拱坝计算书.docx - 冰点文库

资源描述

拱坝计算书.docx

《拱坝计算书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《拱坝计算书.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

拱坝计算书.docx

拱坝计算书

计算书目录：

1、设计参数及控制指标

2、拱坝体形

3、应力计算

4、拱肩稳定计算

5、消能计算

6、坝体细部及放空、取水孔设计

1、设计参数及控制指标

1.1设计参数

坝体材料：

200#砼，容重2.4t/m3,弹模1.7E6（坝体弹模考虑徐变的影响，取为瞬时弹性模量的0.6--0.7），泊松比0.167，线胀系数1×10-5/℃，导温系数3m2/月。

坝基：

灰岩，容重3t/m3,弹模2E6，泊松比0.27，线胀系数1.4×10-5/℃，导温系数3m2/月。

淤沙浮容重按1t/m3,内摩擦角14°。

水文及地基f、c等有关各专业的基础资料请见附件1。

温度荷载按规范（SD145-85）附录公式由程序动计算，封拱灌浆温度取8-12℃。

1.2控制指标

大坝拱肩稳定及应力控制指标均严格按照《混凝土拱坝设计规范》（SD145-85）执行，见表1-1、1-2。

表1-1抗滑稳定安全系数表

类别

荷载组合情况

安全系数

抗剪断强度K’

基本组合

特殊组合

2.5

表1-2大坝允许应力表

类别

荷载组合情况

允许应力

允许拉应力（kg/cm2）

基本组合

特殊组合

允许压应力（kg/cm2）

基本组合

特殊组合

2、拱坝体形

拱坝体形为双曲拱坝，拱圈平面曲线采用圆弧。

因两岸地形不完全对称而采用两岸不同半径的双曲拱坝。

2.1坝顶高程的拟定

2.1.1已知:

校核洪水位（p=0.2%）：

848.87m

　　　　　设计洪水位（p=2%）：

848.35m

　　　　　正常蓄水位：

848m

2.1.2坝顶高程根据各种运行情况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定。

顶超高值Δh按下式计算（请见SD145-85《混凝土拱坝设计规范》第八章拱坝构造）Δh=2hl+h0+hc

式中：

Δh………坝顶距水库静水位高度（m）

2hl………浪高（m）

　h0………波浪中心线至水库静水位的高度（m）

hc………安全超高（m）：

正常运用情况取0.4m，非常运用情况取0.3m。

2.1.3波浪要素按“官厅——鹤地”公式计算：

2hl=0.0166Vf5/4Df1/3

2L1=10.4（2hl）0.8

h0=4πhl2/（2L1）

式中：

2L1………波长（m）；

Df………吹程，由坝前沿水面至对岸的最大直线距离（km）,取1Km。

Vf………计算风速（m/s），正常和设计情况取15m/s，校核情况取9.6m/s。

2.1.4坝顶高程计算成果见下表：

计算情况

设计情况

校核情况

相应水位（m）

848.35

848.87

Vf（m）

9.6

Df（km）

hc（m）

0.3

0.4

2hl（m）

0.490

0.281

h0（m）

0.128

0.066

Δh（m）

0.918

0.747

坝顶高程（m）

849.268

849.617

结论：

综合考虑后，取坝顶高程为849.7m

河床底部高程为782.3m，按地质提供的基本资料，挖深按20.5m计，则坝高为87.4m，属于高坝，在坝顶高程849.7m开挖后的河谷水平宽度为193.63m，则河谷宽高比L/H=193.63/87.4=2.215，属“V”型河谷。

2.2、拱坝体型设计

2.2.1坝顶厚度Tc（参见《砌石坝设计》P137）

Tc=0.4+0.01（L+3H）

式中Tc——坝顶厚度（m）

H——最大坝高（m）=87.4

L——顶拱弦长（m）=193.63

经计算得Tc=0.4+0.01（193.63+3×87.4）=4.9583m，考虑交通等要求，取Tc=5m。

2.2.2拱圈厚度

（1）坝底厚Tb

①参见《砌石坝设计》P138经验公式

Tb=（0.132（L/H）0.269+（2H/1000））×H

式中Tb——坝底厚度（m）

H——最大坝高（m）=87.4

L——顶拱弦长（m）=193.63

经计算得Tb=（0.132（193.63/87.4）0.269+（2×87.4/1000））×87.4=29.57m。

②由美国肯务局的经验公式

式中Tb——坝底厚度（m）

H——最大坝高（m）=87.4

L1——顶拱弦长（m）=193.63

L2——顶底以上0.15H处弦长（m）=42.2

经计算得Tb=8.77m。

综合考虑后，取坝底厚度为Tb=22m。

水平拱圈厚度按T=Tc+（Tb–Tc）Y/H计算，即为

T=5+（22–5）Y/85.9=5+0.1979Y

2.2.3上游面曲线初拟

参考其他工程经验及规范要求进行设计：

设β1=Hd/H

β2=Aud/H

K=Aub/Tb

一般情况下有：

β1=0.3~0.4

β2=0.135~0.175

K=0.3~0.8

因本工程河谷宽高比L/H=193.63/87.4=2.2154，综合考虑后取参数计算如下：

Hd=0.38H=0.37×85.9=31.783m

Aud=0.175H=0.16×85.9=15.0325m

Aub=0.7×20=14m

m=Aud-Aub

最终的成果取值为：

（请见右图）

Hd=31.8m

Aud=14.944m

Aub=13.5m

m=14.944–13.5=1.444m

由此可知，A、D、B三点的坐标为：

点号

-14.944

54.1

-13.5

85.9

将地形图上可利用的基岩线确定后，再确定每一层拱圈对应的水平弦长，定出半径后（用半中心角控制，如顶拱的半中心角在80°～110°之间，底拱的半中心角在40°～80°之间，半径的连线为一光滑的曲线）经过应力控制的优化后得到拱坝体型。

计算采用的程序为ADASO。

设计过程中严格按照有关规范的要求来进行大坝体形的设计调整，最后确定大坝体形如下（请见下页）：

3、应力计算

3.1计算方法及荷载组合

拱坝应力按多拱多梁混合法计算，利用北京水科院ADASO程序在PentiumⅡ微机上计算。

计算初拟采用7层拱圈，其高程分别为：

849.7、843.0、827.2、811.4、795.6、779.8、763.8m（拟合层为砼垫层762.3m）。

荷载组合情况分基本组合及特殊组合两类。

基本组合为：

⑴正常蓄水位+相应尾水位+设计正常温降+自重+扬压力+泥沙压力+浪压力。

特殊组合为：

⑵校核洪水位+相应尾水位+设计正常温升+自重+扬压力+泥沙压力+浪压力。

地区地震烈度小于Ⅵ度，故不作动力计算。

3.2温度参数说明

多年年平均气温14.6℃

多年平均最低月（1月）气温3.8℃

多年平均最高月（7月）气温24.7℃

日照影响按2℃计

温降变幅=年平均气温-最低月平均气温=14.6-3.8=10.8℃

考虑日照影响后，设计正常温降=10.8+2=12.8℃，计算时间取1.5

温升变幅=最高月平均气温-年平均气温=24.7-14.6=10.1℃

考虑日照影响后，设计正常温升=10.1+2=12.1℃，计算时间取7.5

库底水温因无实测资料，按规范（SD145-85）附录规定，Tkd可近似按最低3个月平均气温计，Tkd=（3.8+5.0+5.9）/3=4.9℃

水表面年平均水温=年平均气温+日照影响=14.6+2=16.6℃

表面水温年变幅=气温年变幅的一半=（24.7-3.8）/2=10.45℃

温度计算的初相位取值为6.5（月）。

3.3计算成果

经计算，拱坝最大拉应力为1.42MPa，发生在▽795.6m高程右拱端的上游面，计算工况为校核洪水位+温升；最大压应力为4.03MPa，发生在▽795.6m高程右拱端的下游面，计算工况为校核洪水位+温升，均小于大纲中规定的允许应力。

应力分布规律符合一般规律，较合理，计算原始数据和结果文件见附。

4拱肩稳定计算

4.1计算方法

拱肩抗滑稳定按刚体极限平衡法计算，并根据《混凝土拱坝设计规范》规定（SD145-85），拱肩稳定按平面分层抗剪断公式核算，若分层安全系数不满足要求时则按空间问题计算整体抗滑稳定安全系数，若均满足要求则不再按空间问题计算整体抗滑稳定安全系数。

计算步骤：

⑴绘制各层拱肩抗滑岩体图。

⑵根据地质专业提供的资料，列出几组不同侧滑面（裂隙或岩体），在抗滑岩体图中分别量出侧滑面与拱端径向的夹角、底滑面面积、侧滑面长度。

⑶根据前面量出的参数，各层拱端高程，计算工况的水位，各侧滑面、底滑面分别对应的抗剪断参数，程序计算得到的各层拱端作用力，代入抗剪断公式，分别计算各层、各侧滑面的K值，取其中每层最小K值为该层安全系数K。

4.2已知条件

4.2.1由拱坝应力计算得拱端力系计算结果如下表：

拱端力系表（单位：

t）

工况

拱端

高程

849.7

843.0

827.2

811.4

795.6

779.8

763.8

正常蓄水位+温降

左

拱端推力

-428.7

383.1

1290.1

1746.7

2153.1

2082.4

934.8

拱端剪力

11.6

-25.9

184.3

480.1

860.4

1494.9

2117.0

右

拱端推力

-138.0

531.1

1119.3

1642.8

2157.3

2231.6

1084.2

拱端剪力

-6.4

293.8

907.3

1645.2

2368.8

2414.7

1243.5

校核洪水位+温升

左

拱端推力

813.3

1137.8

1304.4

1699.2

2116.4

2007.1

876.2

拱端剪力

-33.7

-395.5

-106.5

351.2

751.9

1347.5

1915.2

右

拱端推力

1653.2

1591.7

1105.7

1582.3

2131.6

2038.5

835.2

拱端剪力

1581.5

1480.2

1158.0

1595.9

2270.1

2167.8

959.8

4.2.2水文：

校核洪水位848.87m；

4.2.3地质：

①河谷呈“V”型，出露地层为T1m2薄至中厚层灰岩。

②坝址岩层产状平缓，层面（岩层产状）为：

左岸N5°E/∠6°；

右岸N20°W/∠10°。

主要发育裂隙有：

E0°W/∠90°；

S0°N/∠90°；

断层主要有：

f101：

E0°W/N∠20~30°、破碎带宽0.3~0.5m；

f102：

N50°W/SW∠20~35°、破碎带宽0.3~0.5m；

4.3计算假定

根据地质报告，坝肩两岸岩层产状倾角较缓，陡倾角裂隙较发育，无其它大的结构面发育，拱肩稳定按平面分层抗滑计算，为简化计算，在计算中作如下假定：

⑴地基为灰岩，因其产状倾角较缓（10°～20°），故可近似假定岩体层面为水平底滑动面。

⑵几组裂隙均为陡倾角（60°～80°），故可假定裂隙面即为可能的侧滑面。

⑶若在拱端处岩体无裂隙面或裂隙面对抗滑无不利影响时，则可根据地形条件假定几组侧滑面，按岩体非结构面参数取用。

⑷底滑面扬压力按单位高度计，取1m。

⑸侧滑面渗透压力按实际水头计，即侧滑面上游端水头为实际H，下游面无水可视为0，侧滑面下游端水头为0。

但考虑到侧滑面较长时，下游岸坡裂隙发育，渗水一般在坝后很快渗出地表，即零压力点不在侧滑面下游端与岸坡交点处。

近似按拱下游面后一定距离为零计，如5倍拱厚、1倍岸坡厚等，为方便计算，计算中不直接确定零压力点而采用取综合折减系数的方法，综合折减系数取0.5计算渗透压力。

认为U3=0。

⑹为方便计算，认为裂隙面与拱端面为同一平面。

⑺缓倾面认定为层面，作用力为1/3面积。

⑻当剪力向上游时，取其值为0。

⑼为偏于安全，未计梁底压力。

4.4计算模型及公式

两坝肩地基特点是层面倾角较缓、裂隙发育且倾角较陡，计算分层稳定时视层面为底滑面，裂隙面为侧滑面。

计算参数请见附图。

计算时按抗剪断K值公式计算，如下：

K=[（N′-U1）f2+（Ws+W-U2）f1+C1Lab]/Q′

式中各符号意义如下：

N′:

拱端作用力在侧裂面上的法向分力，

Q′:

拱端作用力在侧裂面上的切向分力。

Ws:

梁自重。

抗滑岩体自重。

U1:

侧裂面渗透压力。

U2:

底滑面扬压力。

f2:

侧滑面抗剪系数。

f1、C1:

底滑面抗剪断系数。

Lab:

底滑面有效面积。

为提高计算速度，编制了gbwd.bas程序，按上述公式计算各分层K值。

该程序需输入的参数有拱端作用力N、Q，底滑面面积S，侧裂面与拱端径向夹角α及侧滑面长度L，以及底滑面、侧裂面的抗剪、抗剪断参数，各层拱高程及计算工况上游水位。

为偏于安全计算，近似底滑面有效面积Lab等于底滑面面积S的1/3。

U1按前假定规定折减。

N,Q由ADASO程序计算结果而得。

每层K计算均假定不同的几组侧裂面，见附图，计算参数L、S、α等均为从该图上直接量取而得。

4.5计算成果汇总如下表：

（具体数据请见附件）

安全系数成果表

正常水位K

校核水位K

备注

高程

左岸

右岸

左岸

右岸

849.7

55.9

225.8

7.7

93.2

843.0

26.9

166.2

10.5

85.9

827.2

63.5

811.4

17.1

35.1

18.4

39.4

795.6

13.4

16.2

13.9

17.3

779.8

33.5

24.1

36.1

25.3

763.8

23.6

6.9

24.5

7.1

由上表可知，各层拱圈均满足规范要求。

4.6右岸坝肩稳定计算参数

计算采用拱坝坝肩稳定计算程序（GJWD）计算，各项计算参数请见下表：

计算参数表

参数

849.7

843.0

827.2

811.4

795.6

779.8

763.8

110°

40°

20°

90°

6°

90°

（848.87-843）×0.5×34=100

（848.87-827.2）×0.5×28=

303

（848.87-811.4）×0.5×30=

562

（848.87-795.6）×0.5×26=

693

（848.87-779.8）×0.5×38=

1312

（848.87-763.8）×0.5×30=

1277

798/3

=266

652/3

=217

368/3

=123

424/3

=141

261/3

=87

580/3

=193

158/3

=53

2.8×799

=2237

2.8×652

=1826

2.8×368

=1030

2.8×424

=1187

2.8×261

=731

2.8×580

=1624

2.8×158

=443

0.85

0.65

798

652

368

424

261

580

158

推力H（I）

一

-6.4

293.8

907.3

1645.2

2368.8

2414.7

1243.5

二

1581.5

1480.2

1158.0

1595.9

2270.1

2167.8

959.8

剪力V（I）

一

4.3

16.2

233.4

667.9

1299.6

1781.9

2478.3

二

497.5

1166.9

1617.8

2245.2

C（I）

40.64°

40.72°

41.44°

41.31°

42.22°

45.27°

66.42°

P（I）

0，1

备注：

工况一为正常蓄水位+温降；工况二为校核洪水位+温升。

本计算成果为分层稳定的计算结果。

4.7左岸坝肩稳定计算

计算采用拱坝坝肩稳定计算程序（GJWD）计算，各项计算参数请见下表：

计算参数表

参数

849.7

843.0

827.2

811.4

795.6

779.8

763.8

70°

165°

160°

90°

6°

90°

（848.87-843）×0.5×8=230

（848.87-827.2）×0.5×9=

（848.87-811.4）×0.5×11=

206

（848.87-795.6）×0.5×11=

293

（848.87-779.8）×0.5×22=

760

（848.87-763.8）×0.5×27=

1149

74/3

=25

100/3

=33

141/3

=47

204/3

=68

227/3

=76

731/3

=244

620/3

=207

2.8×74

=207

2.8×100

=280

2.8×141

=395

2.8×204

=571

2.8×227

=636

2.8×731

=2047

2.8×620

=1736

0.85

0.65

100

141

204

227

731

620

推力H（I）

一

-138.0

531.1

1119.3

1642.8

2157.3

2231.6

1084.2

二

1653.2

1591.7

1105.7

1582.3

2131.6

2038.5

835.2

剪力V（I）

一

11.6

184.3

480.1

860.4

1494.9

2117.0

二

351.2

751.9

1347.5

1915.2

C（I）

41.62°

42.64°

43.21°

40.93°

39.63°

44.97°

66.42°

P（I）

0，1

备注：

工况一为正常蓄水位+温降；工况二为校核洪水位+温升。

本计算成果为分层稳定的计算结果。

5消能计算（溢流坝设计）

5.1已知：

正常高水位848m，校核洪水位848.87m，设计洪水位848.35m，溢流堰顶高程843m，堰上设闸，溢流净宽3×10=30m，设计参照规范《SD145—85》。

5.1.1定型设计水头

Hs=0.8Hmax=0.8×（848.87－843）=0.8×5.87=4.696m

取4.7m。

5.1.2溢流曲线

O点上游采用椭圆曲线，

a≈0.28～0.3，取a=0.3；

由a/b=0.87+3a得到b=0.169m，则有：

aHs=0.3×4.7=1.41m，取aHs=1.5m；

bHs=0.169×4.7=0.797m，取bHs=0.8m。

故椭圆方程式为：

O点下游曲线按

xn=KHsn-1y

x1.85=2×4.70.85y

得到：

y≈0.1342x1.85

5.1.3切点按y`=1即是取θ1=45°

对该点找切线，通过求导得：

y`=0.24827x0.85

y`=1则xc=5.151

则yc=2.784m

取θ1=45°θ2=16°

5.1.4取半径为6m

则xA=6（sinθ1+sinθ2）+xc=6×（sin45°+sin16°）+5.151=11.047m

yA=6（cosθ2－cosθ1）+yc=6×（cos16°-cos45°）+2.784=4.309m

鼻坎高程为：

843.0－4.309=838.691m

采用倒悬堰顶

d＞Hzmax/2=（848.87-843.0）/2=2.935m，最后取值为3.6m

5.1.5消能工计算

已知：

校核洪水位848.87m，相应下游水位790.61m，校核最大泄量853m3/s；设计洪水位848.35m，相应下游水位788.64m，

校核最大泄量494m3/s；

溢流净宽30m。

计算情况请见下表：

消能工计算表

计算工况

校核洪水位

设计洪水位

单宽流量q=（Q/b）

展开阅读全文