山湘水电站设计与应用毕业论文.doc

'山湘水电站设计与应用毕业论文目录第一章基本资料及设计数据11.1工程流域概况11.2电站建设的必要性和工程开发任务11.2.1电站建设的必要性11.2.2工程开发任务11.3地形、地质概况21.3.1区域地质与地震21.3.2水库工程地质21.3.3枢纽工程地质31.4水文、气象41.4.1水文基本资料41.4.2气象41.4.3径流41.5洪水51.6坝址水位流量关系曲线81.7水工建筑物工程地质条件与评价91.7.1大坝91.7.2电站厂房91.7.3消能防冲建筑物101.7.4上、下游围堰101.7.5导流洞101.8天然建筑材料11第二章水文水能计算122.1工程等级122.2洪水标准122.3水库及水能主要指标132.4枢纽的组成建筑物及工程等级142.4.1枢纽建筑物组成142.4.2水工建筑物级别142.5防洪标准142.6调洪演算152.6.1调洪演算的目的152.6.2调洪演算的基本原理和方法152.6.3调洪的基本资料16第三章枢纽布置、坝址选择183.1坝址选择183.3.1坝轴线的选择183.3.2坝轴线拟定183.2坝型选择18第四章坝体剖面设计204.1剖面设计原理204.2基本剖面204.3设计基本资料204.3.1.特征水位及流量204.3.2.水文气象资料20 4.4非溢流坝段剖面设计214.4.1坝顶高程21 4.4.2坝顶宽度234.4.3坝面坡度234.4.4坝底宽度234.4.5地基防渗与排水设施拟定234.4.6荷载计算及荷载组合244.4.7荷载的计算264.5稳定分析354.5.1抗滑稳定计算公式354.5.2计算参数的确定374.5.3稳定分析计算374.5.4提高抗滑稳定性的工程措施384.6应力分析384.6.1计算公式与方法39正常情况下的应力计算394.6.2计算结果434.6.3应力计算结果分析445.1溢流坝设计465.1.2溢流坝段剖面设计485.2消能工计算515.2.1判断是否需要做消能工52第六章电站厂房设计576.1机械选择576.2机械尺寸计算586.2.1蜗壳的型式及其主要尺寸的确定586.2.2尾水管尺寸确定586.3厂房的尺寸拟定616.3.1厂房长度L的确定626.3.3厂房的高度确定63第七章细部构造设计647.1非溢流坝段细部构造设计647.1.1非溢流坝段坝顶细部构造647.1.2非溢流坝段坝内构造647.2溢流坝段细部设计647.3分缝与止水647.3.1横缝657.3.2止水65第八章坝基处理设计668.1地基开挖与清理668.2帷幕灌浆678.3坝基排水67 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第一章基本资料及设计数据1.1工程流域概况山湘水电站位于远水支流秋水的上游，坝址位于重庆市秀山县山湘镇北河桥上游约1.7km处，上距设计中的酉酬水电站约35km，下距在建的碗米坡水电站约53km，距秀山县城约52km。水库正常蓄水位290.00m，相应库容1.32亿m3，总库容1.63亿m3，调节库容0.50亿m3，为季调节水库，电站总装机容量120MW，保证出力11.1MW，年利用小时3283h，年发电量3.94亿kW·h。工程计划工期33个月，首台机组发电工期31个月，工程静态投资82830万元，总投资87087万元。秋水是远水的最大支流，流经湖北来凤，湖南龙山，重庆酉阳、秀山，贵州松桃，湖南花垣、保靖、永顺、古丈、沅陵等县。流域东接远水干流，西以大娄山与乌江相望，南与武水相邻，北以武陵山与澧水相望。流域地理位置位于北纬28°~30°、东经108°~110°之间，流域呈西北高、东南低的三角形。秋水有南北两源。北源又称北河，发源于湖北宣恩和鹤峰两县交界的酉源山；南源又称秀山河、梅江河，发源于贵州省松桃县的平溪，南、北两源于重庆市秀山县山湘镇汇合后，折流向东，经隆头、江口分别纳入洗车河、花垣河，过保靖往东至沅陵注入远水。秋水干流全长427km，河道平均坡降1.05‰，流域面积18530km2，多年平均径流量170亿m3，山湘坝址控制流域面积5473km2，占秋水流域面积的29.5%。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）秋水流域为多山地区，上中游山高坡陡，属山区性河流，坝址上、下游河段不通航，当地交通以公路为主，目前坝址左岸有乡村道路经山湘镇至龙池与319国道相连，全长31km。其后经319国道向西北经酉阳、黔江、彭水、武隆、涪陵、长寿、可达重庆市，全长743km。1.2电站建设的必要性和工程开发任务1.2.1电站建设的必要性1.建设山湘水电站是重庆市电力发展的需要；2.建设山湘水电站是秀山县实现脱贫致富，变资源优势为经济优势的需要；3.建设山湘水电站是乌电集团发展的需要；4.建设山湘水电站是秀山县实现脱贫致富，变资源优势为经济优势的需要。1.2.2工程开发任务秋水干流重庆河段河谷深切，水流湍急，两岸山坡陡峭，山湘上、下游已建、在建电站均不具备通航条件；干流河段耕地稀少，仅支流内有耕地，且沿河分布，没有灌溉、供水、航运等综合利用要求，下游也没有专门的防洪对象和要求。根据《秋水河流规划报告》、《秋水山湘至塘口河段水电规划复核报告》和山湘水电站的开发利用条件，山湘水电站的开发任务主要是发电，兼有改善库区航运、发展旅游等综合效益。1.3地形、地质概况1.3.1区域地质与地震43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）秋水侧面以大娄山脉与乌江相隔，南与武水相邻，北以五陵山和澧水分流，流域形状呈西北高、东南低的三角形，地貌上属川东—湘西北岩溶化中低山区。本区所处大地构造单元为鄂黔台向斜黔北台凹的一部分，俗称扬子准地台的东南缘—川湘凹陷带（亦称川鄂湘黔隆起褶皱带武陵褶皱束）内。其构造体系属我国东南部新华夏系一级构造第三隆起带—武陵山隆起带南段，褶皱轴向和主断裂面均呈北北东或北东向展布，而相应的北西向张性或张扭性断裂发育较弱。本区第三纪以来，处于大面积间歇隆起上升阶段，无发震的深大断裂和活动性断裂分布，库坝区为一刚度较大完整性较好的稳定地块，不具备产生中强地震的构造条件，属区域构造稳定地区。据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》，地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相应地震基本列度小于6度。1.3.2水库工程地质山湘水电站水库回水至酉阳县酉酬镇，水库全长约35km。库区山体雄厚，河谷深切。库区内分布的地层主要为寒武系、奥陶系及志留系。区内地质构造相对较简单，褶皱以舒缓短轴状为主，断裂相对稀疏，褶皱轴向和主断裂面均呈北北东或北东向展布，而相应的北西向张性或张扭性断裂发育较弱。水库环库地形封闭良好，大部分地段存在有宽厚的志留系碎屑岩相对不透水地层；在无相对不透水地层分布的近坝区的河间地块上，亦存在有高于正常蓄水位的地下水位。因此，本工程无水库渗漏之虞。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）库区以基岩岸坡为主，不存在大规模的不稳定岩体，岸坡总体稳定较好。库内无大面积腹地和人口集中的城镇及工矿企业，亦无具有工业价值的矿藏和重要文物分布，淹没损失较小，基本无固体迳流来源和浸没问题。水库除库首外，大部分河段库水壅高与天然洪水位接近，无高于本地区地震基本烈度的水库诱发地震的可能。1.3.3枢纽工程地质山湘水电站坝址位于山湘镇北河桥上游约2.0km的河段内，秋水由东向西流。坝址区位于宋农—山湘背斜北端的NW翼，背斜轴部从坝址下游穿过。坝址处河床为一不对称“箱”型河谷，河段平直，河床较开阔，水下地形整齐平坦，高程为246.10m~248.20m，河水位249.50m时，水面宽110.0m左右，主河道位于左侧，深度2.0m~3.0m。正常蓄水位290.00m时，河谷宽180.0m左右。河床往下游收窄进入峡谷。坝址左岸为秋水的河湾地块，溶蚀峰丛地貌，山顶高程350.00m~450.00m，高程290.00m以下地形陡峻，为悬崖或峻坡，以上为峰丛间的浅小冲沟或小型溶蚀洼地，地形较平缓；右岸发育有两条冲沟，高程305.00m以下地形陡峻，为悬崖或峻坡，地形略显零乱；以上为山前缓坡地，台地宽50.0m~100.0m，地形坡度5°~10°，往后地形逐渐变陡，其后缘山体雄厚，最高点为亥时坡，高程在700.00m以上；河床大部分基岩裸露，仅河槽中有少量砂卵砾石及崩塌堆积的碎块石。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）出露的地层为寒武系上统灰色、灰黑色厚至巨厚层白云岩、灰质白云岩夹少量薄层白云岩，岩性均一，岩体的强度和刚度均较高。地质构造简单，岩层走向与河床斜交，倾向上游，产状较稳定，为30°~40°/NW∠15°~20°。未发现有较大的断层通过坝址区，实测的断层规模小，破碎带胶结良好。岩石以面状风化为主，少见全风化岩石，强风化下限埋深多在10.0m以内。坝址岩溶以表部的浅层岩溶为主，主要表现为溶沟、溶槽及溶蚀裂隙，溶蚀相对较弱。岩体透水性以弱~微透水为主。地下水类型主要为岩溶裂隙水，普遍受大气降水补给，向秋水河及其支流（沟）排泄。河水和地下水对混凝土均无侵蚀性。试验表明：作为持力层的白云岩、灰质白云岩属中硬~坚硬岩石，岩体质量较好，以较完整~完整岩体为主，坝址区的岩体质量基本一致。河床与河谷两岸的弱风化岩体基本为Ⅲ级；一般强风化岩体质量在Ⅲ~Ⅳ级之间；微风化或新鲜岩体质量为Ⅱ级。1.4水文、气象1.4.1水文基本资料秋水流域先后设立水文站16个，现有水文站11个，观测项目有：水位、流量、泥沙、水温、岸温等。在山湘镇上游约10km的大溪水文站，是我院于1980年10月设立的专用站。山湘水电站水文分析计算依据站为坝址上游的大溪水文站。来凤、山湘、宋农、保靖等站为工程设计的主要参证站1.4.2气象43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）秋水流域属亚热带季风气候区，冬季受极地大陆气团控制，冷空气频频南下，气候干燥寒冷。夏季则为海洋暖湿气团所控制，温高湿重。在春夏之交本流域处于冷暖气团交绥地带，锋面和气旋活动频繁，6月中旬~7月下旬为梅雨期，往往形成历时长、强度大、面积广的暴雨。坝址处多年平均气温16.4℃，极端最高气温41.9℃，极端最低气温-3.6℃；多年平均降水量1300.6mm，年平均降水日数168.2d；多年平均相对湿度86%；多年平均水温18.2℃，最高水温31.8℃，最低水温3℃；多年平均年蒸发量682.8mm；多年平均风速1.4m/s，最大风速20.0m/s，相应风向NNE。1.4.3径流坝址计算径流的依据站为大溪水文站。该站与坝址之间的区间面积为74km2，只有坝址控制流域面积的1.4%，根据规范，坝址径流可直接采用大溪水文站1951~2003年实测和插补径流成果。本流域径流以降水补给为主，径流的年内分配与降水的年内分配基本一致，年内变化较大，径流年内分配见表1.4－1。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）表1.4.3－1山湘坝址径流年内分配表月份456789101112123年平均流量(m3/s)18129235635921715213195.141.431.542.282.5166百分比(%)8.9615.017.718.411.17.536.704.722.111.601.964.22100径流年际变化较为稳定，根据1951~2002年水文年资料统计，多年平均流量为166m3/s，最大年平均流量294m3/s，最小年平均流量102m3/s。坝址年径流频率计算成果见表1.4－2。表1.4.3－2山湘坝址年平均流量频率成果表均值(m3/s)CvCs/CvP(%)251020507590951660.272.52732472262021611341131021.5洪水秋水流域自1954年起，“长办”43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）、原长勘院、中南院等单位先后多次进行过历史洪水调查。综合各次调查成果，秋水干流保靖至山湘河段调查到的大洪水年份有1849年、1909年、1927年、1931年、1954年和1963年等。北源(山湘至来凤)有1849年、1909年、1927年、1933年、1941年、1954年、1963年、1980年、1998年和2003年等。秋水流域是远水的主要暴雨区，本流域洪水系降雨形成，4~9月份为汛期，坝址年最大洪峰流量多出现在5~9月份，其中6~7月份最集中，占全年的63%。坝址计算设计洪水的依据站为大溪水文站，上游卯洞水文站、来凤水文站、下游山湘水文站作为山湘坝址设计洪水分析计算的参证站。山湘坝址与大溪水文站之间的区间面积为74km2，只有坝址控制面积的1.4%，坝址设计洪水可直接采用大溪水文站计算成果。坝址设计洪水成果见表1.5－1。表1.5－1坝址洪水峰量频率成果表频率Qm(m3/s)W24h(亿m3)W3d(亿m3)W5d(亿m3)0.02%153001121.230.90.05%1400010.119.3280.1%130009.3517.925.70.2%119008.6216.523.50.5%106007.6414.620.61%95506.8913.118.32%85106.1311.716.15%71005.129.713.110%60104.338.1810.820%48903.526.628.54坝址的分期洪水计算方法与设计洪水相同。可直接采用大溪水文站分期洪水的计算成果。分期设计洪水成果见表1.5－2。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）表1.5－2坝址分期设计洪水成果表流量单位：m3/s时段P(%)151020501月31219314496.842.72月52332524316469.13月167010107324751824月26601940161012707449月454030802440180091710月257018001460111059211月21101340101069228212月63336826116256.79月1日至次年4月30日521037403080241014309月1日至次年3月31日4980353028902230129010月1日至次年4月30日334024202010159099311月1日至次年4月30日321022801860144083210月1日至次年3月31日310021501740132073011月1日至次年3月31日22701500116083540912月1日至次年3月31日1570101076753324212月1日至次年2月28日7304673562481131.6坝址水位流量关系曲线山湘水电站坝址位于龙梯水位站上游约200m处。本阶段根据洪水比降由龙梯站水位流量关系推求坝址水位流量关系。成果见表1.6－1。表1.6－1坝址水位与流量关系曲线水位(m)248.5249.0249.5250.0250.5251.0251.5252.0流量(m3/s)60.9109180259350459576706水位(m)252.5253.0253.5254.0254.5255.0255.5256.0流量(m3/s)84097711001220139016101830204043 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）水位(m)256.5257.0257.5258.0258.5259.0259.5260.0流量(m3/s)22502470268029003130337036303890水位(m)260.5261.0261.5262.0262.5263.0263.5264.0流量(m3/s)41604440475050605380573061406550水位(m)264.5265.0265.5266.0266.5267.0267.5268.0流量(m3/s)696073907830827087409240971010200水位(m)268.5269.0269.5270.0271.0272.0——流量(m3/s)106001110011600121001310014200——1.7水工建筑物工程地质条件与评价1.7.1大坝坝址处为一不对称“箱”型河谷，上、下游400.0m的范围内，河道顺直，河床较开阔，水下地形整齐平坦，高程为246.10m~248.20m，河水位249.50m时，河床宽110.0m，主河道位于左侧，水深2.0m~3.0m。正常蓄水位290.00m时，河谷宽180.0m。近河岸均分布有少量的崩积碎、块石。左岸高程290.00m以下边坡为悬崖，往上逐渐变缓，高程305.00m左右为较宽缓的溶槽，地形平缓，槽内分布残坡积含砾粉质粘土层，厚度1.0~2.5m。右岸高程305.00m以下为峻坡，地形略显零乱，以上为宽100.0m左右的台地，地形坡度5°~10°，并分布有残坡积含砾粉质粘土层，厚度1.0m~3.5m。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）出露地层为寒武系上统上组（∈32-3）和（∈32-4）的灰色、灰黑色厚至巨厚层白云岩、灰质白云岩夹少量薄层白云岩，岩性均一，岩体的强度和刚度均较高。地质构造简单，岩层走向与河床斜交，倾向上游，产状较稳定，为30°~40°/NW∠15°~20°。未发现有较大的断层通过坝址区，实测的断层规模小，且胶结良好。节理裂隙大多受层面控制，延伸不长，密度较大。缓倾角结构面主要为层面和层间错动带，一般层面（缝合面）粗糙呈锯齿状，吻合较好。层间错动带相对较发育，主要沿岩层层面（缝合面）展布，长数十米，宽一般在0.1m以内，大多钙质胶结良好，局部有泥化现象。岩石以面状风化为主，沿构造破碎带楔形风化，少见全风化岩石，强风化岩石主要分布于两岸坡上部，下限埋深:左岸3.0m~8.0m；河床1.0m~1.5m；右岸3.0m~18.0m。弱风化下限埋深：左岸10.0m~25.0m；河床15.0m~25.0m；右岸10.0m~30.0m。岸坡的卸荷深度一般1.0m~5.0m左右。坝基弱风化岩石饱和抗压强度大于45MPa，平均完整性系数KV一般大于0.55，属岩体质量较好的岩石。岩体质量为Ⅱ~Ⅲ级，少数构造带或节理密集带的岩体质量为Ⅳ级。坝基下未发现有连续性较好的软弱结构面，一般层面（缝合面）粗糙呈锯齿状，吻合较好，层间错动带和节理大多钙质胶结良好，因此坝基岩体抗滑稳定性较好。以进入相对隔水层（透水率q≤43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）3Lu）以下5.0m左右作为坝基岩体防渗标准。河床段进入相对隔水层以下10.0m，幕深25.0m~40.0m。右岸防渗端点可衔接至地下水位略高于正常蓄水位的ZK26孔处，防渗线路长160.0m，相对隔水层顶板埋深25.0m~55.0m，幕深30.0m~60.0m；左岸防渗线自坝肩经ZK31孔折转至ZK13孔，线路长约450.0m，相对隔水层顶板埋深15.0m~50.0m，幕深20.0m~55.0m。1.7.2电站厂房厂房布置于左岸坝后的陡峻边坡下，为反向坡，基岩裸露，边坡稳定。厂房地基为寒武系上统上组（∈32-3）和（∈32-4）的灰色、灰黑色厚至巨厚层白云岩、灰质白云岩夹少量薄层白云岩。全风化岩体分布于边坡上部，厚度为2.0m~3.0m；强风化下限在10.0m以内，河床仅1.0m~2.0m；弱风化下限埋深8.0m~15.0m。构造以节理裂隙为主，一般规模不大。地质构造简单，岩石坚硬较完整，岩体质量为Ⅱ~Ⅲ级，边坡整体稳定。1.7.3消能防冲建筑物消力池的工程地质条件与溢流坝段基本一致。地层亦为寒武系上统上组（∈32-3）的灰至灰黑色厚层白云岩夹少量薄层白云岩。强风化下限埋深仅1.0m~2.0m；弱风化下限埋深10.0m左右。构造以节理裂隙为主，断层规模小，其破碎带胶结良好。岩石坚硬，岩体较完整，除沿裂隙发育的溶槽等外，以Ⅱ~Ⅲ级岩体为主，岩体的抗冲流速7.0m/s。1.7.4上、下游围堰上、下游围堰处除两岸坡脚分布有少量的崩积碎、块石外，其它部位基岩裸露，岩性为寒武系上统上组（∈32-4）的灰色厚至巨厚层白云岩，岩体较完整，岩体质量以Ⅲ级为主。地质构造简单，以节理裂隙为主，一般规模不大，裂隙除表部溶蚀外，基本均有方解石脉充填，胶结较好。两岸边坡稳定。1.7.5导流洞43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）导流洞全洞段围岩均为寒武系上统上组（∈32-3）和（∈32-4）的灰色、灰黑色厚至巨厚层白云岩、灰质白云岩夹少量薄层白云岩，进口边坡为顺向坡，岩层倾角约15°，边坡坡角30°~40°，边坡表部覆盖有崩塌堆积物，呈条状分布，由碎、块石及残坡积土组成，结构松散、架空，下伏岩体较完整。强风化带水平深10.0m~15.0m，弱风化带水平深25.0m~30.0m。出口边坡右侧为顺向坡，岩层倾角约20°，边坡坡角下部较缓，上部为悬崖，边坡基本稳定。节理裂隙不甚发育，岩体较完整。强风化带水平深5.0~10.0m，弱风化带水平深25.0~35.0m。卸荷裂隙的发育深5.0m左右。隧洞沿线地质构造以节理裂隙为主，多方解石脉胶结，未见断层等分布，洞室围岩大部分呈弱~微风化，岩体完整，稳定条件较好。地下水位在坝轴线上游较高，往下游基本与河水位持平。根据导流洞围岩特征，进、出口段的岩体为Ⅲ~Ⅳ类，以卸荷裂隙发育地段较差。一般隧洞段围岩为Ⅱ~Ⅲ类。1.8天然建筑材料秋水河床基岩裸露，天然砂砾料贫乏，工程所需混凝土骨料需人工轧制。石料场位于坝址北侧2.0km的茅坝坪，其开采条件和交通条件均较好。岩性为奥陶系下统红花园组(O1h)生物碎屑灰岩和分乡组（O1f43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文））白云质灰岩，料场风化层薄。地质构造简单，试验表明：料场的岩石作为轧制混凝土粗细骨料和块石料，物理力学特性满足有关规程规范的要求；总储量大于300万m3，无用层约70万m3，储量满足工程要求。土料场分布在坝址两岸的台地、缓坡上，分布高程310.00m~320.00m，总储量19万m3，有效储量为16万m3。采运方便，质量及储量满足工程要求。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第二章水文水能计算2.1工程等级水库正常蓄水位290.00m，相应库容1.32亿m3，总库容1.63亿m3，调节库容0.50亿m3，为季调节水库，电站总装机容量120MW，保证出力11.1MW，年利用小时3283h，年发电量3.94亿kW·h。根据《防洪标准》GB50201-94及《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》DL5180-2003的有关规定，本工程为Ⅱ等大（2）型工程。2.2洪水标准表2-1洪水频率表频率Qm(m3/s)W24h(亿m3)W3d(亿m3)W5d(亿m3)0.02%153001121.230.90.05%1400010.119.3280.1%130009.3517.925.70.2%119008.6216.523.50.5%106007.6414.620.61%95506.8913.118.32%85106.1311.716.15%71005.129.713.110%60104.338.1810.820%48903.526.628.54本工程总装机容量120MW，总库容1.63亿m3，因此，主要建筑物的设计安全标准按Ⅱ等大（2）型工程进行设计，各方案及不同建筑物的防洪标准如下：混凝土坝按500年一遇（P=0.2%）洪水设计，2000年一遇（P=0.05%）洪水校核；43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）引水发电厂房按200年一遇（P=0.5%）洪水设计，500年一遇（P=0.2%）洪水校核；消能防冲建筑物洪水设计按50年一遇（P=2%）洪水设计。2.3水库及水能主要指标表2.3-1水库主要指标序号名称单位数量备注1水库水位：m　　2正常蓄水位m290　　3死水位m284　　4正常蓄水位时水库面积m21.32　　5回水长度m　　6水库容积：亿m3　　7总库容亿m31.63　　8正常蓄水位以下库容亿m3　　9调节库容亿m30.50　　10死库容亿m3　　11调节特性　　季调节　表2.3-2坝址水位与流量关系曲线水位(m)248.5249.0249.5250.0250.5251.0251.5252.0流量(m3/s)60.9109180259350459576706水位(m)252.5253.0253.5254.0254.5255.0255.5256.0流量(m3/s)840977110012201390161018302040水位(m)256.5257.0257.5258.0258.5259.0259.5260.0流量(m3/s)22502470268029003130337036303890水位(m)260.5261.0261.5262.0262.5263.0263.5264.0流量(m3/s)41604440475050605380573061406550水位(m)264.5265.0265.5266.0266.5267.0267.5268.0流量(m3/s)69607390783082708740924097101020043 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）水位(m)268.5269.0269.5270.0271.0272.0——流量(m3/s)106001110011600121001310014200——2.4枢纽的组成建筑物及工程等级2.4.1枢纽建筑物组成根据山湘水电站枢纽的开发任务，该枢纽组成建筑物包括：拦河大坝、泄水建筑物、引水发电厂房。2.4.2水工建筑物级别根据GB50201-94《防洪标准》和SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，山湘水电站工程等别属Ⅱ等工程，水库为大（2）型水库，电站为中型电站。枢纽建筑物中的溢流坝、非溢流坝、混凝土闸和电站厂房等主要建筑物属于2级建筑物，导墙、护岸等次要建筑物为3级建筑物，临时建筑物为4级建筑物。2.5防洪标准各水工建筑物洪水标准见下表：43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）表2-4永久性水工建筑物洪水标准表水工建筑物建筑物级别建筑物洪水标准p(%)设计校核溢流坝20.20.05非溢流坝20.20.05电站厂房20.50.2导墙、护岸32　2.6调洪演算2.6.1调洪演算的目的主要根据水位水利的相关资料，如水位～库容曲线以及坝址设计洪水过程线，孔口尺寸、孔数以及堰顶高程，利用调洪演算来确定设计洪水位和校核洪水位，为后面坝顶高程和泄水建筑物的尺寸的确定奠定基础。2.6.2调洪演算的基本原理和方法1.根据库容曲线Z-V，以及用水力学公式计算Q-Z关系q=mδεB（2g）1/2H3/2（2-1）式中：q——过堰流量，单位为：m3/s；B——过水断面宽度，单位为m；m——堰的流量系数；ε——局部水头损失系数；43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）H——堰顶全水头，单位为m。2.分析确定调洪开始时的起始条件，起调水位。3.本次调洪计算采用《水资源规划及利用》书中介绍的列表试算法计算，依据书中所给的水库洪水调节原理，采用水量平衡方程式（Q1+Q2）Δt/2-（q1+q2）Δt/2=V2-V1=ΔV（2-2)q=f（V）（2-3）式中：Q1、Q2——计算时段初始，末段的入库流量。m3/sq1、q2——计算时段初始，末段的下泄流量。m3/sV1、V2——入库水量，下泄流量。m3Δt——计算时端，s。，一般取1～6小时，需化为秒数。本设计调洪计算采用列表式算法，就是在已知入库洪水流量和水库水位库容关系曲线等情况下，推求下泄洪水过程线，拦蓄洪水的库容和水库水位的变化，求得最大下泄流量及其所对应的最大库容和校核洪水位。列表式算法的步骤为：根据已知的水位容积关系曲线V=f（Z）和泄洪建筑物方案，用式（3-1）求出下泄流量与库容的关系曲线q=f（V）。（2）选取合适的计算时段，以秒为计算单位。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）（3）决定开始计算的时刻和此时刻的V1，q1值，然后列表计算，计算过程中，对每一计算时段的V2，q2值都要进行试算。（4）将计算结果绘成曲线供查阅。在计算过程中，每一时段的Q1，Q2，q1,V1均为已知。先假定一个水位，通过水位库容曲线查出对应的V2，再由公式（3-2）查得对应的下泄流量q2。通过水量平衡方程（3-3）可以求得和，根据水位库容曲线又可以反推出对应的。若不等于，则要重新假定一个，重复以上的试算过程，直至两者相等或很接近为止。这样多次演算求得的值就是下一时段的值。可依据此值进行下一时段的试算。逐时段依次试算的结果即为调洪计算的成果。2.6.3调洪的基本资料1）调洪演算方案调洪演算方案拟定如下，共有三个方案，详细情况列于表2-6.3-1：表2.6.3-1调洪演算方案表堰顶高程(m)孔口尺寸(m)孔数方案一27212×185方案二27313×175方案三27414×165注：12×18表示孔口尺寸(m)(宽×高)，即宽12m，高18m。2）计算工况43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）计算工况分校核和设计两种，由设计规范可知：混凝土坝按500年一遇（P=0.2%）洪水设计，2000年一遇（P=0.05%）洪水校核。3）调洪演算根据基本资料和限制条件，利用列表试算法调洪演算（详细计算见计算书第1章），将计算成果列于表2.6.3-2：表2-6调洪成果表方案孔口尺寸（m）起调水位工况Qmax（m3）Vmax（m3）Zmax（m）方案一12×18290校核12776.6117555.4293.66设计10939.1015020.7291.53方案二13×17290校核12833.1417478.05293.60设计10961.1215032.6291.54方案三14×16290校核12880.0817543.5293.65设计10992.5515199.2291.68此次设计取堰净宽B=65m，设计洪水位为291.54校核洪水位为293.6m。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第三章枢纽布置、坝址选择3.1坝址选择3.3.1坝轴线的选择坝轴线选择原则石堤水电站预可行性研究报告审查意见中同意设计推荐的上坝址。坝轴线选择时，按以下的原则进行：在选定的上坝址进行坝线选择。水库正常蓄水位290.00m，死水位284.00m。装机规模为60MW×2台。选定坝型为碾压混凝土重力坝，枢纽泄洪为开敞式溢流表孔。枢纽布置为左岸坝后式厂房。3.3.2坝轴线拟定1）坝轴线比选范围预可行性研究报告审查意见同意设计推荐的上坝址作为选定坝址，并要求进一步查明各建筑物的工程地质条件，通过对工程地质条件、枢纽布置、施工、工程量和投资等方面综合比较，最终选定坝轴线。根据上述审查意见，结合地形地质条件和枢纽布置要求，将坝轴线比选范围定在上坝址上下游200.0m顺直河道范围内。2）坝轴线拟定43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）坝址两岸地形和地质条件是坝轴线选择的关键因素之一。从地形上，应满足泄流前沿宽度和归槽条件，同时应兼顾施工导流和尽量节省工程量等因素。从地质上，应使两岸坝基基岩的风化深度尽可能浅，以尽量减小岸坡坝段的坝体长度，降低岸坡坝段坝高，并尽量缩短帷幕线；河床坝段应座落在较完整的弱风化岩石上。为避免丢失宝贵的水头，充分利用水能资源,坝轴线向上游不能超过右岸上游侧小冲沟。为改善下泄水流的出流条件，防止河道拐弯对水流的顶托，影响消力池水流流态，坝轴线向下游方向应保证其消力池后有一定长度的顺直河道。根据上述坝轴线布置原则，在确定的坝轴线比较范围内选取了上、下2条坝线进行比较。上坝线即为预可阶段推荐坝线，下坝线距上坝线下游95.0m。3.2坝型选择溢流坝型选择根据工程特点，经比较分析，选择开敞式有闸控制低堰型式，堰型为WES实用堰。左右岸非溢流坝选择重力坝坝型。筑坝材料经分析比较，溢流坝，非溢流坝均采用混凝土坝。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第四章坝体剖面设计4.1剖面设计原理混凝土重力坝设计的原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②力求断面较小，工程量小；③运行方便；④便于施工。4.2基本剖面重力坝的基本剖面是指坝体在重力、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力3项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡常做成铅直；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽为坝高的0.7～0.9倍。在该工程中，下游坝坡坡率m取0.7。根据交通和运行管理的要求，坝顶应有足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上还应留有一定的超高。4.3设计基本资料4.3.1特征水位及流量校核水位（P=0.05%）=293.6m；Z下游水位=270.73Qmax下泄=12833.14m3/s设计水位（P=0.2%）=291.54m；Z下游水位=268.86m43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）Qmax下泄=10961.12m3/s4.3.2水文气象资料1）多年平均降水量为1300.6mm；多年平均气温为16.4℃；2）极端最高气温为41.9℃；极端最低气温-3.6℃；3）多年平均最大风速为20m/s；吹程为1.2km。4）泥沙：多年平均输沙量为179万t。5）工程地质参数：详见本说明书第三章。6）地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱特征周期0.35s，相应地震基本列度小于6度。。7）材料容重：混凝土γc24KN/m3、钢筋混凝土γ025KN/m3、浆砌石块22KN/m3，水的容重γw9.8KN/m3。相关参数见下表4.3.2：表4.3.2水库参数表项目参数水位正常蓄水位时（设计洪水位）上游水位（m）291.54下游水位（m）268.86校核洪水位时上游水位（m）293.60下游水位（m）270.73泥沙泥沙高程（m）204.00泥沙内摩擦角（°）16泥沙浮容重（KN/m3）11重度砼（KN/m3）24钢筋砼（KN/m3）25浆砌石（KN/m3）2243 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）泥沙（KN/m3）18水（KN/m3）9.81渗透压力强度系数设防渗帷幕及排水孔（河床坝段）0.25设防渗帷幕及排水孔（岸坡坝段）0.35设防渗帷幕及排水孔（排水管帷幕处）0.24.4非溢流坝段剖面设计4.4.1坝顶高程坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，应高于防浪顶高程。防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差∆h，可按下式计算：∆h=h1%+hz+hc（4-1）式中：h1%为累计频率为1%时的波浪高度，m;hz为波浪中心线高于静水位的高度，对于山区水库，波浪要素按官厅公式计算如下:hl=0.0166V05/4D1/3.（4-2）L=10.4hl0.8（4-3）hz=（πhl2/L）cth（2πH/L）（4-4）H为坝前水深，m;hc为为安全加高。V0——计算风速，m/s，正常蓄水位和校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍。校核洪水位四宜用相应洪水期的多年平均风速,m/s；D——吹程。风区长度1.2km；43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）L——波长，m；表4.4.1-1安全加高表荷载组合（运用情况）坝的级别1234、5基本组合（正常情况）0.70.50.40.3特殊组合（校核情况）0.50.40.30.2本工程hc取0.5坝顶高程（或坝顶防浪墙高程）按下式计算，并选用其中的较大值。坝顶高程=设计洪水位+Δh设坝顶高程=校核洪水位+Δh校表4.4.1-2坝顶高程计算成果表计算情况风速Vm/s波浪高度hl：m波浪长度L:m风壅水高hz：m安全加高hc：m静水超高m坝顶高程m设计情况16.80.748.170.210.51.45292.99校核情况8.40.253.430.0570.40.707294.307经过比较可以得到坝顶或防浪墙顶高程为294.307m，故最大坝高为：294.307-240=54.307m4.4.2坝顶宽度43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）为了适用于运用和施工的需要，坝顶需要一定的宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高的8%—10%，并且不小于3米。同时，为了满足设备布置、运行、交通及设施的需要，经过分析选取山湘水电站非溢流坝的坝顶宽度为6m，其中向上游侧外挑1m，向下游侧外挑2m（总宽度为9m）。4.4.3坝面坡度坝址区的岩体质量基本一致。河床与河谷两岸的弱风化岩体基本为Ⅲ级；一般强风化岩体质量在Ⅲ~Ⅳ级之间；微风化或新鲜岩体质量为Ⅱ级。岩基较完整，坚硬，f，c值较大，可不借助上游坝面水重帮助坝体维持稳定，故上游坝坡做成铅直，上游边坡系数n取0，m取0.75。上游坝坡采用铅直型，下游起坡点位置的选择应根据坝的实用剖面型式、坝顶宽度，结合坝的基本剖面计算而来.根据计算下游起坡点的高程为285.6m.4.4.4坝底宽度由下游起坡点高程、坡度、边坡系数以及经验数据等条件通过几何关系可得坝底宽度为40.2m，在0.7～0.9倍坝高（即37.52m～48.24m）范围内，说明坝底宽度符合要求。4.4.5地基防渗与排水设施拟定43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）由于防渗的需要，坝基面须设置防渗帷幕和排水孔幕。坝身排水管应靠近上游坝面，以便尽早排除渗水，但与坝面的距离一般不得小于坝前水深的1/10～1/20（即2.577m～5.154m），以免渗透坡度过大，导致坝面混凝土发生溶滤破坏。由于本设计坝址基岩较好，采用先施工重力坝底板，再浇筑重力坝的方式。故非溢流坝只设计防渗帷幕，其中心线在坝基面处距离坝踵分别为4m。图4-1非溢流坝剖面尺寸图4.4.6荷载计算及荷载组合1）计算情况的选择（以下各组合情况均取单位坝长计算）在设计重力坝剖面时，按照承载能力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合。各种荷载组合如表所示。重力坝非溢流坝段的荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、扬压力等，常取1m坝长进行计算。2）计算截面的选择43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）抗滑稳定的计算截面一般选择在受力较大、抗剪强度低、容易产生滑动破坏的截面，一般情况有以下几种：坝基面、坝基内软弱层面。坝基缓倾角结构面、不利的地形、混凝土的层面等。应力分析的位置一般有：坝基面、折坡处的截面、坝体削弱部位等。本次设计仅以坝基面为例分析计算。本次设计以正常(设计)洪水情况和校核洪水情况为例进行荷载分析计算。重力坝荷载组合设计情况荷载作用自重静水压力扬压力浪压力冰压力地震力基本组合正常蓄水情况++++00设计洪水情况++++00冰冻情况+++0+0偶然组合校核洪水情况++++00地震情况++++0+3）荷载分布见图43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）图4-2荷载分布图4.4.7荷载的计算作用在重力坝上的荷载主要有：重力，静水压力，扬压力，浪压力（根据水库的水位，地质以及运行条件，本设计不考虑泥沙压力，而且地震烈度小于6度，不考虑地震荷载），冰压力、土压力忽略。温度荷载：一般可采取措施来消除，稳定应力分析时可以不计入。风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可忽略不计。1）坝体自重坝体自重荷载计算图4-343 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）图4-3自重荷载图计算公式自重：（4-5）式中：——坝体体积（），由于取1m坝长，可以用断面面积代替，通常把它分成如图4.3所示的若干个简单的几何图形分别计算；——坝体混凝土的重度，一般取23.524kN/，本设计取=24KN/本设计通过计算自重（过程见计算书）得：W1=7820.208KNW2=18714.24KNW=W1+W2=26534.448KN.对坝基面截面形心力臂：43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）（4-6）L1=17.1mL2=2/3B2-1/2B（4-7）L2=2/3×(40.2-6)-1/2×40.2=2.7m自重荷载对坝基面截面形心的弯矩：M=WL（4-8）M1=W1L1=133725.5568kN·m（逆）M2=W2L2=50528.448kN·m（逆）2）静水压力静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV两种。图4-4坝体所受水压力图43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）计算公式水平水压力：（4-9）垂直水压力：（4-10）式中：H——计算点的作用水头，m；——水的重度，取9.81；V——水压力体的体积，m3；正常工况下水压力计算结果见表4-4，校核工况下水压力计算结果见表4-5（过程见计算书）。3）扬压力扬压力包括浮托力以及渗透压力两部分。渗透力由上下游水位差H产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游水面淹没计算截面而产生向上的水压力。扬压力的分布与坝体结构、上下游水位，防渗排水等因素有关。坝基面扬压力计算方法如下：坝踵处的扬压力强度γH1,坝趾处的扬压力强度为γH2，排水孔处的渗透压力为αγH.α为扬压力折减系数，与岩体的性质和构造、帷幕的深度和厚度、灌浆质量、排水孔的直径、间距和深度等因素有关。在排水管帷幕处的折减系数α43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）值宜采用0.15～0.20。这里取为0.2。扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。只要计算扬压力面积图，就可以计算坝基面的扬压力。图4-5扬压力图计算公式(4-11)(4-12)(4-13)(4-14)(4-15)式中：U——扬压力，KN；——水的重度，取9.81；α——扬压力折减系数（排水管帷幕处折减系数宜采用0.15-0.20），本次计算取0.2043 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）——上游水深，m；——下游水深，m；——上下游水位差，m；B——坝底宽度B＇——帷幕中心到坝踵的距离正常工况下计算结果见表4-4，校核情况下计算结果见表4-5，（过程见计算书）4）浪压力图4-6浪压力荷载计算图计算公式本水库平均浪高、平均波长按官厅水库式计算：h1%=0.0166V5/4D1/3.（4-16）43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）L=10.4h1%0.8（4-17）hz=（πh1%2/L）cth（2πH/L）（4-18）根据前面的坝顶高程的计算:设计情况时h1%=0.74m,L=8.17m,hz=0.21;校核情况时：h1%=0.25m,L=3.43m,hz=0.057;因为坝前水深大于半平均波长，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波。根据深水波的浪压力计算公式Pl=γL（h1%+hz）/4（4-19）正常工况下水压力计算结果见表4-4，校核工况下水压力计算结果见表4-55）其他荷载地震荷载：本地区基本烈度小于6度，故不考虑地震荷载；温度荷载：可通过温控措施来消除，故本设计不考虑温度荷载；冰压力：本地区年平均气温大于零度，故不考虑。以上的荷载在稳定以及应力分析时，可不计入。风荷载，雪荷载，人群荷载等在重力坝荷载中占比例较小，可以忽略不计。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）表4.4.7-1非溢流坝段正常（设计）情况下主要荷载的计算成果荷载作用及其分项系数设计值（KN）对截面形心的力臂(m)力矩的设计值(KN·m)垂直力水平力↓↑→←↘＋↙-自重(1.0)W17820.20817.1133725.5568W218714.248.750528.448静水压力（1.0）P113029.502717.18223846.8564P24085.379.6239301.2594下游水重（1.0）P33064.0312.88539480.03扬压力U1（1.0）11381.290.0000.000U2（1.2）17818.13221.8U3（1.2）805.424.033245.84U4（1.2）35618.776682.12小计12720.71浪压力（1.2）P119.0449.1348.82960.6小计29598.47812720.7113048.54274085.37223555.2642277437.246总计Σ16877.7688943.172753881.9818↓→↙-43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）表4.4.7-2非溢流坝段校核情况下主要荷载的计算成果荷载作用及其分项系数设计值（Km）对截面形心的力臂(m)力矩的设计值(Km·m)垂直力水平力↓↑→←↘＋↙-自重(1.0)W17820.20817.1133725.5568W218714.248.750528.448静水压力（1.0）P114091.868817.87251821.6955P24631.9510.2447431.168水重（1.0）P33473.9612.417543137.8983扬压力U1（1.0）12118.740.0000.000U2（1.2）179.518.13248.95U3（1.2）812.24.033273.2U4（1.2）35918.776738.43小计13469.44浪压力（1.2）P12.58352.5652.46137.2小计30008.40813469.4414094.45184631.95231685.1728308357.3738总计Σ16538.9689462.501876672.201↓→↙-43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）4.5稳定分析工程实践和试验研究表明，岩基上混凝土重力坝的失稳破坏可能有两种类型：一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压被压碎引起倾坏。图4-7（a）沿软弱面深层滑动示意图(b)倾倒破坏示意图在一般情况中只进行抗滑稳定分析。本工程也只进行抗滑稳定分析。沿坝基面的抗滑稳定。4.5.1抗滑稳定计算公式目前常用的有两种公式。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）图4-8重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图（a）沿水平坝基面抗滑稳定（b）沿倾斜坝基面抗滑稳定1）摩擦公式此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数可按下式计算（4-20）式中—作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；—作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和；—滑动面上的抗剪摩擦系数；—按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数，按附表2采用。当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）（4-21）式中，为滑动面与水平面的夹角，其他符号同前式。由式b式看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，角由正变负，滑动力增大，抗滑力减小，对坝的稳定不利。2）抗剪断强度公式此法认为，坝与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数和。其抗滑稳定安全系数由下式计算（4-22）式中—坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数，本设计为1.1；—坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力，本设计为1100Kpa；—坝体与坝基连接面的面积,本设计A=40.2m2；—按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数，按附表2采用。抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了摩擦力和凝聚力，是比较符合坝的实际工作状态，物理概念也较明确。所以，本枢纽工程抗滑稳定计算时采用抗剪断强度公式验算。4.5.2计算参数的确定43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）抗剪断摩擦系数，凝聚力的确定，一般是根据工程的实际情况，野外现场试验测定来选取。根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定，坝体混凝土与坝基接触面之间的抗剪断摩擦系数、的取值：本设计的岩体分类为Ⅱ～Ⅲ级之间，在规范中的取值范围是1.30-0.90，取1.10。在规范中的取值范围是1.30～0.70，取1.10Mpa，换算为1100KN/㎡。4.5.3稳定分析计算正常情况下=[1.1×（29598.478-12720.71）+1100×40.2]/8943.1727=7.02校核情况下=[1.1×（30008.408-13469.44）+1100×40.2]/9462.5018=6.60表4.5安全系数计算表安全系数工作状况坝基截面计算值规范要求值是否符合要求K¢设计7.023符合校核6.602.5符合全部满足要求，所以设计合理。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）关于安全系数，SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定，不分工程级别，基本荷载组合时，采用3.0；特殊荷载组合（1），采用2.5；特殊荷载组合（2）采用2.3。本设计使用基本荷载组合，而设计计算后的安全系数大于3.0,校核后安全系数大于2.5。满足稳定条件。4.5.4提高抗滑稳定性的工程措施从上述抗滑稳定分析可以看出，要提高重力坝的稳定性关键在于增加抗滑力。工程上常采用如下一些措施：1）将坝的上游面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加的抗滑稳定，但倾斜坡度不宜过大，以防止上游坝面出现拉应力。2）将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力提高稳定性。若基岩较为坚硬，也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，以提高坝基面的抗剪刀能力。3）利用地形地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，用以增加抗力提高稳定。4）采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。5）利用预加应力提高抗滑稳定性。4.6应力分析43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。重力坝的应力状态与很多因素有关，如坝体轮廓尺寸、静力荷载、地基性质、施工过程、温度变化以及地震特性等，由于在应力分析中，还不能确切考虑各种因素，所以无论采用哪种方法得出的成果都不同程度的带有一定的近似性。应力分析的方法有两种理论计算法和模型试验法。理论法包括材料力学分析法和弹性力学分析法。因为材料力学法计算简便，适用范围广，并有一套完整而成熟的应力控制标准，故目前被广泛采用，适用于地质条件简单的中低坝。故本设计应力分析采用材料力学法。坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘，而且要计算坝体内部应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时应根据工程规模和具体情况，沿坝高方向每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。水平外力以指向上游为正，铅直外力以向下为正，力矩以逆时针方向为正，正应力以压力为正。剪应力以微分体的拉伸对角线在一三象限为正。坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘，而且要计算坝体内部应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时应根据工程规模和具体情况，沿坝高方向每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。4.6.1计算公式与方法43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）1）水平截面上的边缘正应力假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布。，可用材料力学偏心受压公式计算。σyu=ΣW/B+6ΣM/B²（4-23）σyd=ΣW/B-6ΣM/B²（4-24）式中—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和,kN；—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和,kN·m；B—计算截面沿上下方向的宽度,m。图4-9不计扬压力的坝体应力计算图正常情况下的应力计算不计扬压力时（B=40.2m;=29598.478KN;=-40732.2222KNm)43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）2）边缘剪应力求出和以后，可在上下游边缘、点分别切取三角形微元体。根据力的平衡条件即可求得：（4-25）（4-26）式中—分别为计算截面处上下游坝面水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压力时也应计算在内）；、—上下游坝面坡率，，，、为上下游坝面与铅直面的交角。本设计为n=0,m=0.75。3）边缘水平正应力求得和以后，由上下游坝体微元体的平衡条件可求得和。（4-27）（4-28）式中43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文），—分别为上下游边缘水平正应力；4）边缘主应力取微元体进行分析，由于上下游坝面无剪应力，故为主应力面，作用在坝面上的水压力强度即为第二主应力值。（4-29）（4-30）式中—分别为上下游边缘第一主应力；—分别为上下游边缘第二主应力；当上游坝面倾斜时，由于，即使≥0，但如果＜,上游面主应力仍会出现拉应力。因此重力坝上游坡面率一般很小乃至为零，以防止上游坝面出现拉应力。考虑扬压力时的边缘应力计算43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）图4-10考虑扬压力坝体应力计算图以上公式均未计入扬压力，当计入扬压力时水平截面上的正应力假定任一水平截面上的垂直正应力呈直线分布。，可用材料力学偏心受压公式计算。σyu=ΣW/B+6ΣM/B²σyd=ΣW/B-6ΣM/B²式中—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和,kN；—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和,kN·m；B—计算截面沿上下方向的宽度,m。考虑扬压力时（B=40.2m;=16877.768KN;=-53881.9818KNm)43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）边缘剪应力为边缘正应力为上游边缘主应力为下游边缘主应力为43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）式中—分别为上下游边缘的扬压力强度；其余符号同上。校核情况下的应力计算校核情况下应力计算与正常情况相似，详见计算书。4.6.2计算结果本设计计算截面主要是坝基面，计算工况是正常和校核两种情况。计算点是上下游边缘点。经计算应力（过程见计算书）结果见表4-7（坝基面）。表4.6非溢流坝段坝基面应力分析计算结果表计算工况不计扬压力正常情况585.05887.510453.29505.61623.09585.051227.48505.61283.12校核情况511.04981.910510.34525.816684.215511.041364.66525.816301.46计算工况考虑扬压力43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）正常情况219.79619.90469.9250348.69219.79968.5900校核情况126.75696.080522.060391.545126.751087.625004.6.3应力计算结果分析重力坝的应力控制标准基于材料力学法的应力控制标准（坝基面应力控制标准）：1）运行期。在各种荷载组合情况下（地震荷载除外），坝基面下游边缘的最大垂直正应力应小于基岩容许压应力（分别计入扬压力和不计入扬压力）；坝基面上游边缘的最小垂直正应力应该大于零（计入扬压力），即不产生拉应力，以防坝体与地基接触面被拉裂而导致防渗帷幕破坏。2）施工期。下游坝基面的垂直正应力可允许有大于0.1MPa的拉应力。上述坝基面的容许压应力是根据岩石抗压强度结合坝基地质条件除以安全系数确定的。对于强度较高的且裂隙发育的基岩，压应力的安全系数采用20~25，对于中等强度的基岩采用10~20；对于强度较低且裂隙较少的基岩及半基岩采用5~10。以上各种情况的计算结果均远小于弱风化带承载力特征值（2000-2500kPa），也没出现压应力超过混凝土极限承载能力特征值（2000-2500kPa）的情况，故满足应力要求。43 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第五章溢流坝段5.1溢流坝设计溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此，需要有足够的孔口尺寸，较好体型的堰型，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产生空蚀破坏。溢流坝的泄水方式主要有以上两种：开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其他漂浮物。堰顶可以设置闸门，也可不设。不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常水位，泄洪时库水位壅高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大，淹没损失小的中小型工程；设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流，可采用带有胸墙的溢流坝。这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力，宜优先考虑开敞式溢流孔。经过分析比较后确定，本工程采用开敞式溢流泄洪，堰顶设有闸门，闸门顶高程高于正常蓄水位，利用闸门不同开启度来调节库内水位和下泄流量，减少上游淹没损失。71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）5.1.1溢流孔口布置及孔口尺寸的计算1）洪水标准采用500年一遇的洪水标准设计，2000年一遇的洪水校核。2）流量的确定经第一章水文、水利调洪演算确定，溢流坝的最大入库流量为13000m3/s，最大下泄流量为12833.14m3/s。3）孔口净宽拟定由前面调洪计算可知溢流净宽B=65m，初拟孔口数n=5，则单孔净宽b=B/n=13m4）单宽流量的选择单宽流量是决定孔口的重要指标。单宽流量愈大，孔口净宽L愈小，从而减少溢流坝长度和交通桥工作桥等造价。但是，单宽流量愈大，单位宽度下泄水流所含的能量也愈大，消能愈困难，下游局部冲刷可能愈严重。甚至危及大坝的安全。若选择过小的单宽流量q，则会增加溢流坝的造价和枢纽布置上的困难。所以单宽流量的选定，应综合考虑地质条件、枢纽布置和消能工设计，通过技术经济比较后确定。工程实践表明，溢流坝单宽流量宜采用如下数值：软弱岩石或裂隙发育岩石，q=20~50m3/（s.m）；较好的岩石，q=50~70m3/（s.m）；坚硬或完整的岩石，q=100~150m3/（s.m）。由于本工程工程地质及岩石条件较好，所以取m3/（s.m）71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）5）溢流坝段总长度可根据经验初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=4m，边墩厚4m则溢流坝段的总长度B0：B0=nb+4×4+4×2=65+16+8=89m6）堰顶高程的确定根据已知资料，本设计取堰顶高程为273.00m。7）闸门高度的确定门高H=正常高水位-堰顶高程+（0.1～0.2）=290-273+（0.1～0.2）=17.1m，按规范取闸门高为H=17.1m。检修闸门：因为孔口b=13m，所以检修闸门宽13m，高17.1m的平板钢闸门。工作闸门：弧形钢闸门，宽13m，高17.1m。因为是露顶式闸门，由《水工建筑物》可知闸门面板的曲率半径R与闸门高度H的比值，可取1.1～1.5，这里取1.2，则曲率半径：R=1.2×17.1=20.52m，取R=21m。8）定型设计水头的确定堰上最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=293.6-273=20.6m定型设计水头Hd为Hd=（75%～95%）Hmax=20.6×75%～20.6×95%=15.45～19.57，取Hd=18m。5.1.2溢流坝段剖面设计71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）溢流重力坝的基本剖面也呈三角形。本设计经过比较后，上游面做成铅直面，溢流面由顶部溢流段和反弧段组成（由于本设计的溢流堰是低实用堰，在设计中溢流段与反弧段忽略直线段而相切连接）。1）顶部的曲线对于开敞溢流式，溢流坝顶部可采用幂曲线和椭圆曲线，如图5-1所示。图5-1溢流坝顶部曲线示意图溢流坝顶上游面曲线段OA:本工程溢流堰采用WES型实用堰，堰顶上游曲线采用三段圆弧曲线，尺寸为：a=0.175Hd，R1=0.5Hd；b=0.276Hd，R2=0.2Hd；71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）c=0.282Hd，R3=0.02Hd。Hd=18m，所以:a=3.15m,R1=9mb=4.968,R2=3.6mc=5.076m,R3=0.72m2）OC段WES曲线方程：(5-1)式中—定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75%~95%计算；=18m.、—与上游坝面坡度有关的系数和指数，当坝面铅直时，，；当坝面坡度为3：1时，，。本工程上游坝面铅直，，，。（5-2）即y=0.043x^1.85按上式算得坐标值如表5-1所示：表5.1堰顶O点下游WES曲线坐标值计算表X（m）12345678910Y（m）0.0430.1540.3270.5570.8421.1791.5682.0082.4973.034X（m）11121314151617181920Y（m）3.6194.2514.9295.6546.4237.2388.09799.94710.93771 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）图5-2WES曲线坡度m=0.75的下游直线CD与曲线相切与C点，CD点的坐标xcyc求的堰面曲线一介导数，y=0.043x^1.85，y"=0.08x^0.85.直线CD的坡度为1/m=1/0.75联立上二式0.08x^0.85=1/0.75x=27.39y=0.043x^1.85=19.63所以切点C的坐标为（27.39，19.63）确定反弧段圆心及半径：反弧半径按下式近似取值：71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）R=10x/3.28（5-3）x=(3.28v+21H+16)/(11.8H+64)（5-4）式中H—堰上水头，H=293.6-270.73=22.87(m)；v—收缩断面流速，v=26.68m/s，详见消能防冲计算。则x=（3.28´26.68+21´22.87+16）/(11.8´22.87+64)=1.749R=10x/3.28=(10^1.749)/3.28=17.105取R=17m反弧段曲线圆心点计算,圆心坐标O’（x0，y0）x0=xc+ma(H2-yc)+rcot()y0=H2-r式中：H2为下游堰高,取H2=273-246=27mma=0.75α=sectan=53.13º所以x0=27.39+0.75´（27-19.63）+17´cot=41.42my0=27-17=10m故圆心坐标O’（41.42，10）设E点为反弧段与下游堰的切点,坐标为E(xE,yE)xE=x0=41.42yE=H2=27E(41.42,27)D点坐标(xD,yD)71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）Xd=x0-rsinａ=41.42-17´sin53.13º=27.82myD=y0+rcosａ=10+17´cos53.13º=20.20mD(xD,yD)=（27.82,20.20）5.2消能工计算岩基上溢流重力坝的消能方式有挑流式、底流式、面流式和戽流式等四种。经过分析和参考已建工程，选定山湘水电站工程溢流坝采用底流消能。由于消力池属于次要的永久建筑物，根据分等分级标准，消力池、发厂房及永久性次要水工建筑物级别为3级，结构安全级别为Ⅱ级；因此，取2000年一遇洪水进行消力池设计，由基本资料知，洪水频率为0.05%的上游最高水位为293.6m，下游最高水位270.73，最大下泄流量为12833.14m3/s。列堰顶和收缩断面的能量方程，求得收缩断面hc=7.3999m，收缩断面Fr数为3.13，并求得共轭水深hc""=29.26m，下游水深ht=24.730.45所以坎为淹没堰，<1.与原假设不符，故消能坎高度必须按淹没堰计算。设坎高10.0m在所设坎高情况下，为保证池内产生淹没程度不大的水跃，应有的坎顶水头=1.05´29.26-10=20.723m相应的坎顶全水头==22.828m下面校核在上述水头下消能坎能否通过已知的流量q=197.43m3/（s.m）因为由表5.3查得=0.9615则<197.43m3/（s.m）所求的消能坎的过水能力小于已知流量，故应另外假设坎高c值。结合excel表试算，设坎高c=9.802m，则=1.05´29.26-9.802=20.921m==23.026m由表5.3查得=0.9605求得消能坎的过水能力与已知流量符合，所以消能坎高度c=9.802m2.水跃长度的确定（水力学7.4.1矩形明渠的跃长公式），=（5-12）71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）=161.55m3.消能池长度的确定本工程取LK=0.7Lj=0.7´161.55=113.085m消能池护坦厚度根据冲要求，按（5-13）计算消力池护坦厚度式中:t——消力池底板厚度，m；k1——消力池底板计算系数，用0.15~0.2，取0.18；ΔH——泄水时上下游水位差，m；q——过闸单宽流量，m3/（s.m）。则：消力池护坦厚度：71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）第六章电站厂房设计厂房的设计主要有以下内容：1、机械选择。2、计算机械尺寸。3、厂房尺寸的拟定。6.1机械选择经计算，龙梯水位站水头范围23.86m~41.76m，装机容量120MW（12万kW）。本设计选用2台60MW（2´6万kW）机组方案。参考《水力机械》，根据水轮机的系列型谱选择水轮机的型号根据水电站的工作水头范围，在反击式水轮机系列型谱表中查得HL240型水轮机可供选用。其主要参数计算结果如下（详细过程见计算书）：表6.1HL240型水轮机参数表序号项目HL2401模型转轮参数推荐使用水头范围25-452最优单位转速n"10（r/min）723最优单位流量Q"10(L/S)11004限制工况单位流量Q1max"(L/S)12405最高效率ηmax（%）926设计工况汽蚀系数s0.27原型水轮机参数工作水头范围（m）41.76-23.138转轮直径D1（m）59转速n(r/min)10010最高效率ηmax（%）95.0111额定出力Nr（KW)6000012最大引用流量Qmax(m3/s)181.471 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）13吸出高程Hs（m）-16.2机械尺寸计算6.2.1蜗壳的型式及其主要尺寸的确定对于大中型反击式水轮机，为了使由压力水管引来的水流能够以较小的水头损失，均匀而呈轴对称的进入导水机构，所以在水管末端和座环之间设置了蜗壳。当水电站的最大工作水头在40m以上时，蜗壳通常是由钢板焊接或由钢铸造而成，统称为金属蜗壳（用字母J表示），本电站最大工作水头为41.76m，故选择金属蜗壳。蜗壳主要参数计算结果如下：通过蜗壳进口断面的流量Qc:QC=173.84m/s通过进口平均流速可由《水力机械》图4-30蜗壳进口断面平均流速曲线查得，由Hr=36.87m查的Vc=4.85m/s进口断面的面积：FC=35.84m2进口断面的半径：rmax=3.378m从轴中心线到蜗壳外缘的半径：71 南昌工程学院本（专）科毕业设计（论文）Rmax=10.531m当包角j0=345-180=165Ri=8.448m6.2.2尾水管尺寸确定尾水管是反击式水轮机过流通道的最后部分，其型式和尺寸对转轮出口动能的恢复有很大的影响，而且在很大程度上海影响着厂房基础开挖和下部块体混凝土的尺寸。对大中型水轮机，为了减小尾水管的开挖深度，均采用弯肘形尾水管，本设计是混流式水轮机，故采用弯肘形尾水管。同时采用标准尾水管，其进水口直锥段、肘管和出口扩散段三部分的尺寸按下表选用:表6.2.2-1推荐的尾水管尺寸表hLB5D4h4h6L1h5肘管型式适用范围2.24.51.80811.10.5740.941.3金属里衬肘管混流式D1>D22.34.52.421.21.20.61.621.27标准混凝土肘管轴流式2.64.52.721.351.350.6751.821.22标准混凝土肘管混流式D1