武水水工毕业设计计算说明书水利工程毕业设计.docx
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武水水工毕业设计计算说明书水利工程毕业设计
第一章调洪演算
（1）基本资料
水位-容积曲线（见蓝图）；
实测洪水过程线（见蓝图）；
各类型洪峰值（见2.2.3节）
正常（设计）洪水重现期1000～500年对应频率：
0.1%～0.2%
非常（校核）洪水重现期5000～2000年对应频率：
0.02%～0.05%
（2）限制条件
起调水位:
175.8m，对应流量824.7m3/s；
参加泄洪的不包括放空流量,要求计入发电的流量；
最大的下泄流量不得大于安全泄量,设计和校核分别为2000m3/s2500m3/s；
（3）设计和校核洪水过程线的推求
设计洪水过程线取频率为0.1%的洪水，期洪峰4750m3/s；校核洪水过程线取0.02%，对应洪水期洪峰5600m3/s。
利用按峰控制的同倍比放大法对典型洪水放大得设计校核洪水过程线。
设计洪水放大系数：
；
校核洪水放大系数：
；
可得设计和校核洪水过程线如图1-2所示
图1-1溢流堰顶形式
（4）演算方案拟订
①泄洪方式:
采用表孔式泄洪；
②拟订演算方案（闸孔宽度和数量）
取允许单宽流量:
[q]=70m3/s;
溢流前净宽:
堰上水深H0根据公式
推求
则H0=10.28m
堰顶高程
Z堰顶=Z限-H0=181.20-10.28=170.92m
闸门高
h=Z正常-Z堰顶=178.00-170.92=7.08m取7米
根据以上基本尺寸现拟订两个方案:
Ⅰb=11mn=3堰顶高程170.92
Ⅱb=12mn=3堰顶高程170.92
（5）计算工况
计算工况分为校核和设计两种。
（6）计算方法
计算方法：
试算法。
由于试算过于复杂且均为重复性计算，考虑用电算。
（7）调洪演算试算法过程
①根据库容曲线Z-V（见蓝图），的拟订的泄洪建筑物形式、尺寸，用水力学公式确定算Q-Z关系为
;
②分析确定调洪开始时的起始条件，即起调流量824.7m3/s;
③利用水量平衡式和蓄泄曲线，按试算法列表解算各是段时段末的q2、V2。
即求解满足方程式
所对应的q2、V2；
④将入库洪水Q-t和计算的q-t点绘在一张图纸上，二者的交点即为所求的下泄洪水流量最大值qm；
⑤根据公式
即可求得此时对应的水头H和上游水位Z。
（8）计算及其结果
根据上面的计算方法，编写程序TBD，编写语言为c。
源代码及输入数据见附录三
将计算结果列于下：
①计算工况：
设计情况下，3孔，每孔11米。
表1-1调洪演算表一
可知最大下泄流量出现在70-75h之间，用直线内插法计算得最大下泄流量为1900.3m3/s,考虑电站的下泄流量为qmax=1900.3+2400×0.7=2068.3m3/s〉2000m3/s，不满足安全下泄流量的要求。
②计算工况：
校核情况下，3孔，每孔11米。
表1-2调洪演算表二
可知最大下泄流量出现在70-75h之间，用直线内插法计算得最大下泄流量为2164.3m3/s,考虑电站的下泄流量为qmax=2164.3+2400×0.7=2332.3m3/s〈2500m3/s，满足安全下泄流量的要求。
③计算工况：
设计情况下，3孔，每孔12米。
表1-3调洪演算表三
可知最大下泄流量出现在70-75h之间，用直线内插法计算得最大下泄流量为1830.84m3/s,考虑电站的下泄流量为qmax=1830.84+2400×0.7=1998.84m3/s〈2000m3/s，满足安全下泄流量的要求。
④计算工况：
校核情况下，3孔，每孔12米。
表1-4调洪演算表四
可知最大下泄流量出现在75-80h之间，用直线内插法计算得最大下泄流量为2110.66m3/s,考虑电站的下泄流量为qmax=2110.66+2400×0.7=2278.66m3/s〈2500m3/s，满足安全下泄流量的要求。
（7）调洪演算结果及其分析
将上述结果整理为下表
表1-5调洪演算成果
方案
孔宽（m）
起调流量
类型
qmax（m3/s）
vmax（（m3）
zmax（m）
qmax+q电
方案一
36
804.51
校核
2110.66
15.6
180.13
2278.66
设计
1830.84
15.1
179.3
1998.84
方案二
33
979.55
校核
2164.3
16.2
180.74
2332.3
设计
1900.3
15.45
179.84
2068.3
图1-2洪水过程线
1-典型洪水过程线
2/3-设计/校核洪水来水过程线
4/5-设计/校核下泄洪水过程线
在考虑设计和校核允许下泄流量的情况下,只有方案二方能满足限制条件，选用该方案，即3个孔,每孔12米的方案。
并绘制该工况下的洪水过程线如图1-2所示。
第二章非溢流坝设计计算
2.1坝高的计算
坝顶高出静水面
Δh=2h1+h0+hc
2h1——波浪高度
校核时，V=15m/s2h1=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×155/4×31/3=0.71m
设计时，V=30m/s2h1=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×305/4×31/3=1.68m
h0——波浪中心线高出静水位高度
校核时，2L1=10.4×（2h1）0.8=10.4×1.710.8=7.91m
设计时，2L1=10.4×（2h1）0.8=10.4×1.680.8=15.75m
图2-1非溢流坝形式
hc——安全超高，根据坝的等级为一等知：
校核时，hc=0.4m；设计时，hc=0.5m。
由以上可得坝顶超高为：
校核时Δh=2h1+h0+hc=0.71+0.2+0.4=1.31m
设计时Δh=2h1+h0+hc=1.68+0.56+0.5=2.74m
则确定坝顶高程为：
校核时Z坝顶=180.13+1.31=181.44m
设计时Z坝顶=179.3+2.74=182.04m
取其中大者即182.04m,作为坝顶高程（如图2-1所示）。
2.2坝挡水坝段的稳定及应力分析
2.2.1手算部分（单位：
吨•米）
（1）基本原理及计算公式
①抗滑稳定分析主要就是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。
主要计算方法有两种：
抗剪断强度公式（Ksh）抗剪强度公式（Ksl）。
此工程属于大
（一）型工程，因此采用抗剪断强度公式。
抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数为：
K′=
б
式中f′——抗剪断摩擦系数；
c′——抗剪断凝聚力；KN/m2
A——滑动面面积；m2
U——作用于滑动面上的扬压力；
∑H——作用于滑动面上坝体的力在水平方向的投影的代数和；
∑V——作用于滑动面上坝体的力在垂直方向的投影的代数和。
②设计的坝体断面需要满足规定的应力条件：
在基本荷载组合下，重力坝坝基面的最大垂直正应力应小于坝基允许压应力，最小垂直正应力应大于零；对于坝体应力，在基本荷载组合下，下游面最大主压应力不大于混凝土的允许压应力值，上游面的最小主压应力应大于零。
图2-2坝体荷载示意图
（2）计算工况
在这里分两种工况进行计算：
设计洪水位+扬压力；设计洪水为+扬压力。
（3）基本资料
坝基高程：
Zj=136坝顶高程：
Zd=182.04坝顶宽度：
B=6
上游折坡点：
Zuz=151坡度：
n=0.2
下游折坡点：
Zdz=172.67坡度：
m=0.7
淤沙高程：
Zs=151.5
水的容重：
γ0=1混凝土容重：
γc=2.4泥沙浮容重：
γs=0.4
排水管距上游坝面距离：
Lp=9.5渗透折减系数：
α=0.3
设计时，浪高：
hl=1.68浪长：
ll=15.75波浪中心高：
zl=0.56
上游水位：
zu=179.3下游水位：
zd=146.58
校核时，浪高：
hl=0.71浪长：
ll=7.91波浪中心高：
zl=0.2
上游水位：
zu=180.13下游水位zd=147.13
抗剪断摩擦系数：
f′=0.8抗剪断凝聚力：
c′=51.02
坝基长度：
l=36.169
（4）基本荷载及其力臂计算
为了方便计算，将个别力按如图所示的虚线切割。
计算过程列于表2-1。
表2-1坝体基本荷载计算表
计算公式
荷载值（P）
力臂（L）
设计
校核
设计
校核
自重
W1=
•（Zuz-Zj）2•n•γc
54
15.085
W2=（Zd-Zj）•B•γc
662.976
10.585
W3=
•（Zdz-Zj）2•m•γc
1129.54
-0.972
W=W1+W2+W3
1873.51
扬压力
U1=
•Lp[（zu-zj）+α•（zu-zd）+（zd-zj）]•γ0
302.56
36.17
-13.904
-13.896
U2=
（l-lp）[α（zu-zd）+2（zd-zj）]•γ0
413.05
309.51
3.341
3.382
U=U1+U2
715.61
428.84
上
游
水
P1=
（zu-zj）2•γ0
937.45
973.73
-14.433
-14.71
P2=
（zu-zuz+zu-zj）•（zuz-zj）•n
161.1
168.84
15.992
15.989
泥沙
P3=
（zs-zj）2•γs
48.05
-5.167
P4=
（zs-zuz+zs-zj）•（zuz-zj）•n•γs
14.4
16.538
下
游
水
P5=
（zd-zj）2•γ0
55.97
61.94
3.527
3.71
P6=
（zd-zj）2•mc
39.18
43.36
-17.027
-15.488
浪
8.82
1.80
-43.36
-44.13
总和
水平力ΣH=P1+P3-P5+Pl
961.64
铅直力ΣV=W+P2+P4+P6
2096.11
注：
力臂和力矩同号（逆时针为正）
（5）稳定分析
抗滑稳定安全系数为
设计时：
>3.0
校核时：
>2.5
均符合稳定要求。
（6）应力分析
①垂直正应力σyu和σyd
式中：
ΣW——作用在计算截面以上全部荷载的垂直分力总和。
设计时：
ΣW=ΣV-U=1372.59;
校核时：
ΣW=ΣV-U=1357.76;
ΣM——作用在计算截面以上全部荷载的对截面形心的力矩总和。
设计时：
ΣW=ΣP•L=-7445.75;
校核时：
ΣW=ΣP•L=-7912.79;
T——坝体计算截面沿上下游方向的长度，T=l=36.169。
带入求得：
设计时：
σyu=3.80σyd=72.10
校核时：
σyu=1.25σyd=73.83
均未出现负值（拉应力），符合应力要求。
②剪应力τu，τd
设计时：
τu=（p-σyu-puu）n=（43.3-3.80-43.3）×0.3=1.14
τd=（σyd+pud–p′）m=（72.10+10.58-10.58）×0.7=50.47
校核时：
τu=（p-σyu-puu）n=（44.13-1.25-44.13）×0.3=0.375
τd=（σyd+pud–p′）m=（73.83+11.13-11.13）×0.7=51.681
③水平正应力σxu,σxd
设计时:
σxu=（p-puu）-（p-σyu-puu）n2=（43.3-43.3）-（43.3-3.80-43.3）×0.32=0.342
σxd=（p′-pud）+（σyd+pud-p′）m2=（10.58-10.58）-（72.10+10.58-10.58）×0.72=35.329
校核时：
σxu=（p-puu）-（p-σyu-puu）n2=（44.13-44.13）-（44.13-1.25-44.13）×0.32=0.1125
σxd=（p′-pud）+（σyd+pud-p′）m2=（11.13-11.13）-（73.83+11.13-11.13）×0.72=36.177
④第一主应力σp1u,σp1d
设计时:
σp1u=σyu（1+n2）-（p-puu）n2=3.8（1+0.32）-（43.3-43.3）0.32=4.412
σp1d=σyd（1+m2）-（p′-pud）m2=73.83（1+0.72）-（10.58-10.58）0.72=110.0
校核时:
σp1u=σyu（1+n2）-（p-puu）n2=1.25（1+0.32）-（44.13-44.13）0.32=1.3625
σp1d=σyd（1+m2）-（p′-pud）m2=72.10（1+0.72）-（11.13-11.13）0.72=107.429
⑤第二主应力
设计时:
σp2u=p-puu=43.3-43.3=0
σp2d=p′-puu=10.58-10.58=0
校核时:
σp2u=p-puu=44.13-44.13=0
σp2d=p′-puu=11.13-11.13=0
（5）成果分析
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。
2.2.2电算部分（其中单位均为吨•米）
（1）计算工况：
正常洪水位+扬压力；设计洪水位+扬压力；校核洪水位+扬压力。
（2）输入及输出数据参见附录二
（3）计算结果整理及分析。
将计算结果整理如表2-2所示。
表2-2应力计算（电算）成果整理表
①计算工况:
正常水位+扬压力
高程
σx
σy
τxy
σ1
σ2
min
max
min
max
min
max
min
max
min
max
172.67
0
15.83
8.4
32.31
0
22.62
8.4
48.14
0
0.31
165
0
11.38
21.29
23.23
0
16.26
21.29
34.62
0
7.51
158
0
16.23
21.96
33.13
0
23.19
49.37
21.96
0
11.90
151
0
21.17
0.2
22.48
0
32.12
21.69
68.36
0
16.13
143
0
29.17
15.53
59.52
-3.64
41.66
16.62
88.68
0
14.37
136
6.54
32.96
9.97
67.27
-1.13
47.09
10.31
100.23
0
10.84
②计算工况:
设计水位+扬压力
高程
σx
σy
τxy
σ1
σ2
min
max
min
max
min
max
min
max
min
max
172.67
0
18.74
1.43
38.24
0
26.77
1.43
56.98
0
0.76
165
0
14.48
14.25
29.54
0
20.68
14.25
44.02
0
0.95
158
0
19.50
14.66
39.80
0
27.86
14.66
59.30
0
11.43
151
0.2
25.87
14.20
52.79
0
36.95
14.2
78.66
0
14.53
143
3.89
31.66
8.80
64.61
-1.62
45.23
9.29
96.27
0
10.99
136
5.96
35.45
3.55
72.35
0.80
50.65
6.2
107.80
0
8.51
③计算工况:
校核水位+扬压力
高程
σx
σy
τxy
σ1
σ2
min
max
min
max
min
max
min
max
min
max
172.67
0
17.98
2.31
36.70
0
25.69
2.21
54.68
0
0.93
165
0
14.65
13.43
29.90
0
20.93
13.43
44.55
0
7.78
158
0
20.23
12.77
41.29
0
28.90
12.77
61.52
0
11.08
151
0.2
26.95
11.64
54.99
0
38.49
11.64
81.94
0
13.47
143
3.64
32.53
6.02
66.39
-0.7
46.47
6.26
98.92
0
9.27
136
5.72
36.38
0.83
74.25
1.61
51.98
6.2
110.64
0.34
7.27
注：
max代表最大值；min代表最小值；表中单位均以吨.米计。
并绘制应力分布图及主应力分布图如图2-3和2-4。
从以上成果及程序的输出结果中可以看出坝体内部应力条件良好：
没有出现应力为负值的，即拉应力的情况，也没出现压应力超过混凝土极限承载能力的情况。
图2-4主应力分布图
图2-3应力分量分布图
第三章溢流坝设计计算
3.1堰面曲线
溢流坝顶部溢流曲线，应使水流平顺的通过堰顶，在堰面不产生过大的负压，溢流能力较大。
我国先行规范推荐采用WES曲线，其曲线方程（在上游面垂直时）为：
图3-1WES曲线体型
式中：
x,y——堰顶曲线的水平和垂直坐标，原点为堰顶的最高点；
Hs——定型设计水头，按堰顶最高水头的75～95%计算
Hs=80%（180.13-170.92）=7.37
则WES曲线为
图3-2堰顶椭圆体型
WES曲线原点上游采用1/4椭圆曲线，其方程为：
式中：
a,b——因为上游面垂直，所以，a=0.3,
hs——定型设计水头，在这里为7.37m
所以带入得椭圆曲线方程为
3.2中部直线段设计
溢流坝的中部为直线段，要求和非溢流坝的基本三角形的下游边相重合，上端和堰顶曲线相切，下端和反弧相切，坡度和非溢流坝保持一致，为1：
0.7。
其作用是使水流平顺的按要求的消能方式与下游水位衔接。
下面求WES曲线和直线段切点。
由于曲线和直线相切，那么切点处WES曲线的导数的值为1/0.7。
对WES求导，
y′=（0.0915x1.85）′=0.169x0.85=1/0.7
由此求得切点位于（12.3,9.5）
3.3下游消能设计
（1）消能形式：
连续式的挑流鼻坎；
（2）要求结果：
挑射角、鼻坎高程、反弧半径；
（3）基本要求：
①连续式的挑流鼻坎的挑射角，根据我国的工程实践经验，以20°～25°为宜，定采用25°的挑射角。
②鼻坎高程以高于下游水位1～2米为宜。
初可将坎底最底点高程定为下游最高水位，即下游校核水位147.13米，可以保证鼻坎的高程高出下游水位少许。
③鼻坎反弧段半径R以8～12倍的hc为宜，hc为鼻坎上的水深，定为R=8hc.
（4）计算过程：
下面求鼻坎最低点处的水深。
建立该坝段水流的能量方程（图中0-0至1-1断面）：
图3-3溢流坝能量分析简图
式中：
E0=180.13-147.13=33m
Φ——流速系数，对于该枢纽为中等长度的溢流面，取为0.95
Vc——该断面流速
hc——该断面处水深
带入得：
——Ⅰ
断面流速
式中：
q——该处单宽流量，q=Q/B=2110.66/（36+2×3）=50.25m3/s
即
——Ⅱ
联列Ⅰ、Ⅱ两式解得：
Vc=23.36m/s
hc=2.15m
则反弧段半径为R=8hc=8×2.15=17.21m
鼻坎高程为147.13+R（1-cosθ）=147.13+17.21×（1-cos25）=147.13+1.61=148.74m
高出下游水位1.61米，满足要求。
综上，拟订的挑流消能的鼻坎型式为连续式鼻坎；反弧半径R=17.21m；挑射角度θ=25°；鼻坎高程顶部148.74m。
3.4水力校核
（1）计算工况：
校核工况和设计工况。
（2）基本原理：
鼻坎设计完毕后，还需验算该挑流消能是否会危及建筑物的安全，常用冲坑上游坡做为标准，即：
式中tk——冲坑深度（米）；
L——冲坑最深深度距建筑物距离；
i——冲坑上游坡；
ic——安全临界坡，可取1/3～1/4。
（3）计算过程
①校核情况下
挑距计算：
式中：
L——水舌抛距，按水舌外缘计算（m）
v1——坎顶水面流速，
θ——鼻坎挑射角，θ=25°
q——鼻坎处的单宽流量，q=50.25m3/s
h1——坎顶垂直方向水深，h1=hc/cosθ=2.15/cos25=2.37m
h2——坎顶与河床间的高差，h2=148.74-136=12.74m
带入计算得：
L=75.15m
冲刷坑计算：
式中：
α1——冲坑系数，由于该枢纽地基岩石完整坚硬，取1.0
q——单宽流量，q=50.25
H——上下游水位差，H=180.13-147.13=33m
带入计算：
tk=1.0×50.250.5×330.25=16.99m
冲坑上游坡
满足要求。
②设计情况下
挑距计算：
式中：
L——水舌抛距，按水舌外缘计算（m）
v1——坎顶水面流速，
θ——鼻坎挑射角，θ=25°
q——鼻坎处的单宽流量，q=43.59m3/s
h1——坎顶垂直方向水深，h1=hc/cosθ=1.82/cos25=2.01m
h2——坎顶与河床间的高差，h2=148.74-136=12.74m
带入计算得：
L=77.167m
冲刷坑计算：
式中：
α1——冲坑系数，由于该枢纽地基岩石完整坚硬，取1.0
q——单宽流量，q=43.59
H——上下游水位差，H=179.3-146.58=32.72m
带入计算：
tk=1.0×43.590.5×32.720.25=15.791m
冲坑上游坡
满足要求。
（4）成果分析
在校核和设计两种工况下，前面设计的消能可以满足安全要求。
3.5WES堰面水面线计算
（1）水面线计算的目的
闸墩高度的设计、导墙高度、弧形闸门门轴高程的确定都需要知道溢流面的水面线。
（2）基本资料
WES曲线为
，堰顶高程170.92，直线段坡度1：
0.7。
定型设计水头Hd，按堰顶最高水头的75～95%计算Hd=80%（180.13-170.92）=
7.37m。
校核水位：
180.13m。
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