春河张谷水利枢纽工程之欧阳法创编

*** 职业技术学院
毕业设计成果
设计项目名称春河张谷水利枢纽工程
姓名：
专业：
班级：
学号：
指导老师：
任务下达日期： 2012 年 11月26日
设计完成日期： 2012 年 12月23日
**工程系
春河张谷水利枢纽—重力坝设计
指导老师 ***
***职业技术学院 *** ***
摘要：
本设计对春河张谷水利枢纽进行了详细的论述和设计，主要有设计说明书和设计图纸两部分。

设计说明书主要包括：春河张谷流域状况，枢纽布置，挡水建筑物的设计，泄水建筑物的设计，坝体细部构造及地基处理设计。

本枢纽以防洪和发电为主，本枢纽属于大型Ⅰ等工程，永久性建筑物为1级，按规范要求，采用,1000年一遇洪水设计，10000一遇洪水校核。

水库正常蓄水位303.0m，设计洪水位305.1m，校核洪水位307.3。

其主要建筑物有：非溢流坝、溢流坝、泄水建筑物、消能设施等。

关键词：水利枢纽；设计；重力坝；
目录
第一章基本资料 (1)
1.1 工程概况 (1)
1.2 地形地质情况 (1)
1.3 水文气象资料 (2)
1.3.1 河流特性 (2)
1.3.2 气温情况 (2)
1.4 河流泥沙情况 (2)
1.5 交通运输 (2)
1.6 水库规划资料 (3)
1.7 特征水位 (3)
1.8 限制条件 (3)
1.9 水电站参数 (3)
1.10 筑坝材料 (3)
第二章枢纽布置 (5)
2.1 枢纽及建筑物的分等分级 (5)
2.2 建筑物形式 (5)
2.2.1 工程地质 (5)
2.2.2 坝型选择 (6)
2.2.3 枢纽建筑物组成 (8)
第三章挡水坝段设计 (9)
3.1 挡水坝段尺寸初步拟定 (9)
3.1.1 坝顶高程的确定 (9)
3.1.2 计算过程 (10)
3.2 坝顶宽度 (11)
3.3 坝底宽度 (11)
3.4 坝面坡度 (11)
3.5 排水管及灌浆廊道 (11)
3.6 重力坝的荷载及组合 (12)
3.6.1 自重 (12)
3.6.2 静水压力 (12)
3.6.3 扬压力 (13)
3.6.4 淤沙压力 (14)
3.6.5 浪压力 (15)
3.7 坝体稳定计算 (16)
3.7.1 坝基边缘应力计算 (17)
3.7.2 垂直正应力计算 (17)
第四章溢流坝段设计 (21)
4.1 溢流坝剖面形状 (21)
4.1.1 泄水方式的选择 (21)
4.1.2 孔口净宽的拟定 (21)
4.2 初步拟定堰顶高程 (22)
4.3 堰顶的形式 (22)
4.4 消能设计 (24)
4.4.1 消能方式 (24)
4.4.2 反弧半径及挑射角 (26)
4.4.3 消能验算 (27)
4.5 闸门、闸墩及导墙设计 (28)
4.5.1 闸门形式的型式选择及高度 (28)
4.5.2 闸墩形状及厚度 (30)
4.6 导水墙的尺寸拟定 (31)
第五章坝体细部构造及地基处理设计 (31)
5.1 坝顶构造 (31)
5.2 廊道、分缝、止排水设计 (32)
5.2.1 基础廊道 (32)
5.2.2 坝体廊道 (32)
5.2.3 坝体排水 (32)
5.2.4 坝体分缝止水 (32)
5.3 坝体混凝土的强度等级 (33)
5.4 地基处理 (35)
5.4.1 地基开挖与清理 (35)
5.4.2 地基开挖的形状及坡度 (35)
5.4.3 基坑的清理 (36)
5.4.4 坝基的帷幕灌浆 (36)
5.4.5 坝基排水 (38)
5.4.6 坝基的固结灌浆 (39)
5.4.7 坝基断层破碎带的处理 (39)
致谢 (40)
参考文献 (41)
第一章基本资料
1.1 工程概况
春河属于山区河道，流域内多高山峡谷，平原范围甚小，流域内山区占70％，垦地占30％。

张谷以上河床平均坡度为1/600，以下平均坡度为1/1000。

坡陡流急，暴雨急流时间甚短，每逢暴雨，山洪暴发，易泛滥成灾，下游农田受到洪水威胁。

本枢纽位于春河上游山区，坝址选定在张谷，主要任务是防洪发电。

1.2 地形地质情况
张谷坝址右岸高山重叠，交通不便。

左岸地势较平坦，小丘陵绵延。

在张谷上游地形开阔，可以蓄水，水库库容约13.5×108m３。

张谷是一个峡谷，两岸悬崖陡壁，十分险要，河岸狭窄，宽仅一百余米，是理想的筑坝地点。

坝址地质为青灰色的石灰岩，为整体岩石，石质坚硬。

右岸山岗覆有薄层黄土。

在坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层最厚的为５米，岩石风化厚度为３米。

左岸岩石露头，节理不多，风化层有３米多厚。

经过调查研究，已查明坝址附近无断层。

坝址基础石英岩的抗压强度为1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系数为0.65。

抗剪断摩擦系数为1.0 ，抗剪断凝聚力为1.0MPa。

本地区曾发生过轻微地震，据分析地震烈度为4级。

1.3 水文气象资料
1.3.1 河流特性
降雨为形成春河洪水的原因,本流域水灾多由暴雨产生。

洪水一般出现在７～10月份，因坡陡流急，洪峰涨落时间很短，一般为２～３天。

表1.1 各种频率下的最大洪峰流量（米3／秒）
1.3.2 气温情况
本流域气候温和，年平均温度约为17℃，最低月平均温度为4.6℃，极少冰冻现象，最高月平均温度为33.9℃，故夏季亦不太热，一年四季都可以施工。

1.4 河流泥沙情况
泥沙大部分是页岩风化的产物，颗粒很细。

据资料统计，多年平均输沙总量为185万立方米。

每立方米淤积泥沙单位重为1.32吨／立方米。

在预留淤沙库容时，水土保持有效年限估计为30年。

其它
水库最大吹程为19.5公里，多年平均最大风速为14米／秒。

1.5 交通运输
春河滩多流急，航行不便，故暂可不考虑航运问题。

春河左岸有公路干线通过，公路干线距坝址左岸2公里，交通较便，右
岸则仅有山区小道。

本工程坝顶无交通要求。

1.6 水库规划资料
规划部门根据满足各水利专业部门的需要，提出了下列数据，可作为设计水工建筑物的依据。

1.7 特征水位
水电站正常高水位：303米
最有利工作深度：41米
设计洪水位：千年一遇（P=0.1%）设计标准，设计洪水位305.1米，相应下泄流量5350米3／秒，相应下游水位213.2米。

校核洪水位：万年一遇（P=0.01%）校核标准，校核洪水位307.3米，相应下泄流量6700米3／秒，相应下游水位214.5米。

1.8 限制条件
汛前水位：299米
水库最高水位不得超过：308米
1.9 水电站参数
电站装机容量：105000千瓦
机组数目：3台
电站最大引用流量：140米３／秒
1.10 筑坝材料
石料——距坝址上游一公里处，两岸石英岩及页岩可大量开采，而且石质良好。

在25次冻融之后，抗压强度为900公斤／平方厘米。

砂料——距坝址上游三公里处，滩地有坚硬的砾石和粗砂，蕴藏量约有四十万立方米，砂为石英颗粒，是风化产物。

土料——距坝址上游五公里处有粘壤土，蕴藏量约为20万方，其内摩擦角为20°(饱和的) ，天然干容重γ=1.6吨／米3，渗透系数Ｋ值为４ⅹ１０¯７厘米／秒。

木材——可自距坝址15公里的深山内取得。

水泥、钢材—可由公路自离坝址60公里处的龙城运来。

第二章枢纽布置
2.1 枢纽及建筑物的分等分级
根据项目资料，在张谷上游地形开阔，可以蓄水，水库库容约13.5×108m３，查表（课本P7表1-1）可判断该工程为大（1）型Ⅰ级工程；由电站装机容量为105000kw可判断为中型Ⅲ级工程。

对于综合利用的水利水电工程，其工程等别应按其中最高等别确定，所以该工程为大型Ⅰ级工程。

我们所设计的建筑物为大坝，属永久性水工建筑物，查表（课本P8表1-2）可得该大坝工程等级属于1级，该工程次要建筑物等级属于3级。

2.2 建筑物形式
2.2.1 工程地质
坝址地质为青灰色的石灰岩，为整体岩石，石质坚硬。

右岸山岗覆有薄层黄土。

在坝轴线上，右岸山岗沙壤土覆盖层最厚的为５米，岩石风化厚度为３米。

左岸岩石露头，节理不多，风化层有３米多厚。

经过调查研究，已查明坝址附近无断层。

坝址基础石英岩的抗压强度为1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系数为0.65。

抗剪断摩擦系数为1.0 ，抗剪断凝聚力为1.0MPa。

本地区曾发生过轻微地震，据分析地震烈度为4级。

综上，坝址地址结构良好，覆盖层较薄，开挖工程量小，且河流流向与坝轴线大致垂直，对河流两岸的冲刷损害小。

2.2.2 坝型选择
目前，应用比较多的坝型有重力坝、拱坝和土石坝。

在选择坝型时，要根据坝区的地质、地形条件、筑坝材料、施工技术、施工条件、施工导流等众多因素来定。

拱坝理想的地形是坝址上游较为宽阔，左右岸对称，岸坡平顺无突变在平面上向下游收缩的峡谷段，因此综合地形因素本坝址不适合拱坝的修筑，重力坝和土石坝在考虑范围之内。

对这两种坝型进行比较后再作选择。

考虑到本枢纽主要承担了发电、防洪任务，而且在校核洪水位时的流量和泄流量都较大，需要开敞式的坝体泄流枢纽，由于土石坝自身不能在坝顶溢流的缺点，不能够满足防洪时泄流的需要，结合当地的地形、地质、建筑材料等因素，故选用混凝土重力坝作为坝型。

重力坝主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

重力坝之所以得到广泛应用，是因为其具有以下几个方面的优点：
（1）安全可靠。

重力坝剖面尺寸大，坝内应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫顶、渗漏、地震和战争破坏的能力都比较强。

（2）任何形状的河谷都可以修建重力坝。

（3）枢纽泄洪问题容易解决。

重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内不同高程设置泄水孔，一般不需要另设溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑。

（4）便于施工导流。

在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另设导流隧洞。

（5）施工方便。

大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇筑方面都比较简单，并且加强、修复、维护或扩建
也比较方便。

重力坝的缺点主要是坝体剖面尺寸大，材料用量多，把体应力较低，材料的强度不能充分发挥，而且需要严格的温度控制措施，坝体与地基的接触面积大，相应的坝体扬压力大，对稳定不利。

重力坝的形式比较多，主要可分为实体重力坝、碾压混凝土重力坝、浆砌石重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝等。

下面介绍比较常用的几种坝型，它们各自的优缺点如下：
（1）碾压混凝土重力坝与常态混凝土重力坝相比，具有以下一些优点：工艺程序简单，可快速施工，缩短工期，提前发挥工程效益；胶凝材料用量少，特别是水泥用量减少；由于水泥用量减少，结合薄层大仓面浇筑，坝体内部混凝土的水化热温升可大大降低，从而简化了温控措施；不设纵缝，节省了模板和灌浆等费用；可使用大型施工机械设备，提高混凝土运输和填筑的工效。

但也有一定缺点，如：坝体混凝土分区；各区域内混凝土的级别。

（2）实体重力坝的主要优点就是，结构相对比较简单，施工比较方便，并且有丰富的经验技术，施工过程中质量容易控制。

其不足之处就是坝体体积较大，扬压力也比较大，施工时不利于混凝土的散热。

（3）浆砌石重力坝具有以下一些优点：便于就地取材，节省水泥；节省模板，减少脚手架，因而减少木材用量，同时减少施工干扰；施工技术容易掌握。

但也有不少缺点，如：砌体质量不易均匀；不易采用机械化施工，需要大量劳动力；砌体本身防渗性能差，需另作防渗处理。

（4）宽缝重力坝具有以下一些优点：充分利用了混凝土的抗压强度；扬压力显著降低；节省混凝土方量。

但也有一些缺点，如：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，
对宽缝需要采取保温措施。

综合以上内容，结合工程中有丰富的砂石料场、地质、地形条件等因素，采用混凝土实体重力坝作为坝型。

2.2.3 枢纽建筑物组成
本枢纽建筑类型主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物组成。

挡水建筑物采用混凝土实体重力坝，泄水建筑物采用溢流坝，泄水方式采用开敞溢流式，闸门采用弧形钢闸门。

电站厂房采用坝后式，布置在泄洪坝段的右侧。

第三章 挡水坝段设计
3.1 挡水坝段尺寸初步拟定
3.1.1 坝顶高程的确定 波浪要素按官厅水库公式计算： h l =0.0166V 5/4
D 1/3
（m ）；
()0.8
10.4l L h =（m ）；
2
2coth
l z h H
h L
L
ππ=
（m ）；（一般峡谷水库因2L H ≥，所
以：2
l z h h L
π≈
）；
l z c h h h h ∆=++
其中：
0V 为计算风速，m/s 。

正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相
应洪水期多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值。

D —吹程，m ； L —波长，m ；
l h —波浪高度，m ；
z h —波浪中心线高于静水位的高度，m ；
H —坝前水深，m ； h ∆—超高，m ；
c h —安全加高（根据建筑物的安全级别可查表2-2，课本
P16，由于该工程的结构安全级别为Ⅰ级，故查得h c 设=0.7，h c,校
=0.5）。

3.1.2 计算过程
设计：V
0=21m/s,h
l
=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×215/4×
19.51/3=2.01m
校核: V
0=14m/s,h
l
=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×145/4×
19.51/3=1.21m
设计:L=10.4×(h
l
)0.8=10.4×2.010.8=18.18m
校核:L=10.4×(h
l
)0.8=10.4×1.210.8=12.11m
设计：h
z
=0.70×1.00=0.70m
校核：h
z
=0.40×1.00=0.40m
h c ——安全超高，根据坝的等级为Ⅰ等：校核时，h
c
=0.7m；
设计时，h
c
=0.5m。

由以上可得坝顶超高为：
设计时Δh=h
1+h
z
+h
c
=2.01+0.7+0.7=3.41m
校核时Δh=h
1+h
z
+h
c
=1.21+0.4+0.5=2.11m
则确定坝顶高程为：
设计时Z
坝顶
=305.1+3.41=308.51m
校核时Z
坝顶
=307.3+2.11=309.41m
取其中大者即309.41m,作为坝顶高程
表3.1 坝顶高程计算表
3.2 坝顶宽度
坝顶宽度一般情况采用坝高的8%～10%，且不小于3m,当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道要求，本次设计根据工程情况，坝顶宽度取10m
3.3 坝底宽度
根据工程经验，坝底宽度一般为0.7～0.9倍的坝高。

取底宽与坝高比为0.8：
此时坝底宽 B
B=0.8×（309.41-199）=88.33m
则大坝坝底宽取88.33m。

3.4 坝面坡度
上游坝坡取0.2，折坡点位于1/3坝高处，则折坡点高程为235.80m。

下游坡面采用基本三角形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则折坡处向上延伸与校核洪水位相交。

根据几何关系，可得坡度为1:0.75，下游折坡点高程为293.93m。

3.5 排水管及灌浆廊道
大坝在靠近上游坝面设置排水管幕，以减小坝体渗透压力。

排水管幕距上游坝面距离为5m,排水管采用无砂混凝土管，间距为3m,管径为20cm,沿坝轴线一字排开，管径铅直，与纵向排水、检查廊道相通，上下端与坝顶和廊道直通，便于清洗和排水。

坝基灌浆廊道沿纵向布设在坝踵处，距上游坝面为11m,廊道底距基岩面4m,在两岸沿岸坡布置,尺寸采用4×5m。

图3.1 坝体主要尺寸（标注单位：cm）
3.6 重力坝的荷载及组合
3.6.1 自重
坝体自重W(kN)的计算公式：
W=γ
c
A
式中：
A—坝体横剖面面积，m3；
c
—坝体混凝土的重度，一般取23.5～24.0kN/m3。

则,取混凝土重度为23.5
W=23.5×4607.926=108286.26KN
3.6.2 静水压力
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解为
水平水压力P
H 和垂直水压力P
v
两种。

P
H1
(kN)计算公式为：
P V =
ω
ω
γA
P H =2
2
1
H
w
γ
P H1=)
(
2
12
2h
H
w
-
γ
式中：H—计算点处的作用水头，m。

ω
γ—水的重度，常取9.81kN/m3。

ω
A—坝踵处所作的垂线与上游水面和上游坝面所围成图形的面积，m2。

h—堰顶溢流水深，m。

则
水平水压力：
P
H1
=0.5×9.81×（307.3-199）2=57530.205KN
P
H2
=0.5×9.81×（214.5-199）2=1177.225KN
P
H
=57530.205-1177.225=56352.98KN
垂直水压力：
①上游P
V1
=661.664×9.81=6490.924KN
②下游P
V2
=89.811×9.81=881.046 KN
P
V
=6490.924+881.046=7371.97 KN
3.6.3 扬压力
扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。

渗透压力是由上下游水位差产生的渗流在坝体内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游面淹没计算截面而产生向上的水压力。

扬压力的分布与坝体结构、上下游水位、防渗排水等因素有关。

本工程在坝基处设有排水管孔，上游坝坡为0.2，排水孔中心
线与坝底相交点距坝踵处距离T
1=,12.36m,距坝趾处距离T
2
=88.33-
12.36=75.97m。

坝底宽度T=88.33m。

浮托力按矩形分布计算，压力强度为γH
2
；渗透压力呈折线分
布，在坝踵处为全水头γ
水
H，在排水孔中心线与坝底相交点处为
αγ
水
H，α为扬压力折减系数，可取α=0.2。

校核情况下的扬压力
校核情况下，H
1
=307.3-199=108.3m
H
2
=214.5-199=15.5m
H=H
1-H
2
=108.3-15.5=92.8m
U 1 =γ
水
H
2
T
=9.8×15.5×88.33 =13417.33KN
U 2 =αγ
水
HT
2
/2
=0.2×9.8×92.8×75.97/2 =6909.02KN
U 3 =(αγ
水
H+γ
水
H)T
1
/2
=(0.2×9.8×92.8+9.8×92.8)×12.36/2 =6744.41KN
校核情况下扬压力
U 校=U
1
+U
2
+U
3
=13417.33+6909.02+6744.41 =27070.8KN
3.6.4 淤沙压力
入库水流携带的泥沙在水库中淤积，淤积在坝前的泥沙对坝面产生的压力叫淤沙压力。

淤积的规律是从库首至坝前，随水深的增加而流速减小，沉积的粒径由粗到细，一般计算年限取50～100年。

泥沙对坝体某点在铅直面的压力强度为rhtg(45°-ψ/2)
泥沙颗粒内摩擦角ψ=20°空隙率n=0.4 其浮容重R=r-(1-n)r=6.8KN/m
P = 6.8×36.8×tg 30=144.47KN W = 0.5×6.8×9.8×36.8=1226.18KN 3.6.5 浪压力
水库水面在风的作用下生成风浪，对坝面产生浪压力。

波浪的三要素与风速、吹程和水深有关。

风速越大，吹程越长，激起的波浪越大，先判断水波是深水波、浅水波还是破碎波。

坝前为校核水位时 H=307.3-199=108.3 L=12.11 临界水深：
H cr =
⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-+%1%
1224h L h L In L πππ=1.415 则
H ≥L/2≥H cr
为深水波
P =r L *(h +h )/4=47.77KN
图3.2 主要荷载示意图
综上，校核情况下荷载组合见下表
表3.2 荷载组合表
3.7 坝体稳定计算
根据抗剪断强度公式分别计算校核情况下重力坝的抗滑稳定安全系数K
H
A
c U W f K ∑'+-∑'=
)(
式中：
f ′—抗剪断摩擦系数。

本工程中f=1.0。

c′—抗剪断凝聚力，KN/m2。

本工程中c=1000 KN/m2。

A —滑动面面积。

∑W—作用于滑动面以上坝体的力在铅直方向投影的代数和。

∑H—用于滑动面以上坝体的力在水平方向投影的代数和。

U—作用于滑动面上的扬压力。

则：
∑W=108286.26+7371.97+1226.18
=116884.41
∑H=56545.22KN
代入公式得
安全系数K
正=
22
.
56545
1000
33
.
88
)
152
.
93143
(
0.1⨯
+
⨯
=3.209＞3.0
安全
3.7.1 坝基边缘应力计算
根据材料力学法计算正常高水位+扬压力情况下的边缘应力，
分别要计算垂直正应力σ
Y ，水平正应力σ
Ｘ
，剪应力τ和主应力σ
Ｐ。

3.7.2 垂直正应力计算
σ
Yu
=
σ
Ｘｄ
=
式中：ΣW —作用在计算截面以上坝体的全部荷载的垂直分力的总和（包括扬压力），以向下为正。

ΣM —作用在计算截面以上坝体的全部荷载对截面形心的力矩总和以使上游产生压应力为正。

T —坝体计算截面沿上游方向的长度，T=88.33m
∑W = ∑V-U
=116884.41-27070.8
=89813.61KN
（1）坝体重力对截面形心的力矩M
1=G
1
l
1
+G
2
l
2
+G
3
l
3
l 1、l
2
、l
3
分别为力G
1
、G
2
、G
3
到截面形心的力臂
l
1
=39.3m
l
2
=31.8m
l
3
=3.2m
坝体重力对截面形心的力矩：
M 1 = G
1
l
1
+G
2
l
2
+G
3
l
3
=3182.46×39.3+25946.35×31.85+79157.45×3.2 =1204765.766KM·m
（2）铅直方向静水压力对截面形心的力矩M
2= W
1
l
1
¹+W
2
l
2
¹+W
3
l
3
¹
l 1¹、l
2
¹、l
3
¹分别为力W
1
、W
2
、W
3
到截面形心的力臂
l
1
¹=40.49m
l
2
¹=41.71m
l
3
¹=40.30m
铅直方向静水压力对截面形心的力矩：
M 2 =W
1
l
1
¹+W
2
l
2
¹+W
3
l
3
¹
=5314.76×40.49+1327.155×41.71-881.04×40.30 =235044.36KM·m
（3）水平方向静水压力对截面形心的力矩M
3 =-P
1
l
1
¹¹+P
2
l
2
¹¹
l 1¹¹、l
2
¹¹分别为力P
1
、P
2
到截面形心的力臂
l
1
¹¹=34.3 m
l
2
¹¹=2.83m
水平方向静水压力对截面形心的力矩：
M 3 = -P 1l 1¹¹+P 2l 2¹¹
= -57530.205×36.8+1177.23×10.3 =-2104986.08KM ·m
（4）泥沙压力对截面形心的力矩M 4=-Xl x +Yl y l x 、l y 分别为力X 、Y 到截面形心的力臂 l x = 24.53m l y =41.71m
泥沙压力对截面形心的力矩: M 4 = -Xl x +Yl y
= -144.47×24.53+1226.18×41.71 =-47600.12 KN ·m
（5）扬压力对截面形心的力矩M 5= U 1l 1¹¹¹-U 2l 2¹¹¹-U 3l 3¹¹¹ l 1¹¹¹、l 2¹¹¹、l 3¹¹¹分别为力U 1、U 2、U 3到截面形心的力臂 l 1¹¹¹ = 0m l 2¹¹¹ =40.05m l 3¹¹¹ =5.45m
扬压力对截面形心的力矩: M 5 = U 1l 1¹¹¹-U 2l 2¹¹¹-U 3l 3¹¹¹
= 0-6909.02×40.05-6744.41×5.45 =-239949.22KM ·m
（6）浪压力对截面形心的力矩M =P ×y
85.64
/)(12
/*]4/)(2/([10(11212
011=+-++=
h h L L L h h L r y ）
M =47.77×6.85=327.23KN.m 所以ΣM = M 1+M 2+M 3+M 4+M 5
= 1204765.766+235044.36-2104986.08-47600.12-239949.22 = -952725.30KM•m
代入公式得
σ
Yu =
()
2
3
3
33
.
83
10
30
.
952725
6
33
.
83
10
61
.
89813-
-⨯
-
⨯
+
⨯
= 0.255Mpa
σ
Yｄ=
()
2
3
3
33
.
83
10
30
.
952725
6
33
.
83
10
61
.
89813-
-⨯
-
⨯
+
⨯
= 1.901Mpa
与规范比较，以上计算的应力满足要求。

第四章溢流坝段设计
4.1 溢流坝剖面形状
4.1.1 泄水方式的选择
重力坝的泄水方式主要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，采用开敞式溢流水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。

4.1.2 孔口净宽的拟定
孔口净宽按以下公式计算：
Q
溢
B
q
其中
Q
—下泄流量；
溢
Q—单宽流量
由水库规划资料可知设计洪水位达305.1m，相应下泄流量为5350 m3/s ；校核洪水位307.3m，相应下泄流量为6700m3/s。

q＝100～150m/s。

分别计算设计水位和校核水位情况下溢洪道所需的孔口宽度如下表
表4.1 孔口净宽计算表
根据以上计算，取孔口净宽B=42m ，设计洪水位时单宽流量为119m/s,取：每孔净宽b=7m ，孔数n=6。

根据闸门的形式取闸墩厚度d ＝3.5m ，边墩取 2.5m ，由上述计算每孔净宽b ＝7m 。

则溢流前缘总长L 0为：
L 0＝nb+(n-1)d+2t
=6×7+(6-1)×3.5+2×2.5
=64.5m 。

4.2 初步拟定堰顶高程
由公式可确定堰上水头0H ，公式为
2
/30
2H g mB Q ε=溢 其中ε—闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，取ε=0.92； m —流量系数，按WES 溢流面曲线查武汉大学出版社出版《水力学》得m=0.502；
g —重力加速度，g=9.8m/s 。

当设计洪水位时，溢Q =5350 m 3/s,B=42m,即0H =15.00 验算：当校核洪水位时，泄流量溢Q 为6700 m 3/s ，0H =15m,代入公式求得孔口净宽B 为56.38m,对应的校核水位单宽流量q 为118.84 m/s ，不大于设计水位的单宽流量119m/s ，满足条件，说明设计合理。

所以取溢流坝段堰上水头0H =15m,堰顶高程为: 308-15=293m 。

4.3 堰顶的形式
溢流坝顶面曲线可以采用克—奥Ⅰ型曲线和WES 曲线两种型式。

采用克—奥Ⅰ型曲线时，溢流坝剖面往往超过稳定和强度要
求，其曲线的表达采用坐标形式，坐标内插烦琐且施工放样不便。

采用WES 幂曲线，具有较大的流量系数，溢流坝剖面较小，便于施工放样。

WES 堰顶曲线的表达式为：
y KH x n d n 1
-=
Hd —剖—面定型设计水头，按堰顶最大作用水头Hmax 的75%～95%选取。

K ，n —与上游面坡度有关的参数，当上游坝面倾斜时，K=1.936，n=1.836。

则上游坝面的设计水头Hd=0.75～0.95Hmax,其中Hmax=307.3-293=14.3米，所以H d 的取值范围为10.73～13.59米，可取H d =12米，堰的曲线部分的轮廓是根据H d 的大小决定的。

经计算，R 1=6米，C 1=2.1米，a 1=0.3792米； R 2=2.4米，C 2=3.312米，a 2=1.3836米； R 3=0.48米，C 3=3.378米，a 3=1.512米；
取堰顶最高点处为坐标原点，R 1、R 2、R 3对应的圆心坐标分别为O 1(0,-6),
O 2(-1.26,-2.627),O 3(-2.9016,-1.6319)。

堰顶下游曲线方程为ｘ1.836=1.936H d 0.836ｙ。

堰下游斜面坡度与非溢流坝段坡度相同，将上式左右两边对x 求导可得
1.836x 0.836=1.936H d 0.836，即0.7476×1.836ｘ0.836=1.936H d 0.836。

求得斜面与堰顶下游曲线的切点坐标为（18.107，13.192）。

下游曲线的坐标如下表：
表4.2 堰面曲线坐标表
x 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 18.11
y
0.2 0.82 1.74 2.94 4.44 6.20 8.23 10.51 13.04 13.20
图4.1 堰面曲线
4.4 消能设计
4.4.1 消能方式
通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。

消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。

设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。

消能形式及原理：重力坝的下泄水流具有很大的能量，如不能妥善的消除水流的能量，将冲刷建筑物及河床基岩，危及建筑物的安全。

常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等，他们的比较列于下表。

表4.3 消能形式及其比较
4.4.2 反弧半径及挑射角
根据地形地质条件，工程规模要求，选用挑流消能。

根据已建工程经验，挑射θ=25°。

根据下泄水流应该在高于下游最高水位大约1～2m 处将水流挑出，鼻坎高程可选用校核洪水位作为最高下游水位，则鼻坎高程为：214.5+1.5=216m
可按下式求得反弧段的半径
v =
1Q Bv
h =
ϕ—堰面流速系数，取0.96
H —库水位至坎顶高差，H=305.1-216=89.1m 故算出
V=0.96×41.78=40.12m 3/s
Q —校核洪水时溢流坝下泄流量，(6700m 3/s)
B —鼻坎处水面宽度，此处B=单孔净宽+2×边墩厚度 B=78-2×2.5=73m
29.273
12.4067001=⨯==
BV Q h m R=（4～10）h R=9.16～22.9（m ） 根据经验，取R=21（m ）
此时反弧最低点高程：
h=216+16×0.91-16
=214.56m
4.4.3 消能验算
连续式挑流鼻坎的水舌挑距L 按水舌外缘计算，如图4.1，其估算公式为：
[]
)(2sin cos cos sin 121221121h h g v v v g L +++=θθθθ 式中：L —水舌挑距，m
1v —坎顶水面流速，，按鼻坎处平均流速v 的1.1倍计
1h —坎顶垂直方向水深，m,θcos 1h h =
2h —坎顶至河床面高差，m
θcos 1h h ==2.29×cos25º=2.075m
2h =216-190=26m
m
L 93.166])26075.2(81.9225sin 12.4025cos 12.4025cos 25sin 12.40[81.91222=+⨯⨯+︒⨯⨯︒⨯+︒⨯︒⨯=
最大冲坑水垫厚度估算公式：
25.05.0H q t k α=
225.05.0H H q t k
-='α 式中：k t —水垫厚度，自水面算至坑底
k
t '—冲坑深度 q —单宽流量
H —上下游水位差
2H —下游水深
α—冲坑系数，坚硬完整的基岩α=0.9～1.2，坚硬但完整性较差的基岩α=1.2～1.5，软弱破碎、裂隙发育的基岩α=1.5～2.0
取α=0.9
m t k 47.30)5.2143.307(1199.025.05.0=-⨯=
k
t 'm 97.5)1905.214()5.2143.307(1199.025.05.0=---⨯= 为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度。

一般当k
t L '/>2.5～5.0时，认为是安全的。

不能满足时，可通过模型试验，结合工程实际进行论证。

设计中25.1697.5/04.97/'==k t L 符合要求，所以安全。

4.5 闸门、闸墩及导墙设计
4.5.1 闸门形式的型式选择及高度
比较常见的闸门形式是平板和弧形门。

平板直升闸门能满足各种类型的泄水孔道的要求，所以他是应用最为广泛的一种闸门形式：弧形门也是一种应用十分广泛的门型，它一般可用于泄洪道和无压泄水孔的泄水形势。

二者具有特性如下表所示：
表4.4 闸门形式及其优缺点
根据工程基本情况，采用平板闸门
门高=正常高水位-堰顶高程+超高（0.1~0.2）
门高=305.1-293+0.1=12.2m 取13m
4.5.2 闸墩形状及厚度
闸墩的墩头形状为上游采用半圆形，下游采用流线型。

其上游布置工作桥，顶部高程取非溢流坝坝顶高程即309.41m。

中墩厚度为3.5m，边墩厚度为2.5m，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0.5m。

如图所示。

图4.3 中墩及闸门槽尺寸
图4.4 边墩及闸门槽尺寸
4.6 导水墙的尺寸拟定
边墩向下游延伸成导水墙，其长度延伸到挑流鼻坎的末端。

平直段掺气后水深估算公式为：
(1/100)b h h v ξ=+
式中：
h 、h b —掺气前、后的水深，m
v —掺气前计算断面的平均流速，m/s
ξ—修正系数，一般为 1.0～1.4m/s ，v ＞20m/s 时，取较大值
代入数据得h b =2.5×(1+1.4×40.12/100)=3.9m ，则导水墙高
度为 3.9+0.6=4.5m ，导水墙需分缝，间距为21m ，其横断面为梯形，顶宽取0.7m 。

第五章 坝体细部构造及地基处理设计
5.1 坝顶构造
坝顶上游侧设置防浪墙，采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，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15cm ，以满足运用安全的要求。

，下游侧设置栏
杆、灯柱间距为 1.5m，保护行人和行车安全。

坝顶路面横向坡度2%，设置有排水设施，排除路面雨水。

路面排水与坝体内排水连通或直接排入坝体内。

；路面设有人行道，高出坝顶路面20～30cm。

5.2 廊道、分缝、止排水设计
5.2.1 基础廊道
廊道底部距坝基面4m，廊道底部高程为203m，上游侧(中心点)距上游坝面7m；形状为城门洞形，底宽4m，高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
5.2.2 坝体廊道
自基础廊道沿坝高每隔20m设置一层廊道，共设4层。

底部高程分别为223m、243m、263m、283m形状为城门洞形，其上游侧(中心点)距上游坝面5m，底宽2m，高2.5m，两岸各有一个出口。

5.2.3 坝体排水
距离坝的上游面5m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。

5.2.4 坝体分缝止水
为了防止坝体因温度变化和地基不均匀沉降而产生裂缝，满足施工（混凝土的浇筑能力和施工期的温控）的需要，坝体需要分缝。

常见的缝有：横缝、纵缝、水平施工缝。

横缝。

垂直于坝轴线，将坝体分成若干个坝段。

间距（一般。