面板堆石坝泄水建筑物设计

溢洪道设计 流量
校核 3702m ³/s 设计 2660m ³/s
1、进水渠
为引流平顺，其进口形状做成喇叭口，为减小损失其长度不宜过长。

由于是在基岩上，引流段截面设计为接近矩形的梯形，边坡为1:0.5,。

由于溢洪道位于破碎带上，F17断层由此经过，渗漏稳定问题严重，应采用混凝土砌护兼做防渗铺盖，一般厚度0.3~0.5m ，不设止水、排水或锚筋，本设计取衬砌厚度0.4m 。

2、控制段
通过调洪演算，溢流堰顶高程为598m ，堰上最大水头为max H =607.35 -598=9.35m ，则堰上定性水头d H =(0.65~0.85)max H =6.0775~7.9475m ，所以可以取堰上定性水头d H =7m 。

取流量系数为0.45，d H P 1=0.2，d H H 0=0.6。

所以1P =1.4m ，0H =4.2m 。

下游堰高P 2应大于0.6H d ，
由调洪演算可知，溢流堰净宽65m ，闸孔数为5，闸门采用弧形闸门，闸门孔宽高为13×10m ，一般，对于露顶弧形闸门来说，其弧面半径R=（1.1~1.5）h ，故半径R 可取为7.15~9.75m ，初步拟定为9m 。

闸墩厚度设为1.5m ，共设4个。

边墩厚度设为2.5m 。

溢洪道总宽B=b+(n-1)D=65+4×1.5=71m 。

闸墩顶高程=校核洪水位+安全加高=607.35+0.4=607.75m 确定堰面曲线
根据规范及工程经验，堰顶上游采用三圆弧曲线，下游为幂曲线，如图 所示。

幂曲线方程为;
y H x d 85.085.12=
故可的得幂曲线方程为：
85.10956.0x y =
其中： 1R =0.5d H =3.5m ；
2R =0.2d H =1.4m ； 3R =0.04d H =0.28m ；
1L =0.175d H =1.225m ； 2L =0.276d H =1.932m ； 3L =0.282d H =1.974m ；
堰面曲线坐标计算表
X 0.5
1
1.5 2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Y
0.03 0.10 0.2
0.34 0.52 0.73 0.97 1.24 1.54 1.88 2.24 2.63
剖面衔接计算
直线段和堰面曲线切点xc 、yc 确定
溢流堰顶部曲线的长短对流量系数有一定的影响，当堰面曲线长度不足以保持标准实用堰的外形轮廓时，流量系数将受到影响而降低。

根据实验分析，WES 型标准堰面大致范围是x=(-0.282~0.85)d H =-1.974~5.95m ，y=(0~0.37)d H =0~2.59m 。

因此取直线段的坡率为1:0.8，对堰面曲线
85.10956.0x y =求导得85.0177.0x y ='，可求得切点的xc=2.55，带入堰面曲线
得yc=5.9，因此直线段和堰面曲线切点为(2.55,5.9)。

反弧段半径确定
泄槽坡度为1:10，反弧半径按(3~6)h 确定，其中H 为校核水位闸门全开时反弧最低点的水深，初步计算可近似使用堰下收缩断面的水深。

堰下收缩断面的水深计算公式为
()θ
φcos 2h H g q
h -=
其中 q —起始计算断面单宽流量，L Q q /校==3702/71 m³/s ；
H —为起始计算断面渠底以上总水头，H=607.35-598+1P
=10.75m ；
θ—泄槽底坡坡角，为5.71°；
φ—起始计算断面流量系数，取为0.95；
迭代算得堰下收缩水深为5.29m 。

反弧半径取值范围是15.87~31.74，
取为20m 。

同理可计算出设计水位时，堰下收缩水深为4.03m 。

泄槽水面线计算
矩形断面临界水深和临界坡降计算
3
2
2
gb Q h k α=
k k k h b h A 71=⨯=
k
k
k h b A R 2+=
61
1R n
C k =
k
k k k k R C A Q i 222
=
临界水深和临界坡降计算表
Q k
h k
A k
R k
C k
i k
校核
3702.0 6.52 463.06 5.51 120.82 0.00079 设计
2660.0 5.23 371.48 4.56 117.07 0.00082 泄槽的纵坡一般设计为大于临界坡度的陡坡，通常i=1%~5%，有时可达10%~15%。

因此，在该工程中取为i=0.1。

正常水深的计算
00bh A =
02h b bh R +=
6/1001R n
C =
由谢才公式i R n
A i R C A Q 3/20
0001==得： 3
/20
3/50)2()(h b bh i nQ
+= 化简得：3
/203
/50)2()(h b n bh i Q +=。

将校核水位的流量3702m³/s 带入方程得，校核水位情况下，泄槽中的正常水位为1.45m ；将设计水位的流量2660m³/s 带入方程得，设计水位情况下，泄槽中的正常水位为1.19m ；
校核水位 设计水位 流量(m³/s) 3702 2660 控制水深(m) 5.29 4.03 正常水深(m) 1.45 1.19 临界水深(m)
6.52
5.23
两种水位情况下都满足k c h h h <<0，水面曲线为水深沿程降低的降水曲线（b 2型降水曲线），下游以N —N 线为渐近线。

以收缩断面为起始位置，依次向下游计算水面曲线。

水面线计算
各断面的计算公式如下：
bh A =；h b 2+=χ；h b bh R 2+=
；A Q v =；6/11R n C =；)(2
1
1++=m m R R R ；)(211++=m m C C C ；)(211++=m m v v v ；R C v J 22=；g
v h E s 2cos 2
+=θ；
J
i E E s sm
sm --=
∆+1
泄槽段的掺气水深为h v
h b )100
1(ξ+
=，其中
b h 、h —泄槽计算断面的掺气后水深和计算断面水深；
v —不掺气情况下泄槽计算断面的流速；
ξ—修正系数，可取1.0~1.4m/s ，取1.2m/s ；
边墙高度=掺气后水深=0.5~1.5m,校核情况，安全超高取0.5m ，设计情况安全超高取1.5m 。

校核水位边墙高度=5.92+0.5=6.42m; 设计水位边墙高度=4.48+1.5=5.98m;
比较两种情况下的边墙高度，将泄槽段的边墙高度取为6.42m 。

消能设计和计算 挑流鼻坎设计
根据试验，鼻坎挑射角一般采用20°~25°，取为23°；
鼻坎坎顶应高出下游最高水位1~2m ，所以取鼻坎顶高程为581m 。

鼻坎反弧半径一般采用鼻坎上水深的8~10倍，半径太小，则水流转向不够平顺；半径太大，则将使鼻坎向下游延伸太长，增加工程量。

挑流鼻坎坎顶处水流平均流速v 计算公式如下：
02gH v ϕ=
因此鼻坎上水深h 为bv
Q h = 其中
ϕ—堰面流速系数，取0.9； 0H —库水位到坎顶高差；
Q —溢洪道下泄流量；
b —挑流鼻坎末端水面宽度；
通过计算得校核水位时坎顶平均流速20.45m/s ，鼻坎上水深2.55m ；设计水位坎顶平均流速19.72m/s ，鼻坎上平均水深为1.90m 。

反弧半径取为22m 。

挑流消能要素计算
水舌挑射距离：
[]
)(2sin cos cos sin 12122112
1h h g v v v g
L +++=
θθθθ 冲刷坑深度：
t k h H q t -=25.05.0α
其中 θ—挑射角度，取23°；
1v —坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速的1.1倍， 1h —坎顶平均水深在铅直方向的投影，θcos 1h h =；
2h —坎顶至河床面的高差，2h =581-570.9=10.1m ；
α—冲坑系数，取1.2；
q —鼻坎末端断面单宽流量；
H —上下游水位差；
t h —下游水深； 校核 设计 h 1 2.35 1.75 h2 10.1 10.1 v 1 22.50 21.69 q 52.14 37.46 H 27.35 26.7 h t 9.1 7.9 L 56.50 52.85 t k 10.72 8.80 L/t k
5.27
6.01
排沙隧洞
隧洞进出口布置
按一般规定，开始进洞位置，洞顶覆盖层厚度大于3倍的洞高方可进洞。

枢纽布置于河床地段，从地形上来看，这样布置隧洞布置不仅工程量省，而且水利条件也好，从地质来看这个山梁表面有一层较深的风化岩石外，下部大部分为坚硬的岩石，强度较高，岩体中夹杂着几条破碎带，但
走向大都与隧洞轴线成较大的角度。

因此，将发电引水洞及排沙洞均布置于右岸的山梁里面。

隧洞体型设计 （1）进口建筑物
由于进口岸坡地质条件较差，覆盖层较厚，因而采用塔式进口，塔顶设置操作平台。

洞设为无压隧洞，但包含有较短的压力段和较长的无压段。

进口喇叭口
隧洞进水口采用顶板和边墙顺水流方向三面收缩的平底矩形断面，体形符合孔口泄流的形态，避免产生不利的负压和空蚀破坏，同时还应尽量减少局部水头损失，以提高泄流能力。

喇叭口的顶板和边墙采用椭圆曲线，其方程为：
12
2
22=+b y a x 式中：a 为椭圆长半轴，对于顶板曲线约等于闸门处的孔口高度H =3.5m ，
对于边墙曲线约等于闸门处的孔口宽度B =3m ；b 为椭圆短半轴，对于顶板曲线约为3H ，对于边墙曲线约为(51~31)B 。

顶板曲线为：15.395.322
22=+
y x 边墙曲线为：19
22
=+y x
深式无压隧洞的进水口为一短的压力段，根据我国10余个工程的统计，其长度约为1.5~2.5倍闸门处的孔口高度，本设计可取为7m ，属短管型进水口。

为了使其具有良好的压力分布，检修门槽前的顶板曲线应有倾斜压坡。

顶板曲线可布置为长轴水平布置，使顶板曲线在检修门槽上游边缘处的切线斜率为1:4.5~1:10，无倾斜直线段。

同时检修门槽前的入口段长度控制在0.8~1.0倍工作闸门处的孔口高度范围内，所以将入口段长度设为3m ，检修门槽上游边缘处的切线斜率取为1:5。

为了利用收缩进一步改善进口的压力的压力分布和水流状态，在检修门槽与工作闸门之间的顶板也应布置成压坡段，压坡段为等宽矩形断面，顶板的坡率应陡于曲线顶板末端的坡
率，一般在1:1.4~1:1.6之间，现采用1:1.4。

压坡段长度采用3m 。

通气孔
在泄水洞的进口设通气孔，其主要作用是：工作闸门在各级开度情况下承担补气任务，补气可以降低门后负压，稳定流态，避免建筑物发生震动和空蚀，减小作用在闸门上的下拖力和附加水压力；检修时，在下放检修门之后放空洞内水流过程中用以补气；检修完成后，需要向检修闸门和工作闸门之间充水，以便平压开启检修闸门，此时，通气孔用以排气。

洞身断面采用城门洞型断面。

闸门采用弧形闸门，半径取为6m 。

校核水位 219m³/s 设计水位 211m³/s
通过计算溢洪道临界水深的方法可以计算出排沙洞校核水位的临界坡降。

Q k h k A k R k C k i k 校核 219.0 8.16 24.49 1.27 94.57 0.00706 设计
211.0
7.96
23.89
1.26
94.51
0.00692
由于泄流时的流速较大，为了不影响隧洞的泄流能力，将隧洞设成陡坡，底坡坡降为0.01。

洞内控制水深
校核情况下隧洞流量为219m³/s ，洞前水深为607.35-580=27.35m ，平均流速为gH v 2孔ϕ==35.278.9298.0⨯⨯⨯=22.69m/s ，则收缩断面水深
为bv
Q
h c =
带入数据计算得校核水位的洞内控制水深为3.22m 。

同理可计算正常水位的洞内控制水深为3.21m 。

正常水深
由3
/203
/50)2()(h b n bh i Q +=可计算出校核水位的正常水深为7m ，设计水位的正常水深6.7m 。

洞内水面线
以收缩断面为起始断面，依次向下游计算洞内水面线。

由于k c h h h <<0，水面线为水深沿程增加的壅水曲线，已知校核水位的
泄流量为219m ³/s ，起始断面水深为3.22m ，隧洞底坡0.01，洞宽3m ，粗糙度为0.011。

同溢洪道水面线计算方法计算洞内水面线 洞深尺寸
当洞内流速大于15~20m/s 时，应考虑高速水流引起的掺气和冲击波影响。

流速较高的隧洞，在掺气升高的水面以上净空面积一般为洞身断面面积的15%~25%，冲击波波峰高不应超过城门洞形断面的直墙范围。

根据水面线的计算，初步设计尺寸为3×4m 。

根据地形条件和地址情况，选用挑流消能，它适用于较好的岩基或挑流冲刷坑对建筑物安全无影响时，可设置挑流鼻坎。

挑坎末端做一道深齿墙，可以保护地基不被冲刷，其底部高程应位于冲刷坑可能影响的高程以下。

挑坎上还常设置通气孔和排水孔，通气孔向水舌下补充空气，以免形成真空，影响挑距和造成结构空蚀。

坎上排水孔排除反弧段积水；坎下排水孔排除渗流，降低齿墙后的渗透能力。

反弧半径设为20m ，坎顶平均流速22.69m/s ，坎顶平均水深3.22m 。

[]
)(2sin cos cos sin 1
21221121h h g v v v g
L +++=θθθθ
挑射角取23°
计算的水舌挑距为66.86m
最大冲刷坑深度t k h H q t -=25.05.0α=14.35m k t L =4.66>2.5，满足要求。

构造设计
坝顶构造
取决于交通需要、构造要求和施工条件，坝顶宽度取8m ，坝顶上游侧设置防浪墙，墙高采用3.5m ，墙顶高出坝顶1.2m 。

坝顶铺设混凝土路面，其下铺设碎石垫层，坝顶面向下游测设斜坡，坡度3%。

防浪墙上游侧底部设置宽0.8m 的小道，以利检查行走。

坝顶下游侧设置 0.5m 高的护栏，护栏内侧底部设置0.2m×0.2m 的排水沟。

马道、上下游护坡设计
下游坝坡设置“之”形贴坡式上坝公路，道路宽6m 。

因坝的上游坡面受波浪淘刷，下游坡面受雨水冲刷，坝的上下游坡面
需设置护坡，本方案为砌石护坡，厚0.3m。

上下游护坡需设碎石或砾石垫层，本方案为碎石垫层厚0.2m。

坝体排水
坝体排水选用棱体排水，是在下游坝脚处用块石堆成棱体，顶部高程应超出下游最高水位，超出高度应大于波浪沿坡面的爬高。

大坝为2级，不应小于0.5m，并使坝体浸润距坝坡的距离大于冰冻深度，排水棱体顶高程要比下游最高水位高1~2m。

故设排水棱体顶高程为581m，内坡设为1:1，外坡设为1:1.5，顶宽设为3m，坝体外部宽度为2m。

坝面排水
在上坝公路内侧设排水沟，尺寸为0.2m×0.3m(深×宽)，顺坡向设4道排水沟。

混凝土面板设计
面板置于垫层上，垫层是面板的基础，在浇筑面板之前，应对垫层严格压实，在其上喷一层砂浆，为面板提供良好的基础。

面板厚度采用等厚0.4m设计。

面板只设垂直缝，不设水平缝，河床部位压实性缝间距16m，靠近左右坝肩张性缝间距8m，两岸垂直缝在距周边缝法线方向1m处，垂直于周边缝布置。

面板钢筋穿过缝面。

面板混凝土强度等级采用C25，混凝土抗渗等级采用W8,。

面板布置单层双向钢筋，配筋率0.4%，靠近周边缝附近20m范围内面板布置加强钢筋。

趾板
采用平趾板型式，趾板宽5m，趾板厚0.5m。

趾板表面配单层双向配筋，配筋率为0.3%，保护层厚度10cm。

为方便趾板施工，趾板设计为连续趾板，但要求施工分序条块浇筑。

周边缝设置三道止水。

底部设一道F形止水铜片，下设沥青砂垫，铜片
与沥青砂垫之间铺设PVC垫片，中间为橡胶止水。

顶部塑性止水构造为V 型口，上面填充塑性材料，表面用透水保护罩覆盖。

面板压性缝与张性缝设计如图：
防浪墙与面板之间的接缝
防浪墙设伸缩缝，其位置与面板伸缩缝位置一致。

溢洪道构造
衬砌
（1）衬砌的分缝和止水
为适应温度变化及地基不均匀沉降，混凝土衬砌需设置横缝。

泄槽和边墙底板结构缝间距统一采用15m。

衬砌内配置适量的钢筋。

横缝之间，泄槽底板与控制段、边墙、鼻坎以及边墙之间的缝均设止水，止水采用塑料止水片。

（2）衬砌排水
为排除地基渗水，减少衬砌所受的扬压力，需在衬砌下面设置排水系统。

（3）衬砌厚度
衬砌厚度取为0.5m，为了增加衬砌的稳定性，配置网状温度筋。

出口消能段
为保证挑坎的稳定，在挑坎末端做一条齿墙，深度取5m。

为了降低齿墙背面的渗水压力，在齿墙上设排水孔，鼻坎内也布置排水孔，以便在溢洪道不泄水时排出反弧段的积水。

为了防止小流量水舌不能挑射时产生贴壁冲刷，挑坎下游做一段短护坦。

为了避免在挑流水舌下面形成真空，产生对水流的吸力，减少挑射距离，需在鼻坎内设置通气孔，将空气输送到水舌下面，以保证水舌下面气压正常。

隧洞构造
洞身衬砌和分缝
无压隧洞采用城门洞形断面，衬砌为整体单层钢筋混凝土衬砌。

根据工程经验，钢筋混凝土的厚度取为30cm。

横缝间距为10m。

纵缝设在拱顶和边墙交界处。

排水
外水压力对城门洞形无压隧洞衬砌结构应力影响很大，所以可下洞内水面线以上，通过衬砌设排水孔，排水孔间距定为3m，排距2m，深入岩石3m。

地基处理
地基开挖与处理
趾板基础开挖和处理
趾板区包括趾板及其下游1/3水头范围。

河床坝段挖除砂卵石层和强风化岩体，使河床部位趾板基础坐落在坚硬、完整的岩石上，建基面高程565m。

两岸部位要求挖除覆盖层以及强风化岩石，左岸开挖深度8~21m。

右岸开挖深度10~36m。

基岩采用固结灌浆，增加其整体性。

堆石体坝基处理
堆石体部位的河床覆盖层，在趾板下游45m范围内全部挖除，其余部分保留，保留的覆盖层采取强夯处理，提高密实性。

坝肩要挖除覆盖层强
风化层。

灌浆
为改善趾板基础岩体的完整性，提高基础的承载能力、减小基础渗漏，对趾板基础进行水泥固结灌浆和帷幕灌浆。

固结灌浆采用梅花型布置。

趾板部位孔距2m，排距2m，孔深10m。

灌浆压力采用0.5MPa。

帷幕的作用是在岩体中构成比基岩相对透水性更小的地段，以防止渗漏和降低扬压力。

帷幕深度应根据工程地质情况确定，帷幕可穿过相对透水层3~5m，灌浆后的透水率宜为5~10Lu。

在本工程设计中趾板中部设置两排帷幕，排距1m，孔距2m。

孔深30m。