H江碾压混凝土重力坝设计设计计算书.doc

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目录
第一章 工程规模的确定 3
第一节 水利枢纽与水工建筑物的等级划分 3
第二节 永久建筑物洪水标准 3
第二章 调洪演算 4
第一节 洪水调节计算 4
一、调洪演算计算过程 4
二、计算结果统计： 10
第三章 非溢流坝剖面设计 11
第一节 剖面尺寸拟定 11
一、坝顶高程确定 11
第二节 非溢流坝剖面设计 13
一、坝顶宽度 13
二、开挖线的确定 13
三、折坡点高程拟订 13
四、坝面坡度拟定 13
第三节 非溢流坝段坝体强度和稳定承载能力极限状态验算 23
一 、荷载计算成果 23
二 、坝体强度和稳定承载能力极限状态验算 39
第四节 应力计算 48
一、 边缘应力 48
二、内部应力 49
三、截面应力计算表 50
应力图 64
第四章 溢流坝段剖面设计 68
第一节 孔口设计 68
一、 孔口净宽拟定 68
二、溢流坝段总长度确定 68
三、闸门设计 68
第二节 消能防冲 68
一、消能防冲设计 68
二、挑流鼻坝设计 68
三、 反弧半径的确定 69
四、挑距和冲抗的估算 69
第三节 剖面设计 71
一、堰面曲线的拟定 71
第四节 荷载计算 72
一、荷载的计算 72
二、荷载计算成果 73
第五节 坝基面坝体强度和稳定承载能力极限状态验算 80
一、正常蓄水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性及强度验算 80
二、校核洪水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性及强度验算 81
三、正常蓄水位地震时坝体沿坝基面的抗滑稳定性及强度验算 82
第六节 应力计算 83
一、应力计算表 83
二、 应力分布图 88
第五章 非溢流坝渗流和应力有限元计算 92
第一节 渗流有限元计算 92
一、材料信息 92
二、节点坐标 92
三、渗流计算成果 93
第二节 有限元应力计算 97
一、材料信息 97
二、应力计算成果 97
第六章 第二建筑物（压力钢管）的设计计算 108
第一节 引水管道的布置 108
一、压力钢管的型式 108
二、管道轴线布置 108
三、 进水口设计 109
第二节 闸门及启闭设备 110
第三节 细部结构 110
一、通气孔 110
二、充水阀 110
三、伸缩节 110
第四节 压力钢管结构设计 110
一、确定钢管厚度 110
二、承受内水压力的结构分析 112
三、混凝土开裂情况的判别 114
四、 钢管稳定强度分析 116
第七章 施工组织设计 118
第一节 施工导流方案 118
一、导流标准 118
二、导流方案的选择 118
三、导流建筑物 118
四、导流时段的确定 118
第二节 施工总进度安排 119
第三节 导流工程参数 119
一、导流工程特性表 119

第一章 工程规模的确定
第一节 水利枢纽与水工建筑物的等级划分

参考《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000
1、可确定该工程规模为大（1）型工程等级为Ⅰ级
2、水工建筑物级别（永久性水工建筑物）工程等级为Ⅰ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 永久建筑物洪水标准
正常运用（设计）洪水重现期500年，频率为0.2％
非常运用（校核）洪水重现期10000年，频率为0.01％

第二章 调洪演算
第一节 洪水调节计算
一、调洪演算计算过程
根据本工程软弱岩基，允许单宽流量q取为250 m3/s，允许校核洪水最大下泄流量28150 m3/s,再扣除发电流量2500m3/s，即溢流前缘净宽B=(Q校-Q机)/q =102m, 故溢流前缘净宽大于102m。假定三种方案，堰宽和堰顶高程分别为 ：B=7×15m ▽堰顶= 353.90m; B=7×15m ▽堰顶= 354.9m; B= 7×15m ▽堰顶= 356.9m ;
故根据公式：
(2-1)
求得的q，堰顶高程及其相应 q的作出H~q关系曲线。
正常蓄水位376.9m，库容为164亿m3；

用列表试算法进行调洪演算
列表计算如下：
表2-1 B=7×15m ▽堰顶=353.9m 设计情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
4.5
22521

22521

164
376.9
6
23300
22910.5
22542
22532
0.020466
162.0205
376.8149
12
26000
24650
22725
22633
0.435571
162.456
376.941
18
27300
26650
23066
22895
0.811032
163.2671
377.1758
24
27600
27450
23449
23257
0.905612
164.1727
377.438
30
27000
27300
23787
23618
0.795293
164.968
377.6682
36
25900
26450
24022
23905
0.54977
165.5177
377.8274
42
24800
25350
24140
24081
0.274108
165.7919
377.7067
48
23400
24100
24136
24138
-0.0082
165.7836
377.7144
54
22100
22750
24013
24075
-0.28618
165.4975
377.8215
60
20700
21400
23782
23898
-0.53963
164.9578
377.6653
66
19600
20150
23463
23623
-0.75024
164.2076
377.4481
72
18500
19050
23078
23271
-0.91171
163.2959
377.1842
78
17500
18000
24036
23557
-1.20032
162.0956
377.8367

结论: 最大下泄流量为q＝24136（m3/s)；
在48h时出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝377.71m。

表2-2 B=7×15m ▽堰顶=354.9m 校核情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
3.8
22820

22820

164
376.9
6
24500
23660
22880
22850
0.110849613
162.1108
376.8411
12
27800
26150
23167
23024
0.675315541
162.7862
377.0366
18
28330
28065
23600
23384
1.01116645
163.7973
377.3293
24
26770
27550
23951
23776
0.815254319
164.6126
377.5653
30
24660
25715
24109
24030
0.363963499
164.9765
377.6707
36
22600
23630
24066
24087
-0.098783318
164.8778
377.6421
42
21770
22185
23898
23982
-0.388163746
164.4896
377.5297
48
21550
21660
23699
23799
-0.461948984
164.0277
378.396
54
24000
22775
23617
23658
-0.190760964
163.8369
378.3408
60
28000
26000
23828
23723
0.491828355
164.3287
378.4832
66
30660
29330
23320
24074
1.135190887
165.4639
378.8118
72
34000
32330
23041
24681
1.652201022
167.1161
377.2901
78
35200
34600
23912
25477
1.970523643
169.0866
377.8606
84
35100
35150
23764
26338
1.903297475
170.9899
378.4116
90
34220
34660
23499
27131
1.626064879
172.616
378.8823
96
33000
33610
23073
27786
1.257842951
173.8738
378.2465
102
31000
32000
23444
28259
0.808025249
174.6819
378.4804
108
29000
30000
24136
28518
0.320032478
175.0019
377.05
114
27440
28220
23556
28574
-0.076560342
174.9253
377.0509
120
25500
26470
23359
28457
-0.42939785
174.4959
377.0266
126
24500
25000
23041
28200
-0.691309212
173.8046
377.0264
结论: 最大下泄流量为q＝24136（m3/s)；
在108h时出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝378.06m。

表2-3 B=7×15m ▽堰顶=356.9m 设计情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
1.7
21094

21094

164
376.9
6
23300
22197
21174
21134
0.164500468
162.1645
376.8566
12
26000
24650
21469
21321
0.71896344
162.8835
377.0648
18
27300
26650
21910
21689
1.071470051
163.9549
377.375
24
27600
27450
22386
22148
1.145211902
165.1001
377.7065
30
27000
27300
22811
22598
1.015541619
166.1157
377.0005
36
25900
26450
23128
22969
0.75184939
166.8675
377.2182
42
24800
25350
23322
23225
0.459088539
167.3266
377.3511
48
23400
24100
23678
23356
0.160775121
167.4874
377.3976
54
22100
22750
23333
23362
-0.132128365
167.3553
378.3594
60
20700
21400
23164
23249
-0.399440038
166.9558
378.2437
66
19600
20150
22902
23034
-0.622838286
166.333
378.0634
72
18500
19050
22568
22735
-0.796031862
165.537
378.833
78
17500
18000
22174
22372
-0.944252667
164.5927
378.1596

结论: 最大下泄流量为q＝23678（m3/s)；
在48h时出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝377.39m。

表2-4 B=7×15m ▽堰顶=353.9m 校核情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
1.8
21372

21372

164
376.9
6
24500
22936
21479
21426
0.228356372
162.2284
377.8751
12
27800
26150
21881
21680
0.965450238
163.1938
377.1546
18
28330
28065
22417
22149
1.27781212
164.4716
377.5245
24
26770
27550
22866
22641
1.060241742
165.5319
377.8315
30
24660
25715
23116
22991
0.588412472
166.1203
377.0018
36
22600
23630
23161
23139
0.106141834
166.2264
377.0325
42
21770
22185
23075
23118
-0.201590545
166.0248
378.9742
48
21550
21660
22951
23013
-0.29228808
165.7325
378.8896
54
24000
22775
22935
22943
-0.036336124
165.6962
378.879
60
28000
26000
23205
23070
0.632817353
166.329
378.0623
66
30660
29330
23747
23476
1.264430849
167.5934
378.4283
72
34000
32330
24514
24131
1.771045814
169.3645
378.941
78
35200
34600
25426
24971
2.079969105
171.4445
378.5432
84
35100
35150
26317
25872.08
2.004030959
173.4485
378.1233
90
34220
34660
27090
26703.85
1.718527528
175.167
378.6209
96
33000
33610
27699
27394.97
1.342445869
176.5095
378.0095
102
31000
32000
28104
27901.92
0.885185387
177.3947
378.2658
108
29000
30000
28592
28193.66
0.390169528
177.7848
378.3787
114
27440
28220
28277
28280.09
-0.01298046
177.7718
379.3749
120
25500
26470
28106
28191.83
-0.37191584
177.3999
379.2673
126
24500
25000
27814
27960.38
-0.639441568
176.7605
379.0632

结论: 最大下泄流量为q＝28592（m3/s)；
在108h时出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝378.37m。

表2-5 B=7×15m ▽堰顶=354.9m 设计情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
4.9
19704

19704

164
376.9
6
20200
19952
19720
19712
0.009511504
162.0095
376.8118
12
23300
21750
19887
19804
0.420423165
162.4299
376.9335
18
26000
24650
20282
20085
0.98612086
163.4161
377.2189
24
27300
26650
20814
20548
1.318022299
164.7341
377.1005
30
27600
27450
21374
21094
1.372877045
166.107
377.998
36
27000
27300
21879
21626
1.225517153
167.3325
378.1528
42
25900
26450
22271
22075
0.945086982
168.2776
378.2264
48
24800
25350
22536
22403
0.636477794
168.914
378.2806
54
23400
24100
22671.3
22604
0.323196434
169.2372
378.9042
60
22100
22750
22678.1
22675
0.016246435
169.2535
378.3889
66
20700
21400
22567.5
22623
-0.264139365
168.9893
378.8324
72
19600
20150
22358.9
22463
-0.499664463
168.4897
378.6878
78
18500
19050
22074.4
22217
-0.684005902
167.8057
379.4897
结论: 最大下泄流量为q＝28283（m3/s)；
在60出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝378.38m.

表2-6 B=7×15m ▽堰顶=356.9 校核情况调洪演算
时间 t (h)
入库洪水流量Q(m3/s)
时段平均入库流量Q平均(m3/s)
下泄流量q(m3/s)
时段平均下泄流量q平均(m3/s)
时段内水库存水量变化 △V(亿m3)
水库存水量 V(亿m3)
水库水位Z(m)
0
19960

19960

164
376.9
6
24500
22230
20162
20061
0.46841787
162.4684
376.9446
12
27800
26150
20666
20414
1.23890811
163.7073
377.3033
18
28330
28065
21295
20981
1.530191337
165.2375
377.7463
24
26770
27550
21832
21564
1.293037634
166.5306
377.1206
30
24660
25715
22159
21996
0.803365932
167.3339
377.3532
36
22600
23630
22296
22227
0.302952681
167.6369
377.4409
42
21770
22185
22286
22291
-0.022862281
167.614
377.4343
48
21550
21660
22232
22259
-0.129347337
167.4847
378.3968
54
24000
22775
22278.78
22255
0.112276919
167.5969
378.4293
60
28000
26000
22602.93
22441
0.768773726
168.3657
378.6519
66
30660
29330
23193.04
22898
1.389313624
169.755
378.0541
72
34000
32330
24003.20
23598
1.886085016
171.6411
378.6001
78
35200
34600
24955.18
24479
2.186094725
173.8272
379.233
84
35100
35150
25883.33
25419.26
2.10184054
175.929
379.8415
90
34220
34660
26691.79
26287.56
1.808445969
177.7375
379.365
96
33000
33610
27335.26
27013.53
1.4248375
179.1623
379.7775
102
31000
32000
27772.08
27553.67
0.960406642
180.1227
380.0555
108
29000
30000
27981.64
27876.87
0.458597156
180.5813
380.1883
114
27440
28220
28454.08
27992.87
0.049060604
180.6304
380.1125
120
25500
26470
27859.75
27931.92
-0.315774798
180.3146
380.1111
126
24500
25000
27591.23
27725.49
-0.58870644
179.7259
379.9407
结论: 最大下泄流量为q＝28454（m3/s)；
在114h时出现最大下泄流量；
对应的水库水位为Z设计＝380.11m

二、计算结果统计：
表2-13 调洪演算结果统计表
方案
▽堰顶（m）
B（m）
工况
q（m3/s）
H上（m）
1
353.9
7×15
设计
24136
377.71
校核
28592
377.90
2
354.9
7×15
设计
23390
378.06
校核
28283
378.38
3
356.9
7×15
设计
23678
379.90
校核
28454
380.11
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

结果：选取方案3校核水位满足要求，校核时的最大流量较接近限制的最大下泄流量。

第三章 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、确定特征水位和特征流量
Q设 =22390 m3/s, H设=378.06m；
Q校 =28283 m3/s，H校=378.4m；
2、正常情况下
在正常运用条件下，采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍，本坝区多年平均最大风速为13.7m/s,吹程为2km.
Vo =13.7×(1.5~2.0)=(20.55~27.4)m/s
由鹤地公式：,得h2% =1.56m
,得Lm =12.13m
查水工建筑物书表2-12得：P=2%时，hm=0.7,得h1%＝1.694m
hZ=0.743m
得：Δh=1.694+0.743+0.7=3.137m
▽顶=H正+Δh =376.9+3.137=380.037m
3、 校核情况下
Vo =13.7m/s，D=2000m
由鹤地公式：,得h2% =0.781m
,得Lm =7.55m
查水工建筑物书表2-12得：P=2%时，hm=0.35,得h1%＝0.847m
hZ=0.299m
得：Δh=0.847+0.299+0.4=1.55m
▽顶=H校+Δh 378.38+1.55=379.93m
综合以上两种情况，取大值，381.2m，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380m.
第二节 非溢流坝剖面设计
一、坝顶宽度
根据坝顶有双线公路交通要求，坝顶宽度取12m。
二、开挖线的确定
由于坝顶高程380.0m，由上坝线地质剖面图及规范规定，坝基最底点高程195m 。
三、折坡点高程拟订
经济流速取为6米，根据公式Q=V*A，A=πD2/4，得到压力钢管直径D为10.67m，利用GORDON公式：

式中：C:经验系数为0.55~0.73;
V：经济流速为6.0m;
=0.556=10.78m
▽折=▽死- SCr-D-ξ=329.9-10.789-10.67-18.5=290m;
四、坝面坡度拟定
选取上游坡度、下游坡度拟订若干种方案，对不同的方案分别进行正常工况、校核工况和地震工况下的荷载计算。

可变参数：上游坡度、下游坡度、计算截面高程、上游水位、下游水位及波浪要素、、
不变参数：g取9.81kN/m3，设计水位高程▽=376.39m，折坡点高程m，坝基高程m。
,设计水位=181.4m,大坝高度=185m
泥沙淤积高度Hs=92.6m
水容重γw=9.81N/m2 混凝土容重γc=24N/m2
泥沙浮容重γs=12N/m2
泥沙内摩擦角φs=240
凝聚力C′=1100 ， 坝基抗剪断摩擦系数f′=1.1
1、荷载计算
力以竖直向下或水平向右为正，产生的弯矩以逆时针为正：
1-1断面（195m)
1)自重作用

G1=×××2
=-××

图3-1 自重分块
合计：
(↓)

2)静水作用
竖向：
P上=（2H上-)

2

水平向：
2

2

合计：
(↓)
(→)

3)扬压力

图3-2 1-1截面的扬压力分布图

合计：

4)浪压力：

图3-3 波浪压力计算简图

(+)

+)
5)淤沙压力：
竖向：

水平：

2-2断面（290）
1)自重作用

图3-4 自重分块

2)静水作用

3)浪压力

+)
4)扬压力

图3-5 2-2截面扬压力分布图

3-3断面（359.5）
1)自重作用

2)静水作用

3)浪压力

+)
4)扬压力

图3-6 3-3面扬压力分布图

5)地震作用力计算
a、地震惯性力
采用拟静力法计算地震作用效应，沿建筑物高度作用于质点I的水平地震惯性力代表值按下式计算：

地震力分块示意图：

图3-7 坝体分块

地震惯性力计算
地震力分块
GEi
hi
GEi/GE
(hi/H)^4
(GEi/GE)*(hi/H)^4
ai
Fi
1
99562.752
15.43391521
0.330412174
4.79213E-05
1.58338E-05
1.112268441
2768.512675
2
78427.392
47.28136129
0.260271683
0.004220698
0.001098528
1.130829873
2217.200943
3
55821.576
78.58206605
0.18525129
0.032204615
0.005965947
1.255308526
1751.832508
4
41390.16
111.0290586
0.137358726
0.128342642
0.017628982
1.682951724
1741.441029
5
20222.66038
144.3244474
0.067111576
0.366424039
0.024591295
2.741990422
1386.258527
6
5904.405634
174.7492958
0.019594552
0.787564408
0.015431972
4.615315901
681.2674301
总计 GEi=
301328.946

0.064732556

b、地震动水压力
沿坝轴线单位宽度的总地震动水压力为：

其作用点位于水位以下0.54H1处。
当迎水坝面倾斜，且与水平面夹角为时，动水压力要乘以折减系数
=
2、抗压强度承载能力极限状态
（3-8）
（3-9）
（3-10）
3、抗滑稳定极限状态：
1）作用效应函数：
（3-10）
2）抗滑稳定抗力函数
（3-11）
式中： —— 坝基面上全部切向作用之和，kN；
—— 坝基面上全部法向作用之和，kN，向下为正；
—— 坝基面扛剪断摩擦系数；
—— 坝基面扛剪断黏聚力，kPa；
——坝基面的面积，
抗滑稳定性需满足 ： ≤
4、坝踵应力
（3-12）
式中： —— 全部作用对坝基面形心的力矩之和，kN•m，逆时针方向为正；
—— 坝基面上全部法向作用之和，kN，向下为正；
—— 坝基面的面积，m2；
——坝基面形心轴到下游面的距离，m。
5、计算结果
满足稳定条件和应力条件，剖面面积最小，经过优化程序可得出结果：n=0.15， m=0.71。
第三节 非溢流坝段坝体强度和稳定承载能力极限状态验算
一 、荷载计算成果
由EXCEL表格计算
各个高程的荷载计算成果如下:

可修改编辑
表3-1 坝基面（1-1面）正常水位下荷载计算成果
荷载作用
及
分项系数
标准值（103KN）
设计值（103KN）
对截面形心
的力臂（m）
力矩标准值（103KN.m）
力矩设计值（103KN.m）
垂直力
水平力
垂直力
水平力
↑
↓
→
←
↑
↓
→
←
+
-
+
-
坝体自重
G1（1.0）

16.25

16.25

61.70
1002.25

1002.25

G2（1.0）

53.28

53.28

50.95
2714.40

2714.40

G2（1.0）

231.24

231.24

6.23
1441.08

1441.08

水平水压力
P上（1.0）

162.30

162.30

-60.63

9840.47

9840.47
P下（1.0）

4.56

5.65
10.17
46.39

46.39

垂直水压力
P1（1.0）

18.79

18.79