水利枢纽碾压混凝土重力坝施工设计

1、 金河金水水利枢纽碾压混凝土重力坝设计PAGE 第 PAGE 91 页 共 NUMPAGES 91 页)第一章 金河金水水利枢纽1.1 流域概况及枢纽任务万江是我国大河流之一，其干流全长1200公里，流域面积25400平方公里，上游95%为山地，河床狭窄，水流湍急；中游大部分为丘陵地带，河床较宽；下游岸为冲积平原，人口最密，农产丰富，为重要农业区域，且有一个中等工业城市，但下游河床淤高，主要靠堤防挡水，每当汛期，常受洪水威胁。万江流域内物产以农产为主，有稻谷、小麦、玉米、甘薯等，矿产较少，燃料很缺乏。金河是万江的重要支流，流经万江的上、中游地带，全长250公里，平均坡降为0.0009，流域面积

2、为9200平方公里，河道两岸为山地丘陵，河道狭窄，水流较急，能量蕴藏甚大，但洪水涨落迅速，对万江中下游防洪相当不利。金河开发计划是配合万江而制定的，为减轻金河洪水对万江中下游农田的威胁，且开发金河能够供应万江中下游工农业日益增长的动力需要，拟在金河与万江汇流处的金水兴建水利枢纽。本枢纽的主要任务是防洪、发电等综合利用效益。1.2 坝址地形在本坝址地区，河床狭窄，仅一百多米宽，但随着高程之增高两岸便趋于平坦。两岸高度在200米以上，海拔高程在400米以上，在坝址处右岸较左岸为陡，右岸平均坡度为0.5左右，左岸为0.4左右。坝址位于河湾的下游，在坝址上游十余公里有一开阔地带，为形成水库的良好条件。

3、1.3 坝址地质该区地质构造比较简单，主要岩层为黑色硅质页岩和燧石，上有3-9米左右的覆盖层，系河沙卵石，近风化泥土层及崩石。其岩层性质为：黑色硅质页岩：属沉积岩，为硅质胶结物之页岩，根据勘测结果，该岩层性质坚硬致密，仅岩石上层10-18米深度存在有裂缝和节理，不很严重，但须加以处理，经过压水试验，岩石之单位吸水量为0.1公升/分钟。燧石：其岩层不宽，分布于左岸，岩性较黑色硅质页岩为弱。岩层走向：左岸为南300西，右岸为南50东，倾角为500-700，倾向正向上游：在坝址处，据目前资料尚未发现断层。硅质页岩的力学性质：（1）天然含水量时的平均容重： 2600公斤/立方米（2）基岩抗压强度： 1

4、000-1200公斤/平方厘米（3）牢固系数 1215（4）岩石与混凝土之间的的抗剪断摩擦系数为f=0.85，抗剪断凝聚力系数c=7.0kg/cm2；抗剪摩擦系数0.65。 1.4 水文气象本枢纽位于我国中部，气候温和，雨量丰富，雨量多集中于6-9月，此四个月为丰水期，多暴雨。流域及河流坡度较陡，故洪水来势凶猛。枯水期在10-5月，1-4月为最枯季节：本河流自1954年开始建立水文站，本枢纽距该站不远。1、多年月平均流量表月123456789101112605080100180420650600440240150952、各种时期不同频率的洪峰值频率（%）0.010.020.11.02.0510

5、洪水期洪峰(立米/秒)5890560047503630330028002500枯水期洪峰 (立米/秒)2702502083、降雨量资料，见下表： 单位：毫米月份123456各月平均降雨量5.28.818.534.032.680.3各月平均降雨次数2.43.75.96.38.58.1月份789101112各月平均降雨量118.0140.0125.260.128.28.0各月平均降雨次数6.39.8010.18.87.82.2一日最大降雨量曾达90.5毫米。4、气温记录及冰冻情况，见下表： 单位：cm月份123456多年月平均气温4.26.511.517.522.125.9最高气温13.520.0

6、28.530.435.239最低气温-7.0-4.7-2.31.58.013.0月份789101112多年月平均气温28.627.722.716.810.44.7最高气温38.537.236.028.021.115.3最低气温17.516.010.02.5-2.1-4.8年平均气温为16.5。河道常年不结冰，在委寒冷的情况下，地面有冰冻现象，但历时短。5、河道泥沙情况根据坝址附近水文站的统计，本河流年平均输砂量为1.8106米3，在河流上游山区有部分森林，其他地方亦在进行造林工作和其他的水土保持工作。水土保持生效年限可采用30年，泥沙饱和容重取1.4吨/立方米，泥沙内摩擦角为00。6、水库吹程

7、、风速吹程为3.0公里；多年平均最在风速为15米/秒。50年一遇的风速为17米/秒。7、典型洪峰过程线，水库水位库容曲线，水库水位面积曲线（见另图）。8、坝址流量水位关系如下表：流量（立方米/秒）20050010002000水位（米）153.46155.13156.8158.94流量（立方米/秒）3000400050005500水位（米）160.68162.41164.1164.961.5 当地材料分布情况在坝址上下游两岸有大量的河砂和较多的卵石，椐初步调查河砂的储蓄量为820000立方米，渗透系数K=410-2厘米/秒，卵石储量有580000立方米，大部分在上海。在坝址下游三公里左右，有部分

8、土壤；储量不多，约52000立方米，K=110-3厘米/秒。在本河流上游地区，有部分山区森林，可作筑坝所需木材之用。1.6 交通运输（1）陆路：目前已有三级公路通过本地区，离坝址150公里处有铁路，且与公路衔接。（2）外地材料之运输，主要靠铁路、公路，部分可用木船，运输较方便。（3）施工动力与施工机械的供应：施工动力大部分可由坝址下游处之县城供给，不足之数由离坝址70公里的县城供给。施工机械之供应是方便的。（4）劳动力：坝址所在地区，有足够的农业劳动力；在满足了农业生产的要求下，可以抽调一部分农业劳动力参加枢纽之修建工作。1.7 其他设计资料上游校核洪水位 184m 死水位 166.28m上游

9、设计洪水位 181m 电站总装机容量108000千瓦上游正常蓄水位 179m 电站最大引用流量 360m3/s设计流量 2200m校核流量 3300m下游校核尾水位154m下游设计尾水位152m下游正常尾水位151m 第二章 枢纽总体布置2.1 工程等别确定因为校核洪水位为184m，查水位库容曲线，总库容=20亿m310亿m3故：工程等别为等。又由电站装机容量10800千瓦，大于50MW且小于300MW；故：工程等别为等。由两者综合得，取等别大的，该工程等别为等，因此建筑物级别为级，抗滑稳定系数K=1.10 。2.2 水利枢纽的分类及布置原则水利枢纽按承担任务的不同可分为防洪枢纽、灌溉枢纽、发

10、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。按坝型可分为重力坝枢纽、拱坝枢纽、土石坝枢纽及水闸枢纽等。 水利枢纽布置必须充分考虑地形，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。2.3 坝址选择坝址选择与枢纽布置密切相关，不同坝型轴线易采取不同的

11、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。除此之外，地形条件在很大程度上会影响坝址。一般来说，坝址宜选在河谷狭窄地段，坝轴线较短，可以减少坝体工程量，还要考虑便于施工导流等等，因此需要全面分析。结合考虑，选择最有利的坝址，对于此工程：1从地质条件

12、看：上坝线处河床高于下坝线，根据地质剖面图，上坝线处地基岩比较稳定，坝基岩为黑色硅质页岩和燧石，上面有3-9米覆盖层。2从施工条件看：上坝线河床比较宽，显然相同条件下，上坝线更有利于施工导流，截流期比较短，更容易截流。3从水流条件看，由上、下坝线坝址水位流量关系看出，在同样情况下，上坝线更有利于抬高水位，对发电为主的枢纽是有利的。4从经济方面考虑，下坝线虽然相对平坦一些，且对外交通比上坝线短，但其紧邻生活区，需要迁移居民，耗资较大，不利于经济合理原则，因此，选上坝线比较好。综合以上所有因素来看，在满足枢纽布置和施工导流的前提下，上坝线工程量较小，坝轴线构造更简单，因此，选上坝线作为坝址。2.4

13、 坝型的选择1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

14、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，把体应力较低，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。 2土石坝 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。 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

15、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。3拱坝拱坝须是固接与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

16、点，不能够满足防洪的需要，故选用重力坝作为设计坝型。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。 2宽缝重力坝具有以下一些优点：充分利用了混凝土的抗压强度；扬压力显著降低；节省混凝土方量。但也有一些缺点，如：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，对宽缝需要采取保温措施，而且宽缝重力坝的散热比较好，并且一般情况下，不易出现被坝体内部混凝土由于膨胀而破坏

17、坝体的稳定。 3碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比，具有以下一些优点：工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，又特别是水泥用量减少；由于水泥用量减少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施；不设纵缝，节省了模板和灌浆等费用；可使用大型施工机械设备，提高混凝土运输和填筑的工效。但也有一定缺点，如：坝体混凝土分区；各区域内混凝土的级。再结合设计内容，结合工程中有丰富的砂石料场，地质条件不是很复杂，故确定选择碾压混凝土重力坝方案。2.5 枢纽的总体布置拦河坝在水利枢纽中占主要地位。在确定枢纽工程位置时，一般先确定建坝河段，再进一

18、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17个坝段组成，其中非溢流坝段每个坝段的长度大约为16m，从右岸至左岸依次为：1号号6坝段为右岸挡水坝段，7号10号坝段为溢流坝段，11号17号坝段为左岸挡水坝段。该坝的坝基最低高程为136.0m,坝顶高程为185.7m，最大坝高为49.7m，坝体总长为269m。枢纽工程布置见附录上下游立视图。2.5.1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

19、物的使用。考虑将其设置在主河床段，约51米，分为4个坝段，8号和9号坝段长12m，7号和10号坝段长13.5m，溢流堰顶高程为171.6m，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=9m8m，采用卷扬式启闭机启闭。公路桥高程与非溢流坝顶一致。堰顶设有3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155m，反弧半径为16m，挑射角为25。边墩向下游延伸成导水墙，其高度为5.5m，断面为梯形，顶宽为0.5m，需分缝，缝距为20m。2.5.2 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

20、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。在宽阔河道上以及岸坡覆盖层、风化层极深时，非溢流坝段也可采用土石坝。本设计的非溢流坝段左段约为118米，右段约为100米。坝段长均为16m。坝顶宽度为7m，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172.25m。2.5.3 发电厂房的布置从坝址地形图上分析，左岸较右岸缓，且在坝址附近没有设置厂房的最佳位置，故考虑采取坝后式厂房，将厂房布置在左岸。具体设计过程见电站厂房设计部分

21、。总体布置见枢纽总体布置图。第三章 非溢流坝段设计3.1 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（3-1）计算，应选择两者中高程的高者作为选定高程 （3-1）式中： 防浪墙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0.50.40.33.1.1 正常蓄水位时坝顶高程的确定 坝的安全级别为I级，查表31得,

22、m由于D=3 Km 20 Km， 20（取50年一遇的风速）宜按官厅水库公式计算 （3-2） （3-3） （3-4） 在20250之间,故h为累积频率为5%的波高，； = 0.826 m 查混凝土重力坝设计规范表得： 由式（34）得： =0.7+1.03+0.37=2.1 m所以，坝顶高程= 179+2.1=181.1 m3.1.2 校核蓄水位坝顶高程的确定查表31得：m D=3 Km 20 Km， 20（取多年平均最大风速），则按官厅公式计算： 在20250之间, 故h为累积频率为5%的波高，； =0.707m查混凝土重力坝设计规范表得： =0.5+0.31+0.877=1.687 m 所以

23、，坝顶高程=184+1.687=185.7 m 两者比较取大值，则坝坝高程为185.7 m。3.2 开挖线的确定由于坝顶高程185.7 m，由上坝线地质剖面图及规范规定，坝高小于50m，可建在弱风化中部到上部基岩上，因此坝基沿弱风化层界限开挖，坝基最底点高程136 m 。3.3 非溢流坝剖面的确定3.3.1 基本剖面设计 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3-1。图3-1 基本剖面图1.坝底宽度的计算 T= （3-5） （3-6）其中：H=45m , , , ,联立（35）、（36）得： 解得： 0，则取= 0，即该坝的上游面为铅直面。由于上游面为铅直面，则：3.3.2 实

24、用剖面的确定图3-2 实用剖面示意图1坝底宽度：根据工程实践，下游边坡m=0.60.8，为提高坝的安全性，取 m=0.8，则坝底宽度为45且满足坝底宽度为坝高的0.70.9倍。2. 坝顶宽度：根据混凝土重力坝设计规范碾压混凝土重力坝最小宽度为5m，为满足交通要求，取坝顶宽度B=7m 。3. 廊道：选用城门洞形，宽3m，高3m，廊道底面距坝基面5m，即高程141m，廊道上游面距上游坝面3m 。4.坝体排水管：根据规范要求，拟定其距上游坝面的距离3m，间距2m，管内径20cm 。5.排水孔：根据规范要求，拟定其距灌浆帷幕2m，孔距2m，孔径100mm 。6.灌浆帷幕：根据规范要求，拟定其中心线距上

25、游坝面3.5m，因为坝高小于100m。故设置一排帷幕，孔距为2m 。3.4 坝体强度和稳定承载能力极限状态验算3.4.1 校核洪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： 波浪要素计算，由前面已知：=7.91m=3.955m 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+） （39）抗压强度极限状态抗力函数:= 或 = （310） 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

26、；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 （311）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。3.4.2 校核洪水位时坝体内层面（廊道中心线上的面）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。具体计算参见计算简图3-4

27、及附录A荷载计算表格3-8、3-9。图3-4 校核洪水位坝体内层面荷载计算简图3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（）=8690.91-740.01=7950.9 KN 抗滑稳定抗力函数：R（）= + （312） 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1.3，3.0 ；查附录D表D3得=0.91，=0.97Mpa 。则：摩擦系数设计值：=0.91/1.3=

28、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 =1.10.857950.9=7434.0915KN /=16214.814/1.2 = 13512.345KN 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。(2) 坝体选定截面下游端点的抗压强度承载能力极限状态：（偶然组合）： 作用效应函数： S（）=（）（1+） （313） 抗力函数: = （314）式中： 计算截面对形心轴的惯性矩，； 计算截面形心到下游面的距离，m； =13066.67kpa =（）（1+）=881.58kpa所以，经过计

29、算，坝体选定截面下游端点的抗压强度满足要求。（3）正常使用极限状态坝体选定截面上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）计算公式为： 0 （315）（ 、按标准值计算） 则：选定截面上游面的垂直应力不出现拉应力。3.4.3 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： 波浪要素计算，由前面已知 =8.96m=4.48m 所以，正常蓄水位时坝体混凝土与基岩接触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（基本组合）： 作用效应函数： S（）=（）（1+）抗力函数: = 或 = 所以，经过计算，坝趾抗压强度满足要求。（

30、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。3.4.4 正常蓄水位时坝体内层面（廊道中心线上的面）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：具体计算参见计算简图3-6及附录A荷载计算表格3-4、3-5。图3-6 正常蓄水位坝体内层面面荷载计算简图3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（）=6815.23-471.99 = 6343.24 KN 抗滑稳定抗力函数：R（）= + 摩擦系数设计值：=0.91/1

31、.3=0.7 粘聚力设计值： 抗力函数：R（）=+ 式中：R（）=+ 稳定性核算：对于基本组合 =1.1，=1.0，=1.2抗滑稳定性需满足 =1.11.06343.24=6977.564 KN /=18145.49/1.2 = 15121.242 KN 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。（2）坝体选定截面下游端点的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:= =13066.67kpa =（）（1+）= 715.99 kpa所以，经过计算，坝体选定截面下游端点的抗压强度满足要求。（3）正常使用极限状态坝体选定截面上

32、游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）计算公式为： 计算截面形心到上游面的距离，m 。 、按标准值计算。 则：选定截面上游面的垂直应力不出现拉应力。3.5 应力计算应力计算公式如下：上游面垂直正应力： （316）下游面垂直正应力： （317）上游面剪应力： （318）下游面剪应力： （319）上游面水平正应力： （320）下游面水平正应力： （321）上游面主应力： （322） （323）下游面主应力： （324） （325）以上公式（316）到（325）适用于无扬压力作用的情况，当截面上有扬压力作用时，应分别采用下列公式： （326） （327） （328） （329） （330） （331

33、） （332） （333） 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。3.5.1 正常蓄水位坝基面的应力计算计算时： 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。不计扬压力时： 上游面垂直正应

34、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： 3.5.2 正常蓄水位坝体内层面的应力计算不计扬压力时： 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： 下游面剪应力： 上游面水平正应力： 下

35、游面水平正应力： 上游面主应力： 下游面主应力： 3.5.3 校核洪水位时坝基面的应力计算1不计扬压力时： 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： 3.5.4 校核洪水位时坝体内层面的应力计算1不计扬压力时： 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：

36、下游面主应力： 2计扬压力时： 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： 以上计算结果均列入计算表格。见附录B表3-10至表3-13。经计算，应力满足要求。第四章 溢流坝段设计4.1 孔口设计1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。2洪水标准的确定；本次设计的重力坝是一级建筑物，根据规范查山区、丘陵区水利工程建筑物洪水标准，采用500年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水校核。3流量的确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为2200 m3/s ；校核情况下，溢流坝的下泄流量

37、为3300 m3/s。4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50100 m3/s。5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41 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2200501004422校核情况3300501006633 根据以上计算，溢流坝孔口净宽取36m，假设每一宽度为9m，则孔数为4。6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： m7堰顶高程的确定：处拟侧收缩系数=0.95

38、，流量系数=0.502，因为过堰水流为自由出流，故=1。由堰流公式：计算堰上水头，计算水位分别减去相应的堰上水头，即为堰顶高程。计算结果见下表：表42 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22000.950.502369.4171.6校核情况33000.950.5023612.6171.6所以，堰顶高程取171.6m。8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） = 取8.9定型设计水头的确定：堰上最大水头校核洪水位-堰顶高程= m所以，定型设计水头（） m取=10.5 m .坝面最大负压0.3

39、=3.15m，小于混凝土重力坝设计规范最大负压不超过36 m水柱。10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43 孔口的泄流能力校核表设计情况369.40.4970.9221004.5% 5%校核情况3612.40.5100.9333000 1故采用双吊点启闭机。查闸门与启闭设备选用HPQ225 型。

40、图4-6 启闭机4.6 公路桥、工作桥的设计4.6.1 公路桥设计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

41、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7m，净宽5 m，每边设1 m宽的人行道， 公路桥顶部构造的底面高程，根据上述的桥下净空确定，公路桥面高程由上部构造的底面高程加上部构造的建筑高度确定，同时也应该考虑非溢流坝段的顶部高程。设定公路桥的顶部高程为185.7 m 。4.6.2 公路桥

42、梁的设计公路桥由2根预制的“T”型梁装配而成，梁高为跨度的1/81/10，梁肋宽约为梁高的1/2.51/4，按照以上要求（公路桥单孔净跨12米）确定：梁高：（1/81/10）12=1.51.2m，取1.5m ；梁肋宽：（1/2.51/4）1.5=0.60.375m，取0.5m 。梁肋截面尺寸为0.50.7 m 。公路桥放在闸墩尾部，考虑不影响弧形闸门和墩的美观而距墩尾圆弧头部1.25 m 。具体尺寸见下图：（单位：米）图4-7 公路桥梁简图4.6.3 工作桥的设计由于工作桥供设置启闭机和管理操作之用，因而桥的位置是由启闭机设备、闸门类型及布置和启闭方式而定。桥的高度必须保证闸门开启不影响泄放流

43、量，同时要有利于将闸门从孔口中取出检修。由于闸墩的高程能够满足上述要求，可以把工作桥直接放在闸墩上。 1工作桥梁的设计工作桥采用钢筋混凝土板梁式结构。工作桥设置两根纵梁，采用T形截面梁。根据工程经验，梁高一般为跨度的1/81/10，肋宽约为梁高的1/2.51/4。初步拟定总宽3.1m ，梁高1m ，梁肋宽30cm ，梁肋截面3030 cm 。由于启闭机采用固定式卷扬启闭机，由产品主要参数可知梁肋中距1.4 m 。工作桥纵梁翼板厚度，在悬臂梁外缘因要做栏杆其厚度不小于7 cm ，常用810 cm；悬臂梁根部梁肋不小于12 cm，常用1520 cm；悬臂宽度为4070 cm。初步拟定悬臂外缘为8

44、cm，梁肋根部为16 cm，悬臂宽度为70 cm，为了减少纵梁吊装重量和节约材料，将两根纵梁之间的翼板改为8 cm厚的活动铺板。为保证两根纵梁的可靠连结，在启闭机下面设置横梁。在每个机座下面布置两条横梁，每条横梁中线基本与启闭机脚螺栓排列的行线相一致，横梁高度可取纵梁的2/33/4，一般取4050 cm，横梁宽度不小于18 cm，一般取20 25 cm。初步拟定横梁尺寸2560 cm。具体尺寸见下图4-8。图4-8 工作桥梁简图2工作桥排架的设计将其直接放在闸墩上面，高程为184+8+1=193 m。横梁截面尺寸5050 cm，纵梁尺寸5070 cm。具体尺寸见下图4-9。图4-9 工作桥排架

45、简图 3便桥的设计便桥总宽3 m ，距闸墩头部1.5 m 。具体尺寸见下图4-10。 图4-10 便桥梁简图4.7 闸墩及导水墙的设计4.7.1 闸墩的设计闸墩承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支撑。闸墩的基本形状，在上游端应使水流平顺，减少孔口水流的侧收缩；下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。在本设计闸墩采用半圆形。闸墩的厚度与闸门的形式有关。采用弧型闸门时，不需要闸门槽，而在闸墩上加设牛腿，以支承闸门的臂力。工作闸门采用弧形闸门，闸墩的最小厚度为1.52.0，所以拟定中墩的厚度为3，边墩的厚度为2。工作闸门前设置检修闸门，检修闸门的门槽深0.72.0。初步拟定检修门槽的尺寸为0.80.5

46、。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。根据以上要求拟定闸墩长度16，高程185。4.7.2 导水墙的设计边墩向下游延伸成导水墙。其的长度为：当挑流消能时，导水墙延伸到鼻坎末端；当底流消能时，导水墙延伸到消力池护坦末端；高度：墙顶应高出掺气后水深的0.51.5，本设计采用的是挑流消能，故导水墙延伸至鼻坎末端；由混凝土重力坝设计规范掺气后水深的估算公式为： （4-22）式中：掺气前的水深，； 掺气后的水深，； 掺气前计算断面上的平均流速，/s； 修正系数，一般为1.0s/m1.4s/m,视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时，宜采用较大值。 其结构形式为一端

47、固定在坝体上的悬臂钢筋混凝土结构，墙顶高度不小于5060cm ，沿长度方向每隔1530m分缝。 已知：在掺气前， ， ，取 则 = = 故取：导水墙的高度高出溢流坝面5.5，墙顶面宽50 cm，沿长度方向每隔20 m设置分缝。4.8 溢流坝段稳定验算沿坝轴线取一孔宽12m为计算单元进行计算。计算时按三种工况考虑：工况：正常蓄水位时，闸门全关情况下，水压力、自重等对坝基面的作用力。工况：校核洪水位时，闸门全关情况下，水压力、自重等对坝基面的作用力。工况：库空情况下，自重等对坝基面的作用力。具体计算见简图4-11及附录C表4-5至4-9 。 图4-11 溢流坝荷载简图4.8.1 部分荷载计算说明1

48、自重的计算（如图4-12）：在荷载图上，横截面为1/4椭圆形，查建筑结构设计手册求图形的面积和形心。面积：m2形心：=0.576=0.5763.15=1.814m=4.622249=998.35kN 图4-12=（17.73+3.15-1.814）998.35=19034.54kNm 自重的计算：幂曲线所包含的面积用积分进行计算，算到闸墩末为止，如图4-13所示：图中阴影以外面积:m2阴影部分面积11.356.06-24.147=44.634 m2 图4-13=44.634249=9640.94 kN自重产生的弯矩：先求出阴影以外部分的面积矩 则阴影内这部分面积形心矩坐标O的水平距离为：m故弯

49、矩9640.94（17.73-4.20）=130441.92 kNm自重、的计算（如图4-14）： 圆方程 ， 即： 阴影部分面积: 图4-14当=16m，时， 当=16m，时，面积矩 当=16m，=12.494m时， 当=16m，=6.762m 时，当=6.762m时，当= 19.2时，故 ： =22.7692412=6557.47 kN= (18.57-0.5-6.762-9.50)6557.47=11855.91 kNm=3.3132412=954.14kN= 18.570.5-(6.762-5.088)954.14=15644.08 kNm4垂直水压力形心距坐标O的距离的计算的面积 的

50、面积矩5校核洪水位时动水压力的计算反弧段平均流速：式中：堰面流速系数，取=0.96；上游水位至反弧鼻坎的高差，即因此：单宽流量：根据水工建筑物荷载设计规范9.3.2：溢流坝泄水建筑物反弧段上离心力的水平及垂直分力代表值可按下式计算： （4-23） （4-24）式中：单位宽度上离心力的水平分力代表值（N/ m）；单位宽度上离心力的垂直分力代表值（N/ m）；、如图所示的角度，取其绝对值。所以：水平动水压力： = =5672.27 kN垂直动水压力： = =24240.94 kN反弧中心角 =反弧最低点高程为：155-16（1cos25）=153.50m。力矩：=5672.27（153.5-136

51、）+1616cos(38.17-25)=101647.08 kNm =24240.9418.5716sin2516sin(38.17-25)0.5=185685.60 kNm6闸墩重的计算：对截面形心力臂= 所以： 7工作桥重的计算： 板重： 力臂= 梁重： 力臂= 排架重： 力臂= 8弧形门重的计算： 由前计算知， 力臂：挡水时，闸门底设在堰顶下游，距堰顶水平距离1.1 m （弧形门底位置底于堰顶0.1m，），所以力臂= 9公路桥重的计算：kN对截面形心力臂，公路桥放在闸墩尾部，考虑不影响弧形门启闭和墩的美观而距墩尾顶部1m,其形心力臂为： kNm10便桥重的计算： 立柱重：力臂= 梁重：

52、力臂=4.8.2 坝体强度和稳定承载能力极限状态验算4.8.2.1 工况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： 波浪要素计算，由前面已知 =8.96m=4.48m 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（基本组合）： 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

53、坡度；混凝土抗压强度，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。4.8.2.2 工况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+动水压力2荷载组合计算：包括坝体自重，静水压力、扬压力、动水压力、水平泥沙压力。具体计算见附录C荷载计算表格4-7、4-8。3抗滑稳定性验算：（1）坝体混凝土与基岩接触面

54、的抗滑稳定性极限状态 计算作用效应函数：S（）= 抗力函数：R（）=+ 摩擦系数设计值： =0.85/1.3=0.654 粘聚力设计值： Kpa 抗力函数： R（）=+ 式中： 稳定性核算：对偶然组合 =1.1， ， 抗滑稳定性需满足 / 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 = 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。细部构造5.1坝顶构造坝顶构造包括非溢流坝段坝顶构造和溢流坝段坝顶构造两部分。5.1

55、.1 非溢流坝段坝顶构造 坝顶公路总宽7m，两侧设置人行道，每侧宽为1米，人行道高出路面20cm；在公路桥上游和下游侧设置护栏和灯柱，以保护行人和行车的安全。护栏的高度为1.01.2米，取1.1m；坝顶路面设有3%的横向 图5-1 坝顶公路桥示意图坡度，并设置相应的排水设施，以便排除路面雨水。路面排水与坝体排水连通，一部分水排入坝体内并通过坝体排水管排出，另一部分水通过排水管排向上游水库。如图5-1所示。5.1.2 溢流坝段坝顶构造根据运行要求溢流坝坝顶的布置，包括交通桥、工作桥、便桥、闸门、闸墩、起闭机（见前溢流坝段设计），具体示意图见附录大坝剖面图。5.2 廊道系统廊道的种类很多，有基础灌

56、浆廊道、检查廊道、排水廊道等。这些廊道是用来灌浆、检查维修和排水之用。对于中坝，根据需要可分别设置灌浆和排水廊道，因为基础灌浆廊道可用做灌浆、排水，检修之用，故本设计只设基础灌浆廊道，又因为最大坝高49.7m，按规范规定，大约每隔30m 设计 图5-2 廊道示意图一层廊道，若按30m 设一层，则第二层已超出坝体，所以只设一层廊道，其断面形式选为城门洞形。如图5-2所示。参照混凝土重力坝设计规范DL 5018-1999，基础灌浆廊道的断面宽度为2.53.0m，高度为3.03.5m；廊道的位置：廊道上游侧至上游坝面的距离为（0.070.1）H（ H为该处坝面的作用水头），故拟定廊道尺寸为宽度3.0

57、m，高度3.0m ，距底面5 m，距上游面3 m 。5.3 坝体分缝 在本设计中，主要进行以下几种分缝，分缝的目的：为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉降而产生裂缝，满足混凝土的浇注能力和温度控制的需要，将坝体分缝。常见的缝有：横缝、纵缝、水平施工缝。设计参照混凝土重力坝设计规范DL 5108-1999。5.3.1 横缝 横缝垂直于坝轴线，将坝体分为若干个坝段。间距为1220m，取16 m ；缝宽12cm，取2cm。横缝为永久性缝，缝面为平面，缝内设置止水。5.3.2 纵缝碾压混凝土坝不宜设纵缝,故不设纵缝。5.3.3 水平施工缝碾压混凝土多采用通仓薄层连续填筑，本坝采用每层0.3m，厚度不是

58、很大，故不设水平施工缝。5.4 止水布置 参照混凝土重力坝设计规范DL 5018-1999，重力坝横缝的上游面、下游面最高水位以下及坝内廊道和孔洞穿过分缝处的周围等部位应布置止水设施。在本设计中设两道止水，第一道止水片采用铜片，止水铜片埋入混凝土坝内的长度可为2025cm，取20 cm；止水片加工成“”形；第二道止水片可采用塑料或橡胶止水片，在此采用塑料止水片。如图5-3和5-4所示。 图5-3 横缝止水布置图 图5-4 止水片5.5 坝体排水为了减小坝体的渗透压力，在靠近坝的上游防渗层后面，沿坝轴线方向，布置一排竖向排水管。排水管的上部延伸至最高水位以上，下部直通廊道，竖直布置。参照混凝土重

59、力坝设计规范DL 5018-1999，排水管中心线距离上游坝面1/101/12倍坝前水深，排水管间距23m，管径不小于110mm，一般取150250mm。在本设计中设排水管中心线距离上游坝面3m，排水管间距2m，管径200mm 。地基处理设计天然地基常存在着不同程度的缺陷，它们对坝体的安全有不利的影响，因此必须经过处理才可以作为坝基础。地基处理的主要任务是：防渗提高基岩的强度和整体性。常用的处理方法有：开挖与清理、加固处理、坝基帷幕灌浆、基础排水等方法。6.1 基础开挖与清理参照混凝土重力坝设计规范DL 5018-1999基础开挖的深度应根据坝基应力、岩石强度及整体性，结合上部结构对地基的要求

60、和加固处理的效果、工期和费用等研究而定。因为坝高小于50m，可建在弱风化中部至上部基岩上。以上部分全部清除。在本设计中，顺河流方向开挖成略向上游倾斜的锯齿状（一般坡度1：81：10，长4m、坡度1：0.51：1，长0.5m），具体拟定如图6-1所示。图6-1 地基锯齿状开挖与浅齿墙（单位：米）6.2 坝基帷幕灌浆 帷幕灌浆是为了降低坝底的渗透压力，提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性，防止坝基内产生渗透破坏。参照混凝土重力坝设计规范，在本设计中： 帷幕灌浆的范围是河床及两岸。灌浆的材料一般用水泥浆，必要时也可用化学浆。帷幕灌浆钻孔的方向铅直。对中、小型工程，帷幕灌浆的深度可按照下式估算：