宁村水库重力坝初步设计水工建筑物设计计算书--学士学位论文.doc

《水工建筑物》

课程设计计算书

——宁村水库重力坝初步设计

班　级：　水利水电工程091　
学　生：　　　王朝阳 　　
指导教师：　张小飞、段秋华　
完成时间：　2013.1.23　　　

广西大学土木建筑工程学院

目录
一、工程等级的确定·······················································································3
（一）原理··································································································3
（二）计算过程····························································································3
二、孔口尺寸拟定及设计洪水位、校核洪水位的确定············································3
（一）堰顶高程的拟定··················································································3
（二）堰顶溢流前沿宽度的拟定······································································3
（三）设计洪水位、校核洪水位的计算·····························································4
三、挡水坝设计······························································································4
（一）坝顶高程的确定···················································································4
（二）建基面高程的确定··············································································· ·5
（三）坝顶宽度的确定················································································· ··5
（四）上下游坝坡坡率及起坡点位置的确定·························································5
（五）坝面优化·····························································································5
（六） 坝体强度稳定承载力极限状态设计····························································5
（七） 坝体上游面拉应力的正常使用极限状态设计··············································· ·5
（八） 坝体应力分析························································································5
四、溢流坝设计······································································································5
（一）溢流坝断面设计······················································································5
（二）消能防冲设计·························································································8
（三）导墙设计································································································9
（四）坝体强度稳定极限状态设计······································································10
（五）坝体正常使用极限状态合计······································································10
五、大坝剖面优化和应力稳定分析··············································································10
六、工程量与开挖量计算··························································································11
七、附表···············································································································11
（一）附表一：挡水坝电算方案·········································································11
（二）附表二：溢流坝电算方案·········································································18
宁村水库重力坝初步设计计算书
一、工程等级的确定
（一） 原理：
拟定泄水建筑物，进行调洪计算，求得校核洪水位，再根据附图1（宁村水库水位~库容关系曲线）查得水库总库容，最终根据规范《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000确定工程等级。
（二） 计算过程：
已知：在校核洪水（0.2%）下，Q=588m3/s；正常蓄水位126.50m；死水位106.00m。
坝址岩层以砂岩为主，夹泥岩和页岩，砂岩抗压强度较高，但泥岩、页岩抗压强度稍低，其允许承载能力为0.6~0.7MPa，岩层倾向上游，岩石节理、裂隙发育，整体性稍差，并夹有软薄层，抗滑能力较低。下游河道平均水深2米左右。预计采用消能效果较好的消能工。综合地质条件、下游河道水深、枢纽布置和消能工设计，因此，通过技术经济比较后选定单宽流量q=28m3/(s·m)。
则堰顶宽b=Q/q=588/28=21m
由Hd=(0.7~0.95) H校，取Hd=0.85 H校
即Hw / Hd=0.85查图3可得m=0.490＜0.502，满足要求。
式中：Hd为定型设计水头，m；Hw 为堰上水头，m。
根据公式Q=ε1σsmnbH3/2 ，
式中：ε1：侧收缩系数，与边墩、闸墩及闸墩头部的型式、堰孔的数目、堰孔的尺寸、全 大大大大的水头等有关，ε1=0.96；
σs：淹没系数，为自由出流σs=1；
n：堰孔数，本设计中为1；
m：流量系数，由计算得出m=0.490；
b：堰顶宽，由计算得出b=21m；
g取9.81m2/s。
带入公式有：
H校=[Q/(ε1smnb)]2/3=[588/(0.96*1*0.490*21*)]2/3=5.65m
Hd=0.85 H校 =0.85*5.65=4.80m Z校=126.50+5.65=132.15m
查水位~库容关系曲线（图1）确定总库容V总=657.6（万m3）
根据工程效益、总库容查询规范SL252—2000，该工程的等别为Ⅲ等。
二、孔口尺寸拟定及设计洪水位、校核洪水位的确定
（一） 堰顶高程的拟定
因为是开敞式溢流坝身泄水，并无调节等要求，因此堰顶高程就是正常蓄水位高程，即为126.50m。
（二） 堰顶溢流前沿宽度的拟定
因为砂岩中还夹有泥岩、页岩等，砂岩本身强度也不高，且不完整，因此从消能防冲考虑，应按破碎岩石处理，单宽流量q=20～50m3/s，又综合考虑了以上四方面的因素，初步选定单宽流量q=28m3/(s·m)，按渲泄最大洪水时的流量Q校=588m3/s考虑，得到溢流前沿宽度为：
L=Q校/q=588/28=21m
（三） 设计洪水位、校核洪水位的计算
1、 原理：
试算法。首先假定一个堰上水头H设，计算H设/Hd值，查附图3，宁村水库Hw / Hd与流量系数m关系曲线，得出流量系数m，代入公式Q=ε1σsmnbH设3/2 求出设计洪水H设。与资料给的设计洪水（2%）Q设=450m3/s比较，误差不超过1%即可。
2、 已知:
由以上计算知堰顶高程为126.50m，单宽流量q=28m3/s，及前沿宽度L=21m。由确定工程等级过程推求得校核洪水位为Z校=132.15m。
3、计算过程：
通过多次试算结果简单列表如下：（表4）
方案
堰上水头H设（m）
Hd
H设/Hd
流量系数
m
设计洪水Q设（m3/s）
设计洪水（2%）Q设（m3/s）
误差
一
4.80
4.80
1
0.501
460.15
450.00
2.25%
二
4.75
4.80
0.990
0.500
452.98
450.00
0.66%
三
4.74
4.80
0.988
0.500
451.55
450.00
0.34%
四
4.73
4.80
0.985
0.500
450.12
450.00
0.03%
经过多次试算，方案一、二、三不满足设计规范，方案四和方案五均满足设计要求，但方案五更为精确。故选定方案四作为设计依据。即H设=4.73m。
推求设计洪水位：Z设=4.88+126.50=131.23m。
三、 挡水坝设计
（一）坝顶高程的确定
重力坝坝顶高程按坝顶上游防浪墙顶高程计，按下式计算，取其大值。
防浪墙顶高程=设计洪水位 +△h设
防浪墙顶高程=校核洪水位 + △h校
其中设计洪水位、校核洪水位已计算得出，只需求△h即可。
△h=h2%+hz+hc
式中：h2% ：累计频率为2%时的波浪高度；
hz：波浪中心线高于静水位的高度；
hc：安全加高，按表5选用。

表5 安全加高hc
运用情况
坝的级别
1
2
3
设计情况（基本情况）
0.7
0.5
0.4
校核情况（特殊情况）
0.5
0.4
0.3
根据官厅水库公式求h1%、hz：
1、 设计情况
① 高：hl=0.0166*V05/4D1/3=0.0166*275/4*31/3=1.474m
由于gD/Vo2=9.81*3000/152=40.37在（20，250）之间，故为累计频率为5%的波高。
h1%=1.24 h5%=1.24*1.474=1.828m
② 波长：L=10.4(h1%)0.8=10.4*1.8280.8=16.851m
③ 高：hz=(πh1%2/L)cth(2πH)/L=0.623m
④ 表5得hc=0.4
因此△h=h2%+hz+h=0.808+0.234+0.4=2.851m
H=131.23+2.851=134.08m
2、 校核情况
① 波高：hl=0.0166*V05/4D1/3=0.0166*155/4*31/3=0.707m
② 波长：L=10.4(h1%)0.8=10.4*0.8770.8=9.363m
③ 高：hz=(πh2%2/L)cth(2πH)/L=0.254m
④ 表5得hc=0.3
因此△h=h2%+hz+h=0.877+0.254+0.3=1.431m
H=132.15+1.431=133.58m
相比取大者，所以坝顶高程为134.08m。
（二） 建基面高程的确定
根据该坝的地形地质条件，建基面可设在弱风化处，在高程为85m~86m附近，该设计取建基面高程为85.00m
（三）坝顶宽度的确定
根据《混凝土重力坝规范》SDJ21-78，坝顶宽度应根据设备布置运行检修施工和交通等需要确定，并应考虑抗震特大洪水时抢护以及其他特殊要求。坝顶宽度一般取(8%~10%)H，且不小于2m。常态混凝土坝坝顶最小宽度为3m，碾压混凝土坝为5m。
H=134.07-85=48.08m
B=(0.08~0.1)H=(0.08~0.1)*48.08=3.85~4.81m
考虑施工要求，取B=4.00m
（四） 上下游坝坡坡率及起坡点位置的确定
根据工程经验，一般情况下，上游坡率n=0~0.2,下游坡率m=0.6~0.8。根据宁村水库工程地质条件，初拟n=0.2，m=0.8。
1、 上游起坡点
一般为离建基面的距离为坝高的三分之一左右，即距建基面为：48.08/3=16.27m.
则拟定上游起坡高程为101.37m。
2、 下游起坡点
起坡高程可按基本三角形顶点约在正常蓄水位以上拟定，且低于坝顶高程。如下图。J点为下游坝坡坡面延长线与上游面交点。F点为下游起坡点。（坝顶高程为134.08m，正常蓄水位为126.50m，建基面高程为86m。）
① J点恰好在正常蓄水位与上游坝面交点时：
BJ=AG=134.08-126.50=7.58m
GF=4/0.8=5.00m
AF=AG+GF=12.58m
②当J点恰好在坝顶与上游坝面交点时：
BJ=AG=0m
GF=4/0.8=5.00m
AF=AG+GF=5.00m
因此，设计中AF应在5.00~12.58之间， 取AF=10m。
FI=AH-AF=49.07-10=39.07m
3、重力坝底宽DE
DE=DH+HE=16.37*0.2+4+39.07*0.8=38.53m
图1 挡水坝计算简图
（五） 坝面优化
通过电算对比分析，可知最优方案为：上游起坡高程：105m；上游坡比：0.2；下游起坡高程：125m；下游坡比：0.8；坝顶宽度：4m。
（六） 坝体强度稳定承载力极限状态设计
详见：附表一：挡水坝电算方案
（七） 坝体上游面拉应力的正常使用极限状态设计
详见：附表一：挡水坝电算方案
（八） 坝体应力分析
详见：附表一：挡水坝电算方案
四、 溢流坝设计
（一） 溢流坝断面设计
溢流堰断面设计包括上游直线段，堰顶曲线段、下游曲线段、下游直线段以及反弧段5个部分组成。设计要求：⑴有较高的流量系数，泄流能力大；⑵水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；⑶体形简单、造价低，便于施工。
①上游直线段
在该设计中，由于挡水坝已经确定，故为了不使挡水坝产生侧向水压力，则溢流坝的上游直线段设计与挡水坝保持一致。
②堰顶曲线段
WES剖面堰顶曲线如右图。
堰顶O1点为坐标原点（0，0），曲线采用三段复合圆弧相接。这样做可使堰顶曲线与堰上游面平滑连接，改善了堰面压强分布，减小了负压。三段复合圆弧的半径R如图中所示。
R1=0.5Hd=0.5*4.80=2.40m
R2=0.2Hd=0.2*4.80=0.96m
R3=0.04Hd=0.04*4.80=0.19m
三段复合圆弧水平坐标值：
0.175Hd=0.175*4.80=0.84m
0.276Hd=0.276*4.80=1.325m
0.282Hd=0.282*4.80=1.354m
竖直坐标值为：
y1=0.15m，y2=0.558m，y3=0.659m
② 下游曲线段
该剖面堰顶O1点下游的曲线由公式(y/Hd)=k(x/Hd)n计算，式中系数k及指数n决定于堰上游面的坡度，取k=2.0，n=1.85，代入上述公式得：x1.85=2.0Hd0.85y式中的Hd为不包括行近流速水头的剖面设计水头，Hd=4.80m。
计算与下游直线段衔接处点A的坐标。由于溢流坝与挡水坝衔接部分有导墙连接，从工程实用和经济等方面综合考虑，拟定下游直线段的坡度m2=0.8。
对y求导，y'=1.85*x0.85/2.0Hd0.85=1/m2 则x0.85=2.0Hd0.85/(1.85*m2)=2.0*5.020.85/(1.85*0.8)=5.33m
求得：xA=7.16m，yA=4.84m，即A(7.16，4.84)。
x
0
1
2
3
4
5
6
6.841
x1.85
0
1
3.605
7.633
12.996
19.638
27.516
35.073
y
0
0.131
0.475
1.006
1.713
2.588
3.627
4.622
④反弧段
溢流坝面反弧段是使溢流面下泄水流平顺转向的工程措施，通常采用圆弧曲线，反弧半径应结合下游消能设施来确定。根据DL5108—1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，R=(4~10)h。h为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深。
查图2下游水位~流量关系曲线，校核洪水（0.2%）下，Q=588m3/s时的下游水位为94m。地面高程84m，挑砍高度1.5~1m，初步拟定为1m。则有挑砍高程为94+1=95m。
上游水位至挑砍高程S1=132.15-95=37.15m
流能比KE=q/(S11.5)=28/(*37.151.5)=0.039
坝面流速系数=0.897
鼻砍断面流速=24.22m/s
反弧段最低点处的水深h=q/v=28/24.30=1.156m
因为反弧段流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用较大值。鼻砍断面流速为24.22m/s，初拟R=8h=8*1.156=9.248m。
⑤ 下游直线段
由③知，下游直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，其与曲线段交点A(6.841，4.622)，坡度与非溢流坝段的下游坡相同，取m2=0.8。
根据经验，鼻砍挑射角度一般取20°~25°，拟定为θ=20°。
因为下游直线段与反弧段相切，且坡率为0.8，由此计算出∠BO2C=tan-1(1/0.8)=51.3°
O2F=Rcos∠BO2C=9.248*cos51.3=5.78m
O2H=Rcos∠CO2D=9.248*cos20=8.69m
则O2所在高程为HO2=95+8.65=103.69m
yO2=126.50-103.69=22.81m
yb=22.81+5.78=28.59m
AE=28.59-4.622=23.968m
BE=AE*m2=23.968*0.8=19.17m
则xB=6.841+19.17=26.011m
xO2=xB+BF=26.011+9.248sin51.3=33.228m
所以有B(26.011,28.59)，O2(33.228,22.81)，C(33.228,32.508)。
从而使上游直线段，堰顶曲线段、下游曲线段、下游直线段以及反弧段得以确定。
（二） 消能防冲设计
1、 确定鼻坎高程、反弧半径、挑角
由溢流坝断面设计部分得知：鼻坎高程为95m，反弧半径为m9.248，挑角为20°。
2、 计算挑距和下游冲刷坑深度
①挑距的计算
水舌挑射距离是按水舌外缘计算，其估算公式为

式中：L为水舌挑距，m；g为重力加速度，m/s2；v1为坎顶水面流速，m/s约为鼻坎处平均流速的1.1倍；θ为挑射角度，本设计为20°；h1为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcosθ，约等于h；h2为坎顶至河床面的高差，m。
v1=v=26.642m/s
h1=h=1.156m
h2=95-89=6m
L=1/9.81{26.6422sin20cos20+26.642cos20*[26.6422sin220+2*9.81(1.156+6)]1/2}=61.401m
②下游冲刷坑深度的计算
关于冲刷坑深度，目前还没有比较精确的公式，可按下式进行估算：
t k=αq0.5H0.25
式中：t k为水垫厚度，自水面至冲刷坑的距离，m；
q为单宽流量，m3/(s·m)；
H为上、下游水位差，m；
α为冲坑系数，对坚硬完整的基岩，取0.9~1.2，坚硬但完整性较差的基岩，取1.2~1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩，取1.2~2.0。
q=28m3/(s·m)
H=132.15-94.00=38.15m
α=1.2m
t k=αq0.5H0.25=1.2*280.5*38.400.25=15.78m
ht为冲刷坑后的下游水深，则冲刷坑深度为ts=t k-ht=15.8-5=10.8m
（三）坝体强度稳定极限状态设计
详见：附表二：溢流坝电算方案
（四）坝体正常使用极限状态合计
详见：附表二：溢流坝电算方案
五、 大坝剖面优化和应力稳定分析
利用电算比较得到，溢流坝和挡水坝优化断面的三种可行性方案，计算结果参见附表。最终确定最优方案为：
表7 大坝剖面优化最优方案（单位：m）
坝段
最优方案
挡水坝
建基面高程
86
坝顶高程
134.08
上游起坡高程
105
上游坡率
0.2
下游起坡高程
125
下游坡率
0.8
坝顶宽
4
坝底宽
39
溢流坝
建基面高程
86
堰顶高程
126.5
上游起坡高程
105
上游坡率
0.2
反弧半径
9.248
下游坡率
0.8
坎顶高程
95
坝底宽
42.345

六、 工程量与开挖量计算
根据地形图以及各坝段在地形图中的位置，绘出各坝段开挖线，计算开挖面积，近似取坝段左右两断面的开挖面积的平均值为该坝段的开挖面积。（见附图6）
表8 宁村水库开挖量计算
坝段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
面积(m2)
180.9
210.9
220.3
244.1
483.6
244.8
116.7
80.5
60.4
坝段长(m)
17
21
21
21
21
20
20
20
20
开挖量(m3)
3798.9
7088.1
7726.53
5126.1
13099.2
6529.8
3461
2455.6
1993.2
总开挖量(m3)
51278.46

表8 宁村水库工程量计算
坝段
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
Ⅸ
Ⅹ
面积(m2)
88.2
310.7
422.0
895.5
1119.3
1358.8
543.7
245.5
164.4
119.0
坝段长(m)
17
21
21
21
21
23
20
20
20
33
工程量(m3)
1499.4
7821.2
13429.3
18805.5
43479.7
40006.0
14311
7211.6
4954
3927
总工程量(m3)
155444.66

附录：
挡水坝工况
DSBSJJH1
!PR: GRAVITY DAM trubasic By WCT 2001.12
READ YT,YF,T0,YU,NU,YD,ND
DATA 134.08,86,4,102.27,.2,124.08,.8
READ Y8,Y9,VZ,FD
DATA 131.23,93.9,27,3
READ Y3,Y4,VF
DATA 132.15,94,15
READ RD,YN,RN,NF,UT,UH
DATA 24,92,.7,20,6,.25
READ F,FF,FC,RC,YC
DATA .7,1,500,14300,1.5
READ YG,XG
DATA 89,6
NEW SPECIFICATION
--------------------------------------------------------------------------------
CONDITION 1 CONDITION 2
CRITICAL STATE LEFT RIGHT LEFT RIGHT
--------------------------------------------------------------------------------
Yv*(CP)<=1/rd*(f*W/rf+C*A/rc) 14824 14183 13039 14134 [kN]
Yv*(W/B-6M/B2)(1+m2)<=1/rd*(fc/rm) 1703 5296 1506 5296 [kPa]
(W/B+6M/B2)>=0 86 0 53 0 [kPa]
--------------------------------------------------------------------------------

**** STRESES & STABILITY ANALYSIS OF GRAVITY DAM ********** BY WCT ************

-------- STRESES & SLIDING ON BASE --------

Yu= 102.27 [m] Nu= .2 Yd= 124.08 [m] Nd= .8 To= 4 [m]
-------------------------------------------------------------------------------
WETHOUT UPLIFT INCLUDING UPLIFT
CONDITION Syu [kPa] Syd [kPa] Syu [kPa] Syd [kPa] k Kc
-------------------------------------------------------------------------------
1 348 726 86 683 1.03 3.39
2 320 756 53 713 .99 3.26
-------------------------------------------------------------------------------
Tb = 37.72 [m] VOLUME OF DAM 799 m3

-------- STRESES OF DAM ( WETHOUT UPLIFT ) --------

CONDITION 1 : Y1= 131.23 [m] Y2= 93.9 [m]

Y= 86 [m] P= 9856.88 [kN] W= 20261.3 [kN] M=-44848.2 [kN-m]
-------------------------------------------------------------------------------
Xa [m] Sy [kPa] Sx [kPa] Ss [kPa] S1 [kPa] S2 [kPa] Fs1
-------------------------------------------------------------------------------
34.46 726 493 519 1142 77 -38.66
30 682 469 454 1042 109 -38.42
20 581 440 315 834 188 -38.69
10 481 438 184 645 274 -41.63
0 381 452 61 487 345 -60.12
-3.25 348 459 23 464 343 -78.69
-------------------------------------------------------------------------------

Y= 96 [m] P= 6155.83 [kN] W= 11499.3 [kN] M=-21006.1 [kN-m]
-------------------------------------------------------------------------------
Xa [m] Sy [kPa] Sx [kPa] Ss [kPa] S1 [kPa] S2 [kPa] Fs1
-------------------------------------------------------------------------------
26.46 579 371 463 949 0 -38.66
20 502 342 339 771 73 -38.33
10 384 327 172 530 181 -40.25
0 266 339 34 352 252 -68.49
-1.25 251 342 19 346 247 -78.69
-------------------------------------------------------------------------------

Y= 106 [m] P= 3190.27 [kN] W= 5722.95 [kN] M=-7468.17 [kN-m]
-------------------------------------------------------------------------------
Xa [m] Sy [kPa] Sx [kPa] Ss [kPa] S1 [kPa] S2 [kPa] Fs1
-------------------------------------------------------------------------------
18.46 441 282 353 724 0 -38.66
10 321 256 186 477 100 -40.02
0 179 248 0 248 179 90
-------------------------------------------------------------------------------

Y= 116 [m] P= 1205.71 [kN] W= 2317.54 [kN] M=-1758.94 [kN-m]
-------------------------------------------------------------------------------
Xa [m] Sy [kPa] Sx [kPa] Ss [kPa] S1 [kPa] S2 [kPa] Fs1
-------------------------------------------------------------------------------
10.46 318 203 254 521 0 -38.66
0 125 149 0 149 125 90
-------------------------------------------------------------------------------

Y= 89 [m] P= 8712.8 [kN] W= 17276.5 [kN] M=-36133. [kN-