水电站水利枢纽布置施工

1、PAGE PAGE 95库崖水利枢纽布置及工程估算杨登科第一章 基本资料(一) 流域概况与气候条件1、流域概况该水电站位于S河流的上游，电站坝址以上的流域面积为20300kln2，其上游38km处的水库末端为一个多年调节电站B电站。本电站属于该河流梯级电站中的一个。B电站10频率的洪水泄量为5250m3s，3.3频率的洪水泄量为6000m3s，1频率的洪水泄量为6900m3s，0.1频率的洪水泄量为9950m3s，保坝洪水泄量为17000m3s。B电站到本电站之间的流域面积为1300km2，有两条较大的支流汇入：第一条支流控制流域面积534km2，第二条支流控制流域面积456krn2。此二大支

2、流占全区间面积的76，且流经山谷之中，河道的平均比降6左右。流域内为山林区，植被尚好。由于两支流长度相近，暴雨后的洪水集流较快，区间流量较大。2、气候条件本电站处于高寒地区，冬季较长，积雪较深，夏秋季多雨。坝址处年降雨量变化在6001 100mm，多年平均雨量为854mm。夏秋季(6-9月)雨量约占全年雨量的60-70，年蒸发量为850-1 174mm。从现有气象观测资料中统计，坝址处多年平均气温为3，最低气温36.5，最高气温38(见表317)，最大风速22.3ms(风向西北)，此时水库吹程4.6km。电站所处河段冰期较长，一般在10月中旬开始见冰，11月上旬开始流凌，11月下旬开始封冻，到

3、次年4月上旬开江，4月中旬进入无冰期，整个冰期可达56个月。 表3-17 坝址处气温统计表 （单位：）月 份平 均最 高最 低1月-19.24.0-36.52月-15.312.0-31.73月-5.419.0-28.64月4.927.0-10.85月13.131.6-10.86月17-633.03.07月31.637.09.48月21.037.00.89月13.036.0-2.010月5.327.0-12.011月-5.516.1-24.012月-15.28.5-33.5全 年3.038.0-36.5(二) 水文站与径流资料坝址附近有一水文站，位于坝址下游2km处，1936年建站，1945年-

4、1950年缺测，新中国成立后继续观测。上游的B电站水文站位于本电站坝址上游约38km处，1957年建站，一直连续观测。B水电站至本电站区间各支流均未设站进行观测。因此，区间的洪水参数主要根据邻近地区河流的水文观测资料综合分析得出。由于B电站水库已经蓄水发电，本电站的天然来水被调节，其年月径流主要是根据B电站水库调节后的径流和B电站坝址至本电站坝址区间的径流叠加而成。B电站水文站的年月径流资料经插补延长可得到1933年以来约奶余年的径流系列，其多年平均流量为239m3a。本电站的年月径流资料经插补延长亦可得到40余年，其多年平均径流量为258m3s。B电站至本电站间未进行过专门水文观测，仅有干流

5、两站1957以后同步对应的观测资料，区间的径流由两站相减而得。(三) 设计洪水分析成果本水电站的设计洪水重点是研究区间的设计洪水。由于该区间未进行水文观测，而由上下游站相减所得的洪水资料精度太差，因此采用地区综合分析法，在本流域附近选用了六个参证站，进行统计分析，从而得出区间的洪水参数与设计成果，详见表3-18。造成本电站以上流域的特大暴雨天气，主要是北上台风。其暴雨特点是降雨历程短，暴雨集中，强度较大，主要降雨历时集中在24h内。区间的洪水一般集中在3d内，因此设计洪水过程线以3d洪量为控制。表 11 B电站至本电站区间设计洪水成果表项 目各种频率（P%）及对应流量值0.010.020.10

6、.20.330.5123.351020洪峰流量4840445034503040274025002110172014601220872540三天洪量2.712.552.121.941.811.701.521.331.21.080.880.68注：流量的单位为：m3/S，洪量单位：108m3三天流量的均值为0.45 m3/S,CV=0.72, CS/CV=2.0根据本电站暴雨洪水季节分布特点和施工情况，确定分期洪水为汛前期(4月15日-7月15日)，大汛期(7月15日9月15日)，大汛后(9月15日-封冻时)三个时段。施工洪水的计算方法与大汛期设计洪水相同，也是采用临近站作为参考综合分析出区间的施

7、工洪水，其成果见表3-19。表1-2 分期洪水成果表时 间4月15日 7月15日9月15日 封冻时P（%）5102051020QP（m3.S-1）3082612081047757(四)工程地质条件省地震局在本电站的地震基本烈度报告中认为，该电站靠近地震活动带，历史上和近期均有地震发生，现今地震活动频繁，该区具有一定的发震构造条件，本电站地震烈度以7度为宜。水库两岸山体雄伟高峻，无低凹哑口和单薄分水岭。构成库区的主要岩石为前震旦纪结晶岩类和少量后期穿插的岩层，均系不透水岩石。两岸玄武岩和地下水位分布高程均高于正常水位，故水库蓄水后无永久性渗漏的可能性。库区河谷狭窄，库边一般为基岩河岸，第四纪覆盖

8、不厚，植被茂密，不至产生大的坍岸，固体径流来源有限。坝区河谷呈U形，河谷底宽300-400m，平水期河床宽170m左右，水深1-2m。两岸分布有不对称的漫滩与阶地，谷坡20-35。两岸山顶为玄武岩台地，比河床高200m-250m左右。坝址上游右岸漫滩长约600m，宽约80m，高出江面水位0.5-1m。左岸漫滩宽约50m左右，一级阶地宽60-70m，比河床高7-13m，阶面平坦，延伸至上游250m左右趋于尖灭。构成坝区的主要岩石为前震旦纪混合岩，中生代岩脉穿插在其中，第四纪主要分布在河谷及两岸山体上。混合岩：灰白色，由伟晶质脉体和基体熔合而成。脉体成分有石英、钾长石、斜长石、黑云母等。基体由原岩

9、黑云母片岩、斜长角闪岩组成。混合岩风化程度较低，岩石致密坚硬，抗风化能力强，但基体抗风化能力较差。中生代岩脉多次侵入，分布密度和变化均较大，主要有以下岩类：花岗岩(包括斜长花岗岩、花岗斑岩)：此类岩石为坝区分布最多的岩脉，宽度一般2l0m，个别宽达3040m，一般为浅肉红色，主要矿物成分有正长石、斜长石、石英及角闪石、泥石等。斑状一粗细粒结构(斑晶为正长石、斜长石等)、块状结构构造，岩石性脆易碎，单块岩石致密坚硬，抗风化能力强。花岗岩闪长岩：浅肉红色，中细粒花岗结构角闪石、石英和黑云母等。煌斑岩：灰绿色或灰黑色，主要为细粒结构块状结构构造，主要矿物成分有斜长石、略呈斑状，斑晶大部分为角闪石及少

10、量辉石，基质以斜长石为主，暗色矿物多已蚀变成绿泥石和碳酸盐化，岩石致密坚硬，脉细而密，穿插于上述岩石之中。第四纪坡残积层覆盖于两岸山坡，主要由亚砂土夹碎石和富含腐植质的表土组成，一般厚度15m，最厚者大约为1011m。构成左岸阶地的冲积层由上部的粉细砂（厚约15m）和下部的砂砾石（厚度47m）组成。河床冲积的砂砾石层厚度为14m。主要岩石的物理力学性质，以及室内岩石与混凝土摩擦试验结果见表3-20与3-21。表1-3 室内岩石与混凝土摩擦试验成果汇总表岩 石名 称剪切面性质指标名称项目混凝土/岩石抗剪强度摩擦系数tan剪应力/kPa681012混合岩半风化粗磨面组数5555算术平均值51.06

11、8.885.0104.40.86小值平均值45.064.070.096.00.76最小值45.056.070.090.00.70微风化细磨面组数5555算术平均值54.054.475.4106.80.83小值平均值45.049.067.384.00.67最小值42.048.060.084.00.60表1-4 岩石物理力学性质试验成果汇总表岩石名称指标计算值重度/（kNm-3）比重孔隙率吸水率抗压强度/MPa烘干饱和烘干饱和冻后混合岩半风化组数5555535算数平均值26.826.827.40.950.19117.6119.2小值平均值26.426.427.00.360.17107.6100.1

12、新鲜组数22112221算数平均值27.427.427.51.090.14129.597.0128.8花岗岩半风化组数332231350.8算数平均值25.926.226.93.710.73169.7161.62新鲜组数2222222162.3算数平均值26.026.227.14.060.70178.9169.1煌斑岩半风化组数22222算数平均值26.826.927.70.38131.4坝区岩石经受多次构造运动作用，断层、裂隙、岩脉均较发育。混合岩片理方向变化不大，但总的走向近北东东向，倾向西北，倾角变化较大，一般为6070。坝区断层方向主要有三组，最发育的为走向北东520，以F6为代表，是

13、斜穿河床通过坝基的断层，倾向下游，倾角一般为60-85，有近水平与高角度两组擦痕，为逆平推断层，宽度达9-15m，坝基部位宽度为10llm，该断层与坝线约成30锐角相交，通过坝基长约55m左右。断层是由23条0.30.8m宽的断层泥和片状、砂砾状、角砾状夹层泥等物质组成的断裂破裂带，在深部仍胶结不好，虽系高角断层，对坝基变形及抗滑稳定仍造成不利的影响。坝基岩石透水性微弱，坝下渗漏量极小。但由于渗透而产生的压力对坝基稳定将有一定的影响。根据岩石的渗透性质，一般在25m深以上单位吸水量大于0.03L(minmm)，因而建议帷幕深度一般不小于2025m(由坝基岩面算起)；对断层破碎带部位，帷幕应考虑

14、适当加强。坝基范围内虽为抗风化的岩石，但由于构造复杂，断层、岩脉众多，纵横交错，节理发育。从钻孔中看，几乎是孔孔见岩脉、小断层和小破碎带，使岩体失去完整性，岩石风化程度相差悬殊。对坝区结合工程情况，将岩石风化状态分为全风化、半风化与新鲜岩石三类。坝基各地段岩石的风化深度参见表3-22。 表1-5 坝基各地段岩石的风化深度表 (单位：m)地段风化状态左岸山坡左岸阶地河床右岸备注覆盖层6124.5110.540.55.5岩石风化深度从地面算起全风化岩石6.514614.50.551.78半风化岩石18211221613712.5从岩石的风化状态和岩石的强度来分析，作为高约40m的混凝土重力坝，建基

15、面在半风化岩石的下部是可以的。这里所指的半风化岩石下部作为建基标准是要求岩石要具有一定的强度并较完整，节理裂隙基本无泥，通过固结灌浆岩石的完整性能得到显著改善。建议开挖深度从地面算起：右岸5-7m，河床4-5m，左岸阶地lorn左右，左岸山坡10-12m。参照已有的试验成果，结合本电站坝坡构造和岩石状态，建议坝基D6断层以右，混凝土与半风化岩石摩擦系数采用065，断层以左采用06，P6断层带采用045。(五) 建筑材料 勘探了四个砂砾石料场，分别为加级河、加级河口、坝上、桥下江心料场，均为A2级精度，共计勘探储量149x1口m3。各料场质量均能满足要求，储量情况详见表3-23。这些料场分布在坝

16、址上下游05-4km范围内，运输条件好。但这些料场地下水位较浅，一般均需水下开采，开采条件较差，洪水期间易被淹没。以上几个料场，加级河与加级河口两个料场，粗骨料中含玄武砾石较多，加级河料场砂子含泥量偏大，其它质量均能满足技术要求。坝下9km处的万良河料场可作为补充料场。土料场位于坝下3-4km，已做B级勘探，质量、储量均可满足要求。(六) 水利动能本电站的主要任务是发电。结合水库特性、地区要求可发挥养鱼等综合利用效益。电站建成后将同B水电站一起并入东北主网运行，担任系统调峰、调相及少量事故备用。水库下游河段内，无防洪要求，加上本电站库容小，不承担下游防洪任务。本地区对工农业用水、航运、过木、过

17、鱼等均无要求。水库蓄水后提供了发展渔业的有利条件，需重点清库以利捕捞。B电站至本电站河段，河谷狭窄，沿江两岸无大的城镇、工矿企业及大片农田等重要保护对象；坝区地形地质条件较好，加之上游B水电站的兴建，对天然来水进行多年调节，大大改善了天然来水的不均匀性，使本水电站参以较少的淹没损失和工程量获得较好的电能指标。所以本电站设计蓄水位的选择取决于同B水电站尾水位的合理 接，以充分利用B以下河段的水力资源。本电站水库特征水位及电站动能指标见表3-24。(七) 坝线与坝型表1-6 料 场 分 布 情 况料场类型砂砾石料土料料场名称坝 上桥下江心加级河口加级河万良河本电站勘探级别A2A2A2A2A2B产地

18、面积/(104m2)3.48.73.630.5892.026.0产地位置与距坝址距离坝上右岸滩地，距坝址0.5km坝址下游江心，距坝址约3km坝下左岸滩地，距坝址约3km坝下游左岸支流加级河，距坝址4km坝下游左岸支流万良河，距坝址9km坝下游右岸桥下阶地上，距坝址45km无效层平均厚度/m00.660.140.870.860.90有效层平均厚度/m3.712.862.863.232.252.40无效层储/(104m3)07.640.0526.5878.2有效层储/(104m3)13.0126.5810.04100.0415.662.4水上储量/(104m3)05.501.1622.050.3

19、表1-7 水电站工程特性表名 称单 位数 量备 注一、水性特性1、水库特征水位校核洪水位（P=0.1%）m293.90设计洪水位（P=1%）m290.90正常蓄水位m290.00死水位m289.002、正常蓄水位时水库面积Km215.173、水库容积校核洪水时总库容108m32.29正常蓄水位时库容108m31.63相应的下游水位m265死库容108m31.49二、下泄流量及相应下游水位包括机组过流量1、设计洪水最大下泄量m3s-18200.00相应下游水位m2692、校核洪水最大下泄量m3s-110700.00相应下游水位m269.90三、电站电能指标装机容量MW200.00保证也力MW35

20、.00多年平均发电量108kWh4.35年利用小时数h2255四、主要建筑物及设备1、挡土坝型式m混凝土重力坝坝顶高程m296.50最大坝高m46.00名 称单 位数 量坝顶长度m438.002、泄水建筑物型式混凝土溢流坝堰顶高程m28090溢流坝长度m3/（sm）18700单宽流量5600消能方式m挑流弧形闸门（扇数宽高）101610弧形闸门启闭机平板检修闸门（扇数宽高）101610第二章 调洪演算及特征水位确定一、调洪演算及特征水位确定 水库的蓄水或滞水是防洪调蓄工程的措施之一。通常是洪水波在河槽中经过一段距离时，由于槽蓄作用，洪水过程先要逐步变形，一般是随着洪水波沿河向下游推进，洪峰流量

21、逐渐减小，而洪水历时逐渐加长。水库容积比一段河槽大的多，对洪水的调蓄作用比河槽要强得多。特别是当水库有泄水闸门控制的情况下，洪水过程线变得更为显著。 水库的下游有防洪任务是，它的作用主要是消减下泄流量，使其不超过下游河床的安全泄量。水库的作用主要是滞洪，记在一次洪水来临时，将超过安全下泄流量的那部分洪水暂时拦截住，待洪峰过后，将拦截的洪水下泄掉，腾出库容迎接下次洪水。有时水库下泄与下游间洪水的支流相遇相叠加后其总量会超过下游的安全泄量，这是要求水库起错峰作用，由于水库本身有调蓄作用。洪水流量过程线任然要变形。客观上起滞洪作用，洪水流量过程线经过水库时的具体变化情况，与水库的容积特性，泄洪建筑物

22、的的型式和尺寸及水库的运行方式有关。 调洪演算的基本公式为： Q=f(H)=AHB 或q=f(v)式中：A系数，与建筑的尺寸形式，闸孔开度以及淹没系数有关。 B指数，对于堰流，B为2/3，对于闸孔初六，一般为1/2。 q下泄流量。 H泄流水头。 目前，我国常用的是：列表法和半图解法。 其泄洪流量如下表：经水文水利调洪演算得：正常水位为290m,设计洪水位为：290.9m，校核洪水位为：293.9m。相应的下游水位为：265m，269m,269.9m第三章 枢纽总体布置水利枢纽按承担任务的不同可分为防洪枢纽、灌溉枢纽、发电枢纽、航运枢纽等。而大多情况下都是多目标的集合利用枢纽。水利枢纽布置必须充

23、分考虑地形，地质条件，使各种水工建筑物都能布置在安全可靠的地基上，并能满足建筑物的尺度和布置要求以及施工的必需条件，枢纽布置使各个不同功能的建筑物在其位置上各得其所，在运行中相互协调，充分有效地发挥所承担的任务。在满足基本要求的前提下，力求建筑物布置紧凑，一物多用，减少工程量，降低造价。同时要充分考虑美学要求。一个大型水利枢纽工程的总体布置是一项复杂的工程，需要按系统工程分析方法进行论证确定。工程等别确定确定原则：（1）按照水文水利计算结果，水库的校核洪水位为138.8m，查水位库容曲线，总库容=2.29亿m3在1-10亿m3。达到大2型工程规模，等别为二等；二、坝址选择坝址选择与枢纽布置密切

24、相关，不同坝型轴线应采取不同的坝型和枢纽布置，同一坝址也可以有不同的坝型和枢纽布置方案，通过经济比较择优选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。坝址选择与地质条件密切相关，理想坝址地质条件是强度高，透水性好，不易风化，没有构造缺陷的岩基，但一般来说，坝址在地质上总是存在缺陷，因此，在选用坝址时应用实际出发。不仅要慎重考虑坝基地质条件，还要求库区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性。坝址地形条件与坝型选择和枢纽布置有着密切关系。对本电站坝线的选择进行过大量的工作，曾对小陈木匠沟以上至鸡冠砬子一段的上坝段研究了四条坝线，经比较认为上坝线较为优越。后来又对小陈木匠沟以下至兰旗一段的下坝段选了三条坝线作为

25、当地材料坝的比较坝线，经地质勘察论证，下I坝线地质条件较好。最后又对上坝线和下I坝线进行了比较，认为上坝线地质条件较好，故选上坝线作为坝址。三、坝型的选择（一）重力坝1、重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。重力坝之所以得到广泛应用，是因为其具有以下几个方面的优点： 安全可靠。重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。 对地形、地质条件适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。 枢纽泄洪问题容易解决。重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高

26、程设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。 便于施工导流。在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。 施工方便。大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且加强、修复、维护或扩建也比较方便。2、重力坝的缺点主要是坝体剖面尺寸大，材料用量多，坝体应力较低，材料的强度不能充分发挥，而且需要严格的温度控制措施，坝基与地基的接触面积大，相应的坝体扬压力大，对稳定不利。二、土石坝 1、土石坝是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型，它之所以得到广泛应用和发展有以下优点： 可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量。

27、 能适应各种不同的地形、地质和气候条件。 大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。但土石坝坝顶不能溢流，施工导流不如混凝土坝方便，坝体的断面大，土料填筑的质量易受气候的影响。（三）拱坝拱坝须是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构既有拱作用又有梁作用。由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此，对于施工质量、建筑材料强和防渗要求等都较重力坝严格。除此之外，拱坝对地形的要求是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。本设计的两岸地形不适合建拱坝。综合以

28、上三种坝形的优缺点，考虑到本枢纽主要承担了防洪作用，而且在校核洪水位时的流量和泄流量都较大，需要开敞式的坝体泄流形式，由于土石坝自身不能在坝顶溢流的缺点，不能够满足防洪的需要，故选用重力坝作为设计坝型。（四）而重力坝的形式比较多，主要可分为实体重力坝、碾压混凝土重力坝、宽缝重力坝等。下面介绍这几种坝型： 1实体重力坝的主要优点就是，结构相对比较简单，施工比较方便，并且有丰富的经验技术，施工过程中质量容易控制。其不足之处就是坝体体积较大，扬压力也比较大，施工时不利于混凝土的散热。再结合设计内容，结合工程中有丰富的砂石料场，故确定选择碾压混凝土重力坝方案。四、枢纽的总体布置拦河坝在水利枢纽中占主要

29、地位。在确定枢纽工程位置时，一般先确定建坝河段，再进一步确定坝轴线，同时还要考虑采用的坝型和枢纽中建筑物的总体布置，合理解决综合利用要求。一般地，泄洪建筑物和电站厂房应尽量布置在主河床位置，供水建筑物位于岸坡。该枢纽中重力坝由30个坝段组成。从左岸起，117号坝段为非溢流坝段，1830号坝段为溢流坝段。该坝的坝基最低高程为250.5m,坝顶高程为269.5m，最大坝高为46m，坝体总长为483m。枢纽工程布置见附录上下游立视图。（一）溢流坝的布置溢流坝的位置应使下泄洪水、排冰时能与下游平顺连接，不致冲淘坝基和其他建筑物的基础，其流态和冲淤不致影响其他建筑物的使用。因此，将溢流坝段设置在左岸，约

30、187m，分为13个坝段，除18号坝段长11m，其余坝段均长16m。溢流堰顶高程为280.9m，堰顶安装工作闸门和检修闸门。工作闸门为弧形闸门，闸门宽高=16m10m，采用液压式启闭机启闭。公路桥高程与非溢流坝顶一致。堰顶设有12个中墩，其厚度为3m，2个边墩，厚为3m，横缝设在闸墩上，溢流堰面采用WES曲线，过堰水流采用连续式鼻坎挑流消能，坎顶高程为100.7m，反弧半径为12m，挑射角为25。（二）非溢流坝的布置非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其他建筑物相连处，常用导墙隔开。连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。本设计的非溢

31、流坝段长271m，其中除12号坝段长均为15m,其余均长16m。坝顶宽度为10m，坝顶两侧各设一人行道，人行道宽1m。坝顶上下游侧均设置1.2m栏杆和灯柱。坝的其他尺寸为：上游坡度为1：0，下游坡度为1：0.8，折坡点高程为284m。第四章 非溢流坝段设计非溢流坝段主要是挡水建筑物。设计的主要内容是，剖面设计、稳定分析，应力分析，构造设计。碾压混凝土重力坝在材料与构造方面需要适应碾压混凝土的特点。一 坝顶高程的确定坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可根据混凝土重力坝设计规范，由下式，应选择两者中高程的高者作为选定高程 式中： 防浪墙

32、顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差（m）；波高（m）； 波浪中心线至正常或校核洪水位的高差（m）；安全超高，按混凝土重力坝设计规范规定，按下表31采用。表31 安全超高hc相应水位坝的安全级别正常蓄水位0.70.50.4校核洪水位0.50.40.3（一） 设计洪水位时坝顶高程的确定坝的安全级别为I级，查表31得, m由于D=3 KmLL的深水波，在静水面以下半波长LL处，波浪压力很小，为简化计算可假定等于零，而静水面处波浪压强最大，这样，铅垂坝面上总的浪压力为：正常蓄水位，设计洪水时:校核洪水位时：泥沙压力水库建成蓄水后，过水断面加大，流速减缓，入库水流挟带的泥沙逐渐淤积在坝前，对坝体产生了泥沙

33、压力。由于泥沙淤积高程是随时间而逐渐增加的。因此在确定泥沙压力时，先要规定一个淤积年限，然后再根据河流的挟沙量估算坝前淤积高程。淤积计算年限取100年。由于坝前泥沙不仅逐年淤高，而且也逐年固结，淤沙的容重和内摩擦角既随时间化，又因层而异，因此要准确计算泥沙压力是比较困难的。一般可参照经验数据，按土压力公式计算：tg2(45-) 其中：Pn泥沙对上游坝面的总水平压力； n泥沙的浮容重，一般n=6.59.0KN/m hn泥沙的淤积高度（m） n泥沙的内摩擦角。对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，可取=1820，对于较细的粘土质泥沙可取=1214，极细的泥沙粘土和胶质颗粒可取=0。 tg2(45-)=14

34、58KN（三）、校核洪水位时的抗滑稳定性验算1、坝体混凝土与基岩接触面的抗滑稳定性极限状态 计算作用效应函数：S（）=19415.3-2307.4=17107.9KN抗力函数：R（）=+ 式中：坝基面上全部切向作用之和，KN ；坝基面抗剪断摩擦系数；坝基面上全部法向作用之和，KN，向下为正；坝基面的面积，；坝基面抗剪断黏聚力系数； 计算抗滑稳定性抗力函数：本工程坝基岩石为弱风化黑色硅质页岩，抗剪断摩擦系数的标准值=0.85，抗剪断凝聚力系数标准值=。查混凝土重力坝设计规范表821-2得、的材料性能分项系数分别为1.3，3.0 。则：摩擦系数设计值：=0.85/1.3=0.654粘聚力设计值：

35、Kpa抗力函数：R（）=+式中：稳定性核算：对偶然组合 =1.1，=0.85，=1.2抗滑稳定性需满足 ： =1.10.8517107.9=15995.9KN/=28648.9/1.2=23874.1KN 经计算可知，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、 坝趾抗压强度承载能力极限状态（偶然组合）： 作用效应函数： S（）=（）（1+） 抗压强度极限状态抗力函数:= 或 = 式中：坝基面上全部法向作用之和，KN，向下为正；全部作用坝基面形心的力矩之和，KNm，逆时针方向为正；坝基面的面积，；坝基面形心轴到下游面的距离，m；坝基面对形心轴的惯性矩，；坝体下游坡度；混凝土抗压强

36、度，KPa；基岩抗压强度，Kpa； 碾压混凝土选用，且材料的分项系数为1.5，故：所以，经过计算，坝趾抗压强度满足要求。3、正常使用极限状态坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力），计算公式为： 0 坝基面形心轴到上游面的距离，m 。 、按标准值计算。 则：坝踵垂直应力不出现拉应力。 重力坝的失稳破坏过程是比较复杂的。理论分析，试验及原型观测结果表明，位于均匀坝基上的混凝土重力坝沿坝基面的失稳机理是：首先在坝踵处基岩和胶结面出现微裂松弛区，随后在坝址处基岩和胶结面出现局部区域的剪切屈服，进而屈服范围逐渐增大并向上游延伸，最后形成滑动通道，导致大坝的整体失稳。通过

37、对此设计大坝在校核洪水位下坝踵坝址抗压强度的验算，此设计大坝不会出现深层滑动。（三） 正常蓄水位时坝体沿坝基面的抗滑稳定性验算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：荷载计算：包括坝体自重，水平水压力、水重、扬压力、浪压力、水平泥沙力和垂直泥沙压力。具体计算参见下表荷载计算表42表42 基本组合下计算表荷 载垂直力（KN）水平力（KN）力臂（m）力矩（KNm）+-自 重W1108107.378913W210306.636.668023.758水压力P17645.22.116054.92P21030.277211.4水 重Q824.1824.520192.41浪压力P

38、L334.6636.612248.56泥沙压力Pn14588.812830.4扬压力U1168039.315624U282393.125540.9合 计21940.815899.229437.861030.22133339.22123300.133正常蓄水位时的抗滑稳定性验算 利用抗剪断公式验算利用抗剪断公式时，认为坝体混凝土与基岩接触良好。 为抗剪断摩擦系数；为抗剪断凝聚力此坝址初露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬，构造简单，渗透性小查水工建筑物表36，坝体混凝土与基岩接触面抗剪断参数的参考值，得： =1.25，=1300Kpa故 所以，正常蓄水位时坝体混凝土与基岩接触面的

39、抗滑稳定性满足要求。(2) 坝趾抗压强度承载能力极限状态（基本组合）： 作用效应函数： S（）=（）（1+）抗力函数: = 或 = T=24.5 所以，经过计算，坝趾抗压强度满足要求。（3）正常使用极限状态坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力），计算公式为：0 （ 、按标准值计算）=则：坝踵垂直应力不出现拉应力。（三）坝体内层面（廊道中心线上面）的抗滑稳定性验算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：同上。具体计算参见计算荷载计算表格3-3。表43 特殊组合时坝体内层面荷载荷 载垂直力（KN）水平力（KN）自 重W18107.5W2

40、5790.4水压力P14986.29P21844.2水 重Q183.49浪压力PL167.31泥沙压力Pn1458扬压力U1852.9U26698.58合 计14081.397551.486611.618844.23验算：（1）坝体混凝土层面的抗滑稳定性极限状态 计算作用效应函数：S（）=13982.4 KN抗滑稳定抗力函数：R（）= + 式中：计算层面上全部切向作用之和，KN ；混凝土层面抗剪断摩擦系数；计算层面上全部法向作用之和，KN，向下为正；计算层面的截面积，；坝基面抗剪断黏聚力系数； 因为坝体材料为碾压混凝土，查混凝土重力坝设计规范表821-2得、的材料性能分项系数分别为1.3，3.

41、0 ；查附录D表D3得=0.91，=0.97Mpa 。则：摩擦系数设计值：=0.91/1.3=0.7粘聚力设计值： 抗力函数：R（）=+ 式中：稳定性核算：对偶然组合 =1.1，=0.85，=1.2抗滑稳定性需满足 =1.10.856305.79=5859.91KN /=10974.14/1.2 = 9145.1KN 经计算可知，该重力坝在校核洪水位情况下坝体内层面的抗滑稳定性满足要求。应力计算（一） 应力分析原则：应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也为了研究解决设计和施工中的某些问题。如，为混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。重力坝的应力状态与很多因素有

42、关，如：坝体轮廓尺寸，静力荷载，地基性质，施工过程，温度变化以及地震特性等。应力分析的过程是：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。采取材料力学法分析坝体的应力时，混凝土重力坝设计规范规定的强度指标如下：坝基面的正应力在运用期（各种荷载组合下），地基面的最大铅直正应力应小于坝基容许压应力（计算时分别计入和不计入扬压力）；最小铅直正应力应大于0（计算时应计入扬压力 ）。6.应力计算公式如下：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：

43、式中： 坝体计算截面沿上、下游面的长度，m ; 上游坝坡； 下游坝坡；、计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有淤沙压力时，应计入在内）；、计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度； 计算截面上全部垂直力之和（包括坝体自重、水重、淤沙重及计算的扬压力等），以下向下为正，对于实体重力坝，均切取单位宽度坝体为准（下同）；计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以使上游面产生压应力者为正。（二）、正常蓄水位坝基面的应力计算（计扬压力）计算时： 表示上游水位，m ； 表示下游水位，m ； 表示淤沙高度， m ； 以下符号表示意义相同。 T=36.8m 上游面垂直正应力： 下游面垂直正

44、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： （三） 校核洪水位时坝基面的应力计算（计扬压力） T=36.8m 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： 经以上计算，应力满足要求。第五章 溢流坝段设计溢流坝段既是挡水建筑物又是泄水建筑物。其泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔泄水。在水利枢纽中，它可承担泄洪，向下游输水，排沙，放空水库和施工导流等任务。 设计泄水重力坝时，除应满足稳定和强度要求外，还需要根据洪水特性，水利枢纽布置，工程造

45、价，水库运用方式及下游河道安全泄量等问题，经技术经济比较，研究确定泄水重力坝的位置选择，泄水方式的组合，泄量分配堰顶和泄水孔口高程与位置等。孔口设计（一）泄水方式的选择：为使水库有较好的超泄能力，采用开敞式孔口。（二）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。（三）流量的确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为8200 m3/s ；校核情况下，溢流坝的下泄流量为10700 m3/s。（四）单宽流量的选择：坝址处基岩比较坚硬完整，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量去5070 m3/s

46、。（五）孔口净宽的拟定：分别计算设计和校核情况下溢洪道所需孔口宽度。计算成果如下：表51 孔口净宽计算计算情况流量Q（m3/s）单宽流量 q（m3/s）孔口净宽B(m)设计情况82005070164117.14校核情况245275070214152.86 根据以上计算，溢流坝孔口净宽取160m，假设每一宽度为16m，则孔数为10。（六）溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定：根据工程经验拟订闸墩的厚度为：中墩3m，边墩3m,则溢流坝段的总长度B0为：160+21+6=187 （七）堰顶高程的确定：初拟侧收缩系数=0.95，流量系数=0.382，因为过堰水流为自由出流，故=1。由堰流公式：计算

47、堰上水头，计算水位分别减去相应的堰上水头，即为堰顶高程。其中，为一个堰孔的净宽。 计算结果见下表：表52 堰顶高程计算表格计算情况流量（m3/s）侧收缩系数流量系数m孔口净宽（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）设计情况82000.950.38216010280.9校核情况107000.950.38216011.9124.9所以，堰顶高程取280.9m。（八）闸门高度的确定：计算如下 门高正常蓄水位-堰顶高程+（0.10.2） =290-280.9+0.2=9.3 取10.（九）定型设计水头的确定：堰上最大水头校核洪水位-堰顶高程=293.3-280.9=12.4所以，定型设计水头（）9.612.

48、4m 取=11m .Hd/HMax=11/13=0.84坝面最大负压0.3=3.3m，在混凝土重力坝设计规范最大负压不超过36 m水柱的范围。（十）泄流能力校核：先由水力学公式计算侧收缩系数，然后计算不同作用下的流量系数，根据已知条件，运用堰流公式校核堰的泄流能力，计算结果见下表：的取值是根据混凝土重力坝设计规范附录C表C1查得。的取值是由水力学公式（8.10） 计算得到。 （其中 为边墩形状系数，取0.1；为闸墩形状系数，由图8.14查得；为堰孔数；为堰顶全水头；为孔口宽度。表53孔口的泄流能力校核表设计情况1609.60.3880.9682004.2%校核情况16012.40.3820.9

49、5107004.9% 注：表中计算结果5% 说明孔口的泄流能力满足要求。由计算结果知：孔口的泄流能力满足要求。 消能防冲设计（一）溢流坝常用的消能方式是：挑流消能和底流消能，挑流消能又分连续式挑流消能和差动式挑流消能。连续式挑流消能：构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远，一般不易产生空蚀，且其利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中，水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量于冲坑中，这种方式比较经济。差动式挑流消能：冲坑最深点距坝脚较近，鼻坎上水流流态复杂，在高速水流作用下，容易引起空蚀破坏。底流消能：土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都

50、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。（二）挑流鼻坎设计挑流鼻坎有连续式鼻坎和差动式，本设计采用连续式；按规范规定，鼻坎挑射角，根据工程经验，挑射角一般取，对于深水河槽之间， 根据本工程实际情况，取；鼻坝坝顶高程高出下游最高水位12m，所以鼻坎高程为269.9+1=270.9m,反弧半径R=（410）h， h为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深（常近似取鼻坎上水深）。（三）、反弧半径的确定1、鼻坎处水流平均流速按下式计算： 堰面流速系数库水位至坎顶的高差=20.38m/s2、因为 ，所以鼻坝平均水深为： Q校核洪水时溢流坝下泄流量为m3/s； B鼻坎处水面宽度

51、，m。=反弧半径 10）h=11.228m 取=12m（四）、 挑距和冲坑的估算1、连续式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外缘计算： 根据混凝土重力坝设计规范公式： 式中： L坝下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离，m； 坝顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速的1.1倍计，即计算时（Ho为水库水位至坝顶的落差，m）； 鼻坎的挑角，（度）； 坝顶垂直方向水深，m ， h为坎顶平均水深； 堰面流速系数； T最大冲坑深度，由河床面至坑底，m；2、最大冲坑水垫厚度估算：参见混凝土重力坝设计规范公式。 式中： 水垫厚度，自水面到坑底，m； 冲坑深度，m； q单宽流量，； H上、下游水位差

52、，m; H2下游水深, m; 冲坑系数，坚硬基岩取0.91.2，坚硬但完整性较差的基岩1.21.5，对于软弱破碎裂隙发育的基岩有1.52.0。所以： 满足混凝土重力坝设计规范的规定要求。由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝的安全。溢流坝的剖面设计溢流坝基本剖面为三角形，一般其上游面为铅面直面或折线面，溢流面由顶部曲线、中间直线、底部反孤段三部分组成。 （一）上游侧采用椭圆曲线，其方程为： 因为上游面垂直 ，故取，椭圆方程为： 2.堰顶下游段堰面曲线采用幂曲线： 因上游面铅直，所以n=1.85 , k=2.0 ; 所以 即按上式算得的坐标值如下表44：表5-4 WESC幂曲线坐标计算表/12

53、345678/0.060.230.4960.841.281.792.383.04根据表中数值可绘得堰顶下游曲线OC。（三）、坡度=0.8的下游直线段CD与曲线OC相切于C点， C点坐标 （，），可如下求得：对堰面曲线求一阶导数 直线CD的坡度为：= 则 0.12= 算得： =14.55 =8.854确定反弧圆心点的坐标（，）及直线与反弧切点D（，）和E（，）的坐标： 圆心高程H=278.7m 所以，直线与反弧切点D为： 5坝基宽度B：附加上鼻坎厚度0.5m,则整个坝基宽度为： B=3.3+30.4+2.6+0.5=36.8m4.4 闸门与启闭设备的选型（一）闸门型式的选择 目前工程中应用比较广

54、泛的有平面闸门和弧形闸门。 1、弧形闸门的优缺点如下： 优点：可封闭相当大面积的孔口。 所需要高度和厚度较小。 没有影响水流流态的门槽。 所需启闭力较小。缺点：需要较长的闸墩。 闸门所占空间位置较大。 不能提出孔以外进行检修维护，不能在孔口间互换。 闸门所承受总水压力集中于支座处，对土建结构不利。2、平面闸门是使用广泛的一种门型，因为它能满足各种类型泄水孔道的需要，它的优缺点如下： 优点：门叶可以移出出口便于检修闸门。 所占顺水流方向的空间尺寸较小。 门叶可以在孔口之间互换，故在孔数较多时，可兼做事故闸门和检修闸门。 对移动式启闭机的适应性较好。 闸门所占空间位置较小。缺点：由于门槽的存在，特

55、别是深孔平面闸门，会影响流道的平滑，容易引起空蚀破坏。 闸门启闭力较弧形闸门大，需用较大的启闭机。结合本设计的具体情况，故选用弧形闸门，采用顶露顶式弧形闸门作为工作闸门，选用平面闸门作为检修闸门。（二）、 闸门的布置1、工作闸门的布置参见水工钢闸门设计中，在露顶式闸门中，弧形板曲率半径与门高的比值一般取 （1.01.5）H，支铰位置布置在过流时不受水流及漂浮物冲击的高程上，支铰可设在底坎以上（0.750.5）H 。 已知闸门高H=10m 则：R=（1.01.5）H =7.2m h=（0.750.50）H =2.155 5.4m 所以取值为 h=2.25 m 。支铰位置布置在高程为：280.9m

56、+2.25m=283.45m处。2检修闸门的布置检修闸门为平面闸门，布置在工作闸门上游2m处。闸门槽宽度取80cm，深度取50cm。（三）、闸门自重的估算 计算公式参照水工钢结构附录十一。露顶式弧形闸门：当， 当，式中： 、闸门孔口高度和宽度,m； 设计水头,m；材料系数：闸门用低合金钢时，=0.8，闸门用普通碳素钢时，=1.0；孔口宽度系数：当m时,=0.29；当 时，=0.472；当 时, =0.75；当m时, =0.472 ；已知：闸门孔口高度，闸门孔口宽度，设计水头，=0.75，采用普通碳素钢，=1.0 ，故： =7281.35KN4.4.4 启闭设备的选择在本设计中，弧形闸门采用液压

57、式卷扬启闭机 ，广泛应用于弧形闸门上。 参照闸门与启闭机，面板为弧形且其圆心就是铰心的弧形闸门，启门力按下式计算：图4-4 弧门受力图 (吨) 闭门力： (吨) 如果计算出的值为负值，则可依靠闸门的自重关闭；若为正值，则需要考虑加重；也可采用施加压力的螺杆式或油压式启闭机。 铰轴的摩擦阻力（吨）公式为： 止水的摩擦阻力（吨）公式为： 上式中：启闭力作用点对铰心的力臂，m ； 作用在闸门上总水压力；轴与轴套的滑动摩擦系数，与平面闸门滚轮用的相同，（铜合金轴套对钢轴为0.3，胶木轴套对钢轴为0.2）；止水与止水座的话顶摩擦系数（橡皮对钢板为0.65，橡皮对水泥砂浆面或磨石子面为0.70）止水摩擦阻

58、力（吨），与平面闸门的计算相同；铰轴的摩擦阻力（吨）；作用在止水上的水压力（吨），可从侧止水和顶止水的总长度乘以止水橡皮作用的宽度，再乘以平均水压力得出；铰轴的半径，m；止水作用力对铰心的力臂，m ；闸门重心处对铰心的力臂，m ；需按设计图纸算出的闸门重心位置求出，初估时可以采用（为闸门面板弧面的半径）摩擦阻力的安全系数，一般取1.2；计算闭门力用的门重修正系数，一般取0.9；计算启门力和持住力用的门重修正系数，一般取1.1。 已知：R=12m ，取 ， ， r1=7.2m，r2=12.5m，r3 =0.87.2=5.76m因 ，胶木轴套， 取 ；采用橡皮止水 ， 取 ；每侧止水宽度取6cm

59、，侧止水受压长度9m ，底止水受压长度15m 则：总水压力P=0.59.810207840KN所以： 平均水压力 所以： 则： =5106.13KN =-1883.97KN即：可以依靠自重关闭。五、交通桥、工作桥的设计（一）交通桥设计1目前，溢流坝顶设计中常受到闸门尺寸及启闭设备的限制。溢流坝段单孔的宽度一般都不太大，所以坝顶公路桥都属于中、小跨度结构，多采用拱式桥或预制装配式梁式桥。拱桥的特点：能充分发挥材料的性能，节约钢材，其缺点是施工不如板梁方便，由于施工程序较多，安排不当会干扰闸室的施工。预制装配式梁式桥的特点：制造和安排方便，架好后就可以作为临时交通以利于闸室的施工；其建筑高度小，又

60、可以浸水，所以在钢材供应不是太困难的情况下常被采用。根据以上特点，选用预制装配式梁式桥。2坝顶公路桥的布置：常考虑以下因素：（1）闸室底板的地基应力分布，一般情况下，公路桥布置在闸门的下游面。（2）闸门形式才用弧形式闸门的，闸门下游的闸室空间大，可将公路布置在其下游侧。（3）与两岸的连接，若两岸的公路路面较低时，为避免车辆通过桥爬高，宜将公路桥就低布置。（4）桥梁在布置时，应注意要留有一定的桥下净空，梁式桥桥上净空要求梁底高出设计水位（包括壅高和浪高）0.5米以上，若有流冰，则应高出流冰面0.75米。公路桥的桥面总宽10m，净宽8 m，每边设1 m宽的人行道， 公路桥顶部构造的底面高程，根据上