桃林口重力坝水利枢纽设计

河北工程大学毕业设计（论文）PAGE-目录第1章 基本资料 11.1 枢纽概况及工程目的 11.2 设计基本资料 11.2.1 水文分析 11.2.2 气象条件 51.2.3 工程地质 51.2.4 当地建筑材料 71.2.5 交通条件 81.2.6 施工条件 81.2.7 效益（以1984年价格水平及费用标准计算） 8第2章 枢纽布置 112.1 坝轴线选择 112.1.1 坝段比较 112.1.2 坝线选择 122.2 坝型选择 132.3 枢纽布置 13第3章 坝体剖面设计 143.1 坝顶高程的确定（参考《水工建筑物》教材P34） 143.2 挡水坝剖面设计 163.2.1 坝顶宽度的确定 163.2.2 折坡点位置及坝底宽度的确定 173.2.3 基础灌浆廊道尺寸拟定 173.2.4 排水廊道尺寸拟定 173.3 溢流坝剖面设计 183.3.1 溢流面曲线设计——参考《水工建筑物》教材P38 193.3.2 剖面设计 233.4 水力计算 243.4.1 堰顶过流量计算 243.4.2 底孔泄流计算 253.4.3 挑流消能计算 253.4.4 水面线的确定（参考《水工设计手册》卷6相关部分） 263.4.5 溢流重力坝的上部结构设计 29第4章 挡水坝稳定分析及应力计算 314.1 计算情况及控制标准 314.1.1 应力分析计算原理 314.1.2 稳定应力控制 314.2 荷载组合及计算 324.2.1 荷载组合 324.2.2 荷载计算(正常蓄水位情况下) 324.3 兴利水位、校核水位下的计算 374.3.1 兴利水位下的计算 374.3.2 校核水位下的计算 404.4 兴利水位加地震荷载作用下的计算 434.4.1 兴利水位加地震荷载下的抗滑稳定计算 434.4.2 兴利水位加地震荷载下的坝基础截面的应力计算（75.0米高程） 43第5章 溢流坝稳定及应力计算 455.1 荷载计算及其组合 455.1.1 自重：包括闸墩、坝体、工作桥、交通桥、启闭机。 455.1.2 动水压力的计算（兴利水位下） 475.2 兴利水位、校核水位下的稳定及应力计算 475.2.1 兴利水位下的计算 475.2.2 校核水位下的计算 51第6章 细部结构设计 566.1 混凝土分区及标号选择 566.2 坝体分缝 576.2.1 横缝 586.2.2 纵逢 586.2.3 水平施工缝 586.3 坝体廊道系统 586.3.1 基础灌浆廊道 586.3.2 检查和坝体排水廊道 596.4 止水和排水 606.4.1 横缝止水 606.4.2 坝体排水 626.5 坝顶布置 626.6 地基处理 636.6.1 地基开挖与清理 636.6.2 坝基帷幕灌浆 636.6.3 坝基固结灌浆 646.6.4 坝基排水 646.6.5 断层破碎带和软弱夹层的处理 64参考文献 66谢辞 67基本资料枢纽概况及工程目的桃林口水库位于河北省青龙县与卢龙县交界处。控制流域面积5060平方公里，占全流域的80%。青龙河是滦河较大支流之一，水量充沛，但年内及年际的水量分配极不均匀，必须兴建大型的控制工程进行调节，丰富的水资源方可充分的利用。水库主要任务是调节水量，供秦皇岛市和港口码头、钢铁基地及滦河下游地区农业用水。结合引水发电、水面养殖、洪水错峰等，可得到综合利用的效果。供水原则是：在满足城市生活、工业用水的同时，对农业也给以一定的重视。特别是移民迁建灌区用水应优先保证，其次是现有灌区用水及潘家口、大黑丁两库的配套灌区，新增灌区要安排在缺乏地下水的滨海地区。枢纽工程在三个坝段选择了二条坝线，二种坝型。Ⅰ－83坝线采用混凝土重力坝，红层坝线采用当地材料坝。枢纽建筑物包括主坝、泄水设备及电站等。枢纽工程的推荐方案为Ⅰ－83坝线混凝土坝方案。根据本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水电部制定的SDJ12－78设计标准，水利枢纽工程属大一型。主要建筑物按一级设计，辅助建筑物按三级，临时建筑物按四级设计。洪水设计标准，混凝土拦河坝(一级建筑物)按千年一遇设计，五千年一遇校核。设计基本资料水文分析⑴、年径流：青龙河流域水量充沛，是滦河流域水资源蕴藏量较大的一条支流。年径流由年降雨产生。年径流在地区与时间上的分布与年降水基本一致。年径流在年际间变化悬殊，桃林口实测资料1956～1982年27年资料中，丰水年1977年达21.34亿立方米，枯水年1981年仅1.667亿立方米，相差19.37亿立方米，约合12.倍。且丰、枯水年连续发生。多年平均年径流量为9.8亿立方米。⑵、泥沙：青龙河流域植被较好，泥沙来源在地区上分布和洪水在地区上的分布是一致的。主要是土门子到桃林口区间，其间来沙量约占桃林口以上总输沙量的60～70%，本地区泥沙在年内分配比径流更集中，汛期输沙量占年输量的95%以上，而汛期沙量又都集中在几次大洪水。年际之间沙量变化悬殊。由统计分析得知，桃林口站多年平均输沙量为386万吨，多年平均侵蚀模数为762吨/平方公里，多年平均含沙量为4.0公斤/立方米。从泥沙的组成情况来看，泥沙颗粒较粗，中值粒径为0.0375毫米，淤沙浮容重0.9吨/立米，内摩擦角为12度。⑶、洪水：青龙河洪水由暴雨形成。本地区暴雨历时短、强度大、地区坡度陡，洪峰陡涨陡落。一次洪水历时一般为3～6天。流域南部位于燕山山脉东侧的暴雨中心地带，因此洪水具有风高浪大的特点。本流域洪水多发生在七、八两月，出现在七月的占34%，出现在八月的占66%，桃林口多年平均6～9月洪量占年径流量的70%左右，三天洪量占六天洪量的70%以上，大水年尤为集中。如1962年最大六天洪量占年径流量达70%。流域内洪水地区分布主要在土门子以下。以土门子与桃林口1971～1977年同期系列统计，土门子～桃林口区间占桃林口以上洪量的60%以上，而其面积占桃林口以上总面积的42%。由频率分析法求得：表1·1洪水计算成果表项目洪峰流量（秒立米）洪量（亿立米）24小时三天六天三十天特征值均值20001.42.82.85.37CV1.351.351.251.251.0CS/CV2.52.52.52.52.5频率（%）0.013204022.4339.9639.9655.400.022960020.7536.9036.9051.500.12248015.7428.3428.3440.500.21968013.7824.9224.9236.200.51600011.2320.4120.4130.401132809.3017.1417.1426.102106807.4813.9213.9221.70573605.159.809.8016.201050003.506.836.8312.102029202.044.174.178.18表1·2桃林口水库坝址以上不同频率设计洪水过程线时间不同频率（%）流量（秒立米）月日时0.020.12510724229468034823782962419741721800550500252220019001050800630426872035120090074064466337915001100891续表1·2时间不同频率（%）流量（秒立米）月日时0.020.12510787622577327501890122010108578320392027001800121313199464740326021701414348108675170356023701614128107005100351023401813162998447503270218020113238576408028101870229751738635202420161024892367583220221014702628399636230302000139047740586227901920128066895522224801710114086845518424701700113010684551842470170011301226800195809518591037901428400218001050070004700162940022400106507320494018296002248010680736050002029300222001065073304950222900021600104507250488024285002000098506880458027220520176008950600041004215401520077005200370061806012800620044503000814580104004850360024601011100800034002540177012500038001900145010301434202885140010007001631632470115085061018291123401050800590续表1·2时间不同频率（%）流量（秒立米）月日时0.020.12510720289022101000750560222758218965073055024260420809207265462822552196091072253542451193390071853062309182090071452882214172289071052610214516768857065241220301635880702522142016155087569852016192615278706945171818271463865690515201818143386068651322172314048556825102416891377850678508292165513718466745054162213268436705036161612818406665008156712358366624971015161229833658495121455117083065449314137911408266504901613481143823646488181290109582064248620126010698166384832212291043813634480241198101781063147830211689918066284754113896580362547361107939800622470续表1·2时间不同频率（%）流量（秒立米）月日时0.020.12510781095930796618468101083930793615466121072910790612464141061900785609462161053894780606460181107939775603458201061900770600455气象条件全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约700毫米，且多集中在夏季七、八两月。流域多年平均气温为摄氏10°C左右，日温度变化较大。离坝址较近的迁安站实测最高气温39°C，最低气温－30°C（青龙站）。全年无霜期约130天，结冰期约120天，河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，冰厚为0.4～0.6米，岸边可达工程地质1、区域地质桃林口水库库区属于中高山区，构造剥蚀地形。青龙河在本区内河曲发育，侧蚀能力较强，沿河形成不对称河谷，由于构造运动影响，河流不断下切，于堆积岸形成阶地，侵蚀岸形成陡崖，组成本区地层计有：太古界、下元古界、震旦系、朱罗系及火成岩侵入体和第四纪等。其中分布最广的为震旦系地层。其中以太古界、下元古界、震旦系、朱罗系三者与工程关系密切，为库区的主要岩层。2、地质构造与地震桃林口水库处于燕山沉降带的中部。地质构造复杂。全区地震频繁，特别是坝址区南部尤为突出。库区及其周边控制性的断层有秦皇岛——建昌营和滦南——卢龙断裂。秦皇岛——建昌营大断裂系深层大断裂，在坝址下游小暖泉村穿过青龙河，沿线有泉群出现。从控制泉群，控制地貌及岩相作用分析，列为活动性断裂较合适。滦南——卢龙断裂（又称桃园断裂），该断裂向北东方向延伸，在距桃林口库区6～7公里处尖灭。属第四纪以来活动性较强的断裂。唐山地震以后，沿该断层时有余震发生。上述二条活动性断裂在在三坝段以西5公里处汇而不交。按断层交汇部分易发震的原则，这种汇而不交是值得注意的。近期坝地区未发生大于4级以上的地震，邻区地震活动有一定影响。1983年8月河北省地震局在《桃林口水库工程地震基本烈度鉴定书》中确定，一、二坝段位于北Ⅰ区，属相对稳定区，基本烈度为6度（考虑枢纽重要性和水库激发地震，大坝设计烈度提高1度，按7度设计）。三坝段位于Ⅰ区，基本烈度为7度。邻区强震的影响烈度最高可达6～7度。3、库区工程地质条件库区左岸非可溶性岩层广泛分布，其中主要由娟云母千枚岩、石英砂岩、砂质页岩等组成。透水性较小，也没有发现勾通库内外的大断层。因此，在非可溶性岩层分布区，没有向库外渗漏的可能性。库区可溶性岩层分布于青龙河右岸，从隔水层的分布、岩溶的发育情况以及地貌水文地质条件的分析，水库蓄水以后，向邻谷沙河渗漏的可能性也是不大的。青龙河与邻谷沙河之间分布有大面积的石英斑岩、斑状花岗岩及火成岩的侵入体，组成了相对隔水层。不利于地下水的活动。经过对库内断层，灰岩地区的勘探分析，水库向外流域及下游漏水的可能性很小。库区内岩层抗压强度较高，抗风化能力较强，未发现可能发生坍塌的岩体，库区基本上是稳定的。库区内未发现有开采价值的矿藏，不存在对库周边产生的浸没问题。4、坝址坝线工程地质条件坝段内出露的断裂构造如F103、F105、F108、F112、F114、F117、F122等大小断层共十余条，断层走向以北西为主，北东者少，多为高角度正断或平移正断层，少数为逆断层。对大坝稳定、渗漏有一定影响的断层有：（1）F103断层，产状走向近NW，倾向N，倾角40～50度，逆断层。大红峪组第三段砾岩被切割，下盘有牵引摺曲，破碎带宽约10～20米。出露于Ⅰ83坝线右岸上游约150～200米，宽约10～20米。（2）F105断层，产状走向近NW310度，倾角80～90度，平移断层，水平断距400米，两侧岩石破碎严重，无胶结现象。出漏于Ⅰ83坝线右岸坝头附近。（3）F122断层，产状走向NW345度、倾向NE、倾角56度，逆断层。由大红峪组第一段薄层板岩、石英砂岩逆于大红峪组第二段中厚层石英砂岩之上。破碎带宽约6.0米，未见胶结现象，其中夹有30厘米厚的断层泥，断层两盘岩石影响带宽10.4米，在上盘薄层板岩夹石英砂岩中有牵引摺曲，岩层有直立或倒转现象，具有强烈挤压特征。（4）根据坝址两岸构造，地层岩性出漏分析，推测河床中可能有顺河断层通过。原因一是两岸出漏的断裂构造均未过河，如F103断层走向近东西，规模较大，左岸无迹象，二是地层出漏两岸高程有明显差异。Ⅰ83坝线主要工程地质条件如下：表1·3Ⅰ83坝线主要工程地质条件地形地貌构造剥蚀——中低山地形，不对称‘Ｕ’型峡谷，右岸较陡，左岸较缓，阶地不发育坝线长480米覆盖层河床5～7米砂石层，左岸山麓堆积31.0米地层岩性震旦系大红峪组第一、二段，为中厚层石英砂岩与板岩互层。地层产状层面倾向上游软弱夹层据平洞、竖井资料，右岸有软弱夹层13条，系顺层夹泥，左岸顺层夹泥6条，切层泥3条，建议摩擦系数f=0.2～0.24风化情况弱风化下限、河床10～28米深（高程左边75米，右边55米），左岸弱风化下限为115～105米高程，右岸为120～90米高程。地质构造右岸小断层6～7条：左岸F122断层一条。构造简单，基本地震烈度为8度岩层透水性岩基下部80～100米深的范围内W值大于0.01升/分.米，均需灌浆处理。岩溶Ⅰ83坝线上游2公里处，马圈子电站附近见溶洞稳定性右坝肩上、下游存在Ⅰ、Ⅱ号不稳定岩体。、岩石力学指标石英砂岩单块岩石室内指标：抗压强度134～338Mpa，弹性模量E=5000～10000Mpa，泊桑比=0.11～0.33，各岩层层面摩擦系数的估计建议值：（1）石英砂岩层面摩擦系数为0.60～0.65（2）板岩层面摩擦系数为0.4～0.45（3）夹泥膜层面摩擦系数为0.3～0.35（4）切层夹泥层面摩擦系数为0.2～0.24当地建筑材料天然建筑材料分布于坝址区上、下游河滩及两岸阶地。其中土料场主要有庄窝、土台子等七处，地下水位以上储量为1183.44万立方米，沙砾卵石料场主要有南杖子、桃林口等八处，地下水位以上储量为1088.95万立方米，全部储量有待进一步勘察。各料场材料的物理性质，试验指标等基本满足技术要求，可作大坝混凝土骨料及供围堰方量。如采用当地材料坝方案，其粘性土料的储量足以满足施工要求。交通条件对外交通计划从京秦路大横河站接轨至工地。改建和新建滦县经迁安、滦县经卢龙到达工地的公路，坝顶无交通要道。施工条件 采用低围堰、低孔导流、分期施工的导流方法进行施工。各项施工辅助企业、仓库及生活等临建设施布置在坝址下游两岸。混凝土骨料取自下游料场。施工用电由刘田庄引接。效益（以1984年价格水平及费用标准计算）水库建成后，除了满足秦皇岛市、冀东钢铁基地及农业用水外，还可获得发电、防洪、养鱼等效益，总效益是显著的。（1）灌溉效益：表1·4灌溉效益分析成果表项目旱地灌溉旱改水稻垦荒水稻灌与不灌产值差（元/亩）162.0354.2412.0分摊系数法亩效益（元/亩）81177.1206.0单方水效益（元/立米）0.250.170.17减去成本法亩效益（元/亩）124.0378.0261.0单方水效益（元/立米）0.390.260.22（2）城市及钢铁基地供水效益：按秦皇岛市总净产值中水的效益分摊系数以10%计，则每立方米水量的效益为0.53元/立米。（3）防洪效益：防洪效益按建库以后，与潘家口、大黑丁水库联合运用，在削峰、错峰过程中减少滦河下游地区的洪水灾害计算，水库年平均效益为443.16万元/年。（4）发电效益：以水电的价格代替水电的效益按0.093元/度计算。表1·5水库规划及建筑物特性指标项目单位指标备注水位校核洪水位设计洪水位正常蓄水位死水位校核尾水位设计尾水位正常尾水位坝前堆沙高程米－－－－－－－156.3153.7153.2110.099.197.084.197.6P=0.02%P=0.1%发电库容总库容调洪库容兴利库容死库容堆沙库容亿立米－－－－14.932.010.330.941.66主坝坝型石实体重力坝坝顶高程最大坝高坝顶长度米－－157.2489.24519.0供设计参考坝顶溢流孔数堰顶高程每孔净宽工作闸门尺寸启闭机（245T固定式）设计洪水下泄能力校核洪水下泄能力孔米－米米台秒立米秒立米15141.715.01512.5151827624527泄水孔进水底高程底孔数及尺寸弧形工作闸门工作门启闭机设计水位泄水能力校核水位泄水能力米孔－米米孔－米米台秒立米秒立米90.04－564－56435843663电站（引水式）隧洞进口高程隧洞长度隧洞洞径主厂房尺寸（长宽高）水轮发电机组装机容量米米米米米米台万千瓦103.5445.05.051.7513.928440.65=2.6

枢纽布置坝轴线选择根据坝址的地质、地形条件，通过定性分析，确定坝轴线位置。坝段比较桃林口水库坝址，从上游到下游分为三个坝段，即上游第一坝段。位于高台子村至三道河村之间，曾选有Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ及Ⅰ83四条坝线，河岸为串岭沟板岩，其中Ⅰ83坝线为大红峪第一层的石英砂岩与板岩互层。中间第二段，位于二道河村与桃林口水文站之间。曾选有Ⅲ60、Ⅲ69、Ⅲ83及“红层线”四条坝线，坝基岩层为高于庄灰岩地层，其中“红层线”位于红色的杨庄泥质灰岩之上。下游第三坝段位于桃林口旧村与新村之间，曾选有Ⅵ、Ⅶ、Ⅳ三条坝轴线。其中Ⅵ、Ⅳ两条坝轴线河床为串岭沟板岩，Ⅳ坝轴线坝基为大红峪石英砂岩夹沙页岩。三个坝段，十一条坝线的位置见图2－1。三个坝段坝基岩层的地质年代虽都属于震旦系，但岩性不同。而其共同点确是都存在有软弱层或夹泥层。现已发现的第一坝段Ⅰ83坝线基岩的夹泥层只是泥膜，厚度在3～5毫米。基岩以下深30米以内。切层的夹泥厚度5厘米左右。二、三坝段夹泥较多一些。三个坝段地形、地质及交通条件等的比较见表2—1。表2—1坝段地形、地质及交通条件等的比较坝段类别第一坝段第二坝段第三坝段地形条件河谷较窄，适合修建混凝土重力坝。溢流堰底孔等泄水建筑物可放在主河床。右岸还可采用引水式电站。可增加6米的发电水头。无副坝。工程单一。不宜修建当地材料坝。河谷不对称，左岸坡缓。坝轴线较长适合修建混凝土材料坝，荞麦岭处是天然单薄分水岭，是修建溢洪道或泄水洞的有利地形。无副坝。工程单一。河谷较窄。适合修建混凝土或当地材料坝。右岸山底瘠薄。须修建二座副坝。工程项目多。地质条件坝基为石英砂岩与板岩互层，右岸北西向大裂隙较多，坝基软弱夹层为泥膜。切层的夹泥厚3～5厘米且倾向下游。左岸F12断层通过坝肩。混凝土坝基为灰岩，岩性不均一，左坝头可能漏水，荞麦岭较单薄，Ⅲ60坝基有断层F104通过，破碎带宽度大，处理工程量大。当地材料坝坝基为泥质灰岩和页岩，渗透性小，是天然的防渗帷幕，溢洪道位于荞麦岭。坝基为石英砂岩夹砂纸页岩，岩性坚硬。坝基有断层F8通过。右坝头有F7通过。坝址上游不远处是几个断层交汇处，下游离建昌营～秦皇岛大断裂较近，对坝体的稳定不利。地震6度6度7度交通条件坝址位于峡谷之中，对外交通不便。施工场地狭窄。同左坝址位于低山丘陵地带。交通方便，施工场地开阔。其他距离建筑材料场地最远。距离建筑材料场地较远。距离建筑材料场地最近。坝线选择第一坝段Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ三条坝线，其右岸岩层褶皱变化复杂断层密集，都不是适宜的坝线。相比之下，在三道河村附近，右岸岩层倾向上游，层次分明较为完整，条件较好，故以Ⅰ83坝线作为第一坝段的代表。第二坝段中Ⅲ60Ⅲ69两条坝线基岩为灰岩。但从右岸岩层的产状相比，Ⅲ69坝线右岸岩层走向与河流平行。倾向河中，倾角较高。当建坝蓄水以后，存在不稳定因素及绕坝渗漏。Ⅲ69坝线右岸倾向下游，层次比较平稳，两者相比，Ⅲ69好于Ⅲ60。但因两坝线左岸都存在大暖泉，渗漏情况及单薄分水岭—荞麦岭在蓄水以后的稳定情况难以把握。故此两坝线不于考虑。“红层线”与Ⅲ83坝线坝基岩层强度稍低一些，适宜修建当地材料坝。Ⅲ83坝线在左岸钻孔中，从高程137.7米到49.7米发现黑色含锰页岩51层，厚度0.5～1.0厘米，最厚达8厘米，性质松软，表面润滑。摩擦系数较低且岩层走向与河流平行，不宜作为坝基。第三坝段中Ⅵ坝线河槽较宽，右岸坝头已经远离较高的山头，坝轴线拐弯，增加了坝线的长度，从而加大了工程量。Ⅶ坝线坝基为串岭沟板岩。岩层强度较低，还有软弱层，相比之下，不如Ⅳ坝线，Ⅳ坝线位于现存小溢流坝下游80米处，坝基岩层为石英砂岩，还有少数几层沙质页岩，岩层的抗压强度及抗滑摩擦系数比板岩要大，故以Ⅳ坝线作为第三坝线的代表。经上述比较，三个坝段虽有11条坝线，但适于建坝的仅有Ⅰ83“红层线”及Ⅳ坝线三条。具体选择哪一条，应做技术经济比较最后确定。本次毕业设计以第一坝段的Ⅰ83坝线为推荐方案。坝型选择桃林口水库位于北纬40度地区，坝址在峡谷的风口，气温较低，气候寒冷，日气温变化值较大，各条坝线的河谷不对称，河谷宽度与坝高之比皆大于5.0，坝基及两岸岩层又夹有软弱夹层或夹层泥，故不宜修建拱坝或其他类型的轻型混凝土坝。根据本地区的气象特点及坝址取地形、地质条件的实际情况。初步考虑采用混凝土重力坝和当地材料坝两种坝型作为枢纽工程坝型比较的依据。Ⅰ83坝线，坝址两岸群山连绵，左岸没有修建溢洪道的地形条件，右岸虽有布置溢洪道的位置。但山体高大。如修建溢洪道，需挖深130余米，开挖石方量约1560万方。工程量浩大。故本坝线选用当地材料坝方案是不经济的。经过上述比较分析，Ⅰ83坝线以建混凝土实体重力坝为宜。枢纽布置第一节、第二节已确定了坝线（Ⅰ－８３）坝线和坝形（实体重力坝）。枢纽布置采用方案Ⅱ，布置方式是沿主河槽从右到左分别为溢流坝部分、低孔部分，两岸山坡为非溢流坝部分。在右岸开凿一引水隧洞至坝址部分。在右岸开凿一引水隧洞至坝址下游青龙河回转处。电站布置在隧洞出口，洞长约450m。（见图2-1）。现把坝体分成段，从右岸到左岸分为右岸挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段、左岸挡水坝段。其位置桩号分别为0+000－0+075（右岸挡水坝段）、0+075－0+345（溢流坝段）、0+345－0+389（低孔坝段），0+389－0+514（左岸挡水坝段）。

坝体剖面设计剖面设计的主要任务是选择一个既要满足稳定和强度要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行安全可靠的剖面。重力坝的剖面设计原则是在确保坝体安全运用，在满足稳定和强度要求的前提下力求获得最小的剖面尺寸和美观简单的外形，以达到最大限度的节省坝体工程量的目的。重力坝的基本剖面是指坝体在重力、水压力、扬压力等三种主要荷载作用下，满足稳定和要求时所求的最小三角形剖面。图3·1重力坝的基本剖面坝顶高程的确定（参考《水工建筑物》教材P34）坝顶应有足够的安全超高，坝顶或防浪墙顶高出水库净水位的高度可按下式计算：（３．１）式中：h——波高，（m）；h0——波浪中心线至净水位的高度，（m）；hc——安全超高，（m）。对于设计洪水和校核洪水情况,分别采用不同的计算风速值,求得相应的和以后,坝顶或防浪墙顶高程按下式计算.坝顶高程=设计洪水位+（３．２）坝顶高程=校核洪水位+并选用其中较大者。由设计资料可知该水库吹程为3公里，多年平均最大风速为15.8m/s，且为山区峡谷水库，故采用官厅公式计算波高h和波长L。（３．３）（３．４）（３．５）式中：H1——坝前水深，m。（1）、设计洪水情况风速v宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍。V设=1.515.8=23.7m/sD=3kmh0设=由《水工建筑物》教材P10表1·11查得：混凝土闸坝在正常运行情况下的超高是0.7m。则坝顶高程=153.7+2.34=156.04m（2）、校核洪水情况风速v宜采用相应洪水期多年平均最大风速。V设=15.8m/sD=3kmh0设=由《水工建筑物》教材P10表1·11查得：混凝土闸坝在非正常运行情况下的超高是0.5m。则坝顶高程=153.7+2.34=156.04m取上述两种情况下的较大值，则坝顶高程确定为157.8m。本设计的防浪墙高度取为1.2m，此时：防浪墙顶高程=157.8+1.2=159.0m由桃林口水库І－83坝轴线地质纵剖面图及枢纽布置图可知挡水坝段最大坝高对应的底面高程为75.0m。挡水坝最大坝高=坝顶高程－底面高程=157.8－75.0=82.8m挡水坝剖面设计挡水坝剖面设计采用最优化原则，在确保坝体安全运用，满足稳定和强度的条件下力求获得最小剖面尺寸和美观简单的外形，其尺寸确定通过计算进行优化选择。参考《水工建筑物》上册（马文英主编）P35页所述三种实用剖面形式，通过对三种实用剖面形式的分析比较，本设计采用第二种剖面形式，如图3-2所示。根据工程经验，当为岩基时，一般取上游坡率n=0~0.2,下游坡率m=0.6~0.8。本设计中，初步拟定n取0.2,m取0.7。图3·2坝体实用剖面形式坝顶宽度的确定坝顶应有足够的宽度，以满足交通、施工和运行管理的需要，坝顶宽度一般取坝高的8%~10%，且不小于2米。（《水工建筑物》教材上册P34）。(1)最大坝高的确定由桃林口水库Ⅰ-83坝轴线地质剖面图及方案Ⅱ枢纽布置图可知大坝的最底面高程为65.0米，又大坝坝顶高程为157.8米，故大坝最大坝高为：Hmax=157.8-65.0=92.8(2)坝顶宽度的确定b=(8%~10%)92.8m=(7.41~9.16)m本设计坝顶宽度取为8m。折坡点位置及坝底宽度的确定(1)坝前设计水深H1=校核水位—挡水坝底高程=156.3-75.0=81.3m(2)上游折坡点高程本设计中上游折坡点的高度取为2/5倍坝前设计水深，则y1=H1=81.3=32.5m故上游折坡点到程为：75.0+32.5=107.5m(3)坝底宽度的确定T=ny1+mH1=0.232.5+0.781.3=63.4m(4)下游折坡点高程y2=[63.4–(32.50.2+8)]0.7=69.9m故下游折坡点高程为：75.0+69.9=144.9m基础灌浆廊道尺寸拟定廊道断面设计成城门洞形，宽度和高度应能满足灌浆作业要求，廊道断面尺寸取为3.04.0（宽高）。为满足防渗要求，基础灌浆廊道距上游坝面的距离为0.5～1.0倍坝面水头，且不小于4～5m，本设计取为4m；为满足压力灌浆要求，廊道距基岩面的距离不小于1.5倍的廊道宽度，本设计取为5m。排水廊道尺寸拟定为了减少坝体渗透压力，在靠近坝体上游面还需设置排水廊道。在距基础灌浆廊道下游面4m处设置一纵向排水廊道。其断面形式采用城门洞形，其宽度取为2m，高取为3m。廊道位置的布置如图3·3所示。图3·3挡水坝剖面图图3·4基础灌浆廊道及排水廊道的位置及断面尺寸溢流坝剖面设计溢流坝既是挡水建筑物，又是泄水建筑物。设计时，初应满足稳定和强度要求外，还要满足泄水要求。在溢流坝段位置确定后，应选择合理的泄水方式，并根据洪水标准和运用要求确定孔口尺寸。该设计采用混凝土实体重力坝，开敞式坝顶溢流式泄水，连续式鼻坎挑留式消能。由设计资料可知，需设15个溢流孔，每孔竟宽为15米，堰顶高程为141.7米。溢流面曲线设计——参考《水工建筑物》教材P38溢流重力坝的溢流面由顶部曲线段AB、中间直线段BC、下部反弧段CD三部分组成，如图3-5所示。设计要求：（1）有较高的流量系数；（2）水流平顺，不产生有害的负压和空蚀破坏；（3）体形简单，造价低，施工方便。图3·5溢流坝剖面（Ａ）上游铅直段EA为与挡水坝段相协调，以便于施工，E点高程取为107.5米，上游坡率取为0.2。（Ｂ）顶部曲线段AB（ａ）上游AO段为有利于改善堰面压力和流速分布，提高流量系数，宜用1/4椭圆曲线，其方程为：（3·6）式（3·6）见《水工建筑物》教材P39式中的ahS、bHs分别为椭圆的长半轴和短半轴（m），当上游坝面铅直时，可取a=0.28~0.30,b=0.87+3a。本设计中取a=0.30,b=0.17。已知堰顶高程为141.7m，校核洪水位高程为156.3m，因此堰顶最大作用水头为：Hzmax=156.3-141.7=14.6m又Hs=(75%~95%)Hzmax，（Hs——定型设计水头，本设计取85%）。故Hs=85%Hzmax=0.85*14.6=12.4m所以aHs=0.3*12.4=3.72m,bHs=0.17*12.4=2.12m.即A点坐标为（-3.72，2.12）所以椭圆方程为其取值情况见表3-1：表3·1X(m)0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.72Y(m)00.020.080.180.330.550.872.12(b)下游OB段其曲线方程为：xn=kHSn-1y（3-7）由于上游面铅直，故本设计中N取1.85，K取2.0，又Hs=12.4m故方程为：即其取值情况见表3-2所示：表3·2X(m)01.02.03.04.05.06.07.08.09.010.0Y(m)00.0590.2120.4990.7641.1591.6232.1592.7643.4374.07X(m)11.012.013.014.015.016.017.018.019.020.0Y(m)4.9825.8526.7877.7848.8439.96511.14812.39113.69415.058说明：（1）上述两曲线即椭圆曲线和WES型堰面曲线均以堰顶最高点O为坐标圆点，X轴向右为正，Y轴向下为正。（2）溢流堰下游直线段BC的坡度与挡水坝的下游坡度同，取M=0.7，直线段BC与WES曲线相切与点B，B点坐标可由以下方法求得：对堰面曲线求一阶导数，有：又直线BC的坡度为1/m=1/0.7,有1/0.7=0.11xB0.85则xB=20.42所以B点的坐标为（20.42，15.60）（Ｃ）反弧段CD的半径确定依照《混凝土重力坝设计规范》SDJ21-78第30条,反弧半径R=(4～10)h选用.(h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深).挑流鼻坎处的高程应高出下游最高水位1～2米,本设计取1米.由基本资料可知,下游最高水位为99.1米,则鼻坎高程为100.1米.这里近似把挑流鼻坎处的水深和反弧段最低点处的水深看成相等,下面计算鼻坎处的水深,其公式如下:（3·9）式中:v挑流鼻坎处的流速;s1上游水位至鼻坎顶点的高差;Φ流速系数;K1流能比;q单宽流量;Z上下游水位差.式(3·8)(3·9)(3·10)见《水力计算手册》P229P230q=Q校/B=24527/225=109.01m2Z=156.3-99.1=57.2mS1=156.3-100.1=56.2m有:反弧半径取8.0倍的h,故:R=8.03.53=28.24m取整数28米为反弧半径,根据工程经验鼻坎挑角θ=25o.（Ｄ）切点C的确定以圆心O`原点建立坐标系,反弧段与直线BC想切于点C,如图3-5所示:图3·6计算简图由图形几何关系:tgα=1/0.8则α=55oO`F=28cosα=28cos55o=16.06mO`G=28cos=28cos25o=25.38m则O`点的高程:100.1+25.38=125.48mC点的高程:125.48-16.06=109.42mC点的纵坐标:141.7-109.42=32.28mC点的横坐标:(32.28-15.60)/tg55o+20.42=32.10m则C点的坐标为:(32.10,32.28)D点的纵坐标为:141.7-100.1=41.6mD点的横坐标为:32.10+28sin25o+28sin55o=66.87m则D点的坐标为:(66.87,41.6)这几个特殊点的坐标分别为:A点:(-3.72,2.12)B点:(20.42,15.60)C点:(32.10,32.28)D点:(66.87,41.6)剖面设计溢流坝基础灌浆廊道及排水廊道的断面尺寸,距上游坝面的距离,距坝基面的距离采用与挡水坝相同的尺寸,其位置见图3-6.为使下泄水流衔接平顺,在鼻坎顶点处取45o削角,宽取为1.0米.G’的坐标为（63.2，76.7）;所以l的长度为3.7m，h的高度为35.1m.既l/h=3.7/35.1=0.1﹤0.5。因为对有鼻坎的溢流坝，鼻坎超出基本三角形以外，又l/h﹥0.5时，须核算截面G—G’截面处的应力,若按压力较大,需在该处设缝将鼻坎与坝体分开.但本设计小于0.5,所以不需要设缝．溢流坝剖面图如下图所示:图3·7溢流坝段剖面图水力计算堰顶过流量计算按《重力坝设计规范》SDJ21-78，开敞式溢流坝的泄水能力可按下式计算：（3·11）式中：B溢流堰净宽；Hz堰顶作用水头；mz流量系数；WES剖面，在设计水头下运行时取0.502，但考虑到施工放样误差及堰面不平整，该设计采用0.49；侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形式而定。初设时可取ε=0.90~0.95；淹没系数，由于该溢流坝为自由出流，故=1；（a）校核情况下：故为高堰，可以不记行进流速水头。（b）设计情况下：故为高堰，可以不记行进流速水头。由以上计算可知，该设计满足泄洪要求。底孔泄流计算由基本资料可知，该设计设有四个泄水底孔，底孔宽为5米，高6米。按《重力坝设计规范》SDJ21-78，孔口泄流按下式计算：（3·12）式中：Ak——出口处的面积；HZ自由泄流为孔口中心处的作用水头；淹没泄流时为上下游水位差。此处应为淹没泄流。µ孔口流量系数，深孔时取0.83~0.93；本设计取µ=0.90。（a）设计水位情况下：HZ设=153.7-97.0=56.7m故在设计水位情况下满足泄水要求。（b）校核水位情况下：HZ校=156.3-99.1=57.2m故在校核水位情况下也满足泄水要求。挑流消能计算由于该重力坝的坝线选在Ⅰ-83坝线上，该线所在坝址的坝基为石英砂岩夹砂质页岩，岩性坚硬，故本设计采用挑流消能。3.4.3.1水舌挑距的计算由于冲坑最深点大致落在水舌外缘的延长线上，故挑射距离按下式进行计算：见《水工建筑物》教材上册P47（2·71）式。式中L——水舌挑距；v1——坝顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1倍计算。即v1=1.1v=1.1φ(2gH0)1/2(H0为库水位至坝顶的落差，φ为堰面流速系数）；——鼻坎的挑角；h1——坎顶平均水深在铅直方向的投影，h1=hcosθ；h2——坎顶至下游河床面的高差；g——重力加速度。h2=100.1-65=35.1m=142.16m3.4.3.2最大冲坑水垫厚度的计算按《重力坝设计规范》SDJ21-78推荐公式估算：tk=αq0.5H0.25（3·14）式中：tk——水垫厚度，自水面算至坑底；q——单宽流量；H——上下游水位差；α——冲坑系数，根据此坝的地质条件，α取1.5；又H=156.3-99.1=57.2m∴tk=3.4.3.3最大冲坑深度tk′的计算tk′=tk-ht（3·15）式中：ht——下游水深。ht=99.1-65=34.1m∴tk′=43.07-34.1=8.97m由于L/tk′=142.16/8.97=15.82﹥（2.5~5），符合冲坑上游侧距挑坎末端的距离大于（2.5~5）倍的冲坑深度的要求，故不影响大坝的安全。水面线的确定（参考《水工设计手册》卷6相关部分）为了设计闸墩高度、边墙顶高程，及选定弧型闸门门轴高程，需知道水面线。水面以上的安全超高可采用0.5~1.5m，本设计取1.0m，对非直线段宜适当增加。3.4.4.1不掺气水面线的确定（1）确定切点坐标xt和yt由前面计算可得：xt=20.42yt=15.60（2）求曲线段长度LC对于WES曲面，LC可由图27·2·7按x/Hd查算。这里，x是从堰顶开始向下游计算的。当x/Hd=xt/Hd时，查得的便是曲线段总长度LC-t。堰顶上游段的曲线长度LC-u=0.315Hd。Hd=Hs=12.41mxt/Hd=20.42/12.41=1.645由《水工设计手册》卷6图27-2-7查得：LC-u/Hd=2.4∴LC-t=2.412.41=29.8m堰顶上游段的曲线长度：LC-u=0.315Hd=0.31512.41=3.91m下游段曲线长度：LC-d=LC-t-LC-u=29.8-3.91=25.89m（3）求直线段长度Ls从切点到直线上任意一点（xi，yi）的距离：（4）从堰顶曲线起点到点（xi，yi）的坝面距离L=LC-t+Ls，i=29.8+20.36=50.16m（5）计算边界层厚度δ（m）采用韩立公式式中：K——坝面粗糙系数，对混凝土坝面，取K=0.427~0.61mm，本设计采用K=0.50mm。得：δ=0.317m（6）计算单宽流量(m2/s.m)式中:H——堰上水头，m；m——水头H时的流量系数；g——重力加速度，9.8N/㎡。由于，故取m在（0.47~0.49）范围内，本设计取m=0.48。∴m2/s.m（7）用试算法推求势流水深hpH+YI=解得：hp=4.0m（8）正交于坝面的水深为（9）按上述步骤，求得坝面各处水深，便可画出坝上不掺气的水面线。此时，故有掺气和波动，需计算掺气水深。3.4.4.2掺气水深的计算(1)自然掺气开始发生点的位置Lk的确定按经验公式式中:q——单宽流量（m3/s.m)(2)掺气水深的计算按下式计算（3·17）式中;h——不记入波动及掺气的水深（m）；hb——记入波动及掺气的水深（m）；v——不记入波动及掺气的计算断面上的平均流速（m/s）；——修正系数，一般为1.0～1.4，视端面和断面收缩情况而定（当v>20m/s时，宜采用较大值）。又，故取。则溢流重力坝的上部结构设计3.4.5本设计采用弧形钢闸门,门高12.5米,宽取15米,厚为5米,面板曲率半径为(1.1～1.5)倍的门高,本设计取R=15米,提升装置采用固定式启闭机,提升重量为，门轴立于堰顶的（0.5～0.75)倍的门高,取米,则门轴高程为;。为防止气蚀及交通桥的影响，可将闸门防于轴线后1～3米处，这里取2米，则门与堰顶接触点的高程为：（3·18）本设计中检修闸门采用平板钢闸门，与工作闸门相距3m，门槽宽1m，槽深为0.6m。3.4.5.2闸墩尺寸的拟定闸墩用来分孔,承受闸门传来的水压力,支承工作桥和交通桥。横缝布置在闸墩中间，闸墩采用半圆形墩头，尾部采用圆弧曲线形式，墩厚3m，，墩头半径1.5m，尾部圆弧半径3m。闸墩高度由下式估算：h=H+h0+e（3·19）式中：H——上游最高水位时溢流堰顶的水深，（m）；h0——闸门高，（m）；e——安全超高，一般为1～2m，此取1.0m。h=（156.3-141.7）+12+1.4=28.0m闸门顶高程：141.7+28=169.7m3.4.5.3工作桥的布置工作桥的尺寸由启闭机型号决定,参考同类建筑物,其宽度初拟为7m,高程初拟见图3-8。3.4.5.4交通桥的布置由于该交通桥对交通要求较底,所以做成单车道。为排除雨水，桥面设一定比例的横坡，初步拟定交通桥净宽为6.5m。布置如图3-8所示。图3·8溢流坝顶布置图

挡水坝稳定分析及应力计算计算情况及控制标准应力分析计算原理混凝土重力坝一般均采用材料力学的方法来计算应力作为控制指标,应用材料力学法必须进行假定。首先，视坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料构筑而成；其次不考虑地基变形对坝体应力的影响，认为坝体水平截面上的铅直正应力σy成直线分布，σy可按材料力学中的偏心受压公式计算；最后视坝体为为固接在基岩上的变截面悬臂梁，认为各坝段独立工作。因此，可以沿坝轴线方向截取1m长坝段按平面问题进行计算。稳定应力控制4.1.2.1抗滑稳定本次设计按抗滑摩擦公式计算重力坝的稳定性，其抗滑稳定安全系数的公式表达为：（4·1）式中：`——坝基面以上的总铅直力，kN；——坝基面以上的总水平力，kN；U——作用在坝底面上的扬压力，kN；——接触面间的摩擦系数。式（4-1）见《水工建筑物》上册(黄河水利出版社)P24摩擦系数f的选取,影响到重力坝的造价和安全。根据国内外已建工程的统计资混凝土和基岩间的f值常在0.5～0.8之间，本设计采用0.8。由《水工建筑物》上册(黄河水利出版社)P24上的表2-8可知，该设计工程为一级建筑物，在基本组合时采用1.10，特殊组合（1）采用1.05，特殊组合（2）采用1.00。4.1.2.2应力控制在水库运用期间的应力控制：（1）上游坝面的边缘应力：σ1u≥0（计入扬压力），σ1u≥（0.25~0.40）（不计入扬压力）（2）下游坝面边缘主应力应力控制标准：基本组合特殊组合规范（SDJ21-78）规定：基本组合k≥4，取k=4特殊组合k≥3.5，取k=3.5荷载组合及计算荷载组合根据我国现行的《混凝土重力坝设计规范》SDJ21-78,将作用在坝体上的荷载分为基本荷载组合和特殊荷载组合。基本组合有：坝体及上部永久设备的自重：正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；相当于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力；泥沙压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；冰压力；土压力；相应于设计洪水位时的浪压力；其他出现机会较多的荷载。特殊组合有：校核洪水时的静水压力；相应于校核洪水时的扬压力；相应于校核洪水时的浪压力；相应于校核洪水时的动水压力；地震荷载；其他出现机会很少的荷载。荷载计算(正常蓄水位情况下)4.2.2.1坝体自重图4·1挡水坝体部分受力简图4.2.2.2静水压力(正常蓄水位情况下)上游垂直静水压力下游垂直静水压力上游水平静水压力下游水平静水压力4.2.2.3扬压力(正常蓄水位情况下)由于地质条件良好,未设防渗帷幕,但设有排水孔,排水孔线上的扬压力值为值宜采用0.3~0.5，本设计采用0.3。为了减少渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面一定距离处设排水管，其距上游面一般要求不小于坝前水深的（1/10~1/12），以使渗透坡降在允许的范围内。4.2.2.4泥沙压力图4·2泥沙压力图(1)水平泥沙压力近似计算时,1米长坝段所承受的水平泥沙压力可按下式计算,(4-1)式（4-1）见《水工建筑物》上册（黄河水利出版社）P16式中:——计算点以上的淤积高度，m；——泥沙浮容重，一般取=6~9kN/m3，本设计取8.82kN/m3；——泥沙的内摩擦角，本设计取12o；（2）垂直泥沙压力4.2.2.4浪压力图4·3浪压力分布图由于坝前水深大于半波长，即H1>,故应为深水波,波浪压力分布见图4-3所示.(1)静水位以上的浪压力(2)静水位以下的浪压力4.2.2.5地震荷载图4·4地震荷载分布图(1)地震惯性力混凝土重力坝的水平向总地震惯性力Q0可按下式计算:(4·2)式中:KH——水平地震系数，本设计烈度为7度KH=0.1；cz——综合影响系数，可取1/4；F——地震惯性力系数，按教材中表2-4采用，本设计取F=1.5；W——产生惯性力的建筑物总重量，kN；式（4-2）见《水工建筑物》上册（黄河水利出版社）P20沿建筑物高度作用于质点i的水平地震惯性力Pi为（4·3）式中：——地震惯性力分布系数，按教材中表2-4采用；Wi——集中在质点i的重量，kN；n——建筑物计算质点总数。式（4-3）见《水工建筑物》上册（黄河水利出版社）P20计算地震荷载如下表：表4-1：编号重力Wi（kN）分布系数Δi惯性力Pi（kN）力臂（m）力矩（kN/m）125351.075.7510.83820.37215897.61.75829.9141.434358.27341017.321.081323.7123.330842.44Σ59449.9266021.08（2）地震动水压力地震时，坝前坝后的水体随之震动，形成作用在坝面上的激荡力，即动水压力。1米长坝段上的总地震动水压力为：（4·4）其作用点位于水面以下0.54H1处。式（4-4）见《水工建筑物》上册（黄河水利出版社）P21。其力矩由于该重力坝无填土要求，故无需计算动水压力。兴利水位、校核水位下的计算兴利水位下的计算表4·2：正常蓄水位（兴利水位）情况下荷载计算表荷载名称垂直力（kN）水平力（kN）力臂e（m）弯矩（kN·m）↓↑→←↘↙自重W1253527.3769382.95W315897.621.2337029.12W341017.320.936915.59上游水平静水水压力PH129964.6826.62797659.78下游水平静水水压力PH2405.773.031229.48上游垂直静水水压力PV12911.0928.4582820.51上游垂直静水水压力PV11035.1329.5330567.39下游垂直静水水压力PV2284.0429.388401.90扬压力U15654.010U25221.062.5713418.12U31320.5022.9530305.48U4440.16724.0310577.211862.2528.9553912.14931.1229.8727812.55浪压力P1+P263.3626.621686.64水平泥沙压力1477.057.5311122.19垂直泥沙压力10181.0830.19307366.81不计压力Σ73861.2631099.3246440.83计入扬压力Σ58432.1531099.3289584.674.3.1.1兴利水位下的坝面基本组合的抗滑稳定计算按抗剪强度公式计算故满足抗滑稳定要求。4.3.1.2兴利水位下的坝基础截面的应力计算（75.0米高程）（a）未计入扬压力情况：（1）坝基水平截面上的垂直正应力（2）水平正应力上游边缘主应力：下游边缘主应力：=（b）计入扬压力情况（1）坝基水平截面上的垂直正应力（2）水平正应力上游边缘主应力：满足要求。校核水位下的计算表4-3校核水位下的特殊荷载组合计算表荷载名称垂直力（kN）水平力（kN）力臂e（m）弯矩（kN·m）↓↑→←↘↙自重W1253527.3769382.95W215897.621.2337029.12W341017.320.936915.59上游水平静水压力PH132387.9127.42888078.14下游水平静水压力PH22845.978.0322862.63上游垂直静水压力Pv1下3108.5628.4588438.53上游垂直静水