拱坝课程设计.docx
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拱坝课程设计
《水工建筑物课程设计》
学院：
土木工程学院
专业名称：
水利水电工程
学号：
1108070222
姓名：
余官荣
指导老师：
邹爽老师
提交时间：
2015年1月6日
拱坝课程设计
一、目的
1、学会初拟拱坝尺寸的方法；
2、掌握拱坝坝肩稳定计算和应力计算；
3、进一步认识拱坝的结构特点。
二、基本资料
（一）、水文、气象及泥沙资料
某水库所在流域属亚热带季风湿润气候，立体带状气候明显，其特点是“冬长夏短，春秋相连、雨热同季、干湿分明”。
流域内无气象观测资料，其气象资料参照威宁县气象站资料：
多年平均气温10.4℃，最冷月1月平均1.9℃，最热月7月平均17.7℃，极端最高气温30.6℃（1963年5月29日），极端最低气温-15.3℃（1977年2月9日）。
年平均相对湿度80%，最大在秋季，达85%左右，最小在春季，在73%上下，全年平均雾日数76.0d，年平均日照时数1805.4h，为贵州全省各县之冠。
全年无霜期208.6d，大风日数29.3d，冰雹日数2.6d，雷暴日数66.4d，雾日天数83.7d，降雪日数32.2d，最大积雪深度27cm。
多年平均风速3.2m/s，最大风速20.7m/s，全年以SE（东南风）风为多，频率为17%。
流域水汽主要来自印度洋孟加拉湾，由于地势较高，多年平均相对湿度较其它地区低。
流域内地表径流主要来自降雨，但降雨时空上分布不均，大多集中在每年5～10月，降雨量占全年降雨总量的80-90%。
暴雨一般出现在5～10月，日降雨量大于100mm的暴雨主要出现在6～8月，汛期比其他地区出现晚，降雨量较其它地区少，根据威宁县气象站历年实测资料统计：
多年平均降雨量为909.7mm，丰水期（5～10月）平均降雨量795.4mm，占全年降雨量的87.7%，枯水期（11月至次年4月）平均降雨量114.3mm，占全年降雨量的12.3%，最大一日降水量为105.9mm（1984年7月23日），降水量≥0.1mm的日数193d，降水量≥10.0mm的日数28d，降水量≥25.0mm的日数7d，降水量≥50.0mm的日数1.3d，多年平均水面蒸发量为1282.5mm（20cm蒸发皿）。
吹程为600米。
（二）特征水位
表5-5主要建筑物特征水位及流量
序号
部位
项目
单位
数量
备注
1
水
库
校核洪水位（P=0.2%）
m
1892.71
2
设计洪水位（P=2%）
m
1892.5
3
正常蓄水位
m
1892.5
4
死水位
m
1885.8
5
校核洪水位最大下泄流量
m3/s
756
6
相应下游水位
m
1862.86
7
设计洪水位最大下泄流量
m3/s
362
8
相应下游水位
m
1861.29
9
淤沙高程
m
1876.25
（三）、地质资料
1、地形地貌
下坝址河谷深切，为横向谷，河流由SE（东南）向转向NE（东北）向。
两岸坡山体地形坡度较陡，其中在1890m高程以下地形坡度较陡，基岩裸露；上部地形稍缓，为坡耕地、林地和荒坡，残坡积层厚度最大达10m，一般3～5m；地形为浅切中山地形，河谷地形呈较宽缓的“V”形谷，河床冲积层厚度达8.8m。
右岸坡在1889.5m高程修建有一条通乡油路，宽9m左右。
两岸地貌主要为侵蚀切割形成的尖棱状山脊地貌，为侵蚀构造类型。
下坝址河面高程1858.60m，河面宽43m；坝线位置河谷地形在1894.5m高程时宽高比为3.0，下坝址河流位于二塘向斜北东翼，靠二塘向斜轴部发育。
坝址区右岸坡上游80m位置发育一条小溪沟（即锅厂小河），为下切侵蚀型溪沟，锅厂小河交汇口高程1859.0m，溪沟地形随着山体地形的抬高，溪沟河床在1890m高程以下基岩裸露，基本上无冲积层，两岸多为耕地和林地，残坡积层厚度不大，一般为3m左右。
3、地层岩性
下坝址出露基岩地层主要为二叠系上统峨嵋山玄武岩组（P2β）玄武岩，地层总体倾向河床下游，其在坝址区分布特征是坝址地形与岩层之间构成横向河谷。
综合槽探、硐探、钻探和地表地质勘察资料，坝址区左右岸坡残坡积层厚度达3～5m，局部地段深达10m，河床上第四纪冲积覆盖层厚度为8.8m左右。
某水库下坝址的岩土层具体构成情况如下：
（1）二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2β）：
厚度10～1294m。
属岩浆岩地层，主要为暗绿、暗灰蓝、油绿色细粒玄武岩、拉斑玄武岩，上部夹一层厚度4～6m的玻屑凝灰岩，在1858.6～1866m高程夹有2至3层厚度3～8cm的软弱夹层，为铁质粘土岩或铜质凝灰岩。
玄武岩新鲜岩石坚硬，但表面易风化成碎块状，坝基岩体工程地质分类为中硬岩，属于BⅢ1类。
（2）第四纪覆盖层（Q4）：
在河谷两岸坡上为残坡积层，成分为褐黄褐色的含碎石粘土。
河床上为冲积层，成分为块石、碎石、沙卵石、砂砾石、细粉沙和少量淤泥等组成。
4、地质构造
下坝址位于二塘向斜北东翼。
坝址区玄武岩为岩浆岩，属喷出岩，岩层无产状，主要结构面为不同时期玄武岩喷出的流层理层面，玄武岩流层理层面倾向与早期下部沉积岩的成层方向一致，总体倾向河床上游偏右岸。
在下坝址无区域性断裂地质构造发育通过。
但在下坝址锅厂小河左岸和水库右岸的山坡上发育有次生F1张性断层（不明原因断层），向库区上游延伸，总体走向为北西走向，倾角近直立，北西端延伸到库区上坝址和下坝址之间，南东端直抵库区内炉山镇尖山附近，长约800m左右。
该断层断距一般为0.5m，未见破碎带。
下坝址玄武岩中节理裂隙发育，发育密度较高，在河谷左右岸按勘察规范要求统计的节理裂隙产状见表3-4-3。
主要有两个方向发育，第一组节理裂隙产状为走向170°，倾向260°，倾角为70～80°或近直立；第二组节理裂隙产状为走向65～80°，倾向155～170°，倾角近直立。
节理裂隙向下延伸深度大，大部分节理裂隙内无充填物，呈闭合状，向下延伸到微风化和新鲜基岩后，裂隙逐渐尖灭，少数节理裂隙内偶有充填物。
地表岩层呈强风化状，岩体一般较破碎，多呈块状。
2、坝址地质资料
经取样试验，结合有关工程经验类比，参考有关设计规范，地质专业提出了岩石（体）物理、力学参数，见表5-2～表5-4。
表5-2坝基岩体力学性质参数
名称
项目
玄武岩
（强风化）
玄武岩
（弱风化）
玄武岩
（微风化）
凝灰岩
（强风化）
抗压强度
Rc（MPa）
15
75
75
10
抗拉强度
σt（MPa）
1.5
3.5
4.5
1.2
弹性模量
Ee（GPa）
7
7.6
35
2
泊松比
μ
0.29
0.28
0.27
0.33
承载力标准值
[R]（MPa）
1.5
2.5
4.0
0.7
岩石与岩石抗剪强度
f
0.48
0.53
0.63
0.38
C（MPa）
岩石与岩石抗剪断强度
f＇
0.55
0.75
1.0
0.45
C＇（MPa）
0.3
0.65
0.85
0.15
砼与岩石抗剪强度
f
0.42
0.50
0.55
0.35
C（MPa）
砼与岩石抗剪断强度
f＇
0.7
0.85
0.9
0.40
C＇（MPa）
0.35
0.45
0.75
0.15
表3-4-12坝基结构面力学参数
强风化玄武层面抗剪强度
f
0.3
C（MPa）
弱风化玄武岩层面抗剪强度
f
0.45
C（MPa）
微风化玄武岩层面抗剪强度
f
0.55
C（MPa）
玄武岩陡倾结构面抗剪强度
f
0.3
C（MPa）
f
0.27
C（MPa）
强风化玄武岩层面抗剪断强度
f
0.48
C（MPa）
0.20
弱风化玄武岩层面抗剪断强度
f＇
0.60
C＇（MPa）
0.35
微风化玄武岩层面抗剪断强度
f＇
0.8
C＇（MPa）
0.50
玄武岩陡倾结构面抗剪断强度
f＇
0.4
C＇（MPa）
0.1
玄武岩层间软弱夹层抗剪断强度
f＇
0.35
C＇（MPa）
0.05
大坝抗滑稳定计算的物理力学参数表
项目名称
单位
数值
项目名称
单位
数值
砼容重γc
kN/m3
24
基岩抗压强度fR
MPa
75
水容重γw
kN/m3
10
砼/基岩摩擦系数f（固接灌浆后）
0.55
淤沙浮容重γsb
kN/m3
8
砼/基岩凝聚力C＇（固接灌浆后）
MPa
0.8
淤沙高度Hs
M
31.52
渗透压力强度系数α
0.25
砼抗压强度fk
MPa
25.4
淤沙内摩擦角φ
度
30
（四）附坝址处地形图及地质剖面图（见CAD图）
三、要求
1、拟定坝体尺寸，进行拱坝稳定计算及应力计算；
2、提交成果
（1）设计计算及说明书。
（2）拱坝非溢流坝段剖面图，溢流坝段剖面图；
（3）拱坝平面布置图及下游立视图。
拱坝课程设计计算书
1、确定开挖高程：
根据坝高小于50米时，可建在弱风化中下部至上部基岩上，及其他相关条件，选择坝底高程为1844m。
水位高程（m）
相应坝前水深（m）
正常蓄水位
1892.5
48.50
设计洪水位
1892.5
48.50
校核洪水位
1892.71
48.71
2、确定坝高：
①设计洪水位、正常蓄水位：
由资料得V0=20.7m/sD=0.6km
安全加高：
防浪墙顶高程：
1892.5+1.347=1893.84m
②校核洪水位：
安全加高：
防浪墙顶高程=1892.71+1.247=1893.94m
选择较大防浪顶高程所以坝高H=49.94m
3、拱冠梁设计
1.根据资料得：
坝顶厚度
取4m，坝底高程为1844m，溢流堰顶高程为1888m，所以坝的计算高度
2.坝底厚度
：
根据所打剖面的开挖线可得W为157.5mH=44m；
3.确定上游面曲线：
由上述可得：
4.厚度曲线：
取5层拱圈；
5.圆心连线的确定：
有资料得，顶拱弦长为157.5m，底拱弦长为25m，以底拱弦长的垂直平分线为界，把拱坝分为左半拱和右半拱，
根据经验，0.4H处的半中心角取
弦长
坝体左岸半边拱的圆心连线：
坝体右岸半边拱的圆心连线：
根据圆心连线图和拱圈弦长图可以在CAD上量出其他各层拱圈的半径和弦长，根据公式
，可以算出其他各层拱圈的半中心角。
高程（m）
Z
坝址距（m）
Tc（m）
XFL（m）
XFR（m）
RcL（m）
RcR（m）
фL（°）
фR（°）
1888
0
7.26
4
76.8
80.7
93.76
105.25
55
50
1877
11
11.45
6.03
60.73
63.65
81.89
89.02
47.9
45.6
1866
22
13.55
8.05
44.65
46.6
66.58
70.15
42.1
41.6
0.4H
26.4
13.86
8.91
38.22
39.78
59.46
61.89
40
40
1855
33
13.76
10.08
28.58
29.55
47.74
48.82
36.8
37.2
1844
44
12.1
12.1
12.5
12.5
25
25
30
30
5.应力计算
由程序算得的各项应力如下，左岸半边拱。
1.正常水位加温降：
拱坝
坝数据
NHB1HB2HSFSMSMH
51892.518441876.25141.31
MCGCECEFKCCSu
2.4-.000011600000760000.025.8.17
高程外半径拱圈厚半中心角坝趾距岸坡角AF坝肩弹模EF
HRTAYAFEF
1888.00107.254.0050.007.2662.35760000
1877.0092.046.0345.6011.4561.72760000
1866.0074.188.0541.6013.5560.66760000
1855.0053.8610.0837.2013.7659.82760000
1844.0031.0512.1030.0012.1059.41760000
温升G=-57.57/（T+2.44）
计算结果
E=2（双向扭转效应）
（1）荷载分配
高程总荷载梁载拱载扭载梁载（震）拱载（震）扭载（震）
HPXXAZXvXAvZv
18884.501.343.34-0.181.793.42-0.13
187715.503.916.175.424.376.405.82
186634.6310.699.2314.7110.949.6915.58
185554.363.0613.9737.332.4414.7339.22
184474.09-10.3614.8569.60-11.2914.8272.94
（2）拱端内力
MaoVaoHaoMaovVaovHaov
-185.146335.79353.5166.526336.30363.36
-695.509787.15539.31-291.729786.89561.54
-1630.6710800.12571.66-1267.1610797.13603.25
-2419.659046.56407.89-2250.719039.44438.58
-830.353103.65-28.81-851.383105.60-26.43
（3）拱应力（T/m^2）（压为正）
拱端拱冠拱端（震）拱冠（震）
SauSadSouSodSauvSadvSouvSodv
19.8158.7125.748.8115.565.6127.850.0
-22.8206.9152.918.846.0142.4154.822.1
-74.5228.1159.7-34.6-38.1197.0160.7-30.0
-93.5194.3135.6-87.5-81.1186.6135.6-83.2
-32.038.929.3-61.6-32.540.128.2-59.4
（4）粱内力
MocVocWocMocvVocvWocv
0.000.000.000.000.000.00
-285.78-28.86170.88-313.24-33.87170.88
-1138.85-109.14392.79-1245.19-118.09392.79
-2443.43-184.79621.46-2645.93-191.73621.46
-2709.19-144.63598.59-2944.31-143.06598.59
（5）梁应力（T/m^2）（压为正）
梁应力梁应力（震）梁自重应力
ScuScdScuvScdvScugScdg
0.00.00.00.00.00.0
-18.978.6-23.683.4-12.757.7
-57.9165.3-68.1176.0-3.285.5
-86.2233.3-99.0247.048.068.5
-67.9213.4-79.1226.6146.42.5
（6）拱冠变位
RorRorv
（7）最大应力
SauSadSouSodScuScd
最大19.8
（1）228.1（3）159.7（3）48.8
（1）0.0
（1）233.3（4）
最小-93.5（4）38.9（5）29.3（5）-87.5（4）-86.2（4）0.0
（1）
***END***
2.设计洪水位加温升：
拱坝
坝数据
NHB1HB2HSFSMSMH
51892.51861.291876.25141.31
MCGCECEFKCCSu
2.4.000011600000760000.025.8.17
高程外半径拱圈厚半中心角坝趾距岸坡角AF坝肩弹模EF
HRTAYAFEF
1888.00107.254.0050.007.2662.35760000
1877.0092.046.0345.6011.4561.72760000
1866.0074.188.0541.6013.5560.66760000
1855.0053.8610.0837.2013.7659.82760000
1844.0031.0512.1030.0012.1059.41760000
温升G=57.57/（T+2.44）
计算结果
E=2（双向扭转效应）
（1）荷载分配
高程总荷载梁载拱载扭载梁载（震）拱载（震）扭载（震）
HPXXAZXvXAvZv
18884.50-3.268.40-0.64-2.828.48-0.58
187715.501.0212.322.161.4812.552.56
186634.6310.0517.397.1910.3117.848.06
185548.074.2324.7919.053.6125.5620.94
184456.80-11.1132.4035.51-12.0332.3738.85
（2）拱端内力
MaoVaoHaoMaovVaovHaov
-67.9815938.64899.17183.6715939.15909.02
-290.4219580.291121.88113.3619580.031144.11
-771.3620479.211236.07-407.8520476.231267.67
-1233.6116387.471159.67-1064.6716380.351190.35
-449.537234.07740.64-470.577236.01743.02
（3）拱应力（T/m^2）（压为正）
拱端拱冠拱端（震）拱冠（震）
SauSadSouSodSauvSadvSouvSodv
199.6250.6238.5210.2295.3157.5240.6211.5
139.2235.1212.6156.6208.0170.6214.5159.8
84.7227.9195.5103.6121.1196.8196.5108.1
46.7193.5163.549.859.1185.8163.554.1
45.283.678.429.244.684.877.231.3
（4）粱内力
MocVocWocMocvVocvWocv
0.000.000.000.000.000.00
-41.7212.37170.88-69.177.36170.88
-311.86-48.52392.79-418.21-57.46392.79
-947.32-127.06621.46-1149.82-134.00621.46
-610.10-89.23598.59-845.22-87.66598.59
（5）梁应力（T/m^2）（压为正）
梁应力梁应力（震）梁自重应力
ScuScdScuvScdvScugScdg
0.00.00.00.00.00.0
22.336.517.641.2-12.757.7
21.682.711.493.4-3.285.5
8.2132.1-4.6145.848.068.5
32.395.721.1108.9146.42.5
（6）拱冠变位
RorRorv
（7）最大应力
SauSadSouSodScuScd
最大199.6
（1）250.6
（1）238.5
（1）210.2
（1）32.3（5）132.1（4）
最小45.2（5）83.6（5）78.4（5）29.2（5）0.0
（1）0.0
（1）
***END***
3.校核洪水位加温升：
拱坝
坝数据
NHB1HB2HSFSMSMH
51892.711862.861876.25141.31
MCGCECEFKCCSu
2.4.000011600000760000.025.8.17
高程外半径拱圈厚半中心角坝趾距岸坡角AF坝肩弹模EF
HRTAYAFEF
1888.00107.254.0050.007.2662.35760000
1877.0092.046.0345.6011.4561.72760000
1866.0074.188.0541.6013.5560.66760000
1855.0053.8610.0837.2013.7659.82760000
1844.0031.0512.1030.0012.1059.41760000
温升G=57.57/（T+2.44）
计算结果
E=2（双向扭转效应）
（1）荷载分配
高程总荷载梁载拱载扭载梁载（震）拱载（震）扭载（震）
HPXXAZXvXAvZv
18884.71-3.148.46-0.62-2.688.54-0.56
187715.711.1212.382.211.5812.612.61
186634.8410.2517.397.2010.5117.848.08
185546.713.2824.6018.842.6525.3620.74
184455.44-11.0831.5734.95-12.0231.5438.31
（2）拱端内力
MaoVaoHaoMaovVaovHaov
-69.3516059.46905.97182.4016059.98915.82
-293.6319675.791127.28110.4319675.551149.53
-771.3420478.891236.05-407.4620475.951267.70
-1215.1916259.271151.77-1046.1916252.201182.51
-427.067052.55728.14-447.947054.48730.51
（3）拱应力（T/m^2）（压为正）
拱端拱冠拱端（震）拱冠（震）
SauSadSouSodSauvSadvSouvSodv
200.8252.8240.5211.7296.5159.7242.5212.9
139.6236.5213.7157.1208.5172.0215.6160.5
84.7227.9195.5103.6121.1196.7196.4108.2
47.0191.5162.050.059.4183.8162.054.3
44.981.476.529.744.482.675.431.9
（4）粱内力
MocVocWocMocvVocvWocv
0.000.000.000.000.000.00
-48.0911.11171.76-75.796.06171.76
-339.93-51.43394.12-447.08-60.44394.12
-995.14-125.84622.83-1199.00-132.81622.83
-603.98-82.92598.73-840.43-81.29598.73
（5）梁应力（T/m^2）（压为正）
梁应力梁应力（震）梁自重应力
ScuScdScuvScdvScugScdg
0.00.00.00.00.00.0
21.337.716.742.5-12.757.7
19.185.78.896.4-3.285.5
5.3135.5-7.5149.348.068.5
32.695.321.31
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