春河张谷水利枢纽工程

职业技术学院毕业设计成果设计项目名称 春河张谷水利枢纽工程姓 名：专 业：班 级：学 号：指导老师：任务下达日期： 2012年11月26日设计完成日期： 2012年12月23日**工程系春河张谷水利枢纽—重力坝设计指导老师 ******职业技术学院 ******摘要：本设计对春河张谷水利枢纽进行了详细的论述和设计， 主要有设计说明书和设计图纸两部分。设计说明书主要包括：春河张谷流域状况，枢纽布置，挡水建筑物的设计， 泄水建筑物的设计，坝体细部构造及地基处理设计。本枢纽以防洪和发电为主，本枢纽属于大型Ⅰ等工程，永久性建筑物为 1级，按规范要求，采用,1000年一遇洪水设计， 10000一遇洪水校核。水库正常蓄水位 303.0m，设计洪水位305.1m，校核洪水位307.3。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：水利枢纽；设计；重力坝；目 录第一章基本资料..........................................................11.1工程概况...........................................................................................................................11.2地形地质情况...................................................................................................................11.3水文气象资料...................................................................................................................11.3.1河流特性...............................................................................................................11.3.2气温情况...............................................................................................................21.4河流泥沙情况...................................................................................................................21.5交通运输...........................................................................................................................21.6水库规划资料...................................................................................................................21.7特征水位...........................................................................................................................21.8限制条件...........................................................................................................................21.9水电站参数.......................................................................................................................31.10筑坝材料.........................................................................................................................3第二章枢纽布置..........................................................42.1枢纽及建筑物的分等分级...............................................................................................42.2建筑物形式.......................................................................................................................42.2.1工程地质...............................................................................................................42.2.2坝型选择...............................................................................................................42.2.3枢纽建筑物组成...................................................................................................6第三章挡水坝段设计......................................................73.1挡水坝段尺寸初步拟定...................................................................................................73.1.1坝顶高程的确定...................................................................................................73.1.2计算过程...............................................................................................................73.2坝顶宽度...........................................................................................................................83.3坝底宽度...........................................................................................................................83.4坝面坡度...........................................................................................................................93.5排水管及灌浆廊道...........................................................................................................93.6重力坝的荷载及组合.......................................................................................................93.6.1自重.......................................................................................................................93.6.2静水压力.............................................................................................................103.6.3扬压力.................................................................................................................113.6.4淤沙压力.............................................................................................................123.6.5浪压力.................................................................................................................123.7坝体稳定计算.................................................................................................................133.7.1坝基边缘应力计算.............................................................................................143.7.2垂直正应力计算.................................................................................................14第四章溢流坝段设计.....................................................174.1溢流坝剖面形状.............................................................................................................174.1.1泄水方式的选择.................................................................................................174.1.2孔口净宽的拟定.................................................................................................174.2初步拟定堰顶高程.........................................................................................................184.3堰顶的形式.....................................................................................................................184.4消能设计.........................................................................................................................204.4.1消能方式.............................................................................................................204.4.2反弧半径及挑射角.............................................................................................214.4.3消能验算.............................................................................................................224.5闸门、闸墩及导墙设计.................................................................................................234.5.1闸门形式的型式选择及高度.............................................................................234.5.2闸墩形状及厚度.................................................................................................244.6导水墙的尺寸拟定.........................................................................................................25第五章坝体细部构造及地基处理设计.....................................265.1坝顶构造.........................................................................................................................265.2廊道、分缝、止排水设计.............................................................................................265.2.1基础廊道.............................................................................................................265.2.2坝体廊道.............................................................................................................265.2.3坝体排水.............................................................................................................265.2.4坝体分缝止水.....................................................................................................265.3坝体混凝土的强度等级.................................................................................................275.4地基处理.........................................................................................................................295.4.1地基开挖与清理.................................................................................................295.4.2地基开挖的形状及坡度.....................................................................................295.4.3基坑的清理.........................................................................................................295.4.4坝基的帷幕灌浆.................................................................................................295.4.5坝基排水.............................................................................................................315.4.6坝基的固结灌浆.................................................................................................315.4.7坝基断层破碎带的处理.....................................................................................32致谢.......................................................................33参考文献..................................................................34***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计第一章 基本资料1.1工程概况春河属于山区河道，流域内多高山峡谷，平原范围甚小，流域内山区占 70％，垦地占30％。张谷以上河床平均坡度为1/600，以下平均坡度为1/1000。坡陡流急，暴雨急流时间甚短，每逢暴雨，山洪暴发，易泛滥成灾，下游农田受到洪水威胁。本枢纽位于春河上游山区，坝址选定在张谷，主要任务是防洪发电。1.2地形地质情况张谷坝址右岸高山重叠，交通不便。左岸地势较平坦，小丘陵绵延。在张谷上游地8 ３形开阔，可以蓄水，水库库容约 13.5×10m。张谷是一个峡谷，两岸悬崖陡壁，十分险要，河岸狭窄，宽仅一百余米，是理想的筑坝地点。坝址地质为青灰色的石灰岩，为整体岩石，石质坚硬。右岸山岗覆有薄层黄土。在坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层最厚的为５米，岩石风化厚度为３米。左岸岩石露头，节理不多，风化层有３米多厚。经过调查研究，已查明坝址附近无断层。坝址基础石英岩的抗压强度为 1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系数为0.65。抗剪断摩擦系数为 1.0 ，抗剪断凝聚力为 1.0MPa。本地区曾发生过轻微地震，据分析地震烈度为 4级。1.3水文气象资料1.3.1河流特性降雨为形成春河洪水的原因,本流域水灾多由暴雨产生。洪水一般出现在７～10月份，因坡陡流急，洪峰涨落时间很短，一般为２～３天。表1.1各种频率下的最大洪峰流量（米3／秒）频率（％）0.010.020.10.512510夏秋季1110010060902077007300675060005400冬春季3503302851***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计1.3.2 气温情况本流域气候温和，年平均温度约为 17℃，最低月平均温度为 4.6℃，极少冰冻现象，最高月平均温度为 33.9℃，故夏季亦不太热，一年四季都可以施工。1.4河流泥沙情况泥沙大部分是页岩风化的产物，颗粒很细。据资料统计，多年平均输沙总量为 185万立方米。每立方米淤积泥沙单位重为 1.32吨／立方米。在预留淤沙库容时，水土保持有效年限估计为 30年。其它水库最大吹程为 19.5公里，多年平均最大风速为 14米／秒。1.5交通运输春河滩多流急，航行不便，故暂可不考虑航运问题。春河左岸有公路干线通过，公路干线距坝址左岸 2公里，交通较便，右岸则仅有山区小道。本工程坝顶无交通要求。1.6水库规划资料规划部门根据满足各水利专业部门的需要，提出了下列数据，可作为设计水工建筑物的依据。1.7特征水位水电站正常高水位：303米最有利工作深度：41米设计洪水位：千年一遇（P=0.1%）设计标准，设计洪水位305.1米，相应下泄流量5350米3／秒，相应下游水位213.2米。校核洪水位：万年一遇（P=0.01%）校核标准，校核洪水位307.3米，相应下泄流量6700米3／秒，相应下游水位214.5米。1.8限制条件汛前水位：299米水库最高水位不得超过： 308米2***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计1.9水电站参数电站装机容量：105000千瓦机组数目：3台３电站最大引用流量：140米／秒1.10 筑坝材料石料——距坝址上游一公里处，两岸石英岩及页岩可大量开采，而且石质良好。在25次冻融之后，抗压强度为 900公斤／平方厘米。砂料——距坝址上游三公里处，滩地有坚硬的砾石和粗砂，蕴藏量约有四十万立方米，砂为石英颗粒，是风化产物。土料——距坝址上游五公里处有粘壤土，蕴藏量约为20万方，其内摩擦角为20°(饱和的)，天然干容重γ=1.6吨／米3，渗透系数Ｋ值为４ⅹ１０ˉ７厘米／秒。木材——可自距坝址15公里的深山内取得。水泥、钢材—可由公路自离坝址 60公里处的龙城运来。3***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计第二章 枢纽布置2.1枢纽及建筑物的分等分级8 ３根据项目资料，在张谷上游地形开阔，可以蓄水，水库库容约13.5×10m，查表（课本P7表1-1）可判断该工程为大（1）型Ⅰ级工程；由电站装机容量为105000kw可判断为中型Ⅲ级工程。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，所以该工程为大型Ⅰ级工程。我们所设计的建筑物为大坝，属永久性水工建筑物，查表（课本P8表1-2）可得该大坝工程等级属于 1级，该工程次要建筑物等级属于 3级。2.2建筑物形式2.2.1 工程地质坝址地质为青灰色的石灰岩，为整体岩石， 石质坚硬。右岸山岗覆有薄层黄土。在坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层最厚的为５米，岩石风化厚度为３米。左岸岩石露头，节理不多，风化层有３米多厚。经过调查研究，已查明坝址附近无断层。坝址基础石英岩的抗压强度为1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系数为 0.65。抗剪断摩擦系数为 1.0 ，抗剪断凝聚力为1.0MPa。本地区曾发生过轻微地震，据分析地震烈度为 4级。综上，坝址地址结构良好，覆盖层较薄，开挖工程量小，且河流流向与坝轴线大致垂直，对河流两岸的冲刷损害小。2.2.2 坝型选择目前，应用比较多的坝型有重力坝、拱坝和土石坝。在选择坝型时，要根据坝区的地质、地形条件、筑坝材料、施工技术、施工条件、施工导流等众多因素来定。拱坝理想的地形是坝址上游较为宽阔， 左右岸对称，岸坡平顺无突变在平面4***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计上向下游收缩的峡谷段，因此综合地形因素本坝址不适合拱坝的修筑，重力坝和土石坝在考虑范围之内。对这两种坝型进行比较后再作选择。考虑到本枢纽主要承担了发电、防洪任务，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枢纽，由于土石坝自身不能在坝顶溢流的缺点，不能够满足防洪时泄流的需要，结合当地的地形、地质、建筑材料等因素，故选用混凝土重力坝作为坝型。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：1）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。2）任何形状的河谷都可以修建重力坝。3）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。4）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。5）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。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，坝体与地基的接触面积大，相应的坝体扬压力大，对稳定不利。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、浆砌石重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等。下面介绍比较常用的几种坝型，它们各自的优缺点如下：1）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，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别。5***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计2）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。3）浆砌石重力坝具有以下一些优点：便于就地取材，节省水泥；节省模板，减少脚手架，因而减少木材用量，同时减少施工干扰；施工技术容易掌握。但也有不少缺点，如：砌体质量不易均匀；不易采用机械化施工，需要大量劳动力；砌体本身防渗性能差，需另作防渗处理。4）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。综合以上内容，结合工程中有丰富的砂石料场、地质、地形条件等因素，采用混凝土实体重力坝作为坝型。2.2.3 枢纽建筑物组成本枢纽建筑类型主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物组成。挡水建筑物采用混凝土实体重力坝， 泄水建筑物采用溢流坝，泄水方式采用开敞溢流式，闸门采用弧形钢闸门。电站厂房采用坝后式，布置在泄洪坝段的右侧。6***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计第三章 挡水坝段设计3.1挡水坝段尺寸初步拟定3.1.1 坝顶高程的确定波浪要素按官厅水库公式计算：hl=0.0166V5/4D1/3（m）；L10.40.8hl（m）；hzhl2coth2H（m）；（一般峡谷水库因HL，所以：hzhl2）；LL2Lhhlhzhc其中：V0为计算风速，m/s。正常蓄水位和设计洪水位时，宜采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，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。D—吹程，m；L—波长，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水位的高度， m；H—坝前水深，m；h—超高，m；hc—安全加高（根据建筑物的安全级别可查表 2-2，课本P16，由于该工程的结构安全级别为Ⅰ级，故查得 hc设=0.7，hc,校=0.5）。3.1.2 计算过程设计：V0=21m/s,hl=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×215/4×19.51/3=2.01m校核:V0=14m/s,hl=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×145/4×19.51/3=1.21m7***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计设计:L=10.4×(hl)0.8=10.4×2.010.8=18.18m校核:L=10.4×(hl)0.8=10.4×1.210.8=12.11m设计：hz=0.70×1.00=0.70m校核：hz=0.40×1.00=0.40mhc——安全超高，根据坝的等级为Ⅰ等：校核时，hc=0.7m；设计时，hc=0.5m。由以上可得坝顶超高为：设计时 h=h1+hz+hc=2.01+0.7+0.7=3.41m校核时 h=h1+hz+hc=1.21+0.4+0.5=2.11m则确定坝顶高程为：设计时Z坝顶=305.1+3.41=308.51m校核时Z坝顶=307.3+2.11=309.41m取其中大者即309.41m,作为坝顶高程表3.1 坝顶高程计算表计算水位水库水位计算风速吹程h1hzhc计算坝顶高程设计洪水位305.12119.52.010.70.7308.51校核洪水位307.31419.51.210.40.5309.413.2坝顶宽度坝顶宽度一般情况采用坝高的8%～10%，且不小于3m,当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道要求，本次设计根据工程情况，坝顶宽度取10m3.3坝底宽度根据工程经验，坝底宽度一般为0.7～0.9倍的坝高。取底宽与坝高比为 0.8：此时坝底宽BB=0.8×（309.41-199）=88.33m则大坝坝底宽取88.33m。8***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计3.4 坝面坡度上游坝坡取0.2，折坡点位于1/3坝高处，则折坡点高程为235.80m。下游坡面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则折坡处向上延伸与校核洪水位相交。根据几何关系，可得坡度为1:0.75，下游折坡点高程为293.93m。3.5排水管及灌浆廊道大坝在靠近上游坝面设置排水管幕，以减小坝体渗透压力。排水管幕距上游坝面距离为5m,排水管采用无砂混凝土管，间距为3m,管径为20cm,沿坝轴线一字排开，管径铅直，与纵向排水、检查廊道相通，上下端与坝顶和廊道直通，便于清洗和排水。坝基灌浆廊道沿纵向布设在坝踵处，距上游坝面为11m,廊道底距基岩面 4m,在两岸沿岸坡布置,尺寸采用4×5m。图3.1 坝体主要尺寸（标注单位： cm）3.6重力坝的荷载及组合3.6.1 自重坝体自重W(kN)的计算公式：9***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计W=γcA式中：3A—坝体横剖面面积，m；c—坝体混凝土的重度，一般取 23.5～24.0kN/m3。则,取混凝土重度为23.5W=23.5×4607.926=108286.26KN3.6.2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水压力PH和垂直水压力Pv两种。PH1(kN)计算公式为：P=AVPH=1wH22H11(H2h2)2式中：H—计算点处的作用水头，m。—水的重度，常取9.81kN/m3。2A—坝踵处所作的垂线与上游水面和上游坝面所围成图形的面积， m。h—堰顶溢流水深，m。则水平水压力：PH1=0.5×9.81×（307.3-199）2=57530.205KNPH2=0.5×9.81×（214.5-199）2=1177.225KNPH=57530.205-1177.225=56352.98KN垂直水压力：①上游PV1=661.664×9.81=6490.924KN②下游PV2=89.811×9.81=881.046KNPV=6490.924+881.046=7371.97KN10***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计3.6.3 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产生的渗流在坝体内或坝基面上形成的水压力； 浮托力是由下游面淹没计算截面而产生向上的水压力。扬压力的分布与坝体结构、上下游水位、防渗排水等因素有关。本工程在坝基处设有排水管孔，上游坝坡为 0.2，排水孔中心线与坝底相交点距坝踵处距离 T1=,12.36m,距坝趾处距离 T2=88.33-12.36=75.97m。坝底宽度T=88.33m。浮托力按矩形分布计算，压力强度为 γH2；渗透压力呈折线分布，在坝踵处为全水头γ水H，在排水孔中心线与坝底相交点处为 αγ水H，α为扬压力折减系数，可取α=0.2。校核情况下的扬压力校核情况下，H1=307.3-199=108.3mH2=214.5-199=15.5mH=H1-H2=108.3-15.5=92.8mU1=γ水H2T=9.8×15.5×88.33=13417.33KNU2=αγ水HT2/2=0.2×9.8×92.8×75.97/2=6909.02KNU3=(αγ水H+γ水H)T1/2=(0.2×9.8×92.8+9.8×92.8)×12.36/2=6744.41KN校核情况下扬压力U校=U1+U2+U3=13417.33+6909.02+6744.41=27070.8KN11***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计3.6.4 淤沙压力入库水流携带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力叫淤沙压力。淤积的规律是从库首至坝前， 随水深的增加而流速减小，沉积的粒径由粗到细，一般计算年限取 50～100年。泥沙对坝体某点在铅直面的压力强度为 rhtg (45°-ψ/2)泥沙颗粒内摩擦角ψ=20°空隙率n=0.4其浮容重R=r-(1-n)r=6.8KN/mP=6.8×36.8×tg 30=144.47KN=0.5×6.8×9.8×36.8=1226.18KN3.6.5浪压力水库水面在风的作用下生成风浪，对坝面产生浪压力。波浪的三要素与风速、吹程和水深有关。风速越大，吹程越长，激起的波浪越大，先判断水波是深水波、浅水波还是破碎波。坝前为校核水位时 H=307.3-199=108.3L=12.11临界水深：Hcr=LL2h1%=1.415InL2h1%4则H≥L/2≥Hcr为深水波P=r L*(h +h)/4=47.77KN12***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计图3.2 主要荷载示意图综上，校核情况下荷载组合见下表表3.2荷载组合表荷载类别自重静水压力扬压力浪压力淤沙压力大小（KN）108286.26水平：56352.9827070.847.77水平：144.47垂直：7371.97垂直：1226.183.7坝体稳定计算根据抗剪断强度公式分别计算校核情况下重力坝的抗滑稳定安全系数 KK式中：

f(W U) cAHf′—抗剪断摩擦系数。本工程中 f=1.0。22。c′—抗剪断凝聚力，KN/m。本工程中c=1000KN/m—滑动面面积。∑W—作用于滑动面以上坝体的力在铅直方向投影的代数和。∑H—用于滑动面以上坝体的力在水平方向投影的代数和。U—作用于滑动面上的扬压力。则：13***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计W=108286.26+7371.97+1226.18=116884.41∑H=56545.22KN代入公式得安全系数K正=1.0 (93143.152) 88.33 1000=3.209＞3.056545.22安全3.7.1 坝基边缘应力计算根据材料力学法计算正常高水位 +扬压力情况下的边缘应力，分别要计算垂直正应力σY，水平正应力 σＸ，剪应力τ和主应力σＰ。3.7.2 垂直正应力计算Yu=Ｘｄ=式中：ΣW—作用在计算截面以上坝体的全部荷载的垂直分力的总和（包括扬压力），以向下为正。ΣM—作用在计算截面以上坝体的全部荷载对截面形心的力矩总和以使上游产生压应力为正。T—坝体计算截面沿上游方向的长度，T=88.33m∑W=∑V-U=116884.41-27070.8=89813.61KN（1）坝体重力对截面形心的力矩 M1=G1l1+G2l2+G3l3l1、l2、l3分别为力G1、G2、G3到截面形心的力臂l1=39.3ml2=31.8ml3=3.2m坝体重力对截面形心的力矩：14***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计M1=G1l1+G2l2+G3l3=3182.46×39.3+25946.35×31.85+79157.45×3.2=1204765.766KM·m（2）铅直方向静水压力对截面形心的力矩M=Wl1+Wl1+Wl12112233l11、l21、l31分别为力W、W、W到截面形心的力臂1231l1=40.49ml21=41.71ml31=40.30m铅直方向静水压力对截面形心的力矩：M2=W1l11+W2l21+W3l31=5314.76×40.49+1327.155×41.71-881.04×40.30=235044.36KM·m（3）水平方向静水压力对截面形心的力矩M=-Pl11+Pl1131122l111、l211分别为力P1、P2到截面形心的力臂l111=34.3ml211=2.83m水平方向静水压力对截面形心的力矩：M3=-P1l111+P2l211=-57530.205×36.8+1177.23×10.3=-2104986.08KM·m（4）泥沙压力对截面形心的力矩 M4=-Xlx+Ylylx、ly分别为力X、Y到截面形心的力臂lx=24.53mly=41.71m泥沙压力对截面形心的力矩 :M4=-Xlx+Yly-144.47×24.53+1226.18×41.71=-47600.12KN·m（5）扬压力对截面形心的力矩 M5=U1l1111-U2l2111-U3l311115***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计l1111、l2111、l3111分别为力U1、U2、U3到截面形心的力臂l1111=0ml2111=40.05ml3111 =5.45m扬压力对截面形心的力矩 :M5=U1l1111-U2l2111-U3l31110-6909.02×40.05-6744.41×5.45=-239949.22KM·m（6）浪压力对截面形心的力矩 M=P×y2(L1)2/4]*L1/12[r(L1/2h1h0）yh1)/46.85L1((h0M=47.77×6.85=327.23KN.m所以ΣM=M1+M2+M3+M4+M51204765.766+235044.36-2104986.08-47600.12-239949.22-952725.30KM?m代入公式得σYu=89813.611036952725.30103=0.255Mpa83.3383.332σYｄ=89813.611036952725.30103=1.901Mpa83.3383.332与规范比较，以上计算的应力满足要求。16***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计第四章 溢流坝段设计4.1溢流坝剖面形状4.1.1 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，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物；设置闸门时，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水位和下泄流量，适用于大中型工程，采用开敞式溢流水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。4.1.2 孔口净宽的拟定孔口净宽按以下公式计算：B其中Q溢—下泄流量；Q—单宽流量

Q溢q由水库规划资料可知设计洪水位达 305.1m，相应下泄流量为 5350m3/s ；3校核洪水位307.3m，相应下泄流量为 6700m/s。q＝100～150m/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表4.1孔口净宽计算表计算情况流量单宽流量孔口净宽33B(m)Q(m/s)q(m/s)设计水位5350100～15053.5～35.7校核水位6700100～15067.0～44.7根据以上计算，取孔口净宽B=42m，设计洪水位时单宽流量为119m/s,取：每孔净宽b=7m，孔数n=6。根据闸门的形式取闸墩厚度d＝3.5m，边墩取2.5m，由上述计算每孔净宽b＝7m。则溢流前缘总长L为：017***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计L0＝nb+(n-1)d+2t=6 ×7+(6-1)×3.5+2×2.5=64.5m。4.2初步拟定堰顶高程由公式可确定堰上水头 H0，公式为Q溢 mB2gH03/2其中—闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，取 =0.92；m—流量系数，按WES溢流面曲线查武汉大学出版社出版《水力学》得m=0.502；g—重力加速度，g=9.8m/s。当设计洪水位时，Q溢=5350m3/s,B=42m,即H0=15.00验算：当校核洪水位时，泄流量Q溢3/s，代入公式求得为6700mH0=15m,孔口净宽B为56.38m,对应的校核水位单宽流量q为118.84m/s，不大于设计水位的单宽流量119m/s，满足条件，说明设计合理。所以取溢流坝段堰上水头 H0=15m,堰顶高程为:308-15=293m。4.3堰顶的形式溢流坝顶面曲线可以采用克—奥Ⅰ型曲线和WES曲线两种型式。采用克—奥Ⅰ型曲线时，溢流坝剖面往往超过稳定和强度要求，其曲线的表达采用坐标形式，坐标内插烦琐且施工放样不便。采用WES幂曲线，具有较大的流量系数，溢流坝剖面较小，便于施工放样。WES堰顶曲线的表达式为：xn KHdn1yHd—剖—面定型设计水头，按堰顶最大作用水头 Hmax的75%～95%选取。K，n—与上游面坡度有关的参数，当上游坝面倾斜时， K=1.936，n=1.836。则上游坝面的设计水头Hd=0.75～0.95Hmax,其中Hmax=307.3-293=14.3米，18***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计所以Hd的取值范围为10.73～13.59米，可取Hd=12米，堰的曲线部分的轮廓是根据Hd的大小决定的。经计算，R1=6米，C1=2.1米，a1=0.3792米；R2=2.4米，C2=3.312米，a2=1.3836米；R3=0.48米，C3=3.378米，a3=1.512米；取堰顶最高点处为坐标原点， R1、R2、R3对应的圆心坐标分别为O1(0,-6),O2(-1.26,-2.627),O 3(-2.9016,-1.6319) 。堰顶下游曲线方程为ｘ1.836=1.936Hd0.836ｙ。堰下游斜面坡度与非溢流坝段坡度相同，将上式左右两边对x求导可得1.836x0.8360.836，即0.7476×1.836ｘ=1.936Hd0.836=1.936Hd0.836。求得斜面与堰顶下游曲线的切点坐标为（ 18.107，13.192）。下游曲线的坐标如下表：表4.2堰面曲线坐标表x02468101214161818.11y00.20.821.742.944.446.208.2310.5113.0413.20C3C2C1 堰顶坐标原点aa3 aR2=0.2HdR3=0.04HdO3x3=-0.2915Hd

堰顶中心线y3=0.1260Hd R1=0.5HdO2x2=-0.105Hdy2=0.219HdO1x1=0.000Hdy1=0.500Hd图4.1 堰面曲线19***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计4.4消能设计4.4.1 消能方式通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。消能形式及原理：重力坝的下泄水流具有很大的能量，如不能妥善的消除水流的能量，将冲刷建筑物及河床基岩，危及建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等，他们的比较列于下表。表4.3消能形式及其比较消能形式原理及其特点适用情况基本原理是使水流产生临界水跃，通过底流消能表层旋滚消能；它常需要护坦，消力池常用于水闸。等措施，对于基岩往往不够经济。挑流消能，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，然后落入下游河床它一般适用于基岩上挑流消能的水垫中。水流在同空气摩擦的过程的水工建筑物，特别中，消耗了约20%的能量。抛射到下游是高水头、大流量的河床水垫后，形成强烈的旋滚区，冲刷泄水建筑物。河床形成冲坑，同时消耗掉大部分的能量。面流消能的原理是将高速水流挑至尾水它适用于下游尾水较面，在标成主流和河床之间形成逆流漩深，流量变化范围面流消能涡和跃波，通过旋涡和主流扩散而消小，水位变幅不大的能。水流在表面可减轻对坝下河床的冲情况，由于表层水流刷，但是可能水滚裹挟石块，磨损坝脚速很大，对下游的电地基。站和航运有影响。20***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计它将鼻坎设置在水下，不形成自由水它一般适用于尾水较舌，水流在户戽产生旋滚，经鼻坎将高深，变幅较小，无航消力戽消能速主流挑射至水流表面，消耗大量动运要求，切地基条件能。比较好的情况。4.4.2反弧半径及挑射角根据地形地质条件，工程规模要求，选用挑流消能。根据已建工程经验， 挑射=25°。根据下泄水流应该在高于下游最高水位大约1～2m处将水流挑出，鼻坎高程可选用校核洪水位作为最高下游水位，则鼻坎高程为：214.5+1.5=216m可按下式求得反弧段的半径v2gHh1QBv—堰面流速系数，取 0.96H—库水位至坎顶高差，H=305.1-216=89.1m故算出V=0.96×41.78=40.12m3/sQ—校核洪水时溢流坝下泄流量， (6700m3/s)B—鼻坎处水面宽度，此处 B=单孔净宽 +2×边墩厚度B=78-2×2.5=73mQ6700h12.29mBV40.1273R=（4～10）hR=9.16～22.9（m）21***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计根据经验，取R=21（m）此时反弧最低点高程：h=216+16×0.91-16=214.56m4.4.3 消能验算连续式挑流鼻坎的水舌挑距 L按水舌外缘计算，如图 4.1，其估算公式为：L 1v12sin cos v1cos v12sin2 2g(h1 h2)g式中：L—水舌挑距，mv1—坎顶水面流速，，按鼻坎处平均流速 v的1.1倍计h1—坎顶垂直方向水深，m,h1 hcosh2—坎顶至河床面高差，m上游最高水位θ下游最高水位图4.2 挑流消能要素示意图h1 hcos =2.29×cos25o=2.075mh2=216-190=26mL1[40.122sin25cos2540.12cos259.8140.122sin22529.81(2.07526)]166.93m最大冲坑水垫厚度估算公式：tkq0.5H0.25tkq0.5H0.25H222***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计式中：tk—水垫厚度，自水面算至坑底tk—冲坑深度—单宽流量—上下游水位差H2—下游水深—冲坑系数，坚硬完整的基岩 =0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩=1.2～1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩=1.5～2.0取=0.9tk0.91190.5(307.3214.5)0.2530.47mtk0.91190.5(307.3214.5)0.25(214.5190)5.97m为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度。一般当L/tk>2.5～5.0时，认为是安全的。不能满足时，可通过模型试验，结合工程实际进行论证。设计中L/tk' 97.04/5.97 16.25符合要求，所以安全。4.5闸门、闸墩及导墙设计4.5.1 闸门形式的型式选择及高度比较常见的闸门形式是平板和弧形门。平板直升闸门能满足各种类型的泄水孔道的要求，所以他是应用最为广泛的一种闸门形式：弧形门也是一种应用十分广泛的门型，它一般可用于泄洪道和无压泄水孔的泄水形势。二者具有特性如下表所示：表4.4 闸门形式及其优缺点闸门形式 优点 缺点平板门 1、可封闭相当大面积的空口；

1、需要较高和较厚的闸23***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计2、建筑物顺流方向尺寸较小；3、闸门结构简单，其制造、安装和运输工作相对来说比较简单方便；4、门页可以出孔口；5、门页可以在孔口见互用；6、门页可为数段，有利于泄洪和排沙；7、闸门启闭设备比较简单，对对移动式起门机适应性较好。

墩；2、具有影响水流的门槽，特别是在水头较高的情况，门槽会带来很多的麻烦；3、需要启闭力较大，故需选用超大的门机。1、需要较长的闸墩；1、可封闭相当大面积的空口；2、闸门所占空间比较2、所需闸墩高度和厚度较小；大；弧形门3、没有影响水流流态的门槽；3、不能提出孔口以外进行维修；4、所需的启闭力较小；4、闸门所承受的总水压5、埋件数量少。力较大，不能在孔口间互换。根据工程基本情况，采用平板闸门门高=正常高水位-堰顶高程+超高（0.1~0.2）门高=305.1-293+0.1=12.2m取13m4.5.2 闸墩形状及厚度闸墩的墩头形状为上游采用半圆形，下游采用流线型。其上游布置工作桥，24***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计顶部高程取非溢流坝坝顶高程即 309.41m。中墩厚度为3.5m，边墩厚度为2.5m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深 1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.5m。如图所示。图4.3 中墩及闸门槽尺寸图4.4 边墩及闸门槽尺寸4.6导水墙的尺寸拟定边墩向下游延伸成导水墙，其长度延伸到挑流鼻坎的末端。平直段掺气后水深估算公式为：hb h(1 v/100)式中：h、hb—掺气前、后的水深，mv—掺气前计算断面的平均流速， m/sξ—修正系数，一般为 1.0～1.4m/s，v＞20m/s时，取较大值代入数据得hb=2.5×(1+1.4×40.12/100)=3.9m，则导水墙高度为3.9+0.6=4.5m，导水墙需分缝，间距为21m，其横断面为梯形，顶宽取0.7m。25***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计第五章 坝体细部构造及地基处理设计5.1坝顶构造坝顶上游侧设置防浪墙，采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构， 防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为 1.2m，厚度为15cm，以满足运用安全的要求。，下游侧设置栏杆、灯柱间距为 1.5m，保护行人和行车安全。坝顶路面横向坡度 2%，设置有排水设施，排除路面雨水。路面排水与坝体内排水连通或直接排入坝体内。；路面设有人行道，高出坝顶路面 20～30cm。5.2廊道、分缝、止排水设计5.2.1 基础廊道廊道底部距坝基面 4m，廊道底部高程为 203m，上游侧(中心点)距上游坝面7m；形状为城门洞形，底宽 4m，高5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于 405.2.2 坝体廊道自基础廊道沿坝高每隔 20m设置一层廊道，共设4层。底部高程分别为223m、243m、263m、283m形状为城门洞形，其上游侧(中心点)距上游坝面5m，底宽2m，高2.5m，两岸各有一个出口。5.2.3坝体排水距离坝的上游面5m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为 20cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝土管。5.2.4 坝体分缝止水为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉降而产生裂缝， 满足施工（混凝土的浇筑能力和施工期的温控）的需要，坝体需要分缝。常见的缝有：横缝、纵缝、水平施工缝。横缝。垂直于坝轴线，将坝体分成若干个坝段。间距（一般是相等的）为26***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计12～20m,缝宽1～2cm。横缝一般为永久性缝，缝面为平面，缝内设置止水。考虑溢流坝段分缝与溢流孔口相适应，且横缝设在溢流孔跨中，故取间距为 20m,横缝宽度为2cm。纵缝。一般为竖缝形式，缝面应设置键槽，并埋设灌浆系统，并在蓄水前进行灌浆。纵缝与坝面应垂直相交，避免浇筑块有尖角。间距为 15～30m,深孔坝段、寒冷地区、宜选用较小的间距。本设计中，纵缝间距采用 20m。水平施工缝。坝体上下层浇筑块之间的结合面称水平施工缝。一般浇筑块厚1.5～4m,靠近基岩面层厚为1.5～2m，同一坝段相邻浇筑块水平施工缝的高程应错开。止水与坝的级别和高度有关。高坝：止水采用两道止水片，止水片间设沥青井，两道止水片均为紫铜片，厚度为1.0～1.6mm。中低坝的止水可适当简化，中坝第一道止水片为紫铜片，第二道止水片可采用塑料或橡胶止水片。横缝止水必须与基岩妥善连接，止水片一般埋入基岩内的深度为30～50cm，沥青井也埋入基岩内。横缝止水，上游设两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。在溢流坝顶第一道止水片与闸门底部止水接触（要分叉接在检修门和工作门底止水处）；第二道止水片伸至溢流坝顶后，顺溢流坝顶延伸至下游鼻坎。5.3坝体混凝土的强度等级坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗冲刷、低热、抗裂、硬化时体积变小等性能的要求。为了合理使用材料，坝体混凝土可按不同部位、 不同工作条件采用不同的强度等级。混凝土分区的尺寸：一般外部 (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区)混凝土各区厚度最小 2～3m，上游面的厚度比下游面大，基础混凝土 (Ⅳ区)厚度为0.1B(B为坝体底宽)，并不小于3.9m，不同强度等级混凝土之间要有良好的接触带。坝体分区图如下图所示其中，坝体各个区域表示的含义如下：27***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计Ⅰ区：上下游最高水位以上坝体外部表层混凝土厚度为 3m；Ⅱ区：上下游水位变化范围内坝体外部表层混凝土厚度为 4.5m；Ⅲ区：上下游最低水位以下坝体外部表层混凝土厚度为 4.5m；Ⅳ区：坝体基础混凝土厚度为 5m；Ⅴ区：坝体内部混凝土；Ⅵ区：抗冲刷部位混凝土。非溢流坝最高水位Ⅵ最低水位ⅥⅡⅢⅤ1：0.21：0.75最高水位ⅢⅣ最低水位溢流坝图5.1 混凝土坝区分区示意图28***职业技术学院 春河张谷水利枢纽工程设计5.4地基处理天然地基常存在着不同程度的缺陷， 必须经过处理才可作为坝基础。 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。5.4.1 地基开挖与清理地基开挖是将天然基岩上的覆盖层及承载力、抗剪强度不能满足要求的岩石挖除。地基开挖的深度：根据坝基应力、岩石强度、完整性、上部结构等对地基要求综合确定。一般低坝只需挖除表层风化破碎岩石；中坝宜挖到微风化或弱风化下部的基岩，高坝应挖到新鲜或微风化下部的基岩。岸坡地形较高的坝段，利用基岩的标准比河床部位适当放宽。5.4.2 地基开挖的形状及坡度地基开挖是将天然基岩上的覆盖层及承载力、 抗剪强度不能满足要求的岩石挖除。由于本设计为中坝，挖到微风化或弱风化下部的基岩即可。顺河流方向宜开挖成略向上游倾斜的锯齿状（坡度 1：0.5～1.1）。平行于坝轴线方向应尽量开挖成有足够宽度（一般为坝段长度的 30%～50%）的分级平台，以利于坝的侧向稳定。此时应注意，坝体横缝应位于平台上，以不开挖成锐角为准。另外，相邻台阶的高差不宜过大，一般不大于 10m。本工程设计中，由于右岸山岗覆盖有 5米的沙壤土，岩石风化厚度为 3米，左岸岩石露头，风化层有3米，地基开挖时应将其挖除，将坝底面最低处设置在为188m高程处，顺水流方向开挖成锯齿状。5.4.3基坑的清理在浇筑前必须清除碎渣、松动岩块，打掉突出的尖角，并用高压水压水枪冲洗干净，原有的钻孔、探井、槽洞等也应回填、封堵。5.4.4 坝基的帷幕灌浆帷幕灌浆的目的：降低坝底的渗透压力，减少绕坝渗漏，