混凝土重力坝设计

西瓦、李家峡之后的第四座大型梯级电站。枢表1-1公伯峡水电站工程特性表Ⅰ17亿m³亿m³亿m³mmmmmmmmmm³/sm³/(s*m)mmmm*mm³/sm³/(s*m)第2章水文气象黄河公伯峡水电站坝址位于青藏高原东部，青海省循化县与化隆县境坝址上游有已建的龙羊峡、李家峡水电站。龙羊峡水库是一个具有多提高公伯峡的发电效益。同时大大削减公伯峡入库洪水，减小公伯峡水库的设计洪水和校核洪水。李家峡水库为日调节水库，调节性能较差，对公黄河上游干流安宁渡以上有黄河沿、吉迈、玛曲、唐乃亥、贵德、循化、上诠、兰州、安宁渡等水文站。上述站均为国家基本测站，观测系列较长，资料精度较高，资料整编规范，由黄河水利委员会整编刊印成《黄于1934年。循化水文站位于公伯峡坝址下游约25km处，控制流域面积面上下河流基本顺直、水流流态顺畅，1945年建站观测至今。循化水文站为公伯峡工程的设计代表站。循化水文站水文资料延长至2000年。根据《黄河公伯峡水电站工程初步设计重编报采用矩法估算参数，P-Ⅲ型曲线适线，并经上、表2-1循化站年径流频率计算成果表站名均值CvCs/Cv各种频率设计值(P%)2050759095资料年限循化7.30.2429268406905834974501919-2000表2-2循化站径流年内分配成果表月份789123456多年平均流量(m3/s)占年水量的百分数(%)黄河上游大洪水是由大尺度天气系统所造成的右，洪型矮胖，历时较长，峰形多以单峰为表2-3公伯峡设计洪水成果表（流量：m3/s，洪量：亿m3）项目均值CvCv/Cs各种频率P的设计值(％)125洪峰流量25200.364540015天洪量27.30.34445天洪量65.10.334公伯峡水电站施工期洪水控制标准为20年一遇。公伯峡水电站20年一遇导流流量主要受李家峡水电站发电流量及李家峡~公伯峡区间洪水控公伯峡水电站坝址位于黄河上游青海省循化县与化隆县交界处的公伯公伯峡坝址上游77km处已建有李家峡水库。该库相对库大沙小，库入库泥沙基本淤积在库内，仅有少量细颗粒泥沙排出库外。据李家峡水电公伯峡水库设计入库悬移质泥沙多年平均含沙量为0.32kg/m3，汛期（6～9月）平均含沙量为0.456kg/m3。实测最大含沙量采用贵德站实测公伯峡水库设计年平均入库沙量为709万t，库沙比为93，水库淤积平衡年限长，水库泥沙问题并不严重。但由于入库泥沙颗粒较细，粒斜长角闪片岩；下亚群黑云石英片岩、斜长角闪片岩和片麻岩，以及条带状、眼球状花岗质混合岩三迭系（岩性为浅变质的灰岩、灰绿色砂岩、隆～加吾力吉隆起带两个构造单元的复合部位上，工程场地四周约10km~第三系上新统红层及前震旦系古老变质岩组成，表钙质泥岩，夹白色泥钙质泥岩和浅红色钙质页岩条阶地及河床和河漫滩上。阶地上覆地层大多呈二下基本稳定，由于其特殊的滑坡结构，地形条件既工程区位于公伯峡峡谷出口段，黄河以NE30°~50°方向流经本区，平坝区出露的地层有前震旦系、白垩系、上第三花岗岩侵入体。前震旦系片岩、片麻岩及上第三旦系变质岩片理产状为走向NW315°~335°,倾向NE，倾角56°~81°,与河流斜交，倾向下游偏右岸。花岗岩侵入体边第4章调洪演算经分析比较，选择发生在1964年7、8月间的大洪水作为公水典型过程。由于公伯峡防洪库容较小，用日平均流量调洪难以反映其调洪能力，因此区间最大3天洪水过程采用逐时过程。采用龙羊峡下泄流量表4-1公伯峡入库设计洪水过程线（流量：m3/s）p=0.2%p=0.01%p=0.2%p=0.01%8.2.0427069908.32.1429070208.32.2431070508.32.3434070808.3.16533077208.2.4433070808.32.5433070708.32.6432070608.3.19544078608.2.7431070508.3.20541078208.2.8430070308.3.21538077908.2.9429070208.3.22535077508.2.10428070108.3.23532077108.2.11427069908.4.0529076808.2.12426069808.4.1527076408.24.2503073308.24.3480070308.24.4478070108.2.16420069108.4.5477069908.24.6477070008.24.7477070008.2.19422069408.4.8478070008.2.20424069608.4.9478070108.2.21426069808.4.10478070008.2.22427070008.4.11477070008.2.23428070108.4.12477069908.3.0479070208.43.1480070308.43.2501073208.43.3523076008.4.16475069808.3.4528076608.43.5533077208.43.6530076808.4.19475069708.3.7527076408.4.20465069708.3.8524076008.4.21475069808.3.9521075708.4.22475069808.3.10519075408.4.23476069808.3.11516075108.5.0475069708.3.1251707520图4-1公伯峡入库设计洪水过程线海洋较远，属典型的大陆性气候，冬季漫长，夏季不均匀，时间上冬春较为干旱，夏秋则常有暴雨集中于5~9月，雨量占全年雨量的80%以上；地区上分布上游吉表4-2公伯峡水电站水位～库容、面积关系曲线表水位水库面积2)原始库容3)淤积20年库容(亿m3)淤积50年库容(亿m3)0.250.00.610.040.130.280.02.520.480.063.820.800.385.370.840.08.480.6312.282.992.53200018.084.513.792.4920055.504.663.21201026.446.735.894.4420158.15202036.93根据实测断面资料对各水尺的水位流量关系表4-3公伯峡水电站下游水位流量关系曲线表水位（m）流量(m3/s)C水尺P水尺80902702805406408602320300023603900280048803310589038706900447079405080900057306400708077808510考虑水库排沙和防汛及意外情况下泄洪的需要，宜建底孔。根据水库洪水流经水库时，水库容积对洪水的拦蓄、滞留作用，以及泄水建筑物对出库流量的制约或控制作用，将使出库洪水过程发生变化。与入库洪水过程相比，出库洪水的洪峰流量显著减小，洪水过程历时大大延长。洪水流经水库产生的上述变化过程，称为水库洪水调节。水库调洪计算的目的是在已拟定泄洪建筑物及已确定的防洪限制水位（或其他起调水位）的条件下，用给出的入库洪水过程、泄洪建筑物的泄流能力曲线及库容曲线等基本资料，按规定的防洪调度规则，推求水库的泄流过程、水库水位变若水库不承担下游防洪任务，那么水库调洪计算的任务，则是研究和选择能确保水工建筑物安全的调洪方式，并配合泄洪建筑物的形式、尺寸和高程的选择，最终确定水库的设计洪水位、校核洪水位、调洪库容及两种情况下相应的最大泄流量。若水库担负下游防洪任务，首先应根据下游防洪保护对象的防洪标准、下游河道安全泄量、坝址至防洪点控制断面之间的区间汇流情况，配合泄洪建筑物形式和规模，合理拟定水库的泄流方式，确定水库的防洪库容及其相应的防洪高水位；其次，根据下游防洪对泄洪方式的要求，进一步拟定可保证水工建筑物安全的泄洪方式，经调洪利用水而泄放流量时，水库泄流量应计入这部分兴及自水库取水的兴利部门泄向下游的流量，若泄洪大坝库水位库容Z～V关系曲线、水位下泄流量曲线如图4-2、4-3及表4-4水库库容及泄流曲线表水库水位Gi(m)下泄流量q(m3/s)库容V总(万m3)20054856.45500020065608.45746020076396.05992020087217.56238020098071.76484020108957.36730020119873.370140201210818.672980201311792.575820201412794.078660201513822.581500图4-2水位库容Z～V关系曲线图4-3水位下泄流量曲线表4-5公伯峡水库设计情况下泄流量计算表来水流量m3/s平均流量m3/s来水量万m3下泄平均流量m3/s下泄水量万m3余亏水量万m3总库容万m3水库水位m528052551891.805062.621822.5469.2657255.222005.92533053051909.805189.131868.0941.7157296.942005.93530053151913.405259.471893.4119.9957316.932005.94527052851902.605283.051901.900.7057317.632005.94524052551891.805275.461899.16-7.3657310.272005.94521052251881.005254.831891.74-10.7457299.532005.93519052001872.005230.201882.87-10.8757288.662005.93516051751863.005205.351873.93-10.9357277.732005.93517051651859.405184.781866.52-7.1257270.612005.92518051751863.005176.181863.42-0.4257270.192005.92523052051873.805184.221866.327.4857277.672005.93528052551891.805210.871875.9115.8957293.562005.94533053051909.805251.101890.3919.4157312.972005.95537053501926.005295.561906.4019.6057332.572005.96541053901940.405338.881922.0018.4057350.972005.97544054251953.005378.821936.3716.6357367.602005.98541054251953.005405.691946.056.9557374.552005.99538053951942.205408.201946.95-4.7557369.802005.98535053651931.405391.791941.04-9.6457360.152005.97532053351920.605367.471932.29-11.6957348.462005.96表4-6公伯峡水库校核情况下泄流量计算表来水流量m3/s平均流量m3/s来水量万m3下泄平均流量m3/s下泄水量万m3余亏水量万m3总库容万m3水库水位m751075252709.007357.992648.8760.1362814.632008.08752075152705.407377.052655.7449.6662864.292008.10753075252709.007393.872661.7947.2162911.502008.12759075602721.607411.352668.0953.5162965.012008.14766076252745.007432.662675.7669.2463034.262008.17772076902768.407459.122685.2883.1263117.382008.20778077502790.007489.812696.3393.6763211.042008.24782078002808.007523.362708.4199.5963310.632008.27786078402822.407558.262720.97101.4363412.062008.31782078402822.407591.412732.9189.4963501.552008.34779078052809.807618.592742.6967.1163568.662008.36775077702797.207638.472749.8547.3563616.022008.38771077302782.807651.592754.5728.2363644.242008.39768076952770.207658.762757.1513.0563657.292008.40764076602757.607660.962757.95-0.3563656.952008.40733074852694.607650.552754.20-59.6063597.352008.38703071802584.807613.132740.73-155.9363441.422008.33701070202527.207552.772719.00-191.8063249.632008.25699070002520.007488.912696.01-176.0163073.622008.18第5章枢纽布置水力开发条件十分优越。该坝址所在工程区位于公伯峡峡谷出口段，河床基岩面最低高程为1874.73m。构成各建筑物地基及边坡旦系片岩、片麻岩及上第三系砾砂岩和加里东期花岗岩。该坝址处坝基两坝区地下水按其埋藏条件可分基岩裂隙性潜水，局部基岩裂隙承压水及第四系孔隙性潜水。通过钻孔压水试验，片岩、片麻岩透水性较弱[ω对常见坝型，重力坝、土石坝、拱坝所要求的地形地质条件和各自的重力坝结构作用明确，设计方法简便，对地形、地质条件适应性强，施工方便，便于施工导流；但坝体剖面尺寸大，材料用量多，且坝体与地土石坝可就地就近取材，能够适应不同的地形、地质和气候条件，其缺点是土石坝对防渗要求很高，在防渗材料选取方面造价较高，且坝身不拱坝主要依靠两岸拱端的反力作用维持稳定，属于高次超静定结构，河谷两岸的基岩必须能承受由拱端传来的推力，要在任何情况下都能保持对三种坝型进行比较，并结合该坝址处的地质条件，最后选定坝型为本工程的枢纽布置方案如下：由于坝址处两岸地形不对称，右岸地形陡峻，河道平直，为使水流能够下泄顺畅，故将溢流坝段布置在靠近右岸程2008.84m。上游坝坡铅直，不设置折坡，下游侧坡比1:0.8，对该基本上游段曲线采用三段圆弧，中部直线段坡度与非溢流坝段下游坡度相同并7C10坝顶高程需高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程应高于波浪顶l（6-4）表6-1安全超高hc相应水位坝的安全级别（对应的水工建筑物级别）Ⅲ（4、5）设计洪水位0.70.50.4校核洪水位0.50.40.3llJJ 6-1非溢流坝段基本剖面图1))))坝体分块如下图6-2所示：6-2坝体分块示意图表6-2地震惯性力计算表Gej/GEFi(kN)12表6-3非溢流坝段荷载计算表名称垂直力(kN)水平力(kN)力臂对基础中心力矩↓↑逆时针+顺时针-35333.7649.50147015.0011.00上游水平压力82894.5043.33下游水6700.4312.3282549平压力下游垂直压力5360.3545.14241988扬压力46431.3811.005107456329.7349.503133223849.2851.33197597泥沙压力12265.1624.40299270浪压力46.2889.194128187709.1156610.4095205.946700.43131098.7188505.50-地震惯性力1434.6166.92960044947.6041.25204088地震动水压力2694.0770.2189124187709.1156610.40104282.216700.43131098.7197581.78-表6-4各种工况下的∑P、∑W和∑M值∑P（kN）∑W(kN)（二）按照《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》进行稳定分析和应抗滑稳定分析是重力坝设计过程中的一项重要内容，目的是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面的抗滑稳定安全度。抗滑稳定分析时应选择受力较大、抗剪强度低、最容易产生滑动的界面作为计算截面，一般情况下应对下面几种情况进行核算1）坝基面2）坝基内软弱层面3）基岩缓倾角结构面4）不利地形5）碾压混凝土层面等。（6-8）f'——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分2（6-9）式中f——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数。在各种荷载组合下（地震荷载除外坝踵垂直应力不应出现拉应-根据规范采用概率极限状态设计原则，以分算。混凝土重力坝应分别按承载能力极限状态及算和验算。进行承载能力极限状态设计时，应考种作用组合；进行正常使用极限状态设计时，采或kk——永久作用标准值；k——可变作用标准值；fk——材料性能的标准值；或式中fR——基岩抗压强度设计值式中fC——混凝土抗压强度设计值。S(.)——作用的效应函数。对基本组合（正常蓄水位情况）和偶然组合（地震情况）取单位宽度)表6-5地震惯性力计算表质点Gej/GEFi(kN)12表6-6非溢流坝段荷载计算表名称垂直力(kN)水平力(kN)力臂对基础中心力矩↓↑逆时针+顺时针-32033.7644.50118815.009.33上游水平压力67719.6639.17下游水平压力2934.628.1523927下游垂直压力2347.7040.1494246扬压力30827.729.332877254980.8644.502216483849.2846.33178350泥沙压8433.9020.23170646力浪压力46.2889.194128153196.4639657.8676199.832934.62113538.6073265.21-.07地震惯性力1296.9760.67786873982.7337.08147693地震动水压力2200.8963.45139646153196.4639657.8683680.432934.62113538.6080745.81-.90表6-7各种工况下的∑P、∑W和∑M值∑P（kN）73265.2180745.81∑W(kN)113538.60113538.60-.07-.90（二）按照《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》进行稳定分析和应-由调洪演算可得到本枢纽的总下泄流量Q总（包括表孔和底孔经由溢总-αQ0（6-32）溢/B溢个孔口的宽度为b，则孔口数为n=B/b，一般选用略大于计算值的整数。一般大、中型工程中，单孔宽度b=8~16m，若有排冰、过水要18~20m。为了控制下游河床水流流态，闸门要对称开启，孔口数目n最好有较高的流量系数，泄流能力大；2)水流平顺，不表6-8堰面下游段曲线计算表x(m)0.002.003.004.005.006.007.000.000.050.170.370.620.94x(m)8.009.0010.0011.0012.0013.0014.0015.002.242.793.394.054.755.516.327.18x(m)16.0017.0018.0019.0020.0021.0022.0022.508.099.0510.0611.1212.2313.3814.5815.212:拟定溢流坝段剖面满足要求。表6-9沿闸墩的水面线坐标Hd=15.79m0表6-10不掺气水面线计算表边界层厚度计算数据yiLs,iLδH+yihph15.1940.00032.2120.42928.3944.45128.3994.52820.1946.40338.6150.50533.3944.05533.4004.14625.19412.80645.0180.58038.3943.75538.3423.85930.19419.20951.4210.65343.3943.50943.4123.62735.19425.61357.8240.72648.3943.31048.3933.44140.19432.01664.2270.79853.3943.14153.4073.28545.19438.41970.6300.86958.3942.99758.3793.15350.19444.82277.0340.94063.3942.87163.3693.04055.19451.22583.4371.01068.3942.75968.4002.94160.19457.62889.8401.07973.3942.66073.3932.85465.19464.03196.2431.14878.3942.57178.3902.77870.19470.435102.6461.21783.3942.49083.4162.70975.19476.838109.0491.28588.3942.41788.3902.64880.19483.241115.4521.35393.3942.35093.3732.59485.19489.644121.8561.42098.3942.28898.3832.54490.19496.047128.2591.487103.3942.231103.3642.49995.194102.450134.6621.554108.3942.178108.3542.458100.194108.853141.0651.620113.3942.128113.4102.420105.194115.257147.4681.686118.3942.082118.3892.386110.194121.660153.8711.752123.3942.039123.3532.354坝身泄水孔的进口全部淹没在水下，可以随时防水。主要作用有宣泄部分洪水、预泄洪水、放空水库、排沙等。按水流条件，坝身泄水孔可分底孔进口高程1985.00m。该底孔设置为无压泄水和较长的无压段。压力段又分为进口段、事故检修门槽段和压坡段三个部分，压坡段下游侧设工作闸门。检修闸门采用平板门，工作闸门则多采用弧形门。无压段自上游至下游按顺序布置直线段、抛物线段和反弧段。如图6-3无压坝身泄水孔的典型布置式中θ——抛物线起点（坐标x、y的原点）处切线与水平方-3x2，抛物线的具体坐标值如表6-11抛物线坐标数据a