居乐112水利枢纽重力坝设计

摘要本次设计内容为居乐水利枢纽，坝型选择为混凝土重力坝，坝轴线选择和枢纽布置见1号图SG-01居乐水库平面图所示。整座重力坝主要有非溢流挡水坝段、溢流表孔坝段、溢流底孔坝段和电站厂房坝段。挡水坝段最大断面的底面高程为1901.00米，坝顶高程为1987.70米，防浪墙高1.2米，最大坝高为85.5m，属大坝类型。坝顶宽8米，最优断面的上游坝坡坡率为1:0.2，上游折坡点高程为1956.00米，下游坝坡坡率为1:0.7，下游折坡点高程1974.70m，详细情况参见1号图SG-02挡水坝剖面图。溢流坝段最大断面的底面高程为1901.00米，堰顶高程1978.08米，溢流堰采用WES曲线设计，直线段坡率为1：0.7，反弧段半径取20米，鼻坎高程取1912.00米，上游坝坡坡率取1：0.2，折坡点高程为1956.00米，上游坝面与WES曲面用1/4椭圆相连，详细情况见1号图SG-02溢流堰标准横断面图所示。本枢纽溢流堰采用挑流方式消能，挑角取250。止水采用两道紫铜中间加沥青井的形式。坝基防渗处理（主要依据上堵下排的原则），上游帷幕灌浆（两道），下游侧设置排水管。以非溢流挡水坝段为计算选择断面，进行了抗滑稳定分析和应力分析，分别采用抗剪断计算法和材料力学法计算法进行计算，最终验算满足抗滑稳定，上游坝踵没有出现拉应力，设计剖面合理可行。本次设计只是部分结构物设计，考虑问题较单一，采用基础资料一般以书本为主，跟实际情况难免有出入，敬请读者批评指正。关键字：非溢流坝溢流坝细部构造地基处理AbstractThisdesigncontentfortheJuleproject,damtypeselectionfortheconcretegravitydam,damaxisselectionandlayouttosee1figureSG-01MusicHomereservoirplanediagram.Agravitydamaremainlynonoverflowdamsectionofspillwaydam,spillway,bottomholedamandpowerhousedamsectionof.Nonoverflowdamsectionofeachof15meterswide,distributedinthedampowerhousedamsectionends;each16meterswide,disposedneartherightbankmainriverbed,outfitmachine3units;thebottomorificeofeachsectionof22meterswide,arrangedinapowerhouseleftmainriverbed;overflowsectionofeachsegmentwidth18meters,isarrangedinthehousemusicrivermainriverbed.SeeNo.1chartSG-01downstreamview.Damsectionofmaximumcrosssectionofthebottomsurfaceelevationof1901meters,atelevationof1987.70meters,1.2metershighwall,thedamheightof85.5m,isatypeofdam.Crestwidthof7meters,theoptimalsectionoftheupstreamdamsloperateof1:0.2,theupstreamslopeanglepointto1956meterselevation,downstreamdamsloperateof1:0.7,thedownstreamslopeanglepointelevation1974.70m,detailsseeNo.1chartSG-02damsection.Maximumsectionofoverflowdamsectionofthebottomsurfaceelevationof1901meters,1978.08metersheightofweir,weiruseWEScurvedesign,straightsloperateof1:0.7,reversearcradiusof18meters,thenasalsillelevation1912meters,theupstreamdamsloperateand1:0.2,slopeanglepointelevationof1956meters,theupstreamdamsurfaceandWESsurfaceby1/4ellipticconnected,thedetailsees1figureSG-02overflowweirstandardcrosssectiondiagram.Thehubofoverflowweirski-jumpenergydissipationbywayof250,pickangle.Stopusingtwocopperintermediateasphaltwellsform.Treatmentofdamfoundationseepageprevention(mainlybasedontheprincipleofblockingdrainage),upstreamgroutcurtain(two),adownstreamsidedrainagetube.Nonoverflowdamsectionfortheselectionofcalculationsection,aslidingstabilityanalysisandstressanalysis,respectivelybyshearcalculationmethodandthemethodofmaterialmechanicscalculationmethodareusedtocalculatethefinalchecking,satisfyingthestabilityagainstslidingoftheupstreamdamheel,notensilestress,reasonableandfeasibledesignprofile.Thisdesignisonlypartofstructuredesign,consideringtheissuesthansingle,usingbasicdatatomaingeneralbooks,Withtheactualsituationwillhaveaccess,pleasereadercriticism.Keywords:Damnon-overflowspilloverdamdetailstructurefoundationtreatment目录TOC\o"1-3"\h\u11851前言 1106941.1流域概况及枢纽任务 1241691.2水文、水利调洪演算 1286061.3气象资料 170881.4地质勘测资料 1284071.5筑坝材料 2191961.6其他资料 2255542设计说明书 3182572.1工程综合说明 3135092.1.1工程分等与建筑物分级 3324532.1.2枢纽布置 369392.2坝型、坝址选择 47082.2.1坝型选择 4211782.2.2坝址选择 4223283非溢流坝设计 543703.1剖面尺寸拟定 5246283.1.1坝顶高程的确定 5175803.1.2坝顶宽度的拟定 525263.1.3坝坡的拟定 6271103.1.4坝底宽度 6257623.1.5地基防渗与排水设施的拟定 6263403.2荷载计算 7327523.2.1设计情况 7122263.2.2校核情况 10246073.3荷载组合 15157443.4抗滑稳定分析 1541323.4.1分析的目的 15300303.4.2滑动面的选择 1556943.4.3抗滑稳定计算 15192223.5应力分析 1927593.5.1分析的目的 193763.5.2分析的方法 19191453.5.3边缘应力的计算 19150023.5.4坝体强度极限状态演算 20194684溢流坝设计 22267404.1泄水方式的选择 2217154.2孔口设计 22247064.2.1洪水标准的确定 22185964.2.2设计流量的确定 22138254.2.3单宽流量的选择 23105744.2.4孔口净宽的拟定 23223114.2.5溢流坝段总长度的确定 23185744.2.6堰顶高程的确定 2333114.2.7闸门高度的确定 2465904.2.8定型设计水头的确定 24149594.2.9泄流能力校核 24174574.3消能防冲设计 25245424.3.1反弧半径的确定 25114384.3.2挑距和冲坑的估算 25180894.4溢流坝剖面设计 2760564.4.1顶部曲线的确定 27100564.4.2溢流坝剖面的绘制 2846734.5溢流坝荷载计算 29242484.5.1设计情况荷载计算 29934.5.2校核情况荷载计算 30145304.6荷载组合 34246514.7抗滑稳定验算 34157324.8应力分析 3563614.8.1边缘应力的计算 3590864.8.2坝体强度极限状态演算 3632665泄水孔设计 38220935.1有压泄水孔设计 38181385.1.1孔径D的确定 38138455.1.2进水口体型设计 39277595.1.3闸门与门槽 39105465.1.4渐变段 40203905.1.5出水口 4044835.1.6水力计算 4025375.2无压泄水孔设计 4135055.2.1过水口体型设计 4116965.2.2明流段设计 41280195.2.3水力计算 41268206细部结构 42146876.1坝顶构造 42189696.1.1非溢流坝 42291186.1.2溢流坝 4223106.2廊道系统 4314026.2.1基础廊道 43170006.2.2坝体检查排水廊道 43187346.3坝体分缝 44160906.3.1横缝 44142856.3.2纵缝 4459496.3.3水平施工缝 44208716.4止水 44129376.5坝体排水 44212046.6坝体防渗 4438906.7坝体混凝土的强度等级 4532727地基处理 4673337.1地基的开挖与清理 46125777.2坝基的固结灌浆 46198757.3帷幕灌浆 46142547.4坝基排水 4747447.5断层破碎带、软弱夹层的处理 47286707.5.1断层破碎带的处理 4788967.5.2软弱夹层的处理 4810618总结 4830461致谢 4927988参考文献 501前言1.1流域概况及枢纽任务居乐水库位于长江上游金沙江流域横江水系洒鱼河正源的居乐河上，在昭通市西北向23公里处。地理坐标在东经103°13´～32´，北纬27°10´～34´之间。水库流域面积709km²，河道长81km，河道平均比降6.2‰，流域平均宽度8.8km，平均高程2241m。流域内水系发育，地形复杂，山势陡峻，河谷深切，高山深谷连绵起伏。居乐河多年平均年径流量3.65亿m³，多年平均流量11.6m³/s，调查历史最大流量922m³/s。设计洪水标准为百年一遇，流量为905m³/s；校核洪水标准为千年一遇，流量为1400m³/s。居乐水库是一座以灌溉为主，综合利用的水库。其效益有：灌溉面积32.2万亩，灌溉供水1.32亿立方米/年；发电供水0.55亿立方米/年，供装机1.26万千瓦的居乐坝后水电站用水，为调节、补偿装机9万千瓦的下游高桥水电站及下游待开发的装机5万千瓦的3个梯级电站供水；城市生活供水0.18亿方/年；工业供水0.62亿立方米/年，为将来开发的大型褐煤矿、煤化工、坑口火电站提供可靠水源；提高下游农田防洪标准；促进昭通市旅游产业的发展。1.2水文、水利调洪演算死水位为1952.00m，正常蓄水位为1985.50m，校核洪水位为1986.10m，下游水位为1910.00m，通过河床式溢洪道下泄流量为1138.76m³/s，泥沙淤积高程为1941.00m，淤沙干容重为8.82kN/m³，内摩擦角为12°，电站进水口底板高程为1955.50m。1.3气象资料流域属于亚热带气候，5～10月份为雨季，全年雨量充沛，多年平均为1000mm左右，年平均气温为11.3°，库区设计风速16m/s，水库吹程2.5km。1.4地质勘测资料坝区出露地层为二跌统玄武岩和第四纪冲积、坡积、冲积层。玄武岩中夹有凝灰岩及玄武质页岩各一层，厚度0.2～0.5m，倾角约40°稍大。岩体节理裂隙发育中等，裂隙率平均为4.2%。玄武岩湿抗压强度500～800kg/cm²，弹性模量（6～9）×105kg/cm²。坝址岩层为上二迭统峨嵋山玄武岩。其中，致密状玄武岩占整个坝基的57%，杏仁状玄武岩占36.7%，火山角砾岩占2%。坝基98%为坚硬岩层,岩石饱和抗压强度为41～105MPa。坝区主要有9条断层，坝轴线剖面上露出的主要为FⅡ组断层及部分F组小断层，走向为NE与NW，倾角较大，为40～80°。基本不存在深层滑动问题，但须作必要的灌浆、开发并回填混凝土处理。1.5筑坝材料坝区附近1～2km内石料丰富，但人为加工条石较费工，砂料储量一般，可考虑人工沙补其不足。1.6其他资料该坝区地震基本烈度为7°，地震烈度提高1°。坝顶有交通要求，坝顶宽度不小于8m。2设计说明书2.1工程综合说明2.1.1工程分等与建筑物分级根据工程的作用与效益、库容确定本枢纽为Ⅱ等工程，主要建筑物2级，次要建筑物3级，临时建筑物4级。2.1.2枢纽布置本工程是以灌溉为主的综合利用工程，溢流坝段布置在主河槽处，冲沙孔布置在电站进水口附近。本枢纽的主体工程由非溢流坝段、溢流坝段、电站及其他建筑物组成，电站为坝后式。该重力坝由11个坝段组成，每个坝段长度大约为20m，从左岸到右岸依次为1—4号坝段为左岸挡水坝，5—6号为溢流坝段，7号为底孔坝段，8—11号为右岸挡水坝。该坝坝基面最低高程为1901m，坝顶高程为1987.7m，坝体总长度为217.4m，枢纽工程布置图附后。非溢流坝段：左岸全长85.5m，右岸全长100.9m，除1号和11号坝段分别长25.5m、20.9m外，其他坝段长度均为20m，坝顶两侧各设置0.5m宽的人行道。坝顶上游侧设置高1.2m，宽0.5m的钢筋混凝土结构防浪墙，下游设置栏杆。沿坝轴线方向每隔20m设置一个照明灯。坝上游面为折线面，起坡点高程为1956m，坡度为1:0.2；下游面起坡点高程为1974.7m，下游面坡度为1:0.7。溢流坝段：溢流坝段全长40m，分2个坝段，每段长20m，共3孔，每孔8m。溢流堰顶高程为1978.08m。堰顶安装工作闸门和检修闸门，闸门宽×高=8×8。工作闸门为平面钢闸门，采用坝顶门机启闭。工作桥面与与非溢流坝顶一致。中间设置2个中墩，其厚度为4.5m，边墩厚3m，缝设在闸孔中间。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1912m，反弧半径为20m，挑射角为25°，边墩向下游延伸成导墙，其高度为11m，断面为梯形，顶宽为0.5m，底边为3m，需分缝，缝距15m。电站坝段：电站的装机容量为1.26万千瓦，坝段总长30m，坝顶高程1986.1m，宽为20m，坝顶人行道与挡水坝段一致，门机与溢流坝段一致，上游突出2m为拦污栅槽，引水口中心线高程为1956m，孔径1.09m，进口为三向收缩的喇叭口，进口前紧贴坝面设置拦污栅，进口处设置事故闸门和工作闸门，均为平面闸门。在进口闸门后设置渐变段，渐变段为圆角过渡，长度为1.5m。电站厂房为坝后式，位于右岸非溢流坝后，由主厂房、副厂房等组成。副厂房在主厂房的上游侧，厂房与坝体之间用缝分开。2.2坝型、坝址选择2.2.1坝型选择（1）坝址地质条件该河道稳定，河谷断面比较宽，两岸不对称。坝区出露地层为二跌统玄武岩和第四纪冲积、坡积，冲积层，岩体节理裂隙发育中等，坝址岩层为上二跌统峨嵋山玄武岩；坝区主要有9条断层，出露于坝轴线剖面上的断层主要为FⅡ组断层及部分F组小断层，走向为NE与NW，倾角较大，基本不存在深层滑动问题。（2）建筑材料坝区附近1-2km内石料丰富，砂料储量一般，缺乏土料。（3）方案比较根据以上情况综合分析如下：拱坝方案：河谷断面较宽，两岸不对称，不是“V”字形，且在坝轴线上存在大断裂，地形地质条件均不符合要求，故该方案不可取。土石坝方案：土石坝泄洪建筑物不能与坝体结合，需要在坝体外另行布置专门的溢洪道，则会增大工程量，增加工程费用，影响工期，同时峡谷地段，坝轴线较短，不利于泄洪建筑物的布置，再者土料储备量小。故该方案不可取。重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝均可充分利用当地自然条件，泄洪问题容易解决，施工导流容易。浆砌石重力坝虽然节约了水泥用量，当地石料储备丰富，但加工成条石难度大，机械化施工程度低，故不可取。混凝土重力坝可采用机械化施工，方便，可有效缩短工期，工程质量也易保证。故本工程采用混凝土重力坝。2.2.2坝址选择经坝址的地质勘测，在距昭通市约32km处选定坝址。坝址两岸地形较为开阔，可方便施工布置及机械化施工，同时在现坝址上游，地形开阔，建库以后有较大库容，下游河道逐渐变宽，可使水流平顺衔接，减少局部冲刷，也利于洪水期排水。故采用V-V坝轴线。3非溢流坝设计3.1剖面尺寸拟定3.1.1坝顶高程的确定坝顶高程分别按设计和校核两种情况，用以下公式进行计算：波浪要素按官厅公式计算。公式如下：式（3.1）式（3.2）式（3.3）库水位以上超高Δh：式（3.4）式中hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线超出静水位的高度，m；hc—安全超高，m，查表3—1；V0—计算风速，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5—2.0倍；校核洪水位时，宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s；D—风区长度，km；L—波长，m；表3-1坝顶高程计算成果表计算情况风速v（m/s）波高（m）波长（m）风壅水面高度（m）安全超高（m）静水位以上超高（m）坝顶高程（m）设计情况160.7280.20.51.421986.92校核情况9.40.374.70.090.40.861986.96结论：经比较得出坝顶或防浪墙高程1986.96m，取1987m，并取防浪墙1.2m，则带有防浪墙的坝顶高程1987-1.2=1985.8m，因为Ⅰ、Ⅱ级重力坝坝顶高程不得低于校核洪水位，因此取无防浪墙的坝顶高程为1986.5m，则带有防浪墙的坝顶高程1987.7m，最大坝高1986.5-1901=85.5m。3.1.2坝顶宽度的拟定为了适应运用及施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高的8％～10％，且不小于3m，考虑交通要求，取8m。3.1.3坝坡的拟定根据岩石实验资料，综合分析实验成果，岩基面与混凝土的抗剪断指标f=0.25，C=2.8MPa，可初步判定其形态基本为上游坝面上部铅直，下部倾斜。上游坝采用折线面，坡点在（1/3～2/3）H即（1/3～2/3）×85.5=（28.5～57）m，取55m，坡度1:0.2，起坡点高程1956m；下游剖面采用基本三角形与校核洪水位齐平的剖面形式，取下游边坡系数1:0.7，起坡点高程1974.7m。3.1.4坝底宽度由上、下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度B=70.6m，在（0.7～0.9）H=59.6～77m范围内，说明坝底宽度符合要求。3.1.5地基防渗与排水设施的拟定由于防渗需要，坝基需设置防渗帷幕和排水孔幕。根据基础廊道的布置要求，初步拟定防渗帷幕及排水孔中心线在坝基面处距离上游坝面分别为12m和14m。初步拟定非溢流坝剖面尺寸如图3—1所示：图3-1非溢流坝剖面图3.2荷载计算荷载是重力坝设计的主要依据之一。荷载作用按作用随时间的变异分为三类：永久作用、可变作用、偶然作用。设计时应正确选择荷载标准值、分项系数、有关参数和计算方法。按设计情况、校核情况分别计算荷载作用的标准值和设计值（设计值=标准值*分项系数）重力坝的荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等。以下各组合情况均取单位坝长计算。荷载计算图如图3-2所示：图3-2主要荷载示意图3.2.1设计情况（1）坝体自重坝体自重W（KN)的计算公式：式（3.5）式中V—坝体体积，m³，由于取1m坝长，可以用断面面积代替，通常是把它分成如图3-2所示的简单几何图形分别计算；γC—坝体混凝土的重度，一般取23.5～24.0KN/m³，取24.0KN/m³。具体计算如下：（2）静水压力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压力和垂直水压力两种。分项系数1.0。计算公式为：式（3.6）式中H—计算点处的作用水头，m；γw—水的重度，常取9.81KN/m³。垂直水压力按水重计算。具体计算如下：（3）扬压力扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力是由上下游水位差H产生的渗流在坝内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游水面淹没计算截面而产生的向上的水压力。渗透压力：1.2；浮托力：1.0；扬压力折减系数：0.2。标准值：设计值：（4）泥沙压力一般计算年限取50～100年，水平泥沙压力PSKH(KN)为：式（3.7）式中—泥沙的浮重度，KN/m³,8.82KN/m³；—坝前淤沙厚度，m；—淤沙的内摩擦角，（°），12°。竖直方向的淤沙压力按作用面上的淤沙重量（按淤沙浮重度）计算。分项系数1.2。标准值：设计值：（5）浪压力当时，可假定浪顶及水深等于L/2处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，并呈三角形分布，分项系数1.2。如图3-3所示。则浪压力为：标准值：式（3.8）设计值：图3-3浪压力示意图3.2.2校核情况（1）坝体自重与设计情况下计算结果一致，参见3.2.1计算结果。（2）静水压力标准值：设计值：因为分项系数为1.0，则设计值与标准值相同。（3）扬压力标准值：设计值：（4）泥沙压力与设计情况计算结果一致，参见3.2.4计算结果。（5）浪压力标准值：设计值：（6）地震荷载①坝体截面面积的计算式（3.9）②各截面形心坐标的计算计算简图如3-4所示第一部分形心的计算：第二部分形心的计算：第三部分形心的计算：图3-4非溢流坝地震荷载计算简图③地震荷载计算水平向地震惯性力计算当设计烈度为8度、9度的Ⅰ级、Ⅱ级重力坝，应同时计入水平向地震作用。混凝土重力坝沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力代表值可按下式计算：式（3.10）式（3.11）式中：—作用在质点i的水平向地震惯性力代表值，KN;—水平向设计地震加速度代表值，设计烈度为7度、8度、9度时，分别取0.1g、0.2g、0.4g；—地震作用的效应折减系数，一般取0.25,；—集中在质点i的重力作用标准值，KN;—质点的动态分布系数;—坝体计算质点总数；—坝高，溢流坝应算至闸墩顶，m；—分别为质点i，j的高度，m；当需要计入竖向地震惯性力时，上式依然成立，但应以竖向地震系数αv代替αh，据统计，竖向地震加速度的最大值约为水平地震加速度最大值的2/3。当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力还应乘以遇合系数0.5。具体计算结果如下：式（3.12）式（3.13）,,，,,根据以上相关数据资料，可计算得水平惯性力：标准值：设计值：竖向惯性力计算具体计算结果如下：标准值：设计值：地震动水压力计算单位宽度上的总地震动水压力为式（3.14）作用点位于水面以下0.54H处。当迎水面由折坡时，若水面以下直立部分的高度等于或大于水深的一半，则可近似取作铅直；否则应取水面与坝面的交点和坡脚点的连线作为代替坡度θ。计算地震动水压力时，应乘以折减系数θ/90°。本设计的折减系数为0.92。计算如下：则所以动水压力计算如下：标准值：设计值：3.3荷载组合荷载组合分为基本组合和特殊组合两种。基本组合属设计情况和正常情况，由同时出现的基本荷载组成，特殊荷载属校核情况和非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。见表3-2。表3-2荷载组合荷载组合主要考虑情况荷载自重扬压力泥沙压力浪压力地震荷载动水压力基本组合正常蓄水位√√√√设计洪水位√√√√√特殊组合校核洪水位√√√√√地震情况√√√√√根据对应的荷载组合，计算出设计、校核情况荷载作用值及相应的力矩值见表3-3、表3-4和表3-5（三表附后）。3.4抗滑稳定分析3.4.1分析的目的核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面的抗滑稳定的安全度（按平面问题进行分析）。3.4.2滑动面的选择滑动面的选择是稳定分析的重要环节。其基本原则是：研究坝基地质条件和坝体剖面形式，选择受力较大、抗剪强度低、最容易产生滑动的截面作为计算截面。一般有以下几种情况：①坝基面；②坝基内软弱层面；③岩基缓倾角结构面；④不利的地形；⑤碾压混凝土层面等。本次设计选取为坝基面。3.4.3抗滑稳定计算常用的稳定计算方法有：抗剪强度公式、抗剪断强度公式、抗滑稳定极限状态计算等。（1）抗剪强度公式它是把坝体与岩基之间看成是一个单纯的接触面，而不是胶结面。当接触面水平时，其抗滑稳定安全系数的计算公式为：式（3.15）式中，—抗滑稳定安全系数，计算值应不小于表3-6中的规定值；—接触面间的摩擦系数；—接触面以上的总铅直力，KN;—接触面以上的总水平力，KN。表3-6坝基面抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合（1）1.051.001.00（2）1.001.001.00（2）抗剪断强度公式它认为坝体混凝土与坝基接触良好，属于胶结面。此时其抗滑稳定安全系数的计算公式为：式（3.16）式中，—抗滑稳定安全系数计算值；—抗剪断摩擦系数，由实验得到；—抗剪断凝聚力，；—计算截面面积，；(3)抗滑稳定极限状态计算法计算时，对基本组合、偶然组合应分别进行计算。其具体表达式如下：基本组合式（3.17）偶然组合式（3.18）式中，—结构重要性系数，对应于结构安全级别Ⅰ、Ⅱ级的结构，其结构重要性系数分别为1.1、1.0、0.9；—设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况分别为1.0、0.95、0.85；—作用效应函数，;—构建及构建抗力函数，;—永久作用分项系数；—可变作用分项系数；—永久作用标准值，kN;—可变作用标准值，kN;—几何参数的标准值，可作为定值处理；—材料性能标准值，有试验确定；—基本组合结构系数，见表3-7；—偶然作用结构系数，见表3-7；—材料性能的分项系数；—偶然作用标准值。表3-7结构系数序号项目组合类型分项系数1坝体抗滑稳定极限状态基本组合1.2偶然组合1.22混凝土抗压极限状态基本组合1.8偶然组合1.8设计情况满足稳定要求。设计情况发生地震满足稳定要求。校核情况满足稳定要求。3.5应力分析3.5.1分析的目的检验所拟坝体断面尺寸是否经济合理，并为确定坝内材料分区、某些部位配筋提供依据。3.5.2分析的方法应力分析主要采用材料力学法。3.5.3边缘应力的计算计算公式如下：式（3.19）式（3.20）式中，—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，KN;—作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，KN;—为计算截面的长度，m。具体计算式如下：设计情况满足强度要求。发生8°地震的情况满足强度要求。校核情况满足强度要求。3.5.4坝体强度极限状态演算承载能力极限状态设计表达式：式（3.21）式中，—作用的效应函数，；—抗力函数，，为混凝土的抗压强度；—荷载作用设计值，KN;—材料性能的设计值；—坝体下游的边坡系数；以坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）作为正常使用极限状态，此时的计算公式为：式（3.22）具体计算如下：基本组合（正常高水位时）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。偶然组合Ⅰ（发生8°地震）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。偶然组合Ⅱ（校核洪水位时）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。4溢流坝设计4.1泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定及强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰顶，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产生空蚀破坏。其泄水方式主要由以下两种：开敞溢流式除泄洪外，它还可排除冰凌或其他漂浮物。堰顶可设置闸门，也可不设。不设闸门时，堰顶高程等于水库的正常高水位，泄洪时库水位壅高，从而加大了淹没损失，但结构简单，管理方便，适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程；设置闸门的溢流坝，闸门顶高程大致与正常高水位齐平、堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量，适用于大型工程及重要的中型工程。孔口溢流式为了降低堰顶闸门的高度，增大泄流量，可采用带有胸墙的溢流堰。这种形式的溢流孔可按洪水预报提前放水，从而腾出较大库容蓄纳洪水，提高水库的调洪能力。为使水库具有较大的泄洪潜力，本设计优先考虑开敞式溢流孔。4.2孔口设计4.2.1洪水标准的确定根据建筑物的级别及运用情况，确定洪水标准为：设计情况洪水重现期500～100年；校核情况2000～1000年。本设计的重力坝是2级建筑物，根据《水利工程水工建筑物洪水标准》采用100年一遇的洪水标准设计，1000年一遇的洪水标准校核。4.2.2设计流量的确定经水文、水利调洪演算确定：设计洪水位时最大泄量760m³/s，校核洪水位时的最大泄量1150m³/s。4.2.3单宽流量的选择考虑到坝基处98％的岩层为坚硬岩层，且基岩比较完整，根据综合枢纽的布置及下游消能防冲的要求，单宽流量取20～50m³/（sm）。4.2.4孔口净宽的拟定分别计算设计和校核情况下泄洪道所需的孔口宽度。计算结果见表4-1。表4-1孔口净宽计算成果表计算情况流量Q（m³/s）单宽流量q（m³/（ms））孔口净宽B（m）设计情况76020～50038～15.2校核情况115020～5057.5～23根据以上计算，溢流坝孔口净宽取24m，每孔宽度为8m，孔数为3孔。4.2.5溢流坝段总长度的确定初步拟定闸墩厚度，中墩厚4.5m，边墩3m，则溢流坝段总长度:4.2.6堰顶高程的确定由堰流公式：式（4.1）对于WES型剖面，先假定,即，查表可得，再假定堰流为自由出流，则。查《水力学》图7-10得边墩系数；查表7-4得半圆形闸墩的形状系数。则可根据侧收缩系数公式分别计算出设计、校核情况下的,即，。计算如表4-2所示：表4-2堰顶高程计算列表计算情况QεmbH0堰顶高程设计情况7600.950.50286.081979.42校核情况11500.950.50288.021978.08堰顶高程=对应洪水位-堰顶水头根据以上计算，堰顶高程取1978.08m。4.2.7闸门高度的确定门高=正常高水位-堰顶高程+（0.1～0.2m）=1985.5-1978.08+0.2=7.62m，取整8m。4.2.8定型设计水头的确定堰上最大水头=校核洪水位-堰顶高程，即定型设计水头（0.75～0.95）=6.02～7.62m定型设计水头不同，堰顶可能出现的最大负压也不同。规范规定：校核洪水位闸门全开时，出现的负压不得超过3～6m水柱。通过查表可知，当定型设计水头与堰上最大水头的比值为0.75和0.95时，所对应的负压值分别为3.01m和0.762m水柱，其负压值均符合规范要求。取定型设计水头为7.2m时，对应的负压值为1.8m，满足要求。4.2.9泄流能力校核运用堰流公分情况校核溢流堰的泄流能力。在设计情况下，，，；则，可知，按照侧收缩系数计算公式，计算出；同理可知在校核情况下，。泄流能力计算成果见表4-3。表4-3泄流能力计算成果表计算情况设计情况0.4920.98246.08760768.51.1％校核情况0.5070.98248.0211501138.761％由表中计算成果可知|Q'-Q|/Q<=5％，说明孔口设计符合要求。4.3消能防冲设计根据地形地质条件选用挑流消能，参考已建工程经验，挑射角θ=25°，挑流鼻坎应高出下游水位1～2m，则鼻坎高程为1910+2=1912m。4.3.1反弧半径的确定鼻坎处水流平均流速按公式，由，可知：式（4.2）式中，—堰面的流速系数；—库水位到坎顶的高差，m；—校核洪水位时溢流坝面下泄流量，m³/s；—鼻坎处的水面宽度，m。根据《水力学》可知，坝面流速系数可按长江水利委员会的经验公式计算，即：,其中,当时，，是溢流坝水头水面至鼻坎顶的距离。具体计算如下：=1986.1-1912=74.1m，=1150/8=143.75m³/s，，所以计算得0.997。鼻坎处水流的流速v计算得为37.8m/s，h=2.36m，所以确定反弧半径=(4～10)h=9.44～23.6m，取=20m。4.3.2挑距和冲坑的估算计算简图如下图4-1所示图4-1挑距和冲坑的估算简图由式式（4.3）式中—水舌挑距，m；—坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速的1.1倍计；—坎顶垂直方向水深，m，—坎顶至河床面高差，m；水舌挑距：最大冲坑水垫厚度估算公式：式（4.4）式（4.5）式中—水垫厚度，自水面算至坑底，m；—冲坑深度，m；—单宽流量，；—上下游水位差，m；—冲坑系数，坚硬完整的基岩，坚硬但完整性较差的基岩，软弱破碎、裂隙发育的基岩。为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度。一般当时，认为是安全的。由此可知，挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。4.4溢流坝剖面设计溢流坝的基本剖面为三角形。一般其上游面为铅直或折线面，溢流面由顶部曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。首先绘出顶部的曲线，取堰顶部的最高点为坐标原点，原点上游采用椭圆曲线，下游部分采用幂曲线。4.4.1顶部曲线的确定椭圆曲线的方程为：式（4.6）式中，、—系数，～，取；，则；整理后椭圆方程为：相关坐标点选取见表4-4表4-4椭圆曲线坐标值x0.00.20.40.60.8y0.000.010.030.060.11x1.01.21.41.61.8y0.180.270.400.581.02幂曲线的方程为：式（4.7）式中，、—系数，上游面垂直时，，；上游面坡度为时，，。整理后幂曲线为：相关坐标点选取见表4-5表4-5幂曲线坐标值x0123456y00.090.320.691.171.772.48x789101112y3.294.225.246.377.608.934.4.2溢流坝剖面的绘制顶部的曲线段确定后，中部的直线段分别与顶部曲线、底部的反弧段相切，其坡度与非溢流坝段坡率相同，即为1：m。直线段与幂曲线相切时，切点C的横坐标为：式（4.8）代入相关参数得，由幂曲线可知，。由于上右侧超出基本剖面，故需将溢流坝做成倒悬的堰顶以满足泄流曲线的要求，倒悬的高度为5.08m。最后做出反弧段，反弧半径为20m。溢流坝剖面图如图4-2所示。图4-2溢流坝剖面图4.5溢流坝荷载计算4.5.1设计情况荷载计算（1）自重由CAD图可得出溢流坝断面面积为3035.38㎡，计算见式（3.5）。标准值：设计值：（2）静水压力（分项系数1.0）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压力和垂直水压力两种,计算见式（3.6）。标准值：说明：为堰顶至水面的距离。设计值:（3）扬压力(渗透压力分项系数1.2；浮托力1.0）标准值：设计值：（4）泥沙压力（分项系数1.2）泥沙压力分水平压力和竖向压力两种，竖直方向的淤沙压力按作用面上的淤沙重量（按淤沙浮重度）计算，见式（3.7）。标准值：设计值：（5）浪压力（分项系数1.2）说明：波浪的作用深度为L/2，而堰顶位于水面以下7.42m，远大于其作用深度，所以波浪的作用力为0。4.5.2校核情况荷载计算（1）自重（分项系数1.0）标准值：设计值：（2）静水压力（分项系数1.0）标准值：说明：为堰顶至水面的距离。设计值:（3）扬压力（渗透压力分项系数1.2；浮托力1.0）标准值：设计值：（4）泥沙压力（分项系数1.2）标准值：设计值：（5）浪压力（分项系数1.2）说明：波浪的作用深度为L/2，而堰顶位于水面以下7.42m，远大于其作用深度，所以波浪的作用力为0。（6）地震荷载（分项系数1.2）地震荷载的计算简图如下图4-3所示。图4-3溢流坝地震荷载计算简图由CAD图可知，上图中第一部分的形心坐标（40.13,8）、第二部分形心坐标（27.99,29.45）、第三部分形心坐标（20.67,56.4）、整个坝面的形心坐标（31.81,25.47）。计算原理同非溢流坝地震荷载计算一致。①水平向惯性力计算,,，,,根据以上相关数据资料，可计算得水平惯性力：标准值：设计值：②竖向惯性力计算标准值：设计值：③地震动水压力计算单位宽度上的总地震动水压力为作用点位于水面以下0.54H处。当迎水面由折坡时，若水面以下直立部分的高度等于或大于水深的一半，则可近似取作铅直；否则应取水面与坝面的交点和坡脚点的连线作为代替坡度θ。计算地震动水压力时，应乘以折减系数θ/90°。本设计的折减系数为0.92。计算如下：则所以动水压力计算如下：标准值：设计值：4.6荷载组合参见表3-2。根据对应的荷载组合，计算出设计、校核情况荷载作用值及相应的力矩值见表4-6、表4-7和表4-8（三表附后）。4.7抗滑稳定验算溢流坝抗滑稳定验算原理同非溢流坝稳定演算，相关参数的取定见第三章第4节。设计情况满足稳定要求。设计情况发生地震满足稳定要求。校核情况满足稳定要求。4.8应力分析4.8.1边缘应力的计算计算公式如下：式中，—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，KN;—作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，KN;—为计算截面的长度，m。具体计算式如下：（1）设计情况满足强度要求。（2）发生8°地震的情况满足强度要求。（3）校核情况满足强度要求。4.8.2坝体强度极限状态演算承载能力极限状态设计表达式：式中，—作用的效应函数，；—抗力函数，，为混凝土的抗压强度；—荷载作用设计值，KN;—材料性能的设计值；—坝体下游的边坡系数；以坝踵垂直应力不出现拉应力（计扬压力）作为正常使用极限状态，此时的计算公式为：具体计算如下：（1）基本组合（正常高水位时）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。（2）偶然组合Ⅰ（发生8°地震）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。（3）偶然组合Ⅱ（校核洪水位时）满足坝体承载能力极限状态要求；则坝踵处无拉应力出现。5泄水孔设计5.1有压泄水孔设计本次设计时，发点孔设计成有压孔，灌溉孔设计成无压孔，利用发电尾水供水。发电孔的进口处设计拦污栅、事故闸门（兼作检修闸门用），工作闸门布置在出口，孔的断面为圆形，孔内用钢板衬砌。发电孔共设一条，为单元供水方式。5.1.1孔径D的确定孔径D的拟定可依据下式：式（5.1）式中，—发电孔引取的流量，m³/s；—孔内的允许流速，m/s，对于发电孔为5.0～6.0m/s。根据基本水文资料可计算得=0.67～0.61m，取=0.65m。5.1.2进水口体型设计进水口体型应满足水流平顺，水头损失小的要求，进水口形状应尽量满足流线变化规律。进水口采用椭圆方程：式（5.2）式中，—椭圆长半轴，圆形进口时，为圆孔直径；矩形进口时，顶面曲线为孔高，侧面曲线为孔宽;—椭圆短半轴，圆形进口时，；矩形进口时，顶面曲线～，侧面曲线。根据以上计算，进水口为圆形进口，顶面采用椭圆曲线，=0.65m，=0.3=0.2m，则计算出椭圆曲线为：列表计算曲线坐标值见表5-1。表5-1椭圆曲线坐标值x0.650.50.40.30.20.10y00.130.160.180.190.20.2根据以上坐标值，绘出进水口体型设计图如图5-1所示。图5-1进水口体型设计图5.1.3闸门与门槽进水口处设置拦污栅和平面事故闸门，平面工作闸门。事故闸门紧贴上游坝面布置，闸槽尺寸为0.8×0.5。5.1.4渐变段在进水口闸门后设置渐变段，渐变段采用圆角过渡，其长度为（2～3）D，即1.3～1.95m。本设计中取1.5m。在坝身泄水孔的末端，水流从有压流突然变为无压流，会引起出口附近压力降低，容易在该部位的顶部产生负压，所以，在泄水孔末端常插入一小段斜坡将空顶压低，面积收缩比可取0.85～0.90，孔顶压坡取1:10～1:5。本设计取压坡为1:10。详图见图5-2。5.1.5出水口出水口前采用1:10压坡段，出口断面面积收缩为0.85～0.95，由于孔身断面面积为0.33㎡；故出口断面面积的取值范围为0.28～0.32。出口断面为方形，其尺寸取0.55*0.55m，面积为0.3㎡。如图5-2所示。图5-2渐变段设计图5.1.6水力计算水力计算的任务：验算泄水能力及孔内的压力分布。泄水能力计算按管流公式计算：式（