水工建筑物课程设计肖新熙

1、水工建筑物课程设计 姓 名： 肖新熙 学 号： 2014010183 专业班级： 水利水电建筑工程（3）班 指导教师： 石莎 2016年 6 月 15 日目录设计计算说明书1.基本资料.1.1自然条件及工程.1.2坝址与地形情况.1.3工程枢纽任务与效益.2.枢纽布置.2.1枢纽组成建筑物及其等级.2.2坝线，坝型选择.2.3枢纽布置.3.非溢流坝剖面设计.3.1设计原则.3.2剖面拟定要素.3.3荷载计算及其组合.3.4抗滑稳定分析与计算.3.5应力计算.4.溢流坝段设计.4.1泄水方式的选择、布置原则.4.2工程布置.4.3溢流坝剖面设计.4.4消能防冲设计.5.细部构造设计.5.1坝顶构

2、造.5.2分缝止水.5.3混凝土标号分区.5.4坝体排水.5.5廊道系统.6. 地基处理设计.6.1清基开挖.6.2坝基加固.6.3防渗排水.6.4软弱带处理. 设计计算说明书2.枢纽布置2.1枢纽组成建筑物及其等级2.1.1根据枢纽的任务确定枢纽组成建筑物由课程设计任务书和水库的主要任务，枢纽主要建筑物挡水建筑物，泄水建筑物，为便于施工，还需要导流建筑物，施工围堰等临时建筑物。2.1.2确定建筑物等级表2-1 水利水电枢纽工程的分等指标工程等别工程规模分等指标水库总库容（亿m³）防洪灌溉面积（万亩）水电站装机容量（万千瓦）保护城镇及工矿区保护农田面积（万亩）一大（1）型>10

3、特别重要城市,工矿区>500>150>120二大（2）型101重要城市,工矿区501001505012030三中型10.1中等城市,工矿区10030505305四小（1）型0.10.01一般城镇,工矿区30550.551五小（2）型0.010.001<5<0.5<1因为任务书并未给出灌溉面积、保护农田面积以及水电站装容量，但已知大坝集水面积144.5km²，河底高程约556-557m，河中开挖深度5m，故计算此坝库容为：V=144.5×643.86-（556-5）×10³/1080.1342亿m³确定工程规模

4、为中型，工程等别为等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级. 根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000），确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。灌溉农田在50万亩以上，属于等中型工程。发电在20万千瓦。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：综合取水库工程等级为等中型工程。根据水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1 级。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为2 级，而洪水标准不提高。本设计中大坝高度未超过1

5、00m，故建筑物级别不提高。2.2坝线，坝型选择坝型，坝址选择是水力枢纽设计的重要内容，二者互相联系，不同的坝址可以选用不同的坝型。同一个坝址也应考虑几种不同的枢纽布置方案并进行比较。在选择坝型，坝址时，应研究枢纽附近的地形地质条件，水流条件和建筑材料，施工条件，枢纽布置等。2.2.1坝址、坝型比较与选择根据坝区水文气象以及地质条件，本水库枢纽可行性研究阶段，在选择坝型，坝址时选择如图所示：2.3枢纽布置2.3.1布置原则：通过对水文站历史洪水换算,坝址历史洪水两次,1933年洪峰流量1380m³/s和1934年洪峰流量1180m³/s.坝区水文气象和工程地质条件具备了修建

6、5060米坝高及成库条件,特别是坝址处河谷呈“V”型,两岸山体较雄厚,地形基本对称,较完整,两岸地形坡度为30°40°.流域内峰峦叠嶂,山体雄伟,四周分水岭为700m1856m的高山.地势西南高,东北低,河道两岸基岩裸露,河床堆积块石,孤石和卵石,坡降大,水流急,属山区性河流.河床宽2030m,坝址基岩岩性为燕山早期第三次侵入黑云母花岗岩,河岸边及冲沟底部见有弱风化基岩出露.河床冲积层厚度一般为2.02.5m,左岸覆盖层厚度为3-8m,右岸覆盖层厚度为0.55.0m,覆盖层主要为坡残积含碎石粘土层.3.非溢流坝剖面设计3.1.1 剖面设计原则1、设计断面要满足稳定和强度要求

7、；2、力求剖面较小；3、外形轮廓简单；4、工程量小，运用方便，便于施工。3.1.2 拟定基本剖面重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图31，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.60.8；底宽约为坝高的0.70.9 倍。 图3-1 重力坝的基本剖面图示3.1.3 拟定实用剖面一确定坝顶高程1、超高值h 的计算（

8、1）基本公式坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差h，可由式（3-1）计算。h = h + hz + hc （3-1）h坝顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；h 波浪高度，m；hz 波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；hc 安全加高，按表31 采用,对于级工程，设计情况hc0.4m，校核情况hc0.3m。表31 坝的安全加高hc运用情况坝的级别1   2 3设计情况（ 基本情况）0. 70. 50. 4校核情况（ 特殊情况）0. 50. 40. 3 下面按官厅公式计算h， hz。

9、（适用于V0小于m/s，小于km的峡谷水库)V0 为计算风速，m³/s，库水面以上10m高处的风速.在正常运用条件下的 ,级坝,采用多年平均最大风速的1.5-2.0倍；、级坝，采用多年平均最大风速。在本设计中大坝属于级中坝故采用多年平均最大风速14.5m³/s.D 为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位和校核蓄水位均取14km。首先计算波浪高度hl 和波浪长度L 和波浪中心线超出静水面的高度hz。 （1）设计洪水位时h 计算风速采用多年平均最大风速14.5m³/s，吹程D=14km。波浪三要素计算如下：波高h=0.0166 V05/4 D1/3=0.0166&#

10、215;14.55/4×141/3=1.132m波长L=10.4(h1)0.8 =10.4×1.1320.8=11.48m壅高hz=hl2/L=3.14×1.1322/11.48=0.35m hz = 0.35m ； hc = 0.4mh = h + hz + hc=1.132+0.35+0.4=1.1882m （2）校核洪水位时h 计算风速采用多年平均风速14.5m/s，D=14km。波浪三要素计算如下：波高hl=0.0166 V05/4 D1/3=0.0166×14.55/4×141/3=1.132m波长L=10.4(h1)0.8 =10.

11、4×1.1320.8=11.48m壅高hz=hl2/L=3.14×1.1322/11.48m=0.35m； hz = 0.35m ； hc = 0.3mh = h1 + hz + hc=1.132+0.35+0.3=1.0882m2、坝顶高程计算坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值坝顶高程=设计洪水位+h 设坝顶高程=校核洪水位+h 校 （3-5）根据以上两种水位时h 计算结果，得出两种状况下坝顶高程。 （1） 设计洪水位时的坝顶高程：坝顶=设计洪水位+h=642.88+1.1882=644.0682m （2）校核洪水位时的坝顶高程：坝顶=校核洪水位+h=643.8

12、6+1.0882=644.9482m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值坝顶644.9482m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为644.9482m。3.2剖面拟定要素3.2.1确定坝基高程河床高程556m，校核洪水位为643.86m，坝址地质构造主要表现为断层、节理裂隙。坝址发育11条断层。建议开挖深度：河中5m，左岸6-12m，右岸6-15m。故坝基的最低开挖高程为=551m。坝高H=坝顶高程-坝底高程=644.9482-551=93.9482（m）。坝高小于100m，属于中坝。防浪墙高程=坝顶高程+1.2=644.9482+1.2=646.1482（m）。3.2.2拟定坝

13、顶宽度坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%10%取值，且不小于2m 并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的10%计算，即为9.39482米。坝顶宽度B=（8%-10%）H=10%×93.9482=9.39482m。3.2.3拟定剖面尺寸根据规范SL319-2005规定，非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。实体重力坝上游坝坡宜采用1010.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及

14、下游坝坡优选确定。下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用10.610.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面铅直的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0，下游坝坡取1：0.7。3.2.4坝底宽度拟定坝底宽度约为坝高的0.70.9 倍，本工程的坝高为93.9482m，通过

15、已经确定的上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度T=（0.7-0.9）H=0.85×93.9482=79.85597（m）。3.2.5基础灌浆廊道尺寸拟定高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为2.53m，高为34m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.050.1 倍作用水头、且不小于45m 处设置，本次设计取8m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊

16、道宽度，取5m。 图3-2 非溢流坝段剖面尺寸图3.3 荷载计算及其组合重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-3-1 所示。 表3-3-1 荷载组合荷载组合主要考

17、虑情况荷载自重静水压力扬压力泥沙压力浪压力地震荷载动水压力土压力基本组合（1）正常蓄水位情况（2）设计洪水位情况特殊组合（1）校核洪水位情况（2）地震情况注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。6.表中的“+”表示应考虑的荷载。 图3-3-1 重力坝荷载计算示意图（1）自重W坝体自重的计算公式： W =Vc（kN）

18、 （3-6）式中 V坝体体积，3；由于取1坝长，可以用断面面积代替 c 坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3）四种情况下自重相同。W11=c V1 V1=H×B×1 W11 =24×93.9482×9.39482=21183（KN)W12=c V2 V2=（T-B)×H（T-B)×1/2T W12=24×（79.85597-9.39482）×93.9482×（79.85597-9.39482）/2×79.85597=70090.9（KN）W1=W11+W12+=21183+70

19、090.9=91273.9（KN）（2）静水压力P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为水平水压力PH和垂直水压力PV 两种。计算各种情况下的上下游水深：根据所给图： 图3-3-2某水库坝址水位流量关系曲线表3-3-2 经调洪演算得到的水利水能资料上游水位（m）最大下泄流量（m³/s）正常642.000设计642.881059.4校核643.861137.94根据图中设计洪水上游水位和校核洪水上游水位最大下泄流量可以定出设计洪水下游水位为565.11m，校核洪水下游水位为567.64m.根据水力学公式：可算出堰上水头9.7m，则下游正常蓄水位=下游设计洪水位-堰上水头=

20、565.11-9.7=555.41（m）。表3-3-3 不同情况下上下游水深特征水位上游水深H1 （m）下游水深H2（m）上下游水位差H(m)正常蓄水位91.004.4186.59设计洪水位91.8814.1177.77校核洪水位92.8616.6476.22计算各种情况下静水压力：水平水压力PH 计算公式为： （3-8）式中： 计算点处的作用水头，；w 水的重度，常取9.81 kN3；垂直水压力PV 按水重计算。a.正常蓄水位：上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×（642.00-551）²×1=40618.305kN （） b.设计洪水位：

21、上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×（642.88-551）²×1=41407.69kN （）下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×14.11×14.11=976.54675kN （） 上游垂直水压力： 0下游垂直水压力：PV3=W3=1/2×9.81×14.11×14.11×0.7=683.583kNc.校核洪水位：上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×（643.86-551）²×1=42295.7kN （）下游

22、水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×16.64×16.64=1358.14kN （） 上游垂直水压力：0下游垂直水压力：PV3=W3=1/2×9.81×16.64×16.64×0.7=950.7kN(3) 扬压力U扬压力计算公式：U=1/2w×H×T×1.a.设计洪水位： U=1/2×9.81×77.77×79.85597=30462kN b.校核洪水位：U=1/2×9.81×76.22×79.85597=29854.88kN3

23、.4 抗滑稳定分析与计算重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法进行计算。1.抗剪强度计算公式如下： （3-9）接触面间的摩擦系数；接触面以上的总铅直力；作用在接触面上面的扬压力；为接触面以上的总水平力。设计洪水位时：KS =1.095而查表知,显然，满足抗滑稳定要求。校核洪水位时：KS =1.0969而查表知,显然，满足抗滑稳定要求。 表3-4-1 抗滑稳定安全系数K2.抗剪断强度计算公式如下： （3-10）式中：K 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f=0.75；c 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c=500KPa；A 坝基接触面截面

24、积，m2。W 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；P 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；由本课程设计任务书已知抗剪断摩擦系数1.0-1.1，抗剪断凝聚力0.9-1.1MPa.按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于表3-4-2的规定。表3-4-2 坝基面抗滑稳定安全系数K荷载组合K基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.3（1） 基本组合a.设计洪水位：单一安全系数法：KS=3.4961<3.0不满足规范要求。（2）特殊组合b.校核洪水位：单一安全系数法：KS=3.47421<2.5符合安全要求.3.5 应力分

25、析用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。当采用材料力学法分析坝体应力时，SL319-2005混凝土重力坝设计规范规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合水工建筑物抗震设计规范（SL203-97）的要求；重力坝坝体应力应符合下列要求：1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应

26、力值。3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合水工建筑物抗震设计规范（SL203-97）的要求。同样采用单一安全系数法分析水平截面上的正应力。因为假定按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力 和。其计算公式如下： （3-11）作用于计算截面以上的全部荷载的铅直分力总和，KN；作用于计算截面以上的全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，；计算截面的长度，m。4.溢流坝段设计4.1 泄水方式的选择、布置原则(1) 由资料可得该重力坝的洪峰流量比较大，设计洪水最大下泄流量1059.4m³/s，校核洪水位最大下泄流量1137.94m³/s。(2) 坝址左岸陡

27、峭，右岸为顺向坡，采用了右岸饮水式厂房，两岸没有布置溢洪道的条件，加上选择了混泥土重力坝，所以采用河床坝身泄洪方式。(3) 下游河床地质条件较好，可以采用挑流消能。溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。故本设计采用开敞溢流式孔口形式，堰顶设闸门。4.2 工程布置4.2.1溢流表孔(见附页计算说明书）根据水力学公式 （4-2

28、）4.3溢流坝剖面拟定溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体形简单，造价低，便于施工。本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。其上游面为铅直面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。定型设计水头的确定：堰顶最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=643.86-633.18=10.68m定型设计水头Hd 为Hd=（75%95%），取Hd=9.078m，由Hd/Hmax=9.078/10.68

29、=0.85。考虑到在校核洪水位闸门全开时出现的负压不得超过3-6m的水柱，由上计算得知Hd/Hmax=0.85，查水工建筑物P38表2-14得知：表4-3-1Hd/Hmax0.750.7750.800.8250.850.8750.900.951.00最大负压值（m）0.5Hd0.45Hd0.4Hd0.35Hd0.3Hd0.25Hd0.20Hd0.10Hd0.0Hd 可知在校核洪水位闸门全开时产生的负压为0.3Hd=0.3×9.078=2.7234m水柱高，在允许范围内，满足设计要求。（一）坝顶曲线段溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克奥曲线和WES 曲线。本工程选用

30、WES 曲线。首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点。WES 型堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。该设计上游段曲线采用三圆弧型曲线。图4-3-1 溢流坝段三圆弧段及直线段堰顶O 点上游三圆弧的半径及其坐标值为：R1=0.5Hd=4.539； x1=-0.175Hd=-1.58865R2=0.2Hd=1.8156； x2=-0.276Hd=-2.505528R3=0.04Hd=0.36312； x3=-0.282Hd=-2.559996下游段的曲线方程为： x1.85 = 2.0Hd0.85 y按上式算得的坐标值如下表表 4-3-2 计算WES 下游曲面坐标值表xyxyxy1

31、0.0766862.10998116.47520.2764372.806127.60630.585383.5929138.8240.9965394.4671410.11651.5058105.42851511.49（二）中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取0.7。直线与幂曲线相切时，切点C的坐标为（xc，yc）：对堰面曲线求一阶导数dy/dx=0.076687×1.85x0.85=0.14x0.85.直线CD的坡度为dy/dx=1/0.7，故有0.14x0.85=1/0.7.X=15.367m由上可得直线段与幂曲线的切点C的坐标为（15.367,

32、12.02）.（3） 反弧段（1）反弧半径：溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施。通常采用圆弧曲线，反弧半径R 按经验公式（4-1）计算：R=Fr3/2 h (4-1)Fr = v/式中：Fr 为反弧最低点处的弗劳德数。v=q/h (4-2) (4-3) 式4-3 为迭代公式，迭代初值取h=0。E0 为上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游水位齐平。E0=643.86-565.11=78.75m=0.92，q=65m3/s.初始令h=0， h0 =1.79743 h1 = = 1.8183 h2 = =1.818543h3=1.818545h4=1.818545 故

33、v=35.74286m/s Fr = = =8.46 R=Fr3/2 h=×8.463/2 1.818545=29.8324m 对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径： R=（4-10）h 式中：R-反弧段半径；h-为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m；反弧段流速V<16m/s时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用最大值，以致取上限。V=q/h=35.74286m/s>=16m/s，故取R=9h=9×1.818545=16.366905m。综合考虑，故取R=16.5m. （2）挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角也增大，水下射程减小。同时入水角增

34、大后，冲刷坑深度增加。一般在20 o25 o 之间，在此取25o 。（3）挑坎高度：挑坎应高出鼻坎附近下游最高水位12m 为宜。计算时按设计洪水位情况考虑。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高点与最低点间距离为R(1-cos)。故挑坎高度h2=565.11-551+1.5+16.5×（1-cos25°）=17.1559m（4）反弧段坐标确定圆心O距坝底距离yo17.1559+16.5×cos25o=32.11m圆心O距C 点距离xo=R16.5×20.141m.根据以上数据，就可以确定溢流坝曲面了。下图就是本次设计的溢流坝曲面。（5）反弧段与非溢流坝下游

35、面切点的坐标确定 图4-3-2 溢流坝剖面拟定图4.4消能防冲设计由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。水工建筑物及混凝土重力坝设计规范可知消能的设计原则是：1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；4）结构简单，工作可靠，工程量小。4.4.1 确定消能形式（1）挑流消能:挑流消能是

36、利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中, 冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。（2）底流式消能:底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.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及水流雾化等优点。 但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道

37、,高坝采用底流消能需经论证。（3）面流式消能:面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流坝址设置

38、一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。（5）最终确定消能型式分析比较以上消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于中坝，下游地质条件比较好的情况，决定选用挑流消能。4-4-2 挑流鼻坎

39、设计（1）挑流鼻坎有连续式和差动式，该设计选用连续式鼻坎；（2）经计算，鼻坎高程566.61m；（3）反弧半径R=16.5m；（4）根据实际工程情况，该设计挑射角取=25°；4-4-3水舌挑距L 的估算水舌挑射距离按水舌外缘计算（图4-2），其估算公式为式中：L 水舌挑距，m；v1 坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1 倍计算，即v1=1.1v=1.12gH0.（H0为库水位至坎顶的落差，为堰面流速系数）.鼻坎的挑角；h1 坎顶平均水深h 在铅直向的投影，h1=hcos；h2 坎顶至河床面高差，m；式（4-4）v1 按下列公式计算：把数据带入式中，计算按设计洪水位情况考虑，得到：K

40、E= =0.03 1 =0.88 V1=1.1V=39.148m/sh1=17.1559=15.5485m h2=565.11-551+1.5+16.5×（1-cos25°）=17.1559m代入各参数计算得 L= =66.53845899（m）4-4-4冲刷坑深度的估算冲刷坑深度工程上常按式（4-8）进行估算。式中：tk 水垫厚度，自水面算至坑底，m；q 单宽流量，m3/（s.m）；q=65m3/（s.m）H 上下游水位差，m； H=77.77m冲坑系数，坚硬完整的基岩取0.91.2，坚硬但完整性较差的基岩取1.21.5，软弱破碎裂隙发育的基岩取1.52.0。该设计取0.

41、9。tk=0.9×650.5×77.770.25=21.54776 m；L/tk=66.53845899/30.1=3.08795，一般要求L/tk>2.55，满足要求。挑流消能抗冲击算图因非溢流坝段应力和稳定均满足要求，故溢流坝应力稳定不再做详细分析。考虑到溢流坝下泄水流会产生掺气现象，故需要在溢流坝两边设置导墙。初步估算导墙高出坝面2m。5.细部构造设计5.1 坝顶构造坝顶路面应具有23的横向坡度，并设置砼排水沟(30×30cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采

42、用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔25m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。5.2 分缝止水一、坝体分缝1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、纵缝：适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，

43、槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。 3、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.54.0m；在靠近基岩面附近用0.751.0m 的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。二、止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.01.6mm 后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.52.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为2025cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证

44、施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.01.5m，厚510cm（本设计采用1m×10cm），沥青井尺寸大致为15cm15cm 至25cm25cm（本设计采用20cm×20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为1520cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约3050cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。图5-1 止水设计1第一

45、道止水铜片；2沥青井；3第二道止水铜片；4预制块；5横缝6沥青油毡；7加热电极5.3 混凝土标号分区砼重力坝坝体各部分的工作条件及受力条件不同,对砼材料性能指标的要求也不同,为了满足坝体各部分的不同要求,节省水泥用量及工程费用,把安全与经济统一起来，通常将坝体砼按不同工作条件进行分区,选用不同的强度等级和性能指标,一般分为6 个区,见下图（5-2）。图5-3 坝体混凝土分区示意图 区上、下游水位以上坝体表层砼，其特点是受大气影响；区上、下游水位变化区坝体表层砼，既受水位的作用也受大气影响；区上、下游最低水位以下坝体表层砼；区坝体基础砼；区把体内部砼；区抗冲刷部分的砼。为了便于施工，选定各区域砼等级时，各类别应尽量少,相邻区的强度等级不得超过两级，分区的厚度一般不得小于25m，以便浇筑施工，分区对混凝土性能的要求见下表，表中“+”表示选择各区同等级的主要控制因素，有“+” 的表示需要提出要求；有“-”的为不需要提出要求。表5-3 坝体各区对混凝土性能的要求分区强度抗渗抗冻抗冲刷抗侵蚀低热最大水灰比选择各区厚度的主要因素严寒寒冷地区温和地区I+-+-+0.550.60抗冻II+-+0.45