本科毕业设计——柳江水利枢纽——深入重力坝施工导流设计.docx

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1、四川大学本科生毕业设计柳江水利枢纽深入重力坝施工导流设计目录目录11.水文水利计算21.1设计洪水和校核洪水过程线的推求21.2调洪计算31.1.2手算成果41.2.2机算成果82.重力坝设计相关计算162.1 坝顶高程的计算162.2 非溢流坝段稳定计算182.2.1 荷载与荷载组合192.2.2 稳定计算方法202.2.3稳定性计算成果212.3溢流坝相关计算272.3.1 堰面曲线计算272.3.2溢流坝稳定性计算303施工导流设计323.1 围堰的立面设计323.2 围堰的平面设计463.3 导流隧洞设计461.水文水利计算1.1设计洪水和校核洪水过程线的推求本工程中，为了简化计算过程

2、，并结合工程实际，选用同倍比放大法以峰控制对洪水过程线进行放大处理，计算过程如下：设计工况放大倍比：KQ=QmpQm=2186m3s1650m3s=1.325校核洪水工况放大倍比：KQ=QmpQm=2797m3s1650m3s=1.695各种工况洪水过程线如表1.1-1：表1.1-1 设计洪水、校核洪水工况洪水过程线时间t（h）01.252.53.7555.76.57.4流量Q（m/s）5015050010001375150016501500放大后流量（设计洪水）66.24 198.73 662.42 1324.85 1821.67 1987.27 2186.00 1987.27 放大后流量（

3、校核洪水）84.76 254.27 847.58 1695.15 2330.83 2542.73 2797.00 2542.73 时间t（h）8.7101115202530流量Q（m/s）10006335002501002525放大后流量（设计洪水）1324.85 838.63 662.42 331.21 132.48 33.12 33.12 放大后流量（校核洪水）1695.15 1073.03 847.58 423.79 169.52 42.38 42.38 图像如下图1.1-1：图1.1-1设计洪水、校核洪水工况洪水过程线1.2调洪计算选择堰型为WES剖面，依据溢洪道设计规范 SL 253

4、-2000，溢流计算公式如下：Q=cmsB2gH032 =1-0.2k+n-10H0nb 式中，Q流量，m3s；B溢流堰总净宽，m；b单孔净宽,m；n闸孔数目；H0计入行进流速水头的堰上总水头，m ；m二维WES实用堰流量系数；c上游堰坡影响系数；闸墩侧收缩系数；0中墩形状系数；k边墩形状系数；s淹没系数；式中各子母意义如下图1.1-2所示：图1.1-2 溢流堰曲线此处不计行进流速水头，取H0=469.13m-466.00m=3.13m；工程开挖高程为415.00m，P1=466.00m-415.00m=51.00m,由于不及行进流速水头，H0Hd=1,P1Hd=P1H0=513.13=16.

5、291.33，由说明书表2.2.3-1查得，m=0.501；上游堰面坡度影响修正系数当上游堰面铅直时，c=1.0； 为闸墩侧收缩系数,；中墩形状系数0查说明书表2.2.3-2，hzH00.75,墩头形状设为半圆形，故可取0=0.45；边墩形状见说明书图2.2.3-2，本工程设计边墩为半圆形，所以k=0.7；淹没系数，查表A 2.1-3，取s=0.995。所以:=1-0.2k+n-10H0nb=1-0.20.7+40.453.1340=0.8Q=cmsB2gH032=10.5010.80.995B29.81H032=1.7665BH0321.1.2手算成果拟定三种方案,分别是方案1：5孔7m/孔

6、，净宽35m；方案2：5孔8m/孔，净宽40m；方案3:7孔6m/孔，净宽42m。对方案1设计洪水工况进行手算，为提高计算效率，其余方案进行机算，方案1手算过程如下：（1）由基本资料，水库库水位Z（m）与库容V（万m3）关系如下表1.1.2-1：表1.1.2-1 水位库容曲线V(万立方米)050100150200300400水位(m)428433437439441443444.7V(万立方米)60090015002300330044005000水位(m)447.8451456.6462467.5472.5474.7绘制Z-V图像如下图1.1.2-1:图1.1.2-1 水位库容曲线Z-V图（2）

7、列表计算q-V曲线 在堰顶高程466.00m以上，假设不同的库水位Z用它们分别减去堰顶高程466.00m，得第（2）栏所示的堰顶水头H，带入公式Q=1.7665BH32选择溢流堰总净宽为40m，算出各H相应的溢洪道泄流能力，加上发电量（计算公式：N=9.81QH，得Z值相应的水库泄流能力q=q溢+q电，列于第（3）栏。再由第（1）栏的Z值查Z-V曲线，得Z值相应库容V，见表1.1.2-2中第（4）栏。表1.1.2-2水库q-V关系计算表水库q-V关系计算表库水位Z（m）(1)461463465467469471473475堰顶水头H（m）(2)02468101214泄洪能力q(m)q电14 2

8、13 578 1050 1610 2245 2948 3711 q溢0 200 565 1038 1599 2234 2937 3701 q泄(3)14 213 578 1050 1610 2245 2948 3711 库容V（万m）(4)2100 2400 2800 3250 3500 4050 4450 5000 （3）绘制q-V曲线，由上表中第（3）、（4）栏对应值，绘制该水库的泄流曲线q-V，如下图1.1.2-2：图1.1.2-2 q-V曲线（4）推求下泄流量过程线q（t），按下表的格式逐时段进行试算。试算公式如下：Q1+Q22t-q1+q22t=V2-V1式中，Q1、Q2时段t始、末

9、的入库流量，m3s；q1、q2时段t始、末的出库流量，m3s；V2、V1时段t始、末的水库蓄水量，m3；t计算时段，h；对于第一时段，按起始条件V1=2262.75m3s,q1=13.49m3s和已知值Q1=66.24m3s、Q2=480m3s进行试算求V2,q2,与q-V曲线进行对比，使之与q-V曲线相符，试算结果如下表1.1.2-3：表1.1.2-3 试算列表时间t(h)时段t（h）Q(m3s)Q1+Q22(m3s)Q1+Q22t(m3s)q(m3s)q1+q22(m3s)q1+q22t(m3s)V（万m）Z（m）066132263 461.82273546192 383 24803702

10、860 462.629401880560 1120 414007503500 468.22175035001050 2100 6210013503570 468.52190038001165 2330 817009803089 467212692539775 1550 108395702629 46427241449460 920 126103502580 463.52580 1160340 680 145503302360 4622420840290 580 162902502150 4612245490220 440 182001902092 460.22166332170 340 201

11、32150上表的计算数据绘制设计洪水过程线及下泄流量过程线，如下图1.1.2-3：图1.1.2-3 洪水及下泄流量过程线最终求得设计洪水时最高水位为468.50m,对应最大下泄流量为1350m3s。1.2.2机算成果为进行多方案比较，以便于采用更优方案，继续选择多个泄洪方案进行调洪计算，由于计算过程复杂，故采用计算软件，利用计算机进行计算（注：为简化计算及预留一定安全度，机算时未计入电站发电引用流量），使用软件为试算法计算调洪演算程序。水库水位-库容关系曲线如图1.2.2-1：图1.2.2-1 水库水位-库容关系曲线(1) 方案1：采用5孔7m，总净宽35m，设计洪水工况下,溢洪道下泄流量关系

12、表如下表1.2.2-1:表1.2.2-1 溢洪道下泄流量关系水库水位（m）461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 下泄流量（m/s）0 85 175 315 495 700 909 1115 1399 1660 1955 2230 设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表如表1.2.2-2：表1.2.2-2 设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表方案1水库设计情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余

13、亏水量dV(万m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)0.0 0.0 0.0 2100.0 461.0 2.0 662.0 331.0 238.5 88.1 44.0 31.7 206.8 2306.0 462.0 4.0 1600.0 1131.0 814.5 578.2 333.1 239.9 574.6 2881.0 465.4 6.0 2186.0 1893.0 1363.0 1328.6 953.4 686.4 676.5 3558.0 468.8 8.0 1300.0 1743.0 1255.0 1588.7 1458.6 1050.2 204.7 3763.0 469.7 10

14、.0 730.0 1015.0 730.8 1224.3 1406.5 1012.7 -281.9 3481.0 468.4 12.0 510.0 620.0 446.4 877.8 1051.0 756.7 -310.3 3170.0 466.9 14.0 360.0 435.0 313.2 636.7 757.3 545.2 -232.0 2938.0 465.7 16.0 285.0 322.5 232.2 467.7 552.2 397.6 -165.4 2773.0 464.9 18.0 185.0 235.0 169.2 344.7 406.2 292.5 -123.0 2650.

15、0 464.2 20.0 120.0 152.5 109.8 234.5 289.6 208.5 -98.7 2551.0 463.4 22.0 90.0 105.0 75.6 166.9 200.7 144.5 -68.9 2482.0 462.9 设计洪水工况下洪水下泄过程线如下图1.2.2-2：图1.2.2-2 水库水位-库容关系曲线求得设计洪水工况下最高水位为469.727m，最大泄流量为1588.73m/s；校核洪水工况下，溢洪道下泄流量关系表如下表1.2.2-3:表1.2.2-3 溢洪道下泄流量水库水位m461 462 463 464 465 466 467 468 469 470

16、 471 472 下泄流量（m/s）0 85 175 315 495 700 909 1115 1399 1660 1955 2230 校核洪水工况下溢洪道下泄流量计算表如下表1.2.2-4：表1.2.2-4 校核洪水工况下溢洪道下泄流量计算表方案1水库校核情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余亏水量dV(万m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)0 0 0 2100 461 2 848 424 305 114 57 41 264 23

17、64 462 4 2047 1447 1042 786 450 324 718 3082 466 6 2797 2422 1744 1756 1271 915 829 3911 470 8 1663 2230 1606 2015 1886 1358 248 4159 471 10 934 1299 935 1618 1817 1308 -373 3786 470 12 653 793 571 1095 1357 977 -406 3381 468 14 461 557 401 803 949 683 -282 3098 466 16 365 413 297 591 697 502 -205 2

18、894 465 18 237 301 216 435 513 370 -153 2741 465 20 154 195 140 308 372 268 -127 2614 464 22 115 134 97 205 256 185 -88 2526 463 校核洪水工况洪水下泄过程线如下图1.2.2-3：图1.2.2-3 校核洪水工况洪水下泄过程线求得校核洪水工况下最高水位为471.251m，最大泄流量为2024.14m/s。(2) 方案2：采用5孔7m，总净宽35m，设计洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表如下表1.2.2-5:表1.2.2-5 设计洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表水库水位m46

19、1 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 下泄流量（m/s）0 100 200 370 565 800 1038 1300 1599 1915 2234 2595 设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表如下表1.2.2-6：表1.2.2-6 设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表方案2水库设计情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余亏水量dV(万m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)0 0 0 21

20、00 461 2 662 331 238 101 51 36 202 2302 462 4 1600 1131 814 629 365 263 552 2854 465 6 2186 1893 1363 1415 1022 736 627 3481 468 8 1300 1743 1255 1639 1527 1099 155 3637 469 10 730 1015 731 1219 1429 1029 -298 3338 468 12 510 620 446 848 1034 744 -298 3040 466 14 360 435 313 602 725 522 -209 2831 46

21、5 16 285 323 232 443 523 376 -144 2687 464 18 185 235 169 317 380 274 -105 2583 464 20 120 153 110 206 262 188 -79 2504 463 22 90 105 76 172 189 136 -60 2444 463 设计洪水工况洪水下泄过程线如下图1.2.2-4：图1.2.2-4 设计洪水工况洪水下泄过程线求得设计洪水工况下最高水位为469.126m，最大泄流量为1638.3m/s；校核洪水工况下，溢洪道下泄流量关系表如下:校核洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表如下表1.2.2-7:表1.

22、2.2-7 校核洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表水库水位m461462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 下泄流量（m/s）0100 200 370 565 800 1038 1300 1599 1915 2234 2595 校核洪水工况溢洪道下泄流量计算表如下表1.2.2-8：表1.2.2-8 校核洪水工况溢洪道下泄流量计算表方案2水库校核情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余亏水量dV(万

23、m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)000210046128484243051296547259235946242047144710428554923546883046466627972422174418891372988756380247081663223016062092199014331733975471109341299935157218321319-38435914691265379357110591315947-376321546714461557401756907653-253296346616365413297553655471-174278946518237301216

24、411482347-131265846420154195140274342247-10625524632211513497191232167-702482463校核洪水工况洪水下泄过程线如下图1.2.2-5：图1.2.2-5 校核洪水工况洪水下泄过程线求得校核洪水工况下最高水位为470.57m，最大泄流量为2097.24m/s。(3)方案3：采用7孔6m，总净宽42m，设计洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表如下表1.2.2-9:表1.2.2-9 溢洪道下泄流量关系表水库水位m461462463464465466467468469470471472下泄流量（m/s）0100210395593810

25、109013601680200023462720设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表如下表1.2.2-10：表1.2.2-10 设计洪水工况溢洪道下泄流量计算表方案3水库设计情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余亏水量dV(万m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)00021004612662331238101513620223024624160011318146453732695462848465621861893136314481046

26、753610345846881300174312551657155211181373595469107301015731121414361034-3033292467125106204468191017732-286300646614360435313602710512-198280846516285323232443523376-144266446418185235169307375270-101256346420120153110204256184-742489463229010576171188135-592429463设计洪水工况洪水下泄过程线如下图1.2.2-6：图1.2.2-6 校

27、核洪水工况洪水下泄过程线求得设计洪水工况下最高水位为468.928m，最大泄流量为1656.91m/s；校核洪水工况下,溢洪道下泄流量关系表如下表1.2.2-11:表1.2.2-11 校核工况溢洪道下泄流量水库水位m461462463464465466467468469470471472下泄流量（m/s）0100210395593810109013601680200023462720方案3校核洪水工况溢洪道下泄流量计算表如下表1.2.2-12：表1.2.2-12 校核洪水工况溢洪道下泄流量计算表方案3水库校核情况下溢洪道下泄流量计算表时段序号（h）来水流Q(m3/s)平均流量 Qp(m3/s)

28、来水量Qpdt(万m3)调洪下泄流量 q (m3/s)下泄平均流量qp(m3/s)下泄水量qpdt(万m3)余亏水量dV(万m3)总库容 V总(万m3)水库水位（m)000210046121286446201073921394614848488351168946728424234636204714471042915541390652307546682797242217441950143310327123787470101663223016062129204014691373925470129341299935156018451328-393353146914653793571104213019

29、37-366316646716461557401732887639-238292846618365413297552642462-165276346520237301216409481346-130263346422154195140260335241-1012533463校核洪水工况洪水下泄过程线如下图1.2.2-7：图1.2.2-7 校核洪水工况洪水下泄过程线求得校核洪水工况下最高水位为470.373m，最大泄流量为2129,17m/s机算调洪过程如下：机算结果统计如下表1.2.2-13：表1.2.2-13 机算结果统计表方案计算工况溢洪道最大泄量ms最高水位/m孔数n孔宽/m总净宽/m1

30、设计洪水57351588.73469.727校核洪水2015.38471.2192设计洪水58401638.79469.126校核洪水2092.03470.573设计洪水76421656.91468.928校核洪水2129.18470.373通过比较优化（详见说明书），采用方案2计算结果，设计洪水工况时最高水位为469.126m，取469.13m,对应最大下泄流量为1638.79ms,此时下游水位高程为426.63m；采用校核洪水工况时最高水位为470.57m，对应最大下泄流量为2092.03ms,此时下游水位高程为427.1m；正常高水位时，对应的下游水位高程为422.05m。2.重力坝设计

31、相关计算2.1 坝顶高程的计算依据水工建筑物,计算公式为h=h1%+hz+hc式中，h防浪墙至设计洪水位或校核洪水位的高差，m； h1%累计频率为1%时的波浪高差，m； hz波浪中心线高于静水位的高度，m； hc安全加高，m；使用官厅水库公式计算h2、 h1%。（1） 求雍高hz1） 求hlhl=0.0166v054D13 式中，hl波高，m； v0计算风速，m/s；指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期出现的最大风速校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值，此处设计洪水位时取v0=16.9m/s,校核洪水时取v0=7.2

32、m/s； D吹程，km；故设计洪水位时，hl=0.0166v054D13=0.016616.954213=0.717m；校核洪水位时，hl=0.0166v054D13=0.016616.97.254213=0.247m；2） 计算波长L设计洪水位时，L=10.4hl0.8=10.40.7170.8=7.97m;校核洪水位时，L=10.4hl0.8=10.40.2470.8=3.398m;3） 计算雍高hzhz=hlLcth2HL 式中，L波长，m； hl波高，m； H坝前水深，m；设计洪水位时，H=469.13m-415.00m=54.13m;hz=hlLcth2HL=20.71727.97c

33、th254.137.97=0.20cth42.67=0.20m 校核洪水位时，H=470.57m-415.00m=55.57m;hz=hlLcth2HL=20.24723.398cth255.573.398=0.056cth102.75=0.056m ;正常水位时，h=466.00m-415.00m=51.00m；hz=hlLcth2HL=0.71727.97cth2517.97=0.20cth40.21=0.20m 其中，cth函数为双曲余弦函数，cth z=ez+e-zez-e-z;(2)计算h1%gDv02=9.81m/s22103m(16.9m/s)2=67.22;即gDv02=202

34、50；故hl=h5%，需推算累计频率1%的波高。设计洪水位时，h1%=1.24h5%=1.240.20m=0.25m;正常洪水位时，h1%=1.24h5%=1.240.20m=0.25m;校核洪水位时，h1%=1.24h5%=1.240.056m=0.07m;（3）求超高hc本工程为中型工程，大坝为重要永久性建筑物，坝的安全级别为3级，取hc=0.4m;由上述结果，h计算如下：设计洪水位时，h=h1%+hz=0.20m+0.25m=0.45m;正常运行水位时，h=h1%+hz+hc=0.056m+0.25m+0.4m=0.706m=0.71m校核洪水位时，h=h1%+hz+hc=0.07m+0

35、.056m+0.4m=0.53m;坝顶高程计算如下：设计洪水位：H=469.13m+0.45m=469.58m;正常运行时：H=466.00m+0.71m=466.71m；校核洪水位：H=470.57m+0.53m=471.10m;整理在表格内，结果如下表2.1：表2.1 坝顶高程计算统计表雍高hz累计频率为1%时的波浪高差h1%（m）超高hc（m）防浪墙至设计洪水位或校核洪水位的高差h（m）水位（m）坝顶高程（m）设计洪水工况0.200.250.40.45469.13469.58正常运行工况0.200.250.40.71466.00466.71校核洪水工况0.0560.070.40.5347

36、0.57471.10最终结果坝顶高程取471.10m。2.2 非溢流坝段稳定计算坝顶宽度一般取坝高的8%10%，且不小于2m，坝高为：471.10m-415.00m=56.1m，故d=4.49m5.61m,本工程坝顶有特殊要求，需设置门机，所以取坝顶宽度为8m。由水工建筑物坝上游取铅直，下游坡率为0.60.8，此处取0.75进行初步设计，底宽约为坝高的0.70.9倍，取值为39.27m50.49m，按上游垂直，下游边坡1:0.75，计算底边长为42.08；设计图如下图2.2-1（注：图中尺寸单位为m）：图2.2-1 初步设计非溢流坝段剖面图在CAD绘图软件中测量得图中相关参数得坝体面积为S1=

37、1222.87m2；下游水重S2=50.72m2。计算示意图如下2.2-2（图中尺寸均以m计）：图2.2-2 优化设计非溢流坝段剖面图2.2.1 荷载与荷载组合由水工建筑物，各种情况下的荷载组合按下表2.2.1进行选取：表2.2.1 荷载组合荷载组合主要考虑情况荷载附注自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力冰压力地震荷载动水压力土压力其他荷载基本组合（1）正常蓄水位情况 土压力根据外是否填有土石而定（2）设计洪水位情况 土压力根据外是否填有土石而定（3）冰冻情况静水压力及扬压力按相应的冬季水库水位计算特殊组合（1）校核洪水位情况（2）地震情况静水压力、扬压力和浪压力按正常蓄水位计算。有论证时可另作规定2.2.2 稳定计算方法坝体的稳定性计算有两种计算方法：（1）按抗剪强度公式计算k=fW+cAP式中，k按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数 f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f=1.0； c坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，c=800Kpa； A坝基接触面积，； W 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动面的法向分值，KN；P作用于坝体上全部荷载对滑动面的切向分值，KN；（2） 按抗剪强度公式计算k=fWP式中，k按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数，由基础资料，f=0.65；重力坝的稳定分析中,抗剪断强度及抗剪强度系数按表2.2.2-1