桃林口水利樞紐混凝土重力壩設計

青海大學成人教育學院畢業(yè)（設計）論文：桃林口水利樞紐混凝土重力壩設計青海大學成人教育學院畢業(yè)（設計）論文：桃林口水利樞紐混凝土重力壩設計PAGE98青海大學成人教育學院PAGE97青海大學成人教育學院1.基本資料1.1樞紐概況及工程目的桃林口水庫位于河北省青龍縣與盧龍縣交界處，控制流域面積5060平方公里，占流域面積的80%。青龍河是灤河較大的支流之一，水量充沛，但年內(nèi)及年際的水量分配極不均勻，必須興建大型控制型工程進行調(diào)節(jié)，豐富的水資源方可得到充分地利用。水庫的主要任務是調(diào)節(jié)水量，供秦皇島市和港口碼頭、鋼鐵基地及灤河下游地區(qū)農(nóng)業(yè)用水，結合引水發(fā)電、水面養(yǎng)殖、洪水錯峰等?？傻玫骄C合利用的效益。供水原則是：在滿足城市生活、工業(yè)用水的同時，對農(nóng)業(yè)用水也給以一定的重視。特別是移民遷建灌區(qū)用水應優(yōu)先保證；其次是在現(xiàn)在灌區(qū)用水及盤家口、大黑丁兩庫的配套灌區(qū)，新增灌區(qū)要安排在缺乏地下水的濱海地區(qū)。樞紐工程在三個壩段選擇了二條壩線，二種壩型。I83壩線采用混凝土重力壩，紅層壩線采用當?shù)夭牧蠅巍１驹O計選擇I83壩線、混凝土重力壩方案，樞紐建筑物包括主壩、泄水建筑物及電站等，詳見“套林口水利樞紐工程平面布置圖”。根據(jù)本工程的規(guī)模及其在國民經(jīng)濟中的作用，按水電部制定的SDJ12—78設計標準。水庫樞紐工程屬大（一）型。主要建筑物按一級設計，輔助建筑物按三級，臨時建筑物按四級設計。1.2基本資料1.2.1水文分析1.2.1.1年徑流青龍河流域水量豐沛，是灤河流域水資源蘊藏量較大的一條支流。年徑流由年降雨產(chǎn)生。年徑流在地區(qū)與時間上的分布與年降水基本一致。年徑流在年際間變化懸殊。套林口實測資料1956～1982年資料中，豐水年1977年達21.34億立米?？嗨?981年僅1.667億立米，相差19.37億立米，約合12.8倍。且豐、枯水年連續(xù)發(fā)生。多年平均年徑流量為9.6億立米。1.2.1.2洪水青龍河洪水由于暴雨形成。本地區(qū)暴雨歷時短、強度大、地面坡度陡，洪峰陡漲陡落。一次洪水歷時一般為3～5天。流域南部位于燕山山脈東側的暴雨中心地帶，因此洪水具有峰高量大的特點。本流域洪水多發(fā)生在七、八兩月，出現(xiàn)在七月的占34%，出現(xiàn)在八月的占66%。桃林口多年平均6～9月洪量占年徑流量的70%左右，三天洪量占六天洪量的70%以上，大水年尤為集中。如1962年最大六天洪量占年徑流量達70%.流域內(nèi)洪水地區(qū)分布主要在土門子以下。以土門子與桃林口1971～1977年同期系列統(tǒng)計。土門子～桃林口區(qū)間洪量占桃林口以上洪量60%以上，而其面積占桃林口以上流域總面積的42%。由頻率分析法進行洪水計算，計算成果見下表：洪水計算成果表項目洪峰流量(秒立米）洪量（億立米）24小時三天六天三十天特征值均值20001.42.22.85.3Cv1.351.351.351.251.0Cs/Cv2.52.52.52.52.5頻率(%)0.013204022.4335.2439.9655.40.022960020.7532.6536.9051.50.12248015.7424.7328.3440.500.21968013.7821.6524.9236.200.51600011.2317.6020.4130.401132809.3014.5017.1426.102106807.4811.7513.9221.70573605.158.109.8016.201050003.505.506.8312.102029202.043.214.178.18桃林口水庫壩址以上不同頻率設計洪水過程線時間不同頻率（%）的流量（立方米）月日時0.020.1482378296724229468034823782962419741721800550500252230019001050800630426872035120090074064466337915001100891876225773275018901220101086782303920270018001213131994647403260217014143481086751703560237016141281070051003510234018131629984475032702180201132385764080281018702297517386352024201610248923675832202210147026283996362303020001390477405862279019201280766895522224801710114086845518424701700113010684551842470170011301226800195809518591037901428400218001050070004700162940022400106507320494018296002248001068073605000202930022200106507330495022290002160010450725048802428500200009850688045802722052017600895060004100421540152007700520037006180601280062004450300081458010400485036002460101110080003400254017701250003800190014501030714342028851400100070016316324701150850610182911324010508005902028902210100075056022275821899507305502426042080920726540282255219609107225354245119339007185306230918209007145288221417228907105261021451676885706524122030163588070252214201615508756985201619261527870694517181827146386569051520181814338606865137221723140485568251024168913778506785082921655137184667450541622132684367050361616128184066650081567123583666249710151612298336584951214551170830654493141379114482665049016134811438236464881812901095820642486201260106981663848322122910438136344802411981017810631478302116899180662847541138965803625473761107939800622470810959307966184681010839307936154661210729107906124641410619007856094621610538947806064601811079397756034582010619007706004551.2.1.3泥沙青龍河流域植被較好，泥沙來源在地區(qū)上分布和洪水在地區(qū)上的分布是一致的。主要是土門子到桃林口區(qū)間，其間來沙量約占桃林口以上總輸沙量的60%～70%。本地區(qū)泥沙在年內(nèi)分配比徑流更集中。汛期輸沙量占年輸量的95%以上，而汛期沙量又都集中在幾次大洪水。年際之間沙量變化懸殊。由統(tǒng)計分析得知，桃林口站多年平均輸沙量為386萬噸，多年平均侵蝕模數(shù)為762噸／平方公里，多年平均含沙量為4.0公斤／立方米。從泥沙的組成情況來看，泥沙顆粒較粗，中值歷徑為0.075毫米，淤沙浮重0.9噸／立米，內(nèi)摩擦角為12度。1.2.2氣象條件：全流域屬于季風大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年平均降水量約700毫米，且多集中在夏季七、八兩月。流域多年平均氣溫為10℃左右，日溫度變化較大。離壩址較近的遷安站實測最高氣溫39℃（青龍站）。全年無霜期約180天，結冰期約120天;河道一般12月封凍，次年3月上旬解凍，冰厚為0.4～0.6米，岸邊可達1米。多年平均最大風速為23.7米／秒，水庫吹程1.2.3工程地質1.2.3.1區(qū)域地質桃林口水庫庫區(qū)屬中高山區(qū)、構造剝蝕地形。青龍河在本區(qū)內(nèi)河曲發(fā)育，沖蝕能力較強,沿河形成不對稱河谷。由于構造運動影響，河流不斷下切，于堆積岸形成階地，侵蝕岸形成陡崖。組成本區(qū)地層的有：太古界、下元古界、震旦系、朱羅系及火成巖侵入體和第四紀等。其中分布最廣的為震旦系地層。其中分布最廣的為震旦系地層。其中以太古界、震旦系、朱羅系、三者與工程關系密切，為庫區(qū)的主要巖層。1.2.3.2地質構造與地震桃林口水庫處于燕山沉降帶的中部。地質構造復雜。全區(qū)地段震頻繁，特別是壩址區(qū)南段尤為突出。庫區(qū)及其周邊控制性的斷層有秦皇島——建昌營和灤南——盧龍斷裂。秦皇島——建昌營大斷裂為深層大斷裂，在壩址下游小暖泉村穿過青龍河，沿線有泉群出現(xiàn)。從控制權群、控制地貌及巖相作用分析，列為活動性斷裂較合適。灤南——盧龍斷裂（又稱桃園斷裂）。該斷層向北東方向延伸，在距桃林口庫區(qū)6～7公里處尖滅，屬第四紀以來活動性較強的斷裂。唐山地震以后，沿該段層時有余震發(fā)生。上訴二條活動性斷裂在三壩段以西5公里處匯而不交。按斷層交匯部分易發(fā)震的原則，這種匯而不交是值得注意的。近期壩址地區(qū)未發(fā)生大于4級以上地震，鄰區(qū)地震活動有一定影響。1983年8月河北省地震局在《桃林口水庫工程地震基本烈度鑒定書》中確定，一、二壩段位于北區(qū)I區(qū)，屬相對穩(wěn)定區(qū)，基本烈度為6度；三壩段位于I區(qū)，基本烈度為7度。鄰區(qū)強震的影響，烈度量可高達6～7度。1.2.3.3庫區(qū)工程地質庫區(qū)左岸非可溶性巖層廣泛分布,主要由娟云母千枚巖、石英沙巖、沙質頁巖等組成，透水性較小，也沒有發(fā)現(xiàn)溝通庫內(nèi)外的大斷層。因此，在非可溶性巖層分布區(qū)，沒有向庫外滲漏的可能性。庫區(qū)可溶性巖層分布于青龍間右岸。從隔水層的分布、巖溶的發(fā)育情況以及地貌水文地質條件的分析，水庫蓄水以后，向鄰谷沙河滲漏的可能性也是不大的。青龍河與鄰谷沙河之間分布有大面積的石英斑巖，斑狀花崗巖及火成巖的侵入體，組成了相對隔水層，不利于地下水的活動。經(jīng)過對庫內(nèi)斷層，灰?guī)r地區(qū)的勘探分析，水庫向外流域及下游漏的可能性很小。庫區(qū)內(nèi)巖層抗壓強度較高，抗風化能力較強，未發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生塌滑的巖體，庫岸基本上是穩(wěn)定的。庫區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有開采價值的礦藏，不存在對庫周邊產(chǎn)生的浸沒問題。1.2．3.4壩址壩線工程地質壩段內(nèi)出露的斷裂構造如F103、F105、F108、F112、F114、F117、F122等大小斷層共十余條，斷層走向以北西為主，北東者少，多為高角度爭斷或平移正斷層：（1）F103斷層，產(chǎn)狀走向近EW，傾向N，傾角400～500,逆斷層。大紅峪組第三段礫巖被切割。下盤有牽引褶曲，破碎帶寬約10～20米。出露于I83壩線右岸上游約150～200米，寬約10～20米。（2）F105斷層，產(chǎn)狀走向NW31OO、傾角800～900，為平移斷層。水平斷距400米，兩側巖石破碎嚴重、無膠結現(xiàn)象，出露于I83壩線右岸壩頭附近。（3）F108斷層，產(chǎn)狀走向NW3450、傾向NE、傾角560，逆斷層。由大紅峪組第一段薄層板巖、石英砂巖組成，逆于大紅峪第二段中厚石英砂巖之上。破碎帶寬約6.0米、未見膠結現(xiàn)象，其中夾有30厘米厚的斷層泥。斷層兩盤巖石影響帶寬10.4米。在上盤薄層板巖夾石英沙巖中有牽引皺曲。巖石有直立或（4）根據(jù)壩址兩岸構造，地層巖性出露分析，推測河床中可能有順河斷層通過。原因一是兩岸出露的斷裂構造均未過河，如F103斷層走向近東西，規(guī)模較大，左岸無跡象；二是地層出露兩岸高程有明顯差異。I83壩線主要工程地質條件見下表：I83壩線主要工程地質條件表地形地貌構造剝蝕——中低山地形，不對稱“U”型峽谷，右岸坡陡，左岸坡緩，階地不發(fā)育。壩線長480米。覆蓋層河床5～7米沙石層，左岸山麓堆積31.0米。地層巖性震旦系大紅峪組第一、二段，為中厚層石英砂巖與板巖互層。巖層產(chǎn)狀層面傾向上游。軟弱夾層據(jù)平洞、豎井資料，右岸有軟弱夾層13條，系順層夾泥。左岸順層夾泥6條，切層泥3條。建議摩擦系數(shù)f=0.20～0.24。風化情況弱風化下限、河床10～28米深（高程左邊75米，右邊55米）。左岸弱風化下限為115～105米高程，右岸為120～90米高程。地質構造右岸小斷層6～7條：左岸F122斷層一條。構造簡單，基本地震烈度為6度。巖層透水層壩基下部80～100米深的范圍內(nèi)ω值均大于0.02升／分·米·米,均須灌漿處理。巖溶I83壩段上游2公里處，馬圈子電站附近見溶洞。穩(wěn)定性右壩肩上、下游存在Ⅰ、Ⅱ號簿穩(wěn)定巖體。巖石力學指標石英砂巖單塊巖石室內(nèi)指標：抗壓強度134～338Mpa。彈性模量E=500～10000Mpa。泊桑比μ=0.11～0.13。各巖層層面摩擦系數(shù)的估計建議值：（1）石英砂巖層面摩擦系數(shù)為0.60～0.65；（2）板巖層面摩擦系數(shù)為0.40～0.45；（3）層面夾泥膜摩擦系數(shù)為0.30～0.35;(4)切層泥層摩擦系數(shù)為0.20～0.24。1.2.4當?shù)靥烊唤ㄖ牧戏植加趬沃穮^(qū)上、下游河灘及階地。其中土料場主要有莊窩、土臺子等七處。地下水位以上儲量為1183.44萬立方米。砂礫卵石料場主要有南杖子、桃林口等八處。地下水位以上儲量為10898.95萬立方米，全部儲量有待進一步探查。各料場材料的物理性質、試驗指標等基本滿足技術要求，可作大壩混凝土骨料及圍堰填筑所用。如采用當?shù)夭牧蠅畏桨?，其粘性土料的儲量也足以滿足施工要求。1.2.5交通條件對外交通計劃從京秦路大橫河站接軌至工地。改建和新建灤縣經(jīng)遷安、灤縣經(jīng)盧龍到達工地的公路。壩頂無交通要求。1.2.6施工條件采用低圍堰、底孔導流、分期施工的導流方法進行施工。各項施工輔助企業(yè)、倉庫及生活等臨建設施布置在壩址下游兩岸?；炷凉橇先∽韵掠瘟蠄?。施工用電由劉田莊引接。1.2.7效益（以1984年價格水平及費用標準計算）水庫建成以后，除了滿足秦皇島市、翼東鋼鐵基地及農(nóng)業(yè)用水外，還可獲得發(fā)電、防洪、養(yǎng)魚等效益，總效益是顯著的。(1)灌溉效益：(灌溉效益分析成果表)項目旱地灌溉旱改水墾荒水稻灌與不灌產(chǎn)值差（元／畝）162.0354.2412.0分攤系數(shù)法畝效益（元／畝）81.0177.1206.0單方水效益（元／立米）0.250.170.17減去成本法畝效益（元／畝）124.0378.0261.0單方水效益（元／立米）0.390.260.22(2)城市及鋼鐵基地供水效益：按秦皇島市總凈產(chǎn)值中水的效益分攤系數(shù)以10%計，則每立方米水量的效益為0.53元／立米。(3)防洪效益:防洪效益按建庫以后,與潘家口、大黑丁水庫聯(lián)合運用，在銷峰、錯峰過程中減少灤河下游地區(qū)的洪水災害計算。水庫年平均效益為443.16萬元／年。(4)發(fā)電效益：以水電的價格代替水電效益0.093元／度計算。1.2.8水庫規(guī)劃及建筑物特性指標項目單位指標備注水位校核洪水位設計洪水位正常蓄水位死水位校核尾水位設計尾水位正常尾水位壩前堆砂高程米米米米米米米米156.3153.7153.2110.099.197.084.197.6P=0.02%P=0.1%發(fā)電庫容總庫容調(diào)洪庫容興利庫容死庫容堆沙庫容億立米億立米億立米億立米億立米14.932.1110.330.941.66主壩壩型壩頂高程最大壩高壩頂長度壩頂溢流孔數(shù)堰頂高程每空凈寬工作閘門尺寸啟閉機(2×45T固定式)設計洪水下泄能力校核洪水下泄能力米米米孔米米米×米臺秒立米秒立米砼重力壩157.2489.24519.015141.715.015×12.5151827624527實體底孔、隧洞、主廠房進口底高程底孔數(shù)及尺寸弧形工作閘門工作門啟閉機設計水位泄水能力校核水位泄水能力隧洞進口高程隧洞長度隧洞洞徑主廠房尺寸(長×寬×高)水輪發(fā)電機組裝機容量米孔-米×米扇-米×米臺秒立米秒立米米米米米×米×米臺萬千瓦90.04-5×64-5×6435843663103.5446.05.051.75×13.9×2844×0.65=2.62.樞紐布置2.1壩軸線選擇根據(jù)壩址的地質、地形條件、施工條件、樞紐布置，通過定性分析，確定壩軸線位置。2.1.1壩段比較桃林口水庫壩址，從上游到下游分為三個壩段。其中上游第一壩段位于高臺子村至三道河村之間，曾選有Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ及I83四條壩線。河岸為串嶺溝板巖，其中I83壩線為大紅峪第一層的石英砂巖與板巖互層；中間第二壩段，位于二道河村與桃林口水文站之間，曾選有Ⅲ60、Ⅲ69、Ⅲ83及“紅層線”四條壩線。壩基巖層為高莊灰?guī)r地層，其中“紅層線”位于紅色的楊莊泥質灰?guī)r之上；下游為第三壩段，位于桃林口舊村與新村之間。曾選有Ⅵ、Ⅶ及Ⅳ三條壩軸線。其中Ⅵ、Ⅶ二條壩軸線河床為串嶺溝板巖，Ⅳ壩軸線壩基為大紅峪石英砂巖夾砂頁巖。三個壩段，11條壩線的位置見《指示書》中的圖一。三個壩段壩基巖層的地質年代雖都屬于旦震系，但巖性不同，而其共同點卻是都存在有軟弱層或夾泥層?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的第一壩段I83壩線基巖的夾泥層只是泥膜，厚度在3～5毫米，基巖以下深30米以內(nèi)。切層的夾泥厚度5厘米左右。二、三壩段夾泥較多一些。三個壩段地形、地質及交通條件等的比較見下表。壩段地形、地質等條件比較表壩段類別第一壩段第二壩段第三壩段地形條件河谷較窄，適于修建砼壩；溢流堰底孔等泄水建筑物可放在主河床?？稍黾?米發(fā)電水頭。無副壩，工程單一。不宜修建當?shù)夭牧蠅巍：庸炔粚ΨQ，左岸坡緩，壩軸線較長，適于修建砼壩或當?shù)夭牧蠅巍Ｊw麥嶺處天然單薄分水嶺，是修建溢洪道或泄水洞的有利地形。無副壩，工程單一。河谷較窄，適于修建砼或當?shù)夭牧蠅?。右岸山地脊薄。須修建二座副壩。工程項目多。地質條件壩堪石英砂巖與板巖互層，右岸北西向大裂隙較多，壩基軟弱夾層為泥膜。切層的夾泥厚3～5厘米且傾向下游。左岸F122斷層通過壩肩。砼壩基為灰?guī)r，巖性不均一，左壩頭可能漏水。蕎麥嶺較單薄。Ⅲ69壩基有斷層F104通過，破碎帶寬度大、處理工程量大。當?shù)夭牧蠅螇位鶠槟噘|灰?guī)r和頁巖。滲透性小，是天然的防滲帷幕，溢洪道位于蕎麥嶺。壩基為石英砂巖夾砂質頁巖、巖性堅硬。壩基有斷層F8通過。右壩頭有F7通過。壩址上游不遠處是幾個斷層交匯處。下游離建昌營～秦皇島大斷裂較近。對壩體的穩(wěn)定不利。地震6度6度7度交通條件壩址位于峽谷之中，對外交通不便。施工場地狹窄。壩址位于峽谷之中，對外交通不便。施工場地狹窄。壩址位于低山丘陵地帶，交通方便，施工場地寬闊。其他距離建筑材料場地最遠。距離建筑材料場地較遠。距離建筑材料場地最近。2.1.2壩線選擇第一壩段Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ三條壩線，其右岸巖層褶皺變化復雜、斷層密集、都不是適宜的壩線。相比之下，在三河道附近，右岸巖層傾向上游，層次分明較為完整，條件較好，故以I83壩線作為第一壩段的代表。第二壩段中Ⅲ60、Ⅲ69兩條壩線基巖為灰?guī)r。但從右岸巖層的產(chǎn)狀相比，Ⅲ60壩線右岸巖層走向與河流平行，傾向河中，傾角較高。當建壩蓄水以后，存在不穩(wěn)定因素及繞壩滲漏；Ⅲ69壩線右岸巖層傾向下游，才層次比較平穩(wěn)，兩者相比，Ⅲ69好于Ⅲ60。但因兩壩線左岸都存在大暖泉，滲漏情況及單薄分水嶺——蕎麥嶺在蓄水以后的穩(wěn)定情況難以把握，故此兩壩線不予考慮。“紅層線”比Ⅲ83壩線基巖層強度稍低一些，適宜修建當?shù)夭牧蠅巍＂?9壩線左岸鉆孔中，從高程137.7米到49.7米發(fā)現(xiàn)黑色含錳頁巖51層，厚度0.5～1.0厘米，最厚達8厘米，性質松軟，表面潤滑，摩擦系數(shù)較低且?guī)r層走向與河流平行，不宜做為壩基。第三壩段中Ⅵ壩線河槽較寬，右岸壩頭已經(jīng)遠離較高的山頭，壩軸線拐彎，增加了壩線的長度，從而加大工程量。Ⅶ壩線，壩基為串嶺溝板巖，巖層強度較低，還有軟弱層，相比之下，不如Ⅳ壩線。Ⅳ壩線位于現(xiàn)存小溢流壩下游80米處,壩基巖層為石英砂巖,夾有少數(shù)幾層沙質頁巖,巖層的抗壓強度及抗滑摩擦系數(shù)比板巖要大,故此壩線作為第三壩段的代表。經(jīng)上述比較，三個壩段雖有11條壩線，但適于建壩的僅有I83、“紅層線”及Ⅳ壩線三條。具體選擇哪一條，應做技術經(jīng)濟比較最后確定。本次畢業(yè)設計以第一壩段的I83為推薦方案。2.2壩型選擇桃林口水庫，位于北緯40度地區(qū),壩址在峽谷的風口處,氣溫較低、氣候寒冷、日氣溫差較大。各條壩線的河谷不對稱，河谷寬度與壩高之比皆大于5.0，壩基及兩岸巖層又加有軟弱巖層或泥層，故不宜修建拱壩或其它類型的輕型混凝土壩。根據(jù)本地區(qū)的氣象特點及壩址區(qū)地形、地質條件的實際情況，初步考慮采用混凝土重力壩和當?shù)夭牧蠅蝺煞N壩型作為樞紐工程壩型比較的依據(jù)。I83壩線,壩址兩岸群山連綿，左岸沒有修建溢洪道的地形條件，右岸雖有布置溢洪道的位置，但山體高大。如修建溢洪道，需挖深130余米，開挖石方量約1560萬方。工程量浩大，故本壩線選用當?shù)夭牧蠅畏桨甘遣唤?jīng)濟的。經(jīng)上述比較分析，I83壩線以混凝土實體重力壩為宜。2.3樞紐布置方案比較及選擇壩址河谷寬約250米，河床覆蓋層厚4～7米，河谷不對稱，右岸巖石裸露、坡陡、左岸山坡較緩，基巖被山麓堆積物所覆蓋。壩基為石英砂巖與板巖互層，巖層傾向上游，傾角為16～18度，壩基建基高程位于弱風化巖層之中，基巖挖深7～15米。樞紐布置方案考慮如下：壩址河谷寬約250米，河床覆蓋厚4～7米，河谷不對稱，右岸巖石裸露、坡陡、左岸山坡較緩，基巖被山麓堆積物所覆蓋。壩基為石英砂巖與板巖互層，巖層傾向上游，傾角為16～18度，壩基建基高程位于弱風化巖層之中，基巖挖深7～15米。樞紐布置方案考慮如下：方案Ⅰ：主河槽從右到左分別為溢流壩部分、底孔部分及電站部分，兩岸山坡為非溢流壩部分。由于底孔及溢流壩部分已全部占滿河槽，電站部分不得不向左岸山坡靠近。本方案的優(yōu)點是電站進口緊臨底孔，可利用底孔沖沙，防止電站進水口淤積。缺點是建筑物之間太擠，場地布置緊張，當?shù)卓追潘畷r影響電站尾水位的穩(wěn)定性。遇效核洪水泄洪時，保護電站免淹的工程措施復雜。此外，電站廠房及進口引渠土石方開挖工程量大。方案Ⅱ：主河槽從右到左分別為溢流壩部分、底孔部分、兩岸山坡為非溢流壩部分。在右岸開鑿一條長約450米的引水隧洞至壩址下游青龍河轉彎處，電站廠房布置在隧洞出口。其優(yōu)點是利用青龍河拐彎處折回的自然地形條件，可增加6米的發(fā)電水頭。電站、廠房自成系統(tǒng)，互不干擾，場地開闊，遇效核洪水時，易于防護。其缺點是增加一條隧洞的工程量，多一項工程，對施工不利。比較上述兩個方案，方案Ⅱ雖增加了一條引水隧洞，相應增加了工程費用，但由于減少了土石方開挖量，且增加了6米發(fā)電水頭，河床的主要建筑物布置相對容易，比方案Ⅰ更為合理。故以方案Ⅱ為推薦方案。3壩體剖面設計3.1壩頂高程和防浪墻頂高程的確定（1）防浪墻頂高程計算式根據(jù)《教材》P78式（3-57）的規(guī)定，壩頂或防浪墻頂高程的計算式為：防浪墻頂高程=設計洪水位+△h設或防浪墻頂高程=校核洪水位+△h校式中：△h設和△h校分別為防浪墻頂高于設計洪水位和校核洪水位的超高，計算中取其大者?？紤]到：·《指示書》中只給出了多年平均最大風速值,可計算出相應校核洪水位時的波浪幾何要素,進而確定防浪墻頂高程;但《指示書》中沒給出50年重現(xiàn)其的最大風速值，因此不能計算出正常蓄水位和設計洪水位時的幾何要素，所以本計算僅取壩前水位為校核洪水位一種情況進行計算；·本設計利用防浪墻擋水，采用與壩體整體連接的鋼筋混凝土防浪墻，墻身有足夠的強度能抵御波浪和漂浮物的沖擊并能防止波浪漫頂過壩。因此，利用上式計算的高程值為防浪墻頂?shù)母叱讨担弧じ鶕?jù)《教材》P124（六、壩頂）的介紹：“壩頂放浪墻的高度一般為1.2米”。因此，本設計取防浪墻高1.2米，壩頂高程低于防浪墻頂高程1.2米（2）防浪墻頂超高值的計算公式防浪墻頂超高值△h的計算公式取自《教材》P78公式（3-56）；△h=h1+hz+hc式中：h1-波浪高度（m）hz-波浪中心線至靜水位的高度（m），本設計取波浪中心線至校核洪水位的高度。hc-安全加高（m）（3）波浪幾何要素h1、hz和波長L的計算計算公式采用適用于峽谷水庫的官廳公式，見《教材》P15～P16的公式（2-4）、（2-5）、（2-6）。1）波浪高度h1的計算h1=0.0166Vo5／4D1/3(m)式中：Vo：計算風速（m/s)，為水面以上10m處10min的風速平均值，水庫為正常蓄水位和設計洪水位時，宜采用相應季節(jié)50年重現(xiàn)期的最大風速，校核洪水位時，宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值，本設計只能采用后者Vo=23.7m/s；D：風作用于水域的長度（km)，即吹程或風區(qū)長度，即吹程或風區(qū)長度，為自壩前（風向）到對岸的距離，當吹程內(nèi)水面有局部縮窄，若縮窄處的寬度B小于12倍波長時，近似地取吹程D=5B（也不小于自壩前到縮窄處的距離）。本設計取《指示書》給出的水庫吹程值D=3km。則：h1=0.0166Vo5／4D1/3=0.0166×23.75/4×31/3=0.0166×52.29×1.44=1.25（m）2）波長L的計算L=10.4(h1)0.8=10.4×（1.25）0.8=12.43（m）3）波浪中心線至靜水位高度hz的計算hz=(πh12/L)×cth(2πH/L)式中：·H為壩前水深，校核洪水位時的壩前水深H=153.70m-68.00m=88.30m·πh12/L=π×1.252/12.43=0.39(m)?！?πH/L=2×π×88.3/12.43=44.62（m）?！th(2πH/L)=e2πH/L＋e﹣2πH/L/e2πH/L﹣e﹣2πH/L=e44.62﹢e﹣44.62/e44.62﹣e﹣44.62=2.38901998×1019﹢4.18581681×10﹣20/2.38901998×1019﹢4.18581681×10﹣20=1.00(m)(注：e=2.718281828)得：hz=(πh12/L)×cth(2πh/L)=0.39×1.00=0.39(m)(4)安全加高hc的取值安全加高hc的取值，見《教材》P78表3-10：表3-10安全加高hc(m)運用情況壩的級別123設計情況（基本情況）0.70.50.4校核情況（特殊情況）0.50.40.3桃林口水利樞紐工程屬于大(一)型,主要建筑按一級設計，根據(jù)上表規(guī)定，效核情況下hc=0.50m。(5)超高值△h校的計算根據(jù)防浪墻頂超高值的計算公式：取h=h1+hz+hc式中：h1=1.25mhz=0.39hc=0.50m則：h校=1.25+0.39+0.50=2.14（m）(6)防浪墻頂高程的計算根據(jù)防浪墻頂高程的計算式：防浪墻頂高程=效核洪水位+△h校得：防浪墻頂高程=156.30+2.14=158.44（m）（7）壩頂高程的計算取防浪墻高1.20m,則壩頂高程為：158.44m-1.20m=該高程高于校核洪水位156.30m,滿足“教材”P78頁：“壩頂高程不得低于相應最大洪水時的靜水位”的要求，并與《指示書》P14表中給出的數(shù)值相同。3.2擋水壩剖面設計3.2.1剖面設計原則混凝土重力壩剖面的設計原則是:·滿足穩(wěn)定和強度等要求,保證大壩安全;·經(jīng)濟合理,工程量小;·運用方便、可靠；·便于施工。3.2.2基本剖面擬定根據(jù)《教材》P77頁，第七節(jié)“重力壩剖面設計”中的定義：“重力壩的基本剖面是指壩體在自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚壓力三項主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強度要求，并使工程量最小的三角形剖面”。因此在擋水壩壩體基本剖面擬定中，作用在基本三角形剖面上的荷載為壩體自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚壓力;根據(jù)《指示書》P14表中的規(guī)定：最大壩高89.24m，壩頂高程157.24m、則溢流壩最大壩高的建基高程為157.24m-89.24m=68.00m;擋水壩最大壩高建基高程為79.00m揚壓力：·揚壓力包括兩部分即：由上游水深H2產(chǎn)生的浮托力U1和由上游水位差（H1-H2）產(chǎn)生的滲透壓力U2、U3、U4；·取壩基灌漿排水廊道上游面距大壩上游面7.00m。廊道高3.50m、寬3.00m、排水孔幕距大壩上游壩面9.50m；·揚壓力折減系α：根據(jù)《教材》P45頁中的規(guī)定：河床壩段揚壓力折減系數(shù)α=0.2～0.3；岸坡壩段α=0.3～0.4。本計算按河床最大壩高斷面計算，取α=0.25?；酒拭婀浪悖簱跛畨位酒拭姘匆韵氯N剖面進行估算：·上游面垂直,下游面1：0.76;·上游面垂直,下游面1：0.78;·上游面垂直,下游面1：0.80?；酒拭鏀M定：經(jīng)初步的穩(wěn)定和應力估算,擋水壩下游面坡度為1：0.76的基本剖面可滿足穩(wěn)定和強度要求,工程量又最小,并在已建工程的實際剖面范圍內(nèi),因此暫取下游面1：0.76的剖面進行計算。擬定的擋水壩基本剖面參數(shù)如下：·三角形頂點高程：156.30m(即校核洪水位)；·基礎高程：79.00m；·基本剖面高度：156.30-79.00=77.30m；·上游壩坡：1：0；·下游壩坡：1：0.76。3.2.3實用剖面的擬定根據(jù)《指示書》的要求和以上計算,初擬滿足實用要求的擋水壩實用剖面簡圖即參數(shù)如下：·防浪墻頂高程：158.44m;·壩頂高層：157.24m；·壩頂寬度：6.00m;·建基高程：79.00m；·擋水壩最大壩高：157.24-79.00=78.24m；·上游壩坡：1：0；·下游壩坡：1：0.76。初擬的擋水壩實用剖面如圖3.2.3示：根據(jù)圖示的實用剖面，進行擋水壩的穩(wěn)定和應力計算。說明：后在畫圖時，將25號壩段的壩基開挖高程改為72.50m。因此，擋水壩最大剖面建基高程應為72.50m，并應按這一剖面進行穩(wěn)定及應力計算?？紤]到大壩的穩(wěn)定及應力計算已全部結束，來不及修改。因此，仍保持擋水壩壩基高程79.00米的剖面穩(wěn)定及應力計算成果不便。3.3溢流壩剖面設計根據(jù)《指示書》給出的資料，本溢流壩及下游銷能建筑物的尺寸擬定如下：（1）堰頂高程根據(jù)《指示書》P14表給出的資料：堰頂高程為141.70m。（2）堰面曲線因WES型曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較省，本設計采用這一曲線。曲線形式見《水利學》P292圖7-11?！ㄐ驮O計水頭：Hd=0.85Hmax=0.85×(156.30-141.70)=12.41(m)——上游段曲線：三段復合圓弧相連，圓弧半徑分別為：R1=0.5Hd=6.205mR2=0.2Hd=2.482mR3=0.04Hd=0.496m——下游段曲線：設堰面頂點為坐標原點，下游段曲線方程為：X1.85=2.0Hd0.85Y,Y=0.05878X1.85,并與溢流壩下游斜線段相接。堰面曲線計算表如下：表3.3堰面曲線計算表X(m)Y(m)X(m)Y(m)X(m)Y(m)1.00.05912.05.83123.019.4282.00.21213.06.76124.021.0193.00.44914.07.75525.022.6684.00.76415.08.81026.024.3745.01.15416.09.92827.026.1376.01.61717.011.10628.027.9567.02.15118.012.34529.029.8318.02.75319.013.64330.031.7629.03.42420.015.00131.033.74810.04.16121.016.41932.035.79011.04.96422.017.894（3）上下游壩坡取溢流壩的壩坡與非溢流壩的壩坡相同，即：——上游面：鉛直面——下游面：1：0.79（根據(jù)大壩穩(wěn)定及應力計算，最終取大壩下游面坡度為1：0.79）。（4）切點坐標計算計算公式：下游段WES曲線與斜線段的切點坐標Xt、Yt的計算公式見《水工設計手冊》第六卷P6-173公式（27-2-1）。Xt=1.096Hd(1/a)1/0.85=1.096Hda-1.177,Yt=0.592Hda-2.177式中：a—壩坡系數(shù)，根據(jù)大壩穩(wěn)定及應力計算結果，取a=0.79Xt=1.096×12.41×0.79-1.177=17.95(m)Yt=0.592×12.41×0.79-1.177=12.27(m)(5)反弧半徑R根據(jù)《教材》P94的介紹，反弧半徑R=（4～10)h,h為校核洪水位閘門全開時反弧處的水深；當采用底流消能，反弧段與護坦相連時，宜采用上限值。根據(jù)3.4.2.1的計算，當校核洪水位閘門全開時反弧最低點的水深hc=2.68m，據(jù)此，取反弧半徑選R=26.00m。（6）壩段寬度溢流壩壩頂設15個一流孔，每孔凈寬15.00m，取閘墩厚4.00m，中墩處設縫并設止水，壩段寬19.00m。取擋水壩壩段寬度與溢流壩壩段寬度相同，也為19.00m。（7）壩下消能形式考慮到本壩單寬流量較大、流速較高，而壩址基巖為石英巖與板巖互層，大裂隙較多，并有含泥軟弱夾層，基巖較差、抗沖能力較低，因此設計采用底流消能方式，消能結構由護坦、消力坎和海曼組成，由消力坎形成消力池。護坦建基于基巖內(nèi)，根據(jù)《桃林口水庫I-83壩軸線地質縱剖面圖》，護坦建基高程取▽77.00m，護坦厚度取3.00m，護坦混凝土表面高程為▽80.00m;護坦后設消力坎，并設海曼保護消力坎基礎和部分下游河道。3.4水力計算3.4.1溢流壩堰頂過流量計算3.4.1.1計算情況本設計僅計算以下兩種情況的堰頂過流能力:·設計洪水情況·效核洪水情況3.4.1.2設計規(guī)范和計算公式設計規(guī)范:《溢洪道設計規(guī)范》SL253-20000采用公式：本規(guī)范P48，A.2.1開敞式WES型實用堰泄流能力計算公式（A.2.1-2）:Q=cmεσB(2g)1/2H03/2ε=1-0.2[ξk+(n-1)ξ0]H0/nb式中：Ｑ—流量，m3/s;C—上游堰坡影響系數(shù),本堰上游堰坡鉛直，C=0;m—二維水流WES實用堰流量系數(shù)；ε—閘墩側收縮系數(shù)；σs—淹沒系數(shù)；B—溢流堰總靜寬；HO—堰上總水頭，m;n—閘孔數(shù)目，《指示書》P14表中給出n=15;b—單孔寬度，《指示書》P14表中給出b=15m;ξK—邊墩形狀系數(shù)；ξO—中墩形狀系數(shù)。3.4.1.3設計洪水時的泄流量計算(1)設計洪水時的設計參數(shù):·設計洪水位:153.70m;·設計尾水位:97.00m;·堰頂高程：141.70m;·堰基高程：68.00m;·堰上水頭：153.70m-141.70m=12.00m·定性設計水頭：Hd=12.41m;·堰高：P1=141.70m-68.00m=73.70m因P1/Hd=73.70/12.41=5.94＞1.33，該堰為高堰，計算中可忽略行近水頭，HO≈H=12.00m;因設計尾水位低于堰頂高程，故為自由出流，淹沒系數(shù)σS=0。（2）流量系數(shù)mP1/Hd=73.70/12.41=5.94;HO/Hd=12.00/12.41=0.967;查規(guī)范P49，表A.2.1-1得:m=0.499。（3）閘墩收縮系數(shù)εε=1-0.2[ξK+(n-1)ξO]HO/nb式中：ξK=0.70，見規(guī)范P50，圖A.2.1-2園弧形變墩;ξO=0.45,查規(guī)范P49，表A.2.1-3;n=15b=15.00mHO=12.00m則：ε=1-0.2[0.70+（15-1）0.45]12.00/15.15=1-0.075=0.925（4）設計洪水時的堰頂泄流量Q=cmεσSB(2g)1/2H03/2=1.00×0.499×0.925×1.00×225×4.43×12.001.5=19125(m3本計算的堰頂泄流量19125m3/s比《指示書》P14表中給出的18276m3/s的多849m3.4.1.4校（1）校核洪水時的設計參數(shù)：·校核洪水位：156.30m;·校核尾水位：99.10m;·堰上水頭：156.30-141.70=14.60m;·定型設計水頭：Hd=12.41m;·堰高：P1=141.70m-68.00m=73.70m（2）流量系數(shù)mP1/Hd=73.70/12.41=5.94;HO/Hd=14.60/12.41=1.18;查上述規(guī)范P49，表A.2.1-1得:m=0.509。（3）閘墩收縮系數(shù)εε=1-0.2[ξK+(n-1)ξO]HO/nb=1-0.2[0.70+（15-1）×0.45]14.60/15.15=1-0.091=0.909（4）校核洪水時的堰頂泄流量Q=cmεσSB(2g)1/2H03/2=1.00×0.509×0.909×1.00×225×4.43×14.601.5=25727(m3/s)本計算的堰頂泄流量25727m3/s比《指示書》P14表中給出的24527m3/s多3.4.2消力坎水力計算分別按設計洪水和校核洪水兩種情況進行消力池的水力計算。3.4.2.1壩下水流自然銜接型式判別（1）涉計洪水情況下壩下水流自然銜接型式的判別設計洪水流量：Q設=19125m3/s護坦寬度：B=15.00×15+4.00×14=281.00（m）；單寬流量：q=19125/281.00=68.06m3壩上水位：153.70m;消力池底板高程：80.00m;壩上水頭：H上=153.70-80.00=73.70（m）;壩下水位：97.00m;壩下水深：ht=97.00-80.00=17.00(m)?！湛s斷面水深hc的計算計算公式：hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2式中：ψ—流速系數(shù)，查《水利學》P319表7-11，堰頂有閘門的曲線型實用堰ψ=0.90；EO—以收縮斷面底部（消力池底板）為準的上游水流總能量；EO≈H上=73.70mhc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=68.06/0.90[2×9.81(73.70-hc)]=17.074/(73.70-hc)1/2用迭代法求解hc:令hc=0,hc=17.074/(73.70-0)1/2=1.99;令hc=1.99,hc=17.074/(73.70-1.99)1/2=2.02;令hc=2.02,hc=17.074/(73.70-2.02)1/2=2.02,假設值與設計值相同,則收縮斷面水深hc=2.02m——共軛水深hc〃的計算計算公式：hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]帶入上訴數(shù)值，hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]=2.02/2[（1+8×68.082/9.81×2.023）-1]=20.64（m）——壩下水流自然銜接形式判別因hc〃=20.64m＞ht=17.00m，下游水流為遠驅水躍式銜接，需設消能工程。（2）校核洪水情況下壩下水流自然銜接型式的判別校核洪水流量：Q設=25727m3單寬流量：q=25727/281.00=91.56m壩上水位：156.30m;壩上水頭：H上=156.30-80.00=76.30（m）;壩下水位：99.10m;壩下水深：ht=99.10-80.00=19.10(m)?！湛s斷面水深hc的計算計算公式：hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=68.06/0.90[2×9.81(73.70-hc)]=17.074/(73.70-hc)1/2式中:ψ—流速系數(shù)，ψ=0.90EO—以收縮斷面底部（消力池底板）為準的上游水流總能量；EO≈H上=76.30hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=91.56/0.90×4.43×(76.30-hc)1/2=22.965/(76.30-hc)1/2用迭代法求解hc:令hc=0,hc=22.965/(76.30-0)1/2=2.63;令hc=2.63,hc=22.965/(76.30-2.63)1/2=2.68;令hc=2.68,hc=22.965/(76.30-2.68)1/2=2.68,假設值與設計值相同,則收縮斷面水深hc=2.68m。——共軛水深hc〃的計算計算公式：hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]帶入上訴數(shù)值，hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]=2.68/2[（1+8×91.562/9.81×2.683）-1]=23.95（m）——壩下水流自然銜接形式判別因hc〃=23.95m＞ht=19.10m3.4.2.2消力坎坎高的計算本壩下游水位較高，為節(jié)省開挖工程量，消能型式選用在護坦末端設消力坎、坎前形成消力池的消能方案。消力坎坎高按設計洪水和校核洪水兩種情況計算，并取其大者。消力坎高的水力計算如下：要使消力坎內(nèi)產(chǎn)生滿足要求的淹沒水躍，取淹沒系數(shù)σj=hr/hc〃=1.05式中：hr—坎前水深視消力坎為實用堰，坎高C的計算公式如下：C=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3式中：m1—消力坎的流量系數(shù)，取m1=0.42；σS—消力坎的淹沒系數(shù)，由《水力學》P326，表7-12查得。（1）設計洪水情況下坎高C1的計算設計洪水時：q=68.06m3/s;hc〃=20.64m;ht=由于不明消力坎的過流情況，先按自由過流計算坎高C1，取σS=1.0，m1=0.42，得：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/1.0×0.42×4.43）2/3=11.155復核：設坎上全水頭為H10，因HS/H10=ht-C/[q/σSm1(2g)1/2]2/3=（17.00-11.16）/（68.06/1.0×0.42×4.43）2/3=5.84/11.019=0.53＞0.45故：消力坎為淹沒過流，需按淹沒過流試算。設坎高C1=11.20m，則坎上水頭H1=σjhc〃-C=1.05×=10.47（m）坎上全水頭H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=10.47+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2=10.97(m)HS/H10=17.00-11.20/10.97=0.53,查表7-12，得：σS=0.987則：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/0.987×0.42×4.43）2/3=11.06（m）因計算的C1=11.06m值小于所設值11.20m,再設C1=11.05m，則：H1=σjhc〃-C=1.05×20.64-11.05=10.622（m）H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=10.62+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2=11.12(m)；HS/H10=17.00-11.05/11.12=0.54,查表7-12，得：σS=0.986則：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/0.986×0.42×4.43）2/3=11.05（m）計算的C1值與所設值相同，取C1=11.05m。（2）校核洪水情況下坎高C2的計算校核洪水時：q=91.56m3hc〃=23.95m;ht=19.10m。由于不明消力坎的過流情況，先按自由過流計算C2,取σS=1.0，m1=0.42，得：C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×（1.05×23.95）2-（91.56/1.0×0.42×4.43）2/3=12.39（m）復核：設坎上全水頭為H10，hS/H10=ht-C2/[q/σSm1(2g)1/2]2/3=19.10-12.39/（91.56/1×0.42×4.43）2/3=6.71/13.43=0.50＞0.45故消力坎為淹沒過流，需按淹沒過流試算。設坎高C2=12.20m，則坎上水頭H1=σjhc〃-C=1.05×23.95-12.20=12.95（m）坎上全水頭H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=12.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2=13.63（m）則:HS/H10=19.10-12.20/13.63=0.51,查表7-12,得σS=0.989則:C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2-（91.56/0.989×0.42×4.43）2/3=12.30（m）因計算的C2值大于所設值12.20m,再設C2=12.30m,則:H1=σjhc〃-C=1.05×23.95-12.30=12.85（m）H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=12.85+96.362/2×9.81×(1.05×24.54)2=13.53（m）hS/H10=19.10-12.30/13.53=0.50,查表7-12,得σS=0.990則:C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2-（91.56/0.990×0.42×4.43）2/3=12.30（m）計算的C2值與所值相同,取C2=12.30m（3）坎高的確定坎高C應在流量變化范圍內(nèi)選定幾個q值分別計算，取其最大值作為設計的坎高值。為簡化計算，僅作如上設計洪水和校核洪水情況下的坎高計算，并取其最大值C=12.30m作為本設計的坎高值。因過坎水流為淹沒出流，不校核坎后水流銜接情況。3.4.2.3消力池長度LK的計算（1）計算參數(shù)：——消力池長度計算的寬度流量qL：一般情況下，水躍長度隨流量增長而增長。因此，由水躍長度所決定的消力池長度LK的設計單寬流量qL應為建筑物所通過的最大單寬流量。取qL=q校核=91.56m3——收縮斷面水深和共軛水深h1、h2:h1=2.68mh2=23.95m——躍前斷面流速和佛汝德數(shù)：V1=q/h1=91.56/2.68=34.16m/sFr1=V1/gh11/2=34.16/(9.81×2.68)1/2=6.66（2）水躍長度計算：見《水力學》P252公式：——吳持恭公式Lj=10.8h1(Fr1-1)0.93=10.8×2.68×(6.66-1)0.93=145.1(m)——歐勒佛托斯基公式Lj=6.9（h2-h1）=6.9×(23.95-2.68)=146.8(m)——陳椿庭公式Lj=9.4h1(Fr1-1)=9.4×2.68×（6.66-1）=142.6(m)上述三個公式的計算結果均不相同，但都比較接近，因歐勒佛托斯基公式適用于Fr1=5.5～9.0，故取水躍長度Lj=142.6≈147.0m。（3）消力池長度LK的計算：LK=（0.7～0.8）Lj=(0.7～0.8）×147=103～118m取消力池長度為LK=110m3.4.3海漫長度LP的估算因躍前流速大于15m/s（校核洪水時流速為34.16m/s），輔助消能工程易遭空蝕破壞，因此消力池內(nèi)不設趾墩、消力墩等輔助消能工程。由于水流出護坦后紊動仍很激烈，底部流速仍較大，流速分布也未恢復到天然河道的流速分布，對河床仍有較強的沖刷能力；而壩下河道為石英砂巖與板巖互層，大裂隙較多，并有軟弱夾層，抗沖能力較差，設計考慮在護坦后設置海漫，以保護消力坎基礎不被淘刷。本設計擬取海漫設計參數(shù)如下：海漫材料：鋼筋石籠；海漫厚度：1.0m。海漫長度估算：按《水力計算手冊》P223公式（4-2-20）計算：LP=（8.5～12.5）ht式中：ht—下游水深，取ht=17.0mLP=10.0×17.0=170.0m。按《水力計算手冊》P223公式（4-2-21）計算：LP=K[q(△H)1/2]1/2式中：q—消力池出口單寬流量，取q=91.56m3△H—上下游水位差，取△H=156.3-99.1=57.2m（校核洪水時）K—系數(shù)，取K=6（河床為硬粘土時）LP=K[q(△H)1/2]1/2=6×[91.56（57.2）1/2]1/2=158（m）由上述公式計算，所需海漫長度約160～170m。經(jīng)估算,水流出坎后平均流速約4m/s～5m/s左右，由于對消力坎下游側河道地質及覆蓋層情況不清，本設計擬取海漫長80m。海漫長度最終應根據(jù)地質情況，由水工模型試驗和參考類似工程請況3.4.4堰頂水面曲線估算根據(jù)《水工設計手冊》第六卷“泄水與過壩建筑物”P6-181表27-2-5“沿中墩的水面線坐標（2型中墩）”，列出本溢流壩校核洪水位時水流沿閘墩不摻氣水面線的坐標值，并取水面以上的超高值≧1.50m，作為閘墩高度、邊墻頂高度、弧形閘門門軸高程確定的依據(jù)。計算情況：校核洪水位，堰上水頭H=14.60m,定型設計水頭Hd=0.85H,H/Hd=1.17647。計算方法：從上表27-2-5中，內(nèi)插求出H/Hd=1.17647時、相應于H/Hd的Y/Hd的值；然后算出X、Y值，點繪水面曲線。沿閘墩不摻氣的水面線坐標值（2型中墩）見表3.4.4。表3.4.4沿閘墩不摻氣的水面線坐標值（2型中墩）X/HdX(m)Y/HdY(m)-1.0-12.4-1.102-13.68-0.8-9.93-1.090-13.53-0.6-7.45-1.079-13.39-0.4-4.96-1.084-13.45-0.2-2.48-1.096-13.600.00.0-0.952-11.810.22.48-0.811-10.060.44.96-0.693-8.600.67.45-0.566-7.020.89.93-0.426-5.291.012.41-0.264-3.281.214.89-0.084-1.041.417.370.1271.581.619.860.3544.391.822.340.5977.41注：X、Y的坐標原點位于堰面頂點，X軸向下游為正，Y軸向下為正4.擋水壩穩(wěn)定及應力計算4.1荷載根據(jù)本壩的運行情況,作用于壩體上的荷載分為基本荷載和特殊荷載?；竞奢d：1）壩體自重（包括固定設備重，計算時略）；2）正常蓄水位或設計洪水位的靜水壓力（即上、下游的靜水壓力）；3）相應于正常蓄水位或設計洪水位的揚壓力（即上、下游水位差產(chǎn)生的滲透壓力和由下游水深產(chǎn)生的浮托力）。?。骸づ潘啄痪嗌嫌螇蚊?.50m;·揚壓力折減系數(shù)α：根據(jù)教材P45中設計規(guī)范的規(guī)定——河床壩段揚壓力折減系數(shù)α=0.2～0.3；岸坡壩段α=0.3～0.4。本計算按河床最大壩高斷面計算，取α=0.25；4）相應于正常蓄水位或設計洪水位的波浪壓力；5）設計洪水位情況下泄流時的動水壓力；6)淤沙壓力(水庫蓄水后壩前淤沙產(chǎn)生的淤沙壓力)·壩前淤沙高程:▽97.60m;·淤沙浮容重：0.90t/m3；·淤沙內(nèi)摩擦角：120。特殊荷載校核洪水時的靜水壓力；相應于校核洪水位時的揚壓力；相應于校核洪水位時的波浪壓力；相應于校核洪水位時的動水壓力；地震荷載。4.1.2荷載組合作用于壩體上的荷載組合分為基本組合和特殊組合?；窘M合由基本荷載組成；特殊組合由基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。根據(jù)《指示書》的要求，本設計的荷載組合見下表：表4.1.2荷載組和表荷載組合計算情況荷載說明自重靜水壓力楊壓力波浪壓力動水壓力淤沙壓力地震力基本組合正常蓄水位情況★★★★★設計洪水位情況★★★★★★特殊組合校核洪水位情況★★★★★★地震情況★★★★★★正常蓄水位時4.2計算原則及假定(1)先按下游壩坡1：0.76進行計算，視計算結果再修改下游壩坡，選出經(jīng)濟合理的坡面；（2）根據(jù)《指示書》P20頁的要求，只進行壩體混凝土與基巖接觸面間的穩(wěn)定和應力計算；（3）因抗剪強度公式?jīng)]考慮壩體與基巖間的膠結作用，不能完全反映壩的實際工作情況；而抗剪斷了壩體與基巖間的膠結作用，物理概念明確，比較符合壩的實際工作情況。因此本設計采用抗剪斷公式進行抗滑穩(wěn)定計算；（4）抗剪斷參數(shù)壩體混凝土與基巖接觸面間抗剪斷參數(shù)的取值參見《教材》P52表3-6中的抗剪斷參數(shù)f'、C'值：壩體混凝土與基巖接觸面抗剪斷參數(shù)的參考值巖石工程分級巖石綜合評價基巖特征抗剪斷參數(shù)f'(Mpa)C'(Mpa)Ⅰ很好的巖石完整的、新鮮的、致密堅硬的、裂隙不發(fā)育的、塊狀的、厚層狀的巖石。飽和抗壓強度大于100Mpa，變形模量大于2×104Mpa,聲波縱波速大于5000m/s。1.2-1.5Ⅱ好的巖石完整的、新鮮的、堅硬的、微裂隙的、塊狀的、厚層狀的巖石。飽和抗壓強度60～100Mpa,變形模量(1～2)×104Mpa,聲波縱波速4000～5000m/s。1.0-1.31.1-1.3Ⅲ中等巖石完整性較差的、微風化的、微裂隙的、中等堅硬的、塊狀的、層狀的巖石。飽和抗壓強度30～60Mpa，變形模量（0.5～1.0）×104Mpa,聲波縱波速3500～4500m/s。0.9-1.20.7-1.1Ⅳ較差的巖石完整性差的、弱風化的、弱裂隙的、較軟弱的、中厚層狀的巖石或節(jié)理不發(fā)育，但層理、片理較發(fā)育、易風化的薄層狀的巖石。飽和抗壓強度15～30Mpa，變形模量（0.2～0.5）×104Mpa,聲波縱波速2500～3500m/s。0.7-0.90.3-0.7注：①本表不包括基巖內(nèi)有軟弱夾層的情況；②混凝土與基巖接觸面上的抗剪斷參數(shù)不超過混凝土本身的抗剪斷參數(shù)值；③對于Ⅰ、Ⅱ級的基巖，如果建基面能做成較大的起伏差，則接觸面上的抗剪斷參數(shù)可采用混凝土的抗剪斷參數(shù)。（5）本設計選取的壩體混凝土與基巖接觸面間的抗剪斷參數(shù)根據(jù)《指示書》中的介紹：·桃林口水庫壩址區(qū)的地層巖性為震旦系大紅峪組第一、二段，中厚層石英砂巖與板巖互層；·壩址位于三道河附近，河谷寬250m，基巖為石英砂巖與板巖互層，河床覆蓋層厚4～7m;·大壩建基于弱風化巖層中，基巖挖深7～15m。壩基巖石雖為層狀分布，但巖層傾向上游，傾角160～180，層次分明且較為完整，條件較好，壩基巖層一般不存在抗滑穩(wěn)定問題。根據(jù)上述資料，本設計選取的壩體混凝土與基巖接觸面間的抗剪斷參數(shù)如下：抗剪斷摩擦系數(shù)：f'=1.00抗剪斷凝聚力：C'=0.70Mpa（6）抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)壩體混凝土與巖石接觸面間的抗滑穩(wěn)定按抗剪斷強度公式計算。利用抗剪斷強度公式計算時，壩體混凝土與巖石接觸面間抗剪斷安全系數(shù)Ks'見《教材》P52中的規(guī)定：“關于安全系數(shù)Ks'，設計規(guī)范規(guī)定，不分工程級別，基本荷載組合時，采用3.0；特殊荷載組合（1）校核洪水位情況時，采用2.5；特殊荷載（2）地震情況時，不小于2.3”（7）應力計算方法應力計算采用材料力學法，假定：·壩體混凝土為均質、連續(xù)、各項同性的彈性材料；·視壩段為固結于地基上的懸臂梁，不考慮地基變形對壩體應力的影響，并認為各壩段獨立工作，橫縫不傳力；·僅進行壩基上下游邊緣應力的計算；（8）應力計算強度指標《指示書》中P12表中給出的：“石英砂巖單塊巖石室內(nèi)指標：抗壓強度134～338Mpa”；根據(jù)《教材》P63的規(guī)定，壩體混凝土與基巖接觸面間的正應力應滿足：·壩基面的最小鉛直正應力σymin應大于零，即不出現(xiàn)拉應力；·壩基面的最大鉛直正應力σymax應小于壩基容許壓應力。根據(jù)《水工混凝土結構設計規(guī)范》SL/T191-96表3.1.4“混凝土強度設計值”中的規(guī)定：·C15—軸心抗壓強度為7.5N/mm2=7.5Mpa·C20—軸心抗壓強度為10.0N/mm2=10.0Mpa本計算按壩基不出現(xiàn)拉應力、最大壓應力小于7.5N/mm2=7.5Mpa控制。（9）符號規(guī)定：彎矩以順時針為正、逆時針為負；應力以壓為正、拉為負；（10）取最大壩高斷面按單寬b=1.00m計算；（11）混凝土容重取2.4t/m3。4.3下游壩坡1:0.76剖面的穩(wěn)定及應力計算擋水壩下游坡面1:0.76剖面的穩(wěn)定應力計算簡圖如下:4.3.1荷載計算(1）自重GW1=2.4×6.00×78.24=1126.656(t/m)M1=1126.656×26.374=29714.43(t-m/m)W2=2.4×1/2×69.41×52.748=4393.486(t/m)M2=4393.486×5.791=25442.70(t-m/m)(2)靜水壓力P——正常蓄水位時H1=153.20-79.00=74.20(m)P1=1/2×74.20×74.20=2752.82(t/m)M1=2752.82×1/3×74.20=68086.41(t-m/m)H2=84.10-79.00=5.10(m)P2=1/2×5.10×5.10=13.005(t/m)M2=13.005×1/3×5.10=22.11(t-m/m)——設計洪水位時H1=153.70-79.00=74.70（m）P1=1/2×74.70×74.70=2790.045(t/m)M1=2790.045×1/3×74.70=69472.12(t-m/m)H2=97.00-79.00=18.00(m)P2=1/2×18.00×18.00=162.000(t/m)M2=162.000×1/3×18.00=972.00(t-m/m)——校核洪水位時H1=156.30-79.00=77.30(m)P1=1/2×77.30×77.30=2987.645(t/m)M1=2987.645×1/3×77.30=76981.65(t-m/m)H2=99.10-79.00=20.10(m)P2=1/2×20.10×20.10=202.005(t/m)M2=202.005×1/3×20.10=1353.43(t-m/m)(3)揚壓力——正常蓄水位時·浮托力U1U1=（84.10-79.00）×58.748=299.615（t/m）M1=0·揚壓力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(153.20-84.10)×9.50=164.11(t/m)M2=164.11×(58.748/2-9.50/2)=4041.04(t-m/m)·揚壓力U3U3=1/2×17.275×49.248=425.38(t/m)M3=425.38×(2/3×49.248-58.748/2)=1470.96(t-m/m)·揚壓力U4U4=1/2×9.50×51.825=246.17(t/m)M4=246.17×(58.748/2-1/3×9.50)=6451.46(t)——設計洪水位時·浮托力U1U1=（97.00-79.00）×58.748=1057.464（t/m）M1=0·揚壓力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(153.70-97.00)×9.50=134.66(t/m)M2=134.66×(58.748/2-9.50/2)=3315.87(t-m/m)·揚壓力U3U3=1/2×14.175×49.248=349.05(t/m)M3=349.05×(2/3×49.248-58.748/2)=1207.01(t-m/m)·揚壓力U4U4=1/2×9.50×42.525=201.99(t/m)M4=201.99×(58.748/2-1/3×9.50)=5293.62(t-m/m)——校核洪水位時·浮托力U1U1=(99.10-79.00)×58.748=1180.835(t/m)M1=0·揚壓力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(156.30-99.10)×9.50=135.85(t/m)M2=135.85×(58.748/2-9.50/2)=3345.17(t-m/m)·揚壓力U3U3=1/2×14.30×49.248=352.12(t/m)M3=352.12×(2/3×49.248-58.748/2)=1217.63(t-m/m)·揚壓力U4U4=1/2×9.50×42.90=203.78(t/m)M4=203.78×(58.748/2-1/3×9.50)=5340.53(t-m/m)(4)波浪壓力計算假定：《指示書》中僅給出校核洪水位時最大風速的多年平均值V0=23.70m/s,可以計算出校核洪水時的波浪幾何要素；但沒給出正常蓄水位和設計洪水位相應季節(jié)50年重現(xiàn)期的最大風速值。為能進行正常蓄水位和設計洪水位時的波浪壓力計算，取50年重現(xiàn)期的最大風速值也為23.70m/s。計算公式：利用《教材》P15的官廳水庫計算公式，由3.1的計算知：浪高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×23.705/4×31/3=1.25(m)波長L=10.4（h1）0.8=10.4×1.250.8=12.43(m)波浪中心線高于靜水面的高度hZ=πhl2/Lcth2H/Lπ=0.39(m)本壩高H=78.24m＞L/2=6.215m，波浪為深水波，波浪壓力pl的計算公式見《教材》P16公式（2-8）：波浪壓力pl=γ/4L(h1+hZ)=1.0×12.43/4(1.25+0.39)=5.10(t/m)說明：正常蓄水位、設計洪水位和校核洪水位時的波浪壓力均取pl=5.10t/m。計算簡圖如下：——正常蓄水位時波浪壓力的力矩計算力臂l=(H正+hZ+hl)-1/3(L/2+hZ+hl)=(74.20+0.39+1.25)-1/3(12.43/2+1.00+1.25)=73.222(m)力矩M=5.10×73.222=373.43(t-m/m)——設計洪水位時波浪壓力的