H江碾压混凝土重力坝设计-说明书.doc

精选资料完整设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。 摘要本设计对位于我国西南地区的某水利枢纽进行了以坝工为重点的工程设计。经过对几种可建造坝型的经济比较估算，最终选择建造高碾压混凝土重力坝。溢洪道为河川水利枢纽中必备的泄水建筑物，用以排泄水库不能容纳的多余洪水量，保证枢纽挡水建筑物及其它有关建筑物的安全运行。重力坝通常设置坝顶溢洪道。入库设计洪水的选择和确定，必须在充分研究流域水文因素的基础上进行，然后才能确定溢洪道尺寸。对于过坝水流的调泄，需要有合理审慎的设计，以避免生命财产的损失。本次设计的调洪演算在基于水量平衡的基础上，采用列表试算法，在可行的几种泄流方案中，择优选出采用的方案和相应的设计与校核水位。然后进入主要建筑物设计。确定枢纽的组成建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、水电站等。在定性分析的基础上，确定出大坝的型式。在第一主要建筑物设计阶段，确定出大坝的基本剖面和轮廓尺寸，拟定地基的处理方案和坝身构造。之后依次进行了细部构造设计、稳定计算、材料力学法分析、应力有限元法和渗流计算，从各个方面验证了设计剖面的可行性。在设计坝体断面时，必须本着重力坝依靠自身重量来维持结构稳定的原则。本次设计中，下游面坡度是一致的，和上游面交于水库设计洪水位处。坝体上游面垂直，只在坝踵附近有陡的折坡，溢流坝上游顶部有倒悬。重力坝坝体的应力以材料力学法分析，坝体稳定的条件是坝体和坝基的最大应力须在坝段混凝土和坝基岩石的容许应力范围之内。重力坝以材料力学法分析，它可以直接求出坝体横剖面边界之内的任何一点的应力。坝体稳定的条件是坝体和坝基的最大应力须在坝段混凝土和坝基岩石的容许应力范围之内。溢流坝段的分析也是一样。其次为第二主要建筑物设计。确定出泄水建筑物的结构型式和轮廓尺寸，进行选线布置。进行水力计算，从挑距和冲刷深度等方面验证设计型式的可行性。并进行细部构造设计。本次设计我掌握了碾压混凝土重力坝的设计方法，了解了这样一个水利工程项目建设的主要步骤，完成了专业知识从理论学习到实际运用的过渡，体会了身为一个水利项目设计者所需要具备的品质和担负的责任，这些必将在我今后的学习工作中起到关键性的指导作用。关键词：碾压混凝土重力坝；有限单元法；RCC AbstractThe design is designed for one river water control project lying to the Southwest of China and the dam construction is emphasized . After making and evaluating alternative economic estimates of the possible type of dam, we chose the type of high RCCD.The spillway is a necessary discharge structure for a river project, which is used to discharge the excess flood that thereservoir can not accommodate so as to guarantee the project retaining structure and other structure security run. Usually the gravity dam installs spillway in the crest. The selection of the reservoir inflow design flood must be based on an adequate study of the hydrologic factors of the basin and then to decide the spillway size. The routing of the flow past the dam requires a reasonably conservative design to avoid loss of life and property damage. The design of the blood calculus based on the water balance, and I used the list algorithm, find out the best one in the practicable spilling alternatives, with their design water level and check water level together.Then it is the main structure design grade. the parts of project are defined, consisting of blocking structure ,spillway structure ,hydropower station, and so on. The dam type is defined based on the qualitative analysis.The basis cross section and the outline dimension is defined in the first main structure design grade. The processing alternative of the dam foundation and the construction of the dam body is formulated in the same time. After this, the feasibility of design construction is verified from detail construction plan , infiltrating stability analysis , gravity methods analyzed, FEM theory ,seepage compute. When we design the cross section of a gravity dam, we must rely on the principle that a gravity dam depends on its own weight for structural stability. In this design, the downstream face is uniform slope and would intersect the upstream face at the maximum reservoir level. The upstream face is normally vertical excepting for steep batter near the heel.I used mechanics of materials to analyze the stress of the gravity dam. For the gravity dam to be stable, maximum stresses in the dam section and the foundation should be within the permissible stress of the concrete used in the dam section and the foundation rock respectively. Gravity dams can be analyzed by gravity methods. It provides a direct method of calculating stresses at any point within the boundaries of a transverse section of the dam.Then the author has made a particular analysis and research in the basis of the FEM theory with a project practice and literatures research. After that, study on the FEM theory cited by the analysis of the seepage. The author has analyzed its seepage-control measures and seepage characteristics.The design has enabled us to grasp the method of RCCD and know the main steps of the construction water project. In practice, I achieve the professional knowledge of the theoretical study and know the necessary responsibility and factors as a water project designer. These experiences will definitely play a instructive role in my future work. Keywords: RCCD; finite element method (FEM);RCC可修改编辑目录目录4第一章 综合说明7第一节 枢纽任务与规模7一、发电7二、防洪7三、航运7第二节 设计要求8第三节 工程特性表8第四节 设计依据的规范和规程9第二章 设计基础资料10第一节 自然地理10一、流域概况10二、气候特征10三、 径流、洪水、泥沙11第二节 工程地质15一、地震烈度15二、地形地貌15三、地层岩性15四、地质构造16第三章 枢纽整体布置与坝型选择17第一节 工程等级及建筑物级别划分17第二节 坝型选择17一、 土石坝17二、拱坝17三、面板堆石坝18四、实体重力坝,宽缝重力坝,碾压混凝土重力坝18第三节 枢纽布置19一、枢纽布置原则19二、坝轴线确定19三、溢流坝布置19四、非溢流坝布置19五、发电厂房的布置19六、通航建筑物的布置19第四章 洪水调节演算19第一节 调洪演算计算方法19第二节 调洪演算计算结果20第五章 非溢流坝剖面设计21第一节 剖面尺寸拟定21一、坝顶高程确定21二、实用剖面设计22第二节 坝体强度和稳定承载能力极限状态及应力计算23一、荷载计算23二、 稳定的校核计算27三、三个不同截面不同工况下的荷载计算结果及稳定应力分析29四 、坝体应力计算:43五、应力图59第三节 坝体砼分区及配合比设计63一、坝体分区63配合比设计63第四节 细部及基础处理63 HYPERLINK l _Toc293734985 第五节 坝体防渗排水设计63第六节 坝体温度控制及防裂设计63第六章 溢流坝段剖面设计64第一节 、孔口设计64一、 泄水方式的选择64二、 洪水标准的确定64三、 流量的选择64四、 单宽流量的选择64五、 孔口净宽拟定64六、溢流坝段总长度确定64七、堰顶高程的确定64八、 闸门设计64九、 定型水头的确定65第二节 消能防冲65一、消能方式65二、挑流鼻坝设计65三、反弧半径的确定65四、挑距和冲抗的估算66五、闸墩和导水墙的设计67第三节 剖面设计67一、堰面曲线的拟定67第四节 荷载计算68一、自重68二、水平水压力68三、水重69四、扬压力69六、浪压力70七、 校核水位时的动水压力71八、地震作用71第五节 坝基面坝体强度和稳定承载能力极限状态验算72一、荷载计算成果和强度稳定分析72第六节 坝内应力计算79一、应力计算结果79二、 应力分布图84第七章 非溢流坝渗流和应力有限元计算88第一节 渗流有限元计算88一、渗流计算成果88第二节 应力有限元计算91一、应力计算成果91第八章 第二建筑物（压力钢管）的设计计算103第一节 引水管道的布置103一、压力钢管的型式103二、管道轴线布置103三、进水口设计103第二节 闸门及启闭设备104第三节 细部结构104一、通气孔104二、充水阀105三、伸缩节105第四节 压力钢管结构设计105一、确定钢管厚度105二、承受内水压力的结构分析106三、混凝土开裂情况的判别108四、钢管稳定强度分析110第九章 施工组织设计111第一节 施工导流方案111一、导流标准111二、导流方案的选择111三、导流建筑物111四、 导流时段的确定112第二节 施工总进度安排112第三节 导流工程参数112一、导流工程特性表112第十章 专题：水库水位设计113参考文献114第一章 综合说明第一节 枢纽任务与规模本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合利用效益。一、发电装机容量7600MW，正常蓄水位374.8m，死水位329.9m，台机组满发时的流量为7537m3/s，尾水位为225.5m。厂房为全地下式厂房，主厂房尺寸为338.528.574.4(mmm)，机组间距为32.5m，安装间（主/副）长度为60/30m。主变室为地下式，尺寸为405.519.532.334.2(mmm)。开关站为地面户内式，平面尺寸为33517.5 (mm)。二、防洪LT水库是W江防洪的战略性工程，承担W江中下游地区防洪任务，总防护人口达1200万人，保护耕地近700万亩。工程的兴建可使W江和W、N江三角洲防洪标准由约20年一遇提高到约400年一遇（400m提高到约50年一遇），遇DTX水库联合防洪，可使下游的防洪标准由20年一遇提高到100年一遇；无论式从防洪效益还是替代防洪工程投资来说，其防洪作用均非常显著。在遇500年和10000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来27600m3/s和35500m3/s分别削减为23379m3/s和28280.41m3/s。要求校核洪水时最大下泄流量限制为28000m3/s，校核洪水位不超过正常蓄水位的4.7m。三、航运H河属于滩多、坡陡、流急的河流，全河大小滩险约300处。天然情况下，除O滩至SL镇（L江河口）170km河段为常年通航河段外，其余河段基本不能通航。LT建成后，水库会使库区干流以上250km范围内形成深水航道，坝址下游河道枯水流量得到大幅度增加，为实现H河全面通航，并直达珠江三角洲出海奠定了基础，为西南有关省区物资外运提供了一条廉价的水上运输线，从而可带动沿河经济的发展，促使西部大开发战略的实施。第二节 设计要求在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求：1根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶高程及溢洪道孔尺寸；2通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式、轮廓尺寸及水利枢纽布置方案；3详细做出大坝设计，通过比较，确定坝的基本剖面和轮廓尺寸，拟订地基处理方案与坝身构造，进行水力、静力计算；4对碾压混凝土重力坝进行设计，选择建筑物的形式与轮廓尺寸，确定布置方案，拟订细部构造，进行水力、静力计算；5决定枢纽的施工导流方案，安排施工的控制进度第三节 工程特性表表1-1 工程特性表名称数量单位备注河流特性流域面积98500km2坝址控制面积多年平均径流总量508108m3设计洪水流量27600m3/s洪峰校核洪水流量35500m3/s洪峰多年平均径流量1610m3/s水库特性正常蓄水位376.9m发电死水位330.4m设计洪水位378.06m校核洪水位378.38m库容161.97108m3设计下泄流量23390m3/s设计下游水位255.7m校核下泄流量28283108m3校核下游水位262.4m发电装机容量7600MW拦河大坝大坝等级一级大坝类型碾压砼重力坝坝顶高程380.0m防浪墙顶高程381.20m最大坝高185.0坝顶宽度12m上游坡度0.15下游坡度0.7上游折坡点高程290m泄水建筑物堰顶高程354.9m溢流前沿净宽105m消能方式挑流消能鼻坎高程262m反弧半径46m挑射角25度单宽流量245.528立方m/秒第四节 设计依据的规范和规程 第二章 设计基础资料第一节 自然地理一、流域概况H河是W江水系的中上游河段。H河全长1573km，流域面积138340km2。流域属副热带气候区，气候温和多雨，410月份为雨季，降水量占年降水量的89.5%，雨日占全年的71.2%，流域各地多年平均降水量在7601860mm之间，总的趋势山东向西递减。径流主要由降雨形成，径流年内分配为：510月份占年总量的82.9%，11月次年4月占年总量的17.1%。LT水电站位于H上游。坝址以上流域面积为98500km2，占H河流流域面积的71%。坝址以上流域，大支流多，地形复杂，汛期暴雨量级虽不大但却频繁发生，造成洪水连续、洪水总量较大。二、气候特征1、气温：坝址多年平均气温为20.1，月平均最低（1月份）气温为11.0，月平均最高气温（7月份）为27.1，实测最低值（1月份）为-2.9，实测最高值（7月份）为38.9。2、湿度：历年平均相对湿度为80%，其中最高为6、7、8月，历年平均值均为85%；最低为2月，历年平均值为74%。3、降雨量坝区多年平均降水量1343.5mm，雨季（410月份）降水量占年降水量的89.2%，其中59月份降水量占全年的76.0%，多年平均降雨日数为156d，雨季雨日占全年的69.7%。多年平均日雨量10mm（中雨及以上）日数为38.5d，日雨量25mm（大雨及以上）日数为15.0d，日雨量50mm（暴雨）日数为3.9d，日雨量100mm（大暴雨）日数为0.6d。表2-1坝区历年（19721992年）各时段最大降水量时段(min)10203060901201802403605407201440雨量(mm)25.240.258.899.9117.3125.8139.5144.6155.6158.6159.4160.94、蒸发量：历年水面蒸发量平均值为1023.3mm，历年最大值为1218.7mm，历年最小值为842.7mm。5、风向风力： 历年最大风速为14m/s,相应风向为NE，极大风速为24m/s,相应风向为E、NE.多年平均风速为0.7m/s,多年平均最大风速为13.7m/s,水库吹程为2km。三、 径流、洪水、泥沙1、 径流径流主要由降水形成，多年平均径流量为1610m3/s，多年平均年径流总量为508亿m3，年际变化较为平稳，年变差系数为0.24，实测最大年平均径流量和最小平均径流量分别为多年平均流量的1.42倍和0.54倍。实测最大流量为16900m3/s，实测最小流量为174m3/s，各频率年径流成果见表2-2。表2-2 年径流频率成果表2、洪水H河流域洪水由暴雨形成。LT以上流域面积大，主流源远流长，大支流多，汛期暴雨量级虽不大，但发生频繁，往往造成连续性洪水，单峰洪水甚少，复峰居多。设计洪水成果见表2-3。表 设计洪水成果表项目洪峰流量7d洪量亿(m3/s)表 坝址处设计洪水过程线（P=0.2%）月日时流量月日时流量3、泥沙H河泥沙以悬移质为主，悬沙颗粒较细。由实测资料统计，坝址处多年平均输沙率为1660kg/s，多年平均含沙量为1.05kg/m3 ，多年平均输沙量为5240万t坝前百年淤沙高程287.6m，淤沙内摩擦角24，浮容重12kN/m3。第二节 工程地质一、地震烈度坝址位于相对稳定地块内，属弱震环境，无区域性活动断层穿过，不存在发生地震的地质背景，区域地震危险性主要受外围地震影响，经审定：坝址地震基本烈度和水库可能诱发地震影响烈度均为7度。二、地形地貌坝址河谷为较平坦“V”形谷，宽高比为3.5。河流流向为S32E，至坝址处转为S80E。枯水期河水面高程为219m，水面宽90-100m，水深13-19.5m 。河床沙卵石厚0-6m ，局部达17m。河床两侧均有基岩礁滩裸露，左岸宽10m，右岸宽40-70m 。左岸地形整齐，山体宽厚。右岸受冲沟切割，地形完整程度稍逊于左岸。两岸山顶高程600m，岸坡坡度32-42，残坡积物厚0.5-2m，局部厚8-25m。三、地层岩性坝址上游地层为三叠系下统罗楼组，以薄层、中厚层硅质泥板岩、硅质泥质灰岩为主，夹少量粉砂岩互层岩组。坝址及其下游出露地层为三叠系中统板纳组，由厚层钙质砂岩、粉砂岩、泥板岩互层组成，属坚硬和中坚硬岩石。地下洞室布置区是坝区地质条件相对较好的地段之一，90%95%以上的洞体位于质量较好和中等的、类围岩内，围岩地层为板纳组；岩性以砂岩为主，或为砂岩、泥板岩互层岩组， 岩石强度较高。进水口边坡蠕变岩体自然现状稳定，只要开挖后采取一定的工程措施，边坡整体稳定。四、地质构造坝址岩层为单斜构造，走向N520W，与河流向夹角约为70，倾向NE（下游偏左岸），倾角55063。坝址下游岩层倾角逐步变缓至约40左右。断层依其走向，主要可分为四组。第一组：产状N520W,，以层间错动为主，多达200余条，80%以上的破碎带宽度小于10cm。第二组：产状N3060W,，平均间距3050m/条第一组：产状N7090第一组：产状N6580，破碎带较宽。第三章 枢纽整体布置与坝型选择第一节 工程等级及建筑物级别划分根据SL252-2000水利水电工程等级划分及洪水标准：1. 正常蓄水位H=374.8，相应库容V=161.97108m，水电站装机容量7600MW，根据水利水电枢纽工程等级划分和洪水标准规范确定本工程的规模为大（1）型，等别为一等。2. 水工建筑物级别（永久性水工建筑物）工程等级为级，则主要建筑物级别1级，次要建筑物3级3.临时性水工建筑物级别,保护对象为1级主要永久建筑物，3级次要永久建筑，则临时性水工建筑物为4级。第二节 坝型选择可供选择的坝型有：拱坝、宽缝重力坝，面板堆石坝，大头坝，土石坝等。具体比较选择如下：一、 土石坝在有条件的情况下，为了节约材料，选择坝型的时候应首先考虑当地材料坝。土石坝材料可就地取用，并且对地基要求不是很高，较能适应地基变形；结构简单，施工技术简易，工序少，可以组织机械化快速施工。但坝址附近缺乏符合筑坝条件的土料，难以满足建坝对土料的需求量；其次，H江流域雨量丰富，降雨天数多，对土石坝施工干扰大，易延长工期；另外，土石坝坝顶不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，坝体的断面大。故不适合修建土石坝。二、拱坝拱坝的工作原理：一是依靠拱的作用，将力传给拱座；二是依靠悬臂梁的作用将力传给基岩。其主要特点：a.受力条件好，河谷形状深窄较好；b.坝体积小，主要依靠拱作用维持稳定，自重作用影响不大；c.超载能力强，安全度高；d.抗震性能好；e.施工技术要求高，地基处理要求严格。根据拱坝的特点，要求建造于狭窄河谷上；对地质较理想的条件是岩石尽量密致，质地均匀，有足够的强度、不透水性和耐久性；两岸拱座基岩坚固而完整，边坡稳定，没有大的断裂构造和软弱夹层。坝址处河谷形状为梯形，河床较宽，宽高比约为3.5。若在这种河谷中修建拱坝，拱坝作为拱的部分发挥的作用很小，且河床两岸无足够强度的岩体支承拱坝。两岸节理发育，有平行河谷及垂直河谷的两组倾角节理。节理面不能承受两岸渗透水压力的作用，即使进行必要的加固处理（如清洗节理，固结灌浆等），也不能达到强度要求。故不适合修建拱坝。三、面板堆石坝经初步估算，在坝址附近有足够的砂石料，能满足建坝的材料要求，省材料，节约投资；另外，面板堆石坝适应气候性能好，整个坝体作为受力结构，利于稳定；面板还有防浪作用。但是面板堆石坝，抗严寒冰冻差，抗震性能差，对基础沉陷较敏感，面板变形，开裂问题较难解决，坝体对周边缝也是难题之一；其次施工过程中要采取隧洞导流，并要单独在岸边修建溢洪道，工程开挖量大，增加投资。故不适合修建面板堆石坝。四、实体重力坝,宽缝重力坝,碾压混凝土重力坝（1）实体重力坝：实体重力坝的主要优点就是，结构相对比较简单，施工比较方便，并且有丰富的经验技术，施工过程中质量容易控制。其不足之处就是坝体体积较大，扬压力也比较大，施工时不利于混凝土的散热。（2）宽缝重力坝：宽缝重力坝具有以下一些优点：充分利用了混凝土的抗压强度；扬压力显著降低；节省混凝土方量。但也有一些缺点，如：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，对宽缝需要采取保温措施，而且宽缝重力坝的散热比较好，并且一般情况下，不易出现被坝体内部混凝土由于膨胀而破坏坝体的稳定。（3）碾压混凝土重力坝：碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比，具有以下一些优点：工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，又特别是水泥用量减少；由于水泥用量减少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施；不设纵缝，节省了模板和灌浆等费用；可使用大型施工机械设备，提高混凝土运输和填筑的工效。但也有一定缺点，如：坝体混凝土分区；各区域内混凝土的级。结论：根据以上各个坝型的特点，结合设计内容，再结合工程中有丰富的砂石料场，地质条件不是很复杂，故确定选择碾压混凝土重力坝方案。第三节 枢纽布置一、枢纽布置原则 原则：二、坝轴线确定 主河床坝轴线与河流方向接近垂直，采用折线型的坝轴线，有利于减少引水坝段上游面的山体开挖量。通航坝段左侧坝轴线向上游折30。三、溢流坝布置 泄洪建筑物布置在原河床的主流部位，即溢流坝布置在河床中部。四、非溢流坝布置 非溢流坝布置在溢流坝的两侧。五、发电厂房的布置 坝后式厂房六、通航建筑物的布置 在右岸布置两级船闸第四章 洪水调节演算第一节 调洪演算计算方法本枢纽的泄洪建筑物采用WES式溢流堰。其溢流能力可用公式 (4-1)式中：C上游面坡度影响修正系数；m流量系数；侧收缩系数；s淹没系数；B溢流堰净宽 ；HW堰上作用水头。设计情况下，近似计算中可以认为2.01，则开敞式溢流堰泄流能力计算公式就近似为Q=。校核情况下，近似计算中可以认为2.04，则开敞式溢流堰泄流能力计算公式就近似为第二节 调洪演算计算结果假定六种不同的溢流堰净宽B，和堰顶高程w进行方案的比较确定符合要求以及最优的方案。具体计算结果如下：表 3-1 洪水调节计算成果方案堰顶（m）B（m）工况q（m3/s）H上（m）1353.9715设计24136377.71校核28592377.902354.9715设计23390378.06校核28283378.383356.9715设计22678379.9089校核28454380.11注：正常蓄水位376.9m 校核洪水位时最大下泄流量限制为28480m3/s 校核洪水位不超过正常蓄水位5m.结论：由上表可知，所有方案同时满足两个限制条件。因此，选择虾蟹流量较小的方案且比较经济合理的第二方案。故本设计采用方案（二），即B=157=105m，堰顶高程为w=354.9m。设计洪水位=378.06m，校核洪水位=378.38m，设计下泄流量为23390 m3/s，校核下泄流量为28283m3/s。第五章 非溢流坝剖面设计第一节 剖面尺寸拟定一、坝顶高程确定1、 计算方法由规范，防浪墙顶高程高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差 （5-1）h1%累计频率为1的波高；hz波浪中心线至正常蓄水位或校核洪水位的高差；hc安全超高。库区多年平均最大风速为13.7m/s,吹程为2km.丘陵、平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（适用于水库水较深，26.5m/s及D7.5km）： (5-2) (5-3) hZ (5-4) (5-5)式中：Lm平均波长（m）； h2%累计频率为2%的浪高（m）； 计算风速（m/s）； D风区长度（m），D2000m； g重力加速度，9.81m/s2； Hcr使风浪破碎的临界水深。2、计算结果 正常情况下： 顶=H正+h =376.9+3.137=380.037m 校核情况下： 顶=H校+h =378.38+1.65=379.93m. 综合以上两种情况，取大值，380.037m，防浪墙顶高程为381.2m。根据规范取1.2米的防浪墙高度，最终确定坝顶高程380.0m.二、实用剖面设计枢纽布置画在坝轴线地质图上。见H江重力坝设计图纸1/3 枢纽平面总布置图。非溢流坝基本剖面按前面的调洪演算的结果设计水位为378.06m，即基本三角形顶点高程为378.06m;坝顶高程由前面鹤地公式计算得为380.0m，其剖面形式应通过技术经济比较，即在满足坝体抗滑稳定和坝踵不出现拉应力的条件下，使基本剖面的面积最小，利用复合形法优化程序可以确定上游边坡n=0.15,下游边坡m=0.70具体尺寸如下:1、上游边坡n取为0.15； 下游边坡m取为0.702、底取最低坝高为195m3、折的确定：经济流速取为6.0m，根据公式Q=V*A，A=