朱家灘水電站設(shè)計(jì)水工建筑物課程設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 基本資料31.1 工程概況31.2 工程規(guī)模31.3 流域概況31.4 氣象資料41.5 水文資料41.5.1洪水41.5.2泥沙51.5.3河道水位流量關(guān)系曲線51.6 地質(zhì)資料71.6.1壩址區(qū)工程地質(zhì)概況7（1）地形地貌7（2）地層巖性71.6.2壩址基巖物理力學(xué)參數(shù)8第二章 工程總體布置9第三章 溢流壩壩體設(shè)計(jì)113.1 泄流方式選擇113.2 洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定113.3 流量的確定113.4 單寬流量的選擇113.5 孔口凈寬的擬定123.6 定型水頭的確定123.7 堰型的確定123.7.1頂部曲線段123.7.2 反弧段設(shè)計(jì)143.8 確定上游水位143.9 消能防沖設(shè)

2、計(jì)163.9.1確定消能形式163.9.2消力池設(shè)計(jì)17（1）護(hù)坦構(gòu)造17（2）消力池長的確定183.10溢流壩穩(wěn)定分析18第四章 沖沙閘設(shè)計(jì)234.1 沖沙閘尺寸設(shè)計(jì)234.1.1泥沙止動流速的計(jì)算234.1.2沖沙流速的計(jì)算234.1.3沉沙槽尺寸的計(jì)算244.1.4閘墩設(shè)計(jì)254.1.5胸墻設(shè)計(jì)254.1.6工作橋尺寸擬訂264.1.7沖砂閘門264.2 沖沙閘防滲設(shè)計(jì)264.3 沖沙閘閘室穩(wěn)定驗(yàn)算274.4消能防沖設(shè)計(jì)314.4.1消力池長度計(jì)算314.4.2消力池深度334.4.3消力池底板厚度計(jì)算334.4.4排水設(shè)備344.4.5止水設(shè)計(jì)354.4.6上下游岸坡防護(hù)35第五章 進(jìn)

3、水閘設(shè)計(jì)365.1 基本資料365.1.1基本尺寸確定365.1.2基本高程確定365.2 水力計(jì)算375.2.1過閘流速確定375.2.2水頭損失計(jì)算375.2.3進(jìn)水閘過流能力驗(yàn)算38第六章 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)396.1 壩頂構(gòu)造396.2 壩體的分縫396.3 止水設(shè)計(jì)396.4混凝土標(biāo)號分區(qū)406.5 壩體排水426.6 廊道系統(tǒng)426.5.1 壩基灌漿廊道436.5.2 檢查及壩體排水廊道43第七章 地基處理設(shè)計(jì)447.1 清基開挖447.1.1 開挖原則447.1.2 開挖設(shè)計(jì)447.1.3 壩基清理447.2 壩基加固447.3 防滲排水457.3.1 帷幕灌漿45（1）帷幕灌漿目的4

4、5（2）帷幕灌漿范圍45（3）帷幕灌漿設(shè)計(jì)467.3.2 壩基排水477.4 軟弱帶處理477.4.1 斷層破碎帶的危害477.4.2 斷層破碎帶處理措施47第一章 基本資料1.1 工程概況朱家灘水電站選擇樞紐布置在朱家灘村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河匯入口1.8km。寶雞峽林家村引水樞紐以上陜西境內(nèi)渭河干流長70km，平均比降3.5，地處深山峽谷，河道蜿蜒曲折，蘊(yùn)藏著豐富的水能資源，朱家灘是該段渭河干流上的梯級開發(fā)中的水電站之一，電站壩址以上控制流域面積是29874.80km2。電站工程南靠310國道，北鄰隴海鐵路對外交通便利、快捷。隨著改革開放的深入發(fā)展，經(jīng)過20多年的建設(shè)，當(dāng)

5、地經(jīng)濟(jì)也得到了長足的發(fā)展，但與東部、南部省市相比，與全國平均水平相比仍有較大的差距。在中央西部大開發(fā)戰(zhàn)略決策感召下，寶雞市各縣（區(qū)）、鄉(xiāng)各級政府，決心開發(fā)當(dāng)?shù)刭Y源，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，確定新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，帶領(lǐng)群眾實(shí)現(xiàn)奔小康目標(biāo)。而朱家灘水電站工程就是陳倉區(qū)、寶雞市政府確定的招商引資項(xiàng)目，為該項(xiàng)目的建設(shè)提供了多項(xiàng)優(yōu)惠政策和方便條件。1.2 工程規(guī)模朱家灘是座低壩引水式電站，有日調(diào)蓄能力。電站攔水壩頂高程687.5m，尾水位674.74m，設(shè)計(jì)水頭12.16m。按長系列分析確定的典型年逐日計(jì)算出力和發(fā)電量，最終確定裝機(jī)容量9600kw，多年平均發(fā)電量3859萬kwh，年利用小時數(shù)為3850h

6、。1.3 流域概況朱家灘水電站位于北緯34°23，東經(jīng)106°51之間，樞紐布置在陜西省寶雞市陳倉區(qū)坪頭鎮(zhèn)上游3.2km的渭河主流上，上游距小水河匯入口1.8km，電站壩址以上控制流域面積29874.80km2，電站處于渭河干流及其流域的中部。渭河發(fā)源于甘肅省渭源縣的烏鼠山，流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西三省26個縣（市），全長818km，總流域面積6.24萬km2。渭河由寶雞風(fēng)閣嶺流入陜西境內(nèi)，于陜西潼關(guān)港口東匯入黃河，是黃河的最大一級支流，也是陜西關(guān)中的母親河。陜西境內(nèi)渭河干流長502km，流域面積3.32萬km2，分別占渭河全長和總流域面積的61.4%和53.2%。壩址以上渭河

7、干流長分別為373.5km，平均比降3.5。林家村水位站控制流域面積30661km2，渭河流經(jīng)甘肅、寧夏、陜西三?。▍^(qū)），甘肅省境內(nèi)流域面積占林家村以上總面積的85%，寧夏占11.07%，陜西境內(nèi)占1.3%。1.4 氣象資料多年平均氣溫12.9，最高氣溫41.6（1973.8.8），最低氣溫-13.9（1977.1.30）；多年平均降雨量683.4mm，實(shí)測最大降雨量948.6mm（1964），實(shí)測最小降雨量434.5mm（1977）；多年平均陸地蒸發(fā)量550mm，水面蒸發(fā)量800mm。流域內(nèi)降雨顯著的特征是時空分布不均，降雨量隨地形海拔高程垂直變化大，山區(qū)高而川道低，二是年內(nèi)分配不均衡，7、

8、8、9、10四個月降雨量占全年的59.7%；三是年際豐枯變化大，豐枯比為2.26。1.5 水文資料朱家灘樞紐布置在坪頭鎮(zhèn)上游3.2km的渭河主干流上，在小水河匯入口下游1.8km處。電站壩址以上控制流域面積29874.80km2，其下游28km處有林家村水文站，控制流域面積30661km2，該區(qū)間流域面積786.2km2 ，占林家村水文站以上流域面積的2.56%。林家村水文站建于1934年，至今已有68年的徑流、洪水、泥沙系列資料（19342001年）。朱家灘處無實(shí)測資料，但其控制流域面積與林家村水文站控制流域面積僅相差2.56%，就以林家村水文站為參證站來分析該座水電站的水文特性，朱家灘水電

9、站進(jìn)行水文分析。1.5.1洪水壩址以上渭河干支流上未建大型蓄水工程，故林家村洪水不需要進(jìn)行還原計(jì)算，直接采用該站實(shí)測洪水資料。洪峰流量選樣的方法采用年最大值法，即每年只選取最大一次的瞬時洪峰流量作為頻率計(jì)算樣本。作年最大洪峰流量與歷時關(guān)系圖（圖2-3），在1944-2001年的58年系列中，大洪水有1954年、1959年、1981年，一般洪水有1949年、1988年；而干旱年有1982年、1974年、1994年。歷年洪水豐枯交替出現(xiàn)，變幅較大。一般間隔3-4年，多者7-8年就會出現(xiàn)一次豐水年。根據(jù)林家村（19442001）58年系列洪水資料，加1933年歷史調(diào)查洪水q=6890 m3/s，進(jìn)行

10、頻率分析采用皮-型頻率曲線目估適線，得出林家村水文站不同頻率的洪峰流量，再用面積比擬法換算到朱家灘水電站壩址處，其洪水成果詳見表。表11 洪峰流量成果表站名各種頻率年徑流量（億m3）0.10%0.33%0.50%1%2%3.30%10%林家村9782799573786356534646263072朱家灘96147858725162475254454730191.5.2泥沙林家村水文站每年平均懸移質(zhì)輸沙量為1.5771億t，推移質(zhì)輸沙量為0.0287億t。1.5.3河道水位流量關(guān)系曲線天然情況下各斷面水位流量關(guān)系曲線采用均勻流計(jì)算公式：式中： a斷面過水面積r水力半徑c謝才系數(shù)，c=r1/6/n

11、，n為糙率i河道斷面處縱向比降壩址河段縱比降i=3.5，河床糙率n=0.057，原河段天然河床斷面水位流量關(guān)系曲線如下圖。根據(jù)各站壩址處河段縱向比降i和n，可得各站壩址水位流量關(guān)系曲線。見圖11。圖11 原河段天然河床斷面水位流量關(guān)系曲線1.6 地質(zhì)資料本區(qū)屬穩(wěn)定性較差地區(qū)，區(qū)內(nèi)次級構(gòu)造活動痕跡明顯，在基巖山體中，“x”型節(jié)理和小的褶曲較發(fā)育，在多期巖漿侵入活動影響下，巖體非常破碎。根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（gb18306-2001）規(guī)定，工程區(qū)抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g。1.6.1壩址區(qū)工程地質(zhì)概況（1）地形地貌工程區(qū)位于秦嶺中低山區(qū)，渭河蛇曲發(fā)育，自西向東流

12、經(jīng)本區(qū)，地面高度675m（渭河河谷）1243.8（強(qiáng)家山）。渭河兩岸山體陡峻，基巖大都裸露，局部表層覆蓋少量坡積物和第四系黃土及黃土狀土。渭河河道寬度200400m，兩岸階地呈不對稱發(fā)育，左岸大多數(shù)被侵蝕，右岸殘留一級、二級及三級階地，一級階地高出河床45m，最寬可達(dá)400500m，二、三級階地僅殘存一小部分。河谷兩岸支流分布有一級階地，階地堆積物二元結(jié)構(gòu)清晰，上部黃土、壤土夾碎石，下部卵（礫）石。（2）地層巖性上壩址引水樞紐位于碼頭村東北渭河干流上，該段河谷部寬150300m，寬3845m，河床高程679683m，河漫灘表面高程682.31686.59m，河床漫灘堆積的卵石層厚度13.022

13、.1m。左壩肩山坡巖石體裸露，坡面傾角4050度。右壩山坡高呈687.0m以下巖體裸露，岸坡陡立，以上為黃土斜坡，坡面角度20度左右，無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。地質(zhì)特性從上至下概況如下：中沙層（q4a1+p1）：黃褐色，長石、石英質(zhì)，均粒結(jié)構(gòu)，稍濕飽和，松散稍密狀態(tài)，層厚1.6-6.5m。卵石層（q4a1+p1）：由石英巖、花崗巖碎塊組成，亞園形，一般粒徑5-8cm，最大30cm，充填沙15%。該層遍布場地，稍密狀態(tài)，層厚3.9-14.7m。漂石層（q4a1+p1）：由石英巖、花崗巖碎塊組成，亞園形，一般粒徑20-25cm，最大90cm，充填沙10%，松散稍密，分布廣，層厚1-13.6m。園礫層（q

14、4a1+p1）：由石英巖碎塊組成，亞園形，一般粒徑2-15mm，最大約50cm，充填沙10%，夾卵石薄層，松散稍密狀態(tài)，在左岸呈凸鏡體分布，層厚2-5.1m?；鶐r層（r5）：花崗巖，淺褐色，主要礦物為長石，石英巖次之，或黑云母，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀結(jié)構(gòu)，少量裂隙，中等風(fēng)化?；鶐r埋深17-26.3m，巖石分類為類。壩址處地層強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)k=85.6m/天。中砂層有振動液化的可能，應(yīng)挖去。1.6.2壩址基巖物理力學(xué)參數(shù)壩基砂卵石層物理、力學(xué)指標(biāo)建議值表如下表12。 表12 砂卵石層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表地貌地層滲透系數(shù)(m/d)允許水力坡降（i）承載力基本值f0 (kpa)變形模量e0 (mpa)摩

15、擦系數(shù)f6砂卵石550.1380260.55兩壩肩弱風(fēng)化花崗巖巖體裂隙發(fā)育，比較破碎，巖石和飽和單軸抗壓強(qiáng)度rb=90100mpa，巖體縱波速度vp=20003750m/s，完整系數(shù)kv=0.110.39，巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)bq=237378，基本質(zhì)量級別iiiiv級，巖體物理、力學(xué)指標(biāo)建議值如下表13。 表13 壩基巖體力學(xué)指標(biāo)建議值表 巖石名稱密度抗剪斷強(qiáng)度變形模量泊桑比fcg/cm3mpagpa花崗巖2.450.80.650.3第二章 工程總體布置根據(jù)水利水電工程等級劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)（sl252-2000）規(guī)定，朱家灘裝機(jī)9600kw，為五等工程，即?。?）型水電工程，其主要建筑物為5級建

16、筑物。故朱家灘水電站樞紐設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，相應(yīng)洪峰流量q=3019 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，相應(yīng)洪峰流量為q=5254 m3/s，廠區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量q=4547 m3/s，50年一遇洪水校核，相應(yīng)洪峰流量q=5254 m3/s。經(jīng)多方案比較，朱家灘水電站選擇樞紐布置在朱家灘村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河匯入口1.8km。進(jìn)水閘、沖砂閘布置在左岸，廠區(qū)布置在朱家灘下游100m渭河一級階地上，該處的主流靠左岸，河岸開闊有利于布置水電站建筑物。本引水樞紐工程由三大部分組成，攔河溢流壩、沖沙閘及進(jìn)水閘，附屬工程有上游防滲、下游消能工程，包括消

17、力池、海漫、防沖槽，工程范圍內(nèi)的兩岸翼墻及護(hù)岸工程。右岸為進(jìn)水閘，與溢流壩軸線夾角為34°，閘底板表面高程為681m，閘孔寬為2.5m，設(shè)胸墻頂部高程為695m，底部高程為685m,胸墻高10m。閘室用c30砼澆筑，閘門為寬2.5m，高4m的平面鑄鐵閘門。壩軸線垂直河道，壩布置在河中及左岸。溢流壩長130m，壩高14m，壩底寬15.3m，壩頂高程687.5m，壩底高程678.0m。壩體內(nèi)填充m7.5漿砌石，表面為c15混凝土。沖沙閘布置在右岸靠近進(jìn)水口一側(cè)，沖沙閘3孔，每孔寬4m。沖沙閘為敞開式，上部設(shè)11m高胸墻，閘門為4×5m的平面鑄鐵閘門，四扇。左邊墩厚2m，中墩寬2

18、m，右邊墩寬2m。閘底板頂面高程679m，閘關(guān)閉后閘門頂高程684m，。閘室頂部高程700m，工作閘門閘墩凈高16m，上設(shè)啟閉機(jī)及啟機(jī)房；檢修閘門閘墩凈高11m。壩、沖沙閘下游均采用底流消力池消能，在壩址下游設(shè)消力池,消力坎等,促使水流在限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍,通過水流內(nèi)部的旋渦、摩擦、摻氣和撞擊消耗能量。消力池底高程678.0m，池長39m，深2m，池尾檻高程為680.0m，池用c25混凝土澆筑。有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范見表5-1。表2-1 有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范序號名稱標(biāo)準(zhǔn)編號1水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)sl25220002防洪標(biāo)準(zhǔn)gb50201943水利工程水利計(jì)算規(guī)范sl104954水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

19、規(guī)范sl44935水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范dl507719976建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范gb5000920017水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范sl/t19120088水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）sdj20789堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范gb502869810城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范cjj509211水利水電工程設(shè)計(jì)工程量計(jì)算規(guī)定sl328200512水利水電工程初步設(shè)計(jì)報告編制規(guī)程dl50219313水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范sl303200414水電水利工程圍堰設(shè)計(jì)導(dǎo)則dl/t5087199915水電水利工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)導(dǎo)則dl/t51142000第三章 溢流壩壩體設(shè)計(jì)3.1 泄流方式選擇溢流重力壩既要擋水又要泄水

20、，不僅要滿足穩(wěn)定和強(qiáng)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(chǎn)生空蝕破壞。重力壩的泄水方式主要有開敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外還可以排除冰凌或其他漂浮物；設(shè)置閘門時，閘門頂高程大致與正常高水位齊平，堰頂高程較低，可利用閘門的開啟高度調(diào)節(jié)水位和下泄流量，適用于中小型工程，采用開敞式溢流水庫有較大的泄洪能力，本設(shè)計(jì)采用開敞式溢流。3.2 洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定洪水標(biāo)準(zhǔn)的確定：本次設(shè)計(jì)的溢流重力壩是級建筑物，根據(jù)gb5020194表采用10年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，50年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。3.3 流量的確定流量的確定：根據(jù)基礎(chǔ)資料可知，設(shè)計(jì)情

21、況下，溢流壩的下泄流量為3019m3/s；在校核情況下溢流壩的下泄流量為5254m3/s。 3.4 單寬流量的選擇一般來說，當(dāng)河谷狹窄、基巖堅(jiān)硬，且下游水深較大時，可選用較大單寬流量，以減小溢流前緣寬度，便于樞紐布置；當(dāng)河床基巖較軟弱或存在地質(zhì)構(gòu)造等缺陷時，該值應(yīng)較小些。以往一般情況，軟弱基巖2050m3/(s.m),較好基巖5070 m3/(s.m),特別堅(jiān)硬完整基巖100150 m3/(s.m)。由該壩址區(qū)的地質(zhì)資料及工程地質(zhì)概況可知該壩址處基礎(chǔ)節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石軟弱，綜合樞紐的布置及下游的消能防沖要求，故可取單寬流量為45m3/（s.m）。3.5 孔口凈寬的擬定孔口凈寬擬定，分別計(jì)算設(shè)計(jì)

22、和校核情況下溢洪道所需的孔口寬度，計(jì)算成果如下表： 表31 不同情況下的孔口凈寬計(jì)算情況流量(m3/s)單寬流量qm3/(s.m)孔口凈寬b（m）設(shè)計(jì)情況3019(10%)4567.09校核情況5254(2%)45116.76根據(jù)以上計(jì)算，溢流壩孔口凈寬取b=130m，因?yàn)橐缌鲏伟匆豢自O(shè)計(jì)，則溢流前緣長度為l=130m。3.6 定型水頭的確定堰上最大水頭hmax=校核洪水位堰頂高程=693.15-687.5=5.65（m）；定型設(shè)計(jì)水頭hd=（75%95%）hmax=4.245.37（m）；取hd=4.8，hd/hmax=4.8/5.65=0.85，查表知壩面最大負(fù)壓為：0.2hd = 0.2

23、×4.8=0.96（m），小于規(guī)范的允許值（最大不超過36m水柱）,故最終確定hd=4.8m，滿足要求。3.7 堰型的確定溢流面由頂部曲線段、中間直線段和下部反弧段三部分組成。設(shè)計(jì)要求：（1）有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；（2）水流平順，不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞；（3）體型簡單，造價低，便于施工等。3.7.1頂部曲線段（1）由于wes溢流曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量教省，壩面曲線用方程控制，容易找到切點(diǎn)位置，施工教方便，故采用wes溢流堰形式。wes溢流剖面堰型采用冪曲線公式如下： 其中定型設(shè)計(jì)水頭，為了防止出現(xiàn)負(fù)壓和得到經(jīng)濟(jì)的剖面，采用堰頂水頭hd=(0.750.95)

24、h0，取hd=0.85 h0=4. 8m。a、b系數(shù)，與堰的上游系數(shù)面傾斜坡度有關(guān)，由水工建筑物課本p106可知，當(dāng)上游面為垂直的時候a=0.5,b=1.85 ；x、y以堰頂最高點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo)?；啚閳D31 wes堰堰面曲線（2）堰頂曲線與堰下游面的連接點(diǎn)：堰頂曲線和下游壩面應(yīng)該是光滑連接，即下游壩面直線是堰頂曲線在交接點(diǎn)的切線。這兩條直線的斜率應(yīng)相等。堰下游面坡度與非溢流壩段的下游面相同為1：m=1:0.7。設(shè)兩曲線相交點(diǎn)坐標(biāo)為（x,y）,易知下游壩面直線斜率為k=1.43,堰頂曲線在焦點(diǎn)處斜率為曲線方程對x求導(dǎo)： 3.7.2 反弧段設(shè)計(jì)堰頂高程687.50m，壩基高程673.50m，溢流壩高

25、度14m。堰頂上游為三段圓弧曲線，下游面為反弧段，堰面方程為；其后接直線段，坡比1：0.7；直線段后接反弧段，反弧半徑根據(jù)下游收縮斷面處水深hc來確定。hc是通過試算得到的。其具體試算過程如下表：表32 上游水位流量關(guān)系h0zh0/hdp1/hdmqhcqeohc'2.0689.50.42.90.4868.60.040.415.51.02.42.5690.00.52.90.51254.22.440.415.51.02.73.0690.50.62.90.51699.62.740.415.51.02.73.5691.00.72.90.52193.92.740.415.51.02.74.06

26、91.50.82.90.52733.12.740.415.51.02.74.5692.00.92.90.53317.32.740.415.51.02.75.0692.51.02.90.53936.92.740.415.51.02.75.5693.01.22.90.54588.02.740.415.51.02.76.0693.51.32.90.55258.52.740.415.51.02.7由以上，試算得到收縮斷面水深：hc=2.69m。下游反弧段半徑宜為r=(410)hc，對于該溢流壩段，考慮到多種因素，取r=7m。一般情況下，壩底寬約為壩高的0.70.9倍，反映在該溢流壩上，底寬為9.812

27、.6m。但是，考慮到該壩屬于低壩，應(yīng)盡量取大值，最終定為15.3m。3.8 確定上游水位由上游水位流量關(guān)系，可以繪制上游水位流量關(guān)系曲線。繪制結(jié)果如下圖：圖32 上游水位流量關(guān)系曲線由以上關(guān)系曲線可以查得：對應(yīng)于校核流量q=5254m3/s時的上游校核洪水位為693.5m，相應(yīng)單寬流量為33.26m3/s，對應(yīng)于設(shè)計(jì)流量q=3019m3/s時的上游設(shè)計(jì)洪水位為691.75m相應(yīng)單寬流量為19.11，m3/s。由下游水位流量關(guān)系曲線可以查得：對應(yīng)于校核流量q=5254m3/s時的下游校核洪水位為688.4m，對應(yīng)的下游臨界水深hk=4.83m，相應(yīng)下游水深ht=10.4m，相應(yīng)共軛水深為9.87

28、m,淹沒系數(shù)j=1.05；對應(yīng)于設(shè)計(jì)流量q=3019m3/s時的下游設(shè)計(jì)洪水位為687m，對應(yīng)的下游臨界水深hk=3.34m，相應(yīng)下游水深ht=9.1m,相應(yīng)共軛水深為7.58m,淹沒系數(shù)j=1.20。當(dāng)一般洪水標(biāo)準(zhǔn)情況下，取q=868.55m3/s時的下游洪水位為685.3m，對應(yīng)的下游共軛水深為4.13m,相應(yīng)下游水深ht=6.9m,淹沒j=1.67。3.9 消能防沖設(shè)計(jì)由于溢流壩下泄的水流具有很大的動能，常高達(dá)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(dǎo)致下游河床被嚴(yán)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(shè)計(jì)對樞紐布置、大壩安全及工程量具有重要意義。水

29、工建筑物及混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范可知消能的設(shè)計(jì)原則是：1）盡量使下泄水流的大部分動能消耗在水流內(nèi)部的紊動中，以及水流與空氣的摩擦上；2）不產(chǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)；4）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，工程量小。3.9.1確定消能形式（1）挑流消能:挑流消能是利用鼻坎將下泄的高速水流向空中拋射,使水流擴(kuò)散,并摻入大量空氣，然后跌入下游河床水墊后,形成強(qiáng)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(jié)構(gòu)簡單、檢修施工方便.但下游局部沖刷不可避免,一般適用于

30、巖基比較堅(jiān)固的高壩或中壩。（2）底流式消能:底流消能是在壩址下游設(shè)消力池,消力坎等,促使水流在限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍,通過水流內(nèi)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(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)及水流霧化等優(yōu)點(diǎn).但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能適應(yīng)于中低壩或基巖較軟弱的河道,高壩采用底流消能需經(jīng)論證。采用底流消能時應(yīng)保證消力池內(nèi)形成穩(wěn)定的水躍，避免產(chǎn)生回流。消力池內(nèi)和尾坎前后要清理干凈，不允許堆積石渣等雜物。（3）面流式消能:面流消能是在溢流壩下游面設(shè)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

31、址，并使主流沿下游水面逐步擴(kuò)散，減小對河床的沖刷，達(dá)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(nèi)有較高抗沖能力，可排漂和排冰。面流消能雖不需要做護(hù)坦，但因?yàn)楦咚偎髟诒砻?，并伴隨著強(qiáng)烈的波動，流態(tài)復(fù)雜，使下游在很長距離內(nèi)水流不平穩(wěn)，可能影響電站的運(yùn)行和下游航運(yùn)，且宜沖刷兩岸，因此也須采取一定的防護(hù)措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流壩址設(shè)置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(nèi)產(chǎn)生旋滾，經(jīng)鼻坎將高速的主流挑至表面。戽內(nèi)、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

32、沖刷。消力戽適用于尾水較深，變幅較小，無航運(yùn)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(diǎn)是：工程量較底流消能??；沖刷坑比挑流消能淺；不存在霧化問題。缺點(diǎn)是：下游水面波動大，綿延范圍長，易沖刷岸坡，對航運(yùn)不利，底部旋滾將泥沙帶入戽內(nèi)時，磨損戽面增加了維修費(fèi)用。通過以上各種消能方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析及綜合比較，以及考慮到該壩的自身情況及地質(zhì)情況，最終確定適合該壩體的最佳消能工形式為底流消能。3.9.2消力池設(shè)計(jì)消力池是由一段護(hù)坦與尾坎成的，因此需要考慮護(hù)坦與尾坎兩個方面。（1）護(hù)坦構(gòu)造護(hù)坦厚度：由于消力池內(nèi)水流高度紊流轉(zhuǎn)臺，脈動壓力情況復(fù)雜，可按經(jīng)驗(yàn)公式，也可以參照規(guī)范設(shè)計(jì)，一般大、中型水閘

33、為0.51.0m，長消力池也可以自上而下，采用不同的厚度，末端厚度為t/2，但不宜小于0.5m。在本次設(shè)計(jì)中，護(hù)坦厚度采用0.8m，且厚度均勻。護(hù)坦的材料和細(xì)部構(gòu)造：校核情況下的臨界水深為hk=4.83m ,收縮斷面水深hc=2.69m,則hk<hc ,因此壩趾出的水流為急流，而河渠中的水流一般多屬緩流，其水深ht大于臨界水深hk，故此處必發(fā)生水躍，可利用水躍進(jìn)行消能。護(hù)坦地板采用鋼筋混凝土，混凝土為c20，在護(hù)坦的中后部設(shè)置排水孔，孔徑5cm，間距2m，梅花形排列，在平行于水流方向設(shè)有沉降縫，縫的位置與閘墩對齊，護(hù)坦下面設(shè)有反濾層，卵石20cm，砂礫石15cm。細(xì)紗15cm。（2）消力

34、池長的確定校核情況下的臨界水深為hk=4.83m ,收縮斷面水深hc=2.69m,則hk<hc ,因此壩趾出的水流為急流，而河渠中的水流一般多屬緩流，其水深ht大于臨界水深hk，故此處必發(fā)生水躍，可利用水躍進(jìn)行消能。因?yàn)閔t>hc'',水流從收縮斷面起要流動一段距離，使水深由hc增至ht,才開始發(fā)生水躍。由于下游的實(shí)有比能大，表面旋滾將涌向上游，并淹沒收縮斷面，形成淹沒式水躍。淹沒度系數(shù)公式 因?yàn)榍耙雅忻鹘ㄖ锵掠嗡鳛檠蜎]式水躍銜接，ht>hc''，采用底流型銜接與消能，淹沒度系數(shù)j =1.05，護(hù)坦長度較小，消能效果比較好，則可修建消能坎，

35、使坎前水位壅高，在池內(nèi)發(fā)生稍有淹沒的水躍，因?yàn)楦鶕?jù)河底地形與高程，下游壩頂高程為678m,下游河道高程為680m,相當(dāng)于在護(hù)坦末端加了一個2m高的消力坎。求池長lb:由 lj=6.9(hc'' - hc)=6.9(9.87-2.69)=49.54m得 lb=0.75lj=0.75×48.714=38m則消力池長度不小于38m，故最后確定消力池池長lb=41m，坎高c=2m。3.10溢流壩穩(wěn)定分析 重力壩的荷載主要有：自重、靜水壓力、泥沙壓力及揚(yáng)壓力等，常取1m壩長進(jìn)行計(jì)算。荷載組合可分為基本組合和特殊組合兩類?；窘M合屬于設(shè)計(jì)情況或正常情況，由同時出現(xiàn)的基本荷載組成。

36、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(shè)計(jì)時應(yīng)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(jìn)行計(jì)算，使之滿足規(guī)范中規(guī)定的要求。各種情況下相應(yīng)荷載的計(jì)算如下：（1） 自重w壩體自重的計(jì)算公式： 式中 ：v壩體體積，m³；由于取1m壩寬，可用斷面面積代替，面積可從斷面圖上量??； 壩體混凝土的重度（本設(shè)計(jì)中混凝土的重度為25kn/m³）三種情況下自重均相同，且量取的斷面面積為144.55，則有：（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(jì)算時常分解成水平水壓力ph和垂直水壓力pv兩種。表33 不同情況上下游水深特征水位上

37、游水深h1（m）下游水深h2（m）上下游水位差（m）正常蓄水位687.5 680.0 7.5設(shè)計(jì)洪水位691.8 687.0 4.8校核洪水位693.5 688.4 5.1計(jì)算各種情況下的靜水壓力：水平水壓力ph計(jì)算公式為：式中：h計(jì)算點(diǎn)處的水頭，m；水的重度，常取10kn/m³垂直水壓力pv按水重計(jì)算。a. 正常蓄水位： 上游水平水壓力：（）下游水平水壓力： （）上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：b. 設(shè)計(jì)洪水位： 上游水平水壓力：下游水平水壓力： 上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：c. 校核洪水位： 上游水平水壓力：下游水平水壓力： 上游垂直水壓力：下游垂直水壓力：（3） 揚(yáng)壓力u根

38、據(jù)規(guī)范，排水處揚(yáng)壓力折減系數(shù)取，揚(yáng)壓力的計(jì)算過程如下：a. 正常蓄水位b. 設(shè)計(jì)洪水位 c.校核洪水位 （4） 泥沙壓力ps一般計(jì)算年限取50100年，水平泥沙壓力ps為：式中： 泥沙的浮容重，kn/m³； 壩前淤積厚度，m； 淤沙的內(nèi)摩擦角，（）。故泥沙壓力：各種荷載計(jì)算結(jié)果見表3.1。穩(wěn)定分析：重力壩的抗滑穩(wěn)定分析按單一安全系數(shù)法進(jìn)行驗(yàn)算。本設(shè)計(jì)采用抗滑穩(wěn)定公式進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算時取單寬1m，計(jì)算公式如下：計(jì)算結(jié)果見表3.1，驗(yàn)算均滿足抗滑穩(wěn)定要求。計(jì) 算 內(nèi) 容荷載基本組合荷載特殊組合正常擋水情況設(shè)計(jì)洪水情況校核洪水情況計(jì)算水位上游687.5 691.8 693.5 下游680.0

39、 687.0 688.4 下游壩頂高程m678.0 678.0 678.0 壩基面高程m673.5 673.5 673.5 荷載自重kn3613.8 3613.8 3613.8 壓力體kn0.0 615.0 820.0 上游靜水壓力kn980.0 1575.0 1721.3 下游靜水壓力kn191.3 506.3 540.8 泥沙壓力kn240.6 240.6 240.6 揚(yáng)壓力kn356.6 787.3 224.7 wkn3257.2 3441.4 4209.0 pkn1029.3 1309.3 1421.0 抗滑穩(wěn)定計(jì)算值kc1.7 1.4 1.6 安全系數(shù)允許值kc1.2 1.1 1.0

40、 表34 溢流壩穩(wěn)定計(jì)算成果表 如上表計(jì)算結(jié)果可見，重力壩的抗滑穩(wěn)定系數(shù)kc滿足荷載組合要求，即：第四章 沖沙閘設(shè)計(jì)4.1 沖沙閘尺寸設(shè)計(jì) 泥沙運(yùn)動控制法，概念明確，方法簡單。它是根據(jù)在進(jìn)水閘前，能夠造成“門前清”所需要的沖沙流量q來確定的，基本上可以防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入進(jìn)水閘，適用于丘陵和山區(qū)河流上建設(shè)的中小型水電站取水樞紐。已知泥沙平均粒徑dpj=0.0367mm,設(shè)計(jì)能夠沖沙的最大石塊粒徑dmax=5cm.,4.1.1泥沙止動流速的計(jì)算uc為泥沙起動流速，根據(jù)河流泥沙情況可選用有關(guān)的公式計(jì)算。本設(shè)計(jì)選用張瑞瑾泥沙啟動流速公式：則止動流速uz為：4.1.2沖沙流速的計(jì)算(1)開啟沖沙閘，要求

41、沉沙槽斷面流速達(dá)到能夠沖洗槽內(nèi)全部淤泥以及隨沖沙水流帶入槽內(nèi)的群體泥沙，則沖沙流速為：式中，d0-沖沙流量相應(yīng)的河道運(yùn)動推移質(zhì)泥沙的平均粒徑；h0i-沉沙槽內(nèi)水位至底板面上的水深。（2）另外，為使停留在沉沙槽內(nèi)的單個粒徑為d的大石塊也能夠沖到下游，要求槽內(nèi)沖沙流速達(dá)到vc可由庫明試驗(yàn)公式計(jì)算。取vc 與vc中的較大值，作為沉沙槽的設(shè)計(jì)沖沙流速，則取vc1.9m/s。在正常引水條件下，沉沙槽進(jìn)口控制斷面寬度b0，由下式計(jì)算：則沉沙槽設(shè)計(jì)沖沙流量：且流量系數(shù)：4.1.3沉沙槽尺寸的計(jì)算假設(shè)沖沙閘關(guān)閉，進(jìn)水閘引水通過沉沙槽時的水流流速應(yīng)小于等于限制入渠最小粒徑泥沙的止動流速，使進(jìn)入槽內(nèi)的底沙沉落，利

42、用這個原則確定沉沙槽的尺寸。在正常引水條件下，沉沙槽進(jìn)口控制斷面寬度：式中，q0-進(jìn)水閘引水的流量；h0-沉沙槽斷面減去預(yù)留淤積厚度后的水深，為限制進(jìn)入進(jìn)水閘泥沙最小粒徑d min的止動流速；b-沖沙閘過流寬度。本設(shè)計(jì)取b=12m，閘門為3孔，每孔4m×5m(寬×高)。另外，由閘孔出流方程：q=be單寬流量表達(dá)式：計(jì)算不同情況下沖沙閘的過流量，結(jié)果見下表4.2。表41 不同情況下沖沙閘的過流能力計(jì)算來水情況上游水位上游水頭h0閘門開度e流量系數(shù)沖沙流量q單寬流量q校核洪水693.514.550.539545.545.46設(shè)計(jì)洪水691.7512.7550.531503.74

43、1.98正常蓄水位687.58.550.496384.532.044.1.4閘墩設(shè)計(jì) (1) 作用：分隔閘孔并支撐閘門、工作橋等上部結(jié)構(gòu)，使水流順利地通過閘室。(2) 外形輪廓： 應(yīng)能滿足過閘水流平順，側(cè)向收縮小，過流能力大的要求。上游墩頭采用半圓形，下游墩頭采用流線形。其長度采用與閘底板同長，為18m。(3) 厚度：中墩和邊墩均厚2.0m。工作閘門的門槽尺寸應(yīng)根據(jù)閘門的尺寸確定，門槽深0.3m，寬0.5m。 檢修閘門與工作閘門間距為4m。(4) 高度：采用三種計(jì)算方法，取最大值。經(jīng)過比較后取閘墩高度為16m. h墩=校核洪水位時水深+安全超高=14.5+1.5=16（m）h墩=設(shè)計(jì)洪水位水深

44、+安全超高=12.75+1.5=14.25（m）h墩=正常擋水位水深+h=8.5+0.27+1.5=10.27（m）式中h為波浪高度。4.1.5胸墻設(shè)計(jì)（1）作用：當(dāng)水閘擋水高度較大時，可代替一部分閘門高度。 (2) 高度：頂部高程與邊墩頂部高程相同，底部高程以不影響閘孔過水為準(zhǔn)。所以頂部高程為695.00m，底部高程為684.00m，高度為11m。（3）由于胸墻高度較大，采用板梁式結(jié)構(gòu)，材料為鋼筋混凝土，厚度為60cm.4.1.6工作橋尺寸擬訂(1) 工作橋：工作橋是為拉安裝啟閉機(jī)和便于工作人員的操作而設(shè)的橋。若工作橋較高可在閘墩上部設(shè)排架支承。工作橋設(shè)置的高程與閘門尺寸及形式有關(guān)。由于是平

45、面鑄鐵閘門，采用固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)，閘門提升后不能影響泄放最大流量，并留有一定的富裕度。根據(jù)工作需要和設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)在工作閘門的正上方，用排架支承工作橋，橋上設(shè)置啟閉機(jī)房。工作橋底部高程與閘室底板高程的差值約等于閘門高度的2倍再加1.011.5m的富余高度，所以工作橋底部高程為700.00m。4.1.7沖砂閘門閘門型式及操作運(yùn)行共設(shè)4扇閘門，其中工作閘門3扇，檢修閘門1扇；鑄鐵閘門，閘門尺寸寬×高=4m×5m。沖砂閘門的操作運(yùn)行方式主要根據(jù)進(jìn)水室前泥砂淤積情況而定，為了防止泥砂淤積超過681.00m而進(jìn)入壓力管洞必須及時啟動沖砂閘沖砂排砂。沖沙排沙時機(jī)最好選擇洪水期。因此，必須

46、加強(qiáng)對泥沙淤積的監(jiān)測制定沖砂排砂的運(yùn)行操作方案。4.2 沖沙閘防滲設(shè)計(jì)由于上下游水頭較大，則作用在沖沙閘地板上的滲透壓力較大，而沖沙閘不似溢流壩段壓重較大，需在閘底板前設(shè)置防滲鋪蓋，用以降低閘底板的滲透壓力，并在閘后設(shè)置排水管，用以降低侵潤線，保證閘室穩(wěn)定。設(shè)防滲鋪蓋，鋪蓋長度為閘上下游最大水頭的35倍，由于沖沙閘所處地基巖性較好，按照3倍計(jì)算得：則沖沙閘前防滲鋪蓋總長為22.5m。厚度用右式其中：h鋪蓋定地面的水頭差，mj材料的允許坡降若采用鋼筋混凝土鋪蓋，可兼做阻滑板，厚度不宜小于0.4m，在與底板連接處應(yīng)加厚至0.81.0m，并用沉降縫分開，縫中設(shè)止水。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，將鋪蓋長度取22.5

47、m，厚度取1m.設(shè)置防滲鋪蓋后，沖沙閘底板上作用的滲透壓力減小為：1.正常蓄水位情況下：2. 設(shè)計(jì)洪水位情況下：3. 校核洪水位情況下：4.3 沖沙閘閘室穩(wěn)定驗(yàn)算閘室的穩(wěn)定性是指閘室在各種荷載作用下，滿足： 平均基底壓力不大于地基的容許壓力； 不發(fā)生明顯的傾斜，基底壓力的最大值與最小值之比不大于規(guī)定的容許值； 不至沿地基面或深層滑動。通過計(jì)算，得閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見表42，閘室應(yīng)力穩(wěn)定計(jì)算見表43。1. 閘室沿地基面抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算表42 沖沙閘室抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表計(jì) 算 內(nèi) 容荷載基本組合荷載特殊組合正常擋水情況設(shè)計(jì)洪水情況校核洪水情況計(jì) 算閘上m687.5691.8693.5水 位閘下m68

48、0.0687.0688.4閘孔底板m679.0679.0679.0基面高程m678.0678.0678.0荷載閘房kn50.050.050.0啟閉機(jī)及人群荷載kn15.015.015.0交通橋kn50.050.050.0胸墻kn110.0110.0110.0邊墩kn900.0900.0900.0底板kn625.0625.0625.0閘門kn62.962.962.9垂直水壓力kn520.71186.41341.3浮托力kn108.0459.0534.6滲透壓力kn300.0190.0204.0水平水壓力kn350.0584.1660.5wkn1925.62350.42415.6pkn350.05

49、84.1660.5抗滑穩(wěn)定計(jì)算值kc3.02.22.0安全系數(shù)允許值kc1.21.11.0抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算采用抗剪強(qiáng)度公式，按下式計(jì)算：式中：k沿閘基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f閘基面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.6； 作用在閘上的全部豎向荷載（包括揚(yáng)壓力）； p作用在沖砂閘壩段上的全部水平荷載；抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表明，安全系數(shù)滿足條件：地基應(yīng)力計(jì)算：式中： -閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值(kpa)；w-作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi),kn)；m-作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kn.m)；a-閘室基底面的面積(m2 )；b-計(jì)算截面

50、的長度。表43 沖沙閘室應(yīng)力穩(wěn)定計(jì)算成果表應(yīng)力計(jì)算（kpa）荷載基本組合荷載特殊組合正常擋水情況設(shè)計(jì)洪水情況校核洪水情況荷載大小kn偏心距m彎矩kn·m荷載大小kn偏心距m彎矩kn·m荷載大小kn偏心距m彎矩kn·m荷載閘房kn50.02.0100.050.02.0100.050.02.0100.0啟閉機(jī)及人群荷載kn15.02.030.015.02.030.015.0-1.0-15.0交通橋kn50.02.0100.050.02.0100.050.0-1.0-50.0胸墻kn110.01.6176.0110.01.6176.0110.01.6176.0邊墩kn900.00.00.0900.00.00.0900.00.00.0底板kn625.00.00.0625.00.00.0625.00.00.0閘門kn62.92.0125.962.92.0125.962.92.0125.9垂直水壓力kn520.75.52863.81186.4135.11341.3181.7浮托力kn108.00.00.0459.00.00.0534.60.00.0滲透壓力kn300.0-3.0-900.0190.