【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是《褒河拱壩樞紐設(shè)計(jì)》。褒河庫(kù)區(qū)位于陜西省漢中平原堡河。下游，漢中平原地區(qū)氣候溫和、濕潤(rùn)、土地開(kāi)闊肥沃，是著名的糧倉(cāng)。于促進(jìn)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都有重要意義。思路，理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。并通過(guò)此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)了解。拱壩設(shè)計(jì)過(guò)程，擬定拱壩的不同設(shè)計(jì)方案，科學(xué)合理的確定拱壩的建設(shè)規(guī)模和運(yùn)行方式。褒河水利樞紐主要任務(wù)為灌溉、發(fā)電，其次為防洪。為此，樞紐定為：渠首電站、攔河。壩（拱壩）、中孔泄洪、底孔、電站引水渠道等。物為三等，次要建筑物為四等，臨時(shí)建筑物為五級(jí)。選擇和樞紐布置、拱壩的平面布置、拱壩的應(yīng)力計(jì)算、壩肩穩(wěn)定、底孔應(yīng)力和配筋計(jì)算。把拱壩分成六拱圈五不等段，利用拱冠梁的上游偏距及外半徑分別確。心軌跡沿高程變化均應(yīng)是光滑連續(xù)或基本連續(xù)的。②壩體與基巖的接觸線(xiàn)應(yīng)光滑連續(xù)，無(wú)突出或凹陷，不滿(mǎn)足是應(yīng)做地基處理。懸臂梁的受力情況。③水平力作用下的徑向變位系數(shù)ija的求解，見(jiàn)表5·3。

　　

【正文】 要求，根據(jù)上面的數(shù)據(jù) 取 cT = 。 壩底厚度 BT 求壩底厚度 BT 的時(shí)候用下面的經(jīng)驗(yàn)公式。 任德林公式：當(dāng) H =60~100m ， HL/ =~。 BT =（ 10002)( HHL ? ） H （ 4?4） 美國(guó)墾 務(wù)局經(jīng)驗(yàn)公式： BT = 3 12 221 )1 2 2(0 0 1 HHLHL （ 4?5） 朱伯芳經(jīng)驗(yàn)公式： BT = ? ?? HLLK n )( 11 ?? （ 4?6） 式中 L、 H 的意義同前 。 1L —— 為第一層 拱圈的弦長(zhǎng)，等于 cL 。 2L —— 為 處拱圈的弦長(zhǎng)， 現(xiàn)取為與 cL 同長(zhǎng) 。 1?nL —— 為到數(shù)第二層處的拱圈弦長(zhǎng)，現(xiàn)取為與 cL 同長(zhǎng) 。 由 4?4 得： BT =88 （ 0. 63 220 0 2 88()88 10 00?? ） = 由 4?5 得： 2L 可擬 2L = 1L ，再折減。 BT = 881223 880 . 0 0 1 2 8 8 2 0 0 2 0 0 ( )122? ? ?= 由《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)》中查得 ??Min? =. 2L 可擬 2L = 1L ，再折減。 由 4?6得： BT = 0 .3 5 ( 2 0 0 2 0 0 ) 8 8500? ? ?= 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 yx由 4?5得到的數(shù)據(jù)太小，現(xiàn)在不考慮，只比較 4 4式和 4 6式的數(shù)據(jù)。由于 4 6中的數(shù)據(jù)要折減，故選擇 BT = 米。則厚高比 HT =8822 =， 屬于中厚拱壩。 拱壩的類(lèi)型可以分為四種。 分別是按壩高、厚高比、曲率、水平拱圈形式這四種形式。 具體的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參照參考書(shū)。 拱冠梁剖面設(shè)計(jì) 基本原則 擬定雙曲拱壩拱冠梁剖面時(shí)應(yīng)遵循的原則是： ? 控制梁的自重拉應(yīng)力不超過(guò)允許值， 一般為 ~ . ? 控制壩面倒懸度不超過(guò)允許值 ，整 體為 :1，局部在（ ~） :1 范圍內(nèi)。 ? 壩體輪廓線(xiàn)應(yīng)光滑連續(xù)。 ? 本設(shè)計(jì)拱冠梁上下游面的曲線(xiàn)采用單圓弧。 圖 4 1 坐標(biāo)軸 ? 所采用的坐標(biāo)軸如圖 4 1 所示。 拱冠梁剖面設(shè)計(jì)的方案選擇 方案一：美國(guó)墾務(wù)局方案 表 4 1 美國(guó)墾務(wù)局方案三點(diǎn)定圓表格 高程 上游偏距 上游坐標(biāo) 下游偏距 下游坐標(biāo) 壩頂 0 （ 0， 0） （ ， 0） BT = (， ) 0 (0,) 壩底 BT = (,88) BT = (,88) 方案二：任德林方案 表 4 2 任德林方案的拱厚及拱冠梁斷面的計(jì)算表 H T Hh/ Hx/ x T T x 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 20 cT + T? 40 cT + T? 60 cT + T? 11 80 cT + T? 續(xù)表 88 BT 1 22 cT + T? 14． 77 3． 996 注： T? = BT cT = 。其中離壩頂 處的數(shù)據(jù)由 60 之間的數(shù)據(jù)內(nèi)插而得。 從表 4 2中拿出 88 與 處的上下游偏距來(lái)求三點(diǎn)定圓方程。為便于分析比較，取數(shù)據(jù) 的位置 和美國(guó)墾務(wù)局 方案 一樣。數(shù)據(jù)如表 4 3 所示 ： 表 4 3 任德林方案的數(shù)據(jù)表 高程 上游偏距 上游坐標(biāo) 下游偏距 下游坐標(biāo) 壩頂 0 （ 0， 0） （ ， 0） (， ) (,) 壩底 (,88) (,88) 從表 4 1以及表 4 3中的坐標(biāo)可以看出來(lái)，美國(guó)墾務(wù)局的方案求的拱冠梁較瘦，應(yīng)力條件好，倒懸度高。任德林方案較胖，適合砌石壩設(shè)計(jì)，應(yīng)力條件差，倒懸度小。為了滿(mǎn)足倒懸度小而應(yīng)力條件又不至于太差，采用折中方案。在 ，壩底處，上下游面的坐標(biāo)都采用兩者的平均值，故求的坐標(biāo)如表 4 4 所示 。 表 4 4 折 中方案的三點(diǎn)定圓數(shù)據(jù)表 高程 上游偏距 上游坐標(biāo) 下游偏距 下游坐標(biāo) 壩頂 0 （ 0， 0） （ ， 0） (， ) (,) 壩底 (,88) (,88) 把折中方案的上下游坐標(biāo)代進(jìn)圓的方程 222 )()( Rbyax ???? 得： 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 xyH上游面：2 2 22 2 22 2 2(1 5 . 6 8 6 ) ( 4 8 . 4 )(1 1 . 6 8 2 ) ( 8 8 )a b Ra b Ra b R? ???? ? ? ??? ? ? ? ?? ? abR????????? 所以上游面的圓方程為： 2 2 2( 9 4 .2 5 ) ( 5 7 .2 9 ) 1 1 0 .2 9xy? ? ? ?。 下游面：2 2 22 2 22 2 2( 5 .0 )( 2 .1 5 ) ( 4 8 .4 )(1 0 .3 1 8 ) ( 8 8 )a b Ra b Ra b R236。239。 + + =239。239。239。 + + =237。239。239。 + + =239。239。238。 ? abR236。 =239。239。239。239。 =237。239。239。 =239。239。238。 所以下游面圓 的 方程為： 2 2 2( 16 7. 24 ) ( 34 .3 6) 16 5. 84xy? ? ? ?。 由 BT ， cT ， H以及上下游面的圓弧方程可繪制出拱冠梁剖面圖 。 從拱冠梁剖面上可量得： 1T = ， 2T = ， 3T = m ， 4T = ， 5T = ， 6T =22m 。 方案三：上游面定為二次拋物線(xiàn) cbyayx ??? 2 ，把他得到的曲面與折中方案的比較，簡(jiǎn)圖如圖 4 3所示 當(dāng) Hy 1?? 時(shí)， dxdy=0 當(dāng) Hy? 時(shí)， 2 BxT?? 當(dāng) 0?y 時(shí)， 0?x H1? 1? =， 2? 在 ~ 之間取值， 本設(shè)計(jì)取 2? =。 則可求的 0abc????????? 圖 4 3 拋物線(xiàn)方案簡(jiǎn)圖 則上游面拋物線(xiàn)方程為 ： y y? ? ? 把 該方案上游面和這種方案的上游面曲線(xiàn)比較，可得折中方案是比較合理的，起主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，如表 4 5 所示 。 表 4 5 倒懸度比較表 高程 折中方案 拋物線(xiàn)方案 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 上游偏距 倒懸度 上游偏距 倒懸度 壩頂 0 小 0 大 小 大 壩底 11 ? 從上表中可以看出，拋物線(xiàn)方案中的拱冠梁剖面比折中方案的胖，造成了材料的浪費(fèi)。 ? 拋物線(xiàn)方案局部倒懸度大，應(yīng)力條件差。 ? 折中方案為圓弧曲面比拱壩施工簡(jiǎn)單。 從上面比較可以看出，這種方案是比較合理的。 拱壩的平面 布置 基本原則及假定 基本原則 ? 控制梁的自重拉應(yīng)力不超過(guò)允許值，一般為 ~. ? 控制壩面倒懸度不超過(guò)允許值，整體為 :1，局部在（ ~） :1 范圍內(nèi)。 ? 壩體輪廓線(xiàn)應(yīng)光滑連續(xù)。 ? 壩體與基巖的接觸線(xiàn)應(yīng) 光滑連續(xù)。 假定 ? 前面各拱圈拱端之間的距離在這里仍然適用。 ? 沿用前面的 6拱 5不等段法，各高程處的拱厚為 1T =， 2T =， 3T =米， 4T =， 5T =， 6T =22米 拱圈中心角的確定 在外荷載和河谷形狀都相同的情況下，拱圈中心角 A?2 越大，拱端應(yīng)力越小，應(yīng)力條件越好。若按與工程實(shí)際更為接近的兩端固端拱計(jì)算，當(dāng)中心角 A?2 ?120176。 時(shí)，拱圈截面將不出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此，從減少拱圈厚度，改善壩體應(yīng)力考慮，選較大的中心角是比較有利的。但從穩(wěn)定條件考慮，選用過(guò)大的中心角將較難滿(mǎn)足壩肩的穩(wěn)定要求。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 現(xiàn)代拱壩設(shè)計(jì)中，頂拱圈的中心角多為 75176。 ~110176。 之間， 底 拱中心角一般取50176。 ~80176。 。 拱壩的最大應(yīng)力常出現(xiàn)在壩高的 21~31 拱圈處。 。 本設(shè)計(jì)根據(jù)以上情況及地質(zhì)地形資料，定底拱中心角 =頂拱中心角 =80176。 。 拱圈內(nèi)外半徑如表 4 6所示 表 4 6 中心角選取和內(nèi)外半徑計(jì)算表 高程 ? 620 600 580 560 540 532 拱圈厚 T 5． 0 22 初擬中心角 ? 80176。 80176。 80176。 80176。 80176。 80176。 外半徑 uR 131． 0 109． 9 84． 2 55． 7 內(nèi)半徑 dR 119． 3 93． 6 64． 7 34． 2 31． 28 注 ： uR =2sin2?L， dR = uR T 現(xiàn)把四 個(gè)方案各拱圈各層中心角和半徑列表如表 4 7 所示 。 表 4 7 五個(gè)方案的中心角及半徑匯集表 方案 高程 中心角 外半徑 內(nèi)半徑 方案 高程 中心角 外半徑 內(nèi)半徑 方 案 一 620 80176。 147． 79 142． 99 方 案 二 620 75176。 600 80176。 131． 0 119． 2 600 75176。 138． 1 126． 42 580 80176。 109． 9 93． 7 580 75176。 115． 3 98． 97 560 80176。 64． 9 560 75176。 88． 7 69． 16 540 80176。 55． 7 33． 9 540 75176。 58． 4 36． 86 532 80176。 53． 28 31． 28 532 75176。 56． 262 34． 262 方 案 三 620 85176。 方 案 四 620 90176。 13508 600 85176。 124． 1 112． 42 600 90176。 134． 35 580 85176。 103． 8 87． 47 580 90176。 560 85176。 79． 3 560 90176。 540 85176。 51． 4 29． 86 540 90176。 532 85176。 50． 696 28． 696 532 90176。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 方 案 五 620 80176。 600 80176。 580 80176。 560 80176。 540 80176。 34 532 80176。 53． 28 拱圈的平面布置 拱壩平面布置的方法及步驟如下： ? 定出壩址，可利用基巖面等高線(xiàn)地形圖，這個(gè)工作前面已經(jīng)作完。 ? 定出拱壩的對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)，該中心線(xiàn)即為頂拱外弧對(duì)應(yīng)弦的垂直平分線(xiàn)。做法：將頂拱外?。ü皦屋S線(xiàn)）和它的垂直平分線(xiàn)繪制在透明紙上，在地形圖上移動(dòng)調(diào)整位置，使拱軸線(xiàn)與等高線(xiàn)在拱端處的夾角不小于 30176。 ~35176。 ，并使兩端夾角大致接近（且注意使拱軸的垂直平分線(xiàn)與河谷中心線(xiàn)大致重合。） ? 根據(jù)頂拱的厚度可以繪制出內(nèi)弧。 ? 其他拱圈的布置方法。做法：在頂拱的垂直平分線(xiàn)上量取該處的偏距（ 12T =10m ，13T = ， 14T = ， 15T = ， 16T = 。 ），然后確定一點(diǎn)，再?gòu)脑撎幫亓咳⊥獍霃降拈L(zhǎng)度，則就確定了該層拱圈的圓心，再根據(jù)中心角繪制出來(lái)該外弧和內(nèi)弧。 ? 懸臂梁截片檢查，由于該拱壩對(duì)稱(chēng)性較好，在左不拱切取三個(gè)懸臂（不包括拱冠梁），檢查壩面是否光滑，倒懸度是否滿(mǎn)足施工要求。 ? 根據(jù)以上布置的尺寸，計(jì)算壩體工程量，以做出不同方案比較的依據(jù) 。由于拱壩應(yīng)力計(jì)算程序在進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，也算出了壩體工程量。因此，這一步驟也可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。 上面五 個(gè)方案的平面布置圖如附圖所示。其中每個(gè)圖對(duì)應(yīng)一個(gè)方案。從輪廓線(xiàn)、切片的倒懸度以及工程量判斷，得出其中較優(yōu)秀的方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 5 拱壩應(yīng)力計(jì)算和內(nèi)力計(jì)算 荷載和荷載組合 荷載 基本荷載主要有：靜水壓力，泥沙壓力，浪壓力，自重，水重，揚(yáng)壓力和溫度荷載。 特殊荷載主要有：地震荷載，包括動(dòng)水壓力和地震慣性力，地震動(dòng)土壓力。 在基本組合中，靜水壓力，泥沙壓力，浪壓力在拱梁分載法中由拱梁共同承擔(dān)。 ? 靜水壓力、泥沙壓力、浪壓力中靜水壓力是壩體最主要的荷載。 ? 自重：對(duì)于分塊澆注的混凝土壩，自重全部由懸臂梁承擔(dān)，并不影響水平徑向荷載的分配，單獨(dú)計(jì)算自重應(yīng)力。 ? 水重：一般假定有梁承擔(dān)，通過(guò)梁的變化考慮對(duì)拱的影響。 ? 揚(yáng)壓力：對(duì)中厚拱壩和厚拱壩應(yīng)記入揚(yáng)