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1、拱坝课程设计计算建 巩 物 课 程设设计题目：拱坝学院：土木建筑工程学 院班级：水电061姓名：徐君学号:060807110296第一章工程概况某工程位于排坡河中游河段，以发电为主。电指导老师：肖良锦老师站装机2X630KW ,坝址以上流域面积 151Km2。枢纽主要建筑物有混凝土拱坝，坝后引水 式厂房等。大坝为五等5级建筑物。设计洪水（三十年一遇）367m3/s，校核洪水（二百年一 遇）572m3/s。坝址河床为较对称的V型河谷，两岸坡较陡。 河床及漫滩砂砾石层厚为03m，弱风化层厚 22.5m。坝后冲刷坑范围以内河床为炉山组中至厚 层白云岩，其岩性坚硬致密，隐节理发育，抗冲刷 强度高。上游
2、坝址溢流堰顶高程375.00m。电站额定引用流量 2X2.69m3/s。该电站位于我省东部多暴雨地区，洪水强度大， 流域坡度陡，汇流快，洪水陡涨陡落，枢纽建筑物 布置多集中于河床。确定正常蓄水位与溢流堰顶高 程平齐。课程设计任务根据以上提供的基本情况及地形图，布置设计混 凝土拱坝。步骤如下：1、拱坝布置的原则在地形图上布置双曲拱坝。选择7层拱坝肩及河床的开挖深度按5m，坝顶无通行汽车要求。根据布置的尺寸进行拱坝应力分析，直至满足应力要求为止。（时间2天）2、选择坝顶溢流方式及消能方式，进行相应 水力学计算。确定；孔口尺寸、闸墩宽度、上游 设计水位、校核水位、下游设计水位、校核水 位、工作桥。（
3、时间1天）3、根据布置及计算结果，要求提供以下成果。（时间2天）拱坝平面布置图（建议比例1： 200）溢流坝 剖面图（建议比例1： 200）非溢流坝剖面图（建议比例1： 200）拱坝下游立视图或展视图（建议比例1： 200）设计计算书1份第二章拱坝的体形和布置2.1设计参数坝体材料：C20混凝土，容重2.4t/m 3,弹模为25.5 X109（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 X105/ ，导温系数3m2/月。坝基：白云岩，容重2.5t/m 3,弹模29.82 x 109,泊松比0.17，线胀系数1.4 X10-5/ C,导 温 系
4、数3m2/月。淤沙浮容重按1.3t/m3,内摩擦角 14。温度荷载按规范（SD145-85）计算，封拱灌浆 温 度取8一12C。2.2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2-1、 2-2。表2-1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Ks基本组合3特殊组合2.5表2-2大坝允许应力表类别荷载组合情允许应况力允许拉应力(kg/cm )2基本组台12特殊组合15允许压应力(kg/cm )2基本组合50特殊组合552.3坝顶高程的拟定2.3.1设计洪水位计算：Q 溢 Q 总 Q0367 2 2.69 361.62 m3/s ,取
5、单宽流量 q=50m3/ s，,m.L Q 溢 /q 361.62 / 50 7.23，校核洪水位计算：Q 溢 Q 总 Q0572 2 2.69 566.62 m3/s L Q 溢 /q 566.62/ 50 11.33m，所以取 L=12m, n=3, b=4m。通过EXCEL计算，设计水位382.00,校核水位386.00设计洪水位的计算流量 Q水位H孔口数n流量系数m侧收缩系数堰宽bnbm2gH3/2630.490.94344.32990826.0530.490.94348.64298656.130.490.94352.97392466.1530.490.94357.32264896.2
6、30.490.94361.68908716.2230.490.94363.44060626.2430.490.94365.19494366.2630.490.94366.9520946R H=7m,河底高程349.00，再往下开挖5m,坝底高程344.00堰顶高程 校核洪水位的计算375.00，设计水位 382.00.830.490.94530.13057388.130.490.94540.101528.230.490.94550.13420688.330.490.94560.22825658.430.490.94570.38329848.4130.490.94571.40214318.423
7、0.490.94572.4215937所以取H=9m，堰顶高程375.00，校核水位384.00.2.3.2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A h按下式计算(官厅水库公式)a h=h + h + h1% z c式中：A h坝顶距水库静水位高度(m) hp%累计频率为1%时的浪高(m) h 波浪中心线至水库静水位的高度(m)h安全超高(m)：正常运用情况取0.3m，非常运用情况取0.2m2.3.3波浪要素按“官厅水库”公式计算：h产 0004眄 V 5/4 D 1/320.8h12cth2 H LLLD长。吹程，由坝前沿水面至对岸的最大直线距离(km),取
8、为5倍坝V0计算风速(m/s)，据资料取15m/s2.3.4坝顶高程计算成果见下表:计算情况设计情况c C C校核情况c c相应水位（m）382384* 冲/s)15 c a15 c aD (km)0.046 rx q0.046 rx oh (m)0.3 AHO0.2 AHOhj ( m、)0.18 rx rA0.18 rx rAh (m) 2L_、0.04C RO0.04rr街（m）0.520.042坝1顶高程（m）382.52384.42结论：综合考虑后，取坝顶高程为385.0m河床底部高程为349.0m，按地质提供的基本 资料，开挖按5.0m计，则坝高为41.0m，属于 中坝，在坝顶高程
9、385.0m开挖后的河谷水平宽 度为 56.90m。2.4拱坝体型设计根据美国垦务局的建议公式进行计算:2.4.1坝顶厚度TcTc=0.01 （H+1.2L1）式中Tc坝顶厚度（m）H 最大坝高（m）= 43.7L顶拱弦长（m）= 194.50经 计算得 Tc= 0.01 x （41.0+1.2 x 56.90） =1.09m，据工程经验，拱坝顶部宽度Tc不小于 3m,取 Tc=5m。2.4.2拱圈厚度1）、底拱厚度trBT 3 0.0012HL L （ H H /122B1 2 122）H 拱冠梁的高度（m） = 41.0L 1 坝顶高程处拱端可利用岩基面 间的河谷宽度（m） =56.90L
10、 2 坝底以上0.15H，即350.15高程 处拱端可利用岩基面间的河谷宽度（m）=11.12 经计算得TB=2.78m。综合考虑后，取坝底厚度为Tb= 7.0m（2）、0.45H高度，即高程362.45处的厚度T0.45HT =0 95T 经计算得到 0.45HBT045H=6.65m。2.4.3上游面曲线初拟参考其他工程经验及规范要求进行设计：z01 HDaHs1Z1般情况下有：P1= 0.6 0.7P 2= 0.15- 0.2S = 0.15 0.3综合考虑后取参数计算如下:7 H 0.65 41.0 26.65m 气 iH 0.17 41.0 7.00m2S1SZ10.20 (41.0
11、 26.65) 2.87m由此可知，A、D、B三点的坐标为:点号-CT-7.0Z o -26.65-4.13-41.0a2Z2定出A、B、C三点位置后，可按二次抛物线 方程，az y a1z 通过三点定出上游曲线，下游用曲线拟合定出。解出a10.564,a20.0113，计算各点坐标如下表：Z-1.0-3.0-5.0-10.0-15.0-20.025.0Y-0.553-1.590-2.538-4.510-5.189-6.767.038Z-27.0-30.0-35.037.040.0-41.0Y-6.990-6.750-5.898-5.398-4.480-4.1292.5拱坝布置布置原则：坝体轮
12、廓力求简单，基岩面、坝面变化平 顺，避免有任何突变。布置基本步骤：1. 将地形图上可利用的基岩线确定后，试定顶拱轴线位置。顶拱轴线半径可用R轴=0.6L （L为顶拱高程处拱端 可利用基岩面间的河谷宽度）拟定。将顶拱轴线在地形图上 移动，调整位置，尽量使拱轴线与岩基面等高线在拱端处的 交角不小于30，并使两端夹角大致相近。按选定的半径、 中心角及顶拱厚度在画出顶拱内外缘弧线。2. 按初定拱冠梁剖面尺寸，至上而下，选取7道拱圈，绘制各层拱圈剖面布置图，布置原则与顶拱相同。3. 进行应力计算和坝肩岩体抗。经过应力控制的优化 后得到拱坝体型。计算采用提供程滑稳定校核序计算。设计过程中严格按照有关规范的
13、要求来进行大坝体形的 设计调整。分布示意图各层拱圈参数如下表（单位：米）：序号河谷宽下高程拱厚半径R上高程56.9037.00385.0379.03.00拱圈244.3128.80379.0373.04.11拱圈334.5022.43373.0367.05.14拱圈426.3217.11367.0361.06.07拱圈521.4513.94361.0355.011.39拱圈615.7010.21355.0349.07.20拱圈7第三章应力计算8.855.80349.0344.07.213.1计算方法及荷载组合3.1.1计算方法拱坝应力按拱梁分载法（拱冠梁法）计算，利用本设计以提供的VB程序在计
14、算机机上计算。计算初拟采用7层拱，其高程分别为：385.0、379.0、373.0、367.0、361.0、355.0、349.0m。荷载组合情况分基本组合及特殊组合两类：基本组合1. 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。2. 设计蓄水位+相应尾水位+设计正常温升+自重+扬压 力+泥沙压力+浪压力特殊组合为：3. 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4. 校核洪水位+相应尾水位+设计正常温降自重+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震荷载 载。3.2应力计算(见附件)第四章溢流坝设计4.1孔口设计4.1.1泄水方式的选择：为使水库有较好
15、的超泄能力，采用开敞式孔口。4.1.2洪水标准的确定；本次设计的拱坝是五级建筑物，采用30年一遇的洪水标准设计，200年 一遇的洪水校核。4.1.3流量的确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为367m /s ；校核情况下，溢流坝的下泄流量3为 572 m/s。34.1.4单宽流量的选择：坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单 宽流量范围30一50 m3/s，取单款流量50 m3/s。4.1.5孔口净宽的拟定：分别计算设计和校核情况下溢洪道所需孔口宽度。计算成果如下：表4 - 1孔口净宽计算计算情 况流量Q(m3/s单宽流量q(m3/s )孔口净宽B (m)设计情 况367
16、507.34校核情 况57211.4411.44根据以上计算，溢流坝孔口净宽取12.0m，假设每一孔宽度为4m，孔数为34.1.6溢流坝段总长度(溢流孔口的总宽度)的确定：根据工程经验拟订孔口支墩的厚度为：中墩1m,边墩1m,则溢流坝段的总长度L为：L0 nb (n 1)b 4 3 2 1 14.0m堰顶高程的确定：据设计资4.7料，堰顶高程取375.0m。定型设计水头Hd的确定：4.1.8堰上最大水头H校核洪水位-堰顶高程=384.0-735.0=9.0mT所以，定型设计水头h 75%95%，H 6 758.55.d取 Hd=7.20m4.1.9下游最高水位计算:下游水位计算水深n面积A湿周
17、水力半径水力坡降1 “cCR流 Q AC RJ河宽h10.051.631X3.368R=A/X0.484263658J0.0321/ 6n17.7232614量3.5984339152.250.0525.32713.951.8151651970.03222.0893374134.83402719.170.0547.15719.22.4566055430.03223.2319626307.167152512.580.0557.59321.332.7004735780.03223.6013394399.5/59913.48.50.0562.78622.342.8099713570.03223.75
18、8206447.303602513.88.70.0564.85922.752.8515717740.03223.8164693466.621527913.990.0567.96623.342.9119965720.03223.899848495.857936714.1100.0578.30425.293.0966109070.03224.1459577595.1/56414.610.50.0583.46926.253.1803772150.03224.2536125645.826633214.9通过计算，由水位流量关系曲线知设计水位对应的下游水位约为357.3，校核水位对应的下游水位约为358
19、.74.2溢流坝设计4.2.1顶部曲线段1.85 0.85X MWWES曲线下游曲线段线采用:按上式算得的坐标值如下表:Y/m0.20.40.60.81.01.52.0X/m1.5092.1952.7343.1933.6034.4865.2402.503.04.05.06.07.05.9126.5247.6228.5999.49010.318.09.010.11.8011.8112.5054.2.2挑流鼻坎设计挑流鼻坎有连续式鼻坎和差动式，本设计采用 连续式；按规范规定，鼻坎挑射角15 35之间，根据工程经 验，挑射角一般取20 25之间，取23;鼻坝坝顶高程高出下游最高水位12m，所以鼻坎
20、高程为358.7+2=360.7m,反弧半径R= （ 4一10）h，h为校 核洪水位时反弧处的水深（常近似取鼻坎上水深）。4.2.3反弧半径的确定1.富坎处水流速V的计 鼻坎处水流速V2的计 算，对上游和鼻坎处列方程：zz122p121Vg12p222Vg2”w1 212g22gw1 22.设计时：V22g(z1 z2) 2 9.8 (382.0 360.7) 20.4m/ s因为Q A Bh，所以鼻坝平均水深为：hQBvQ 一校核洪水时溢流坝下泄流量为ma/s；B一鼻坎处水面宽度，m。62 20.41.50m3.校核时：V22g(z1 z2) 2 9.8 (384.0 360.7) 21.4
21、m / s需2.23m，反弧半径12 21.4根据经验公式R=(410)h，取R=7.0m.4.2.4挑距及冲刷坑深度估算鼻坎挑射角度一般采用。=20一25度，取23 度。水舌挑射距离：2 2 2L v2sin cos v cos v12sin22g(h h2) g式中：L 一坝下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离，m；v一为坎顶水面流速； v1h 一为坎顶平均水深h在铅直向的投 h1影，h1=hcos ；h2为坎顶至河床面的高差;设计时:Li 20.4 sin23 cos23 20.4cos23 20.4 sin 23 2 9.8 (1.38 16.70)9.822
22、254.44m校核时：1L %2.4 sin23 cos23 21.4cos23 21.4 sin 23 2 9.8 (2.05 16.70)9.822258.85m4.2.5冲刷坑深度最大冲坑水垫厚度估算:tkq H 0.5 0.25其中，tk :水垫厚度；q：单宽流量； 下游水位差；a :冲刷系数，对坚硬完整岩石 a=0.9 一1.2，坚硬但完整性较差的岩石a=1.2 1.5，软弱破碎，裂隙发育的基岩a=1.2 一2.0。设计洪水位的情况：单宽流量q=50.0m/s,上下游水位差 H=382.0-357.3=24.7m,冲刷坑系数。=1.0，所 以：H：L Q5 0 250 5 0 25、
23、0.50.25 1.0 50.005 24.7025 15.76tk,tkh215.76 (360.7 349) 4.06m校核洪水位的情况:单宽流量q=50m/s,上下游水位差H=384-358.7=25.3m,冲刷坑系数 =1.0所以：“ 0.25 1.0500.5 25,0.25 1/tk.tk h215.86 (360.7 349) 4.16m附件：拱坝应力计算1.正常蓄水位时荷载组合:拱坝NHB1HB2HSFSMSMH7375354356.3141.30.98MCGCECEFKCCSu2.40.00001 2600000 300000000.80.17高程外半径拱圈厚坝趾距岸坡角AF
24、坝肩弹模EFHRTY AFEF385.0037.003.002.8752.132600000379.0028.804.115.3248.732600000373.0022.435.147.4143.182600000367.0017.116.079.1034.482600000361.0013.946.819.8628.492600000355.0010.217.209.5631.022600000349.005.807.17半中心角A50.5050.5050.5050.0049.5050.0048.508.35 32.98 2600000坝体积V= 10045.9890494511mA3温升
25、G= 57.57 /(T+2.44)计算结E= 2 (双向扭转效应）(1)荷载分配高程总荷载梁载扭载梁载（震）拱载（震）扭载（震）HPXXAZXv XAv Zv3850.00-5.638.99-3.36-5.638.99-3.363790.00-1.979.36-7.39-1.979.36-7.393731.962.089.70-9.812.089.70-9.813677.845.088.46-5.695.088.46-5.6936113.70.3712.54当量矩形长宽比m= 14.87507932792630.81 0.37 122.54 0.8135520.63 0.05 16.12果拱
26、载4.46 0.05 16.12 4.4634926.37 -8.97 27.557.79 -8.97 27.55 7.79拱端内力Mao Vao HaoMaov Vaov Haov142.18 1012.89 343.49142.18 1012.89 343.49369.52803.45369.52 803.45 308.48577.50641.75577.50 641.75 302.96587.13457.31587.13 457.31 281.14372.67455.80372.67 455.80 305.39173.24395.34173.24 395.34 272.808.60288
27、.30308.48302.96281.14305.39272.80189.188.60 288.30 189.18(3) 拱 应 力(T/m2)(压为正)拱端拱冠拱端（震）SauSauv Sadv206.7206.7 16.9200.1200.1 -63.5180.1180.1 -85.2130.6130.6 -66.885.285.2 -18.753.253.2 1.927.027.0 27.1拱冠（震）Sad SouSouv Sodv16.9 64.464.4 171.8-63.54.54.5 164.7-85.2-14.0-14.0 166.6-66.8-10.1-10.1 151.3-
28、18.715.115.1 118.31.9 26.426.4 92.927.1 26.826.8 26.3Sod171.8164.7166.6151.3118.392.926.3(4) 粱内力0.000.0022.8048.3522.49110.191.03187.5615.30-269.09-16.56335.3710.19320.91Moc Voc Woc Mocv Vocv Wocv 0.000.00 0.0032.8132.81 22.8055.2055.20 22.49-40.36-40.36 1.03-196.03-196.03 -15.30-244.49-244.49 -16.5
29、6-378.33-378.33 10.19(5) 梁应力(T/m2)(压为正)梁应力梁自重应力Scu Scd Scuv Scdv0.0048.35110.19187.56269.09335.37320.91梁应力(震)Scug Scdg0.0 0.00.0 0.024.9 -0.2 -4.731.037.8 9.4 -19.371.030.0 46.3 -32.7114.521.3 90.8 -27.4143.432.2 129.30.7 168.1 -302.71520.9-363.2 1814.3拱冠变位RorRorv0.0 0.024.9 -0.237.8 9.430.0 46.321.
30、3 90.832.2 129.3-302.7 1520.93.88688038148437E-033.88688038148437E-032.63010603821414E-032.63010603821414E-031.5530341345244E-031.5530341345244E-038.08289280549594E-048.08289280549594E-043.88213462772187E-043.88213462772187E-041.85836161183693E-041.85836161183693E-042.8896855112947E-052.889685511294
31、7E-05最大应力Sou64.4(1)-14.0(3)Sau Sad Sod Scu Scd最 大 206.7(1)27.1(7)171.8(1) 37.8(3) 1520.9(7)最 小 27.0(7)-85.2(3)26.3(7) -302.7(7) -0.2(2)2.设计水位荷载组合：拱坝NHB1HB2HSFSMSMH7382357.3356.3141.30.98MCGCECEFKCCSu2.40.00001 2600000 300000000.80.17高程外半径拱圈厚坝趾距岸坡角AF坝肩弹模EFHRTY AFEF385.0037.003.002.8752.132600000379.0
32、028.804.115.3248.732600000373.0022.435.147.4143.182600000半中心角A50.5050.5050.50367.0017.116.079.1034.482600000361.0013.946.819.8628.492600000355.0010.217.209.5631.022600000349.005.807.178.3532.98260000050.0049.5050.0048.50当量矩形长宽比m= 14.8750793279263V= 1坝0 体5积890494511 G= 57.57 /m八3（T+温升）计算 双向扭转效应）配 总荷载
33、梁载结果E= 2 （载（1）分荷高拱载程扭 梁载（震）拱载（震）扭载载 H （震）P X XAZ Xv XAvZv3850.00 -6.33 9.90-3.57-6.339.90 -3.57-6.83 -1.67 11.44 -6.833738.823.4813.65-8.31 3.48 13.65 -8.3136714.704.1514.53-3.98 4.15 14.53 -3.9836120.58-0.1618.702.04 -0.16 18.70 2.0435525.24-1.3322.424.14 -1.33 22.42 4.1434930.00-5.4130.754.65 -5.4
34、1 30.75 4.65拱端内力Mao Vao Maov Vaov Haov131.81 1113.86131.81 1113.86 376.60332.77966.56332.77 966.56 364.44498.30847.06498.30 847.06 379.98Hao376.60364.44379.98361.80486.85641.30301.54575.43366.35301.54 575.43 366.35141.28475.74317.21141.28 475.74 317.216.83311.12201.706.83 311.12 201.70（3）拱应力（T/m2）（压
35、 为正）拱端拱冠拱端拱冠毒U)S蕾)SouSodSauv Sadv Souv Sodv211.035.179.1178.6211.0 35.179.1 178.6201.2-36.125.1169.4201.2 -36.125.1 169.4178.4-50.511.0166.8178.4 -50.511.0 166.8129.5-34.212.8146.7129.5 -34.212.8 146.786.52.429.7113.234.788.928.528.156.6 14.756.6 14.7 34.7 88.928.6 28.728.6 28.7 28.5 28.1粱内力Moc Voc
36、WocMocv Vocv Wocv0.000.000.000.00 0.00 0.0042.3124.0050.1542.31 24.00 50.1573.6818.57122.9273.68 18.57 122.92-50.74-4.32211.88-50.74 -4.32 211.88-223.43-16.28298.62-223.43 -16.28 298.62-263.42-11.82362.85-263.42 -11.82 362.85-393.61 8.37 328.52-393.61 8.37 328.52梁 应 力（T/m2）（压为正）梁应力（震）Scuv Scdv(5)梁应力
37、 梁自重应力Scu ScdScug Scdg0.0 0.00.0 0.028.9 -3.5 -4.731.045.2 7.2 -19.371.033.0 53.4 -32.7 114.522.7 101.9-27.4 143.435.1 139.60.7 168.1 -316.91580.4-363.2 1814.30.0 0.028.9 -3.545.2 7.233.0 53.422.7 101.935.1 139.6-316.9 1580.4(6)拱冠变位RorRorv3.60374764197425E-033.60374764197425E-032.36936901482732E-032
38、.36936901482732E-031.34154914300588E-031.34154914300588E-036.72350255973788E-046.72350255973788E-043.16228606236422E-043.16228606236422E-041.53289047212102E-041.53289047212102E-042.35548514118165E-052.35548514118165E-05最大应力Sou79.1(1)Sau SadSod Scu Scd最 大 211.0(1)35.1(1)178.6(1) 45.2(3) 1580.4(7)11.0(3)最 小 28.6(7) -50.5(3) 28.1(7) -316.9(7) -3.5(2)3.校核水位荷载组合应力计算:拱坝坝数据NHB1HB2HSFSMSMH7384358.7356.3141.30.98MCGCECEFKCCS
