褒河拱坝枢纽设计毕业设计说明书

毕业设计

摘要

本次毕业设计的题目是《褒河拱坝枢纽设计》。褒河库区位于陕西省汉中平原堡河下游，汉中平原地区气候温和、湿润、土地开阔肥沃，是著名的粮仓。由于现有的汉惠渠、褒惠渠等渠道，均系无坝引水灌溉，保证率低；有汉中地区属于三线，近年来大量工矿企业纷纷建立，电力负荷急剧增长，故拟在该地区修建水利枢纽，开发水资源，对于促进工农业的发展都有重要意义。

此次设计的目的是为了使水利水电专业学生了解和掌握我国各种拱坝设计方法与思路，理论与实践相结合，提高分析问题和解决问题的能力。并通过此次设计系统了解拱坝设计过程，拟定拱坝的不同设计方案，科学合理的确定拱坝的建设规模和运行方式。褒河水利枢纽主要任务为灌溉、发电，其次为防洪。为此，枢纽定为：渠首电站、拦河坝（拱坝）、中孔泄洪、底孔、电站引水渠道等。

根据工程规模、效益，参照相关规范将褒河水库定为三级，建筑物级别：主要建筑物为三等，次要建筑物为四等，临时建筑物为五级。褒河拱坝的设计过程主要包括坝型选择和枢纽布置、拱坝的平面布置、拱坝的应力计算、坝肩稳定、底孔应力和配筋计算。

关键词：混凝土拱坝、中心角、温度应力、应力计算、坝肩稳定

1

毕业设计

Abstract

This graduation project's topic is “Baohe arch dam. Design ” Baohe reservoir area is located Bao river downstream of Hanzhong plain shensi. The climate in Hanzhong plain region is mildness wetness and its tract open fecundity. It is famous granary. Owing to Hanhui & Baohui channel existing being non-dam irrigation by channeling water, the ensure rate is low. Due to Hanzhong plain belonging to the third line, a great deal of industrial and mining establishments having been established and electric power load rapid going up, hydro junction has been built in the area to develop water resources. It has important meaning to accelerate development of industry and agriculture.

On the basis of scope of project benefit, refer to correlation criterion, Baohe reservoir has been confirmed as third class, key constructions as third class, subordination constructions as fourth class and temporary structures as fifth class.

Shimen arch dam design process is introduced as follow: Select Type of Dam and Arrange Hydro Junction、Plan Layout of Arch Dam、Stress Calculation of Arch Dam、Rock Dam Abutment Stabilization、Basal Pore and Reinforce Calculation

Keyword: ncrete arch dam, center angle, temperature should dint, should dint calculation,

the dam shoulder stabilit

2

毕业设计

1 坝型选择和枢纽布置

（1） 根据褒河库区水文，地质、地形条件，决定修建拱坝，并从工程量（坝体工程量和金属安装）、泄洪安全性、计算方法和施工方法等几个方面阐述修建拱坝的优越性。

（2） 根据地形地质条件，确定坝址；根据泄洪要求，并比较各种泄洪方式，选用坝身孔口泄流。由于电站是渠首电站，故引水遂洞布置在河的左岸，并结合施工导流遂洞。

枢纽布置原则：①结构紧凑。

②能满足快速泄流的要求。 ③遂洞洞线布置应短而直。

2 拱坝的平面布置

（1） 拱坝的体型设计。根据王英华编的《水工建筑物》（中国水利是水电出版社）提供的试验公式，分别确定坝顶拱厚Tc=4.8m，坝底拱厚TB?22m。

由于本设计中河谷地形对称，地质条件较好，则平面上选单心圆弧拱，拱冠梁的上、下游面都取为圆弧面。

（2） 平面布置。把拱坝分成六拱圈五不等段，利用拱冠梁的上游偏距及外半径分别确定每一层拱圈的圆心，再根据圆心和半径从顶拱到底拱逐步确定每层拱圈在平面上的位置。根据优化要求选定五个方案，分别绘在透明纸上。

平面布置的原则：

① 坝体轮廓线应光滑连续，包括拱圈中心角，内外半径，坝体厚度，拱圈内外圆心轨迹沿高程变化均应是光滑连续或基本连续的。

② 坝体与基岩的接触线应光滑连续，无突出或凹陷，不满足是应做地基处理。 ③ 坝面倒悬度应控制在允许范围内，混凝土拱坝不大于0.3:1,局部控制在(0.2~0.25):1范围内。

3 拱坝的应力计算

（1） 荷载及荷载组合。本设计主要计算的荷载有：静水压力、温度荷载、自重、水重、扬压力与泥沙压力。荷载组合有：正常蓄水位+温升、正常蓄水位+温降、校核水位+温降与校核水位+温升。 荷载组合原则：

1

毕业设计

① 温升与温降是相对于年平均温度。

② 特殊状态情况不能叠加，如，在设计中，地震荷载不与校核水位一起考虑。

（2） 拱冠梁法的原理

拱冠梁法是最简单的拱梁法，仅考虑各水平拱圈上拱冠径向变位与拱冠梁上相应点的变位相等条件，再进行拱、梁荷载分配，以一根在拱冠处的悬臂梁分配到的荷载代表全部悬臂梁的受力情况。

原则：自重由梁承担，温度荷载由拱圈承担并通过拱圈变化考虑对梁的影响，而在进行拱梁分载后计算应力时，自重、水沙重、扬压力等全部有梁承担。 （3） 计算过程

本设计的计算都利用了Excel的强大计算功能。计算过程为：

① 截面常数及自重及其弯矩、水重及其弯矩、扬压力及其弯矩的计算。见表5·1。 ② 垂直力作用下的径向变位系数?iw的求解。见表5·2。 ③ 水平力作用下的径向变位系数aij的求解，见表5·3。

④ 均匀温降下的径向变位系数Ci，水沙压力作用下的拱圈径向变位系数?i的求解。见表5·4。

⑤ 拱、梁分载值的求解，见表5·4。

⑥ 利用材料力学中的偏心拉压公式来求解拱冠梁应力，见表5·5。 ⑦ 利用纯拱法计算拱圈的应力。见表5·6~5·8。 （4） 计算成果分析和方案确定

比较四个方案的计算结果，应力都满足条件。选择中间应力小、工程量小、平面布置好、拱端推力小的方案，最后确定方案一为设计所选方案。 （5） 应力控制标准

《混凝土拱坝设计规范》（SDJ45—85）规定：拱坝应力分析一般以拱梁分载法计算成果最为衡量强度、安全的重要标准。

基本荷载组合时，????1.2MPa。 特殊荷载组合时，????1.5MPa。

在考虑地震时，混凝土拱坝的???可以比静荷载情况适当的提高，但不超过30%。

4 坝肩稳定

2

毕业设计

利用刚体极限平衡假定，采用平面分层稳定分析法求解坝肩稳定。 采用单一陡倾角侧裂面与单一缓裂面组合失稳形式。 刚体极限平衡基本假定为：

① 将滑移的各块岩体视为刚体，不考虑其中各部分间的相对位移。

② 只考虑滑移体上的力的平衡，不考虑力矩平衡，后者可由力的分布自行调整满足。

③ 忽略拱坝内力的重分布作用，认为拱端作用在岩体上的力系为定值。 ④ 岩体达到极限平衡状态时，滑裂面上的剪力方向将与滑移方向平行，指向相反，数值达到极限值。

根据马文英等编《水工建筑物》P119的抗剪断公式和抗剪强度公式计算稳定系数K。根据选择的侧裂面计算每一层处的最小K值，计算得出Kmin大于?K?。

《混凝土拱坝设计规范》（SDJ45—85）规定： 抗剪断公式计算时： ?K?=1.1。 抗剪强度公式计算时： ?K?=2.75。

5 底孔应力和配筋计算

（1） 底孔应力计算

采用汪景奇编《拱坝的设计和计算》P340~P344的试验方法计算底孔应力。 采用该试验方法的假定：

① 底孔的高宽比为1.5。 ② 认为孔口的剪应力为零。 ③ 以无限域的孔口计算。

（2） 配筋计算

把底孔分成三等分四个断面进行计算，取底孔高程为550米，从前面应力计算过程中内插出该高程处的孔口应力，然后求出每一断面的应力，以该应力为基础求的每一截面上的应力，根据实验方法把该截面上单位宽度上的拉应力求和，然后以轴向拉伸构件进行配筋计算。

3

毕业设计

目录

绪 论 ........................................................................................................................................ 1 1 概述 ...................................................................................................................................... 2 2 已知资料 .............................................................................................................................. 3

2.1 流域概况 ..................................................................................................................................................... 3 2.2 水文气象资料 ............................................................................................................................................. 3 2.3 工程地质资料 ............................................................................................................................................. 3 2.4 工程规划 ..................................................................................................................................................... 3 2.5 工程材料设计指标 ..................................................................................................................................... 4 2.6 施工、天然建材、交通情况 ..................................................................................................................... 4

3 枢纽布置 .............................................................................................................................. 5

3.1 坝型的选择 ................................................................................................................................................. 5 3.1.1 土石坝 .......................................................................... 5 3.1.2 支墩坝 .......................................................................... 5 3.1.3 重力坝和拱坝 .................................................................... 6 3.2 枢纽布置方案的选择 ................................................................................................................................. 7 3.2.1 坝轴线的选择 .................................................................... 7 3.2.2 其他枢纽布置 .................................................................... 7 3.2.3 泄洪方案的选择 .................................................................. 8

4 拱坝设计 ............................................................................................................................ 11

4.1 拱坝布置. ................................................................................................................................................. 11 4.1.1 拱坝布置的基本原则 ............................................................. 11 4.1.2 拱冠梁断面尺寸拟定 ............................................................. 12 4.1.2.1 拱圈形式选择 ................................................................. 12 4.1.2.2 拱冠梁断面尺寸拟定 ........................................................... 12 4.1.2.3 坝底厚度

TB .................................................................. 13

4.1.3 拱冠梁剖面设计 ................................................................. 14 4.1.3.1 基本原则 ..................................................................... 14 4.1.3.2 拱冠梁剖面设计的方案选择 ..................................................... 14 4.2 拱坝的平面布置 ....................................................................................................................................... 17 4.2.1 基本原则及假定 ................................................................. 17 4.2.1.1 基本原则 ..................................................................... 17 4.2.1.2 假定 ......................................................................... 17 4.2.2 拱圈中心角的确定 ............................................................... 17 4.2.3 拱圈的平面布置 ................................................................. 19

5 拱坝应力计算和内力计算 ................................................................................................ 20

5.1 荷载和荷载组合 ....................................................................................................................................... 20 5.1.1 荷载 ........................................................................... 20 5.1.2 荷载的组合 ..................................................................... 20

4

毕业设计

5.1.2.1 基本组合 ..................................................................... 20 5.1.2.2 特殊组合 ..................................................................... 21 5.2 应力计算方法（拱冠梁法） ................................................................................................................... 21 5.2.1 拱冠梁法的基本原理 ............................................................. 21 5.2.2 拱冠梁法的主要步骤 ............................................................. 21 5.3 应力和内力计算过程 ............................................................................................................................... 21

w?i5.3.1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位 .................................... 22

5.3.2 计算拱冠梁单位三角形径向作用下径向变位系数5.3.3 拱冠梁径向变位

aij .................................. 30

?i、Ci的求解

.................................................... 35

5.3.4 拱梁分荷值的求解 ............................................................... 36 5.3.5 拱冠梁应力计算 ................................................................. 39 5.3.6 拱圈应力计算 ................................................................... 39 5.4 其他方案的计算 ....................................................................................................................................... 40 5.5 方案计算结果和分析 ............................................................................................................................... 40

6 坝肩稳定计算 .................................................................................................................... 42

6.1 稳定分析 ................................................................................................................................................... 42 6.2 稳定计算 ................................................................................................................................................... 43 6.2.1 当不考虑凝聚力C时 ............................................................. 44 6.2.2 考虑凝聚力C时 ................................................................. 45 6.3 计算成果和分析 ....................................................................................................................................... 46

7 坝身孔口的设计 ................................................................................................................ 48

7.1 中孔的设计 ............................................................................................................................................... 48 7.2 底孔的设计 ............................................................................................................................................... 48 7.2.1 孔口的形状和尺寸（体形设计） ................................................... 48 7.2.1.1 进口控制段 ................................................................... 48 7.2.1.2 洞身段 ....................................................................... 49 7.2.1.3 出口控制段 ................................................................... 50 7.2.2 底孔的应力计算 ................................................................. 50 7.2.2.L 作用于孔口的荷载 ............................................................. 50 7.2.2.2 应力计算 ..................................................................... 50 7.2.3 底孔的配筋计算 ................................................................. 52

8 拱坝的构造及结构 ............................................................................................................ 54

8.1 坝顶 ........................................................................................................................................................... 54 8.2 廊道与坝体排水 ....................................................................................................................................... 54 8.3 坝体临时收缩缝 ....................................................................................................................................... 54 8.4 坝体内廊道及交通 ................................................................................................................................... 55

9 拱坝的地基处理 ................................................................................................................ 56

5

毕业设计

9.1 坝基开挖 ................................................................................................................................................... 56 9.2 拱端开挖 ................................................................................................................................................... 56 9.3 固结灌浆和接触灌浆 ............................................................................................................................... 56 9.4 防渗帷幕 ................................................................................................................................................... 57 9.5 坝基排水 ................................................................................................................................................... 57

10 结论 .................................................................................................................................. 58 附录及参考文献 ...................................................................................................................... 59 谢辞 .......................................................................................................................................... 60 英文文献： .............................................................................................................................. 61 DAM SASETY AND EARTHQUAKES ........................................................................ 61 英文文献翻译： ...................................................................................................................... 64

6

毕业设计

绪 论

本次设计为毕业设计，是对大学四年来所学知识的一次综合性的总结概括；是考察学生理论知识与实践能力的一次演练；是为学生走向工作岗位打下一定基础的关键一步；是学生走向社会工作的第一步；是了解自我，自我定位的好机会。本次设计的主要目的是让学生们体会在工作实践中所必须具备的精神，了解工程设计的过程程序，锻炼学生们的实践能力，为走向工作岗位打下一定基础。本设计主要是混凝土拱坝设计方面的问题，要求设计成果合理，各项指标达到国家规范要求。

拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，因在平面上呈凸向上游的拱形而得名，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形。据现有资料，最早的圆筒面圬工拱坝可追溯到罗马帝国时代。到 20 世纪，美国开始修建较高的拱坝。并于 1936 年建成了高 221 米的胡佛重力拱坝。1939 年意大利建成了高 75 米，设有垫座及周边缝的奥·西列塔薄拱坝，对双曲拱坝建设起到了很大的推动作用。目前世界上最高的是格鲁及亚的英古里拱坝，最大坝高 272 米， T/H=0.19 。

中华人民共和国成立后，水利事业突飞猛进地发展，取得了举世瞩目的成就。继葛洲坝水利枢纽建成后，三峡水利枢纽的开工、南水北调工程的规划设计等壮举进一步展示出人民水利蓬勃发展的强劲势头。目前，我国在水利工程规模、水利人才素质以及水利科技水平等方面已达到世界前列。中国的拱坝历史：我国在拱坝建设取得了很大的进展。截止到 1988 年底的不完全统计，已建成 15 米坝高以上的各类拱坝已达 800 座，约占全世界已建拱坝总数 1/4 强。中国之最：最高的拱坝——台湾省德基双曲拱坝，高 181 米， T/H=0.112 ；最高的砌石拱坝——河南省群英重力拱坝，高100.5 米；最薄的砌石拱坝——浙江省方坑双曲拱坝，高 76 米，T/H ＝0.147 。

本设计主要是让同学们了解工程设计的过程程序，知道工程实践中所牵涉的工作环节，应注意的关键问题，为以后走向工作岗位打下良好的基础；同时锻炼同学们的实践动手能力和操作能力，改变思维方法，提高工作效。

1

毕业设计

1 概述

褒河水库位于陕西省汉中平原褒河下游。褒河规划作五级开发，其中枢纽在最下游。 汉中地区气候温和、湿润，土地开阔肥沃，是著名的粮仓，现有汉惠渠、褒惠渠等渠道，均系无坝引水，故灌溉保证率低；本地区又属三线，近年来大量工矿企业纷纷建立，电力负荷急剧增长，故在本地区修建褒河等一批水利枢纽，开发水力资源，对于促进工农业发展都有着重要意义。

根据规模、效益，参照相关规范将褒河水库定为三级，建筑物级别：主要建筑物为三等，次要建筑物为四等，临时建筑物为五等。

褒河水利枢纽主要任务为灌溉、发电，其次为防洪。为此，枢纽定为：渠首电站、拦河坝（拱坝）、中孔泄洪、底孔、电站引水渠道等。

褒河水利枢纽对于汉中地区的工农业生产的发展起着相当重要的作用

2

毕业设计

2 已知资料

2.1 流域概况

褒河属于山溪性河流，发源于秦岭南麓玉皇山及太白山，汇入汉江，整个流域面积上宽下窄呈漏斗状。流域内植被尚好，水土流失不严重。

褒河水利枢纽控制流域面积3 861平方公里，拟装机4.12万千瓦，年发电量1.42亿度，可将原灌区19.5万亩农田灌溉保证率由50%提高到73.8%，并扩浇32万亩耕地。

褒河库区坝址为“U”形河谷，水面宽40m，水深2～7m，河床砂砾石2～8m，坝址两岸山坡陡峭，590m高程以上强风化岩石厚度为5m，以下为3～5m，河床2～4m。迴水17km，面积3.2 km2，坝址附近平均水面宽度300m。

2.2 水文气象资料

褒河水库坝址下游三公里河东店站水文有1935～1970共36年资料。

① 该地区多年平均降雨量为905.6mm，其中6～9月雨量约占全年75%。多年平均径流量138亿立米，多年平均流量43.6m3/s。

② 多年平均输沙率为4.7kg/s，多年平均输沙量为148万吨。

③ 多年平均气温14.4℃，绝对最高气温44℃，绝对最低气温13.4℃；绝对最高水温33.3℃，绝对最低水温0℃。

2.3 工程地质资料

褒河库区在褒河峡谷出口段，大地构造上位于南秦岭褶皱带中断南缘，库区出露地层为石炭系，三迭系前海相沉积物经区域变质作用而成的变质岩，三迭系岩层为片岩、片麻岩，并夹有大理岩、白云岩，分布于将军铺至青桥铺一带，石炭系岩层为片岩及大理岩分布于坝区附近。第四纪松散堆积物为砂质粘土冲击砾石，区内无大断裂。经科学院西北地质大队判定该地区地震烈度为7度。

库区内虽有大理岩等露头，但两岸山势雄厚，水平方向溶洞发育不深，坝址处基岩透水性弱，单位吸水量小于0.01升/秒，故不存在渗漏问题。库区内岸坡地段基岩裸露，不会产生塌岸。

2.4 工程规划

根据梯级水库运用规划，褒河正常高水位定为618米，相应库容1.05亿立米。

3

毕业设计

死水位595m。死库容0.443亿立米。

该水库设计洪水Q设=4 290m3/s，校核洪水位Q校=5 590m3/s。可能最大洪水流量10 000 m3/s。

河床最低高程535m，基岩高程532m。 三十年淤积高程565m。

电站进口高程567m，最大引水流量68.1m3/s。

东干渠进口高程588.5m，引用流量30m3/s，灌溉27万亩农田。西干渠进口高程592m，引用流量6m3/s，灌溉5万亩农田。

淤沙浮容重7.5kN/m3，水下摩擦角10°。

2.5 工程材料设计指标

坝址区岩石容重模量26.5kN/m3，弹性模量16GPa，泊桑比0.2，摩擦系数0.6。 混凝土容重24kN/m3，弹模16GPa，线膨胀系数0.00001，泊松比0.2。

2.6 施工、天然建材、交通情况

① 施工、交通情况。峡口地势开阔，有公路可通宝成铁路线上略阳。坝址下游20公里联接宝成和襄与铁道德阳（平关）安（康）铁路即将建成通车。承担褒河水利枢纽工程的水电三局拥有较强的技术力量和机械设备。

② 天然建筑材料。坝址下游3.5～8.0kM的中滩、红庙等储有砂砾石116万m3。砾石成分主要为花岗岩、石英岩，砂子以石英、长石为主，质地较好，交通运输便利。土料很少，运距约4kM。

4

毕业设计

3 枢纽布置

3.1 坝型的选择

经过各方面的分析比较，拟订修建拱坝，下面从给出方面说明修建拱坝的优越性。由地质条件及地形资料可知能在这个坝址修建土石坝，重力坝，拱坝，支墩坝。现分别比较如下：

3.1.1 土石坝

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。

优点：（1）就地取材，节省钢材﹑水泥﹑木材等重要建筑材料，从而减少了建坝过程中的远途运输。

（2）结构简单，便于维修和加高﹑扩建。

（3）坝身是土石散粒体结构，有适应变形的良好性能，因此对地基的

要求低。

（4）施工技术简单，工序少，便于组合机械快速施工。 缺点：坝身一般不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，粘性土料的填筑受气候条件影响较大等。

土石坝仅靠坝身自重与地基接触而产生的抗滑力维持稳定，因存在滑坡的问题，土石坝在各种坝型中体积最大，底宽最长，工程量也较大。

坝身不能泄流(过水土石坝除外)，须另外设置溢洪道，泄洪安全性不可靠，施工导流也不方便。计算方法多采用材力法，手算占相当大的比例，为防止渗透变形须设置防渗心墙，防渗材料的填筑受气候条件的影响较大。另外，最主要原因为该地区的土料较少，没有足够的筑坝材料。因此该坝址不选择修建土石坝。

3.1.2 支墩坝

与其他坝型比较，支墩坝特点是：①面板是倾斜的，可利用其上的水重帮助坝体稳定；②通过地基的渗流可以从支墩两侧敞开裸露的岩面逸出，作用于支墩底面的扬压力较小，有利于坝体稳定；③地基中绕过面板底面的渗流，渗透途径短，水力坡降大，单位岩体承受的渗流体积力也大，要求面板与地基的连接以及防渗帷幕都必须做得十分可靠;④面板和支墩的厚度小,内部应力大，可以充分利用材料的强度；⑤施工期混凝土散热条件好，温度控制较重力坝简单；⑥要求混凝土的标号高，施工模板复杂，平板坝和

5

毕业设计

连拱坝的钢筋用量大，因而提高了混凝土单位体积的造价；⑦支墩的侧向稳定性较差；在上游水压作用下，对于高支墩，还存在纵向弯曲稳定问题；⑧平板坝和大头坝都设有伸缩缝，可适应地基变形，对地基条件的要求不是很高；连拱坝为整体结构，对地基变形的反应比较灵敏，要求修建在均匀坚固的岩基上；⑨坝体比较单薄，受外界温度变化的影响较大,特别是作为整体结构的连拱坝,对温度变化的反应更为灵敏，所以支墩坝宜于修建在气候温和地区；⑩可做成溢流坝，也可设置坝身式泄水管或输水管。

支墩坝与重力坝相比，混凝土用量小，能充分利用材料的强度，但侧向稳定性差，对地基的要求比重力坝更加严格，钢筋用量较多，施工散热条件好，温控措施简易，但模板复杂，用量大，混凝土标号要求高，每方混凝土的代价也高。且单宽流量较大，但容易引起坝体振动，如果要在这里修建大坝，选择重力坝而不选择支墩坝，故也不修建支墩坝。现在在下面的小节重点比较重力坝和拱坝的选择。

3.1.3 重力坝和拱坝

? 两种坝型均可满足枢纽布置的总体要求，也都适合坝址的地质及地形条件。但是从地形图上可知道，该河谷为上宽下窄的喇叭形河口谷，修建拱坝更有优势，同时拱坝方量比重力坝的少，可节省1/3~1/2的方量。

? 拱坝的工期比重力坝约可节约1/4。

? 对大坝工程的总投资，拱坝可节约15%左右。

? 重力坝重要依靠自重产生的抗滑力维持稳定，无疑坝体的工程量大，坝体内钢筋用量较多，未能很好的利用混凝土的抗压强度。

? 重力坝的底宽较大，扬压力大，对坝身稳定不利，坝体过大，施工期温度应力、收缩应力较大。

拱坝除了有上述优点外，还有自身的结构优点：

? 具有双向传力的性能，由拱梁共同承担受力。

? 拱是推力结构，主要产生轴向压力，有利于充分发挥材料的抗压性能。 ? 拱坝具有较高的超载能力和抗震能力，可达到设计荷载的5~11倍。

? 不设永久性伸缩逢，整体性能好。当外荷载增大或坝体的某一部位发生局部开裂时，坝体的梁和拱将自行调节，抗渗性能好，弹性韧性好，抗震性能高。

? 计算方法多采用材力法和有限元法，计算繁琐，但计算机和计算程序的普及与推广已大大的解决这一难题。

? 可坝身泄水。

虽然拱坝的结构复杂，但综合比较后，选择拱坝为设计坝型。

由于该地的岩石均为一些片岩等整体性能不太好的岩石，又该处砌石料难找，而在该处交通发达，坝址下游3.5~8.0公里处有足够的沙砾石，能充分提供筑混凝土坝的骨料，故在该处修建混凝

6

毕业设计

土拱坝。

3.2 枢纽布置方案的选择

3.2.1 坝轴线的选择

这里添加大本上的关于坝址选择的一段文字

从地形图可确定三种修建拱坝的坝址。现分析比较选择中间合理的方案。由于在两岸处都有一个凸出的山包，

而总体河流弯道为顺时（ ）。 ?图3-1中2处处于山包中间位置，该 处不仅施工面狭窄开挖量大，最主要的原因 不利于坝端的抗滑稳定。

? 图3-1中3处的位置

①离两山包较远，未能充分利用山包 的抗滑能力。

② 该处轴线较长，工程量大，造成 浪费。

③ 对于梯级开发电站，造成了库容 图 3-1 坝址选择地形图 的浪费。

④ 在整体布置中，不利于隧洞的洞线布置，增加了洞线的长度，从而增加了工程量，增加了工期，造成浪费。

? 图3-1中1的位置

① 充分利用了抗滑作用，且坝轴线不长。 ② 轴线与地形线垂直，能充分起抗滑作用。 ③ 有利于整体枢纽的布置。 综合以上几点，故选择在1处修建拱坝。

3123.2.2 其他枢纽布置

主要建筑物有：混凝土双曲拱坝、岸边引水式电站、东西干渠渠首电站和反调节池等。

1）引水隧洞的布置

由于修建的是拱坝，而拱坝有一个突出的特点是不能分期修建，只能采用全断面截流后修筑。故必须在两岸山体中开挖隧洞作为施工导流和引水之用。

隧洞可布置在两岸山体中。由于该河道为顺时针弯曲的弯道河流，左岸为凹岸，如

7

毕业设计

果在左岸开凿隧洞，其洞线很长，不经济。且绕了几个大弯，不满足快速泄流和引水的条件。

而右岸为凸岸，引水隧洞短而直，泄水迅速，经济合理，故拟在右岸修建隧洞。 引水隧洞为前期施工导流隧洞，为了充分利用该导流隧洞，把该隧洞做成电站的引水隧洞。为便于电站进水口与下游电站厂房的布置和水流条件，隧洞的进出口不能太过靠近大坝，进口距大坝200m左右，出口距大坝300m左右，在距大坝50m左右的地方修建电站引水口，利用弯道和导流隧洞连接。水库开始蓄水前，电站进水口与隧洞连接的前部用混凝土塞子封堵。由于时间关系，引水隧洞不进行具体设计，采用原设计的数据，进口高程为544.0 m，电站引水口的进口高程为567.0m。隧洞直径采用经验值，取为7m。在隧洞的出口电站前面修建一个直径为10m的压力前池。

2）东、西干渠渠首布置

3东干渠引水口高程588.5m，引用流量为30m/s，河流为东南走向，布置在河流

的左岸每一位置。根据坝轴线和地形地质条件，拟利用引水渠引水到坝端，再以引水道引水到下游东干渠渠首。

3西干渠引水口高程592.0m，引用流量为6m/s，根据地形地质条件及、引水隧洞

及厂房的位置，西干渠渠首布置在坝端右岸下游100m处，引水隧洞右侧，为了不影响电站进水口的布置，故把西干渠的引水道进口修建在坝体上面。因此渠道的引水洞和引水隧洞在空间上交叉，引水隧洞在渠道引水道的上面。为满足水流运行条件以及引水方便，渠首引水道在坝身处直线引水到坝后利用弯道至西干渠渠首。

在本次设计中，隧洞、电站厂房、引水道都未进行具体设计，在设计图纸上为一个大体形象，多数引用了原设计。

3.2.3 泄洪方案的选择

褒河水利枢纽的主要的任务是灌溉，其次是发电、防洪。而泄洪建筑物的布置是拱坝设计的关键，拱坝泄洪分坝外泄洪与坝体泄洪两种。但拱坝多修建在峡谷河段上，一般无合适的垭口可供利用，因此多数情况下采用坝体泄洪。而坝体泄洪有坝顶泄流、坝面泄流、滑雪道式和坝身泄水孔等几种，现对他们进行分析比较。

（1）坝顶泄流

坝顶泄流是指洪水经过坝顶自由跌落或经外悬臂挑坎往下游挑落的过流形式, 优点是：

? 结构较简单，设计施工较容易。 ? 对坝体的应力影响较小。

8

毕业设计

? 一般水头不大，起闭设备易于检修。 ? 工程造价较低。

? 用表孔排水时还可以排漂。

? 对于调洪库容较小的水库，还可以通过超标准洪水，有利于工程安全。 坝顶泄流的缺点是：

? 堰上水头低时泄流能力小，溢流前沿较长，而当全线溢流时，又容易冲刷岸坡。 ? 坝顶下泄水流的挑流速小，挑距近，容易冲刷坝脚，需对岸坡和坝脚采取一定的保护措施。

? 不能适应低水位的泄流要求，因而坝顶泄流孔口通常与底孔和隧洞配合使用。 坝顶泄流由于水舌跌落较近，入对角大。对坝基的冲刷力大，所以一般采用跌流消力池或在下游设二道坝抬高水位，形成水垫消能。

（2）坝面泄流

坝面泄流指水流过堰顶后继续沿坝身下泄，最后以挑流或与下游尾水相接。与坝顶溢流相比优点之处不同在于坝面溢流的落差较大，流速较高。采用挑流形式与尾水相接时，挑距较大，对坝体安全更为有利，但坝面溢流存在水流同心集中的特点，水舌宽度沿程缩窄，无疑下游要增设消能设备，加大工程量，同时由于坝面泄流的挑距近，冲刷力大，难于满足安全泄流的要求。

（3）滑雪式泄流道

滑雪道式泄流道，即紧接坝体之后用支墩或混凝土排架将“滑雪式”支撑起来泄流。若将滑雪道布置在拱坝的两侧，由于拱坝有向心集中和河床狭窄的特点，因此水舌能够在空中冲击消能。同时，滑雪式在高速水流的作用下，震动的比较严重，因此安全泄洪性不高。

（4）坝身开孔泄洪

坝身开孔泄洪就是在坝体上一定的位置开设孔口用来满足泄洪要求。按孔口设置的位置不同可以分为表孔，中孔和深孔。坝身开孔泄流除节省工程量，经济外还具有以下的优点：

? 泄流流量随水位的变化关系不大。

? 若采用中、深孔泄流尚可结合施工导流或放空水库，比单独开挖隧洞更经济。 ? 如采用挑流消能，则一般起挑流速大，挑距远，有利于坝体安全。

? 如采用中，深孔泄洪，不但工程建成后可严格控制蓄水速率，泄洪时又可按预报提前腾空库容，保证安全泄洪。

坝身开孔泄流的缺点是：

? 坝身开孔过大或过多，不利于坝体受力，同时也会引起震动。 ? 闸门和起闭设备的容量一般较大，检修较困难。

9

毕业设计

? 如果水库的调节性能不好，当发生超标准洪水时，可能漫顶，不利于安全，为此，最好设置必要的表孔泄流并结合排漂。

随着应力实验技术的发展，对一些坝身开孔工程的模拟实验表明，坝身开孔除对孔口周围的局部应力有影响外，对整个坝体的应力影响不大，此外，随着闸门制造技术的发展以及大容量起闭设备的制造，修建大孔口或深孔泄流已成为一种惯例。

坝身开孔泄流，一般布置于河心或对称的布置于河心中央的两侧。

由以上分析并根据石门库区地质、地形资料，拟建一般拱坝。并采用中孔，底孔联合泄流。

另外，由于时间的关系，本次设计未进行调洪验算。所以中孔泄洪的形式、尺寸、高程、数目均沿用原设计。坝顶高程也沿用原设计，确定为620.0m。

10

毕业设计

4 拱坝设计

4.1 拱坝布置.

4.1.1 拱坝布置的基本原则

拱坝布置的总要求是：应在满足枢纽布置、运用施工要求、坝肩岩体稳定的前提下，通过调整其外形与尺寸，使坝体材料强度得到充分的发挥，拉应力控制在允许范围内，并方便施工，工程量小。为达到上述要求，拱坝布置应遵循“光滑连续”的原则。

拱坝布置的步骤大概如下： 1） 2） 3） 4） 5）

根据坝型图、地质图和地质勘察资料，定出开挖深度，画出可利用岩基面等高线地形图。

根据地址地形条件选择适宜的坝型和平面布置形式，初拟坝轴线位置、顶拱及各圈中心角、半径、拱圈厚度，拟定拱冠梁剖面。 布置顶拱。 布置其他高程拱圈。

检查坝体轮廓连续性及倒悬度。

6） 检查坝基轮廓线。 本次设计我们大体选择如下：

? 对与U形河谷，拱坝顶底跨度接近，刚度相差不大，因而沿水深增加的水压力需要由悬臂梁增加截面厚度承担坝体应力，从这个方面说较适合单曲拱坝的修建。但是，单曲拱坝厚度过大，应力条件不好，造成了浪费不经济。双曲拱坝虽然各层拱圈的刚度变化不大，但刚度条件已经能够满足受力条件，且能充分发挥混凝土的强度。另外，双曲拱坝根据地形条件变化明显，开挖量比一般的单曲拱坝少。

故，本设计选用双曲拱坝（变外半径等中心角）。

从地形图上可看出，该U形河谷对称程度高，选择圆弧拱就可以满足设计的要求。故本设计采用等中心角、变半径的等截面圆弧双曲拱坝。

? 由于河床最低高程535.0m，基岩高程为532.0m。故以532.0m处为坝底高程，则坝高为88.0m（?=620-532=88m）。

11

毕业设计

? 由已知资料中可知，590m高程上风化层厚5m，590m高程以下为3~5米，则取5m为开挖深度。故在拱坝开挖后的河谷地形等高线要比原地形等高线的相同处少5m高程，也就是说，以前是625m的高程，在开挖后变成了620m高程。由于坝顶高程为620m，现在前面3-1图中1处的适宜位置布置坝轴线，与625m的等高线相交，量出两交点的连线长Lc=200.0m。

4.1.2 拱冠梁断面尺寸拟定 4.1.2.1 拱圈形式选择

在拱坝的应力计算和拱坝的平面布置的时候一般把拱分成5~7层。本设计采用6拱圈5不等段，从上而下每段的高度分别是20m、20m、20m、20m、8m。则每截面的高程分别为620.0m、600.0m、580m、560.0m、540.0m、532.0m。这样分段是为便于地形图上开挖后的河谷地形的绘制以及每层拱圈的拱端之间的弦长的求解。从地形图上可得拱圈弦长： L6=68.5m。上面的数据只能作为初步设计的数据，最后的拱圈弦长得由拱坝平面布置上得到。

4.1.2.2 拱冠梁断面尺寸拟定

（1）坝顶厚度

TT选择c时，应该考虑工程的规模，交通和运行要求。如无交通要求，c一般取3~5m，

T但至少不得小于3m。可由下面的经验公式的求c

Tc=0.012(H+L) （4?1）

R Tc=0.0145(2a+H) （4?2）

Tc=0.4+0.01(L+3H) （4?3） 式中 H——最大坝高。

L——坝顶高程处，河谷开挖后两拱端之间的直线距离，m。等于Lc

Ra——顶拱轴半径，初估时可取Ra=（0.61~0.70）L。本设计取

Ra=0.62L=0.62×200.0=124.0m

由4?1得 Tc=0.012(88+200.0)=3.456m

12

毕业设计

由4?2得 Tc=0.0145(2×124.0+88)=4.87m 由4?3得 Tc=0.4+0.01(200.0+3×88)=5.04m 由于该坝上没有交通要求，根据上面的数据取Tc=5.0m。

4.1.2.3 坝底厚度TB

求坝底厚度TB的时候用下面的经验公式。

任德林公式：当H=60~100m，L/H =0.8~3.5时。

L0.6322H)?H1000）H （4?4） TB=（0.0382

(美国垦务局经验公式：

TB=

3H1220.0012HL1L2() （4?5）

122H朱伯芳经验公式：

TB=

K(L1?Ln?1)H??? （4?6）

式中 L、H 的意义同前。

L1——为第一层拱圈的弦长，等于Lc。

L2——为0.15H处拱圈的弦长，现取为与Lc同长。 Ln?1——为到数第二层处的拱圈弦长，现取为与Lc同长。

2000.6322?88)?1000）=21.73m 由4?4得：TB=88×（0.038288(由4?5得： L2可拟L2=L1，再折减。

8888)122=14.94m TB=30.0012?88?200?200(122由《钢筋混凝土结构学》中查得???Min=0.5Mpa. L2可拟L2=L1，再折减。 由4?6得： TB=

0.35?(200?200)?88=24.64m

50013

毕业设计

由4?5得到的数据太小，现在不考虑，只比较4·4式和4·6式的数据。由于4·6

T22中的数据要折减，故选择TB=22.0米。则厚高比==0.25，属于中厚拱坝。

H88拱坝的类型可以分为四种。

分别是按坝高、厚高比、曲率、水平拱圈形式这四种形式。 具体的分类标准请参照参考书。

4.1.3 拱冠梁剖面设计 4.1.3.1 基本原则

拟定双曲拱坝拱冠梁剖面时应遵循的原则是： ? 控制梁的自重拉应力不超过允许值， 一般为0.3~0.5MPa.

? 控制坝面倒悬度不超过允许值，整 体为0.3:1，局部在（0.2~0.25）:1范围内。

? 坝体轮廓线应光滑连续。

xy? 本设计拱冠梁上下游面的曲线采用单圆弧。 图 4·1 坐标轴 ? 所采用的坐标轴如图4·1所示。

4.1.3.2 拱冠梁剖面设计的方案选择

方案一：美国垦务局方案

表4·1 美国垦务局方案三点定圆表格

高程 坝顶 0.45H 坝底 上游偏距 0 0.95TB=20.9 0.67TB=14.74 上游坐标 （0，0） (20.9，48.4) (14.74,88) 下游偏距 -5.0 0 -0.33TB=-7.26 下游坐标 （-5.0，0） (0,48.4) (-7.26,88) 方案二：任德林方案

表4·2 任德林方案的拱厚及拱冠梁断面的计算表

H T h/H x/H x T T-x 14

毕业设计

20 40 60 80 88 48.4 Tc+0.257?T Tc+0.489?T Tc+0.684?T Tc+0.906?T 0.227 0.455 0.682 0.909 0.064 0.109 0.125 0.113 0.098 0.119 5.632 9.592 11 9.944 8.624 10.472 9.369 13.313 16.628 20.402 22 14．77 3.737 3.721 5.628 10.458 续表4.2 13.376 3．996 TB Tc+0.5755?T 1 0.55 注：?T=TB-Tc=17.0m。其中离坝顶48.4m处的数据由40、60之间的数据内插而得。

从表4·2中拿出88与48.4处的上下游偏距来求三点定圆方程。为便于分析比较，取数据的位置和美国垦务局方案一样。数据如表4·3所示：

表4·3 任德林方案的数据表

高程 坝顶 0.45H 坝底 上游偏距 0 10.472 8.624 上游坐标 （0，0） (10.472，48.4) (8.624,88) 下游偏距 -5.0 -4.3 -13.376 下游坐标 （-5.0，0） (-4.3,48.4) (-13.376,88) 从表4·1以及表4·3中的坐标可以看出来，美国垦务局的方案求的拱冠梁较瘦，应力条件好，倒悬度高。任德林方案较胖，适合砌石坝设计，应力条件差，倒悬度小。为了满足倒悬度小而应力条件又不至于太差，采用折中方案。在0.45H，坝底处，上下游面的坐标都采用两者的平均值，故求的坐标如表4·4所示。

表4·4 折中方案的三点定圆数据表

高程 坝顶 0.45H 坝底 上游偏距 0 15.686 11.682 上游坐标 （0，0） (15.686，48.4) (11.682,88) 下游偏距 -5.0 -2.15 -10.318 下游坐标 （-5.0，0） (-2.15,48.4) (-10.318,88) 把折中方案的上下游坐标代进圆的方程(x?a)2?(y?b)2?R2得：

15

毕业设计

?a2?b2?R2?a??94.25??上游面：?(15.686?a)2?(48.4?b)2?R2 ??b?57.29

?R?110.29?(11.682?a)2?(88?b)2?R2??所以上游面的圆方程为：(x?94.25)2?(y?57.29)2?110.292。

222ìì?a=-171.59(5.0+a)+b=R?????222下游面：? ?(2.15+a)+(48.4-b)=Ríb=34.09 í???222??(10.318+a)+(88-b)=R???R=170.04??所以下游面圆的方程为：(x?167.24)2?(y?34.36)2?165.842。 由TB，Tc，H以及上下游面的圆弧方程可绘制出拱冠梁剖面图。 从拱冠梁剖面上可量得：T1=5.0m，T2=11.7m，T3=16.3 m，

T4=19.5m，T5=21.5m，T6=22m。

方案三：上游面定为二次抛物线x?ay2?by?c，把他得到的曲面与折中方案的比较，简图如图4·3所示

dx当y??1H时，=0

dyx当y?H时，x??2TB

当y?0时，x?0 ?1H H?1=0.62，?2在0.30~0.60之间取值，

本设计取?2=0.5。 y?a??0.0059?则可求的?b?0.65 图 4·3 抛物线方案简图

?c?0?则上游面抛物线方程为：

x??0.0059y2?0.65y

把该方案上游面和这种方案的上游面曲线比较，可得折中方案是比较合理的，起主要表现在以下几个方面，如表4·5所示。

表4·5 倒悬度比较表

高程 折中方案 抛物线方案 16

毕业设计

上游偏距 坝顶 0.45H 坝底 0 倒悬度 小 上游偏距 0 倒悬度 大 15.686 11.682 小 17.9 11 大

? 从上表中可以看出，抛物线方案中的拱冠梁剖面比折中方案的胖，造成了材料的浪费。

? 抛物线方案局部倒悬度大，应力条件差。 ? 折中方案为圆弧曲面比拱坝施工简单。

从上面比较可以看出，这种方案是比较合理的。

4.2 拱坝的平面布置

4.2.1 基本原则及假定 4.2.1.1 基本原则

? 控制梁的自重拉应力不超过允许值，一般为0.3~0.5Mpa.

? 控制坝面倒悬度不超过允许值，整体为0.3:1，局部在（0.2~0.25）:1范围内。 ? 坝体轮廓线应光滑连续。? 坝体与基岩的接触线应光滑连续。

4.2.1.2 假定

? 前面各拱圈拱端之间的距离在这里仍然适用。

T3=16.3T2=11.78米，?沿用前面的6拱5不等段法，各高程处的拱厚为T1=5.0米，

米，T4=19.5米，T5=21.5米，T6=22米

4.2.2 拱圈中心角的确定

在外荷载和河谷形状都相同的情况下，拱圈中心角2?A越大，拱端应力越小，应力条件越好。若按与工程实际更为接近的两端固端拱计算，当中心角2?A?120°时，拱圈截面将不出现拉应力。因此，从减少拱圈厚度，改善坝体应力考虑，选较大的中心角是比较有利的。但从稳定条件考虑，选用过大的中心角将较难满足坝肩的稳定要求。

17

毕业设计

现代拱坝设计中，顶拱圈的中心角多为75°~110°之间，底拱中心角一般取50°~80°。

11~32拱圈处。 拱坝的最大应力常出现在坝高的。

本设计根据以上情况及地质地形资料，定底拱中心角=顶拱中心角=80°。拱圈内外半径如表4·6所示

表4·6 中心角选取和内外半径计算表 高程? 拱圈厚T 初拟中心角? 外半径Ru 内半径Rd 620 5．0 80° 156.25 151.25 600 11.7 80° 131．0 119．3 580 16.3 80° 109．9 93．6 560 19.5 80° 84．2 64．7 540 21.5 80° 55．7 34．2 532 22 80° 53.28 31．28 注： Ru=

L2sin?2，Rd=Ru-T

现把四个方案各拱圈各层中心角和半径列表如表4·7所示。

表4·7 五个方案的中心角及半径汇集表 方案 高程 中心角 620 方 案 一 600 580 560 540 532 620 方 案 三 600 580 560 540 532 80° 80° 80° 80° 80° 80° 85° 85° 85° 85° 85° 85° 外半径 147．79 131．0 109．9 84.2 55．7 53．28 147.06 124．1 103．8 79．3 51．4 50．696 内半径 142．99 119．2 方 93．7 64．9 33．9 31．28 142.06 112．42 方 87．47 59.76 29．86 28．696 18

方案 高程 中心角 620 600 580 560 540 532 620 600 580 560 540 532 75° 75° 75° 75° 75° 75° 90° 90° 90° 90° 90° 90° 外半径 163.93 138．1 115．3 88．7 58．4 56．262 140.8 134．35 104.9 87.7 71.4 65.8 内半径 158.93 126．42 98．97 69．16 36．86 34．262 13508 122.67 88.57 68.16 49.86 43.8 案 二 案 四 毕业设计

620 方 案 五 600 580 560 540 532 80° 80° 80° 80° 80° 80° 147.79 130.7 109.2 84.2 55.4 53．28 115.4 118.4 92.5 64.4 34 31.28

4.2.3 拱圈的平面布置

拱坝平面布置的方法及步骤如下：

? 定出坝址，可利用基岩面等高线地形图，这个工作前面已经作完。

? 定出拱坝的对称中心线，该中心线即为顶拱外弧对应弦的垂直平分线。做法：将顶拱外弧（拱坝轴线）和它的垂直平分线绘制在透明纸上，在地形图上移动调整位置，使拱轴线与等高线在拱端处的夹角不小于30°~35°，并使两端夹角大致接近（且注意使拱轴的垂直平分线与河谷中心线大致重合。）

? 根据顶拱的厚度可以绘制出内弧。

? 其他拱圈的布置方法。做法：在顶拱的垂直平分线上量取该处的偏距（T21=10m，

T31=14.9m，T41=16.1m，T51=13.8m，T61=11.7m。），然后确定一点，再从该处往回量

取外半径的长度，则就确定了该层拱圈的圆心，再根据中心角绘制出来该外弧和内弧。

? 悬臂梁截片检查，由于该拱坝对称性较好，在左不拱切取三个悬臂（不包括拱冠梁），检查坝面是否光滑，倒悬度是否满足施工要求。

? 根据以上布置的尺寸，计算坝体工程量，以做出不同方案比较的依据。由于拱坝应力计算程序在进行计算的同时，也算出了坝体工程量。因此，这一步骤也可由计算机自动完成。

上面五个方案的平面布置图如附图所示。其中每个图对应一个方案。从轮廓线、切片的倒悬度以及工程量判断，得出其中较优秀的方案。

19

毕业设计

5 拱坝应力计算和内力计算

5.1 荷载和荷载组合

5.1.1 荷载

基本荷载主要有：静水压力，泥沙压力，浪压力，自重，水重，扬压力和温度荷载。 特殊荷载主要有：地震荷载，包括动水压力和地震惯性力，地震动土压力。 在基本组合中，静水压力，泥沙压力，浪压力在拱梁分载法中由拱梁共同承担。 ?静水压力、泥沙压力、浪压力中静水压力是坝体最主要的荷载。

?自重：对于分块浇注的混凝土坝，自重全部由悬臂梁承担，并不影响水平径向荷载的分配，单独计算自重应力。

?水重：一般假定有梁承担，通过梁的变化考虑对拱的影响。

?扬压力：对中厚拱坝和厚拱坝应记入扬压力作用，对薄拱坝可不计。当扬压力对拱座及坝基岩体稳定影响较大时，必须计入其作用。

温度荷载：包括沿截面厚度的平均温度变化

tmtdt，非线性温差n。

，等效线性温差

ttt一般情况下n不考虑。对于一般中小型工程d也可不考虑。在本设计中只考虑m。

荷载的具体计算方法见应力计算过程中的公式一栏。

地震荷载：拱坝的地震荷载主要包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力。地震时，震波可能来自任何方向，但对拱坝影响而言，以水平方向的地震力为最大，其中又以顺河流方向和垂直河流方向的地震力最为主要。

5.1.2 荷载的组合 5.1.2.1 基本组合

? 水库正常蓄水位+设计正常温降情况

计算荷载有：自重，扬压力，泥沙压力，水压力，温降荷载。这种情况为坝体应力控制条件。

? 水库运行最低水位（死水位）+设计正常温升情况

计算荷载有：自重，扬压力，泥沙压力，水压力和相应的设计正常温升时的温度荷载。这种情况为坝肩稳定控制条件。

20

毕业设计

5.1.2.2 特殊组合

? 非常泄洪：校核洪水位+设计正常温升情况

计算荷载有：自重，静水压力，泥沙压力和设计正常温升的温度荷载。这种情况为坝肩稳定的控制条件。

? 基本组合?+地震荷载

由于时间关系，省略浪压力和地震荷载。只计算基本组合?和特殊组合?。

5.2 应力计算方法（拱冠梁法）

5.2.1 拱冠梁法的基本原理

拱冠梁法是一种简化了的拱梁分载法，就是沿高程将坝体分成5~7层，在每层内取1米高度的水平拱圈，以及取中面宽度为1米的拱冠梁作为计算单元。根据两者交点处的径向变位一致条件建立荷载分配方程组，求解拱梁中的径向荷载分配比例，并假定荷载沿拱圈均匀分布。以一根在拱冠的悬臂梁分配到的荷载代表全部悬臂梁的受力情况，各拱圈分布到的荷载仍为径向荷载，且从拱冠到拱圈均匀分布，采用分段施工时，则自重已由梁在封拱前单独承担，通过拱圈变位考虑对梁的影响，在进行拱梁分载后计算应力时，自重、水沙重、扬压力等全部由梁承担。

5.2.2 拱冠梁法的主要步骤

? 选定若干拱圈（5~7圈），分别计算各拱圈以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位即为变位系数。

? 根据各个交点拱梁径向变位协调的关系以及各点拱梁荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组。

? 将上述方程组联立求解，可以得到各点的拱梁荷载分配。 ? 根据求出的荷载分配值分别计算拱冠梁与各拱圈的内力和应力。 拱冠梁法按其荷载分配的计算方法不同可分为试载法和解联立方程法两种。

5.3 应力和内力计算过程

计算方法：利用Excel解联立方程法。

下面只打出所选方案的设计水位+温降的应力和校核水位+温升的拱端的内力。

21

毕业设计

w?i5.3.1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位

? 拱冠梁的截面常数、梁自重及其弯矩、水重及其弯矩、淤沙重及其弯矩、扬压力及其弯矩等项目的计算，详见表5·1。参数意义如图5·1所示。

? ?iw的计算表详见表5·2。

22

毕业设计

?SU上游水位hu上下游水位?ag?a'g?Td?Tuhu下上核点形心bgabgbeu重心e1b'gab'gb中心auKuTadKdTea

hu-hd?Sd?s=1.0

形心adRU上核点r形心中心ee

b图 5·1 拱冠梁参数意义示意图

23

h1?hRdhd下毕业设计

表5·1 垂直力的求解表

分类 截 面 1 620 5.0 156.25 151.25 153.75 0.033 1 2 600 11.7 131．0 119．3 3 580 16.3 109．9 93．6 4 560 19.5 84．2 64．9 74.45 0.262 1 1.130 5 540 21.5 55．7 33．9 44．95 0.478 1 1.240 6 532 22 53．28 31．28 42．28 0.52 1 1.260 名称及算式 计算高程? 拱厚T 外半径Ru 外半径Rd 平均半径r=（Ru+Rd）/2 125．1 101．75 0.0943 1 1.047 0.160 1 1.080 T/r 中线弧长?S 5不拱 冠 梁 截 面 常 数 外弧长?Su??SRu rRd r1.016 内弧长?Sd??S0.984 4．8 0.953 11.7 0.920 16.3 0.870 19.5 0.761 21.5 0.740 22 梁截面面积A??S?T 梁截面惯性矩 ?1T2?1I?12T3?1?12()??S r??10.417 133.47 360.90 617.91 828.20 887．33 T2形心偏心距e1? 12r形心至上游面的距离 0.0136 0.091 0.218 0.426 0.857 0.953 au?T?e1 22.487 5.759 7.932 9.324 9.893 11 形心至下游面的距离 ad?T?e1 22.513 5.941 8.368 10.176 11.607 11 上核点至上游面的距离 Ku?2T 6?Tr1.658 3.840 5.292 6.228 6.638 6.748 24

毕业设计

表5·1 垂直力的求解表

分类 拱 冠 梁 截 面 常 数 名称及算式 下核点至下游面的距离 截 面 1 2 3 4 5 6 Kd?2T 6?Tr1.678 3.961 5.582 6.797 7.787 8.29 形心至上核点的距离 eu??(au?Ku) 分段高度?h 分块上游面水平投影?Tu 分块顶底形心的水平距离 -0.829 -1.919 20 -2.640 20 -3.097 20 1.2 -3.256 20 -4.251 8 10 4．9 -2.3 -2.1 ?ag?au上??Tu?au下 分块重心至分块底形心水平距 6.728 2.7644 -0.1919 -2.869 -2.253 ?a?'g?ag(2T上?T下)（3T上?T下） 2.914 1.289 -0.093 -1.411 -1.122 1分块平均截面积A?（ 2A上?A下）8.25 3960 14 6720 17.9 8592 20.55 9840 21.8 4176 分块重?Ws??hA?m 分块重对块底形心的弯矩 '?Ms'??Ws??ag 11539 8659.2 -800 -13884.0 -4686.2 自重及其弯矩 分块累计弯矩 Ms'???Ms' 累计重量Ws???Ws 块顶自重对块底形心的弯矩 0 11539 20198 19398 5514 827.7 0 3960 10680 19272 29112 332228 ?Ms\?Ws上?ag下 累计弯矩Ms???Ms 自重总弯矩 \\0 0 10797 -2050 -55284 -65589 0 0 110796 8746 -46538 -112128 Ms?Ms'?Ms\ 0 11539 30995 28144 -41024 -111300

25

毕业设计

续表 5·1

分类 名称及算式 截面至水面深度hu 平均水深hu?截 面 1 0 9.75 8.3 2 19.5 29.5 4.9 3 39.5 4 59.5 49.5 1.2 5 79.5 69.5 -2.3 6 87.5 83.5 -2.1 1(hu上?hu下) 2'分块上游面的水面宽度?Tu 平均弧长 ?Su?1(?Su上??Su下) 21.032 1.063 1.105 1.186 1.250 分块三角形水重 1?Wwa??w(hu下?hu上)?Tu'?Su 2块顶上矩形水重 上游坝面水重及其弯矩 1006 521.07 132.66 -272.5 -104.9 ?Wwb??whu上?Tu?Su 分块水重?Ww??Wwa??Wwb 累积水重Ww???Ww（从上而下） 三角形水重重心到块底形心的距离0 1016 524 -1621 -2086 1006 1537 656 -1894 -2191 0.000 1006 2542 3199 1035 -886 1bga?au下??Tu' 3矩形水重重心到块底形心的距离2.992 1.609 3009.3 0.000 0.000 3009 6.299 5.482 3282.2 5570.6 2742 11595 8.924 8.724 1183.9 4571.7 -488 5268 10.659 11.041 -2905 -17909 -9178 -29992 10.746 11.096 -1128 -23149.7 -2940 -27218.1 1bgb?au下??Tu' 3三角形水重对块底形心的弯矩 ?Mwa??Wwa?bga 矩形水重对块底形心的弯矩 ?Mwb??Wwb?bgb 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算改正值?Mwc?Ww上??ag 每块水重对底部形心的总弯?Mw??Mwa??Mwb??Mwc 26

毕业设计

续表 5·1

分类 截 面 名称及算式 累积水重的弯矩（从上向下）1 0.000 0 0 2 3009 0 0 3 14604 0 0 4 19872 0 5 -10121 10.05 5.025 1.9 6 -37339 18.05 14.05 2.4 Mw???Mw 截面至水面深度hd 平均水深hd?1(h?hd下) 2d上'分块上游面的水面宽度?Td 平均弧长 ?Sd?1(?Sd上??Sd下) 20.968 0.000 0.000 '0.937 0.000 0.000 0.000 0 0.895 0.000 0.000 0.000 0 0 0.814 77.633 0.000 77.8 77.8 10.973 10.656 853.82 0.000 0.000 0.748 72.833 180.9 253.0 330.8 11.154 10.754 803.4 1946.2 -175.061 分块三角形水重 1'?Wwa??w(hd下?hd上)?Td'?Sd 2下游坝面水重及其弯矩 块顶上矩形水重 '?Wwb??whd上?Td?Sd 分块水重?Ww??Wwa??Wwb 累积水重Ww???Ww（从上而下） 三角形水重重心到块底形心的距离''''0.000 0 1'bga?ad下??Td' 3矩形水重重心到块底形心的距离5.941 5.941 0.000 0.000 0.000 8.367 8.367 0.000 0.000 0.000 10.175 10.175 0.000 0.000 0.000 1'bgb?ad下??Td' 2三角形水重对块底形心的弯矩 '''?Mwa??Wwa?bga 矩形水重对块底形心的弯矩 '''?Mwb??Wwb?bgb 块顶以上水重对块底形心的弯矩计算改正值?Mwc?Ww上??ag ''27

毕业设计

续表 5·1

截 面 分类 名称及算式 1 每块水重对底部形心的总弯矩 ''''?Mw??Mwa??Mwb??Mwc 2 0.000 0.000 0.000 0.000 -1158 -1158 0.000 3 0.000 0.000 0.000 -3305 -3305 0.000 8762.925 8762.925 4 5 853.821 6 2574.4 3428.2 -3971 -8302 -8302 0.000 23979.48 23979.48 6.5 0.3 28.095 累积水重的弯矩（从上向下） ''Mw???Mw 0.000 0.000 力0.000 0.000 '0.000 0.000 -6054 -6054 0.000 18746.27 18746.27 853.821 -2160 -8061 -8061 0.000 26242.678 26242.678 浮托力Wu1??whdA 无防渗排水时的扬压力 扬压力及其弯矩 渗透压'Wu\1?1T?w(hu?hd)A(6?) 12r'\扬压力Wu1?Wu1?Wu1 浮托力对块底形心弯矩Mu1 渗透压力对块底形心的力矩\'Mu1?Wu1eu 0.000 2222.840.000 2 '\扬压力力矩Mu1?Mu1?Mu1 设防渗排水时的扬压力 排水点之上游面的距离bu 防渗排水后水头折减系数? 防渗排水减少的水头 2222.840.000 2 bh1?(hu?hd)(1???u) T防渗排水减少的弯矩 1'Mu??Th1 22防渗排水减少的渗透压力的力臂 -309.2 -0.546 168.77 1eu2?(T?bu)?au 3防渗排水减少的弯矩\'Mu2?Wu2?eu2

28

毕业设计

续表 5·1 截 面 分类 名称及算式 防渗排水时的扬压力 1 0.000 0.000 0.000 0.000 2 -1158. 2222.8 3833.9 16175 3 -3305 8726 9931.9 53585 4 -6054 18746 16409 66157 5 -10221 26884 20256 -28192 6 -11963 27132 20947 -118395 Wu?Wu1?Wu\2 设防渗排水时的扬压力的弯矩\Mu?Mu1?Mu2 总垂直力 总 计 'W?Ws?Ww?Ww?Wu 总垂直力弯矩 'M?Ms?Mw?Mw?Mu 注 ：1.单位：力为kN，弯矩为kN?m，长度为m，截面面积为m2，截面惯性矩为m4。 2.形心水平距离以块顶形心对块底形心偏向下游为正，偏向上游为负，力的符号以向下为正，向上为负。弯矩：顺时针方向为正，反时针方向为负。上下游面的分段水平长上游面以指向下游为正，指向上游为负，而下游面则相反。 3.?w,?m分别为水和混凝土的容重。

29

毕业设计

5·2 垂直力作用下的径向变位系数?i 单位（m/Em）

w?1w 径向变位 系数 0.25 乘积 系数 ?2w 乘积 系数 ?3w 乘积 系数 ?4w 乘积 系数 ?5w 乘积 ?6w 系乘积 数 0 ?h2=0 M1I1?h2=47254 M2I2?h2M3I3=60498 0 0 0 0 0 1 47254 0.25 11813 0 0 0 0 2 120996 1 60498 0.25 15125 0 0 0 ?h2=44172 M4I4?h2M5=-13061 I53 132516 2 88343 1 44172 0.25 11042 0 0 2.59 -33829 1.89 -24186 1.19 -15543 0.49 -6400 0.04 -522 0 ?h2=-53371 M6I6n'K1?hM6T620.84 -44832 0.64 -34158 0.44 -23483 0.24 -12809 0.04 -2135 0 =-26663 4.4 -117319 3.4 -90656 2.4 -63992 1.4 -37329 0.4 -10665 0 n\K5M6=-3606 T6总 计 1 -3606 101180 1 -3606 7550 1 -3606 -47328 1 -3606 -49101 1 -3606 -16928 1 -3606 3606 注 1. n'=n\=1 K1=5.45 K3=2.72 K5=0.67 m=0.4

2. 本表系数见《砌石坝设计》（广西大学主编水利出版社出版）中表3-3-9中的方

程计算。

5.3.2 计算拱冠梁单位三角形径向作用下径向变位系数aij

径向变位aij，由梁内各截面弯矩引起的?ijM 、剪力引起的变位?ijM、以及梁基产生

??的变位?ij、?ij，所以拱冠梁在单位三角形径向荷载作用下的径向变位系数

30

毕业设计

??aij=?ijM+?ijM+?ij+?ij。采用计算表格的形式，把他们列表计算，系数已经给出，其具体

计算过程见表5·3。

由表5·3所列系数计算得a11=4448.8(变位系数。详见表5·3中计算。

其中K1、K3、K5、n'、n\采用与表5-2相同。Ti、Ai、Ii见表5·1中的常数计算单元。?h=20m、m=0.4；见表中算值。

表 5·3 单位三角径向荷载作用下径向变位系数求解表 单位（1/Em）

弯矩变位系数 411)，??a66=11.205(),共36个径向EmEm ?hI44 4 ?h 4I 乘积 399.59 199.79 99.89 49.95 ?h 2I 乘积 ?h3I 5 乘积 879.98 ?h 4I6 乘积 307.979 514.981 363.516 212.051 63.615 4.039 234.651 392.367 276.965 161.563 48.469 3.077 161.322 269.752 190.413 99.89 系数 36.94 系数 20.0 24.0 4.0 10.0 12.0 2.0 2.5 3.0 0.5 22.25 系数 乘积 15.44 系数 15.02 系数 20.496 34.272 24.192 14.112 4.234 0.269 15.616 26.112 18.432 10.752 3.226 0.205 10.736 17.952 12.672 a11 4.00 a12 2.00 a13 0.00 a14 0.00 a15 0.00 a16 0.000 a21 1.00 a22 0.50 a23 a24 a25 a26 a31 a32 a33 738.90 48.00 1068.28 56.98 886.68 72.00 1602.43 93.24 1439.96 147.78 36.00 0.00 0.00 0.00 6.00 801.21 133.53 0.000 712.19 62.16 31.08 5.18 41.58 959.97 479.98 79.99 0.00 642.14 369.45 32.00 443.34 48.00 1068.28 68.04 1050.78 73.89 0.00 0.00 0.00 92.36 24.00 4.00 16.00 534.14 89.02 0.000 0.000 356.09 534.14 267.07 45.36 22.68 3.78 26.18 42.84 28.56 700.52 350.26 58.37 0.00 404.31 661.60 441.07 110.83 24.00 18.47 12.00 31

毕业设计

a34 a35 a36 a41 a42 a43 a44 a45 a46 a51 a52 a53 a54 a55 a56 2.00 4.00 6.00 3.00 0.50 44.51 0.000 0.000 89.02 133.53 66.76 11.12 14.28 2.38 10.78 17.64 11.76 5.88 0.98 0.88 1.44 0.96 0.48 0.08 220.53 36.75 0.00 166.48 272.42 181.61 90.80 15.13 0.00 13.59 22.23 14.82 7.41 1.23 7.392 2.218 0.141 5.856 9.792 6.912 4.032 1.210 0.077 0.976 1.632 1.152 0.672 0.202 0.013 111.074 33.322 2.116 87.994 147.138 103.862 60.586 18.176 1.154 14.666 24.523 17.310 10.098 3.029 0.192 续表5.3

a11 a12 a13 a14 a15 a16 a21 a22 a23 剪力变位系数 102.564 系数 0.5 0.5 0.25 0.25 乘积 51.282 50.847 0 0 0 0 25.423 25.423 73.619 系数 0.5 1 0.5 0.5 1 0.5 乘积 36.809 73.619 36.809 0 0 0 36.806 73.619 36.809 61.538 系数 0.5 1 1 0.5 0.5 1 1 乘积 30.76 61.532 61.538 30.769 0 0 30.769 61.538 61.538 55.813 系数 0.35 0.7 0.7 0.7 0.35 0.35 0.7 0.7 乘积 19.534 39.069 39.069 39.069 19.534 0 19.534 39.069 39.069 54.545 系数 0.1 0.2 0.2 0.2 0.14 0.04 0.1 0.2 0.2 乘积 5.454 10.909 10.909 10.909 7.636 2.181 5.454 10.909 10.909 32

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