褒河水库单曲拱坝设计毕业设计说明书

1 目 录 0 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.5 3.2 枢纽布置方案的选择 .6 3.2.1 坝轴线的选择.6 3.2.2 引水隧洞的布置.7 3.2.3 东、西干渠渠首布置.7 3.2.4 泄洪方案的选择.7 3.2.4.1 坝顶泄流.8 3.2.4.2 坝面泄流.8 3.2.4.3 滑雪道式泄流道.8 3.2.4.4 坝身开孔泄洪.8 4 拱坝设计.10 4.1 拱坝体型设计 .10 4.1.1 基本原则.10 4.1.2 拱坝基本尺寸的拟定.10 4.1.2.1 拱坝分层.10 4.1.2.2 坝顶厚度 cT.10 4.1.2.3 坝底厚度 B.11 4.1.3 拱冠梁剖面设计.12 4.1.3.1 基本原则.12 4.2 拱坝的平面布置 .13 4.2.1 基本原则及假定.13 4.2.1.1 基本原则.13 4.2.2 拱圈中心角的确定.13 2 4.2.3 拱圈的平面布置.14 5 拱坝应力计算和内力计算 .16 5.1 荷载和荷载组合 .16 5.1.1 荷载.16 5.1.2 荷载的组合.16 5.1.2.1 基本组合.16 5.1.2.2 特殊组合.16 5.2 应力计算方法（拱冠梁法） .16 5.2.1 拱冠梁法的基本原理.16 5.2.2 拱冠梁法的主要步骤.17 5.3 应力和内力计算过程 .17 5.3.1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位 wi .17 5.3.2 计算拱冠梁单位三角形径向作用下径向变位系数 ija.27 5.3.3 拱冠梁径向变位 i、 iC的求解 .34 5.3.4 拱梁分荷值的求解.35 5.3.5 拱冠梁应力计算.36 5.3.6 拱圈应力计算.38 5.4 其他方案的计算 .38 5.5 方案计算结果和分析 .38 6 坝肩稳定计算 .40 6.1 稳定分析 .40 6.2 稳定计算 .41 6.2.1 当不考虑凝聚力 c时.42 6.2.2 考虑凝聚力 c时.43 6.3 计算成果和分析 .44 7 坝身孔口的设计 .46 7.1 中孔的设计 .46 7.2 底孔的设计 .46 7.2.1 孔口的形状和尺寸（体形设计）.46 7.2.1.1 进口控制段.46 7.2.1.2 洞身段.47 7.2.1.3 出口控制段.47 7.2.2 底孔的应力计算.47 7.2.2.l 作用于孔口的荷载.47 7.2.1.2 应力计算.47 7.2.3 底孔的配筋计算.49 8 拱坝的构造及结构 .51 3 8.1 坝顶 .51 8.2 廊道与坝体排水 .51 8.3 坝体临时收缩缝 .51 8.4 坝体内廊道及交通 .52 9 拱坝的地基处理 .53 9.1 坝基开挖 .53 9.2 拱端开挖 .53 9.3 固结灌浆和接触灌浆 .53 9.4 防渗帷幕 .53 9.5 坝基排水 .54 10 结论 .55 附录及参考文献 .56 谢 辞 .57 1 0 绪论 本次设计为毕业设计，是对大学五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，提高工作效率。 2 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。 3 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 40 ，水深 27 ，河床砂砾石 28 ，mm 坝址两岸山坡陡峭，590 高程以上强风化岩石厚度为 5 ，以下为 35 ，河床m 24 。迴水 17 ，面积 3.2 ，坝址附近平均水面宽度 300 。mk2k 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 19351970 共 36年资料。 该地区多年平均降雨量为 905.6 ，其中 69 月雨量约占全年 75%。多年平m 均径流量 138亿立米，多年平均流量 43.6 。s/3 多年平均输沙率为 4.7 ，多年平均输沙量为 148万吨。skg/ 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。 死水位 595 。死库容 0.443亿立米。m 4 该水库设计洪水 =4290 ，校核洪水位 =5590 。可能最大洪水流量设Qsm/3校Qsm/3 10000 。sm/3 河床最低高程 535 ，基岩高程 532 。 三十年淤积高程 565 。 下游水位：设计洪水位：548.75 ，校核洪水位：550.05 电站进口高程 567 ，最大引水流量 68.1 。sm/3 东干渠进口高程 588.5 ，引用流量 30 ，灌溉 27万亩农田。西干渠进口高m 程 592 ，引用流量 6 ，灌溉 5万亩农田。ms/3 淤沙浮容重 7.5 ，水下摩擦角 10。kN 2.5 工程材料设计指标 坝址区岩石容重模量 26.5 ，弹性模量 16 ，泊桑比 0.2，摩擦系数3/mkGPa 0.6。 混凝土容重 24 ，弹模 16 ，线膨胀系数 0.00001，泊松比 0.2。3/kNPa 2.6 施工、天然建材、交通情况 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。 天然建筑材料。坝址下游 3.58.0 的中滩、红庙等储有砂砾石 116万 。kM3m 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 4 。kM 5 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，下面从几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，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强，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 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 1/31/2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。 6 123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 511 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 3.58.0公里处有足够的沙砾石，能充分提供筑混凝土坝的骨料，故在该处修建混凝土拱坝。3.2 枢纽布置方案的选择3.2.1 坝轴线的选择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 离两山包较远，未能充分利用山包 的抗滑能力。 该处轴线较长，工程量大，造成 浪费。 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。 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 充分利用了抗滑作用，且坝轴线不长。 轴线与地形线垂直，能充分起抗滑作用。 7 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。 3.2.2 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 200 左右，出口距大坝 300 左右，在距大坝 50 左右mmm 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 ，电站引水口的进口高程为 567.0 。隧洞直径 采用经验值，取为 7 。在隧洞的出口电站前面修建一个直径为 10 的压力前池。 3.2.3 东、西干渠渠首布置 东干渠引水口高程 588.5 ，引用流量为 30 ，河流为东南走向，布置在河流msm/3 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。 西干渠引水口高程 592.0 ，引用流量为 6 ，根据地形地质条件及、引水隧s/3 洞及厂房的位置，西干渠渠首布置在坝端右岸下游 100 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。 3.2.4 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。 8 3.2.4.1 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。 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。 3.2.4.2 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。 3.2.4.3 滑雪道式泄流道 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。 3.2.4.4 坝身开孔泄洪 9 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。 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。 由以上分析并根据褒河库区地质、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 620.0 。m 10 4 拱坝设计 4.1 拱坝体型设计 4.1.1 基本原则 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。 但是，本设计要求做单曲拱坝。 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、等外半径的等截面圆弧单曲拱坝。 由于河床最低高程 535.0 ，基岩高程为 532.0 。故以 532.0 处为坝底高mm 程，则坝高为 88.0 （ =620-532=88 ） 。 由已知资料中可知，590 高程上风化层厚 5 ，590 高程以下为 35米，则 取 5 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 625 的高程，在开挖后变成了 620 高程。由于坝顶高程 为 620 ，现在前面 3-1图中 1处的适宜位置布置坝轴线，与 620 的等高线相交，量m 出两交点的连线长 =200.0 。cLm 4.1.2 拱坝基本尺寸的拟定 4.1.2.1 拱坝分层 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 57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 20 、20 、20 、20 、8 。则每截mm 面的高程分别为 620.0 、600.0 、580 、560.0 、540.0 、532.0 。这样分段m 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。 从地形图上可得每层拱圈弦长： =191.4 , =169.7 , =134.3 , =97.4 , 2L34L5 =73.6 。上面的数据只能作为初步设计的数据，最后的各层拱圈的弦长得由拱坝平6L 面布置上得到。 4.1.2.2 坝顶厚度 cT 11 选择 时，应该考虑工程的规模，交通和运行要求。如无交通要求， 一般取cT cT 35 ，但至少不得小于 3 。可由下面的经验公式的求 mmcT =0.012( + ) （41） cHL =0.0145(2 + ) （42） aR =0.4+0.01( +3 ) （ 43） cT 式中 ： 最大坝高。 坝顶高程处，河谷开挖后两拱端之间的直线距离， 。等于L mcL 顶拱轴半径，初估时可取 =（0.61 0.70）L。本设计取aRaR =0.65 =0.63202.0=130.0aL 由 41得 =0.012(88+200.0)=3.456cTm 由 42得 =0.0145(2130+88)=5.046 由 43得 =0.4+0.01(200.0+388)=5.04c 由于该坝上没有交通要求，根据上面的数据取 =5.0 。cTm 4.1.2.3 坝底厚度 BT 求坝底厚度 的时候用下面的经验公式。 任德林公式：当 =60100 ， =0.83.5 时。HmHL/ =（ 0.0382 ）H （44）BT102)(63. 美国垦务局经验公式： = （45 ）B12310.2()L 朱伯芳经验公式： = （ 46）BTHLKn)(1 式中 、 的意义同前。LH 为第一层拱圈的弦长，等于 。1 c 12 为 0.15 处拱圈的弦长，现取为与 同长。2LHcL 为到数第二层处的拱圈弦长，现取为与 同长。1n 由 44得： =88（0.0382 ）=21.14BT0.6328()1m 由 45得： 可拟 = ，再折减。2L21 = =14.94BT81230.80() 由钢筋混凝土结构学中查得 =5Mpa. 可拟 = ，再折减。Min2L21 由 46得： = =24.64B.35(20)8m 由 45得到的数据太小，现在不考虑，只比较 44式和 46式的数据。任德 林方案适用于砌石坝，倒悬度小，应力不易满足条件；美国垦务局方案应力易满足 条件，但坝体肥厚，倒悬度大。参考同类建筑和两种方案故选择 =22.0米。则厚BT 高比 = =0.25，属于中厚拱坝。HT82 4.1.3 拱冠梁剖面设计 4.1.3.1 基本原则 由于时间关系本次设计将上下游面圆心线简化为一条直线，并将上游拱冠梁面定 为铅直面。这样当中心角确定后可计算出顶拱外半径，再定底拱外半径这样根据各层 拱圈厚和上游拱 冠梁面为铅直面 按比例关系就可 计算出各层拱圈内外半径。下游斜面斜率 K=0.20.本次设计采用 6拱 5不等段法，各层 拱圈尺寸见下图。 13 图 4-1 方 案 四 拱 冠 梁 剖 面 图 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 0.30.5Mpa. 控制坝面倒悬度不超过允许值，整体为 0.3:1，局部在（0.20.25）: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。 4.2.2 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 越大，拱端应力越小，A2 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 120时，A2 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。 现代拱坝设计中，顶拱圈的中心角多为 90110之间，对于坝址河谷平面上是 漏斗形，其中心角可适当的加大到 110120。 本设计根据以上情况及地质地形资料并结合设计要求，定各方案中心角为 96， 100，104，110。各方案保持拱坝在上下游面曲线与各拱圈的厚度不变，仅改变 半径，布置时保证两个半中心角之差不超过 2。完成上下游面圆心线坐标图与拱坝的 平面布置图共四个方案。拱面力求光滑，现把四个方案各自的中心角与各层拱圈内外 半径列入表 41 14 表 41 四个方案的中心角及半径汇集表 方 案 高 程 中 心 角 外 半 径 内 半 径 方 案 高 程 中 心 角 外 半 径 内 半 径 620 96 135 130 620 100 131 126 600 96 135 126.14 600 100 131 122.14 580 96 135 122.27 580 100 131 118.27 560 96 135 118.41 560 100 131 114.41 540 96 135 114.55 540 100 131 110.55 方 案 一 532 96 135 113 方 案 二 532 100 131 109 620 104 127 122 620 110 122 117 600 104 127 118.14 600 110 122 113.14 580 104 127 114.27 580 110 122 109.27 560 104 127 110.41 560 110 122 105.41 540 104 127 106.55 540 110 122 101.55 方 案 三 532 104 127 105 方 案 四 532 110 122 100 注 = ， = - (L=200)uR2sinLduRT 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 3035，并使两端夹角大致接近（其 余各层拱圈也要求左右半中心角之差小于 2，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。 15 其他拱圈的布置方法。做法：在顶拱弦长线的中点上量取各圈的弦长 （ =191.4 , =169.7 , =134.3 , =97.4 , =73.6 。 ） ，并于顶拱2Lm34Lm5L6m 外弧交于一点，然后确定一点，量取各圈外半径的长度，画圆于顶拱垂直平分线交于 一点则就确定了该层拱圈的圆心，再根据各圈的外、内半径画出来该外弧和内弧。 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。 上面四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 线以及工程量判断，得出其中较优秀的方案。 16 4-2 方案四 平面布置图 17 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。 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 ，等效线性温差 ，非线性温差mtdt 。一般情况下 不考虑。对于一般中小型工程 也可不考虑。在本设计中只考虑 。ntnt d mt 荷载的具体计算方法见应力计算过程中的公式一栏。 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。 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） 18 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 57 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（ 57 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。 5.3.1 计算拱冠梁在垂直力等作用下产生的径向变位 wi 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 51。参数意义如图 51 所示。参数图如图 52 所示。 19 重 心上 核 点 形 心 中 心 下 游 水 位上 游 水 位 TKduabge1hd下Dhu上下 Tag中 心形 心上 核 点 ebh1u-dDSdSURr形 心 s=1.0ea 图 51 拱冠梁参数意义示意图 20 21 表 51 垂直力的求解表 截 面分 类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 计算高程 620 600 580 560 540 532 拱厚 T5 8.86 12.73 16.59 20.45 22 外半径 uR122 122 122 122 122 122 内半径 d 117 113.14 109.27 105.41 101.55 100 平均半径 r=（ + ）/2ud119.5 117.6 115.6 113.7 111.8 111rT/ 0.0418 0.0753 0.110 0.1459 0.1829 0.1981 中线弧长 S1 1 1 1 1 1 外弧长 rRuu1.0209 1.038 1.055 1.073 1.091 1.099 内弧长 Sdd0.979 0.962 0.945 0.927 0.908 0.901 梁截面面积 TA5 8.86 12.73 16.59 20.45 22 梁截面惯性矩 SrTI21312)( 10.42 57.93 171.74 379.83 710.70 884.43 形心偏心距 e210.017 0.056 0.117 0.202 0.312 0.363 形心至上游面的距离 12Tau 2.483 4.374 6.248 8.093 9.913 10.637 形心至下游面的距离 1ed 2.517 4.486 6.482 8.497 10.537 11.363 拱 冠 梁 截 面 常 数 上核点至上游面的距离 rTuK62 1.655 2.917 4.167 5.399 6.615 7.099 22 续表 51 截 面分 类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 下核点至下游面的距离 rTdK62 1.678 2.991 4.323 5.668 7.031 7.584 形心至上核点的距离 )(uuae -0.83 -1.46 -2.08 -2.69 -3.29 -3.54 分段高度 h20 20 20 20 8 分块上游面水平投影 uT 分块顶底形心的水平距离 下上 uugaa -1.89 -1.87 -1.85 -1.82 -0.72 拱 冠 梁 截 面 常 数 分块重心至分块底形心水平距 ）（ 下上 下上 Tg3)2( -0.86 -0.87 -0.88 -0.88 -0.36 分块平均截面积 ）（ 下上 A216.93 10.80 14.66 18.52 21.23 分块重 mshW3326 5182 7036 8889 4076自重及 其 弯 矩 分块重对块底形心的弯矩 gssaM -2851 -4529 -6206 -7814 -1455 分块累计弯矩 ss 0 -2851 -7379 -13586 -21400 -22855 累计重量 ssW0 3326 8508 15545 24434 28510 块顶自重对块底形心的弯矩 下上 gsaM 0 0 -6234 -15697 -28292 -17691 累计弯矩 ss0 0 -6234 -21931 -50223 -67913 自重总弯矩 ss 0 -2851 -13613 -35517 -71622 -90768 A 23 续表 51 截 面分 类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 截面至水面深度 uh0 18 38 58 78 86 平均水深 )(21下上 9 28 48 68 82 分块上游面的水面宽度 uT 平均弧长 )(21下上 uuuSS 1.029 1.047 1.064 1.082 1.095 分块三角形水重 uuwaThW)(上下 块顶上矩形水重 uubS上 分块水重 wbawW 累积水重 （从上 而下） 三角形水重重心到块底形心的距 离 31uugaTb下 矩形水重重心到块底形心的距离 uugb下 三角形水重对块底形心的弯矩 gawabWM 矩形水重对块底形心的弯矩 gbb 上 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 块顶以上水重对块底形心的弯矩 计算改正值 gwca上 24 每块水重对底部形心的总弯 wcbwaMM 续表 51 截 面分 类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 累积水重的弯矩（从上向下） wM 截面至水面深度 dh0 0 0 0 8.75 16.75 平均水深 )(21下上 0 0 0 4.375 12.75 分块上游面的水面宽度 dT1.7 3.23 平均弧长 )(21下上 dddSS 0.971 0.954 0.936 0.918 0.904 分块三角形水重 ddwaThW )(上下 0 0 0 68.28 116.797 块顶上矩形水重 ddbS上 0 0 0 0 255.493 分块水重 wbawW0 0 0 68.28 372.29 累积水重 （从 上而下） 0 0 0 0 68.28 440.566 三角形水重重心到块底形心的距 离 31ddgaTb下 4.486 6.482 8.497 9.97 10.286 矩形水重重心到块底形心的距离 2ddgb下 4.486 6.482 8.497 9.687 9.748 三角形水重对块底形心的弯矩 gawabWM 0 0 0 680.8 1201.5 下 游 坝 面 水 重 及 其 弯 矩 矩形水重对块底形心的弯矩 gbb 0 0 0 0 2490.6 25 块顶以上水重对块底形心的弯矩 计算改正值 gwcaWM上 0 0 0 0 -49.393 续表 51 截 面 分类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 每块水重对底部形心的总弯矩 wcbwaMM 0 0 0 680.7 3642.7 累积水重的弯矩（从上向下） w 0 0 0 0 681 4323 浮托力 AhWdwu1 0 0 0 0 -1789 -3685 渗透压力 )6()(21 rTduu 0 -898 -2593 -5098 -7534 -8125 扬压力 10 -898 -2593 -5098 -9323 -11810 浮托力对块底形心弯矩 uM0 0 0 0 0 0 渗透压力对块底形心的力矩 uueWM1 0 1309 5396 13737 24848 28744 无 防 渗 排 水 时 的 扬 压 力 扬压力力矩 1u0 1309 5396 13737 24848 28744 排水点之上游面的距离 b 6.5 防渗排水后水头折减系数 0.3 防渗排水减少的水头 )1)(1Tbhudu 28.93 防渗排水减少的弯矩 12Mu -318 扬 压 力 及 其 弯 矩 设 防 渗 排 水 时 的 扬 防渗排水减少的渗透压力的 力臂 uuabTe)(32 -1.14 26 压 力 防渗排水减少的弯矩 22uueWM 361.7 续表 51 截 面 分类 名称及算式 1 2 3 4 5 6 防渗排水时的扬压力 21uuW 0 -898 -2593 -5098 -9323 -12171 设防渗排水时的扬压力的弯矩 21uuM 0 1309 5396 13737 24848 28382 总垂直力 uws 0 2430 5917 10449 15181 16781总 计 总垂直力弯矩 us 0 -1553 -8268 - 21836 - 46163 - 58103 注 1.单位：力为 ，弯矩为 ，长度为 ，截面面积为 ，截面惯性矩为 。kNmk 2m4m 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. 分别为水和混凝土的容重。mw, （2）根据五不等段径向变位系数 系数表和五不等段拱冠梁单位三角形径向荷载i 径向变位系数的乘数值表 算出 与 。见表 52和表 53ijaij 52 垂直力作用下的径向变位系数 单位（wi ）mE/ w1w2w3 径向变位 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 =01 2IhM 0.25 0 0 0 27 =-107212IhM1 -10721 0.25 -2680 0 =-192583I2 -38516 1 -19258 0.25 -4814.5 =-229964 2Ih 3 -68988 2 -45992 1 -22996 =-259825 2IhM 2.59 -67293 1.89 -49106 1.19 -30919 =-262786 2I 0.84 -22074 0.64 -16818 0.44 -11562 =-13085261 ThKn 4.4 -57574 3.4 -44489 2.4 -31404 =-177065 M 1 -1770 1 -1770 1 -1770 总 计 -266936 -180113 -103465 续表 52 w4w5w6 径向变位 系数 乘积 系数 系数 乘积 系数 =01 2IhM =-107212 28 =-192583 2IhM =-229964 2I 0.25 -5749 =-259825 2IhM 0.49 -12731 0.04 -1039 =-262786 2I 0.24 -6307 0.04 -1051 =-13085261 ThKn 1.4 -18319 0.4 -5234 =-177065 M 1 -1770 1 -1770 1 -1770 总 计 -44875.9 -9094.4 -1770 注： 1. = =1 =5.45 =2.72 =0.67 =n1K35Km4.028 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 ija 径向变位 ，由梁内各截面弯矩引起的 、剪力引起的变位 、以及梁基产ijaMijMij 生的变位 、 ，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 = +ijij ijaMij + + 。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Mijijij 程见表 53。 由表 53所列系数计算得 =4448.8( )， =11.205( ),共 36个径向1amE6amE1 变位系数。详见表 53中计算。 29 其中 、 、 、 、 采用与表 5-2相同。 、 、 见表 51中的常数计算1K35n iTiAiI 单元。 =20m、m=0.4；如： ，其余见表中算值。h 442023157.9hI 30 表 53 单位三角径向荷载作用下径向变位系数求解表 单位 mE/1 弯矩变位系数 =229.8842 41Ih =77.723 412Ih =35.18412Ih=18.855 412Ih =15.2216 412Ih径向 变 位 系 数 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积1a 4 919.54 20 1554 48 1688.8 56.98 1074.2 20.5 3122 2 459.77 24 1865 72 2533.3 93.24 1757.8 34.27 521.713 0 0 4 310.9 36 1266.6 62.16 1171.9 24.19 368.24a 0 0 0 0 6 211.11 31.08 585.93 14.11 214.815 0 0 0 0 0 0 5.18 97.655 4.23 64.446 0 0 0 0 0 0 0 0 0.27 4.09121a 1 229.88 10 777.2 32 1125.9 41.58 783.88 15.62 237.7 0.5 114.94 12 932.6 48 1688.8 68.04 1282.7 26.11 397.523 0 0 2 155.4 24 844.42 45.36 855.14 18.43 280.64a 0 0 0 0 4 140.74 22.68 427.57 10.75 163.725 0 0 0 0 0 0 3.78 71.262 3.23 49.16 0 0 0 0 0 0 0 0 0.21 3.11731a 0 0 2.5 194.3 16 562.95 26.18 493.55 10.74 163.42 0 0 3 233.2 24 844.42 42.84 807.63 17.95 273.33 0 0 0.5 38.86 12 422.21 28.56 538.42 12.67 192.94a 0 0 0 0 2 70.368 14.28 269.21 7.392 112.535 0 0 0 0 0 0 2.38 44.868 2.22 33.756 0 0 0 0 0 0 0 0 0.14 2.143 31 续表 53 弯矩变位系数 =229.92 41Ih =77.723 412Ih =35.18412Ih=18.855 412Ih =15.2216 412Ih径向 变位 系数 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积41a 0 0 0 0 4 140.7 10.8 203.2 5.856 89.132 0 0 0 0 6 211.1 17.6 332.6 9.792 149.043 0 0 0 0 3 105.6 11.8 221.7 6.912 105.2a 0 0 0 0 0.5 17.59 5.88 110.9 4.032 61.3745 0 0 0 0 0 0 0.98 18.48 1.21 18.416 0 0 0 0 0 0 0 0 0.077 1.16951a 0 0 0 0 0 0 0.88 16.59 0.976 14.862 0 0 0 0 0 0 1.44 27.15 1.632 24.8453 0 0 0 0 0 0 0.96 18.1 1.152 17.544a 0 0 0 0 0 0 0.48 9.049 0.672 10.235 0 0 0 0 0 0 0.08 1.508 0.202 3.0696 0 0 0 0 0 0 0 0 0.013 0.1951a62364a56 32 续表 53 剪力变位系数 =135 23hA =94 23hA =72 243hA =59 253hA =55 263hA径向 变 位 系 数 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积1a 0.5 67.5 0.5 47 0.5 36 0.35 20.65 0.1 5.45452 0.5 67.5 1 94 1 72 0.7 41.3 0.2 10.90913 0 0 0.5 47 1 72 0.7 41.3 0.2 10.9094a 0 0 0 0 0.5 36 0.7 41.3 0.2 10.90915 0 0 0 0 0 0 0.35 20.65 0.14 7.63646 0 0 0 0 0 0 0 0 0.04 2.181821a 0.25 33.75 0.5 47.14 0.5 36.16 0.35 20.65 0.1 5.4545 0.25 33.75 1 94.29 1 72.33 0.7 41.3 0.2 10.90923 0 0 0.5 47.14 1 72.33 0.7 41.3 0.2 10.9094a 0 0 0 0 0.5 36.16 0.7 41.3 0.2 10.90925 0 0 0 0 0 0 0.35 20.65 0.14 7.63646 0 0 0 0 0 0 0 0 0.04 2.181831a 0 0 0.25 23.5 0.5 36.16 0.35 20.65 0.1 5.45452 0 0 0.5 23.5 1 72.33 0.7 41.3 0.2 10.9093 0 0 0.25 23.5 1 72.33 0.7 41.3 0.2 10.9094a 0 0 0 0 0.5 36.16 0.7 41.3 0.2 10.90935 0 0 0 0 0 0 0.35 20.65 0.14 7.63646 0 0 0 0 0 0 0 0 0.04 2.1818 33 续表 53 剪力变位系数 =135 23hA =94 23hA =72 243hA =59 253hA =55 263hA径向 变位 系数 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积 系数 乘积41a 0 0 0 0 0 0 0 0 0.08 4.42 0 0 0 0 0.3 21.6 0.35 20.65 0.1 5.454543 0 0 0 0 0.5 36.164 0.7 41.3 0.2 10.909a 0 0 0 0 0.5 36.164 0.7 41.3 0.2 10.90945 0 0 0 0 0.3 21.6 0.7 41.3 0.2 10.9096 0 0 0 0 0 0 0.35 20.65 0.14 7.636451a 0 0 0 0 0 0 0 0 0.04 2.18182 0 0 0 0 0 0 0