清水河水利枢纽重力坝设计

1、清水河水利枢纽重力坝设计第一章 基本资料一、气象、水文 清水河流域属亚热带高原气候区，由于大气环流和流域地形影响，气候类型较为复杂，垂直变化十分明显，多年平均气温为14.1。 流域内降水较多，但年内及地区分配极不均匀，年降雨量为1130mm，410月占全年降水量的86.5%。支流独木河上游为多雨区，多年平均降雨量超过1200mm。每年58月为暴雨集中的季节，降雨量占全年的60%。 坝址集雨面积为4328km2,多年平均流量76m3/s,多年平均来水量23.97亿m3，径流系数0.48。 流域洪水特性与暴雨特性和流域自然地理条件密切相关。洪水过程一般从5月份开始，到10月份结束，汛期洪水较为频繁

2、，年最大洪峰多出现在67月份。设计洪水标准（p=1%），洪峰流量为5240m3/s，相应3天为洪量6.0亿m3。校核洪水标准（p=0.1%）时，洪峰流量为7430m3/s，相应3天洪量为8.4亿m3。坝址多年平均年输沙量52.8吨，主要集中在汛期，占全年输沙量的92.8% ，其中57月份大来沙量占全年的73.8% 。二、工程地质 电站地处云贵高原的黔中地区，区域内硫酸盐岩广布，属中的山岩溶山地地貌，地层自寒武系至三达系均匀分布。区域地处黔北台隆、遵义断拱南部，属扬子准台地中稳定的iii及构造单元，自中更新世以来，区域内无断裂活动迹象，构造环境稳定，地震烈度为6度。 水库河段均属峡谷型水库。库区

3、构造以南北向为主，北东向和北西向断裂也很发育。南明河近坝6km库段大部为横向谷，上游库段为走向谷，左岸为顺向坡；独木河库段大部分为走向谷，右岸为顺向坡。 水库两岸山体雄厚，其间分布有多层隔水层和相对隔水层，不存在内邻谷渗透问题。 水库库岸多为坚硬的灰岩、白云岩组成，一般稳定性好。局部以软岩为主的走向谷顺向坡地段，风化后抗剪强度好抗冲刷能力降低，蓄水后可能产生顺层塌滑，除近坝的南明河口左岸边坡外，其余边坡距坝址较远，规模不大，对库容和工程建设无影响。 工程枢纽区河段，河谷断面呈不对称“v”型，左岸较缓，右岸较陡。河床及两岸坡出露底层主要为吴家坪组（p2w）中厚层燧石条带灰岩、夹泥页岩、钙质页岩和

4、少量泥灰岩，其中软岩占总厚度的19%，河床基岩大部裸露，岩层缓倾上游偏右岸。该地层属弱岩溶含水层，在垂直层面方向可取相对隔水作用，防渗处理简单。 坝址附近天然建筑材料丰富，开发及运输条件较好，坝址下游2km处有公路通过，距左右岸坝肩也仅12km。3、 设计标准 电站正常蓄水位初拟为835m，装机容量60mw，保证出力10.1mw，多年平均发电量2.51亿kwh,装机年利用小时为4183h。 电站工程规模为大（二）型，属二等工程，主要挡水及泄水建筑物为2级，厂房为3级建筑物，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。大坝及泄水建筑物正常运用洪水为100年一遇（p=1%），非正常运用洪水标准为1000年

5、一遇（p=0.1%）；厂房正常运用洪水标准为100年一遇（p=1%），非正常运用洪水标准为200年一遇（p=0.5%）。4、 水库、水能参数 正常蓄水位 835m水库死水位 820m装机容量 2×30mw电站引用流量 129.4m3/s最大水头 64m最小水头 42.8m 平均水头 55.5m 设计洪水：100年一遇，坝址相应洪峰流量5240m3/s，相应下泄流量4593m3/s，设计洪水位836.1m，相应下游水位792.75m。校核洪水：1000年一遇，坝址相应洪峰流量7430m3/s，相应下泄流量6654m3/s，设计洪水位841.68m，相应下游水位796.27m。五、工程地

6、质岩体力学指标坝基（肩）岩体力学指标及岩体质量分类表地层代号岩性风化分级容重 st(t/m3)承载力(mpa)泊松比变模eo(103mpa)抗剪断强度质量分类岩/岩岩/砼f'c'(mpa)f'c'(mpa)p2w中厚层含燧石条带灰岩夹页岩和泥灰岩微风化2.60 4.5 0.25 8 0.90 0.80 0.80 0.70 ap2c含燧岩结核灰岩微风化2.65 6.0 0.23 12 1.20 1.00 1.10 0.90 at1d1页岩夹薄层灰岩弱风化2.30 1.0 0.35 2 0.55 0.20 0.50 0.10 ct1d2薄层灰岩夹页岩弱风化2.40

7、2.0 0.30 3 0.65 0.30 0.60 0.20 cp1m中厚层灰岩微风化2.60 6.0 0.23 12 1.20 1.00 1.10 1.00 a第二章 非溢流重力坝的设计一、非溢流坝剖面的确定（1） 基本剖面的设计 根据重力坝的荷载特点与工作特点，基本剖面为三角形，如图2-1所示。图2-1基本剖面1、 坝底宽度的计算表2-1 正常蓄水位时的各项参数上游水深h1下游水深h2上下游水位差h上游坝坡坡率n下游坝坡坡率m坝底宽度b扬压力折减系数抗剪断参数f'抗剪断凝聚力c'98m18m80m00.68367m0.251.11.0 坝体自重： 上游水压力：下游水压力：扬

8、压力：抗滑稳定安全系数:满足稳定要求（二）、实用剖面的确定图2-2 实用剖面 1、坝底宽度：根据工程实践经验，下游坝坡坡率m=0.6-0.8，为提高坝的安全性，取m=0.8，则坝底宽度b=78.4。 2、坝顶宽度d=8%×98=7.84，所以取把顶宽度为8m。 3、坝顶高程： 1）正常蓄水位时 风速v=20m/s 吹程d=5b=5×125=625m波高：波长：壅高：因为 ,所以，所以坝顶高程为836.404 2）校核洪水位时 风速v=20m/s 吹程d=5b=5×153=765m波高：波长：壅高： 因为 ,所以，所以坝顶高程为842.99所以，相比之下，取坝顶高程

9、为842.994、廊道：选用城门洞形，宽7m,高7m,廊道底面距坝基面为10m,即高程为747，廊道上游面距上游坝面5m。5、帷幕灌浆：根据要求，帷幕中心线距上游坝面7m，设置一排帷幕，孔距4m二、坝体强度和稳定承载能力极限状态验算1、荷载组合：自重+静水压力+扬压力+淤沙压力+浪压力2、荷载组合计算：图2-3 校核洪水位坝基面荷载计算简图1）、坝体自重: 2)、静水压力表2-2 校核洪水位时的各项参数上游水深h1下游水深h2上下游水位差h上游坝坡坡率n下游坝坡坡率m坝底宽度b扬压力折减系数104.62m59.27m45.35m00.878.40.25上游水压力：下游水压力：3）、扬压力 4）

10、、淤沙压力： 坝前泥沙淤积高度: 淤沙的容重: 取 淤沙的内摩擦角: 取则淤沙压力: 5)、浪压力：坝前水深，所以浪压力按深水波计算浪压力 ： 3、校核洪水位时 （1）、承载能力极限状态1）、坝体混凝土与坝基面的抗滑稳定性极限状态作用效应函数 抗力函数 因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数，设计状况系数结构系数则 经过计算可知，该重力坝在校核洪水位情况下坝基面的抗滑稳定性满足要求 2)、坝趾抗压强度极限状态 因为结构安全级别为2级，则结构重要性系数，设计状况系数 结构系数 选用混凝土。表2-3 坝基面上的荷载作用荷载符号大小(kn)作用点距坝基面形心距离（m）产生力矩（kn.m）力矩和（k

11、n.m）自重w192198.40013.0671204719.613-783939.164w22494.08035.20087791.617静水压力p153632.19034.873-1870331.452p217213.37019.757340077.666扬压力u1777.75035.700-27765.675u2666.64536.867-24576.935u47933.0768.400-66637.834浪压力pl14.630105.990-1550.634淤沙压力ps1949.51011.777-22958.716下游水重w17213.37123.395-402706.8145注：力

12、矩以逆时针为正。 作用效应函数: 抗力函数：则 所以经计算，该重力坝在校核洪水位情况下坝趾抗压强度满足要求 （2）、正常使用极限状态 以坝踵垂直应力不出现拉应力为正常使用极限状态作用效应函数: 正常使用极限状态设计式为： 所以经计算，该重力坝在校核洪水位情况下坝踵垂直应力不出项拉应力。 该重力坝经过稳定验算，满足抗滑稳定要求。三、坝体应力计算(一)正常蓄水位时坝体边缘应力计算表2-4 正常蓄水位时的荷载作用荷载符号大小(kn)距坝基面形心距离（m）产生力矩（kn.m）力矩和（kn.m）自重w192198.413.071204719.6-488653.516w22494.0835.287791.

13、62水压力p147107.6232.67-1538865p21589.2269535.32扬压力u1137235.7-48980.4u2205836.87-75878.46u46997.28.4-58776.48浪压力pl14.63105.99-1550.634淤沙压力ps1949.5111.78-22958.72下游水重w1270.0834.4-43690.751、不计扬压力 上游面垂直正应力：下游面垂直正应力： 上游面剪应力： 下游面剪应力： 上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上游面主应力： 下游面主应力： 2、计入扬压力时 上游面垂直正应力：下游面垂直正应力： 上游面剪应力： 下游

14、面剪应力： 上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上游面主应力： 下游面主应力： （二）、正常蓄水位时坝体内部应力的计算图2-4 坝内主应力计算简图1、坝内垂直正应力根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的为：其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。当x=0时，当x=b时， 2、坝内剪应力 根据呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力呈二次抛物线分布，即： 其中，、由边界条件确定。 所以： 3、坝内水平截面正应力 根据在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应力 呈三次抛物线分布，即： 其中、可由边界条件确定。由于的三次抛物线分布与直线相当接近。因此，可近似地作为直

15、线分布，即： 所以： 4、坝内主应力 、 5、将坝底四等分，分别计算各等分点的主应力 1）、a点的应力：x=19.6m 2）、b点的应力：x=39.2m 3）、c点的应力：x=58.8m 所以，经过计算，在正常蓄水位时坝体应力没有出现拉应力，满足应力要求。（三）、校核洪水位时坝体边缘应力的计算 表2-5 校核洪水位时的荷载作用荷载符号大小(kn)作用点距坝基面形心距离（m）产生的力矩（kn.m）力矩和（kn.m）自重w192198.40013.0671204719.613-783939.164w22494.08035.20087791.617静水压力p153632.19034.873-1870

16、331.452p217213.37019.757340077.666扬压力u1777.75035.700-27765.675u2666.64536.867-24576.935u47933.0768.400-66637.834浪压力pl14.630105.990-1550.634淤沙压力ps1949.51011.777-22958.716下游水重w17213.37123.395-402706.81451、不计扬压力的情况 上游面垂直正应力：下游面垂直正应力： 上游面剪应力： 下游面剪应力： 上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上游面主应力： 下游面主应力： 2、计入扬压力的情况 上游面垂直正

17、应力：下游面垂直正应力： 上游面剪应力： 下游面剪应力： 上游面水平正应力： 下游面水平正应力： 上游面主应力： 下游面主应力： （四）校核洪水位时坝体内部应力的计算1、坝内垂直正应力根据在水平截面上呈直线分布的假定可得距下游坝面x处的为：其中a、b由边界条件和偏心受压公式确定。当x=0时，当x=b时， 2、坝内剪应力 根据呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力呈二次抛物线分布，即： 其中，、由边界条件确定。 所以： 3、坝内水平截面正应力 根据在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可得出水平正应力 呈三次抛物线分布，即： 其中、可由边界条件确定。由于的三次抛物线分布与直线相当接近。因此

18、，可近似地作为直线分布，即： 所以： 4、坝内主应力 、 5、将坝底四等分，分别计算各等分点的主应力 1）、a点的应力：x=19.6m 2）、b点的应力：x=39.2m 3）、c点的应力：x=58.8m 经过计算，在校核洪水位时坝体应力满足要求第三章 溢流重力坝的设计一、堰顶高程的确定（一）基本资料 1、泄水方式的选择：为使水库有较好的超泄能力，采用开敞溢流式孔口。2、洪水标准的确定；本次设计的重力坝是二级建筑物，根据规范查山区、丘陵区水利工程建筑物洪水标准，采用100年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水校核。 3、设计资料：设计洪水位情况下，溢流坝的下泄流量为4593 m3/s ；校核

19、洪水位情况下，溢流坝的下泄流量为6654 m3/s，电站引用流量129.4 m3/s4、初步拟定采用曲线型实用堰（二）计算 1、计算公式通过溢流孔的下泄流量： 初拟闸孔总净宽: 设计闸孔总净宽： 溢流前缘总长： （m）式中：经过电站和泄水孔等的下泄流量；系数，正常运用时取0.750.9，校核运用时取1.0；单宽流量m3/s.m，对一般软弱岩石常取3050m3/s.m左右，对地质条件好、下游尾水较深和采用消能效果较好的消能工，可以选取较大的单宽流量。 孔口数，孔口宽为b，则孔口数，一般选用略大于计算值的整数。 闸墩的厚度，中间闸墩约为孔径的 ，边闸墩约为。 闸墩侧收缩系数，与墩头有关，根据规范s

20、l282-2003中可取=0. 900.95; 流量系数，曲线型实用堰的流量系数主要取决于上游眼高于设计水头之比、堰顶全水头与设计水头之比以及堰上游坡度。重力加速度，9.81； 堰顶水头，m。2、计算表3-1 设计洪水位和校核洪水位时的各项参数计算计算情况q总（m3/s）q溢设（m3/s）q（m3/s.m）b（m）设计l(m)n实际l(m)实际q（m3/s.m）l。（m）设计洪水45934495.951251535.973.04599.9151取流量系数, 侧收缩系数，则根据 可得1）、设计洪水位时： 则设计洪水位时的堰顶高程为设计洪水位减去，则设计洪水位时的堰顶高程为：823.145 2）、

21、校核洪水位时： 则校核洪水位时的堰顶高程为：824.677所以取堰顶高程为：823.145二、消能防冲设计通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨蚀，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地址条件，枢纽布置，坝高、下泄流量等综合考虑。溢流坝常用的消能方式是：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。 挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范围、和流量分布

22、，对尾水变幅适应性强，结果简单，施工、维修方便。工程量小。但下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化较大。挑流消能适用于基岩比较坚固的中、高水头各类泄水建筑物，应用较广泛，较经济。底流消能：底流消能是通过水跃，将泄水建筑物泄出的急流转变为缓流，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面漩滚与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，多用于中、低水头。但护士坦较长，土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都较大，与挑流消能比较，底流消能在经济方面往往不利。故：选用连续式挑流消能（一）、挑流鼻坎的设计 挑流鼻坎的型式

23、多样，采用连续坎。根据试验，鼻坎挑射角度一般采用，本次设计采用。鼻坎高程一般高出最大下游水位12m，所以鼻坎高程为：。鼻坎反弧半径一般采用，为鼻坎上有水深(二)、水舌挑射距离和冲刷坑深度的计算 1、水舌挑射距离按水舌外缘计算，其估算公式为： 其中：为水舌挑射距离（m）；为重力加速度（）；为坎顶水面流速（m/s），约为鼻坎处平均流速的1.1倍；为挑射角度；为坎顶平均水深h在铅直向的投影，；为坎顶至河床面的高差（m）。 1）、鼻坎处水流平均流速用水力学第二册的挑流消能的计算公式 式中：堰面流速系数 库水位至坎顶的高差 因为 ，其中b为鼻坎处水面宽，h为坎顶平均水深 所以 所以反弧半径2）、坎顶平均水深： 3)、坎顶至河床面的高差： 4）、坎顶水面流速：