春河張谷水利樞紐工程

1、* 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院畢業(yè)設計成果設計項目名稱 春河張谷水利樞紐工程 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 指導老師： 任務下達日期： 2012 年 11月26日設計完成日期： 2012 年 12月23日*工程系春河張谷水利樞紐重力壩設計指導老師 *職業(yè)技術(shù)學院 * *摘要： 本設計對春河張谷水利樞紐進行了詳細的論述和設計，主要有設計說明書和設計圖紙兩部分。設計說明書主要包括：春河張谷流域狀況，樞紐布置，擋水建筑物的設計，泄水建筑物的設計，壩體細部構(gòu)造及地基處理設計。本樞紐以防洪和發(fā)電為主，本樞紐屬于大型等工程，永久性建筑物為1級，按規(guī)范要求，采用,1000年一遇洪水設計，10000一遇

2、洪水校核。水庫正常蓄水位303.0m，設計洪水位305.1m，校核洪水位307.3。其主要建筑物有：非溢流壩、溢流壩、泄水建筑物、消能設施等。關(guān)鍵詞：水利樞紐；設計；重力壩； 目 錄第一章 基本資料11.1 工程概況11.2 地形地質(zhì)情況11.3 水文氣象資料11.3.1 河流特性11.3.2 氣溫情況21.4 河流泥沙情況21.5 交通運輸21.6 水庫規(guī)劃資料21.7 特征水位21.8 限制條件21.9 水電站參數(shù)31.10 筑壩材料3第二章 樞紐布置42.1 樞紐及建筑物的分等分級42.2 建筑物形式42.2.1 工程地質(zhì)42.2.2 壩型選擇42.2.3 樞紐建筑物組成6第三章 擋水壩

3、段設計73.1 擋水壩段尺寸初步擬定73.1.1 壩頂高程的確定73.1.2 計算過程73.2 壩頂寬度83.3 壩底寬度83.4 壩面坡度93.5 排水管及灌漿廊道93.6 重力壩的荷載及組合93.6.1 自重93.6.2 靜水壓力103.6.3 揚壓力113.6.4 淤沙壓力123.6.5 浪壓力123.7 壩體穩(wěn)定計算133.7.1 壩基邊緣應力計算143.7.2 垂直正應力計算14第四章 溢流壩段設計174.1 溢流壩剖面形狀174.1.1 泄水方式的選擇174.1.2 孔口凈寬的擬定174.2 初步擬定堰頂高程184.3 堰頂?shù)男问?84.4 消能設計204.4.1 消能方式204.

4、4.2 反弧半徑及挑射角214.4.3 消能驗算224.5 閘門、閘墩及導墻設計234.5.1 閘門形式的型式選擇及高度234.5.2 閘墩形狀及厚度244.6 導水墻的尺寸擬定25第五章 壩體細部構(gòu)造及地基處理設計265.1 壩頂構(gòu)造265.2 廊道、分縫、止排水設計265.2.1 基礎(chǔ)廊道265.2.2 壩體廊道265.2.3 壩體排水265.2.4 壩體分縫止水265.3 壩體混凝土的強度等級275.4 地基處理295.4.1 地基開挖與清理295.4.2 地基開挖的形狀及坡度295.4.3 基坑的清理295.4.4 壩基的帷幕灌漿295.4.5 壩基排水315.4.6 壩基的固結(jié)灌漿3

5、15.4.7 壩基斷層破碎帶的處理32致謝33參考文獻34*職業(yè)技術(shù)學院 春河張谷水利樞紐工程設計第一章 基本資料1.1 工程概況春河屬于山區(qū)河道，流域內(nèi)多高山峽谷，平原范圍甚小，流域內(nèi)山區(qū)占70，墾地占30。張谷以上河床平均坡度為1/600，以下平均坡度為1/1000。坡陡流急，暴雨急流時間甚短，每逢暴雨，山洪暴發(fā)，易泛濫成災，下游農(nóng)田受到洪水威脅。本樞紐位于春河上游山區(qū)，壩址選定在張谷，主要任務是防洪發(fā)電。1.2 地形地質(zhì)情況 張谷壩址右岸高山重疊，交通不便。左岸地勢較平坦，小丘陵綿延。在張谷上游地形開闊，可以蓄水，水庫庫容約13.5×108m。張谷是一個峽谷，兩岸懸崖陡壁，十分

6、險要，河岸狹窄，寬僅一百余米，是理想的筑壩地點。壩址地質(zhì)為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石，石質(zhì)堅硬。右岸山崗覆有薄層黃土。在壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為米，巖石風化厚度為米。左岸巖石露頭，節(jié)理不多，風化層有米多厚。經(jīng)過調(diào)查研究，已查明壩址附近無斷層。壩址基礎(chǔ)石英巖的抗壓強度為10001200公斤平方厘米，摩擦系數(shù)為0.65。抗剪斷摩擦系數(shù)為1.0 ，抗剪斷凝聚力為1.0MPa。本地區(qū)曾發(fā)生過輕微地震，據(jù)分析地震烈度為4級。1.3 水文氣象資料1.3.1 河流特性降雨為形成春河洪水的原因,本流域水災多由暴雨產(chǎn)生。洪水一般出現(xiàn)在10月份，因坡陡流急，洪峰漲落時間很短，一般為天。表1.1 各種

7、頻率下的最大洪峰流量（米3秒）頻率（）0.010.020.10.512510夏秋季1110010060902077007300675060005400冬春季3503302851.3.2 氣溫情況本流域氣候溫和，年平均溫度約為17，最低月平均溫度為4.6，極少冰凍現(xiàn)象，最高月平均溫度為33.9，故夏季亦不太熱，一年四季都可以施工。1.4 河流泥沙情況泥沙大部分是頁巖風化的產(chǎn)物，顆粒很細。據(jù)資料統(tǒng)計，多年平均輸沙總量為185萬立方米。每立方米淤積泥沙單位重為1.32噸立方米。在預留淤沙庫容時，水土保持有效年限估計為30年。其它水庫最大吹程為19.5公里，多年平均最大風速為14米秒。1.5 交通運輸

8、春河灘多流急，航行不便，故暫可不考慮航運問題。春河左岸有公路干線通過，公路干線距壩址左岸2公里，交通較便，右岸則僅有山區(qū)小道。本工程壩頂無交通要求。1.6 水庫規(guī)劃資料規(guī)劃部門根據(jù)滿足各水利專業(yè)部門的需要，提出了下列數(shù)據(jù)，可作為設計水工建筑物的依據(jù)。1.7 特征水位水電站正常高水位：303米最有利工作深度：41米設計洪水位：千年一遇（P=0.1%）設計標準，設計洪水位305.1米，相應下泄流量5350米3秒，相應下游水位213.2米。校核洪水位：萬年一遇（P=0.01%）校核標準，校核洪水位307.3米，相應下泄流量6700米3秒，相應下游水位214.5米。1.8 限制條件汛前水位：299米水

9、庫最高水位不得超過：308米1.9 水電站參數(shù)電站裝機容量：105000千瓦 機組數(shù)目：3臺電站最大引用流量：140米秒1.10 筑壩材料石料 距壩址上游一公里處，兩岸石英巖及頁巖可大量開采，而且石質(zhì)良好。在25次凍融之后，抗壓強度為900公斤平方厘米。砂料 距壩址上游三公里處，灘地有堅硬的礫石和粗砂，蘊藏量約有四十萬立方米，砂為石英顆粒，是風化產(chǎn)物。土料 距壩址上游五公里處有粘壤土，蘊藏量約為20萬方，其內(nèi)摩擦角為20°(飽和的) ，天然干容重=1.6噸米3，滲透系數(shù)值為¯厘米秒。木材 可自距壩址15公里的深山內(nèi)取得。水泥、鋼材可由公路自離壩址60公里處的龍城運來。34第

10、二章 樞紐布置2.1 樞紐及建筑物的分等分級根據(jù)項目資料，在張谷上游地形開闊，可以蓄水，水庫庫容約13.5×108m，查表（課本P7表1-1）可判斷該工程為大（1）型級工程；由電站裝機容量為105000kw可判斷為中型級工程。對于綜合利用的水利水電工程，其工程等別應按其中最高等別確定，所以該工程為大型級工程。我們所設計的建筑物為大壩，屬永久性水工建筑物，查表（課本P8表1-2）可得該大壩工程等級屬于1級，該工程次要建筑物等級屬于3級。2.2 建筑物形式2.2.1 工程地質(zhì)壩址地質(zhì)為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石，石質(zhì)堅硬。右岸山崗覆有薄層黃土。在壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為米，

11、巖石風化厚度為米。左岸巖石露頭，節(jié)理不多，風化層有米多厚。經(jīng)過調(diào)查研究，已查明壩址附近無斷層。壩址基礎(chǔ)石英巖的抗壓強度為10001200公斤平方厘米，摩擦系數(shù)為0.65?？辜魯嗄Σ料禂?shù)為1.0 ，抗剪斷凝聚力為1.0MPa。本地區(qū)曾發(fā)生過輕微地震，據(jù)分析地震烈度為4級。綜上，壩址地址結(jié)構(gòu)良好，覆蓋層較薄，開挖工程量小，且河流流向與壩軸線大致垂直，對河流兩岸的沖刷損害小。2.2.2 壩型選擇目前，應用比較多的壩型有重力壩、拱壩和土石壩。在選擇壩型時，要根據(jù)壩區(qū)的地質(zhì)、地形條件、筑壩材料、施工技術(shù)、施工條件、施工導流等眾多因素來定。拱壩理想的地形是壩址上游較為寬闊，左右岸對稱，岸坡平順無突變在平面

12、上向下游收縮的峽谷段，因此綜合地形因素本壩址不適合拱壩的修筑，重力壩和土石壩在考慮范圍之內(nèi)。對這兩種壩型進行比較后再作選擇?？紤]到本樞紐主要承擔了發(fā)電、防洪任務，而且在校核洪水位時的流量和泄流量都較大，需要開敞式的壩體泄流樞紐，由于土石壩自身不能在壩頂溢流的缺點，不能夠滿足防洪時泄流的需要，結(jié)合當?shù)氐牡匦?、地質(zhì)、建筑材料等因素，故選用混凝土重力壩作為壩型。重力壩主要依靠壩體自重產(chǎn)生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求；同時依靠壩體自重產(chǎn)生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求。重力壩之所以得到廣泛應用，是因為其具有以下幾個方面的優(yōu)點：（1）安全可靠。重力壩剖面尺寸大，壩內(nèi)應力較低，筑壩材料強度

13、高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、滲漏、地震和戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強。（2）任何形狀的河谷都可以修建重力壩。（3）樞紐泄洪問題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內(nèi)不同高程設置泄水孔，一般不需要另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。（4）便于施工導流。在施工期可以利用壩體導流，一般不需要另設導流隧洞。（5）施工方便。大體積混凝土可以采用機械化施工，在放樣、立模和混凝土澆筑方面都比較簡單，并且加強、修復、維護或擴建也比較方便。重力壩的缺點主要是壩體剖面尺寸大，材料用量多，把體應力較低，材料的強度不能充分發(fā)揮，而且需要嚴格的溫度控制措施，壩體與地基的接觸面積大，相應的壩體揚壓力大，對穩(wěn)定不利。重

14、力壩的形式比較多，主要可分為實體重力壩、碾壓混凝土重力壩、漿砌石重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩等。下面介紹比較常用的幾種壩型，它們各自的優(yōu)缺點如下：（1）碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩相比，具有以下一些優(yōu)點：工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發(fā)揮工程效益；膠凝材料用量少，特別是水泥用量減少；由于水泥用量減少，結(jié)合薄層大倉面澆筑，壩體內(nèi)部混凝土的水化熱溫升可大大降低，從而簡化了溫控措施；不設縱縫，節(jié)省了模板和灌漿等費用；可使用大型施工機械設備，提高混凝土運輸和填筑的工效。但也有一定缺點，如：壩體混凝土分區(qū)；各區(qū)域內(nèi)混凝土的級別。（2）實體重力壩的主要優(yōu)點就是，結(jié)構(gòu)相對比較簡單，施工比較

15、方便，并且有豐富的經(jīng)驗技術(shù)，施工過程中質(zhì)量容易控制。其不足之處就是壩體體積較大，揚壓力也比較大，施工時不利于混凝土的散熱。（3）漿砌石重力壩具有以下一些優(yōu)點：便于就地取材，節(jié)省水泥；節(jié)省模板，減少腳手架，因而減少木材用量，同時減少施工干擾；施工技術(shù)容易掌握。但也有不少缺點，如：砌體質(zhì)量不易均勻；不易采用機械化施工，需要大量勞動力；砌體本身防滲性能差，需另作防滲處理。（4）寬縫重力壩具有以下一些優(yōu)點：充分利用了混凝土的抗壓強度；揚壓力顯著降低；節(jié)省混凝土方量。但也有一些缺點，如：增加了模板用量，立模也較復雜；分期導流不便；在嚴寒地區(qū)，對寬縫需要采取保溫措施。綜合以上內(nèi)容，結(jié)合工程中有豐富的砂石料

16、場、地質(zhì)、地形條件等因素，采用混凝土實體重力壩作為壩型。2.2.3 樞紐建筑物組成本樞紐建筑類型主要由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電建筑物組成。擋水建筑物采用混凝土實體重力壩，泄水建筑物采用溢流壩，泄水方式采用開敞溢流式，閘門采用弧形鋼閘門。電站廠房采用壩后式，布置在泄洪壩段的右側(cè)。第三章 擋水壩段設計3.1 擋水壩段尺寸初步擬定3.1.1 壩頂高程的確定波浪要素按官廳水庫公式計算：hl=0.0166V5/4D1/3（m）；（m）；（m）；（一般峽谷水庫因，所以：）；其中：為計算風速，m/s。正常蓄水位和設計洪水位時，宜采用相應洪水期多年平均最大風速的1.52.0倍，校核洪水位時，宜采用相應洪水

17、期最大風速的多年平均值。吹程，m；波長，m；波浪高度，m；波浪中心線高于靜水位的高度，m；壩前水深，m；超高，m； 安全加高（根據(jù)建筑物的安全級別可查表2-2，課本P16，由于該工程的結(jié)構(gòu)安全級別為級，故查得hc設=0.7，hc,校=0.5）。3.1.2 計算過程設計：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=1.21m設計:L=10.4

18、×(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設計：hz=0.70×1.00=0.70m校核：hz=0.40×1.00=0.40mhc安全超高，根據(jù)壩的等級為等：校核時，hc=0.7m；設計時，hc=0.5m。由以上可得壩頂超高為：設計時h=h1+hz+hc=2.01+0.7+0.7=3.41m 校核時 h=h1+hz+hc=1.21+0.4+0.5=2.11m則確定壩頂高程為：設計時Z壩頂=305.1+3.41=308.51m校核時Z壩頂=307.3

19、+2.11=309.41m取其中大者即309.41m,作為壩頂高程表3.1 壩頂高程計算表計算水位水庫水位計算風速吹程h1hzhc計算壩頂高程設計洪水位305.12119.52.010.70.7308.51校核洪水位307.31419.51.210.40.5309.413.2 壩頂寬度壩頂寬度一般情況采用壩高的8%10%，且不小于3m,當壩頂布置移動式啟閉機時，壩頂寬度要滿足安裝門機軌道要求，本次設計根據(jù)工程情況，壩頂寬度取10m3.3 壩底寬度 根據(jù)工程經(jīng)驗，壩底寬度一般為0.70.9倍的壩高。取底寬與壩高比為0.8：此時壩底寬 BB=0.8×（309.41-199）=88.33m

20、則大壩壩底寬取88.33m。 3.4 壩面坡度 上游壩坡取0.2，折坡點位于1/3壩高處，則折坡點高程為235.80m。下游坡面采用基本三角形頂點與校核洪水位齊平的剖面形式，則折坡處向上延伸與校核洪水位相交。根據(jù)幾何關(guān)系，可得坡度為1:0.75，下游折坡點高程為293.93m。3.5 排水管及灌漿廊道大壩在靠近上游壩面設置排水管幕，以減小壩體滲透壓力。排水管幕距上游壩面距離為5m,排水管采用無砂混凝土管，間距為3m,管徑為20cm,沿壩軸線一字排開，管徑鉛直，與縱向排水、檢查廊道相通，上下端與壩頂和廊道直通，便于清洗和排水。壩基灌漿廊道沿縱向布設在壩踵處，距上游壩面為11m,廊道底距基巖面4m

21、,在兩岸沿岸坡布置,尺寸采用4×5m。圖3.1 壩體主要尺寸（標注單位：cm）3.6 重力壩的荷載及組合3.6.1 自重壩體自重W(kN)的計算公式：W=cA式中：A壩體橫剖面面積，m3；壩體混凝土的重度，一般取23.524.0kN/m3。則,取混凝土重度為23.5W=23.5×4607.926=108286.26KN3.6.2 靜水壓力靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載，計算時常分解為水平水壓力PH和垂直水壓力Pv兩種。PH1(kN)計算公式為：PV=PH =PH1=式中：H計算點處的作用水頭，m。水的重度，常取9.81kN/m3。壩踵處所作的垂線與上游水面和上游壩面所

22、圍成圖形的面積，m2。h堰頂溢流水深，m。則水平水壓力：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垂直水壓力：上游PV1=661.664×9.81=6490.924KN下游PV2=89.811×9.81=881.046 KNPV=6490.924+881.046=7371.97 KN3.6.3 揚壓力揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。滲透壓力是由上下游水位差產(chǎn)生的滲流在

23、壩體內(nèi)或壩基面上形成的水壓力；浮托力是由下游面淹沒計算截面而產(chǎn)生向上的水壓力。揚壓力的分布與壩體結(jié)構(gòu)、上下游水位、防滲排水等因素有關(guān)。本工程在壩基處設有排水管孔，上游壩坡為0.2，排水孔中心線與壩底相交點距壩踵處距離T1=,12.36m,距壩趾處距離T2=88.33-12.36=75.97m。壩底寬度T=88.33m。浮托力按矩形分布計算，壓力強度為H2；滲透壓力呈折線分布，在壩踵處為全水頭水H，在排水孔中心線與壩底相交點處為水H，為揚壓力折減系數(shù)，可取=0.2。 校核情況下的揚壓力校核情況下，H1=307.3-199=108.3mH2=214.5-199=15.5mH=H1-H2=108.3

24、-15.5=92.8m U1 =水H2T=9.8×15.5×88.33=13417.33KNU2 =水HT2/2=0.2×9.8×92.8×75.97/2=6909.02KNU3 =(水H+水H)T1/2=(0.2×9.8×92.8+9.8×92.8)×12.36/2=6744.41KN校核情況下?lián)P壓力 U校 =U1+U2+U3=13417.33+6909.02+6744.41=27070.8KN3.6.4 淤沙壓力入庫水流攜帶的泥沙在水庫中淤積，淤積在壩前的泥沙對壩面產(chǎn)生的壓力叫淤沙壓力。淤積的規(guī)律是從

25、庫首至壩前，隨水深的增加而流速減小，沉積的粒徑由粗到細，一般計算年限取50100年。泥沙對壩體某點在鉛直面的壓力強度為rhtg(45°-/2)泥沙顆粒內(nèi)摩擦角=20°空隙率n=0.4其浮容重R=r-(1-n)r=6.8KN/mP= 6.8×36.8×tg30=144.47KNW= 0.5×6.8×9.8×36.8=1226.18KN3.6.5 浪壓力水庫水面在風的作用下生成風浪，對壩面產(chǎn)生浪壓力。波浪的三要素與風速、吹程和水深有關(guān)。風速越大，吹程越長，激起的波浪越大，先判斷水波是深水波、淺水波還是破碎波。壩前為校核水位時 H

26、=307.3-199=108.3 L=12.11臨界水深：Hcr=1.415則HL/2Hcr為深水波P=rL*(h+h)/4=47.77KN圖3.2 主要荷載示意圖綜上，校核情況下荷載組合見下表表3.2 荷載組合表荷載類別自重靜水壓力揚壓力浪壓力淤沙壓力大?。↘N）108286.26水平：56352.9827070.847.77水平：144.47垂直：7371.97垂直：1226.183.7 壩體穩(wěn)定計算 根據(jù)抗剪斷強度公式分別計算校核情況下重力壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K式中：f抗剪斷摩擦系數(shù)。本工程中f=1.0。 c抗剪斷凝聚力，KN/m2。本工程中c=1000 KN/m2。 A 滑動面面積。

27、W作用于滑動面以上壩體的力在鉛直方向投影的代數(shù)和。H用于滑動面以上壩體的力在水平方向投影的代數(shù)和。 U作用于滑動面上的揚壓力。 則：W=108286.26+7371.97+1226.18=116884.41H=56545.22KN代入公式得安全系數(shù)K正=3.2093.0安全3.7.1 壩基邊緣應力計算根據(jù)材料力學法計算正常高水位+揚壓力情況下的邊緣應力，分別要計算垂直正應力Y，水平正應力，剪應力和主應力。 3.7.2 垂直正應力計算Yu=式中：W 作用在計算截面以上壩體的全部荷載的垂直分力的總和（包括揚壓力），以向下為正。M 作用在計算截面以上壩體的全部荷載對截面形心的力矩總和以使上游產(chǎn)生壓應

28、力為正。T 壩體計算截面沿上游方向的長度，T=88.33mW = V-U=116884.41-27070.8=89813.61KN（1）壩體重力對截面形心的力矩M1=G1l1+G2l2+G3l3l1、l2、l3分別為力G1、G2、G3到截面形心的力臂l1=39.3ml2=31.8ml3=3.2m壩體重力對截面形心的力矩：M1 = G1l1+G2l2+G3l3=3182.46×39.3+25946.35×31.85+79157.45×3.2=1204765.766KM·m（2）鉛直方向靜水壓力對截面形心的力矩M2= W1l1¹+W2l2¹

29、;+W3l3¹l1¹、l2¹、l3¹分別為力W1、W2、W3到截面形心的力臂l1¹=40.49ml2¹ =41.71ml3¹ =40.30m鉛直方向靜水壓力對截面形心的力矩：M2 =W1l1¹+W2l2¹+W3l3¹=5314.76×40.49+1327.155×41.71-881.04×40.30=235044.36KM·m（3）水平方向靜水壓力對截面形心的力矩M3 =-P1l1¹¹+P2l2¹¹l1¹&

30、#185;、l2¹¹分別為力P1、P2到截面形心的力臂l1¹¹=34.3 ml2¹¹ =2.83m水平方向靜水壓力對截面形心的力矩： M3 = -P1l1¹¹+P2l2¹¹= -57530.205×36.8+1177.23×10.3=-2104986.08KM·m（4）泥沙壓力對截面形心的力矩M4=-Xlx+Ylylx、ly分別為力X、Y到截面形心的力臂lx= 24.53mly=41.71m泥沙壓力對截面形心的力矩: M4 = -Xlx+Yly= -144.47&#

31、215;24.53+1226.18×41.71=-47600.12 KN·m（5）揚壓力對截面形心的力矩M5= U1l1¹¹¹-U2l2¹¹¹-U3l3¹¹¹l1¹¹¹、l2¹¹¹、l3¹¹¹分別為力U1、U2、U3到截面形心的力臂l1¹¹¹ = 0ml2¹¹¹ =40.05ml3¹¹¹ =5.45m揚壓力對

32、截面形心的力矩: M5 = U1l1¹¹¹-U2l2¹¹¹-U3l3¹¹¹= 0-6909.02×40.05-6744.41×5.45=-239949.22KM·m（6）浪壓力對截面形心的力矩M=P×yM=47.77×6.85=327.23KN.m所以M = M1+M2+M3+M4+M5 = 1204765.766+235044.36-2104986.08-47600.12-239949.22= -952725.30KMm代入公式得Yu = 0.255Mp

33、aY = 1.901Mpa與規(guī)范比較，以上計算的應力滿足要求。 第四章 溢流壩段設計4.1 溢流壩剖面形狀4.1.1 泄水方式的選擇重力壩的泄水方式主要有開敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外還可以排除冰凌或其他漂浮物；設置閘門時，閘門頂高程大致與正常高水位齊平，堰頂高程較低，可利用閘門的開啟高度調(diào)節(jié)水位和下泄流量，適用于大中型工程，采用開敞式溢流水庫有較大的泄洪能力，本設計采用開敞式溢流。4.1.2 孔口凈寬的擬定孔口凈寬按以下公式計算：其中Q溢 下泄流量；Q單寬流量由水庫規(guī)劃資料可知設計洪水位達305.1m，相應下泄流量為5350 m3/s ；校核洪水位307.3m，相應下泄流量為6700m

34、3/s。q100150m/s。分別計算設計水位和校核水位情況下溢洪道所需的孔口寬度如下表表4.1 孔口凈寬計算表計算情況流量Q(m3/s)單寬流量q(m3/s)孔口凈寬B(m)設計水位535010015053.535.7校核水位670010015067.044.7根據(jù)以上計算，取孔口凈寬B=42m，設計洪水位時單寬流量為119m/s,?。好靠變魧抌=7m，孔數(shù)n=6。根據(jù)閘門的形式取閘墩厚度d3.5m，邊墩取2.5m，由上述計算每孔凈寬b7m。則溢流前緣總長L0為：L0nb+(n-1)d+2t =6×7+(6-1)×3.5+2×2.5=64.5m。4.2 初步擬定

35、堰頂高程由公式可確定堰上水頭，公式為其中e閘墩側(cè)收縮系數(shù)，與墩頭形式有關(guān)，取e=0.92；m流量系數(shù)，按WES溢流面曲線查武漢大學出版社出版水力學得m=0.502；g重力加速度，g=9.8m/s。當設計洪水位時， =5350 m3/s,B=42m,即=15.00驗算：當校核洪水位時，泄流量為6700 m3/s，=15m,代入公式求得孔口凈寬B為56.38m,對應的校核水位單寬流量q為118.84 m/s，不大于設計水位的單寬流量119m/s，滿足條件，說明設計合理。所以取溢流壩段堰上水頭 =15m,堰頂高程為: 308-15=293m。4.3 堰頂?shù)男问揭缌鲏雾斆媲€可以采用克奧型曲線和WES

36、曲線兩種型式。采用克奧型曲線時，溢流壩剖面往往超過穩(wěn)定和強度要求，其曲線的表達采用坐標形式，坐標內(nèi)插煩瑣且施工放樣不便。采用WES冪曲線，具有較大的流量系數(shù)，溢流壩剖面較小，便于施工放樣。WES堰頂曲線的表達式為：Hd剖面定型設計水頭，按堰頂最大作用水頭Hmax的75%95%選取。K，n與上游面坡度有關(guān)的參數(shù)，當上游壩面傾斜時，K=1.936，n=1.836。則上游壩面的設計水頭Hd=0.750.95Hmax,其中Hmax=307.3-293=14.3米，所以Hd的取值范圍為10.7313.59米，可取Hd=12米，堰的曲線部分的輪廓是根據(jù)Hd的大小決定的。經(jīng)計算，R1=6米，C1=2.1米，

37、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；取堰頂最高點處為坐標原點，R1、R2、R3對應的圓心坐標分別為O1(0,-6),O2(-1.26,-2.627),O3(-2.9016,-1.6319)。堰頂下游曲線方程為1.836=1.936Hd0.836。堰下游斜面坡度與非溢流壩段坡度相同，將上式左右兩邊對x求導可得1.836x0.836=1.936Hd0.836，即0.7476×1.8360.836=1.936Hd0.836。求得斜面與堰頂下游曲線的切點坐標為（18.107，13.192）。

38、下游曲線的坐標如下表：表4.2 堰面曲線坐標表x02468101214161818.11y00.20.821.742.944.446.208.2310.5113.0413.20圖4.1 堰面曲線4.4 消能設計4.4.1 消能方式通過溢流壩頂下泄的水流，具有很大的能量，必須采取有效地消能措施，保護下游河床免受沖刷。消能設計的原則是：消能效果好，結(jié)構(gòu)可靠，防止空蝕和磨損，以保證壩體和有關(guān)建筑物的安全。設計時應根據(jù)壩址地形，地質(zhì)條件，樞紐布置，壩高，下泄流量等綜合考慮。消能形式及原理：重力壩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，將沖刷建筑物及河床基巖，危及建筑物的安全。常用的消能形

39、式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等，他們的比較列于下表。表4.3 消能形式及其比較消能形式原理及其特點適用情況底流消能基本原理是使水流產(chǎn)生臨界水躍，通過表層旋滾消能；它常需要護坦，消力池等措施，對于基巖往往不夠經(jīng)濟。常用于水閘。挑流消能挑流消能，利用鼻坎將自溢流面下泄的高速水流向空中拋射，使水流擴散并卷入大量的空氣，然后落入下游河床的水墊中。水流在同空氣摩擦的過程中，消耗了約20%的能量。拋射到下游河床水墊后，形成強烈的旋滾區(qū)，沖刷河床形成沖坑，同時消耗掉大部分的能量。它一般適用于基巖上的水工建筑物，特別是高水頭、大流量的泄水建筑物。面流消能面流消能的原理是將高速水流挑至尾水面，在

40、標成主流和河床之間形成逆流漩渦和躍波，通過旋渦和主流擴散而消能。水流在表面可減輕對壩下河床的沖刷，但是可能水滾裹挾石塊，磨損壩腳地基。它適用于下游尾水較深，流量變化范圍小，水位變幅不大的情況，由于表層水流速很大，對下游的電站和航運有影響。消力戽消能它將鼻坎設置在水下，不形成自由水舌，水流在戶戽產(chǎn)生旋滾，經(jīng)鼻坎將高速主流挑射至水流表面，消耗大量動能。它一般適用于尾水較深，變幅較小，無航運要求，切地基條件比較好的情況。4.4.2 反弧半徑及挑射角根據(jù)地形地質(zhì)條件，工程規(guī)模要求，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經(jīng)驗，挑射=25°。根據(jù)下泄水流應該在高于下游最高水位大約12m處將水流挑出，鼻坎高程

41、可選用校核洪水位作為最高下游水位，則鼻坎高程為：214.5+1.5=216m可按下式求得反弧段的半徑 堰面流速系數(shù)，取0.96H庫水位至坎頂高差，H=305.1-216=89.1m 故算出V=0.96×41.78=40.12m3/sQ校核洪水時溢流壩下泄流量，(6700m3/s)B鼻坎處水面寬度，此處B=單孔凈寬+2×邊墩厚度B=78-2×2.5=73mmR=（410）hR=9.1622.9（m）根據(jù)經(jīng)驗，取R=21（m）此時反弧最低點高程：h=216+16×0.91-16 =214.56m4.4.3 消能驗算連續(xù)式挑流鼻坎的水舌挑距按水舌外緣計算，如圖

42、4.1，其估算公式為：式中：水舌挑距，m坎頂水面流速，按鼻坎處平均流速的1.1倍計坎頂垂直方向水深，m,坎頂至河床面高差，m圖4.2 挑流消能要素示意圖=2.29×cos25º=2.075m=216-190=26m最大沖坑水墊厚度估算公式： 式中：水墊厚度，自水面算至坑底沖坑深度單寬流量上下游水位差下游水深沖坑系數(shù)，堅硬完整的基巖=0.91.2，堅硬但完整性較差的基巖=1.21.5，軟弱破碎、裂隙發(fā)育的基巖=1.52.0取=0.9為了保證大壩的安全，挑距應有足夠的長度。一般當>2.55.0時，認為是安全的。不能滿足時，可通過模型試驗，結(jié)合工程實際進行論證。設計中符合要

43、求，所以安全。4.5 閘門、閘墩及導墻設計4.5.1 閘門形式的型式選擇及高度比較常見的閘門形式是平板和弧形門。平板直升閘門能滿足各種類型的泄水孔道的要求，所以他是應用最為廣泛的一種閘門形式：弧形門也是一種應用十分廣泛的門型，它一般可用于泄洪道和無壓泄水孔的泄水形勢。二者具有特性如下表所示：表4.4 閘門形式及其優(yōu)缺點 閘門形式優(yōu)點缺點平板門1、可封閉相當大面積的空口；2、建筑物順流方向尺寸較??；3、閘門結(jié)構(gòu)簡單，其制造、安裝和運輸工作相對來說比較簡單方便；4、門頁可以出孔口；5、門頁可以在孔口見互用；6、門頁可為數(shù)段，有利于泄洪和排沙；7、閘門啟閉設備比較簡單，對對移動式起門機適應性較好。1

44、、需要較高和較厚的閘墩；2、具有影響水流的門槽，特別是在水頭較高的情況，門槽會帶來很多的麻煩；3、需要啟閉力較大，故需選用超大的門機。弧形門1、可封閉相當大面積的空口；2、所需閘墩高度和厚度較小；3、沒有影響水流流態(tài)的門槽；4、所需的啟閉力較??；5、埋件數(shù)量少。1、需要較長的閘墩；2、閘門所占空間比較大；3、不能提出孔口以外進行維修；4、閘門所承受的總水壓力較大，不能在孔口間互換。根據(jù)工程基本情況，采用平板閘門門高=正常高水位-堰頂高程+超高（0.10.2）門高=305.1-293+0.1=12.2m 取13m4.5.2 閘墩形狀及厚度閘墩的墩頭形狀為上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置

45、工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程即309.41m。中墩厚度為3.5m，邊墩厚度為2.5m，溢流壩的分縫設在閘孔中間，故沒有縫墩。工作閘門槽深1m，寬1m，檢修閘門槽深0.5m，寬0.5m。如圖所示。圖4.3 中墩及閘門槽尺寸圖4.4 邊墩及閘門槽尺寸4.6 導水墻的尺寸擬定邊墩向下游延伸成導水墻，其長度延伸到挑流鼻坎的末端。平直段摻氣后水深估算公式為：式中：h、hb摻氣前、后的水深，mv摻氣前計算斷面的平均流速，m/s修正系數(shù)，一般為1.01.4m/s，v20m/s時，取較大值代入數(shù)據(jù)得hb=2.5×(1+1.4×40.12/100)=3.9m，則導水墻高度為3.9+0.

46、6=4.5m，導水墻需分縫，間距為21m，其橫斷面為梯形，頂寬取0.7m。第五章 壩體細部構(gòu)造及地基處理設計5.1 壩頂構(gòu)造壩頂上游側(cè)設置防浪墻，采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內(nèi)設止水。墻高為1.2m，厚度為15cm，以滿足運用安全的要求。，下游側(cè)設置欄桿、燈柱間距為1.5m，保護行人和行車安全。壩頂路面橫向坡度2%，設置有排水設施，排除路面雨水。路面排水與壩體內(nèi)排水連通或直接排入壩體內(nèi)。；路面設有人行道，高出壩頂路面2030cm。5.2 廊道、分縫、止排水設計5.2.1 基礎(chǔ)廊道廊道底部距壩基面4m，廊道底部高程為203m，上游側(cè)(中心點)距上游壩面7m

47、；形狀為城門洞形，底寬4m，高5m，內(nèi)部上游側(cè)設排水溝，并在最低處設集水井。平行于壩軸線方向廊道向兩岸沿地形逐漸升高，坡度不大于405.2.2 壩體廊道自基礎(chǔ)廊道沿壩高每隔20m設置一層廊道，共設4層。底部高程分別為223m、243m、263m、283m形狀為城門洞形，其上游側(cè)(中心點)距上游壩面5m，底寬2m，高2.5m，兩岸各有一個出口。5.2.3 壩體排水距離壩的上游面5m沿壩軸線方向設一排豎向排水管幕。管內(nèi)徑為20cm，間距為3m，上端通至壩頂，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用無砂混凝土管。5.2.4 壩體分縫止水為了防止壩體因溫度變化和地基不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫，滿足施工（混凝土的澆

48、筑能力和施工期的溫控）的需要，壩體需要分縫。常見的縫有：橫縫、縱縫、水平施工縫。橫縫。垂直于壩軸線，將壩體分成若干個壩段。間距（一般是相等的）為1220m,縫寬12cm。橫縫一般為永久性縫，縫面為平面，縫內(nèi)設置止水?？紤]溢流壩段分縫與溢流孔口相適應，且橫縫設在溢流孔跨中，故取間距為20m,橫縫寬度為2cm?？v縫。一般為豎縫形式，縫面應設置鍵槽，并埋設灌漿系統(tǒng)，并在蓄水前進行灌漿?？v縫與壩面應垂直相交，避免澆筑塊有尖角。間距為1530m,深孔壩段、寒冷地區(qū)、宜選用較小的間距。本設計中，縱縫間距采用20m。水平施工縫。壩體上下層澆筑塊之間的結(jié)合面稱水平施工縫。一般澆筑塊厚1.54m,靠近基巖面層厚

49、為1.52m，同一壩段相鄰澆筑塊水平施工縫的高程應錯開。止水與壩的級別和高度有關(guān)。高壩：止水采用兩道止水片，止水片間設瀝青井，兩道止水片均為紫銅片，厚度為1.01.6mm。中低壩的止水可適當簡化，中壩第一道止水片為紫銅片，第二道止水片可采用塑料或橡膠止水片。橫縫止水必須與基巖妥善連接，止水片一般埋入基巖內(nèi)的深度為3050cm，瀝青井也埋入基巖內(nèi)。橫縫止水，上游設兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片采用1.0mm厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面1.0m。兩道止水片間距為1m，中間設有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。在溢流壩頂?shù)谝坏乐顾c閘

50、門底部止水接觸（要分叉接在檢修門和工作門底止水處）；第二道止水片伸至溢流壩頂后，順溢流壩頂延伸至下游鼻坎。 5.3 壩體混凝土的強度等級壩體混凝土應滿足強度、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷、低熱、抗裂、硬化時體積變小等性能的要求。為了合理使用材料，壩體混凝土可按不同部位、不同工作條件采用不同的強度等級?；炷练謪^(qū)的尺寸：一般外部(、區(qū))混凝土各區(qū)厚度最小23m，上游面的厚度比下游面大，基礎(chǔ)混凝土(區(qū))厚度為0.1B(B為壩體底寬)，并不小于3.9m，不同強度等級混凝土之間要有良好的接觸帶。壩體分區(qū)圖如下圖所示其中，壩體各個區(qū)域表示的含義如下：區(qū)：上下游最高水位以上壩體外部表層混凝土厚度為3m；區(qū)：

51、上下游水位變化范圍內(nèi)壩體外部表層混凝土厚度為4.5m；區(qū)：上下游最低水位以下壩體外部表層混凝土厚度為4.5m；區(qū)：壩體基礎(chǔ)混凝土厚度為5m；區(qū)：壩體內(nèi)部混凝土；區(qū)：抗沖刷部位混凝土。非溢流壩1：0.2最低水位最高水位1：0.75最低水位最高水位溢流壩圖5.1 混凝土壩區(qū)分區(qū)示意圖5.4 地基處理天然地基常存在著不同程度的缺陷，必須經(jīng)過處理才可作為壩基礎(chǔ)。常用的處理方法有：開挖與清理、加固處理、壩基帷幕灌漿、基礎(chǔ)排水等方法。5.4.1 地基開挖與清理地基開挖是將天然基巖上的覆蓋層及承載力、抗剪強度不能滿足要求的巖石挖除。地基開挖的深度：根據(jù)壩基應力、巖石強度、完整性、上部結(jié)構(gòu)等對地基要求綜合確定

52、。一般低壩只需挖除表層風化破碎巖石；中壩宜挖到微風化或弱風化下部的基巖，高壩應挖到新鮮或微風化下部的基巖。岸坡地形較高的壩段，利用基巖的標準比河床部位適當放寬。5.4.2 地基開挖的形狀及坡度地基開挖是將天然基巖上的覆蓋層及承載力、抗剪強度不能滿足要求的巖石挖除。由于本設計為中壩，挖到微風化或弱風化下部的基巖即可。順河流方向宜開挖成略向上游傾斜的鋸齒狀（坡度1：0.51.1）。平行于壩軸線方向應盡量開挖成有足夠?qū)挾龋ㄒ话銥閴味伍L度的30%50%）的分級平臺，以利于壩的側(cè)向穩(wěn)定。此時應注意，壩體橫縫應位于平臺上，以不開挖成銳角為準。另外，相鄰臺階的高差不宜過大，一般不大于10m 。本工程設計中，

53、由于右岸山崗覆蓋有5米的沙壤土，巖石風化厚度為3米，左岸巖石露頭，風化層有3米，地基開挖時應將其挖除，將壩底面最低處設置在為188 m高程處，順水流方向開挖成鋸齒狀。5.4.3 基坑的清理在澆筑前必須清除碎渣、松動巖塊，打掉突出的尖角，并用高壓水壓水槍沖洗干凈，原有的鉆孔、探井、槽洞等也應回填、封堵。5.4.4 壩基的帷幕灌漿帷幕灌漿的目的：降低壩底的滲透壓力，減少繞壩滲漏，防止壩基內(nèi)產(chǎn)生滲透破壞，使帷幕后的壩基面滲透壓力降至允許值以內(nèi)。帷幕灌漿的范圍：河床及兩岸，灌漿的材料，一般采用水泥漿，必要時也可采用化學漿。位置：應在靠近上游壩面的壩軸線附近，自河床向兩岸延伸。鉆孔和灌漿常在基礎(chǔ)廊道內(nèi)，

54、靠近兩岸可在壩頂或平洞內(nèi)進行。帷幕灌漿鉆孔的方向：原則上應盡量穿過最多的裂縫和巖層層面。一般向上游傾斜的角度為0°10°。帷幕的深度：應根據(jù)壩高及壩基的透水性來確定。一般壩基的相對不透水層埋藏不深，帷幕應灌到相對不透水層以下35m；壩基的相對不透水層埋藏很深時，帷幕的深度為（0.30.7）；中小型工程，可按下式估算：(為帷幕孔深，為壩高。帷幕的排數(shù)：一般高壩可采用兩排，中、低壩可采用一排。對于兩排以上鉆孔組成的帷幕，其中一排鉆孔必須達到設計深度，其余各排的孔深為設計深度的(1/21/3)倍。圖5.2 防滲帷幕沿壩軸線的布置1-灌漿廊道；2-山坡鉆進；3-壩體鉆進；4-灌漿平洞；5-排水孔；6-正常蓄水位；7-原河水位；8-防滲帷幕底線；9-原地下水位線；10-蓄水后地下水位線孔距：一般為1.54m；排距：比孔距略小，一般為（0.80.9）倍孔距或1.53m?？讖剑?5110mm。灌漿壓力：灌漿壓力的大小，應通過試驗確定。一般為帷幕表層段不宜小于11.5倍壩前水頭，低孔不宜小于23倍壩前水頭。本設計中，防滲