春河張谷水利樞紐工程

職業(yè)技術學院畢業(yè)設計成果設計項目名稱 春河張谷水利樞紐工程姓 名：專 業(yè)：班 級：學 號：指導老師：任務下達日期： 2012年11月26日設計完成日期： 2012年12月23日**工程系春河張谷水利樞紐—重力壩設計指導老師 ******職業(yè)技術學院 ******摘要：本設計對春河張谷水利樞紐進行了詳細的論述和設計， 主要有設計說明書和設計圖紙兩部分。設計說明書主要包括：春河張谷流域狀況，樞紐布置，擋水建筑物的設計， 泄水建筑物的設計，壩體細部構造及地基處理設計。本樞紐以防洪和發(fā)電為主，本樞紐屬于大型Ⅰ等工程，永久性建筑物為 1級，按規(guī)范要求，采用,1000年一遇洪水設計， 10000一遇洪水校核。水庫正常蓄水位 303.0m，設計洪水位305.1m，校核洪水位307.3。其主要建筑物有：非溢流壩、溢流壩、泄水建筑物、消能設施等。關鍵詞：水利樞紐；設計；重力壩；目 錄第一章基本資料..........................................................11.1工程概況...........................................................................................................................11.2地形地質情況...................................................................................................................11.3水文氣象資料...................................................................................................................11.3.1河流特性...............................................................................................................11.3.2氣溫情況...............................................................................................................21.4河流泥沙情況...................................................................................................................21.5交通運輸...........................................................................................................................21.6水庫規(guī)劃資料...................................................................................................................21.7特征水位...........................................................................................................................21.8限制條件...........................................................................................................................21.9水電站參數.......................................................................................................................31.10筑壩材料.........................................................................................................................3第二章樞紐布置..........................................................42.1樞紐及建筑物的分等分級...............................................................................................42.2建筑物形式.......................................................................................................................42.2.1工程地質...............................................................................................................42.2.2壩型選擇...............................................................................................................42.2.3樞紐建筑物組成...................................................................................................6第三章?lián)跛畨味卧O計......................................................73.1擋水壩段尺寸初步擬定...................................................................................................73.1.1壩頂高程的確定...................................................................................................73.1.2計算過程...............................................................................................................73.2壩頂寬度...........................................................................................................................83.3壩底寬度...........................................................................................................................83.4壩面坡度...........................................................................................................................93.5排水管及灌漿廊道...........................................................................................................93.6重力壩的荷載及組合.......................................................................................................93.6.1自重.......................................................................................................................93.6.2靜水壓力.............................................................................................................103.6.3揚壓力.................................................................................................................113.6.4淤沙壓力.............................................................................................................123.6.5浪壓力.................................................................................................................123.7壩體穩(wěn)定計算.................................................................................................................133.7.1壩基邊緣應力計算.............................................................................................143.7.2垂直正應力計算.................................................................................................14第四章溢流壩段設計.....................................................174.1溢流壩剖面形狀.............................................................................................................174.1.1泄水方式的選擇.................................................................................................174.1.2孔口凈寬的擬定.................................................................................................174.2初步擬定堰頂高程.........................................................................................................184.3堰頂的形式.....................................................................................................................184.4消能設計.........................................................................................................................204.4.1消能方式.............................................................................................................204.4.2反弧半徑及挑射角.............................................................................................214.4.3消能驗算.............................................................................................................224.5閘門、閘墩及導墻設計.................................................................................................234.5.1閘門形式的型式選擇及高度.............................................................................234.5.2閘墩形狀及厚度.................................................................................................244.6導水墻的尺寸擬定.........................................................................................................25第五章壩體細部構造及地基處理設計.....................................265.1壩頂構造.........................................................................................................................265.2廊道、分縫、止排水設計.............................................................................................265.2.1基礎廊道.............................................................................................................265.2.2壩體廊道.............................................................................................................265.2.3壩體排水.............................................................................................................265.2.4壩體分縫止水.....................................................................................................265.3壩體混凝土的強度等級.................................................................................................275.4地基處理.........................................................................................................................295.4.1地基開挖與清理.................................................................................................295.4.2地基開挖的形狀及坡度.....................................................................................295.4.3基坑的清理.........................................................................................................295.4.4壩基的帷幕灌漿.................................................................................................295.4.5壩基排水.............................................................................................................315.4.6壩基的固結灌漿.................................................................................................315.4.7壩基斷層破碎帶的處理.....................................................................................32致謝.......................................................................33參考文獻..................................................................34***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計第一章 基本資料1.1工程概況春河屬于山區(qū)河道，流域內多高山峽谷，平原范圍甚小，流域內山區(qū)占 70％，墾地占30％。張谷以上河床平均坡度為1/600，以下平均坡度為1/1000。坡陡流急，暴雨急流時間甚短，每逢暴雨，山洪暴發(fā)，易泛濫成災，下游農田受到洪水威脅。本樞紐位于春河上游山區(qū)，壩址選定在張谷，主要任務是防洪發(fā)電。1.2地形地質情況張谷壩址右岸高山重疊，交通不便。左岸地勢較平坦，小丘陵綿延。在張谷上游地8 ３形開闊，可以蓄水，水庫庫容約 13.5×10m。張谷是一個峽谷，兩岸懸崖陡壁，十分險要，河岸狹窄，寬僅一百余米，是理想的筑壩地點。壩址地質為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石，石質堅硬。右岸山崗覆有薄層黃土。在壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為５米，巖石風化厚度為３米。左岸巖石露頭，節(jié)理不多，風化層有３米多厚。經過調查研究，已查明壩址附近無斷層。壩址基礎石英巖的抗壓強度為 1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系數為0.65。抗剪斷摩擦系數為 1.0 ，抗剪斷凝聚力為 1.0MPa。本地區(qū)曾發(fā)生過輕微地震，據分析地震烈度為 4級。1.3水文氣象資料1.3.1河流特性降雨為形成春河洪水的原因,本流域水災多由暴雨產生。洪水一般出現(xiàn)在７～10月份，因坡陡流急，洪峰漲落時間很短，一般為２～３天。表1.1各種頻率下的最大洪峰流量（米3／秒）頻率（％）0.010.020.10.512510夏秋季1110010060902077007300675060005400冬春季3503302851***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計1.3.2 氣溫情況本流域氣候溫和，年平均溫度約為 17℃，最低月平均溫度為 4.6℃，極少冰凍現(xiàn)象，最高月平均溫度為 33.9℃，故夏季亦不太熱，一年四季都可以施工。1.4河流泥沙情況泥沙大部分是頁巖風化的產物，顆粒很細。據資料統(tǒng)計，多年平均輸沙總量為 185萬立方米。每立方米淤積泥沙單位重為 1.32噸／立方米。在預留淤沙庫容時，水土保持有效年限估計為 30年。其它水庫最大吹程為 19.5公里，多年平均最大風速為 14米／秒。1.5交通運輸春河灘多流急，航行不便，故暫可不考慮航運問題。春河左岸有公路干線通過，公路干線距壩址左岸 2公里，交通較便，右岸則僅有山區(qū)小道。本工程壩頂無交通要求。1.6水庫規(guī)劃資料規(guī)劃部門根據滿足各水利專業(yè)部門的需要，提出了下列數據，可作為設計水工建筑物的依據。1.7特征水位水電站正常高水位：303米最有利工作深度：41米設計洪水位：千年一遇（P=0.1%）設計標準，設計洪水位305.1米，相應下泄流量5350米3／秒，相應下游水位213.2米。校核洪水位：萬年一遇（P=0.01%）校核標準，校核洪水位307.3米，相應下泄流量6700米3／秒，相應下游水位214.5米。1.8限制條件汛前水位：299米水庫最高水位不得超過： 308米2***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計1.9水電站參數電站裝機容量：105000千瓦機組數目：3臺３電站最大引用流量：140米／秒1.10 筑壩材料石料——距壩址上游一公里處，兩岸石英巖及頁巖可大量開采，而且石質良好。在25次凍融之后，抗壓強度為 900公斤／平方厘米。砂料——距壩址上游三公里處，灘地有堅硬的礫石和粗砂，蘊藏量約有四十萬立方米，砂為石英顆粒，是風化產物。土料——距壩址上游五公里處有粘壤土，蘊藏量約為20萬方，其內摩擦角為20°(飽和的)，天然干容重γ=1.6噸／米3，滲透系數Ｋ值為４ⅹ１０ˉ７厘米／秒。木材——可自距壩址15公里的深山內取得。水泥、鋼材—可由公路自離壩址 60公里處的龍城運來。3***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計第二章 樞紐布置2.1樞紐及建筑物的分等分級8 ３根據項目資料，在張谷上游地形開闊，可以蓄水，水庫庫容約13.5×10m，查表（課本P7表1-1）可判斷該工程為大（1）型Ⅰ級工程；由電站裝機容量為105000kw可判斷為中型Ⅲ級工程。對于綜合利用的水利水電工程，其工程等別應按其中最高等別確定，所以該工程為大型Ⅰ級工程。我們所設計的建筑物為大壩，屬永久性水工建筑物，查表（課本P8表1-2）可得該大壩工程等級屬于 1級，該工程次要建筑物等級屬于 3級。2.2建筑物形式2.2.1 工程地質壩址地質為青灰色的石灰?guī)r，為整體巖石， 石質堅硬。右岸山崗覆有薄層黃土。在壩軸線上，右岸山崗沙壤土覆蓋層最厚的為５米，巖石風化厚度為３米。左岸巖石露頭，節(jié)理不多，風化層有３米多厚。經過調查研究，已查明壩址附近無斷層。壩址基礎石英巖的抗壓強度為1000—1200公斤／平方厘米，摩擦系數為 0.65。抗剪斷摩擦系數為 1.0 ，抗剪斷凝聚力為1.0MPa。本地區(qū)曾發(fā)生過輕微地震，據分析地震烈度為 4級。綜上，壩址地址結構良好，覆蓋層較薄，開挖工程量小，且河流流向與壩軸線大致垂直，對河流兩岸的沖刷損害小。2.2.2 壩型選擇目前，應用比較多的壩型有重力壩、拱壩和土石壩。在選擇壩型時，要根據壩區(qū)的地質、地形條件、筑壩材料、施工技術、施工條件、施工導流等眾多因素來定。拱壩理想的地形是壩址上游較為寬闊， 左右岸對稱，岸坡平順無突變在平面4***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計上向下游收縮的峽谷段，因此綜合地形因素本壩址不適合拱壩的修筑，重力壩和土石壩在考慮范圍之內。對這兩種壩型進行比較后再作選擇?？紤]到本樞紐主要承擔了發(fā)電、防洪任務，而且在校核洪水位時的流量和泄流量都較大，需要開敞式的壩體泄流樞紐，由于土石壩自身不能在壩頂溢流的缺點，不能夠滿足防洪時泄流的需要，結合當地的地形、地質、建筑材料等因素，故選用混凝土重力壩作為壩型。重力壩主要依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足穩(wěn)定要求；同時依靠壩體自重產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度要求。重力壩之所以得到廣泛應用，是因為其具有以下幾個方面的優(yōu)點：1）安全可靠。重力壩剖面尺寸大，壩內應力較低，筑壩材料強度高，耐久性好，因而抵抗洪水漫頂、滲漏、地震和戰(zhàn)爭破壞的能力都比較強。2）任何形狀的河谷都可以修建重力壩。3）樞紐泄洪問題容易解決。重力壩可以做成溢流的，也可以在壩內不同高程設置泄水孔，一般不需要另設溢洪道或泄水隧洞，樞紐布置緊湊。4）便于施工導流。在施工期可以利用壩體導流，一般不需要另設導流隧洞。5）施工方便。大體積混凝土可以采用機械化施工，在放樣、立模和混凝土澆筑方面都比較簡單，并且加強、修復、維護或擴建也比較方便。重力壩的缺點主要是壩體剖面尺寸大，材料用量多，把體應力較低，材料的強度不能充分發(fā)揮，而且需要嚴格的溫度控制措施，壩體與地基的接觸面積大，相應的壩體揚壓力大，對穩(wěn)定不利。重力壩的形式比較多，主要可分為實體重力壩、碾壓混凝土重力壩、漿砌石重力壩、寬縫重力壩、空腹重力壩等。下面介紹比較常用的幾種壩型，它們各自的優(yōu)缺點如下：1）碾壓混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩相比，具有以下一些優(yōu)點：工藝程序簡單，可快速施工，縮短工期，提前發(fā)揮工程效益；膠凝材料用量少，特別是水泥用量減少；由于水泥用量減少，結合薄層大倉面澆筑，壩體內部混凝土的水化熱溫升可大大降低，從而簡化了溫控措施；不設縱縫，節(jié)省了模板和灌漿等費用；可使用大型施工機械設備，提高混凝土運輸和填筑的工效。但也有一定缺點，如：壩體混凝土分區(qū)；各區(qū)域內混凝土的級別。5***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計2）實體重力壩的主要優(yōu)點就是，結構相對比較簡單，施工比較方便，并且有豐富的經驗技術，施工過程中質量容易控制。其不足之處就是壩體體積較大，揚壓力也比較大，施工時不利于混凝土的散熱。3）漿砌石重力壩具有以下一些優(yōu)點：便于就地取材，節(jié)省水泥；節(jié)省模板，減少腳手架，因而減少木材用量，同時減少施工干擾；施工技術容易掌握。但也有不少缺點，如：砌體質量不易均勻；不易采用機械化施工，需要大量勞動力；砌體本身防滲性能差，需另作防滲處理。4）寬縫重力壩具有以下一些優(yōu)點：充分利用了混凝土的抗壓強度；揚壓力顯著降低；節(jié)省混凝土方量。但也有一些缺點，如：增加了模板用量，立模也較復雜；分期導流不便；在嚴寒地區(qū)，對寬縫需要采取保溫措施。綜合以上內容，結合工程中有豐富的砂石料場、地質、地形條件等因素，采用混凝土實體重力壩作為壩型。2.2.3 樞紐建筑物組成本樞紐建筑類型主要由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電建筑物組成。擋水建筑物采用混凝土實體重力壩， 泄水建筑物采用溢流壩，泄水方式采用開敞溢流式，閘門采用弧形鋼閘門。電站廠房采用壩后式，布置在泄洪壩段的右側。6***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計第三章 擋水壩段設計3.1擋水壩段尺寸初步擬定3.1.1 壩頂高程的確定波浪要素按官廳水庫公式計算：hl=0.0166V5/4D1/3（m）；L10.40.8hl（m）；hzhl2coth2H（m）；（一般峽谷水庫因HL，所以：hzhl2）；LL2Lhhlhzhc其中：V0為計算風速，m/s。正常蓄水位和設計洪水位時，宜采用相應洪水期多年平均最大風速的 1.5～2.0倍，校核洪水位時，宜采用相應洪水期最大風速的多年平均值。D—吹程，m；L—波長，m；hl—波浪高度，m；hz—波浪中心線高于靜水位的高度， m；H—壩前水深，m；h—超高，m；hc—安全加高（根據建筑物的安全級別可查表 2-2，課本P16，由于該工程的結構安全級別為Ⅰ級，故查得 hc設=0.7，hc,校=0.5）。3.1.2 計算過程設計：V0=21m/s,hl=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×215/4×19.51/3=2.01m校核:V0=14m/s,hl=0.0166×V5/4×D1/3=0.0166×145/4×19.51/3=1.21m7***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計設計:L=10.4×(hl)0.8=10.4×2.010.8=18.18m校核:L=10.4×(hl)0.8=10.4×1.210.8=12.11m設計：hz=0.70×1.00=0.70m校核：hz=0.40×1.00=0.40mhc——安全超高，根據壩的等級為Ⅰ等：校核時，hc=0.7m；設計時，hc=0.5m。由以上可得壩頂超高為：設計時 h=h1+hz+hc=2.01+0.7+0.7=3.41m校核時 h=h1+hz+hc=1.21+0.4+0.5=2.11m則確定壩頂高程為：設計時Z壩頂=305.1+3.41=308.51m校核時Z壩頂=307.3+2.11=309.41m取其中大者即309.41m,作為壩頂高程表3.1 壩頂高程計算表計算水位水庫水位計算風速吹程h1hzhc計算壩頂高程設計洪水位305.12119.52.010.70.7308.51校核洪水位307.31419.51.210.40.5309.413.2壩頂寬度壩頂寬度一般情況采用壩高的8%～10%，且不小于3m,當壩頂布置移動式啟閉機時，壩頂寬度要滿足安裝門機軌道要求，本次設計根據工程情況，壩頂寬度取10m3.3壩底寬度根據工程經驗，壩底寬度一般為0.7～0.9倍的壩高。取底寬與壩高比為 0.8：此時壩底寬BB=0.8×（309.41-199）=88.33m則大壩壩底寬取88.33m。8***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計3.4 壩面坡度上游壩坡取0.2，折坡點位于1/3壩高處，則折坡點高程為235.80m。下游坡面采用基本三角形頂點與校核洪水位齊平的剖面形式，則折坡處向上延伸與校核洪水位相交。根據幾何關系，可得坡度為1:0.75，下游折坡點高程為293.93m。3.5排水管及灌漿廊道大壩在靠近上游壩面設置排水管幕，以減小壩體滲透壓力。排水管幕距上游壩面距離為5m,排水管采用無砂混凝土管，間距為3m,管徑為20cm,沿壩軸線一字排開，管徑鉛直，與縱向排水、檢查廊道相通，上下端與壩頂和廊道直通，便于清洗和排水。壩基灌漿廊道沿縱向布設在壩踵處，距上游壩面為11m,廊道底距基巖面 4m,在兩岸沿岸坡布置,尺寸采用4×5m。圖3.1 壩體主要尺寸（標注單位： cm）3.6重力壩的荷載及組合3.6.1 自重壩體自重W(kN)的計算公式：9***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計W=γcA式中：3A—壩體橫剖面面積，m；c—壩體混凝土的重度，一般取 23.5～24.0kN/m3。則,取混凝土重度為23.5W=23.5×4607.926=108286.26KN3.6.2靜水壓力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。PH1(kN)計算公式為：P=AVPH=1wH22H11(H2h2)2式中：H—計算點處的作用水頭，m?！闹囟龋Ｈ?.81kN/m3。2A—壩踵處所作的垂線與上游水面和上游壩面所圍成圖形的面積， m。h—堰頂溢流水深，m。則水平水壓力：PH1=0.5×9.81×（307.3-199）2=57530.205KNPH2=0.5×9.81×（214.5-199）2=1177.225KNPH=57530.205-1177.225=56352.98KN垂直水壓力：①上游PV1=661.664×9.81=6490.924KN②下游PV2=89.811×9.81=881.046KNPV=6490.924+881.046=7371.97KN10***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計3.6.3 揚壓力揚壓力包括滲透壓力和浮托力兩部分。 滲透壓力是由上下游水位差產生的滲流在壩體內或壩基面上形成的水壓力； 浮托力是由下游面淹沒計算截面而產生向上的水壓力。揚壓力的分布與壩體結構、上下游水位、防滲排水等因素有關。本工程在壩基處設有排水管孔，上游壩坡為 0.2，排水孔中心線與壩底相交點距壩踵處距離 T1=,12.36m,距壩趾處距離 T2=88.33-12.36=75.97m。壩底寬度T=88.33m。浮托力按矩形分布計算，壓力強度為 γH2；滲透壓力呈折線分布，在壩踵處為全水頭γ水H，在排水孔中心線與壩底相交點處為 αγ水H，α為揚壓力折減系數，可取α=0.2。校核情況下的揚壓力校核情況下，H1=307.3-199=108.3mH2=214.5-199=15.5mH=H1-H2=108.3-15.5=92.8mU1=γ水H2T=9.8×15.5×88.33=13417.33KNU2=αγ水HT2/2=0.2×9.8×92.8×75.97/2=6909.02KNU3=(αγ水H+γ水H)T1/2=(0.2×9.8×92.8+9.8×92.8)×12.36/2=6744.41KN校核情況下?lián)P壓力U校=U1+U2+U3=13417.33+6909.02+6744.41=27070.8KN11***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計3.6.4 淤沙壓力入庫水流攜帶的泥沙在水庫中淤積，淤積在壩前的泥沙對壩面產生的壓力叫淤沙壓力。淤積的規(guī)律是從庫首至壩前， 隨水深的增加而流速減小，沉積的粒徑由粗到細，一般計算年限取 50～100年。泥沙對壩體某點在鉛直面的壓力強度為 rhtg (45°-ψ/2)泥沙顆粒內摩擦角ψ=20°空隙率n=0.4其浮容重R=r-(1-n)r=6.8KN/mP=6.8×36.8×tg 30=144.47KN=0.5×6.8×9.8×36.8=1226.18KN3.6.5浪壓力水庫水面在風的作用下生成風浪，對壩面產生浪壓力。波浪的三要素與風速、吹程和水深有關。風速越大，吹程越長，激起的波浪越大，先判斷水波是深水波、淺水波還是破碎波。壩前為校核水位時 H=307.3-199=108.3L=12.11臨界水深：Hcr=LL2h1%=1.415InL2h1%4則H≥L/2≥Hcr為深水波P=r L*(h +h)/4=47.77KN12***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計圖3.2 主要荷載示意圖綜上，校核情況下荷載組合見下表表3.2荷載組合表荷載類別自重靜水壓力揚壓力浪壓力淤沙壓力大小（KN）108286.26水平：56352.9827070.847.77水平：144.47垂直：7371.97垂直：1226.183.7壩體穩(wěn)定計算根據抗剪斷強度公式分別計算校核情況下重力壩的抗滑穩(wěn)定安全系數 KK式中：

f(W U) cAHf′—抗剪斷摩擦系數。本工程中 f=1.0。22。c′—抗剪斷凝聚力，KN/m。本工程中c=1000KN/m—滑動面面積?！芖—作用于滑動面以上壩體的力在鉛直方向投影的代數和?！艸—用于滑動面以上壩體的力在水平方向投影的代數和。U—作用于滑動面上的揚壓力。則：13***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計W=108286.26+7371.97+1226.18=116884.41∑H=56545.22KN代入公式得安全系數K正=1.0 (93143.152) 88.33 1000=3.209＞3.056545.22安全3.7.1 壩基邊緣應力計算根據材料力學法計算正常高水位 +揚壓力情況下的邊緣應力，分別要計算垂直正應力σY，水平正應力 σＸ，剪應力τ和主應力σＰ。3.7.2 垂直正應力計算Yu=Ｘｄ=式中：ΣW—作用在計算截面以上壩體的全部荷載的垂直分力的總和（包括揚壓力），以向下為正。ΣM—作用在計算截面以上壩體的全部荷載對截面形心的力矩總和以使上游產生壓應力為正。T—壩體計算截面沿上游方向的長度，T=88.33m∑W=∑V-U=116884.41-27070.8=89813.61KN（1）壩體重力對截面形心的力矩 M1=G1l1+G2l2+G3l3l1、l2、l3分別為力G1、G2、G3到截面形心的力臂l1=39.3ml2=31.8ml3=3.2m壩體重力對截面形心的力矩：14***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計M1=G1l1+G2l2+G3l3=3182.46×39.3+25946.35×31.85+79157.45×3.2=1204765.766KM·m（2）鉛直方向靜水壓力對截面形心的力矩M=Wl1+Wl1+Wl12112233l11、l21、l31分別為力W、W、W到截面形心的力臂1231l1=40.49ml21=41.71ml31=40.30m鉛直方向靜水壓力對截面形心的力矩：M2=W1l11+W2l21+W3l31=5314.76×40.49+1327.155×41.71-881.04×40.30=235044.36KM·m（3）水平方向靜水壓力對截面形心的力矩M=-Pl11+Pl1131122l111、l211分別為力P1、P2到截面形心的力臂l111=34.3ml211=2.83m水平方向靜水壓力對截面形心的力矩：M3=-P1l111+P2l211=-57530.205×36.8+1177.23×10.3=-2104986.08KM·m（4）泥沙壓力對截面形心的力矩 M4=-Xlx+Ylylx、ly分別為力X、Y到截面形心的力臂lx=24.53mly=41.71m泥沙壓力對截面形心的力矩 :M4=-Xlx+Yly-144.47×24.53+1226.18×41.71=-47600.12KN·m（5）揚壓力對截面形心的力矩 M5=U1l1111-U2l2111-U3l311115***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計l1111、l2111、l3111分別為力U1、U2、U3到截面形心的力臂l1111=0ml2111=40.05ml3111 =5.45m揚壓力對截面形心的力矩 :M5=U1l1111-U2l2111-U3l31110-6909.02×40.05-6744.41×5.45=-239949.22KM·m（6）浪壓力對截面形心的力矩 M=P×y2(L1)2/4]*L1/12[r(L1/2h1h0）yh1)/46.85L1((h0M=47.77×6.85=327.23KN.m所以ΣM=M1+M2+M3+M4+M51204765.766+235044.36-2104986.08-47600.12-239949.22-952725.30KM?m代入公式得σYu=89813.611036952725.30103=0.255Mpa83.3383.332σYｄ=89813.611036952725.30103=1.901Mpa83.3383.332與規(guī)范比較，以上計算的應力滿足要求。16***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計第四章 溢流壩段設計4.1溢流壩剖面形狀4.1.1 泄水方式的選擇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節(jié)水位和下泄流量，適用于大中型工程，采用開敞式溢流水庫有較大的泄洪能力，本設計采用開敞式溢流。4.1.2 孔口凈寬的擬定孔口凈寬按以下公式計算：B其中Q溢—下泄流量；Q—單寬流量

Q溢q由水庫規(guī)劃資料可知設計洪水位達 305.1m，相應下泄流量為 5350m3/s ；3校核洪水位307.3m，相應下泄流量為 6700m/s。q＝100～150m/s。分別計算設計水位和校核水位情況下溢洪道所需的孔口寬度如下表表4.1孔口凈寬計算表計算情況流量單寬流量孔口凈寬33B(m)Q(m/s)q(m/s)設計水位5350100～15053.5～35.7校核水位6700100～15067.0～44.7根據以上計算，取孔口凈寬B=42m，設計洪水位時單寬流量為119m/s,?。好靠變魧抌=7m，孔數n=6。根據閘門的形式取閘墩厚度d＝3.5m，邊墩取2.5m，由上述計算每孔凈寬b＝7m。則溢流前緣總長L為：017***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計L0＝nb+(n-1)d+2t=6 ×7+(6-1)×3.5+2×2.5=64.5m。4.2初步擬定堰頂高程由公式可確定堰上水頭 H0，公式為Q溢 mB2gH03/2其中—閘墩側收縮系數，與墩頭形式有關，取 =0.92；m—流量系數，按WES溢流面曲線查武漢大學出版社出版《水力學》得m=0.502；g—重力加速度，g=9.8m/s。當設計洪水位時，Q溢=5350m3/s,B=42m,即H0=15.00驗算：當校核洪水位時，泄流量Q溢3/s，代入公式求得為6700mH0=15m,孔口凈寬B為56.38m,對應的校核水位單寬流量q為118.84m/s，不大于設計水位的單寬流量119m/s，滿足條件，說明設計合理。所以取溢流壩段堰上水頭 H0=15m,堰頂高程為:308-15=293m。4.3堰頂的形式溢流壩頂面曲線可以采用克—奧Ⅰ型曲線和WES曲線兩種型式。采用克—奧Ⅰ型曲線時，溢流壩剖面往往超過穩(wěn)定和強度要求，其曲線的表達采用坐標形式，坐標內插煩瑣且施工放樣不便。采用WES冪曲線，具有較大的流量系數，溢流壩剖面較小，便于施工放樣。WES堰頂曲線的表達式為：xn KHdn1yHd—剖—面定型設計水頭，按堰頂最大作用水頭 Hmax的75%～95%選取。K，n—與上游面坡度有關的參數，當上游壩面傾斜時， K=1.936，n=1.836。則上游壩面的設計水頭Hd=0.75～0.95Hmax,其中Hmax=307.3-293=14.3米，18***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計所以Hd的取值范圍為10.73～13.59米，可取Hd=12米，堰的曲線部分的輪廓是根據Hd的大小決定的。經計算，R1=6米，C1=2.1米，a1=0.3792米；R2=2.4米，C2=3.312米，a2=1.3836米；R3=0.48米，C3=3.378米，a3=1.512米；取堰頂最高點處為坐標原點， R1、R2、R3對應的圓心坐標分別為O1(0,-6),O2(-1.26,-2.627),O 3(-2.9016,-1.6319) 。堰頂下游曲線方程為ｘ1.836=1.936Hd0.836ｙ。堰下游斜面坡度與非溢流壩段坡度相同，將上式左右兩邊對x求導可得1.836x0.8360.836，即0.7476×1.836ｘ=1.936Hd0.836=1.936Hd0.836。求得斜面與堰頂下游曲線的切點坐標為（ 18.107，13.192）。下游曲線的坐標如下表：表4.2堰面曲線坐標表x02468101214161818.11y00.20.821.742.944.446.208.2310.5113.0413.20C3C2C1 堰頂坐標原點aa3 aR2=0.2HdR3=0.04HdO3x3=-0.2915Hd

堰頂中心線y3=0.1260Hd R1=0.5HdO2x2=-0.105Hdy2=0.219HdO1x1=0.000Hdy1=0.500Hd圖4.1 堰面曲線19***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計4.4消能設計4.4.1 消能方式通過溢流壩頂下泄的水流，具有很大的能量，必須采取有效地消能措施，保護下游河床免受沖刷。消能設計的原則是：消能效果好，結構可靠，防止空蝕和磨損，以保證壩體和有關建筑物的安全。設計時應根據壩址地形，地質條件，樞紐布置，壩高，下泄流量等綜合考慮。消能形式及原理：重力壩的下泄水流具有很大的能量，如不能妥善的消除水流的能量，將沖刷建筑物及河床基巖，危及建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等，他們的比較列于下表。表4.3消能形式及其比較消能形式原理及其特點適用情況基本原理是使水流產生臨界水躍，通過底流消能表層旋滾消能；它常需要護坦，消力池常用于水閘。等措施，對于基巖往往不夠經濟。挑流消能，利用鼻坎將自溢流面下泄的高速水流向空中拋射，使水流擴散并卷入大量的空氣，然后落入下游河床它一般適用于基巖上挑流消能的水墊中。水流在同空氣摩擦的過程的水工建筑物，特別中，消耗了約20%的能量。拋射到下游是高水頭、大流量的河床水墊后，形成強烈的旋滾區(qū)，沖刷泄水建筑物。河床形成沖坑，同時消耗掉大部分的能量。面流消能的原理是將高速水流挑至尾水它適用于下游尾水較面，在標成主流和河床之間形成逆流漩深，流量變化范圍面流消能渦和躍波，通過旋渦和主流擴散而消小，水位變幅不大的能。水流在表面可減輕對壩下河床的沖情況，由于表層水流刷，但是可能水滾裹挾石塊，磨損壩腳速很大，對下游的電地基。站和航運有影響。20***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計它將鼻坎設置在水下，不形成自由水它一般適用于尾水較舌，水流在戶戽產生旋滾，經鼻坎將高深，變幅較小，無航消力戽消能速主流挑射至水流表面，消耗大量動運要求，切地基條件能。比較好的情況。4.4.2反弧半徑及挑射角根據地形地質條件，工程規(guī)模要求，選用挑流消能。根據已建工程經驗， 挑射=25°。根據下泄水流應該在高于下游最高水位大約1～2m處將水流挑出，鼻坎高程可選用校核洪水位作為最高下游水位，則鼻坎高程為：214.5+1.5=216m可按下式求得反弧段的半徑v2gHh1QBv—堰面流速系數，取 0.96H—庫水位至坎頂高差，H=305.1-216=89.1m故算出V=0.96×41.78=40.12m3/sQ—校核洪水時溢流壩下泄流量， (6700m3/s)B—鼻坎處水面寬度，此處 B=單孔凈寬 +2×邊墩厚度B=78-2×2.5=73mQ6700h12.29mBV40.1273R=（4～10）hR=9.16～22.9（m）21***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計根據經驗，取R=21（m）此時反弧最低點高程：h=216+16×0.91-16=214.56m4.4.3 消能驗算連續(xù)式挑流鼻坎的水舌挑距 L按水舌外緣計算，如圖 4.1，其估算公式為：L 1v12sin cos v1cos v12sin2 2g(h1 h2)g式中：L—水舌挑距，mv1—坎頂水面流速，，按鼻坎處平均流速 v的1.1倍計h1—坎頂垂直方向水深，m,h1 hcosh2—坎頂至河床面高差，m上游最高水位θ下游最高水位圖4.2 挑流消能要素示意圖h1 hcos =2.29×cos25o=2.075mh2=216-190=26mL1[40.122sin25cos2540.12cos259.8140.122sin22529.81(2.07526)]166.93m最大沖坑水墊厚度估算公式：tkq0.5H0.25tkq0.5H0.25H222***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計式中：tk—水墊厚度，自水面算至坑底tk—沖坑深度—單寬流量—上下游水位差H2—下游水深—沖坑系數，堅硬完整的基巖 =0.9～1.2，堅硬但完整性較差的基巖=1.2～1.5，軟弱破碎、裂隙發(fā)育的基巖=1.5～2.0取=0.9tk0.91190.5(307.3214.5)0.2530.47mtk0.91190.5(307.3214.5)0.25(214.5190)5.97m為了保證大壩的安全，挑距應有足夠的長度。一般當L/tk>2.5～5.0時，認為是安全的。不能滿足時，可通過模型試驗，結合工程實際進行論證。設計中L/tk' 97.04/5.97 16.25符合要求，所以安全。4.5閘門、閘墩及導墻設計4.5.1 閘門形式的型式選擇及高度比較常見的閘門形式是平板和弧形門。平板直升閘門能滿足各種類型的泄水孔道的要求，所以他是應用最為廣泛的一種閘門形式：弧形門也是一種應用十分廣泛的門型，它一般可用于泄洪道和無壓泄水孔的泄水形勢。二者具有特性如下表所示：表4.4 閘門形式及其優(yōu)缺點閘門形式 優(yōu)點 缺點平板門 1、可封閉相當大面積的空口；

1、需要較高和較厚的閘23***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計2、建筑物順流方向尺寸較??；3、閘門結構簡單，其制造、安裝和運輸工作相對來說比較簡單方便；4、門頁可以出孔口；5、門頁可以在孔口見互用；6、門頁可為數段，有利于泄洪和排沙；7、閘門啟閉設備比較簡單，對對移動式起門機適應性較好。

墩；2、具有影響水流的門槽，特別是在水頭較高的情況，門槽會帶來很多的麻煩；3、需要啟閉力較大，故需選用超大的門機。1、需要較長的閘墩；1、可封閉相當大面積的空口；2、閘門所占空間比較2、所需閘墩高度和厚度較??；大；弧形門3、沒有影響水流流態(tài)的門槽；3、不能提出孔口以外進行維修；4、所需的啟閉力較小；4、閘門所承受的總水壓5、埋件數量少。力較大，不能在孔口間互換。根據工程基本情況，采用平板閘門門高=正常高水位-堰頂高程+超高（0.1~0.2）門高=305.1-293+0.1=12.2m取13m4.5.2 閘墩形狀及厚度閘墩的墩頭形狀為上游采用半圓形，下游采用流線型。其上游布置工作橋，24***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計頂部高程取非溢流壩壩頂高程即 309.41m。中墩厚度為3.5m，邊墩厚度為2.5m，溢流壩的分縫設在閘孔中間，故沒有縫墩。工作閘門槽深 1m，寬1m，檢修閘門槽深0.5m，寬0.5m。如圖所示。圖4.3 中墩及閘門槽尺寸圖4.4 邊墩及閘門槽尺寸4.6導水墻的尺寸擬定邊墩向下游延伸成導水墻，其長度延伸到挑流鼻坎的末端。平直段摻氣后水深估算公式為：hb h(1 v/100)式中：h、hb—摻氣前、后的水深，mv—摻氣前計算斷面的平均流速， m/sξ—修正系數，一般為 1.0～1.4m/s，v＞20m/s時，取較大值代入數據得hb=2.5×(1+1.4×40.12/100)=3.9m，則導水墻高度為3.9+0.6=4.5m，導水墻需分縫，間距為21m，其橫斷面為梯形，頂寬取0.7m。25***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計第五章 壩體細部構造及地基處理設計5.1壩頂構造壩頂上游側設置防浪墻，采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結構， 防浪墻在壩體橫縫處留有伸縮縫，縫內設止水。墻高為 1.2m，厚度為15cm，以滿足運用安全的要求。，下游側設置欄桿、燈柱間距為 1.5m，保護行人和行車安全。壩頂路面橫向坡度 2%，設置有排水設施，排除路面雨水。路面排水與壩體內排水連通或直接排入壩體內。；路面設有人行道，高出壩頂路面 20～30cm。5.2廊道、分縫、止排水設計5.2.1 基礎廊道廊道底部距壩基面 4m，廊道底部高程為 203m，上游側(中心點)距上游壩面7m；形狀為城門洞形，底寬 4m，高5m，內部上游側設排水溝，并在最低處設集水井。平行于壩軸線方向廊道向兩岸沿地形逐漸升高，坡度不大于 405.2.2 壩體廊道自基礎廊道沿壩高每隔 20m設置一層廊道，共設4層。底部高程分別為223m、243m、263m、283m形狀為城門洞形，其上游側(中心點)距上游壩面5m，底寬2m，高2.5m，兩岸各有一個出口。5.2.3壩體排水距離壩的上游面5m沿壩軸線方向設一排豎向排水管幕。管內徑為 20cm，間距為3m，上端通至壩頂，下端通至廊道，垂直布置。排水管采用無砂混凝土管。5.2.4 壩體分縫止水為了防止壩體因溫度變化和地基不均勻沉降而產生裂縫， 滿足施工（混凝土的澆筑能力和施工期的溫控）的需要，壩體需要分縫。常見的縫有：橫縫、縱縫、水平施工縫。橫縫。垂直于壩軸線，將壩體分成若干個壩段。間距（一般是相等的）為26***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計12～20m,縫寬1～2cm。橫縫一般為永久性縫，縫面為平面，縫內設置止水?？紤]溢流壩段分縫與溢流孔口相適應，且橫縫設在溢流孔跨中，故取間距為 20m,橫縫寬度為2cm?？v縫。一般為豎縫形式，縫面應設置鍵槽，并埋設灌漿系統(tǒng)，并在蓄水前進行灌漿?？v縫與壩面應垂直相交，避免澆筑塊有尖角。間距為 15～30m,深孔壩段、寒冷地區(qū)、宜選用較小的間距。本設計中，縱縫間距采用 20m。水平施工縫。壩體上下層澆筑塊之間的結合面稱水平施工縫。一般澆筑塊厚1.5～4m,靠近基巖面層厚為1.5～2m，同一壩段相鄰澆筑塊水平施工縫的高程應錯開。止水與壩的級別和高度有關。高壩：止水采用兩道止水片，止水片間設瀝青井，兩道止水片均為紫銅片，厚度為1.0～1.6mm。中低壩的止水可適當簡化，中壩第一道止水片為紫銅片，第二道止水片可采用塑料或橡膠止水片。橫縫止水必須與基巖妥善連接，止水片一般埋入基巖內的深度為30～50cm，瀝青井也埋入基巖內。橫縫止水，上游設兩道止水片和一道防滲瀝青井。止水片采用1.0mm厚的紫銅片，第一道止水片距上游壩面1.0m。兩道止水片間距為1m，中間設有直徑為20cm的瀝青井，止水片的下部深入基巖30cm，并與混凝土緊密嵌固，上部伸到壩頂。在溢流壩頂第一道止水片與閘門底部止水接觸（要分叉接在檢修門和工作門底止水處）；第二道止水片伸至溢流壩頂后，順溢流壩頂延伸至下游鼻坎。5.3壩體混凝土的強度等級壩體混凝土應滿足強度、抗?jié)B、抗凍、抗侵蝕、抗沖刷、低熱、抗裂、硬化時體積變小等性能的要求。為了合理使用材料，壩體混凝土可按不同部位、 不同工作條件采用不同的強度等級。混凝土分區(qū)的尺寸：一般外部 (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū))混凝土各區(qū)厚度最小 2～3m，上游面的厚度比下游面大，基礎混凝土 (Ⅳ區(qū))厚度為0.1B(B為壩體底寬)，并不小于3.9m，不同強度等級混凝土之間要有良好的接觸帶。壩體分區(qū)圖如下圖所示其中，壩體各個區(qū)域表示的含義如下：27***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計Ⅰ區(qū)：上下游最高水位以上壩體外部表層混凝土厚度為 3m；Ⅱ區(qū)：上下游水位變化范圍內壩體外部表層混凝土厚度為 4.5m；Ⅲ區(qū)：上下游最低水位以下壩體外部表層混凝土厚度為 4.5m；Ⅳ區(qū)：壩體基礎混凝土厚度為 5m；Ⅴ區(qū)：壩體內部混凝土；Ⅵ區(qū)：抗沖刷部位混凝土。非溢流壩最高水位Ⅵ最低水位ⅥⅡⅢⅤ1：0.21：0.75最高水位ⅢⅣ最低水位溢流壩圖5.1 混凝土壩區(qū)分區(qū)示意圖28***職業(yè)技術學院 春河張谷水利樞紐工程設計5.4地基處理天然地基常存在著不同程度的缺陷， 必須經過處理才可作為壩基礎。 常用的處理方法有：開挖與清理、加固處理、壩基帷幕灌漿、基礎排水等方法。5.4.1 地基開挖與清理地基開挖是將天然基巖上的覆蓋層及承載力、抗剪強度不能滿足要求的巖石挖除。地基開挖的深度：根據壩基應力、巖石強度、完整性、上部結構等對地基要求綜合確定。一般低壩只需挖除表層風化破碎巖石；中壩宜挖到微風化或弱風化下部的基巖，高壩應挖到新鮮或微風化下部的基巖。岸坡地形較高的壩段，利用基巖的標準比河床部位適當放寬。5.4.2 地基開挖的形狀及坡度地基開挖是將天然基巖上的覆蓋層及承載力、 抗剪強度不能滿足要求的巖石挖除。由于本設計為中壩，挖到微風化或弱風化下部的基巖即可。順河流方向宜開挖成略向上游傾斜的鋸齒狀（坡度 1：0.5～1.1）。平行于壩軸線方向應盡量開挖成有足夠寬度（一般為壩段長度的 30%～50%）的分級平臺，以利于壩的側向穩(wěn)定。此時應注意，壩體橫縫應位于平臺上，以不開挖成銳角為準。另外，相鄰臺階的高差不宜過大，一般不大于 10m。本工程設計中，由于右岸山崗覆蓋有 5米的沙壤土，巖石風化厚度為 3米，左岸巖石露頭，風化層有3米，地基開挖時應將其挖除，將壩底面最低處設置在為188m高程處，順水流方向開挖成鋸齒狀。5.4.3基坑的清理在澆筑前必須清除碎渣、松動巖塊，打掉突出的尖角，并用高壓水壓水槍沖洗干凈，原有的鉆孔、探井、槽洞等也應回填、封堵。5.4.4 壩基的帷幕灌漿帷幕灌漿的目的：降低壩底的滲透壓力，減少繞壩滲漏，