毕业重力坝设计

目 录

某水库混凝土重力坝设计 .......................................... 1 第一章 基本资料 ................................................. 1 一、气象 ........................................................ 1 二、水文分析 .................................................... 1 三、 工程地质条件 ............................................... 3 四、当地建筑材料 ................................................ 4 五、交通条件 .................................................... 5 六、施工条件 .................................................... 5 第二章 枢纽布置 ................................................. 6 第一节 坝轴线选择 ............................................... 6 第二节 坝型确定 ................................................. 8 第三节 枢纽布置 ................................................. 8 第三章 坝体剖面设计 ............................................. 9 正常运用条件下 ................................................. 13

坝顶高程的确定 .............................................. 13 正常运用条件下 ................................................. 16

设计情况下P=0.1%坝顶高程的确定 ............................. 16 非常运用条件下 ................................................. 16

校核情况下P=0.02%坝顶高程的确定 ............................ 16 第四章 非溢流坝剖面设计 ........................................ 18

泥沙压力的计算 .............................................. 21 非溢流坝重力坝荷载计算表（工况1）-----------设计 ........... 23 非溢流重力坝荷载计算表（工况2）---------校核 ............... 24 第五章 溢流坝剖面设计 .......................................... 30

溢流重力坝 .................................................. 30 溢流坝剖面设计 .............................................. 32 设计情况下挑距估算 .......................................... 33 校核情况下挑距估算 .......................................... 35 重力坝荷载计算表（工况2）——校核 .......................... 39

某水库混凝土重力坝设计

第一章 基本资料

某水库位于QL河上，控制流域面积5060 km2,占全流域的80%。QL河水量充沛，但年内及年际的水量分配极不均匀，必须兴建大型的控制工程进行调节，丰富的水资源方可得到充分地利用。水库主要任务是调节水量，为工业、农业和生活提供水量，结合引水发电、水面养殖、洪水错峰等，可以综合利用。供水原则是：在满足城市生活、工业用水的同时，对农业也给予一定的重视，特别是移民迁建灌区用水应优先保证。

枢纽工程在三个坝段选择了二条坝线，二种坝型。I83坝线采用混凝土重力坝。“红层”坝线采用当地材料坝。枢纽建筑物包括主坝、泄水设施及电站等。枢钮工程的推荐方案为I83坝线混凝土坝方案（见坝段位置图）。

根据本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水利部制定的SL252-2000设计标准，水库枢钮工程程属大（一）型。主要建筑物按一级设计，辅助建筑物按三级设计，临时建筑物按四级设计。 （一） 气象

全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量700mm，且多集中在夏季7、8两温为10℃左右，日温度变化较大。离坝址较近的气象站实测最高气温39℃。全年无霜期约月。

流域多年平均气180d，结冰期为120d，河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，冰厚为0.4～0.6m，岸边可达1m.。多年平均最大风速为23.7m/s,水库吹程为3km.。 （二） 水文分析

1、 年径流：QL河流域水量丰沛，年径流主要由年降雨产生。年径流在地区与 时间上的分布与年降水基本一致。

径流在年际间变化悬殊。根据实测资料，1953-1996年的44年中，丰水年1979来年水量达21.34?108m3。枯水年1986年仅1.667?108m3，相差

1

19.37?108m3，约合12.8倍，且丰、枯水年常联系发生。坝址处多年平均年径流

量为9.6?108m3。

2、 洪水：洪水一般由暴雨形成。本地区暴雨历时短、强度大、地面坡度陡，洪峰陡涨陡落。一次洪水历时一般为3--5d.。洪水具有峰高最大的特点。

本流域洪水多发生在7、8两月，出现在7月的占34％，出现在8月的占66％，多年平均6~9月洪量占年径流量的70％左右，3天洪量占6天洪量的70%以上，大水年尤为集中，如1962年最大6天洪量的比例达70%。 有频率分析法求得不同频率的洪水结果，见表3-1。

表3-1洪水计算成果表 洪峰流量 项目 均值 特征值 Cv Cs/Cv 0.01 0.02 0.1 0.2 频率（％） 0.5 1 2 5 10 20 洪量/ 108m3 1d 1.40 1.35 2.50 22.43 20.75 15.74 13.78 11.23 9.30 7.48 5.15 3.50 2.04 3d 2.20 1.35 2.50 35.24 32.65 24.73 21.65 17.60 14.50 11.75 8.10 5.50 3.21 6d 2.80 1.25 2.50 39.96 36.90 28.34 34.92 20.14 17.14 13.92 9.80 6.83 4.17 30d 5.37 1.00 2.50 55.40 51.50 40.50 36.20 30.40 26.10 21.70 16.20 12.10 8018 (m3?s?1) 2000 1.35 2.50 32040 29600 22480 19680 16000 13280 10680 7360 5000 2920 3、 泥沙：流域植被好，泥沙来源在地区上分布和洪水在地区上的分布是一致的。

泥沙在年内分配比径流更集中。汛期输沙量约占年输沙量的95%，而汛期输沙量又都集中在几次大洪水中。年际之间沙量变化悬殊。由统计分析得知，坝址处多年平均输沙量为386?104t，多年平均侵蚀模数为762t/km2.年。从泥沙的

2

组成情况来看，泥沙颗粒较粗，淤沙浮重度为9kN/m3，内摩擦角为12°。 三、 工程地质条件 1、区域地质

该水库区属于高山区，构造剥蚀地形。QL河在本区内河 曲发育，侵蚀能力较强，沿河形成不对称河谷。由于构造运动影响，河流不断下切，于堆积形成阶地，侵蚀形成陡岸。组成本区的地层计有：太古界、震旦系、下元古界、侏罗系及火成岩侵人体和第四纪等，其中分布最广的为震旦系地层。太古界、震旦系、侏罗系三者与工程关系密切，为库区的主要岩石。 2、地质构造与地震

本地区地质构造复杂，全区地震频繁，特别是坝址南段尤为突出。

库区及其周边控制性的断层有两条断裂。第一条在坝址下游小暖泉村穿过QL河，沿线有泉群出现。从控制泉群、控制地貌及岩相作用分析，列为活动性断裂较合适，第二条下向东北方向延伸，在距某水库库区6-7km处尖灭。属第四纪以来活动性较强的断裂，沿该断层时有地震发生。这两条活动性断裂在第三坝段以西5km处汇而不交。按断层交汇部分易发震的原则，这种汇而不交是值得注意的。 近期坝址地区未发生4级以上地震，邻区地震活动对其有一定的影响。1983年8月经省地震局鉴定确定属相对稳定区，基本烈度为6度。 3、库区工程地质条件

库区左岸非可溶性岩层广泛分布，其中主要由云母千枚岩、石英砂岩、砂质页岩等组成，其透水性较小，也没有发生沟通库内外的断层。因此，在非可溶性岩层分布区，没有向库外渗漏的可能性。

库区可溶性岩层分布不至影响水库蓄水，即水库蓄水后，向邻谷渗漏的可能性不大。经过对库内的断层、灰岩地区的勘探分析，水库向外流域及下游漏水的可能性很小。

库区内岩层抗压强度较高，抗风化能力较强，未发现可能发生塌滑的岩体，库岸基本上是稳定的。库区内未发现有开采价值的矿藏，不存在对库周遍产生的浸没问题。

4、坝址坝线工程地质条件

坝段内出露的断裂构造如F103、F105、F108、F112、F114、F117、F122等大

3

小断层共十余条，断层走向以西北为主，东北者少，多为高角度正断或平移正断层。 根据坝址两岸的构造，地层岩性出露分析，推测河床中可能有顺河断层通过，原因是两岸出露的断裂构造均未过河，如F103断层走向东西，规模较大，左岸无迹象；而地层出露高程有明显的差异。

I83坝线主要工程地质条件

地形地貌 坝线长 覆盖层 地层岩性 岩层产状 软弱夹层 构造侵蚀：中低山地形，不对称“U”形峡谷，右岸45度，左39度，阶地不发育 480m 河床5至7m砂石层，左岸山麓堆积31.0 震旦系大红谷组第一、二段，为中厚层石英砂岩与板岩互层 层面倾向上游 据平洞、竖井资料，右岸有软弱夹层13条，系顺夹泥。左岸顺夹泥6，切层3条。建议摩擦系数f=02.0.24 弱风化下限、河床10~28m深（高程：左岸75m，右边55m）。左安弱风化下限为115~105m高程，右岸为120~90m高程 右岸小断层6~7条，左岸F122断层一条。构造简单，基本烈度为6度 坝基下部80~100m深底范围内w均大于0.021/（min.m.m），0均需灌浆处理 I83坝线上游2km处，马圈子电站附近见溶洞 右坝肩上、下游存在I、II号不稳定岩体 石英砂岩单块岩石室内指标：抗压器度134~338Mpa。弹性模量500~1000 Mpa，泊桑比0.11~0.13。各岩层层面摩擦系数的估计建议值： 岩石力学指（1） 石英砂岩层面摩擦系数为0.60~0.65，凝聚力0.38~0.50Mpa 标 （2） 板岩层面摩擦系数为0.4~0.45，凝聚力0.33~0.38Mpa （3） 层面夹泥膜摩擦系数为0.3~0.35，凝聚力0.2~0.27Mpa （4） 切层泥层摩擦系数为0.2~0.24，凝聚力0.15~0.18Mpa 四、当地建筑材料

天然建筑材料分布于坝址区上、下游河滩及两岸阶地。其中土料场主要有7处。地下水位以上储量为19183.44*104m3。砂砾卵石料场主要有八处。地下水位以上储

风化情况 地质构造 岩层透水层 岩溶 稳定性 4

量为1088.95*104m3，全部储量有待一步探查。如采用当地材料方案，其粘性土料的储量足以满足施工要求。 五、交通条件

施工现场对外交通方便，仅需将工地与交通要道的连线公路修通即可。坝顶无重要交通要求。 六、施工条件

采用低围堰、底孔导流、分期施工的导流方法进行施工。个、各项施工辅助企业、仓库及生活用临时建筑物布置在坝址下游两岸。混泥土骨料取自下游料场。施工用电由附近乡镇引接。

5

第二章 枢纽布置 第一节 坝轴线选择

根据坝址的 地质、地形条件，通过定性分析，确定坝轴线位置。 1、坝段比较

某水库坝址，从上游到下游分为三个坝段。即上游第一坝段，位于高台子村至三道河村之间，曾选有I、V、II及I83四条坝线。河岸为串岭沟板岩，其中I83坝线为大红谷第一层的石英砂岩与板岩互层。中间第二坝段，位于二道河村与挑林口水文站之间，曾选有III60、III69、III83及“红层线”四条坝线，坝基岩层高于灰岩地层，其中“红层线”位于红色的杨庄泥质灰岩之上。下游第三坝段，位于桃林口旧村与新村之间，曾选有VI、VIII及IV三条坝轴线，其中VI、VII二条坝轴线河床为串岭沟板岩，IV坝轴线基为大红谷石英砂夹砂页岩。

三个坝段，11条坝线的位置见图3-1

三个坝段坝基岩层的地质年代虽都属于震旦系，但岩性步同，而共同的特点是都存在有软弱层或夹泥层。现在已发现的第一段I83坝线基岩的夹泥层只是泥膜，厚度在 3~5mm，基岩以下深30m以内。夹层的 厚度5cm左右，二、三坝段夹泥较多一些。

三个坝段地形、地质及交通条件等的比较见表A. 2、坝线选择

第一坝段中I、V、II三条坝线其右岸层褶皱变化复杂，断层密集，都步是适宜的坝线。相比之下，在三道河村附近，右岸层倾向上游，层次分明较为完整，条件较好，故以I83坝线作为第一段坝的代表。。第二坝段中III60、III69两条坝线基岩为灰岩。但与右岸层的产状相比，III60坝线右岸层走向与河流平行，倾向河中，倾角较高。当建坝蓄水以后，存在不稳定因素及绕坝渗漏。III田坝线右岸岩层倾下游，层次比较稳定。两者相比，III69好于III60.但因两坝线左岸都存在暖泉，渗漏情况及单薄分水岭~荞麦岭在蓄水以后的稳定情况难以把握，故此坝不以考虑。“红层线”与III83坝线坝基岩层强度降低些，适宜修建当地材料坝。III83坝线左岸钻孔中，从高程137.7m到49.7m发现黑色含锰页岩51层，厚度0.5~1.0cm最厚可达8.0cm，性质松软，表面润滑，摩擦系数较低且岩层走向与河流平行，不易作为坝基。

6

第三坝段中VI坝线河槽较宽，右岸坝头已经远离较高的山头，坝轴线拐弯，增加了坝轴线的长度，从而加大了工程量。VII坝线坝基为串岭沟板岩，岩层强度较低，还有软弱层，相比之下，不如IV坝线。IV坝线为于现存小溢流坝下游80m处，坝基岩层为石英砂岩，夹有少数几层砂质页岩，岩层的抗压强度及抗摩擦系数比板岩大，故以此坝作为第三坝段的代表。

坝段地形、地质等条件比较

坝段类别 第一坝段 河谷较窄，适于修建混泥土坝：溢流堰底 地 形 条 件 等泄水建筑物可以放在主河床上。右岸还可以采用引水式水电站。可以增河谷不对称，左岸坡缓，坝轴线较长，适于修建混泥土坝或当地坝。荞麦岭处天然的单薄分水岭，是修建溢洪道河谷软窄，适宜修建混凝土坝或当地材料坝。右岸山低脊薄。须修建二座副坝，工程项目多 第二坝段 第三坝段 加6m发电水头。原或泄水洞的有利地副坝工程单一，不易修当地材料坝 坝基石英砂与板岩互层，右岸北西向大裂隙较多，坝基混泥土坝基为灰形。无副坝，工程单一 坝基为石英岩，岩性坚硬。坝基有断层F8通过。右坝头软弱，夹层为泥膜。岩，岩性不均一，有F7通过。坝址上地质条件 切层的夹泥厚左坝头可能漏水。游不远处有几个断层交汇处。下游离建昌营～秦皇岛大断裂较近。对坝体稳定不利。 6度 同在 7度 坝址位于低山丘陵3~5cm且倾向下游。荞麦岭较单薄。左岸F122断层通过坝肩 地震 交通条件 6度 坝址位于峡谷之III69 7

中，对外交通不便。施工场地狭窄 其它 距离建筑材料场地较远 距离建筑材料场地较远 地带。交通方便，施工场地宽阔 距离建筑材料场地最近 经上述比较，三个坝断岁虽有11条坝线，但适于建坝的仅有I83、“红层线”及IV坝线三条，具体选择哪一条，应做技术经济比较最后确定。本毕业设计以第一坝段的I83为推荐方案。

第二节 坝型确定

某水库，位于北纬10度地区，坝址在峡谷的风口，气温较低，气候寒冷，日气温变化值相差较大，各条坝线的河谷不对称，河谷宽度与坝高之比大于5.0，坝基及两岸岩层有夹有软弱层或夹泥层，故不宜修建拱坝或其他类型的轻型砼土坝。根据本地区的气象特征及坝址区地形、地质条件的实际情况，初步考虑采用当地材料坝和混凝土重力坝两种坝型作为枢纽工程坝型比较的依据。

I83坝线，坝址两岸群山连绵，左岸没有修建溢洪道的地形条件，右岸虽有布置溢洪道的位置，但山体高大。如修建溢洪道，需挖深超过13.0m，开挖土方量约为1560?104m3，工程两浩大，故本坝线选用当地材料坝方案是不经济的。

经上述比较分析，I83坝线以混凝土实体重力坝为宜。 第三节 枢纽布置

比较上述两个方案，方案II虽增加了一条引水隧洞，相应增加了工程费用，但由于减少了土石开挖方量，且增加了6m发电水头，河床的主要建筑物布置相对容易，比方案I更为合理。故以方案II为推荐方案。

8

第三章 坝体剖面设计

在已确定选择实体重力坝的情况下，提高泄流能力，便于运用管理和闸门维修，节省工程投资的角度出发，泄流型式采用开敞溢流式，故按堰顶溢流的泄洪方式进行洪水调节计算。调洪演算采用列表法。 1) 确定工程等别及建筑物级别

根据本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水利部制定的SL252-2000设计标准，水库枢纽工程属大（一）型。主要建筑物按一级设计，辅助建筑物按四级设计，临时建筑物按四级设计。 2) 水库运用方式：

本工程确定采用实体重力坝，为充分利用混凝土坝身能泄水的特点，泄水建筑物选用坝顶溢流式，水库运用期，为尽量提高发电水头，洪水到来之前，不提前泄洪，即汛前限制与正常蓄水位同高，但堰顶高程低于正常蓄水位。正常运用期用闸门挡水，洪水到来时，当上游来水量大于闸门全开时的泄流量时，开始调洪，此时泄流量为起调流量，起调水位即为正常挡水位。

堰顶高程=正常蓄水位-闸门高度=153.70-7=146.7 m 堰高=146.7-69=77.7 m

堰顶水深=正常蓄水位-堰顶高程=153.7-146.7=7 m 设闸门宽15 m，高7 m

堰顶宽度为257m，孔口净宽225m，设15孔，孔口宽15 m a)校核洪水位计算：

Q（校）2/3Ho(校)?()

?mB2g已知Q=29600 (m3?s?1)

净宽B=15*15=225 m 设 流量系数为 0.502 假定?=0.9

Ho(校)?(29600)2/3

0.9*0.502*225*2*9.8 = 16.29 （m）

9

用求得Ho用水力学8-21公式，求?k?0.7,?0?0.45值，查闸墩系数

?k?0.7,?0?0.45

H0H020??1.336m?1 ，应按b?1，代入计算 因b15Ho??1?0.2[(n?1)?0??k]

nb =0.905

用求得?近似值代入公式重新计算

H0

Ho(校)?(29600)2/3

0.905*0.502*225*2*9.8 =16.23（m）

H0H020??1.336m?1 ，仍应按b?1，代入计算。 因b15H0=16.23是正确的。

工程设计中，选用Hd则Hd?0.85Hmax

?16.23*0.85?13.80

Hom?Hdmd计算出m=0.59 ，再代入计算

29600Ho(校)?()2/3

0.905*0.59*225*2*9.8计算Ho(校)

式中：B??堰顶过水净宽

?14.58

H0??包括流速水头在内的堰上总水头

m??堰的流量系数

?S??考虑下游水位对泄流影响的系数，称淹没系数，一般?S＜1。非淹没

10

溢流?S=1

???侧收缩系数，?＜1。无侧收缩系数时?=1

同理可得

计算校核水位：

Ho(校)+堰顶高程=14.58+74.7=89.28 m

计算水深为89.28 m时，A校（左岸tan45o=1, 右岸tan39o?0.81 ）

A校=【（250+89.28?0.81?89.28?1）+250】?89.28?2

故A校=29533.68（m（校） 计算此时流速V02）

Q校=29600m3

Q?29600?1.002m/sV0（校）= A29533.68H0(校)=H校核水位为:

14.53+146.70=161.23（m） b)设计洪水位计算：

1.002校+V0（校）2g=14.58?2?9.82=14.53(m)

Q（设）2Ho(设)?()?mB2g/3

3?1Q设=22480 (m?s) 已知

?=0.905

m=0.59

B=15?15=225（m）

224802/3Ho(设)?() 计算

0.905*0.59*225*19.6Ho(设)?12.13（m）

H0(设)+堰顶高程=12.13+74.7=86.83 m

11

计算水深为86.83m时，A设（计算水深为92.62 m时，（左岸tan45o=1, 右岸tan39o?0.81 ）

A设=【（250+86.83?0.81?86.83?1）?250】?86.83?2

故A设=28530.70 m2

V3Q22480m0（设）=??0.788（s） A28530.702V0设H0设=H设+2g

故H0设=14.53 m

设计水位为：12.13+146.70=158.83 m ho(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 A(m2) X(m) R(m) C(m1/2/s) 33.294 37.359 39.958 41.904 43.480 44.808 45.939 46.979 47.895 48.729 49.494 50.190 50.861 51.477 52.058 52.605 53.124 Q(m3/s) 263.239 837.626 1650.117 2620.746 3883.624 5274.784 6823.327 8558.688 10438.491 12470.849 14650.767 16959.959 19442.508 22047.616 24791.437 27668.781 30679.801 250.905 252.701 0.993 503.620 254.115 758.145 255.530 1014.480 257.002 1272.625 258.358 1532.580 259.772 1794.345 261.864 2057.920 262.601 2323.305 264.015 2590.500 265.429 2859.505 266.843 3130.320 268.627 3402.945 269.672 3677.380 271.086 3953.625 272.500 4231.680 273.914 4511.545 275.329 1.982 2.967 3.947 4.926 5.900 6.852 7.837 8.800 9.760 10.716 11.653 12.619 13.565 14.509 15.449 16.386 查下游水位与流量z~q关系曲线

校核洪水流量Q=29600 下游水深 Z=16.7 m 设计洪水流量Q=22480 下游水深 Z=14.1 m

12

正常运用条件下

1、坝顶高程的确定

由于风的作用，在水库内形成波浪，它不但给闸坝等挡水建筑物直接施加浪压力，而且波峰所及高程也是决定坝高的重要依据。浪压力与波浪要素有关，波浪要素包括波浪的长度、高度及波浪中心线高出静水位的高度。 1、波浪要素计算

波浪要素计算，一般采用以一定实测或试验资料为基准的半理论半经验方法。平原、滨海地区水库，宜采用南京水利科学研究院在福建莆田海浪实验站经6年观测分析的公式，即莆田试验站公式

hm??平均波高，m

v0??计算风速，m/s，在正常运用条件下，采用相应季节50年重现期的最大风速23.7×1.5=35.55 m/s

D??风区长度（有效吹程），D=3000m

Hm??水域平均水深，153.70-69=84.7 m Tm??平均波周期，S

gD0.45)2ghmgHm0.7v0?0.13th[0.7()]th{} 22gHm0.7v0v00.13th[0.7(2)]v00.0018(9.80?30000.45)29.80?hm9.80?84.70.735.55?0.13th[0.7?()th{}9.80?84.70.735.55235.5520.13th[0.7?()]35.5529.80?hm0.0074 ?0.13th(0.52)th[]35.5520.13th(0.52)9.80?hm?0.13?0.478?th(0.119)35.5520.0018(9.80?hm?0.007395

35.552hm?1.049 m

13

ex?e?xe0.52?e?0.52th(0.52)?x?x?0.52?0.52?0.478e?ee?eex?e?xe0.119?e?0.119 th(0.119)?x?x?0.119?0.119?0.118e?ee?egTmgh?13.9(2m)0.5v0v09.80Tm9.80?1.0490.5?13.9() 35.5535.5529.80Tm?1.25435.55Tm=4.549 m

由Hm和Tm可用理论公式算出平均波长Lm

2gTmLm?

2?9.80?4.5492 ?

2?3.14 ?32.292m

hz?2?h1%Lmcth2?H Lm3.14?1.0492??1 32.292?0.107he??安全超高，坝的安全级别是?级，?he?0.7?h?h1%?hz?he

?1.049?1.07?0.7

?2.819m

?h??防浪墙顶与正常蓄水位或校核洪水位时的高差

坝顶高程?正常蓄水位??h

=153.7+2.819

14

=156.519 m

正常运用条件下

设计情况下P=0.1%坝顶高程的确定

v0??计算风速，m/s，在正常运用条件下，采用相应季节50年重现期的最大风速23.7×1.5=35.55 m/s

D??风区长度（有效吹程），D=3000m

Hm??水域平均水深，158.83-69=89.83 m Tm??平均波周期，S

gD0.45)2ghmgHm0.7v0?0.13th[0.7(2)]th{} 2gHm0.7v0v00.13th[0.7(2)]v00.0018(9.80?30000.45)29.80?hm9.80?89.830.735.55?0.13th[0.7?()]th{}229.80?89.8335.5535.550.13th[0.7?()0.7]235.559.80?hm0.0074?0.13th(0.488)th35.5520.13th(0.488)9.80?hm ?0.13?0.453?0.126235.559.80?hm?9.3780.0018(?hm?0.957ex?e?xe0.488?e?0.488th(0.488)?x?x?0.488?0.488?0.453e?ee?e x?x0.126?0.126e?ee?eth(0.126)?x?x?0.126?0.126?0.125e?ee?e15

gTmgh?13.9(2m)0.5v0v09.80?Tm9.80?0.9570.5?13.9?()35.5535.5529.80?Tm?1.19735.55?Tm?4.342m由Hm和Tm可用理论公式计算出平均波长Lm

2gTmLm?

2?

9.80?4.3422? 2?3.14 ?29.420mhz?2?h1%Lmcth2?h Lm3.14?0.9572??1 29.420?0.098he??安全超高，坝的安全级别是?级，?he?0.7?h?h1%?hz?he?0.957?0.098?0.7

?1.755m

坝顶高程?设计水位??h设 =158.83+1.755 =160.585 m

非常运用条件下

校核情况下P=0.02%坝顶高程的确定

v0??计算风速，m/s， 多年平均最大风速为23.7m/s

D??风区长度（有效吹程），D=3000m

16

Hm??水域平均水深，161.23-69=92.23 m 158.83-69=89.83m Tm??平均波周期，S

gD0.45)2ghmgHm0.7v0?0.13th[0.7()]th{} 22gHm0.7v0v00.13th[0.7(2)]v00.0018(9.80?30000.45)29.80?hm9.80?92.230.723.7?0.13th[0.7?()th{}229.80?92.2323.723.70.70.13th[0.7?()]223.79.80?hm?0.13th(0.977)th（0.109）223.79.80?hm ?0.13?0.752?0.109223.79.80?hm?5.9850.0018(?hm?0.611ex?e?xe0.977?e?0.977th(0.977)?x?x?0.977?0.977?0.752e?ee?e x?x0.109?0.109e?ee?eth(0.109)?x?x?0.109?0.109?0.109e?ee?egTmgh?13.9(2m)0.5v0v09.80?Tm9.80?0.6110.5?13.9?()23.723.729.80?Tm?1.43523.7?Tm?3.470m由Hm和Tm可用理论公式计算出平均波长Lm2gTmLm?

2?

9.80?3.4702? 2?3.14

?18.790mhz?2?h1%Lmcth2?H Lm17

3.14?0.6112??1 18.790?0.062he??安全超高，坝的安全级别是?级，he?0.5?h?h1%?hz?he?0.611?0.062?0.5

?1.173

坝顶高程?校核洪水位+?h校 =161.23 +1.173 =162.403 m

第四章 非溢流坝剖面设计

坝顶宽度是7%～9%的坝高

18

坝顶宽度=8% x（162.403-64）=8m （162.276 -60）=8m

1x? ?x?10.667 0.758设计：158.83-10.667=148.163 m 159-10.667=148.333m 开挖深度为已知的取5m，坝基底高程为 69-5=64m 72-12=60m

一、

设计

1、 竖向力（自重）

W1?8?(162.403?64)?24?18893.376KN(?) W2?(148.163?64)?62.94/2?24?63566.631KN(?)

W3?112rmH2??9.8?0.75?(83.1?64)2?1340.677KN(?) 22?W?W1?W2?W3?18893.376?63566.631?1340.677?83800.684KN(?)

62.94?88??31.47m22

70.941W2?0:?8?62.94??6.49m23W1?0:W3?0:70.941??(83.1?64)?0.75?30.70m 23M1?18893.376?31.47?594574.543KN.mM2?63566.631?6.49?412547.435KN.mM3?1340.677?30.70?41158.784KN.m?M?M1?M2?M3?1046149.659KN.m2．水平力

11rH12??9.8?94.592?43841.614KN(?)2211P2?rH22??9.8?19.12?1787.569KN(?)

22?P?P1?P2?43841.614?1787.569?42054.045KN(?)P1?(158.59?64)?31.53m3

(83.1?64)P2?0:?6.367m3P1?0:P?M1?43841.614?31.53?1382326.09KN.mP?M2?1787.569?6.367?11381.452KN.m19

w10 w11 6.86×1.52×24×15 14.16×74.25×24×15 3753.8 378496.8 0 0 0

0 37.125-0.4-6.86÷3=34.438 37.125-74.25÷2=0 2049910.8 0 ??12闸墩 w17 (?2?12.5?2)?1.55?24 10468.1 237.125-(5.7-1)-15÷2=24.925 260917.4 合计 1347493 1347493 9688255.2 5717706.6 3970548.6

重力坝荷载计算表（工况2）——校核

荷载 计算式 垂直力（KN） ? ? 水平力（KN） 对截面形心力臂 （m） 力矩（KN?m） + ? ? ? 自重 水?w 1347493 1347493 见表设计（工况3） 9688255.2 P1 0.5?9.8?94.212?15 652351 (158.21?64)?3 20485995.9 40

平 P2 水压 ?P 力 泥沙 压力 扬 压 力 0.5?9.8?21.72?15 34610.42 (85.7?64)?3 378440.41 652351-34610.42 617740.6 31.4+7.233 20107555.5 Pn1 0.5?9?(93.9?64)2?tan2(45?? 12?)?1539571.724 U1 9.8?21.7?68.84?15 219592.72 0 0 U2 U3 9.8?7?0.25?75.81?15 19502.12 84828.9 18.97?61.84?9.8?15 268.257 597252.43 ? 2268.8461.84552377.5 ?7?23 U4 ?U7?(75.11?18.78)?9.8?15 2 28981.8 352906 68.847? 23 887567.6 932442.6 352906 41

动水 压力 合计 Px 9.8?117?34.42?15 9.81(cos26??cos53.13?) 18030.8 26.16?15?15? 511286.7 cos(39.565??26?) Py 9.8?117?34.42?15 9.81(sin26??sin53.13?)4987.09 37.125?15?sin26??15?sin(39.565??26?)?0.4 2123274.2 1034158.7 599709.8 22651985.6 42

校核 f' 0.65 c' ?W ?P ?M A 68.84×17 T 68.84×17 500 1034158.7 599709.8 －22651985.6 校核情况下：

f'?w?c'A k??p' ?0.65?1034158.7?500?(68.84?17)

599709.8 ?2.1＜2.5

不满足要求，应该采取以下措施：

由于基本组合和特殊组合的稳定系数k'?3.0不能满足要求可以采取以下措施： 当校核坝体的稳定安全系数不能满足要求时，除改变坝体的剖面尺寸外，还可以采取以下的工程措施提高坝体的稳定性。

（1）利用水重。可以将坝体的上游面做成倾向上游的斜面或折坡面，利用坝面上的水重增加坝的抗滑力，达到提高坝体稳定的目的。

（2）将坝基面开挖成倾向上有的斜面，借以增加抗滑力，提高稳定性。当基岩为水平层状构造时，此措施对增强坝的抗滑稳定更为有效。有意将坝踵高程降低，使坝基面倾向上游，但这种做法将加大上游水压力，增加开挖量和混凝土浇注量，故较少采用。当基岩比较坚固时，可以开挖成锯齿状，形成局部的倾向上游的斜面，提高坝基面的抗剪能力。

（3）设置齿墙。根据地质条件，当坝基内有向下游的软弱面时，可在坝踵部位设置深入基岩的齿墙切断较浅的软弱面，迫使可能滑动面沿齿墙底部或同部分基岩一起滑动，因而增加了滑动体的重量，同时也增大抗滑体的抗力。有时工程采用大型的混凝土抗滑桩。

（4）坝主要可以采用：抽水措施。因为本坝的下游尾水位较高，坝体承受浮托力较大，可考虑在坝基面设置排水系统，定时抽水以减少坝体的扬压力。

（5）加固地基。提高坝基面的抗剪断参数f'、c'。因为设计和施工时，应保正混泥土与基岩结合良好，不沿接触面滑动，这样可以利用混泥土或岩块的

f'、c'值。对坝基岩石完整性较差时，则应采用固结灌浆加固地基，并做好帷

43

幕灌浆和断层、破碎带及软弱夹层的处理等。

（6）横缝灌浆。对于岸坡坝 段或坝基岩石有破碎带夹层时，将部分坝段或整个坝体的横缝进行局部或全部灌浆，以增加坝体的整体性和问稳定性，

（7）预应力锚固措施。在靠近坝体上游面，采用深孔锚固高强度钢索，并施加预见应力，即可增加坝体的抗滑稳定性能，又可消除坝踵处的拉应力。国外有些支墩坝，在坝趾处采用施加预应力的措施，改变合力R的方向，使 增大，从而提高坝体的抗滑稳定性。 〈2〉上游面垂直正应力

u? ?y?w6?M?2 TT 式中：T——坝体计算截面上游，下游方向的宽度

?w——计算截面上全部垂直力之和（包括扬压力下同）

W向下为正，对于实体重力坝，计算时切取单位长度坝体（下同）

?M——计算截面上全部垂直力及水平力对于计算截面形心的力矩之和，以

使上游面产生压应力者为正 校核情况下：

?w6?M?2 TT1034158.76?(?22651985.6)? ?

68.84?1768.842?17u?y? =－803.1 KN/m]

〈3〉下游面垂直正应力 校核情况下：

?w6?M?2 TT1034158.76?(?22651985.6)? ?

68.84?1768.842?17d?y? =2570.3 KN

44

三、 溢流坝剖面设计

溢流坝由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。

1、布置（见总体布置） 2、剖面尺寸拟定

<1>孔口尺寸拟定：在水文计算中采用孔口净宽为225m。堰顶高程为143.7m

3进行调洪计算，得此时下泄流量，设计洪水时Q=22480ms校核洪水时Q=29600

m3s。所以校核洪水时的最大单宽流量为：

30

q校核=29600÷225=131.6

由于本工程坝基为石英砂岩与板岩互层，属较好地基，适用于q=100～150m3(s?m)的范围，该值是下限值，属重点保护对象。限制了洪水期的回水淹没，所以不在修改。根据目前大中型坝的闸门宽度，常用8～16m，为了保证泄洪时闸门对称开启，设15孔闸门，每孔净宽为15m较为合理。

<2>溢流坝面曲线设计：定型设计水头Hd的选择，通过调洪演算溢流堰顶高程确定为143.7m，堰上定型设计水头Hd=12.12，堰上最大水头Hmax=14.56m，

则Hd/Hmax=12.12/14.56=83%，在规定范围内是合理的，

(bHd?y)2x2堰顶上游侧采用椭圆曲线，其方程为：??1 22(?Hd)(bHd)求?Hd、bHd——椭圆曲线的长半轴和短半轴（当P1Hd?2时）

P1Hd=74.7/12.12×0.85=5.239 > 2 A=0.28～0.30,a/b=0.87+3a; 根据闸门布置要求：取a＝0.30,即

a/b=0.87+3a=0.87+3×0.30=1.77 故b=0.17

(?Hd)2?(0.30?12.12)2?13.22 (bHd)2?(0.17?12.12)2?4.25

x2(2.06?y)2??1 13.224.251）上游坝面高程160.741～162.726m垂直，以下坡度3：0至坝基高程72.0m，上游坝面为铅直时，即为WESI型堰。该堰用于高溢流坝，此时下游堰面曲线方程为k=2,n=1.85

2）溢流剖面堰型采用冥曲线，其方程为

x1.85?2Hd0.85y?2?12.120.85y 故可得冥曲线方程为x1.85?16.67y，

31

m的适用范围(0.6～0.8),取m=0.75,

nxn?11y???

n?1kHdm1.85x0.852*12.120.85?

0.751.85x0.85?22.23

x?18.634

xn?kHdn?1y

18.6341.85?2?12.121.85?1y

?y?13.429 tan??y?=

1 m

tan??11?，故?1?53?07?48?? m0.753）直线段和反弧段切点D和反弧圆心坐标的确定。根据鼻坎高于下游水位1m左右的要求，确定鼻坎高程?坝?86.7m，挑角由工程类比经验和试验成果取得?2?26?，下游河床高程69m，以0.02%洪水为控制情况，上游水位158.21m，下游水位为85.7m。

V?1.1?2gS，闸墩厚度d=2m,n=15孔，b=15m,则

q坎?Q29600??117m3(s?m)

nb(n?1)d15?15?(15?1)?2反弧半径的确定，经试算拟定R=15m，此时反弧最低点高程为

???坎?Rcos?2?R?86.7?15?cos26??15?85.18m

kE?q坎gE1.5?1179.81?(158.21?85.18)1.5?0.0599

??31?0.055KE0.5?31?0.0550.05990.5?0.919

32

S=上游水位－反弧最低点高程＝158.21－85.18=73.03m

V?1.1?0.919?2?9.81?73.03?38.27ms hc?qV?11738.27?3.06m

为了保证有较好的挑流条件，反弧半径R至少应大于反弧段最低点处水深

hc的4～10倍，故取反弧半径R=15 m，是符合要求的。 圆心高程：

?0??坎?Rcos?2?86.7?15?cos26??100.18m y0=143.7-100.18=43.52m 直线段和反弧切点D为

yD?Rcos?1?y0?15?cos53?07?48???43.52?52.52m

xD?xc?yD?yc tg?152.52?13.429

(1/0.75) ?18.634? =47.95 m

x0?xD?Rsin?1?47.95?15?sin53?07?48???59.95m （圆心到堰顶水平距离）

〈3〉溢流坝坝基宽度：鼻坎到堰顶的水平距离为 x顶?x坎?x0?15sin?2

?59.95?15?sin53?07?48?? =71.46 m

附加上鼻坎处削角厚度0.4m，堰顶上游侧椭圆段水平距离

0.175Hd?0.175?12.12?2.121m 0.276Hd?0.276?12.12?3.345m

0.282Hd?0.282?12.12?3.418m33

2、挑距估算

连续式挑流鼻坎的水舌挑射距离，可按以下式子估算 L??L??L 其中L?122[v1sin?cos??vcos?vsin11g2?2?(gh1?h)]2

?L?Tcot?

式中L???冲坑最深点到坝下游垂直面的水平距离，m

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，m ?L??水舌外缘与河床面交点到冲坑最深点的水平距离，m

V1??坝顶水面流速，m/s，按鼻坎处平均流速V的1.1倍计，即

v1?1.1v?1.1?2gH0 (H0为水库水位至坝顶的落差，m)

? ???鼻坎的挑角，（）；h1??坝顶垂直方向水深，m，h1?hcos?（h为坎顶平均水深）h2??坝顶至河床面高差，m，如冲坑已形成，作为计算冲坑进一步发展，可算至坑底?--堰面流速系数

?--水舌外缘与下游水面的夹角 设计情况下挑距估算 v1?1.1?2gH0

?1.1?0.919?2?9.81?(155.79?86.7) =37.22（m/s） Q设/V设?A?B?h设 h设? h设?

Q设 V设B22480?2.39 m

37.22?（225?2?14）h1?2.39?cos26??2.15mh2?(86.7?69)?17.7m

34

L?12 [v1sin?cos??v1cos?v12sin2??2g(h1?h)]2g

?1?[37.222?sin26?cos26??37.22?cos26?37.222?sin226??2?9.81?(2.15?17.7)]9.81=142.96 m

k---基岩冲刷系数，难冲，取 k-=0.8 tk?0.8?91.790.5?72.690.25?22.38m 2.5?tk?2.5?(22.38?14.1)?20.7 m L=142.96 m＞20.7 m ， ∴满足要求

校核情况下挑距估算 v1?1.1?2gH0

?1.1?0.919?2?9.81?(155?86.7) =37.01 m/s

h校??Q校 V校B29600?3.16m

37.01?（225?2?14）h1?3.16?cos26??2.84mh2?(86.7?64)?22.7mL??

12[v1sin?cos??v1cos?v12sin2??2g(h1?h2)] g1?[37.012?sin26?cos26??37.01?cos26?37.012?sin226??2?9.81?(2.84?22.7)]9.81 =148.76 m

tk?0.8?94.210.5?72.510.25?22.66m 2.5?tk?2.5?(22.66?16.7)?14.9m L=148.76 m＞14.9 m ， ∴满足要求

35

溢流坝稳定和应力计算

该坝轴线取一孔宽15 m为单位进行计算，坐标、荷载见如下图。为了便于区别上、

u下游边缘应力。分别用 “u”、“d”标注，如?y表示上游边缘垂直正应力。

<1>坝基截面（64 m高程）。为了分析在各种荷载组合下的稳定和应力，计算按三种工况考虑

校核洪水位，闸门全开情况下，水压力、自重等荷载对坝基截面的作用力。 具体计算见如下表，为荷载示意图关于几个荷载计算的说明 <2>自重w1的计算：

1在荷载图上，w1横截面为椭圆图形，查《建筑结构计算手册》求图形的面积和

4?bh形心面积：A?

4??2.5?2.0?

4?3.927m2

形心：x1=0.576h=0.576×2.5=1.44 m 因此：w2=3.927×24×13=1225.224 KN

M2=1225.224×（37.125-2.6-1.44）=40536.536 KN?M <3>自重w3的计算

幂曲线所包面积用积分进行计算，算到闸墩末为止，见如图2所示 图中阴影以外面积A??1x1.85dx?0.451m2

017.8003阴影部分面积3×2-0.451=5.549m2 因此：w3?5.549?24?13?1731.288KN

自重w3产生的弯矩：先求出阴影以外部分的面积矩

1s??(x1.85)?dx?1.002

017.8003则阴影内这部分面积形心距坐标O的水平距离为

36

32?2?0.5?1.002x??1.441

5.549则弯矩M3?1731.288?(37.1252.6?2.5?1.441?) =52949.712 KN.M <4>反弧段w10、w11的计算： 面积：A=0.5×3×2=3 m2

11形心：b??3?1m

33

W=3×24=72 KN

2力臂： 3??3?1m

32 M反弧?72?(3??3)?72KN/m

3<5>校核情况下动水压力的计算：取??0.919 反弧段平均流速v??2gH ?0.919?2?9.81?71.51

?34.42m/s

式中：H——上游水位至反弧鼻坎高差，即H=158.21-86.7=71.51m 因此：单宽流量q?水平动水压力px??14412?123.18m3/(s?m) 117rqvb(cos?2?cos?1) g9.8?123.18?34.88?15?(cos26??cos53.13?)

9.81?18030.8KN

垂直动水压力py?rqvb(sin?2?sin?1)

g?9.8?117?34.42?15?(sin26??sin53.13?)

9.81?74730.09KN

反弧中心角

26??53.13??39.565?

2反弧最底点高程：86.7?15?(1?cos26?)?84.18m

37

力矩Mx?18030.8?[26.1615?15?cos(39.565?26??)]?479230.4?KN?m

My?74730.09?[37.125?15?sin26??15?sin(39.565??26?)?0.4]?2972954.83KN?m38

溢流坝荷载计算表（工况3）——设计

荷载 计算式 3.927×24×13×15 6.11×3.35×24×13 5.549×24×13 7.77×18.84×24×15 0.5×6.69×5.55×24×15 38.13×24.39×24×15 38.13×28.61×24×15 53×6×24×15 12×6×24×15 垂直力（KN） ? ? 水平力（KN） 对截面形心力臂（m） 37.125-2.6-1.44=33.085 37.125-3.35÷2=35.45 力矩(KN?m) + 40536.5 226389.8 - 1254753 665884.8 ? ? w1 w2 w3 坝 体 自 18378.36 6386.172 1731.288 52699.248 6683.31 334797 392724 114480 25920 37.125-2.6-2.5-1.441=30.584 52949.7 37.125-18.84÷2=27.705 1460033 w4 w5 w6 w7 w8 w9 37.125-5.55÷3-18.84=16.435 109840.2 37.125-24.39÷2=24.93 37.125-[24.39+（65-12-24.39）=3.195 37.125-53÷2=10.625 37.125-6.68-2÷3×6.86=25.69 8346489 1216350 重 39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/g29f.html