某某重力坝毕业设计.doc

目录前言1第一部分 设计说明书1基本资料21.1自然条件及工程31.2坝址与地形情况21.3水库规划资料32枢纽布置42.1 枢纽组成建筑物及其等级42.2枢纽布置53洪水调节63.1基本资料63.2洪水调节基本原则73.3调洪演算84非溢流坝剖面设计114.1设计原则114.2剖面拟订要素114.3抗滑稳定分析与计算134.4应力计算145.溢流坝段设计165.1泄水建筑物方案比较165.2工程布置165.3溢流坝剖面设计165.4消能设计与计算176细部构造设计186.1坝顶构造186.2廊道系统196.3坝体分缝206.4坝体止水与排水216.5基础处理22第二部分 设计计算书1.调洪演算251.1调洪演算的目的251.2调洪演算的基本原理和方法251.3调洪的基本资料271.4调洪演算的过程计271.5调洪计算结果402坝体剖面设计402.1非溢流坝段计算402.2溢流坝剖面设计432.3下游消能设计472.4 WES堰面水面线计算493.荷载计算及组合533.1抗滑稳定分析534.稳定分析.605.应力分析625.1弯矩计算626.应力分析计算65参 考 文 献 68致 谢6969某某重力坝毕业设计前言本次毕业设计是根据根据教学要求，对水利水电专业本科毕业生进行的最后一项教学环节。本毕业设计内容为宁溪水利枢纽工程，它基本包括了一般水利枢纽所需进行的坝工初步设计的全过程。某某水电站位于贵州省东北部沿河县境内，系乌江干流规划开发的第七个梯级，上游120.8公里为思林水电站，下游7公里为沿河县城。沙沱水电站以发电为主，兼顾航运、防洪及灌溉等任务。某某坝址控制流域面积54508平方公里，多年平均流量951立方米/秒。初拟电站正常蓄水位365米，汛期限制水位351米（68月），死水位350米。水库总库容6.31亿立方米，调节库容4。13亿立方米，电站装机容量100万千瓦，与构皮滩水电站联合运行保证出力35.66万千瓦，多年平均发电量38.77亿千瓦时，机组年利用小时3877。枢纽工程拟建垂直升船机，设计可通航500吨机动驳，2020年过坝货运量按193.2万吨(其中下水173.6万吨)规划.电站枢纽为二等工程,主要水工建筑物为二级建筑物。此工程建成后可以保护广大的农田和城镇，免受洪水和渍涝灾害，从而减免国民经济的损失，具有很好的社会经济效益。大坝为混凝土实体重力坝，坝顶高程为368.05m，最大坝高88.05。泄洪坝段位于河床中部，两侧为挡水坝段。电站采用右岸引水式，水库的防洪库容，可满足本工程2000年防洪标准。设计的基本内容包括枢纽总述，坝型选择及枢纽布置，主要建筑物的设计与计算，细部构造设计及地基处理等。根据设计总要求，设计内容偏重于坝型选择与主要建筑物的设计，而由于时间关系对建筑物中电站厂房坝段的设计及施工导流设计两部分设计这里不进行叙述。本书在阐述过程中，尽可能的配置了许多的插图、附表和附录，以供参阅。本次设计期间要特别感谢指导老师吴海林老师的悉心指导。由于时间仓促，限于本人的水平以及以前从未进行过工程实践缺乏经验，特别是对本设计的工程所在地也未进行过实地考察，因此，书中如有不当和错误之处，恳望各位老师和读者谅解予以指正。第一部分 设计说明书1基本资料1.1自然条件及工程某某水电站位于贵州省东北部沿河县境内，系乌江干流规划开发的级，上游120.8公里为思林水电站，下游7公里为沿河县城。乌江是典型的山区河流，全长1037公里(其中贵州境内为874公里)，干流天然落差2124米，平均比降2.05。乌江流域地势由西南向东北倾斜，东西向高差大，流域面积87900平方公里，在贵州境内有67500平方公里。自河源到乌江渡，定为乌江上游，长448公里，这段河道河谷深切，纵坡陡峻，伏流众多，洪枯水位变幅特大。从乌江渡到沿河县城为乌江中游，长346公里，河道穿行于深山谷之中，礁石林立，滩险密布，有名的璇塘天生桥镇天洞、一子三滩号称“四大天险”，均在此段。从沿河县城到重庆市的涪陵河口为乌江的下游，长243公里，此段河道河谷宽窄相间，两岸多有田地分布，农田和居民点较为集中。 本流域属亚热带季风气候区。冬季主要受西伯利亚冷气流的影响，夏季受印度洋孟加拉湾的西南暖湿气流和西太平洋的海洋性气侯影响。流域内雨量丰沛，某某坝址以上流域多年平均降水量为1091.0mm。多年平均水面蒸发量为753.8mm，年际之间相差较大，年内各月也相差很大。多年平均相对湿度一般在76%以上。多年平均风速为0.7m/s，实测最大风速为25m/s，相应风向为E。多年平均远近雷暴日为46.5日，七月份最多为9.0日。沿河站气温统计表见表1-7。沿河站地温水温统计表见表1-8。表1.1 沿河站气温统计表 单位：项 目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年多年平均6.47.712.217.621.624.928.027.724.018.313.38.517.5极端最高24.628.632.735.639.139.941.642.038.436.632.725.242.0相应日期2310261606212708101208058/8相应年份1972196219731958198819811971198119901985197919681981极端最低-5.4-3.10.01.89.013.918.317.513.07.0-0.3-3.5-5.4相应日期300810020804282D2429301630相应年份19771974197419721960196119922Y19771957196219751977表1.2 沿河站地温及水温统计表 单位：项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年地面均温7.18.513.319.424.227.932.632.427.020.314.49.019.7极端最高37.538.551.055.862.965.070.273.267.555.843.441.555.2极端最低-6.4-6.8-3.70.88.413.317.716.410.94.3-1.4-9.13.75cm平均7.48.512.918.422.726.630.430.626.220.114.59.519.010cm平均7.98.812.918.222.426.330.230.526.420.315.110.119.115cm平均8.29.012.818.022.326.029.830.426.520.715.410.519.120cm平均8.79.312.517.922.225.629.530.026.321.016.011.119.2平均水温12.713.015.318.420.621.723.323.722.520.017.314.418.6注：表中地温为沿河站统计，水温因沿河站无水温观测资料，根据上游思南水文站统计。 1.2坝址与地形情况坝址处河床狭窄,（普通洪水流量时）死河滩，坝址附近河床坡度甚陡，水流湍急，有小瀑布，右岸地势较高，左岸地势较低，有起伏之山头。坝址处为震旦纪砂岩。左岸风化较严重，深达3 4，且夹有页岩。水层岩岩层为向斜层之一翼微倾向上游。坝址处水流急，故无砂卵石等淤积物。无侵蚀地下水。附近曾发生6级地震，设计应按7级进行考虑。1.3水库规划资料表1.3 规划资料序号名 称单 位数 量备 注1水库水位：正常蓄水位m365死水位m353.52正常蓄水位时水库面积km229.96静水3回水长度km114.44水库容积：总库容亿m39.05校核洪水位以下正常蓄水位以下库容亿m37.7调节库容亿m32.87死库容亿m34.83死水位以下5调节特性日调节2枢纽布置2.1枢纽组成建筑物及其等级2.1.1根据枢纽的任务确定枢纽组成建筑物根据某某水电站以发电为主，兼顾航运、防洪及灌溉等任务，故需的永久建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、开关站、通航建筑物。为便于施工，还需要导流建筑物、施工围堰等临时建筑物。2.1.2确定建筑物等级表2.1 水利水电枢纽工程的分等指标工程等别工程规模分等指标水库总库容（亿米）防洪灌溉面积（万亩）水电站装机容量（万千瓦）保护城镇及工矿区保护农田面积（万亩）一大（1）型10特别重要城市、工矿区500150120二大（2）型101重要城市、工矿区5001001505012030三中 型10.1中等城市、工矿区10030505305四小（1）型0.10.01一般城镇、工矿区30550.551五小（2）型0.010.00150.53.0)3.13(2.5)满足稳定要求。4.4应力计算4.4.1分析的目的检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区，某些部位配筋提供依据。4.4.2分析方法应力分析的方法有理论计算和模型试验两类。理论计算又分为材料力学法和弹性理论法，材料力学法计算简便，适应面广，并有一套比较成熟的应力控制标准，目前仍被普遍采用，适应于地质比较简单的高坝；本工程坝高366.08.8-280m=88.05m在大于70m范围内，采用材料力学分析法。4.4.3 材料力学法的基本假设1、坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料；2、视坝段为固接于地基上的悬臂梁，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；3、假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。4.4.4荷载组合1、设计洪水情况：自重+设计洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力+沙压力；2、校核洪水情况：自重+校核洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力+沙压力；4.4.5应力计算在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。计算公式如下：1、水平截面上的正应力，因为假定正应力按直线分布，所以按偏心受压公式；=；来计算上下游边缘应力，其中：作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的合力，kN;作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm；计算截面的长度， 2、剪应力上游面水压力强度, 下游坝坡坡率上游面水压力强度, 上游坝坡坡率3、水平正应力=- =+4、主应力=（1+）- =（1+）- =重力坝非溢流坝段的荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、冰压力、地震荷载等，常取1坝长进行计算。应力计算结果如下：（以下应力单位均为KPa）1、 计扬压力 由上面的公式计算出各个应力，分析可看出由以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。2、不计扬压力不计扬压力时其应力计算与计扬压力是计算方法一样，主要分析垂直正应力和、剪应力，、水平正应力, 、第一主应力,、第二主应力五种应力，详情见计算说明书。由成果分析，以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。5.溢流坝段设计5.1泄水建筑物方案比较5.1.1布置原则（1）坝址洪峰流量大,泄水建筑物要有较大的泄流能力和灵活可靠的运行方式。考虑下游的防洪要求，泄水建筑物应有较好的泄流能力。（2）坝址左岸陡峭，右岸为顺向坡，采用了右岸引水式厂房，两岸没有布置溢洪道的条件，加上选择了混凝土重力坝，所以采用河床坝身泄洪方式。5.1.2泄洪方案选择由第三章中的调洪演算中可知选取第一个方案为最终方案：8个表孔。8个表孔堰顶高程为345，孔口净宽816=128，设计洪水位为365.61，相应下泄量q为23051.6，校核洪水位为366.81，相应下泄量q为25624.3。5.2工程布置5.2.1溢流表孔8个表孔布置于河床中间坝段，孔口净宽16，墩厚5，总宽128。堰顶高程345，堰顶上游为三圆弧曲面，堰顶下游面为“WES”曲面，与下游坝坡相切。坝址部位用圆弧与消力池衔接。堰顶上游部位设平板闸门，坝顶用单向移动式门机启闭，堰顶设弧形工作闸门，用坝顶排架上弧形启闭机启闭。闸墩厚5，墩长17，头部为半圆形，尾部为“Y”型宽尾墩。下游消能工采用宽尾墩加消力池，具体数据祥见后文和图纸。5.3溢流坝剖面设计溢流坝的基本剖面为截顶三角形，一般其上游面为铅直或折线面，溢流面由顶部的曲线、中间的直线和底部的反弧三部分组成。5.3.1顶部曲线根据混凝土重力坝设计规范和水力学上册，将堰面曲线设计为“WES”剖面曲线，上游面采用三圆弧连接，下游面采用幂曲线。定型设计水头按堰顶最大作用水头的75%95%计算（），考虑到在校核洪经试算，取定型设计水头=88%。即=88%（366.71-345）=19.1，此时在校核洪水位闸门全开时产生负压，但在允许范围内，满足规范要求。上游面采用三圆弧连接，其半径见计算书5.3.2中间直线段的确定顶部的曲线段确定后，中部的直线段分别与顶部曲线、底部的反弧段相切，其坡度一般与非溢流坝段下游坡率相同，即为1：0.7。直线与幂曲线相切时，切点C的坐标为： 5.3.3反弧段堰顶剖面曲线的下游与一倾斜直线段相切，直线段的坡度与非溢流坝下游面相同，即1：0.7，直线段的下部与反弧段相切。对于底流衔接，以便将水流平顺地导入下游，防止水流跌落的冲击力对坝基础的冲刷，反弧半径r=30m见计算书 5.4消能设计与计算由于坝址处洪峰流量大，河谷较窄，故下泄的单宽流量较大。在校核工况下，最大下泄量达25624.3时的堰上单宽流量为187.48。因此消能设施尤显重要。现根据水力计算手册、水力学和混凝土重力坝设计规范，采用挑流消能。5.4.1闸墩的设计闸墩厚5，墩长32，头部为半圆形，在距坝轴线1.5处采用半径为2.5的半圆相接，在距坝轴线0.5处设置检修门槽，门槽宽度为1.0，深度为0.5，尾部为“Y”型宽尾墩。在闸墩尾部设置“Y”型宽尾墩，利用宽尾墩的以下特性，提高消能效果。（1）水流特点：由于墩尾加宽，水流接近宽尾墩尾部时，水面逐渐壅高，贴近边壁的水面比孔中心附近的水面壅高更甚。水面壅高的程度随流量和宽尾的体型尺寸而变化，由于水面壅高，闸室出口处射流上缘水面与坝面夹角显著加大，为水流沿铅直方向扩散创造了条件。各孔水流出闸室后，受宽尾墩作用，沿程横向收缩，竖向扩散，在坝面上形成窄而高的多股“水墙”。这种横向收缩使坝面水深增加23倍甚至更大。由于坝面水流与空气的接触面积大大增加，因而水流的掺气量也大大增加。（2）掺气特性：(a)宽尾墩闸室内水面逐渐壅高，水面切线与坝面的夹角也逐渐加大，使水流沿竖向加速扩散；(b)墩尾出流与空气的接触面积成倍增加；(c)水流出闸室后，两侧紊流边界层立即暴露在空气中，可以造成大量掺气，与底层紊流边界层接触，所以底层水流掺气发展较快。（3）坝面压力：实际观测，宽尾墩尾部的压力提高，消除了负压，墩头压力变化不大。6细部构造设计6.1坝顶构造坝水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，下游侧设置栏杆及路灯。（见图：非溢流坝坝顶布置）顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为50cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排图6.1 坝顶布置6.2廊道系统6.2.1基础灌浆廊道位置：廊道底部距坝基面的距离不小于1.5倍的洞宽，取4m，廊道底部高程为290m，上游侧（中心点）距上游坝面的距离为0.05-0.1倍的作用水头，且不小于4-5 m，取7.14m。形状：城门洞形，底宽2.5m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于40。基础灌浆廊道的断面采用上圆下方的城门洞形，尺寸为2.53.5（宽高）见下图，以满足钻孔、灌浆工作空间的需要。在廊道顶部和底部应埋设一些吊钩和轨道，以便用来搬动机件。灌浆廊道的高程低于尾水位。在廊道近下游侧设有集水井。用水泵抽水向下游排出。图6.2 基础灌浆廊道6.2.2检查排水廊道：为了检查，观测，巡视和排除渗水，靠近坝体上游面处每隔1530m高程设置一检查廊道兼做排水廊道。廊道也采用上圆下方的型式，尺寸此处选和基础廊道相同。检查廊道分别布置布置于非溢流坝和溢流坝内，纵向排水廊道沿不同高程分设自流式排水设备。图6.3 检查排水廊道图6.4 廊道布置图6.2.3排水管靠近坝的上游面沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内直径为15cm，间距为15m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝土管。6.3坝体分缝6.3.1横缝横缝垂直于坝轴线设置，将坝体分成若干个坝段，横缝间距15m，一般间距一般为1220m，缝宽12cm，取1cm，横缝为永久缝，缝面为平面，缝内设止水。6.3.2纵缝为了适应混凝土浇注能力和减小施工期温度能力，常用平行于坝轴线方向的纵缝把一个坝段分成几块浇注。本工程设垂直纵缝，取间距15m.6.3.3水平施工缝混凝土浇筑块厚度一般为1.5-4m 本工程取4m，在靠近基岩附近用0.75-1.0m 的薄层浇筑以利于散热，减少升温，防止开裂。纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，以减小坝体水平截面的抗剪强度。上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前必须用风水枪或压力水冲洗施工缝面上的浮渣灰土和水泥乳膜，使表面成为干净的麻面，铺2cm厚的水泥砂浆。6.5 坝体分缝6.4坝体止水与排水6.4.1止水在坝体下述部位布置止水设施：坝体横缝内（包括上游坝面、溢流坝面及坝体下游最高尾水位以下部位），陡坡坝段与基础接触面，坝体内廊道和孔洞穿过横缝处的周围。上游面采用两道止水金属片，中间设一沥青井，第一道止水片具上游坝面为1，第二道止水片下游设排水孔和检查井，井中设有攀梯。溢流坝下游面用热浸沥青麻绳止水塞。止水片：第一道止水片采用金属铜片，第二道止水片采用金属铜片或橡胶。止水铜片采用1.5厚度。每一侧埋入混凝土内长度为20。止水铜片作成可伸缩的“”形。沥青井：内径为20的圆形，井底埋入岩基内。井内设置加热设备，以便当沥青收缩开裂或与井壁脱离开时可加热恢复其流动性，提高止水性能。图6.6 横缝止水布置6.4.2坝体排水坝体排水：在坝体各种接缝面内虽已设置了止水系统，但渗水仍难完全避免。为了减小渗水的有害影响，还要设置相应的排水系统，将坝体和坝基的渗水由排水管排入廊道，再由廊道汇入集水井，自流或用抽水机排到下游。坝体排水管间距取3m，管内径取15cm，坡度及与坝上游面间距见图纸。基础排水：基础排水系统包括排水孔幕和基面排水。排水孔幕距灌浆帷幕下游面约0.51.0倍帷幕孔距，在坝基面上，排水孔与帷幕孔的距离不宜小于2m。排水孔略向下游倾斜，排水孔距取3m，孔径取15 cm，孔深10m。6.5基础处理6.5.1坝基开挖坝基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定，坚固的地基上。建筑物基坑开挖的形状，要根据地形、地质条件和结构要求确定。该坝为中坝，建基面不要求为新鲜岩石，故河床坝段以弱风化带作建基面，最大开挖深度58。最低建基面高程280；两岸坝段以弱风化至微风化带作建基面，为提高坝体的侧向稳定性，沿岸坡开挖成台阶状,左岸岸坡倾角较大,为了坝段的横向稳定,通常在斜坡上按坝体的分段开挖成台阶,台阶宜位于坝体横缝部位。台阶应避免开挖成锐角或高差甚大的陡坡,以免坝体发生集中应力或使坝体混凝土与基岩不能紧密结合。同时还应注意边坡走向与节理一致时，边坡坡度不宜陡与节理的坡度。基岩开挖后，在浇筑混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，包括：清除一切松动的岩块，打掉凸出的尖角，基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。还必须注意，开挖爆破不能损害设计开挖线以下基岩的质量；当基岩为易风化的岩石，如页岩、粘性岩等时，在设计开挖线或边线以上易留有保护层0.20.3m,待混凝土浇筑时才随挖随浇。6.5.2固结灌浆为