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水工建筑物课程设计-1-第一章工程综合说明1.1工程等别及建筑物级别水电站装机容量20万千瓦，平均发电量5.09亿度。工程建成后，可增加保灌面积50万亩。根据工程的效益、库容、灌溉面积、防洪标准及重要程度等综合因素确定本工程属于Ⅲ等工程，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑为5级。1.2枢纽总体布置本枢纽河谷底宽100米左右，主厂房平面尺寸81×18㎡，根据初步布置，溢流坝段与主厂房并列布置。厂房坝段布置在偏左岸。由于坝址上游30公里处有铁路干线另有公路相通，所以进厂公路布置在左岸便于运送设备。开关站布置在进厂公路一侧。过木筏道布置在右岸，与厂方隔开，以防筏道运行时木材滑落，影响进厂交通。第二章坝型及主要建筑物的型式选择2.1坝型选择坝址地形地质条件：河谷断面比较宽浅，近似梯形。坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，岩层新鲜坚硬完整。筑坝材料：坝区大部分为花岗斑岩,基岩埋深浅,极易开采,在坝址下游勘探有6个沙料场,储量丰富,符合规范要求。但坝址处缺乏筑坝土料。根据以上情况分析如下：拱坝方案：此处河谷断面呈梯形状，不是v字形。没有适宜的地形条件，故该方案不可取。土石坝方案：由于当地缺乏土料，故该方案也不可取。重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝都能充分利用当地的地形地质条件，泄洪问题容易解决，施工导流容易。浆砌石重力坝虽可以节约水泥用量，但不能实现机械化施工，施工速度慢，施工质量难以控制，故此方案也不可取。混凝土重力坝采用机械化施工，施工方便，施工速度快，工期短。综合以上方案：本工程坝型宜用混凝土重力坝。2.2枢纽组成建筑物（1）挡水建筑物：混凝土重力坝（2）泄水建筑物：坝身泄水（3）水电站建筑物：坝后式厂房、引水管道及开关站等（4）其他建筑物：过木筏道等第三章、非溢流坝面设计3.1剖面拟定3.1.1剖面设计原则1、设计断面要满足稳定和强度要求；2、力求剖面较小；3、外形轮廓简单；4、工程量小，运用方便，便于施工。3.1.2拟定基本剖面重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3—1，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根水工建筑物课程设计-2-据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7ψ3.1.3拟定实用剖面一、确定坝顶高程1、超高值Δh的计算（1）基本公式坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。Δh=h1%+hz+hc（3-1）Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；H1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；hc—安全加高，按表3－1采用,对于Ⅲ级工程，设计情况h＝0.4m，校核情况hc＝0.3m。水工建筑物课程设计-3-V为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位和设计洪水位时，采用重现期为50年的最大风速20m/s；校核洪水位时，采用多年平均风速13m/s。D为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时回水长度为4.50km，设计洪水位时回水长度为4.50km，校核洪水位时回水长度为4.00km。波高h1，当gD/V2=20～250时，为累计频率5%的波高h%5；当gD/V2=250～1000时，为累计频率10%的波高h%10规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41。首先计算波浪高度hl和波浪长度L和波浪中心线超出静水面的高度hz。（1）设计洪水位时Δh计算风速采用50年一遇的风速17m/s，吹程D=4.5km。波浪三要素计算如下：波高=0.0166×17（5/4）×4.5（1/3）=0.95m=10.4×0.95(0.8)=9.95m=3.14×0.95×0.95/9.98m=0.28m水工建筑物课程设计-4-9.8×4500/17/17=1521.24×0.95=1.18m；hz=0.28m；hc=0.4mΔh=h1%+hz+hc=1.18+0.28+0.4=1.86m（2）校核洪水位时Δh计算风速采用多年平均风速13m/s，D=4km。波浪三要素计算如下：0.0166×13(5/4)×4(1/3)=0.6510.4×0.65(0.8)=7.373.14×0.65×0.65/7.37=0.189.8×4000/13/13=231=1.24×0.65=0.806m；hz=0.18m；hc=0.3mΔh=h1%+hz+hc=0.806+0.18+0.3=1.29m2、坝顶高程计算坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值坝顶高程=设计洪水位+Δh设坝顶高程=校核洪水位+Δh校（3-5）根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。（1）设计洪水位时的防浪墙顶高程：防浪墙顶高程=设计洪水位+Δh=186.64+1.86=188.5m（2）校核洪水位时的防浪墙顶高程：防浪墙顶高程=校核洪水位+Δh=189.6+1.29=190.89m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽防浪墙顶＝190.9m取防浪墙高1.2米。水库坝顶高程190.9-1.2=189.7m二、坝确定基高程河床高程100m，校核洪水位为189.60m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除。弱风化层厚5.5～6.5m，微风化层厚6～7m，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。初步定出开挖深度6m，通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽94m，因此，最大坝高为95.7m，属于中坝。三、拟定坝顶宽度坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震特大洪水时维护等要求。因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%取值，且不小于2m并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的10%计算，即为9.6水工建筑物课程设计-5-米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为10m，以满足大坝维修作业通行需要。四、拟定剖面尺寸根据规范SL319-2005规定，非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，一般折点取在坝高1/3～2/3附近，取128米。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.2，下游坝坡取1：0.7。五、坝底宽度拟定坝底宽度约为坝高的0.7～0.9倍，本工程的坝高为95.7m，通过已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=73.72m。3.2荷载计算及其组合重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-2所示。水工建筑物课程设计-6-（1）自重W坝体自重的计算公式：W=Vγc（kN）（3-6）式中Ｖ—坝体体积，ｍ3；由于取1ｍ坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图3-3所示的若干个简单的几何图形分别计算重力；γc—坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度24kN/m）水工建筑物课程设计-7-四种情况下自重相同。W11=24×0.5×34×6.8=2774.4kNW12=24×10×95.7=22968kNW13=24×0.5×56.92×81.31=55537.98kNW1=W11+W12+W13=81280.38kN（2）静水压力P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。表3-3不同情况下上下游水深特征水位H上游水深H1（m）下游水深H2(m)上下游水位差(m)正常蓄水位90.259.580.75设计洪水位92.6420.1572.49校核洪水位95.6021.574.10a.正常蓄水位：上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×90.25×90.25=39951.53KN下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×9.5×9.5=442.68KN上游垂直水压力：PV1=9.81×6.8×56.25=3752.33KNPV2=9.81×1/2×6.8×34=1134.04KN下游垂直水压力：PV3=9.81×1/2×9.5×0.7×9.5=309.87KNb.设计洪水位：上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×64.922=42095.54KN下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×15.202=1991.54KN上游垂直水压力：PV1=9.81×6.8×58.64=3911.76KNPV2=9.81×1/2×6.8×34=1134.04KN下游垂直水压力：PV3=W3=9.81×1/2×20.15×21.5×0.7=1394.08KNc.校核洪水位：上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×6.952=44828.56KN下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×5.212=2267.34KN水工建筑物课程设计-8-上游垂直水压力：PV1=9.81×6.8×61.6=4109.21KNPV2=1134.04KN下游垂直水压力：PV3=9.81×1/2×21.5×21.5×0.7=1587.14KN地震情况按正常蓄水位情况考虑。(3)扬压力U根据规范，排水处扬压力折减系数：α=0.25,如图3-3所示，将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。a.正常蓄水位：U1=1/2×10×（80.75-0.25×80.75）×9.81=2970.59KNU2=9.81×0.25×80.75×10=1980.39KNU3=1/2×9.81×0.25×80.75×63.72=6309.50KNU4=9.81×9.5×73.72=6870.34KNU=U1+U2+U3+U4=18127.78KNb.设计洪水位：U1=1/2×10×（72.49-0.25×72.49）×9.81=2666.75KNU2=9.81×0.25×72.49×10=1777.82KNU3=1/2×9.81×0.25×72.49×63.72=5664.10KNU4=9.81×20.15×73.72=14572.34KNU=U1+U2+U3+U4=24681.0KNc.校核洪水位：U1=1/2×10×（74.10-0.25×74.10）×9.81=2726.0KNU2=9.81×0.25×74.10×10=1817.30KNU3=1/2×9.81×