水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計-三心圓拱壩設計【含CAD圖紙、說明書】

- 1 -目 錄第一章 調洪演算 .- 3 -1.1 調洪演算的原理 - 3 -1.2 調洪方案的選擇 - 3 -1.2.1 對以下四種方案進行調洪演算 .- 3 -1.2.2 方案比較 .- 5 -1.2.3 2 淺孔+2 中孔方案選定后壩頂高程的計算 .- 5 -1.2.4 方案二結論 .- 7 -第二章 大壩工程量比較 - 8 -2.1 大壩剖面設計計算 - 8 -2.1.1 混凝土重力壩設計 .- 8 -2.2 工程量比較 - 11 -第三章 第一主要建筑物的設計 .- 12 -3.1 拱壩的型式尺寸及布置 .- 12 -3.1.1 壩型選擇 - 12 -3.1.2 拱壩的尺寸 - 12 -3.2 荷載組合 .- 15 -3.2.1 正常水位+溫降 .- 15 -3.2.2 設計水位+溫升 .- 15 -3.2.3 校核水位+溫升 .- 15 -3.2.4 正常水位+溫降+地震 - 15 -3.3 拱壩的應力計算 .- 15 -3.3.1 對荷載組合 1，2，3 使用 FORTRAN 程序進行電算 - 15 -3.3.1.1 正常水位+溫降 .- 15 -3.3.1.2 設計水位+溫升 .- 16 -3.3.1.3 校核水位+溫升 .- 16 -3.3.2 對荷載組合 4 進行手算 - 17 -3.4 壩肩穩(wěn)定計算 - 24 -3.4.1 計算原理 - 24 -3.4.2 驗算工況 - 25 -三心圓拱壩設計- 2 -3.4.3 驗算步驟 - 25 -第四章 泄水建筑物的設計 .- 28 -4.1 泄水建筑物的型式尺寸 - 28 -4.2 壩身進水口設計 - 28 -4.2.1 管徑的計算 - 28 -4.2.2 進水口的高程 - 28 -4.3 泄槽設計計算 - 29 -4.3.1 坎頂高程 - 29 -4.3.2 坎上水深 hc - 29 -4.3.3 反弧半徑 R.- 29 -4.3.4 坡度（直線段） - 30 -4.3.5 挑射角 - 30 -4.4 導墻設計 - 30 -4.5 消能防沖計算 - 31 -4.5.1 水舌挑距 - 31 -4.5.2 沖刷坑深度 - 32 -4.5.3 消能率計算 - 33 -4.6 泄水孔口應力及配筋 - 34 -4.6.1 孔口應力 - 34 -4.6.2 配筋計算 - 36 -附錄 - 38 -參考文獻 - 41 -結語 - 43 -- 3 -第一章 調洪演算1.1 調洪演算的原理先對一種泄洪方案，求得不同水頭下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲線，再假定幾組最大泄流量，對設計（校核）洪水過程線進行調洪演算，求得這幾組最大泄流量分別對應的水庫存水量，查水位庫容曲線，得出這幾組最大泄流量分別對應的上游水位，并作最大泄流量與上游水位的關系曲線。上述兩條曲線相交得出一交點，此交點坐標即為設計（校核）情況下的孔口最大泄流量及相應的水庫水位，再對其它泄洪方案按同樣的方法進行調洪演算，最后選定的泄洪方案孔口最大泄流量應接近并不超過容許值，并最好與所給限制流量差值在100m3/s 以內(nèi)。1.2 調洪方案的選擇1.2.1 對以下四種方案進行調洪演算（1） 2 淺孔+2 中孔（2） 4 表孔+2 中孔（3） 4 中孔（4） 壩身泄流與利用導流隧洞1.2.1.1 方案一 2 淺孔＋2 中孔淺孔：進口高程 164m，出口高程 154m，孔口寬 8.5m，高 8m=0.96-0.227a / a=8m B=17m1/210()QaBgH???0H中孔：進口高程 135m，出口高程 130m，孔口寬 7.5m,高 7.5m=0.96-0.227a / a=7.5m B=15m1/220() 0表 1-1 2 淺孔 2 中孔泄流方案2 淺孔 2 中孔泄流水頭（m） 182 186 190 194淺孔側收縮系數(shù) 0.884333 0.895143 0.90325 0.909556淺孔下泄流量(m3/s) 2609.817 2953.381 3278.02 3587.524中孔側收縮系數(shù) 0.925222 0.929881 0.931163 0.933143中孔下泄流量 3001.337 3131.264 3256.762 3376.43三心圓拱壩設計- 4 -(m3/s)總下泄流量(m 3/s) 5949.153 6422.646 6872.781 7301.953起調流量 5949.2 m3/s，做出 2 淺孔+2 中孔的泄洪能力曲線及水庫水位與所需的最大泄流量的曲線，由兩條曲線的交點可以得出：最大泄洪流量：設計 6300m3/s校核 7380m3/s最高水位 ：設計 188.6m校核 190.7m1.2.1.2 方案二 4 表孔+2 中孔表孔：堰頂高程 179m，孔寬 12mm=0.48 , =4×12=48m 1/23/1()QBgH?B中孔：進口高程 135m，出口高程 130m，孔口寬 7.5m，高 7m閘門開度 a=7m，孔口寬度 B=2×7.5=15m，1/220()a?=0.96-0.227a /表 1-2 四表孔二中孔泄流方案四表孔二中孔泄流水頭（m） 182 186 190 194表孔下泄流量（m 3/s） 530.2905 1890.075 3723.24 5928.828中孔側收縮系數(shù) 0.927237 0.929733 0.931876 0.933736中孔下泄流量（m 3/s） 3003.312 3133.119 3257.776 3377.85總下泄流量（m 3/s） 3533.603 5023.194 6981.016 9306.678起調流量 3533.603 m3/s，做出 4 表孔+2 中孔的泄洪能力曲線及水庫水位與所需的最大泄流量的曲線，由兩條曲線的交點可以得出：最大泄洪流量：設計 6320 m3/s校核 7250 m3/s最高水位 ：設計 188.3m校核 190.5m1.2.1.3 方案三 4 中孔- 5 -中孔：進口高程 135m，出口高程 130m，孔口寬 7.0m，高 7.0m=0.96-0.227a / a=7.0m B=30m1/210()QaBgH???0H表 1-3 四中孔最大泄洪量與最高水位結果表四中孔泄流水頭 182 186 190 194中孔側收縮系數(shù) 0.927237 0.929733 0.931876 0.933736中孔下泄流量(m 3/s) 5944.182 6186.488 6419.181 6643.32起調流量 5944.1m3/s，作出水庫水位與所需最大泄流量的關系曲線，四中孔的泄洪能力曲線，由兩條曲線的交點可以得出最大泄洪流量:：設計 6300 m3/s 校核 6450 m3/s最高水位:： 設計 187.18m 校核 190.17m1.2.1.4 方案四 壩身泄流與利用導流隧洞因客觀因素，現(xiàn)對壩身泄流與利用導流隧洞不進行調洪計算，只對其進行定性分析。1.2.2 方案比較方案二即泄水建筑物采用 2 淺孔+2 中孔時所需壩頂高程相對較小，加之方案一與方案三都存在對壩體的結構影響較大的問題（方案一的 4 表孔使得壩體堰頂以上失去空間結構作用，方案三的 4 中孔使得壩體同一高程開孔數(shù)量過多，該層拱圈削弱過多） ，故本設計選擇 2 淺孔+2 中孔的泄流方案。1.2.3 2 淺孔+2 中孔方案選定后壩頂高程的計算拱壩壩頂超出水庫靜水位的高度△h 為 （1-3）1%zc hh???式中 h 1%—累積頻率 1%的波浪高度（m） ，按式（1-4） 、 （1-5） 、 （1-6）求出；hz—波浪中心線高出靜水位的高度 (m),按式（1-7）計算；hc—取決于壩的級別和計算情況的安全超高（等級為 1 級時：設計hc=0.7m，校核 hc=0.5m） 。 三心圓拱壩設計- 6 -（1-4）0.52013.9()mmgThV?（1-5）mL?（1-6）1/21/3020.76()ghgDV??（1-7）1%zmHctL?式中 V 0—計算風速, m/s； D—庫面吹程，m； —平均波高，m；h—平均波周期，s；H—水深，m。T正常情況下: Vf =1.5V=12×1.5=20m/s D=4000m=9.81×4000/202=98.1 為累計頻率 5%的波高20gV讀表由 P(1%)和 P(5%)關系可得：h1%=1.38183m由 112.53.750200.3()mgLgDV??得：Lm=11.38m 帶入：得 hz =0.52686m21%zmhHctL?hc=0.7m則： =2×1.38183+0.52686+0.7=3.99m1%2zchh???壩頂高程=188.65+3.99=192.64m校核情況下:Vf =12m/s=9.81×4000/122=272.5 為累計頻率 10%的波高20gDV讀表由 P(1%)和 P(10%)關系可得：h1%=0.832112m由 112.53.750200.3()mgLgDV??得：Lm=6.8232m 帶入：- 7 -得 hz =0.31864m21%zmhHctL??hc=0.5m則： =2×0.832112+0.31864+0.5=2.483m1%2zchh??壩頂高程=190.73+2.483=193.213m比較可知：壩頂高程取 193.21m，壩高為：193.21-92=101.21m1.2.4 方案二結論方案二即泄水建筑物采用 2 淺孔+2 中孔時所需壩頂高程相對較小，加之方案一與方案三都存在對壩體的結構影響較大的問題（方案一的 4 表孔使得壩體堰頂以上失去空間結構作用，方案三的 4 中孔使得壩體同一高程開孔數(shù)量過多，該層拱圈削弱過多） ，故本設計選擇 2 淺孔+2 中孔的泄流方案，淺孔位于兩岸，中孔位于水電站進水口兩側，對稱布置。設置兩淺孔，孔口寬 8.5m，高 8.0m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；兩中孔，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為 130m，設計洪水時，下泄流量 6300 m3/s，校核洪水時，下泄流量 7380m3/s，略小于允許下泄流量，設計洪水位為 188.65m，校核洪水位為 190.73m，由此計算得到的壩頂高程為 193.21m，最大壩高為 101.21m。三心圓拱壩設計- 8 -第二章 大壩工程量比較2.1 大壩剖面設計計算2.1.1 混凝土重力壩設計壩前最大水深 H=188.65-92=96.65m最大壩高 193.21-92=101.21m2.1.1.1 基本剖面（1）. 按應力條件確定壩底最小寬度（2-1）1/2c0/()BH????式中 γ c=24kN/m3 ；γ 0=10kN/m3； α 1=揚壓力折減系數(shù),取 0.3（河床壩段 =0.2～0.3，岸坡壩段=0.3～0.4） 。?則則 B=96.65/(24/10-0.25) 1/2=65.915m（2）.按穩(wěn)定條件確定壩底最小寬度（2-2）c01/()BKHf??????式中 K=1.05(查《水工建筑物》表 4-1)；f=0.7 ； λ=0 ； α 1=0.25。則 B=1.1×96.65/［0.7×(24/10+0-0.25)］=70.64m綜合（1） 、 （2） ，取兩值中的較大值，取壩底最小寬度 B=74m2.1.1.2 實用剖面（1）.壩頂寬度：取壩高的 8～10%，即（8～10）%×100.5=(8.04～10.5)m，取為 10.0m。（2）.下游坡度：(1)/70/9.815mBH????且壩底寬約為壩高 0.7-0.9 倍，則取 m=0.80。（3）.上游折坡點：上游設折坡，折坡點距壩底的高度取為壩高的 1/3～2/3 范圍內(nèi)，即（1/3～2/3）×100.5=(33.5～67)m,取為 54m。水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 9 -（4）.上游坡度：上游折坡的坡度取為 1:0.15。（5）. 折坡上部分寬 B1=0.2×54=10.8m B2=(190.73-92)×0.8+10=78.98mB=B1+B2=10.8+78.98=89.78m。 2.1.1.3 排水裝置設計洪水最大下泄流量 6300m3/s，則 Z 下 =113.4m，下游水深 114.4-92=22.4m ，水頭 H=188.65-113.8=74.85m。基礎帷幕灌漿廊道上游壁到上游壩面的距離應不小于 0.05-0.10 倍水頭，且不小于 4-5m， （0.05～0.1）×74.85=(3.7425～7.485)m,取為 10m。2.1.1.4 荷載計算荷載計算(設計水位 188.65) 彎矩(*10^5)壩體自重 標準值 距壩底中 心 順時針 逆時針W= W1+ W2+ W3 102666.55 10.213 10.485水壓力垂直水壓力 W 水上 7522.2 40.19 3.023W 水下 1900.96 39.077 0.74293水平水壓力 P 上=1/2γ0H 上2 46706.11 32.2167 15.047P 下=1/2γ0H 下 2 2376.2 7.2667 0.17267揚壓力U1 19572.04 0U2 7464.42 8.2967 0.6193U3 1871.25 39.89 0.74644U4 2806.875 41.557 1.16645U= U1+ U2+ U3+ U4浪壓力H=96.65Lm/2=5.69 則PL=1/4Lmr(h1%+hz) 54.3 忽略 忽略泥沙壓力垂直泥沙壓力Pn=1/2×232×0.15×8.5 kN/m337.2 忽略水平泥沙壓力Ph=1/2γnhn2tg2(45o-φn/2)三心圓拱壩設計- 10 -式中 γn=8.5kN/m3 hn=115-92=23m φn =10oPh=1/2×8.5×232×tg2(45o-10o/2) kN/m 1582.97 7.666667 0.1214S(*)=∑Pr 46294.624R(*)=fR'∑Wr+C'rAr 62396.965比較 S(*)和 R(*)（乘以系數(shù)） S(*)0∑Wr/Ar+∑MrTr/Jr 522.63故應力和穩(wěn)定滿足條件。荷載計算(校核水位 193.21) 彎矩(*10^5)1.壩體自重 標準值 距壩底中心 順時針 逆時針W= W1+ W2+ W3 102666.55 10.213 10.4852.水壓力垂直水壓力 W 水上 8014.68 40.19 3.2211W 水下 2116 38.757 0.82水平水壓力 P 上=1/2γ0H 上 251217.3233.73717.2792P 下=1/2γ0H 下 2 2645 7.6667 0.20283.揚壓力U1 20649.4 0U2 7799.5 8.2967 0.647U3 1955.25 39.89 0.77995U4 2932.875 41.557 1.2188U= U1+ U2+ U3+ U44.浪壓力水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 11 -H=96.65Lm/2=5.69 則PL=1/4Lmr(h1%+hz)19.6295忽略忽略5.泥沙壓力垂直泥沙壓力Pn=1/2×232×0.15×8.5 kN/m337.2忽略水平泥沙壓力Ph=1/2γnhn2tg2(45o-φn/2)式中 γn=8.5kN/m3 hn=115-92=23m φn =10oPh=1/2×8.5×232×tg2(45o-10o/2) kN/m1582.977.6666670.1214S(*)=∑Pr 48801.85R(*)=fR'∑Wr+C'rAr64387.94比較 S(*)和 R(*)（乘以系數(shù)）S(*)0∑Wr/Ar+∑MrTr/Jr348.094故應力和穩(wěn)定滿足條件。2.2 工程量比較比較重力壩和拱壩的工程量：（1） 重力壩工程量計算利用下式分別對三個壩塊進行計算： ??????112212/63b3bVHLmHLmH????????????第Ⅰ塊L1=205m L2=79m b=57.6m m1=0.15 m2=0.75 H=54m三心圓拱壩設計- 12 -VⅠ =54/6×{205×[3×57.6+(0.15+0.75)×54]+79×[3×57.6+2×(0.15+0.75)×54]}=600000m3第Ⅱ塊L1=263m L2=205m b=10m m1=0 m2=0.75 H=30.5mVⅡ =30.5/6×{263×[3×10+(0+0.75)×30.5]+205×[3×10+2×(0+0.75)×30.5]}=150000m3第Ⅲ塊L1=308m L2=263m b=10m m1=0 m2=0 H=15.83mVⅢ =15.83/6×{308×[3×10+(0+0)×15.83+263×[3×10+2×(0+0)×15.83]}=45200m3∴重力壩工程量:V 1= VⅠ + VⅡ + VⅢ =795200 m3（1） 拱壩工程量計算利用下式分別對四個壩塊進行計算 (A)h/2???下上A1=3003.22m2A2=3620.15m2A3=3935.58m2A4=3571.29m2A5=2017.53m2V2=（A 1 +A2）×△h/2+（A 2 +A3）×△h/2+（A 3 +A4）×△h/2+（A 4 +A5）×△h/2=341000 m 3經(jīng)比較，拱壩較重力壩可節(jié)約工程量（V 1- V2）/ V1=（795200-341000）/795200=57.1℅，故本次設計選擇拱壩。水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 13 -第三章 第一主要建筑物的設計3.1 拱壩的型式尺寸及布置3.1.1 壩型選擇壩型選擇雙曲拱壩。3.1.2 拱壩的尺寸3.1.2.1 壩頂?shù)暮穸?Tc 根據(jù)結構、人防、運用等要求并考慮改善壩體應力，初步設計，采用下列經(jīng)驗公式：（3-??14.20.LHC??1）Tmin=3～5m式中 H—壩高（m） ，H=100.5m；b1—壩頂高程處兩拱端新鮮基巖之間的直線距離（m） ，b 1=310m?！?1 min0.(2.4)0.(.574)8.5T35?????～∴ 取 Tc=8.33m3.1.2.2 壩底的厚度 TB ( 拱壩在高程上分為 5 層)（3-??14aKbH/[]???2）式中 L 1—壩頂高程處兩拱端新鮮基巖之間的直線距離（m） ，L 1=310m；Ln-1—壩體倒第二層拱圈處兩拱端新鮮基巖之間的直線距離（m） ，L n-1=163m；H—壩體高度，m；K=0.0035；—拱的允許壓應力（MPa ） ，國內(nèi)[σ a]一般取 4-7MPa。??a???0.351630.5/2.mBT????取 T B=25.7m三心圓拱壩設計- 14 -3.1.2.3 上游面的曲線采用二次拋物線 （3-????212zxy/H/???3）式中： 12x??2B1T/()?其中 、 為經(jīng)驗系數(shù)， （β 1=0.6～0.65，β 2=0.3～0.6） 。取 β 1＝0.62，β 2＝0.30， H=100.5m，則2x0.35.7/(0.6)=3.25???198?則上游面的曲線方程為: z=0.003135y^2-0.3934y 3.1.2.4 下游面的曲線Tc，T B沿高程線性內(nèi)插，然后光滑修勻。設第 i 層拱圈的厚度為 Ti , 則????icc 8.52.7/10.58.0174i iTyy??????????（3-4） 下游面曲線方程為 'iZ表 3-1 拱冠梁端面的幾層典型拱圈的幾何尺寸層數(shù) 高程 上游面坐標 下游面坐標 壩體厚度1.00 192.50 0.00 8.50 8.502.00 167.38 -7.95 4.85 12.803.00 142.25 -11.89 5.21 17.104.00 117.13 -11.81 9.59 21.405.00 92.00 -7.71 17.99 25.70檢驗倒懸度：見附圖，均滿足小于 1：3 的要求。表 3-2 各層拱圈特性參數(shù)高程 拱圈厚 平均半徑 中心角 右半中心角 左半中心角1/2 弦長岸坡平均坡度（m） （m） （m） （ ○ ） （ ○ ） （ ○ ） （m） （ ○ ）水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 15 -192.5 8.5 200 103 51 52 155 45167.125 12.8 169 97 48 49 126.5 45142. 25 17.1 140 97 48 49 104.5 45117.125 21.4 116 104 54 50 71.5 4592 25.7 71 75 37 38 42.5 453.2 荷載組合3.2.1 正常水位+溫降3.2.2 設計水位+溫升3.2.3 校核水位+溫升3.2.4 正常水位+溫降+地震3.3 拱壩的應力計算3.3.1 對荷載組合 1，2，3 使用 FORTRAN 程序進行電算3.3.1.1 正常水位+溫降Arch.dat 數(shù)據(jù)如下：5.20,-47,3.39,2.4,10,.85,2200000,2200000,.000008,8.21,78.21,39.8195,32.11250,25.21,50.21,75.21,101.2145,45,45,45,45150.24696,125.559537,87.2215221,73.3708296,36.18008458.33,12.65384,16.94165,21.22947,25.6888187.169708,159.224302,128.9608,92.0910788,67.0688131電算結果如下：241.78 142.99 104.79 285.85 .00 .00 .00 .00285.97 99.73 38.10 238.58 58.77 52.53 -13.43 115.36287.20 42.27 -19.33 199.25 72.39 131.23 14.08 168.85三心圓拱壩設計- 16 -226.16 -48.46 -85.21 123.11 26.65 249.80 130.82 120.17104.85 -70.84 -35.48 52.36 -44.40 377.51 330.73 -34.26.045265 .000333 .00 -8.05 8.05 .00.036629 .000397 17.00 1.21 14.74 1.04.025713 .000475 42.00 16.88 22.11 3.00.013274 .000420 67.00 33.77 24.78 8.45.003208 .000177 106.76 46.98 37.06 22.721608.32 .00 571.11 1616.47 -17.44 -1046.682469.53 .00 2482.85 2509.91 -94.33 -4381.512875.88 .00 5843.50 2988.80 -263.21 -9739.322069.71 .00 10252.89 2297.23 -630.86 -15412.30753.04 .00 9380.85 1057.91 -1067.24 -9521.363.3.1.2 設計水位+溫升Arch.dat 數(shù)據(jù)如下：5.20,47,3.39,2.4,10,.85,2200000,2200000,.000008,4.56,78.21,39.8195,32.11250,25.21,50.21,75.21,101.2145,45,45,45,45150.24696,125.559537,87.2215221,73.3708296,36.18008458.33,12.65384,16.94165,21.22947,25.6888187.169708,159.224302,128.9608,92.0910788,67.0688131電算結果如下：290.44 220.01 192.78 321.86 .00 .00 .00 .00306.64 163.57 116.22 268.02 86.04 26.98 -13.43 115.36299.43 102.10 52.48 226.46 104.29 101.62 14.08 168.85238.26 13.24 -16.88 152.23 60.64 216.54 130.82 120.17130.33 -26.08 5.40 81.61 25.09 298.77 330.73 -34.26.032413 .000151 .00 -10.59 10.59 .00.028285 .000243 20.65 2.41 17.57 .67.020869 .000361 45.65 17.38 25.69 2.59.011002 .000340 70.65 34.30 29.41 6.94.002940 .000145 110.41 45.87 45.68 18.862130.15 .00 407.15 2135.96 -12.44 -746.192997.47 .00 1907.35 3028.49 -72.47 -3365.933469.84 .00 4707.87 3560.82 -212.06 -7846.562819.83 .00 8401.22 3006.27 -516.93 -12628.841620.49 .00 8351.47 1891.91 -950.13 -8476.563.3.1.3 校核水位+溫升Arch.dat 數(shù)據(jù)如下：5水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 17 -.20,47,3.39,2.4,10,.85,2200000,2200000,.000008,2.48,78.21,39.8195,32.11250,25.21,50.21,75.21,101.2145,45,45,45,45150.24696,125.559537,87.2215221,73.3708296,36.18008458.33,12.65384,16.94165,21.22947,25.6888187.169708,159.224302,128.9608,92.0910788,67.0688131電算結果如下：310.58 233.74 204.04 344.85 .00 .00 .00 .00326.29 172.30 121.34 285.13 90.24 24.04 -13.43 115.36315.35 106.02 53.38 238.43 101.58 106.50 14.08 168.85248.11 12.49 -19.04 158.50 50.33 229.17 130.82 120.17133.79 -27.50 4.95 84.03 11.49 314.99 330.73 -34.26.035352 .000181 .00 -11.30 11.30 .00.030437 .000277 22.73 3.33 18.64 .76.022133 .000393 47.73 18.00 26.98 2.75.011517 .000361 72.73 34.90 30.56 7.27.003031 .000152 112.49 45.99 46.90 19.602271.57 .00 444.16 2277.91 -13.57 -814.023178.70 .00 2052.89 3212.09 -78.00 -3622.753642.00 .00 4994.12 3738.50 -224.95 -8323.662923.56 .00 8796.94 3118.78 -541.28 -13223.701655.43 .00 8612.50 1935.33 -979.83 -8741.51前三種工況下，壩體的最大拉應力均小于 70kpa，故應力滿足條件。3.3.2 對荷載組合 4 進行手算拱冠梁法計算應力的變形協(xié)調方程： i1i2i3i4i5iiiiax ax ax PAB???????式中：a ij——單位荷載作用在梁上 j 點使 i 點產(chǎn)生的徑向變位，稱為梁的變位系數(shù)；δ i——在單位均勻徑向水平荷載作用下，第 i 層拱圈拱冠處的徑向變位，稱為拱的變位系數(shù)；ΔA i——第 i 層拱圈由于該層均勻溫度變化 Δθ 時在拱冠處的徑向變位；ΔB i——作用于梁上豎直方向荷載引起的拱冠梁上 i 點的徑向變位；Pi、x i——分別為 i 層截面處水平徑向總荷載、梁分擔的荷載。i=1，2，3，4，5（1）拱圈變位系數(shù) δ i的計算及均勻溫降 Δθ 時的 ΔA i的計算i0CR/E????（ ）三心圓拱壩設計- 18 -式中： ——可由拱圈的 Φ A、T/R 查表 4-7（沈長松編《拱壩》 ）得出；0??EC——混凝土的彈性模量，取 2.2×106；R——第 i 層拱圈的平均半徑。 i0RC????（ ）式中：Δγ 0——可由拱圈的 Φ A、T/R 查表 4-8（沈長松編《拱壩》 ）得出；R——第 i 層拱圈的平均半徑；C——壩身材料線脹系數(shù)，取 0.8×10-5；Δθ——第 i 層拱圈的均勻溫度下降值。Δθ=47/（T+3.39）( oC)T——第 i 層拱圈的拱厚。δ i和 ΔA i計算見附表第一頁“單位均勻徑向水平荷載作用下拱圈拱冠處變位表 3-3 δ i與均勻溫降 Δθ o時拱圈拱冠處的變位 ΔA i的計算截面 高程 拱厚 T 平均半 徑 R T/R ΦA Δγ0 δi(1/Ec) Δθ RCΔθ Δγ0 ΔAi Ec*C*△θ1.00 193.21 8.33 188.02 0.04 53.50 -49.27 -9263.14 4.01 0.01 -1.84 -24459.79 70.58 2.00 168.00 12.65 159.44 0.08 52.00 -26.71 -4258.48 2.93 0.00 -1.78 -14617.53 51.56 3.00 143.00 16.94 128.41 0.13 52.50 -16.57 -2128.13 2.31 0.00 -1.67 -8699.67 40.69 4.00 118.00 21.23 93.43 0.23 52.00 -9.96 -930.07 1.91 0.00 -1.43 -4487.84 33.60 5.00 92.00 25.69 54.23 0.47 42.50 -5.26 -284.98 1.62 0.00 -1.31 -2026.75 28.45 （2）垂直荷載作用下引起的梁的徑向變位 ΔB i的計算垂直荷載作用下拱冠梁各截面的 M/ECI（彎矩以順時針為正）的計算 表 3-4 垂直荷載作用下各截面的 M/ECI 的計算水重形心計算截面 面積 對應質心 Y 坐標合起來質心 Y坐標對應層的 Y 坐標 y負 288.2091 198.45 第 1 層 192 01 34.1826 215.78 第 2 層 200.3 218 17.71572 444.6138 230.81 第 3 層 218.1 243 24.91833 851.9263 241.85 第 4 層 230.9 268 37.12424 937.0538 244.74 第 5 層 233.8 293.21 59.3612壩重形心計算截面 面積 質心 X 坐標 中心點坐標 偏心距對截面的彎矩（順時針為正）1水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 19 -2 265.1218 9.0513 6.9687 2.0826 552.1426613 634.9146 7.1408 5.201 1.9398 1231.607344 1112.8791 6.6349 7.3242 -0.6893 -767.107565 1719.0505 7.8966 13.7077 -5.8111 -9989.5744（3）垂直荷載作用下由于梁本身彎曲引起的變位 ΔB iIΔB iI=Ω iyi式中： Ω i——垂直荷載作用下 i 截面以下 M/ECI 圖的面積；yi——Ω i面積形心至 i 截面的距離。表 3-5 垂直荷載下由于梁本身彎曲引起的變位 ΔBiI垂直荷載下由于梁本身彎曲引起的變位 ΔBiI斷面 Ω y Ωy1-1 109.34 45.44 4968.40962-2 95.08 41.34 3930.60723-3 64.968 34.34 2231.001124-4 10.11 18.39333 185.95665-5 0 0 0（4） 拱冠梁梁基力系作用下，地基產(chǎn)生角變 θx 及徑變 Δγ f，由于地基變形而使拱冠梁隨著產(chǎn)生變位，按幾何關系可知，距梁基高為 hi處梁上某截面 I處的徑向變位為 ΔB iⅡ:ΔB iⅡ =θxh i+Δγ f僅垂直荷載時 θx= Mxα Δγ f= Mxα 2取拱壩 Ec=Er=22×105t/m2，即 n=1α=5.62/（Ec×T 2）×n=5.62/(26 2×Ec)=0.00831/Ecα 2=0.74/(26×Ec)Mx=-1569.4θx= -1569.4×0.00831/EcΔγ f=-1569.4×0.74/(26×Ec)ΔB iⅡ =θx+Δγ f表 3-6 垂直荷載引起的徑向變位計算截面 hi ΔBiⅡ ΔBiⅠ ΔBi1 101.21 -3662.85 3851.3546 188.52 76 -2780.336 2092.6894 -687.63 51 -1905.173 389.72162 -15154 26 -1030.01 -450.0242 -14805 0 -119.8407 0 -119.8三心圓拱壩設計- 20 -（5）梁變位系數(shù) aij的計算結果：表 3-7 梁變位系數(shù) aij的計算a11 6331.187 a21 3751.625 a31 1809.287 a41 629.2299 a51 77.44231a11 8622.67 a21 5609.838 a31 2898.188 a41 1053.208 a51 142.7452a11 4132.456 a21 2972.845 a31 1803.928 a41 744.2773 a51 125.101a11 1479.599 a21 1131.796 a31 783.992 a41 425.7292 a51 107.2644a11 229.2908 a21 186.3713 a31 143.4517 a41 100.5803 a51 47.70673（6）計算 pi 正常水位 184m H1=184-167.3=16.7m 水庫淤積高程 115mp1=0p2=γ wH1=1×16.7=16.7t/m2p3=γ wH2=1×(16.7+25)=41.7 t/m2p4=γ wH3=1×(41.7+25)=66.7 t/m2p5w=γ wH4=1×(66.7+25)=92 t/m2 p5s=γ shstg2(45o-φ s/2)=0.85×23×tg2(45o-10o/2)=13.76 t/m2p5= p5w+ p5s=92+13.76=105.51 t/m2（7）根據(jù) ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xiδ i=Piδ i+ΔA i-ΔB i列出五元一次方程組：表 3-8 ai 計算16461.93 8622.67 4132.455739 1479.599154 229.2908174 = 217083751.625 10637.77 2972.845065 1131.795581 186.3712775 = 965611809.287 2898.188 4637.739819 783.9920072 143.4517377 = 126533629.2299 1053.208 744.277297 1512.919702 100.5802748 = 7717977.44231 142.7452 125.1009593 107.2644219 311.6167306 = 29149求解此五元一次方程組得：表 3-9 拱梁分配荷載Pi-xi解得 x1= -8.2098 8.2097969x2= 0.69369 16.306314x3= 17.0233 24.976693x4= 34.9415 32.058521x5= 60.7108 46.054241（8）拱冠梁受水平荷載作用下的彎矩 M 水平 ，受垂直荷載及水平荷載共同作用水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 21 -下的彎矩 M 以及應力的計算表 3-10 拱冠梁應力計算順時針為正截面編號 2 3 4 5截面長度 12.65384 16.94165 21.22947 25.6888截面積慣性矩 168.84405 405.21533 797.3265209 1412.700851截面以上自重 t 365.1218 634.9146 1112.8791 1719.0505自重偏心距 2.0826 1.9398 -0.6893 -5.8111自重產(chǎn)生的彎矩 760.40266 1231.6073 -767.107564 -9989.574361分塊水重 T 34.3762 109.5524 118.9002 -339.694水重偏心距 4.919 6.8058 10.8169 14.8044水重產(chǎn)生的彎矩 t*m 169.09653 745.59172 -96.2725734 -5028.965854水平荷載彎矩 -790.8821 -762.1887 9999.283184 45319.64695總彎矩 138.61714 1215.0104 9135.903047 30301.10673軸力 N 399.498 1143.965 3275.7443 4655.1008N/A 31.571286 67.523824 154.3017466 181.2112983M/I 0.8209773 2.9984314 11.45817028 21.44906101Au 6.32692 8.470825 10.614735 12.844426.377028 42.124637 32.67630546 -94.2890209436.765544 92.923012 275.9271877 456.7116176最大拉應力小于 120Mpa，滿足拱冠應力要求。（9）拱圈應力的計算表 3-11 水壓產(chǎn)生的拱圈應力拱冠 拱端上游 下游 上游 下游截面拱圈水平荷載（pi-xi）T/R ΦAσ σ σ σ1 8.210 0.044 53.5 29.23 240.00 20.92 171.77 17.58 144.34 32.75 268.84 2 16.306 0.079 52 17.20 280.42 8.56 139.64 5.45 88.81 20.63 336.35 3 24.977 0.132 52.5 11.51 287.59 3.50 87.39 1.08 26.95 14.40 359.74 4 32.059 0.227 52 7.53 241.25 0.67 21.50 -0.75 -24.02 9.59 307.46 daIMAN???u???三心圓拱壩設計- 22 -5 46.054 0.474 42.5 3.08 141.63 -0.75 -34.46 -0.46 -21.10 3.46 159.26 表 3-12 溫降產(chǎn)生的拱圈應力拱冠 拱端上游 下游 上游 下游截面溫度荷載 T/R ΦAσ σ σ σ1 70.580 0.044 53.5 0.16 11.25 -0.18 -12.60 -0.31 -22.12 0.30 21.30 2 51.559 0.079 52 0.27 13.85 -0.33 -16.83 -0.54 -27.88 0.50 25.99 3 40.685 0.132 52.5 0.36 14.60 -0.49 -19.98 -0.75 -30.39 0.66 27.04 4 33.599 0.227 52 0.40 13.55 -0.68 -22.70 -0.90 -30.15 0.73 24.43 5 28.447 0.474 42.5 0.15 4.14 -0.70 -19.99 -0.65 -18.55 0.24 6.80 （10）地震荷載產(chǎn)生的應力計算表 3-13 地震荷載計算地震荷載產(chǎn)生應力縱向地震慣性力拱冠內(nèi)力 左拱端內(nèi)力 右拱端內(nèi)力截面 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩1 176.049 0 233.997 250.72 24.508 368.89 250.7 24.508 368.92 204.827 0 327.131 281.8 16.116 -32.33 281.8 16.116 -32.33 187.254 0 490.742 257.73 -1.818 -585.8 257.7 -1.818 -5864 112.816 0 526.05 174.18 -17.97 -809.4 174.2 -17.97 -8095 28.6385 0 241.516 60.345 -29.01 -436.3 60.34 -29.01 -436縱向地震激蕩力拱冠內(nèi)力 左拱端內(nèi)力 右拱端內(nèi)力截面 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩1 0 0 0 0 0 0 0 0 02 206.635 0 234.243 208.92 4.4807 -167.1 208.9 4.4807 -1673 173.866 0 377.12 180.1 -8.279 -570.9 180.1 -8.279 -5714 89.0823 0 345.923 97.831 -15.46 -594.6 97.83 -15.46 -5955 25.8219 0 173.017 34.55 -18.66 -324.5 34.55 -18.66 -324橫向地震慣性力截面 拱冠內(nèi)力 左拱端內(nèi)力 右拱端內(nèi)力???水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 23 -軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩1 0 32.464 0 -138.1 -120.2 -3752 138.1 -120.2 37522 0 31.885 0 -156.3 -119.6 -3004 156.3 -119.6 30043 0 26.707 0 -147.7 -101.2 -2006 147.7 -101.2 20064 0 20.655 0 -110.7 -78.17 -1124 110.7 -78.17 11245 0 8.293 0 -52.26 -31.64 -211 52.26 -31.64 211橫向地震激蕩力拱冠內(nèi)力 左拱端內(nèi)力 右拱端內(nèi)力截面 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩1 0 0 0 0 0 0 0 0 02 0 15.227 0 8.0887 -56.9 -1424 -8.09 -56.9 14243 0 11.816 0 5.7109 -44.3 -868 -5.71 -44.3 8684 0 7.7095 0 3.6436 -28.2 -391.7 -3.64 -28.2 391.75 0 3.5924 0 1.1313 -11.69 -64.48 -1.13 -11.69 64.48表 3-14 地震內(nèi)力匯總地震內(nèi)力匯總拱冠 左拱端 右拱端截面 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩1 176.049 32.464 233.997 112.61 -95.69 -3383 388.8 -95.69 41212 411.462 47.112 561.374 342.51 -155.9 -4627 638.9 -155.9 42293 361.12 38.524 867.862 295.81 -155.6 -4031 579.9 -155.6 17174 201.898 28.364 871.974 164.97 -139.8 -2920 379.1 -139.8 111.85 54.4605 11.885 414.533 43.77 -91 -1036 146 -91 -485表 3-15 地震產(chǎn)生的應力拱冠 左拱端 右拱端截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 40.1439 1.2794 -267.73 294.23 387.99 -296.52 52.2494 11.642 -140.77 193.96 202.55 -103.33 38.4339 3.4351 -64.127 98.423 68.246 -1.0164 20.5167 -1.848 -29.818 45.072 18.958 16.0915 5.77392 -1.585 -7.5142 10.881 1.3091 9.9232（11）正常水位+溫降+地震組合應力表 3-16 正常水位+溫降+地震組合應力匯總正常水位+溫降+地震組合應力懸臂梁 拱冠 左拱端 右拱端三心圓拱壩設計- 24 -上游 下游 上游 下游 上游 下游 上游 下游0 0 323.1 183 -127 620 529 29.361.82213028 44.452 368.6 122.9 -99.8 595.3 243.5 29891.10928929 115.14 342.8 47.34 -105 505.2 27.62 40631.328924 264.92 273 -36.9 -125 382.1 -76.3 353-108.5253485 454.48 134.1 -56 -59.3 163.9 -50.5 163通過以上的計算可看出，應力滿足要求。3.4 壩肩穩(wěn)定計算3.4.1 計算原理取任一高程單位高度的拱圈進行驗算。設滑動面走向與河谷平行，其傾角與岸坡平行，拱端軸力為 Ha，剪力為 Va，用拱梁分載法計算內(nèi)力時，V 應包括懸臂梁底部的水平力。將拱端軸力 Ha和剪力 Va投影到滑動面上：S=Hacosφ+V asinφN=Hasinφ-V acosφ式中：φ——軸力和滑動面的夾角Ha——拱端軸向力Va——拱端徑向力 ψ(b)展()A-展在立視圖上，滑動面與垂線的夾角為 ψ，將 N 分解為平行和垂直拱座面的分力 Q 和 P：Q=Nsinψ-GcosψP=Ncosψ+Gsinψ-U式中：ψ——岸坡和垂線的夾角水利水電工程專業(yè)畢業(yè)設計- 25 -G——拱端面上懸臂梁的自重U——拱端面上的揚壓力抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為：K=(f1P+f2Wsinψ+clsecψ)/S式中：K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)f1——滑動面間的摩擦系數(shù)f2——節(jié)理面間的摩擦系數(shù)W——拱端下游巖體的重量c——凝聚力l——滑動面的長度3.4.2 驗算工況工況Ⅰ，校核水位+溫升；工況Ⅱ，正常水位+溫降+地震3.4.3 驗算步驟3.4.3.1 對工況Ⅰ進行穩(wěn)定驗算（1）查表插值求 ha,ua表 3-17 ha,ua數(shù)值表均勻水壓力 均勻溫度升高截面 T