蓄水枢纽工程重力坝施工设计论文

'蓄水枢纽工程重力坝施工设计毕业论文目录目录I前言11.基本资料11.1流域概况及枢纽任务11.2坝址的地形与地质11.3水文气象11.4筑坝材料及其物理力学性质41.5交通运输及工作日分析42坝址，坝型的确定及枢纽布置52.1工程等别确定52.2坝址的确定62.3坝型的选择72.4大坝枢纽建筑物的布置72.4.1挡水建筑物72.4.2泄水建筑物72.4.3输水建筑物82.5大坝总体布置92.5.1非溢流坝的布置92.5.2溢流坝的布置93.重力坝非溢流坝段设计103.1基本剖面拟定103.2实用剖面113.2.1坝顶高程的确定113.2.2坝顶宽度123.2.3坝面坡度123.3坝底宽度124.荷载计算及组合134.1荷载组合及其计算（以下各组合情况均取单位坝长计算）134.1.1设计洪水位情况144.1.2校核情况194.2抗滑稳定验算与强度验算224.2.1设计洪水位情况2458 4.2.2校核洪水情况245.溢流重力坝剖面设计255.1溢流坝剖面设计255.2孔口设计265.2.1泄水方式的选择265.2.2洪水标准的确定265.2.3流量的确定265.2.4单宽流量的选择265.2.5孔口净宽拟定275.2.6溢流坝段堰顶高程的确定275.2.7定型设计水头的确定285.2.9溢流坝段总长度确定285.2.10泄洪孔洞高程的确定285.2.11泄洪孔坝段总长度确定285.3溢流坝体形设计295.3.1顶部曲线段295.3.2中间直线段295.3.3反弧段305.4荷载组合及其计算305.4.1设计情况305.4.2校核情况325.5抗滑稳定验算与强度验算325.5.1设计情况325.5.2校核洪水情况336.泄洪建筑物消能防冲设计336.1挑流消能346.1.1鼻坎形式346.1.2鼻坎挑角346.1.3坎顶水深的确定346.1.4反弧半径的确定346.2水舌挑距计算35.6.2.3最大冲坑深度367.泄水孔设计367.1孔径D的拟定377.2进水口体形设计377.3闸门与门槽377.4渐变段377.6水力计算388.细部构造设计388.1坝顶构造388.1.1非溢流坝388.1.2溢流坝398.2坝体分缝与止水408.2.1横缝4058 8.2.2止水408.2.3水平缝408.3廊道系统408.3.1基础廊道418.3.2检查排水廊道：418.3.3坝体排水428.4坝体混凝土分区439.地基处理439.1基础开挖与清理449.3坝基的防渗处理459.4坝基排水469.5坝基的固结灌浆469.6断层破碎带、软弱夹层的处理479.6.1、断层破碎带的危害及处理措施479.6.2软弱夹层的处理4710.施工组织设计4810.1施工条件分析4810.1.1.地形条件4810.1.2水文气象条件4810.1.3.施工条件4910.1.4.工作日分析4910.2施工组织设计的内容4910.3施工导流设计4910.3.1施工导流标准4910.3.2洪水标准5010.3.3围堰安全超高5010.3.4施工导流时段选择5010.3.5施工导流布置5110.4混凝土的运输51参考文献53致谢541.基本资料1.1流域概况及枢纽任务青龙河流域水量充沛，控制流域面积6340km2，，多年平均径流量9.6亿m3，是滦河流域较大的一条支流。但由于降雨、径流的年际年内分配极不均匀，必须修建大型控制工程调节水量，丰富的水资源才能得以充分开发利用。该工程是以供水、灌溉、、养殖等综合利用为主的大型控制枢纽工程。58 该水库建成后能收到灌溉、防洪、解决工业用水和人蓄吃水等多方面效益，是一座综合利用的水库。根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》SDJ12-78的规定，一期工程为二等工程，大坝为2级建筑物，辅助建筑物按Ⅲ级设计，临时建筑物按Ⅳ级设计。正常应用洪水为100年一遇，非常运用洪水为1000年一遇。1.2坝址的地形与地质水库位于高山区，构造剥蚀地形。青龙河侵蚀能力较强，沿河形成不对称河谷，由于构造运动影响，河流不断下切，形成岸边阶地、陡岸，坝线区河谷呈不对称“U”字形，较开阔。右岸下游形成半岛状，因河流侧向侵蚀，使右岸形成陡壁，近于直立。青龙河为山区性河流，两岸居民及耕地分散，除库水位以下有一定淹没外，浸没问题不大，库区亦未发现重要矿产。库区两岸基岩出露高程大部分在200米左右，库区左岸非可溶性岩层分布广泛，其中主要由绢云母、千枚岩、石英、砂质页岩组成。透水性较小，也没有发现沟通库内外的大断层。库区可溶性岩层分布于青龙河右岸，从隔水层分布、熔岩发育情况分析，水库蓄水后向邻近河流渗透的可能性很小。经过对库区断层的分析，水库向外流域及下游渗漏的可能性很小。库区外岩层抗风化作用较强，库岸基本上是稳定的。1.3水文气象青龙河流域属季风型大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多。多年平均气温约10℃，年绝对最低气温为-29.2℃，最高气温为38.7℃，月平均温度变化较大，离坝址较远的迁安站实测最高气温39℃。多年平均降雨量为700mm，且多集中在夏季七、八月份。全年无霜期约180天，结冰期约120天，河道一般在12月封冻，次年三月上旬解冻，冻层厚0.4—0.6m，岸边可达1.0m。多年平均最大风速23.7m/s，水库吹程为3km。青龙河流域水量充沛,是滦河流域水资源蕴藏较大的一条支流,年径流由年降雨产生，年径流在地区与时间上分布与年降雨量基本一致，但年际间变化悬殊，实测径流资料1929—1983年共35年资料中丰水年1961年达21.34×104m3，枯水年1965年仅16.77×104m3，相似枯水年连续发生，多年平均径流量9.6×108m3。青龙河洪水由暴雨形成，据统计七～八月发生最大洪峰流量的机会占88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量为2200秒立米(1962年)，最小洪峰流量184秒立米(1965年)，相差12倍，流域洪水峰高、历时短，陡涨陡落，一次洪水持续时间一般3—5天。58 青龙河流域植被较好，泥沙来源在地区分布和洪水分布上一致。主要是土门子与某之间，其间来沙量约占某以上总输沙量的95%以上，而汛期输沙量又集中在几次特大洪水上。年际间泥沙量的变化悬殊。由统计分析得知，某站多年平均淤沙量为389t,多年平均含沙量为4.0kg/m3，多年平均侵蚀模数为762.8t/km2。从泥沙的组成情况来看，泥沙颗粒较粗，中值粒径为0.075mm，淤沙浮容重0.9t/m3，内摩擦角为12度。表1-1桃林口站径流系列表年份天然1986年2000年2020年192911.09910.910.49510.234193021.22921.0320.62520.38319314.7294.534.1253.864193265.9825.5935.39619337.5727.3737.0156.818193416.77416.57516.1715.94419359.0278.8288.4298.23919362.1141.9151.5101.303193712.98612.78712.38212.121193815.43115.23214.82714.566193910.89610.69710.29210.07119404.2094.0103.6063.25319412.3402.1411.7361.52819429.8249.6259.2208.959194312.48712.28811.88211.52219444.7254.5264.1213.8619457.2227.0236.6186.35719468.3728.1737.7687.50719488.2358.0367.6317.37194937.00236.80336.39836.13719507.5117.3126.9076.64619515.5655.3864.9614.73819526.3626.1635.7585.559195317.91717.71817.31317.052195414.97614.77714.37214.111195513.6913.49113.08612.82519567.9967.7977.3927.13119572.9322.7332.3572.16019584.3984.1993.8053.603195919.8519.65119.24018.99519604.6644.4654.0663.86919613.4253.2262.8212.583196218.19317.99417.58917.3519633.6823.4833.0782.817196413.40613.20712.80212.55619654.3284.123.7343.537196610.4810.2819.8769.61519676.1685.9695.5445.34619682.6242.4252.0231.82658 196918.54718.34817.94317.68219704.9744.7754.3704.14519713.1082.9092.5192.32219723.4283.2292.8242.62719739.3159.1168.7118.45019749.1058.9068.5018.261197611.32411.12510.7210.459197721.4321.14120.73620.475197813.05712.85812.45312.192197910.1199.9209.5159.25419802.2332.0341.6451.44819811.7361.5371.1480.95119821.8911.6921.2981.11819832.0911.8921.5171.320由表1--1的数据可计算出各自对应的流量等数据如表1--2所示：表1-2水文分析成果序号姓名单位数量备注1利用水文系列年限 35 2代表性流量    多年平均流量立米/秒30.5  调查历史最大流量立米/秒3400  设计洪水洪峰流量(P=1%)立米/秒3600  校核洪水洪峰流量(P=0.1%)立米/秒5200  保坝洪水洪峰流量(P=0.01%)立米/秒7600 3洪量    设计洪水洪量(P=1%)亿立米6.5五天 校核洪水洪量(P=0.1%)亿立米8.2五天4多年平均年径流量亿立米9.6 5多年平均输沙量吨431 58 1.4筑坝材料及其物理力学性质当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。其中，土料主要分布在庄窝、土谷子等七处，沙砾卵石料主要有南杖子、某等八处，各料厂的材料物理性质基本满足要求，可做大坝混凝土骨料及拱围堰。沙粒料主要分布在河滩上，储量为205万立米，扣除漂石及围堰淹没部分，可利用的约100—151万立米，其颗粒级配不连续，缺少蹭粒径，根据野外29组自然坡度角试验，34组室内试验分析，统计成果如下：自然么重1.87吨/立米，软弱颗料含量2.64%，不均匀系数561颗。表1-3颗粒组成（毫米）%<200<80<40<20<5<2<1<0.5<0.25<0.583.774.257.746.238.634.632.829.724.74.9砂的储量很少，且石英颗料少，细度模数很低，不宜作混凝土骨料，砂(D<2毫米)的相对紧密度为0.895。坝址区石料较多，储量可满足需要，溢洪道、导流洞出碴也可利用。沙石料厂设在水库下游13km的鹿尾山，大杨庄、薛庄，总储量1176万m3。1.5交通运输及工作日分析水库距卢龙县35Km,新建公路至工地，交通方便，坝址所在地区，有足够的农业劳动力在满足了农业生产的要求下，可以抽调一部分农业劳动力参加枢纽之修建工作，施工用电青龙山双山子变电所架设110kv输电线路供电，电力保障可靠。根据沁水县1958年—1963年和1970年—1972年九年降雨气温资料，参考其它土坝水库气温，降雨停工标准，土料、砂砾料、石方、混凝土工程施工工作日确定如下表1-4：表1-4工作日确定表类别土料砂砾隧洞石方混凝土一般石方工作日(天/年)2533073022502922坝址，坝型的确定及枢纽布置2.1工程等别确定表2.1水利水电枢纽工程的分等指标58 工程等别工程规模分等指标水库总库容（亿米）防洪灌溉面积（万亩）水电站装机容量（万千瓦）保护城镇及工矿区保护农田面积（万亩）Ⅰ大（1）型>10特别重要城市、工矿区>500>150>120Ⅱ大（2）型10～1重要城市、工矿区500~100150~50120～30Ⅲ中型1～0.1中等城市、工矿区100~3050~530～5Ⅳ小（1）型0.1～0.01一般城镇、工矿区30~55~0.55~1Ⅴ小（2）型0.01～0.001<5<0.5<1由材料可知（1）水库的校核洪水位为143.3m，库容为8.7亿米，可求得总库容为8.7亿米+7.09亿米=15.79亿米>10亿米，达到了大（1）型工程规模，等别为一等；（2）电站装机容量为20兆瓦=2千瓦，大于1千瓦小于五千瓦，达到小一型工程规模，等别为四等。表2-2永久性水工建筑物的级别工程等级主要建筑物次要建筑物Ⅰ13Ⅱ23Ⅲ34Ⅳ45Ⅴ55综合考虑以上因素，按表2-1知水库属Ⅱ等大（2）型工程，主要建筑物拦河坝、溢流堰、拉沙底孔为2级建筑物，查2-2知主要建筑物等级为Ⅱ级时，相应的次要建筑物等级为3级，则引水道、消能防冲、导墙、挡墙为3级，厂房按装机也属3级，导流围堰、明渠等临时建筑物为4级。58 2.2坝址的确定图2-1坝址选择地形图坝址选择与枢纽布置密切相关，不同坝型轴线易采取不同的坝型和枢纽布置，同一坝址也可以有不同的坝型和枢纽布置方案，通过经济比较择优选出坝轴线位置及相应的合理坝型和枢纽布置。坝址选择与地质条件密切相关，理想坝址地质条件是强度高，透水性好，不易风化，没有构造缺陷的岩基，但一般来说，坝址在地质上总是存在缺陷，因此，在选用坝址时应从实际出发。不仅要慎重考虑坝基地质条件，还要求库区及坝址两岸的边坡有足够的稳定性。坝址地形条件与坝型选择和枢纽布置有着密切关系。除此之外，地形条件在很大程度上会影响坝址。一般来说，坝址宜选在河谷狭窄地段，坝轴线较短，可以减少坝体工程量，还要考虑便于施工导流等等，因此需要全面分析。结合考虑，选择最有利的坝址，对于此工程：水库坝址选在青龙河下游的山谷河段上，共选出2条坝线，经过比较，确定第一坝线，即为图2-1中的较粗的线，出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬、构造简单、渗透性小。坝址区为剥蚀——中低山地形，河流经坝址处急转弯向北流向下游，由于受乔麦岭背斜控制，岩层倾向上游，呈单斜构造状。2.3坝型的选择由地形图可看出，坝址两岸的基岩较不对称，可以修建混凝土重力坝和土石坝、面板堆石坝。（1）混凝土重力坝优点：安全可靠，设计及施工简单，58 对地形和地质条件的适应性较好，对地基要求不太高，适于各种气候条件下的修建，受冻害影响较小经验丰富，维护修理费用低，施工导流和永久性泄洪问题容易解决。缺点：体积大，消耗水泥、石料较多，材料强度不能充分发挥，坝底扬压力较大，混凝土水化热较大，温控措施较高。（2）土石坝优点：就地取材，节约材料，能很好的适应较差的地质条件，抗震性较好，结构简单，工作可靠，使用寿命长。缺点：坝坡较小，工程量较大，坝顶不能过水，需要另加泄水建筑物，施工导流不方便对坝的防渗要求较高沉降问题存在。（3）面板堆石坝优点：对自然条件有广泛的适应性，对地基要求比混凝土坝低，可适应不均匀沉降，抗震性能好，施工不受气候限制，就地取材，可节约水泥、木材和钢材等重要建筑材料，机械化施工，可加速建坝，减小投资，可策划能够手承受水头不太大的坝顶溢流，结构简单。缺点：堆石坝属于散粒坝体，需修建溢洪道或隧洞进行泄洪，而这些泄洪设施会加大枢纽的投资和工程量，施工中的导流问题难以解决。当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。其中，土料分布在庄窝、土谷子等七处，沙砾卵石料主要有南杖子等八处，各料厂的材料物理性质基本满足要求，可做大坝混凝土骨料及拱围堰。结合该处的地址条件简单而良好,河谷较为宽广,在经济和技术成熟的前提下,优选混凝土重力坝。此方案选常态混凝土重力坝。2.4大坝枢纽建筑物的布置2.4.1挡水建筑物由以上坝型的选择可知此设计采用常态混凝土重力坝。2.4.2泄水建筑物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，泄水重力坝可承担泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。58 对于宽阔的河道，泄水重力坝应布置在河道主河槽，以利于顺畅泄流、水流消能、下泄水流归槽与下游水流妥协衔接以及减少土石方开挖等。对于狭窄河道，泄水重力坝常与水电站厂房在布置上发生矛盾，解决矛盾的办法是加大泄水重力坝的泄流单宽流量以缩短泄流前沿长度或采用泄水重力坝与电站厂房重叠布置。分析资料可知此流域河道宽阔，故泄水重力坝应布置在河道主河槽。泄水建筑物的泄水方式可分为：表面溢流式（如溢流重力坝和岸边溢洪道）和深水泄流式（如坝身泄水孔和河岸泄水隧洞），坝身泄水孔按进水口高程的高低又可分为中孔和底孔。表面泄流孔泄流能力大，又具有较大的超泄潜力，以优先考虑。深水泄水孔虽然泄水能力不及表面泄流孔，但进水淹没在水面以下，放水条件好，给水库运用带来很大灵活性，可提高水库的利于率和安全程度。此外深水泄水孔还具有排沙、放空水库、导流等功能。从经济和施工方面考虑，拟采用溢流坝与泄洪洞联合泄洪的泄水方式来宣泄洪水。2.4.3输水建筑物为满足下游城市的用水需要，从上游至下游许布置压力钢管，压力钢管的布置应顺直，尽量避免转弯，以造成水头损失，取水口采取相应措施使其不致被泥沙淤塞，也不致被漂浮物及木材堵塞，进水口前应使水流顺畅，水头损失小，不发生旋涡及横向水流。压力钢管遂洞内径为6m，灌溉支洞的内径为3m。58 2.5大坝总体布置图2-2大坝枢纽布置图2.5.1非溢流坝的布置非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其他建筑物相连处，常用导墙隔开。连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。本设计的非溢流坝段长113.6米,右岸30.8米，桩号为坝横0+000.0到坝横0+030.8，左岸96.8米，桩号为坝横0+153.8到坝横0+250.6，坝顶宽度为8m，坝顶两侧各设一人行道，人行道宽1m。坝顶上、下游侧分别设置1.2m栏杆和灯柱。坝的其他尺寸为：上游坡度为1：0.2，下游坡度为1：0.8，上游折坡点高程为103，下游折坡点高程为119.3。58 2.5.2溢流坝的布置由该库区坝址的地形可知，库区河谷较开阔，呈不对称“U”字型，由于河床左岸平缓，右岸形成陡壁，由于河道较为宽阔，泄水重力坝应布置在河道主河槽上，以利于顺畅泻流，水流消能，下泄水流归槽与下游水流妥善衔接以及减少土石方开挖等，故将溢流坝布置在中间，溢流坝段长97m，分为5个坝段，桩号为坝横0+076.8到坝横0+133.8，堰顶安装工作闸门和检修闸门。工作闸门为弧形闸门，闸门宽×高=15m×15m。堰顶设有4个中墩，其厚度为4m，2个边墩，厚为3m，横缝设在闸墩上，溢流堰面采用WES曲线，过堰水流采用连续式鼻坎底流消能。泄洪洞段长26米，桩号为坝横0+045.8到坝横0+056.8，布置在溢流坝段与右岸非溢流坝段之间，设两个8×8的中孔泄洪。如图2-2所示。3.重力坝非溢流坝段设计非溢流坝段主要是挡水建筑物。设计的主要内容是:剖面设计、稳定分析、应力分析、构造设计。3.1基本剖面拟定重力坝是在巨大的水压力（静水压力和扬压力为主）的作用下，主要依靠坝体自重产生的抗剪（滑）力来维持稳定（不移动，不倾倒，不浮起）。重力坝的主要荷载是自重，扬压力和静水压力。坝体挡水高度越大，需要用来维持稳定的自重应越大，自重越大，需要用来降低应力的剖面宽度应越大，因而三角形剖面最符合这个要求。三角形剖面的重心低，剖面宽度随水深的增加而加大，应力小，稳定性最好，还具有外形简单，易于施工等优点。所以重力坝的基本剖面是三角形,因为从坝体的承受荷载以及安全经济等诸多方面考虑，三角形剖面是比较合理的。58 图3--1重力坝的基本剖面如图3--1所示，在已知坝高Ｈ，水压力P，抗剪强度ｆ，ｃ和扬压力Ｕ的条件根据抗滑稳定和强度要求，可以得到工程量最小的剖面尺寸。重力坝基本剖面呈三角形，在平面上坝轴线通常呈直线。为了适应地形地质条件或为了枢纽布置上的要求，也可成折线或折率不大的拱向上游的拱形。根据工程经验，一般情况下，上游坡率n=0～0.2，常作成铅直或上部铅直下部向上游倾斜。此设计中上游取铅直（ψ＝0°）。下游坝坡坡率m=0.6～0.8，底宽约为坝宽的0.7～0.9倍。3.2实用剖面根据交通和运行管理的需要，坝顶应有足够的宽度。为防波浪漫过坝顶，在静水位以上应留有一定的超高。3.2.1坝顶高程的确定坝顶高程=设计洪水位+△h设坝顶高程=校核洪水位+△h校(3-1)选用以上两个结果的较大值。其中Δh=h1%+hz+hc(3-2)Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；h1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；hz—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；hc—安全加高，按表3－1选用58 表3-1坝的安全加高hc运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3此水库为2级，故设计情况的安全加高hc=0.5,校核情况的安全加高hc=0.4.波浪要素按官厅公式计算(3-3)L=10.4（hl）0.8；(3-4)hz=（πhc2/L）cth（2πH/L）(3-5)L—波长,m;D—风区长度,m;Vo—计算风速,设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍,校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速,m/s。由资料可知多年平均最大风速为23.7m/s，水库吹程D=3km。波高hl，当gD/V02=20—250时，为累计频率的5%的波高h5%；当gD/V02=250—1000为累计频率10%的波高h10%。校核情况下m；设计情况下m，为累计频率的5%的波高h5%，一般累计频率1%的波高h1%=1.24h5%。表3-2坝顶高程计算成果表计算情况洪水位mHlmH1%hzmhcm坝顶高程m设计情况128.00.851.0540.0860.5129.6校核情况129.30.570.710.0760.4130.3为了保证大坝的安全，选取较大值，所以选取坝顶高程为130.3m，则坝高为130.3m.—85m.=45.3m.。3.2.2坝顶宽度考虑水库运行条件及交通要求，坝顶宽度取8m。58 3.2.3坝面坡度上游坝采用折线面，一般情况下，上游坝坡坡率n=0~0.2，起坡点在（1/3～2/3）H处，其高程为103m，坡度为1：0.2；下游剖面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则有折坡处向上延伸与校核洪水位相交。下游坝坡坡率m=0.6~0.8，取下游边坡系数为1：0.8，那么下游起坡点高程为119.3m。3.3坝底宽度通过几何关系可得坝底宽度为41.04m，在（0.7～0.9）倍坝高=33.11～42.57范围内。说明坝底宽度符合要求。根据以上数据可初步拟定非溢流坝剖面如图3-2：图3--2非溢流坝剖面示意图（单位：m）58 4.荷载计算及组合4.1荷载组合及其计算（以下各组合情况均取单位坝长计算）作用是指外界环境对水工建筑物的影响，进行结构分析时，如果开始即可用一个明确的外力来代表外界对环境的影响，则此作用（外力）可称为荷载。一部分作用在结构分析开始时不能用力来代表，它的作用力及其产生的作用效应只能在结构分析中同步求出，如温度作用，地震作用等。作用分为：①永久作用，如结构物自重，土压力；②可变作用，如各种水荷载，温度作用；③偶然作用，如地震作用，校核洪水。重力坝承受的荷载与作用主要有：①自重（包括固定设备重）；②静水压力；③扬压力；④动水压力；⑤波浪压力；⑥泥沙压力；⑦地震作用等。图4—1坝体应力计算图58 B=41.04m，B1=8m，B2=29.04m,4.1.1设计洪水位情况1.自重：,坝身自重：(4-1)=8×45.3×24=8697.6kN1/2×4×20×24=960kN1/2×29.04×36.3×24=12649.8kN上游设计洪水位为128.0m，相应下游水位为92.0m；下游水自重：上游水自重：W1作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+4=12.52mW2作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+8+4/3=17.85mW3作用点至O点的力臂为：W4作用点至O点的力臂为：W5作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+8+2=18.52m竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：58 2.静水压力（水平力）（4-2）式中：r——水的容重H——水深P1作用点至O点的力臂为：P2作用点至O点的力臂为：静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：3.扬压力扬压力示意图请见下图：图4-2扬压力示意图58 扬压力包括渗透力和浮托力两部分，渗透力是由上下游水位差产生的渗流在坝内或坝基上形成的水压力，浮托力力是由下游水面淹没设计截面而产生的向上的水压力。扬压力会引起削减坝体自重的作用，对重力坝的稳定是不利的，为了降低扬压力，则在坝锺附近进行帷幕灌浆，并在帷幕后设置排水孔，用以阻挡渗水，延长参径，削减水头，后者可以使参透水流通过排水孔溢出，进一步降低参透压力。L319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定：河床坝段α=0.2~0.25；岸坡坝段α=0.3~0.35.此设计取α=0.25.计算扬压力如下：U1作用点至O点的力臂为：0mU2作用点至O点的力臂为：18.27mU3作用点至O点的力臂为：3.84mU4作用点至O点的力臂为：19.02m扬压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：4.波浪压力58 图4-3波浪压力分布（深水波）水库蓄水后，库面空阔，在风力作用下形成波浪，对坝面产生波浪压力，这是由于波浪与坝反射，产生高度超过浪高一倍的立波所造成的，采用官厅公式进行计算:式中：hl=0.0166VoD1/3m；L=10.4（hl）0.8；hz=（πhc2/L）cth（2πh/L）L—波长，m；D—风区长度，m；H—坝前水深，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。当坝前水深大于半平均波长，即H＞时，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波。水深小于半平均波长而大于临界水深Ho,即时，波浪运动受到库底的影响，称为浅水波。此设计为深水波，(4-3)设计洪水位时作用点至O点的力臂为：128-85+0.086=43.086m浪压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：58 5.泥沙压力淤沙的容重及内摩擦角于淤积物的颗粒及沉积过程有关。淤沙逐渐固结，容重于内摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确算出，一般按土压力公式计算。(4-4)式中：Ps——坝面单位宽度上水平泥沙压力,kN/m;Υsb——淤沙的浮容重,hs——坝前淤积厚度,m——淤沙的内摩擦角，一般在之间。，，=97.6-85=12.6mPs作用点至O点的力臂为：4.1.2校核情况1.自重：,坝身自重：=8×45.3×24=8697.6kN1/2×4×20×24=960kN1/2×29.04×36.3×24=12649.8kN上游校核洪水位为129.3m，相应下游水位为92.4m。1）下游水自重：58 2）上游水自重：W1作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+4=12.52mW2作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+8+4/3=17.85mW3作用点至O点的力臂为：W4作用点至O点的力臂为：W5作用点至O点的力臂为：29.04-20.52+8+2=18.52m竖向力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：2.静水压力（水平力）P1作用点至O点的力臂为：P2作用点至O点的力臂为：静水压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：58 3.扬压力扬压力示意图请见图4-4所示：图4-4扬压力示意图我国SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定：河床坝段α=0.2~0.25；岸坡坝段α=0.3~0.35.此设计取α=0.25.计算扬压力如下：U1作用点至O点的力臂为：0mU2作用点至O点的力臂为：18.27mU3作用点至O点的力臂为：3.84mU4作用点至O点的力臂为：19.02m扬压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：58 4.波浪压力水库蓄水后，库面空阔，在风力作用下形成波浪，对坝面产生波浪压力，这是由于波浪与坝反射，产生高度超过浪高一倍的立波所造成的，采用官厅公式进行计算式中：hl=0.0166VoD1/3m；L=10.4（hl）0.8；hz=（πhc2/L）cth（2πh/L）L—波长，m；D—风区长度，m；H—坝前水深，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。当坝前水深大于半平均波长，即H＞时，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波。水深小于半平均波长而大于临界水深Ho,即时，波浪运动受到库底的影响，称为浅水波。此设计为深水波，设计洪水位时作用点至O点的力臂为：129.3-85+0.076=44.376m浪压力对O点的弯矩（顺时针为“－”，逆时针为“+”）：5.土压力坝基开挖后，一般还要进行回填，但由于方量较少，压力小。所以本工程中，不计算土压力。6.地震荷载本区地震基本烈度为六度，建筑物按七度设防。4.2抗滑稳定验算与强度验算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坝基内部倾角软弱结构面抗滑稳定的安全度。因为重力坝沿坝轴线方向用横缝分隔成若干个独立的坝段，所以稳定分析可以按平面问题进行。但对于地基中存在多余互相切割交错的软弱面构成空间滑动体或位于地形陡峭的岸坡段，则应按空间问题进行分析。58 坝体的抗滑稳定的计算方法有抗剪强度公式和抗剪段强度公式两种，而这两种的使用条件不同，抗剪强度公式适用于比较破碎的岩体；将坝体与岩基间看成是一个接触面，而不是胶结面；判断标准考虑坝的级别和荷载组合。而抗剪段强度公式适用于比较完整的岩体；将坝体与岩基间看成是一个胶结面；判断标准只考虑建筑物的荷载组合。经上面的比较此设计采用抗剪强度公式，作为比较安全的计算方法。取一个典型断面作为计算单元，进行稳定验算和强度验算，此典型断面在左岸桩号为坝横0+181.1，高程为99m处。图4-5坝体抗滑稳定计算简图抗滑稳定系数按公式计算(4-5)根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩间的f值常取0.5--0.8，此设计f=0.8.上游边缘正应力按公式计算(4-6)下游边缘正应力按公式计算(4-7)∑W—为作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；∑P—为接触面以上的总水平力；58 U—为作用在接触面上的扬压力；f—为接触面间的摩擦系数；∑W—竖直方向合力；B—坝底宽度即为计算截面的长度，m；∑M—作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN.m。表4--1坝基面抗滑稳定安全系数荷载组合坝的级别123基本组合1.101.051.05特殊组合(1)1.051.001.00(2)1.001.001.004.2.1设计洪水位情况抗滑稳定验算：∑W-U=18333.8kN∑P=9316.26kN>1.05此设计坝的级别为2级，故满足稳定要求。强度验算：计算坝体应力时，SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下：在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不出现拉应力，坝趾铅直应力小于坝基容许压应力即4.3Mpa。∑W=23863.4kN∑M=-141021kN.mB=41.04m上游边缘正应力〉0下游边缘正应力58 〈4.3Mpa满足强度要求。4.2.2校核洪水情况抗滑稳定验算：∑W-U=18178.2KN∑P=9837.96KN>1.00故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。强度验算：计算坝体应力时，SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下：在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不出现拉应力，坝趾铅直应力小于坝基容许压应力即4.3Mpa。∑W=23938.4kN∑M=-148887.1kN.mB=41.04m上游边缘正应力〉0下游边缘正应力〈4.3Mpa满足强度要求。5.溢流重力坝剖面设计溢流坝段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。58 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，泄水方式的组合，下泄流量分配、堰顶和泄水孔口高程、溢流坝和泄水孔体形以及消能防冲设施等。5.1溢流坝剖面设计溢流重力坝剖面要与其邻近的非溢流重力坝的基本剖面相适应，并尽量与非溢流重力坝的上游坝面相一致。图5-1溢流坝剖面图5.2孔口设计5.2.1泄水方式的选择重力坝的泄水主要方式有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物。设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，所以为是水库有较大的泄洪能力，本设计采用溢流坝与泄洪孔联合泄洪。5.2.2洪水标准的确定本次设计的重力坝是2级建筑物，根据《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》的规定，正常应用洪水位100年一遇，非常运用洪水位1000年一遇。58 5.2.3流量的确定经水文、水利调洪演算确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为10670.1m3/s,泄洪洞的下泄流量为2976.9m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为13899.9m3/s，泄洪洞的下泄流量为3232.1m3/s。5.2.4单宽流量的选择坝址处基岩比较完整，根据综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取160m3/（s.m）。5.2.5孔口净宽拟定分别计算设计和校核情况下溢流坝和泄洪孔所需的孔口宽度。计算成果见表5-1和表5--2表5-1溢流坝孔口净宽计算成果表计算情况流量Q（m3/s）单宽流量q[m3/（s.m）]孔口净宽B（m）设计情况10670.116066.7校核情况13899.916086.9根据以上计算，溢流坝孔口净宽取70m，设每孔净宽度为b=15m，则孔数为n=70/15=4.6,取溢流孔数n=5，则溢流坝孔口的实际宽度B=nb=5×15=75m.表5-2泄洪洞孔口净宽计算成果表计算情况流量Q（m3/s）单宽流量q[m3/（s.m）]孔口净宽B（m）设计情况2976.916018.6校核情况3232.116020.2根据以上计算，泄洪洞孔口净宽取20m，设每孔净宽度为b=8m，则孔数为n=20/8=2.5,取溢流孔数n=2，则泄洪洞孔口的实际宽度B=20m.5.2.6溢流坝段堰顶高程的确定初拟侧收缩系数ε=0.90，流量系数m=0.502。因过堰水流为自由出流，故σs=1，由堰流公式（5-1）58 计算堰上水头H0,上游水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。通过试算计算成果见表5-3.表5-3堰顶高程计算成果表计算情况流量m3/s侧收缩系数流量系数孔口净宽m堰上水头m堰顶高程m设计情况1067.10.9150.5027517.2110.8校核情况13899.90.9150.5027520.5108.8根据以上计算，取堰顶高程为108.8m。溢流表孔闸门高度的确定门高=正常蓄水位-堰顶高程+（0.1～0.2）（5-2）=127-108.8+（0.1～0.2）=17.3m取按照《水工钢闸门设计规范》取为18m。5.2.7定型设计水头的确定堰上最大水头Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：Hmax=129.3-108.8=20.5m，定型设计水头Hs为Hs=（75%～95%）Hmax=15.29～19.37m，取Hs=16m，由16/20.39=0.78查表知0.3Hs=4.8m小于规定的允许值（3～6m水柱）。5.2.9溢流坝段总长度确定初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=4m，边墩厚t=3m，则溢流坝段的总长度B0为：B0=nb+（n-1）d+2t=75+(5-1)4+6=97m5.2.10泄洪孔洞高程的确定闸孔出流的计算公式为（5-3）其中：u1为闸孔流量系数；e为开度，取e=8m。（5-4）为垂向收缩系数；设计洪水位情况试算出H0=52m,上游水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。即为128.0-52=76m58 校核洪水位情况试算出H0=61m,上游水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。即为129.3-61=68.3m通过以上计算取泄洪孔洞高程为70m。门高=正常蓄水位-堰顶高程+（0.1～0.2）=127-70+（0.1～0.2）=57.2m按照《水工钢闸门设计规范》取为58m。5.2.11泄洪孔坝段总长度确定初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=4m，边墩厚t=3m，则溢流坝段的总长度B0为：B0=nb+（n-1）d+2t=20+(2-1)4+6=30m5.3溢流坝体形设计溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成。设计要求：（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）、体型简单、造价低、便于施工等。5.3.1顶部曲线段溢流坝顶部曲线是控制流量的关键部分，其形状多与锐缘堰泄流水舌下缘曲线相吻合，否则会导致泄量减小或堰面产生负压。由于WES坝曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克—奥曲线用给定坐标值的方法设计施工方便，所以此设计采用WES曲线进行设计。由前面计算可得定型水头Hd=16m，由下图可得顶部曲线段各数据。58 图5-1WES型曲线图5.3.2中间直线段中间直线段于坝顶曲线和下部反弧段相切，坡度与非溢流坝段的下游坡相同，即边坡系数为1:0.8。5.3.3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，反弧半径应结合下游消能设施来确定。根据DL5108---1999《混凝土重力坝设计规范》规定：对于挑流消能，R=（4~10）h，h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。反弧处流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用大值。当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。5.4荷载组合及其计算取溢流坝剖面近似为三角形和梯形组合，尺寸如图5-3所示。58 图5-3溢流坝剖面计算简图（单位：m）5.4.1设计情况1.自重：,坝身自重：上游设计洪水位为128.0m，相应下游水位为92.0m；计算成果见表5-42.静水压力（水平力）由水力学可知，作用在坝上的总水压力为式中：Υ0——水的容重；H——水深。3.泥沙压力淤沙的容重及内摩擦角于淤积物的颗粒及沉积过程有关。淤沙逐渐固结，容重于内摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确算出，一般按土压力公式计算。式中：Ps——坝面单位宽度上水平泥沙压力Υsb——淤沙的浮容重58 hs——坝前淤积厚度——淤沙的内摩擦角4.波浪压力水库蓄水后，库面空阔，在风力作用下形成波浪，对坝面产生波浪压力，这是由于波浪与坝反射，产生高度超过浪高一倍的立波所造成的，采用官厅公式进行计算式中：hl=0.0166VoD1/3m；L=10.4（hl）0.8；hz=（πhc2/L）cth（2πh/L）L—波长，m；D—风区长度，m；H—坝前水深，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo—计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。表5-4设计情况下荷载计算成果表序号荷载效应方向力标准值力矩标准值分项系数力设计值力矩M设计值1自重↓为正21863.123614.11.021863.123614.12静水压力←为正-9010-134252.41.0-9010-134252.43扬压力↓为正-5428.4-25268.21.2-6514.1-30321.84浪压力←为正-35.4-1525.21.2-42.5-1830.25淤沙压力←为正-280.86-1769.41.2-337.0-2123.35.4.2校核情况上游校核洪水位为129.3m，相应下游洪水位为92.4m。计算成果见表5-5表5-5校核情况下荷载计算成果表序号荷载效应方向力标准值力矩标准值分项系数力设计值力矩M设计值1自重↓为正22493.223138.11.022493.223138.12静水压力←为正-9538.7-144540.51.0-9538.7-144540.53扬压力↓为正-5640.2-23544.31.2-6768.2-28253.14浪压力←为正-18.4-816.51.2-22.1-979.85淤沙压力←为正-280.86-1769.41.2-337.0-2123.358 5.5抗滑稳定验算与强度验算抗滑稳定系数按公式Ks=f(∑W-U)/∑P计算；上游边缘正应力按公式Gyu=(∑W´/B)+(6∑M/B2)计算；下游边缘正应力按公式Gyd=(∑W´/B)-(6∑M/B2)计算。f—摩擦系数∑W—总铅直力；∑P—总水平力；∑W´—竖直方向合力；B—坝底宽度；∑M—对坝截面形心的总力矩。5.5.1设计情况抗滑稳定验算：Ks=f(∑W-U)/∑P=0.6×12853.1/5744.7=1.34＞1.05满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力〉0下游边缘正应力〈4.3Mpa满足强度要求。5.5.2校核洪水情况抗滑稳定验算：Ks=f(∑W-U)/∑P=0.6×16853/9838=1.21＞1.0满足稳定要求。强度验算：下游边缘正应力58 〉0上游边缘正应力〈4.3Mpa满足强度要求。6.泄洪建筑物消能防冲设计消能工消能是通过局部水力现象，把水流中的一部分动能转换成热能，随水流散逸。实现这种能量转换的途径有：水流内部的紊乱、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摩擦和撞击；水流与周围气体的摩擦和掺混等。消能型式的选择，要根据枢纽布置、地形、地质。水文、施工和运用等条件确定。常用的消能工型式有：底流消能、挑流消能、面流消能等，其中挑流消能使用于基岩比较坚硬的中高水头的泄水建筑物，是应用非常广泛的一种消能工，底流消能方式次之，而面流消能方式应用较少，因此本设计选用挑流消能。挑流消能设计的主要内容包括：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，一般希望挑射距离远一些，冲刷坑浅一些。6.1挑流消能6.1.1鼻坎形式由于本坝段尾水较深、基岩较为均一、坚硬及溢流前沿较长，所以鼻坎形式确定为连续坎。次坎结构简单，易于避免发生空蚀破坏，急流在挑离鼻坎前可获得均化，水流物化也轻。6.1.2鼻坎挑角鼻坎挑射角度愈大，挑射距离愈远。根据试验，鼻坎挑射角度一般采用θ=20º～25º。本设计中中孔坝段鼻坎挑角为20º，表孔鼻坎挑角为25º。58 6.1.3坎顶水深的确定坎顶水流流速按下式计算：(6-1)坎顶水深计算公式为：(6-2)—堰面流速系数，取0.95；—设计洪水位至坎顶高差；—设计洪水时溢流坝下泄流量，(10670.1m³/s)；—鼻坎处水面宽度。6.1.4反弧半径的确定鼻坎反弧半斤R一般采用（8~10）h，h为鼻坎上水深。若R太小，则水流转向不够平顺；若R太大，则将使鼻坎向下游延伸太长，增加工程量。鼻坎坎顶应高出下游水位，一般以1～2m为宜。反弧半径R=（8～10）R=5.6～7（m）6.2水舌挑距计算根据SL253-2000《溢洪道设计规范》，计算水舌挑距和最大冲坑水垫厚度。58 图6-1抗冲坑厚度示意图计算公式：水舌抛距计算公式：(6-3)：水舌抛距，m；：坎顶水面流速，m/s，约为鼻坎处平均流速的1.1倍；：鼻坎的挑角；：为坎顶平均水深在铅直向的投影，；：坎顶至河床面的高差，m；：堰面流量系数，取0.95；将这些数据代入水舌抛距的公式得：58 .6.2.3最大冲坑深度最大冲坑深度公式：(6-4)：水垫厚度，自水面至坑底的距离，m；：单宽流量，由前面的计算可得单宽流量为60m³/（sm)；：上下游水位差，根据资料可得水位差为36m；：冲坑系数，对坚硬完整的基岩=0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩=1.2～1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩=1.2～2.0，这里根据地质情况取1.5。将数据代入公式得：=128.0—92=36m所以最大冲坑水垫厚度为28.46m。29.44—8.8=20.64（m）所以最大冲坑深度为29.44m。为了保证大坝的安全，挑距应有足够的的长度。一般当>2.5～5.0时，认为是安全的。计算结果为n=2.9，所以满足规范。故，其消能防冲设计符合规范设计要求。7.泄水孔设计坝身泄水孔的进口全部淹没在水下，随时都可以放水。其作用有：宣泄部分洪水；预泄库水，增大水库的调蓄能力；放空水库以便检修；排空泥沙，减少水库淤积；随时向下游放水，满足航运或灌溉等要求；施工导流。本次设计中设排沙孔，灌溉孔均设计为有压孔。进口处设置事故闸门（兼做检修闸门用），工作闸门布置在出口，孔的断面为圆形，孔内用钢板衬砌。7.1孔径D的拟定由基本资料可知，压力钢管遂洞内径为6m，灌溉支洞的内径为3m。58 7.2进水口体形设计进水口顶部采用1/4椭圆曲线，方程为(7-1)A—椭圆长半轴，圆形进口时，A为圆孔直径,α可取0.3；矩形进口时，顶面曲线A为孔高，α采用1/3--1/4；孔口两侧壁曲线也用椭圆曲线，A为孔宽，α采用1/4。；此处A=6，则有x2/36+y2/3.24=1，列表计算曲线坐标值见表7-1表7-1椭圆曲线坐标值x6543210y00.991.341.561.701.771.87.3闸门与门槽进水口设置平面检修闸门，出口断设置弧型工作闸门。检修闸门紧贴上游坝面布置，闸槽尺寸为0.8×0.5为矩形闸门槽。7.4渐变段在进水口闸门后设置渐变段，渐变段采用圆角过渡，其长度为（2～3）D=16~24m，此处压力钢管遂洞为15m，灌溉支洞为8m。图7-1渐变段示意图泄水孔进口一般都做成矩形，以便布置进口曲线和闸门。当有压泄水孔断面为圆形时，在进口闸门后需设渐变段，以便水流平顺过度，防止负压和空蚀的产生。渐变段可采用在矩形4个角加圆弧的办法逐渐过渡，当工作闸门布置在出口时，出口断面也需做成矩形，因此在出口需设渐变段，如图7-1所示。58 在坝身有压泄水孔末端，水流从压力流突然变成无压流，引起出口附近压力降低，容易在该部位的顶部产生负压，所以，在泄水孔末端常设斜坡，孔顶压坡取1：10~1：5.。此设计采用1：10压坡段。7.6水力计算泄流能力验算泄水能力按管流公式计算(7-2)µ—流量系数；Ac—泄水孔出口断面面积，m2；H—库水位与出口水面之间的高差。取u=0.853得Q总=2Q=4044.2m3/s〉设计洪水位时的流量3232.1m3/s满足要求。8.细部构造设计8.1坝顶构造8.1.1非溢流坝坝水管，汇集路面的雨水，并排入水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为8m，下游侧设置栏杆及路灯。顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为50cm，以满足运用安全的要求。坝顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水。58 图8-1非溢流坝段坝顶结构图8.1.2溢流坝溢流坝的上部设有闸门、闸墩、门机、交通桥等机构和设备。1.闸门的布置工作闸门布置在溢流坝的顶稍微偏向下游一些，以防闸门部分开启时水舌脱离坝面而形成负压。采用弧形钢闸门，门的尺寸为高×宽=15×15m，工作闸门的上游设有检修闸门，二门之间的净距为2m。图8-2溢流坝段坝顶结构图58 2.闸墩闸墩的墩头形状为上游采用半圆形，下游采用半圆型。其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程即130.3m；下游布置交通桥，桥面高程为非溢流坝顶高程130.3m。中墩的厚度4m，边墩厚度3m，溢流坝的分缝设在闸孔中间，故没有缝墩。工作闸门槽深1m，宽1m，检修闸门槽深0.5m，宽0.8m。8.2坝体分缝与止水8.2.1横缝垂直于坝轴线布置，缝距为19m，缝宽2cm，内有止水。8.2.2止水坝体设有两道止水片和一道防渗沥青井。止水片采用1.0mm厚的紫铜片，第一道止水片距上游坝面1.0m。两道止水片间距为1m，中间设有直径为20cm的沥青井，止水片的下部深入基岩30cm，并与混凝土紧密嵌固，上部伸到坝顶。图8-3横缝止水布置图1—第一道止水铜片；2—沥青井；3—第二道止水铜片；4—预制块；5—横缝6—沥青油毡；7—加热电极8.2.3水平缝水平施工缝是上、下层浇筑块之间的结合面。混凝土浇筑块厚度一般为1.5m~4m，在靠近岩基面附近用0.75~1.0m的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，上下层混凝土浇筑间歇为3~7d，上层混凝土浇筑前对下层混凝土凿毛，并冲洗干净，铺2cm厚的水泥砂浆。58 8.3廊道系统为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。8.3.1基础廊道位置：廊道底部距坝基面的距离不小于1.5倍的洞宽，取4m，廊道底部高程为290m，上游侧（中心点）距上游坝面的距离为0.05-0.1倍的作用水头，且不小于4-5m，取7.14m。形状：城门洞形，底宽2.5m，高3.5m，内部上游侧设排水沟，并在最低处设集水井。平行于坝轴线方向廊道向两岸沿地形逐渐升高，坡度不大于40。基础灌浆廊道的断面采用上圆下方的城门洞形，尺寸为2.5×3.5（宽×高）见图，8-4以满足钻孔、灌浆工作空间的需要。在廊道顶部和底部应埋设一些吊钩和轨道，以便用来搬动机件。灌浆廊道的高程低于尾水位。在廊道近下游侧设有集水井。用水泵抽水向下游排出。图8-4基础灌浆廊道8.3.2检查排水廊道：58 为了检查，观测，巡视和排除渗水，靠近坝体上游面处每隔15~30m高程设置一检查廊道兼做排水廊道。廊道也采用上圆下方的型式，尺寸此处选和基础廊道相同。检查廊道分别布置布置于非溢流坝和溢流坝内，纵向排水廊道沿不同高程分设自流式排水设备。8.3.3坝体排水距离坝的上游面8m沿坝轴线方向设一排竖向排水管幕。管内径为20cm，间距为3m，上端通至坝顶，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用无砂混凝土管。图8-6廊道布置图58 图8-7坝体混凝土分区图8.4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、抗裂等性能的要求也不同。为节约与合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号的混凝土，如下图8-7所示：图中：I区—上、下游水位以上坝体表层砼，其特点是受大气影响；II区—上、下游水位变化区坝体表层砼，既受水位的作用也受大气影响；III区—上、下游最低水位以下坝体表层砼；IV区—坝体基础砼；V区—把体内部砼；VI区—抗冲刷部分的砼。为了便于施工，选定各区域砼等级时，的各类别应尽量少,向林区的强度等级相等不起过区级，分区的厚度一般不得小于2～5m，以便浇筑施工，分区对同性能的要求见下表，表中“++”表示选择歌曲同等级的主要控制因素，由“+”的标是需要提出要求；由“-”的位不需要提出要求的。表8—1坝体各区对混凝土性能的要求分区最大水灰比58 强度抗渗抗冻抗冲刷抗侵蚀低热选择各区厚度的主要因素严寒寒冷地区温和地区I+-++--+0.550.60抗冻II++++-++0.450.50抗冻、抗裂III+++++-++0.500.55抗渗、抗裂IV++++-+++0.500.55抗裂V++++--++0.650.65VI++-+++++++0.450.45抗冲、耐磨9.地基处理库区出露岩性为大红峪组石英砂岩与板状粉细砂岩互层，岩石坚硬、构造简单、渗透性小,不至于造成水库渗漏而影响其蓄水。坝址处的河床砂卵石覆盖层平均厚度5—7米，地基开挖时应该将其挖掉，天然地基，由于经受长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层，所有这些都需要采取适当的处理措施，地基处理的主要任务是：（1）防渗；（2）提高基岩的强度和整体性。9.1基础开挖与清理坝基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。参照《混凝土重力坝设计规范》DL5018-1999基础开挖的深度应根据坝基应力、岩石强度及整体性，结合上部结构对地基的要求和加固处理的效果、工期和费用等研究而定。因为坝高小于50m，可建在弱风化中部至上部基岩上，两岸岸坡较高部位的坝段，其利用岩基的标准可适当放宽。以上部分全部清除。在本设计中，靠近坝基面的缓倾角软弱夹层应尽可能清除，顺河流方向开挖成略向上游倾斜的锯齿状（一般坡度1：8～1：10，长4m、坡度1：0.5～1：1，长0.5m），以增强坝体的抗滑稳定性，具体拟定如图9-1所示。58 图9-1地基锯齿状开挖与浅齿墙（单位：米）基岩开挖后，在浇灌混凝土前，需要进行彻底的清理和冲洗，包括：清除松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。9.2、帷幕灌浆（节理裂隙防渗处理）1、帷幕灌浆目的帷幕灌浆的目的是：降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。灌浆材料最常用的是水泥浆，有时也采用化学灌浆，化学灌浆的优点是：可灌性好，抗渗性强，但较昂贵，且污染地下水质，使用时许慎重，在国外，以较少采用，本次设计从经济合理以及环保角度考虑，选用水泥浆作为灌浆材料。2、帷幕灌浆范围图9—2防渗帷幕沿坝轴线的布置1—灌浆廊道；2—山坡钻进；3—坝顶钻进；4—灌浆平洞；5—排水孔；6—最高库水位；7—原河水位；8—防渗帷幕底线；9—原地下水位线；10—蓄水后地下水位线防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸，钻孔和灌浆常在坝体内特设的廊道内进行，靠近岸坡处也可在坝顶、岸坡或平洞内进行。平洞还可以起排水作用，有利于岸坡的稳定。钻孔方向一般为铅直，必要时也可有一定斜坡，以便穿过主节理裂隙，但角度不宜太大，一般在100以下，以便施工。帷幕深入两岸的部分，原则上也应达到上述标准，并与河床部位的帷幕保持连续，形成连续的不透水的防渗墙。当相对隔水层距地面不远时，帷幕应深入岸坡与该层相衔接。当相对隔水层埋藏较深时，可深到原地下水位线与最高枯水位的交点B处，如图9—2，在BC‘以上设置排水，以降低水库蓄水后库岸的地下水位。58 9.3坝基的防渗处理在基础灌浆廊道内钻设防渗帷幕和排水孔幕，其中心线距坝基处坝面分别为6.5m和9m。防渗帷幕采用膨胀水泥浆做灌浆材料，其位置布置在靠近上游坝面的坝基及两岸。帷幕的钻孔深度取10～30m，河床部位深，两岸逐渐变浅，灌浆孔直径取80mm，方向竖直，孔距取2m，设置一排。图9-3帷幕灌浆示意图1.坝基灌浆排水廊道2.灌浆孔3.排水孔4.帷幕灌浆9.4坝基排水为了进一步降低坝底面的扬压力，在防渗帷幕后设置排水孔。坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游，向下游竖直，孔距取3m，孔径为200mm，孔深为10～15m，沿坝轴线方向设置一排。9.5坝基的固结灌浆固结灌浆是一种用低压浅层灌水泥浆的方法来加固地基，适用于裂隙发育又无其它缺陷时的地基。目的是为了提高基岩的整体性和基岩的承载能力，减少不均匀沉降，提高地基表层的防渗性能。58 根据勘测结果，本设计岩层性质坚硬致密，仅岩石上层10-18米深度存在有裂缝和节理，不很严重，但须加以处理。因此，在坝踵、坝址附近采用固结灌浆。灌浆孔布置呈梅花形。灌浆孔的深度一般为5～8m，取8m；灌浆孔的孔距、孔径应根据地质条件并参照灌浆试验确定，一般为3～4m，取3m。9.6断层破碎带、软弱夹层的处理9.6.1、断层破碎带的危害及处理措施断层破碎带的强度低，压缩变形大，易于使坝基产生不均匀沉降，引起不利的应力分布，还会使坝至坝体开裂。如果破碎带与水库相同，还会使坝底的渗透压力加大，甚至产生机械或化学管涌，危及大坝安全。对倾角较陡的走向近于顺河流流向的破碎带，可采用开挖回填混凝土的措施，做成混凝土塞，其高度可取断层厚度的1～1.5倍，且不小于1.0m，见图9--4（a）。如破碎带延伸至坝体上、下游边界线以外，则混凝土塞也应向外延伸，延伸长度取为1.5～2.0倍混凝土塞的高度。在选择坝址时，应尽量避开走向近于垂直河流流向的陡倾角断层破碎带，因为它将导致坝基渗透压力或把体位移增大。如难以避开，也可用混凝土塞，但其开挖深度要比近于顺河流流向的大，约为1/10～1/4坝底宽度，如图9--4（b）。图9--4陡倾角断层破碎带的处理1—坝段；2—伸缩缝；3—断层破碎带；4—混凝土塞；5—基岩面；6—坝体；7—灌浆帷幕；8—排水孔幕对走向近于顺河流流向的缓倾角断层破碎带，埋藏较浅的应予挖出；埋藏较深的，除应在顶面作混凝土塞外，还要考虑深埋部分对坝体稳定的影响。必要时可在破碎带内开挖若干斜井和平洞，回填混凝土，形成有混凝土塞和水平塞组成的刚性骨架，封闭该范围内的破碎物，以阻止其产生积压变形和减少地下水产生的有害的作用。在选择坝址时，应尽量避开走向近于垂直河流流向的缓倾角断层破碎带。如不可避免，也可采用上述方法进行处理。58 9.6.2软弱夹层的处理具有软弱夹层的坝基，由于夹层的抗剪强度很低，遇水易软化或泥化，通常都须进行加固处理，以满足抗滑稳定要求。根据软弱夹层的埋深、产状、厚度、充填物的性质，结合工程的具体情况，为了阻止软弱夹层滑动，一般采用的处理措施有：（1）对于浅埋的夹层，多用明挖处理，将软弱夹层清除，回填混凝土或者在上游坝踵、下游坝趾设置深齿坎，切断软弱夹层直达完整基岩。当夹层埋藏较浅时，此方法施工方便，工程量小，采用的较多。（2）对于埋藏较深、较厚，倾角较缓的软弱夹层，可在夹层内设置混凝土洞塞。（3）采用大型钢筋混凝土抗滑桩。（4）若有两层以上的软弱夹层时，可采用预应力锚索，锚索可在水库正常运行的情况下施工，特别适合于已建工程的施工。10.施工组织设计10.1施工条件分析10.1.1.地形条件该水库枢纽工程所处构造剥蚀地形，青龙河侵蚀能力较强，沿河形成不对称河谷，由于构造运动影响，河流不断下切，形成岸边阶地、陡岸。库区两岸基岩出露高程大部分在200米左右，库区左岸非可溶性岩层分布广泛，其中主要由绢云母、千枚岩、石英、砂质页岩组成。透水性较小，也没有发现沟通库内外的大断层。库区可溶性岩层分布于青龙河右岸，从隔水层分布、熔岩发育情况分析，水库蓄水后向邻近河流渗透的可能性很小。经过对库区断层的分析，水库向外流域及下游渗漏的可能性很小。库区外岩层抗风化作用较强，库岸基本上是稳定的。10.1.2水文气象条件根据资料统计，青龙河流域属季风型大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。多年平均气温约10℃，年绝对最低气温为-29.2℃，最高气温为38.7℃，月平均温度变化较大，多年平均降雨量为700mm，且多集中在夏季七、八月份。全年无霜期约180天，结冰期约120天，河道一般在12月封冻，次年三月上旬解冻，冻层厚0.4—0.6m，岸边可达1.0m。58 青龙河洪水由暴雨形成，据统计七～八月发生最大洪峰流量的机会占88%，而且年际变化很大，实测最大洪峰流量为2200秒立米(1962年)，最小洪峰流量184秒立米(1965年)，一次洪水持续时间一般3—5天。10.1.3.施工条件建筑材料：当地天然建筑材料分布在坝址地区上、下游河滩及两岸阶地。其中，土料主要分布在庄窝、土谷子等七处，沙砾卵石料主要有南杖子等八处，各料厂的材料物理性质基本满足要求，可做大坝混凝土骨料及拱围堰。对外交通：水库距卢龙县35Km,新建公路至工地，交通方便。施工用电青龙山双山子变电所架设110kv输电线路供电，电力保障可靠。10.1.4.工作日分析根据该水库库区1958年—1963年和1970年—1972年九年降雨气温资料，参考其它土坝水库气温，降雨停工标准，土料、砂砾料、石方、混凝土工程施工工作日确定如下：表10-1工作日程表类别土料砂砾隧洞石方混凝土一般石方工作日(天/年)25330730225029210.2施工组织设计的内容施工组织设计内容包括施工条件分析、施工导流、主体工程施工、施工交通运输、施工工厂设施、施工总布置、施工总进度等。10.3施工导流设计10.3.1施工导流标准（1）导流建筑物级别表10—2施工导流建筑物级别划分保护对象失事后果围堰工程规模58 级别使用年限（年）堰高（m）库容（）Ⅲ有特殊要求的的Ⅰ级永久建筑物淹没重要城镇、工矿企业、交通干线或推迟工程总工期，造成重大灾害和损失>3>5>1.0ⅣⅠ、Ⅱ级永久建筑物淹没一般城镇、工矿企业或影响总工期而造成较大经济损失1.5～315～500.1～1.0ⅤⅢ、Ⅳ级永久建筑物淹没基坑,但对总工期影响不大，经济损失较小<1.5<15<0.1根据表10—2确定，桃林口水库枢纽工程的导流建筑物级别为Ⅳ级。10.3.2洪水标准本工程一期采用混凝土围堰，由表10—3确定一期导流洪水标准为10年一遇（即P=10%）。工程二期的纵向围堰利用一期的纵向混凝土围堰，上、下游横向围堰采用土石围堰，二期导流的洪水标准为20年一遇（即P=5%）。表10—3导流建筑物洪水标准导流建筑物类型导流建筑物级别ⅢⅣⅤ洪水重现期（年）土石结构混凝土、浆砌石结构50～2020～1020～1010～510～55～310.3.3围堰安全超高不过水围堰堰顶超高值（见表10-4）表10—4不过水围堰堰顶超高（单位：m）围堰型式围堰级别ⅢⅣ、Ⅴ土石围堰混凝土围堰0.70.40.50.3所以选择不过水围堰堰顶超高值为0.3m58 10.3.4施工导流时段选择根据本工程的特征条件采用分段围堰法，划分为三个时段：第一时段，河水由束窄河床通过，进行一期基坑内施工；第二时段，河水由坝体缺口下泄，进行二期基坑内施工；第三时段，坝体全面上升阶段，河水由溢流堰顶下泄。10.3.5施工导流布置1.导流方法根据工程的地形、地质和水文情况考虑，本工程采用分段围堰法导流，分为两段两期。一期时围河床左岸，浇筑厂房坝段和溢流坝段一部，采用束窄河床导流；二期围河床右岸，浇筑溢流坝段大部和右非溢流坝段，采用坝体缺口导流。2.导流布置（1）围堰布置因为本工程大坝采用混凝土浇筑，所以一期的围堰形式全部采用混凝土围堰。一期纵向围堰的轴线为直线，布置在河床偏左岸处。10.4混凝土的运输混凝土运输是链接拌合与浇筑的中间环节，运输过程包括水平和垂直运输，其设备应配合协调；在运输过程中要求混凝土不初凝，不分离，不漏浆，无严重泌水，无过大温度变化，能保证混凝土入仓的温度的要求。所以，装，运，卸不仅应合理安排，而且应满足生产流程各环节的质量要求。<1>混凝土的水平运输大量混凝土的水平运输以有轨机车拖运装载料罐的平台车更普遍。若地形陡峭，拌合楼布置于一岸，则轨路一般按进退式铺设，即列车往返采用进退出入；若运输量较大，则采用双轨，以保证运输畅通无阻；若地形开阔，可铺设环形线路，效率较高；若拌合楼两岸布置，采用穿梭式轨路，运输效率更高。<2>混凝土的垂直运输设备混凝凝土垂直运输主要采用各类起重机械。主要有：门式起重机，塔式起重机，缆式起重机，履带式起重机等.<3>混凝土的运输浇筑方案58 门塔式浇筑方案。设栈桥的目的在于过大起重机的工作范围，增加浇筑高度，为起重，运输机械提供行驶路线，避免干扰，以利于安全高效施工。根据建筑物的外形，断面尺寸，栈桥可以平行坝轴线布置，可设同意一高度或不同高度。缆机运输浇筑方案。缆机的塔架可设于河谷两岸，通常布置在所浇筑建筑外，故可提前安装，一次架设，在整个施工期间长期发挥作用。有时为了缩小跨度，可在坝肩岸边块提前浇筑好，然后敷设缆机轨道。但在施工过程中必须假设栈桥。辅助运势浇筑方案。主要包括：履带式起重机浇筑方案；汽车运输浇筑方案；皮带运输机浇筑方案。（3）混凝土的浇筑方式<1>竖缝分块竖缝分块是用平行于坝轴线的铅直缝吧坝段分成若干柱状体，采用竖缝分块时，分缝间距越大，块体水平断面越大，竖缝数目和缝的总面积越小，按缝灌浆及模板作业工作量越少；但温度控制要求越严。<2>斜块分缝斜块分缝的优点是缝面上的剪应力很小，使坝体能保持较好的整体性。但缺点是坝块浇筑的先后顺序受到限制。<3>错缝分块错缝分块的浇筑块不大，对浇筑设备及温度控制的要求相应较低。因竖缝不贯通，也不需要按缝灌浆。然而施工时哥块相互干扰，影响施工速度；浇筑块之间相互约束，容易产生温度裂缝，尤其容易使原来错开的竖缝变为相互贯通。<4>通仓浇筑通仓浇筑是不设纵缝，一个坝段只有一个仓。由于不设纵缝，纵缝模板，纵缝灌浆系统以及为达到灌浆温度而设置的坝体冷却系统都可以取消，是一种先进的分块方式。由于浇筑尺寸大，对浇筑设备能力，尤其对于温度控调的水平提出了更高的要求。（4）混凝土的拌合和入仓方式<1>拌和系统拌和系统布置在坝体右岸坝头，布置2台2m3的强制式拌和机，1200t水泥罐2个，800t粉煤灰罐2个，在拌和站和拌和楼之间用皮带输送机送料，水泥和粉煤灰采用散装水泥和散装粉煤灰，采用螺旋机送料，水泥和粉煤灰的称量系统布置在拌和楼上，砂石料称量系统布置在堆料站，拌和系统的设计台主控产量为300m3/台班。<2>入仓方式汽车直接入仓入仓前汽车经过自动冲洗台冲洗轮胎，以免把杂物带入坝体,经过50~80m脱水段后入仓，入仓口采用预制混凝土梁作模板。58 参考文献1.天津大学林继镛、水工建筑物（第五版）、中国水利水电出版社、20092.武汉大学袁光裕，胡志根主编、水利工程施工（第五版）、中国水利水电出版社、20093.赵振兴，何建京主编、水力学（第2版）、清华大学出版社、20104.卢延浩主编、土力学（第二版）、河海大学出版社、20055.潘家铮、重力坝设计、水利电力出版社、19876.北京动力经管学院顾慰慈主编、水利水电工程管理、中国水利水电出版社、19947.满作武，陈又华主编、水利水电工程制图、长江勘测规划设计研究院、20118.杨培岭主编、水利工程概预算中国农业出版社、200558 致谢经过三个多月紧张有序的毕业设计，我初步熟悉了混凝土重力坝设计的基本过程。从一开始的茫然无措到如今的喜见成果，我享受过程中的一点一滴，不断回味着其中酸甜苦辣的感觉。在老师的指导下，按照任务书的要求，将本科三年半学到的基础和专业知识综合地运用到毕业设计中来，我独立完成了从分析基本资料、选择结构型式、制定合理方案、布置枢纽建筑物到非溢流坝段和溢流坝段的剖面设计、计算荷载进行稳定和强度验算；从消能防冲设计、细部构造设计、地基处理这一全部过程，并最终编写成设计说明书，绘制了有关的布置、立视、剖面、细部构造图。这是一次专业理论与实际工程相结合的过程，是一次对我们所学知识的检验过程，也可以说是我们就业上岗前的一次培训过程。通过这次设计使我的计算、绘图能力，分析和解决问题的能力都得到了一定的提高。在此，我非常感谢老师在设计过程中给予我细致、耐心的指导和帮助，没有他为我排疑解惑，我的毕业设计不会这么顺利完成。衷心的谢谢各位老师。当然，毕业设计也是一个团结、合作的过程，同学们互相帮助，互相支持，互相关爱，我也非常感谢各位同学在我遇到困难时给与我的无私帮助。58'