泰安抽水蓄能电站水利枢纽上水库库盆材料及导流建筑物设计计算书.docx

目录目录- 1 -第一章 坝体计算- 1 -1.1 防浪墙顶高程及坝顶高程确定- 2 -1.1.1 防浪墙顶高程确定- 2 -1.1.2 防浪墙底高程的确定- 4 -1.1.3 坝顶高程的确定- 4 -1.1.4 坝顶面宽度的确定- 4 -1.2 防浪墙应力稳定计算及配筋计算- 5 -1.2.1 防浪墙应力稳定计算- 5 -1.2.2 防浪墙配筋计算- 7 -1.3 面板的计算- 8 -1.3.1 面板的厚度计算- 8 -1.3.2 面板的配筋计算- 8 -1.4 结论- 9 -第二章 趾板计算- 9 -21 趾板剖面尺寸- 9 -22 趾板配筋- 12 -23 结论- 13 -第三章 坝体稳定和变形计算- 13 -31 边坡稳定计算- 13 -311 计算公式- 13 -边坡稳定计算的FORTRAN语言程序- 16 -3.2 变形计算- 38 -3.3 结论- 40 -第四章 导流隧洞的计算- 40 -4.1 进水口体型计算- 40 -4.2 洞身断面尺寸- 42 -第一章 坝体计算1.1 防浪墙顶高程及坝顶高程确定1.1.1 防浪墙顶高程确定防浪墙顶高程由水库静水位加波浪爬高,壅高及安全超高决定，坝顶高程计算分别考虑正常情况和非常情况，取所得坝顶高程的较大值。即坝顶高程=设计洪水位+h设 坝顶高程=校核洪水位+h校 其中，正常情况下坝顶高程应高于静水位0.5m以上，非常情况下不低于静水位。图1-1 坝顶超高计算简图由于坝顶设防浪墙,超高计算采用重力坝超高计算公式(图1-1) （1-1）式中：h水库静水位以上的超高（m）2h1累计频率1%的波浪高度（m） h0 波浪中心线高出静水位的高度（m）hc 取决于坝的级别和计算情况的安全超高（m）,由表1-1确定。 表1-1 土坝坝顶安全超高值（m）运用情况坝的级别1234，5正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3本工程坝的级别为级，故安全超高正常情况下取1.5m,非常情况下为0.7m由于计算风速20.0m/s,吹程D20km,所以计算中波浪要素采用官厅公式: （1-2） （1-3） （1-4）其中，V0为计算风速，设计情况采用洪水期多年平均最大风速的1.52倍，校核情况采用洪水期多年平均最大风速;库面吹程D（km）指坝前沿水面至对岸的最大直线距离，根据水库形状确定本设计多年平均最大风速16.6m/s,库面吹程为1.19km（由图中量得）.本工程正常蓄水位为409.4m,设计洪水位409.8m,校核洪水位409.9m.正常蓄水位下坝前水深34.4m.下面分别计算设计和校核情况确定的坝顶高程值.1.1.1.1 设计洪水位情况=0.0166*(16.6*2.0)5/4*(1.19)1/3=1.40m=10.4*(1.40)0.8=13.63m=m =1.5m=1.40 +0.453 +1.5= 3.35m由此所得防浪墙顶高程为:410.6+3.35=413.95m 1.1.1.2 校核洪水位情况=0.0166*0.0166*(16.6*1.0)5/4*(1.19)1/3=0.589m=10.4*(0.589)0.8=6.81m=m=0.7m=0.589+0.160+0.7=1.45m故防浪墙顶高程为:410.7+1.45=411.5m综合以上两种情况,取较大值,则防浪墙顶高程取为=413.955m.表1-2 地震区土石坝的超高坝高(m)200最小超高值(m)23457本设计坝高在50100m,根据表1-2,最小超高值为3m,防浪墙顶高程比正常蓄水位高出3.8m,3.0m,满足地震区安全超高的要求.故防浪墙顶高程取为414.35m.1.1.2 防浪墙底高程的确定根据混凝土面板堆石坝设计规范DL/T5016-1999中的5.2.2规定:防浪墙顶高出坝顶11.2m,防浪墙与面板顶部的接缝高程即防浪墙的底面高程宜高于水库正常蓄水位。但对于本坝，坝高中等，现在的止水技术又可以承受一定的水头，为节省坝体的填筑方量，综合分析，取防浪墙高3.8m,底面高程为410.55m,与正常蓄水位齐平.防浪墙具体尺寸见图1-2.图1-2 防浪墙剖面图1.1.3 坝顶高程的确定根据混凝土面板堆石坝设计规范DL/T5016-1999中的5.2.2规定:防浪墙顶高出坝顶1.01.2m。现取防浪墙高出坝顶1.2m,则坝顶高程为：413.95-1.2=412.75m.1.1.4 坝顶面宽度的确定根据混凝土面板堆石坝设计规范SL228-98中的第5.1.1条规定：坝顶宽度应由运行布置坝顶设施和施工的要求确定，亦按照坝高不同采用58m，100m以上的高坝宜适当加宽，如坝顶有交通要求时，坝顶的宽度还用遵照有关规定选用。本工程中最小坝顶宽度按公式：Bmin=0.1h计算。本工程最大坝高约为98.0m，所以Bmin=0.198=9.8m。因考虑交通要求，现取坝顶净宽9.5m，上游防浪墙厚0.5m，则坝顶总宽为10.0m。1.2 防浪墙应力稳定计算及配筋计算1.2.1 防浪墙应力稳定计算将防浪墙简化为等厚度的“L”型墙，作用在其上荷载有：自重、土压力。水工建筑物教材提到,欲使填土发生被动破坏，挡土墙位移量需达到墙高的5%10%。这是工程中所不允许的，所以计算不考虑被动土压力情况。同时,假设防浪墙发生向上游的位移,此时应考虑主动土压力。下面分别讨论不蓄水状况、设计洪水状况和校核洪水位三种情况。考虑防浪墙最危险截面为竖墙与底版交界面，取竖墙部分，一端固定，相当于悬臂梁结构，受力分析图见图1-3。图1-3 防浪墙应力计算受力分析图参考土力学,压实填土取Ko=1.3；由水工建筑物知，主动、静止土压力的作用分项系数皆为1.2;又由于Ka=tg (45-/2)K=1.6由于抗倾弯矩没包括重力,故所得系数已偏于安全,因而防浪墙不会发生倾覆破坏。1.2.2 防浪墙配筋计算对L型挡墙的竖直部分简化为悬臂梁计算最不利荷载组合为不蓄水情况，静止土压力作用。安全级别级，o=1.1短暂状况，=1.0故最大弯矩设计值 M=58.278KNm环境级别为：三类保护层厚度a=30mmh0=h-a=500-30=470mm取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C25，则轴心抗压强度设计值。钢筋采用级钢筋，截面抵抗矩系数： =0.025 =0.544属于适筋破坏。 钢筋面积： =12.50.0251000470/310=473.8mm2计算的配筋率： = 0.9,故设计合理满足要求。 22 趾板配筋根据混凝土面板堆石坝设计规范DL/T 50161999要求，趾板宜采用单层双向钢筋，每向配筋率采用0.3%0.4%。岩基上趾板钢筋的保护层厚度为10cm15cm。趾板应用锚筋与基岩连接，锚筋参数可按经验确定。2.2.1 连接板连接板混凝土采用C25，连接板混凝土为双层双向配筋，每向配筋率0.4%。参照设计报告，选用22钢筋，连接板混凝土含钢量约106kg/m。2.2.2 趾板本工程设计趾板混凝土采用C25，按配温度筋考虑，采用单层双向钢筋，布置于趾板表面，每向配筋率0.4%，顶面保护层15cm。As=bh=0.4%1000500=2000mm 式中: As钢筋面积，mm2；配筋率；b 板单宽，mm；h0 有效宽度，因趾板相对较薄，故计算配筋时h0仍采用其设计厚度h来考虑。趾板纵横筋均采用22 200mm的钢筋（As=1902mm，小于5%少筋控制范围,满足）。加强筋采用14200mm，趾板混凝土配筋率约85.5kg/m。趾板用砂浆锚杆与基岩连接，锚筋用25，长4.0m，间距1.0m，每排三根。配筋简图见图2-3：图2-3 趾板配筋简图23 结论根据计算结果并结合已建工程经验，确定面板厚度为0.3m，采用单层双向配筋，钢筋布置在面板中部。连接板宽取6m，趾板宽左岸取为4m，右岸7m，相应厚度取为0.6m和0.5m。配筋图见图2-3。第三章 坝体稳定和变形计算 根据面板堆石坝设计导则DL501693的规定，结合本工程地质，填料和地震烈度条件，本工程上水库主副坝可不作稳定分析和应力应变计算。但对于坝体设计而言，为了更加全面掌握设计程序，这里应对坝体的稳定和变形进行初步分析。31 边坡稳定计算钢筋混凝土面板堆石坝的稳定分析根据工程经验及设计理论,应进行施工期和蓄水发电期稳定分析,对于本工程而言,由于坝体施工采用的是分层碾压法,整个坝高在施工期都在不断变化,而且坝体受的汽车荷载、施工机器荷载和人群荷载，具体考虑起来比较复杂，并且数量级相对较小。要准确分析整个施工期坝体稳定性比较困难。所以，在这里只计算竣工期的坝体稳定，此时期的坝体稳定分析应分为上游坡、下游坡两种情况，但对于两种情况进行比较可知，由于上游坡有钢筋混凝土面板的作用，其整体性要好于干砌块石及次堆石区组成的下游坡，再加上上游坡库盆需用弃石碴回填至375m高程，由于这部分土的作用，上游坡的稳定性也要好于下游坡。另外，对于钢筋混凝土面板坝其防渗性能很好，其面板后的浸润线很低，这对上、下游坡的影响都不大，不是控制性工况。而对蓄水期，在施工质量得到保证的前提下，坝体的上游坡由于水的作用，其稳定性会增大，对于下游坡的稳定性变化会很小。根据上述分析：上游坡的稳定性要强于下游坡，所以这里只对竣工期下游坡的稳定性进行分析。目前对于土石坝边坡稳定性，目前的稳定分析仍基于极限平衡理论，采用假定滑动面的方法。依据滑弧的不同型式，可分为圆弧滑动法，折线滑动法和复合滑动法。对于非粘性土坝坡，这里主要采用折线滑动面法，用自编的FORTRAN程序计算抗滑稳定系数。311 计算公式3111 正常运用计算示意图见图3-1：图3-1 正常运用非粘性土坝坡稳定计算示意图DEBC土块的平衡式为： （3-1） 式中意义见图4-1 ADE土块的平衡式为： （3-2） 式中： 条块间作用力 各条块重量土体底面的抗剪强度 3112 非常运用（地震荷载）这里主要考虑水平向地震惯性力对坝坡稳定的影响。水平向地震惯性力代表值可统一用下式表示： （3-3 ） 式中：为作用在质点的水平向地震惯性力代表值 为水平向设计地震加速度代表值，参照水工建筑物表2-24。对本工程，设计烈度7度， 为重力加速度 为地震作用的效应折减系数，一般 为集中在质点的重力作用标准值 为质点的动态分布系数。对于土石坝，按图3-2取值。图中在设计烈度为7度，8度，9度时，分别为3.0，2.5，2.0。 (a)坝高40m (b) 坝高40m图3-2 土石坝动态系数分布具体计算示意图见图4-3图3-3 非常运用非粘性土坝坡稳定计算示意图DEBC土块的平衡式为： （3-4） ADE土块的平衡式为： （3-5） 式中： ，同正常运用情况作用于各条块上的最不利水平地震荷载（图4-3中均指向迎水面） 3.1.2 计算程序边坡稳定计算的Fortran语言程序折线法计算程序如下:*PROGRAM MAIN*变量说明*T-坝顶宽度 ， DELT-A的步长 ， DELB-B在Y方向的步长 ， DELA-B在X方向的步长*A（50）存放A ， B（50，500，2）存放B， K（50，500）存放K，*ZXIA0K（50）存放每个A对应下的最小K， BK（50，2）用来存放ZXIAOK对应下B的座标，*（CX，CY）-坝的最低点的座标 H1，H2-坝顶点及坝下游最低点所对应的高程* H3-坝底的控制高程* R1，R2-坝体材料的容重 MOJIAO1，MOJIAO2-主堆石及次堆石的内摩擦角* C-堆石的粘聚力 GFK（10）每一分块的重量* XFK（10），YFK（10）-分块界点 FKJIAO（10）-每分块的倾角* FKMO（10）-每分块的内摩擦角 LENGTH（10）-每分块的底边长度* AA（4），BB（4）-四条直线的的系数* Y1，Y2，Y3，Y4-通过B点的垂直线与四条直线的交点的纵座标* N-分块数 JSK-用来计数 * I，J -循环变量 M-用来表示A的个数* PO-下游坡度* KH，CZ，AI是用来表示地震力系数 REAL T,T1,DELT,DELB,DELAREAL A(50),B(50,500,2),K(50,500)REAL ZXIAOK(50),BK(50,2) REAL XFK(0:10),YFK(0:10)REAL LENGTH(10),FKMO(10),FKJIAO(10),GFK(10)REAL CX,CY,H1,H2,H3,POREAL R1,R2,MOJIAO1,MOJIAO2,CREAL AA(4),BB(4)REAL Y1,Y2,Y3,Y4REAL KH,CZ,AIINTEGER I,J,M,JSK,N,KK*READ(*,*)KK*如果KK等于0，则表示不考虑地震力，如果KK等于1，则表示考虑地震力。IF(KK.EQ.0) THEN OPEN(0,FILE=W1.DAT) OPEN(1,FILE=W11.OUT) OPEN(2,FILE=W12.OUT)END IF IF(KK.EQ.1) THEN OPEN(0,FILE=W2.DAT) OPEN(1,FILE=W21.OUT) OPEN(2,FILE=W22.OUT)END IF*READ(0,*)T,DELT,DELA,DELBM=INT(T/DELT)T1=M*DELTIF(T.GT.T1) M=M+2IF(T.EQ.T1) M=M+1READ(0,*) (A(I),I=1,M)READ(0,*) H1,H2,H3READ(0,*) R1,R2,MOJIAO1 ,MOJIAO2,Cdo i=1,2READ(0,*)AA(I),BB(I)end doREAD(0,*)KH,CZ,AI*PO=1.0/AA(1)CY=H1-H3CX=PO*CY+TAA(3)=(H2-H3)/CXBB(3)=H1-H2WRITE(*,*)(A(I),I=1,M), CX,CYMOJIAO1=MOJIAO1*3.1415926/180MOJIAO2=MOJIAO2*3.1415926/180*DO 10 I=1,M AA(4)=CY/(CX-A(I) BB(4)=-A(I)*AA(4) JSK=1 B(I,JSK,1)=A(I)110 B(I,JSK,2)=-DELB B(I,JSK,1)=B(I,JSK,1)+DELA IF(B(I,JSK,1).GE.CX) THEN JSK=JSK-1 WRITE(*,*) I,JSK GOTO 140 END IF B(I,JSK,2)=B(I,JSK,2)+DELB 130 Y1=AA(1)*B(I,JSK,1)+BB(1) Y2=AA(2)*B(I,JSK,1)+BB(2) Y3=AA(3)*B(I,JSK,1)+BB(3) Y4=AA(4)*B(I,JSK,1)+BB(4)100 IF(B(I,JSK,2).LT.Y4) THEN B(I,JSK,2)=B(I,JSK,2)+DELB GOTO 100 ELSE GOTO 120 END IF120 IF(B(I,JSK,2).GT.Y3) THEN GOTO 110 END IF*在FENKUAI子程序中，利用坝顶的点A、折线与主次堆石分界线的交点（XJIAO，YJIAO）*折点B、坝脚点C将滑动体分块，分别求出每分块点的X、Y座标、每分块体底的长度、*每分块体底的内摩擦角及与水平线的夹角 CALL FENKUAI(B(I,JSK,1),B(I,JSK,2),A(I),CX,CY,N,AA, $BB,T,Y2,MOJIAO1,MOJIAO2, FKMO,FKJIAO,LENGTH,XFK,YFK)*在QIUZHOHGLI子程序中求出了每分块体的重力 CALL QIUZHONGLI(GFK,XFK,YFK,R1,R2,B(I,JSK,1),B(I,JSK,2), $Y2,T,AA,BB,N,A(I)*在QIUK子程序中求出了折点为B时的安全系数 CALL QIUK(K(I,JSK),GFK,N,FKMO,FKJIAO,LENGTH,C,JSK,I, $B(I,JSK,1),B(I,JSK,2),KH,CZ,AI) * JSK=JSK+1 B(I,JSK,1)=B(I,JSK-1,1) B(I,JSK,2)=B(I,JSK-1,2)+DELB GOTO 130 *此段用来求出在A点不动、B点循环所的的最小安全系数140 ZXIAOK(I)=K(I,1) BK(I,1)=B(I,1,1) BK(I,2)=B(I,1,2) DO 20 J=2,JSK IF(K(I,J).LT.ZXIAOK(I) THEN ZXIAOK(I)=K(I,J) BK(I,1)=B(I,J,1) BK(I,2)=B(I,J,2) END IF20 CONTINUE WRITE(1,*) ZXIAOK(I), A(I),BK(I,1),BK(I,2)*8810CONTINUECLOSE(1)CLOSE(2)CLOSE(3)END *分块子程序*变量说明（与主程序对应的变量不说明） * （XJIAO，YJIAO）-折线与主次堆石分界线的交点座标，DELX、DELY分块点的步长* I-循环变量SUBROUTINE FENKUAI(X,Y,A,CX,CY,N,AA,BB,T,Y2,MOJIAO1, $MOJIAO2,FKMO,FKJIAO,LENGTH,XFK,YFK)REAL X,Y,A,CX,CY,AA(3),BB(3),T,Y2,MOJIAO1,MOJIAO2 REAL FKMO(10),FKJIAO(10),LENGTH(10),XFK(0:10),YFK(0:10)REAL XJIAO,YJIAO,DELX,DELYINTEGER N,I* *IF(Y.GT.Y2.AND.A.LE.T) THEN CALL QIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y $,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 XFK(1)=X YFK(1)=Y XFK(2)=XJIAO YFK(2)=YJIAO DELX=(CX-XJIAO)/(N-2) DELY=(CY-YJIAO)/(N-2)DO 210 I=3,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY210CONTINUEEND IF*IF(Y.EQ.Y2.AND.A.LE.T) THEN CALL QIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y $,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB)XFK(0)=AYFK(0)=0XFK(1)=XYFK(1)=YDELX=(CX-XJIAO)/(N-1)DELY=(CY-YJIAO)/(N-1)DO 220 I=2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY220 CONTINUEEND IF*IF(Y.LT.Y2.AND.A.LT.T) THEN CALL QIUZUOBIAO(XJIAO,YJIAO,FKMO,FKJIAO,N,A,X,Y $,CX,CY,MOJIAO1,MOJIAO2,Y2,T,AA,BB) XFK(0)=A YFK(0)=0 XFK(1)=XJIAO YFK(1)=YJIAO* * IF(X.LE.2*XJIAO/3.0+CX/3.0) THEN XFK(2)=X YFK(2)=Y DELX=(CX-X)/(N-2) DELY=(CY-Y)/(N-2) DO 230 I=3,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY230 CONTINUE END IF * * IF(CX/3.0+2*XJIAO/3.0.LT.X.AND.X.LT.2*CX/3.0+XJIAO/3.0) THEN DELX=(X-XJIAO)/3.0 DELY=(Y-YJIAO)/3.0 DO 240 I=2,N-3 XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY240 CONTINUE DELX=(CX-X)/3.0 DELY=(CY-Y)/3.0 DO 250 I=N-2,N XFK(I)=XFK(I-1)+DELX YFK(I)=YFK(I-1)+DELY250 CONTINUE END IF* * IF(X.GE.2*CX/3.0+XJI