，近坝区存在蓄水后可能失稳的滑坡体。
本阶段根据工程区的地形、地质条件和天然建筑材料分布情况，以及对坝基岩体工程地质条件分析，从地质角度看上坝址地质条件优越。
1.4工程规模
根据《防洪标准》（GB50201
升级会员 