S水電站的大壩設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17000S水電站的大壩設計計算案例 163771.1壩址地形地質 192091.2壩頂高程的確定 1166441.2.1計算方法 1126421.2.2計算過程 3172091.3非溢流壩剖面設計 4308631.3.1壩頂寬度及壩體坡度的確定 474011.3.2抗滑穩(wěn)定性計算 551141.4溢流壩段設計 18119901.4.1剖面設計 1863421.4.2閘墩設計 20151981.4.3穩(wěn)定性計算 22170431.4.4挑流消能計算 251.1壩址地形地質根據所給資料，可以得出上壩址工程地質條件明顯優(yōu)于下壩址，所以選定上壩址作為該工程的選定壩址。河床高程開挖到269m。1.2壩頂高程的確定1.2.1計算方法根據《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL319-2018）規(guī)定，防浪墻頂高程與各類水位的高差可由下式計算，并選擇兩者中高程較高的一個作為大壩的最低高程。（3-1）式中：；；；。水庫庫區(qū)的年平均風速為1.8m/s，最大的平均風速為19m/s，實測瞬時最大的風速為29m/s，吹程為2km。正常情況下，計算風速為29m/s，采用鶴地水庫公式：（3-2）（3-3）（3-4）式中：；；；；。校核情況下，計算風速取19m/s，采用官廳水庫公式：（3-5）（3-6）（3-7）式中：；；；；1.2.2計算過程正常情況下：校核情況下：綜合上面計算的兩種情況，確定大壩最大高程為351.64m，設定防浪墻頂高程為351.7m。在壩體橫縫處設置伸縮縫，并且設止水，墻身高度可取1.2m。最終確定壩頂高程為350.5m。1.3非溢流壩剖面設計1.3.1壩頂寬度及壩體坡度的確定結合規(guī)范規(guī)定和壩軸處河床剖面圖取壩基面最低點高程為，則大壩的高度：。壩頂的寬度取大壩高度的而且不小于，即～。由于壩頂還要滿足交通和運行管理的要求，所以取壩頂寬度為8米。上游的邊坡系數取1：0.1，下游的邊坡系數取1：0.75。上游起坡點位置在壩高的（1／3～2／3）附近，即，取，所以上游折坡點高程269+45=314m。將基本三角形的頂點設置在校核洪水位349.04m處，則壩體的寬度T=（349.04-269）×0.75+4.5=64.53m?？v向廊道的上游壁離上游壩面的最小距離一般取壩面作用水頭的0.05～0.1倍，即～且大于3m。取為6米?；A灌漿廊道的斷面尺寸根據鉆灌機具的大小和具體的工作要求確定。取寬度為2.5m,高度為1.0m。則縱向廊道的上游壁到排水孔的距離為8.5m，壩基灌漿廊道底面與建基面的高差不得小于1.5倍廊道寬度和1.0m，為減少廊道數量，底面高程取277m。圖3-1基本剖面圖1.3.2抗滑穩(wěn)定性計算1.3.2.1荷載計算圖3-2壩體剖面示意圖荷載組合分為兩種，即基本組合和特殊組合?；窘M合包括設計情況和正常情況。在設計時，從這兩類組合中選擇最不利的的荷載組合情況進行計算。荷載組合詳細情況參照下表。表3-1荷載種類組合表荷載組合考慮情況荷載作用力附注水壓力淤沙壓力冰壓力地震力動水壓力其他(1)正常蓄水位情況√√√√√√(2)設計洪水位情況√√√√√√√特殊組合(1)校核洪水位情況√√√√√√√從上表得出對不同水位下的不同荷載進行計算需要計算自重、水壓力、揚壓力、淤沙壓力、浪壓力等荷載。自重：圖3-3自重計算分區(qū)圖水壓力計算：圖3-4水壓力計算簡圖校核水位：堰頂高程為336m，下泄水頭高：下泄流量為：根據所給資料查水位流量關系曲線得到下游水位為288.09米。設計水位：堰頂高程為336m，泄流水頭為：下泄流量為：查水位流量關系曲線可知下游水位為285.39米。正常水位：堰頂高程為336m，泄流水頭為：下泄流量為：查水位流量關系曲線可知下游水位為280.98米。揚壓力計算：圖3-5揚壓力計算簡圖校核水位情況：設計水位情況：正常水位情況：浪壓力計算：設計水位和正常蓄水位采用29m/s的風速，校核水位采用19m/s的風速。對三種水位進行判斷，計算后可知都屬于深水波。正常水位：校核水位：設計水位：淤沙壓力計算：淤沙內摩擦角，淤沙浮容重取。根據水位庫容曲線得出淤沙高程為292.0米。地震荷載計算：因為此工程地震基本烈度為6級所以不考慮地震荷載。1.3.2.2抗滑穩(wěn)定計算壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數K′值的范圍應符合下表3-2的規(guī)定。表3-2壩基抗滑穩(wěn)定性安全系數荷載組合基本組合情況1.0特殊組合情況（1）2.5（2）2.3由于本工程大壩屬于3級，基本組合情況要滿足，特殊組合情況要滿足。對抗滑穩(wěn)定系數進行計算：基本組合設計洪水位情況：滿足要求基本組合正常蓄水位情況：滿足要求特殊組合校核洪水位情況：滿足要求1.3.2.3力矩計算力矩計算中取順時針為負，逆時針為正。自重計算：圖3-6自重力矩圖表3-3自重力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-自重243020.3449426自重57657.61.1767459自重1112.611.7915343圖3-7水壓力力矩圖通過cad量取各分區(qū)形心和中心點的距離，計算水壓力力矩如下表：表3-4校核水位情況水壓力力矩計算表荷載名稱公式荷載(每m長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-上游水壓力31421.40.629483上游水自重2540.121.3854307下游水壓力1787.520.9337412下游水自重1340.636.4248825表3-5設計水位情況水壓力力矩計算表荷載名稱公式荷載(每m長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-上游水壓力29559.61.4241975上游水自重2431.720.4052081下游水壓力1317.621.8328763下游水自重988.237.0936653表3-6正常水位情況水壓力力矩計算表荷載名稱公式荷載(每m長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-上游水壓力26859.82.6370641上游水自重2271.521.4248698下游水壓力00下游水自重00揚壓力計算：圖3-8揚壓力力矩圖通過cad量取各分區(qū)形心和中心點的距離，即力臂得，計算揚壓力力矩如下表：表3-7校核水位揚壓力力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-12084.711.1713498639651.84152261270.619.09242561905.920.5139090表3-8設計水位揚壓力力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-10375.511.171158943981.81.84152981276.619.09243711914.920.5139275表3-9正常水位揚壓力力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-0004811.91.84184851542.619.09294482311.920.5147458浪壓力計算校核水位情況：設計水位情況：正常水位情況：表3-10浪壓力力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-校核水位浪壓力29.42318.2設計水位浪壓力180.915157.0正常水位浪壓力180.913179.2淤沙力計算：表3-11淤沙力力矩計算表荷載名稱計算式荷載(每m壩長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-水平力1117.020.422787豎直力211.621.645711.3.2.4應力分析校核洪水位情況：上游壩踵處：剪應力：主應力：下游壩址處：剪應力：水平正應力：設計洪水位情況：上游壩踵處：正應力：水平正應力：主應力：下游壩址處：剪應力：水平正應力：正常蓄水位情況：上游壩踵處：正應力：水平正應力：主應力：下游壩址處：剪應力：主應力：根據規(guī)范《混凝土重力壩設計規(guī)范》SL319-2018規(guī)定，混凝土的允許壓應力值要大于壩體最大主應力，拉應力不能出現在壩體上游面的垂直應力中。本次選用混凝土等級為，其抗壓強度為。特殊組合的壩體混凝土抗壓安全系數大于，基本組合的壩體混凝土抗壓安全系數大于；特殊組合情況下壩體最大壓應力小于，基本組合情況下壩體最大壓應力大于。表3-12壩址和壩踵應力強度分析表荷載組合主要考慮情況上游壩踵處下游壩址處基本組合正常高水位776.5-64.3131.1781.0131.7644.3481.2362.41006.70設計洪水位804.9-67.1131.0811.6131.7651.6490.2367.71021.30特殊組合校核洪水位876.3-74.3131.0881.7131.7820.4615.3461.51281.90分析>0>0拉應力沒有出現在壩體上游面的垂直應力?；炷恋脑试S壓應力值大于壩體最大主壓應力，所以壩址壩踵應力滿足要求。1.4溢流壩段設計1.4.1剖面設計本設計采用挑流消能，堰面設計采用WES曲線，下游堰面的函數為，式中為定型設計水頭，一般為，其中校核洪水水頭，設計水頭值為9.78～12.39m，取值11m。n由上游堰坡確定，因上游面坡度為3：0，則有n=1.850，，經查表可得k=2.0。故下游堰面的曲線方程為，用Excel計算曲線坐標：表3-13堰頂下游溢流面曲線坐標x00.511.522.531.544.555.56y0.000.020.070.140.230.350.500.660.851.051.281.531.79x6.577.588.599.51010.51111.51212.5y2.082.382.711.051.411.794.194.615.055.505.976.466.97上游堰頭曲線選擇三圓弧曲線，并且上游面鉛直。溢流堰下游反弧段半徑的取值采用下式計算：（3-8）式中：采用式3-9進行迭代計算：（3-9）將帶入式3-9得，當滿足精度要求時，則即為所求。式3-9中的流量系數初步計算時可定為0.9，是基準面的水流總比能，基準面取水深收縮斷面底面，計算公式為：（3-10）式中：—反弧段底到堰頂的高程差；—校核洪水位對應的堰頂水頭。表3-14反弧段水深計算表q(m2/s)(m/s)(m)(m)(m)(m)(m)95.837.990.964.21.0001.0721.0741.074在校核洪水位時，反弧段水深為h=1.074m，則反弧段半徑取值范圍為R=12.30～30.74m，最低點水流流速v=q/h=95.83/1.074=31.17m/s。為滿足挑角和斜坡兩個條件，通過繪圖確定取R=18m。反弧段挑角為。如圖所示。圖3-9溢流壩剖面圖1.4.2閘墩設計1.4.2.1中墩溢流堰頂設檢修閘門和工作閘門共兩道閘門。為便于檢修，兩者取1.5m凈距，為減小閘門高度，將工作閘門布置在堰頂。本次設計將工作閘門和檢修閘門均設計為深1.0m，寬1.0m。在閘門槽截面處，為保證閘墩在閘門關閉時有足夠的強度。厚度要大于1.0m，因溢流壩段分縫采用墩中分縫設計，故閘墩厚度還應在此基礎上加厚1.0m。計算閘墩厚度為。下游端采用圓弧曲線，半徑為，閘墩的上游端采用半圓曲線，半徑。為了水流更加平順進入閘孔，閘墩向上游懸出2.0m。閘墩順水流方向長度應滿足工作橋與交通橋布置要求，工作橋排架柱中心距為7.0m，下游側交通橋寬度為8.0m，閘墩總長度為15.0m。如圖3-10所示。圖3-10中墩尺寸圖1.4.2.2邊墩溢流壩與非溢流壩中間設邊墩（邊墻）。為避免邊墩上游端破壞，將上游段修改為直線段與1/4橢圓弧連接，橢圓a=2.0m，b=1.0m。下游端修改為方形，長度等于壩頂到壩址的距離，邊墩高度受溢流水深、水深沖擊波、摻氣水深影響。水深沿壩面逐漸減小，故計算邊墻起始處水深作為設計水深，按式3-9、式3-10計算，計算點處高程為330m，計算結果見表3-15。表3-15堰面水深計算表q(m2/s)(m/s)(m)(m)(m)(m)(m)95.837.990.922.295.0925.7965.9195.941故溢流水深可用5.94m?？砂聪率接嬎闼鏖_始摻氣的位置：（3-11）式中：。摻氣點至堰頂距離大于堰面長度，故可不考慮摻氣水深的影響，取邊墻高于溢流面水面的高度為1m，故取邊墻高度為6.9m，并在距離鼻坎末端17m處轉為水平，邊墻厚度與邊墩厚度一致2.0m。見圖3-7。1.4.2.3流量系數復核下泄流量由式3-12計算：（3-12）式中：；；。（3-13）式中：—系數，與邊墩有關，取0.1；—系數，與中墩有關，取0；—堰頂全水頭，11.04m。將上值代入3-19得。對于淹沒系數，下游水深與堰頂水頭之比,得淹沒系數約為。對于流量系數m，，此時即為堰上靜水位11.04m，由，取m=0.510。所以2.1節(jié)假設的系數，與假設相差不大，故計算無誤。1.4.3穩(wěn)定性計算表3-16荷載組合表荷載組合主要考慮情況荷載作用力附注自重水壓力揚壓力淤沙壓力浪壓力冰壓力地震力動水壓力其他基本組合(1)正常蓄水位情況√√√√√(2)設計洪水位√√√√√√特殊組合(1)校核洪水位√√√√√√取一個寬度為15m的溢流壩壩段選用校核洪水進行穩(wěn)定性和應力分析。自重計算；水壓力計算：堰頂高程為336m，下泄水頭：下泄流量：查所給資料的水位流量關系曲線可得下游水位288.09米。揚壓力計算：淤沙壓力計算：動水壓力計算：考慮到門機和閘門的重量取19600kN表3-17溢流壩參數計算表荷載種類公式荷載(每15m長)力臂(m)力矩(kN-m)水平(kN)垂直(kN)+-自重14342847.510757130門機閘門1960021.2415520水壓力4713511.78012973810226.19944622681349.313218811251132.2402854揚壓力18127110.71939598628151.92449791905918.13449682858919.5557486淤沙壓力1675516.1