水利枢纽工程大坝设计

水利枢纽工程大坝设计长江三峡水利枢纽工程(以下简称“三峡工程”)位于长江西陵峡中段，是开发和治理长江的关键性世纪工程，具有防洪、发电和航运等综合效益的水利枢纽。其坝址在湖北省宜昌市三斗坪，设计正常蓄水位l75m，总库容393亿m3,其中防洪库容221.5亿m3。电站装机总容量l820万kW，年平均发电量847亿kW.h。枢纽主要建筑物由大坝、电站厂房、船闸和升船机组成。大坝为混凝土重力坝，轴线全长2335m，坝顶高程185m，最大坝高181m。电站采用坝后式，分设左岸及右岸厂房，分别安装l4台及l2台水轮发电机组。水轮机为混流式，单机容量均为70万kW。右岸预留后期扩机的6台机组(单机容量为70万kW)地下厂房位置。通航建筑物包括永久船闸和垂直升船机，均布置在左岸。永久船闸为双线五级连续船闸，单级闸室有效尺寸为280m×34m5m(长×宽、坎上水深)，可通过万吨级船队，年单向通过能力5000万t。升船机为单线一级垂直提升式，承船箱有效尺寸为l20m、18m、3.5m，一次可通过一艘3000t级客货轮或1500t级船队。2.1坝址区自然条件简况三峡工程位于宜昌市长江干流上，坝址位于湖北省宜昌市的三斗坪镇，下游距已建成的葛洲坝水利枢纽约40公里。该枢纽交通十分便利。坝址区河谷宽阔，谷底宽约1100m,两岸岸坡较平缓，江中有中堡岛顺江分布，岛顶面高程70-78m,按高程65m计,中堡岛长570m,宽90–160m,具备良好的分期施工导流条件。两岸为低山丘陵,左岸坛子岭和右岸白岩尖为临江最高脊,高程分别为263m和243m,主要山脊多呈北东向.本枢纽处于长江流域，长江流域处于欧亚大陆东部的副热带地区，气候为典型的季风气候。夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风，冬冷夏热，四季分明，多年平均气温16-18℃。流域多年平均降水量为1100mm，年降水量的地区分布及年内分配很不均匀。多年平均最大风速为9.6m/s，本地区地震基本烈度为6度。2.2坝址区工程地质枢纽建筑物基础岩石为前震旦纪闪云斜长花岗岩体(简称花岗岩)。坝址的花岗岩，岩性均一，岩体完整，力学强度高，岩石抗压强度约100兆帕；坝址区有两组断层，规模均不大，倾角多在60°以上，且胶结良好。岩体透水性微弱，单位吸水量一般小于0．01升／分·米·米。这在国内外的高坝坝址中也是很少见的。坝区地壳稳定,地震基本烈度为Ⅵ度。这些因素构成了修建混凝土高坝的优良地质条件。2.3坝址区工程水文坝址至宜昌间无大支流汇入，宜昌流量资料可作为坝址的代表。长江宜昌站多年平均流量为14300m3/s，年径流量4510亿m3。宜昌以上干支流主要测站汛期水量占年水量70%-75%。根据抽调洪水推算，1153年以来的坝址历史最大洪峰量为105000m3/s。按1877年以来实测水位推算的坝址最大洪峰流量为71100m3/s。坝址各种频率的设计洪水流量如表2-1。宜昌多年平均最小流量为3560m3/s。以1937年2770m3/s为最小值。葛洲坝水利枢纽建成后，三峡坝址洪枯水位变幅减小，枯、洪水位分别约提高21m及3m。长江干流悬移质泥沙的多年平均输沙量，寸滩站为4。62亿t，宜昌站为5.26亿t，相应多年平均含沙量分别为1.32kg/m3和1.2kg/m3。长江泥沙中推移质数量相对较小。推移质泥沙多年平均输移量，宜昌站704万t，为悬沙量的1.33%，5–10月输移量占全年的96.7%。卵石推移质多年平均输移量，宜昌站为75.72.4建造材料资料天然砂砾料拌制的混凝土选择长江河床砂砾料场和长江支流黄柏河南村坪河滩砂砾料料场，蓄量丰富，粗骨料可满足要求，但细骨料储料不足。位于长江左岸下岸溪鸡公岭，距坝址约12km，砂石储量丰富，可补足细骨料的不足。2.5坝基岩石的物理学性质资料2.5.1本枢纽坝基岩石——前震旦纪闪云斜长花岗岩体的物理学力学指标如下：（1）抗压强度100MPa（2）弹性模量30-40GPa（3）混凝土与建基岩面间的抗剪强度指标2.5.2各类岩土开挖边坡值2、黄土类土1：13、全风化结晶片岩1：14、强风化结晶片岩1：15、弱、微风化结晶片岩1：52.5.3岩石、砂砾石及淤沙的力学指标1、岩石容重2.7T/m32、砂砾石容重2.2T/m33、淤沙容重(干)1.8T/m34、淤沙内摩擦角2.6混凝土抗压强度和抗拉强度指标1、混凝土抗压强度为6500KP2、混凝土抗拉强度为580KP2.7三峡水利枢纽主要指标1）正常蓄水位175.00m2）设计洪水位175.00m3）校核洪水位180.40m4）防洪限制水位145.00m5）枯季消落低水位155.00m6）总库容393.00亿m37）防洪库容221.50亿m38）水库库面面积1）坝顶高程2）最大坝高3）轴线全长2.8主要建筑物的基本数据1084.00km2185.00m181.00m2309.47m尺寸（宽×高）米3.1坝型选择拟定三种方案：分别选择拱坝、混凝土实体重力坝、土石坝三种类型进行比较。坝址附近要有砂石，砾料场坝址附近要有砂石，砾料场理想地形是河谷较窄,左右温度变化对坝体应力影响枢纽泄洪问题容易解决,泄流能力受到限制,需增根据基本资料显示，坝址下游有足量的混凝土用砂，石料场，砾石料场储量丰富。长江水量丰富，水质矿化度较低，一般对混凝土不具有侵蚀作用，唯河水含泥沙量较大，需进行沉淀处理，且洪水流量大。故本枢纽要求泄洪能力强.而修混凝土重力坝的优点是对地形、地质条件适应性强,对地形和地质条件要求较拱坝低;枢纽泄洪问题容易解决,重力坝可以做成溢流的,也可在坝内设不同高程泄水孔,不需另设溢洪道或泄水隧洞,枢纽布置紧凑;便于施工导流;重力坝剖面尺寸大,因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比土石坝强;施工方便;结构作用明确,重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段,各坝段独立工作,稳定和应力计算都比其他坝型简单.该枢纽的地形、地质和气象条件等资料都显示,适于修混凝土重力坝.拱坝:由于拱坝剖面较薄,坝体几何形状复杂,对于筑坝材料强度,抗渗性和施工质量等要求都比重力坝严格.地形条件是决定拱坝结构形式,工程布置的主要因素.因其理想地形是狭窄河谷,与本枢纽地形不符,故本枢纽不宜修拱坝.土石坝:在洪水流量较大的河流上,土石坝工程的导流,泄洪问题比混凝土坝难以解决.再根据该枢纽资料内容,坝址地质条件较好,建混凝土坝具有较大优越性,故本枢纽也不适合修土石坝.综上选择该水利枢纽为混凝土实体重力坝较为合理。3.2工程等别与建筑物级别参见《水工建筑物》教材P11表2—1、表2—2。水库总库容为393亿立方米，大于10亿立方米，工程等别为一等。2、按装机容量确定电站总装机容量为18200MW，大于1200MW，工程等别为一等。综上所述该工程等别为一等，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。3.3坝顶高程的确定本工程设计洪水位与正常水位相同，故应在正常蓄水位175米和校核洪水位180.4米两种情况下，来确定坝顶高程为185米。2、设计依据：《混凝土重力坝设计手册》,参考《水工建筑物》教材第二章，第三节浪压力和第三章、第七节实用剖面中公式2-4、2-5、2-6、3-56。3、计算方法：计算坝顶距水库静水面对(正常蓄水位和校核洪水位两种情况)，以上的高度Δh，并求得相应的坝顶高程，取两者的较大值作为选定的坝顶高程，可按下面公式进行计算。Δh=hl+hz+hc《水工建筑物》[3-56]波浪高度hl=0.0166V5/4D1/3波浪中心线至静水位的高度hz=πh12/L波长L=10.4(hl)0.84、计算成果表（计算过程见计算书1.1.1）表3—2VDhlLhz正常蓄水位需坝顶高程为175+8.64=183.64m校核洪水位需坝顶高程为180.4+4.15=184.55m5、坝顶高程的选取取两种情况较大值,取整,为安全起见，最终坝顶高程定为▽185.00米。3.4枢纽布置3.4.1设计过程根据选定的坝型及枢纽任务，确定整个枢纽建筑物的组成部分，通过确定的坝顶高程和坝轴线位置，作出轴线剖面图；参考已知的参数初步拟定各部件长度、轮廓尺寸；最终按建筑物的特性及运用要求，确定其在整个枢纽中的具体位置，并以各建筑物不同的相对位置拟定两种方案，综合考虑设计、运用、经济、施工等条件，定性地选择出经济、合理的枢纽布置方案。3.4.2各部分建筑物的尺寸确定按枢纽运用要求，需要设置挡水坝段、溢流坝段、深孔坝段、电站坝段等建筑，由地质剖面图，初步拟订各建筑物尺寸如下：（1）电站坝段电站是本枢纽的重要建筑物之一。总装机容量18200兆瓦，设有26台机组，单机容量70万千瓦。电站坝段总长1227.9米，可采用坝式水电站，坝式水电站特点是由拦河坝集中水头，形成落差。分为坝后式和河床式两种形式。本工程采用的是坝后式水电站。①本电站属高水头电站，电站成为挡水坝段的一部分。②厂房长度为1227.9m,占整个挡水坝段50%左右，利用其挡水可节省挡水坝段，减少工程量.电站的有关数据指标如下：电站进水口布置在大坝上游侧，采用单机单管引水，进水口高程为108m，尾水管高程29.9至50m，渠工110m左岸电站尾水渠宽580－310m，右岸电站尾水渠宽556－350m。（2）安装间左岸电站主厂房布置3个安装场，总长度为104.6m；右岸电站主厂房除布置3个安装场外，在左端另增设辅助安装场长20m，总长度为124.6m；由于下游尾水位较高，发电机层与尾水平台高程及进厂公路高差较大，安装场按不同高程布置。安Ⅰ段地面高程布置与尾水平台，厂坝平台，进厂公路相同，高程为82.0m。安Ⅱ段和安Ⅲ段地面高程与发电机层高程相同，为75.3m。（3）冲沙孔长江干流悬移质泥沙的多年平均输沙量，寸滩站为4。62亿t，宜昌站为5.26亿t，相应多年平均含沙量分别为1.32kg/m3和1.2kg/m3。不属多泥沙河流，但建库后淤积问题必须考虑，因此应设置冲沙孔排沙。（4）泄流深孔泄流深孔具有汛期泄洪作用。与泄流表孔相结合作为永久泄流建筑物，共布置23个深孔，进口高程90m，深孔长110m，采用短有压管接明槽鼻坎挑流形式。进口喇叭口应由14.53m渐变至9m，有压段长17.5m，出口孔口尺寸为7×9m，出口最大流速35m/s。（5）溢流坝段方案I为防洪需求而设置。已知实测最大洪水流量为71100m3/s，校核洪峰流量为124000m3/s，故要求泄流能力要强，泄流建筑物的泄量要大，所以本枢纽设置了22个泄流表孔，跨缝布置，每孔净宽8m，堰顶高程为158m，并采用挑流式消能。3.4.3枢纽布置原则（1）在一般情况下，泄洪建筑物和厂房应尽量布置在主河床上，在原河床主流位置，使水流平顺与下游衔接，不产生回流。（2）此河含沙量不是很大，但也必须设置排沙孔，且应尽量靠近发电进水口需排沙部位。（3）深孔一般设在河床部位，应尽量和永久泄水孔相结合。（4）一般泄水深孔与溢流坝相结合，便于启闭机械布置和运用管理。（5）电厂按装间应靠近岸边，与进厂公路、铁路相连，便于机组吊运和安装。3.4.4本枢纽特点本枢纽是综合效益很强的水利工程，不论是在防洪，发电，航运等方面有最大效益，而且在灌溉，养殖，发展旅游业等方面也具有显著的效益。三峡电站装机容量达18200MW，装机容量大，单机容量达700MW。根据单机容量较大的特点，检修安装间靠近岸边较方便，然后布置电站坝段，排沙孔应大致均布在断面上，使排沙不留死角。为尽量减少坝基开挖量，充分发挥各建筑物的作用，应考虑泄流表孔与泄流深孔在同一坝段，相互结合充分发挥其泄流能力。因此确定的布置方案有两种情况，见枢纽布置草图，经过比较后，确定出一种最优方案。3.4.5枢纽布置左岸电站坝段左岸电站坝段挡水坝段7/7/方案IIⅠⅡ因为要在右岸预留出后期扩装6台机组的地下厂房位置，所以，右岸厂房布置12台机组是比较合理的。经以上两种方案比较，最终采取方案Ⅱ为枢纽布置方案，下一步结构设计将在此基础上确定基础开挖线，确定各个部分的坝高。重要建筑物是指挡水坝段、溢流坝段和深孔坝段。仅取各坝段的最大坝高处断面进行设计。坝体断面设计原则有：1、稳定要求：坝体不致沿坝内任何水平截面，建基面，地基内的软弱面发生滑动破坏，并保留必要的安全度；2、应力要求：坝体断面内和地基的应力不超过混凝土和基岩的容许值；此外，还应考虑工程量最少，便于施工，运用方便等要求。抗滑稳定计算方法用“断面安全系数”法。应力计算采用传统的“材料力学法”4.1挡水坝段设计设计时应考虑各影响因素：荷载、地基、运用、材料、施工条件等影响。拟定几个方案比较，选用最优方案，近年来常采用优化设计的方法。为节约时间，本次设计参考已建工程确定几个参数，再通过稳定、应力分析、校核断面尺寸。4.1.1轮廓尺寸确定重力坝承受的主要荷载是水压力和自重，控制剖面尺寸的主要指标是稳定和强度。因此作用于上游面的水压力及基础扬压力呈三角形分布，所以重力坝的基本剖面是三角形。坝体高度=185-4=181(米)，坝顶宽度一般取坝高的8%~10%，参照《水工建筑物》，又考虑坝顶交通和设备安装的要求，取本坝坝顶宽度为35米。上游坝坡坡率n=0，下游坝坡坡率m=0.74，坝顶面高程为183.80米。(计算过程见计算书1.1.2)实用剖面如下图4—1所示：3577183.8183.84.1.2基本剖面的设计基本剖面设计需遵循如下原则：1、满足强度要求，保证大坝安全；2、工程量最小；3、适用方便；4、便于施工。初选基本剖面时，用粗略计算方法进行，采取如下假定：1、下游无水，扬压力呈三角形分布，在坝踵处为αγH，在坝址处为0。2、假定水库水面在三角形顶点高程，据基本资料，本设计中取三角形顶点与坝顶高程平齐，如图所示：基本剖面图4—2所示：坝底应力参考材料力学公式计算，坝踵处应力为0，如下式计算：)-α)]0.5《水工建筑物》上册（张光斗、王光纶著）重力坝沿坝底地基面的抗滑稳定，作为初选断面的粗略计算。用较为简单的抗剪强度公式对于基本剖面有：B/H=Ks/[f(γn/γ+λ-α)]《水工建筑物》上册（张光斗、王光纶著）联立上述两方程，解得λ=－0.85＜0。所以将坝体迎水面作成铅直坝体，λ=0，n=0,求得m=0.74，底宽B=133.2米。(计算过程见计算书1.1.2)为了检查、观测和排除坝体渗水，还应在靠近坝体上游面沿高度每隔15~30米设置检修和排水郎道，其断面形式也多采用城门洞形，最小宽度2.2米，至上游面的距离应不小于0.05~0.07倍水头，且不小于3米，上游侧设排水沟(依据《水工建筑物》教材地第124页)廊道底高程高于河床底高程2.5米，至上游面的距离为5米，廊道高3米，宽2.5米。具体剖面如下图4—3所示： 0745254.1.3坝体稳定、应力分析4.1.3.1目的、理论、假定条件抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容，其目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层较弱结构面抗滑稳定的安全度，重力坝可能沿坝基平面滑动，也可能沿地基中的缓倾角断层或较弱夹层滑动。本枢纽地质条件较好，只验算沿坝基面滑动情况。查《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)可以采用抗剪强度或抗剪断强度公式计算抗滑稳定安全系数。抗剪强度公式：Ks=f(ΣW-U）/ΣP《水工建筑物》[3—8]当坝基内不存在可能导致岩体内部滑动的软弱面时,应按抗剪断公式计算坝基面的抗滑稳定安全系数(《混凝土重力坝设计规范》)。抗滑稳定安全指标[Ks]，查教材《水工建筑物》P51表3—5得基本组合（1）[Ks]=1.1特殊组合（1）[Ks]=1.05，特殊组合（2）[Ks]=1.00。抗剪断强度公式：Ks＇=f＇(ΣW–U)+C＇A/ΣP《水工建筑物》[3—10]抗剪断安全指标[Ks＇]，设计规范规定，不分工程级别，基本组合=3.0，特殊组合应力的目的是为了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，如混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。应力分析的过程：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部位的应力是否满足强度要求。应力分析的主要方法有：⑴模型试验法⑵材料力学法⑶弹性理论的解法⑷弹性理论的差分法⑸弹性理论的有限元法。材料力学法是应用最广、最简便、也是重力坝设计规范中规定采用的计算方法。本设计按规范要求也采用材料力学法。材料力学法的基本假定⑴坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料⑵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⑶假定坝体水平截面上的正应力σy按直线分布，一般不考虑廓道等对坝体应力的影响。4.1.3.2荷载及荷载组合作用坝体上的荷载主要有：⑴自重⑵静水压力和动水压力⑶扬压力⑷浪压力⑸泥沙压力⑹冰压力⑺地震荷载⑻温度作用总体上分为基本荷载和特殊荷载两种。设计混凝土重力坝时，荷载组合可分为基本组合和特殊组合。基本组合由基本荷载所组成；特殊荷载除相应的基本组合外，还包括一种或几种特殊荷载。本设计分三种情况，分别是：基本组合（1特殊组合（1）,特殊组合（2）1）基本组合（1正常蓄水位175米以下：荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力2）特殊组合（1校核洪水位180.4米以下：荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力3）特殊组合（2地震情况正常蓄水位175米以下：荷载有:自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+地震荷载+动水压力2005）规定：重力坝一般可按拟静力法计算地震荷载。但对1、2级水工建筑物，高度超过150m的坝，应进行动力分析和试验研究。三峡大坝高181m，并且还是1级水工建筑物，故应对其进行动力分析和试验研究。但由于此次设计条件有限，无法对其进行动力分析和试验研究，所以本设计关于地震荷载的计算略。4.1.3.3挡水坝段稳定及应力计算成果见下表4—1所示计算过程见计算书1.2）表4—1算Ks'Ks应力计σxuσxdτu0000τd算力力σ2u力力σ2d004.1.4强度、稳定指标分析总结：4.1.4.1稳定指标分析按抗剪强度公式计算过程见计算书1.2.2）基本组合（1）Ks=1.23>[1.1]满足稳定要求特殊组合（1）Ks=1.2>[1.05]满足稳定要求基本组合（1）K's=3.13>[3.0]满足稳定要求特殊组合（1）K's=3.13>[2.5]满足稳定要求4.1.4.2强度指标分析当采用材料力学方法分析坝体应力时,《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)规定的强度指标如下：1、基本组合（1）1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书1.2.3.1）在各种荷载组合下，坝基面的最大铅直正应力σymax应小于坝基容许压应力（计算时分别计入和不计入扬压力最小铅直正应力σymin应大于零（计算时应计入扬压力）分析：ymax=3034.07KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=1768.57KPa＞0KPa满足要求计入扬压力：σymax=2503.31KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=847.59KPa＞0KPa满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书1.2.3.1）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=580＞0.25γh=0.25×10×171=427.5KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=4385.2KPa＜[σ混凝土]=6500KPa2、特殊组合(1)1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书1.2.3.2）分析：不计入扬压力σymax=3366.14KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=1597.2KPa＞0KPa满足要求计入扬压力σymax=2617.54KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=512.6KPa＞0满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书1.2.3.2）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=791＞0.25γh=0.25×10×176.4=441KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=4784.37KPa＜[σ混凝土]=6500KPa4.2溢流坝段设计泄水重力坝既是挡水建筑物又是泄水建筑物。其泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔泄水。在水利枢纽中，它可承担泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。设计泄水重力坝时，除应满足稳定和强度要求外，还需要根据洪水特性、水利枢纽布置、工程造价、水库运用方式及下游河道安全泄量等问题，经技术经济比较，研究确定泄水重力坝的位置选择、造水方式的组合、泄量分配以及堰顶和泄水孔口高程与位置等。4.2.1溢流重力坝的工作特点：溢流重力坝是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物，用于将规划库容所不能容纳的大部分洪水经由坝顶泄向下游，以保证大坝安全，溢流重力坝应满足的泄洪要求，包括：1、有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较高的流量系数；2、使水流平顺地流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象；3、保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲刷；4、溢流坝段在枢纽中的位置，应使下游流态平顺，不产生折冲水流，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；5、有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。4.2.2孔口设计溢流坝的孔口设计涉及很多因素，如：洪水设计标准、下游防洪要求、库水位壅高有无限制，是否利用洪水预报、泄水方式及枢纽所在地段的地形、地质条件等。设计时，先选定泄水方式，拟定若干个泄水布置方案(除表面溢流孔口外，还可配合坝身泄水孔或泄洪隧洞)，初步确定孔口尺寸，按规定的洪水设计标准进行调洪演算，示出各方案的防洪库容、设计和校核、洪水位及相应的下泄流量，然后估算淹没损失和枢纽造价，进行综合比较，选出最优方案。4.2.2.1孔口形式1、开敞溢流式这种形式的溢流孔除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其他漂浮物。堰顶可以设闸门，也可以不设不设闸门的溢流孔，其堰顶高程与正常蓄水位齐平，泄洪时,库水位壅高，淹没损失加大，非溢流坝顶高程也相应提高；但结构简单，管理方便，适用于洪水量较小、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，可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量。通常大、中型工种的溢流坝均装有闸门。由于闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H0的3／2次方成正比。随着库水位的升高，下泄流量可以迅速增大，因此，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到了广泛采用。2、大孔口溢流式上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据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，下泄水流和开敞溢流式相同；库水位高也孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。胸墙为钢筋混凝土结构，一般与闸墩固接；也有做成活动的，遇特大洪水时可将胸墙吊起，以提高超泄能力。根据枢纽布置，堰顶高程为158米，正常高水位堰上水头H正=175-158=17.0米，校核洪水位堰上水头H校=180.4–158=22.4米，估计完全用闸门挡水，当闸门全开时，可能出现堰顶溢流和闸孔出流两种情况，为满足防洪要求，校核洪水位下进行断面设计。4.2.2.2孔口尺寸1、单宽流量的确定通过调洪演算，可得出枢纽的总下泄流量Q总(坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和)，通过溢流孔口的下泄流量应为Q溢=Q总-αQ0教材《水工建筑物》[3—65]单宽流量的大小是溢流重力坝设计中一个很重要的控制性指标。单宽流量一经选定，就可以大体确定溢流坝段的净宽和堰顶高程。单宽流量愈大，下泄水流所含的动能也愈大，消能问题就愈突出，下游局部冲刷可能愈严重，但溢流前缘短，对枢纽布置有利，因此，一个经济而又安全的单宽流量必须综合地质条件、下游河道水深，枢纽布置和消能工设计、通过技术经济比较后选定。对一般软弱岩石常取Q=30～50m3/(s·m)左右；对地质条件好、下游尾水较深和采用消能效果好的消能工，可以选取较大的单宽流量。2、孔口尺寸和孔数的拟定：为满足泄洪能力的要求，孔口净宽初步拟定为8米，孔高初步拟定为17米，孔口数为22孔。（拟定时参考了坝前的几个特征水位而定）4.2.2.3确定孔口尺寸时应考虑以下因素1）泄洪要求。对于大型工程，应通过水工．模型试验检验泄流能力。2）闸门和启闭机械。孔口宽度愈大，启门力也愈大，工作桥的跨度也相应加大。比外，闸门应有合理的宽高比，常采用的b/h≈1.5～2.0。为了便于闸门的设计和制造，应尽量采用规范推荐的孔口尺寸。3）枢纽布置。孔口高度愈大，单宽流量愈大，溢流段愈短；孔口宽度愈小，孔数愈多，闸墩数也愈多，溢流段总长度也相应加大。4）下游水流条件。单宽流量愈大，下游消能问题就愈突出。为了对称均衡开启闸门以控制下游河床水流流态，孔口数目最好采用奇数。当校核洪水与设计洪水相差较大时，应考虑非常泄洪指数，如适当加长溢流前缘长度；当地形、地质条件适宜时，还可以像土坝枢纽一样设置岸边非常溢洪道。4.2.3溢流坝最大坝高和下游坡度的确定1、最大坝高的确定，溢流坝基开挖高程为4米。所以其坝高为185-4=181米。2、下游坝坡的确定参考基本资料得下游坝坡为1：0.74。上游坝坡为1：0。4.2.4泄洪能力的验算分别用校核洪水位和设计洪水位验算泄洪能力能否达到要求标准，即35260m3/s和23540m3/s,有关计算见（计算过程见计算书2.1.3）经验算得校核洪水位时计算泄流量为36430.66m3/s（36430.66-35260）/35260=3.32%<5%满足要求设计洪水位时下泄流量为24331.31m3/s（24331.31-23540）/23540=-3.36%<5%满足要求所以孔口尺寸的拟定满足泄洪能力要求。4.2.5闸门和启闭机闸门分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。工作闸门用来调节下泄流量，需在动水中启闭，要求有较大的启门力；检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门，建筑物及机械设备进行检修，在静水中启闭，启门力较小，事故闸门是在建筑物或设备出现事故时紧急应用，要求能在动水中关闭孔口。工作闸门一般设在溢流堰顶，在时为了使溢流面更陡一些，可将闸门设在靠近堰顶不远的下游处。检修闸门和工作闸门之间应留有效期的净实。以更进行检修。全部溢流孔口通常备有1-2个检修闸门，交替使用。常用的工作闸门有平面闸门和弧形闸门。根据枢纽选择平板闸门。其主要优点是：结构简单，闸墩受力条件较好，各孔口共用一个活动式启门机；缺点是：启门力较大，闸墩较厚。弧形闸门的优点是：启门力较小闸墩较薄，无门槽、水流平顺；缺点是：闸墩较长，且受力条件较差。检修闸门可以采用平面闸门、浮箱闸门、也可采用比较简单的叠梁。本枢纽选择平面闸门。启闭机有活动式的和固定式的。活动式启闭机多用于平面闸门，可以秉用于启吊工作闸门和检修闸门。固定式启闭机固定在工作桥上，多用于弧形闸门，所以在检修闸门和工作闸门上选用活动方式启闭机。4.2.6闸墩和工作桥闸墩承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支承，闸墩的平面形状，在上游端应使水流平顺，减小孔口水流的侧收缩；下游端应减小墩后水流的水冠和冲击波。上游端采用圆弧曲线；下游端一般用流线型或圆弧曲线，本枢纽中下游端也采用圆弧曲线。如图4—4所示：C闸墩厚度与闸门形式有关。弧开闸门闸墩的最小厚度为1.5～2.0m，如果是缝墩，墩厚要增加0.5～1.0m。由于闸墩较薄，需要配置受力钢筋和温度钢筋。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求。平面闸门多用活动式启闭机。当交通要求不高时，工作桥可兼做交通桥使用，否则需要另设交通桥。门机高度应能将闸门中门槽。在正常运用中，闸门提起后可用锁定装置挂在闸墩上。弧形闸门一般采用固定式启门机，为将闸门吊至溢流以上，需将工作桥提高。交通桥则要求与非溢流坝坝顶齐平。为了改善水流条件，闸墩需向上游伸出一定长,并将这部分做到溢流坝顶以下约一半堰顶水深处。溢流坝两侧设边墩也称边墙，一方面起闸墩的作用，同时也起分隔溢流段和非溢流段的作用。边墩高度由溢流水深决定，并应考虑溢流面上由水流冲击波和掺气所引起的水深增高，一般高出水面1-1.5m。当采用底流式消能工作时，边墩还需延长到消力池末端或导墙。当溢流坝与水电站并列时，导墙长度要延伸到厂房后一定的范围，以减小溢流时尾水波动对电站运行的影响。为了防止温度裂缝，在导墙上每隔15m左右做一道伸缩缝，缝内做简单的止水以防溢流时漏水。导墙的顶部厚度为0.5～2.0m，下部厚度根据结构计算确定。4.2.7横缝的布置溢流坝段的横缝，有以下两种布置方式（1）缝设在闸墩中间，当各坝段间产生不均匀沉降时，不致影响闸门启闭，工作可靠，缺点是闸墩厚度较大2）缝设在溢流孔跨中，闸墩较薄，但易受地基不均匀沉降的影响，且水流在横缝上流过，易造成局部水流不顺。本工程检修闸门定为宽×高=9×18，厚度为0.7m，墩长为35米，隔水导墙厚3m，中墩厚13m，共设两个边墩厚17m，其中检修闸门槽深0.85m，宽1.5m，错距0.11m。墩顶部高程为183.8m，与挡水坝段平齐。工作闸门定为宽×高=9×18，厚度为0.7m，其门槽深0.85m，4.2.8空化和空蚀在自然条件下，水体中含有很多很小的气核，当过坝水流中某点的压力降至饱和蒸汽压强，气核迅速膨胀为小空泡，这种现象称为空化。当低压区的空化水流流经下游高压区时空泡遭受压缩而溃灭，由于溃灭时间极为短暂(一般只有千分之几秒)，会产生一个很高的局部冲击力(可达几千个大气压)，若空泡溃灭发生在靠近过水坝面，局部冲击力大于材料的内聚力时，可使坝面遭到破坏，这种现象称为空蚀。根据《水工设计手册》第六册P293，在不允许出现空穴，从而也不致空蚀的条件是σ>σk,其中σ——水流实有空化数，σk——临界空化数。（计算过程见计算书2.2）4.2.9剖面设计4.2.9.1消能形式的确定1、消能形式的种类消能工消能是通过局部水力现象，把一部分水流的动能转换成热能，随水流散逸。实现这种能量转换的途径有：水流内部的紊动、掺混、剪切及旋滚；水股的扩散及水股之间的碰撞；水流与固体边界的剧烈磨擦和撞击；水流与周围气体的磨擦和掺混等。消能形式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质、水文、施工和运用等条件确定。消能工的设计原则是：①尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的磨擦上；②不产生危及坝体安全物河订或岸坡的局部冲刷；③下泄水流平静，不影响枢纽中其他建筑物的正常运行；④结构简单，工作可靠；⑤工程量小。常用的消能工形式有：底流消能、面流消能、挑能消能和消力戽消能等。其中挑能消能方式应用最广、底流消能方式次,而戽流和面流消能方式一般应用较少。随着坝工建设的迅速发展，泄洪消能技术已有不少新的进展，主要表现在：①常见的底流和挑流消能方式有了很大的改进与发展，增强了适应性和消能效果；②出现了一些新型高效的消能工；③因地制宜采用多种消能工的联合消能形式。1）底流消能底流消能是通过水跃,泄水建筑物泄出的急流转变为缓流通，以消除多余动能的消能方式。消能主要靠水跃产生的表面旋流通与底部主流间的强烈紊动、剪切和掺混作用。底流消能具有流态稳定、消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头，但护坦较长，土石方开挖量和混凝土议题方量较大，工程造价较高。2）挑流消能挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。能量耗散大体分三部分：急流沿固体边界的磨擦消能；射流在空中与空气磨擦、掺气、扩散消能；射流落入下游尾水中淹没紊动扩散消能。挑能消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范围和流量分布，对尾水变幅适应性强、结构简单，施工、维修方便，耗资省。但其下游冲刷较严重，堆积物较多，尾水波动与雾化都较大。挑流消能适用于基岩较坚固的中、高水头各类泄水建筑物，是应用非常广泛的一种消能工。设计的主要内容有：选择鼻坎形式，确定鼻坎高程、反弧半径、挑角，计算挑距和下游冲刷坑深度。从大坝安全考虑，希望挑射距离远一些，冲刷坑浅一些。3）面流消能利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且系沿河订流向坝趾，河床一般不需加固。但需注意防止水滚裹挟石块，磨蚀坝脚地基。面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰，漂木要求的情况。4）消力戽消力戽的挑流鼻次潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面，戽内的旋滚可以消耗大量能量，因此高速水伏在表面，也减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深(大于跃后水深)且变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸抗冲能力较强的情况。高速水流在表面，不需做护坦，但水面波动较大，其特点与面流消能工相同。2、消能方式的确定计算过程见计算书，根据本工程各方面条件，选择挑流消能。4.2.9.2消能防冲设计计算过程见计算书2.4）挑流消能是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部份能量，水流进入水垫后，发生强烈的摩擦，旋滚，冲刷河床形成冲坑，其余大部分能量消耗于冲坑中。这种方式比较经济，一般适用于高水头，大流量，基岩较坚固的高坝或中坝。根据地形地质条件，本工程选用挑流消能。为使表孔和深孔的挑流水舌入水位置前后不错开，达到减轻下游冲刷的目的，挑射角φ=100，挑流鼻坎应高出下游最高水位1－2m取鼻坎高程为90m。1、反弧半径的确定确定反弧半径R为R=(4—10)h＝19.84－49.6m取R=30m2、水舌的挑距L及可能最大冲坑的深度tk的估算经计算水舌挑距L=224.15m最大冲坑水垫厚度tk=44.43m2=79.1,所以对下游河床底不能产生冲刷坑，由此可知，挑流消能形式不会影响大坝的安全。4.2.9.3曲面设计（计算过程见计算书2.3）堰顶高程为▽158米，堰面曲线主要由堰顶上游曲线段、中间直线段、反弧段三部分组成。1、上游前缘曲线段WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分上游段和下游段两部分，上游段的曲线方程为X2/8.42+（4.8－Y）2/4.82=12、堰顶下游曲线段采用WES型溢流堰顶部曲线段，及OB段坐标原点O在堰顶计算过程见计算书2.3.2）X1.85＝2.0×220.85Y据此方程可绘出曲线OB段，所以B点坐标为（Xb，Yb）因为曲线OB和BC相切，所以求得Xb=22，Yb=11根据参考资料可知直线斜率为1：0.74的下游直线BC与曲线OB相切与B点。B点坐标为xb、yb可求。直线BC与反弧段交于C点。C点坐标为xc、yc可求。（见计算书2.3.3）4、反弧段（计算过程见计算书2.3.4）坝下游反弧半径r按下式计算：r0.25－0.5）×（Hd+Zmax）其中Zmax为上下游水位差97.3米所以r＝26.21－52.41米取资料参考值30米，反弧段圆心为O'，反弧曲线的上端与直线BC相切与C点，下端与河床相切与D点。综上可绘得溢流堰面剖面曲线图如下图4—5所示。OΛΛ22(22C7 3,6274)74.2.10荷载计算（计算过程见计算书2.5.1）4.2.10.1荷载组合1）基本组合（1正常蓄水位▽175米以下；荷载有：自重+静水压力+动水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力2）特殊组合（1校核洪水位▽180.4米以下；荷载：自重+动水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力+静水压力静水压力：包括上、下游水平水压力、垂直水压力、动水压力。扬压力：与挡水坝段相同也分成六块进行计算（详见挡水坝段泥沙压力：与挡水坝段计算方法相同，溢流坝段前库内淤积高程hS=88.00m；浪压力：与挡水坝段计算方法相同；4.2.11溢流坝段稳定及应力计算结果见表4—2表4—2溢流-144747.97-144747.97-138614.9-138614.9-.24-.13'Ksσxuσxdτu0000τdσ2uσ2d004.2.12强度稳定指标分析总结4.2.12.1稳定指标分析按抗剪强度公式计算过程见计算书2.5.2）基本组合（1）Ks=1.37>[1.1]满足稳定要求特殊组合（1）Ks=1.29>[1.05]满足稳定要求基本组合（1）K's=3.34>[3.0]满足稳定要求特殊组合（1）K's=3.28>[2.5]满足稳定要求4.2.12.2强度指标分析当采用材料力学方法分析坝体应力时,《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)规定的强度指标如下：1、基本组合（1）1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书2.5.3.1）在各种荷载组合下，坝基面的最大铅直正应力σymax应小于坝基容许压应力（计算时分别计入和不计入扬压力最小铅直正应力σymin应大于零（计算时应计入扬压力）分析：4.3深孔坝段设计不计入扬压力：σymax=4219.84KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=839.84KPa＞0KPa满足要求计入扬压力：σymax=3298.84KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=309.08KPa＞0KPa满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书2.5.3.1）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=580＞0.25γh=0.25×10×171=427.5KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=6223.14KPa＜[σ混凝土]=6500KPa2、特殊组合(1)1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书2.5.3.2）分析：不计入扬压力σymax=4336.63KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=744.63KPa＞0KPa满足要求计入扬压力σymax=2588.03KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=660.03KPa＞0满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书2.5.3.2）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=791＞0.25γh=0.25×10×176.4=441KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=6288.63KPa＜[σ混凝土]=6500KPa4.3.1深孔的剖面轮廓尺寸4.3.1.1混凝土坝坝身泄水孔的基本考虑。参考《水工设计手册》第六册（泄水与过坝建筑物）1、位置：不得靠近或跨越坝段分缝线，通常均布置在溢流坝段中心线上，深孔式泄水孔在平面上宜做直线分布，因其泄水孔内水流流速较高，容易产生负压、空蚀和振动；且水头损失较大，深水孔不宜设在溢流坝，因泄水孔出口易受溢流水封堵的影响，或泄水口之间相互冲击，引起水流扰动，在泄水口出口处产生空蚀。2、尺寸、形状、数量。3、高程与洞线：主要决定于水库的运用条件。本工程的泄水深孔与溢流表孔相结合，设置23孔，设计洪水位时下泄流量为48680m3/s，校核洪水位时下泄流量为50260m3/s。深孔的进口底高程须低于水库的枯季消落低水位155m，但应高于泄水孔前泥沙淤积高程▽综上所述设置深孔进口底高程为▽90米，出口底高程为▽80.71米4.3.1.2设计依据：《混凝土重力坝设计规范》深孔进口段的顶部一般采用椭圆曲线，有压段进出口面积不应小于1.7，渐变段应保持平顺，孔身底缘线可采用抛物线或缓坡。进口段应进行压力坡线计算，不得出现负压。4.3.1.3设计步骤：首先根据深孔的作用、位置、泄流能力、运用等情况选择深孔的形式，闸门形式。再进一步确定其尺寸。底孔一般由进口段、孔身、出口及消能四部分组成，各部分轮廓尺寸拟定参考教材。4.3.1.4深孔剖面设计：1、型式：按水流条件，坝身泄水孔可分为有压的和无压的；①、有压泄水孔工作闸门布置在出口，门后为大气，可以部分开启；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，常需钢板衬砌。为此，常在进口处设置事故检修闸门，平时兼用来挡水。②、无压泄水孔，工作闸门布置在进口，为了形成无压水流，需在闸门后将断面顶部升高，闸门可以部分开启，闸门关闭后孔道内无水。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。本工程综合考虑，深孔体型采用短有压管接明槽鼻坎挑流形式。2、闸门形式：事故检修门采用平板闸门，进口处工作门为弧形闸门。3、孔数及孔口尺寸：按泄量要求，经孔口位置与孔数，闸门尺寸的经济分析，最终选23孔，单孔宽×高=7×9米，进口高程为▽90米，出口高程为▽80.71米。（计算过程见计算书3.1）4、进口曲线：进口曲线应满足下列要求：①、减小局部水头损失，提高泄水能力。②、控制负压，防止空蚀。1）进口段顶面曲线AB段取1/4椭圆，曲线方程为X2/A2+Y2/(αA）2=1教材《水工建筑物》[3—86]2）侧面曲线仍取1/4椭圆X2/B2+Y2/(αB）2=1教材《水工建筑物》[3—86]则X2/4.52+Y2/1.32=13）下檐曲线用1/4圆弧，取半径为1米即R=1米。进口段如下图4—6所示：5、闸门：检修闸门采用平板门，需设门槽，查《水工设计手册》，检修门槽形式如图4—7所示W/D=1.4～2.5，取W=1.5米，D=0.85米。满足要求。6、由于是方形的孔，故无需作渐变段。7、出口压坡段：由于在出口处水流由有压流变成无压流，为了保证其水流仍为有压流，使之泄流时在孔壁不产生负压，出口面积缩小，需作一压坡段孔口，使孔高有9米降到8米，坡降多取1：5，则压坡水平的长度为L=1/0.2=5米。8、出口段：出口段采用压坡段，在出口处有压坡洞多采用挑流消能形式。反弧段采用单一圆弧，曲率半径40m，挑角270。4.3.2深孔坝段的坝体剖面尺寸；4.3.2.1深孔坝段上游挡水，上游坡可与挡水坝段相同，深孔设于坝体下部。4.3.2.2深孔全长：110m。4.3.3消能形式选择与水力计算4.3.3.1消能形式选择由于出口高程高于下游水位，宜采用有压隧洞的挑流消能方式。4.3.3.2消能防冲设计选取在设计洪水位、正常蓄水位、校核洪水位下开启深孔；尾水位也采取下游多年平均尾水位，设计洪水位和校核尾水位等各种组合，发现若在下游尾水位取多年平均情况，下游水深太大，现只按正常蓄水位和校核洪水位进行计算，所以泄流设备全开时，进行深孔消能防冲设计。因此，在运用中，禁止不泄洪情况下开启深孔放水或冲沙。剖面图如下图4—8所示。 071 20 071,13324.3.4深孔坝段稳定计算与应力分析计算结果见表4—3：表4—3-145102.91-145102.91-139411.25-139411.25-.06-.95'Ks0000004.3.5强度稳定指标分析总结4.3.5.1稳定指标分析按抗剪强度公式计算过程见计算书3.5.2）基本组合（1）Ks=1.57>[1.1]满足稳定要求特殊组合（1）Ks=1.49>[1.05]满足稳定要求基本组合（1）K's=3.65>[3.0]满足稳定要求特殊组合（1）K's=3.58>[2.5]满足稳定要求4.3.5.2强度指标分析当采用材料力学方法分析坝体应力时,《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)规定的强度指标如下：1、基本组合（1）1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书3.5.3.1）在各种荷载组合下，坝基面的最大铅直正应力σymax应小于坝基容许压应力（计算时分别计入和不计入扬压力最小铅直正应力σymin应大于零（计算时应计入扬压力）分析：不计入扬压力：σymax=3687.6KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=2049.38KPa＞0KPa满足要求计入扬压力：σymax=4156.8KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=128.4KPa＞0KPa满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书3.5.3.1）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=580＞0.25γh=0.25×10×171=427.5KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=5398.18KPa＜[σ混凝土]=6500KPa2、特殊组合(1)1）坝基面的正应力σy（运用期计算过程见计算书3.5.3.2）分析：不计入扬压力σymax=3790.76KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=1946.22KPa＞0KPa满足要求计入扬压力σymax=3042.14KPa＜[σ]=100MPa满足要求ymin=861.6KPa＞0满足要求2）坝体应力（运用期计算过程见计算书3.5.3.2）a、坝体上游面的最小主应力要考虑两种控制标准：作用力中不作用扬压力时σmin≥0.25γh分析：σdmin=791＞0.25γh=0.25×10×176.4=441KPa满足要求作用力中计入扬压力时要求σ≥0即σ为压应力分析：σdmin=0满足要求b、坝体下游面的最大主压应力、不得大于混凝土的允许压应力(不计入扬压力)分析：σdmax=5442.53KPa＜[σ混凝土]=6500KPa5.1坝体细部构造设计坝顶宽度主要应满足交通要求，启闭设备布置。不同的坝段（如挡水坝段、溢流坝段、电站坝段）可以布置成不同的宽度，但整体要求美观。因确定坝顶高程时已考虑风浪问题，故需设防浪墙。在坝面下游侧因交通安全需设混凝土栏杆，高度1.0米；栏杆柱采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构。坝面照明灯柱可设在混凝土栏杆柱上，上、下游两侧各一排。考虑四吨级卡车通过及错车要求，在公路桥上安装活动和启门机来开启检修闸门和工作闸门，公路桥宽取13米，路面采用双面排水，坝面预留排水孔。轨距取19米，用于检修闸门和工作闸门的启闭。5.1.2廊道系统为了满足灌浆、排水、外观、检查和交通等的要求，需要在坝体内设置各种不同用途的廊道。廊道有纵向廊道（平行与坝轴线）和横向廊道。按其作用分有坝基灌浆廊道、检查和坝体排水廊道。对于中等高度以上坝，一般沿坝高每隔15～30米设置一层，底层廊道应尽可能靠近基础，以便兼做帷幕灌浆和排水检查之用。本工程根据实际情况，基础排水廊道、上层观测廊道受电站引水洞、冲沙孔等限制，布置困难，只设一条基础灌浆廊道。1、帷幕灌浆廊道帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。灌浆廊道一般设在坝踵处，断面尺寸主要满足灌浆、钻孔机械、施工场地需求。本设计取宽2.5米，高3米，顶部为城门洞形，距上游坝面5米，底板厚取2.5米，高程因各坝段而不同。1）靠上游侧设排水沟，0.3×0.2m；2）帷幕灌浆孔，中坝设一排，孔距2.0m，深入基岩不透水层5.0m；3）排水沟，设一排孔距2.0m，深度取帷幕60%，顷角为10度4）排水槽，将排水孔内水引入排水沟，间距5m，15×15cm，廊道内要设深水井，水汇入后定时抽排至坝外。灌浆廊道沿地形向两岸逐渐升高，坡度小于40度，便于灌浆操作，通过横向廊道在下游侧如下图5—1所示灌浆廊道布置图。31M2315.1.3坝体分缝及止、排水系统5.1.3.1分缝：重力坝坝体内有三种缝：横缝、纵缝和水平施工缝。1、横缝：横缝垂直坝轴线，用于将坝体分成若干个独立的坝段，其作用是：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求。根据结构要求每隔15米设一条横缝。2、纵缝：为了适应混凝土的浇筑能力和减小施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，将一个坝段分成几个坝块，待温度将到稳定温度后在进行接缝灌浆，纵缝按其布置形式可分为：铅直纵缝、斜缝和错缝三种。本设计对挡水坝段，最大坝高181m，最大底宽133.2米，设2条纵缝；对深孔坝段、溢流坝段、电站坝段因宽度大，也需设1～2道纵缝。选取铅直纵缝（要求缝与斜边坡垂直待坝体降到稳定温度后再进行接缝灌浆。3、水平施工缝：水平施工缝是上、下层浇筑块之间的接合面。纵缝两侧相邻坝块的水平施工缝不宜设在同一高程，以免削弱坝体水平截面的抗剪强度。上层混凝土浇筑前，必须用风水枪或压力水冲洗施工缝面上的浮渣、灰尘和水泥乳膜，使表面成为干净的麻面，再均匀的铺一层2～3cm的水泥沙浆，然后浇筑。浇筑层高度在基础约束范围内1～3m；在基础约束以外，层厚3～6m，由施工机械程度、浇注方量而定。5.1.3.2坝体止水、排水1、坝体止水：坝体永久横缝内（包括上游坝面、溢流坝面及坝体下游最高水位的以下部位陡坡坝段与基岩接触面；坝体内廊道和孔洞穿过横缝处的周围都需要设止水。止水材料有紫铜片、塑料止水、橡胶止水等。《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)规定：高坝上游面附近的横缝止水采用两道止水片，第一道止水片至上游坝面间横缝内贴沥青油毡，并在横缝的第二道止水片与第一道止水片之间布置沥青井作为止水的辅助设施。对于廊道周围，下游侧可设置橡胶止水两道。止水沿高度方向，下部埋入基础0.5m，上部至最高水位以上，沥青井一直到坝顶。止水示意图如下图5—2所示。 1-混凝土塞4-沥青油毡2-止水铜片3-20cm×20cm沥青井因溢流坝段为墩间缝，堰面不需止水片。选取墩间缝原因：①、防止闸门扭曲；②、止水方便；③、防止溢流面冻融破坏；④、防止表面不平整。2、坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕。排水管幕至上游面的距离一般要求不小于坝前水深的1/10～1/12，且不小于2米，以便将渗透坡降控制在许可范围内。本枢纽选择距上游面5米处设垂直排水管幕，间距3米，与灌浆廊道相通，排水管用多孔混凝土管，内径20cm。5.2坝体混凝土分区坝体各部位的工作条件不同，对混凝土强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能的要求有所不同。为了节约与合理使用水泥，通常将坝体按不同的部位和不同的工作条件分为6区，采用不同标号的混凝土。混凝土分区的尺寸一般外部（I、II、III）区厚度最小2～3米，上游面的厚度比下游面大。基础混凝土（IV）区厚度一般为0.1L（L为坝底部边长并不小于3米。混凝土分区情况如下图5—3所示。挡水坝溢流坝坝身泄水深孔1区：上、下游水位以上坝体表层混凝土；要满足强度、抗冻要求以抗冻性为关键指标，查教材119页表3—17所示。2区：上、下游水位变化区的坝体表层混凝土；以抗冻性，抗渗性为关键指标。3区：上、下游最低水位以下坝体表层混凝土；以强度、抗渗性为关键指标。4区：靠近地基的混凝土；以强度和低热为关键指标。5区：坝体内部混凝土；以低热为控制指标。6区：有抗冲刷要求部位的混凝土溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等主要以抗冻性、抗渗性、强度为控制指标。5.3地基处理地基处理包括两方面的工作：一是防渗，二是提高基岩的强度和整体性。5.3.1坝基的开挖与清理坝基的开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。对于高坝可建在新鲜微风化或弱风化下部基岩上，岸坡坝段可适当放宽。本工程地质条件较好，岩体自上而下分为全、强、弱、微四个风化带，全强风化带平均厚15-30m，弱风化带平均厚9－10m，全部挖除，可以节省固结灌浆。当开挖到最后0.5～1.0米时，应采用手风钻钻孔，小药量爆破，防止基岩松动。（1）坝头：采用洞挖后回填混凝土刺墙伸入岸坡左岸20米，右岸20米。（2）开挖坡度要求：坝基开挖面不应向下游倾斜；在坝段缝处留有台阶便于支护模板施工。缝两侧至少为1米，开挖坡度应保证施工期边坡和永久性坡稳定。要小于各类岩土开挖允许边坡值。5.3.2固结灌浆目的是提高基岩的整体性和强度，降低地基的透水性。本设计建基面中优良岩体占98%，大坝建基岩体条件较好。主要对大坝基础应力变化较大和基础轮廓突变部位的浅部表层岩体及断裂构造带、边坡裂隙岩体进行固结灌浆加固处理。固结灌浆范围为坝踵及坝趾各1/4坝底宽范围，对断裂构造及其交切区，裂隙密集带等地质缺陷部位加强固结灌浆处理。5.3.3帷幕灌浆目的是降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌减少坝基渗透量。灌浆材料最常用的是水泥浆，防渗帷幕距上游6米处进行，钻孔方向垂直，深度到基岩不透水层5米，本工程地质条件较好，中坝可设一排灌浆孔，孔距取2米，帷幕灌浆采用“小口径钻孔，孔口封闭”，自上而下分段，孔内循环的高压灌浆工艺，最大灌浆压力4－6Mpa。灌浆需在浇筑一定厚度的坝体混凝土后施工。5.3.4坝基排水为了进一步降低坝底面的扬压力，应在防渗帷幕后设置排水幕。桩号0+7.0米，孔距2米，孔深取帷幕深60%，与帷幕成10度交角，倾向下游。5.3.5断面破碎带处理本坝基有两组断裂构造，一组走向北北西，主要断层有F23、F9、F540、F18、F20等，另一组走向北北东，主要断层有－F413、F7、F4、F6、F29、F410、等。其中F7、F4、F9、F23断层规模相对较大，宽度在2－5m之间。断层破碎带内的物质挤压，胶结良好，对坝基抗滑稳定不起控制作用，且不透水，只进行简单处理。采取开挖回填混凝土塞措施。混凝土塞宽度取断层宽1.5倍，延伸长度取1.5倍塞宽，成矩形。6.1剖面轮廓及尺寸6.1.1坝顶高程的确定由于设计洪水位与正常蓄水位相同，故取正常蓄水位和校核洪水位作为控制情况。坝底高程取挡水坝段最低点▽4.00m，坝顶高程为正常蓄水位▽175.00m，校核洪水位▽180.4m，确定静水面以上的高度Δh后，加上相应水位，取二者之间较大的作为水库坝顶高程。公式：hl=0.0166×V0Dhz=πhl2/L式中：△h——静水面以上最低高度，m；hl——波浪爬高高度，m；hz——波浪中心线至静水位的高度，m；L——波长，m；H——坝前水深，以m计；教材《水工建筑物》[3—56]教材《水工建筑物》[2—4]教材《水工建筑物》[2—5]教材《水工建筑物》[2—6]V0——计算风速,m/s,水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均风速的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，多年平均值为27.8m/s；D——库面的波浪吹程,km，本库区吹程为16KM；hc——安全超高（m据一级建筑物查教材P78表3-10，正常蓄水位为0.7m；校核洪水位为0.5m。1、正常蓄水位：L=10.4hl0.8=10.4×5.570.8hz=πhl2/L=π×5.572/41.09=2.37m因此设计蓄水位时坝顶高程▽=175+8.64=183.64m2、校核洪水位：hl=0.0166×V0D=0.0166×27.8×16=2.67mL=10.4hl0.8=10.4×2.670.8=22.hz=πhl2/L=π×2.672/22.82=0.98m因此校核洪水位时坝顶高程▽=180.4+4.15=184.55m取1、2两种情况的最大值为184.55m，取整最后坝顶高程取为185m。坝顶面高程＝坝顶高程－防浪墙高＝185－1.2＝183.8m6.1.2挡水坝段的剖面设计基本剖面如下图1—1所示77mm-根据基本假定，运用材料力学公式计算坝底应力，坝踵处应力为0，得到如下式《水工建筑物》上册（张光斗、王光纶著）对于重力坝沿坝基面的抗滑稳定性，对于初选坝面的初略计算，采用较为简单的抗剪强度公式，对于图示基本剖面有：同时由折减前后扬压力相等，有下式：《水工建筑物》上册（张光斗、王光纶著）αγH=γ1H2B+1/2α1γ(H1-H2)*(1-λ)B+α1γ(H1-H2)λB+1/2(1-α1)γ(H1-H2)*λB符号意义：B——坝底宽，(米)；H——坝高，(米)；H1、H2——上下游水位λ——上游坝坡的水平宽度与坝底宽的比值λ=nH/B；n——上游坝面坡度比；γ——水的容重，取10KN/m3；γh——混凝土的容重，取24KN/m3；α——扬压力的折减系数，河床坝段α=0.2～0.3，岸坡坝段α=0.3～0.5；f——混凝土与基岩之间的摩擦系数，一般取1.0～1.3之间；Ks——抗滑稳定安全系数，基本组合1.1，特殊组合1.05。其中，坝高为183.8-4=179.8m，▽4.00为坝底开挖线高程，查工程地质图得到。根据已建工程实例，廊道的最小宽度2～2.5m取2.5m。距离坝踵最小距离5m，取坝内廊道距坝踵5m。联立以上三个方程，解得λ=-0.85，取λ=0，B≈133.2m。上游坡度为1：n，将坝体上游面作成铅直面，故视为边坡为垂直，即上游坝坡坡率为n=0。下游坡度为1：m,即m=B/H=13