拱坝设计.docx

1、拱坝设计计算书目录：1、 设计参数及控制指标2、 拱坝体形3、 应力计算4、 拱坝稳定计算5、 消能计算6、 坝体细部及放空、取水孔设计1、 设计参数及控制指标1.1 坝体参数坝体材料：C15砼砌600毛石，坝体容重2.33，坝体弹模E9.0109，坝体变模E5.0109，泊松比0.25。线膨胀系数取0.8105/，导温系数取3m2/月。坝基：左坝基为灰岩，变形模量E=5.0109，泊松比0.28。右坝基为泥灰岩，变形模量E=3.8109，泊松比0.30，坝体底部为泥页岩，变形模量E=2.5109，泊松比0.32。线膨胀系数取0.8105/，导温系数取3m2/月。水文及地质资料见附件1。1.2

2、 控制指标大坝坝肩稳定及应力控制指标按浆砌石坝设计规范（2591）执行，见表11、12。 表11 抗滑稳定安全系数表类别荷载组合情况安全系数抗剪断强度K基本组合3.00特殊组合2.50表12 大坝允许应力表类别位置允许应力允许压应力（104）拱冠梁底部110其它部位100允许拉应力（104）拱冠梁底部410其它部位4102、 拱坝体形拱坝体形为双曲拱坝，拱圈平面曲线采用圆弧。因两岸地形基本对称而采用相同半径的双曲拱坝。2.1 坝顶高程的拟定2.1.1 已知：校核洪水位（0.2%）:746.50m 设计洪水位（p2%）：744.00m 正常蓄水位：742.50m2.1.2 坝顶高程根据各种运行情

3、况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定。坝顶超高值h按下式计算（浆砌石坝设计规范（2591）第八章坝体构造）h2h10 式中：h坝顶距水库静水位的高度，m 2h波浪高，m h0波浪中心线超出水库静水位的风壅高度，m 安全超高，m：正常运用情况取0.4m，非常运用取0.3m。2.1.3波浪要素按浆砌石坝设计规范（25-91）附录二计算。波高、波长可按下式计算2h2=2h0=式中：2h2浪高，m； 2波长，m； 计算风速，按瓮安县多年平均最大风速为11.1m； 计算吹程（），=0.8； h0波浪中心线超出水库静水位的风雍高度，m； H1坝前上游水深，m。计算结果如表21：坝顶高程成果表表21计

4、算情 况上 游静水位（m）计 算风 速（）吹 程（）浪 高（m）安 全超 高（m）计算顶部高 程（m）设 计744.0011.100.800.790.4744.79校 核 746.5016.700.800.960.3747.46根据以上的计算结果，根据结构要求，确定坝顶防浪墙高度为0.8m，坝顶防浪墙高程则为747.50m，上游校核情况下静水位为746.50m，坝顶高程取746.70m，坝顶高程高于该水位0.20m。本方案属扩机工程，在该坝址已经修了一座底宽为10m，高19m的低坝，原设计方案的建基面为689.0m，采用双曲拱坝的圆弧拱。扩机方案在原坝体加宽加高，坝体底部高程取原坝体底部高程，

5、即建基面为689.0m。因基础为泥页岩，比较软弱，故采用2.0m厚的垫层。则坝高为57.70m，属中坝，在坝顶高程746.70m开挖后的河谷水平宽度为170.0m，则河谷的宽高比170/57.52.946，属“U”型河谷。2.2、拱坝体形设计2.2.1坝顶厚度（参见砌石坝设计P137）0.4+0.01(3H)式中：坝顶厚度（m） H最大坝高（m）57.70mL顶拱弦长（m）170.0m经计算得0.4+0.01（170+357.7）3.83m，考虑交通等要求，取5m。2.2.2 拱圈厚度（1）、坝底厚度参见砌石坝设计P138的经验公式0.132()0.269+(21000)H式中：坝底厚度（m）

6、 H最大坝高（m）57.70mL顶拱弦长（m）170.0m经计算得0.132(170/57.7)0.269+(257.7/1000)57.716.84m。由美国肯务局的经验公式式中：坝底厚度（m） H最大坝高（m）57.70mL1顶拱弦长（m）170.0mL2顶底以上0.15H处弦长（m）71.8m经计算得8.40m。综合考虑，取坝底厚度为16.0m.。水平拱圈厚度按T（）计算，即T5+（165）57.75+0.19064Y2.2.3 上游面曲面初拟由于该工程是扩建项目，为了不影响其电站的运行以及施工方便（不用重新修筑围堰），只在下游增加其厚度。所以其上游面曲线只有按原设计方案。设 1 2 k

7、 式中：H为坝高m；1凸点的相对高度，为凸点D所对应该的高度。2凸度，为凸点D到轴线的距离。 K上游曲线的平均倒悬度，m为坝踵B到铅垂线的距离。各项意义见下图21。图21根据原坝体的设计成果值为：20.0m 7.32mM3.25m将地形图上可利用基岩线确定后，再确定每一层拱圈对应的水平弦长，定出半径后（用半中心角控制，顶拱的半中心角在80110之间，底拱的半中心角在4080之间，半径的连线为一光滑的曲线）经过应力控制的优化后得到拱坝体形。该大坝为加高工程，在708.0m高程以下，只有用原坝体设计参数。拱坝体型设计、优化、应力分析及坝肩稳定计算，采用浙江大学拱坝应力计算程序进行（该程序通过电力部

8、鉴定，并于95年被列入国家级科技成果重点推广计划，98年荣获国家科技进步奖），在计算机上完成。3、应力计算3.1 计算方法及荷载组合拱坝应力按多拱多梁混合法计算，采用浙江大学拱坝应力计算程序进行计算，初拟采用8层拱圈，其高程分别为：745.0、737.5、731.5、723.0、714.0、706.0、697.5、689.0m(拟合层为砼垫层687.0m)。荷载组合情况分基本组合及特殊组合两类。基本组合为：（1）正常蓄水位相应尾水位设计正常温降自重扬压力泥沙压力浪压力。特殊组合为：（2）较核洪水位相应尾水位设计正常温升自重扬压力泥沙压力浪压力。地区地震烈度小于度，故不作动力计算。3.2 温度参

9、数说明多年年平均气温13.6多年平均最低月（1月）气温3.8多年平均最高月（7月）气温24.7日照影响按2计温降变幅年平均气温年平均气温13.6-3.89.8考虑日照影响后，设计正常温降9.8211.8，计算时间取1.5温升变幅最高月平均气温年平均气温24.7-13.611.1考虑日照影响后，设计正常温升11.1213.1，计算时间取7.5库底水温因无实测资料，按规范（145-85）附录规定，可近似按最低3个月平均气温计，（3.85.05.9）/34.9水表面年平均水温年平均气温日照影响13.6215.6表面水温年变幅气温年变幅的一半（24.7-3.8）/210.45温度计算的初相位取值为6.

10、5（月）。3.3 计算成果经计算，拱坝最大拉应力为0.76，发生在706.0m高程左拱端的下游面，计算工况为校核洪水位温升，最大压应力为2.76 ，发生在706.0m高程左拱端的下游面，计算工况为校核洪水位温升，均小于大纲中规定的允许应力。应力分布规律符合一般规律，较合理，计算原始数据和结果文件见附。4拱肩稳定计算4.1计算方法拱肩抗滑稳定按刚体极限平衡法计算，并根据浆砌石坝设计规范（25-91）规定，拱肩稳定分析应按空间问题处理，确定其整体抗滑稳定安全系数。如情况简单且无复杂的滑裂面时，可按平面分层累计计算。计算步骤：（1）绘制各层拱肩抗滑岩体图。（2）根据地质专业提供的资料，列出几组不同侧

11、滑面（裂隙或岩体），在抗滑岩体图中分别量出侧滑面与拱端径向的夹角、底滑面面积、侧滑面长度。（3）根据前面量出的参数，各层拱端高程，计算工况的水位，各侧滑面、底滑面分别对应的抗剪断参数，程序计算得到的各层拱端作用力，代入抗剪断公式，分别计算各层、各侧滑面的K值，取其中每层最小K值为该层安全系数K。4.2 已知条件4.2.1 由拱坝应力计算得拱端力系计算结果如下表：拱端力系表（单位：t）工况拱端高程849.7843.0827.2811.4795.6779.8763.8正常蓄水位温降左拱端推力-428.7383.11290.11746.72153.12082.4934.8拱端剪力11.6-25.91

12、84.3480.1860.41494.92117.0右拱端推力-138.0531.11119.31642.82157.32231.61084.2拱端剪力-6.4293.8907.31645.22368.82414.71243.5校核洪水位温升左拱端推力813.31137.81304.41699.22116.42007.1876.2拱端剪力-33.7-395.5-106.5351.2751.91347.51915.2右拱端推力1653.21591.71105.71582.32131.62038.5835.2拱端剪力1581.51480.21158.01595.92270.12167.8959.8

13、4.2.2 水文：校核洪水位848.87m；4.2.3 地质：河谷呈“V”型，出露地质为T1薄至中厚层灰岩。坝址岩层产状平缓，层面（岩层产状）为：左岸N56； 右岸N2010。 主要发育裂隙有：E090； S090； 断层主要有：f101: E02035、破碎带宽0.30.5m； f102: N502035、破碎带宽0.30.5m；4.3 计算假定根据地质报告，坝肩两岸产状倾角较缓，陡倾角裂隙较发育，无其它大的结构面发育，拱肩稳定按平面分层抗滑计算，为简化计算，在计算中作如下假定：（1）地基为灰岩，因其产状倾角较缓（1020），故可近似假定岩体层面为水平底滑动面。（2）几组裂隙均为陡倾角（60

14、80），故可假定裂隙面即为可能的侧滑面。（3）若在拱端处岩体无裂隙面或裂隙面对抗滑无不利影响时，则可根据地形条件假定几组侧滑面，按岩体非结构面参数取用。（4）底滑面扬压力按单位高度计，取1m。（5）侧滑面渗透压力按实际水头计，即侧滑面上游端水头实际H,下游面无水可视为0，侧滑面下游端水头为0。但考虑到侧滑面较长时，下游岸坡裂隙发育，渗水一般在坝后很快渗出地表，即零压力垫不在侧滑面下游端与岸坡交点处。近似岸拱下游面后一定距离为零计，如5倍拱厚、1倍岸坡厚等，为方便计算，计算中不直接确定零压力点而采用取综合折减系数的方法，综合折减系数取0.5计算渗透压力。认为U3=0.（6）为方便计算，认为裂隙面

15、与拱端面为同一平面。（7）缓倾面认定为层面，作用力为1/3面积。（8）当剪力向上游时，取其值为0。（9）为偏于安全，未计梁底压力。4.4 计算模型及公式两坝肩地基特点是层面倾角较缓、裂隙发育且倾角较陡，计算分层稳定时视层面为底滑面，裂隙面为侧滑面。计算参数请见附图计算时按抗剪断K值公式计算，如下： 2（WU2）式中各符号意义如下：拱端作用力在侧裂面上的法向分力，Q：拱端作用力在侧裂面上的切向分力。：梁自重。W ：抗滑岩体自重。：侧裂面渗透压力。2 ：底滑面扬压力。2 ：侧滑面抗剪系数。、：底滑面抗剪断系数。：底滑面有效面积。为提高计算速度，编制了程序，按上述公式计算各分层K值。该程序需输入的参

16、数有拱端作用力N、Q，底滑面面积S，侧裂面于拱端径向夹角及侧滑面长度L，以及底滑面、侧裂面的抗剪、抗剪断参数，各层拱高程及计算工况上游水位。为偏于安全计算，近似底滑面有效面积等于底滑面面积S的1/3。按前假定规定折减。由程序计算结果而得。每层K计算均假定不同的几组侧裂面，见附图，计算参数L、S、等均为从该图上直接量取而得。4.5 计算成果汇总如下表：（具体数据请见附件）安全系数成果表正常水位K校核水位K备注高程左岸右岸左岸右岸849.755.9225.87.793.2843.026.9166.210.585.9827.22063.52271811.417.135.118.439.4795.61

17、3.416.213.917.3779.833.524.136.125.3763.823.66.924.57.1 由上表可知，各层拱圈均满足规范要求。（3）冲坑深度的计算公式采用规范（14585）P46：0.5z0.25 式中：k 冲坑系数，由地质提供1.4（4）安全后坡一般采用1/31/4。5.1.6对下游的最近建筑物冲沙底孔进行安全后坡的验算（验算以校核洪水位情况为控制情况）： 冲坑底部最低点的高程为：790.6122.095768.515m 冲坑底部最低点至冲沙底孔的最近距离为29m， 按安全系数为1/31/4（取1/3.5为控制系数）计算得到768.51529（1/31/4）778.27

18、75.8故满足安全要求。6、坝体细部及取水、冲沙底孔6.1坝体结构 坝体材料采用200砼，抗渗等级为W8（按水工混凝土结构设计规范（50571996）p30页表4.4.5，砼抗渗等级为W8）。6.2放空底孔 进口底坎高程为802.00m。 进口为33m（bh）平板检修闸门。 出口为32.5m（bh）弧形工作闸门。6.2.1进口处设喇叭口，取1/4椭圆： 式中：a为椭圆的长半轴，取为闸门处孔口的高度，即a3000m; b为椭圆的短半轴，取为闸门处孔口的高度的1/31000，即b1000m；6.2.2通气孔：通气孔的面积由金结专业提供为8006.2.3计算出口流速 式中：流量系数 H上游水面与隧洞

19、出口处底板高程差848.8780246.87m 式中：隧洞出口端面面积32.57.5m2; i某一局部损失系数； i隧洞对应i的面积。损失列表计算如下：备注：糙率n0.015（砼管身）故有结果为： 出口流速为： 洞身中部流速为： V在1618m3之上故管身采用1.2m厚的C30混凝土（钢筋砼）作衬砌保护。6.2.4底孔放空时间计算 已知总库容为6180m3(对应水位848.87m)，死水位为813.00m。计算结果请见附表。放空需要3.5天。6.3取水孔 进口底孔高程为806.00m。设拦污栅5.54m（bh）。 进口处设喇叭口，取1/4椭圆： 式中：a为椭圆的长半轴，取为闸门处孔口的高度，即a2800m; b为椭圆的短半轴，取为闸门处孔口的高度的1/3933，即b933m； 管径为2800，进口为2.82.8m（bh）平板检修闸门。 通气孔的面积由金结专业提供为800 然后接矩形（28002800）渐变至圆形2800管。 渐变段长度应大于洞径的23倍，即L23=(23)2800=56008400 取6000。后接钢管。