拱坝课程设计

1第一章工程概况1.1坝址地形图及河谷地质剖面图（另附图2张）1.2设计标准本水库总库容2.1千万方。灌溉2万亩，电站装机1万千瓦。工程等级，建筑物等级以及各项控制标准按有关规范自行确定。1.3坝址地形地质条件1．坝址区峡谷呈“V””型，两岸谷坡陡削，高程300米以下较为对称，坡角40—50度。唯右岸自高程300米以上地形转缓变为25~30度。两岸附近山高均超出400米高程以上．河谷底宽11米高程260米，左岸受冲沟切割后山脊较为单薄。2．河床和岸坡有大片基岩课露，距河床高47米范围内形成岩石陡壁。以上为第四纪残、坡积的砂壤覆盖层。厚度左岸2~5米，右岸3—5米，坝址区基岩一般风化不深，剧风化垂直深度，左岸为3~6米，右岸为4~8米，河床为0—3米，微风化或新鲜基岩距地表深度，在320米高程以下：两岸为10—20米，河床为4米左右。坝址区岩性为坚硬致密的花岗岩，较为新鲜完整的物理力学指标甚高，抗压强度1500kg／cm2，岩石容重＝26KN／m3。滑动面上岩石之间的摩擦系数f＝0.65、粘着力c＝2kg／cm2。基岩弹性模量Ef＝（1～4）×105kg／cm2。泊松比＝0.2，坝体混凝土基岩摩擦系数f＝0.65。两岸基岩无成组有规律的节理裂隙存在，主要受F1、F3、F5断裂切割影响。F1断裂切割右岸坝肩，其底板高程在314米，顶底岩层破碎。靠右岸在314米高程以上坝肩稳定须予重视。F3、F5断裂在较接近拱坝坝后通过，在拱座推力作用下，将产生压缩变形因此在拱座推力作用范围内必须给予工程上的处理。3．岩层抗冲刷条件：泄洪建筑物下游高速水流沿程河床和岸坡，基岩基本裸露、岩性坚硬，抗冲刷力强，大部不须抗冲处理，但在靠近坝体部分的岸坡段对断裂破碎带等出露地带必须封闭固结，适当扩大表层固结灌浆。4．区域地震条件；本区地震基本裂度为六度。1.4特征水位经水库规划计算结果、坝址上、下游特征水位如下：P＝0.2%校核洪水位319m，相应尾水位270.5m。P＝2%设计洪水位316.8。相应尾水位269m。2正常高水位316m死水位298m淤砂高程283m。坝顶溢流堰堰顶高程310.2m坝顶高程320m1.5荷载及荷载组合荷载应按实际情况进行分析，决定计算内容、荷载组合根据实际情况分析选取二种控制性的组合进行设计计算。有关荷载资料及设计系数如下，未经列出者由设计人自行拟定。1．坝体自重，混凝土容重＝24KN／m3。2．上游砂压力，泥砂干容重g＝14KN／m3，空隙率n＝0．4，淤砂内摩擦角＝16o。3．温度荷载：均匀温度变化t；按经验公式估算度）(39.3471Tt4．混凝土线膨胀系数＝1×10－5（1/oC）。5．混凝土弹性模量Eh=1.85×105kg／cm2（C10砼）。第二章拱坝布置2.1工程等级的确定已知设计标准，本水库总库容2.1千万方。灌溉2万亩，电站装机1万千瓦。根据SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，将水利水电工程根据其工程规模、效益和在国民经济中的重要性分为五等，见表表1水利水电工程分等指标3根据已知的工程概况，查上表，所以可以确定该工程等别为III级，工程规模为中型。水利水电工程中的永久性水工建筑物和临时建筑物，根据其所属的工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级和三级。见表表2永久性水工建筑物的级别由上面确定的工程等别为III级，查表根据永久性水工建筑物的级别划分可得主要建筑物为3级，次要建筑物为4级2.2拱坝体型选择坝址区峡谷呈“V”型，两岸谷坡陡峭。可选用单曲拱坝或者双曲拱坝。本设计为双曲拱坝。合理的拱圈型式应当是压力线接近拱轴线，使拱截面内的压应力分布趋于均匀。在河谷狭窄而对称的坝址，水压荷载的大部分靠拱的作用传到两岸，采用圆弧拱圈，在设计和施工上都比较方便。近年来，对于建在较宽河谷中的拱坝，为了使拱圈中间部分接近与均匀受压，并改善坝肩岩体的抗滑稳定条件，拱圈型式已由单心圆拱、三心圆拱、椭圆拱、抛物线拱、和对数螺旋拱。本设计采用等截面圆弧拱圈。2.3坝高确定已知坝体高程为320m，河谷高程为260m，河谷底部强分化层的厚度为3.59m，为满足大坝底部应力要求，将河谷底部开挖至256m，则可以确定大坝的高度为mHHH64256320底顶，同时可以确定大坝的开挖线如图：4图1开挖线示意图2.4拟定圆心角与坝轴线半径轴R根据以上坝址地形图和地质剖面图，量出在每个高程处地面线与开挖线之间的距离，由原来的坝址地形图上的对应的等高线沿着占孔线进行平移，即可得出坝址可利用的基岩等高线，在透明纸上画出地址可以利用的岩基石等高线地形图，研究分析开挖后的河谷形状，决定是否需要加以处理。已知坝顶高程为320m，根据坝轴线与320m等高线的交点，在图纸上量出L1=35.5cm，所以，可以算出R轴=0.6L1=21.3cm，因为图与实际的比例是1:500，所以，坝顶河谷宽L1=177.5m，坝轴线半径R轴=106.5m为使拱坝布置对称于河谷，建议以顶拱圈园心与31坝高拱圈的园心联线为基准线来试探，在试探过程中要更多地照在21~31坝高各拱环的对称性。并尽可能使该部位能获较优的中心角和与两岸等高线的夹角不小于30o。画出拱坝布置图，见A1大图52.5初步拟定拱冠梁的剖面尺寸2.5.1坝顶宽度的拟定已知坝顶河谷宽L1=177.5m，大坝的高度为mH64在选择拱冠梁的顶部厚度时，应考虑工程规模和有运用要求，已知坝顶交通要求，有公路通过桥面宽6米根据美国垦务局建议公式：mmLHTC689.2)5.1872.164(01.0)2.1(01.01所以，大坝顶部的高程为6m.2.5.2坝底厚度与HT45.0的确定河谷的形状特征常用坝顶高程出的河谷宽度L与最大坝高H的比值，即使宽高比HL/来表示。拱坝的厚薄程度，常以坝底最大厚度T和最大的坝高H的比值，即厚高比HT/来区分。表3L/H1.51.5-3.03.0-4.5T/H0.20.2-0.350.35已知坝顶河谷宽mL5.1871，大坝的高度为mH64，所以93.264/5.187/HL,所以大坝为中厚拱坝，35.0~2.0/HT，取25.0/HT，将mH64带入计算，可以得，大坝的厚度为mHTB166425.025.0。所以，大坝的底部厚度为16m根据美国垦务局建议公式mTTBH2.151695.095.045.02.5.3凸点、凸度和倒悬度的计算对于双曲拱坝，拱冠梁的上游面得曲线可用凸点与坝顶的高差6)(100HZZ、凸度)/(22HDA和最大倒悬度S（BA、两点间的水平距离与其高差的比）来描述。根据对我国的东风、拉西瓦等11座拱坝的S、、21值的敏感性的计算分析，得其合适的范围是：3.0~15.0,2.0~15.0,7.0~6.021S。取65.01,所以可以得mHZ6.416465.010，所以凸点的位置为距离坝顶41.6m的位置。取凸度为mHDHDAA2.1164175.0,,175.0/22所以已知凸点距离坝顶的高差为mZ6.410，且坝高为64m，所以凸点距离把地点高差为mH4.226.4164，且HLS/，所以可取23.0S,结果得mSHL15.523.04.22根据以上的计算结果，得如下剖面图:图2拱冠梁剖面图7拟定各高程拱圈的厚度，中心角，半径及圆心位置。1）沿坝高每隔10米左右取一层拱圈，本设计全坝高可取5~6层拱圈。在河谷形状宽突变处，要布置一个拱圈。2）为使各拱圈布置尽量接近对称于河谷．各拱圈的左右半中心角相差应控制在3o以内。3）为保证坝面在水平和铅直方向都是光滑的，圆心的轨迹线宜是光滑的连续曲线并必须位于基准面上（基准面为穿过拱冠梁与拱坝轴线园心的铅直面）。由以上原则确定其各拱圈布置如下图示，大图见A1图图3拱圈布置图2.5.4检查调整在不同高程沿径向（指该高程拱圈的径向）切取若干垂直剖面检查两岸悬臂梁轮廓是否光滑连续是否有过大的倒悬度(不超过0.3)。直接在拱圈平面布置图上量出各个的交点。右岸的切下的剖面如下图所示：8图4右岸切剖面图计算各个剖面下的倒悬度是否满足要求，结果如下表：表4右岸倒悬度计算右岸倒悬度计算高程305295285275265256倒悬度00.0180.1470.1970.1950.239左岸的切下的剖面如下图所示：图5左岸切剖面图9计算各个剖面下的倒悬度是否满足要求，结果如下表：表5左岸倒悬度计算左岸倒悬度计算高程305295285275265256倒悬度00.0220.1010.1910.1840.231综上，根据计算的结果，可以知道各个倒悬度都小于0.3，满足要求，且切出的剖面悬臂梁轮廓光滑连续。2）将各层拱圈的半径、中心角与圆心位置分别按高程点绘，各联成曲线以检查其是否平顺光滑将各个拱圈的半径、圆心角与拱圈高层的坐标关系画出，如下图（具体情况见A1图）图6各个拱圈的半径、圆心角分析后可以得出将各层拱圈的半径、中心角与圆心位置分别按高程点绘，各联成曲线检查基本平顺光滑，满足要求。3）检查坝底与基岩接触面的轮廓线，基本达到了光滑连续，无突变。设计满足要求。4）绘制沿拱轴线展开的纵剖面图检查沿河谷开挖表面的坡度是否连续均匀变化以求得到光滑的纵剖面展开图。根据已知条件，画出绘制沿拱轴线展开的纵剖面图，如A1图所示，经过一些局部调整，基本满足要求。经过调整拱坝设计已符合基本要求，列出拱圈的几何参数如下表：10表6拱圈的几何参数高程拱圈厚T圆心距Lc拱圈半径拱圈中心角拱圈内半径拱圈外半径平均半径φ左φ右φ计算3206.0000106.500112.500109.500575811530511.31121.35087.27298.58392.92845428729513.61035.59873.41887.02880.22338357328515.18349.83758.74773.93066.33935346927516.09464.07643.24959.34351.29630306026516.37074.84730.36946.73938.55426285425616.00085.18117.36933.36925.369262854第三章拱坝应力分析拱冠梁法电算坝体应力电算可采用拱冠梁法程序计算各高程拱圈的拱冠与拱端应力已知大坝的上下游的水位概况，如下表：表7水位概况设计工况校核工况正常工况上游水位316.8319316下游水位269270.5256坝体材料、坝基弹性模量等概况，如下表;表8材料概况坝体材料E坝基E砼线膨胀系数坝体容重沙浮容重沙内摩擦角185000kg/cm^2200000kg/cm^21.00E-0524KN/m^30.827KN/m^316将以上的表格的已知的结果带入电算程序，分别计算正常蓄水位温降、设计洪水位温升、校核洪水位温升应力分析，结果如下：1）正常蓄水位温降GC-100FA-1JSQX-111*****V=71899(M^3)IXWLSLX(T/M^2)(MM)(KG/CM^2)(KG/CM^2)1-5.211124.11002.70891.621.044.24235.77371.371.3447.17449.80652.291.3510.507510.94534.621.19714.14620.07418.78.3618.332747.9246.17-4.66727.695IGGSGGXGDSGDX(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)(KG/CM^2)111.6217.7056.21213.214213.8171.777-1.74817.986315.689-2.908-6.8720.963415.289-5.089-7.85819.895514.109-6.873-7.37816.98569.262-5.15-3.88710.00173.321-1.878-.83.211IGDMGDHGDV