雙曲拱壩水利樞紐中主要建筑物的型式與總體布置設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8857雙曲拱壩水利樞紐中主要建筑物的型式與總體布置設(shè)計(jì)案例 12401.1工程等級(jí)及技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 1188861.1.1工程等級(jí) 138151.1.2技術(shù)規(guī)范 2161331.1.3洪水標(biāo)準(zhǔn) 2217201.2調(diào)洪演算及設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù) 2293891.1.1調(diào)洪演算的目的 2176221.1.2調(diào)洪演算的原理 2113731.1.3泄洪方案的選擇 330784（1）可能調(diào)洪方案 331219（2）方案初選： 416006（3）調(diào)洪演算 426685（4）方案選擇 6182941．3樞紐組成建筑物 732341.4壩型選擇 7278451.4.1壩型初選 7299111.4.2方案比較 7319671.4.3壩體形態(tài)選擇 9304561.5泄水建筑物形式的選擇 10146701.6廠房及引水系統(tǒng)布置 10273561.7樞紐總體布置 111.1工程等級(jí)及技術(shù)規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)1.1.1工程等級(jí)工程在所有的工程建造建設(shè)過程中，建設(shè)材料成本建設(shè)設(shè)備使用成本以及施工人員，管理人員設(shè)計(jì)人員的工資支出等組成的造價(jià)經(jīng)濟(jì)，與施工期間以及建成后的管理和使用時(shí)安全度，兩者之間存在著無法調(diào)和的矛盾。只能通過合理的方案選擇來盡量在二者之間選取一個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)。因此在設(shè)計(jì)開始之前要按照相關(guān)的工程規(guī)定，結(jié)合本次工程設(shè)計(jì)的實(shí)際資料，對(duì)水利樞紐及組成建筑物分等分級(jí)；主要按工程規(guī)模、效益及其對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的重要性，將水利樞紐分等，再根據(jù)所屬樞紐等別、建筑物作用及重要性對(duì)組成建筑物分級(jí)。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)資料以及后期的計(jì)算結(jié)果，本庫容為11.5億m3>10億m3，確定本工程等別為一等，大（1）型規(guī)模，主要、次要及臨時(shí)性建筑物級(jí)別各為1級(jí)、3級(jí)和4級(jí)。1.1.2技術(shù)規(guī)范混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范（SD145-85）規(guī)定：基本和特殊荷載組合分別允許1.2Mpa和1.5Mpa拉應(yīng)力，安全系數(shù)分別為4.0和3.5；考慮地震時(shí)，允許提高不超過30%拉應(yīng)力。1.1.3洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和校核洪水標(biāo)準(zhǔn)分別確定為千年一遇、五千年一遇。1.2調(diào)洪演算及設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)1.1.1調(diào)洪演算的目的1、確定設(shè)計(jì)及校核洪水位。2、選定泄洪方式、擬定泄洪建筑物孔口尺寸。1.1.2調(diào)洪演算的原理先假定一種泄洪方案并作孔口泄洪能力曲線，再假定幾組最大下泄流量，對(duì)設(shè)計(jì)（校核）洪水過程線進(jìn)行調(diào)洪演算，求得對(duì)應(yīng)的水庫存水量，查水位庫容曲線，得對(duì)應(yīng)的上游水位，并作最大泄流量與水位關(guān)系曲線。兩條曲線交點(diǎn)坐標(biāo)即為設(shè)計(jì)（校核）情況下最大泄流量及相應(yīng)水庫水位，再同樣計(jì)算其它泄洪方案，終定方案要求孔口最大泄流量接近但不超過容許值，且?guī)焖挥窒鄬?duì)較低。由水量平衡原理可得(Qq=f(V)Q、q分別為每秒入庫流量和下泄流量，V為水庫蓄水量下標(biāo)1、2分別為時(shí)段初和時(shí)段末△t為時(shí)段長聯(lián)立二式，求出調(diào)洪過程，確定壩前最高水位及其相應(yīng)最大下泄流量。圖3-1洪水調(diào)節(jié)計(jì)算圖計(jì)算過程如下：采用新調(diào)洪計(jì)算圖解法1.1.3泄洪方案的選擇（1）可能調(diào)洪方案①表孔溢流：最大的優(yōu)點(diǎn)是較小的孔口也能有較強(qiáng)的泄洪能力，閘門處水壓力小，便于操作檢修。缺點(diǎn)單薄的壩身要另設(shè)泄水，實(shí)體泄槽工程量大不經(jīng)濟(jì)，輕型滑雪道結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)；且從堰頂高程以下才能發(fā)揮拱壩空間結(jié)構(gòu)作用。②壩身開孔（淺孔或中孔）：其優(yōu)點(diǎn)為不會(huì)太影響壩體應(yīng)力，且無需另建泄水。缺點(diǎn)是要通過合理的計(jì)算才能做滑雪道泄槽的選型和布置：且同一高程開太多孔會(huì)削弱拱圈。③壩外溢洪道：本壩址處無天然埡口地形，不考慮該方案。④利用導(dǎo)流隧洞：本工程導(dǎo)流洞改建成泄洪洞要另行開挖并封堵老洞，并不能實(shí)際節(jié)省工程投資。故不予考慮。（2）方案初選：經(jīng)比較初選以下泄洪方案調(diào)洪演算：（1）4表孔+2中孔（2）2淺孔+2中孔（3）4中孔（3）調(diào)洪演算根據(jù)水量平衡原理，先按不同的出口高程和孔口尺寸擬定多組方案，計(jì)算結(jié)果見表。根據(jù)相關(guān)拱壩規(guī)范：表孔：式中：Q——流量B——溢流孔凈寬Hg——重力加速度m則m本次設(shè)計(jì)取mz=0.48σ=1ξ0=0.45ξk=0.7圓形進(jìn)口ξ=1-0.2［〔n-1〕ξ0+ξk］H0/(nb)孔口泄流公式：式中：AHμ——孔口或管道的流量系數(shù)Hz深式泄水孔流量系數(shù)：表3-1孔口形式表調(diào)洪方案4表+2中2淺+2中全中孔孔口形式表孔中孔淺孔中孔中孔孔口高(m)堰頂10977.5尺寸寬(m)高程89.57.57.5進(jìn)口底高程(m)177135154135135出口底高程(m)130144130130表3-1.1表中孔方案計(jì)算表水位（m）180183188表孔堰上水頭H3611流量Q1(m3/s)516.7021423.0193373.410中孔孔口中線以上水頭H0(m)404348側(cè)收縮系數(shù)μ0.8950.9000.908流量Q2(m3/s)2004.8002090.2332228.048Q1+2Q2(m3/s)4526.3025603.4857829.5064526.302m3/s起調(diào)，作曲線交點(diǎn)可得：最大泄洪流量:設(shè)計(jì)6710m3/s校核8015m3/s最高水位:設(shè)計(jì)187.90m校核191.30m表3-1.2淺中孔方案計(jì)算表水位（m）180183188淺孔H0(m)21.524.529.5μ0.8440.8600.878流量Q1(m3/s)1481.3441611.2971805.093中孔H0(m)41.544.549.5μ0.9190.9230.928流量Q2(m3/s)1376.0271431.0971517.5322Q1+2Q2(m3/s)5714.7426084.7886645.255714.742m3/s起調(diào)，如前可得：最大泄洪流量:設(shè)計(jì)6430m3/s校核7150m3/s 最高水位:設(shè)計(jì)186.34m校核191.25m表3-1.3全中孔方案計(jì)算表水位（m）180183188H0(m)41.2544.2549.25μ0.9150.9190.924流量Q(m3/s)5853.8776089.216459.3035853.877m3/s起調(diào)，如前可得：最大泄洪流量:設(shè)計(jì)6540m3/s校核7180m3/s最高水位:設(shè)計(jì)185.95m校核187.60m表3-3洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果表工況設(shè)計(jì)校核方案Q泄HmaxQ泄Hmax4表孔+2中孔6710187.908015191.302淺孔+2中孔6430186.347150191.254中孔6540185.956180187.60（4）方案選擇(1)方案比較各方案滿足防洪要求時(shí)各自特點(diǎn)4中孔缺點(diǎn)太多孔削對(duì)壩體結(jié)構(gòu)影響較大，不宜布置。4表孔+2中孔缺點(diǎn)是堰頂高程以下才能發(fā)揮空間結(jié)構(gòu)作用。2中孔+2淺孔有合適的泄流能力同時(shí)經(jīng)過合理計(jì)算用挑流對(duì)撞消能法解決消能問題，同時(shí)不會(huì)過多影響壩體空間結(jié)構(gòu)作用。結(jié)合本工程具體情況比較上述方案，選淺中孔結(jié)合方案，淺中孔分別位于兩岸和水電站進(jìn)水口兩側(cè)對(duì)稱布置。孔口尺寸分別為9m×9.5m和7.0m×7.5m，進(jìn)底高程為154m和135m、出口底高程144m和130m；設(shè)計(jì)洪水位186.34m，下泄流量為6430m3/s；校核洪水位191.25m，下泄流量7150m3/s。(2)水庫運(yùn)用方式洪水來前水庫放水至汛前限制水位（起調(diào)水位）180m處。1．3樞紐組成建筑物攔河大壩為雙曲薄拱壩，尺寸同概述，主體工程量約為33.4萬方左右。廠房為壩后式。泄水建筑物布置同概述，并采用框架式結(jié)構(gòu)支撐。過木筏道位于右岸，開關(guān)站位于左岸。1.4壩型選擇1.4.1壩型初選1.4.1.1土石壩本壩址處條件不宜建土石壩。1.4.1.2重力壩優(yōu)點(diǎn)：①可在壩頂布置溢洪道、壩身設(shè)置泄水孔，無需另設(shè)泄水；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于機(jī)械化施工；③安全性較高；缺點(diǎn)：①不能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度；②水泥用量多，熱脹冷縮易開裂，削弱壩的整體性。1.4.1.3拱壩優(yōu)點(diǎn)：①受力條件好②可充分發(fā)揮混凝土抗壓性能，減小體積③超載能力強(qiáng)④抗震性能好。缺點(diǎn)：①施工要求高②地基處理嚴(yán)格③要另開導(dǎo)流隧洞一次斷流④一定要保證壩肩巖體穩(wěn)定。1.4.2方案比較1.4.1.1計(jì)算最大壩高（1）官廳水庫公式2hL=0.0166Vf5/4h0=cth式中：V設(shè)計(jì)和校核情況分別采用洪水期多年平均最大風(fēng)速的1.5～2倍和1倍D——庫面吹程（2）壩頂高程計(jì)算公式壩頂高程=Max｛設(shè)計(jì)洪水位+△h其中：△h=2hL2hL——hh（3）壩頂高程計(jì)算過程設(shè)計(jì)情況下:Vf=12×1.5=18m/sD=4.0km2h1=0.9770m波長2LL=9.6252mh0=4πh12cth(πH1/LL)/(2LL)=π×0.97702/9.6252=0.3156mhc=0.7m△h=0.9770+0.315+0.7=1.9926m校核情況下:Vf=12m/sD=4.0km2h1=0.5885m波長2LL=6.7546mh0=4πh12cth(πH1/LL)/(2LL)=0.1613mhc=0.5m△h=0.5885+0.1613+0.5=1.2498m設(shè)計(jì)情況：186.34+1.9926=188.3326m校核情況：191.25+1.2498=191.4998m取壩頂高程為193m由此計(jì)算得壩頂高程為193m，最大壩高為101m1.4.1.2工程量的比較采用簡(jiǎn)化方法計(jì)算。重力壩方案中重力壩剖面確定，穩(wěn)定校核，工程量計(jì)算見附件拱壩方案上游面曲線方程：（計(jì)算過程見下一章）z=?52.95下游面曲線方程：拱壩工程量計(jì)算:利用下式分別對(duì)四個(gè)壩塊進(jìn)行計(jì)算：V=(AA△h——分塊高度Aθ——為該層拱圈中心角；RA1=π×（1952-1872）×104.5/360=2786.872m2A2=π×（165.72-153.22）×99.5/360=3461.266m2A3=π×（143.12-126.12）×94.5/360=3774.011m2A4=π×（113.32-91.82）×93.5/360=3598.016m2A5=π×（89.32-63.32）×56.8/360=1966.634m2VⅠ=（A1+A2）×△h/2=(2786.872+3461.266)×25.25/2=78881.74m3VⅡ=（A2+A3）×△h/2=(3461.266+3774.011)×25.25/2=91345.37m3VⅢ=（A3+A4）×△h/2=(3774.011+3598.016)×25.25/2=99307.18m3VⅣ=（A4+A5）×△h/2=(3598.016+1966.634)×25.25/2=70253.71m3拱壩工程量:V2=VⅠ+VⅡ+VⅢ+VⅣ=78881.74+91345.37+99307.18+70253.71=339789m3比較計(jì)算可見拱壩節(jié)省工程量（V1-V2）/V1=（584373.55-339789）/584373.55=41.85%從工程量和地質(zhì)地形條件看，選混凝土拱壩方案。1.4.3壩體形態(tài)選擇按壩體形態(tài)可分為下述兩種1.4.3.1單曲拱壩本壩址處地形使底部拱作用減小，不采用。1.4.3.2雙曲薄拱壩可按本壩址處地形采用變半徑變中心角的雙曲拱壩使各層拱圈內(nèi)外弧的圓心聯(lián)線均為光滑的曲線。較單曲拱壩的優(yōu)點(diǎn)：①梁系兼具垂直拱作用，在水平荷載下能減少梁的彎矩加大軸向力，使壩體拉應(yīng)力降低；②在水壓力作用下，其中部垂直梁應(yīng)力與自重部分抵消。1.5泄水建筑物形式的選擇泄水建筑物布置同樞紐概述1.6廠房及引水系統(tǒng)布置管徑計(jì)算壓力管道直徑的初步確定可用彭德舒公式：D=(5.2Q3max/H)1/7Qmax——鋼管的最大設(shè)計(jì)流量(mH——設(shè)計(jì)水頭Qmax=338/4=84.5mH=186.34-103.5=81.84mD=(5.2Q3max/H)1/7=(5.2×84.53/81.84)1/7=4.509m故取D=4.5m進(jìn)水口的高程本設(shè)