S水电站引水建筑物设计

本科毕业设计

题 目 s水电站引水建筑物设计 学 院 工 学 院 专 业 农业水利工程 毕业届别 2015 届 姓 名 L H G 指导教师 职 称 讲 师

甘肃农业大学教务处制

二〇一五年五月

S水电站引水建筑物设计

目 录

摘要??????????????????????????????????4 关键词??????????????????????????????????4 Abstract???????????????????????????????5 Key words????????????????????????????????5 1 设计基本资料 .............................................................. 6

1.1流域概况 ............................................................ 6 1.2气象、水文 .......................................................... 6 1.3泥沙 ................................................................ 7 1.4工程地质资料 ........................................................ 7 1.5水位流量关系曲线 .................................................... 8 1.6动能指标 ............................................................ 9 2 建筑物级别及坝型选择 ...................................................... 9

2.1坝轴线的选择 ........................................................ 9 2.2坝型选择 ........................................................... 10 2.3引水建筑物选择 ..................................................... 10

2.3.1进水口的选择 .................................................. 11

3 枢纽布置 ................................................................. 12

3.1枢纽布置应遵循以下原则 ............................................. 12 3.2各类建筑物枢纽布置的要求 ........................................... 13 3.3枢纽总体布置 ....................................................... 15 4.1 进水口的设计 ...................................................... 151

4.1.1进水口设计基本要求 ............................................ 15 4.1.2 进水口的布置 ................................................. 16

2

S水电站引水建筑物设计

4.1.3 进水口尺寸确定 ............................................... 17 4.1.4闸底板设计 .................................................... 18 4.1.5 校核泄洪能力 ................................................. 19 4.2沉沙池的设计 ....................................................... 19

4.2.1沉沙池的类型 .................................................. 20 4.2.2沉沙池尺寸拟定 ................................................ 21 4.3引水隧洞的设计 ..................................................... 21

4.3.1渠线的选择 .................................................... 22 4.3.2无压引水隧洞断面尺寸及纵坡的确定 .............................. 22 4.3.3引水隧洞水力计算 .............................................. 22 4.4无压隧洞设计荷载及衬砌计算 ......................................... 23

4.4.1无压隧洞设计荷载计算（1.50×1.80） ............................. 24 4.4.2无压隧洞的衬砌计算（1.5×1.8） ................................. 25 4.5压力前池的设计 ..................................................... 28

4.5.1压力前池的作用和组成 .......................................... 28 4.5.2压力前池轮廓尺寸的拟定 ........................................ 28 4.6压力管道的设计 ..................................................... 33

4.6.1压力水管的功用和特点 .......................................... 33 4.6.2压力水管的分类 ................................................ 33 4.6.3压力管道布置 .................................................. 34 4.6.4压力管道经济管径的确定 ........................................ 34 4.6.5水头损失计算 .................................................. 35 4.6.6管壁厚度计算 .................................................. 35 4.7镇、支墩 ........................................................... 36

4.7.1镇墩的设计 .................................................... 36

4.7.2支墩的设计 .................................................... 37

5 水能规划 ................................................................. 38

5.1.1 最大水头Hmax的确定 ........................................... 39

3

S水电站引水建筑物设计

5.1.2 设计低水位Hmin的确定 ......................................... 42 5.1.3 Hav的确定 .................................................... 45

5.1.4 Hr的确定 .................................................... 46

参考文献 ................................................................... 47 致 谢 ...................................................................... 48

S水电站引水建筑物设计

LHG

（甘肃农业大学工学院 2011级 农业水利工程）

摘要：S水电站位于四川省康定县孔玉乡境内三更沟中游，首部枢纽位于厂址以上4.2km的河段上。S水电站设计引用流量1.92ms，额定水头500m，装机容量2×4MW。 水库校核洪水位3224.95m（百年一遇），相应的下泄流量53.6m3/s；设计洪水位3221.72m（30年一遇），相应的下泄流量43.3m3/s；正常蓄水位3224.03m。

S水电站设计主要任务是挡水、泄水建筑物的设计，水能规划，引水建筑物的设计。本设计以引水建筑物为主，无压进水口位于坝址上游凹口处，沉沙池池长75m,深5m；无压引水遂洞全长850m，断面为1.5×1.8m的矩形；压力前池尺寸定为28×4×5m（长×宽×高）；侧堰长度3m，堰顶高程3222.1m；压力管道全长3300m,内径1.0m;水电站形式为引水式水电站。 关键词：进水口 沉沙池 无压引水隧洞 压力前池 压力管道

4

3

S水电站引水建筑物设计

Diversion buildings design midnight hydropower station

LHG

(gansu agricultural university institute of water conservancy and hydropower engineering)

Abstract: S hydroelectric power stations located at the Sichuan Kangting county Kong Yuxiang domestic three ditch middle reaches, the B ditch basin river course current of water rapids, fall the water to find at everywhere rapid, the hydro-electric resources are richer three ditches to belong to right flank the B river first-level small branch, the factory site located at three ditches and B ditch connection Lianghekou upstream 900m place, first key position located at factory site above on 4.2km

5

S水电站引水建筑物设计

2.1坝轴线的选择

坝址和轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的。就地形而言，坝址一般以选在狭窄河谷处，节省工程量；但对于一个具体的枢纽来说，必须从各个方面综合考虑：是否便于布置泄洪、发电建筑物，是否便于施工导流，技术可行，经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然地基很少，因而在选择坝址时应从实际出发，针对不同的情况采取不同的地基处理方式，来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件，同时应考虑两岸的地质因素，使库区及两岸边坡有足够的稳定性，以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势来说，坝址要选在河流顺直段，靠近坝址上、下游河流如有急湾最不利 ，应予避免；枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚，并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些；水库周缘应没有难处理的缺口。

由基本资料分析得，选择的坝址地处三更沟的中上游，位于山海子支沟口上游25～75m河段，河沟地面高程3219～3225m，该段河床比降较小，水流相对平缓。本阶段在坝址区河段内进行了坝线的比选工作，最终确定现坝线为最优坝线。若现坝线上移，沟谷变的较开阔；若坝线下移，将丢失水头坝址区河段沟谷为早期洪冲积层下切形成的狭窄沟谷，左岸地形坡度15～20°，右岸为45～50°属不对称型“V”形谷，河床水面宽5～8m，水深0.5～1.2m。

坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖，其中洪冲积层厚50～55m，为中粗砂砾(卵)石夹孤块石、漂石，中粗砂砾(卵)石成份主要为灰岩、玄武岩，砾径一般1～3cm，含量40～50%，漂石直径0.4～0.8m，局部孤块石直径1.2～3.5m，含量5～10%，该层除表部4～5m结构较松散，以下中等密实。崩坡积(Qcol-dl)厚35～50m，为块碎石夹粉质壤土。下伏基岩为二迭系下统第3段(P13)浅灰～灰色含泥砂质结晶灰岩、结晶灰岩夹蚀变玄武岩、炭硅质板岩，和第4段(P14)中～厚层结晶灰岩、生物碎屑灰岩夹炭质板岩。

坝址区附近植被茂盛，无冲沟切割，地形完整，坡体稳定，无崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用存在。

2.2坝型选择

坝型选择应根据当地地质、地形条件，施工条件，建筑材料，综合效益，宣泄洪水能力，以及抗震性等特点，通过定性分析，初步选择两种坝型进行较详细的技术比较，选取

- 10 -

S水电站引水建筑物设计

既满足工程要求，又比较经济的坝型，经济比较只要求对坝体的砼方量及三材用量作粗略的计算和比较。

以下分别就各种坝型进行比较分析。 坝型选择方案： （一）土石坝

土石坝又称当地材料坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝主要分为：均质坝、心（斜）墙坝、土石混合（堆石坝）坝等。

1、土石坝优点

（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，几乎任何土石料均可筑坝。

（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。

（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展。

（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。

（5）土石坝适应地基变形，施工方便，而且我国拥有丰富的建坝经验。土石坝与砼坝相比，其造价为砼坝的1/10，工程量为砼坝的4倍，由此可见土石坝经济性优于混凝土坝。

2、土石坝缺点

由所给 三更水电站基本资料可知，坝址区均为第四系洪冲积层与崩坡积层覆盖，其中洪冲积层厚50～55m，为中粗砂砾(卵)石夹孤块石、漂石，中粗砂砾(卵)石成份主要为灰岩、玄武岩，且储量足以建坝，各料场的物理性质、试验指标，基本满足技术要求，可作为大坝混凝土骨料使用。从材料方面看可以建土石坝。但土石坝有它本身的特点，就是坝身不能过水，泄水建筑物需另设溢洪道。由本枢纽基本资料知，三更沟水电站区内地貌以川西高原山地为主，河谷深切狭窄，两岸高竣陡峭，谷岭高差较大，没有合适地形布置溢洪道，因此，从这方面看，不宜建土石坝。

由于坝址附近无大量的粘性土及砂壤土料，只可供应围堰防渗材料之用。不能满足土石坝所需的大量粘性土和砂壤土料，因此，从这方面考虑，此处建设土石坝条件不足。

综合上述优缺点，故本次设计不采用土石坝，而采用混凝土坝。

- 11 -

S水电站引水建筑物设计

（二）混凝土坝

如果选择砼坝应考虑采用拱坝还是重力坝， 1、拱坝优缺点

优点：拱坝是高次超净定空间整体结构，坝体的稳定性主要依靠两岸拱端山体反力作用来维持，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有利于发挥材料的强度，从而坝体厚度可以减薄，节省工程量。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1/3～2/3，从经济意义上讲，拱坝是一种很优越的坝型。且较好的超载能力可达设计荷载的5～11倍，具有很强的抗震能力。

缺点：理想的拱坝地形应是左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。而此坝址属不对称型“V”形谷，不适合建拱坝。

综合上述，本坝址处不适宜建混凝土拱坝。 2、重力坝

重力坝坝身可以过水，对地形地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，可以大型机械化施工，施工速度快，故本枢纽选择重力坝坝型。

重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。需对三种坝型进行比较做出结论：

（1）宽缝重力坝优缺点：

宽缝重力坝，坝体设置宽缝后，坝基的渗透水可自宽缝排出，减小了渗透压力，但宽缝坝增加了模板用量，立模也较复杂，分期导流不便，而且由资料可知当地三更沟属于巴郎沟流域，属高原温带川西山地气候，主要特点是气温低、冬季长，对宽缝坝需要采取保温措施，工程造价大大增加且不能大型机械化施工，工期较长，因此不宜选用宽缝重力坝。

（2）空腹重力坝优缺点：

空腹坝与实体坝相比具有以下优点：

1）由于空腹下部设底板，减小了坝底面上的扬压力，可节省坝体砼方量20%左右； 2）减小了坝基开挖量；

3）坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定； 4）前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大； 5）便于砼散热； 6）坝体施工可不设纵缝； 7）便于监测和维修；

- 12 -

S水电站引水建筑物设计

8）空腹内可以布置水电站厂房。 缺点有： 1）施工复杂； 2）钢筋用量大；

因此不适宜建空腹重力坝。 （3）结论

实体重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。基于以上各种坝型的比较分析，本水库采用混凝土重力坝较为合理。

2.3引水建筑物选择

2.3.1进水口的选择

进水口又称进水建筑物，位于水电站输水系统的首部，它的功用是按照发电要求，自水源（水库或河流）取水，引入水电站引水道。

进水口的分类： 1. 按照水流特征分

按照水流特征，将进水口分为有压进水口和无压进水口两类。

有压进水口设在水库最低发电水位以下，进水口流道均淹没于水中，并始终保持涡流状态，属有压流动，其后紧接有压隧洞或管道。它主要用于从水位变幅比较大的水库或河流中引水的坝式、有压引水式和混合式水电站。

无压进水口水流为明流，进水口流道全程有自由水面，且水面以上的净空与外界大气保持良好贯通，使流经其中的水流为无压流动，其后一般紧接无压引水道，适用于从水位变幅较小的水库或河流中引用的无压引水式水电站。

2.按照与枢纽建筑物的关系分

水电站进水口按照与枢纽建筑物的关系，通常分为整体布置进水口和独立布置进水口。

整体布置进水口与枢纽工程主体建筑物组成整体结构，其整体稳定安全标准应与所在的主体建筑物相同，因为一旦失事，不仅影响工程效益，而且还将造成下游危害。坝式水电站和河床式水电站的进水口就属于整体布置进水口。

独立布置进水口布置于枢纽工程主体建筑物之外，如岸式进水口、塔式进水口、堤防

- 13 -

S水电站引水建筑物设计

涵闸式进水口等，其整体稳定安全标准根据地基条件分别按照SL285-2003《水利水电进水口设计规范》（岩石地基）或SL265-2001《水闸设计规范》（水质地基）的有关规定选取。

结论：由设计引水流量选择进水口为岸式无压进水口。

3 枢纽布置

首先根据枢纽的任务及要求确定枢纽建筑物的组成，然后根据地质、地形等条件，拟定二到三个枢纽布置方案，并画出草图，通过定性分析确定较合理的枢纽方案。水利枢纽布置的任务是合理地确定枢纽中各组成建筑物之间的相互位置。

S水利枢纽的主要任务是调节水量，兼顾防洪。包括挡水坝段和泄洪闸段；挡水坝段在河的两岸，中间设置泄洪闸。

根据枢纽功能需要，工程具有挡水坝段、泄洪闸段等建筑物。 枢纽布置主要应考虑： 水闸段，挡水坝段的布置。

3.1枢纽布置应遵循以下原则

1、坝址、坝段及其他主要建筑物的形式选择和枢纽布置要做到施工方便，工期短，造价低。

2、枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求，各建筑物之间能协调、无干扰地工作，保证其他任何工作条件下都能正常工作，满足枢纽运用管理的要求。 3、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。

4、枢纽中各建筑物紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。

5、尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产，提前发挥效益。 6、枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。

3.2各类建筑物枢纽布置的要求

1、挡水坝

拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。通常布置成直线，这样坝轴线较短，坝身体积小，对建筑物的受力状态有利，并便于与相邻建筑物的联结。

2、泄洪闸

泄洪闸起泄洪作用，前缘应正对上游来水的河流主流方向，下游出口方向最好与主河槽水流方向一致。本枢纽中，泄洪闸的尺寸大概如下：本次设计为单孔门，闸门净宽为3m。闸墩厚取1.2m。总闸段长为5.4m。

- 14 -

S水电站引水建筑物设计

将挡水坝段设在左右两岸，中间段设置泄水闸。 3.进水口

工程上常将开敞式进水口布置在河道主流比较集中，河床稳定，河岸坚固的河段上，防止因主流左右摆动影响取水，进水口中心线与河道交角30°～45°。

从防沙考虑，将进水口设在河道凹岸。这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向突岸。在选择进水口时，还应避开上游有浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌。

3.3枢纽总体布置

将挡水坝段设在左右两岸，中间段设置泄水闸。进水口设在挡水坝旁河道凹岸，其后接沉沙池，其长度为75m，紧接沉砂池的是矩形无压引水隧洞，其断面尺寸为1.5×1.8m，总长850m，渠道末端接压力前池，属平水建筑物，长28m，最后由总长为3300m的压力管道将水引入厂房发电。

4 引水建筑物的设计 4.1 进水口的设计

水电站进水建筑物是水电站水流的进口，由于进口后连接的引水方式、水流流态和所处位置的不同，进水口的基本型式也不同。

进水口型式可简要归纳如下 1.按照水流条件分： （1）无压进水口

无压进水口的主要特点是进水口范围内的水流为无压流，进水口后面一般连接无压引水建筑物，故此进水口亦称为开敞式进水口。无压进水口以引进表层水为主，因而防沙、防污和防冻等问题均较突出。

（2）浅孔式进水口

浅孔式进水口是淹没于水下不深的进水口。进水口充满水流，没有自由水面，属有压进水口。但浅孔式进水口因闸前水较浅，进口底板接近河底，防沙等三防问题仍较突出。浅孔式进水口常见于拦河闸式低水头的引水枢纽，低坝河床式水电站的进水口偶、压力前池的进水口等。

（3）深孔式进水口

- 15 -

S水电站引水建筑物设计

深孔式进水口是高坝大水库中的水电站进水口。孔口淹没深度大，底板距库底远，三防问题不突出。

2.按在水力枢纽中的位置分 （1）河岸式进水口

河岸式进水口位于水库或河道的岸边，按结构特点和进口闸门装置的位置，又可分为隧洞式进水口、压力墙式进水口和节制闸式进水口等。前三种为有压进水口，后一种为无压进水口。

（2）坝式进水口

当水电站枢纽中的挡水建筑物是混凝土坝时，进水口多设在坝上，称坝式进水口。 综合考虑本设计采用无压进水口，即开敞式进水口。 4.1.1进水口设计基本要求

进水建筑物是水电站输水系统的一个重要组成部分，其位置和形式的选择、尺寸的拟定与整个枢纽工程总体布置密切相关。具体设计时，应满足以下基本要求：

1.要有良好的地质、地形条件。

2.要有足够的进水能力和顺畅的进水条件。 3.水质要符合要求。 4.可控制流量。

5.满足水工建筑物的一般要求。 4.1.2 进水口的布置

工程上常将开敞式进水口布置在河道主流比较集中，河床稳定，河岸坚固的河段上，防止因主流左右摆动影响取水，进水口中心线与河道交角30°～45°。

从防沙考虑，将进水口设在河道凹岸。这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙则由底流带向突岸。在选择进水口时，还应避开上游有浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙和形成冰凌。 4.1.3 进水口尺寸确定 （1）进水口底板顶面高程

一般情况下，底板顶面高程可比闸前设计水深时的河床平均高程至少高出1.0～2.0m，视河道含沙量多少而定。

Z设 =3220m 则闸底板高程=3220+3=3223m

- 16 -

S水电站引水建筑物设计

（2）进水口孔口尺寸

孔口净宽 B? 式中 Q---- 设计引用流量 ζ---- 淹没系数

m ---- 流量系数。进口边缘为直角m=0.32～0.36,为圆角m=0.36～0.37。

本设计进口为直角，则m=0.35

H0---- 设计引进流速的堰顶水头 进水口下游水位 Q下=1.92m3s

查Q—Z曲线得： Z下=3220.66m Z上=3224.03m

H0=3224.03-3223=1.03m

下游超过堰顶的高度hs=3220.66-3223=-2.34m 为自由出流，则ζ=1。ξ=0.9 则 B?Q??m2gH03

2Q??m2gH03

2=1.31m 取B=1.5m

根据《闸门设计规范》中闸孔尺寸和水头系列标准，选单孔净宽B=1.5m，为单孔闸门，边墩0.5m。闸孔总宽度为：

L=1.5+0.5+0.5=2.5m

4.1.4闸底板设计

闸底板顺水流方向长度，据闸基土为沙砾石地基，A可取（1.5～2.5）A取2.0，

L底?A?H?2?1.03?2.06m 综合考滤取上部结构布置及地基承载力等要求，确定闸底板

长2.5m。

闸底板厚度为：t?16?1.5?0.25m， 取t=0.3m 4.1.5 校核泄洪能力

根据孔口与闸墩的尺寸可计算的收缩系数,查《水闸设计规范》（规范表2-2），结果如

- 17 -

S水电站引水建筑物设计

下所示：

b0/bs =1.5/(1.5+2)=0.43

得ε=1

所以与假定接近，根据选定的孔口尺寸与上、下游水位计算得Q=2.09m3s

设计情况和校核情况均未超过规定的5%的要求，说明孔口尺寸符合设计要求。故L=2.5米即为所求。

4.2沉沙池的设计

沉沙池设计的基本原理是，加大沉沙池的过水断面，减少水流的流速及其挟沙能力，使有害的泥沙沉淀在沉沙池内，而将清水引入水道。设计沉沙首先要决定其过水断面及长度，过水断面取决于池中水流的平均流速，平均流速一般为0.25～0.7m/s，视有害泥沙的粒径而定。沉沙池长度不足，则有害泥沙尚未下沉到池底已流出沉沙池，达不到沉沙的效果；沉沙池过长，则造成浪费。 4.2.1沉沙池的类型

水电站沉沙池常用的平面布置形状有直线型或称矩形、曲线形和沉沙条渠等三种。本设计采用矩形沉沙池。 4.2.2沉沙池尺寸拟定 1.沉沙池结构布置及尺寸

定期冲沙的沉沙池由进口段、沉淀室、出口段、冲沙廊道（或冲沙闸）以及节制闸等部分组成。为使沉沙池进水口和出水口水流平顺、流速分布均匀，一般在沉沙池的进水口和出水口用渐变段与上下游渠道连接，使水流沿平面及深度上均能均匀扩散和收缩。渐变段在平面上扩散角θ<20°(常用10°～20°)。进口段的长度一般取15～30m；出口段的长度一般取10～20m。本设计取θ为15°，进口段长度为20m，出口段长度为15m。沉沙池内水流平均流速应小于0.25m/s。沉淀室数目一般为2～3个，其横断面多为矩形，宽度不超过工作长度的35%。水电站用的沉沙池的工作深度一般为4～5m，沉沙池的底坡为正坡，坡度为0.02～0.005，本设计取0.001，冲沙廊道进口设在沉沙池末端。单室沉沙池的岸墙可用片石或混凝土板砌护成斜坡；亦可采用砌石、混凝土和钢筋混凝土的混合结构。沉淀室应分段设伸缩沉陷缝，砌石和混凝土结构的缝距一般取10cm左右，钢筋混凝土结构一般取10～20cm，缝内加设止水防漏。

- 18 -

S水电站引水建筑物设计

沉沙池池身的尺寸 （1）泥沙的沉降速度。

设计沉沙池前必须了解泥沙实际沉降速度，应根据实际测验值取定，本设计泥沙沉降速度为0.02m/s。 （2）沉沙池长度。

沉沙池中的泥沙一方面在水平流速作用下向前流动，同时在重力作用下向下沉降。沉沙池长度可按下式估算，即

L??HPvcpw

式中 L ---- 沉沙池的长度，m

?---- 系数，一般取1.2～1.5；连续冲沙的取小值，定期取大值；本

计采用连续冲沙，ξ =1.2

HP---- 沉沙池内的工作水深m,HP= H-ha；H为沉沙池的设计水深，一般取5～

6m；ha为冲沙前的设计淤积高度，一般取池首部设计水深的25%～30%，在连续冲沙的沉沙池中不计此值；本设计H=5m

vcp---- 沉沙池水流的平均流速，m/s,视设计泥沙粒径的大小而定，当粒径小于

0.25mm时，可取0.2m/s；当粒径小于0.4mm时，取0.25～0.5m/s；本设计取0.25m/s

w ---- 泥沙的沉降速度，m/s。 则 L=ξHPvcpw

=1.2×5×0.25／0.02 = 75m

(3) 沉沙池宽度。横断面为矩形的沉沙池，工作宽度可按下式计算，即:

B?Q vcpHP 式中B ---- 沉沙池的总工作宽度，m； Q ---- 沉沙池内的流量，m3s vcp---- 沉沙池水流的平均流速，m/s

Hp ---- 沉沙池的计算深度，即池首部的工作深度，m，一般为设计水深H的

- 19 -

S水电站引水建筑物设计

附图2-12 2702.5 水位(m) 2702 S电站厂房水位流量关系曲线 2701.5 2701 2700.5 2700 0 50 100 150 200 250 流量(m 3 /s)

由Q-Z曲线查得：Z校上=3224.95m Z校下=2701.12m

.95?2701.2?523.83m 则H毛1?Z上?Z下?3224H净1?96℅H毛1=0.96?523.83=502.88m （2）设计洪水位+机组满发

由Q-Z曲线查得：Z设上=3221.72m Z设下=2701.02m

.72?2701.02?520.7m 则H毛2?Z上?Z下?3221H净2?96℅H毛2=0.96?520.7 =499.87m （3）正常蓄水位+一台机组发电 一台机组发电的出力：N发 =4 MW 水轮机的出力：N水?4?4.17MW 0.96再根据：N水=9.81?QH，初设时取?=96℅，则有4.17?104=9.81?QH 然后取不同的Q值，进行试算，列表如下：

表5—1最大水头试算过程表

Qm3/s??

Z上?m? Z下?m?

45

H毛?m? H净?m? N水?万KW?

S水电站引水建筑物设计

96.3 90 88

3224.03 3224.03 3224.03

2701.45 2701.41 2701.39

522.58 522.62 522.64

501.68 501.72 501.73

4.55 4.25 4.16

由N～Q关系曲线，N=4.17MW，此时Q=88 m3/s， H净=501.73m， 即Hmax?max?502.88,499.87,501.73??502.88m。 5.1.2 设计低水位Hmin的确定

设计低水位(即设计死水位)+机组满发 已知Z上=3222.7m，即水轮机的出力为N水?2?4?8.3MW 0.96然后取不同的Q值，进行试算，列表如下：

表5—2试算过程表

Qm3/s186 180 176

??

Z上?m?

3222.7 3222.7 3222.7

Z下?m?

2701.85 2701.83 2701.81

H毛?m?

520.85 520.87 520.89

H净?m?

500.02 500.04 500.05

N水?万KW?

8.70 8.48 8.29

由N～Q关系曲线，N=8.3MW，Q=176m3/s，H净=500.05m，即

Hmin?500.05m

5.1.3 Hav的确定

加权平均水位Hav?5.1.4 Hr的确定

引水式电站Hr?Hav=501.47m

46

Hmax?Hmin502.88?500.05??501.47m

22

S水电站引水建筑物设计

参考文献

[1] 赵振兴，何建京.水力学[M].北京:清华大学出版社，2005，9. [2] 于永海.水电站[M].北京:中国水利水电出版社，2008.

[3] 林继镛.水工建筑物、第4版[M].北京:中国水利水电出版社，2006. [4] 何俊仕，林洪孝.水资源规划及利用[M].北京:中国水利水电出版社，2006.

[5] 华东水利学院主编.水工设计手册—水电站建筑物[M].北京:水利水电出版，1982，5. [6] 河海大学主编.水工钢筋混凝土结构学[M].北京:中国水利水电出版社，1996，12. [7] 湖南电力勘察设计院，天津大学水利学系.小型水电站—厂房[M].北京:水利水电出版社，1990，7.

[8] 水利水电建设总局.水电站机电设计手册—水力机械[M].北京:水利水电出版社，1982，

47

S水电站引水建筑物设计

9.

[9] 张治滨，四川联合大学.水电站建筑物设计参考资料[M].北京：中国水利水电出版社，1999，10.

[10] 江苏省水利勘测设计研究院.水闸设计规范SL265-2001.中华人民共和国水利部，2001,4.

致 谢

光阴荏苒，美好的大学时光即将画上一个句号。回望过去，仿佛昨日。本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师薛媛老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是很难的。

在设计过程中，得到了薛老师的亲切关怀和耐心的指导。她严肃的治学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到设计的最终完成，薛老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。这一点一滴将积极影响我今后的学习和工作，在此谨向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的感谢!

48

S水电站引水建筑物设计

最后我还要感谢工学院和我的母校—甘肃农业大学四年来对我的栽培！

49

9 10

y=r+0.75yh y=r+yh

S水电站引水建筑物设计

1.568 1.983

55.586 70.297

7.106 8.899

⑦各截面轴向力的计算：

各截面轴向力按下式计算

N=Np+?2сosφ （4-9） 式中：Np为各种外荷载作用下的轴向力，其值根据各种荷载值利用表4-46及4-48（《隧洞》）数据分别计算后叠加求得，表中各乘数值按已知荷载值计算如下： qr=40×0.93=37.2

gr=7.68×0.93=7.1424 er=10×0.93=9.3

各截面及N值计算分别列于表4-4及表4-5; ⑧内力计算校核

按下式拱顶截面转角总和为零的条件，校核各截面弯矩计算结果是否正确：

?s20?ds1=EJEJ??Mds??60100Mds=

?1??s0?s1???????M6?4?M7?M9??2M8?M10??M0?4M1?M3?M5?2M2?M4?M6????0EJ?33? （4-10）

式中：M0,M1,M3....为各截面弯矩值，由表4-55查得；?S0为圆拱段每相邻两截面间弧段长度，其值为： ?S0=

S01?r=×=0.4396 662 ?S1=S1/4=уh/4=1.66 /4=0.415 即

?s20Mds EJ?0?434????13?51?4?11?098?3?571?12?93??2?4?668?10?45??8?613?3??0?415???8?613?4??1?65?7?106??2?3?59?8?899??=-0.01/EJ≈0 3上述演算表明各截面弯矩计算无误。

30

S水电站引水建筑物设计

表4-4 各截面Np计算表

截面编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

位置 山岩垂直压力作用 系数 衬砌自重作

用 系数（m=2） 侧向山岩压力作用 系数（m=2） 合计NP φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 y=r y=r+0.25yh y=r+0.5yh y=r+0.75yh y=r+yh

0 4.448 16.6 33.2 49.8 61.95 66.4 66.4 66.4 66.4 66.4

0 0.066987 0.25 0.5 0.75 0.933013

1 1 1 1 1

0 0.864 3.338 7.080 11.56 16.12 20.03 23.21 26.4 29.59 32.78

0 0.06776 0.2618 0.55536 0.9069 1.26439 1.5708 1.8208 2.0708 2.3208 2.57080

0 -0.55 -1.93 -3.44 -4.15 -3.18 0 0 0 0 0

0 -0.03291 -0.1160 -0.20710 -0.25 -0.19183

0 0 0 0 0

0 4.765 18.01 36.84 57.21 74.26 86.43 89.61 92.8 95.99 99.17

表4-5 各截面N计算表

截面编号 位置 X2cosφ N 截面编号 位置 X2cosφ N

0 φ=0 35.45 35.45 6 y=r 86.426

1 φ=15 34.24 43.25 7 y=r+0.25yh

89.613

2 φ=30 30.7 48.71 8 y=r+0.5yh

92.8

3 φ=45 25.067 61.91 9 y=r+0.75yh

95.98

4 φ=60 17.725 74.937 10 y=r+yh 99.17

5 φ=75 9.175 83.44

⑨各截面应力计算：

衬砌截面边缘应力按下式计算: 衬砌外缘 ?外?N?6e??1?? （4-11） F?d?31

S水电站引水建筑物设计

式中：N为截面轴向力；见表；F为衬砌截面面积。当沿洞身轴向的计算宽度取b=1时，F=bd=d.d为各分块重心在截面的计算厚度，d=0.32m,e为轴向力对截面重心的偏心距， 其值为e?M N 衬砌内缘 ?内?N?6e??1?? （4-12） F?d?各截面边缘应力计算如表4-6

表4-6 各截面边缘应力计算表

截面 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 表中：

弯矩M及轴向力N值分别见表4-2，表4-4 弯矩符号以逆时针旋转为正，顺时针旋转为负

偏心距e为正时，表示轴向力偏向截面重心外侧，为负时，表示轴向力偏向截面重心内侧。 轴向力N及边缘应力均以压力为正，拉力为负。

弯矩M 13.508 11.098 4.668 -3.571 -10.451 -12.929 -8.613 -1.647 3.591 7.106 8.899

轴向力N 35.45 43.25 48.71 61.91 74.937 83.44 86.426 89.613 92.8 95.98 99.17

偏心矩e 0.3811 0.2566 0.095 -0.057 -0.139 -0.155 -0.099 -0.018 0.0387 0.074 0.089

6e/d 7.144 4.812 1.767 -1.073 -2.615 -2.905 -1.869 -0.345 0.726 1.388 1.683

N/F 110.78 135.14 152.23 193.47 234.18 260.74 270.08 280.04 290.00 299.96 309.9

外缘应力ζ902.28 785.42 425.73 -14.05 -378.16 -496.79 -234.57 274.89 500.40 716.34 831.37

外

内缘应力ζ-680.72 -515.13 -121.3 400.99 846.52

内

1018.19 774.73 376.56 79.60 -116.4 -211.5

⑩应力验算

拉应力 ?拉?rR1 （4-13） K132

S水电站引水建筑物设计

压应力 ?压?Ra （4-14） K2式中：R1—混凝土抗拉设计强度 Ra—混凝土轴心抗压设计强度 K1,K2—混凝土构建强度安全系数

r—截面抵抗距的塑性系数，对于矩形截面r=1.55

以上数据需查水利电力部1978年颁发的《水工钢筋混凝土结构设计规范》相关表格。经计算的：

1.705?900?767（KN/m2） 27500?5769（KN/m2） ?压?1.3

?拉?由表4-5可知：

(1)在截面1-3范围内和截面7-10范围内均不出现拉应力，且压应力均远小于混凝土允许压应力值；

(2)最大拉应力发生在拱顶截面的内缘，其值为б拉=680.72KN/m2<767KN/m2，即小于C15混凝土允许拉应力值767KN/m2；

(3)在截面5衬砌外缘产生的最大拉应力б拉=669.19KN/m2，衬砌内缘产生的最大压应力б压=846.06KN/m2，此值均小于允许拉应力767KN/m2和允许压应力5769KN/m2。

综上所述：经检验最大拉应力和最大压应力均满足要求，即衬砌满足强度要求。

4.5压力前池的设计

4.5.1压力前池的作用和组成

压力前池位于引水渠道的末端，其后接压力管道，是引水式电站从无压引水过渡到压力管流的连接结构，属平水建筑物。其作用是调整和稳定水流，保证向压力管道均匀分配水量，使电站在各种工况和来流条件下能保证正常运行。

前池由引水渠道与池身间的连接段、池身和电站进水口组成。 4.5.2压力前池轮廓尺寸的拟定

引水渠与池身间的连接段，在平面上应两边对称扩展，其扩展角不宜超过

33

S水电站引水建筑物设计

12°；底部纵坡宜不小于1：5。本设计前池上游渐变段采用对称扩散形式，长度为7m，纵坡i=0.2。. 1. 侧堰布置及水力计算

(1) 侧堰堰顶高程的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第4.5.3条的规定，侧堰的堰顶高程应高于设计流量下水电站正常运行时的过境水流水面高程△h(0.1～0.2m)，本工程取△h＝0.10m，

过境水流水面高程▽2=渠末渠底高程 + 渠道正常水深=3220.8+1.2=3222.0m

侧堰堰顶高程▽3=▽2 + △h=3222.0+0.1=3222.1m (2) 侧堰堰顶长度、堰上平均水头的确定

根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第A.0.3条，对于设一道侧堰的布置，当水电站在设计流量下正常运行，侧堰不溢水；当水电站突然甩全部负荷待水流稳定后全部流量从侧堰溢出，为控制工况。此时，侧堰下游引水渠道流量为零，侧堰泄流能力按下式确定。

即：

QL=mLL2gH3/2

流量系数mL宜取（0.9～0.95）m0，本工程取mL=0.9 m0，即mL=0.38。根据《水电站引水渠道及前池设计规范》第4.5.3条，侧堰的堰顶长度，堰上平均水头，需经计算比较确定。溢流堰长度与溢流堰顶水深有关，溢流水深过大，则单宽流量大，消能工程量大，但溢流水深小，则溢流堰长度就长，影响前池平面布置，所以在计算时两者应统筹兼顾。根据上述原则，经试算确定堰顶长度和堰上平均水头。

堰上水头H(以侧堰段渠道中线水深计) 经大量工程实例堰上水头多在0.5m～1.0m 范围选用。这是由引水渠道的断面和前池的尺寸所限定的。

取L堰= 3m，则H堰=0.525m 2.压力前池各部分平面尺寸的拟定

34

S水电站引水建筑物设计

70%～80%。

则 B =

Q

vcpHP

1.92×5×70% =26.88 m 0.25 =

取B =27 m

（4）沉沙池的深度。可按下式计算，即

H?Z?q?iL vs 式中 H ---- 沉沙池的设计水深，m；

Z ---- 沉沙池上游与排沙沟下游的水位差，m； q ---- 沉沙池的单宽冲沙流量，m2s；q? vs---- 沉沙池的冲沙流速，m/s； L ---- 沉沙池长度，m； i ---- 沉沙池的底坡坡度。 则 H?Z?1.92?0.07m2s 27q?iL vs = 4.46+ 0.07／0.25-0.001×75 = 4.7m

取H=5m

（5）冲沙廊道断面尺寸。廊道断面通常用矩形，进口为喇叭形。为便于检修，廊道的截面高度最好不小于1.5m，冲沙廊道口应设闸门，并有可靠的止水。对于砾石河段，应保证廊道最小流速为3m/s，廊道的转弯半径一般为其宽度的10～15倍。

4.3引水隧洞的设计

该电站采用无压引水隧洞，为非自动调节渠道。水电站引水渠道设计的主要内容是选择渠线，确定渠道的断面尺寸及纵坡。渠道不仅要满足输送最大引用流量以及防冲、防淤、防草等技术要求，而且还应符合动能经济的原则。 4.3.1渠线的选择

隧洞工程的选线一般要考虑以下因素：

1.地形、地质条件 该段地形为三更左岸斜坡，地面坡度35～45°，所经地貌单元主

- 20 -

S水电站引水建筑物设计

要为沟谷内侧山坡坡脚、河漫滩。

沿线基岩出露在两岸岸坡较高处，主要为二迭系下统第3段(P13)浅灰～灰色含泥砂质结晶灰岩、结晶灰岩夹蚀变玄武岩、炭硅质板岩，和第4段(P14)中～厚层结晶灰岩、生物碎屑灰岩夹炭质板岩。线路地基主要为崩坡积为块碎石夹粉质壤土及洪冲积中粗砂砾(卵)石夹孤块石、漂石。

线路经过地段地形较为完整，植被茂盛，无大的冲沟切割，但局部地段存在岸坡岩土体的浅部滑移和垮塌现象。

2. 其他地质因素 线路区的地下水为第四系松散堆积物孔隙水，受大气降水补给，向河床排泄。沿线地下水埋藏较浅，对普通混凝土无腐蚀性。

综上考虑，该引水隧洞与前池基本沿3223m等高线布置，全长850m。 4.3.2无压引水隧洞断面尺寸及纵坡的确定

该引水隧洞断面采用矩形，其断面宽b按下式计算 即： b?(nQ0.336i)38

式中 n ---- 糙率。钢筋混凝土衬砌，n=0.015 Q ---- 设计流量

i ---- 底坡坡降。i=0.001 则 b=1.11m

为便于施工隧洞的横断面尺寸至少宽为1.5m，高为1.8m，由于该隧洞引水流量较小，则确定其断面尺寸为1.5×1.8m。

在无通航要求的情况下，无压隧洞的纵坡一般为i=1/1000～1/2000。该引水隧洞取纵坡为i=1/1000。 4.3.3引水隧洞水力计算

（1）判别水面曲线类型 ① 求均匀流水深h0

k0=

Qi=

1.920.001=60.721m3s

b2.671.52.67==3.24 nK00.015?0.721- 21 -

S水电站引水建筑物设计

hb2.67查《水力学》附录A 由 =3.24 m=0 查得0=0.75

bnK0则 h0=0.75×1.5=1.125m 取h0=1.13m

② 求临界水深hc

2Q21.923hc=3=0.55m 2=2gb9.8?1.5 h0> hc，则底坡为缓坡。

（2）水面线计算

表4-1 假设法求渠末水深

水深h 底宽(m)

(m)

b 过水 面积 湿周 χ

A（m

2水力半径R(m)

糙率n 谢才系底坡比降 流速

i

(mv 流

(

量Q

）

（m） 数 C

s)

m3s)

0.81 1.8 1.91 1.98

0.55 1.0 1.05 1.08

1.5 1.5 1.5 1.5

0.825 1.5 1.575 1.62

2.6 3.5 3.6 3.66

0.317 0.43 0.438 0.443

0.015 0.015 0.015 0.015

55.05 57.92 58.09 58.21

0.001 0.001 0.001 0.001

0.98 1.2 1.22 1.23

由内插法得：Q=1.92m3s时，h=1.07m v = 1.2ms 则渠末水深为1.07m.

以h=1.07m作为控制断面，假设一系列上游断面水深h，应用式△s=

??si?j?逐段向上游

推算，即可求得各相应流段的长度△s，然后再根据已知的渠道长度L=850m，求上游渠首的水深h首。具体计算如下：

已知第Ⅰ流段断面1和2的水深分别为h1=1.068m，h2=1.07m，求流段长度△s1。计算时取?1??2?1，步骤如下：

① 计算断面1和2的断面单位能量?s1和?s2。已知水深h1=1.068m，则 A1= bh1 =1.5×1.068 = 1.602m2 v1=

Q11.92

==1.2m/s A11.062

=0.073m ?s1=h1+

?1v122g?1v122g=1.141m

同样可算得h2=1.07m时，A2=1.062m2,v2=1.2m/s, ?s2=1.143 m。 ② 计算平均水力坡度J。

- 22 -

_

_ S水电站引水建筑物设计

1 v=（v1?v2）=1.2 m/s

2断面1的水力要素： ?1= b+2h1=3.636 m R1=

A1?1=0.441 m

111 C1=R16=58.15 m2s

n同样可算得

?2=3.64 m R2=0.441 m C2=58.16 m 所以

1 R=(R1?R2)= 0.441 m

2_11 C=(C1?C2)= 58.155 m2s

2_则

1.22 J== 9.65×10?4 258.155?0.441_第Ⅰ流段长度为 △s1=

?s1??s2i?J?= 57.97 m

以第Ⅰ流段长度△s1=57.97m处的水深h2=1.068m作为第Ⅱ流段的控制断面水深，再假设h1=1.065m,重复上述的计算过程，可求得第二流段的长度△s2，如此逐段计算，即可求得各相应流段的长度及累加长度??s。计算列表见（4-2）。

- 23 -

S水电站引水建筑物设计

表4-2 分段求和法计算无压引水隧洞水面曲线

H

A

Χ

R

C

V

Es △Es

v

1.200 1.200 1.200 1.210 1.210 1.215

?R

0.4410 0.4405 0.4395 0.4390 0.4390 0.4385

?C

58.155 58.150 58.140 58.120 58.115 58.100

?J?10

??4△s

90.9 97.7 157.48 240 1492.5

??s

57.97 148.87 246.57 404.05 644.05 2136.55

1.070 1.068 1.065 1.060 1.058 1.055 1.050

1.605 1.602 1.598 1.590 1.587 1.583 1.575

3.640 3.636 3.630 3.620 3.616 3.610 3.600

0.441 0.441 0.440 0.439 0.439 0.439 0.438

58.16 58.15 58.15 58.12 58.12 58.11 58.09

1.20 1.20 1.20 1.21 1.21 1.21 1.22

1.143 1.141 1.138 1.135 1.133 1.130 1.126

0.002 0.003 0.003 0.002 0.003 0.004

9.65 9.67 9.69 9.87 9.87 9.97

根据表（4-2）中的h及??s，按一定的纵横比例绘出渠道的水面曲线。再用内插法求得L=850m处的渠首水深h首=1.054m。

- 24 -

4.4无压隧洞设计荷载及衬砌计算

4.4.1无压隧洞设计荷载计算（1.50×1.80）

无压引水隧洞穿过较为完整坚硬的岩层时，其顶拱中心角一般不大，拱圈较平，岩石对拱圈下部的弹性抗力作用很小，可以不必考虑。本设计中围岩为较为完整的砂岩，不考虑岩石弹性抗力。其荷载组合为：垂直山岩压力+侧向水平山岩压力+衬砌自重。

（1）基本数据

岩石容重=24kN/,开挖宽度B=1.50m，开挖高度H=1.80m。 （2）计算

①按SDB4-84《水工隧洞设计规范》计算：

垂直山岩压力强度q=（0.1～0.2）B=0.1×24×1.50=3.6kN/m3 ②按普氏公式计算

查《隧洞》中表3-2，选用岩石坚硬系数f=6。，内摩擦角φ=75o，?岩=24kN/m3

按公式计算：

塌落拱高度h=（B+2Htg（45-φ/2））/（2f）=（1.5+2×1.8tg（45-75/2））∕(2×6)=0.2186m

曲线形洞顶均匀分布的垂直山岩压力强度 q=0.7h=0.7×24×0.2186=3.67248kN/m3

侧向水平压力强度按松散体理论，由下列公式计算：

在洞顶面处 e1=0.7γ岩htg2（45-ψ/2）=0.7×24×0.2186×tg2（45-75/2）=0.0640 kN/m3

在洞底面处 e1=(0.7h+H)γ岩tg2（45-ψ/2）=(0.7×0.2186+1.8)×24×tg2（45-75/2）=0.8156kN/m3

为了简化计算，在设计中多采用e1、e1的平均值e=（e1+e2）/2=（0.0640+0.8156）/2=0.4398kN/m3

③按简化公式计算

查表《山岩压力强度q及e的计算用表》得，当岩石坚硬系数f=6，相应q、

S水电站引水建筑物设计

e的系数为3.67248、0.4398

q=0.074γB=0.074×24×1.50=2.664kN/m3 e=0.01γH=0.01×24×1.80=0.432 kN/m3 4.4.2无压隧洞的衬砌计算（1.5×1.8）

本设计采用查表法计算圆拱直墙式衬砌断面。

本设计隧洞工程地质条件:其中Ⅱ类围岩洞长约占40%,可不支护或个别岩块锚固、衬砌;Ⅲ类围岩共占60%,需支护衬砌,故本设计需要进行衬砌计算。

（1）基本资料

洞身衬砌断面形式和尺寸

洞身为等厚度衬砌的城门洞形断面，顶拱为半圆形，洞底采用与侧墙整体式连接的平底板，各部分尺寸如下：

洞身净宽B=1.5m；洞身净高H=1.8m；拱顶内半径=0.75m；直墙高=0.93m。衬砌厚度初步拟定为d=0.36m，底板厚度采用与顶拱及侧墙相同。

②设计荷载

均布垂直山岩压力强度为q=40kN/m3；均布侧向水平山岩压力强度为e=10kN/m3（m=q/e=4），不考虑岩石弹性抗力、摩擦力及内水压力。

衬砌材料

采用C15混凝土衬砌，混凝土弹性模量为E=22000000 N/m2，混凝土容重为

?混=24kN/m3。

（2）计算

由于在设计中不考虑岩石弹性抗力作用及拱座转角的影响，且衬砌为等厚，抗弯强度EJ值为常数，在及的计算公式中，EJ值可以消去，因此在形常数及荷载常数的计算

公式中可以不必计入EJ的实际值，使计算更简单。 ①计算简图及基本结构

以衬砌中心线作为计算拱轴线，计算简图及基本结构如图4-1。 基本尺寸计算如下：

26

S水电站引水建筑物设计

计算矢高 f=H+d/2=1.8+0.36/2=1.98m 计算跨度 L=B+d=1.5+0.36=1.86m

顶拱计算半径 r=r+d/2=0.75+0.36/2=0.93m

计算矢高与拱顶计算半径的比值为m=f/r=1.98/0.93=2,01≈2

qe0rx2exq0yx1q 图4-1 计算简图及基本结构

臂长度c的计算

C=Ac×r 根据m=2，查《隧洞》表4-39、表4-48得Ac=0.805508(Ac为计算常数)，则：C=Ac×r=0.805508×0.75=0.604131

?22等由表4-39～4-48查得，③形常数计算（以下所有系数，如?11、除?1c、?2c由表4-42查取）

?11 =?11r/EJ=2.5707963×1.68/EJ=4.3188/EJ

?22=?22r3/EJ=1.0214853×1.683/EJ=4.8435/EJ 载常数计算(各载常数按不同荷载分别作用叠加求的) ⅰ.垂直山岩压力作用

根据m=2由表4-40查的：?1q=-0.8926991，?2q=-0.2569565 △1p=A1qqr3/（EJ)=（-0.8926991）×40×1.683/EJ=-169.31/EJ

27

S水电站引水建筑物设计

△2p=A2qqr4/（EJ)=(-0.2569565)×40×1.684/EJ=-81.88/EJ ⅱ.衬砌自重作用

衬砌自重：g=γ混d=24×0.32=7.68 kN/m2

△1p=A1ggr3/（EJ)=（-1.0)×7.68×1.683/（EJ）=-36.42/EJ △2p=A2ggr4/（EJ)=（-0.3017932）×7.68×1.684/（EJ）=-18.46/EJ ⅲ.矩形水平山岩压力作用

△1p=A1eer3/（EJ)=(-1.3447689)×10×1.683/（EJ)=-63.76/EJ △2p=A2eer4/（EJ)=(-0.9219444)×10×1.682×1.662/（EJ)=-73.44/EJ ⅳ.载常数总和

1△1p =-EJ(169.31＋36.42＋63.76)=-269.49/EJ 1 △2p=-EJ（81.88+18.46+73.44)=-173.78/EJ

⑤多余未知力?1及?2的计算

?1= -△1p/?11=-(-269.49)/4.3188=62.40 kN.m ?22=-△2p/?22=-(173.78)/4.8435=35.88 kN.m ⑥各截面弯矩值计算

各截面弯矩值按下式计算：

M=Mp+?1+?2(y-c) （4-8） 式中y为各截面对以顶拱O为坐标原点的纵坐标，为外荷载作用下的弯矩，利用《隧洞》表4-45及表4-47数据计算，表中各乘数值按已知荷载值计算如下：

qr2=40×1.682=112.90 gr2=7.68×1.682=21.67 er2=10×1.682=28.22 圆拱各截面：y=r-rcosφ

y-c=r-rcosφ-c=0.327-rcosφ

28

S水电站引水建筑物设计

直墙段各截面：y-c=y-1.353 各截面M及计算分别列于表4-2及表4-3

表4-2 各截面Mp计算表

截面编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ60 φ=75 y=r y=r+0.25y y=r+0.5yh y=r+0.75y y=r+yh

0 -3.69 -13.7 -27.5 -41.3 -51.4 -55.1 -55.1 -55.1 -55.1 -55.1

0 -0.03349 -0.125 -0.25 -0.375 -0.46650 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5 -0.5

0 -0.7126 -2.7047 -5.5539 -8.6100 -11.071 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078 -12.078

0 -0.0336 -0.1278 -0.2624 -0.4069 -0.5232 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708 -0.5708

0 -0.02 -0.25 -1.18 -3.45 -7.57 -13.8 -21.5 -31.0 -42.2 -55.1

0 -0.0005 -0.0089 -0.0428 -0.125 -0.2746 -0.5 -0.7812 -1.125 -1.5312 -2

0 -4.4226 -16.734 -34.283 -53.39 -70.061 -80.988 -88.688 -98.188 -109.38 -122.28

位置 山岩垂直压力作用 系数 衬砌自重作

用 系数 侧向山岩压力作用 系数（m=2） 合计MP 表4-3 各截面M计算表

截面编号 0 1 2 3 4 5 6 7 8

φ=0 φ=15 φ=30 φ=45 φ=60 φ=75 y=r y=r+0.25yh y=r+0.5yh

-1.337 -1.28 -1.115 -0.851 -0.507 -0.107 0.323

1 0.96593 0.86603 0.70711 0.5 0.25882 0

0.323 0.738 1.153

-47.402 -45.391 -39.513 -30.161 -17.973 -3.7804

11.445 26.162 40.874

13.508 11.098 4.668 -3.571 -10.45 -12.93 -8.613 -1.647 3.591

位置 y-C（拱) (=0.323－rcosφ) cosφ y-C（直墙） (y=－1.337) X2（y-C） X2（y-C） 合计M 29

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e93d.html