通口水电站碾压混泥土重力坝设计

通口水电站碾压混凝土重力坝设计指导老师漆力健信息与工程技术学院农业水利工程白成摘要：本设计对通口水电站碾压混凝土重力坝水利枢纽进行了详细的论述和设计。通口水电站设计说明书主要包括：通口水电站流域状况，坝型选择与主要建筑物的选择，挡水建筑物的设计，泄水建筑物的设计。通口河水电站以发电为主，枢纽属于中型Ⅲ等工程，永久性建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500一遇洪水校核。水库正常蓄水位598.0m，设计洪水位596.31m。其主要建筑物有：非溢流坝、溢流坝、泄水建筑物、消能设施等。关键词：水电站；重力坝；设计TheGravityDamDesignofTongkouPortHydropowerStationRccTutorQilijianInformationandEngineering\o"点击获取释义"TechnologyCollegeAgricultureHydraulicEngineeringBaichengAbstractThedesignsofTongkouHydropowerStationWaterControlarediscussedindetailanddesign.TongkouHydropowerStationdesignspecificationmainlyincludes:TongkouHydropowerStationbasiccondition,mainbuildingsdamtypeselectionandselectionofthedesignofbuildings,retainingwaterdischargeater,thedesignofbuildings.TongkouHydropowerStationdesignmainlyforpowergeneration.thisdamⅢprojectbelongstomedium-sizedpermanentbuildingsis3classes,accordingtostandardrequirement,thedesignfloodhappen50yearsinaflood,500dynamicrigidity.Thereservoir598.0m,normalimpoundmentlevelofdesignflood596.31m.Anditsmainbuildinghas:theoverflow,overflowanddischargingwaterbuildings,energyfacilities,etc.Keywords:HydropowerStation；Gravitydam；Design目录第一章流域基本资料 11.1流域及枢纽任务概况 11.2水文气象资料 2河流特性 21.2.2气温情况 21.2.3河流泥沙情况 31.2.4风速及设计风速 31.3地形、地质情况 31.4工程材料、交通运输及劳动力供应情况 41.4.1当地材料 4交通运输及劳动力及机械供应条件 4第二章坝型选择及主要建筑物选择 52.1基础数据 52.2工程等别 52.3坝基的力学参数 62.4工程水文条件 62.4.1淤积高程的确定 62.4.2死水位及死库容的确定 7第三章坝顶高程的确定 83.1正常蓄水位 83.2设计洪水位 93.3校核洪水位 113.4大坝的最大坝高H 123.5大坝坝顶宽度 123.6坝面坡度 123.7大坝坝底宽度 13第四章非溢流坝段各种荷载计算 144.1重力坝的基本原理和荷载组合 144.2坝体自重计算： 144.1.1重力坝的重力矩计算（根据重力坝的坝底为中心矩） 154.2重力坝静水压力 164.2.1设计情况下的静水压力 164.2.2正常蓄水时的静水压力 184.2.3校核洪水时的静水压力 184.3重力坝的扬压力计算 194.3.1设计情况下上下游扬压力 204.3.2校核情况下上下游扬压力 214.3.3正常蓄水位上下游扬压力 224.4重力坝的淤沙压力计算 234.4.1标准情况淤沙压力计算 234.4.2设计情况淤沙压力计算 234.5大坝波浪压力计算 244.5.1大坝波浪设计压力 254.5.2大坝波浪校核压力 25大坝正常蓄水波浪压力 264.6大坝基本荷载汇总表 274.7抗滑稳定性分析计算 27设计洪水位抗滑稳定性计算 284.7.2校核洪水位抗滑稳定性计算 294.8重力坝上下游坝面应力计算 294.8.1水平截面上的正应力（压应力为正） 314.8.2重力坝的剪应力（tu、td） 314.8.3重力坝水平正应力（δxu、δxd） 32第五章溢流坝剖面设计 335.1泄水方式的选择 335.2孔口净宽的拟定 335.3溢流坝段净宽L0 345.4堰上水头H0 345.5溢流面体形设计 355.5.1中间直线段： 36第六章消能防冲设计 386.1消能的形式选择 386.2洪水标准和相关参数的选定 386.3反弧半径的确定 386.3.1反弧段坎顶水深的确定 396.4水舌抛距计算 406.4.1最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 406.5有压泄水孔的设计 416.6闸门与门槽 426.7泄水口断面设计 42第七坝章体细部构造设计 437.1坝顶构造 437.1.1非溢流坝 43溢流坝 43闸门的布置 43闸墩 437.1.5导水墙 447.2坝体分缝设计 447.3止水设计 457.4基础廊道 457.5坝体廊道 457.6坝体防渗与排水 457.7坝体混凝土的强度等级 45参考文献 47致谢 48毕业论文承诺书 49第一章流域基本资料1.1流域及枢纽任务概况通口河属于四川涪江右岸一级支流的山区河道，自河流发源地至河流汇口，全长173km，河流内大部分高山的山峰都在3000米以上，河道的平均坡降约21.9‰，通口水电站下游为丘陵区，大坝、厂区河道平均比降5‰。通口河河道落差较大，水流湍急，且暴雨量多，容易在短时间内形成山洪，导致洪水冲毁农田，泛难成灾。通口河流域以种植粮食为主，除此之外在流域内还发现有大量的矿产、能源、林业以及多种植物资源，但是由于流域内目前经济发展水平较低，总体上仍停留在以农牧业为主体的自然经济。通口河流域河流比降较大且水流湍急，在设计过程中考虑航行危险，因此不考虑航运。该河流左岸属江油市管辖，右岸属北川县管辖，河流左右两岸均有公路相通，交通便利。本枢纽所处通口河中游末段的北川县通口镇上游2km处，坝址距离北川县城约20km,距离江油市24km,距绵阳市城区71km。主要任务是发电，发电尾水可供下一级电站发电。以下数据是满足各水利专业部门的需要作为设计水工建筑物的依据：水电站的正常蓄水位：598.00m最有利工作深度48.0m汛前水位584.0m水库最高水位不得超过601.5m设计洪水流量6240m3/s校核洪水流量9700m3/s消能洪水流量5480m3/s正常尾水位547.7m最低尾水位546.25m电站装机容量45000kw机组数目2台电站最大引用流量110.0m3/s1.2水文气象资料河流特性通口河流域是通过降雨而形成的，该流域的多由暴雨产生。通口河流域的汛期发生在一年之中的6~9月，其中河流的最大流量在7~8月，洪水在流域形成的过程中具有单峰性，降雨形成的洪峰一般历时3~5日，该流域的洪水来势凶猛，具有陡涨陡落的特点。表1-1各种频率下的最大洪峰流量（m³/s）频率（%）0.0020.010.020.030.515夏秋季9700729062405480675600540冬春季350330285表1-2实测洪峰过程（m³/s）时间（h）04812162024283236流量（m³/s)3540108216486597512436373310时间（h）404448525660646872流量（m³/s)2481931561168863534031表1-3实测月平均流量（m³/s）月份123456789101112流量（m³/s)232230571401701901861801323022表1-4多年平均降雨量（mm）月份

项目123456多年平均降雨量（mm）10.7135165多年平均降雨日数（d）9.87.4月份

项目789101112多年平均降雨量（mm）191.618190.495.954.417.1多年平均降雨日数（d）1211.410.61110.85.4最多雨量发生在1902年，共计600mm，流量8000m3/s。最少雨量发生在1954年，只有33mm，流量80m3/s。一日最大雨量达205mm。气温情况本流域气温差异较大，多年平均气温在15.5℃，极端最高气温为-4.5℃，极端最高气温为36.1℃，因地域温差较大，需要避免极端气候施工。表1-5每月的气温变化（℃）：月份123456789101112月平均温度351116.122.424.527.510.86最高温度19.120.826.528.63535最低温度-4.5-4025.111.616.111.7103-1-4.3河流泥沙情况泥沙主要是碳酸盐岩的风化的产物，颗粒很细。据资料统计，该工程多年平均输沙量为515万吨，多年平均含沙量1.45kg/m3,多年汛期平均含沙量2.25kg/m3，汛期输沙量占全年输沙量的72.2﹪，查的淤沙的饱和容重量19.87KN/m3。在预留淤沙库容时，水土保持有效估计为14年。风速及设计风速根据通口河流域多年资料统计，得到该地区多年最大平均风速为12m/s，该工程现拟定设计计算风速为18m/s，拟定校核风速为12m/s,风速在水库内的最大吹程为1km。1.3地形、地质情况水库地貌属高、中山峡谷型，呈大致对称的“V”字型。库区两岸地形陡峻，基岩裸露，坡谷稳定性良好，两岸阶地较发育。水电站坝区为构造剥蚀、溶蚀中山与侵蚀溶蚀河谷高山峡谷地貌类型，出露地层主要为灰岩、白云岩及第四系松散对基层。工程区为四川典型的岩溶地段，岩溶岩隙发育，坝区内为碳酸盐岩，溶蚀现象普遍。右坝肩岩溶发育较强，左坝肩、坝基岩溶发育较弱。坝区岩体透水性较弱，受构造、风化、卸荷及岩溶发育强弱影响其差异性很大。经调查研究，坝区、厂区基础由弱风化的泥质灰岩、泥质碳岩组成，岩体中等坚硬，节理裂隙、岩溶不发育，岩体的完整性较好，具有较高的承载力。坝基基础碳酸盐岩的抗压强度为1000―1200kg/cm2，摩擦系数为0.65。抗剪断系数为1.1，抗剪断凝聚力为1.2MPa。根据绵阳地震局复核，结合国家地震局动参数区划图，本区地震动峰值加速度为0.1g，地震的反应谱特征周期0.45s，地震基本烈度为Ⅶ。1.4工程材料、交通运输及劳动力供应情况当地材料石料—库区内的泥质灰岩、炭质灰岩、白云岩、灰岩均可大量开采，而且石质较好。在25次冻融之后，抗压强度为900kg/cm2。砂石—距离上游3km处，库区有坚硬的砾石和粗砂，蕴藏量约有20万m3，砂为石英颗粒，是风化产物。土料—北川通口镇上游7km处有蕴藏量约为20万m3的壤土，其壤土的饱和内摩擦角为20°，天然干容重γ=1600×9.81kN/m3，渗透系数Ｋ值为4ⅹ10-7cm/s。木材——可自距坝址15公里的深山内取得。交通运输及劳动力及机械供应条件目前主要交通运输靠公路干线。水泥钢材可由公路自离坝址附近的江油、绵阳运来。附近无施工动力，机械可由绵阳城供应。普通工人当地可以供应三万人，技术工人可由绵阳城调来。第二章坝型选择及主要建筑物选择2.1基础数据由图2-1下游水位流量关系曲线可知当流量为0时，水位为535m，即河床高程为535m。假设向下开挖地基5m，则坝基眠高程为535-5=530m。

2-1下游水位流量关系曲线图2.2工程等别经查表（课本P10表1-1），由水库总库容为3610万m3(0.361亿m3)可判断该工程为中型Ⅲ级工程；由电站装机容量为2×250=500kw<1万kw可判断为小（2）型Ⅴ级工程。根据《水工建筑物》P-10对于综合利用的水利水电工程，其工程等别应按其中最高等别确定。因此确定该工程（通口水电站）属于中型Ⅲ级工程。该水电站工程的设计建筑物（如溢流坝、非溢流坝、厂房等），属于永久性水工建筑物。根据表2-2永久性水工建筑物的级别表得到大坝属于3级主要建筑物，根据表2-3水工建筑物的结构安全级别得到水工建筑物的结构安全级别为Ⅱ级。表2-2永久性水工建筑物的级别表工程级别ⅠⅡⅢⅣⅤ主要建筑物12345次要建筑物33455表2-3水工建筑物的结构安全级别水工建筑物的级别12、34、5水工建筑物的结构安全级别ⅠⅡⅢ2.3坝基的力学参数根据地形、地质情况得到该工程的岩体完整性较好，具有有一定的强度，抗滑、抗变形的结构面和岩石强度控制。根据（《混凝土重力坝设计规范》表1—4坝基岩体工程地质分类及岩体力学系数表）得到该水电站的坝基岩体的工程地质分类为中硬岩Ⅲ等。2.4工程水文条件本枢纽属于中型Ⅲ等工程，永久性建筑物为3级，按规范要求，大坝设计洪水重现期50年，校核洪水重现期为500年。淤积高程的确定通口水电站坝址多年输沙量根据该地水文资料统计为515万吨，该水电站初步设计运行为14年，淤沙的饱和容重计算结果为19.87KN/m3。则该工程的淤积库容为：由图1-2查得相对应的淤积高程为596m,淤沙高度为596-535=61m,由于淤积库容几乎占到整个库区，故需要设置排沙系统。死水位及死库容的确定在满足一定生态要求的条件下，根据通口河流域的地质条件和输沙量的状况下，选择死水位为584.0m。第三章坝顶高程的确定3.1正常蓄水位正常蓄水位：598.0m根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，坝顶高程超高按以下公式计算：式中：—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；—波浪爬高，m；—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；—坝顶安全加高，m；根据表1-3建筑物的安全级别得到，该工程的结构安全级别为Ⅱ，由表3-1坝顶安全加高得到hc设=0.5。计算波浪要素的式子根据内陆峡谷水库（V0<20m/s，吹程D<20000m），宜按官厅水库公式计算：（m）（m）（m）。一般峡谷水库因H≥L/2，故hz≈πhl2/L。式中：V0—计算风速，通常采用从坝前水面向上10m处10min的风速平均值，一般情况下设计风速取1.5~2.0倍最大风速。该水利工程取最大风速的1.5倍，V0=18.0m/s。D—风作用于水域的长度吹程，m；根据资料取1000m。L—波长，m；H—大坝坝前正常蓄水位时水深，m。H=598-535=63m3-1坝顶安全加高相应水位坝的安全级别ⅠⅡⅢ正常蓄水位校核洪水位根据以上已知条件得到在正常蓄水位中：hl设=0.0016V0设5/4D1/3=0.0016×185/4×10001/3=0.6154m≈0.62mL设=10.4（hl设）0.8=10.4×0.620.8=7.053m≈7.1m根据条件得到：L设=0.71m=QUOTE=0.1686m≈0.17m坝顶高程超高按以下公式计算:=0.62+0.17+0.5=1.29m根据以上结论，在正常蓄水位时，防浪墙高程：防浪墙高程=正常蓄水位高程+安全超高高程=598.00+1.29=599.29m3.2设计洪水位设计洪水位596.31m根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，坝顶高程超高按以下公式计算：Δh=h1%+hz+hc式中：—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；—波浪爬高，m；—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；—坝顶安全加高，m；根据表1-3建筑物的安全级别得到，该工程的结构安全级别为Ⅱ，由表3-1坝顶安全加高得到hc=0.5m。根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，对于丘陵，平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（适用于库水较深，风速V0＜26.5m/s，吹程D＜7500m时），公式如下：Gh2%/V02=0.00625V01/6(gD/V02)1/3gLm/v02=0.0386(gD/v02)1/2hz=πhl2/cth(2πH/l)式中：h2%—累计频率发生为2%的波高，m。Lm—风在吹程内平均波长，m。V0=水面以上10m处10min的风速平均值，m/s。正常水位时，取1.5~2.0倍最大风速，该工程中取1.5倍，得18m/s。D—风作用于水域的长度吹程，m；根据资料取1000m。H—大坝坝前设计洪水位时水深，m。坝底高程535m，可得到设计洪水坝前水深：H=596.31-535=61.31m将数据代入以上公式得到：h2%=0.00625V01/6(gD/V02)1/3×V02/g=0.00625×161/6×(9.81×1000÷182)1/3×182/9.81=1.04mLm=0.0386(gD/V02)1/2×V0/g=0.0386×(9.81×1000÷182)1/2×182/9.81=7.01m根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，表B.6.3累计频率为P（%）的波高和平均波长的关系，换算得到：h1%=2.14mhz=πhl2/cth(2πH/l)=3.14×1.042÷7.01×cth(2×3.14×61.31÷7.01)=0.485m将数据代入Δh=h1%+hz+hc得到：Δh=h1%+hz+hc=2.14+0.49+0.5=3.13m所以得到设计洪水位时坝顶高程：设计洪水为+Δh=596.31+3.13=599.44m3.3校核洪水位根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，混凝土重力坝的坝顶高程超高计算公式为：式中：—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；—波浪爬高，m；—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m；—坝顶安全加高，m；hl校=0.0016V0设5/4D1/3=0.00166×125/4×10001/3=0.3707m≈0.37mL校=10.4（hl校）0.8=10.4×0.370.8=4.701m≈4.7m=QUOTE=0.091m≈0.09m所以在校核洪水时，安全加高为：Δh校=hl校+hz校+hc校=0.37+0.09+0.4=0.86m根据以上结论，在正常蓄水位时，防浪墙高程：防浪墙高程=正常蓄水位高程+安全超高高程=601.01+0.86=601.87m表3-2坝顶高程计算结果设计情况水库水位（m）安全加高(m)坝顶超高(m)坝顶高程(m)正常蓄水位598.000.51.29599.29设计洪水位596.310.53.13599.44校核洪水位601．010.40.86601.87根据表3-2坝顶高程计算结果得到：坝顶高程最大值为601.87m根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，设计的大坝坝高为50~100m时，建筑物的基础面可建在微风化至弱风化的基岩上，根据当地的地址条件得到，拟定向下开挖深度为5m。3.4大坝的最大坝高H大坝坝顶高程－大坝基础面高程=601.87-530=71.87m3.5大坝坝顶宽度坝顶宽度根据剖面设计和交通运输、大坝检修条件确定≥3.0m，根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005规定混凝土重力坝的坝顶宽度为大坝最大坝高的8%~10%，得到该工程的坝顶宽度为8.0m。3.6上游坝面坡度该工程采用坝体上游面为垂直面，坝体下游面坡度采用1:0.83.7大坝坝底宽度根据工程经验，坝底宽度一般为大坝坝高的0.7~0.9倍高。该工程取0.8得：坝宽B=71.86×0.8=57.488m。根据实际情况取B=56m。3-3非溢流坝段剖面见图第四章非溢流坝段各种荷载计算4.1重力坝的基本原理和荷载组合混泥土重力坝主要依靠混凝土坝体的自身重力在岩基上产生的抗滑力来抵抗坝体上游的水压力及其他荷载，同时在强度要求方面依据混凝土重力坝依靠自己的自身混凝土重力来减小水库的水压力所引起的对上游大坝坝面的拉应力。重力坝设计的主要依据是作用在坝体上的各种荷载。根据重力坝的荷载作用不同，可以把作用在大坝上的荷载分为基本荷载、偶然荷载、永久荷载三种。基本荷载属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。偶然荷载属于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。根据《水工建筑物》P-18得到混凝土重力坝的主要荷载有：重力坝大坝的自重（包括固定设备的自重）；作用在重力坝上下游的静水压力；作用在大坝上游的波浪压力；堆积坝前的淤沙压力；作用在坝体或地基周围的渗透扬压力；寒冷时候的库区冰压力以及不能预测的地震荷载。4.2坝体自重计算：重力坝坝体W(KN)的计算公式：重力坝坝重W(KN)=坝体材料的容重(γc)×体积(V)式中：V—混泥土重力坝一个单位的坝体，m3，一般情况下把重力坝分成若干个单位。γc—为混泥土的容重。在初步设计阶段，可近似取23.5~24.0KN/m3,一般取24.0KN/m3。根据《水工建筑物荷载设计规范》DL5077—1997，大坝坝体为混凝土的自重，自重作用分项系数取1.0，其他自重（如金属自重、永久设备等）对结构不利（如计算局部压应力）时取1.05。对结构有利（如计算坝踵应力和大坝抗滑稳定性）时取0.95。力矩按照设计规定规定：顺时针为负，逆时针为正。4—1重力坝自重计算示图单位（m）Ⅰ区：W1=24.0×71.01×56×0.5=47718.72KNⅡ区：W2=24.0×6/0.8×8=720KNⅢ区：W3=24×(601.87-601.01)×8=165.12KN重力坝坝体自重为：W1+W2+W3=47718.72+720+165.12=48603.84KN4.2.1重力坝的重力矩计算根据重力坝的坝底为中心矩Ⅰ区：M1=W1×L1=47718.72×(56/2-56/3)=445374.71KN·mⅡ区：M2=W2×L2=720×(56/2-8×2/3)=16318.08KN·mⅢ区：M3=W3×L3=144.48×(56/2-8×1/2)=3467.52KN·m4—2重力坝各种力矩计算汇总表分区V（m3）W(KN)L(m)M（KN·m）Ⅰ区1988.2847718.729.3445374.71Ⅱ区30.62573023.3116318.08Ⅲ区6.88165.1224.53467.52∑2025.7948613.84465160.314.3重力坝静水压力静水压力是作用在混泥土重力坝上下游的主要荷载，通常可以将重力坝的静水压力分解为水平水压力p和垂直水压力W。按照我国的规范，静水压力的作用分项系数为1.0。水的容重γ=9.81KN/m3，V为水的体积，在水面以下的深度为h（m）处的静水压强p为：P=γV（kPa）重力坝的上游H1、下游H2，单宽面的水平静水压力：P=γ（H12-H22）/2(KN)4.3.1设计情况下的静水压力根据资料得到，在设计请下：大坝上游水位：596.31m，大坝上游设计水深为：596.31-530.0=66.31m大坝下游水位：546.25m，大坝下游设计水深为：546.25-530.0=16.25m大坝上游的静水压力：方向（→）P1=66.31×0.5×9.81=21567.36KNL1=66.31/3=22.1mM1=﹣（21567.36×22.1）=476638.74KN·m大坝下游方向的水重：方向（↓）P2=16.252×0.8×0.5×9.81=1036.18KNL2=56/2－16.25×0.8/3=23.667mM2=﹣1036.18×23.667=﹣24523.27KN·m大坝下游静水位时静水压力：方向（←）P3=16.252×9.81×0.5=1295.23KNL3=16.25/3=5.42mM3=1295.23×5.42=7015.81KN·m4—3设计情况下的静水压力名称P（KN）L(m)M(KN·m)上游静水压力（→）21567.3622.1－476638.74下游水重（↓）1036.1823.67－24523.27下游静水压力（←）1295.235.427015.81∑﹣494146.204-4静水压力示意图4.3.2正常蓄水时的静水压力根据以上资料得到，在正常蓄水时的上下游水位情况：大坝上游水位：598.0m，大坝上游正常水深：598.0－530.0=68m大坝下游水位：547.7m，大坝下游正常水深：547.7-530.0=17.7m大坝上游的静水压力：方向（→）P1=682×0.5×9.81=22680.72KNL1=68/3=22.67mM1=－22680.72×22.67=－514171.92KN·m大坝下游方向的水重：方向（↓）P2=17.72×9.81×0.5=1229.345KNL2=56/2－17.7×0.8/3=23.28mM2=－1229.345×23.28=－28619.27KN·m大坝下游方向的水重：方向（←）P3=17.72×0.5×9.81=1536.69KNL3=17.7/3=5.9mM3=1536.69×5.9=9066.47KN·m4—5正常蓄水情况下的静水压力名称P（KN）L(m)M(KN·m)上游静水压力（→）22680.7222.67－514171.92下游水重（↓）1229.34523.28－28619.27下游静水压力（←）1536.695.99066.47∑－533724.724.3.3校核洪水时的静水压力根据以上资料得到，在校核洪水时的上下游水位情况：大坝上游水位：601.01m，大坝上游正常水深：601.01－530.0=71.01m大坝下游水位：547.7m，大坝下游正常水深：547.7-530.0=17.7m大坝上游的静水压力：方向（→）P1=71.012×0.5×9.81=24733.07KNL1=71.01/3=23.67mM1=－24733.07×23.67=－585431.76KN·m大坝下游方向的水重：方向（↓）P2=17.72×9.81×0.5×0.8=1229.345KNL2=56/2－17.7×0.8/3=23.28mM2=－1229.345×23.28=－28619.27KN·m大坝下游方向的水重：方向（↓）P3=17.72×0.5×9.81=1536.69KNL3=17.7/3=5.9mM3=1536.69×5.9=9066.47KN·m4—6校核洪水情况下的静水压力名称P（KN）L(m)M(KN·m)上游静水压力（→）24733.0723.67－585431.76下游水重（↓）1229.34523.67－28619.27下游静水压力（←）1536.695.99066.47∑－585434.924.4重力坝的扬压力计算扬压力是在大坝在上下游水压力的作用下，水渗入到坝体或地基中并对周围介质骨架产生压力。根据《水工建筑物荷载设计规范》DL—1997规定按全部作用面积计算排水管幕中心线上游壁距上游坝面1/10~1/12倍坝前水深，故排水孔中心线至上游坝面距离为5m。渗透压力强度系数取0.25，下游水深引起的浮托力作用分项系数取1.0，上下游水位差引起的渗透压力作用分项系数取1.2，设计值为0.3。三种情况代入扬压力系数计算。4—7扬压力示意图单位m4.4.1设计情况下上下游扬压力设计情况下，上游水深66.31m，下游水深16.25mγH1=9.81×66.31=650.50KN/m2γH2=9.81×16.25=159.41KN/m2γH=γH1－γH2=650.50－159.41=491.09KN/m2αγH=0.3×491.09=147.32KN/m2Ⅰ区：U1(↑)=1.2×0.5×(491.09－147.32)×5=1031.31KNM1=﹣1031.31×(56/2－5/3)=－27131.50KN·mⅡ区：U2(↑)=1.2×0.5×51×147.32=4507.99KNM2=﹣4507.99×(56/2-5-51/3)=﹣27047.94KN·mⅢ区：U3(↑)=1.2×5×147.32=883.92KNM3=﹣(56/2﹣5/2)×883.92=﹣22539.96KN·mⅣ区：U4(↑)=1.0×159.41×56=8926.96KNM4=04-8设计情况下的扬压力数据区域总力KN（↑）力臂（m）力矩（KN·m）Ⅰ1031.3126.33－27131.50Ⅱ4507.9911﹣27047.94Ⅲ883.9225.5﹣22539.96Ⅳ8926.9600∑15350.18﹣76719.404.4.2校核情况下上下游扬压力校核情况下，上游水深71.01，下游水深17.7mγH1=9.81×71.01=696.61KN/m2γH2=9.81×17.7=173.64KN/m2γH=γH1－γH2=696.61－173.64=522.97KN/m2αγH=0.3×522.97=156.89KN/m2Ⅰ区：U1(↑)=1.2×0.5×(522.97－156.89)×5=1098.24KNM1=﹣1098.24×(56/2－5/3)=－28920.32KN·mⅡ区：U2(↑)=1.2×0.5×51×156.89=4800.83KNM2=﹣4800.83×(56/2-5-51/3)=﹣28804.98KN·mⅢ区：U3(↑)=1.2×5×156.89=941.34KNM3=﹣(56/2﹣5/2)×941.34=﹣24004.17KN·mⅣ区：U4(↑)=1.0×173.64×56=9723.84KNM4=04-9校核情况下的扬压力数据区域总力KN（↑）力臂（m）力矩（KN·m）Ⅰ1098.2426.33－28920.32Ⅱ4800.8311﹣28804.98Ⅲ941.3425.5﹣24004.10Ⅳ9723.8400∑16563.42﹣81729.404.4.3正常蓄水位上下游扬压力正常情况下，上游水深68，下游水深17.7mγH1=9.81×68=667.08KN/m2γH2=9.81×17.7=173.64KN/m2γH=γH1－γH2=667.08－173.64=493.44KN/m2αγH=0.3×493.44=148.03KN/m2Ⅰ区：U1(↑)=1.2×0.5×(493.44－148.03)×5=1036.23KNM1=﹣1036.23×(56/2－5/3)=－27287.72KN·mⅡ区：U2(↑)=1.2×0.5×51×148.03=4529.72KNM2=﹣4529.72×(56/2-5-51/3)=﹣27178.32KN·mⅢ区：U3(↑)=1.2×5×148.03=888.18KNM3=﹣(56/2﹣5/2)×888.18=﹣22648.59KN·mⅣ区：U4(↑)=1.0×173.64×56=9723.84KNM4=04-10校核情况下的扬压力数据区域总力KN（↑）力臂（m）力矩（KN·m）Ⅰ1036.2326.33－27287.72Ⅱ4529.726﹣27178.32Ⅲ888.1825.5﹣22648.59Ⅳ9723.8400∑16177.97﹣77114.634.5重力坝的淤沙压力计算据资料统计淤沙逐渐固结，容重与内摩擦角也逐年的变化，而且各层次不同，使得泥沙压力不易准确计算，单宽坝段泥沙总压力计算公式一般为：式中：Psk—坝面每米宽度上的水平泥沙压力，kN/m3，合力在1/3淤沙高度处；γsb—淤沙的浮容重，kN/m3；hs—坝前泥沙淤积高度，m；Фs—淤沙的内摩擦角；根据资料查得：淤沙高程556m，所以：hs=556.0－530.0=26m淤沙浮容重为：淤沙的饱和容重量—重力加速度=19.87－9.81=10.06KN/m34.5.1标准情况淤沙压力计算Psk=（→）0.5×10.06×262tan2(45°－26°/2)=1327.68kNLsk=26÷3=8.667mMsk=Psk×Lsk=－1327.68×8.667＝－11507.00kN·m4.5.2设计情况淤沙压力计算根据《水工建筑物荷载设计规范》，淤沙压力的作用分项系数为1.2。Psk=（→）1.2×0.5×10.06×262tan2(45°－26°/2)=1593.22kNMsk=Psk×Lsk=－1593.22×8.667＝－13808.40kN·m4-11淤沙压力汇总表设计情况力（kN）力臂（m）力矩（kN·m）标准情况1327.688.667－11507.00设计情况1593.228.667－13808.404.6大坝波浪压力计算重力坝的坝前水深一般大于半波长，及H＞Lm/2,波浪运动不受库底的约束，且单宽坝段浪压力标准设计值为：根据《水工建筑物荷载设计规范》，波浪压力的作用分项系数为1.2。其中：Pl—混凝土大坝单位长上，大坝上游的波浪压力标准值，kN/m；γw—水的容重度，kN/m3；Lm—波浪的平均波长，m；h1%—多年风速累计发生频率为1%的波高，m；H—建筑物坝前水深，m；hz—坝前波浪中心线至计算水位的高度，m；计算公式：4-12波浪压力分布4.6.1大坝波浪设计压力根据前面数据得到：Lm=7.01m，h1%=2.14m，hz=0.485m，H1=66.31mPl=1.2×9.81×7.01×(0.485＋2.14)/4=54.15kNL1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3y1=66.31－7.01/2＋(2.14＋0.485＋7.01/2)/3＝64.85my2=H1－Lm/3＝66.31－7.01/3＝63.97mM2=－[9.81×7.01×(2.14＋0.485＋7.01/2)/4×1.2×64.85－9.81×7.012/2×63.97=－7217.60kN·m4.6.2大坝波浪校核压力根据前面数据得到：Lm=4.7m，h1%=0.82m，hz=0.09m，H1=71.01mP2=1.2×9.81×4.7×(0.82＋0.09)/4=12.59kNL1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3y1=71.01－4.7/2＋(0.82＋0.09＋4.7/2)/3＝69.74my2=H1－Lm/3＝71.01－4.7/3＝69.44mM3=－[9.81×4.7×(0.82＋0.09＋4.7/2)/4×1.2×69.74－9.81×4.72/2×69.44=－4379.16kN·m4.6.3大坝正常蓄水波浪压力根据前面数据得到：Lm=7.1m，h1%=2.14m，hz=0.17m，H1=68.0mP3=1.2×9.81×7.1×(2.14＋0.17)/4=63.73kNL1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3y1=68－7.1/2＋(2.14＋0.17＋7.1/2)/3＝66.40my2=H1－Lm/3＝68－7.1/3＝65.63mM1=－[9.81×7.1×(2.14＋0.17＋7.1/2)/4×1.2×66.40－9.81×7.12/2×65.63=－7917.74kN·m4-13波浪压力汇总表设计情况力（kN）力矩（kN·m）标准情况54.15－7217.60设计情况12.59－4379.16校核情况63.73－7917.744.7大坝基本荷载汇总表4-14合力汇总表设计情况承载力极限状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况坝体自重(↓)48603.8448603.8448603.84静水压力(↓)1036.181229.351229.35静水压力(→)21567.3624733.0722680.72扬压力(↑)15350.1816563.4216177.97泥沙压力(→)1593.221327.681327.68波浪压力(→)54.1512.5963.73∑W(↓)34289.8433269.7733655.22∑P(→)23214.7326073.3424072.134-15力矩汇总表设计情况承载力极限状态正常使用极限状态持久状况偶然状况持久状况坝体自重465160.31465160.31465160.31静水力矩﹣494146.20－585434.92﹣533724.72扬压力力矩﹣76719.40﹣81729.40﹣77114.63泥沙力矩﹣13808.40－13808.40﹣11507.00波浪力矩﹣7217.60﹣4379.16﹣7217.60合计（kN·m）﹣126731.29﹣220191.57﹣164403.644.8抗滑稳定性分析计算重力坝的滑动是重力坝常见的破坏形式，因此需要核算重力坝坝体沿大坝坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。根据多年筑坝的经验得到，抗滑稳定性分析法一般采用刚体极限平衡法。混凝土重力坝的设计过程中为较真实的反应抗滑稳定性安全系数，合理的设计混凝土重力坝，不仅应该考虑到大坝地基的摩擦力，还应该充分考虑到胶结面上的凝聚力，因此一般采用抗剪断强度的公式计算为：其中：∑P——大坝任何水平截面以上的坝体所承受的总水平推力，kN；∑W——为水平截面所承受的正压力，kN；fˊ——水平面上的摩擦系数（fˊ=3）； cˊ——抗剪断凝聚力（cˊ=2.8MP）；A——胶结面的面积；U——作用在接触面上的扬压力；我国重力坝设计规范SDJ21—78规定：基本荷载组合（设计洪水位）Ksˊ＝3.0；特殊荷载组合（校核洪水位）Ksˊ＝2.5。设大坝下游坝面与坝基面的夹角为：β，由三角函数得：cosβ=0.625、sinβ=0.781将坝体分为一个矩形和三角形：其中矩形面积S矩S矩=H×l=71.8×8=574.96m2而在三角形中：高h：h=(B－l)/m=(56－8)/0.8=60m三角形的底长为:B－L=56－8=46m三角形面积S△:S△=0.5×h×B=0.5×46×60=1380m24.8.1设计洪水位抗滑稳定性计算该重力坝的坝基岩基较好，考虑到节省材料等各种原因，大坝的坝基设置成锯齿形状，形成多个倾向上游的斜面和部分面做成梯形齿槽形式，可压把fˊ=2.1。根据前面3—14重力坝数据汇总表所得：fˊ=2.1，∑W=49640.02KN，∑P=23214.73KN，U=153.50KN，cˊ=2.8，A=56=[(49640.02－15350.18)×2.1﹢2.8×56]÷23214.73=3.11＞[Ks]=3.0满足我国《混凝土重力坝设计规范》SDJ—78及补充规定[（84）水电水规字第131号]所规定的的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。4.8.2校核洪水位抗滑稳定性计算该重力坝的坝基岩基较好，考虑到节省材料等各种原因，大坝的坝基设置成锯齿形状，形成多个倾向上游的斜面和部分面做成梯形齿槽形式，可压把fˊ=2.1。根据前面3—14重力坝数据汇总表所得：fˊ=2.1，∑W=49640.02KN，∑P=23214.73KN，U=153.50KN，cˊ=2.8，A=56=[[(48540.02－15350.18)×2.1﹢2.8×56]÷23214.73=3.00＞[Ks]=2.5满足我国《混凝土重力坝设计规范》SDJ—78及补充规定[（84）水电水规字第131号]所规定的的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。4.9重力坝上下游坝面应力计算为了演算核定混凝土重力坝的大坝是否在施工期间和运行期间满足工程的设计要求，方便对混凝土重力坝的断面设计和施工期间的大坝混凝土的标号分区等提供重要的依据，一般基于三点基本设定：坝体混凝土为均质、连续、各项同性的弹性材料；重力坝分成很多坝段，认为各自坝段独立工作，并且设置不传力的永久横缝，在不考虑地基变形对混凝土重力坝坝体应力的影响下，把每个坝段看作为固结于地基上的悬臂梁；通口水电站水利枢纽在设计过程中不考虑大坝自身内部的廊道等建筑体对大坝的压应力情况下，可以假设大坝的坝体水平截面上的正应力是按照大坝的坝面上按直线分布。应用材料力学方法分析重力坝在正常蓄水位(598.0m)下的应力。为方便计算，假设下游水深为0m。建立如4-16的应力坐标系，坝踵为O1,坝址为O2，则应力的计算方式为：UUWP1PsO1O2O1O2X4-16应力分析图大坝为正常蓄水位时候，大坝的应力作用点距离坝踵为：大坝扬压力的计算：由于有防渗帷幕的设置，渗透压强系数α=0.25。则坝底面上游坝踵扬压力作用水头为H1=66m则排水孔中心处为：H2＋α（H1－H2）=0＋0.25（66.0－0）=16.5m大坝为正常蓄水位时候，大坝的扬压力作用点距离坝踵为：作用点=总扬压力总力矩÷总扬压力=76114.63÷16177.97=4.7m大坝为正常蓄水位时候，大坝的泥沙压力作用点距离坝踵为：作用点=总泥沙压力总力矩÷总泥沙压力=11507.00÷1327.68=8.67m4.9.1水平截面上的正应力（压应力为正）上游：

=48603.84÷56－（6×46516.31）÷562=778.93kpa＞0下游：=48603.84÷56－（6×22680.72）÷562=824.53kpa＞0重力坝的坝踵和大坝坝址处均没有出现拉应力，满足国家工程规范要求。4.9.2重力坝的剪应力（tu、td）大坝上游面水压力强度和泥沙压力强度和：=9.81×68＋10.95×17.7tan2(45°)=860.895kpa大坝下游面水压力强度：Pd=γwH2=9.81×17.7=173.63kpa大坝上游扬压力强度：Puu=γwH1=9.81×68=667.08kpa大坝下游扬压力强度：Pud=γwH2=9.81×17.7=173.64kpa大坝上游剪应力：tu=(Pu－Puu－δyu)n=(860.86－667.08－824.53)×0=0根据以上算术得出结论：该平面剪力为零，该平面为主应力面。下游剪应力：td=(δyd＋Pud－Pd)m=(778.93＋173.64－173.63)=623.144kpa式中：n为混凝土重力坝大坝上游面坝坡坡率，n=tanφu，φu为混凝土大坝上游坝面的角度，该工程设计中采用上游坝坡垂直，所以φu=0，n也为0；m为下游坝坡坡率，m=0.8。4.9.3重力坝水平正应力（δxu、δxd）δxu=(Pu-Puu)－tun=(860.895－667.08)－0=193.815kpaδxd=(Pd－Pud)－tdm=498.51kpa重力坝主应力（δ1u、δ2u、δ1d、δ2d）δ1u=(1＋n2)δyu－(Pu－Puu)n2=824.5×1－(860.895－667.08)×0=824.53kpaδ2u=Pu－Puu=860.895－667.08=193.81kpaδ1d=(1＋m2)δyd－(Pd－Pud)m2=(1＋0.82)778.93－(173.63－173.63)×0.82=1277.45kpaδ2d=Pd－Pud=173.63－173.63=0kpa第五章溢流坝剖面设计5.1泄水方式的选择重力坝的泄水方式主要有开敞式溢流和孔口式溢流。开敞式能用于排除冰凌和其它漂浮物；混凝土重力坝的闸门设置应略高于大坝的正常蓄水位，重力坝的堰顶高程一般处于较低位置，方便调节水库的蓄水位和大坝在面临洪峰的下泄流量和减少在洪水来临时候对上游库区的淹没损失。因此，本设计采用开敞式溢流。5.2孔口净宽的拟定单宽流量的确定Q溢=Q总—αQ0(m3/s)式中：Q0——经过电站和泄水孔等下泄流量；α——系数，取决于汛期发电方案。溢流坝孔口净宽按以下公式计算：Q=Q溢/L[m3/(s.m)]其中：Q溢为通过溢流孔口的下泄流量；q为通过溢流孔口的单宽流量。根据条件：50年一遇洪水，相应洪峰流量为6240m3/s；500年一遇洪水，相应洪峰流量为9700m3/s。大坝求得设计洪水位达596.31m，溢流坝下泄流量为5480m3/s；校核洪水位601.01m，溢流坝下泄流量为5520m3/s。q＝50～80m3/s。分别计算设计水位和校核水位情况下溢洪道所需的孔口宽度如下表：5—1流量下泄表计算情况流量Q(m3/s)单宽流量q(m3/s)孔口净宽B(m)设计水位548050～80109.6～68.5校核水位552050～80110.4～69根据计算得到的图表如上，设计通过溢流孔口的单宽流量为78m3/s，溢流坝孔口净宽B=70m，在保证洪峰来时闸门对称开启，可设置：每溢流孔口的孔净宽b=14m，溢流孔口的孔数n=5。5.3溢流坝段净宽L0设各孔口净宽和各中墩厚度分别为bi（该工程选择中墩厚度4m，边墩厚度3m）和di，总和分别为B和D，则溢流前缘总长L0为L0=B+D=nb+(n-1)d=5×14+4×4+2×3=92m5.4堰上水头H0堰上水头H0=洪水位-堰顶高程开敞溢流式的下泄流量Q溢为：（m3/s）式中：—闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，初设阶段一般取0.9-0.95，该工程取=0.9；g—重力加速度，g=9.81m/s；m—流量系数，按WES溢流面曲线查表流量系数m：5—2流量系数m表得m=0.502。当溢流坝段过水量为设计洪水，Q溢=5480m3/s,B=70m,则H0=14.5m验算：当溢流坝段过水量为校核洪水时，Q溢为5520m3/s，H0=14.5m,代入得溢流坝段孔口净宽B为55.3m,对应的溢流坝段校核单宽流量q为78m/s，满足单宽设计条件，因此设计合理。堰顶高程=洪水位—堰上水头（H0）=598.76-15.26=583.5m。5.5溢流面体形设计混凝土重力坝的溢流面坝段的构造一般由堰顶的顶部曲线段、溢流坝坝体堰流的中间直线段和坝体堰流的下部反弧段三部分组成。根据设计要求：（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）体型简单，造价低，便于施工等。顶部曲线段为了在设计的过程中，方便以后的施工和在施工期间容易找到设计中的切点位置和施工过程中能够节省大量的工程量，通常采用符合条件的流量系数较大且剖面较瘦的WES曲线设计混凝土重力坝的溢流面。5—3WES曲线参数上游坡（垂直：水平）R1/HdR2/Hdｅ1/Hdｅ2/Hdab3:00.500.200.1750.2820.50001.8503:10.680.210.1390.2370.51651.8363:20.480.220.1150.2140.51571.8103:30.45000.1990.53401.776西班牙学者提出数据：R1=0.5Hd，R2=0.2Hd，R3=0.04Hd，ｅ1=0.175Hd，ｅ2=0.1276Hd,ｅ3=0.2818Hd得到堰顶下游段的曲线方程：y/Hd=α(χ/Hd)b式中:Hd—溢流坝的堰顶定型设计水头(m)，工程的设计情况中一般采用最大堰顶作用水头H0的(0.75～0.95)，一般用反算校核洪水时的H0和设计洪水时的Hd，满足Hd=（0.75～0.95)H0，该工程中取：Hd=0.95H0=14.5ma、b—系数，该系数通常与重力坝上游面的坡度有关，根据表5-3得到当混凝土大坝上游面为垂直的时候a=0.5,b=1.85；x、y—以堰顶最高点为原点坐标，其正方向如5—4堰顶中心线由已知数据代入堰顶下游段曲线方程y/Hd=α(χ/Hd)b得到：y=0.5(x/14.5)1.85=0.035x1.85反弧段：重力坝在设计溢流坝反弧段的时候，根据多年的工程经验和曲线的设计比较一般都选用圆弧曲线，其目的是使通过溢流坝坝段下泄的水流能够平顺的转向下一工程设施。《混凝土重力坝设计规范》DL5108—1999建议反弧半径选用：R=（4～10）hH为校核洪水位闸门全开时的反弧最低的水深。5.5.1中间直线段：中间直线段是坝顶曲线和下部反弧段相切，即两条曲线的切线，斜率相等。溢流坝堰的下游坡度与非溢流坝的下游坡度相同1：m=1:0.8。两曲线相交的坐标（x,y）,且直线斜率k=1.25为堰顶曲线在焦点处对方程x的求导：y′=[0.5(x/14.5)1.85]′=(0.035x1.85)′=k=1.25代入数据得到x=48.03、y=32.43根据以上数据得到重力坝溢流坝的剖面图如下：5—5重力坝溢流坝的剖面图六章消能防冲设计6.1消能形式选择当水流通过溢流坝的时候，由于流速和落差很大，具有很大的动能，在流入大坝下游的过程中会冲刷周围的建筑和河床的岩基，引起建筑物地基不稳。在重力坝的设计过程中为了避免河床被冲刷，根据经验要选择消能效果好，结构可靠，避免水流通过溢流坝时候发生空蚀和磨损。设计的过程中还应该充分考虑重力坝坝址的地形条件，地质条件，枢纽工程的设计和施工布置，重力坝的坝高和坝宽，流量通过泄水建筑时等条件。根据底流消能、挑流消能、面力效能、消力戽消能四种比较常用的消能设施比较，选择利用鼻坎将自溢流面下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散并卷入大量的空气，然后落入下游河床的水垫中的挑流消能。水流在同空气摩擦的过程中，消耗了约20%的能量。抛射到下游河床水面垫后，形成强烈的旋滚区，冲刷河床形成冲坑，同时消耗掉大部分的能量，适用于基岩上的水工建筑物，特别是高水头、大流量的泄水建筑物。6.2洪水标准和相关参数的选定 该工程设计的重力坝是3级水工建筑物，根据SL252—2000表，消能防冲设计采用按50年洪水重现期标准设计。根据地形地质条件，选用挑流消能。根据已建工程经验，挑射=20°。设反弧段起始点和挑出点在同一高程处。当下泄流量为5480m3/s时，由下游流量水位曲线关系可得下游水位为547.7m，下游水深为=17.7m。此时按1：0.8的比列计算大坝下游淹没宽度为：15.00m。该工程设计的消能方式是挑流消能，根据经验得到通过溢流坝下泄的水流应该在下游水位大约高出1m处将水流挑出，该水利工程的鼻坎高程应该为坎=548.7m。挑角由工程类比经验和试验成果取得2=20°。6.3反弧半径的确定反弧半径R为：对于挑流消能，可按下式求得反弧段的半径：ψ—堰面流速系数，取0.95；H—设计洪水位至坎顶高差，H=596.31-545.00=51.31m(取坎顶高程为545.00m)V=ψQUOTE=0.95×QUOTE=30.14m3/sQ—校核洪水时溢流坝下泄流量，(5480m3/s)；B—鼻坎处水面宽度，m，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度；B=14+2×4=22mh1=Q/Bv=5480÷22÷30.14=8.26R=（4～10）hR=33.04～80.4m根据经验，取R=40m此时反弧最低点高程：▽=▽坎－Rcosθ2=545－40cos20=537.48m圆心高程：▽0=▽坎＋Rcosθ2=545＋40cos20=552.