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水工建筑物（实践）
1.考核方式
设计报告书
2.1 设计题目
顺江水利枢纽工程初步设计
2.2要求完成的具体内容
（1）根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用，确定枢纽布置方案。
（2）进行非溢流坝和溢流坝的剖面设计，内容包括：拟定挡水坝剖面、溢流坝段剖面设计和尺寸设定、稳定分析和应力分析。
（3）进行细部构造设计。
2.3基本资料
（1）工程概况
顺江电站工程特性表
序号及名称 单位 数量 备注
一.水文
1.流域面积
全流域 k㎡ 465
坝址以上 k㎡ 417
2.利用的水文系列年限 年 43
3.代表性流量
多年平均流量 m3/s 14.5
正常设计洪水标准及流量
（P=3.33%） m3/s 640
非常设计洪水标准及流量
（P=0.5%） m3/s 1000
施工导流标准及流量
（P=20%） m3/s 165
4.泥沙
多年平均悬移质年输沙量 万t 22.9
多年平均含沙量 kg/ m3 0.5
二.水库
1.水库水位
校核洪水位 m 421.50
设计洪水位 m 420.20
正常蓄水位 m 420.0
死水位 m 418.0
2.回水长度 m 400
3.水库容积 万m3
顺江电站工程特性表
序号及名称 单位 数量 备注
总库容 万m3 15
三.大坝下泄流量及下游水位
1.设计洪水时最大泄量 m3/s 640
相应下游水位 m 412.98
2.校核洪水时最大泄量 m3/s 1000
相应下游水位 m 413.87
3.机组满发流量 m3/s 37.56
相应下游水位 m 354．012
四.工程效益指标
装机容量 kw 18000
保证出力（P=90%） kw 2850
多年平均发电量 万kw.h 5868
年利用小时数 h 3260
五.淹没损失及工程
永久性占地
1.占用耕地（P=50%） 亩 20
2.永久占林地 亩 70
3.临时占地 亩 60
六.主要建筑物及设备
1.挡水建筑物
形式 砼重力坝
地基特性 砂岩
序号及名称 单位 数量 备注
地震基本烈度 ＜6度
本次在坝址处实测了河床断面、水面坡降，并进行了大洪水调查，根据实测大断面及糙率、坡降用曼宁公式求得各级水位的流量，以此求得坝址水位～流量关系曲线成果。
水位
（m） 411.8 412.5 415 417.5 420
流量
（m3/s） 0 74.08 685 1833.48 2648.36
水库工程地质条件：
枯水期河水面一般宽度为40～50m,河谷多呈深切的“V”型,两岸岸坡坡度多陡于45○、树支状沟谷十分发育。
库区岩层走向多横向～斜向切过河谷，倾角变化大，构造形迹主要有断裂和褶皱两种。库区出露的断裂主要有寨批—园坑压扭性断裂和大峰仙—延寿压性断裂两条；库区褶皱主要有洞子垅向斜和南洞向斜。
库区水文地质条件较为简单，地下水类型以基岩裂隙水为主，接受大气降水的补给，其补给源较广、地下水循环较为缓慢，由两岸向沟谷或河床排泄。
工程选址：
该河段地形相对开阔，两岸山体雄厚，山顶高程761～784m，山坡坡度35～50度。左岸岩石基本裸露，右岸残坡积覆盖层厚2～8m，植被好。河谷对称,河床高程为410m，建基面高程408m,河面宽60～90m。坝轴线长170m。
工程地质：
坝址区地层岩性为泥盆系跳马涧组（Dz）厚层状石英砂岩，含砾石英砂岩和砂质页岩，两坝肩岩石部分裸露地表，岩层倾向上游，岩石坚硬，抗风化能力强，地质构造雅区域性大断裂通过。受构造地应力作用影响，岩层褶皱强烈，产状多变化，层面裂隙发育。
坝址岩石物理力学参数
根据本阶段试验成果并参照其他有关工程经验,将本工程岩石物理力学参数,建议为:
饱和抗压强度: 40Mpa
抗 剪 指 标 : f砼/岩=0.64
抗剪断指标 : f砼/岩=0.7
c，=0.7Mpa
2.4要求提交的成果
1.设计计算说明书一份。
2.撰写格式要求：
╳╳╳╳╳╳╳（题目：三号黑体，居中，行距1.5）
专业：╳╳╳学号：╳╳╳学生姓名：╳╳╳
以下为正文，行距设为1.5，内容部分为小四宋体，标题除外
1．（一级标题，用“1.”标识，四号黑体，左对齐）
╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳（小四宋体，首行缩进2个字符）
1．1（二级标题，小四，黑体，左对齐）
╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳（首行缩进2个字符）
1．1．1(三级标题，小四，黑体，左对齐)
╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳（首行缩进2个字符）
图1（五号宋体，居中对齐）
表1（五号宋体，居中对齐）
计算公式：公式应居中。公式中的字母意义要说明，格式参考如下：
Δh= hb+ hz+ hc
式中：Δh—防浪墙顶高程与正常蓄水位或者校核洪水位的高差，m；
hb—波浪高度，m；
hz—波浪中心线至静水位的高度，m；
hc—安全超高，m。
附例：
溪谷水库混凝土重力坝设计
专业：╳╳╳学号：╳╳╳学生姓名：╳╳╳
1非溢流坝段设计1.1坝基及坝顶高程1.1.1坝基
根据九龙河流域工程地质条件结合《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）相关规定，需将坝址处表层的风化岩基做开挖处理，本设计开挖深度为8m，河床高程2657.0m，坝基高程为2649.0m。1.1.2波浪要素计算
根据九龙县水文站气象资料，查得多年平均风速3.8m/s，多年平均最大风速15m/s，最大冻土深1.40m，最大积雪厚度42cm，重现期为50年的年最大风速为16.3m/s。风作用于水域的长度为4.0km。根据溪谷坝址地形条件，本工程属于内陆峡谷水库，所以风向可以近似认为垂直于坝轴线，故按官厅水库公式计算：
式中： —为波高，当 =20~250时为累计频率为5%的波高h5%。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）表B.6.3-1计算 ；当 =250~1000时为累计频率为10%的波高h10%,计算 ；
V0—为计算风速，m/s，水库水位为正常蓄水位和设计洪水位时，采用相应季节50年重现期的最大风速，本设计取16.3m/s，校核洪水位时采用相应洪水期最大风速多年平均值，本设计取15m/s。
D—吹程，m；
H—为坝前水深，m；
L—为波长，m；
hz—为波浪中心线至静水位的高度，m；H>L/2时， ， 。
以下为计算过程及结果：
（1）设计水位时：
= =0.00166×16.35/4× =0.863m
L=10.4 =10.4×0.8630.8=9.244m
由于L=9.244m，显然h>L/2，故
= ×0.8632/9.244=0.253m
（2）校核水位时
=0.00166× ×40001/3=0.778m
L=10.4×0.778^0.8=8.508
同理，
= ×0.7782/8.508=0.224m1.1.3坝顶高程
结合《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）中关于安全加高 的规定，本工程坝的安全级别为Ⅱ级，将上述计算成果汇入表1-1中，如下：
表1-1 安全超高计算表
浪高 /m
/m
安全加高 /m
设计水位 0.863 0.253 0.5
校核水位 0.778 0.224 0.4
故设计水位时安全超高
=0.863+0.253+0.5=1.616m
校核水位时安全超高
=0.778+0.224+0.5=1.502m
由于坝顶有通行要求，为防止波浪漫过坝顶，需增设防浪墙，现拟设防浪墙高1.2m。防浪墙顶高程应取 + 和 + 中更大者。
经计算：设计水位下防浪墙顶高程 ，校核水位下，防浪墙顶高程 。故取校核情况作为防浪墙顶高程。并且减去防浪墙高之后坝顶高程不会低于校核水位，满足要求。故坝顶高程为2721.702m。
1.2剖面设计
（1）坝高
H=坝顶高程-坝基高程=2721.702-2649=72.702m≈72.7m
（2）坝顶宽度
参考《水工设计手册》中关于重力坝设计的建议，坝顶宽度一般宜取坝高的0.08～0.1倍，若坝顶与当地主要交通干道连接，则需按主要交通干道要求来设计[6]。本工程坝顶并未与干道连接，仅有普通交通要求，故坝顶宽度按规范建议进行确定：
坝顶宽度b=（0.08～0.1）H=（0.08~0.1）×72.7=5.82～7.27m
坝顶需设人行道及公路，公路宽度取5m，两侧人行道各取1.5m，本设计初步拟定坝顶宽度b为8m，略超规范建议。
由于坝址处地形以及地质条件较为良好，拟设上游坝坡坡率n=0（上游坝面竖直），下游坝坡坡率m=0.8，故：
坝底宽度B=mH=0.8×72.704=58.163m≈58.2m
（3）坝顶至下游起坡点高度
=b/m=8/0.8=10m
则起坡点高度：
（4）非溢流坝段剖面尺寸见图1-1：
图1-1非溢流坝剖面尺寸图
1.3坝基面抗滑稳定计算
1.3.1计算准备
本设计拟选择基本组合（正常蓄水位、设计洪水位）和特殊组合（校核洪水位、地震情况）下的抗滑稳定和应力情况。由于工程坝址处坝基面基岩结构较为完整，雅较大结构面发育，不存在深层滑动的可能，因此，本设计选取坝基面作为计算截面。表1-2是本次计算所需的计算资料：
表1-2计算参数取值表
参数 单位 取值
混凝土的容重 kN/m3 24.0
水的容重 kN/m3 9.81
设计洪水位 m 2719.2
校核洪水位 m 2721.4
正常蓄水位 m 2715.6
死水位 m 2675.0
河床基岩面高程 m 2649.0
坝前淤沙厚度 m 15.0
坝前淤沙高程 m 2667.0
淤沙浮的容重 kN/m3 8.0
泥沙内摩擦角 度 14
坝基与基岩的抗剪断摩擦系数 0.8
坝基与基岩的抗剪断凝集力 MPa 0.7
混凝土层面抗剪断摩擦系数 0.9
混凝土层面抗剪断凝集力 MPa 0.95
采用C10碾压混凝土轴心抗压强度标准值 MPa 13.5
地震设计烈度 度 Ⅵ
1.3.2荷载分析及计算
（1）坝体及其上永久设备自重
初步设计阶段，混凝土容重取24.0kN/m3，并且本工程所有荷载均取坝宽为1m进行计算。闸门及启闭机重力按92kN/m计算，为方便后续计算，坝体剖面做如下分区处理（图1-2）并计算：
图1-2非溢流坝体剖面分区
经计算：
（2）静水压力
由于本工程上游坝面坡度为0，因此上游只记水平静水压力，且不同工况下，水位也不同，因此，净水压力的计算需分工况进行。
1) 正常蓄水位时：
上游水平水压力： 16843.57kN
下游水平水压力： 561.57kN
下游垂直水压力： =449.26kN
2) 设计洪水位时：
上游水平水压力： 18976.66kN
下游水平水压力： 1148.21kN
下游垂直水压力： =918.57kN
3) 校核洪水位时：
上游水平水压力： 20342.80kN
下游水平水压力： 1434.27kN
下游垂直水压力： =1147.42kN
（3）渗透水扬压力
本工程坝址处地下水为强透水，为保证工程安全，拟在坝基处距上游B1=6m处设防渗帷幕，并且在距上游B2=12m处设主排水孔，在距下游坝址B3=10m处设置副排水孔，以充分降低渗透水扬压力给坝体稳定带来的隐患，主、副排水孔之间的距离B4=36.2m。扬压力分布如图1-3所示：
其中： =0.20， 。
图1-3渗透水压力分布图
1) 正常水位时（上游水深H1=58.6m，下游水深H2=10.5m）
2) 设计洪水位时（上游水深H1=62.2m，下游水深H2=15.3m）
3) 校核洪水位时（上游水深H1=64.4m，下游水深H2=17.1m）
（4）波浪压力
1) 正常蓄水位
由于gD/ =9.81×4000/16.32=147.69，因此 为累计概率5％的波高，据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）表B.6.3-1计算 。在非溢流段剖面波浪因素计算中，已算得L=9.244m， =0.863m，雍高 0.253m
因此
=1.2358 =1.2358×0.863=1.066m
且坝前水深H=58.6m>L/2=4.622m，因此属于深水波。
作用于铅直坝面的浪压力按下式计算：
故浪压力
kN
2) 设计洪水位
设计水位的波浪要素同正常蓄水位一致，L=9.244m， =1.066m，雍高 0.253m，同样属于深水波。
浪压力
kN
3) 校核洪水位
gD/ =9.81×4000/152=174.4，同样 为累计概率5％的波高，L=8.508m， =0.778m， 0.224m，因此：
=1.2358 =1.2358×0.778=0.961m
kN
（5）泥沙压力
水库库容与年入沙量体积比值小于30时，说明工程淤沙问题比较严重，需要计算泥沙压力，本工程总库容6.72× m3，泥沙2.48× m3，
而：
泥沙压力按下式计算：
式中：Ps—坝面每米宽度上的水平泥沙压力，坝宽取1m计算，m。合力在1/3淤沙高度处；
—泥沙的内摩擦角，取为14°；
—泥沙的浮容重，8.0 kN/m3；
—泥沙的淤积厚度，坝前淤积厚度为15m。
故泥沙压力：
kN
1.3.3荷载组合
荷载组合可以分为基本组合和偶然组合两类。本设计荷载组合见表1-4：
表1-4荷载组合
荷载组合 主要考虑情况 荷载
自重 静水压力 泥沙压力 扬
压力 浪
压力 冰
压力 动水压力 泥沙
压力 地震荷载
基本
组合 （1）正常蓄水位情况 √ √ √ √ √ - - √ -
（2）设计洪水位情况 √ √ √ √ √ - - √ -
特殊
组合 （1）校核洪水位情况 √ √ √ √ √ - - √ -
（2）地震情况 √ √ √ √ √ - - √ √
荷载计算值汇总见表1-5：
表1-5非溢流段荷载计算值
荷载效应 单位 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 地震情况
自重 W kN 51820.88 51820.88 51820.88 51820.88
静水压力 PH1 kN 16843.57 18976.66 20342.80 16843.57
PH2 kN 561.57 1148.21 1434.27 561.57
Pv2 kN 449.26 918.57 1147.42 449.26
扬压力 U1 kN 2997.45 4667.89 5401.58 2997.45
U2 kN 1451.49 1296.10 1267.84 1451.49
U3 kN 188.06 140.97 127.43 188.06
U4 kN 257.51 375.23 419.38 257.51
浪压力 Pl kN 119.61 119.61 98.91 119.61
泥沙压力 Ps kN 244.16 244.16 244.16 244.16
在进行工程设计时，不同荷载对工程的影响大小不同，因此，需要将荷载计算值乘以不同荷载的分项系数转化为荷载设计值，方可进行工程设计，以确保工程安全。表1-6为各项荷载分项系数，荷载计算值乘分项系数得荷载设计值，见表1-7：
表1-6分项系数表
荷载 自重 永久设备（利） 静水压力 扬压力U1 扬压力U2 扬压力U3 扬压力U4 波浪压力 泥沙压力
分项系数 1.0 0.95 1.0 1.0 1.1 1.1 1.2 1.2 1.2
表1-7 非溢流段荷载设计值
荷载效应 单位 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 地震情况
自重 W kN 51816.28 51816.28 51816.28 51816.28
静水压力 PH1 kN 16843.57 18976.66 20342.80 16843.57
PH2 kN 561.57 1148.21 1434.27 561.57
Pv2 kN 449.26 918.57 1147.42 449.26
扬压力 U1 kN 2997.45 4667.89 5401.58 2997.45
U2 kN 1596.64 1425.71 1394.62 1596.64
U3 kN 206.87 155.07 140.17 206.87
U4 kN 309.01 450.28 503.27 309.01
浪压力 Pl kN 143.53 143.53 118.69 143.53
泥沙压力 Ps kN 292.99 292.99 292.99 292.99
1.3.4坝基面抗滑稳定计算
本章前面已经提到，本工程不存在深层滑动的可能，对于抗滑稳定分析，只需核算坝基面即可，现以坝基面为计算截面，分别对不同工况下的荷载情况进行抗滑稳定分析。现将荷载作用情况汇入表1-8至1-10中（其中力矩逆时针为负）：
表1-8非溢流段正常水位荷载值作用情况
荷载效应 方向 荷载设计值/kN 对坝基面形心轴力臂/m 力矩/kN•m
自重 W1 ↓ 14142.4 25.1 354974.2
W2 ↓ 37673.88 4.4 165765.1
静水压力 PH1 → 16843.57 -21.53 -362642
PH2 ← 561.57 6.17 3464.887
Pv2 ↓ 449.26 -24.17 -10858.6
扬压力 U1 ↑ 2997.45 -1.0 -2997.45
U2 ↑ 1596.64 -26.3 -41991.6
U3 ↑ 206.87 -23.2 -4799.38
U4 ↑ 309.01 23.9 7385.339
浪压力 Pl → 143.53 -64.853 -9308.35
泥沙压力 Ps → 292.99 -3.3 -966.867
表1-9 非溢流段设计洪水位荷载值作用情况
荷载效应 方向 荷载设计值/kN 对坝基面形心轴力臂/m 力矩/kN•m
自重 W1 ↓ 14142.4 25.1 354974.2
W2 ↓ 37673.88 4.4 165765.1
静水压力 PH1 → 18976.66 -23.4 -444054
PH2 ← 1148.21 10.07 11562.47
Pv2 ↓ 918.57 -21.55 -19795.2
扬压力 U1 ↑ 4667.89 -1.0 -4667.89
U2 ↑ 1296.10 -26.3 -34087.4
U3 ↑ 140.97 -23.2 -3270.5
U4 ↑ 375.23 23.9 8967.997
浪压力 Pl → 143.53 -64.853 -9308.35
泥沙压力 Ps → 292.99 -3.3 -966.867
表1-10校核洪水位荷载值作用情况
荷载效应 方向 荷载设计值/kN 对坝基面形心轴力臂/m 力矩/kN•m
自重 W1 ↓ 14142.4 25.1 354974.2
W2 ↓ 37673.88 4.4 165765.1
静水压力 PH1 → 20342.80 -24.13 -490872
PH2 ← 1434.27 10.83 15533.14
Pv2 ↓ 1147.42 -8.67 -9948.13
扬压力 U1 ↑ 5401.58 -1.0 -5401.58
U2 ↑ 1267.84 -26.3 -33344.2
U3 ↑ 127.43 -23.2 -2956.38
U4 ↑ 419.38 23.9 10023.18
浪压力 Pl → 98.91 -72.624 -7183.24
泥沙压力 Ps → 244.16 -3.3 -805.728
核算坝基面抗滑稳定采用刚体极限平衡法，即将滑裂体看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布的情况，仅考虑滑裂面上的合力，而忽略滑裂面上所承受的各种分力对滑裂面形心的力矩。本设计采用抗剪断公式（剪摩公式）计算坝基面抗滑稳定安全系数 （同样取坝宽1m进行计算）。
式中： —为接触面以上的总铅直力，kN；
—为接触面以上的总水平力，kN；
—为作用在接触面上的扬压力，kN；
—胶结面积；取坝宽1m计算A=58.2m2；
—抗剪断凝聚力，本设计取坝基基岩的 =0.7MPa；
—抗剪断摩擦系数，选用基岩和混凝土中的较小值，本设计取坝基基岩的 =0.8；
—抗滑稳定安全系数，基本荷载组合时为3.0；特殊组合（校核洪水位）时为2.5；特殊荷载组合（地震荷载）为2.3。
（1）设计洪水位时
总铅直力： 51816.28+918.57=52734.85kN
总水平力：
18976.66-1148.21+143.53+292.99=18264.97kN
扬压力：U= U1+U2+U3+U4=6480.19KN
满足规范要求。
（2）校核洪水位时
总铅直力： 51816.28+1147.42=52963.7kN
总水平力：
20342.80-1434.27+98.91+244.16=19251.6kN
扬压力：U= U1+U2+U3+U4=7216.23kN
将计算成果汇入表1-11中：
表1-11 非溢流段抗滑稳定安全系数
基本组合 特殊组合
工况 正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位
4.69[3.0] 4.25[3.0] 4.01[2.5]
根据表中结果，各种工况下抗滑稳定系数均满足规范要求，因此，本设计坝体不会有沿坝基面滑动的危险。
1.4坝基面应力分析
通过对坝基面抗滑稳定的核算，结果表明坝体不会沿坝基面发生滑动，但在抗滑稳定计算中并未考虑各种荷载对坝基面产生的应力影响。而当各种荷载对坝基面的应力超过强度规范时，坝体则会有发生倾覆的可能性，因此对坝基面的应力计算是十分必要的。
应力分析的方法有很多，本设计采用的是材料力学法，设计主要计算基本组合（正常蓄水位、设计洪水位）和特殊组合（校核洪水位）下的应力分布情况。
以坝踵为坐标原点，坐标水平方向以向右为正，竖直方向以向下为正，弯矩以绕形心逆时针为正。
按偏心受压公式计算上、下游边缘竖向应力 和 （以压应力为正，下同）。
式中：
、 —上下游水平截面上的正应力，kPa；
—作用于计算截面的全部荷载（包括扬压力）的铅直分力的总和，kN，向下为正；
—作用于计算截面的全部荷载（包括扬压力）对截面形心轴的力矩总和，kN•m；
B—计算截面的长度，m。
（1）设计洪水位
上游边缘垂直正应力：
下游边缘垂直正应力：
上游面水平压力强度：
下游面水平压力强度：
上游面扬压力强度：
下游面扬压力强度：
由非溢流坝剖面设计结果，上游坝坡n=0，下游坝坡n=0.8；
上游边缘主应力：
下游边缘主应力：
上游坝面剪应力：
下游坝面剪应力：
上游 坝面水平正应力：
下游坝面水平正应力：
（2）校核洪水位
上游边缘垂直正应力：
下游边缘垂直正应力：
上游面水平压力强度：
下游面水平压力强度：
上游面扬压力强度：
下游面扬压力强度：
由非溢流坝剖面设计结果，上游坝坡n=0，下游坝坡n=0.8；
上游边缘主应力：
下游边缘主应力：
上游坝面剪应力：
下游坝面剪应力：
上游 坝面水平正应力：
下游坝面水平正应力：
由非溢流坝剖面设计结果，上游坝坡n=0，下游坝坡n=0.8；
上游边缘主应力：
下游边缘主应力：
上游坝面剪应力：
下游坝面剪应力：
上游 坝面水平正应力：
下游坝面水平正应力：
根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2018）重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：
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力，坝趾垂直应力不应大于坝体混凝土容许压应力，并且不应大于基岩容许承载力。即
>0kPa， <9MPa，本设计坝基面应力情况满足规范要求。
重力坝坝体应力应符合下列要求：
坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。坝体最大主压应力不应大于混凝土的容许压应力值。即 >0kPa， <15MPa ，满足规范要求。
2溢流坝段设计
2.1溢流坝段总长
本工程洪水“峰高量大”，汛期来临时需要坝身有足够的超泄能力，因此选择开敞式溢流，堰顶设闸门。根据调洪演算结果，取校核情况最大下泄流量 =24632m3/s进行计算，以确保工程安全。考虑泄洪底孔辅助泄流：
式中：Q—流量，m3/s；
Ak—出口处的面积，m2；
Hw—自由泄流时为孔口中心线处的作用水头，淹没泄洪时为上、下游水位差，m；
μ—孔口或管道的流量系数，取μ=0.88；
g—为重力加速度，取g=9.81m/s2。
经计算，底孔辅助泄流流量：
因此溢流堰泄流：
再由堰流公式：
式中：B—溢流堰净宽(m)；
H0—溢流堰顶作用水头(m)；
C—上游面坡度影响修正系数，由规范建议，取C=1.0；
ε—侧收缩系数，根据墩厚度及墩头形状而定，取ε=0.92；
σs—淹没系数，视为不淹没取σs=1；
m—流量系数，由《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）中表A.3.1-1，取m=0.5。
由校核洪水位减去堰顶高程得堰上水头 ：
只有B为未知量，现通过反算，确定溢流堰净宽B：
经计算，当 m3/s时，B=112.35m。
为方便计算与施工，取溢流堰净宽B=117m，共需设9孔泄流，每孔净宽为13m；9孔之间共需设8个中墩，溢流堰两侧需设2个边墩，本设计拟设中墩厚度为6m，边墩厚度为3m。故溢流段总长度：
此外，关于横缝的布置，本工程采用将横缝设在闸墩中间成为缝墩的方式，以消除地基不均匀沉降对闸门启闭的影响，故而横缝间隔s：
s=b+d中墩=13+6=19m
式中：b—孔宽，m。
横缝布设情况见图2-1：
图2-1 横缝布置
2.2溢流堰体形设计
溢流面由顶部曲线段，中间直线段以及下部反弧段三部分构成。设计要求是：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体形简单，造价低，便于施工等。
1)顶部曲线段
本工程采用最常用的WES堰顶部曲线[14]，运用由西班牙学者提出三段圆弧法进行设计，这种曲线能使压力分布和泄流能力都得到改善。三段圆弧法图解如下图2-2：
图2-2 三段圆弧法
其中R1=0.5 ，R2=0.2 ，R3=0.04 ， =0.175 ， =0.276 ， =0.281
堰顶下游段的曲线方程为：
上式中 为堰面曲线定型设计水头，m，可根据容许负压的大小按堰顶最大作用水头Hmax的75％～95％计算；由于溢流堰顶高程为2705.0m，故：
Hmax =2721.4-2705.0=16.4m
取 =15.0m。
故将 带入上式中，据上式对x，y取一系列点即可绘制出堰顶下游段曲线，而三段圆弧半径分别为：
=0.5×15=7.5m
=0.2×15=3m
=0.04×15=0.6m
距原点水平距离：
=0.175×15=2.625m
=0.276×15=4.14m
=0.281×15=4.215m。
将上式化简：
2)下部反弧段
溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程设施，通常采用圆弧曲线。
《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）建议反弧半径R选用：
R=（4～10）h
式中：h—为校核洪水位闸门全开时反弧段最低点处的水深，m。若反弧处流速越大，要求反弧半径越大，宜采用较大值。
根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）关于挑流消能的建议，挑流鼻坎处高程应不低于下游最高水位1～2m：
本设计取 。
挑射角超过35°后，挑距增加距离有限。若挑射角越大，则水舌落入下游水垫的入射角β越小，冲刷坑越深。因此，在工程中，挑角一般取20°～30°为宜，取 。
鼻坎断面处流速v：
式中：s1—校核情况水库水位到鼻坎顶点的高差，即2721.4－2682.5=38.9m；
h1—鼻坎断面处水深，m；
—流量系数，取0.95。
其中单宽流量：
q=Q/B=185.28㎡/s
将以上数据计算出结果并代入鼻坎断面水深计算公式：
有：
从 开始，进行迭代计算，结果如表2-1：
表2-1 迭代计算表
hi hi+1
0 4.059609
4.059609 4.723277
4.723277 4.795748
4.795748 4.803786
4.803786 4.804680
4.804680 4.804779
4.804779 4.804790
4.804790 4.804791
4.804791 4.804791
由表2-1中结果显示，当 时， =4.8m。
则反弧段半径：
取反弧段半径R=20m。
则反弧段最低点高程：
3)中间直线段
中间直线段与坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度一般与非溢流坝段下游坡度相同，故取m=0.8，因此，对 求导数：
代入斜率 ，得x=28.6591m，y=19.3643m，故直线段与坝顶曲线下游段衔接与（28.6591m，19.3643m）处。
利用CAD绘制溢流堰体形曲线，结果如图2-3：
图2-3溢流堰曲线图
反弧段与直线段连接点为（36.6358，29.3351）。
由于溢流剖面大于基本三角形剖面，为节约坝体工程量同时不影响泄洪能力，因此将堰顶凸向上游，斜率为1：1。
2.3闸门设计
本工程溢流方式采用的是开敞式溢流，若不设闸门，则堰顶高程应与正常蓄水位齐平，泄洪时，库水位雍高，淹没损失加大，适用于洪水量较小的中、小型工程，显然，依据本工程的洪水特性，必须设置闸门，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段的工程量。
单宽流量：
式中：B—溢流堰净宽。
孔口宽度愈大，闸门启闭力也愈大，为便于闸门得设计和制造，根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2018）建议闸门宽高比b/H一般取1.2～1.5。本设计孔口净宽为13m，现拟设闸门宽度为15m，故闸门高度：
=10～12.5m
为确保工程正常运行，水库正常蓄水位为2715.6m，本设计略超规范，取闸门高度H=11.0m，对应闸门顶部高程2716.0m。闸门形式采用直升式平面钢闸门。工作闸门设置在溢流堰顶，检修闸门设置在工作闸门上游侧，净距为2m。
2.4中墩、边墩设计中墩、边墩用以承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支撑。本设计中墩厚度为6m，中墩形式选择上游端为半圆形，下游端为方形，这种形式的闸门上游端有着减小水流的侧收缩，使水流平顺的作用，下游端在墩后能形成一定范围的空腔，有利于过坝水流底部掺气，防止溢流坝面发生空蚀。上游端半圆形半径R=d中墩/2，为3m。门槽的槽深一般为闸门水平跨径的1/12~1/18，本设计闸门水平跨径为15m，则门槽深：
d槽深=（1/12~1/18）b=（1/12~1/18）×15=0.83~1.25m
本设计取门槽深为1.0m，槽宽约为槽深的2倍，为2.0m，闸门厚度略小于门槽宽度，在保证工程安全的前提下，闸门厚度越小，成本越低，本设计取闸门厚度1.5m。由于工作闸门和检修闸门均为平面钢闸门，故闸门启闭机采用活动式启闭机。闸门及闸墩布置如图5-4：
图2-4 中墩及闸门布置
溢流坝两侧设边墩，从坝顶延伸至坝趾，既作为闸墩承担闸门传来的水压力，也作为分隔溢流段和非溢流段的分隔建筑物，边墩厚度为中墩厚度的一半，为3.0m，门槽尺寸同中墩，边墩尺寸如图2-5：
图2-5 边墩示意图
中墩及边墩的长度为溢流坝顶的宽度，具体尺寸须后续大坝细部构造中工作桥及启闭机轨道尺寸确定后方可确定闸墩长度。
2.5消能防冲设计
本工程属于内陆山地峡谷，坝高72.7m，属于高坝，且由于洪水特性，导致泄流单宽流量较大，为保证工程消能需求，本设计采用挑流消能。挑流消能计算如下：
（1） 挑流鼻坎处水流平均流速：
式中： —水库水位至鼻坎处的高差。其中： ，
Z—上下游水位差。
经计算： ≈0.054， ≈0.91，v=25.14m/s。
（2） 挑距L计算
挑流鼻坎水舌挑射距离计算公式为：
式中： —挑坎与下游基岩面的高差，m；
—挑坎的挑射角（即挑射方向与水平面的夹角），°；
—在挑坎处水舌的厚度，m；
—在挑坎处水股外侧的流速，m/s，一般为水股平均流速v的1.1倍。
经计算：
=25.14×1.1=27.65m/s
同样，由试算法推求出挑坎处水舌的厚度h为5.54m；
计算出挑距
（3） 最大冲刷坑深度
计算公式：
式中： —冲坑深度，自水面算至坑底，m；
q—单宽流量，㎡/s；
H—上下游水位差，m；
k—冲坑系数，根据下游河床地质情况，取1.2。
上下游水位差H=2721.4-2681.5=39.9m。
最大冲坑深度：
T= =41.04-32.5=8.54m
L/T=106.15/8.54=12.43
满足规范挑射距离大于5倍下游冲坑深度的要求，不会对坝体产生影响。
2.6溢流堰水面线计算及边墙顶部高程2.6.1水面线计算
（1）判断是否发生自然掺气
根据公式：
其中：c，m为经验系数，参考已建工程，c取13.8，m取2/3。则自然掺气点发生位置：
=13.8×185.282/3=448.502m
（2）溢流堰曲线段长度Lc
对于WES曲线型堰面，Lc可按《水工设计手册》（第六卷）图27-2-7按X/Hd查得，这里X是从堰顶开始向下游计算的，当取X/Hd=Xt/Hd时，查的便是曲线段总长度Lc,t,本设计中切点坐标为（28.6591，19.3643）即Xt=28.6591m，Hd=15m，X/Hd=1.9,查得：
当Xt/Hd=1.9时，查得Lc,t/Hd=2.2。
则：
Lc,t=2.2×15=33m
Lc,u=0.281Hd=0.281×15=4.21m
Lc= Lc,t+ Lc,u=33+4.21=37.21m<Lk=448.502m
由于Lc<Lk,,因此不会发生自然掺气。
（3）堰面水面线计算
堰面水面线计算，为节省计算量，本设计采用选取控制点绘制水面线的方法，选取控制点分别为溢流堰顶部以及反弧段最低点。
1) 溢流堰顶
经过验证，本设计不会发生自然掺气，因此计算水深时应计算未计入波动的水深 ，采用《水工建筑物》（麦家煊）中介绍的试算法进行计算：
i. 首先假设水舌厚度 ，由此求得水舌截面中点至上游水面高差Δz，并计算此界面的平均流速 ；
ii. 用 和单宽流量q计算得到水舌的厚度 =q/ ；
iii. 用新计算的 回代到i、ii两步，直到前后两次计算结果相差很小为止，一般经过2～3次试算便可得到满足精度要求的水舌厚度h（= ），再代入经验公式计算 。
至于流速系数 ，由以往的模型试验和原型观测结果总结得到如下计算式。
先计算 ，q为单宽流量（㎡/s）， 为水舌中点至上游水面的高差（m）。
当k≤0.8188时，取：
当k>0.8188时，取：
通过EXCEL表格进行计算，计算结果见下表2-2（溢流坝顶处流速最慢，根据连续性方程Q=vA，因此坝头水深最大，故取溢流坝顶进行设计计算）。
表2-2溢流堰顶部水舌厚度计算表
t1/m Δz/m v1/(m/s) t2/m q/(㎡/s） k φ
2 23.4 20.784 8.914549 185.28 489.0125 0.97
8.914549 19.94 19.32443 9.587865 185.28 573.8662 0.977
9.587865 19.60607 19.16193 9.669171 185.28 583.6404 0.977
9.669171 19.56541 19.14206 9.679211 185.28 584.8531 0.977
9.679211 19.56039 19.1396 9.680453 185.28 585.0032 0.977
9.680543 19.55973 19.13927 9.680618 185.28 585.0231 0.977
由表2-2的结果可知，未计入波动和掺气的水深h=9.68m，流速v=19.14m/s
2) 反弧段最低点
由挑流消能计算可知挑坎处断面平均流速v=25.14m/s，则挑坎处水舌厚度：
h=q/v=185.28/25.14=7.37m
反弧最低点与挑坎处水流可近似视为恒定流，根据连续方程，两处水深相等，因此反弧段最低点处水深h=7.37m。
本设计选取的控制点分别是溢流堰面水流流速最小和最大的两点，溢流堰面各处的水深都应介于这两者之间，采用CAD样条曲线拟合作出水面线近似曲线如图2-6：
图2-6溢流堰水面线
2.7边墙顶部高程
边墙是溢流坝两侧闸墩和边墩的延续，用以分隔溢流坝段和非溢流坝段，同时起平顺水流的作用，边墙的高度一般取高于水面线1~1.5m。本设计堰顶处边墙即为边墩，反弧最低点处边墙高度取高于水面线1.5m，取8.8m，则反弧段最低点处边墙高度为2689.43m。堰面其他处导墙高度均取高于水面线1.5m。
3大坝细部构造
3.1坝轴线长度
坝顶高程2721.7m，根据坝轴线B—H曲线图使用内插法得出高程2721.7m处坝河谷两岸宽度约为392m，即为坝轴线长度。其中溢流坝段长171m，非溢流坝段长221m（包括泄洪冲沙底孔坝段、厂房坝段及左、右岸坝肩段）。
3.2坝体的分缝及分块
（1）横缝布置
垂直于坝轴线的缝为横缝，其作用在于减小坝轴向的温度应力，适应地基不均匀变形以及适应施工浇筑等，此外，横缝也将坝轴线分为若干个坝块，各个坝区既作为一个相互联合的有机整体，也不会因某一段坝体出现事故而影响其他坝段的正常运行，横缝对于重力坝的设计至关重要。横缝间距一般取15~20m，也有用到24~28m左右的，视工程情况而定。
本工程坝轴线总长392m，综合考虑坝址处地基特性，河谷地形以及枢纽布置等原则，共将坝体分为20个坝段。
其中 ~ 坝段为右岸坝肩段，各段长度分别为24m，23m；
~ 为溢流坝段，每段长度19m；
~ 为泄洪底孔坝段，每段长度16m；
~ 为厂房坝段，各段长度为21m，22m，22m；
~ 为左岸坝肩段，各段长度为22m，23m。
（2）横缝构造
本工程不设临时性横缝，设计中所有横缝均为永久性横缝。考虑地基及温度变化情况，本设计统一在坝段间预留1~2cm的缝。分别于缝内设两道止水片，其中第一道止水片厚1.4mm，材料为紫铜止水片，并做成可伸缩的“}”形；第二道为氯丁橡胶止水片。每侧深入混凝土长度为23cm，止水片距上游坝面约1m，两道止水之间设方形沥青井，尺寸为20cm×20cm，井内灌注由Ⅱ号石油沥青、水泥和石棉粉组成的填料。井内采用电加热设备并以绝缘体固定，在井底设沥青排出管以便排出老化的沥青，重新填料。横缝构造见下图3-1：
图3-1横缝构造图
1-横缝；2-横缝填充物；3-止水片；4-沥青井；5-加热电极；6-预制块；7-钢筋混凝土塞
3.2坝顶构造
对非溢流坝段而言，采用典型的坝顶结构。本设计中，非溢流段坝顶宽度为8m，上游侧设有1.2m高的防浪墙，下游侧设有1m高的防护栏杆。坝顶面上、下游各设坡率约1％的斜坡，以便排出坝顶积水。公路两侧设置人行道，人行道高出公路路面约30cm。非溢流坝段构造如图3-2。
对溢流坝段而言，公路段构造同非溢流段一致，除此之外，还包括公路桥，活动启闭机轨道、工作桥。公路桥用以满足对外交通需求，为减少移动启闭机对交通的影响同时参考已建工程，本设计将移动启闭机及其轨道设置在公路桥下游侧，在移动启闭机下游侧安装用于工作人员检修闸门和启闭机的工作桥。公路设置为5m，两侧人行道各1.5m；活动启闭机轨道设置为8m，轨道两侧各预留1.0m；工作桥预留2m，闸墩长度即为溢流坝顶部宽度，溢流坝两侧与非溢流坝相接处布置隔墩，在底孔坝段和厂房坝段相接处也布置隔墩以平顺水流。溢流坝段坝顶构造如图3-3。
图3-2非溢流坝顶构造图3-3溢流坝顶构造
1-防浪墙；2-坝顶公路；3-人行道；4-坝顶排水管；5-坝体排水管；
3.3廊道系统
在坝体内部，为满足灌浆操作、坝体排水、运行观测、检查设备和通行等要求，在坝体内部需设置多种不同用途的廊道，这些相互连通得廊道，共同构成了大坝的廊道系统。本设计廊道系统详细布局情况见附图四。3.3.1坝基灌浆廊道
本工程坝基岩性较好，且坝基帷幕灌浆需要较大的压力，因此本设计选择在坝体砌筑一定高度后再进行，利用已筑好的坝体部分作为压重，这样可以提高坝基灌浆压力和灌浆质量。按照规定，坝基灌浆廊道一般布置在坝踵距上游面0.07~0.1倍作用水头（视防渗要求而定）且不小于3m，本设计灌浆廊道距上游坝面距离L：
=（0.07~0.1）×58.6=（4.1~5.86）m
本设计拟将坝基灌浆廊道设置在坝踵距上游面6m处，廊道形状设置为城门洞形，门宽3m，高3.5m，且廊道底部高程为2659.0m，距坝基面10m，以保证有足够的灌浆压力。在廊道内上游侧设排水沟，下游侧设排水孔幕和扬压力观测孔，并在靠近廊道的最低处设置集水井，收集坝基和坝体的渗水，最后通过横向排水管自流或经水泵抽出排至下游坝体外。坝体底部河床宽度有限，因此灌浆廊道由河床向两岸沿坝底逐渐升高，坡度拟设为30°。
3.3.2坝体排水和检查廊道
本设计坝高72.7m（自坝基面起算），坝高≥70m即属于高坝。为排出坝体渗水并加强内部检查观测工作，本设计在靠近坝体上游面高程2679m处开始，每隔30m布置一层检查排水廊道，洞身断面同样采用城门洞形，宽1.2m，高2.2m，为便于布置坝体排水管，其距上游面距离和坝基灌浆廊道一致也取6m。在本设计中，高程2709.0m已经高出溢流堰顶，故溢流段只需布置一层排水观测廊道即可。
3.3.3基面排水廊道
为排出坝体渗水即排水管内的坝体排水，本设计坝基面灌浆廊道下游侧10m位置处布置一层基面排水廊道，于20m之后布置第二层，同时在横缝位置布置横向排水廊道，洞身断面为直径2m的圆形。
3.3.4其他廊道
除上述廊道外，在溢流坝段中部高程2679.0m处设置一层观测廊道，宽度1.5m，高度2.2m，断面为城门洞形，加强坝体内部观测工作；为加强内部廊道系统关联性和进入钢管，于坝基灌浆廊道高程处和检查排水廊道高程处分别布置一层交通廊道，宽度1.5m，高度2.2m，断面同上。
3.4防渗和排水系统
为了减小渗透水对坝体的不利影响，本设计在靠近坝体上游部位、混凝土防渗体下游一侧设置排水管幕，排水管幕距上游坝面的距离为6m，排水管采用预制豆石雅沙多孔混凝土管，间距2.5m，内径20cm，渗透水经排水管进入排水廊道，然后汇入集水井，并经由横向排水管自流排向下游。排水管与廊道连接方式采用不宜堵塞，便于清理的直通式连接。 |
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发表于 2021-12-7 15:55:50
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