1、目录摘 要ABSTRACT第一章非溢流坝设计计算11.1堤顶及防浪墙高程确定1 1.1.1堤顶高程计算公式1 1.1.2安全加高1 1.1.3波高及雍高计算公式1 1.1.4坝顶超高计算 21.2重力坝剖面设计51.3重力坝挡水坝段荷载计6 1.3.1基本原理与荷载组合6 1.3.2坝体自重计算6 1.3.2.1坝体自重计算公式6 1.3.3.2按实体重力坝计算坝体自重及力矩61.4静水压力计算8 1.4.1静水压力计算公式8 1.4.2设计工况8 1.4.3校核工况10 1.4.4正常使用工况121.5扬压力计算14 1.5.1扬压力14 1.5.2设计工况14 1.5.3校核工况15 1.
2、5.4正常使用工况161.6淤沙压力17 1.6.1水平淤沙压力公式17 1.6.2淤沙浮容重计算17 1.6.3淤沙高程18 1.6.4淤沙压力及其力矩计算181.7波浪压力及其力矩19 1.7.1波浪压力公式19 1.7.2设计工况19 1.7.3校核工况191.7基本作用荷载各种工况下的、P和201.8极限状态设计法分析挡水坝段稳定21 1.8.1承载能力极限状态设计式21 1.8.2正常使用极限状态设计式23 1.8.3坝段抗滑稳定验算24 1.8.3.1基本组合工况24 1.8.3.2偶然组合工况24 1.8.4坝段坝趾抗压强度验算 24 1.8.4.1计入扬压力时的基本组合工况24
3、 1.8.4.2计入扬压力时的偶然组合工况25 1.8.4.3不计入扬压力时的基本组合工况25 1.8.4.4不计入扬压力时的偶然组合工况25 1.8.4.5坝段坝蹱不出现拉应力计算251.9挡水坝段应力分析26 1.9.1基本假定26 1.9.2不考虑扬压力时的边缘应力计算26 1.9.2.1边缘应力计算公式26 1.9.2.2设计工况边缘应力计算27 1.9.2.3校核工况边缘应力计算28 1.9.3考虑扬压力时的边缘应力计算29 1.9.3.1边缘应力计算公式29 1.9.3.2设计工况边缘应力计算30 1.9.3.3校核工况边缘应力计算31第二章 溢流坝设计计算332.1溢洪堰堰型选择
4、332.2溢洪道水力计算332.3溢流堰堰面曲线34 2.3.1溢流堰堰顶高程34 2.3.2溢流堰总水头34 2.3.3定型水头设计35 2.3.4堰面曲线设计352.4边墩高度372.5消能形式37 2.5.1消能公式38 2.5.2设计工况下冲刷坑安全验算38 2.5.3校核工况下冲刷坑安全验算39摘 要随着时间的增长而不断增加的农业灌溉用水、城镇供水和农村人畜饮水是摆在人们面前的一个难题，因为目前可供水量离人们的供水目标相差甚远，水资源的短缺已严重制约国民经济和社会发展。水利枢纽工程的出现不仅能够解决这个问题，而且能实现对水能资源的综合梯级开发利用。根据杨家沟水库的地质、地形、气候，气
5、象等具体情况，本设计的主要内容和成果如下：1、非溢流坝剖面尺寸的拟定：坝高33.00m，上游坡率1:0.15，下游坡率1:0.75，坝顶宽度4.50m。2、溢流坝堰面曲线的拟定：顶部曲线段采用WES曲线，直线段的坡率1:0.75，反弧段半径为10m。3、稳定分析：经过分析，溢流坝和非溢流坝的稳定均满足要求。4、应力分析：经过分析，溢流坝和非溢流坝的应力均满足要求。关键词：水利枢纽工程，混凝土重力坝，溢流坝ABSTRACTAs the time does by, the demand of water for agriculture, urban supply and rural drinkin
6、g is on such an increase that it becomes a difficult problem lying ahead. Due to the large gap between the fact and goal of the current water supply, Shortage of water resources has seriously confined the development of economy and society. However, the water conservancy project not only tackles the
7、 issue, but also makes the comprehensive development and utilization of water resources come true. According to GanLong gravity water power station field of geology, topography, climate, weather and other circumstances, the main elements of the design and results are as follows:1、The size of the dev
8、elopment of non-overflow dam sections:Height of 33.00m, the upstream slope of 1:0.15ratio, lower rate of 1:0.75 slope, crest width of 4.50m.2、Spillway weir curve drawn:Top of the curve by WES curve, straight line of slope rate of 1:0.75, anti-arc with a radius of 10m.3、Stability analysis:After analy
9、sis, the stability of the spillway and non-overflow dam are sufficient.4、Stress Analysis:After analysis, non-overflow dam spillway and the stress are sufficient.KEYWORDS： water power station ,Concrete gravity dam, Overflow dam2012届水利水电工程专业毕业设计第一章非溢流坝设计计算1.1堤顶及防浪墙顶高程确定1.1.1堤顶高程计算公式本工程设计洪水标准为30年一遇，校核洪
10、水标准为300年一遇，坝顶高程应大于坝前水位+坝顶超高。而坝顶超高=累计频率1%的波高+风壅高度+安全加高（1.1）1.1.2安全加高本工程堤防级别为4级，设计洪水时，安全加高应为0.40m，校核洪水时，安全加高应为0.30m。表1.1 坝的安全加高hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.31.1.3波高及雍高内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式（适用于20m/s 及 D20km）计算官厅水库公式：（1.2）（1.3）（1.4）式中： 重力加速度，吹程， 波长，壅高，计算风速，坝前水深，当时，为累积频率5%的波高h5%;当时，为累积频率10
11、%的波高h10%。规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应由累积频率为P（%）的波高hp 与平均波高的关系可按表B.6.3-1 进行换表1.2 累积频率为的波高与平均波高的比值0.1123451013203002.972.422.232.112.021.951.711.611.430.940.12.702.262.092.001.921.871.651.561.410.960.22.462.091.961.881.811.761.591.511.370.980.32.231.931.821.761.701.661.521.451.341.000.42.011.781.681.6
12、41.601.561.441.391.301.010.51.801.631.561.621.491.461.371.331.251.011.1.4坝顶超高的计算表1.3 超高值h 的计算的基本数据设计洪水位校核洪水位吹程（m）800.00800.00风速（m/s）18.713.0安全加高（m）0.40.3坝前平均水深（m）2323正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50 年的最大风速， =18.7m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速， =13.0m/s1、设计洪水位的超高波高： 波长： 壅高： ： 故按累计频率为计算由表1.2查表换算故 设计安全加高 设计防浪加高 2、校核洪水位时的超高波
13、高： 波长： 壅高：故按累计频率为计算由表1.2查表换算故 校核安全加高 校核防浪加高 表1.5 堤顶超高计算结果表项目计算公式设计洪水校核洪水工程所在地多年平均最大风速1313计算风速V(m/s)18.713风区长度F(m)800800堤前平均水深Hm(m)2323安全加高A(m)，查规范SL274-20010.400.30堤顶超高计算值(m)1.310.86表1.6 计算坝顶高程工况坝前水位计算坝顶超高计算坝顶高程设计洪水工况(m)242.101.31243.41校核洪水工况(m)242.500.86243.36由表5-11可得，坝顶高程或防浪墙顶高程应不小于243.41m，取坝顶高程24
14、3.00m,设置0.50m防浪墙，墙顶再设钢管护栏。1.2重力坝剖面设计重力坝坝顶高程243.00m，设置0.50的防浪墙，最低建基面高程210.5m，坝高H=33.00m。由于坝基完整性差、基岩较软弱，抗剪强度参数f、c值较小，上游坝坡放缓，坡率。根据工程经验，大坝下游坝坡坡率，坝顶宽度一般取坝高的，坝底宽约为坝高的倍。初步设计坝顶宽取4.5m，图1.1 混凝土砌条石重力坝非溢流坝段剖面图1.3重力坝挡水坝段荷载计算1.3.1基本原理与荷载组合重力坝的荷载主要有：自重、静水压力、扬压力、泥沙压力、浪压力、动水压力、冰压力、地震荷载等。本次设计取单位长度的坝段进行计算。相关荷载组合见表1.7。
15、表1.7 荷载组合表组合情况相关工况自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力地震荷载动水压力土压力基本组合正常水位设计水位冰冻特殊组合校核水位地震情况1.3.2坝体自重计算1.3.2.1坝体自重计算公式坝体自重W（KN）的计算公式：（1.5）式中：坝体体积(m3)，以单位长度的坝段为单位，通常把其断面分成若干个简单的几何图形分别计算； 坝体混凝土的重度，一般取24kN/m3。力矩作以下规定：以坝底中心为力矩，逆时针为正，顺时针为负。1.3.3.2按实体重力坝计算坝体自重及力矩 图1.2 实体重力坝自重计算图一区：二区：三区：表1.8 实体坝计算汇总表分区体积(m3)自重(kN)力臂(m)力矩(k
16、Nm)一区2.2554.007.35396.90二区13.50324.006.762190.24三区460.8011059.203.2035389.44476.5511437.20-37976.581.4静水压力计算1.4.1静水压力计算公式静水压力是作用在上、下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力P和垂直水压力W两种。静水压力按照3种工况进行计算，分别是设计工况、校核工况、正常使用工况。1、水平水压力P的计算公式： （1.7）式中： 计算点处的作用水头(m)； 水的重度取9.81kN/m3。2、垂直水压力W按水重计算1.4.2设计工况在设计工况下，上游坝前水位242.10m由水位流量关
17、系知，下游水位为221.00m。上游水位242.10m，上游水深242.10-210.50=31.60m下游水位221.00m，下游水深221.00-210.50=10.50m图1.2 设计工况静水压力计算图水平向： 一区： 三区： 垂直向： 二区： 四区： 表1.9 设计工况下静水压力汇总表分区水平力(kN)垂直力(kN)力臂(m)力矩(kNm)一区4898.9410.52-51585.84二区734.6912.829418.73三区-540.783.501892.73四区405.5811.77-4773.684358.161140.27-45048.061.4.3校核工况在校核工况下，上游
18、坝前水位242.50m，由水位流量关系知，下游水位为221.50m。上游水位242.50m，上游水深242.50-210.50=32.00m下游水位221.50m，下游水深221.50-210.50=11.00m水平向： 一区：三区：垂直向：二区：四区：图1.3 校核工况静水压力计算图表1.3 校核工况下静水压力汇总表分区水平力(kN)垂直力(kN)力臂(m)力矩(kNm)一区5022.7210.67-53592.42二区753.4112.809643.65三区-593.513.672178.18四区445.1311.65-5185.764429.211198.54-46956.351.4.4
19、正常使用工况在正常使用工况下，由任务书中所给的数据可知下游水位为218.00m。上游水位241.00m，上游水深241.00-210.50=30.50m下游水位218.00m，下游水深218.00-210.50=7.50m水平向： 一区：三区：垂直向： 二区： 四区：图1.4 正常使用工况静水压力计算图表1.10 正常使用工况下静水压力汇总表分区水平力(kN)垂直力(kN)力臂(m)力矩(kNm)一区4562.8810.17-46404.49二区684.4312.888815.46三区-275.912.50689.77四区206.9312.53-2592.834286.97891.36-394
20、92.091.5扬压力计算1.5.1扬压力扬压力包括渗透压力和托浮力两部分。渗透压力是由上、下游水位差H产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；托浮力是由下游水面淹没计算截面而产生向上的水压力。扬压力分三种工况进行计算，分别是设计工况、校核工况，正常使用工况。图1.5 扬压力分区示意图1.5.2设计工况设计工况下，上游水深为31.60m，下游水深为10.50m。由混凝土重力坝设计规范SL 319-20051表B.3.1查得渗透压力强度系数取0.25，渗透压力分项系数为1.2，浮托力分项系数为1.0，则设计值为0.3。A区：B区：C区D区表1.11 设计工况扬压力数据汇总表分区总力(kN)力臂(
21、m)力矩(kNm)A-2472.122.405933.09B-186.308.35-1555.61C-801.090.0756.01D-217.358.77-1906.16-3676.862527.331.5.3校核工况校核工况下，上游水深为32.00m，下游水深为11.00m。由混凝土重力坝设计规范SL 319-20051表B.3.1查得渗透压力强度系数取0.25，渗透压力分项系数为1.2，浮托力分项系数为1.0，则设计值为0.3。A区B区C区D区表1.12 校核工况扬压力数据汇总表分区总力(kN)力臂(m)力矩(kNm)A-2589.842.406215.62B-185.408.35-15
22、48.09C-797.220.0755.80D-216.328.77-1897.13-3788.78-2826.201.5.4正常使用工况正常使用工况下，上游水深为30.50m，下游水深为7.50m。由混凝土重力坝设计规范SL 319-20051表B.3.1查得渗透压力强度系数取0.25，渗透压力分项系数为1.2，浮托力分项系数为1.0，则设计值为0.3。A区B区C区D区表1.13 正常使用工况扬压力数据汇总表分区总力(kN)力臂(m)力矩(kNm)A-1765.802.404237.92B-203.078.35-1695.63C-873.200.0761.12D-236.918.77-207
23、7.70-3078.98525.711.6淤沙压力1.6.1水平淤沙压力公式（1.7）（1.8）式中：淤沙浮容重； 淤沙高度； 。1.6.2淤沙浮容重计算取泥沙干容重，孔隙率，淤沙内摩擦角=。 1.6.3淤沙高程计算通过杨家沟水库的泥沙量，查四川省水文手册多年平均悬移质年输沙模数等值线图，其值为570t/km2。推移质沙量采用占悬移质泥沙的15%推求。经计算本工程多年平均来沙量为0.23万m3。杨家沟水库多年平均来沙总量为0.23万m3，在经过20年淤积后，20年淤积泥沙量为4.62万m3，相应泥沙淤积高程为223.93m。泥沙淤积高度。取13.50m。图1.6 淤沙压力及其力矩计算图1.6.
24、4淤沙压力及其力矩计算1、标准工况2、设计工况设计值：设计值为标准值乘以分项系数1.2。表1.14 泥沙压力及力矩汇总表工况力（kN）力臂(m)力矩(kNm)标准工况825.804.5-3716.10设计工况990.964.5-4459.321.7波浪压力及其力矩1.6.1波浪压力公式波浪压力及其力矩也分三种工况考虑，分别为设计工况、校核工况，其作用分项系数为1.2，力矩规定同前。由“1.1坝顶高程的确定”可知，HL/2均成立，故波浪为深水波。深水波浪压力计算公式：式（1.9）式中：为坝前水深。1.7.2设计工况由1.1知L=6.91m，hl=0.60m1.7.3校核工况由1.1知L=4.80
25、m，h1%=0.38m表1.15 波浪压力及其力矩汇总工况力(kN)力矩(kNm)设计工况15.42-473.91校核工况6.59-206.86图1.7 波浪压力计算简图1.7基本作用荷载各种工况下的、P和表1.16 汇总表工况承载能力极限状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况坝身11437.2011437.2011437.20静水压力（垂直）1140.271198.54891.36(kN)不考虑扬压力12577.4712635.7412328.56扬压力-3676.86-3788.78-3078.98(kN)8900.618846.969249.58表1.17 P汇总表工况承载能力极限
26、状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况静水压力（水平）4358.164429.214286.97淤沙压力825.80990.96825.86浪压力15.426.5915.42P（ kN)5199.385426.765128.25表1.18 汇总表工况承载能力极限状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况坝身37976.5837976.5837976.58静水力矩-45048.06-46956.35-39492.09淤沙-3716.10-4459.32-3716.10波浪-473.91-206.86-473.91（kNm）不考虑扬压力-11261.49-13645.95-5705.52扬
27、压力2527.332826.20525.71（kNm）-8734.16-10819.75-5179.811.8极限状态设计法分析挡水坝段稳定1.8.1承载能力极限状态设计式（1.10）式中：作用效应系数 抗力函数结构重要性系数设计状况系数作用的设计值结构重要性系数几何参数材料性能的设计值结构系数1、 抗滑稳定极限状态作用效应函数（1.11）2、坝趾抗压强度计入扬压力情况下的极限状态作用效应系数（1.12）3、抗滑稳定极限状态的抗力函数（1.13）4、 坝趾抗压强度极限状态抗力函数 （1.14）式中：混凝土的抗压强度表1.19 坝基岩体力学参数岩体分类混凝土与坝基接触面岩体变形模量表1.20 岩
28、石质量分级基本质量级别岩体质量的定性特征岩石基本质量指标（BQ）坚硬岩，岩石完整坚硬岩石，岩体较完整较坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较碎较坚硬岩或软、硬岩互层，岩体较完整较软岩，岩体完整坚硬岩，岩体破碎较坚硬岩，岩体较破碎或破碎较软岩或较坚硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎软岩，岩体完整较完整较软岩，岩体破碎软岩，岩体较破碎或破碎全部极岩及全部极破碎岩1.8.2正常使用极限状态设计式（1.15）式中：作用的标准值材料性能的标准值结构功能的极限值式中设计状况系数、作用分项系数、材料性能分项系数均采用1.0.1、以坝踵铅直应力不出现拉应力作为正常使用极限状态，作用效应的长期组合采用下列设计表
29、达式：（1.16）2、坝体应力约定压应力为正，拉应力为负。正常使用极限状态设计式：（1.17）结构安全级别为级的建筑物3、短期组合下游坝面的垂直拉应力，正常使用极限状态设计式：（1.18）1.8.3坝段抗滑稳定验算抗滑稳定验算采用可靠度分析法验算。分2种状况进行分析，分别为基本组合状况和偶然组合状况。1.8.3.1基本组合工况基本组合时，设计状况系数取1.0，结构系数取1.2，结构重要性系数取0.9，摩擦系数取0.85，摩擦分项系数取1.3，抗剪断凝聚力取490kPa，抗剪断粘聚力分项系数取3.0。因此，在基本组合情况下，坝段是稳定的。1.8.3.2偶然组合工况偶然组合时，设计状况系数取0.8
30、5，结构系数取1.2，结构重要性系数取0.9，摩擦系数取0.85，摩擦分项系数取1.3，抗剪断凝聚力取490 kPa，抗剪断粘聚力分项系数取3。 因此，在偶然组合情况下，坝段是稳定的。1.8.4坝段坝趾抗压强度验算坝段坝趾抗压强度验算分四种状况进行，分别是计入扬压力时的基本组合工况、偶然组合工况，不计入扬压力时的基本组合工况、偶然组合工况。1.8.4.1计入扬压力时的基本组合工况基本组合时，设计状况系数取1.0，结构系数取1.8，结构重要性系数取0.9，混凝土抗压强度取10000kPa，混凝土抗压强度分项系数取1.5。比较两组数据，可得知在计入扬压力的基本组合情况下，坝段坝趾抗压强度满足要求。
31、1.8.4.2计入扬压力时的偶然组合工况偶然组合时，设计状况系数取0.85，结构系数取1.8，结构重要性系数取0.9，混凝土抗压强度取10000kPa，混凝土抗压强度分项系数取1.5。比较两组数据，可得知在计入扬压力的偶然组合情况下，坝段坝趾抗压强度满足要求。1.8.4.3不计入扬压力时的基本组合工况基本组合时，设计状况系数取1.0，结构系数取1.8，结构重要性系数取0.9，混凝土抗压强度取10000kPa，混凝土抗压强度分项系数取1.5。比较两组数据，可得知在不计入扬压力的基本组合情况下，坝段坝趾抗压强度满足要求。1.8.4.4不计入扬压力时的偶然组合工况偶然组合时，设计状况系数取0.85，
32、结构系数取1.8，结构重要性系数取0.9，混凝土抗压强度取10000kPa，混凝土抗压强度分项系数取1.5。比较两组数据，可得知在不计入扬压力的偶然组合情况下，坝段坝趾抗压强度满足要求。1.8.4.4.5坝段坝踵不出现拉应力计算坝段坝踵不出现拉应力验算只计算一种情况，即在正常使用并计入扬压力的情况。根据计算结果，可知坝段坝踵不出现拉应力，满足要求。1.9挡水坝段应力分析1.9.1基本假定一、坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性体材料。二、视坝段为固结于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力。三、假定坝体上水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道对坝体应力的影响。1.9.2不考虑扬压力时的边缘应力的计算1.9.2.1边缘应力计算公式在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面。1、水平截面上的正应力上游边缘应力和下游边缘应力（1.19）（1.20）式中: 作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和 作用于计算截面以上的全部荷载对截面垂直水流流向的力矩总和 计算截面的长度2、剪应力上游边缘剪应力和下游截面剪应力（1.21）（1.22）式中：上游面水压力强度 下游面水压力强度 上游坝坡破率 下游坝坡破率3、 水平正应力上有边缘的水平正应力和下游正应力（1.23）（1.24）
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