[工学]水工建筑物课程设计

'知水爱水上善若水目　录第一章设计基本资料31.1工程概况31.2设计基本参数31.3气象水文资料31.4坝址工程地质条件61.5设计用图纸7第二章总体布置82.1工程等级确定8第三章非溢流坝段坝体设3.1拟定基本剖面83.2拟定实用剖面83.3荷载计算及其组合123.4稳定分析183.5边缘应力计算及其强度校核21第四章溢流坝剖面的拟定244.1泄水方式的选择254.2溢流坝剖面设计25第五章消能设计285.1孔口设计285.2消能功的选择295.3挑流鼻坎设计29第六章地基处理326.2软弱带处理326.1清基开挖32第七章细部构造设计347.1纵横缝构造及止水347.2坝体排水35-39- 知水爱水上善若水7.3廊道系统367.4固结灌浆377.5防渗排水37附表及参考文献39-39- 知水爱水上善若水第一章设计基本资料1.1工程概况通过综合各相关资料可知该水库是一座以灌溉为主,兼乡镇农村供水的小（一）型水利工程，水库设计灌面5250亩，灌区农村人饮5775人和牲畜1.3万头。水库坝型上、下坝址均采用混凝土重力坝。1.2设计基本参数工程基本参数见表1-1。表1-1工程基本参数坝址方案正常蓄水位(m)设计洪水位(m)校核洪水位（m）死水位(m)总库容（万m3）备注采用规范上坝址方案1414.00415.06415.85405.001621班单号混凝土重力坝设计规范(SL319-2005)方案2415.00415.75416.671782班单号方案3416.00416.87417.561953班单号下坝址方案1409.00409.85410.88403.501021班双号混凝土重力坝设计规范(DL5108-1999)方案2410.00410.65411.681132班双号方案3411.00411.95412.751253班双号1.3气象水文资料1.3.1流域概况水库所在流域位于彭水县西北张家坝村，是乌江左岸一条岩溶性断头河流，地理坐标介于东经108°05′～108°06′、北纬29°18′～29°20′之间。流域内河谷深切，分水岭高程大约在570～800mm之间。流域形状大致呈“树叶形”形态，源头位于流域西北角的韭菜岩一带，河流呈西东走向，干流分别流经樱桃坪、老房子、大溪口等地，最后在张家坝西一带消潜于地下，又于张家坝东北出露地表。何家沟全流域面积18.4km²，干流长度7.36km。拟建的水库坝址位于大溪口一带的峡谷收缩段，坝址上游河谷开阔，在地形及地质上均具备成库条件。大溪口上坝址以上控制流域面积3.246km²，干流长度2.549km，平均比降93.67-39- 知水爱水上善若水‰。下坝址以上控制流域面积4.352km²，河道长度3.275km，平均比降64.87‰。大溪口上坝址上游500m处存在山坪塘，山坪塘以上集雨面积为2.51km²，成库后将淹没该处，因此洪水和径流计算不考虑山坪塘的阻水作用。1.3.2气象水库所在流域属中亚热带湿润季风性气候，处于四川盆地、贵州高原、长江中下游南区三个气候区的过渡地带。由于地貌影响，导致温、光、水的重新分配，气候垂直差异明显。气温随海拔高程的增高而降低。海拔高程700m以下,每升高100m平均气温递减0.46℃,海拔高程700m以上地区，每升高100m年平均气温递减0.55℃。海拔700m以下地区，年大于0℃以上的积温6100℃～6500℃；700m以上的地区，年大于0℃以上的积温6100～4600℃；积温在年内的分配情况是冬季占总量的5%，春季占29%，夏季占41%，秋季占25%。根据流域附近的彭水县气象站多年（1951年～2004年）实测资料统计：多年平均气温17.4℃，极端最高气温44.1℃（1953年8月19日），极端最低气温-3.8℃（1977年1月29日）；多年平均相对湿度78%；多年平均降雨量1217mm，最大年降水量1567mm（1973年），最小年降水量833mm(2006年)；多年平均蒸发量（20cm蒸发器）944mm；多年平均风速0.8m/s，多年平均最大风速13.2m/s，瞬时最大风速33m/s（1992年8月16日）；多年平均无霜期320d，平均年日照时数1035.4h。1.3.3设计洪水及下泄流量设计流域无实测洪水资料，且流域面积较小，本次设计采用《手册》中推理公式法推求设计洪水，成果见表1-2。表1-2水库上下坝址设计洪峰流量成果表坝址设计洪峰流量（m³/s）P=0.2%P=0.33%P=0.5%P=1.0%P=2.0%P=3.3%P=5.0%P=10.0%上坝址96.589.984.475.366.259.654.245.0下坝址10810093.883.573.265.759.649.2经调洪演算求得对应的设计洪水下泄流量和校核洪水下泄流量见表1-3。-39- 知水爱水上善若水表1-3水库下泄洪水流量表坝址设计洪水下泄流量（m3/s）校核洪水下泄流量（m3/s）上坝址35.455.7下坝址32.354.51.3.4水位流量关系水库各坝址附近无实测水位流量关系资料，水位流量关系曲线本阶段采用水力学公式Q=A·R2/3·J1/2/n推算。水力要素由实测大断面计算；水面比降，中、低水采用实测河段枯水比降；糙率根据河道形态，河床组成等特征从《天然河道糙率表》中选定为0.042。水库上、下坝址处水位流量关系曲线见表1-4、表1-5。表1-4水库上坝址处天然水位流量关系表水位（m）399.40399.60399.80400.00400.20400.40400.60400.80流量（m³/s）0.000.030.461.814.348.4914.722.9水位（m）401.00401.20401.40401.60401.80402.00402.20402.40流量（m³/s）33.446.562.782.1104131164200水位（m）402.60402.80403.00403.20403.40403.60403.80404.00流量（m³/s）240282331381436492555620水位（m）404.20404.40404.60404.80　　　　流量（m³/s）695775856940　　　　表1-5水库下坝址处天然水位流量关系表水位（m）396.80397.00397.20397.40397.60397.80398.00398.20流量（m³/s）0.000.644.1112.228.148.774.3104水位（m）398.40398.60398.80399.00399.20399.40399.60399.80流量（m³/s）139177218264315368426486水位（m）400.00400.20400.40400.60400.80401.00　　流量（m³/s）551626703780866952　　1.3.5泥沙水库上下坝址多年平均悬移质年输沙量分别为0.114万t、0.152万t，根据设计流域的地质、地貌等实际情况，推移质来沙量按悬移质输沙量的15％估算，据此计算-39- 知水爱水上善若水磨围山水库上下坝址多年平均推移质输沙量应为0.017万t、0.023万t。按50年淤积年限全淤法计算，泥沙容重取1.4，上、下坝址淤沙体积分别为4.68万m3、6.25万m3，相应淤沙高程402.00m、400.45m。1.4坝址工程地质条件1.4.1坝址工程地质条件河流在大溪口河段为蜿蜒状流过，河流总体由北西流向南东，为横向谷。上坝址河床底宽约50～55m，河床标高398～399m，正常蓄水位415m高程时谷宽约95m；两岸为切向坡，地形坡度较一致，坡角40～45°，两岸地形较顺直，左、右岸地形基本对称，左岸陡于右岸约3～5°。河谷形态为下部狭窄，中上部开阔。坝段区出露三叠系中统巴东组(S2b)地层，岩性以页岩、砂质页岩及灰岩、泥质灰岩为主。河床残积层厚度6.0～7.0m。下坝址河床宽约60～65m，河床标高397～398m，正常蓄水位410m时高程谷宽107.8m；两岸为切向坡，地形坡度较一致，坡角30～40°，两岸地形较顺直，左、右岸地形基本对称。河谷形态为下部狭窄，中上部开阔。坝段区出露三叠系中统巴东组(S2b)地层，岩性以灰岩、泥质灰岩为主。河床残积层厚度7.0～8.5m。坝址位于普子向背斜北西翼，岩层产状N10°E～N76°W/SE～NE∠1～16°岩层倾向下游。坝区岩体节理裂隙较发育，岩体属较完整。上坝址坝基岩体强风化层厚度0.8～1.0m，弱风化带厚度约10～15m，两岸水平强卸荷带厚度3～5m。下坝址坝基岩体强风化层厚度5.0～6.5m，弱风化带厚度约15～20m，两岸水平强卸荷带厚度6～8m。坝址区地下水主要为裂隙水，推测坝基相对隔水层埋深约20～30m。据区域资料，地下水化学类型为重碳酸硫酸钙镁型水，对砼无腐蚀性。坝址区未见滑坡、崩塌及危岩体，坝区物理地质作用主要表现为岩体风化与卸荷。1.4.2坝址地质条件评价（1）上、下坝址河谷下窄上宽，按抗压强度划分坝基持力层岩体属中硬岩，工程地质分类BⅢ2。适宜兴建混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝。（2）坝基、坝肩渗漏是坝段存在的主要工程地质问题，需进行帷幕灌浆防渗。-39- 知水爱水上善若水（3）据工程经验，坝基岩体物理力学性质参数建议值见表6。1.4.3地质勘察结论(1)工程区构造稳定性较好，适宜兴建水利工程。1990年版《中国地震烈度区划图》(1:400万)将工程区划为Ⅵ度地震区，按2001年版《中国地震动峰值加速度区划图》(1:400万)划分，工程区地震动峰值加速度为0.05g。(2)库水不存在向邻谷及下游渗漏的可能性，除局部存在零星小方量坍塌外，库岸稳定性较好；库内无重要文物及矿产，且不存在水库浸没问题；水库库周植被良好，固体径流量不大，水库淤积不突出；水库产生常见水库诱发地震的可能性小，总之具备建库条件。(3)坝址河谷下窄上宽，以页岩、砂质页岩及灰岩为主。按抗压强度划分坝段岩体属中硬岩，工程地质分类BⅢ2。根据地形地质条件比较，适宜兴建混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝。(4)工程区天然砂砾石料贫乏，块石料丰富。表1-6坝址岩石物理力学参数建议值岩石名称风化程度颗粒密度（g/cm3）干抗压强度(Mpa)饱和抗压强度（Mpa）软化系数变形模量（Gpa）弹性模量（Gpa）泊桑比灰岩弱风化2.8350400.8028300.20砂质页岩弱风化2.6750.711.51.80.35岩石名称混凝土/岩体岩体/岩体承载力（Mpa）f′C′(MPa)ff′C′(MPa)fC(MPa)灰岩1.00.70.651.10.80.6503.0砂质页岩0.700.300.400.700.300.4001.01.5设计用图纸1.5.1河道地质地形图1.5.2工程地质剖面图-39- 知水爱水上善若水第二章工程总体布置2.1工程等别及建筑物级别根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。该水库是一座以灌溉为主，兼乡镇农村供水的工程；工程建成后，可增加保灌面积5250亩，可以列为小型工程，属于Ⅳ等小（1）型工程。保护某城镇和某平原，属于一般，属于Ⅳ等小（1）型工程。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：该水利枢纽水库工程等级为Ⅳ等小（1）型工程。由于确定了水利工程等别为Ⅳ等小（1）型工程，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》中“永久性水工建筑物级别”表确定主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级，临时建筑物级别为5级。第三章非溢流坝坝体设计3.1拟定基本剖面非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近，基本断面上部设坝顶结构。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0~0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6~0.8；底宽约为坝高的0.7~0.9倍。本设计拟定：上游坝面为上部铅直下部倾向下游，下游坝坡坡率0.7。重力坝剖面的下游坡向上延伸应与校核洪水位相交。图3-1重力坝的基本剖面图示-39- 知水爱水上善若水3.2拟定实用剖面3.2.1拟定坝基高程由《混凝土重力坝设计规范》可知，坝高小于50m时，重力坝可建在弱风化中部至上部基岩上，本工程坝高小于50m，查图纸，可确定坝基面高程为370m。3.2.2确定坝顶高程1、超高值Δh的计算（1）基本公式坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由下式计算Δh=++Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m；—累计频率为1%时的波浪高度，m；—波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；—安全加高，按表3－1采用，3级工程，设计情况＝0.4m，校核情况＝0.3m。表3-1坝的安全加高运用情况坝的级别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本水库处于内陆峡谷地区，下面按官厅水库公式（适用于＜20m/s及D＜20km计算和。（3-2）-39- 知水爱水上善若水（3-3）（3-4）试中:D吹程，取0.8km。平均波长，m。计算风速，m/s，是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的平均值。h波高，m。当=20～250时，为累计频率5%的波高；当=250～1000时，为累计频率10%的波高。(2)设计洪水位时Δh计算计算风速取相应季节50年重现期的多年平均最大风速的1.5倍，所以=，D=800m，则==20.0,在20与250，所求出的h为累积频率5%的波高。将已知数据代入公式可得解得=0.643m=7.34m则=1.24,=0.797m则==0.272m=0.272+0.797+0.4=1.469m(3)校核洪水位时Δh计算-39- 知水爱水上善若水计算风速取相应季节重现期的多年平均最大风=13.2，D=800m，则==45.0，在20与250之间，故所求出的h为累积频率5%的波高。将已知数据代入公式可得解得=0.389m=4.89m则=1.24=0.482m则==0.149m=0.149+0.482+0.3=0.931m2、坝顶高程计算坝顶高程按下式计算，并选用其中较大值坝顶高程=设计洪水位+坝顶高程=校核洪水位+根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。（1）设计洪水位时的坝顶高程=411.95+1.469=413.42m（2）校核洪水位时的坝顶高程：=412.75+0.931=413.68m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值取整得414m。坝体高度=，取用36m，在50m范围内，初拟坝基正确。3.2.3拟定坝顶宽度坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%取值，且不小于3m，并应满足交通和运行管理的需要。则（414-370）（8%~10%）=3.52~4.4m，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝-39- 知水爱水上善若水顶宽为4m，以满足大坝维修作业通行需要。3.2.4拟定坝底宽度因为下游坝坡坡率为0.7且向上延伸与校核洪水位相交，可求得坝底宽度为（412.75-370）0.7=29.925m，取30m。3.2.5基础灌浆廊道尺寸拟定高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。由于本坝坝高不高，因此只设一层廊道。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定，宽度可取2.5m～3.0m，高度可为3.0m～3.5m，本设计取2.53.0m。纵向廊道的上游壁离上游坝面的最小距离，应满足防渗要求（一般为0.05～0.1倍坝面作用水头）且不小于3m。因此取4m。3.3荷载计算及其组合作用在坝基面的荷载有：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力，常取坝长进行计算。，作用组合如表3-2。表3-2作用组合设计状况作用组合主要考虑情况作用自重静水压力扬压力淤砂压力浪压力冰压力动水压力土压力地震作用持久状况基本组合正常蓄水√√√√√——√—偶然状况偶然组合校核洪水√√√√√—√√—注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。-39- 知水爱水上善若水6.表中的“√”表示应考虑的荷载,“—”表示不应考虑的荷载。坝体荷载如图3-3所示3.3.1自重式中：V-坝体体积-混凝土的重度，取24图3-3坝体荷载3.3.2静水压力计算时分和两个方向计算。正常蓄水位时下泄流量为0，查表4可知下游水位396.80m；校核洪水位时查表3可知下泄流量为54.5.查表4用内插法可得下游水位为397.85m。结果如表3-3所示。表3-3不同情况下上下游水深及水位差特征水位上游水深下游水深上下游水位差正常蓄水位4126.814.2校核洪水位42.7527.8514.9式中:——计算点的作用水头，；——水的重度，常取-39- 知水爱水上善若水式中:V--作用水体体积，1.正常蓄水位时：===2.校核洪水位时:===3.3.3扬压力根据规范，扬压力折减系数1.正常蓄水位时：=====+++2.校核洪水位时:=====+++-39- 知水爱水上善若水3.3.4浪压力(1)基本数据表计算风速吹程重力加速度水位高程坝基高程安全加高迎水面水深H正常蓄水位19.88009.8411.003700.441校核洪水位13.28009.8412.753700.342.75（2）波浪形态判别1.正常蓄水位时：=7.34m，=0.797m，=0.272m坝前水深H=411-370=41m因为H>，所以为深水波。2.校核洪水位时：=4.89m，=0.482m，=0.149m坝前水深H=412.75-370=42.75m因为H>，所以为深水波。（3）波浪压力计算按下式计算:单位长度迎水面波浪压力标准（KN/m）1.正常蓄水位时：2.校核洪水位时：3.3.5泥沙压力按50年淤积年限全淤法计算，泥沙容重取1.4倍水容重，淤沙高程为400.45m。=-39- 知水爱水上善若水式中：--淤沙的浮重度--坝前淤沙厚度--淤沙的内摩擦角=，=400.45-370=30.45m，=0.4==61.8KN3.3.6其它荷载土压力应根据具体情况来定。温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分析时可以不计入。风荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。-39- 知水爱水上善若水表3-4基本组合情况序号作用名称计算式重度(KN·m-3)作用(每一坝段)KN力臂(m)力矩/(KN·m水平(H)垂直(V)+-1　自重24　133712.3331154　2　自重24　42241354912　3廊道换算自重24　-1809.75　17554　9.88245.3　13.67　1127135　9.8-3523.0　8.9331460　6　9.8　2466.18.75　215787　　-7887.200　8　9.8　-452.72.33　10559　-139.313　181110　9.8　-209.013.67　285711　0.461.8　10.15　62712　9.819.24　41.27　79413作用之和　　4803.3411192.9　-25664-39- 知水爱水上善若水表3-5偶然组合情况序号作用名称计算式重度(KN·m-3)作用(每一坝段)KN力臂(m)力矩/(KN·m水平(H)垂直(V)+-1　自重24　133712.3331154　2　自重24　42241354912　3廊道换算自重24　-1809.75　17554　9.88964.2　14.25　1277405　9.8-3804.4　9.2835305　6　9.8　2683.18.50　228067　　-8196.300　8　9.8　-475.02.33　11079　-146.213　190110　9.8　-219.313.67　299811　0.461.8　10.15　62712　9.87.57　42.90　32513作用之和　　5229.1711061.3　-378883.3.7防渗帷幕设置据上游位置为4m。-39- 知水爱水上善若水3.4稳定性分析重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，正常蓄水位情况和校核洪水位情况按承载能力极限状态验算,抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。3.4.1单一安全系数法因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下：——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数f′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数,该工程地质分类是三类，查表D.2得f′为1.10～0.90，取1.0。c′——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，查表得c′为1.10～0.70MPa，取700KPa。A——坝基接触面截面积，ΣW——作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；ΣP——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；按上式抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于下表3-6的规定。表3-6抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合3.0特殊组合（1）2.5（2）2.3取1.正常蓄水位时：-39- 知水爱水上善若水=故满足要求2.校核洪水位时：=故满足要求3.5边缘应力应力计算及强度校核在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。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，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力9.8MPa（拟定大坝采用C10混凝土）。基本公式:上、下游坝面垂直正应力：上、下游面剪应力:==上、下游面水平正应力：==上、下游面主应力：===-39- 知水爱水上善若水=ΣW—作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；ΣM—作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN·m；B—计算截面的长度，m。——上游坝坡；——下游坝坡；——计算截面在上、下游坝面所承受的水压力强度（如有泥沙压力时，应计入在内）；泥沙压强为=4.06KPa、——计算截面在上、下游坝面处的扬压力强度；1.正常蓄水位时：上、下游坝面垂直正应力：上游面垂直正应力:下游面垂直正应力:上、下游面剪应力:上游面剪应力：=（由于=0）下游面剪应力：==-39- 知水爱水上善若水上、下游面水平正应力上游面水平正应力:==下游面水平正应力:==上、下游面主应力上游面主应力：====下游面主应力：====2.校核洪水位时：-39- 知水爱水上善若水上、下游坝面垂直正应力上游面垂直正应力:下游面垂直正应力:上、下游面剪应力:上游面剪应力：=下游面剪应力：==上、下游面水平正应力上游面水平正应力:==下游面水平正应力：==上、下游面主应力：上游面主应力：=-39- 知水爱水上善若水===下游面主应力：====应力计算结果计算情况坝堹处坝趾处基本组合（正常蓄水位）202.004.062024.06544.19380.9266.65810.840特殊组合（校核洪水位）116.1204.06116.124.06621.30434.91304.44925.740注：表中数据单位都是。由上表应力都小于9.8Mpa，故满足要求。第四章溢流坝剖面的拟定-39- 知水爱水上善若水4.1泄水方式的选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水主要方式有开敞式和孔口式溢流，开敞溢流式的堰除了有较好的调节性能外,还便于设计和施工,同时这种形式的堰在我国应用广泛，有很多的工程实践经验。故本设计采用开敞溢流式孔口，为了使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口，WES实用堰，由于是低坝泄流不大故堰顶不设闸门，堰顶高程与正常蓄水位齐平。4.2溢流坝剖面设计定型设计水头的确定：堰顶最大水头=校核洪水位-堰顶高程即：定型设计水头=（75%～95%），即:取=1.4m，/4.2.1.堰坝曲线段溢流坝顶部采用曲线形式，常用的有双圆弧曲线和三圆弧曲线,上游堰面铅直和椭圆曲线。本工程选用三圆弧曲线,上游堰面铅直。开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES幂曲线。取堰顶部最高点为坐标原点。堰顶O点上游三圆弧的半径及其坐标值为：=0.5=0.7；=-0.175=-0.245=0.2=0.28；=-0.276=-0.3864=0.04=0.056；=-0.282=-0.3948-39- 知水爱水上善若水开敞式堰面堰顶下游堰面采用WES幂曲线,可按下式计算：式中：—堰面曲线定型设计水头,mx，y—原点下游堰面曲线横、纵坐标；n，k—与上游堰坡有关的指数,见规范；由于本设计上游面为铅直面，原点下游堰面曲线方程可用下面公式计算:按上式计算的坐标值入下表所示：计算WES下游曲面坐标值表xyxyxy10.376610.3361131.72021.354713.7471237.26032.867817.5991343.20744.882921.8831449.55657.3771026.5931556.3034.2.2.中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取1:0.7。4.2.3.反弧段1.溢流堰下游反弧段半径，应结合下游消能设施来确定。本次设计选用挑流消能。对于挑流消能，可按下式求得反弧段半径：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；反弧段流速v＜16m/s时，可取下限，流速越大，反弧半径也宜选用较大值，以致取上限。-39- 知水爱水上善若水上式为迭代公式，迭代初值取h=0。单宽流量，本次设计取5上游最高水位与反弧段最低点的距离，反弧最低点与下游水位齐平。初始令故有又因为<弗劳德数取2.挑坎高度：挑坎应高出下游水位，一般以1～2m为宜。计算时按设计洪水位情况考虑，设计洪水位时，查水位流量曲线可知下游水位为401.03m。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高点与最低点间距离为R(1-cosθ)。故挑坎高度=401.3-401.03+6×（1-cos）=1.07m3.挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加。θ一般在～之间，在此取4.反弧段坐标确定圆心O′距坝底距离＝cos-39- 知水爱水上善若水圆心O′距C点距离根据以上数据，就可以确定溢流坝曲面了。下图就是本次设计的溢流坝曲面。第五章消能设计由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。《水工建筑物》及《混凝土重力坝设计规范》可知消能的设计原则是：1.尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；2.不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；3.下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；4.结构简单，工作可靠，工程量小。5.1孔口设计基本公式：——总下泄流量；——溢流孔口的下泄流量；——通过泄水孔等下泄流量，取；-39- 知水爱水上善若水——系数，校核情况取1.0。以最不利情况即校核洪水位时：溢流坝净宽为：q—单宽流量，本次设计取故：取溢流段净宽为11m。因为本次设计属于小型坝，采用开敞溢流式孔口，堰顶不设闸门,则孔口为:n=15.2消能功的选择消能主要形式:挑流消能,底流式消能,面流式消能,消力戽消能.综合考虑比较各个消能功优缺点,由于考虑到本次设计的重力坝属于低坝，下游地质条件比较好的情况，经过论证，决定选用挑流消能。5.3挑流鼻坎设计1.挑流鼻坎有连续式和差动式，该设计选用连续式鼻坎；2.鼻坎高程=397.64+1.01=398.65m；3.反弧半径R=6m；4.根据实际工程情况，该设计挑射角取θ=30°；②水舌挑距L的估算根据规范，水舌挑距L可按下式计算：-39- 知水爱水上善若水式中：——水舌抛距，m，如有水流向心集中影响者，则抛距还应乘以0.90～0.95的折减系数；——坎顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速υ的1.1倍计，即=1.1=（为水库水位至坎顶的落差=412.75-398.65=14.1m）；θ——鼻坎的挑角；——坎顶垂直方向水深，m，(h为坎顶平均水深，m)；——坎顶至河床面高差，m，如冲坑已经形成，可算至坑底；——堰面流速系数,取0.95可按下式计算：按校核洪水位计算：-39- 知水爱水上善若水③最大冲坑水垫厚度的计算根据规范，最大冲坑水垫厚度可按下式计算：式中：—水垫厚度，自水面算至坑底，m；—单宽流量，/（s·m）；—上下游水位差，m；校核洪水位时为412.75-397.85=14.9m—冲刷系数，其数值见下表基岩冲刷系数值由下表可查：本次设计取=1.4，则可计算得：则，一般要求＞2.5～5，满足要求。-39- 知水爱水上善若水第6章地基处理设计天然地基，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。6.1清基开挖6.1.1开挖原则地基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。开挖深度应根据坝基应力、岩石强度及完整性，结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。6.1.2开挖设计靠近坝基面的缓倾角软弱夹层应尽可能清除。顺河流流向的基岩面尽可能略向上倾斜，以增强坝体的抗滑稳定性，基岩面应避免有高低悬殊的突变，以避免造成坝体内应力集中。在坝踵和坝址处可开挖齿坎以利稳定。采用爆破开挖时应避免放大炮，以避免造成新的裂隙或是原有裂隙张开。基岩开挖到最后0.5～1.0m，应采用受风钻钻孔，小药量爆破；遇有宜风化的页岩、粘土岩等，应留0.2～0.3m的保护岩层，待到浇筑混凝土前再挖除。对岸坡坝段，在平行坝轴线方向宜开挖成台阶状，但须避免尖角。6.2软弱带处理6.2.1断层破碎带的危害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。6.2.2断层破碎带处理措施-39- 知水爱水上善若水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。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坝体位移增大。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，如下图（b）。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。6.2.3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：（1-39- 知水爱水上善若水）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。第七章细部构造设计7.1纵横缝构造及止水7.1.1坝体分缝1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；2、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.5～4.0m；在靠近基岩面附近用0.75～1.0m的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。7.1.2止水设计横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.0～1.6mm后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.5～2.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为20～25cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.0～1.5m，厚5～10cm（本设计采用1m×10cm），沥青井尺寸大致为15cm～15cm至25cm～25cm（本设计采用20cm×20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为15～20cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30～50cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。-39- 知水爱水上善若水图5-1止水设计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7.2坝体排水坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/10～1/12，且不少于2m，（1/10～1/12）（）=（）m故根据规定排水管设置在距上游面2m处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm～25cm（取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm×30cm，低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式，如图5-3所示。-39- 知水爱水上善若水7.3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。7.3.1坝基灌浆廊道帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取2.5×3m，形状采用城门水洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于3m处设置，本次设计取3m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5倍廊道宽度，取5m。灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。7.3.2检查及坝体排水廊道为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔15～30m-39- 知水爱水上善若水设置检查和排水廊道，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m，距上游面的距离应不少于0.05～0.07倍水头，且不小于3m,由于该重力坝为低坝则可以由帷幕灌浆廊道充当检查及排水廊道，上游测设排水沟。本重力坝只设置一层廊道。7.4固结灌浆固结灌浆孔的孔距、排距可采用3m～4m，或根据开挖以后的地质条件由灌浆试验确定。固结灌浆深度应根据坝高和开挖以后的地质条件确定，可采用5m～8m；局部地区及坝基应力较大的高坝基础，必要时可适当加深，帷幕上游区宜根据帷幕深度采用8m～15m。固结灌浆孔通常布置成梅花形，对于较大的断层和裂隙带应专门布孔。灌浆孔方向应根据主要裂隙产状结合施工条件确定，使其穿过较多的裂隙。帷幕上游区和地质缺陷部位的坝基固结灌浆宜在有3m~4m混凝土盖重情况下施灌，其它部位的固结灌浆可根据地质条件采用有混凝土盖重方式施灌，经论证亦可采用无混凝土盖重或找平混凝土封闭方式施灌。7.5防渗排水7.5.1帷幕灌浆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，使用时需慎重，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度，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。防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质、水文地质情况确定。当地质内的不透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3～5m。当相对隔水层埋藏较深，则帷幕深度可根据防渗要求确定，通常采用坝高的0.3～0.7倍。-39- 知水爱水上善若水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，如图在BC′以上设置排水，以降低水库蓄水后库岸的地下水位。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7.5.2坝基排水为进一步降低坝底面的扬压力，应在防渗帷幕后设置排水孔幕。根据规定要求，坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为15°，孔距取3m，孔径为200mm。孔深为10m，沿坝轴线方向设置一排。-39- 知水爱水上善若水附表附表1水工建筑物结构安全级别和重要性系数水工建筑物级别水工建筑物结构安全级别结构重要性系数1I1.12，3II1.04，5III0.9附表2结构系数序号项目组合类型结构系数备注1抗滑稳定极限状态设计式基本组合偶然组合1.21.2包括建基面、层面、深层滑动面2混凝土抗压极限状态设计式基本组合偶然组合1.81.8参考文献1.《水工建筑物》教材2.《水力学》教材3.《水力学计算手册》，武水编4.《重力坝》，汝乃华编5.说明书提纲（参考）6.《重力坝设计规范》-39-'