春河章谷水利樞紐-重力壩設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要： 第一章基本資料1.1流域及樞紐任務(wù)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，章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(shí)間甚短，每逢暴雨，山洪暴發(fā)，易泛濫成災(zāi)，下游農(nóng)田受到洪水威脅，流域內(nèi)山區(qū)占70％，墾地占30％。本流域內(nèi)除糧食外，還出產(chǎn)棉花、桐油、木耳、藥材等，上游以發(fā)現(xiàn)銅、銀、鋅、鉛、鐵等礦很多，但目前尚未得到開(kāi)發(fā)，春河本身雖流量不大，但因地勢(shì)關(guān)系，水流遄急，蘊(yùn)藏著豐富的水力資源。春河灘多流急，航行不便，故暫可不考慮航運(yùn)問(wèn)題。春河左岸有公路干線通過(guò)，交通較便，右岸則僅有山區(qū)小道。本樞紐位于春河上游山區(qū)，壩址選定在張谷，主要任務(wù)是防洪發(fā)電。發(fā)電尾水可供下游農(nóng)田灌溉，規(guī)劃中僅在章谷以下120km規(guī)劃部門(mén)根據(jù)滿足各水利專業(yè)部門(mén)的需要，提出了下列數(shù)據(jù)，可作為設(shè)計(jì)水工建筑物的依據(jù)：水電站正常高水位1300.58m最有利工作深度41汛前水位1287m水庫(kù)最高水位不得超過(guò)1305.31設(shè)計(jì)泄水時(shí)下游安全泄量807m3/校核洪水時(shí)下游安全泄量956m3/電站裝機(jī)容量45000kw機(jī)組數(shù)目7臺(tái)電站最大引用流量140m３/水輪機(jī)型式HL-220-LH-2501.2水文氣象資料1.2.1河流特性降雨為形成春河洪水的原因,本流域水災(zāi)多由暴雨產(chǎn)生。洪水一般出現(xiàn)在7～10月份，因坡陡流急，洪峰漲落時(shí)間很短，一般為2～3天。表1-1各種頻率下的最大洪峰流量（m3/s）頻率（%）0.010.10.512510夏秋季1110902770730675600540冬春季350330285表1-2實(shí)測(cè)洪峰過(guò)程（m3/s）時(shí)間（h）04812162024283236流量（m3/s)3540108216486597512436373310時(shí)間（h）404448525660646872流量（m3/s)2481931561168863534031表1-3實(shí)測(cè)月平均流量（m3/s）月份123456789101112流量（m3/s)252432601801911831401701353522表1-4多年平均降雨量（mm）月份

項(xiàng)目123456多年平均降雨量（mm）10.734.244.156.9135165多年平均降雨日數(shù)（d）58.68.68.29.87.4月份

項(xiàng)目789101112多年平均降雨量（mm）191.618190.495.954.417.1多年平均降雨日數(shù)（d）1211.410.61110.85.4最多雨量發(fā)生在1952年，共計(jì)201mm，最少雨量發(fā)生在1954年，只有37mm。一日最大雨量達(dá)1961.2.2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，最高月平均溫度不超過(guò)表1-5每月的氣溫變化（℃）：月份123456789101112月平均溫度4.661217.123.425.528.529.223.115.111.88最高溫度20.121.829.535.638.140.24036.836.532.122.119.7最低溫度-9.5-9-3.1-3.15.111.616.111.79.93-6-9.3表中所示溫度皆以攝氏度℃表示。1.2.3河流泥沙情況泥沙大部分是頁(yè)巖風(fēng)化的產(chǎn)物，顆粒很細(xì)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，該工程多年平均輸沙量為3.57WT，，查得淤沙的飽和容重為19.5KN/m3。在預(yù)留淤沙庫(kù)容時(shí)，水土保持有效年限估計(jì)為30年。1.2.4其它本地區(qū)多年平均最大風(fēng)速為14m/s，設(shè)計(jì)情況計(jì)算風(fēng)速21m/s，校核情況風(fēng)速14m/s，吹程為1km。1.3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(shì)較平坦，小丘陵綿延。在張谷上游地形開(kāi)闊，可以蓄水，容納水量很多。張谷是一個(gè)峽谷，兩岸懸崖陡壁，十分險(xiǎn)要，河岸狹窄，寬僅一百余米，是理想的筑壩地點(diǎn)。壩址地質(zhì)為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石，石質(zhì)堅(jiān)硬。右岸山崗覆有薄層黃土。在甲壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為5m，巖石風(fēng)化厚度為3m。左岸巖石露頭，節(jié)理不多，風(fēng)化層有在乙壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層較厚，最后的達(dá)18m。風(fēng)化巖石最厚的達(dá)7經(jīng)過(guò)調(diào)查研究，已查明壩址附近無(wú)斷層。壩址基礎(chǔ)石英巖的抗壓強(qiáng)度為1000—1200kg/cm2，摩擦系數(shù)為0.65?？辜魯嗄Σ料禂?shù)為1.1，抗剪斷凝聚力為1.2MPa本地區(qū)曾發(fā)生過(guò)輕微地震，據(jù)分析地震烈度為4級(jí)。1.4工程材料、交通運(yùn)輸及勞動(dòng)力供應(yīng)情況1.4.1當(dāng)?shù)夭牧鲜稀鄩沃飞嫌我还锾?，兩岸石英巖及頁(yè)巖可大量開(kāi)采，而且石質(zhì)良好。在25次凍融之后，抗壓強(qiáng)度為900kg/cm2。砂料——距壩址上游3km處，灘地有堅(jiān)硬的礫石和粗砂，蘊(yùn)藏量約有40萬(wàn)m3，砂為石英顆粒，是風(fēng)化產(chǎn)物。土料——距壩址上游5km處有粘壤土，蘊(yùn)藏量約為20萬(wàn)m3，其內(nèi)摩擦角為20°(飽和的)，天然干容重γ=1.6t/m3，滲透系數(shù)Ｋ值為4ⅹ10-7cm/s木材——可自距壩址15公里的深山內(nèi)取得。1.4.2交通運(yùn)輸及勞動(dòng)力及機(jī)械供應(yīng)條件目前主要交通運(yùn)輸靠公路干線，公路干線距壩址左岸約2km。水泥鋼材可由公路自離壩址60km附近無(wú)施工動(dòng)力，機(jī)械可由甲城供應(yīng)。普通工人當(dāng)?shù)乜梢怨?yīng)三萬(wàn)人，技術(shù)工人可由甲城調(diào)來(lái)。第二章壩型選擇與主要建筑物的選擇2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由圖2-1下游水位流量關(guān)系曲線可知當(dāng)流量為零時(shí)，水位為1253m，即河床高程為1253m。假設(shè)向下開(kāi)挖地基3m，則壩基面高程為1253-3=1250m圖2-12.2工程等別經(jīng)查表（課本P10表1-1），由水庫(kù)總庫(kù)容為1490萬(wàn)m3(0.149億m3)可判斷該工程為中型Ⅲ級(jí)工程；由灌溉面積6.28萬(wàn)畝可判斷該工程為中型Ⅲ級(jí)工程；由電站裝機(jī)容量為2×250=500kw<1萬(wàn)kw可判斷為?。?）型Ⅴ級(jí)工程。對(duì)于綜合利用的水利水電工程，其工程等別應(yīng)按其中最高等別確定，所以該工程為中型Ⅲ級(jí)工程。我們所設(shè)計(jì)的建筑物為大壩，屬永久性水工建筑物，查表（課本P10表1-2）可得該大壩屬于3級(jí)主要建筑物，再查表（課本P11表1-3）可得該水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)。2.3壩基的力學(xué)參數(shù)由于巖體較完整，有一定強(qiáng)度，抗滑、抗變形性能受結(jié)構(gòu)面和巖石強(qiáng)度控制，可根據(jù)表1-4（《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》壩基巖體工程地質(zhì)分類及巖體力學(xué)系數(shù)表）判斷該壩基巖體的工程地質(zhì)分類為中硬巖Ⅲ等。從而根據(jù)規(guī)范可查得混凝土與壩基接觸面的抗剪斷參數(shù)為：，抗剪參數(shù)為：。2.4水文條件本樞紐屬于中型Ⅲ等工程，永久性建筑物為3級(jí)，按規(guī)范要求，采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，500一遇洪水校核。2.4.1淤積高程的確定該工程多年平均輸沙量為3.57萬(wàn)噸，本工程考慮正常運(yùn)行期為30年，查得淤沙的飽和容重為19.5KN/m3,則淤積庫(kù)容為：由圖1-2查得相對(duì)應(yīng)的淤積高程為1265m,淤沙高度為1265-1250=15m,由于淤積庫(kù)容2.4.2死水位及死庫(kù)容的確定在滿足一定生態(tài)要求的條件下，死水位越低死庫(kù)容越小，興利庫(kù)容越大，經(jīng)濟(jì)效益越高，所以一般死水位取略高于淤積高程，即取1270m。查圖2-2可得對(duì)應(yīng)的死庫(kù)容為108.99萬(wàn)m3，興利庫(kù)容=正常蓄水位以下庫(kù)容-死庫(kù)容=1188.99-108.99=1080萬(wàn)m3 圖2-2因此可得下表：表2-1特征水位上游水位（m）下游水位（m）庫(kù)容（萬(wàn)m3）溢流壩泄量（m3/s）校核洪水位1304.341258.141490965設(shè)計(jì)洪水位1303.431257.261413807正常蓄水位1300.581188.99死水位1270108.992.5氣象數(shù)據(jù)本地區(qū)多年平均最大風(fēng)速為14m/s，設(shè)計(jì)情況計(jì)算風(fēng)速21m/s，校核情況風(fēng)速14m/s，吹程為1km。2.6樞紐總布置根據(jù)對(duì)地形、地質(zhì)、天然建筑材料等因素的考慮，本工程選用混凝土重力壩方案。重力壩由溢流壩段和非溢流壩段組成。2.7壩址選擇經(jīng)地質(zhì)勘查和流域資料分析，壩址選在平直峽谷段(長(zhǎng)1.0km)的出口處，壩軸線長(zhǎng)度(兩岸等高線1310.0m間的距離)540.0m，左岸平均坡度1：0.5，右岸平均坡度1：0.45，下游500m開(kāi)始右岸有1.5km第三章非溢流壩設(shè)計(jì)3.1剖面設(shè)計(jì)3.1.1（1）波浪要素按官?gòu)d水庫(kù)公式計(jì)算：（m）；（m）；（m）；（一般峽谷水庫(kù)因，所以：）；其中：為計(jì)算風(fēng)速，m/s。正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，宜采用相應(yīng)季節(jié)50年重現(xiàn)期最大風(fēng)速，校核洪水位時(shí)宜采用相應(yīng)洪水期最大風(fēng)速的多年平均值?！党?，m；—波長(zhǎng)，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(jí)別可查表2-1，課本P34，由于該工程的結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，故查得，）。（2）其中：—正常蓄水位基本荷載組合作用下需要的超高；—校核洪水位時(shí)需要的超高。計(jì)算過(guò)程如下：1、在正常蓄水位中：取取則，在正常蓄水位時(shí)，超高為：則在正常蓄水位的情況下：防浪墻高程為=水位高程+超高=1300.58+1.46=1302.04m2、再校核蓄水位中：取取則在校核蓄水位時(shí)，超高為：則在校核蓄水位的情況下：防浪墻高程為=水位高程+超高=1304.34+0.97=1305.31m（3）經(jīng)計(jì)算可得下表3-1基本情況水位高程（m）V0m/skmmLmmmm防浪墻高程（m）正常蓄水位1300.582110.758.230.210.51.461302.04校核洪水位1304.341410.455.490.120.40.971305.31經(jīng)比較可知防浪墻墻頂高程=max(1302.04,1305.31)=1305.31m。假設(shè)防浪墻修1.2m高，則壩頂高程=1305.31-1.2=1304.11m，最大壩高=1304.11-1250=54.11m，取543.1.2壩頂寬度按規(guī)范，考慮交通需求，壩頂寬度取7m。3.1.3壩底寬度根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，壩底寬度一般為0.7～0.9倍的壩高。取底寬與壩高比為0.8：此時(shí)壩底寬B則大壩壩底寬取43m。3.1.4壩面坡度上游壩面采用鉛直；下游坡面采用基本三角形頂點(diǎn)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1:0.8，下游折點(diǎn)高程為1295.55m。因此可得非溢流壩段剖面尺寸如圖3-1。71305.3171305.311304.111304.341303.4312501280385圖3-1非溢流壩段剖面面尺寸1257.261258.14431:0.8541295.551300.583.2抗滑穩(wěn)定及壩基面應(yīng)力分析3.2.1荷載組合及計(jì)算選取兩種荷載組合進(jìn)行計(jì)算，分別為基本組合對(duì)應(yīng)的是設(shè)計(jì)洪水位，偶然組合對(duì)應(yīng)的是校核洪水位。由于壩基地質(zhì)條件不是很好，即在離壩踵5m處設(shè)置防滲帷幕和排水孔。滲透壓強(qiáng)系數(shù)。荷載分布如下圖3-2（沿壩軸線方向取1mUUWP1PsP2P2圖3-2荷載分布圖圖中P1為上游水壓力；P2為下游水壓力，W為壩體自重；U為揚(yáng)壓力,Ps為泥沙壓力。設(shè)壩基面水平，根據(jù)抗剪斷理論分析及其計(jì)算公式得：——大壩在任何水平截面以上的壩體所承受的總水平推力，KN；——為水平截面所承受的正壓力；——該平面上的摩擦系數(shù)（?。?； ——抗剪斷凝聚力（?。?；A——滑動(dòng)截面面積；設(shè)計(jì)洪水位時(shí)＝3.0；校核洪水位時(shí)＝2.5設(shè)下游壩面與水平地面的夾角分別為：，因?yàn)槠露葹?:0.8。可由三角函數(shù)得、7799544554453643736437圖3-3將壩體分為一個(gè)矩形和一個(gè)三角形，如上圖3-3其中矩形面積S矩；而在三角形中三角形高為h：，三角形的底長(zhǎng)為:。則三角形面積S△：設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算：依據(jù)表2-1可知，該河流上游水位為1303.43m,下游水位為1257.26m。則可得：上游水深H1=1303.43-1253=50.43m，下游水深H2=1257.26-1253=4.26m壩體自重：；上游水壓力：；下游水壓力：；水平方向分力：；豎直方向分力：；揚(yáng)壓力的計(jì)算：由于設(shè)置有防滲帷幕，滲透壓強(qiáng)系數(shù)。則壩底面上游處（壩踵）揚(yáng)壓力作用水頭為50.43m，排水孔中心處：m壩地面下游處（壩址）揚(yáng)壓力作用水頭H2=4.26m，各段之間都是直線連接?？偟膿P(yáng)壓力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如圖3-2所示：⑤泥沙壓力：則有所以滿足我國(guó)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SDJ21—78及其補(bǔ)充規(guī)定[(84)水電水規(guī)字第131號(hào)]所規(guī)定的按剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。校核洪水位時(shí)的抗滑穩(wěn)定性計(jì)算：依據(jù)表2-1可知，該河流上游水位1304.34m，下游水位1258.14m。則可得上游水深H1=1304.34-1253=51.34m下游水深H2=1258.14-1253=5.14m壩體自重：；上游水壓力：；下游水壓力：；水平方向分力：；豎直方向分力：；壓力的計(jì)算：由于設(shè)置有防滲帷幕，滲透壓強(qiáng)系數(shù)。則壩底面上游處（壩踵）揚(yáng)壓力作用水頭為51.34m。排水孔中心處：壩地面下游處（壩址）揚(yáng)壓力作用水頭H2=5.14m，各段之間都是直線連接?？偟膿P(yáng)壓力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如圖3-2所示⑤泥沙壓力：則有所以滿足我國(guó)《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SDJ21—78及其補(bǔ)充規(guī)定[(84)水電水規(guī)字第131號(hào)]所規(guī)定的按剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。3.2.2上下游壩面應(yīng)力計(jì)算重力壩設(shè)計(jì)時(shí)，除了按規(guī)范核算沿壩基面的抗滑穩(wěn)定要求，還要核定大壩在施工期和運(yùn)行期是否滿足強(qiáng)度要求。在一般情況下，壩體的最大、最小正應(yīng)力和主應(yīng)力都出現(xiàn)在上下游壩面，所以重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)核算上下游壩面的應(yīng)力是否滿足強(qiáng)度要求。基于以下三點(diǎn)基本假定：（1）壩體混凝土為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性的彈性材料；（2）視壩段為固接于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對(duì)壩體應(yīng)力的影響，并認(rèn)為各壩段獨(dú)立工作，永久橫縫不傳力；（3）假定壩體水平截面上的正應(yīng)力按直線分布，不考慮廊道等對(duì)壩體應(yīng)力的影響。應(yīng)用材料力學(xué)方法分析重力壩在正常蓄水位(1300.58m)下的應(yīng)力。為方便計(jì)算，假設(shè)下游水深為0m。如圖3-4建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為O，壩踵為O1,壩址為O2，則YYUUWP1PsO1O2O1O2X圖3-4①正常蓄水位時(shí)：上游水深H1=1300.58-1253=47.58m；下游水深H2=0上游水壓力：：②壩體自重：：③揚(yáng)壓力的計(jì)算：由于設(shè)置有防滲帷幕，滲透壓強(qiáng)系數(shù)。則壩底面上游處（壩踵）揚(yáng)壓力作用水頭為47.58m，排水孔中心處：壩地面下游處（壩址）揚(yáng)壓力作用水頭H2=0m，各段之間都是直線連接?？偟膿P(yáng)壓力為該圖中折線和壩底圍城的面積。如圖3-4作用點(diǎn)距壩踵：泥沙壓力：作用點(diǎn)距壩踵：對(duì)壩踵的彎矩：對(duì)壩址的彎矩：3.2.2.1上游：下游：壩踵、壩址處均沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足工程規(guī)范要求。3.2.2.2剪應(yīng)力（、）上游面水壓力強(qiáng)度和泥沙壓力強(qiáng)度和：下游面水壓力強(qiáng)度：上游揚(yáng)壓力強(qiáng)度：下游揚(yáng)壓力強(qiáng)度：上游剪應(yīng)力：說(shuō)明：剪力為零，說(shuō)明為主應(yīng)力面。下游剪應(yīng)力：其中n為上游壩坡坡率，，為上游壩面與豎直面的夾角。因?yàn)樯嫌螇纹裸U垂，故為0，n也為0；m為下游壩坡坡率，，為下游壩面與豎直面的夾角，易得m=0.8。3.2.2.3水平正應(yīng)力3.2.2.4主應(yīng)力第四章溢流壩剖面設(shè)計(jì)4.1泄水方式的選擇重力壩的泄水方式主要有開(kāi)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(shè)置閘門(mén)時(shí)，閘門(mén)頂高程大致與正常高水位齊平，堰頂高程較低，可利用閘門(mén)的開(kāi)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(kāi)敞式溢流水庫(kù)有較大的泄洪能力，本設(shè)計(jì)采用開(kāi)敞式溢流。4.2孔口凈寬的擬定孔口凈寬按以下公式計(jì)算：其中Q溢為下泄流量；q單寬流量。由已知條件：50年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為961m3/s；500年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為1572m3/s。經(jīng)調(diào)洪演算求得設(shè)計(jì)洪水位達(dá)1303.43m，相應(yīng)下泄流量為807m3/s；校核洪水位1304.34m，相應(yīng)下泄流量為965m3/s。q＝20～50m/s，表4-1:計(jì)算情況流量Q(m3/s)單寬流量q(m3/s)孔口凈寬B(m)設(shè)計(jì)水位80720～5040.35～16.14校核水位96520～5048.25～19.3根據(jù)以上計(jì)算，取孔口凈寬B=30m，設(shè)計(jì)洪水位時(shí)單寬流量為27m/s,為了保證泄洪時(shí)閘門(mén)的對(duì)稱開(kāi)啟，?。好靠變魧抌=5m4.3求溢流壩段凈寬L0根據(jù)閘門(mén)的形式取閘墩厚度d＝1.2m，由上述計(jì)算孔口凈寬b＝5m則溢流前緣總長(zhǎng)L0為：L0＝B+D=nb+(n-1)d=7×5+(7-1)×1.2=42.2m<454.4求堰上水頭H0由公式可確定堰上水頭，公式為其中——閘墩側(cè)收縮系數(shù)，與墩頭形式有關(guān)，取=0.92；m——流量系數(shù)，按WES溢流面曲線查武漢大學(xué)出版社出版《水力學(xué)》得m=0.502；g——重力加速度，g=9.8m當(dāng)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，=807m3/s,B=30m,即=5.57≈5.6m驗(yàn)算：當(dāng)校核洪水位時(shí)，泄流量為965m3/s，=5.6m,代入公式求得孔口凈寬B為35.6m,對(duì)應(yīng)的校核水位單寬流量q為27m/s，不大于設(shè)計(jì)水位的單寬流量27m/s，滿足條件，說(shuō)明設(shè)計(jì)合理。所以取溢流壩段堰上水頭=5.6m,堰頂高程為:1305.31-5.6=1299.71m。4.5堰型的確定溢流面由頂部曲線段、中間直線段和下部反弧段三部分組成。設(shè)計(jì)要求：（1）有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；（2）水流平順，不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞；（3）體型簡(jiǎn)單，造價(jià)低，便于施工等。頂部曲線段（1）由于WES溢流曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量教省，壩面曲線用方程控制，容易找到切點(diǎn)位置，施工教方便，故采用WES溢流堰形式。WES溢流剖面堰型采用冪曲線公式如下：其中—定型設(shè)計(jì)水頭，為了防止出現(xiàn)負(fù)壓和得到經(jīng)濟(jì)的剖面，采用堰頂水頭Hd=(0.75～0.95)H0，取Hd=0.8H0=4.48m。a、b——系數(shù)，與堰的上游系數(shù)面傾斜坡度有關(guān)，由《水工建筑物》課本P106可知，當(dāng)上游面為垂直的時(shí)候a=0.5,b=1.85；x、y——以堰頂最高點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo)?；?jiǎn)為圖4-1圖4-2溢流壩壩型（2）堰頂曲線與堰下游面的連接點(diǎn)：堰頂曲線和下游壩面應(yīng)該是光滑連接，即下游壩面直線是堰頂曲線在交接點(diǎn)的切線。這兩條直線的斜率應(yīng)相等。堰下游面坡度與非溢流壩段的下游面相同為1：m=1:0.8。設(shè)兩曲線相交點(diǎn)坐標(biāo)為（x,y）,易知下游壩面直線斜率為k=1.25,堰頂曲線在焦點(diǎn)處斜率為曲線方程對(duì)x求導(dǎo)：可求得x=39.02、y=26.37第五章消能防沖設(shè)計(jì)5.1消能形式及其比較通過(guò)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(hù)下游河床免受沖刷。消能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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。表5-1消能形式及其比較消能形式原理及其特點(diǎn)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(guò)表層旋滾消能；它常需要護(hù)坦，消力池等措施，對(duì)于基巖往往不夠經(jīng)濟(jì)。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(kuò)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(guò)程中，消耗了約20%的能量。拋射到下游河床水墊后，形成強(qiáng)烈的旋滾區(qū)，沖刷河床形成沖坑，同時(shí)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，在標(biāo)成主流和河床之間形成逆流漩渦和躍波，通過(guò)旋渦和主流擴(kuò)散而消能。水流在表面可減輕對(duì)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(duì)下游的電站和航運(yùn)有影響。消力戽消能它將鼻坎設(shè)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(dòng)能。它一般適用于尾水較深，變幅較小，無(wú)航運(yùn)要求，切地基條件比較好的情況。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，他們的比較列于表5-15.2洪水標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)參數(shù)的選定 本次設(shè)計(jì)的重力壩是3級(jí)水工建筑物，根據(jù)SL252—2000表3.2.4，消能防沖設(shè)計(jì)采用按50年洪水重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)地形地質(zhì)條件，選用挑流消能。根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，挑射=20°。設(shè)反弧段起始點(diǎn)和挑出點(diǎn)在同一高程處。當(dāng)下泄流量為807m3/s時(shí)，由下游流量水位曲線關(guān)系可得下游水位為1257.26m，下游水深為1257.26-1250=7.26m。此時(shí)按1：0.8的比列計(jì)算大壩下游淹沒(méi)寬度為：5.8m該工程采用挑流消能工，根據(jù)下泄水流應(yīng)該在高于下游水位大約1m處將水流挑出，確定鼻坎高程為坎=1258.26m。挑角由工程類比經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)成果取得2=20°。5.3反弧半徑的確定反弧半徑R為：對(duì)于挑流消能，可按下式求得反弧段的半徑—堰面流速系數(shù)，取0.95；H—設(shè)計(jì)洪水位至坎頂高差，H=1303.43-1258.26=45.17m(取坎頂高程為1258.26故算出m3/sQ—校核洪水時(shí)溢流壩下泄流量，(965mB—鼻坎處水面寬度，m，此處B=單孔凈寬+2×邊墩厚度；B=5+2×3=1R=（4～10）hR=12.4～31（m）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取R=8（m）此時(shí)反弧最低點(diǎn)高程：圓心高程：5.4坎頂水深的確定坎頂水深計(jì)算公式為：坎頂水流流速v按下式計(jì)算：—堰面流速系數(shù)，取0.95；H—設(shè)計(jì)洪水位至坎頂高差，H=1303.43-1258.26=45.17m(取坎頂高程為1258.26m)故算出m3/sQ—50年一遇洪水時(shí)溢流壩下泄流量，(807mB—鼻坎處水面寬度，m，此處B=單孔凈寬+2×邊墩厚度；B=5+2×3=1故坎頂平均水深：5.5水舌拋距計(jì)算根據(jù)SL253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算水舌拋距和最大沖坑水墊厚度。計(jì)算公式：水舌拋距計(jì)算公式：L：水舌拋距：：鼻坎的挑角：：坎頂至河床面的高差：堰面流量系數(shù)，取0.95；將這些數(shù)據(jù)代入水舌拋距的公式得：5.6最大沖坑水墊厚度及最大沖坑厚度最大沖坑水墊厚度公式：：水墊厚度，自水面算至坑底。：?jiǎn)螌捔髁浚汕懊娴挠?jì)算可得單寬流量為20；：上下游水位差，根據(jù)資料可得水位差為40.5m；：沖刷系數(shù)，（這里根據(jù)地質(zhì)情況取1.5）；將數(shù)據(jù)代入公式得：所以最大沖坑水墊厚度為20.32m最大沖坑厚度估算：圖5-1沖坑厚度圖示為了保證大壩的安全，挑距應(yīng)有足夠的的長(zhǎng)度。一般當(dāng)時(shí)，認(rèn)為是安全的。計(jì)算結(jié)果為所以滿足規(guī)范。故，其消能防沖設(shè)計(jì)符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。第六章泄水孔的設(shè)計(jì)6.1有壓泄水孔的設(shè)計(jì)壩體在內(nèi)水壓力的作用下可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此孔壁需要鋼板襯砌。6.1.1孔徑D的擬定孔徑D的擬定可依據(jù)下式：式中：Q—每個(gè)發(fā)電孔引取的流量，m3/sVp—孔內(nèi)的允許流速，m/s，對(duì)于發(fā)電孔Vp=5.0~6.0m/s。6.1.2進(jìn)水口體形設(shè)計(jì)進(jìn)水口體形應(yīng)滿足水流平順、水頭損失小的要求，進(jìn)水口形狀應(yīng)盡可能符合流線變化規(guī)律。工程中常采用橢圓曲線活著圓弧形的三向收縮矩形進(jìn)水口橢圓方程為：式中a—橢圓長(zhǎng)半軸，圓形進(jìn)口時(shí)，a為圓孔直徑：矩形進(jìn)口時(shí)，頂面曲線a為孔高h(yuǎn)，側(cè)面曲線a為孔寬B；b—橢圓短半軸，圓形進(jìn)口時(shí)，b=0.3a；矩形進(jìn)口時(shí)，頂面曲線b=（1/3~1/4）a對(duì)于重要工程的進(jìn)水口曲線應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)進(jìn)行修改?？卓诘母邔挶龋╤/B）不宜太大，最大不超過(guò)2。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和流量情況，選用橢圓曲線的三向收縮矩形進(jìn)水口可知：a=h=2.11m孔口的高寬比，故孔口設(shè)計(jì)符合要求6.1.3閘門(mén)與門(mén)槽閘門(mén)形式的型式選擇比較常見(jiàn)的閘門(mén)形式是平板和弧形門(mén)。平板直升閘門(mén)能滿足各種類型的泄水孔道的要求，所以他是應(yīng)用最為廣泛的一種閘門(mén)形式：弧形門(mén)也是一種應(yīng)用十分廣泛的門(mén)型，它一般可用于泄洪道和無(wú)壓泄水孔的泄水形勢(shì)。二者具有特性如表6-2所示：閘門(mén)形式及其優(yōu)缺點(diǎn)表6-2閘門(mén)形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)平板門(mén)1、可封閉相當(dāng)大面積的空口；2、建筑物順流方向尺寸較小；3、閘門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其制造、安裝和運(yùn)輸工作相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單方便；4、門(mén)頁(yè)可以出孔口；5、門(mén)頁(yè)可以在孔口見(jiàn)互用；6、門(mén)頁(yè)可為數(shù)段，有利于泄洪和排沙；7、閘門(mén)啟閉設(shè)備比較簡(jiǎn)單，對(duì)對(duì)移動(dòng)式起門(mén)機(jī)適應(yīng)性較好。1、需要較高和較厚的閘墩；2、具有影響水流的門(mén)槽，特別是在水頭較高的情況，門(mén)槽會(huì)帶來(lái)很多的麻煩；3、需要啟閉力較大，故需選用超大的門(mén)機(jī)?；⌒伍T(mén)1、可封閉相當(dāng)大面積的空口；2、所需閘墩高度和厚度較小；3、沒(méi)有影響水流流態(tài)的門(mén)槽；4、所需的啟閉力較??；5、埋件數(shù)量少。1、需要較長(zhǎng)的閘墩；2、閘門(mén)所占空間比較大；3、不能提出孔口以外進(jìn)行維修；4、閘門(mén)所承受的總水壓力較大，不能在孔口間互換。有壓泄水孔一般在進(jìn)水口設(shè)置攔污柵和平面檢修門(mén)，在出口處設(shè)置無(wú)門(mén)槽的弧形閘門(mén)。6.2泄水口斷面設(shè)計(jì)6.2.1漸寬段有壓泄水孔控申斷面為圓形，進(jìn)水口閘門(mén)為矩形，在進(jìn)口閘門(mén)之后需設(shè)置漸寬段，以保持水流平順。根據(jù)規(guī)范取漸寬段長(zhǎng)度為5.28m漸變規(guī)律一般都是收縮型，采用圓角過(guò)渡。6.2.2出水口有壓泄水孔的出口控制著整個(gè)泄水孔的內(nèi)水壓力情況，為了避免空蝕破壞，講出口縮小以增加孔內(nèi)壓力，常采用壓坡段，根據(jù)規(guī)范，取出口斷面面積為孔身斷面面積的90%可知出水口斷面面積A=2.458m26.2.3通氣孔和平壓管平壓管是埋在壩體內(nèi)部、平衡檢修閘門(mén)兩側(cè)誰(shuí)呀以減小啟門(mén)力的輸水管道。從水庫(kù)中引水，閥門(mén)設(shè)在廊道內(nèi)。平壓管的直徑應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)充水時(shí)間（一般不超過(guò)8h）確定。根據(jù)規(guī)范，通氣孔的斷面面積A通=0.022m第七章壩體細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)7.1壩頂構(gòu)造7.1.1非溢流壩壩頂上游設(shè)置防浪墻，與壩體連成整體，其結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)止水。墻高為1.2m，厚度為35cm，以滿足運(yùn)用安全的要求。壩頂采用混凝土路面，向兩側(cè)傾斜，坡度為3%，兩邊設(shè)有排水管，匯集路面的雨水，并排入水庫(kù)中。壩頂總寬度為4m，下游側(cè)設(shè)置欄桿及路燈。7.1.2溢流壩溢流壩的上部設(shè)有閘門(mén)、閘墩、門(mén)機(jī)、交通橋等設(shè)備。7.1.3閘門(mén)的布置工作閘門(mén)布置在溢流壩段處稍微偏向下游一些，以防閘門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)水舌脫離壩面而形成負(fù)壓。采用平面鋼閘門(mén)，門(mén)的尺寸為10m×10m，工作閘門(mén)的上游設(shè)有檢修閘門(mén)，二門(mén)之間的凈距為2m。7.1.4閘墩閘墩的墩頭形狀為上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，頂部高程取非溢流壩壩頂高程即1304.11m。中墩厚度為3m，邊墩厚度為3m，溢流壩的分縫設(shè)在閘孔中間，故沒(méi)有縫墩。工作閘門(mén)槽深1m，寬1m，檢修閘門(mén)槽深0.5m，寬0.5m圖7-1中墩及閘門(mén)槽尺寸擬定圖7-2邊墩及閘門(mén)槽尺寸擬定7.1.5導(dǎo)水墻邊墩向下游延伸成導(dǎo)水墻，其長(zhǎng)度延伸到挑流鼻坎的末端。邊墩的高度應(yīng)高出摻氣后水深0.5～1.5m，平直段摻氣后水深估算公式為：式中：h、hb—摻氣前、后的水深，m；v—摻氣前計(jì)算斷面的平均流速，m/s；ξ—修正系數(shù)，一般為1.0～1.4m/s，v＞20m/s時(shí)，取較大值。代入數(shù)據(jù)得hb=1.8×(1+1.4×22.887/100)=2.377m，則導(dǎo)水墻高度為2.377+0.6=2.977m，導(dǎo)水墻需分縫，間距為17m，其橫斷面為梯形，頂寬取0.7m。7.2壩體分縫設(shè)計(jì)7.2.1橫縫垂直于壩軸線布置，縫距為19m，縫寬2cm，內(nèi)有止水。7.2.2水平施工縫混凝土澆筑塊厚度為4m，縱縫兩側(cè)相鄰壩塊的水平縫錯(cuò)開(kāi)布置，上下層混凝土澆筑間歇為5d，上層混凝土澆筑前對(duì)下層混凝土鑿毛，并沖洗干凈，鋪2cm厚的水泥砂漿。7.2.3縱縫縱縫為臨時(shí)性縫，縫內(nèi)設(shè)有鍵槽，待混凝土充分冷卻后，水庫(kù)蓄水前進(jìn)行灌漿?？v縫與壩面正交，縫距為20cm。7.3止水設(shè)計(jì)壩體設(shè)有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(shè)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。7.4廊道設(shè)計(jì)7.4.1基礎(chǔ)廊道廊道底部距壩基面4m，廊道底部高程為187.3m，上游側(cè)(中心點(diǎn))距上游壩面7m；形狀為城門(mén)洞形，底寬2m，高2.5m，內(nèi)部上游側(cè)設(shè)排水溝，并在最低處設(shè)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407.4.2壩體廊道自基礎(chǔ)廊道沿壩高每隔18m設(shè)置一層廊道，共設(shè)兩層。底部高程分別為207.3m，227.3m，形狀為城門(mén)洞形，其上游側(cè)(中心點(diǎn))距上游壩面4m，底寬2m，高2.5m，兩岸各有一個(gè)出口。7.5壩體防滲與排水7.5.1壩體防滲在壩的上游面、溢流面及下游面的最高水位以下部分，采用一層厚2m且具有防滲性能的混凝土作為壩體的防滲設(shè)施。7.5.2壩體排水距離壩的上游面5m沿壩軸線方向設(shè)一排豎向排水管幕。管內(nèi)徑為20cm，間距為2.5m，上端通至壩頂，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用無(wú)砂混凝土管。7.6壩體混凝土的強(qiáng)度等級(jí)壩體混凝土應(yīng)滿足強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷、低熱、抗裂、硬化時(shí)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(qiáng)度等級(jí)?；炷练謪^(qū)的尺寸：一般外部(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū))混凝土各區(qū)厚度最小2～3m，上游面的厚度比下游面大，基礎(chǔ)混凝土(Ⅳ區(qū))厚度為0.1B(B為壩體底寬)，并不小于3.9m，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土之間要有良好的接觸帶。壩體分區(qū)圖如圖7-1所示。其中，壩體各個(gè)區(qū)域表示的含義如下：Ⅰ區(qū)：上下游最高水位以上壩體外部表層混凝土；Ⅱ區(qū)：上下游水位變化范圍內(nèi)壩體外部表層混凝土；Ⅲ區(qū)：上下游最低水位以下壩體外部表層混凝土；Ⅳ區(qū)：壩體基礎(chǔ)混凝土；Ⅴ區(qū)：壩體內(nèi)部混凝土；Ⅵ區(qū)：抗沖刷部位混凝土。ⅣⅣⅡⅤⅡⅢ最高水位最低水位最高水位最低水位ⅠⅢ非溢流壩ⅥⅥⅡⅢⅣⅢⅥ1：0.2最低水位最高水位1：0.8最低水位最高水位Ⅴ溢流壩圖7-3混凝土壩區(qū)分區(qū)示意圖附表：樞紐的技術(shù)指標(biāo)和圖例附表1樞紐的主要技術(shù)指標(biāo)序號(hào)項(xiàng)目單位數(shù)量序號(hào)項(xiàng)目單位數(shù)量1流域面積km2500010下游校核水位m1258.142總庫(kù)容億m30.14911壩底高程m12503灌溉面積萬(wàn)畝6.2812壩頂高程m1304.114校核洪水位m1304.3413壩頂長(zhǎng)度m540.05設(shè)計(jì)洪水位m1303.4314最大壩高m546正常高水位m1300.5815壩段總數(shù)個(gè)277防洪限制水位m1305.3116設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大泄量m3/s8078死水位m127017校核洪水時(shí)最大泄量m3/s450009下游設(shè)計(jì)水位m1257.2618裝機(jī)容量kw500附圖1非溢流壩剖面設(shè)計(jì)計(jì)算附圖2非溢流壩剖面設(shè)計(jì)計(jì)算附圖3非溢流壩剖面設(shè)計(jì)計(jì)算附圖4樞紐工程的布置平面圖附圖5樞紐工程的下游立面圖參考文獻(xiàn)[1]麥家煊.水工建筑物[M].清華大學(xué)出版社，2008[2]陳德亮.水工建筑物[M].中國(guó)水利水電出版社，2003[3]潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)[M].水利電力出版社，1987[4]混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國(guó)電力出版社，2000[5]中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[M].中國(guó)電力出版社,1998[6]水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第五卷——混凝土壩[M].水利電力出版社[7]水工設(shè)計(jì)手冊(cè)第六卷——過(guò)壩與泄水建筑物[M].水利電力出版社,1987[8]