水工建筑物課程設計肖新熙

1、水工建筑物課程設計 姓 名： 肖新熙 學 號： 2014010183 專業(yè)班級： 水利水電建筑工程（3）班 指導教師： 石莎 2016年 6 月 15 日目錄設計計算說明書1.基本資料.1.1自然條件及工程.1.2壩址與地形情況.1.3工程樞紐任務與效益.2.樞紐布置.2.1樞紐組成建筑物及其等級.2.2壩線，壩型選擇.2.3樞紐布置.3.非溢流壩剖面設計.3.1設計原則.3.2剖面擬定要素.3.3荷載計算及其組合.3.4抗滑穩(wěn)定分析與計算.3.5應力計算.4.溢流壩段設計.4.1泄水方式的選擇、布置原則.4.2工程布置.4.3溢流壩剖面設計.4.4消能防沖設計.5.細部構造設計.5.1壩頂構

2、造.5.2分縫止水.5.3混凝土標號分區(qū).5.4壩體排水.5.5廊道系統(tǒng).6. 地基處理設計.6.1清基開挖.6.2壩基加固.6.3防滲排水.6.4軟弱帶處理. 設計計算說明書2.樞紐布置2.1樞紐組成建筑物及其等級2.1.1根據(jù)樞紐的任務確定樞紐組成建筑物由課程設計任務書和水庫的主要任務，樞紐主要建筑物擋水建筑物，泄水建筑物，為便于施工，還需要導流建筑物，施工圍堰等臨時建筑物。2.1.2確定建筑物等級表2-1 水利水電樞紐工程的分等指標工程等別工程規(guī)模分等指標水庫總庫容（億m³）防洪灌溉面積（萬畝）水電站裝機容量（萬千瓦）保護城鎮(zhèn)及工礦區(qū)保護農田面積（萬畝）一大（1）型>10

3、特別重要城市,工礦區(qū)>500>150>120二大（2）型101重要城市,工礦區(qū)501001505012030三中型10.1中等城市,工礦區(qū)10030505305四?。?）型0.10.01一般城鎮(zhèn),工礦區(qū)30550.551五?。?）型0.010.001<5<0.5<1因為任務書并未給出灌溉面積、保護農田面積以及水電站裝容量，但已知大壩集水面積144.5km²，河底高程約556-557m，河中開挖深度5m，故計算此壩庫容為：V=144.5×643.86-（556-5）×10³/1080.1342億m³確定工程規(guī)模

4、為中型，工程等別為等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物為4級. 根據(jù)水利水電工程等級劃分及洪水標準（SL252-2000），確定工程規(guī)模、工程等別、防洪標準及設計標準。灌溉農田在50萬畝以上，屬于等中型工程。發(fā)電在20萬千瓦。根據(jù)規(guī)范，按各指標中最高等級確定工程等別：綜合取水庫工程等級為等中型工程。根據(jù)水利水電工程等級劃分及洪水標準（SL252-2000）中“水庫大壩提級指標”表中的規(guī)定，混凝土和漿砌石重力壩大壩高度超過了100m，按提高一級的規(guī)定，大壩的建筑物級別提高為1 級。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物為2級，次要建筑物和臨時建筑物為2 級，而洪水標準不提高。本設計中大壩高度未超過1

5、00m，故建筑物級別不提高。2.2壩線，壩型選擇壩型，壩址選擇是水力樞紐設計的重要內容，二者互相聯(lián)系，不同的壩址可以選用不同的壩型。同一個壩址也應考慮幾種不同的樞紐布置方案并進行比較。在選擇壩型，壩址時，應研究樞紐附近的地形地質條件，水流條件和建筑材料，施工條件，樞紐布置等。2.2.1壩址、壩型比較與選擇根據(jù)壩區(qū)水文氣象以及地質條件，本水庫樞紐可行性研究階段，在選擇壩型，壩址時選擇如圖所示：2.3樞紐布置2.3.1布置原則：通過對水文站歷史洪水換算,壩址歷史洪水兩次,1933年洪峰流量1380m³/s和1934年洪峰流量1180m³/s.壩區(qū)水文氣象和工程地質條件具備了修建

6、5060米壩高及成庫條件,特別是壩址處河谷呈“V”型,兩岸山體較雄厚,地形基本對稱,較完整,兩岸地形坡度為30°40°.流域內峰巒疊嶂,山體雄偉,四周分水嶺為700m1856m的高山.地勢西南高,東北低,河道兩岸基巖裸露,河床堆積塊石,孤石和卵石,坡降大,水流急,屬山區(qū)性河流.河床寬2030m,壩址基巖巖性為燕山早期第三次侵入黑云母花崗巖,河岸邊及沖溝底部見有弱風化基巖出露.河床沖積層厚度一般為2.02.5m,左岸覆蓋層厚度為3-8m,右岸覆蓋層厚度為0.55.0m,覆蓋層主要為坡殘積含碎石粘土層.3.非溢流壩剖面設計3.1.1 剖面設計原則1、設計斷面要滿足穩(wěn)定和強度要求

7、；2、力求剖面較??；3、外形輪廓簡單；4、工程量小，運用方便，便于施工。3.1.2 擬定基本剖面重力壩的基本剖面是指在自重、靜水壓力（水位與壩頂齊平）和揚壓力三項主要荷載作用下，滿足穩(wěn)定和強度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如圖31，在已知壩高H、水壓力P、抗剪強度參數(shù)f、c 和揚壓力U 的條件下，根據(jù)抗滑穩(wěn)定和強度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根據(jù)工程經驗，一般情況下，上游壩坡坡率n=00.2，常做成鉛直或上鉛直下部傾向上游；下游壩坡坡率m=0.60.8；底寬約為壩高的0.70.9 倍。 圖3-1 重力壩的基本剖面圖示3.1.3 擬定實用剖面一確定壩頂高程1、超高值h 的計算（

8、1）基本公式壩頂高程應高于校核洪水位，壩頂上游防浪墻頂高程應高于波浪頂高程，防浪墻頂至設計洪水位或校核洪水位的高差h，可由式（3-1）計算。h = h + hz + hc （3-1）h壩頂與設計洪水位或校核洪水位的高差，m；h 波浪高度，m；hz 波浪中心線至設計洪水位或校核洪水位的高差，m；hc 安全加高，按表31 采用,對于級工程，設計情況hc0.4m，校核情況hc0.3m。表31 壩的安全加高hc運用情況壩的級別1   2 3設計情況（ 基本情況）0. 70. 50. 4校核情況（ 特殊情況）0. 50. 40. 3 下面按官廳公式計算h， hz。

9、（適用于V0小于m/s，小于km的峽谷水庫)V0 為計算風速，m³/s，庫水面以上10m高處的風速.在正常運用條件下的 ,級壩,采用多年平均最大風速的1.5-2.0倍；、級壩，采用多年平均最大風速。在本設計中大壩屬于級中壩故采用多年平均最大風速14.5m³/s.D 為吹程，km，按回水長度計算：正常蓄水位和校核蓄水位均取14km。首先計算波浪高度hl 和波浪長度L 和波浪中心線超出靜水面的高度hz。 （1）設計洪水位時h 計算風速采用多年平均最大風速14.5m³/s，吹程D=14km。波浪三要素計算如下：波高h=0.0166 V05/4 D1/3=0.0166&#

10、215;14.55/4×141/3=1.132m波長L=10.4(h1)0.8 =10.4×1.1320.8=11.48m壅高hz=hl2/L=3.14×1.1322/11.48=0.35m hz = 0.35m ； hc = 0.4mh = h + hz + hc=1.132+0.35+0.4=1.1882m （2）校核洪水位時h 計算風速采用多年平均風速14.5m/s，D=14km。波浪三要素計算如下：波高hl=0.0166 V05/4 D1/3=0.0166×14.55/4×141/3=1.132m波長L=10.4(h1)0.8 =10.

11、4×1.1320.8=11.48m壅高hz=hl2/L=3.14×1.1322/11.48m=0.35m； hz = 0.35m ； hc = 0.3mh = h1 + hz + hc=1.132+0.35+0.3=1.0882m2、壩頂高程計算壩頂高程按式（3-5）計算，并選用其中較大值壩頂高程=設計洪水位+h 設壩頂高程=校核洪水位+h 校 （3-5）根據(jù)以上兩種水位時h 計算結果，得出兩種狀況下壩頂高程。 （1） 設計洪水位時的壩頂高程：壩頂=設計洪水位+h=642.88+1.1882=644.0682m （2）校核洪水位時的壩頂高程：壩頂=校核洪水位+h=643.8

12、6+1.0882=644.9482m為保證大壩的安全運行，應該選用其中的較大值壩頂644.9482m，且壩頂高程要高于校核洪水位，所以取壩頂高程為644.9482m。3.2剖面擬定要素3.2.1確定壩基高程河床高程556m，校核洪水位為643.86m，壩址地質構造主要表現(xiàn)為斷層、節(jié)理裂隙。壩址發(fā)育11條斷層。建議開挖深度：河中5m，左岸6-12m，右岸6-15m。故壩基的最低開挖高程為=551m。壩高H=壩頂高程-壩底高程=644.9482-551=93.9482（m）。壩高小于100m，屬于中壩。防浪墻高程=壩頂高程+1.2=644.9482+1.2=646.1482（m）。3.2.2擬定壩

13、頂寬度壩頂寬度應根據(jù)設備布置、運行、檢修、施工和交通等需要確定并應滿足抗震，特大洪水時維護等要求。因無特殊要求，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，壩頂寬度可采用壩高的8%10%取值，且不小于2m 并應滿足交通和運行管理的需要。按壩高的10%計算，即為9.39482米。壩頂寬度B=（8%-10%）H=10%×93.9482=9.39482m。3.2.3擬定剖面尺寸根據(jù)規(guī)范SL319-2005規(guī)定，非溢流壩段的基本斷面呈三角形，其頂點宜在壩頂附近。基本斷面上部設壩頂結構。壩體的上游面可為鉛直面、斜面或折面。實體重力壩上游壩坡宜采用1010.2，壩坡采用折面時，折坡點高程應結合電站進水口、泄水孔等布置，以及

14、下游壩坡優(yōu)選確定。下游壩坡可采用一個或幾個坡度，應根據(jù)穩(wěn)定和應力要求并結合上游壩坡同時選定。下游壩坡宜采用10.610.8；對橫縫設有鍵槽進行灌漿的整體式重力壩，可考慮相鄰壩段聯(lián)合受力的作用選擇壩坡。擬定壩體形狀為基本三角形。壩的下游面為均一斜面，斜面的延長線與上游壩面相交于最高庫水位處，為了便于布置進口控制設備，又可利用一部分水重幫助壩體維持穩(wěn)定，本次設計采用上游壩面鉛直的形式。該形式為實際工程中經常采用的一種形式，具有比較豐富的工程經驗。通過最優(yōu)方案的比較，上游壩坡取1：0，下游壩坡取1：0.7。3.2.4壩底寬度擬定壩底寬度約為壩高的0.70.9 倍，本工程的壩高為93.9482m，通過

15、已經確定的上下游壩坡坡率，最終確定壩底寬度T=（0.7-0.9）H=0.85×93.9482=79.85597（m）。3.2.5基礎灌漿廊道尺寸擬定高、中壩內必須設置基礎灌漿廊道，兼作灌漿、排水和檢查之用?；A灌漿廊道的斷面尺寸，應根據(jù)澆灌機具尺寸即工作要求確定，一般寬為2.53m，高為34m，為了保證完成其功能且可以自由通行，本次設計基礎灌漿廊道斷面取3.0×3.5m，形狀采用城門洞型。廊道的上游壁離上游側面的距離應滿足防滲要求，在壩踵附近距上游壩面0.050.1 倍作用水頭、且不小于45m 處設置，本次設計取8m，為滿足壓力灌漿，基礎灌漿廊道距基巖面不宜小于1.5 倍廊

16、道寬度，取5m。 圖3-2 非溢流壩段剖面尺寸圖3.3 荷載計算及其組合重力壩的主要荷載主要有：自重、靜水壓力、浪壓力、泥沙壓力、揚壓力、地震荷載等，常取1壩長進行計算。荷載組合可分為基本組合與特殊組合兩類。基本組合屬于設計情況或正常情況，由同時出現(xiàn)的基本荷載組成。特殊組合屬校核情況或非常情況，由同時出現(xiàn)的基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。設計時應從這兩類組合中選擇幾種最不利的、起控制作用的組合情況進行計算，使之滿足規(guī)范中規(guī)定的要求。本次設計考慮的基本荷載組合為正常蓄水位和設計洪水位；特殊組合為校核洪水位和地震情況，它們分別考慮的荷載如表3-3-1 所示。 表3-3-1 荷載組合荷載組合主要考

17、慮情況荷載自重靜水壓力揚壓力泥沙壓力浪壓力地震荷載動水壓力土壓力基本組合（1）正常蓄水位情況（2）設計洪水位情況特殊組合（1）校核洪水位情況（2）地震情況注：1.應根據(jù)各種作用同時發(fā)生的實際可能性，選擇計算中的最不利的組合；2.分期施工的壩應按相應的荷載組合分期進行計算。3.施工期的情況應作必要核算，作為特殊組合。4.根據(jù)地質和其他條件，如考慮運用時排水設備，易于堵塞，須經常維修時，應考慮排水失效的情況，作為特殊組合。5.地震情況的靜水壓力、揚壓力、浪壓力按正常蓄水位計算。6.表中的“+”表示應考慮的荷載。 圖3-3-1 重力壩荷載計算示意圖（1）自重W壩體自重的計算公式： W =Vc（kN）

18、 （3-6）式中 V壩體體積，3；由于取1壩長，可以用斷面面積代替 c 壩體混凝土的重度（本設計中混凝土的重度為24kN/m3）四種情況下自重相同。W11=c V1 V1=H×B×1 W11 =24×93.9482×9.39482=21183（KN)W12=c V2 V2=（T-B)×H（T-B)×1/2T W12=24×（79.85597-9.39482）×93.9482×（79.85597-9.39482）/2×79.85597=70090.9（KN）W1=W11+W12+=21183+70

19、090.9=91273.9（KN）（2）靜水壓力P靜水壓力是作用在上下游壩面的主要荷載，計算時常分解為水平水壓力PH和垂直水壓力PV 兩種。計算各種情況下的上下游水深：根據(jù)所給圖： 圖3-3-2某水庫壩址水位流量關系曲線表3-3-2 經調洪演算得到的水利水能資料上游水位（m）最大下泄流量（m³/s）正常642.000設計642.881059.4校核643.861137.94根據(jù)圖中設計洪水上游水位和校核洪水上游水位最大下泄流量可以定出設計洪水下游水位為565.11m，校核洪水下游水位為567.64m.根據(jù)水力學公式：可算出堰上水頭9.7m，則下游正常蓄水位=下游設計洪水位-堰上水頭=

20、565.11-9.7=555.41（m）。表3-3-3 不同情況下上下游水深特征水位上游水深H1 （m）下游水深H2（m）上下游水位差H(m)正常蓄水位91.004.4186.59設計洪水位91.8814.1177.77校核洪水位92.8616.6476.22計算各種情況下靜水壓力：水平水壓力PH 計算公式為： （3-8）式中： 計算點處的作用水頭，；w 水的重度，常取9.81 kN3；垂直水壓力PV 按水重計算。a.正常蓄水位：上游水平水壓力：PH1=Pu=1/2×9.81×（642.00-551）²×1=40618.305kN （） b.設計洪水位：

21、上游水平水壓力：PH1=Pu=1/2×9.81×（642.88-551）²×1=41407.69kN （）下游水平水壓力：PH2=Pd=1/2×9.81×14.11×14.11=976.54675kN （） 上游垂直水壓力： 0下游垂直水壓力：PV3=W3=1/2×9.81×14.11×14.11×0.7=683.583kNc.校核洪水位：上游水平水壓力：PH1=Pu=1/2×9.81×（643.86-551）²×1=42295.7kN （）下游

22、水平水壓力：PH2=Pd=1/2×9.81×16.64×16.64=1358.14kN （） 上游垂直水壓力：0下游垂直水壓力：PV3=W3=1/2×9.81×16.64×16.64×0.7=950.7kN(3) 揚壓力U揚壓力計算公式：U=1/2w×H×T×1.a.設計洪水位： U=1/2×9.81×77.77×79.85597=30462kN b.校核洪水位：U=1/2×9.81×76.22×79.85597=29854.88kN3

23、.4 抗滑穩(wěn)定分析與計算重力壩的抗滑穩(wěn)定分析按單一安全系數(shù)法進行計算。1.抗剪強度計算公式如下： （3-9）接觸面間的摩擦系數(shù)；接觸面以上的總鉛直力；作用在接觸面上面的揚壓力；為接觸面以上的總水平力。設計洪水位時：KS =1.095而查表知,顯然，滿足抗滑穩(wěn)定要求。校核洪水位時：KS =1.0969而查表知,顯然，滿足抗滑穩(wěn)定要求。 表3-4-1 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K2.抗剪斷強度計算公式如下： （3-10）式中：K 按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)，f=0.75；c 壩體混凝土與壩基接觸面的抗剪斷凝聚力，KPa，c=500KPa；A 壩基接觸面截面

24、積，m2。W 作用于壩體上全部荷載（包括揚壓力）對滑動平面的法向分值，kN；P 作用于壩體上全部荷載對滑動平面的切向分值，kN；由本課程設計任務書已知抗剪斷摩擦系數(shù)1.0-1.1，抗剪斷凝聚力0.9-1.1MPa.按抗剪斷強度公式（3-18）計算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K值應不小于表3-4-2的規(guī)定。表3-4-2 壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K荷載組合K基本組合3.0特殊組合（1）2.5（2）2.3（1） 基本組合a.設計洪水位：單一安全系數(shù)法：KS=3.4961<3.0不滿足規(guī)范要求。（2）特殊組合b.校核洪水位：單一安全系數(shù)法：KS=3.47421<2.5符合安全要求.3.5 應力分

25、析用材料力學法計算邊緣應力。在一般情況下，壩體的最大和最小應力都出現(xiàn)在壩面，應校核壩體邊緣應力是否滿足強度要求。當采用材料力學法分析壩體應力時，SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范規(guī)定的強度指標如下（本次設計只考慮運用期）。重力壩壩基面壩踵、壩趾的垂直應力應符合下列要求：1）在各種荷載組合下（地震荷載除外），壩踵垂直應力不應出現(xiàn)拉應力，壩趾垂直應力應小于壩基容許壓應力；2）在地震荷載作用下，壩踵、壩趾的垂直應力應符合水工建筑物抗震設計規(guī)范（SL203-97）的要求；重力壩壩體應力應符合下列要求：1）壩體上游面的垂直應力不出現(xiàn)拉應力（計揚壓力）。2）壩體最大主壓應力，應不大于混凝土的允許壓應

26、力值。3）在地震情況下，壩體上游面的應力控制標準應符合水工建筑物抗震設計規(guī)范（SL203-97）的要求。同樣采用單一安全系數(shù)法分析水平截面上的正應力。因為假定按直線分布，所以按偏心受壓公式計算上、下游的邊緣應力 和。其計算公式如下： （3-11）作用于計算截面以上的全部荷載的鉛直分力總和，KN；作用于計算截面以上的全部荷載對截面垂直水流流向形心軸的力矩總和，；計算截面的長度，m。4.溢流壩段設計4.1 泄水方式的選擇、布置原則(1) 由資料可得該重力壩的洪峰流量比較大，設計洪水最大下泄流量1059.4m³/s，校核洪水位最大下泄流量1137.94m³/s。(2) 壩址左岸陡

27、峭，右岸為順向坡，采用了右岸飲水式廠房，兩岸沒有布置溢洪道的條件，加上選擇了混泥土重力壩，所以采用河床壩身泄洪方式。(3) 下游河床地質條件較好，可以采用挑流消能。溢流重力壩既要擋水又要泄水，不僅要滿足穩(wěn)定和強度要求，還要滿足泄水要求。因此需要有足夠的孔口尺寸、較好體型的堰型，以滿足泄水的要求；且使水流平順，不產生空蝕破壞。重力壩的泄水主要方式有開敞式和孔口式溢流，開敞溢流式的堰除了有較好的調節(jié)性能外,還便于設計和施工,同時這種形式的堰在我國應用廣泛，有很多的工程實踐經驗。故本設計采用開敞溢流式孔口形式，堰頂設閘門。4.2 工程布置4.2.1溢流表孔(見附頁計算說明書）根據(jù)水力學公式 （4-2

28、）4.3溢流壩剖面擬定溢流曲線由頂部曲線段、中間直線段和底部反弧段三部分組成。設計要求：（1）有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；（2）水流平順，不產生不利的負壓和空蝕破壞；（3）體形簡單，造價低，便于施工。本設計采用的溢流壩的基本剖面為三角形。其上游面為鉛直面，其起坡點的高度和坡率與非溢流壩的保持一致，即取上游的坡率為n=0，溢流面由頂部的曲線、中間的直線、底部的反弧三部分組成。定型設計水頭的確定：堰頂最大水頭Hmax=校核洪水位-堰頂高程即：Hmax=643.86-633.18=10.68m定型設計水頭Hd 為Hd=（75%95%），取Hd=9.078m，由Hd/Hmax=9.078/10.68

29、=0.85?？紤]到在校核洪水位閘門全開時出現(xiàn)的負壓不得超過3-6m的水柱，由上計算得知Hd/Hmax=0.85，查水工建筑物P38表2-14得知：表4-3-1Hd/Hmax0.750.7750.800.8250.850.8750.900.951.00最大負壓值（m）0.5Hd0.45Hd0.4Hd0.35Hd0.3Hd0.25Hd0.20Hd0.10Hd0.0Hd 可知在校核洪水位閘門全開時產生的負壓為0.3Hd=0.3×9.078=2.7234m水柱高，在允許范圍內，滿足設計要求。（一）壩頂曲線段溢流壩頂部采用曲線形式，頂部曲線的形式很多，常用的有克奧曲線和WES 曲線。本工程選用

30、WES 曲線。首先繪出壩頂部的曲線，取堰頂部最高點為坐標原點。WES 型堰頂部曲線以堰頂為界分為上游段和下游段兩部分。該設計上游段曲線采用三圓弧型曲線。圖4-3-1 溢流壩段三圓弧段及直線段堰頂O 點上游三圓弧的半徑及其坐標值為：R1=0.5Hd=4.539； x1=-0.175Hd=-1.58865R2=0.2Hd=1.8156； x2=-0.276Hd=-2.505528R3=0.04Hd=0.36312； x3=-0.282Hd=-2.559996下游段的曲線方程為： x1.85 = 2.0Hd0.85 y按上式算得的坐標值如下表表 4-3-2 計算WES 下游曲面坐標值表xyxyxy1

31、0.0766862.10998116.47520.2764372.806127.60630.585383.5929138.8240.9965394.4671410.11651.5058105.42851511.49（二）中間直線段中間直線段與壩頂部下游曲線和下部反弧段相切，坡度和擋水壩一致，取0.7。直線與冪曲線相切時，切點C的坐標為（xc，yc）：對堰面曲線求一階導數(shù)dy/dx=0.076687×1.85x0.85=0.14x0.85.直線CD的坡度為dy/dx=1/0.7，故有0.14x0.85=1/0.7.X=15.367m由上可得直線段與冪曲線的切點C的坐標為（15.367,

32、12.02）.（3） 反弧段（1）反弧半徑：溢流壩面反弧段是使沿溢流面下泄水流平順轉向的工程措施。通常采用圓弧曲線，反弧半徑R 按經驗公式（4-1）計算：R=Fr3/2 h (4-1)Fr = v/式中：Fr 為反弧最低點處的弗勞德數(shù)。v=q/h (4-2) (4-3) 式4-3 為迭代公式，迭代初值取h=0。E0 為上游最高水位與反弧段最低點的距離，反弧最低點與下游水位齊平。E0=643.86-565.11=78.75m=0.92，q=65m3/s.初始令h=0， h0 =1.79743 h1 = = 1.8183 h2 = =1.818543h3=1.818545h4=1.818545 故

33、v=35.74286m/s Fr = = =8.46 R=Fr3/2 h=×8.463/2 1.818545=29.8324m 對于挑流消能，可按下式求得反弧段半徑： R=（4-10）h 式中：R-反弧段半徑；h-為校核洪水位閘門全開時反弧段最低點處的水深，m；反弧段流速V<16m/s時，可取下限，流速越大，反弧半徑也宜選用最大值，以致取上限。V=q/h=35.74286m/s>=16m/s，故取R=9h=9×1.818545=16.366905m。綜合考慮，故取R=16.5m. （2）挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角也增大，水下射程減小。同時入水角增

34、大后，沖刷坑深度增加。一般在20 o25 o 之間，在此取25o 。（3）挑坎高度：挑坎應高出鼻坎附近下游最高水位12m 為宜。計算時按設計洪水位情況考慮。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高點與最低點間距離為R(1-cos)。故挑坎高度h2=565.11-551+1.5+16.5×（1-cos25°）=17.1559m（4）反弧段坐標確定圓心O距壩底距離yo17.1559+16.5×cos25o=32.11m圓心O距C 點距離xo=R16.5×20.141m.根據(jù)以上數(shù)據(jù)，就可以確定溢流壩曲面了。下圖就是本次設計的溢流壩曲面。（5）反弧段與非溢流壩下游

35、面切點的坐標確定 圖4-3-2 溢流壩剖面擬定圖4.4消能防沖設計由于溢流壩下泄的水流具有很大的動能，常高達幾百萬甚至幾千萬KW，如此巨大的能量，如不妥善處理，勢必導致下游河床被嚴重沖刷，甚至造成塌滑岸破和大壩失事。所以消能措施的合理選擇和設計對樞紐布置、大壩安全及工程量具有重要意義。水工建筑物及混凝土重力壩設計規(guī)范可知消能的設計原則是：1）盡量使下泄水流的大部分動能消耗在水流內部的紊動中，以及水流與空氣的摩擦上；2）不產生危及壩體安全的河床或岸坡的局部沖刷；3）下泄水流平穩(wěn)，不影響樞紐中其它建筑物的正常運轉；4）結構簡單，工作可靠，工程量小。4.4.1 確定消能形式（1）挑流消能:挑流消能是

36、利用鼻坎將下泄的高速水流向空中拋射,使水流擴散,并摻入大量空氣，然后跌入下游河床水墊后,形成強烈的旋滾,并沖刷河床形成沖坑,隨著沖坑逐漸加深，水墊愈來愈厚,大部分能量消耗在水滾的摩擦中, 沖坑逐漸趨于穩(wěn)定.挑流消能的工程量小、投資省,結構簡單、檢修施工方便.但下游局部沖刷不可避免,一般適用于巖基比較堅固的高壩或中壩。（2）底流式消能:底流消能是在壩址下游設消力池,消力坎等,促使水流在限定范圍內產生水躍,通過水流內部的旋渦、摩擦、摻氣和撞擊消耗能量.底流消能具有流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好,對地質條件和尾水變幅適應性強及水流霧化等優(yōu)點。 但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能適應于中低壩或基巖較軟弱的河道

37、,高壩采用底流消能需經論證。（3）面流式消能:面流消能是在溢流壩下游面設低于下游水位、挑角不大的鼻坎，將主流挑至水面，在主流下面形成旋滾，其流速低于表面，且旋滾水體的底部流動方向指向壩址，并使主流沿下游水面逐步擴散，減小對河床的沖刷，達到消能防沖的目的。面流消能適用與水頭較小的中、低壩，要求下游水位穩(wěn)定，尾水較深，河道順直，河床和河岸在一定范圍內有較高抗沖能力，可排漂和排冰。面流消能雖不需要做護坦，但因為高速水流在表面，并伴隨著強烈的波動，流態(tài)復雜，使下游在很長距離內水流不平穩(wěn)，可能影響電站的運行和下游航運，且宜沖刷兩岸，因此也須采取一定的防護措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流壩址設置

38、一個半徑較大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潛沒在水下，形不成自由水舌，水流在戽內產生旋滾，經鼻坎將高速的主流挑至表面。戽內、外水流的旋滾可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，減輕了對河床的沖刷。消力戽適用于尾水較深，變幅較小，無航運要求且下游河床和兩岸有一定抗沖刷能力的情況。消力戽的優(yōu)點是：工程量較底流消能小；沖刷坑比挑流消能淺；不存在霧化問題。缺點是：下游水面波動大，綿延范圍長，易沖刷岸坡，對航運不利，底部旋滾將泥沙帶入戽內時，磨損戽面增加了維修費用。（5）最終確定消能型式分析比較以上消能工的優(yōu)缺點，考慮到本次設計的重力壩屬于中壩，下游地質條件比較好的情況，決定選用挑流消能。4-4-2 挑流鼻坎

39、設計（1）挑流鼻坎有連續(xù)式和差動式，該設計選用連續(xù)式鼻坎；（2）經計算，鼻坎高程566.61m；（3）反弧半徑R=16.5m；（4）根據(jù)實際工程情況，該設計挑射角取=25°；4-4-3水舌挑距L 的估算水舌挑射距離按水舌外緣計算（圖4-2），其估算公式為式中：L 水舌挑距，m；v1 坎頂水面流速，按鼻坎處平均流速的1.1 倍計算，即v1=1.1v=1.12gH0.（H0為庫水位至坎頂?shù)穆洳?，為堰面流速系?shù)）.鼻坎的挑角；h1 坎頂平均水深h 在鉛直向的投影，h1=hcos；h2 坎頂至河床面高差，m；式（4-4）v1 按下列公式計算：把數(shù)據(jù)帶入式中，計算按設計洪水位情況考慮，得到：K

40、E= =0.03 1 =0.88 V1=1.1V=39.148m/sh1=17.1559=15.5485m h2=565.11-551+1.5+16.5×（1-cos25°）=17.1559m代入各參數(shù)計算得 L= =66.53845899（m）4-4-4沖刷坑深度的估算沖刷坑深度工程上常按式（4-8）進行估算。式中：tk 水墊厚度，自水面算至坑底，m；q 單寬流量，m3/（s.m）；q=65m3/（s.m）H 上下游水位差，m； H=77.77m沖坑系數(shù)，堅硬完整的基巖取0.91.2，堅硬但完整性較差的基巖取1.21.5，軟弱破碎裂隙發(fā)育的基巖取1.52.0。該設計取0.

41、9。tk=0.9×650.5×77.770.25=21.54776 m；L/tk=66.53845899/30.1=3.08795，一般要求L/tk>2.55，滿足要求。挑流消能抗沖擊算圖因非溢流壩段應力和穩(wěn)定均滿足要求，故溢流壩應力穩(wěn)定不再做詳細分析?？紤]到溢流壩下泄水流會產生摻氣現(xiàn)象，故需要在溢流壩兩邊設置導墻。初步估算導墻高出壩面2m。5.細部構造設計5.1 壩頂構造壩頂路面應具有23的橫向坡度，并設置砼排水溝(30×30cm)以排出壩頂雨水，壩頂上游的防浪墻（寬0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墻身應有足夠的剛度、強度和穩(wěn)定性，宜采

42、用與壩體連成整體的鋼筋砼結構，而下游側則可設防護欄，為滿足運用要求和交通要求，在壩頂上布置照明設施，即在上游側每隔25m 設一對照明燈，一只朝向壩頂路面方向，一只朝向水庫方向。根據(jù)大壩正常運行需要，在壩頂還要設置通向壩體內部各層廊道、電站的電梯井，便于觀測和維修人員快速進出。5.2 分縫止水一、壩體分縫1、橫縫：減小溫度應力，適應地基不均勻變形和滿足施工要求；2、縱縫：適應砼的澆筑能力和減小施工期的溫度應力，在平行壩軸線方向設置。一般情況下橫縫為永久縫，也有臨時縫，垂直壩軸線，用于將壩體分成為若干獨立的壩段；縱縫為臨時縫，可分為鉛直縱縫、斜縫和錯縫三種，縱縫縫面應設水平向鍵槽，鍵槽呈斜三角形，

43、槽面大致沿主應力方向，在縫面上布置灌漿系統(tǒng)進行接縫灌漿，為了灌漿時不使?jié){液從峰內流出，必須在縫的四周設止?jié){片。 3、水平施工縫：是上、下層澆筑塊之間的接合面。澆筑塊厚度一般為1.54.0m；在靠近基巖面附近用0.751.0m 的薄層澆筑，以利于散熱，減少溫升，防止開裂。二、止水設計橫縫內需設止水，止水材料有金屬片、橡膠、塑料及瀝青等，對于高壩應采用兩道止水片，中間設瀝青井，金屬片止水一般采用1.01.6mm 后的紫銅片，第一道止水治上游面的距離應有利于改善壩體頭部應力，一般為0.52.0m（本設計采用1.0m），每側埋入砼的長度約為2025cm（本設計采用25cm），在止水片的安裝時要注意保證

44、施工質量，瀝青井為方形或圓形（本設計采用方形），其一側可用預制砼塊，預制塊長1.01.5m，厚510cm（本設計采用1m×10cm），瀝青井尺寸大致為15cm15cm 至25cm25cm（本設計采用20cm×20cm），井內灌注的填料由二號或三號是由瀝青，水泥和石棉粒組成，井內設加熱設備（通常采用電加熱的方法），將鋼筋埋入井中，并以絕緣體固定，從底部一直通到壩頂，在井底設置瀝青排出管，以便排除老化的瀝青，重填新料，管徑可為1520cm。止水片及瀝青井需伸入巖基一定深度，約3050cm，井內填滿瀝青砂，止水片必須延伸到最高水位以上，瀝青井需延伸到壩頂。圖5-1 止水設計1第一

45、道止水銅片；2瀝青井；3第二道止水銅片；4預制塊；5橫縫6瀝青油氈；7加熱電極5.3 混凝土標號分區(qū)砼重力壩壩體各部分的工作條件及受力條件不同,對砼材料性能指標的要求也不同,為了滿足壩體各部分的不同要求,節(jié)省水泥用量及工程費用,把安全與經濟統(tǒng)一起來，通常將壩體砼按不同工作條件進行分區(qū),選用不同的強度等級和性能指標,一般分為6 個區(qū),見下圖（5-2）。圖5-3 壩體混凝土分區(qū)示意圖 區(qū)上、下游水位以上壩體表層砼，其特點是受大氣影響；區(qū)上、下游水位變化區(qū)壩體表層砼，既受水位的作用也受大氣影響；區(qū)上、下游最低水位以下壩體表層砼；區(qū)壩體基礎砼；區(qū)把體內部砼；區(qū)抗沖刷部分的砼。為了便于施工，選定各區(qū)域砼等級時，各類別應盡量少,相鄰區(qū)的強度等級不得超過兩級，分區(qū)的厚度一般不得小于25m，以便澆筑施工，分區(qū)對混凝土性能的要求見下表，表中“+”表示選擇各區(qū)同等級的主要控制因素，有“+” 的表示需要提出要求；有“-”的為不需要提出要求。表5-3 壩體各區(qū)對混凝土性能的要求分區(qū)強度抗?jié)B抗凍抗沖刷抗侵蝕低熱最大水灰比選擇各區(qū)厚度的主要因素嚴寒寒冷地區(qū)溫和地區(qū)I+-+-+0.550.60抗凍II+-+0.45