水利枢纽设计-毕业设计

目录5697绪论 129574第一章枢纽任务及枢纽根本资料 28040第一节枢纽任务 2931一、发电 218048二、灌溉 231145三、防洪 219870四、渔业 210084五、过木 232598六、其它 321792第二节枢纽的根本资料 321132一、自然地理 322236二、工程地质 510595三、筑坝材料 621468四、库区经济 627889五、其他 67203第二章主要建筑物型式选择和枢纽的布置 84974第一节枢纽的建筑物组成和工程等级与建筑物级别 8598一、枢纽的建筑物组成 819699二、工程等级与建筑物级别 89747第二节主要建筑物型式的选择 913053一、坝型的选择 914800二、溢流坝泄水方式的选择 1131064三、水电站系统型式的选择 1226795第三节枢纽布置 1221282一、枢纽布置的一般原那么 1225565二、各建筑物的具体要求 135368三、方案比拟 137345第三章挡水坝设计 159623第一节挡水坝坝顶高程确定和挡水坝剖面设计 155923一、坝顶高程的计算 156258二、坝顶宽度计算 1725243三、坝底宽度计算 1727149四、坝面坡度计算 1729024第二节挡水坝的稳定分析和应力计算 1821535一、荷载计算 183248二、各荷载对坝底形心的偏心距及力矩 278130三、稳定性分析 3221163四、坝基面应力分析 3320036第四章溢流坝剖面设计 3621611第一节孔口设计 3630034一、泄水方式的选择 3624061二、溢流孔口流量Q溢确实定 3620876三、单宽流量的选择 3632544四、溢流坝段净宽L计算 3627343五、溢流坝段总长度L0确实定 3725327六、堰顶高程确实定 3716309七、闸门高度确实定 3813793八、定型设计水头Hd确实定 3823059第二节溢流坝剖面设计 385317一、堰顶曲线段 3831881二、反弧段 405283三、中间直线段 4122869第三节消能计算 4212972一、鼻坎型式 421296二、鼻坎高程 4313469三、反弧段半径 4311259四、挑射角 431344五、挑距计算 431796六、冲刷坑深度计算 4413809第五章坝身泄水孔的设计 4613743第一节泄水孔直径选定 4621841第二节进水口体形设计 463205第三节闸门与门槽 473214第四节孔身段设计 489141第五节渐变段 4816359第六节平压管和通气孔 504110一、平压管 505205二、通气孔 5116508第七节消能工型式的选那么 512947第六章水电站坝段设计 533240第一节有压钢管的布置和孔径确实定 5312411一、压力钢管的布置 539587二、孔径确实定 5325256第二节有压进水口设计 5324157一、有压进水口的高程确定 5331278二、有压进水口的轮廓尺寸 546042第七章细部构造 561776第一节坝顶构造 5617019一、非溢流坝坝顶构造 5622376二、溢流坝坝顶构造 5721862第二节廊道系统 5910955一、根底灌浆廊道 5927503二、检测和坝体排水廊道 596715第三节坝体分缝与止水 6025122一、坝体分缝 6023097二、止水 6023676第四节坝体排水 6118510第五节坝体混凝土分区 6222134第八章地基处理 6431445第一节坝基的开挖与清理 645663一、开挖深度确实定 643134二、开挖形状和坡度 6428252第二节坝基灌浆 6525923一、固结灌浆 6510432二、帷幕灌浆 659697第三节坝基排水 6622307一、坝基排水目的 662845二、坝基排水的排水孔的布置及方向 664826第四节断层的处理 6724535总结 687866致谢 6914640参考文献 7019035附录一：外文翻译 71绪论为了进一步培养我们理论联系实际的能力，为了让我们更好地适应国家的根底建设、科技进步和社会开展，特别是为了能使我们尽快地适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时两个多月的A江水利枢纽毕业设计。通过大学近四年的系统学习，我们已经初步掌握了水工设计的根底知识,本次毕业设计是我们根据自己所学的知识，参考许多相关的教材、设计手册和标准，并在指导教师的指导下完成的。本设计共八章，包括了：枢纽的任务和根本资料、枢纽布置、非溢流坝设计、溢流坝设计、泄水孔的设计、水电站坝段设计等内容。通过这次毕业设计，我提高了如下几方面的能力：〔1〕稳固了根底课和水工建筑物课的理论知识；〔2〕初步具有了正确的设计思路，提高了分析、解决实际工程问题的能力；〔3〕提高了设计、计算、查阅资料、绘图和编写说明书的能力；〔4〕从其他同学身上学到了严谨的工作作风、踏实肯干的精神和踊跃探索积极讨论的精神；〔5〕知道了在今后的工作中要灵活运用书本的知识，不能死板的硬套，知道了工程实例的重要性，更知道了将来我要学的东西还有很多。在这次毕业设计中我得到王军玺老师的指导和其他很多同学的帮助，在此，对他们表示诚挚的谢意。由于时间仓促，知识水平有限本设计中难免有些缺乏之处，希望各位老师、同学批评指正。第一章枢纽任务及枢纽根本资料第一节枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。一、发电水电站装机容量为20万千瓦，多年平均发电量5.09亿度。本电站4台5万千瓦机组。正常蓄水位为184.25米，汛期限制水位为182米，死水位164米，4台机满载流量338立方米/秒，相应尾水位103.5米。厂房型式为坝后式，主厂房平面尺寸为81×18平方米，发电机层高程114.8米，尾水底板高程90.8米，厂房顶高程130.5米。副房平面尺寸为66×10平方米。安装场尺寸为21×18平方米。开关站尺寸为20×75平方米。二、灌溉本工程建成后，可增加保灌面积50万亩。三、防洪减轻洪水对A市和A平原的威胁，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的14900立方米/秒、11700立方米/秒分别削减为7850立方米/秒、6850立方米/秒。要求设计洪水时最大下泄流量限制为6850立方米/秒。其他参数见表1。表1洪水标准的调洪成果洪水标准来流量峰值〔m3/s〕泄流量〔m3/s〕上游水位〔m〕下游水位〔m〕设计〔0.1%〕11700校核〔0.02%〕14900四、渔业正常蓄水位时，水库面积为35.60平方公里，可为开展养殖创造有利条件。五、过木根据林业部门的要求，木材过坝量每年为33.3万立方米。其木材最大长度为12米，大头直径为115厘米。六、其它五年完工。第二节枢纽的根本资料一、自然地理〔一〕流域概况A江是我国东南一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇人东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。坝址以上流域面积2761平方公里，流域境内为山区，平均海拔高度为662米，最顶峰达1921米，流域境内气候湿润，雨量充分，属热带气候。径流主要来自降雨，小局部由地下水补给，每年4～9月为汛期，其中5、6两月为梅雨季节，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降6.32～0.97%，因河道陡，调蓄水能力低，汇流快，由暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。流域境内，以农林为主，森林茂盛，植被良好，水土流失不严重，枢纽下游为A省的重要农付业生基地A平原。坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处，有省辖市一座。〔二〕气候特性℃，月平均最低气温5℃〔1月份〕、最高29℃℃(1月份)、最高气温为40.6℃(7月份)。年平均相对湿度为79%左右，其中6月份87%为最大，1月份72%为最小，日变化较大。坝址以上流域的年平均降雨量为1860毫米，实测最大降雨量为2574毫米，最少为1242毫米。雨量在年内分配不均，其中4～9月份占全年雨量的80%，5～6月占全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。各月降雨量的雨型及日数统计见表2。表2各月降雨量的雨型及日数统计表月份工程123456789101112全年实际天数31233130313031313031303134571212109876410-30mm雨日23458965432130mm以上雨日911856322100坝址处多年平均蒸发量为1349毫米，其中以7月份为最大，月蒸发量为217毫米，2月份为最小，月蒸发量为45.5毫米。实测最大风速为17米/分，风向西北偏西，吹程4.5公里。多年平均最大风速成为：汛期为12米/分，非汛期为13米/分。风向向根本垂直坝轴线，吹程4公里。〔三〕水文特性根据资料分析，坝址处的多年平均流量为100m33，各频率的月平均量见表3。表3各频率的平均量〔单位：m3/s〕月频率123456789101112多年平均1116267324490689679362633311021211131865781792353645105373521772107377731505021498914121627778444426161697808194773127184221512134574952522366912154261155据水文资料推算，坝址处的洪峰流量及总量如下：〔1〕洪峰流量Q=3310m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮Ⅲ型线。各频率流量见表4。表4各频率流量表频率〔%〕1251020备注流量〔m3/s〕1490011700〔2〕洪峰总量3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮IV型线。各频率洪流量见表5。表5各频率洪流量表频率〔%〕1251020备注△总量WP亿m3△3。〔3〕施工期各设计洪水频率流量见表6。表6施工期各设计洪水频率流量表时段频率〔%〕10～4月9～6月10～3月11～6月11～2月12～2月备注520871772136713678848241016731410107210726545962012751045784784434332据水文站实测资料分析，年固体径流总量为331万吨，百年后水库淤积高程115m。淤沙浮容重为8.5kN/m3，内摩擦角为100。本坝址地震烈度为70。二、工程地质〔一〕坝址工程地质坝址处的河床宽度约100m。河底高程约100m，水深1～3m。河床覆盖层由大块石、卵石组成。厚度约5～6m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为5～10m左右。河谷近似梯形，两岸约400～600。坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120~200MPa。坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性很小。但陡倾角节理较发育，以构造节理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组节理。其中一组近于平行山坡等高线，方向见地形图，节理倾角约350～900，节理面无夹泥存在。坝址处的水文地质较简单，未发现裂隙承压水。岩石的物理力学性质见表7。表7岩石的物理力学性质表岩性或地质构造容重〔kN/m3〕孔隙率〔%〕抗压强度〔MPa〕弹性模量〔MPa〕摩擦系数粘着力〔MPa〕泊松比(u)抗剪系数抗剪断系数干湿干饱和混凝土与基岩基岩内部混凝土与基岩基岩内部花岗斑岩2101902.2×104基岩与砼节理面基岩内相对隔水层离基岩外表深15m。〔二〕库区工程地质库区岩性以火山岩和沉积岩为主，皱褶规模不大，均为背斜，两翼地层平缓，且不对称。有较大的断层二条，这些皱褶和断层呈北东向展开，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几到几十公里，断层单宽1米左右，个别达10米以上。断层破碎都已胶结。库区水文地质简单，以裂隙水为主，地下分水岭高程均高出库水位以上。三、筑坝材料〔一〕石料坝区大局部为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石亦可利用，因此筑坝石料极易解决。砂料在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9公里，以石英破碎带的料料场为主，初估砂料储量约430万m3。经质量检验，砂石料符合标准要求。坝址处缺乏筑坝的土料。四、库区经济库区除有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。耕地主要分布在小片盆地上，高山上森林茂密。在正常蓄水位时，需迁移人口21444人，拆迁房屋19240间，淹没、浸没耕地16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的二座小型水电站〔装机2210kW〕等，共需赔偿费4120万元。五、其他〔一〕对外交通本坝址上游左岸30公里处有铁路干线、车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县于相通，两县城有公路和水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。〔二〕附属工厂和生活建筑区坝址下游两岸有较大的冲积台地，地形平缓面积较大，适宜布置附属工石和生活建筑区。〔三〕负荷位置本电站主要供给坝下游A平原的农村生产用电及省辖市的工业用电，并担负A电网的局部调峰任务。〔四〕坝顶有双线公路布置的要求。第二章主要建筑物型式选择和枢纽的布置第一节枢纽的建筑物组成和工程等级与建筑物级别一、枢纽的建筑物组成根据枢纽的任务，可知枢纽的主要建筑物组成如下：挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物。二、工程等级与建筑物级别根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》以及该工程的一些指标确定工程等级如下：〔1〕各效益指标等别根据枢纽灌溉面积50万亩，判断属于Ⅱ等工程；根据电站装机容量20万千瓦，判断属于Ⅲ等工程；根据保护城镇的重要性，判断属于Ⅱ等工程。〔2〕水利枢纽等级根据标准规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同的等别时，整个工程的等级应按其最高的等别确定，故本水利枢纽为Ⅱ等工程。〔3〕水工建筑物的级别根据水工建筑物级别的划分标准，Ⅱ等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物为2级水工建筑物，次要建筑物为3级水工建筑物。注1：水利水电工程分等指标见表8。表8水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库总库容〔108m3〕防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业重要性保护农田〔104亩〕治涝面积〔104亩〕灌溉面积〔104亩〕供水对象重要性装机容量〔104kw〕Ⅰ大〔1〕型≥10特别重要≥500≥200≥150特别重要≥120Ⅱ大〔2〕型重要500～100200～60150～50重要120～30Ⅲ中型中等100～3060～1550～5中等30～5Ⅳ小〔1〕型一般30～515～3一般5～1Ⅴ小〔2〕型＜5＜3＜1注2：永久性水工建筑物的级别见表9。表9永久性水工建筑物的级别工程等级永久性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55第二节主要建筑物型式的选择一、坝型的选择坝型有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。〔一〕重力坝方案重力坝在水压力及其他荷载作用下，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产生的拉应力，以满足强度的要求。且重力坝有如下的优点：〔1〕结构作用明确，设计方法简单，平安可靠。〔2〕对地形地质条件适应性强。〔3〕枢纽泄洪问题容易解决。〔4〕便于施工导流。〔5〕施工方便。同时，坝区大局部为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石亦可利用，因此筑坝石料极易解决。在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9公里，以石英破碎带的料料场为主，初估砂料储量约430万m3。经质量检验，砂石料符合标准要求。且对外交通较为方便，所需水泥等其他材料运输方便。所以该方案可行。〔二〕拱坝方案拱坝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，其承受的荷载一局部通过拱的作用压向两岸，另一局部通过竖直梁的作用传到坝底基岩。与其他坝型相比拱坝具有以下特点：〔1〕稳定特点。坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定。〔2〕结构特点。拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，平安度高，当外荷载增大或坝的某一局部发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用将会自行调整，使坝体应力重新分配。〔3〕荷载特点。拱坝坝身不设永久伸缩缝，温度变化和根底变形对坝体应力的影响比拟显著，设计时，必须考虑基岩变形，并将温度作用列为一项主要荷载。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。由于坝址处的河床宽度约100m，宽度较大，不宜建拱坝。所以该方案不可取。〔三〕土石坝方案土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和开展最快的一种坝型。其得到广泛应用和开展的主要原因是：〔1〕可以就地、就近取材，节约大量的水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输。〔2〕能适应各种不同的地形、地质和气候条件。〔3〕大容量、多功能、高效率施工机械的开展，提高了土石坝的压实密度，减少了土石坝的断面，加快了施工进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的开展。〔4〕由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的开展，提高了分析计算水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的平安可靠性。〔5〕高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合开展，对加速土石坝的建设和推广也起到了重要的促进作用。由于坝址处缺乏筑坝的土料，所以该方案不可取。综上可得坝型初步选择重力坝。而重力坝的形式比拟多，主要可分为实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝等。下面介绍这几种坝型的优缺点。空腹重力坝的优缺点：较实体重力坝节省砼20%左右，由于空腔下部不设地板，减少了扬压力；可以减少坝基开挖量；坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定；前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；有利于砼散热；坝体施工可以不设纵缝；便于检测和维修；可在空腹中布置电站厂房等优点。但空腹重力坝设计繁难；施工复杂；工期长；钢筋和模板用量较实体重力坝多；如在空腔内布置水电站厂房，施工干扰大。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；混凝土方量较实体重力坝可节约10％～20％，甚至更多；宽缝增加了坝块的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热进程；便于检测和维修。从结构角度看，坝体内部应力较低，在该处将厚度减薄也是合理的。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。实体重力坝有以下优点：〔1〕相对平安可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比拟强；〔2〕设计、施工技术简单，易于机械化施工；〔3〕对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；〔4〕在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。实体重力坝的缺点:〔1〕坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；〔2〕坝体体积大，耗用水泥多；〔3〕施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。为了能够适应于大型机械化作业，施工速度快，工期短，使工程尽早建成早日供水发电，提前受益，故本工程坝型选用实体重力坝。二、溢流坝泄水方式的选择溢流坝泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔。在水利枢纽中，泄水重力坝可以承当泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。〔一〕坝顶溢流孔口型式的选择坝顶溢流孔口型式分为：开敞溢流式和大孔口溢流式。开敞溢流式除宣泄洪水外，它还可以排除冰凌和其他漂浮物。堰顶可以设闸门，也可不设。不设闸门的溢流孔，堰顶高程与水库的正常高水位齐平，泄洪时库水位壅高，淹没损失加大，非溢流坝坝顶高程也相应提高，但结构简单，管理方便。适用于泄水量较小、淹没损失不大的中、小型工程。设置闸门的溢流孔，其闸门顶略高于正常蓄水位，堰顶高程较低，可以调节库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝工程量。通常大、中型工程的溢流坝均设有闸门。大孔口溢流式，上部设有胸墙，堰顶高程较低。这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于胸墙时，下泄水流形式和开敞溢流式相同；当库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。为了使水库具有较大的泄流能力，宜优先考虑开敞溢流式。33/s。下泄流量都较大，所以本设计采用开敞溢流式。〔二〕坝身泄水孔型式的选择按水流条件，坝身泄水孔可分为有压和无压；按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔；按布置的层数又可分为单层和多层。本设计中泄水孔选择单层、有压、底孔。三、水电站系统型式的选择水电站厂房采用坝后式厂房，水库至水轮机之间的输水管道采用有压钢管输送。第三节枢纽布置本枢纽建筑物的组成为：挡水坝、溢流坝、泄水底孔及水电站建筑物等等。进行枢纽布置就是研究这些建筑物的相互位置。一、枢纽布置的一般原那么枢纽布置的一般原那么如下：〔1〕坝址、坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。〔2〕枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都能正常工作。〔3〕在满足各建筑物强度和稳定性的条件下，降低枢纽的总造价和年运转费用。〔4〕枢纽中建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少连接建筑物〔5〕尽可能使枢纽中局部建筑物早期投产，提前发挥效益〔如提前蓄水、早期发电或灌溉〕。〔6〕枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能的条件下，注意美观。二、各建筑物的具体要求〔一〕挡水坝主要是拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。〔二〕溢流坝主要起泄洪作用，前缘应正对上游来水的主流方向，下游出口方向最好与主流槽水流方向一致。溢流坝应建在坚硬完整的岩基上，为了减少下泄水流对其他建筑物的影响，有时需要在溢流坝与这些建筑物之间布置导墙，冲沙孔常设在厂房进水口附近，其高程应满足运用要求。〔三〕泄水底孔即深式泄水孔，起放空水库以便检修；排放泥沙，减少水库淤积。正常情况下不进行泄洪。〔四〕电站水电站进水口水流应顺直，不发生漩涡和横向水流，尾水应顺畅。厂房坝段与底孔并排布置，有以下优点：〔1〕可以保证电站经常引用活水，不会有泥沙淤积。〔2〕将电站坝段与底孔坝段同宽布置，可以共用启闭机设备，节省投资。〔3〕便于管理和维修。三、方案比拟现在拟定两个枢纽布置方案进行比拟分析：方案一是挡水坝段布置在河岸两边，溢流坝段布置在中间，电站布置在右岸的挡水坝之后。方案二是挡水坝段布置在河岸两边，溢流坝段布置在中间，电站布置在左岸的挡水坝之后。比拟如下：由对外交通和流域概况知：本坝址上游左岸30公里处有铁路干线与车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县城相同，两县城有公路和水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。A江是我国东南一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇人东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。所以知道用户多位于左岸，少局部位于右岸。综上知当水电站坝段布置在偏左岸时，交通便利，上坝及运送机组较为方便，而且出线省，节省投资。因为用户多位于河流左岸，可以缩短出线线路。底孔紧靠电站坝段，有利于电站排沙，减少泥沙对水轮机的冲刷，且底孔闸门和电站进水口共用一台启闭机，减少启闭设备。通过比拟知方案二优于方案一，所以选择方案二。第三章挡水坝设计剖面设计是重力坝设计的重要环节，主要任务是选择一个既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，运行可靠的剖面。重力坝剖面设计的原那么是：〔1〕满足稳定和强度要求，保证大坝平安。〔2〕工程量最少。〔3〕运用方便。〔4〕便于施工。第一节挡水坝坝顶高程确定和挡水坝剖面设计根据重力坝设计标准规定，坝顶宽度一般为坝高的8%～10%，一般不小于2m。上、下游坡度范围分别为：n=0～0.2和m=0.6～0.8,坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍。本工程中上游折坡点以下坡率为n=0.2，下游坡率m=0.7。因为河床高程为100m，河床覆盖层由大块石、卵石组成，厚度约为5～6m。所以开挖深度取5m，得大坝建基面高程为95m。一、坝顶高程的计算〔一〕计算防浪墙的高程▽顶▽顶=▽静+△h〔1〕式中：▽静为水库静水位，m；△h为坝顶高出水库静水位的超高值，m。〔二〕计算坝顶高出水库静水位的超高值△h△h=hl+hz+hc〔2〕式中：hl为波浪高度，m；hz为波浪中心线高出静水位的高度，m；hc为平安加高，m。hc按表10取值。表10平安加高(单位：m)运用情况坝的级别123设计情况校核情况本工程中大坝为2级，所以，设计情况时，hc为0.5m；校核情况时，hc为0.4m。〔三〕计算波浪高度hl〔3〕式中：V0为计算风速，m／s；是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计水洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大值或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为水库吹程，km。〔四〕计算波浪中心线高出静水位的高度hz〔4〕式中：为波浪长度，m；为坝前水深，m；cthx=。〔五〕计算波浪长度L〔5〕由条件知：吹程D=4km，设计情况下：V0=17m／s；校核情况下：V0=12m／s。代入以上公式得：设计情况下：×175／4×41／3×=所以，坝顶高出水库静水位的超高值△h=hl+hz+hc=﹢﹢0.5=1.6794m，进而得计算防浪墙的高程▽顶=▽静+△h=186.18+1.6794=187.8594m。校核情况下：×125／4×41／3×=所以，坝顶高出水库静水位的超高值△h=hl+hz+hc=﹢﹢0.4=1.1484m，进而得计算防浪墙的高程▽顶=▽静+△h=189.06+1.1484=190.2084m。正常蓄水位情况下同设计情况下一样。在设计、校核洪水位情况下和正常蓄水位情况下防浪墙高程取最大值得：▽顶=190.2084m,取整得防浪墙高程▽顶=191m。取防浪墙高度为1.2m，得坝顶高程为：191-1.2=189.8m，最大坝高为：189.8-95=94.8m。二、坝顶宽度计算×〔8%～10%〕=7.584m～9.48m。因为坝顶有双向公路，所以取坝顶宽度为9m。三、坝底宽度计算×〔0.7～0.9〕=66.36m～85.32m。所以取坝底宽度为75.84m。四、坝面坡度计算上游坝坡采用折线，起坡点高程为145m，破率为1:0.2；下游坡度为1:0.7，因为根本三角形的顶点与校核洪水位齐平，所以重力坝的剖面的下游坡向上延伸应与校核洪水位相交，那么可以得出下游坡的起坡点高程为176.2m。挡水坝剖面图见图1。图1挡水坝剖面图〔单位：m〕第二节挡水坝的稳定分析和应力计算一、荷载计算计算情况选择在设计重力坝的剖面时，应按照承载能力极限状态计算荷载的根本组合和偶然组合进行计算，荷载的根本组合有：正常蓄水位情况、设计洪位情况、冰冻情况〔本次设计不考虑，因为A江为我国东南地区的河流〕；偶然组合有：校核洪水位情况、地震情况。设计时应对几种情况分别进行计算。〔二〕计算截面的选择抗滑稳定性的计算截面一般选择在受力较大、抗剪强度低、容易产生滑动破坏的截面，一般情况有以下几种：坝基面、坝内软弱层面、坝基缓倾角结构面、不利地形、混凝土层面。应力分析的位置一般有：坝基面、折坡处的截面、坝体削弱部位等。本次设计仅以坝基面为例来分析计算。〔三〕荷载计算重力坝承受的荷载与作用主要有：1.自重；2.静水压力；3.扬压力；4.波浪压力；5.泥沙压力；6.地震作用等。有关参数的选择：砼的重度为24kN／m3，水的重度为9.81kN／m3，扬压力折减系数为0.25，泥沙的浮重度8.5kN／m3，内摩擦角为10°。取单位坝宽为计算对象〔即坝的宽度为1m〕。G=γV〔6〕式中：γ为砼的重度，kN／m3；V为砼的体积，m3。重力坝分块如图2所示。图2重力坝分块〔单位：m〕V1=9×﹙189.8－95﹚×3V2=½×10×﹙145－95﹚×1=250m3V3=½××﹙176.2－95﹚×3G1=γV1=24×G2=γV2=24×250=6000kNG3=γV3=24×水平方向水压力：P=½γH2〔7〕式中：γ为水的重度，kN／m3；H为水深，m。垂直方向水压力：W=γV〔8〕式中：γ为水的重度，kN／m3；V为压力体的体积，m3。计算简图见图3。图3静水压力计算简图〔单位：m〕校核洪水位情况上游水平水压力P1=½γH12=½××﹙189.06－95﹚2上游垂直水压力W1=γV1×[10×﹙189.06－145﹚＋½×10×﹙145－95﹚]×下游水平水压力P2=½γH22=½××﹙115.8－95﹚2下游垂直水压力W2=γV2×½×﹙115.8－95﹚××﹙115.8－95﹚×〔2〕设计洪水位情况上游水平水压力P1=½γH12=½××﹙186.18－95﹚2上游垂直水压力W1=γV1×[10×﹙186.18－145﹚＋½×10×﹙145－95﹚]×下游水平水压力P2=½γH22=½××﹙114.45－95﹚2下游垂直水压力W2=γV2×½×﹙114.45－95﹚××﹙114.45－95﹚×1=1正常蓄水位情况上游水平水压力P1=½γH12=½××﹙184.25－95﹚2上游垂直水压力W1=γV1×[10×﹙184.25－145﹚＋½×10×﹙145－95﹚]×下游水平水压力P2=½γH22=½××﹙103.5－95﹚2下游垂直水压力W2=γV2×½×﹙103.5－95﹚××﹙103.5－95﹚计算简图见图4。图4扬压力计算简图〔单位：m〕本工程中帷幕灌浆廊道在坝踵附近距上游坝面为6.1m，廊道底部的高程为100m，经计算在坝基面的高程上排水孔距坝踵距离为11m，即B=11m。〔1〕校核洪水位情况γH1×﹙189.06－95﹚=922.7286kN／m2γH2×﹙115.8－95﹚=204.048kN／m2γ×﹙﹚=718.6806kN／m2αγ×718.6806=179.6702kN／m2U148××U2×½×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×½×11×设计洪水位情况γH1×﹙186.18－95﹚=894.4758kN／m2γH2×﹙114.45－95﹚=190.8045kN／m2γ×﹙﹚=703.6713kN／m2αγ×703.6713=175.9178kN／m2U1××U2×½×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×½×11×正常蓄水位情况γH1×﹙184.25－95﹚=875.5425kN／m2γH2×﹙103.5－95﹚=83.385kN／m2γ×﹙﹚=792.1575kN／m2αγ×792.1575=198.0394kN／m2U1××U2×½×﹙75.84－11﹚×U3×11×U4=﹙﹚×½×11×当坝前水深大于半波长，即H＞L／2时，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波，此时浪压力为：Pl=γL﹙hl+hz﹚／4〔9〕当坝前水深小于半波长且大于临界水深H0，即L／2＞H＞H0时波浪运动受到库底的影响，此时称为浅水波，此时波浪压力为：Pl=[﹙hl+hz﹚﹙γH＋pls﹚＋Hpls]／2〔10〕Pls=γhlsech〔11〕式中：Pls为建筑物建基面处波浪压力的剩余强度。经验算在设计与校核洪水位情况下都满足H＞L／2，所以均属于深水波，计算公式均采用公式〔9〕。波浪压力分布图见图5。图5波浪压力分布图〔单位：m〕校核洪水位情况hl=0.5885m，hz=0.1599m，L=6.8050m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=12.4902kN／m得1m宽的坝体上的波浪压力为12.4902kN。设计洪水位情况hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=27.8811kN／m得1m宽的坝体上的波浪压力为27.8811kN。正常蓄水位情况hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m代入公式〔9〕得：Pl=γL﹙hl+hz﹚××﹙﹚／4=27.8811kN／m得1m宽的坝体上的波浪压力为27.8811kN〔与设计洪水位情况相同〕。坝面单位宽度上的水平泥沙压力Ps一般计算公式为：Ps=½γsbhs2tg2﹙45°－Φs／2﹚〔12〕式中：γsb为淤沙的浮容重，kN／m3；hs为坝前泥沙淤积厚度，m；Φs为淤沙的内摩擦角，〔°〕。由根本资料知γsb为8.5kN／m3；hs=〔115-95〕=20m；Φs为10°。代入公式〔12〕得：Ps=½γsbhs2tg2﹙45°－Φs／2﹚=½××202×tg2﹙45°－10°／2﹚=1196.9499kN／m,垂直泥沙压力Ws计算公式为:Ws=γsbVs〔13〕式中：γsb为淤沙的浮容重，kN／m3；Vs为淤沙所形成的压力体体积。代入数据得：Ws=γsbVs×½×﹙115－95﹚×﹙115－95﹚×1=340kN。地震惯性力一般情况下，水工建筑物可只考虑水平向的地震作用。设计烈度为8、9度的1、2级重力坝，应同时计入水平向和竖直向的地震作用。混凝土重力坝沿高度作用于质点i的水平向的地震惯性力代表值Fi可按下式计算：Fi=αhζGEiαi／g〔14〕式中：αh为水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为7度、8度、9度时，αh分别为0.1g、0.2g、0.4g；ζ为地震作用的效应折减系数，一般取ζ=0.25；GEi为集中在质点i的重力作用标准值，kN；g为重力加速度；αi为质点i的动态分布系数，一般按下式计算：αi×〔15〕式中：n为坝体计算质点总数；H为坝高；溢流坝的H应算至闸墩顶，m；hi、hj分别为质点i、j的高度，m；GEi为集中在质点i的重力作用标准值，kN；GE为产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值，kN。由于本坝址处地震烈度为7度，所以该重力坝可只考虑水平向的地震作用，取αh=0.1g。将重力坝沿高程分为三块，如图6。图6地震惯性力坝体分块图〔单位：m〕由图中尺寸可求得：GE1=γV1kNGE2=γV2kNGE3=γV3=24×½×﹙75.84+30.84﹚×50×1=64008kNGEkNh1=﹙176.2－95﹚＋13.6／2=88mh2h3﹙h1／H﹚4=﹙88／94.8﹚4=0.7425﹙h2／H﹚4=﹙62.75／94.8﹚4=0.1920﹙h3／H﹚4=﹙21.48／94.8﹚4GE1／GEGE2／GEGE3／GE﹙GE1／GE﹚×﹙h1／H﹚4＋﹙GE2／GE﹚×﹙h2／H﹚4＋﹙GE3／GE﹚×﹙h3／H﹚4α1α2α3F1=αhζGE1α1kNF2=αhζGE2α3kNF3=αhζGE3α3kN地震动水压力单位宽度上的总的地震动水压力F0为：F0αhζρwH12〔16〕式中：αh为水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为7度、8度、9度时，αh分别为0.1g、0.2g、0.4g；ζ为地震作用的效应折减系数，一般取ζ=0.25；ρw为水体的质量密度，kg／m3；H11处。上游地震动水压力：F01αhζρwH112×××﹙9.81／g﹚×﹙184.25－95﹚2=1269.8102kN／m当迎水面有折坡时，假设水面以下直立局部的高度等于或大于水深一半，那么可近似取作铅直。否那么应取水面与坝面的交点和坡角点的连线作为代替坡度。而本设计中迎水面有折坡，且水面以下直立局部的高度小于水深的一半，所以应取水面与坝面的交点和坡角点的连线作为代替坡度。tanθ1=﹙184.25－95﹚／10=8.925得θ1°F01’=﹙θ1／90°﹚F01=﹙°／90°﹚×1269.8102=1179.5126kN／m1×﹙184.25－95﹚得1m宽的坝体上的地震动水压力为1179.5126kN，作用点位于水面以下48.195m处。下游地震动水压力：F02αhζρwH122×××﹙9.81／g﹚×﹙103.5－95﹚2=11.5176kN／mtanθ2=1／0.7=10／7得θ2=55°F02’=﹙θ2／90°﹚F02=﹙55°／90°﹚×11.5176=7.0385kN／m1×﹙103.5－95﹚得1m宽的坝体上的地震动水压力为7.0385kN，作用点位于水面以下4.59m处。二、各荷载对坝底形心的偏心距及力矩〔一〕自重=37.92－10－﹙9／2﹚=G1·×·m=37.92－﹙2／3﹚×=G2·=6000×31.25=187500kN·m=﹙56.84／3﹚=G3·×·m〔二〕静水压力上游：=﹙189.06－95﹚=P1·×·m=37.92－﹙10／3﹚×[﹙189.06－95﹚＋2×﹙189.06－145﹚]／[﹙189.06－95﹚＋﹙189.06－145﹚=W1·×·m下游：=P2·×·m=37.92－(115.8－95)××﹙1/3﹚=W2·×·m上游：=﹙186.18－95﹚=P1·×·m﹙10／3﹚×[﹙186.18－95﹚＋2×﹙186.18－145﹚]／[﹙186.18－95﹚＋﹙186.18－145﹚=W1·×·m下游：=(114.45－95)/3=6.48m=P2·×·m=37.92－(114.45－95)××﹙1/3﹚=W2·×·m上游：=﹙184.25－95﹚=P1·×·m﹙10／3﹚×[﹙184.25－95﹚＋2×﹙184.25－145﹚]／[﹙184.25－95﹚＋﹙184.25－145﹚]=W1·×·m下游：=﹙103.5－95﹚／3=2.83m=P2·×·m=37.92－﹙103.5－95﹚××﹙1/3﹚=W2·×3·m〔三〕扬压力=0=0=37.92－11－﹙75.84－11﹚=U2·×·m=37.92－11／2=32.42m=U3·×·m=U4·Du4×·m=0=0=U2·×·m=U3·×·m=U4·×·m=0=0=U2·×5.31=340·m=U3·×·m=U4·×·m〔四〕波浪压力=Pl×﹛﹙189.06－95＋hZ＋hl﹚－﹙2／3﹚×[﹙L／2﹚＋hZ＋hl]﹜－Pl×[189.06－95－﹙2／3﹚×﹙L/2﹚]=Pl×﹙hZ/3＋hl/3﹚×﹙﹚·m2.设计洪水位情况=Pl×﹛﹙186.18－95＋hZ＋hl﹚－﹙2／3﹚×[﹙L／2﹚＋hZ＋hV]﹜－Pl×[186.18－95－﹙2／3﹚×﹙L/2﹚]=Pl×[﹙hZ/3﹚＋﹙hl/3﹚×[﹙﹚＋﹙﹚·m3.正常蓄水位情况〔同设计洪水位情况〕=Pl×﹙hZ/3＋hl/3﹚×[﹙﹚＋﹙﹚·m〔五〕泥沙压力=﹙115－95﹚／3=6.67m=Ps·×·m=37.92－﹙115－95﹚××﹙1/3﹚=Ws·=340×·m〔六〕地震作用=﹙189.8－95﹚=F1·×·m=﹙145－95﹚＋﹙﹚×﹙30.84＋2×9﹚/﹙30.84＋9﹚=62.75m=F2·×·m=﹙50/3﹚×﹙75.84＋2×﹚/﹙﹚=F3·×·m2.地震动水压力上游：=﹙184.25－95﹚1=F01'·×·m下游：=﹙103.5－95﹚1=F02'·×·m各种工况下的计算成果见以下各表：表11正常蓄水位情况计算成果荷载垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G3静水压力P1W1P2W2扬压力U100U2U37U4浪压力Pl泥沙压力PsWs340小计合计70564.7542↓39941.5288→505471.6－表12设计洪水位情况计算成果荷载垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G3静水压力P1W1P212024.1W2扬压力U100U2U3U4浪压力Pl泥沙压力PsWs340小计899420039827合计64981.2568↓40148.4089→575380.8－表13校核洪水位情况计算成果荷载垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1G26000187500G36静水压力P1W1P2W2扬压力U100U2U3U429浪压力Pl泥沙压力PsWs340小计合计64221.1138↓42483.267→694471.3－表14仅自重荷载计算成果荷载垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－自重G1自重G16000187500自重G1小计合计81861.696↓665405.2＋表15仅地震荷载计算成果荷载垂直力〔kN〕水平力〔kN〕偏心距〔m〕力矩〔kN·m〕↓↑→←＋－惯性力F288F2F3动水压力F01'F02'小计161998.6合计4040.657→161971.1－三、稳定性分析以一个坝段单宽作为计算单元，计算公式有抗剪强度公式和抗剪断公式。本设计采用抗剪强度公式计算：Ks=／〔17〕式中：为接触面以上的总的铅直力；为接触面以上的总的水平力；U为作用在接触面上的扬压力；f为接触面间的摩擦系数；Ks为抗滑稳定平安系数，其取值见表16。表16抗滑稳定平安系数Ks荷载组合坝的级别123根本组合特殊组合〔1〕〔2〕〔一〕施工期末施工期末由于没有蓄水，坝体仅受自身重力作用，所以一定满足稳定性要求。〔二〕运用期=88752.6914kNKs=／×﹙﹚／39941.5288=1.24＞1.05所以，正常蓄水位情况时满足稳定性要求。=89992.8556kNKs=／×﹙﹚／40148.4089=1.13＞1.05所以，设计洪水位情况时满足稳定性要。=90461.9514kNKs=／×﹙﹚／42483.267=1.06＞1.00所以，校核洪水位情况时满足稳定性要求。正常蓄水位情况时，=88752.6914kN，U=18187.9372kN，=39941.5288kN；仅地震荷载作用时，=4040.657kN。Ks=／总×﹙﹚／﹙﹚=1.12＞1.0所以，地震工况下满足稳定性要求。四、坝基面应力分析应力分析的目的是为检验大坝在施工期和运用期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位配筋等提供依据。〔一〕应力分析所采用的分析方法应力分析采用材料力学法，其根本假定为：〔1〕坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料；〔2〕视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；〔3〕假定坝体水平截面上的正应力按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。〔二〕边缘应力的计算在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以应该校核坝体边缘应力是否满足强度要求。上、下游边缘应力σyu和σyd按下式计算：σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚〔18〕σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚〔19〕式中：为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力总和，kN；为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·m；B为计算截面的长度，m。〔三〕强度指标及验算过程施工期，下游坝面允许有不大于0.1MPa的拉应力。施工期考虑施工期末，易知只有重力作用，由表14知：=81861.696kN,·m，且B=75.84m。代入公式〔19〕得：σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－﹙6××1032﹚=0.3854MPa所以，运用期下游坝面处为压应力而非拉应力，满足要求。运用期，在各种荷载作用组合下〔地震荷载除外〕，坝基面的最大铅直正应力σymax应小于坝基容许压应力〔计算时计入扬压力〕，最小铅直正应力σymin应大于零〔计算时计入扬压力〕。由根本资料知坝基岩石的容许压应力为120～200MPa。正常蓄水位情况由表11得：=70564.7542kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.4MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.46MPa＜120～200MPa得知：运用期正常蓄水位情况时满足强度指标。设计洪水位情况由表12得：=64981.2568kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.26MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.46MPa＜120～200MPa得知：运用期设计洪水位情况时满足强度指标。校核洪水位情况由表13得：=64221.1138kN，·m。σymin=σyu=﹙／B﹚＋﹙／B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹚×1032]=0.12MPa＞0σymax=σyd=﹙／B﹚－﹙／B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹚×1032]=1.57MPa＜120～200MPa得知：运用期校核洪水位情况时满足强度指标。地震作用是一种发生概率极小的荷载，由于在动荷载作用下材料的强度有所提高，所以，在计入地震作用后，混凝土的容许压应力一般可比正常情况提高30％，并容许出现瞬时拉应力，抗拉平安系数不小于2.0。地震作用工况下：由表11与表15得：∑W=70564.7542kN，∑M=﹙﹚＋﹙﹚·m。σymin=σyu=﹙∑W/B﹚＋﹙6∑M/B2﹚=﹙×103﹚＋[6×﹙﹣﹚×103/75.842]=0.23MPa＞0σymax=σyd=﹙∑W/B﹚－﹙6∑M/B2﹚=﹙×103﹚－[6×﹙﹣﹚×1032]=1.63MPa＜120～200MPa得知：地震工况时满足强度指标。第四章溢流坝剖面设计第一节孔口设计一、泄水方式的选择为了使水库具有较大的超泄能力，采用敞式孔口。二、溢流孔口流量Q溢确实定溢流孔口下泄流量计算公式为：Q溢=Q总－αQ0(20)式中：Q总为坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和，m3/s；α为系数，正常运用时取0.75～0.9，校核运用时取1.0；Q0为经过电站和泄水孔等下泄的流量，m3/s。设计洪水位情况：Q总3/s，α=0.9，Q0=338m3/s，代入公式(20)得：Q溢=Q总－αQ0×3/s校核洪水位情况：Q总3/s，α=1.0，Q0=338m3/s，代入公式〔20得：Q溢=Q总－αQ0×3/s三、单宽流量的选择对一般软弱岩石常取q=30～50m3/﹙s·m﹚左右；对于地质条件好，下游尾水较深和采用消能效果好的消能工，可以选择较大的单宽流量。由于本工程坝为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，所以取q=100～150m3/﹙s·m﹚左右。四、溢流坝段净宽L计算其计算公式为：L=Q溢/q〔21〕式中：Q溢为溢流孔口下泄的流量，m3/s；q为单宽流量，m3/﹙s·m﹚。分别计算设计和校核洪水位情况下溢流坝段净宽L，计算成果见表17。计算情况流量Q〔m3/s〕单宽流量q〔m3/﹙s·m﹚〕溢流坝段净宽L〔m〕设计情况100～150校核情况100～150表17溢流坝段净宽计算根据以上计算，溢流坝段净宽可取56m。假设每孔宽度为8m，那么孔数n=L/b=56/8=7个。五、溢流坝段总长度L0确实定根据工程经验，拟定闸墩的厚度，初拟中墩厚为d=3m，边墩厚t=2m，那么溢流坝段总长为度L0为：L0=nb＋﹙n－1﹚d＋2t〔22〕代入数据得：L0=7×8＋﹙7－1﹚×3＋2×2=78m。六、堰顶高程确实定初拟侧收缩系数ε=0.90,流量系数m=0.502。因为采用开敞溢流，所以可用下式计算堰上水头H0。Q溢=nbεmH03/2〔23〕最后用计算水位分别减去其相应的堰上水头，即得堰顶高程。由公式〔23〕计算堰上水头H0。〔一〕设计洪水位情况Q溢3/s，把各数据代入公式〔23〕得：6498.1=7×8××××H03/2解得：H0≈14.5m，此为H0的第一次近似值。将H0值和溢流孔数n=7，按半圆形墩头和自由出流〔hs／H0≤0.75〕，由参考文献2:《水力学》下册书表10-1，查的闸墩系数。按圆弧形边墩，由参考文献2:《水力学》下册书表10-2得。,应按计算。代入公式：〔24〕计算得：恰好与假设相符，那么m,因为,仍按计算，故不再变化，可作为正确值。〔二〕校核洪水位情况Q溢3/s，同理可算得：H0=14.8m，相应的堰顶高程为189.06－14.8=174.26m。比拟两种情况下堰顶高程的计算结果可取堰顶高程为171.68m。七、闸门高度确实定计算如下：门高=正常高水位－堰顶高程＋﹙﹚取整得门高为13m。八、定型设计水头Hd确实定定型设计水头Hd一般为堰上最大水头Hmax〔即校核洪水位的堰顶水头〕的75％～95％。所以定型设计水头Hd为：Hd=〔75％～95％〕×Hmax=(75％～95％)×(189.06－171.68)=13.04～16.51m,取Hd=14m，Hd/Hmax=14/17.38=0.81。表18Hd/Hmax最大负压〔m〕0.5HdHd设Hd/Hmaxdd×14=5.32m＜6m〔水柱〕，所以满足标准要求。第二节溢流坝剖面设计一、堰顶曲线段首先在堰顶处建立直角坐标系，以堰顶顶点作为坐标原点，坐标轴及正方向见WES型堰面曲线图。溢流面由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段三局部组成。设计要求是：〔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〕体形简单、造价低、便于施工等。溢流坝顶部曲线段是控制流量的关键部位，其形状多与锐缘堰泄流水舌下缘曲线相吻合，否那么会导致泄流量减小或者堰面产生负压。顶部曲线的形式很多，常用的有克—奥曲线和WES曲线。由于WES坝面曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克—奥曲线用给定坐标值的方法设计施工方便，所以近年来我国多采用WES曲线。WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两局部。上游段曲线曾用过双圆弧、椭圆等形式。近年来，又提出了三圆弧及以下型式的曲线：y／Hd×﹙x／Hd﹚×﹙x／Hd﹚1.85〔25〕本设计采用三圆弧型式曲线。R1d×14=7mR2d×R3d×dd=d下游段曲线可按下式计算：〔26〕式中：为定型设计水头，m。=14m,得。对该方程求导，可得切点B的坐标：。得：m,代入上式可得m。经计算得溢流坝上游侧超出了根本剖面，故需将溢流坝做成倒悬的堰顶以满足溢流曲线的要求，计算得倒悬高度取10m，外悬长度为2.51m。幂曲线段的局部坐标值见表19。表19y1251015x得WES型堰面曲线图如图7。图7WES型堰面曲线图〔单位：m〕二、反弧段溢流坝坝面反弧段是使沿溢流面下泄的水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线，反弧段半径应结合下游消能设施来确定。根据DL5108—1999《混凝土重力坝设计标准》规定：对于挑流消能R=〔4～10〕h，h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深或者取R=〔8～10〕h，h为鼻坎上水深。反弧处流速愈大，要求反弧段半径愈大。当流速小于16m／s时取下限；流速大时，宜采用较大值。鼻坎高程在工程中一般采用下游最高尾水位以上m高，由于下游最高尾水位为115.8m，所以挑流鼻坎高程定为117.8m。挑射角按试验，一般取20°～25°，在此取=25°。鼻坎处水流平均流速V为：V=ψ〔27〕式中：ψ为溢流坝的流速系数；H0为库水位至坎顶高差，m。因为Q=AV=BhV,所以鼻坎处平均水深为：h=Q／﹙BV﹚〔28〕式中：Q为溢流坝下泄流量，m3／s；B为鼻坎处水面宽度，取B=L0=78m。反弧段半径确实定H03／s.由于本设计中坝高和坝上水头都较大，所以，溢流面长度较长，由参考文献2：《水力学》下册中泄水建筑物的流速系数ψ取值知ψ=0.90，代入公式〔27〕得：V=ψ×=33.65m／s，代入公〔28〕得：h=Q／﹙BV﹚=6752.8／﹙78×﹚得：R=〔8～10〕h=〔8～10〕×2.57=20.56～25.7m,取R=22m。H03／s，ψ=0.90。代入公式〔27〕得：V=ψ×=32.97m／s，代入公式〔28〕得：h=Q／﹙BV﹚=6498.1／﹙78×﹚得：R=〔8～10〕h=〔8～10〕×2.53=20.24～25.3m,亦可取R=22m。圆心高程确实定圆心O高程：mm。〔三〕直线段和反弧段切点的坐标确实定m其中。m。圆心到堰顶的水平距离圆心到堰顶的水平距离：m。〔五〕反弧最低点和鼻坎顶D的坐标确实定三、中间直线段中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡度相同。溢流坝剖面图如图8。图8溢流坝剖面图〔单位：m〕第三节消能计算通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原那么：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨蚀，以保证坝体和有关建筑物的平安。设计时应根据坝址地形，地址条件，枢纽布置，坝高、下泄流量等综合考虑。挑流消能设计的主要内容包括：选择鼻坎型式，确定鼻坎高程、反弧半径、挑射角，计算挑距和下游冲刷坑深度。一、鼻坎型式消能工型式有：底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等。溢流坝常用的消能方式是：挑流消能和底流消能，挑流消能又分连续式挑流消能和差动式挑流消能。连续式挑流消能：构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远，一般不易产生空蚀，且其利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中，水流在同空气摩擦的过程中可消耗一局部能量于冲坑中，这种方式比拟经济。差动式挑流消能：冲坑最深点距坝脚较近，鼻坎上水流流态复杂，在高速水流作用下，容易引起空蚀破坏。底流消能：土石方开挖量和混凝土浇筑量一般都较大，与挑流消能比拟，底流消能在经济方面往往不利。根据地形地质条件选用连续式挑流消能。挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的效能方式。二、鼻坎高程由溢流坝剖面设计中反弧段局部知鼻坎高程为117.8m。三、反弧段半径由溢流坝剖面设计中反弧段局部知反弧段半径R=22m。四、挑射角挑射角按试验，一般取20°～25°，在此取=25°。五、挑距计算水舌挑射距L离按水舌外缘计算，其估算公式为：L=〔29〕式中：为水舌挑距，m；g为重力加速度，m／s2；V1为坎顶水面流速，m／s，取平均流速的1.1倍；θ为挑射角；为坎顶平均水深在垂直方向的投影，m；；为坎顶至河床面高差，m。计算简图如图9。图9挑距计算简图校核洪水位情况V1×，=25°，×cos25°=2.33m，h2=117.8－95=22.8m，代入公式〔29〕得：L==〔二〕设计洪水位情况V1×，=25°，×cos25°=2.29m，h2=117.8－95=22.8m，代入公式〔29〕得：L==六、冲刷坑深度计算最大冲坑水垫厚度一般按下式计算：〔30〕，=－H2〔31〕式中：为水垫厚度，自水面算至坑底，m；，为冲坑深度，m；为单宽流量，m3/﹙s·m﹚；为上下游水位差，m；为下游水深，m；α为冲坑系数，坚硬完整的岩取0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩取1.2～1.5，软弱破碎裂隙发育的基岩取1.5～2.0。由根本资料知坝基为花岗岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，所以取α=1.0。〔一〕校核洪水位情况33/﹙s·m﹚,H=189.06－115.8=73.26m,代入公式〔30〕和〔31〕得：××=32.13m，=115.8－95=20.8m，=－H2=32.13－20.8=11.33m。〔二〕设计洪水位情况33/﹙s·m﹚,H=186.18－114.45=71.73m,代入公式〔30〕和〔31〕得：××=31.35m，=114.45－95=19.45m，=－H2=31.35－19.45=11.9m。设计挑流消能工时，可用挑射距离L与最大冲坑深度，的比值作为指标，一般要求L／，＞2.5～5.0。校核洪水位情况：L=146.41m，，=11.33m，L／，=146.41／11.33=12.92＞2.5～5.0，满足要求。设计洪水位情况：L=141.73m，，=11.9m，L／，=141.73／11.9=11.91＞2.5～5.0，满足要求。第五章坝身泄水孔的设计坝身泄水孔的型式有有压和无压式。有压泄水孔：工作闸门布置在出口，门后为大气压，可以局部开启，出口高程较低，作用水头较大，断面尺寸较小，缺点是闸门关闭时，孔内承受较大的内水压力，对坝体应力和防渗都不利，常需用钢板衬砌。无压泄水孔：工作闸门布置在进口，为了形成无压水流需要在闸门后将孔的顶部升高，闸门可以局部开启，闸门关闭后孔内无水。明流段可不用钢板衬砌，施工简便，干扰少，有利于加快施工进度，与有压泄水孔相比，对坝体削弱较大。比拟分析后本工程采用有压泄水孔。坝体在内水压力作用下可能会出现拉应力，因此孔壁需要用钢板衬砌。且为单层、底孔。综上本设计中泄水孔选择单层、有压、底孔。第一节泄水孔直径选定依据经验取直径D=3m，该局部泄水孔主要用于放空水库以便检修；排放泥沙，减少水库淤积。正常情况下不用于泄洪。第二节进水口体形设计进水口体形应满足水流平顺，水头损失小的要求；控制负压，防止空蚀。进口曲线常采用¼椭圆，其方程为：〔32〕椭圆的长轴〔x轴〕多与孔轴平行，有些试验资料说明，长轴稍向上倾斜，不但可以保证良好的压力分布，且有较大的泄水能力。对于圆形断面的泄水孔，上式中的A为圆孔直径，可取0.3。对于矩形断面的泄水孔顶面曲线，A为孔高，采用1/3到1/4。空口两侧的壁曲线也用椭圆曲线，A为孔宽，采用1/4；进口底部边界线可以采用圆弧，进口段的孔口中心线，一般布置成水平。进水口底面为平面进口。本设计泄水孔断面为圆形，所以A=D=3m，取α=0.3，α×3=0.9m,于是，得进水口曲线方程为：进水口曲线局部坐标值如表20。表20x3210y0进水口形状如图10所示。图10进水口形状〔单位：m〕第三节闸门与门槽有压泄水孔一般在进水口设置拦污栅和平面检修闸门，在出口处设置无门槽的弧形闸门。平面检修闸门的门槽设计不当容易产生空蚀破坏。根据工程实践，在高水头时，门槽应采用如图11所示矩形收缩型门槽较好。图11门槽其尺寸为：门槽宽深比W／d=1.6～1.8；错距Δ=〔0.05～0.08〕W；下游边墙破率为1∶8～1∶12；圆角半径r=0.1d。本设计取d=60cm,W／d=1.7，得W=102cm，r=0.1d=6cm。第四节孔身段设计有压泄水孔多用矩形断面，但泄流能力较小的有压泄水孔那么常采用圆形断面。由于防渗和应力条件的要求，孔身周边需要布设钢筋，有时还要采用钢板衬砌。本工程采用有压泄水孔，孔壁需要用钢板衬砌。第五节渐变段泄水孔进口一般都做成矩形，以便布置进口曲线和闸门。当有压泄水孔断面为圆形时，在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过渡，防止负压和空蚀的产生。渐变段可采用在矩形4个角加圆弧的方法逐渐过渡，见图12〔图中B=H=D=3m。〕。当工作闸门布置在出口时，出口断面也需做成矩形，因此在出口段同样需要设置渐变段，见图13。图12进口渐变段图13出口渐变段〔单位：m〕渐变段施工复杂，所以不宜太长。但为使水流平顺，也不宜太短，一般采用洞身直径的1.5～2.0倍。本工程中取L=2D=6m。边壁的收缩率控制在1∶5～1∶8之间。在坝身有压泄水孔末端，水流从压力流突然变成无压流，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之间。取压坡率为：1∶5，计算得出口高度为1.8m。第六节平压管和通气孔一、平压管平压管是设置在检修闸门和工作闸门之间与水库相通的输水管道，目的是为了减小检修闸门的启闭力。开启闸门前先在两道闸门中间充水，这样就可以在静水中起吊检修闸门。二、通气孔当工作闸门布置在进口，，提闸泄水时，门后的空气被水流带走，形成负压，因此在工作闸门后需要设置通气孔。通气孔直径d可按以下各式估算：QawA 〔33〕α=〔34〕d=〔35〕式中：Qa为通气孔的通气量，m3／s；Vw为闸门全开时过流断面平均流速，m／s；A为闸门后泄水孔断面面积，m2；[Va]为通气孔允许风速，一般不超过40～45m／s；a为通气孔断面面积，m2；d为通气孔直径，m。在向两道闸门之间充水时，需将空气排出，为此有时再检修闸门后也需设通气孔。3／s，泄水底孔D=3m，可以估计泄水底孔的流量Q=VwA=56m3／s,代入以上得：Qaw×3／s，取[Va]=40m／s得：α==5.04／40=0.13,进而得：d===0.41m=41cm。第七节消能工型式的选那么泄水隧洞大都