挡水坝设计讲解

第二节挡水坝剖面设计
一、挡水坝剖面初步拟定
本次设计挡水坝剖面主要对挡水坝的最大剖面进行拟定，并进行稳定和强度校核，应用计算机确定挡水坝的最优断面，以下为手算部分。

（一）坝基高程设计
确定最大剖面的位置，首先要知道清基后坝基的最低点位置，地基的处理根据《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）。

1、坝基设计原则
一般规定，砼重力坝的基础经处理应满足下列要求：
（1）具有足够的强度，以承受坝体的压力；
（2）具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷；
（3）具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量；
（4）具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。

2、坝基开挖
（1）砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩土类别、基础变形和稳定性，上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定，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。

（2）重力坝的基坑形状应根据地形地质条件及上部结构的要求确定，坝段的基面上下游高差不宜过大，并略向上游倾斜，若基础面高差过大或向下游倾斜时，应开挖成带钝角的大台阶状，台阶的高差与砼浇筑块的尺寸和分缝的位置相协调，并和坝址处的坝体砼厚度相适应。

对地形悬殊部位的坝体应调整坝段的分缝。

（3）基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。

3、坝基高程拟定
由水库坝轴线工程地质剖面图量得，河床高程在137m左右，标准洪水位为227.2m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地址剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。

由图上量的电站坝段最低建基面高程为▽126m。

（二）坝高拟定
1、超高值Δh的计算
（1）基本公式
坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式（2.1.1）计算，应选择两者中防浪墙较高者作为选定高程。

Δh = 2h l + hz + hc （2.1.1）
Δh—防浪墙顶与正常蓄水位或校核洪水位的高差m；
h% —波浪高度m；
h z —波浪中心线至正常蓄水位或校和洪水位的高差m；
h c—安全超高按表3－1采用,对于一级工程设计情况hc＝0.7m，特殊组合(校核情况)hc＝0.5m。

必须注意，在计算h（1%）和h z时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。

正常蓄水位时，采用重现期为50年的年最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。

坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算：
坝顶高程=正常蓄水位+Δh正
坝顶高程=校核洪水位+Δh校
式中，Δh正、Δh校分别为计算的坝顶（或防浪墙顶）据正常蓄水位和校核洪水位的高度。

由于正常蓄水位和校核洪水在计算坝顶超出静水位Δh 时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以在决定坝顶高程时，应按正常蓄水情况（持久状况）和校核洪水情况（偶然状况）分别求出坝顶高程，但坝顶高程应高于校核水位。

首先计算波浪高度2h l和波浪长度2L I和波浪中心线超出静水面的高度hz。

（2）正常蓄水位时Δh计算
风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，即：
风速V=2.0×21.5＝43m/s，吹程D=3km。

各波浪要素计算如下：
波高2h l=0.0166 V5/4 D1/3=0.0166×435/4×31/3=2.64m （官厅公式）
波长2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×2.640.8=22.6m （官厅公式）
h o=4πh l2/2L l=0.97m （官厅公式）
规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41；
V——计算风速，设计情况采用50年一遇,风速取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核情况采用多年平均最高风速；
D——吹程，可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离；
hz = h o= 0.97m
h c = 0.7m
Δh = 2h l + hz + hc=2.64+0.6+0.7m=4.31m
（2）校核洪水位时Δh计算
风速采用多年平均风速，即：
V=21.5m/s,D=3km。

各波浪要素计算如下：
2h l=0.0166 V5/4 D1/3 =0.0166×21.55/4×31/3=1.11m （官厅公式）
2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×1.110.8=11.31m （官厅公式）
h o=4πh l2/2L l=0.34m （官厅公式）所以；
hz = h o= 0.34m
h c = 0.5m
Δh = 2h l + hz + hc=1.11+0.34+0.5m=1.95m
2、坝顶高程计算
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）正常蓄水位时的坝顶高程：
▽坝顶=正常蓄水位+Δh
=224.7+4.31= 229.01m
（2）校核洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=227.2+1.95=229.15 m
为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝229.15m，当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙（取1.2m）时，可降低坝顶的高程，所以取坝顶高程为▽228m。

建基面最低开挖高程为▽126m，则最大坝高为102m，属于高坝。

（三）剖面尺寸拟定
根据规范DL5108-1999，常态混凝土实体重力坝非溢流坝段的上游面可为铅直面，斜面或折面。

上游坝坡宜采用n＝0—0.2，取n＝0.2；当设置纵缝时，应考虑其对纵缝灌浆前施工期坝体应力的影响，坝坡不宜太缓，采用折面时，折坡点高程应结合坝内发电进水管，泄水孔建筑物的进水口一并考虑，下游坝坡可采用一个或几个坡段，并根据稳定和应力要求，结合上游坝坡同时选择，下游坝坡宜采用m＝0.6—0.8，取m＝0.7；对横缝设有键槽进行灌浆的整体重力坝，坝坡可适当变陡。

根据《水工建筑物》（孙明权主编，第72页），有时为了同时满足稳定和强度坝体抗滑稳定要求，同时也避免施工期下游面产生拉应力，折坡起
点高度应结合引水管、泄水孔的进口布置等通过优化设计确定，一般的为坝前最大水头的1/2—1/3。

上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，五十年坝前淤沙高程为177.5m，由于死水位为180m，折点取在高程为181m的位置。

上游坝坡取1：0.2，下游坝坡取1：0.7。

（四）坝顶宽度拟定
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。

在严寒地区，当冰压力很大时，还要核算段面的强度。

非溢流坝段的坝顶宽度可根据要求确定，必要时可在坝的上、下游面加做悬臂结构，增加坝顶宽度，常态混凝土坝顶最小宽度为3m，为了满足施工要求，大中型工程不低于10～15m（旧规范取1%坝高），本工程取坝顶宽度为12m。

扣除上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽，坝顶路面宽度为10m。

因为两岸没有交通要求，10m宽路面能满足大坝维修作业通行需要。

（五）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。

基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，宽度可取2.5m～3.0m，高度可取3.0m～3.5m，为了保证完成其功能且可以自由通行的尺寸，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。

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4～5m，本次设计取6.5m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基底为4～5m，取5m。

挡水坝段剖面拟定见下图：
1：0.7
1：0.2
图3—2 挡水坝剖面拟定
第三节溢流坝剖面拟定
一、剖面拟定
溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。

1、坝顶曲线段
设计采用WES曲线。

原点上游用椭圆曲线，其方程式为：
X2/(aHs)2+(bHs-y)2/( bHs)2=1
式中：aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴
Hs—定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75～95％计算
a—取0.28～0.30，在此取a＝0.29
a/b—取0.87+3a，则b=0.17
图3-3 WES 实用堰面曲线图示
Hzmax ＝234.5-228＝6.5m
Hs=0.9×Hzmax=0.9×6.5=5.95m
且0.2 Hs ＝0.2×5.95＝1.19m<3～6m ，满足《规范》要求。

故：椭圆曲线的长轴 aHs ＝0.29×5.95=1.73m
短轴 bHs=0.17×5.95=1m
上游椭圆曲线方程式为：
2222 2、堰顶下游段堰面曲线
由混凝土重力坝设计规范DL5108-1999，堰顶下游段堰面曲线可采用下列幂曲线：
y Kh x n s n 1-=
式中：h s — 为定型设计水头，米，按堰顶最大作用水头hsmax 的
0.75-0.95倍计算，设计中取倍。

K 、n —与上游堰面的倾斜坡度有关的参数，本设计中分别取
2.0和1.85。

x 、y —以溢流堰顶顶点为坐标原点的坐标，x 以向下游为正，
y 以向下为正。

即：y=x1.85×0.11
对该方程求导，即可得切点B的坐标
dx/dy=0.11×1.85x0.85=1/0.7
3、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0.6～0.8。

中间直线段的坡度通过挡水坝的剖面优化程序选取的，最后取值0.8。

4、反弧段
（1）反弧半径
溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施。

通常采用圆弧曲线，反弧半径R按《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）规定：
R=（4—10）h
式中：h —为校核洪水时，闸门全开反弧处的水深，反弧流速越大，要求反弧半径越大。

但是，如果反弧过大，又将使鼻坎向下游延伸很多，增加了工程量和延误工程工期。

其值为R＝25.0m。

（2）挑坎高程
工程中一般采用下游最高尾水位以上1～2m，由于下游最高尾水位为156.8m，所以挑坎高程定为159.0。

（3）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；另外，随着挑角增大，开始形成挑流得能量，即所谓起挑能量也增大。

θ一般在150～300之间，在此取250。

（4）反弧段坐标确定
圆心O’y o’＝158+24×cos25o=179.8m
反弧最低点E y E=179.8-24=155.8M
相对于xoy坐标下y o’＝30.2m y E=54.2m
x E = x B+(y E–y B) ×0.8+R×tg(51.340/2)
=22.05+(54.2-14.89)×0.8+24×tg(51.340/2)
=65m
切点c x C =R2
＝25×1.28＝32m。

1m
根据以上的公式和数据，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。

h
图3－4 溢流坝实用堰剖面图
二、消能防冲设计
由于工程所在地地基岩性很好，抗冲能力强，且水头很高，参考已建工程由DL5108-1999第7.1.6条：消能型式应根据地形地区条件、枢纽布置、运行条件、下游水深及消能防冲要求等综合考虑，并通过经济技术比较选定。

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》（DL5108-1999）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。

1、确定消能形式
（1）挑流消能:挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。

（2）底流式消能:底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.底流消能具有流态稳定，消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点.但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道,高坝采用底流消能需经论证。

（3）面流式消能:面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。

面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。

面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流
不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。

（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。

戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。

消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。

消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。

缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。

（5）最终确定消能型式
分析比较以上消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况。

决定选用挑流消能。

挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎将下泄水流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。

由DL5108-1999第7.1.2条：挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证选用，当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构，可能形成临应面时，不宜采用。

设计工程地基地质条件较好，故选用挑能消能。

2、挑流消能设计
挑流消能设计内容包括：选择合适的鼻坎形式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度，计算各种泄量时的挑射距离和最大冲坑深度。

从大坝安全考虑，希望挑射距离远一些，冲刷坑浅一些。

（1）鼻坎形式及鼻坎高程的确定
挑流鼻坎形式很多，主要有扩散坎、连续坎、差动坎，斜挑坎等。

其中斜挑坎结构简单，易于避免发生空蚀破坏；急流在挑流鼻坎前可获得均
化，水流雾化也轻，适用于尾水位较深，基岩较均一，坚硬及溢流前沿较长的泄水建筑物。

由于设计工程地基岩性较好，抗冲刷能力强且水头很高，参照已建项目宜采用最常用的挑流消能形式，因而必须设置挑流鼻坎。

鼻坎高程根据规范取为下游尾水位再加上1-2m超高，这里取超高为1.5m，最后把鼻坎高程定为159m。

（2）反弧段半径的计算
反弧半径的计算式：R=（4-10）H，R取25m。

（3）挑角的计算
鼻坎挑射角越大（小于45度），挑射距离越远，但由于此时水舌落入下游的入射角较大，冲刷坑也越深。

根据实验，鼻坎挑角度取θ=250。

三、挑流冲刷坑验算
1、水舌挑射距离L，
L，=L+ΔL
L=1/ g[v12sinθcosθ+v1cosθ+√v12sin2θ+2g(h1+h2)]
ΔL=Ttanβ
式中：L，——冲坑最深点到坝下游垂直面的水平距离；
L ——坝下游垂直面到挑流水舌外缘进入下游水面后与河床面交点的水平距离；
ΔL——水舌外缘与河床面交点到冲坑最深点的水平距离；
v1——坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1倍计算；
θ——鼻坎的挑角；
h2 ——坎顶至河床面高差；
h1 ——坎顶垂直方面水深；
φ——堰面流速系数，可取0.9-1.0；
β——水舌外缘与下游水面的夹角；
把数据带入式中，得到：
L=1/9.8[392sin25cos25+39cos25(392sin225+2×9.8×15)1/2]
=150m
ΔL=10×tan50=12m
L，=L+ΔL=150+12=162m
2、最大冲坑水垫厚度
tk = k q0.5 H0.25
式中：tk——水垫厚度，自水面至坑底；
H ——上下游水位差；
q ——单宽流量；
k ——冲刷系数；取1.1；
把数据带入式中得到：
tk =1.1×33.40.5×70.40.25 = 58 m
3、冲刷坑验算
L，/ tk =162/58=2.79
由计算知：L，/ tk =2.79，在允许的范围内，所以设计是合理的。

四、闸门的设置
闸门分为工作闸门、事故闸门和检修闸门。

工作闸门用来调节下泄流量，需在动水中启闭，要求有较大的启闭力；检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门、建筑物及机械设备进行检修，在静水中启闭，启闭力较小；事故闸门则是在出现事故紧急使用，能在动水中关闭。

1、工作闸门
常用的工作闸门有平板闸门和弧形闸门。

平板闸门的主要优点是：结构简单，闸墩受力条件好，各孔口可共用
一个活动式起闭机；缺点是：启闭力较大，闸墩较厚。

弧形闸门的主要优点是：启闭力较小，闸墩较薄，无门槽，水流平顺；缺点是：闸墩较长，受力条件较差。

设计工程有洪水期有峰高量大、涨落迅速的特点，相比较，平板闸门的缺点：启闭力大和闸墩较厚都显得更为突出；而弧形闸门的优点，启闭力小，闸墩薄、无门槽和水流平顺都显得更占优势。

选择弧形闸门还可以在有限的坝轴线段上多布置闸孔，更有利于泄洪。

比较后决定，溢流坝闸孔工作闸门采用弧形闸门。

2、检修和事故闸门
通常的检修闸门可采用平板闸门、浮箱闸门及较简单的叠梁门。

针对设计工程实际情况分析，由于坝面部够宽，布置了弧形工作闸门后，不能再布置有门槽的平板检修门，而且平板检修门还的有启闭设备，布置检修交通桥不方便。