心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算毕业设计计算书 优秀论文 定稿.docx
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心墙土石坝设计及泄水建筑物水面线计算毕业设计计算书优秀论文定稿
第一章调洪演算
1.1调洪演算的原理
先对一种泄洪方案，求得不同水头下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲线，再假定几组最大泄流量，对设计（校核）洪水过程线进行调洪演算，求得这几组最大泄流量分别对应的水库存水量，查水位库容曲线，得出这几组最大泄流量分别对应的上游水位，并作最大泄流量与上游水位的关系曲线。
上述两条曲线相交得出一交点，此交点坐标即为设计（校核）情况下的孔口最大泄流量及相应的水库水位，再对其它泄洪方案按同样的方法进行调洪演算，最后选定的泄洪方案孔口最大泄流量应接近并不超过容许值，库水位又相对比较低。
1.2泄洪方案的选择
1.1.1对以下三种方案进行调洪演算
⑴4表孔+2中孔
⑵2浅孔+2中孔
⑶4中孔
方案一:
4表孔+2中孔
表孔:
堰顶高程179m，孔宽12m
（1-1）
式中：
m=0.48
B=4×12=48m
H为泄孔中心水头
中孔:
进口高程135m,出口高程130m,孔口宽7.5m,高7.5m
（1-2）
式中：
闸门开度a=7.5m
H0为泄孔中心水头
孔口宽度B=2×7.5=15m
（1-3）
表1-14表孔+2中孔调洪演算
水位
182
186
190
194
表孔
H0
3
7
11
15
m
0.48
0.48
0.48
0.48
Q1
530.2905
1890.075
3723.24
5928.828
中孔
空中心线H0
48.25
52.25
56.25
60.25
侧收系数u
0.924715
0.927416
0.929733
0.931743
流量Q2
3200.8
3340.565
3474.735
3603.932
Q1+Q2
3731.091
5230.64
7197.975
9532.76
Q1+Q2+338
4069.091
5568.64
7535.975
9870.76
起调流量4609.091m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，4表孔+2中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：
最大泄洪流量:
设计6420m3/s
校核7400m3/s
最高水位:
设计187.4m
校核189.4m
方案二:
2浅孔+2中孔
浅孔:
进口高程164米,出口高程154米,孔口宽8.5米,高8.8米
a=8.8m,B=8.5×2=17m
中孔:
进口高程135米,出口高程130米,孔口宽7.5米,高7.2米
a=7.5m,B=7.5×2=15m
表1-2浅孔+2中孔调洪演算
水位
182
186
190
194
浅孔
孔中心线H0
23.6
27.6
31.6
35.6
侧收缩系数U
0.875356
0.889268
0.898222
0.905163
Q1
2817.875
3095.768
3345.863
3578.762
中孔
空中心线H0
48.4
52.4
56.4
60.4
侧收系数u
0.926231
0.928809
0.931021
0.93294
流量Q2
3082.588
3216.365
3344.817
3468.531
Q1+Q2
5900.463
6312.133
6690.68
7047.294
Q1+Q2+338
6238.463
6650.133
7028.68
7385.294
起调流量6238.463m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，2浅孔+2中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：
最大泄洪流量:
设计6550m3/s
校核7050m3/s
最高水位:
设计184.80m
校核188.40m
方案三:
4中孔
中孔:
进口高程135米,出口高程130米,孔口宽7.5米,高7.0米
a=7.0m,B=7.5×4=30m
表1-34中孔调洪演算
水位
182
186
190
194
中孔
空中心线H0
48.5
52.5
56.5
60.5
侧收系数u
0.927237
0.929733
0.931876
0.933736
流量Q1
6006.624
6266.237
6515.552
6755.7
6344.624
6604.237
6853.552
7093.7
起调流量6344.624m3/s，作出水库水位与所需最大泄流量的关系曲线，4中孔的泄洪能力曲线，由两条曲线的交点可以得出：
最大泄洪流量:
设计6550m3/s
校核6850m3/s
最高水位:
设计185.0m
校核188.8m
1.1.2泄流方案的选择
由下游容许下泄流量在设计情况下为6750m3/s,校核情况下为7750m3/s.方案一使得坝体堰顶以上失去空间结构作用，而方案三开孔过多，拱圈削弱过多，方案二水头最小，坝高也就最小，节省工程量。
选择泄洪防方案，即设置两浅孔，孔口尺寸为8.5×8.8m，进口底高程为164m，出口底高程154m，两中孔，孔口尺寸为7.5m×7.2m，进口底高程为135m，出口底高程为130m。
设计洪水时，设计水位为184.8m，下泄流量为6550m3/s，小于允许流量6750m3/s,。
校核洪水时，校核洪水位为188.4m，下泄流量为7050m3/s，小于允许下泄流量7750m3/s。
1.1.3计算方案二的坝高
坝顶超出水库静水位的高度△h为
（1-4）
式中：
2h1—波浪高度
hz—波浪中心线高出静水位的高度
hc—安全超高
正常运用条件下，利用官厅公式V0=20m/s,Hm=184.8-92=92.8m,
=68在20-250以内
=
=1.113
（1-5）
假设
，
=1.95，hm=0.57,
=1.38
Lm=
=11.38
Hz=
=0.52
正常情况下hc=0.7
△h=2×1.38+0.526+0.7=3.986
设计洪水位坝顶高程=184.8+3.986=188.79m
校核情况下，Hm=188.4-92=96.4m
hp=
=0.588,hm=0.344,h1%=0.832,
Lm=
=6.835
hz=
=0.318m
△h=2×0.832+0.318+0.5=2.48
校核洪水位坝顶高程=188.4+2.482=190.88m
两者取其大的:
故坝顶高程定为190.88米
第二章大坝工程量比较
2.1大坝剖面设计计算
混凝土重力坝：
坝前最大水深H=188.4-92=96.4m
最大坝高为190.88-92=98.88m
㈠基本剖面
⑴按应力条件确定坝底最小宽度
（2-1）
式中γc=24kN/m3γ0=10kN/m3扬压力折减系数α1取0.25
则B=96.4/（24/10-0.25）1/2=65.74m
⑵按稳定条件确定坝底最小宽度
（2-2）
式中K=1.10f=0.7λ=0α1=0.25
则B=1.1×96.4/［0.7×（24/10+0-0.25）］=70.46m
综合⑴⑵，取坝底最小宽度B=71m
㈡实用剖面
⑴坝顶宽度：
取坝高的8～10%，即（8～10%）×98.88=（7.9104～9.888）m,取为10m
⑵下游坡度为H/B=98.88/71=1:
0.72
⑶上游设折坡，折坡点距坝底的高度取为坝高的1/3～2/3范围内，即（1/3～2/3）×98.88=（32.96～65.92）m,取为40m。
⑷上游折坡的坡度取为1：
0.15
⑸坝底宽度为71+40×0.15=77m
图2-1重力坝剖面图（单位：
m）
（三）排水位置
设计洪水最大下泄流量为6550m3/s，则Z下=114m，水头H=184.8-114=70.8m
廊道上游壁到上游坝面距离不小于0.05～0.1倍水头，且不小于4～5m，即（0.05～0.1）×70.8=（3.54～7.08）m,取为5m。
（四）荷载计算
⑴坝体自重
W1=1/2×6×40×24=2880kN/m
W2=10×98.88×24=23731kN/m
W3=1/2×61×（98.88-13.93）×24=62183kN/m
W=W1+W2+W3=88794kN/m
（2-3）
⑵水压力
垂直水压力
W水上=1/2×6×［（184.8-132）+（184.8-92）］×10=4368kN/m
W水下=1/2×（114-92）2×0.72×10=1742.4kN/m
水平水压力
P上=1/2γ0H上2=1/2×10×（184.8-92）2=43059.2kN/m
P下=1/2γ0H下2=1/2×10×（114-92）2=2420kN/m
⑶扬压力
图2-2扬压力计算简图
H上=184.8-92=92.8mH下=114-92=22m
γ0H上=10×92.8=928kN/m2
γ0H下=10×22=220kN/m2
γ0H=γ0H上-γ0H下=708kN/m2
αγ0H=0.25×708=177kN/m2
UⅠ=77×220=16940kN/m
UⅡ=1/2×11×（708+177）=4867.5kN/m
UⅢ=1/2×66×177=5841kN/m
U=UⅠ+UⅡ+UⅢ=27648.5kN/m
（2-4）
⑷浪压力
PL=γ0（LL+2hL+h0）LL/2-γ0LL2/2=10×（6.8+1.4+0.45）×6.8/2-10×6.82/2=62.9kN/m
（2-5）
⑸泥沙压力
垂直泥沙压力Pn=1.2×1/2×232×0.15×8.5=404.685kN/m
水平泥沙压力Ph=1/2γnhn2tg2（45o-φn/2）
（2-6）
式中γn=8.5kN/m3hn=115-92=23mφn=10o故
Ph=1/2×8.5×202×tg2（45o-10o/2）=1582.4kN/m
㈤稳定校核
K=f（∑W-U）/∑P=0.7×（88794+4368+1742.4+404.685-27648.5）/（43059.2-2420+62.9
+1582.4）=1.12＞［K］
（2-7）
∴稳定满足要求。
㈥应力分析（取坝基面）
⑴水平截面上的边缘正应力σ’y和σ”y
σ’y=∑W/B+6∑M/B2
（2-8）
σ”y=∑W/B-6∑M/B2
（2-9）
式中∑W——作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和（向下为正）
∑M——作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和（逆时针为正）
B——计算截面沿上下游方向的宽度
⒈W1=2880kN（下）LW1=38.5-6×2/3=34.5mMW1=2880×34.5=99360kNm
⒉W2=23731kN（下）LW2=38.5-6-5=27.5mMW2=23731×27.5=652602kNm
⒊W3=62183kN（下）LW3=61×2/3-38=2.667mMW3=62183×2.667=165842kNm
⒋W水上=4368kN（下）LW水上=-（2×52.8+92.8）/（3×52.8+3×92.8）×6+38.5=35.8
MW水上=4368×35.8=157018.8kNm
⒌W水下=1742.4kN（下）LW水下=38.5-22×0.72×1/3=33.2m
MW水下=-1742.4×33.2=-57882.54kNm
⒍P上=43059.2kN（右）LP上=92.8×1/3=30.93mMP上=-43059.2×30.93=-1331821kNm
⒎P下=2420kN（左）LP下=22×1/3=7.3mMP下=2420×7.3=17666kNm
⒏UⅠ=16940kN（上）LUⅠ=0MUⅠ=0
⒐UⅡ=4867.5kN（上）LUⅡ=38.5-（2×177+708）/（3×177+3×708）×11=34.1m
MUⅡ=-4867.5×34.1=-165981.75kNm
⒑UⅢ=5741kN（上）LUⅢ=66×2/3-38.5=5.5mMUⅢ=5741×5.5=31575.5kNm
∵∑W=67255.9kN∑M=-431621.79kNm
∴σ’y=67255.9/77+6×（-431621.79）/772=436.7kpa
σ”y=67255.9/77-6×（-431621.79）/772=1310.24kpa
⑵边缘剪应力τ’和τ”
τ’=（p’-pu’-σ’y）n=-σ’yn=-436.7×0.15=-65.505kpa
τ”=（σ”y+pu”-p”）m=σ”ym=1310.24×0.72=943.37kpa
⑶铅直截面上的边缘正应力σ’x和σ”x
σ’x=（p’-pu’）-（p’-pu’-σ’y）n2=σ’yn2=436.7×0.152=9.83kpa
σ”x=（p”-pu”）+（σ”y+pu”-p”）m2=σ”ym2=1310.24×0.722=679.23kpa
⑷上游边缘主应力σ’1和σ’2
σ’1=（1+n2）σ’y-（p’-pu’）n2=（1+0.152）×436.7=446.53kpa
σ’2=p’-pu’=0
⑸下游边缘主应力σ”1和σ”2
σ”1=（1+m2）σ”y-（p”-pu”）m2=（1+0.722）×1310.24=1989.47kpa
σ”2=p”-pu”=0
没有出现拉应力，故应力满足要求。
2.2工程量比较
比较重力坝和拱坝的工程量：
⑴重力坝工程量计算利用下式分别对三个坝块进行计算：
V=H/6{L1[3b+（m1+m2）H]+L2[3b+2（m1+m2）H]}
（2-10）
第Ⅰ块
L1=180mL2=82mb=71-40×0.72=42.2mm1=0.15m2=0.72H=40m
VⅠ=40/6×{180×[3×42.2+（0.15+0.72）×40]+82×[3×42.2+2×（0.15+0.72）×40]}
=324198m3
第Ⅱ块
L1=257mL2=180mb=10mm1=0.15m2=0.72H=44.95m
VⅡ=44.95/6×{257×[3×10+（0+0.72）×44.95]+180×[3×10+2×（0+0.72）×45.95]}
=249755m3
第Ⅲ块
L1=302mL2=257mb=10mm1=0m2=0H=13.93m
VⅢ=13.93/6×{302×[3×10+（0+0）×13.93]+257×[3×10+2×（0+0）×13.93]}
=38934.4m3
∴重力坝工程量:
V1=VⅠ+VⅡ+VⅢ=324198+249755+38934.4=612887.4m3
⑵拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算：
V=（A上+A下）×△h/2
（2-11）
A1=π×（2002-191.52）×100.5/360=2918.4m2
A2=π×（1682-1552）×97/360=3554.3m2
A3=π×（1402-122.7542）×99/360=3914.7.5m2
A4=π×（1102-88.382）×87/360=3256.2m2
A5=π×（702-442）×68/360=1758.8m2
VⅠ=（A1+A2）×△h/2=（2818.4+3554.3）×24.72/2=78766.57m3
VⅡ=（A2+A3）×△h/2=（3554.3+3914.75）×24.72/2=92317.5m3
VⅢ=（A3+A4）×△h/2=（3914.75+3256.2）×24.72/2=88632.9m3
VⅣ=（A4+A5）×△h/2=（3256.2+1758.8）×24.72/2=61985.4m3
∴拱坝工程量:
V2=VⅠ+VⅡ+VⅢ+VⅣ=321702.37m3
经比较，拱坝较重力坝可节约工程量（V1-V2）/V1=（612887.4-321702.37）/612887.4=47.5℅。
故采用拱坝比较经济合理。
第三章第一建筑物——大坝的设计计算
3.1拱坝形式尺寸及拱坝布置
V形河谷或其它上宽下窄的河谷，若采用定半径式拱坝，其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求，此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小，以使上下各层拱圈的中心角基本相等，并在铅直向设计成一定曲率，形成变半径等中心角双曲拱坝，而做到上下层拱圈的中心角相等很困难，故采用变半径变中心角的双曲拱坝.
3.1.2拱坝的尺寸
⑴坝顶的厚度Tc
∵
=0.01×（98.88+2×302）=8.23＞
=3~5m
（3-1）
∴
=0.01×（98.88+2.4×302）=8.23m
（3-2）
取
=8.5m
⑵坝底的厚度
（3-3）
式中K=0.35
—分别为第一，第四层拱圈两拱端新鲜基岩之间直线距离
=302m
=170m
H=98.88m
[
]=655t/m3
∴
=0.35×（302+170）×98.88/655=24.94m取
=26m
⑶上游面的曲线采用二次抛物线
（3-4）
式中x1=2β1x2x2=β2TB/（2β1-1）β1=0.6~0.65β2=0.3~0.6
取β1=0.62β2=0.3则
x2=0.3×276（2×0.62-1）=32.5
x1=2×0.62×32.5=40.3
∴上游面的曲线方程为z=-40.3×y/98.88+32.5×（y/98.88）2
⑷下游面的曲线按Tc，TB沿高程线性内插。
设第i层拱圈的厚度为Ti则
=8.5+（26-8.5）/98.88×yi=0.1769×yi+8.5
（3-5）
图3-1拱冠梁示意图
表3-1各层拱圈的形体参数（单位：
m）
层
1
2
3
4
5
高程
190.88
166.16
141.44
116.72
92
纵坐标y
0
24.72
49.44
74.16
98.88
上游面横坐标z1
0
-8.047
-12.037
-11.969
-7.843
拱厚Ti
8.5
12.873
17.246
21.619
26
下游面横坐标z2
8.5
4.8258
5.20931
9.65031
18.157
图3-2拱冠梁横剖面图（单位：
m）
图3-2拱冠梁横剖面图（单位：
m）
3.2荷载组合
⑴正常水位+温降
⑵设计水位+温升
⑶校核水位+温升
⑷正常水位+温降+地震
3.3拱坝的应力计算
3.3.1对荷载组合⑴，⑵，⑶使用FORTRAN程序进行电算
⑴正常水位+温降
n=5
u=.20AT=-47.00BT=3.39RG=2.40FS=10.00RS=.85EC=2200000.0
EF=2200000.0GC=.000008HW=7.63HS=75.88X1=40.30X2=32.50
DESIGNPOINT0
X1=40.3000X2=32.5000
LEVELHIAFSLTR
1.0045.00151.008.50195.75
224.7245.00122.0012.87161.56
349.4445.00103.0017.25131.38
474.1645.0076.0021.62108.19
590.8845.0042.5026.0066.50
LEVELSM=SS=
1213.20122.5687.76253.57.00.00.00.00
2248.3089.5838.28211.0841.3069.39-18.56118.88
3220.9844.781.71162.9444.75157.2116.33164.04
4139.03-27.11-49.0982.19-15.80285.87158.0487.57
581.77-49.54-32.8344.11-67.80361.16296.87-39.09
LEVELDISPLASEPAPAT
1.040292.0003577.27.00
2.031299.00040613.751.15
3.020511.00045118.512.55
4.009045.00034715.535.80
5.003066.00017320.9122.52
⑵设计水位+温升
n=5
u=.20AT=47.00BT=3.39RG=2.40FS=10.00RS=.85EC=2200000.0
EF=2200000.0GC=.000008HW=6.08HS=75.88X1=40.30X2=32.50
DESIGNPOINT0
X1=40.3000X2=32.5000
LEVELHIAFSLTR
1.0045.00151.008.50195.75
224.7245.00122.0012.87161.56
349.4445.00103.0017.25131.38
474.1645.0076.0021.62108.19
590.8845.0042.5026.0066.50
LEVELSM=SS=
1245.62188.33166.33271.14.00.00.00.00
2254.71144.51108.89226.5666.7044.39-18.56118.88
3230.0498.7266.62184.4085.82115.8416.33164.04
4159.2930.6013.57113.3043.45223.62158.0487.57
5107.1
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