朱家滩水电站设计_水工建筑物课程设计.doc

目录第一章 基本资料31.1 工程概况31.2 工程规模31.3 流域概况31.4 气象资料41.5 水文资料41.5.1洪水41.5.2泥沙51.5.3河道水位流量关系曲线51.6 地质资料71.6.1坝址区工程地质概况7（1）地形地貌7（2）地层岩性71.6.2坝址基岩物理力学参数8第二章 工程总体布置9第三章 溢流坝坝体设计113.1 泄流方式选择113.2 洪水标准的确定113.3 流量的确定113.4 单宽流量的选择113.5 孔口净宽的拟定123.6 定型水头的确定123.7 堰型的确定123.7.1顶部曲线段123.7.2 反弧段设计143.8 确定上游水位143.9 消能防冲设计163.9.1确定消能形式163.9.2消力池设计17（1）护坦构造17（2）消力池长的确定183.10溢流坝稳定分析18第四章 冲沙闸设计234.1 冲沙闸尺寸设计234.1.1泥沙止动流速的计算234.1.2冲沙流速的计算234.1.3沉沙槽尺寸的计算244.1.4闸墩设计254.1.5胸墙设计254.1.6工作桥尺寸拟订264.1.7冲砂闸门264.2 冲沙闸防渗设计264.3 冲沙闸闸室稳定验算274.4消能防冲设计314.4.1消力池长度计算314.4.2消力池深度334.4.3消力池底板厚度计算334.4.4排水设备344.4.5止水设计354.4.6上下游岸坡防护35第五章 进水闸设计365.1 基本资料365.1.1基本尺寸确定365.1.2基本高程确定365.2 水力计算375.2.1过闸流速确定375.2.2水头损失计算375.2.3进水闸过流能力验算38第六章 细部构造设计396.1 坝顶构造396.2 坝体的分缝396.3 止水设计396.4混凝土标号分区406.5 坝体排水426.6 廊道系统426.5.1 坝基灌浆廊道436.5.2 检查及坝体排水廊道43第七章 地基处理设计447.1 清基开挖447.1.1 开挖原则447.1.2 开挖设计447.1.3 坝基清理447.2 坝基加固447.3 防渗排水457.3.1 帷幕灌浆45（1）帷幕灌浆目的45（2）帷幕灌浆范围45（3）帷幕灌浆设计467.3.2 坝基排水477.4 软弱带处理477.4.1 断层破碎带的危害477.4.2 断层破碎带处理措施47第一章 基本资料1.1 工程概况朱家滩水电站选择枢纽布置在朱家滩村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河汇入口1.8km。宝鸡峡林家村引水枢纽以上陕西境内渭河干流长70km，平均比降3.5，地处深山峡谷，河道蜿蜒曲折，蕴藏着丰富的水能资源，朱家滩是该段渭河干流上的梯级开发中的水电站之一，电站坝址以上控制流域面积是29874.80km2。电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路对外交通便利、快捷。随着改革开放的深入发展，经过20多年的建设，当地经济也得到了长足的发展，但与东部、南部省市相比，与全国平均水平相比仍有较大的差距。在中央西部大开发战略决策感召下，宝鸡市各县（区）、乡各级政府，决心开发当地资源，把资源优势转化为经济优势，确定新的经济增长点，带领群众实现奔小康目标。而朱家滩水电站工程就是陈仓区、宝鸡市政府确定的招商引资项目，为该项目的建设提供了多项优惠政策和方便条件。1.2 工程规模朱家滩是座低坝引水式电站，有日调蓄能力。电站拦水坝顶高程687.5m，尾水位674.74m，设计水头12.16m。按长系列分析确定的典型年逐日计算出力和发电量，最终确定装机容量9600kw，多年平均发电量3859万kwh，年利用小时数为3850h。1.3 流域概况朱家滩水电站位于北纬3423，东经10651之间，枢纽布置在陕西省宝鸡市陈仓区坪头镇上游3.2km的渭河主流上，上游距小水河汇入口1.8km，电站坝址以上控制流域面积29874.80km2，电站处于渭河干流及其流域的中部。渭河发源于甘肃省渭源县的乌鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三省26个县（市），全长818km，总流域面积6.24万km2。渭河由宝鸡风阁岭流入陕西境内，于陕西潼关港口东汇入黄河，是黄河的最大一级支流，也是陕西关中的母亲河。陕西境内渭河干流长502km，流域面积3.32万km2，分别占渭河全长和总流域面积的61.4%和53.2%。坝址以上渭河干流长分别为373.5km，平均比降3.5。林家村水位站控制流域面积30661km2，渭河流经甘肃、宁夏、陕西三省（区），甘肃省境内流域面积占林家村以上总面积的85%，宁夏占11.07%，陕西境内占1.3%。1.4 气象资料多年平均气温12.9，最高气温41.6（1973.8.8），最低气温-13.9（1977.1.30）；多年平均降雨量683.4mm，实测最大降雨量948.6mm（1964），实测最小降雨量434.5mm（1977）；多年平均陆地蒸发量550mm，水面蒸发量800mm。流域内降雨显著的特征是时空分布不均，降雨量随地形海拔高程垂直变化大，山区高而川道低，二是年内分配不均衡，7、8、9、10四个月降雨量占全年的59.7%；三是年际丰枯变化大，丰枯比为2.26。1.5 水文资料朱家滩枢纽布置在坪头镇上游3.2km的渭河主干流上，在小水河汇入口下游1.8km处。电站坝址以上控制流域面积29874.80km2，其下游28Km处有林家村水文站，控制流域面积30661km2，该区间流域面积786.2km2 ，占林家村水文站以上流域面积的2.56%。林家村水文站建于1934年，至今已有68年的径流、洪水、泥沙系列资料（19342001年）。朱家滩处无实测资料，但其控制流域面积与林家村水文站控制流域面积仅相差2.56%，就以林家村水文站为参证站来分析该座水电站的水文特性，朱家滩水电站进行水文分析。1.5.1洪水坝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进行还原计算，直接采用该站实测洪水资料。洪峰流量选样的方法采用年最大值法，即每年只选取最大一次的瞬时洪峰流量作为频率计算样本。作年最大洪峰流量与历时关系图（图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。历年洪水丰枯交替出现，变幅较大。一般间隔3-4年，多者7-8年就会出现一次丰水年。根据林家村（19442001）58年系列洪水资料，加1933年历史调查洪水Q=6890 m3/S，进行频率分析采用皮-型频率曲线目估适线，得出林家村水文站不同频率的洪峰流量，再用面积比拟法换算到朱家滩水电站坝址处，其洪水成果详见表。表11 洪峰流量成果表站名各种频率年径流量（亿m3）0.10%0.33%0.50%1%2%3.30%10%林家村9782799573786356534646263072朱家滩96147858725162475254454730191.5.2泥沙林家村水文站每年平均悬移质输沙量为1.5771亿t，推移质输沙量为0.0287亿t。1.5.3河道水位流量关系曲线天然情况下各断面水位流量关系曲线采用均匀流计算公式：式中： A断面过水面积R水力半径C谢才系数，C=R1/6/n，n为糙率i河道断面处纵向比降坝址河段纵比降i=3.5，河床糙率n=0.057，原河段天然河床断面水位流量关系曲线如下图。根据各站坝址处河段纵向比降i和n，可得各站坝址水位流量关系曲线。见图11。图11 原河段天然河床断面水位流量关系曲线1.6 地质资料本区属稳定性较差地区，区内次级构造活动痕迹明显，在基岩山体中，“X”型节理和小的褶曲较发育，在多期岩浆侵入活动影响下，岩体非常破碎。根据中国地震动参数区划图（GB18306-2001）规定，工程区抗震设防烈度为7，设计基本地震加速度为0.2g。1.6.1坝址区工程地质概况（1）地形地貌工程区位于秦岭中低山区，渭河蛇曲发育，自西向东流经本区，地面高度675m（渭河河谷）1243.8（强家山）。渭河两岸山体陡峻，基岩大都裸露，局部表层覆盖少量坡积物和第四系黄土及黄土状土。渭河河道宽度200400m，两岸阶地呈不对称发育，左岸大多数被侵蚀，右岸残留一级、二级及三级阶地，一级阶地高出河床45m，最宽可达400500m，二、三级阶地仅残存一小部分。河谷两岸支流分布有一级阶地，阶地堆积物二元结构清晰，上部黄土、壤土夹碎石，下部卵（砾）石。（2）地层岩性上坝址引水枢纽位于码头村东北渭河干流上，该段河谷部宽150300m，宽3845m，河床高程679683m，河漫滩表面高程682.31686.59m，河床漫滩堆积的卵石层厚度13.022.1m。左坝肩山坡岩石体裸露，坡面倾角4050度。右坝山坡高呈687.0m以下岩体裸露，岸坡陡立，以上为黄土斜坡，坡面角度20度左右，无不良物理地质现象。地质特性从上至下概况如下：中沙层（Q4a1+p1）：黄褐色，长石、石英质，均粒结构，稍湿饱和，松散稍密状态，层厚1.6-6.5m。卵石层（Q4a1+p1）：由石英岩、花岗岩碎块组成，亚园形，一般粒径5-8cm，最大30cm，充填沙15%。该层遍布场地，稍密状态，层厚3.9-14.7m。漂石层（Q4a1+p1）：由石英岩、花岗岩碎块组成，亚园形，一般粒径20-25cm，最大90cm，充填沙10%，松散稍密，分布广，层厚1-13.6m。园砾层（Q4a1+p1）：由石英岩碎块组成，亚园形，一般粒径2-15mm，最大约50cm，充填沙10%，夹卵石薄层，松散稍密状态，在左岸呈凸镜体分布，层厚2-5.1m。基岩层（r5）：花岗岩，浅褐色，主要矿物为长石，石英岩次之，或黑云母，中粒结构，块状结构，少量裂隙，中等风化。基岩埋深17-26.3m，岩石分类为类。坝址处地层强透水层，渗透系数K=85.6m/天。中砂层有振动液化的可能，应挖去。1.6.2坝址基岩物理力学参数坝基砂卵石层物理、力学指标建议值表如下表12。 表12 砂卵石层物理力学指标建议值表地貌地层渗透系数(m/d)允许水力坡降（i）承载力基本值f0 (kpa)变形模量E0 (Mpa)摩擦系数f6砂卵石550.1380260.55两坝肩弱风化花岗岩岩体裂隙发育，比较破碎，岩石和饱和单轴抗压强度Rb=90100MPa，岩体纵波速度Vp=20003750m/s，完整系数Kv=0.110.39，岩体的基本质量指标BQ=237378，基本质量级别IIIIV级，岩体物理、力学指标建议值如下表13。 表13 坝基岩体力学指标建议值表 岩石名称密度抗剪断强度变形模量泊桑比fcg/cm3MpaGpa花岗岩2.450.80.650.3第二章 工程总体布置根据水利水电工程等级划分及防洪标准（SL252-2000）规定，朱家滩装机9600kw，为五等工程，即小（2）型水电工程，其主要建筑物为5级建筑物。故朱家滩水电站枢纽设计洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量Q=3019 m3/s，校核洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量为Q=5254 m3/s，厂区防洪标准为30年一遇洪水设计，相应洪峰流量Q=4547 m3/s，50年一遇洪水校核，相应洪峰流量Q=5254 m3/s。经多方案比较，朱家滩水电站选择枢纽布置在朱家滩村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河汇入口1.8km。进水闸、冲砂闸布置在左岸，厂区布置在朱家滩下游100m渭河一级阶地上，该处的主流靠左岸，河岸开阔有利于布置水电站建筑物。本引水枢纽工程由三大部分组成，拦河溢流坝、冲沙闸及进水闸，附属工程有上游防渗、下游消能工程，包括消力池、海漫、防冲槽，工程范围内的两岸翼墙及护岸工程。右岸为进水闸，与溢流坝轴线夹角为34，闸底板表面高程为681m，闸孔宽为2.5m，设胸墙顶部高程为695m，底部高程为685m,胸墙高10m。闸室用C30砼浇筑，闸门为宽2.5m，高4m的平面铸铁闸门。坝轴线垂直河道，坝布置在河中及左岸。溢流坝长130m，坝高14m，坝底宽15.3m，坝顶高程687.5m，坝底高程678.0m。坝体内填充M7.5浆砌石，表面为C15混凝土。冲沙闸布置在右岸靠近进水口一侧，冲沙闸3孔，每孔宽4m。冲沙闸为敞开式，上部设11m高胸墙，闸门为45m的平面铸铁闸门，四扇。左边墩厚2m，中墩宽2m，右边墩宽2m。闸底板顶面高程679m，闸关闭后闸门顶高程684m，。闸室顶部高程700m，工作闸门闸墩净高16m，上设启闭机及启机房；检修闸门闸墩净高11m。坝、冲沙闸下游均采用底流消力池消能，在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量。消力池底高程678.0m，池长39m，深2m，池尾槛高程为680.0m，池用C25混凝土浇筑。有关设计规范见表5-1。表2-1 有关设计规范序号名称标准编号1水利水电工程等级划分及洪水标准SL25220002防洪标准GB50201943水利工程水利计算规范SL104954水利水电工程设计洪水计算规范SL44935水工建筑物荷载设计规范DL507719976建筑结构荷载规范GB5000920017水工混凝土结构设计规范SL/T19120088水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）SDJ20789堤防工程设计规范GB502869810城市防洪工程设计规范CJJ509211水利水电工程设计工程量计算规定SL328200512水利水电工程初步设计报告编制规程DL50219313水利水电工程施工组织设计规范SL303200414水电水利工程围堰设计导则DL/T5087199915水电水利工程施工导流设计导则DL/T51142000第三章 溢流坝坝体设计3.1 泄流方式选择溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。重力坝的泄水方式主要有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物；设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于中小型工程，采用开敞式溢流水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。3.2 洪水标准的确定洪水标准的确定：本次设计的溢流重力坝是级建筑物，根据GB5020194表采用10年一遇的洪水标准设计，50年一遇的洪水标准校核。3.3 流量的确定流量的确定：根据基础资料可知，设计情况下，溢流坝的下泄流量为3019m3/s；在校核情况下溢流坝的下泄流量为5254m3/s。 3.4 单宽流量的选择一般来说，当河谷狭窄、基岩坚硬，且下游水深较大时，可选用较大单宽流量，以减小溢流前缘宽度，便于枢纽布置；当河床基岩较软弱或存在地质构造等缺陷时，该值应较小些。以往一般情况，软弱基岩2050m3/(s.m),较好基岩5070 m3/(s.m),特别坚硬完整基岩100150 m3/(s.m)。由该坝址区的地质资料及工程地质概况可知该坝址处基础节理裂隙发育，岩石软弱，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，故可取单宽流量为45m3/（s.m）。3.5 孔口净宽的拟定孔口净宽拟定，分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如下表： 表31 不同情况下的孔口净宽计算情况流量(m3/s)单宽流量qm3/(s.m)孔口净宽B（m）设计情况3019(10%)4567.09校核情况5254(2%)45116.76根据以上计算，溢流坝孔口净宽取B=130m，因为溢流坝按一孔设计，则溢流前缘长度为L=130m。3.6 定型水头的确定堰上最大水头Hmax=校核洪水位堰顶高程=693.15-687.5=5.65（m）；定型设计水头Hd=（75%95%）Hmax=4.245.37（m）；取Hd=4.8，Hd/Hmax=4.8/5.65=0.85，查表知坝面最大负压为：0.2Hd = 0.24.8=0.96（m），小于规范的允许值（最大不超过36m水柱）,故最终确定Hd=4.8m，满足要求。3.7 堰型的确定溢流面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。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。3.7.1顶部曲线段（1）由于WES溢流曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量教省，坝面曲线用方程控制，容易找到切点位置，施工教方便，故采用WES溢流堰形式。WES溢流剖面堰型采用幂曲线公式如下： 其中定型设计水头，为了防止出现负压和得到经济的剖面，采用堰顶水头Hd=(0.750.95) H0，取Hd=0.85 H0=4. 8m。a、b系数，与堰的上游系数面倾斜坡度有关，由水工建筑物课本P106可知，当上游面为垂直的时候a=0.5,b=1.85 ；x、y以堰顶最高点为原点坐标。化简为图31 WES堰堰面曲线（2）堰顶曲线与堰下游面的连接点：堰顶曲线和下游坝面应该是光滑连接，即下游坝面直线是堰顶曲线在交接点的切线。这两条直线的斜率应相等。堰下游面坡度与非溢流坝段的下游面相同为1：m=1:0.7。设两曲线相交点坐标为（x,y）,易知下游坝面直线斜率为k=1.43,堰顶曲线在焦点处斜率为曲线方程对x求导： 3.7.2 反弧段设计堰顶高程687.50m，坝基高程673.50m，溢流坝高度14m。堰顶上游为三段圆弧曲线，下游面为反弧段，堰面方程为；其后接直线段，坡比1：0.7；直线段后接反弧段，反弧半径根据下游收缩断面处水深hc来确定。hc是通过试算得到的。其具体试算过程如下表：表32 上游水位流量关系H0ZH0/HdP1/HdmQhcqEohc2.0689.50.42.90.4868.60.040.415.51.02.42.5690.00.52.90.51254.22.440.415.51.02.73.0690.50.62.90.51699.62.740.415.51.02.73.5691.00.72.90.52193.92.740.415.51.02.74.0691.50.82.90.52733.12.740.415.51.02.74.5692.00.92.90.53317.32.740.415.51.02.75.0692.51.02.90.53936.92.740.415.51.02.75.5693.01.22.90.54588.02.740.415.51.02.76.0693.51.32.90.55258.52.740.415.51.02.7由以上，试算得到收缩断面水深：hc=2.69m。下游反弧段半径宜为R=(410)hc，对于该溢流坝段，考虑到多种因素，取R=7m。一般情况下，坝底宽约为坝高的0.70.9倍，反映在该溢流坝上，底宽为9.812.6m。但是，考虑到该坝属于低坝，应尽量取大值，最终定为15.3m。3.8 确定上游水位由上游水位流量关系，可以绘制上游水位流量关系曲线。绘制结果如下图：图32 上游水位流量关系曲线由以上关系曲线可以查得：对应于校核流量Q=5254m3/s时的上游校核洪水位为693.5m，相应单宽流量为33.26m3/s，对应于设计流量Q=3019m3/s时的上游设计洪水位为691.75m相应单宽流量为19.11，m3/s。由下游水位流量关系曲线可以查得：对应于校核流量Q=5254m3/s时的下游校核洪水位为688.4m，对应的下游临界水深hK=4.83m，相应下游水深ht=10.4m，相应共轭水深为9.87m,淹没系数j=1.05；对应于设计流量Q=3019m3/s时的下游设计洪水位为687m，对应的下游临界水深hK=3.34m，相应下游水深ht=9.1m,相应共轭水深为7.58m,淹没系数j=1.20。当一般洪水标准情况下，取Q=868.55m3/s时的下游洪水位为685.3m，对应的下游共轭水深为4.13m,相应下游水深ht=6.9m,淹没j=1.67。3.9 消能防冲设计由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。水工建筑物及混凝土重力坝设计规范可知消能的设计原则是：1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；4）结构简单，工作可靠，工程量小。3.9.1确定消能形式（1）挑流消能:挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中,冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。（2）底流式消能:底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量。底流消能具有流态稳定，消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点.但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道,高坝采用底流消能需经论证。采用底流消能时应保证消力池内形成稳定的水跃，避免产生回流。消力池内和尾坎前后要清理干净，不允许堆积石渣等杂物。（3）面流式消能:面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。通过以上各种消能方式的优缺点分析及综合比较，以及考虑到该坝的自身情况及地质情况，最终确定适合该坝体的最佳消能工形式为底流消能。3.9.2消力池设计消力池是由一段护坦与尾坎成的，因此需要考虑护坦与尾坎两个方面。（1）护坦构造护坦厚度：由于消力池内水流高度紊流转台，脉动压力情况复杂，可按经验公式，也可以参照规范设计，一般大、中型水闸为0.51.0m，长消力池也可以自上而下，采用不同的厚度，末端厚度为t/2，但不宜小于0.5m。在本次设计中，护坦厚度采用0.8m，且厚度均匀。护坦的材料和细部构造：校核情况下的临界水深为hk=4.83m ,收缩断面水深hc=2.69m,则hkhc ,因此坝趾出的水流为急流，而河渠中的水流一般多属缓流，其水深ht大于临界水深hk，故此处必发生水跃，可利用水跃进行消能。护坦地板采用钢筋混凝土，混凝土为C20，在护坦的中后部设置排水孔，孔径5cm，间距2m，梅花形排列，在平行于水流方向设有沉降缝，缝的位置与闸墩对齐，护坦下面设有反滤层，卵石20cm，砂砾石15cm。细纱15cm。（2）消力池长的确定校核情况下的临界水深为hk=4.83m ,收缩断面水深hc=2.69m,则hkhc,水流从收缩断面起要流动一段距离，使水深由hc增至ht,才开始发生水跃。由于下游的实有比能大，表面旋滚将涌向上游，并淹没收缩断面，形成淹没式水跃。淹没度系数公式 因为前已判明建筑物下游水流为淹没式水跃衔接，hthc，采用底流型衔接与消能，淹没度系数j =1.05，护坦长度较小，消能效果比较好，则可修建消能坎，使坎前水位壅高，在池内发生稍有淹没的水跃，因为根据河底地形与高程，下游坝顶高程为678m,下游河道高程为680m,相当于在护坦末端加了一个2m高的消力坎。求池长LB:由 Lj=6.9(hc - hc)=6.9(9.87-2.69)=49.54m得 LB=0.75Lj=0.7548.714=38m则消力池长度不小于38m，故最后确定消力池池长LB=41m，坎高c=2m。3.10溢流坝稳定分析 重力坝的荷载主要有：自重、静水压力、泥沙压力及扬压力等，常取1m坝长进行计算。荷载组合可分为基本组合和特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。各种情况下相应荷载的计算如下：（1） 自重W坝体自重的计算公式： 式中 ：V坝体体积，m；由于取1m坝宽，可用断面面积代替，面积可从断面图上量取； 坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为25KN/m）三种情况下自重均相同，且量取的断面面积为144.55，则有：（2） 静水压力P静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解成水平水压力PH和垂直水压力PV两种。表33 不同情况上下游水深特征水位上游水深H1（m）下游水深H2（m）上下游水位差（m）正常蓄水位687.5 680.0 7.5设计洪水位691.8 687.0 4.8校核洪水位693.5 688.4 5.1计算各种情况下的静水压力：水平水压力PH计算公式为：式中：H计算点处的水头，m；水的重度，常取10KN/m;垂直水压力PV按水重计算。a. 正常蓄水位： 上游水平水压力：（）下游水平水压力： （）上游垂直水压力：下游垂直水压力：b. 设计洪水位： 上游水平水压力：下游水平水压力： 上游垂直水压力：下游垂直水压力：c. 校核洪水位： 上游水平水压力：下游水平水压力： 上游垂直水压力：下游垂直水压力：（3） 扬压力U根据规范，排水处扬压力折减系数取，扬压力的计算过程如下：a. 正常蓄水位b. 设计洪水位 c.校核洪水位 （4） 泥沙压力PS一般计算年限取50100年，水平泥沙压力PS为：式中： 泥沙的浮容重，KN/m； 坝前淤积厚度，m； 淤沙的内摩擦角，（）。故泥沙压力：各种荷载计算结果见表3.1。稳定分析：重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法进行验算。本设计采用抗滑稳定公式进行验算，计算时取单宽1m，计算公式如下：计算结果见表3.1，验算均满足抗滑稳定要求。计 算 内 容荷载基本组合荷载特殊组合正常挡水情况设计洪水情况校核洪水情况计算水位上游687.5 691.8 693.5 下游680.0 687.0 688.4 下游坝顶高程m678.0 678.0 678.0 坝基面高程m673.5 673.5 673.5 荷载自重kN3613.8 3613.8 3613.8 压力体kN0.0 615.0 820.0 上游静水压力kN980.0 1575.0 1721.3 下游静水压力kN191.3 506.3 540.8 泥沙压力kN240.6 240.6 240.6 扬压力kN356.6 787.3 224.7 WKN3257.2 3441.4 4209.0 PKN1029.3 1309.3 1421.0 抗滑稳定计算值KC1.7 1.4 1.6 安全系数允许值KC1.2 1.1 1.0 表34 溢流坝稳定计算成果表 如上表计算结果可见，重力坝的抗滑稳定系数KC满足荷载组合要求，即：第四章 冲沙闸设计4.1 冲沙闸尺寸设计 泥沙运动控制法，概念明确，方法简单。它是根据在进水闸前，能够造成“门前清”所需要的冲沙流量Q来确定的，基本上可以防止推移质泥沙进入进水闸，适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。已知泥沙平均粒径dpj=0.0367mm,设计能够冲沙的最大石块粒径dmax=5cm.,4.1.1泥沙止动流速的计算Uc为泥沙起动流速，根据河流泥沙情况可选用有关的公式计算。本设计选用张瑞瑾泥沙启动流速公式：则止动流速Uz为：4.1.2冲沙流速的计算(1)开启冲沙闸，要求沉沙槽断面流速达到能够冲洗槽内全部淤泥以及随冲沙水流带入槽内的群体泥沙，则冲沙流速为：式中，d0-冲沙流量相应的河道运动推移质泥沙的平均粒径；h0i-沉沙槽内水位至底板面上的水深。（2）另外，为使停留在沉沙槽内的单个粒径为d的大石块也能够冲到下游，要求槽内冲沙流速达到Vc可由库明试验公式计算。取VC 与Vc中的较大值，作为沉沙槽的设计冲沙流速，则取Vc1.9m/s。在正常引水条件下，沉沙槽进口控制断面宽度b0，由下式计算：则沉沙槽设计冲沙流量：且流量系数：4.1.3沉沙槽尺寸的计算假设冲沙闸关闭，进水闸引水通过沉沙槽时的水流流速应小于等于限制入渠最小粒径泥沙的止动流速，使进入槽内的底沙沉落，利用这个原则确定沉沙槽的尺寸。在正常引水条件下，沉沙槽进口控制断面宽度：式中，Q0-进水闸引水的流量；h0-沉沙槽断面减去预留淤积厚度后的水深，为限制进入进水闸泥沙最小粒径d min的止动流速；B-冲沙闸过流宽度。本设计取B=12m，闸门为3孔，每孔4m5m(宽高)。另外，由闸孔出流方程：Q=Be单宽流量表达式：计算不同情况下冲沙闸的过流量，结果见下表4.2。表41 不同情况下冲沙闸的过流能力计算来水情况上游水位上游水头h0闸门开度e流量系数冲沙流量Q单宽流量q校核洪水693.514.550.539545.545.46设计洪水691.7512.7550.531503.741.98正常蓄水位687.58.550.496384.532.044.1.4闸墩设计 (1) 作用：分隔闸孔并支撑闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。(2) 外形轮廓： 应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。其长度采用与闸底板同长，为18m。(3) 厚度：中墩和边墩均厚2.0m。工作闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，门槽深0.3m，宽0.5m。 检修闸门与工作闸门间距为4m。(4) 高度：采用三种计算方法，取最大值。经过比较后取闸墩高度为16m. H墩=校核洪水位时水深+安全超高=14.5+1.5=16（m）H墩=设计洪水位水深+安全超高=12.75+1.5=14.25（m）H墩=正常挡水位水深+h=8.5+0.27+1.5=10.27（m）式中h为波浪高度。4.1.5胸墙设计（1）作用：当水闸挡水高度较大时，可代替一部分闸门高度。 (2) 高度：顶部高程与边墩顶部高程相同，底部高程以不影响闸孔过水为准。所以顶部高程为695.00m，底部高程为684.00m，高度为11m。（3）由于胸墙高度较大，采用板梁式结构，材料为钢筋混凝土，厚度为60cm.4.1.6工作桥尺寸拟订(1) 工作桥：工作桥是为拉安装启闭机和便于工作人员的操作而设的桥。若工作桥较高可在闸墩上部设排架支承。工作桥设置的高程与闸门尺寸及形式有关。由于是平面铸铁闸门，采用固定式卷扬启闭机，闸门提升后不能影响泄放最大流量，并留有一定的富裕度。根据工作需要和设计规范，设在工作闸门的正上方，用排架支承工作桥，桥上设置启闭机房。工作桥底部高程与闸室底板高程的差值约等于闸门高度的2倍再加1.011.5m的富余高度，所以工作桥底部高程为700.00m。4.1.7冲砂闸门闸门型式及操作运行共设4扇闸门，其中工作闸门3扇，检修闸门1扇；铸铁闸门，闸门尺寸宽高=4m5m。冲砂闸门的操作运行方式主要根据进水室前泥砂淤积情况而定，为了防止泥砂淤积超过681.00m而进入压力管洞必须及时启动冲砂闸冲砂排砂。冲沙排沙时机最好选择洪水期。因此，必须加强对泥沙淤积的监测制定冲砂排砂的运行操作方案。4.2 冲沙闸防渗设计由于上下游水头较大，则作用在冲沙闸地板上的渗透压力较大，而冲沙闸不似溢流坝段压重较大，需在闸底板前设置防渗铺盖，用以降低闸底板的渗透压力，并在闸后设置排水管，用以降低侵润线，保证闸室稳定。设防渗铺盖，铺盖长度为闸上下游最大水头的35倍，由于冲沙闸所处地基岩性较好，按照3倍计算得：则冲沙闸前防渗铺盖总长为22.5m。厚度用右式其中：H铺盖定地面的水头差，mJ材料的允许坡降若采用钢筋混凝土铺盖，可兼做阻滑板，厚度不宜小于0.4m，在与底板连接处应加厚至0.81.0m，并用沉降缝分开，缝中设止水。根据设计规范，将铺盖长度取22.5m，厚度取1m.设置防渗铺盖后，冲沙闸底板上作用的渗透压力减小为：1.正常蓄水位情况下：2. 设计洪水位情况下：3. 校核洪水位情况下：4.3 冲沙闸闸室稳定验算闸室的稳定性是指闸室在各种荷载作用下，满足： 平均基底压力不大于地基的容许压力； 不发生明显的倾斜，基底压力的最大值与最小值之比不大于规定的容许值； 不至沿地基面或深层滑动。通过计算，得闸室抗滑稳定计算成果见表42，闸室应力稳定计算见表43。1. 闸室沿地基面抗滑稳定验算表42 冲沙闸室抗滑稳定计算成果表计 算 内 容荷载基本组合荷载特殊组合正常挡水情况设计洪水情况校核洪水情况计 算闸上m687.5691.8693.5水 位闸下m680.0687.0688.4闸孔底板m679.0679.0679.0基面高程m678.0678.0678.0荷载闸房kN50.050.050.0启闭机及人群荷载kN15.015.015.0交通桥kN50.050.050.0胸墙kN110.0110.0110.0边墩kN900.0900.0900.0底板kN625.0625.0625.0闸门kN62.962.962.9垂直水压力kN520.71186.41341.3浮托力kN108.0459.0534.6渗透压力kN300.0190.0204.0水平水压力kN350.0584.1660.5WKN1925.62350.42415.6PKN350.0584.1660.5抗滑稳定计算值KC3.02.22.0安全系数允许值KC1.21.11.0抗滑稳定验算采用抗剪强度公式，按下式计算：式中：K沿闸基面的抗滑稳定安全系数； f闸基面与地基之间的摩擦系数，取0.6； 作用在闸上的全部竖向荷载（包括扬压力）； P作用在冲砂闸坝段上的全部水平荷载；抗滑稳定计算结果表明，安全系数满足条件：地基应力计算：式中： -闸室基底应力的最大值或最小值(kPa)；W-作用在闸室上的全部竖向荷载(包括闸室基础底面上的扬压力在内,kN)；M-作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩(kN.m)；A-闸室基底面的面积(m2 )；B-计算截面的长度。表43 冲沙闸室应力稳定计算成果表应力计算（Kpa）荷载基本组合荷载特殊组合正常挡水情况设计洪水情况校核洪水情况荷载大小KN偏心距m弯矩KNm荷载大小KN偏心距m弯矩KNm荷载大小KN偏心距m弯矩KNm荷载闸房kN50.02.0100.050.02.0100.050.02.0100.0启闭机及人群荷载kN15.02.030.015.02.030.015.0-1.0-15.0交通桥kN50.02.0100.050.02.0100.050.0-1.0-50.0胸墙kN110.01.6176.0110.01.6176.0110.01.6176.0边墩kN900.00.00.0900.00.00.0900.00.00.0底板kN625.00.00.0625.00.00.0625.00.00.0闸门kN62.92.0125.962.92.0125.962.92.0125.9垂直水压力kN520.75.52863.81186.4135.11341.3181.7浮托力kN108.00.00.0459.00.00.0534.60.00.0渗透压力kN300.0-