水电站毕业设计

AAA河一级水电站计算说明书

毕业设计计算书

系 别： 水利电力工程系

专业班级： 水利水电建筑工程 设计课题： AAA水电站枢纽布置设计 学生姓名： 学 号： 指导教师：

年 月 日

1

AAA河一级水电站计算说明书

目录

第一章 综合说明 .......................................................................................................................... 4

1.1 流域概况 ........................................................................................................................... 4 1.2 水文气象 ........................................................................................................................... 4

1.2.1 水文及气象 ........................................................................................................... 4 1.2.2水文气象及径流条件 ............................................................................................ 4

第二章 工程地质及工程任务和规模 ........................................................................................... 5 2.1地形地质 ................................................................................................................................... 5 2.1.1库区工程地质情况 ............................................................................................................... 5

2.2 区域及水库地质 ............................................................................................................... 6

2.2.1地形地貌 ................................................................................................................ 6

第4章 第三章 坝址、 坝轴线、坝型选择及枢纽布置 ........................................................... 7

3.1坝址的选择 ......................................................................................................................... 7 3.1 坝轴线的选择 ............................................................................................................... 8

3.1.1坝轴线的选择原则 ................................................................................................ 8 3.1.2 坝轴线的选择 ..................................................................................................... 9 3.2 坝型选择 ....................................................................................................................... 9 通过上述比较，我认为选择重力坝比较适合，因此我选择的是混凝土重力坝。 ........... 9 3.3枢纽布置 ............................................................................................................................ 9

3.3.1布置原则： .............................................................................................................. 9 3.3.2枢纽的总体布置 .................................................................................................... 10 3.3.3布置方案 ................................................................................................................ 10

第4章 第四章 工程布置及建筑物 ........................................................................................... 11

4.1 非溢流坝段设计 ........................................................................................................... 11

4.1.1 坝体断面设计 ................................................................................................. 11 4.1.2确定坝顶高程 ...................................................................................................... 12 4.1.3坝顶宽度的拟订 .................................................................................................... 15 4.1.4坝坡的拟订 ............................................................................................................ 16 4.1.5上、下游起坡点位置的确定 ................................................................................ 16 4.2剖面设计 ........................................................................................................................... 16 4.3重力坝非溢流坝段主要荷载及计算 ............................................................................... 16

4.3.1 ............................................................................................................................... 16 4.3.2抗滑稳定性极限状态 .......................................................................................... 23 4.3.3坝体应力计算 ...................................................................................................... 28 4.4溢流重力坝的设计 .......................................................................................................... 42

4.4.1堰顶高程的确定 .................................................................................................. 42 4.4.2计算 ...................................................................................................................... 42 4.5消能设计及计算 .............................................................................................................. 46

4.5.1、消能防冲设计 ................................................................................................... 46 4.5.2挑流鼻坎的设计 .................................................................................................. 47 4.5.3水舌挑射距离和冲刷坑深度的计算 .................................................................. 47 4.5进水口段的确定 .............................................................................................................. 49 4.6引水管道的确定 .............................................................................................................. 51 4.7水电站厂房的布置设计 .................................................................................................. 51

2

AAA河一级水电站计算说明书

4.6.1主厂房的平面设计 .............................................................................................. 52 4.6.2主厂房长度的确定 .............................................................................................. 52 4.6.3主厂房的高程、高度设计 .................................................................................. 53 4.6.4主厂房的宽度设计 .............................................................................................. 55 4.6.5副厂房的平面设计 .............................................................................................. 55 4.6.76 主变压器场....................................................................................................... 55 4.6.7 开关站............................................................................................................... 55

第五章 施工组织设计................................................................................................................. 56 5.1 概 述..................................................................................................................................... 56

5.2施工导流方法 .................................................................................................................. 56 5.3 围堰设计 ....................................................................................................................... 56 第六章 结束语 .......................................................................................................................... 57

3

AAA河一级水电站计算说明书

第一章 综合说明

1.1 流域概况

AAA水电站位于 某省西南的武陵山区某自治州鹤岗县境内，坝址位于下游

北方镇柳月坪，下距在建工程二级水电站坝址约8.7km。该坝段拥有丰富的水能资源，开发后能够有力的带动该自治州的经济发展，为该省的现代化建设提供强有力的动力。

1.2 水文气象

1.2.1 水文及气象

AAA水电站位于某省西南的武陵山区某自治州鹤岗县境内，坝址位于下游北方镇柳月坪，下距在建工程二级水电站坝址约8.7km。

AAA地区气候属中亚热带湿润气候，温和湿润，雨量充沛。坝址控制流域面积303.4km2，坝址多年平均流量12.6m3/s，坝址多年平均年径流总量3.97亿m3，P=2%、1%、0.1%的洪峰流量为2080、2500、3250 m3/s ，多年平均输沙量为25.7 万t，多年平均含沙量（悬移质）0.539kg/m3，淤沙浮容重0.7～0.9t/m3，淤沙内摩擦角12°～15°。

表3-2 特 征 水 位 和 流 量 表 洪 水 频 率 （P%） 项 目 0.05 起调水位(m) 洪峰流量(m3/s) 最大泄量(m3/s) 库水位(m) 相应下游水位(m) 647.5 4350 3400 649.79 553.62 1 647.5 2500 2500 647.5 551.86 2 647.5 2080 2080 647.5 550.79 1.2.2水文气象及径流条件

AAA地区气候属中亚热带湿润气候，温和湿润，雨量充沛。根据AAA气象站实测统计，多年平均气温15.4℃，极端最高气温40.7℃，极端最低气温-10.1℃。

4

AAA河一级水电站计算说明书

多年平均降雨量1986.4mm，多年平均最大风速10.2m/s，设计风速20.4m/s，水库最大吹程1.1km。

表3-3 坝 址 水 位 流 量 关 系 表 水位(m) 流(m/s) 水位(m) 流(m/s) 33539.8 0 548 1100 540.0 0.08 549 1410 541.0 4.42 550 1760 542.0 37.6 551 2150 543.0 121 552 2590 544.0 244 553 3070 545.0 403 554 3600 546.0 598 555 4170 547.0 831 556 4790 量量

第二章 工程地质及工程任务和规模

2.1地形地质

2.1.1库区工程地质情况

岩石点荷载试验综合成果表 地层 岩石名称 风化程度 试验 件数 4 1 抗压强度RC（MPa） 抗压强度 平行层理 垂直层理 百分比 42.9% 64.0% S1ln1 泥质粉砂岩 新鲜 弱风化 19.1~37.5 34.0~53.7 26.5 27.1 43.9 42.3 S1ln2 条带状砂岩 微风化~新鲜 12 22.3~60.4 34.7~106.2 23.5%~ 39.2 14.4~19.5 17.0 77.2 53.3 57.0% 27.0% 弱风化 S1lr11 条带状砂岩 2 微风化~新鲜 7 隐条带粉细砂岩 26.5~48.6 76.1~119.7 29.1%~ 37.4 33.2 99.0 89.6 43.7% 37.1% S1lr12 新鲜 1 5

AAA河一级水电站计算说明书

主要结构面力学参数建议值表 类 别 节理面，闭合无充填或充填方石脉（微风化~新鲜） 层面（微风化~新鲜） 层间挤压破碎带，夹泥 F1等断层破碎带，胶结不良

2.2 区域及水库地质 2.2.1地形地貌

变形模量 E0（GPa） — — 0.20~0.30 0.25~0.50 抗 剪 断 强 度 f′ 0.5~0.6 0.55~0.6 0.30~0.35 0.30~0.40 C′（MPa） 0.05~0.10 0.05~0.08 0.03 0.05~0.08 柳月坪坝址距河口10.78km，河谷形态呈“V”形；正常蓄水位647.5m时，谷宽261.0m；河水位为541.5m时，谷宽20.0m；河床覆盖层厚2～4m。坝址近河山岭高程均在800.00m以上，山体连续完整； 两岸自然边坡坡度一般为40°～60°，但受结构面控制的悬崖峭壁随处可见；左岸发育6条规模大小不一的冲沟，

上游峡谷入口处还有一条常年流水的溪沟；右岸因陡崖发育，边坡成台阶状。 2.2.2材料重度及抗震要求

工程场区地震基本烈度小于6度，工程设防烈度6度。混凝土重度 2.4t/m3钢筋混凝土重度 2.5t/m3，淤沙浮重度 0.7～0.9t/m3。

2.2.3 工程任务和规模

AAA河一级水电站水库为年调节水库，正常蓄水位647.50m，相应库容0.90

亿m3，总库容0.99亿m3。电站装机2台，总装机容量30MW。根据中华人民共和国《防洪标准》（GB50201-94）及《水利水电建筑工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，本工程属Ⅲ等中型工程。

建筑物级别：大坝为2级，泄水建筑物为3级，引水道、厂房为4级，次要

建筑物为4级，临时建筑物为5级。

6

AAA河一级水电站计算说明书

洪水标准：拦河坝为混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝时，大坝及泄水建筑物

设计洪水重现期为50年，校核洪水重现期为1000年；拦河坝为混凝土面板堆石坝时，大坝及泄水、放空建筑物设计洪水重现期为100年，校核洪水重现期为2000年；引水道、厂房设计洪水重现期均为50年，校核洪水重现期均为100年。

第4章第三章 坝址、 坝轴线、坝型选择及枢纽布置

3.1坝址的选择

根据批准的AAA河流域规划成果和河道沿线地形地质条件，工程所在河段大致可分为四段：AAA坡上游河段河谷狭窄，两岸岸坡陡峻，建坝工程量省，但库容损失近3500万m3，该段河床出露地层为奥陶系灰岩，密度较高，岩溶发育，河道左岸下游有一切割较深的溪沟，存在库水向溪沟渗漏的可能性，基础处理工程量大，且受地形条件的制约，施工条件较差，因此，该段河道建坝条件较差；AAA坡至柳月坪峡谷进口，两岸岸坡平缓，河谷过宽，其间分布几条规模较大的冲沟和一方量约240～300万m3的变形岩体（阴坡堆积体），地形较为零乱，该河段明显不适合建坝；落山坝下游河段处于正在修建的AAA河二级电站的库区，在该河段建坝，与二级电站水头重叠较多，必将增加坝体工程量；因此唯有柳月坪峡谷进口至落山坝峡谷出口近1400m河段，两岸地形基本对称，河谷狭窄，地质构造相对简单，较适合于建坝，选定为本工程的建坝河段。

建坝河段位于鹤峰县北佳镇柳月坪自然村下游。AAA河河道自西向东流入柳月坪峡谷后转为自北向南，再经过一较大的河湾进入落山坝峡谷后，河流流向转为南东向。经过详细的现场查勘，在选定的建坝河段内拟定柳月坪坝址（上坝址）和落山坝坝址（下坝址）作为比选坝址进行坝址比选。

柳月坪坝址距河口10.78km，河谷形态呈“V”形；正常蓄水位647.5m时，谷宽261.0m；河水位为541.5m时，谷宽20.0m；河床覆盖层厚2～4m。坝址近河山岭高程均在800.00m以上，山体连续完整； 两岸自然边坡坡度一般为40°～60°，但受结构面控制的悬崖峭壁随处可见；左岸发育6条规模大小不一的冲沟，上游峡谷入口处还有一条常年流水的溪沟；右岸因陡崖发育，边坡成台阶状。坝址出露地层为龙马溪组和罗惹坪组的条带状砂岩、石英

7

AAA河一级水电站计算说明书

砂岩，岩性坚硬，岩层产状35°～50°/SE∠35°～50°。河床基岩风化较微弱，弱风化带下限埋深4～6m，两岸岩体强风化带下限埋深0.8～34m，弱风化带下限埋深4.2～53.5m。岩层走向斜交河流，倾向下游偏左岸，为斜向谷。

落山坝坝址下距河口10.08km，上距上坝址700m，正常蓄水位647.50m时，谷宽288.0m；河水位为537.00m时，谷宽20.0m；河流相对平顺，河床覆盖层厚3～5m。两岸自然边坡坡度一般为35°～50°，右岸山体连续完整，左岸发育1条南北向的溪沟，名为老沟，老沟与AAA河之间的山岭顶部高程683.10m。坝址出露地层为罗惹坪组的粉砂岩、泥质粉砂岩，岩性较软弱且具崩解性，岩层产状35°～50°/SE∠35°～50°。河床基岩风化较微弱，弱风化带下限埋深5～7m，两岸岩体强风化带下限埋深3～24m，弱风化带下限埋深5～35m。岩层走向垂直河流，倾向下游，为横向谷。坝址上游左岸有断层发育，斜穿山岭，库水经断层向邻谷渗漏，需采取相应的工程处理措施。

3.1 坝轴线的选择

3.1.1坝轴线的选择原则

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。

8

AAA河一级水电站计算说明书

3.1.2 坝轴线的选择

经方案对比，选择如图所示的坝轴线天然河谷较窄，坝顶长度最短。混凝土工程量最

省，最为经济。

3.2 坝型选择

比较重力坝、拱坝、土石坝三种坝型所要求的地形地质条件和各自的优缺点如下：

重力坝对地形、地质条件适应性强，对地质条件的要求也较拱坝低。重力坝枢纽泄洪问题容易解决，重力坝可以做成坝身溢流，也可以在坝内不同高程设置泄水孔，不需另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。重力坝还具有施工导流方便、坝体应力较低、安全可靠等优点。

拱坝对地形地质条件要求比较高，从本次设计的地质地形条件来看，修建拱坝的难度是很大的，因此不予考虑。

土石坝主要优点是可以就地就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，能适应各种不同的地形、地质和气候条件。缺点是土石坝为布置泄洪和施工导流所需的工程量大、造价较高，且对于防渗材料的选择，造价也较高。

通过上述比较，我认为选择重力坝比较适合，因此我选择的是混凝土重力坝。

3.3枢纽布置

3.3.1布置原则：

9

AAA河一级水电站计算说明书

根据坝址的建坝条件，枢纽布置主要考虑以下原则：

（1）应积极稳妥地采用先进技术，尽量减少工程量，节省工程投资，以便加快施工进度，缩短施工工期，争取提前发电。

（2）在枢纽布置时，引水系统应优先考虑坝式进水口，做到管理运行方便，缩短引水隧洞长度，尽可能不设调压井，厂房尽可能布置在完整的基岩上，特别要注意厂后边坡的稳定。 3.3.2枢纽的总体布置

拦河坝在水利枢纽中占主要地位。在确定枢纽工程位置时，一般先确定建坝河段，再进一步确定坝轴线，同时还要考虑拟采用的坝型和枢纽中建筑物的总体布置，合理解决综合利用要求。一般地，泄洪建筑物和电站厂房应尽量布置在主河床位置。供水建筑物位于岸坡。

(一)溢流坝的布置。溢流坝的位置应使下泄洪水、排冰时能与下游平顺连接．不致冲淘坝基和其他建筑物的基础，其流态和冲淤不致影响其他建筑物的使用。

(二)泄水孔的布置。泄水孔一般设在河床部位的坝段内，进口高程、孔数、尺寸、形式应根据主要用途来选择。狭窄河谷泄水孔宜与溢流坝段相结合，宽敞河谷二者可分开；排沙孔应尽量靠近发电进水口，船闸等需要排沙的部位。

(三)非溢流坝的布置。非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其他建筑物相连处，常用边墙、导墙隔开。连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。在宽阔河道上以及岸坡覆盖层、风化层极深时，非溢流坝段也可采用土石坝。 3.3.3布置方案

（一）、方案拟订

1、坝型：常态混凝土重力坝

2、厂房型式：本坝址因泄洪流量大，要求尽可能加宽溢流前缘，减少单宽流量以便妥善解决消能防冲问题，所以不宜采用坝后厂房，在左岸布置地下或窑洞式厂房是可能的，但洞挖工程量大，施工较复杂，进度较慢，应力求简单、易行，所以不宜采用。由此，厂房只能布置成左右岸引水式地面厂房。

3、方案：

10

AAA河一级水电站计算说明书

方案一：混凝土重力坝左岸引水式厂房； 方案二：混凝土重力坝右岸引水式厂房； （二）、方案比较 引水道与厂房布置

方案一：厂房的位置较开阔，地势平缓， 便于施工开挖和水电站各设施的布置，只是尾水管水流与下游河道有一定的夹角，需要做好下游的消能防冲措施。

方案二：右岸地势陡峭，不便于厂房的布置，同时需要较大的土石方开挖，于枢纽的总体布置和施工预算不利。

综上比较，方案一明显优于方案二。即采用混凝土重力坝、右岸引水式地面厂房的布置方案。

第4章第四章 工程布置及建筑物

4.1 非溢流坝段设计 4.1.1 坝体断面设计 （1） 基本资料

设计洪水位 ( p=2%) 上游：647.5 下游：551.86 校核洪水位 （p=0.1%） 上游：648.75

下游：552.81

正常蓄水位 上游：647.5

下游：542.02

死水位：595

混凝土容重：24 KN/m3 坝前淤沙高程：565.0 m 泥沙浮容重：7.8 KN/m3 泥沙内摩擦角：13O

11

AAA河一级水电站计算说明书

混凝土与基岩间抗剪断参数值： f `= 0.6

c `= 80

坝体混凝土：C10

多年平均最大风速为：v 0 = 10.2 m/s 吹程 D = 1100 m 扬压力系数：0.25 4.1.2确定坝顶高程

1、超高值?h的计算 （1）基本公式

坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与设计洪水位或校核洪水位的高差，可由式（2.1）计算，应选择两者中防浪墙较高者作为选定高程。

?h?h1%?hz?hc （2.1）

式中?h—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%的波浪高度m；

hz —波浪中心线至设计洪水位或校和洪水位的高差m； hc——安全超高 ，按下表采用

表2－1 安全超高值

安全级别 运用情况 设计洪水位 校核洪水位 Ⅰ Ⅱ Ⅲ （1级） （2级） （3级） 0.7 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3

对于hl%和hz的计算采用官厅公式计算： hl?0.0166v0D，L?10.4(hc)0.8 hz?5413?hl2Lcth2?H L（ D——吹程，m;L——波长，m;）

12

AAA河一级水电站计算说明书

在计算h1%和hz时，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。计算风速在水库正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍，校核洪水位时宜采用相应洪水期多年平均最大风速，见下表

表2-2 计算风速

最大风速计算情况 正常情况 设计情况 校核情况 库水位(m) 647.5 647.50 648.75 吹程(km) (m/s) 1.1 1.1 1.1 10.2 10.2 10.2 (m/s) 20.4 15.3 10.2 计算风速

坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算：

坝顶高程=正常蓄水位+?h正 坝顶高程=设计洪水位+?h设 坝顶高程=校核洪水位+?h校核

式中，?h设、?h校核分别为计算的坝顶（或防浪墙顶）据设计洪水位和校核洪水位的高度。由于正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水在计算坝顶超出静水位Δh时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以在决定坝顶高程时，应按正常蓄水位、设计洪水情况（持久状况）和校核洪水情况（偶然状况）分别求出坝顶高程，但坝顶高程应高于校核水位。

（1）正常蓄水位时?h计算

风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，D——吹程，可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离，即：

风速v=20.4m/s，吹程D=1.1km。 各波浪要素计算如下：

波高hl =0.0166×20.45/4 ×1.11/3 =0.74 （官厅公式） 由于gD/v2?20~250,则为累计频率5%的波高，根据换算累计频率为1%的

13

AAA河一级水电站计算说明书

波高为h1%=1.24×h5% =1.24×0.74=0.92m

波长L1 =10.4×(h1)0.8=10.4×0.740.8=8.2 （官厅公式）

hz??hl2L

cth2?H = 0.33 （官厅公式）L

则△h=h1%+hz+hc=0.92+0.33+0.5=1.75 （2）设计洪水位时?h计算

风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，D——吹程，可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离，即：

风速v=15.3m/s，吹程D=1.1km。 各波浪要素计算如下：

波高hl =0.0166×15.35/4 ×1.11/3 =0.52 （官厅公式）

由于gD/v2?20~250,则为累计频率5%的波高，根据换算累计频率为1%的波高为h1%=1.24×h5% =1.24×0.52=0.64m

波L1 =10.4×(h1)0.8=10.4×0.520.8=0.52 （官厅公式）

hz??hl2L

cth2?H = 0.21 （官厅公式） L

则△h=h1%+hz+hc=0.74+0.21+0.5=1.35 （3）校核洪水位时?h计算

校核情况采用多年平均最高风速，即： v=10.2m/s, 吹程D=1.1km。 各波浪要素计算如下：

hl =0.0166×10.25/4 ×1.11/3 =0.31 （官厅公式） h1%=1.24×h5% =1.24×0.31=0.38m

L1 =10.4×(h1)0.8=10.4×0.310.8=4.07 （官厅公式）

hz??hl2Lcth2?H = 0.11 （官厅公式） L

△h=h1%+hz+hc=0.38+0.11+0.4=0.89

2、坝顶高程计算

14

AAA河一级水电站计算说明书

根据以上两种水位时?h计算结果，得出两种状况下坝顶高程。 （1） 正常蓄水位时的坝顶高程： ▽坝顶=正常蓄水位+?h =3647.5+1.75=649.25m

（2） 设计洪水位时的坝顶高程： ▽坝顶=设计洪水位+?h =647.5+1.35=648.85m （3）校核洪水位时的坝顶高程： ▽坝顶=校核洪水位+?h

=648.75+0.89=649.64

坝基高程为520，则坝高：649.64-520=129.64m。 坝顶宽度： 考虑交通要求，取13m。 3、坝体断面设计

上游坝坡做成折坡，折坡点位于坝高1/3处（即高程570m处），在此上坝坡铅直，在此以下，坝坡坡率n取为0.2，下游坝坡坡率m取0.8。 计算过程详见计算书,成果列于下表：

表4-2-3

计算情况 正常情况 设计情况 hl（m） 0.92 0.64 坝顶高hz（m） 0.33 0.21 0.11 hc（m） 0.5 0.5 0.4 ?h（m） 1.75 1.35 0.89 程?（m） 649.25 648.85 649.64 校核情况 0.38

计算结果表明，坝顶高程由校核洪水位控制，取坝顶高程649.64m，将超高置于坝顶以上，坝顶上游再设实体防浪墙。

4.1.3坝顶宽度的拟订

为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高的8 %~10%，且不小于2m。综合考虑以上因素,坝顶宽度B=13m。

15

AAA河一级水电站计算说明书

4.1.4坝坡的拟订

考虑坝体利用部分水重增加其抗滑稳定，根据工程实践，上游边坡系数n=0.2，下游边坡系数m=0.8。 4.1.5上、下游起坡点位置的确定

上游起坡点位置应结合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来定，初拟上游起坡点高程为570m，下游起坡点的位置根据坝的实用剖面形式、坝顶宽度，结合坝的基本剖面得到T=122.7m

4.2剖面设计

n=0.2,m=0.8,B=122.7m 初选剖面尺寸如图所示:

▽649.64p6▽520

4.3重力坝非溢流坝段主要荷载及计算

4.3.1

1.重力坝承受的荷载和作用主要有：①自重；②水荷载；③扬压力；⑤波浪压力；⑥泥沙压力等。

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

16

AAA河一级水电站计算说明书

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。

表2-2 正常洪水位时的各项参数 上游水深H1 128.75m 1、荷载组合计算：

1）、坝体自重: 混凝土的重度×实用剖面面积 正常蓄水位

W?W?W?W?2905840.97(KN)

123总 W1=24×129.64×13=40447.68 KN

W2=24×124.64×99.71×1/2=149137.24 KN

W3=24×50×10×1/2=6000 KN

校核洪水位

2905840.97(KN) W?W1?W2?W3?总 W1=24×129.64×13=40447.68 KN

W2=24×124.64×99.71×1/2=149137.24 KN

W3=24×50×10×1/2=6000 KN

2)、静水压力 正常蓄水位

12

上游水平静水压力：P?r水H12?1/2×10×(647.50-520)=81281.25(KN) 12 垂直静水压力：W1=水重度×水体体积

=10×(647.5-570) ×50×0.2=7750(KN) W2=水重度×水体体积 =1/2×50×0.2×50×10=2500

下游水深H2 22.2m 上下游水位差H 107.62m 上游坝坡坡率n 0.2 下游坝坡坡率m 0.8 坝底宽度B 122.71 扬压力折减系数α 0.25 122 下游水平静水压力：P2?r水H2?1/2×10×(542.02-520)=2424.04(KN)

2 垂直静水压力：W3=水重度×水体体积

=1/2×10×22.02×0.8×22.02=1939.52(KN) 校核水位

12

上游水平静水压力：P?r水H12?1/2×10×(648.75-520)=8288.18(KN) 12 垂直静水压力：W1=水重度×水体体积

17

AAA河一级水电站计算说明书

=10×(648.75-570) ×50×0.2=7875(KN) W2=水重度×水体体积 =1/2×50×0.2×50×10=2500

122 下游水平静水压力：P2?r水H2?1/2×10×(552.81-520)=5382.48(KN)

2 垂直静水压力：W3=水重度×水体体积

=1/2×10×32.81×0.8×32.81=4305.98(KN)

3）、扬压力： 正常蓄水位

U总?u1?u2?u3?u4?50866.84KN

u1??水.H2.B×1m=10×22.02 ×122.71×1=27021.18 KN u2??水.1/2αH.(B-C) ×1.2

=10×1/2×0.25×（122.71-6）×（647.5-542.02） ×1.2=18307.95 KN

u3??水.C.αH×1.2=10×6×0.25×(647.5-542.02)×1.2=2215.08 KN u4??水.1/2.C.H(1-α)×1.2=10×1/2×6×(647.5-542.02)×(1-0.25)

=3322.62 KN 校核水位

U总?u1?u2?u3?u4?61950.77KN

u1??水.H2.B×1m=10×32.81 ×122.71×1= 40261.81KN u2??水.1/2αH.(B-C) ×1.2

=10×1/2×0.25×（122.71-6）×（648.75-552.81）×1.2=16652.11 KN

u3??水.C.αH×1.2=10×6×0.25×(648.75-552.81)×1.2=2014.74 KN u4??水.1/2.C.H(1-α)×1.2=10×1/2×6×(648.75-552.81)×(1-0.25)

=3022.11 KN

4）、淤沙压力： 坝前泥沙淤高程（运行50年）: hs=565.0m

淤沙的容重: ?sb?7.8KN/m3 淤沙的内摩擦角: ?s? 13°

18

??AAA河一级水电站计算说明书

正常蓄水位

则水平方向淤沙压力: PS??1rsbhs2tan2(45??s).1.2 22 =1/2×7.8×(565-520)2tan2(450-14/2)×1.2 =5996.27KN

竖直方向淤沙压力： WS=?sb.淤沙体积.1.2

=7.8×45×0.8×45×1/2×1.2=1895.40 校核水位

则水平方向淤沙压力: PS??1rsbhs2tan2(45??s).1.2 22 =1/2×7.8×(565-520)2tan2(450-14/2)×1.2 =5996.27KN

竖直方向淤沙压力： WS=?sb.淤沙体积.1.2

=7.8×45×0.8×45×1/2×1.2=1895.40

Lm5)、浪压力：当H≥Hcr 属于临界水深，H?，所以浪压力按深水波计

2算。

正常水位

浪压力：P大K=?.1/2.Lm/2.(Lm/2+hz+h1％)×1.2

=10×1/2×8.2/2×(8.2/2+0.21+0.74）×1.2=124.32 KN P小k=?.1/2.Lm/2.Lm/2×1.2 =10×8.2/2×8.2/2×1.2=100.85KN P浪=P大k-P小k=121.84-98.83=23.47 KN 校核水位

P大K=?.1/2.Lm/2.(Lm/2+hz+h1％)×1.2

=10×1/2×4.1/2×(4.1/2+0.07+0.31）×1.2=29.97 KN P小k=?.1/2.Lm/2.Lm/2×1.2 =10×4.1/2×4.1/2×1.2=25.21KN

P浪=P大k-P小k=29.97-25.12=4.85 KN

2.计算截面上的弯矩

19

AAA河一级水电站计算说明书

1）坝体自重弯矩 正常

矩形=G1.{B/2-（50+h/2)}

=40447.68×44.86 = 1814321.13KN.m 大三角形=G2.×(T/2-2/3h2.m)

=149137.24×5.12 =763582.67 KN.m 小三角形=G3.（T/2-2/3h.n) =6000×54.69

=328136.00 KN.m 校核

矩形=G1.{B/2-（50+h/2)}

=40447.68×44.86 = 1814321.13KN.m 大三角形=G2.×(T/2-2/3h2.m)

=149137.24×5.12 =763582.67 KN.m 小三角形=G3.（T/2-2/3h.n) =6000×54.69

=328136.00 KN.m

静水压力弯矩 正常

2)上游静水压力弯矩 ?竖直方向（水体自重） 矩形=W水1.（T/2-1/2h.n)

=7750×53.36 =413540KN.m

三角形=W水2..（T/2-1/3h.n)

=2500×58.02

=145056.67KN.m

?水平方向（上游静水压力） MP1=P1.1/3H1

=81281.25×

42.50 =3454453.13KN.m

下游静水压力弯矩 ?竖直方向（水体自重） M=W水3.（T/2.-1/3H2.m)

=1939.52×55.48 =107612.42KN.m

?水平方向（静水压力）

20

3）

AAA河一级水电站计算说明书

MP2=P2.1/3H2

=2424.4×7.34 =17795.11KN.m 校核

2)上游静水压力弯矩 ?竖直方向（水体自重） 矩形=W水1.（T/2-1/2h.n)

=7875×53.36 =443803.50KN.m 三角形=W水2..（T/2-1/3h.n)

=2500×58.02

=145056.67KN.m

?水平方向（上游静水压力）MP1=P1.1/3H1

=82882.81×

42.91 =3557054..4KN.m

下游静水压力弯矩 ?竖直方向（水体自重） M=W水3.（T/2.-1/3H2.m)

=4305.98×52.61 =226523.49KN.m

?水平方向（静水压力） MP2=P2.1/3H2

=5382.48×10.94 =58866.40KN.m

4）淤沙压力弯矩 正常

?竖直方向（淤沙自重） MS=WS.(T/2-1/3hs.n) =1859.4×59.49 =110607.96 KN.m ?水平方向 MS=Ps.1/3hs

=5996.07×

15 =89944.07 KN.m 校核

?竖直方向（淤沙自重） MS=WS.(T/2-1/3hs.n) =1859.4×59.49 =110607.96 KN.m ?水平方向

21

3）

AAA河一级水电站计算说明书

MS=Ps.1/3hs

15 =5996.07×

=89944.07 KN.m

5）浪压力弯矩 正常

M大=P大.{(H1+hz+h1%)-2/3(Lm/2+hz+h1%)} =124.32×126.34 =15706.55 KN.m M小=P小.（H1-2/3.Lm/2) =100.85×126.01 =12708.55 KN.m Mc=M大-M小 =2998KN.m 校核

M大=P大.{(H1+hz+h1%)-2/3(Lm/2+hz+h1%)} =29.97×127.53 =3821.98 KN.m M小=P小.（H1-2/3.Lm/2) =25.21×127.39 =3211.59 KN.m Mc=M大-M小 =2998KN.m

6)扬压力弯矩 正常

Mu1 =u1.(T/2-T/2) =27021.18×0 =0 KN.m

Mu2 =U2.(T/2-C - T-C/3) =18307.95×15.79 =288997.14KN.m Mu3 =U3.(T/2-C/2) =2215.08×57.87 =128155.67 KN.m Mu4 =U4.(T/2-C/3) =3322.62×59.02 =196109.89KN.m 校核

Mu1 =u1.(T/2-T/2) =40261.81×0 =0 KN.m

Mu2 =U2.(T/2-C - T-C/3) =16652.11×15.79

22

AAA河一级水电站计算说明书

=262859.17KN.m Mu3 =U3.(T/2-C/2) =2014.74×57.87 =116564.80KN.m Mu4 =U4.(T/2-C/3) =3022.11×59.02 =178372.99KN.m

4.3.2抗滑稳定性极限状态

（一）校核洪水位基本组合时抗滑稳定性极限状态

非溢流坝段坝基面荷载计算表

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 1.0 1.0 1.0 5.12 763383.84 自重 自重 自重 G1 40447.68 G2 149137.24 G3 6000.00 44.86 1814321.13 54.69 328136.00 上游水平水压力 P1 81281.25 42.50 3454453.13 1.0 下游水平水压力 上游垂直水压力 上游垂直水压力 下游垂直水压力 浮托力 P2 W1 7750 2424.40 7.34 17795.11 124.32 23

1.0 1.0 1.0 56.36 436759.00 58.02 145056.67 55.48 0.00 0.0 W2 2500.00 W3 1939.52 U1 107612.42 1.0 1.0 27021.18 18307.95 2215.08 3362.00 渗透压力 U2 渗透压力 U3 渗透压力 U4 浪压力 P浪

15.79 57.86 59.02 126.34 288997.14 1.2 128155.67 1.2 198433.91 1.2 15706.55 AAA河一级水电站计算说明书

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 100.85 126.01 12708.55 15 水平淤砂PSH 压力 5996.27 89944.07 1.2 1.2 垂直淤砂PSV 1895.04 压力 59.49 110607.96 ∑P=-84876.60 ∑W=158803.01 ∑M=-652181.25

因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数r??1.0，设计状况系数??1.0 结构系数: rd?1.2 作用效应函数:

S（?）=?P=P1-P2+P大-P小+Ps =84876.60 KN 抗力函数:

'''?80 R(.)?0.6 cR?fR'?WR?CRAR fR =0.6×158803.01+80×122.71 = 105098.61KN

则 r??S(?)?1.0×1.0×84876.60=84876.60 KN

1105098.61=87582.17KN R(?)?1/1.2×

rd1R???

所以 ???S???＜

?d经过计算可知，该重力坝在校核洪水位情况下坝基面的抗滑稳定性满足要求。

2）、坝趾抗压强度极限状态

因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数r??0.9，设计状况系数

??1.0 结构系数 rd?1.8

24

AAA河一级水电站计算说明书

作用效应函数:r0?S(?)?[?W6.?M?].(1?m2)r0? 2BB =2548.57MPa 选用

C10

混凝土，抗压强度性能分项系数为1.5，则设计值为： 坝址抗力强度值：fR?6666.7 则 ???S???=2548.57(MPa)

1?dR????(1)?6666.7?3703.72(MPa) 1.81R??? 经计算，该重力坝在校核洪水位情况

所以 ???S??? < 下坝趾抗压强度满足要求。

?d

（二）、校核洪水位（偶然组合）时抗滑稳定性极限状态

非溢流坝段坝基面荷载计算表

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 1.0 1.0 1.0 5.12 763383.84 自重 自重 自重 G1 40447.68 G2 149137.24 G3 6000.00 44.86 1814321.13 54.69 328136.00 上游水平水压力 P1 82882.81 42.91 3557054.04 1.0 下游水平水压力 上游垂直水压力 上游垂直水压力 下游垂直水压力

P2 5382.48 10.94 58866.40 25

1.0 1.0 1.0 W1 7875.00 W2 2500.00 W3 4305.98 56.36 443803.50 58.02 145056.67 52.61 226523.49 1.0

AAA河一级水电站计算说明书

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → 29.97 ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 0.00 0.0 1.0 262859.17 1.2 116564.80 1.2 178372.99 1.2 3821.98 浮托力 U1 40261.81 16652.11 2014.74 3022.11 渗透压力 U2 渗透压力 U3 渗透压力 U4 浪压力 P浪 水平淤砂PSH 压力 15.76 57.86 59.02 126.34 25.21 126.01 3211.59 15 5996.27 89944.07 1.2 1.2 垂直淤砂PSV 1895.04 压力 59.49 110607.96 ∑P=-83501.36 ∑W=150210.54 ∑M=-767753.44

?、偶然组合时。

因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数r??1.0，设计状况系数

??0.85，结构系数??1.2

d'AR R(.)?fR'?WR?CR =0.6×150210.54+80×122.71=99943.12 KN

)r???P=1× 则 r??S(.?0.85×83501.36=70976.16 KN

11'R(?)?(fR'?W?CRA)?83285.93KN rdrd所以 ???S???＜

1?dR???

经过计算可知，该重力坝在校核洪水位情况下坝基面的抗滑稳定性满足要求。

?、坝趾抗压强度极限状态

因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数???1.0，设计状况系数

C

??0.85 ，结构系数?d?1.8 选用10混凝土。

作用效应函数: r??S(?)?[?W6.?M2?].(1?mr??)?2132.87MPa 2BB26

AAA河一级水电站计算说明书

选用

C10

混凝土，抗压强度性能分项系数为1.5，则设计值为： 抗力函数：R????fR?6666.70 则

1?dR???=???S???=3703.72（KN)

1 ?0?S(?)??dR(?)

所以经计算，该重力坝在校核洪水位情况下坝趾抗压强度满足要求。

3)、设计洪水位时的荷载作用 垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 1.0 1.0 1.0 5.12 763383.84 自重 自重 自重 G1 40447.68 G2 149137.24 G3 6000.00 44.86 1814321.13 54.69 328136.00 上游水平水压力 P1 81281.25 42.50 3454453.13 1.0 下游水平水压力 上游垂直水压力 上游垂直水压力 下游垂直水压力 浮托力 P2 W1 7750 2424.40 7.34 17795.11 124.32 56.36 436759.00 58.02 145056.67 55.48 0.00 0.0 1.0 1.0 1.0 W2 2500.00 W3 1939.52 U1 107612.42 1.0 1.0 27021.18 18307.95 2215.08 3362.00 渗透压力 U2 渗透压力 U3 渗透压力 U4 浪压力 P浪 水平淤砂PSH 压力 15.79 57.86 59.02 126.34 288997.14 1.2 128155.67 1.2 198433.91 1.2 15706.55 100.85 126.01 12708.55 15 5996.27 27

89944.07 1.2 1.2 垂直淤砂PSV 1895.04

59.49 110607.96 AAA河一级水电站计算说明书

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 压力 ∑P=-84876.60 ∑W=158803.01 ∑M=-652181.25

上游坝踵不出现拉应力极限状态。因此上游坝踵不出现拉应力极限状态属于正常使用极限状态，故设计状况系数作用分项系数和材料性能分项系数都采用1.0。扬压力系数直接用标准值0.25代入计算，结构功能的极限值c=0 r?S(?)?r?[

=1103.63KN

?S(?)?0 由以上计算结果可见，所以断面全部满足设计规定的

0要求。

4.3.3坝体应力计算

(一)正常蓄水位（基本组合）时坝体边缘应力计算

?W6.?M?] 2BB

表2-5 正常蓄水位时的荷载作用

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 1.0 1.0 1.0 5.12 763383.84 自重 自重 自重 G1 40447.68 G2 149137.24 G3 6000.00 44.86 1814321.13 54.69 328136.00 上游水平水压力 P1 81281.25 42.50 3454453.13 1.0 下游水平水压力 上游垂直

P2 W1 7750 2424.40 7.34 17795.11 28

1.0 1.0 56.36 436759.00 AAA河一级水电站计算说明书

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 水压力 上游垂直水压力 下游垂直水压力 浮托力 W2 2500.00 W3 1939.52 U1 124.32 58.02 145056.67 55.48 0.00 0.0 1.0 107612.42 1.0 1.0 27021.18 18307.95 2215.08 3362.00 渗透压力 U2 渗透压力 U3 渗透压力 U4 浪压力 P浪 水平淤砂PSH 压力 15.79 57.86 59.02 126.34 288997.14 1.2 128155.67 1.2 198433.91 1.2 15706.55 100.85 126.01 12708.55 15 5996.27 89944.07 1.2 1.2 垂直淤砂PSV 1895.04 压力 59.49 110607.96 ∑P=-84876.60 （KN) ∑W=158803.01 （KN) ∑M=-652181.25（KN) 不计扬压力时

?W?209669.85（KN) ?M?-38918.56(KN) ∑P=-84876.60(KN)

表2-6 正常蓄水位时的各项参数

上游水深H1 下游水深H2 上下游水位差H 105m 上游坝坡坡率n 0.2 下游坝坡坡率m 0.8 坝底宽度B 125.3m 扬压力折减系数α 0.25 127.50m 22.2m 1、 不计扬压力 ?W?209669.85（KN) ?M?-38918.56(KN) ∑P=-84876.60(KN) 上游水平压力强度： P'?rsbhs?r水H1?1497.08(KN)

29

AAA河一级水电站计算说明书

下游水平压力强度： P\?r水HZ?220.20 (KN) 上游边缘扬压力强度：P'u?r水H1=1275.00(KN) 下游边缘扬压力强度：p%u?r水H2=220.20（KN)

' 上游面垂直正应力：?y??W6.?M??1497.08(KN) BB2?W6.?M下游面垂直正应力：?\??2?1182.74(KN) yBB'上游面剪应力：?'?(P'??y)n?0.00 kN \下游面剪应力： ?\?(?\y?py)m?1203.18(KN) '上游面水平正应力：?x?p'?(p'??'y)n2?1693.15KN

\2下游面水平正应力：?x?p\?(?\y?p\)m?1724.17 KN

' 第一主应力： ?'?(1?n2)?y?(p'?pu')n2?1548.08 kN ''2 ?\?(1?m2)?\y?(p?pu'')m?1939.69 kN

第二主应力 ?＇=p＇=1497.08KN ?＂=p＂=220.20KN

2、计入扬压力时

?W?158803.01 ?M?-652181.25

上游水平压力强度： P'?rsbhs?r水H1?1497.08 (KN) 下游水平压力强度： P\?r水HZ?220.20 (KN) 上游边缘扬压力强度：P'u?r水H1=1275.00(KN) 下游边缘扬压力强度：p%u?r水H2=220.20（KN)

?W6.?M??254.57kN 2BB?W6.?M下游面垂直正应力：?\??2?994.56 kN yBB上游面剪应力：?'?(P'?pu'??'y)n?-162.44N

'上游面垂直正应力：?y?\下游面剪应力： ?\?(?\y?pu''?p)m?1243.20kN

30

AAA河一级水电站计算说明书

''上游面水平正应力：?x?(p'?pu')?(p'?pu'??y)n2?1034.26kN \2下游面水平正应力：?x?(p\?pu'')?(?\y?pu''?p\)m?1554 kN '第一主应力： ?'?(1?n2)?y?(p'?pu')n2? 255.15 kN ''2 ?\?(1?m2)?\y?(p?pu'')m?1631.08 kN

第二主应力 ?＇=p＇－pu＇=240.08KN ?＂=p＂－pu＂=0KN （二）、正常蓄水位时坝体内部应力的计

图2-4 坝内主应力计算简图

不计入扬压力

1、坝内垂直正应力

?y

根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的

?y为：

?y?a?bx

其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。

a??\y?b??W6.?M??1724.17 BB2?12?M?-0.25 B3'?y??\yB? ?y2、坝内剪应力?

?a?bx=1724.17+（-0.25）X

31

AAA河一级水电站计算说明书

根据

?y呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力?x呈二

2??a?bx?cxx111次抛物线分布，即： 其中，a1、b1、c1由边界条

件确定。

a1??\?1203.18

b1?? c1?16?P(?2?'?4?\)?-5.40 BB1B2(6?P?3?'?3?\)?-0.04 B2??a?bx?cxx111所以： =1203.18+（-5.40）X+（-0.04）X2

3、坝内水平截面正应力 根据

?x

?x在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应

23???a?bx?cx?dxb2、xx2222力 呈三次抛物线分布，即： 其中a2、

c2、d2可由边界条件确定。由于?x的三次抛物线分布与直线相当接近。

因此，可近似地作为直线分布，即：

\ a3??x?1182.74

'\?x??x?x?a2?b2x

b3?B?2.56

所以：?x?a3?b3x=1182.74+2.56X 4、坝内主应力?1 、?2

??y??x??1?x??y2???????2??22??2

?12?????1?arctan???2??y??x?

5、将坝底五等分，分别计算各等分点的主应力

1）、A点的应力：X=0m

?x?1182.74m ?y?1724.17m ?'?1203.18m

32

AAA河一级水电站计算说明书

?1?2686.71m ?2?220.20m ?1?-121.45m 2）、B点的应力：X=30m

?x?1259.59m ?y?1716.59m ?'?1008.87m ?1?2522.52m ?2?453.66m ?1?-121.33m 3）、C点的应力：X=60m

?x?1336.44m ?y?1709.00m ?'?749.95m ?1?2295.64m ?2?749.98m ?1?-119.46m 4）、D点的应力：X=90m

?x?1413.29m ?y?1701.42m ?'?462.41m ?1?2007.45m ?2?1107.27m ?1?-112.05m 5）、E 点的应力：x=123.62m

?x?11499.42m ?y? 1692.92m ?'?-12.96m ?1?11693.79m ?2? 1498.55m ?1?11.99m

所以，经过计算，在正常蓄水位时坝体应力没有出现拉应力，满足应力要求。

计入扬压力

1、坝内垂直正应力

?y

根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的

?y为：

?y?a?bx

其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。

a??\y?b??W6.?M??1554.00 2BB?12?M?-4.24 3B'?y??\yB? ?y

?a?bx=1554.00+（-4.24）X

33

AAA河一级水电站计算说明书

2、坝内剪应力?

根据

?y呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力?x呈二

2??a?bx?cx111次抛物线分布，即： x 其中，a1、b1、c1由边界条

件确定。

a1??\?1243.20

b1?? c1?16?P(?2?'?4?\)?-4.06 BB1B2(6?P?3?'?3?\)?-0.06 B2??a?bx?cxx111所以： =1243.20+（-4.06）X+（-0.06）X2

3、坝内水平截面正应力 根据

?x

?x在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应

23???a?bx?cx?dxb2、xx2222力 呈三次抛物线分布，即： 其中a2、

c2、d2可由边界条件确定。由于?x的三次抛物线分布与直线相当接近。

因此，可近似地作为直线分布，即：

\ a3??x?994.56

'\?x??x?x?a2?b2x

b3?B?-6.03

所以：?x?a3?b3x=994.56+(-6.03)X 4、坝内主应力?1 、?2

??y??x??1?x??y2???????2??22??2

??1??2???1?arctan?????2yx??

5、将坝底五等分，分别计算各等分点的主应力

1）、A点的应力：X=0m

34

AAA河一级水电站计算说明书

?x?994.56m ?y?1554.00m ?'?1243.20m ?1?2584.57m ?2?0.00m ?1?-121.45m 2）、B点的应力：X=30m

?x?813.65m ?y?1426.94m ?'?1067.23m ?1?2230.71m ?2?9.88m ?1?-116.19m 3）、C点的应力：X=60m

?x?632.74m ?y?1299.87m ?'?782.75m ?1?1817.16m ?2?115.45m ?1?-105.12m 4）、D点的应力：X=90m

?x?451.83m ?y?1172.81m ?'?389.74m ?1?1343.21m ?2?281.42m ?1?-74.19m 5）、E 点的应力：x=123.62m

?x?249.08m ?y? 1030.41m ?'?-179.64m ?1?1069.73m ?2? 209.76m ?1?38.79m

所以，经过计算，在正常蓄水位时坝体应力没有出现拉应力，满足应力要求。

(二)校核洪水位时坝体内部应力的计算

不计入扬压力

1.校核洪水位（基本组合）时坝体边缘应力计算

非溢流坝段坝基面荷载计算表 垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 1.0 1.0 1.0 5.12 763383.84 自重 自重 自重 G1 40447.68 G2 149137.24 G3 6000.00 44.86 1814321.13 54.69 328136.00 35

AAA河一级水电站计算说明书

垂直力(KN) 名称 符号 ↓ ↑ 水平力(KN) → ← 对基础中心力矩(KN*m) 分力臂项(m) 逆时针+ 顺时针- 系数 上游水平水压力 P1 82882.81 42.91 3557054.04 1.0 下游水平水压力 上游垂直水压力 上游垂直水压力 下游垂直水压力 浮托力 P2 5382.48 10.94 58866.40 29.97 56.36 443803.50 58.02 145056.67 52.61 0.00 0.0 1.0 1.0 1.0 W1 7875.00 W2 2500.00 W3 4305.98 U1 226523.49 1.0 1.0 40261.81 16652.11 2014.74 3022.11 渗透压力 U2 渗透压力 U3 渗透压力 U4 浪压力 P浪 水平淤砂PSH 压力 15.76 57.86 59.02 126.34 262859.17 1.2 116564.80 1.2 178372.99 1.2 3821.98 25.21 126.01 3211.59 15 5996.27 89944.07 1.2 1.2 垂直淤砂PSV 1895.04 压力 59.49 110607.96 ∑P=-83501.36 ∑W=150210.54 ∑M=-767753.44

不记扬压力

∑P=-83501.36 ∑W=212161.31 ∑M=-209956.48

校核水位时的各项参数 上游水深H1 下游水深H2 上下游水位差H 95.94m 上游坝坡坡率n 0.2 下游坝坡坡率m 0.8 坝底宽度B 122.71m 扬压力折减系数α 0.25 128.75m 32.81m 2、 不计扬压力 3、∑P=-83501.36 （KN） ∑W=212161.31 （KN） ∑M=-209956.48（KN）

36

AAA河一级水电站计算说明书

上游水平压力强度： P'?rsbhs?r水H1?1509.58(KN) 下游水平压力强度： P\?r水HZ?220.20 (KN) 上游边缘扬压力强度：P'u?r水H1=1287.50(KN) 下游边缘扬压力强度：p%u?r水H2=220.20（KN)

' 上游面垂直正应力：?y??W6.?M??1515.01(KN) BB2?W6.?M下游面垂直正应力：?\??2?1239.35(KN) yBB'上游面剪应力：?'?(P'??y)n?-27.14kN \下游面剪应力： ?\?(?\?pyy)m?1273.94(KN) '上游面水平正应力：?x?p'?(p'??'y)n2?1645.30KN

\2下游面水平正应力：?x?p\?(?\y?p\)m?1812.63KN

' 第一主应力： ?'?(1?n2)?y?(p'?pu')n2?1566.73 kN ''2 ?\?(1?m2)?\?(p?pu'')m?2032.53 kN y 第二主应力 ?＇=p＇=1509.58KN ?＂=p＂=220.20KN 2、计入扬压力时

∑P=-83501.36 ∑W=150210.54 ∑M=-767753.44

上游水平压力强度： P'?rsbhs?r水H1?1509.58(KN) 下游水平压力强度： P\?r水HZ?220.20 (KN) 上游边缘扬压力强度：P'u?r水H1=1287.50(KN) 下游边缘扬压力强度：p%u?r水H2=220.20（KN)

?W6.?M??249.93kN 2BB?W6.?M下游面垂直正应力：?\??2?979.22 kN yBB上游面剪应力：?'?(P'?pu'??'y)n?-139.22kN

'上游面垂直正应力：?y?37

AAA河一级水电站计算说明书

\下游面剪应力： ?\?(?\y?pu''?p)m?1224.03kN

''上游面水平正应力：?x?(p'?pu')?(p'?pu'??y)n2?918.19kN \2下游面水平正应力：?x?(p\?pu'')?(?\y?pu''?p\)m?1530.03 kN '第一主应力： ?'?(1?n2)?y?(p'?pu')n2? 1130.16 kN ''2 ?\?(1?m2)?\?(p?pu'')m?2481.02 kN y第二主应力 ?＇=p＇－pu＇=209.58KN ?＂=p＂－pu＂=0KN

1、坝内垂直正应力

?y

根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的

?y为：

?y?a?bx

其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。

a??\y?b??W6.?M??1812.63 2BB?12?M?-1.36 3B'?y??\yB? ?y2、坝内剪应力?

根据

?a?bx=1812.36+（-1.36）X

?y呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力?x呈二

2??a?bx?cxx111次抛物线分布，即： 其中，a1、b1、c1由边界条

件确定。

a1??\?1273.94

b1?? c1?16?P(?2?'?4?\)?-7.81 BB1B2(6?P?3?'?3?\)?-0.02 B38

AAA河一级水电站计算说明书

2??a?bx?cxx111所以： =1273.94+（-7.81）X+（-0.02）X2

3、坝内水平截面正应力 根据

?x

?x在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应

23???a?bx?cx?dxb2、xx2222力 呈三次抛物线分布，即： 其中a2、

c2、d2可由边界条件确定。由于?x的三次抛物线分布与直线相当接近。

因此，可近似地作为直线分布，即： ?x?a2?b2x

\ a3??x?1239.35

'\?x??x b3?B?2.25

所以：?x?a3?b3x=1182.74+2.56X 4、坝内主应力?1 、?2

??y??x??1?x??y2???????2??22??2

???1?arctan?12?2??????y??x?

5、将坝底五等分，分别计算各等分点的主应力

1）、A点的应力：X=0m

?x?1239.35m ?y?1812.63m ?'?1273.94m ?1?2831.78m ?2?220.20m ?1?-121.45m 2）、B点的应力：X=30m

?x?1306.75m ?y?1771.72m ?'?1019.11m ?1?2584.53m ?2?493.94m ?1?-121.19m 3）、C点的应力：X=60m

?x?1374.14m ?y?1730.81m ?'?723.34m ?1?2297.48m ?2?807.47m ?1?-119.62m

39

AAA河一级水电站计算说明书

4）、D点的应力：X=90m

?x?1441.53m ?y?1689.91m ?'?38663m ?1?1971.81m ?2?1159.63m ?1?-113.40m 5）、E 点的应力：x=123.62m

?x?1517.06m ?y? 1644.06m ?'?-39.35m ?1?1655.27m ?2? 1505.85m ?1?49.93m

所以，经过计算，在校核水位时坝体应力没有出现拉应力，满足应力要求。

计入扬压力

1、坝内垂直正应力

?y

根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的

?y为：

?y?a?bx

其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。

a??\y?b??W6.?M??1530.03 2BB?12?M?-4.99 3B'?y??\yB? ?y2、坝内剪应力?

根据

?a?bx=1530.03+（-4.99）X

?y呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力?x呈二

2??a?bx?cxx111次抛物线分布，即： 其中，a1、b1、c1由边界条

件确定。

a1??\?1224.03

b1?? c1?

16?P(?2?'?4?\)?-4.36 BB1B2(6?P?3?'?3?\)?-0.06 B40

AAA河一级水电站计算说明书

2??a?bx?cxx111所以： =1224.03+（-4.36）X+（-0.06）X2

3、坝内水平截面正应力 根据

?x

?x在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应

23???a?bx?cx?dxb2、xx2222力 呈三次抛物线分布，即： 其中a2、

c2、d2可由边界条件确定。由于?x的三次抛物线分布与直线相当接近。

因此，可近似地作为直线分布，即： ?x?a2?b2x

\ a3??x?979.22

'\?x??x b3?B?-5.94

所以：?x?a3?b3x=979.22+(-5.94)X 4、坝内主应力?1 、?2

??y??x??1?x??y2???????2??22??2

???1?arctan?12?2??????y??x?

5、将坝底五等分，分别计算各等分点的主应力

1）、A点的应力：X=0m

?x?979.22m ?y?1530.03m ?'?1224.03m ?1?2509.26m ?2?0.00m ?1?-121.45m 2）、B点的应力：X=30m

?x?800.92m ?y?1380.45m ?'?1043.76m ?1?2173.92m ?2?7.45m ?1?-117.00m 3）、C点的应力：X=60m

?x?622.63m ?y?1230.87m ?'?764.47m ?1?1749.48m ?2?104.01m ?1?-107.30m

41

AAA河一级水电站计算说明书

4）、D点的应力：X=90m

?x?444.33m ?y?1081.28m ?'?386.14m ?1?1263.34m ?2?262.28m ?1?-79.30m 5）、E 点的应力：x=123.62m

?x?244.52m ?y? 913.65m ?'?-155.52m ?1?948.03m ?2? 210.14m ?1?39.16m

所以，经过计算，在校核水位时坝体应力没有出现拉应力，满足应力要求。

4.4溢流重力坝的设计

4.4.1堰顶高程的确定

（一）基本资料

1、泄水方式的选择：为使水库有较好的超泄能力，采用开敞溢流式孔口。

2、洪水标准的确定；本次设计的重力坝是2级建筑物，根据规范查山区、

武陵山区水利工程建筑物洪水标准，采用50年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水校核。 3、初步拟定采用曲线型实用堰 4.4.2计算 1、计算公式

通过溢流孔的下泄流量：

Q溢设?Q总??Q?

Q溢=cmεδsL√2gH03/2

Q初拟闸孔总净宽: L?溢设

q设计闸孔总净宽： L?nb

溢流前缘总长： L?nb?(n?1)d（m）

042

AAA河一级水电站计算说明书

式中：Q——经过电站和泄水孔等的下泄流量；

0 ?——系数，正常运用时取0.75～0.9，校核运用时取1.0。

q——单宽流量m3/s.m，对一般软弱岩石常取30～50m3/s.m左右，对地质条件好、下游尾水较深和采用消能效果较好的消能工，可以选取较大的单宽流量。

n——孔口数，孔口宽为b，则孔口数n?L，一般选用略大于计算值的

b

整数。

d——闸墩的厚度，中间闸墩约为孔径的

1111~，边闸墩约为~。 781011 ?——闸墩侧收缩系数，与墩头有关，根据规范SL282-2003中可取?=0.

90～0.95;

m——流量系数，曲线型实用堰的流量系数主要取决于上游堰高于设计

水头，查规范可得：0.502。

g——重力加速度，9.80m/s2；

H?——堰顶水头，m。

2、计算

取流量系数m?0.502, 侧收缩系数??0.95，δ

s =1.0

则根据 Q溢=cmεδsL√2gH03/2 可得H0=( Q溢/cmεδsL√2g )2/3 1）、设计洪水位时：H0=( Q溢/cmεδsL√2g )2/3 =8.25m

则设计洪水位时的堰顶高程为设计洪水位减去H?(647.5-8.25=639.25m).

则设计洪水位时的堰顶高程为：639.25m

2）、校核洪水位时：H0=( Q溢/cmεδsL√2g )2/3 =8.25m

则设计洪水位时的堰顶高程为设计洪水位减去

H?(648.75-8.25=640.5m).

则校核洪水位时的堰顶高程为：640.5m

43

AAA河一级水电站计算说明书

所以取堰顶高程为：640.5m

4.4.3溢流坝的剖面设计

溢流坝的基本剖面为三角形，上游面为铅直，下游面倾斜。溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成。

（一）顶部曲线段

Hmax为校核洪水位时对应的堰顶高程：Hmax?8.25

堰顶的定型设计水头Hd?(0.75?0.95)Hmax?=7.84m 取：Hd?8.25m

采用WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分上游段和下游段两部分 上游段曲线用三圆弧：

R1=0.5Hd=4.13(m) x1=-0.175Hd=-1.44(m) R2=0.2Hd=1.65(m) x1=-0.267Hd=-2.20(m) R1=0.04Hd=0.33(m) x1=-0.282Hd=-2.33(m)

下游段曲线，当坝体上游面为铅直时的计算公式为：

0.85x1.85?2.0Hdy 所以： y=x1.85/2H0.85

d

按上式的的坐标值如下表所示

x(m) y(m)

0 0 1 2 3 4 5 0.08 0.30 0.63 1.08 1.64 6 2.3 7 3.05 44

AAA河一级水电站计算说明书

0.282Hd0.267Hd0.175HdxR3R2=0.2HdR1=（二）反弧段的设计

根据DL 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，R=(4～10)h,为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。当流速小于16m/s时取下限；流速较大时，宜采用较大值。取R=12(m)。

（三）中间直线段

中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡

相同 坡度的：

0.5Hdy m??0.8的下游直线段CD与曲线OC相切与C点，C点坐标

对堰面求一阶导数

dy?0.14x0.85 dxxc,yc 可如下求

dy11?? 直线CD的坡度为：dxm0.8

所以，?c=11.17 yc=7.55

反弧曲线的上端与直线CD相切于D点，下端与鼻坎末端相切与E点。D点、E点及反弧段曲线01的坐标，可利用作图法或分析法确定

45

AAA河一级水电站计算说明书

1）、确定反弧圆心O点的坐标（的坐标：

'x?，y?）及直线与反弧切点D（xD，yD）

圆心高程： ▽。=552.85+Rcos30o=564.12m 所以： y?=639.27-560.64=74.09m

2）、直线与反弧切点D为：

yD=Rcosβ+y?=85.35m

?D??C??D?yc=72.85m tan?所以：C（6.47,2.38）,D（72.85,85.35）,O（87.09,74.09），

F（80.59,85.35）。

图3-2 溢流坝剖面图

4.5消能设计及计算

4.5.1、消能防冲设计

通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨

46

AAA河一级水电站计算说明书

蚀，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地址条件，枢纽布置，坝高、下泄流量等综合考虑。

溢流坝常用的消能方式是：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。 挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范围、和流量分布，对尾水变幅适应性强，结果简单，施工、维修方便。工程量小。但下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化较大。挑流消能适用于基岩比较坚固的中、高水头各类泄水建筑物，应用较广泛，较经济。

底流消能：底流消能是通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面漩滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于中、低水头。但护士坦较长，土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都较大，与挑流消能比较，底流消能在经济方面往往不利。

综上所述：选用连续式挑流消能 4.5.2挑流鼻坎的设计

挑流鼻坎的型式多样，采用连续坎。根据试验，鼻坎挑射角度一般采用

???20?—25?，本次设计采用??20。鼻坎高程一般高出最大下游水位1～

2m，所以鼻坎高程为：552.81+2=554.81。鼻坎反弧半径R一般采用

?4—10?h，h为鼻坎上水深

4.5.3水舌挑射距离和冲刷坑深度的计算

1、水舌挑射距离按水舌外缘计算，其估算公式为：

L?12?1sin?cos???1cos??12sin2??2g?h1?h2?g

?? 其中： L为水舌挑射距离（m）；

47

AAA河一级水电站计算说明书

g为重力加速度（ms2）；

?1为坎顶水面流速（m/s），约为鼻坎处平均流速的1.1倍；

?为挑射角度；

h1为坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1?hcos?； h2为坎顶至河床面的高差（m）。

1）、鼻坎处水流平均流速用水力学挑流消能的计算公式

???2gH

— 式中：?—堰面流速系数 — H—库水位至坎顶的高差

?v??2.gH?=0.84×43.39=36.44m

因为 Q?A??Bh?，其中B为鼻坎处水面宽，h为坎顶平均水深 所以 h?Q=1.2m Bv 所以反弧半径R=(4-10)h=10x1.2=12m

2）、坎顶平均水深：h1?hcos?=1.13m

3)、坎顶至河床面的高差：ht=554.81-537.30=17.51m 4）、坎顶水面流速：v1=1.1v=1.1×36.44=40.048

L?12?1sin?cos???1cos??12sin2??2g?h1?h2?g

??=90.33

2、冲刷坑深度的估算公式为:

ttk??qH0.50.25

式中：k为水垫厚度，即水面至坑底的距离（m）；q为单宽流量；H为上下游水位差（m）；K为冲坑系数，对于坚硬较完整的基岩K=0.9～1.2，坚硬但

48

AAA河一级水电站计算说明书

完整性较差的基岩K=1.2～1.5。 所以：

tk??q0.5H0.25=24.34m

水下挑距：△L=tK/tanβ=57.34m

L＇=L+△L=184.16

则： L/T=7.57>2.5

满足《混凝土重力坝设计规范》的规定要求，所以挑流形成的冲刷坑不会影响大坝的安全。

4.5进水口段的确定

进水口段包括：进水口、闸门室、通气孔、拦污栅、平压管和渐变段几部分。

进水口高程的确定：

校核洪水位 648.75m 设计洪水位647.5m 正常蓄水位 647.5m 死水位 595m 死库容 58.90万m3

水库死水位高程为595m，根据《水利水电工程进水口设计规范》SL285－2003，有压式进水口最小淹没深度，防止产生贯流式漏斗漩涡考虑，最小淹没深度可按下式估算：

S=CVH1/2

式中 ； S--闸门门顶低于最低水位的临界淹没深度，m；

49

AAA河一级水电站计算说明书

H—闸门净高，m； V—闸门断面流速，m/s；

C—经验系数，C=0.55～0.73，对称进水的进水口取小值，侧向进

水的进水口取大值。

S=CVH1/2=0.55×4×2=4.4

x2y2??122ab进水口尺寸拟定：

式中：a=（1～1.5）D，取a=1.1D=3.85

11 b= (?)D=1.17

32x22所以：ay2?b2?1

闸门段：1.1 ～1.5倍引水断面积，闸门高H=4m，宽B=3.5m

渐变段：事故闸门后接一渐变段，渐变段施工复杂，所以不宜太长。但为

使水流平顺，也不宜太短，一般采用洞身直径d的1.5~2.0倍。洞身直径d=1.8m，渐变段长度L=2×3.14=6.28m。渐变段长度由方形变为圆形。

通气孔面积：

a?2Qa?Va? 式中：a为通气孔断面面积m；

Qa为进水口进水流量，一般为最大引水流量量，m3s；

?Va?为通气孔允许风速，坝式进水口取70～80m3a?Qa?Va?=39÷80=0.49m

50

2s；

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