拱坝设计
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计算书目录：
1、设计参数及控制指标
2、拱坝体形
3、应力计算
4、拱坝稳定计算
5、消能计算
6、坝体细部及放空、取水孔设计
1、 设计参数及控制指标
1.1 坝体参数
坝体材料：C15砼砌600＃毛石，坝体容重2.33，坝体弹模E＝9.0×109，坝体变模E′＝5.0×109，泊松比μ＝0.25。线膨胀系数取0.8×105/℃，导温系数取3m2/月。
坝基：左坝基为灰岩，变形模量E′=5.0×109，泊松比μ＝0.28。右坝基为泥灰岩，变形模量E′=3.8×109，泊松比μ＝0.30，坝体底部为泥页岩，变形模量E′=2.5×109，泊松比μ＝0.32。线膨胀系数取0.8×105/℃，导温系数取3m2/月。
水文及地质资料见附件1。
1.2 控制指标
大坝坝肩稳定及应力控制指标按《浆砌石坝设计规范》（25－91）执行，见表1－1、1－2。
表1－1 抗滑稳定安全系数表
类别 荷载组合情况 安全系数
抗剪断强度K′ 基本组合 3.00
特殊组合 2.50
表1－2 大坝允许应力表
类别 位置 允许应力
允许压应力（104） 拱冠梁底部 110
其它部位 100
允许拉应力（104） 拱冠梁底部 410
其它部位 410
2、拱坝体形
拱坝体形为双曲拱坝，拱圈平面曲线采用圆弧。因两岸地形基本对称而采用相同半径的双曲拱坝。
2.1 坝顶高程的拟定
2.1.1 已知：校核洪水位（0.2%）:746.50m
设计洪水位（p＝2%）：744.00m
正常蓄水位：742.50m
2.1.2 坝顶高程根据各种运行情况的水库静水位加上相应超高后的最大值确定。坝顶超高值△h按下式计算（《浆砌石坝设计规范》（25－91）第八章坝体构造）
△h＝2 h10
式中：△h……坝顶距水库静水位的高度，m
2 h……波浪高，m
h0……波浪中心线超出水库静水位的风壅高度，m
……安全超高，m：正常运用情况取0.4m，非常运用取0.3m。
2.1.3 波浪要素按《浆砌石坝设计规范》（25-91）附录二计算。波高、波长可按下式计算
2h2=31450166.0ffD
28.01)2(4.10h
h0=LLLHcthLh12124
式中：2h2——浪高，m；
2——波长，m；
f——计算风速，按瓮安县多年平均最大风速为11.1m；
fD——计算吹程（），fD=0.8；
h0——波浪中心线超出水库静水位的风雍高度，m；
H1——坝前上游水深，m。 计算结果如表2－1：
坝顶高程成果表
表2－1
计 算
情 况 上 游
静水位
（m） 计 算
风 速
（） 吹
程
（） 浪 高
（m） 安 全
超 高
（m） 计算顶部
高 程
（m）
设 计 744.00 11.10 0.80 0.79 0.4 744.79
校 核 746.50 16.70 0.80 0.96 0.3 747.46
根据以上的计算结果，根据结构要求，确定坝顶防浪墙高度为0.8m，坝顶防浪墙高程则为747.50m，上游校核情况下静水位为746.50m，坝顶高程取746.70m，坝顶高程高于该水位0.20m。
本方案属扩机工程，在该坝址已经修了一座底宽为10m，高19m的低坝，原设计方案的建基面为689.0m，采用双曲拱坝的圆弧拱。扩机方案在原坝体加宽加高，坝体底部高程取原坝体底部高程，即建基面为689.0m。因基础为泥页岩，比较软弱，故采用2.0m厚的垫层。则坝高为57.70m，属中坝，在坝顶高程746.70m开挖后的河谷水平宽度为170.0m，则河谷的宽高比＝170/57.5＝2.946，属“U”型河谷。
2.2、拱坝体形设计
2.2.1 坝顶厚度（参见《砌石坝设计》P137）
0.4+0.01(3H)
式中：―――坝顶厚度（m）
H―――最大坝高（m）＝57.70m
L―――顶拱弦长（m）＝170.0m
经计算得＝0.4+0.01（170+3×57.7）＝3.83m，考虑交通等要求，取＝5m。
2.2.2 拱圈厚度
（1）、坝底厚度
① 参见《砌石坝设计》P138的经验公式
＝[0.132()0.269+(21000)]×H
式中：―――坝底厚度（m） H―――最大坝高（m）＝57.70m
L―――顶拱弦长（m）＝170.0m
经计算得＝[0.132(170/57.7)0.269+(2×57.7/1000)]×57.7＝16.84m。
② 由美国肯务局的经验公式
＝32122/1)122/(0012.0HHLHL
式中：―――坝底厚度（m）
H―――最大坝高（m）＝57.70m
L1―――顶拱弦长（m）＝170.0m
L2―――顶底以上0.15H处弦长（m）＝71.8m
经计算得＝3122/7.57)122/7.57(8.711707.570012.0＝8.40m。
综合考虑，取坝底厚度为＝16.0m.。
水平拱圈厚度按 T＝（－） 计算，即
T＝5+（16－5）57.7＝5+0.19064Y
2.2.3 上游面曲面初拟
由于该工程是扩建项目，为了不影响其电站的运行以及施工方便（不用重新修筑围堰），只在下游增加其厚度。所以其上游面曲线只有按原设计方案。
设 β1＝
β2＝
k＝
式中：H―――为坝高m；
β1－――凸点的相对高度，为凸点D所对应该的高度。
β2―――凸度，为凸点D到轴线的距离。
K―――上游曲线的平均倒悬度，m为坝踵B到铅垂线的距离。各项意义见下图2－1。
图2－1 - 5 - / 12
根据原坝体的设计成果值为：
＝20.0m
＝7.32m
M＝3.25m
将地形图上可利用基岩线确定后，再确定每一层拱圈对应的水平弦长，定出半径后（用半中心角控制，顶拱的半中心角在80°～110°之间，底拱的半中心角在40°～80°之间，半径的连线为一光滑的曲线）经过应力控制的优化后得到拱坝体形。
该大坝为加高工程，在708.0m高程以下，只有用原坝体设计参数。拱坝体型设计、优化、应力分析及坝肩稳定计算，采用浙江大学拱坝应力计算程序进行（该程序通过电力部鉴定，并于95年被列入国家级科技成果重点推广计划，98年荣获国家科技进步奖），在计算机上完成。
3、应力计算
3.1 计算方法及荷载组合
拱坝应力按多拱多梁混合法计算，采用浙江大学拱坝应力计算程序进行计算，初拟采用8层拱圈，其高程分别为：745.0、737.5、731.5、723.0、714.0、706.0、697.5、689.0m(拟合层为砼垫层687.0m)。
荷载组合情况分基本组合及特殊组合两类。
基本组合为： （1）正常蓄水位＋相应尾水位＋设计正常温降＋自重＋扬压力＋泥沙压力＋浪压力。
特殊组合为：
（2）较核洪水位＋相应尾水位＋设计正常温升＋自重＋扬压力＋泥沙压力＋浪压力。
地区地震烈度小于Ⅳ度，故不作动力计算。
3.2 温度参数说明
多年年平均气温13.6℃
多年平均最低月（1月）气温3.8℃
多年平均最高月（7月）气温24.7℃
日照影响按2℃计
温降变幅＝年平均气温－年平均气温＝13.6-3.8＝9.8℃
考虑日照影响后，设计正常温降＝9.8＋2＝11.8℃，计算时间取1.5
温升变幅＝最高月平均气温－年平均气温＝24.7-13.6＝11.1℃
考虑日照影响后，设计正常温升＝11.1＋2＝13.1℃，计算时间取7.5
库底水温因无实测资料，按规范（145-85）附录规定，可近似按最低3个月平均气温计，＝（3.8＋5.0＋5.9）/3＝4.9℃
水表面年平均水温＝年平均气温＋日照影响＝13.6＋2＝15.6℃
表面水温年变幅＝气温年变幅的一半＝（24.7-3.8）/2＝10.45℃
温度计算的初相位取值为6.5（月）。
3.3 计算成果
经计算，拱坝最大拉应力为0.76，发生在▽706.0m高程左拱端的下游面，计算工况为校核洪水位＋温升，最大压应力为2.76 ，发生在▽706.0m高程左拱端的下游面，计算工况为校核洪水位＋温升，均小于大纲中规定的允许应力。应力分布规律符合一般规律，较合理，计算原始数据和结果文件见附。
4 拱肩稳定计算
4.1计算方法
拱肩抗滑稳定按刚体极限平衡法计算，并根据《浆砌石坝设计规范》（25-91）规定，拱肩稳定分析应按空间问题处理，确定其整体抗滑稳定安全系数。如情况简单且无复杂的滑裂面时，可按平面分层累计计算。
计算步骤：
（1）绘制各层拱肩抗滑岩体图。
（2）根据地质专业提供的资料，列出几组不同侧滑面（裂隙或岩体），在抗滑岩体图中分别量出侧滑面与拱端径向的夹角、底滑面面积、侧滑面长度。
（3）根据前面量出的参数，各层拱端高程，计算工况的水位，各侧滑面、底滑面分别对应的抗剪断参数，程序计算得到的各层拱端作用力，代入抗剪断公式，分别计算各层、各侧滑面的K值，取其中每层最小K值为该层安全系数K。
4.2 已知条件
4.2.1 由拱坝应力计算得拱端力系计算结果如下表：
拱端力系表（单位：t）
工况 拱端 高程 849.7 843.0 827.2 811.4 795.6 779.8 763.8
正常蓄水位＋温降 左 拱端推力 -428.7 383.1 1290.1 1746.7 2153.1 2082.4 934.8
拱端剪力 11.6 -25.9 184.3 480.1 860.4 1494.9 2117.0
右 拱端推力 -138.0 531.1 1119.3 1642.8 2157.3 2231.6 1084.2
拱端剪力 -6.4 293.8 907.3 1645.2 2368.8 2414.7 1243.5
校核洪水位＋温升 左 拱端推力 813.3 1137.8 1304.4 1699.2 2116.4 2007.1 876.2
拱端剪力 -33.7 -395.5 -106.5 351.2 751.9 1347.5 1915.2
右 拱端推力 1653.2 1591.7 1105.7 1582.3 2131.6 2038.5 835.2
