通口水电站碾压混泥土重力坝设计 - 图文

通口水电站碾压混凝土重力坝设计

指导老师 漆力健

信息与工程技术学院 农业水利工程 白成

摘要：

本设计对通口水电站碾压混凝土重力坝水利枢纽进行了详细的论述和设计。 通口水电站设计说明书主要包括：通口水电站流域状况，坝型选择与主要建筑物的选择，挡水建筑物的设计，泄水建筑物的设计。

通口河水电站以发电为主，枢纽属于中型Ⅲ等工程，永久性建筑物为3级，按规范要求，采用50年一遇洪水设计，500一遇洪水校核。水库正常蓄水位598.0m，设计洪水位596.31m。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：水电站；重力坝；设计

The Gravity Dam Design of Tongkou Port Hydropower Station Rcc

Tutor Qi li jian

Information and Engineering Technology College Agriculture Hydraulic Engineering Bai cheng

Abstract

The designs of Tongkou Hydropower Station Water Control are discussed in detail and design.

Tongkou Hydropower Station design specification mainly includes: Tongkou Hydropower Station basic condition, main buildings dam type selection and selection of the design of buildings, retaining water discharge ater, the design of buildings.

Tongkou Hydropower Station design mainly for power generation.this dam Ⅲ project belongs to medium-sized permanent buildings is 3 classes, according to standard requirement, the design flood happen 50 years in a flood, 500 dynamic rigidity. The reservoir 598.0 m, normal impoundment level of design flood 596.31m. And its main building has: the overflow, overflow and discharging water buildings, energy facilities, etc.

Keywords: Hydropower Station；Gravity dam；Design

目 录

第一章 流域基本资料 ................................................................................................................................ 1 1.1 流域及枢纽任务概况 .................................................................................................................... 1 1.2 水文气象资料 ................................................................................................................................ 2 1.2.1 河流特性 ................................................................................................................................ 2 1.2.2 气温情况 .................................................................................................................................. 2 1.2.3 河流泥沙情况 .......................................................................................................................... 3

1.2.4 风速及设计风速 ...................................................................................................................... 3 1.3 地形、地质情况 ............................................................................................................................ 3 1.4 工程材料、交通运输及劳动力供应情况 .................................................................................... 4 1.4.1 当地材料 ................................................................................................................................ 4 1.4.2 交通运输及劳动力及机械供应条件 ...................................................................................... 4 第二章 坝型选择及主要建筑物选择 ........................................................................................................ 5 2.1 基础数据 ........................................................................................................................................ 5 2.2 工程等别 ........................................................................................................................................ 5 2.3 坝基的力学参数 ............................................................................................................................ 6 2.4 工程水文条件 ................................................................................................................................ 6 2.4.1 淤积高程的确定 .................................................................................................................... 6 2.4.2 死水位及死库容的确定 ........................................................................................................ 6 第三章 坝顶高程的确定 ............................................................................................................................ 7 3.1 正常蓄水位 .................................................................................................................................... 7 3.2 设计洪水位 .................................................................................................................................... 8 3.3 校核洪水位 .................................................................................................................................. 10 3.4 大坝的最大坝高H ....................................................................................................................... 11 3.5 大坝坝顶宽度 .............................................................................................................................. 11 3.6 坝面坡度 ...................................................................................................................................... 11 3.7 大坝坝底宽度 .............................................................................................................................. 11 第四章 非溢流坝段各种荷载计算 .......................................................................................................... 13 4.1 重力坝的基本原理和荷载组合 .................................................................................................. 13 4.2 坝体自重计算： .......................................................................................................................... 13 4.1.1 重力坝的重力矩计算（根据重力坝的坝底为中心矩） .................................................. 14 4.2 重力坝静水压力 ........................................................................................................................... 15 4.2.1 设计情况下的静水压力 ........................................................................................................ 15 4.2.2 正常蓄水时的静水压力 ........................................................................................................ 17 4.2.3 校核洪水时的静水压力 ........................................................................................................ 17 4.3 重力坝的扬压力计算 .................................................................................................................. 18 4.3.1 设计情况下上下游扬压力 .................................................................................................. 19 4.3.2 校核情况下上下游扬压力 .................................................................................................... 20

4.3.3 正常蓄水位上下游扬压力 .................................................................................................... 21 4.4 重力坝的淤沙压力计算 .............................................................................................................. 22 4.4.1 标准情况淤沙压力计算 ........................................................................................................ 22 4.4.2 设计情况淤沙压力计算 ........................................................................................................ 22 4.5 大坝波浪压力计算 ....................................................................................................................... 23 4.5.1 大坝波浪设计压力 ................................................................................................................ 24 4.5.2 大坝波浪校核压力 ................................................................................................................ 24 4.5.3大坝正常蓄水波浪压力 ........................................................................................................... 25 4.6 大坝基本荷载汇总表 ................................................................................................................... 26 4.7 抗滑稳定性分析计算 ................................................................................................................... 26 4.7.1设计洪水位抗滑稳定性计算 ................................................................................................... 27 4.7.2 校核洪水位抗滑稳定性计算 ................................................................................................ 28 4.8 重力坝上下游坝面应力计算 ....................................................................................................... 28 4.8.1 水平截面上的正应力（压应力为正） ................................................................................ 30 4.8.2 重力坝的剪应力（tu、td） ................................................................................................... 30 4.8.3 重力坝水平正应力（δ

xu、δxd） ....................................................................................... 31

第五章 溢流坝剖面设计 .......................................................................................................................... 32 5.1 泄水方式的选择 ........................................................................................................................... 32 5.2 孔口净宽的拟定 ........................................................................................................................... 32 5.3 溢流坝段净宽L0 ........................................................................................................................... 33 5.4 堰上水头H0 .................................................................................................................................. 33 5.5 溢流面体形设计 ........................................................................................................................... 34 5.5.1 中间直线段： ........................................................................................................................ 35 第六章 消能防冲设计 .............................................................................................................................. 37 6.1 消能的形式选择 ........................................................................................................................... 37 6.2 洪水标准和相关参数的选定 ....................................................................................................... 37 6.3 反弧半径的确定 ........................................................................................................................... 37 6.3.1 反弧段坎顶水深的确定 ........................................................................................................ 38 6.4 水舌抛距计算 ............................................................................................................................... 39 6.4.1 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 .................................................................................... 39 6.5 有压泄水孔的设计 ....................................................................................................................... 40

6.6 闸门与门槽 ................................................................................................................................... 41 6.7泄水口断面设计 ............................................................................................................................. 41 第七坝章 体细部构造设计 .................................................................................................................... 42 7.1坝顶构造 .......................................................................................................................................... 42 7.1.1 非溢流坝 ................................................................................................................................ 42 7.1.2溢流坝 ....................................................................................................................................... 42 7.1.3闸门的布置 ............................................................................................................................... 42 7.1.4闸墩 ........................................................................................................................................... 42 7.1.5 导水墙 .................................................................................................................................... 43 7.2坝体分缝设计 .................................................................................................................................. 43 7.3 止水设计 ....................................................................................................................................... 44 7.4 基础廊道 ..................................................................................................................................... 44 7.5 坝体廊道 ....................................................................................................................................... 44 7.6 坝体防渗与排水 ........................................................................................................................... 44 7.7 坝体混凝土的强度等级 ............................................................................................................... 45 参考文献 .................................................................................................................................................... 46 致谢 ............................................................................................................................................................ 47 毕业论文承诺书 ........................................................................................................................................ 48

第一章 流域基本资料

1.1 流域及枢纽任务概况

通口河属于四川涪江右岸一级支流的山区河道，自河流发源地至河流汇口，全长173km，河流内大部分高山的山峰都在3000米以上，河道的平均坡降约21.9‰，通口水电站下游为丘陵区，大坝、厂区河道平均比降5‰。通口河河道落差较大，水流湍急，且暴雨量多，容易在短时间内形成山洪，导致洪水冲毁农田，泛难成灾。

通口河流域以种植粮食为主，除此之外在流域内还发现有大量的矿产、能源、林业以及多种植物资源，但是由于流域内目前经济发展水平较低，总体上仍停留在以农牧业为主体的自然经济。

通口河流域河流比降较大且水流湍急，在设计过程中考虑航行危险，因此不考虑航运。该河流左岸属江油市管辖，右岸属北川县管辖，河流左右两岸均有公路相通，交通便利。

本枢纽所处通口河中游末段的北川县通口镇上游2km处，坝址距离北川县城约20km,距离江油市24km, 距绵阳市城区71km。主要任务是发电，发电尾水可供下一级电站发电。

以下数据是满足各水利专业部门的需要作为设计水工建筑物的依据： 水电站的正常蓄水位： 598.00m 最有利工作深度 48.0m 汛前水位 584.0m 水库最高水位不得超过 601.5 m

设计洪水流量 6240m3/s 校核洪水流量 9700m3/s 消能洪水流量 5480 m3/s 正常尾水位 547.7m 最低尾水位 546.25m 电站装机容量 45000kw 机组数目 2台 电站最大引用流量 110.0m3/s

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1.2 水文气象资料

1.2.1 河流特性

通口河流域是通过降雨而形成的，该流域的多由暴雨产生。通口河流域的汛期发生在一年之中的6~9月，其中河流的最大流量在7~8月，洪水在流域形成的过程中具有单峰性，降雨形成的洪峰一般历时3~5日，该流域的洪水来势凶猛，具有陡涨陡落的特点。

表1-1各种频率下的最大洪峰流量（m3/s）

频率（%） 夏秋季 冬春季 0.002 9700 0.01 7290 0.02 6240 0.03 5480 0.5 675 350 1 600 330 5 540 285

表1-2实测洪峰过程（m3/s）

时间（h） 流量（m3/s) 时间（h） 流量（m3/s) 0 35 40 248 4 40 44 193 8 108 48 156 12 216 52 116 16 486 56 88 20 597 60 63 24 512 64 53 28 436 68 40 32 373 72 31 36 310

表1-3实测月平均流量（m3/s）

月份 流量（m3/s) 1 23 2 22 3 30 4 57 5 140 6 7 8 9 10 11 30 12 22 170 190 186 180 132

表1-4多年平均降雨量（mm） 月份 项目 多年平均降雨量（mm） 多年平均降雨日数（d） 月份 项目 多年平均降雨量（mm） 多年平均降雨日数（d） 1 10.7 5 7 191.6 12 2 34.2 8.6 8 181 11.4 3 44.1 8.6 9 90.4 10.6 4 56.9 8.2 10 95.9 11 5 135 9.8 11 54.4 10.8 6 165 7.4 12 17.1 5.4

最多雨量发生在1902年，共计600mm，流量8000m3/s。最少雨量发生在1954年，只有33mm，流量80m3/s。一日最大雨量达205mm。 1.2.2 气温情况

本流域气温差异较大，多年平均气温在15.5℃，极端最高气温为-4.5℃，极端最高气

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温为36.1℃，因地域温差较大，需要避免极端气候施工。

表1-5每月的气温变化（℃）： 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月平均温度 3 5 11 16.1 22.4 24.5 27.5 27.2 22.1 14.1 10.8 6 最高温度 19.1 20.8 26.5 28.6 36.1 36.2 36.1 35 35 30.1 22.1 19.7 最低温度 -4.5 -4 0 2 5.1 11.6 16.1 11.7 10 3 -1 -4.3 1.2.3 河流泥沙情况

泥沙主要是碳酸盐岩的风化的产物，颗粒很细。据资料统计，该工程多年平均输沙量为515万吨，多年平均含沙量1.45kg/m3,多年汛期平均含沙量2.25kg/m3，汛期输沙量占全年输沙量的72.2﹪，查的淤沙的饱和容重量19.87KN/m3。在预留淤沙库容时，水土保持有效估计为14年。 1.2.4 风速及设计风速

根据通口河流域多年资料统计，得到该地区多年最大平均风速为12m/s，该工程现拟定设计计算风速为18m/s，拟定校核风速为12m/s,风速在水库内的最大吹程为1km。

1.3 地形、地质情况

水库地貌属高、中山峡谷型，呈大致对称的“V”字型。库区两岸地形陡峻，基岩裸露，坡谷稳定性良好，两岸阶地较发育。

水电站坝区为构造剥蚀、溶蚀中山与侵蚀溶蚀河谷高山峡谷地貌类型，出露地层主要为灰岩、白云岩及第四系松散对基层。工程区为四川典型的岩溶地段，岩溶岩隙发育，坝区内为碳酸盐岩，溶蚀现象普遍。右坝肩岩溶发育较强，左坝肩、坝基岩溶发育较弱。坝区岩体透水性较弱，受构造、风化、卸荷及岩溶发育强弱影响其差异性很大。

经调查研究，坝区、厂区基础由弱风化的泥质灰岩、泥质碳岩组成，岩体中等坚硬，节理裂隙、岩溶不发育，岩体的完整性较好，具有较高的承载力。坝基基础碳酸盐岩的抗压强度为1000―1200kg/cm2，摩擦系数为0.65。抗剪断系数为1.1，抗剪断凝聚力为1.2MPa。根据绵阳地震局复核，结合国家地震局动参数区划图，本区地震动峰值加速度为0.1g，地震的反应谱特征周期0.45s，地震基本烈度为Ⅶ。

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1.4 工程材料、交通运输及劳动力供应情况

1.4.1 当地材料

石料—库区内的泥质灰岩、炭质灰岩、白云岩、灰岩均可大量开采，而且石质较好。在25次冻融之后，抗压强度为900kg/cm2。

砂石—距离上游3km处，库区有坚硬的砾石和粗砂，蕴藏量约有20万m3，砂为石英颗粒，是风化产物。

土料 — 北川通口镇上游7km处有蕴藏量约为20万m3的壤土，其壤土的饱和内摩擦角为20° ，天然干容重γ=1600×9.81kN/m3，渗透系数Ｋ值为4ⅹ10-7cm/s。

木材 —— 可自距坝址15公里的深山内取得。 1.4.2 交通运输及劳动力及机械供应条件

目前主要交通运输靠公路干线。水泥钢材可由公路自离坝址附近的江油、绵阳运来。 附近无施工动力，机械可由绵阳城供应。普通工人当地可以供应三万人，技术工人可由绵阳城调来。

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第二章 坝型选择及主要建筑物选择

2.1 基础数据

由图2-1下游水位流量关系曲线可知当流量为0时，水位为535m，即河床高程为535m。假设向下开挖地基5m，则坝基眠高程为535-5=530m。

2-1 下游水位流量关系曲线图 2.2 工程等别 经查表（课本P10表1-1），由水库总库容为3610万m3(0.361亿m3)可判断该工程为中型Ⅲ级工程；由电站装机容量为2×250=500kw<1万kw可判断为小（2）型Ⅴ级工程。根据《水工建筑物》P-10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。因此确定该工程（通口水电站）属于中型Ⅲ级工程。 该水电站工程的设计建筑物（如溢流坝、非溢流坝、厂房等），属于永久性水工建筑物。根据表2-2永久性水工建筑物的级别表得到大坝属于3级主要建筑物，根据表2-3水工建筑物的结构安全级别得到水工建筑物的结构安全级别为Ⅱ级。 5

表2-2 永久性水工建筑物的级别表

工程级别 主要建筑物 次要建筑物 Ⅰ 1 3 Ⅱ 2 3 Ⅲ 3 4 Ⅳ 4 5 Ⅴ 5 5 表2-3水工建筑物的结构安全级别

水工建筑物的级别 水工建筑物的结构安全级别 1 Ⅰ 2、3 Ⅱ 4、5 Ⅲ 2.3 坝基的力学参数

根据地形、地质情况得到该工程的岩体完整性较好，具有有一定的强度，抗滑、抗变形的结构面和岩石强度控制。根据（《混凝土重力坝设计规范》表1—4坝基岩体工程地质分类及岩体力学系数表）得到该水电站的坝基岩体的工程地质分类为中硬岩Ⅲ等。

2.4 工程水文条件

本枢纽属于中型Ⅲ等工程，永久性建筑物为3级，按规范要求，大坝设计洪水重现期50年，校核洪水重现期为500年。 2.4.1 淤积高程的确定

通口水电站坝址多年输沙量根据该地水文资料统计为515万吨，该水电站初步设计运行为14年，淤沙的饱和容重计算结果为19.87KN/m3。则该工程的淤积库容为：

由图1-2查得相对应的淤积高程为596m,淤沙高度为596-535=61m,由于淤积库容几乎占到整个库区，故需要设置排沙系统。 2.4.2 死水位及死库容的确定

在满足一定生态要求的条件下，根据通口河流域的地质条件和输沙量的状况下，选择死水位为584.0m。

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第三章 坝顶高程的确定

3.1 正常蓄水位

正常蓄水位：598.0m

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，坝顶高程超高按以下公式计算：

?h?hl?hz?hc

式中：?h —防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；

hl—波浪爬高，m；

hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m； hc—坝顶安全加高，m；

根据表1-3建筑物的安全级别得到，该工程的结构安全级别为Ⅱ，由表3-1坝顶安全加高得到hc设=0.5。

计算波浪要素的式子根据内陆峡谷水库（V0<20m/s，吹程D<20000m），宜按官厅水库公式计算：

hl?0.00166V05/4D1/3（m） L?10.4?hl?（m）

0.8hz??hl2Lcoth2?H2

（m）。一般峡谷水库因H≥L/2，故hz≈πhl/L。 L式中：

V0—计算风速，通常采用从坝前水面向上10m处10min的风速平均值，一般情况下设计风速取1.5 ~2.0倍最大风速。该水利工程取最大风速的1.5倍，V0=18.0m/s。

D—风作用于水域的长度吹程，m；根据资料取1000m。 L—波长，m；

H—大坝坝前正常蓄水位时水深，m。H=598-535=63m

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3-1坝顶安全加高hc

相应水位 正常蓄水位 校核洪水位

根据以上已知条件得到在正常蓄水位中：

hl设 =0.0016V0设5/4D1/3 =0.0016×185/4×10001/3 =0.6154m≈0.62m L设=10.4（hl设）0.8 =10.4×0.620.8 =7.053m≈7.1m 根据条件得到：L设=0.71m

hz?坝的安全级别 Ⅰ 0.7 0.5 Ⅱ 0.5 0.4 Ⅲ 0.4 0.3 ?hl2Lcoth2?H L=

=0.1686m≈0.17m

坝顶高程超高按以下公式计算:

?h?hl?hz?hc =0.62+0.17+0.5 =1.29m

根据以上结论，在正常蓄水位时，防浪墙高程：

防浪墙高程=正常蓄水位高程+安全超高高程=598.00+1.29=599.29m

3.2 设计洪水位

设计洪水位596.31m

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根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，坝顶高程超高按以下公式计算：

Δh =h1%+hz+hc

式中：?h —防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m； hl—波浪爬高，m；

hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m； hc—坝顶安全加高，m；

根据表1-3建筑物的安全级别得到，该工程的结构安全级别为Ⅱ，由表3-1坝顶安全加高得到hc=0.5m。

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，对于丘陵，平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（适用于库水较深， 风速V0＜26.5 m/s，吹程D ＜7500m时），公式如下：

Gh2%/V02=0.00625V01/6(gD/V02)1/3

gLm/v02=0.0386(gD/v02)1/2 hz=πhl2/cth(2πH/l)

式中：

h2%—累计频率发生为2%的波高，m。 Lm—风在吹程内平均波长，m。

V0=水面以上10m处10min的风速平均值，m/s。正常水位时，取1.5~2.0倍最大风速，该工程中取1.5倍，得18m/s。

D—风作用于水域的长度吹程，m；根据资料取1000m。 H—大坝坝前设计洪水位时水深，m。

坝底高程535m，可得到设计洪水坝前水深：H=596.31-535=61.31m 将数据代入以上公式得到： h2%=0.00625 V01/6(gD/V02)1/3×V02/g 16 =0.00625×=1.04m

Lm=0.0386(gD/V02)1/2×V0/g

=0.0386×(9.81×1000÷182) 1/2×182/9.81 =7.01m

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，表B.6.3累计频率为P（%）的波高和

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1/6

×(9.81×1000÷182)1/3×182/9.81

平均波长的关系，换算得到：h1% =2.14m

hz=πhl2/cth(2πH/l)

=3.14×1.042÷7.01×cth(2×3.14×61.31÷7.01) =0.485m

将数据代入Δh =h1%+hz+hc得到：

Δh =h1%+hz+hc=2.14+0.49+0.5=3.13m

所以得到设计洪水位时坝顶高程： 设计洪水为+Δh=596.31+3.13=599.44m

3.3 校核洪水位

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319—2005，混凝土重力坝的坝顶高程超高计算公式为：

?h?hl?hz?hc

式中：?h —防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；

hl—波浪爬高，m；

hz—波浪中心线至正常或校核洪水位的高差，m； hc—坝顶安全加高，m； hl校=0.0016V0设5/4D1/3 =0.00166×125/4×10001/3 =0.3707m≈0.37m L校=10.4（hl校）0.8 =10.4×0.370.8 =4.701m≈4.7m

hz??hl2Lcoth2?H L =

=0.091m≈0.09m

所以在校核洪水时，安全加高为：

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P2=16.252×0.8×0.5×9.81=1036.18 KN L2=56/2－16.25×0.8/3=23.667 m M2=﹣1036.18×23.667=﹣24523.27 KN·m

大坝下游静水位时静水压力：方向（←）

P3=16.252×9.81×0.5=1295.23 KN

L3=16.25/3=5.42 m

M3=1295.23×5.42=7015.81 KN·m 4—3 设计情况下的静水压力

名 称 上游静水压力（→） 下游水重（↓） 下游静水压力（←） ∑ P（KN） 21567.36 1036.18 1295.23 L(m) 22.1 23.67 5.42 M(KN·m) －476638.74 －24523.27 7015.81 ﹣494146.20

4-4 静水压力示意图

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4.3.2 正常蓄水时的静水压力

根据以上资料得到，在正常蓄水时的上下游水位情况：

大坝上游水位：598.0m，大坝上游正常水深：598.0－530.0=68 m 大坝下游水位：547.7m，大坝下游正常水深：547.7-530.0=17.7 m 大坝上游的静水压力：方向（→）

P1=682×0.5×9.81=22680.72 KN

L1=68/3=22.67 m

M1=－22680.72×22.67=－514171.92 KN·m

大坝下游方向的水重：方向（↓）

P2=17.72×9.81×0.5=1229.345 KN L2=56/2－17.7×0.8/3=23.28 m M2=－1229.345×23.28=－28619.27KN·m

大坝下游方向的水重：方向（←）

P3=17.72×0.5×9.81=1536.69 KN

L3=17.7/3=5.9 m

M3=1536.69×5.9=9066.47KN·m

4—5正常蓄水情况下的静水压力

名 称 上游静水压力（→） 下游水重（↓） 下游静水压力（←） ∑ 4.3.3 校核洪水时的静水压力

根据以上资料得到，在校核洪水时的上下游水位情况：

大坝上游水位：601.01m，大坝上游正常水深：601.01－530.0=71.01 m

17

P（KN） 22680.72 1229.345 1536.69 L(m) 22.67 23.28 5.9 M(KN·m) －514171.92 －28619.27 9066.47 －533724.72

大坝下游水位：547.7m，大坝下游正常水深：547.7-530.0=17.7 m 大坝上游的静水压力：方向（→）

P1=71.012×0.5×9.81=24733.07 KN

L1=71.01/3=23.67 m

M1=－24733.07×23.67=－585431.76 KN·m

大坝下游方向的水重：方向（↓）

P2=17.72×9.81×0.5×0.8=1229.345 KN

L2=56/2－17.7×0.8/3=23.28 m M2=－1229.345×23.28=－28619.27KN·m

大坝下游方向的水重：方向（↓）

P3=17.72×0.5×9.81=1536.69 KN

L3=17.7/3=5.9 m

M3=1536.69×5.9=9066.47KN·m

4—6校核洪水情况下的静水压力

名 称 上游静水压力（→） 下游水重（↓） 下游静水压力（←） ∑ P（KN） 24733.07 1229.345 1536.69 L(m) 23.67 23.67 5.9 M(KN·m) －585431.76 －28619.27 9066.47 －585434.92 4.4 重力坝的扬压力计算

扬压力是在大坝在上下游水压力的作用下，水渗入到坝体或地基中并对周围介质骨架产生压力。根据《水工建筑物荷载设计规范》DL—1997规定按全部作用面积计算排水管幕中心线上游壁距上游坝面1/10~1/12倍坝前水深，故排水孔中心线至上游坝面距离为5m。渗透压力强度系数取0.25，下游水深引起的浮托力作用分项系数取1.0，上下游水位差引起的渗透压力作用分项系数取1.2，设计值为0.3。三种情况代入扬压力系数计算。

18

4—7扬压力示意图 单位 m

4.4.1 设计情况下上下游扬压力

设计情况下，上游水深66.31m，下游水深16.25m

γH1=9.81×66.31=650.50 KN/m2 γH2=9.81×16.25=159.41 KN/m2

γH=γH1－γH2=650.50－159.41=491.09 KN/m2

αγH=0.3×491.09=147.32 KN/m2

Ⅰ区：

U1(↑)= 1.2×0.5×(491.09－147.32) ×5=1031.31 KN M1=﹣1031.31×(56/2－5/3)= －27131.50 KN·m

Ⅱ区：

U2(↑)=1.2×0.5×51×147.32=4507.99 KN M2=﹣4507.99×(56/2-5-51/3)= ﹣27047.94 KN·m

Ⅲ区：

U3(↑)=1.2×5×147.32=883.92 KN M3=﹣(56/2﹣5/2) ×883.92=﹣22539.96 KN·m

Ⅳ区：

U4(↑)=1.0×159.41×56=8926.96 KN

19

M4=0

4-8 设计情况下的扬压力数据

区 域 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ ∑ 总力KN（↑） 1031.31 4507.99 883.92 8926.96 15350.18 力臂（m） 26.33 11 25.5 0 力矩（KN·m） －27131.50 ﹣27047.94 ﹣22539.96 0 ﹣76719.40 4.4.2 校核情况下上下游扬压力

校核情况下，上游水深71.01，下游水深 17.7m

γH1=9.81×71.01=696.61KN/m2 γH2=9.81×17.7=173.64 KN/m2

γH=γH1－γH2=696.61－173.64=522.97 KN/m2

αγH=0.3×522.97=156.89 KN/m2

Ⅰ区：

U1(↑)= 1.2×0.5×(522.97－156.89) ×5= 1098.24KN M1=﹣1098.24×(56/2－5/3)= －28920.32 KN·m

Ⅱ区：

U2(↑)=1.2×0.5×51×156.89=4800.83 KN M2=﹣4800.83×(56/2-5-51/3)= ﹣28804.98 KN·m

Ⅲ区：

U3(↑)=1.2×5×156.89=941.34 KN M3=﹣(56/2﹣5/2) ×941.34=﹣24004.17KN·m

Ⅳ区：

U4(↑)=1.0×173.64×56=9723.84 KN

M4=0

20

4-9 校核情况下的扬压力数据

区 域 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ ∑ 总力KN（↑） 1098.24 4800.83 941.34 9723.84 16563.42 力臂（m） 26.33 11 25.5 0 力矩（KN·m） －28920.32 ﹣28804.98 ﹣24004.10 0 ﹣81729.40 4.4.3 正常蓄水位上下游扬压力

正常情况下，上游水深68，下游水深 17.7m

γH1=9.81×68=667.08KN/m2 γH2=9.81×17.7=173.64 KN/m2

γH=γH1－γH2=667.08－173.64=493.44 KN/m2

αγH=0.3×493.44=148.03 KN/m2

Ⅰ区：

U1(↑)= 1.2×0.5×(493.44－148.03) ×5= 1036.23KN M1=﹣1036.23×(56/2－5/3)= －27287.72 KN·m

Ⅱ区：

U2(↑)=1.2×0.5×51×148.03=4529.72 KN M2=﹣4529.72×(56/2-5-51/3)= ﹣27178.32 KN·m

Ⅲ区：

U3(↑)=1.2×5×148.03=888.18 KN M3=﹣(56/2﹣5/2) ×888.18=﹣22648.59KN·m

Ⅳ区：

U4(↑)=1.0×173.64×56=9723.84 KN

M4=0

21

4-10校核情况下的扬压力数据

区 域 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ ∑ 总力KN（↑） 1036.23 4529.72 888.18 9723.84 16177.97 力臂（m） 26.33 6 25.5 0 力矩（KN·m） －27287.72 ﹣27178.32 ﹣22648.59 0 ﹣77114.63 4.5 重力坝的淤沙压力计算

据资料统计淤沙逐渐固结，容重与内摩擦角也逐年的变化，而且各层次不同，使得泥沙压力不易准确计算，单宽坝段泥沙总压力计算公式一般为：

??1?Psk??sbhs2tg2?45。?s?22? ?式中：Psk—坝面每米宽度上的水平泥沙压力，kN/m3，合力在1/3淤沙高度处；

γ

sb—淤沙的浮容重，kN/m

3

；

hs—坝前泥沙淤积高度，m； Фs—淤沙的内摩擦角；

根据资料查得：淤沙高程556m，所以：hs=556.0－530.0=26m

淤沙浮容重为：淤沙的饱和容重量—重力加速度=19.87－9.81=10.06KN/m3 4.5.1 标准情况淤沙压力计算

Psk=（→）0.5×10.06×262tan2(45°－26°/2)=1327.68kN

Lsk=26÷3=8.667m

Msk= Psk×Lsk=－1327.68×8.667＝－11507.00 kN·m

4.5.2 设计情况淤沙压力计算

根据《水工建筑物荷载设计规范》，淤沙压力的作用分项系数为1.2。

Psk=（→）1.2×0.5×10.06×262tan2(45°－26°/2)=1593.22kN Msk= Psk×Lsk=－1593.22×8.667＝－13808.40 kN·m

22

4-11淤沙压力汇总表

设计情况 标准情况 设计情况 力（kN） 1327.68 1593.22 力臂（m） 8.667 8.667 力矩（kN·m） －11507.00 －13808.40 4.6 大坝波浪压力计算

重力坝的坝前水深一般大于半波长，及H＞Lm/2,波浪运动不受库底的约束，且单宽坝段浪压力标准设计值为：

根据《水工建筑物荷载设计规范》，波浪压力的作用分项系数为1.2。 其中： Pl—混凝土大坝单位长上，大坝上游的波浪压力标准值，kN/m； γw—水的容重度，kN/m3 ； Lm—波浪的平均波长，m；

h1%—多年风速累计发生频率为1%的波高，m；

H—建筑物坝前水深，m；

hz—坝前波浪中心线至计算水位的高度，m；

计算公式：

1L1LMl??w(?hl?hz)Ly1??w()2y2

4222L1Ly1?H1??(?hl?hz)

232Ly2?H1?

3Pl??wLw4(h1%?hz)23

4-12 波浪压力分布

4.6.1 大坝波浪设计压力

根据前面数据得到：Lm=7.01m，h1%=2.14m，hz=0.485m，H1=66.31m Pl=1.2×9.81×7.01×(0.485＋2.14)/4 =54.15kN

L1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3 y1=66.31－7.01/2＋(2.14＋0.485＋7.01/2)/3 ＝64.85m

y2=H1－Lm/3＝66.31－7.01/3 ＝63.97m

M2=－[9.81×7.01×(2.14＋0.485＋7.01/2)/4×1.2×64.85－9.81×7.012/2×63.97 = －7217.60kN·m 4.6.2 大坝波浪校核压力

根据前面数据得到：Lm=4.7m，h1%=0.82m，hz=0.09m，H1=71.01m P2=1.2×9.81×4.7×(0.82＋0.09)/4 =12.59kN

24

L1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3 y1=71.01－4.7/2＋(0.82＋0.09＋4.7/2)/3 ＝69.74m

y2=H1－Lm/3＝71.01－4.7/3 ＝69.44m

M3=－[9.81×4.7×(0.82＋0.09＋4.7/2)/4×1.2×69.74－9.81×4.72/2×69.44 = －4379.16kN·m

4.6.3 大坝正常蓄水波浪压力

根据前面数据得到：Lm=7.1m，h1%=2.14m，hz=0.17m，H1=68.0m P3=1.2×9.81×7.1×(2.14＋0.17)/4 =63.73kN

L1=H1－Lm/2＋（h1%＋hz＋Lm/2）/3 y1=68－7.1/2＋(2.14＋0.17＋7.1/2)/3 ＝66.40m

y2=H1－Lm/3＝68－7.1/3 ＝65.63m

M1=－[9.81×7.1×(2.14＋0.17＋7.1/2)/4×1.2×66.40－9.81×7.12/2×65.63 = －7917.74kN·m

4-13波浪压力汇总表

设计情况 标准情况 设计情况 校核情况

25

力（kN） 54.15 12.59 63.73 力矩（kN·m） －7217.60 －4379.16 －7917.74

4.7 大坝基本荷载汇总表

4-14 合力汇总表

设计情况 坝体自重(↓) 静水压力(↓) 静水压力(→) 扬压力(↑) 泥沙压力(→) 波浪压力(→) ∑W(↓) ∑P(→) 承载力极限状态 持久状况 48603.84 1036.18 21567.36 15350.18 1593.22 54.15 34289.84 23214.73

4-15 力矩汇总表 承载力极限状态 设计情况 坝体自重 静水力矩 扬压力力矩 泥沙力矩 波浪力矩 合计（kN·m） 4.8 抗滑稳定性分析计算

重力坝的滑动是重力坝常见的破坏形式，因此需要核算重力坝坝体沿大坝坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。根据多年筑坝的经验得到，抗滑稳定性分析法一般采用刚体极限平衡法。混凝土重力坝的设计过程中为较真实的反应抗滑稳定性安全系数，合理的设计混凝土重力坝，不仅应该考虑到大坝地基的摩擦力，还应该充分考虑到胶

26

正常使用极限状态 持久状况 48603.84 1229.35 22680.72 16177.97 1327.68 63.73 33655.22 24072.13 偶然状况 48603.84 1229.35 24733.07 16563.42 1327.68 12.59 33269.77 26073.34 正常使用极限状态 持久状况 465160.31 ﹣533724.72 ﹣77114.63 ﹣11507.00 ﹣7217.60 ﹣164403.64 持久状况 465160.31 ﹣494146.20 ﹣76719.40 ﹣13808.40 ﹣7217.60 ﹣126731.29 偶然状况 465160.31 －585434.92 ﹣81729.40 －13808.40 ﹣4379.16 ﹣220191.57

结面上的凝聚力，因此一般采用抗剪断强度的公式计算为：

Ks'?f???W?U??c?A?P

其中：

∑P——大坝任何水平截面以上的坝体所承受的总水平推力，kN； ∑W——为水平截面所承受的正压力，kN； fˊ——水平面上的摩擦系数（fˊ=3）； cˊ——抗剪断凝聚力（cˊ=2.8MP）； A——胶结面的面积；

U——作用在接触面上的扬压力；

我国重力坝设计规范SDJ21—78规定：基本荷载组合（设计洪水位）Ksˊ＝3.0；特殊荷载组合（校核洪水位）Ksˊ＝2.5。

设大坝下游坝面与坝基面的夹角为：β，由三角函数得：

cosβ=0.625、sinβ=0.781

将坝体分为一个矩形和三角形： 其中矩形面积S矩

S矩=H×l=71.8×8=574.96 m2

而在三角形中：

高h：h=(B－l) /m=(56－8)/0.8=60 m

三角形的底长为:

B－L=56－8=46m

三角形面积S△:

S△=0.5×h×B=0.5×46×60=1380 m2

4.8.1 设计洪水位抗滑稳定性计算

该重力坝的坝基岩基较好，考虑到节省材料等各种原因，大坝的坝基设置成锯齿形状，形成多个倾向上游的斜面和部分面做成梯形齿槽形式，可压把fˊ=2.1。

根据前面3—14重力坝数据汇总表所得：

fˊ=2.1，∑W=49640.02KN，∑P=23214.73KN，U=153.50KN，cˊ=2.8，A=56

27

Ks'?f???W?U??c?A?P

=[(49640.02－15350.18) ×2.1﹢2.8×56] ÷23214.73

= 3.11＞[Ks]=3.0

满足我国《混凝土重力坝设计规范》SDJ—78及补充规定[（84）水电水规字第131号]所规定的的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 4.8.2 校核洪水位抗滑稳定性计算

该重力坝的坝基岩基较好，考虑到节省材料等各种原因，大坝的坝基设置成锯齿形状，形成多个倾向上游的斜面和部分面做成梯形齿槽形式，可压把fˊ=2.1。

根据前面3—14重力坝数据汇总表所得：

fˊ=2.1，∑W=49640.02KN，∑P=23214.73KN，U=153.50KN，cˊ=2.8，A=56

Ks'?f???W?U??c?A?P

=[[(48540.02－15350.18) ×2.1﹢2.8×56] ÷23214.73

= 3.00 ＞[Ks]=2.5

满足我国《混凝土重力坝设计规范》SDJ—78及补充规定[（84）水电水规字第131号]所规定的的按剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。 4.9 重力坝上下游坝面应力计算

为了演算核定混凝土重力坝的大坝是否在施工期间和运行期间满足工程的设计要求，方便对混凝土重力坝的断面设计和施工期间的大坝混凝土的标号分区等提供重要的依据，一般基于三点基本设定：

坝体混凝土为均质、连续、各项同性的弹性材料；

28

重力坝分成很多坝段，认为各自坝段独立工作，并且设置不传力的永久横缝，在不考虑地基变形对混凝土重力坝坝体应力的影响下，把每个坝段看作为固结于地基上的悬臂梁；

通口水电站水利枢纽在设计过程中不考虑大坝自身内部的廊道等建筑体对大坝的压应力情况下，可以假设大坝的坝体水平截面上的正应力是按照大坝的坝面上按直线分布。应用材料力学方法分析重力坝在正常蓄水位(598.0m)下的应力。

为方便计算，假设下游水深为0m。建立如4-16的应力坐标系，坝踵为O1,坝址为O2，则应力的计算方式为：

4-16应力分析图

大坝为正常蓄水位时候，大坝的应力作用点距离坝踵为：

U P1 Ps O1 W O2 X

大坝扬压力的计算：

由于有防渗帷幕的设置，渗透压强系数α=0.25。则坝底面上游坝踵扬压力作用水头为H1=66m

则排水孔中心处为：

H2＋α（H1－H2）=0＋0.25（66.0－0）=16.5m

大坝为正常蓄水位时候，大坝的扬压力作用点距离坝踵为：

作用点=总扬压力总力矩÷总扬压力

29

= 76114.63÷16177.97=4.7m

大坝为正常蓄水位时候，大坝的泥沙压力作用点距离坝踵为：

作用点=总泥沙压力总力矩÷总泥沙压力

= 11507.00÷1327.68=8.67m

4.9.1 水平截面上的正应力（压应力为正） 上游：

=48603.84÷56－（6×46516.31）÷562 =778.93kpa＞0 下游：

=48603.84÷56－（6×22680.72）÷562 =824.53kpa＞0

重力坝的坝踵和大坝坝址处均没有出现拉应力，满足国家工程规范要求。 4.9.2 重力坝的剪应力（tu、td）

大坝上游面水压力强度和泥沙压力强度和：

=9.81×68＋10.95×17.7tan2(45°) =860.895kpa

大坝下游面水压力强度： Pd=γwH2

=9.81×17.7=173.63kpa

大坝上游扬压力强度： Puu=γwH1

30

=9.81×68=667.08kpa 大坝下游扬压力强度： Pud=γwH2

=9.81×17.7=173.64kpa 大坝上游剪应力： tu=(Pu－Puu－δyu)n

=(860.86－667.08－824.53) ×0=0

根据以上算术得出结论：该平面剪力为零，该平面为主应力面。

下游剪应力： td=(δ

yd＋Pud－Pd)m

=(778.93＋173.64－173.63)=623.144kpa

式中：n为混凝土重力坝大坝上游面坝坡坡率，n=tanφu，φu为混凝土大坝上游坝面的角度，该工程设计中采用上游坝坡垂直，所以φu=0，n也为0；m为下游坝坡坡率，m=0.8。 4.9.3 重力坝水平正应力（δδ

xu=(Pu-Puu)

xu、δxd）

－tun

=(860.895－667.08) －0=193.815kpa δ

xd=(Pd－Pud)

－tdm

=498.51kpa 重力坝主应力（δδ

1u=(1＋n

2

1u、δ2u、δ1d、δ2d）

2

) δyu－(Pu－Puu)n

=824.5×1－(860.895－667.08) ×0=824.53kpa δ

2u=Pu－Puu

=860.895－667.08=193.81kpa δ

1d=(1＋m

2

) δyd－(Pd－Pud)m

2

=(1＋0.82)778.93－(173.63－173.63) ×0.82 =1277.45kpa δ

2d=Pd－Pud

=173.63－173.63=0kpa

31

第五章 溢流坝剖面设计

5.1 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。开敞式能用于排除冰凌和其它漂浮物；混凝土重力坝的闸门设置应略高于大坝的正常蓄水位，重力坝的堰顶高程一般处于较低位置，方便调节水库的蓄水位和大坝在面临洪峰的下泄流量和减少在洪水来临时候对上游库区的淹没损失。因此，本设计采用开敞式溢流。

5.2 孔口净宽的拟定

单宽流量的确定 Q溢=Q总—αQ0 (m3/s) 式中：Q0——经过电站和泄水孔等下泄流量； α——系数，取决于汛期发电方案。 溢流坝孔口净宽按以下公式计算：

Q=Q溢 / L [m3/(s.m)]

其中：Q溢 为通过溢流孔口的下泄流量；

q为通过溢流孔口的单宽流量。

根据条件：50年一遇洪水，相应洪峰流量为6240m3/s； 500年一遇洪水，相应洪峰流量为9700 m3/s。大坝求得设计洪水位达596.31m，溢流坝下泄流量为5480 m3/s ；校核洪水位601.01m，溢流坝下泄流量为5520m3/s。q＝50～80 m3/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：

5—1 流量下泄表

计算情况 设计水位 校核水位 流量 Q(m3/s) 5480 5520 单宽流量 q(m3/s) 50～80 50～80 孔口净宽 B(m) 109.6～68.5 110.4～69 根据计算得到的图表如上，设计通过溢流孔口的单宽流量为78m3/s，溢流坝孔口净宽B=70m，在保证洪峰来时闸门对称开启，可设置：每溢流孔口的孔净宽b=14m，溢流孔口的孔数n=5。

32

5.3 溢流坝段净宽L0

设各孔口净宽和各中墩厚度分别为bi（该工程选择中墩厚度4m，边墩厚度3m）和di，总和分别为B和D，则溢流前缘总长L0为

L0 = B + D = nb + (n-1)d

=5×14 + 4×4+2×3 =92m

5.4 堰上水头H0

堰上水头H0 = 洪水位 - 堰顶高程 开敞溢流式的下泄流量Q溢为：

3/2 （m3/s） Q溢??mB2gH0式中：

?—闸墩侧收缩系数，与墩头形式有关，初设阶段一般取0.9-0.95，该工程取?=0.9； g—重力加速度，g=9.81m/s；

m—流量系数，按WES溢流面曲线查表流量系数m：

5—2 流量系数m表

得m=0.502。

当溢流坝段过水量为设计洪水，Q溢 =5480m3/s,B=70m,则H0=14.5m 验算：当溢流坝段过水量为校核洪水时，Q

溢

为5520m3/s，H0 =14.5m,代入

3/2得溢流坝段孔口净宽B为55.3m,对应的溢流坝段校核单宽流量q为Q溢??mB2gH078 m/s，满足单宽设计条件，因此设计合理。

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堰顶高程=洪水位—堰上水头（H0）=598.76-15.26=583.5m。

5.5 溢流面体形设计

混凝土重力坝的溢流面坝段的构造一般由堰顶的顶部曲线段、溢流坝坝体堰流的中间直线段和坝体堰流的下部反弧段三部分组成。根据设计要求： （1）有较高的流量系数，泄流能力大； （2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏； （3）体型简单，造价低，便于施工等。 顶部曲线段

为了在设计的过程中，方便以后的施工和在施工期间容易找到设计中的切点位置和施工过程中能够节省大量的工程量，通常采用符合条件的流量系数较大且剖面较瘦的WES曲线设计混凝土重力坝的溢流面。

5—3 WES曲线参数

上游坡（垂直：水平） 3:0 3:1 3:2 3:3

西班牙学者提出数据：R1=0.5Hd，R2=0.2 Hd，R3=0.04Hd，ｅ1=0.175 Hd，ｅ2=0.1276 Hd, ｅ3=0.2818 Hd得到堰顶下游段的曲线方程：

y/Hd=α(χ/ Hd)b

式中:

Hd—溢流坝的堰顶定型设计水头(m)，工程的设计情况中一般采用最大堰顶作用水头

3/2H0的(0.75～0.95)，一般用Q溢??mB2gH0反算校核洪水时的H0和设计洪水时的Hd，

R1/Hd 0.50 0.68 0.48 0.45 R2/Hd 0.20 0.21 0.22 0 ｅ1/Hd 0.175 0.139 0.115 0 ｅ2/ Hd 0.282 0.237 0.214 0.199 a 0.5000 0.5165 0.5157 0.5340 b 1.850 1.836 1.810 1.776 满足Hd=（0.75～0.95)H0，该工程中取：

Hd=0.95H0=14.5m

a、b—系数，该系数通常与重力坝上游面的坡度有关，根据表5-3得到当混凝土大坝上游面为垂直的时候a=0.5,b=1.85 ；

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x、y—以堰顶最高点为原点坐标，其正方向如

5—4 堰顶中心线

由已知数据代入堰顶下游段曲线方程y/Hd=α(χ/ Hd)得到：

b

y=0.5(x/14.5)1.85 =0.035x1.85

反弧段：

重力坝在设计溢流坝反弧段的时候，根据多年的工程经验和曲线的设计比较一般都选用圆弧曲线，其目的是使通过溢流坝坝段下泄的水流能够平顺的转向下一工程设施。《混凝土重力坝设计规范》DL5108—1999建议反弧半径选用：

R=（4～10）h

H为校核洪水位闸门全开时的反弧最低的水深。 5.5.1 中间直线段：

中间直线段是坝顶曲线和下部反弧段相切，即两条曲线的切线，斜率相等。溢流坝堰的下游坡度与非溢流坝的下游坡度相同1：m=1:0.8。两曲线相交的坐标（x,y）,且直线斜率k=1.25为堰顶曲线在焦点处对方程x的求导：

y′=[0.5(x/14.5)1.85]′

=(0.035 x1.85) ′= k =1.25 代入数据得到x=48.03 、y=32.43

根据以上数据得到重力坝溢流坝的剖面图如下：

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