水利枢纽设计 毕业设计.doc

水利枢纽的设计毕业论文目录绪 论1第一章 枢纽任务及枢纽基本资料2第一节 枢纽任务2一、发电2二、灌溉2三、防洪2四、渔业2五、过木2六、其它3第二节 枢纽的基本资料3一、自然地理3二、工程地质5三、筑坝材料6四、库区经济6五、其他6第二章 主要建筑物型式选择和枢纽的布置8第一节 枢纽的建筑物组成和工程等级与建筑物级别8一、枢纽的建筑物组成8二、工程等级与建筑物级别8第二节 主要建筑物型式的选择9一、坝型的选择9二、溢流坝泄水方式的选择11三、水电站系统型式的选择12第三节 枢纽布置12一、枢纽布置的一般原则12二、各建筑物的具体要求13三、方案比较13第三章 挡水坝设计15第一节 挡水坝坝顶高程确定和挡水坝剖面设计15一、坝顶高程的计算15二、坝顶宽度计算17三、坝底宽度计算17四、坝面坡度计算17第二节 挡水坝的稳定分析和应力计算18一、荷载计算18二、各荷载对坝底形心的偏心距及力矩27三、稳定性分析32四、坝基面应力分析33第四章 溢流坝剖面设计36第一节 孔口设计36一、泄水方式的选择36二、溢流孔口流量Q溢的确定36三、单宽流量的选择36四、溢流坝段净宽L计算36五、溢流坝段总长度L0的确定37六、堰顶高程的确定37七、闸门高度的确定38八、定型设计水头Hd的确定38第二节 溢流坝剖面设计38一、堰顶曲线段38二、反弧段40三、中间直线段41第三节 消能计算42一、鼻坎型式42二、鼻坎高程43三、反弧段半径43四、挑射角43五、挑距计算43六、冲刷坑深度计算44第五章 坝身泄水孔的设计46第一节 泄水孔直径选定46第二节 进水口体形设计46第三节 闸门与门槽47第四节 孔身段设计48第五节 渐变段48第六节 平压管和通气孔50一、平压管50二、通气孔51第七节 消能工型式的选则51第六章 水电站坝段设计53第一节 有压钢管的布置和孔径的确定53一、压力钢管的布置53二、孔径的确定53第二节 有压进水口设计53一、有压进水口的高程确定53二、有压进水口的轮廓尺寸54第七章 细部构造56第一节 坝顶构造56一、非溢流坝坝顶构造56二、溢流坝坝顶构造57第二节 廊道系统59一、基础灌浆廊道59二、检测和坝体排水廊道59第三节 坝体分缝与止水60一、坝体分缝60二、止水60第四节 坝体排水61第五节 坝体混凝土分区62第八章 地基处理64第一节 坝基的开挖与清理64一、开挖深度的确定64二、开挖形状和坡度64第二节 坝基灌浆65一、固结灌浆65二、帷幕灌浆65第三节 坝基排水66一、坝基排水目的66二、坝基排水的排水孔的布置及方向66第四节 断层的处理67总 结68致 谢69参 考 文 献70附录一：外文翻译711绪 论 为了进一步培养我们理论联系实际的能力，为了让我们更好地适应国家的基础建设、科技进步和社会发展，特别是为了能使我们尽快地适应即将面临的工作，成为一名合格的水利水电工程技术人员，我们进行了历时两个多月的A江水利枢纽毕业设计。通过大学近四年的系统学习，我们已经初步掌握了水工设计的基础知识,本次毕业设计是我们根据自己所学的知识，参考许多相关的教材、设计手册和规范，并在指导教师的指导下完成的。本设计共八章，包括了：枢纽的任务和基本资料、枢纽布置、非溢流坝设计、溢流坝设计、泄水孔的设计、水电站坝段设计等内容。通过这次毕业设计，我提高了如下几方面的能力： （1）巩固了基础课和水工建筑物课的理论知识； （2）初步具有了正确的设计思路，提高了分析、解决实际工程问题的能力； （3）提高了设计、计算、查阅资料、绘图和编写说明书的能力； （4）从其他同学身上学到了严谨的工作作风、踏实肯干的精神和踊跃探索积极讨论的精神； （5）知道了在今后的工作中要灵活运用书本的知识，不能死板的硬套，知道了工程实例的重要性，更知道了将来我要学的东西还有很多。 在这次毕业设计中我得到王军玺老师的指导和其他很多同学的帮助，在此，对他们表示诚挚的谢意。 由于时间仓促，知识水平有限本设计中难免有些不足之处，希望各位老师、同学批评指正。 第一章 枢纽任务及枢纽基本资料第一节 枢纽任务本工程同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用。一、发电水电站装机容量为20万千瓦，多年平均发电量5.09亿度。本电站4台5万千瓦机组。正常蓄水位为184.25米，汛期限制水位为182米，死水位164米，4台机满载流量338立方米/秒，相应尾水位103.5米。厂房型式为坝后式，主厂房平面尺寸为8118平方米，发电机层高程114.8米，尾水底板高程90.8米，厂房顶高程130.5米。副房平面尺寸为6610平方米。安装场尺寸为2118平方米。开关站尺寸为2075平方米。二、灌溉本工程建成后，可增加保灌面积50万亩。三、防洪 减轻洪水对A市和A平原的威胁，在遇到5000年一遇和1000年一遇的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的14900立方米/秒、11700立方米/秒分别削减为7850立方米/秒、6850立方米/秒。要求设计洪水时最大下泄流量限制为6850立方米/秒。其他参数见表1。表1 洪水标准的调洪成果洪水标准来流量峰值（m3/s）泄流量（m3/s）上游水位（m）下游水位（m）设计（0. 1%）117006802.3186.18114.45校核（0.02 %）149007090.8189.06115.80四、渔业正常蓄水位时，水库面积为35.60平方公里，可为发展养殖创造有利条件。五、过木根据林业部门的要求，木材过坝量每年为33.3万立方米。其木材最大长度为12米，大头直径为115厘米。六、其它五年完工。 第二节 枢纽的基本资料一、自然地理（一）流域概况A江是我国东南一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇人东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。坝址以上流域面积2761平方公里，流域境内为山区，平均海拔高度为662米，最高峰达1921米，流域境内气候湿润，雨量充沛，属热带气候。径流主要来自降雨，小部分由地下水补给，每年49月为汛期，其中5、6两月为梅雨季节，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降6.320.97%，因河道陡，调蓄水能力低，汇流快，由暴雨产生的洪水迅速涨落，一次洪水过程线尖瘦，属典型的山区性河流。流域境内，以农林为主，森林茂盛，植被良好，水土流失不严重，枢纽下游为A省的重要农付业生基地A平原。坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处，有省辖市一座。（二）气候特性1.气温坝址处的多年平均气温为17.3，月平均最低气温5（1月份）、最高29（7月份）。实测极端最低气温-8.2 (1月份)、最高气温为40.6 (7月份)。2.湿度年平均相对湿度为79%左右，其中6月份87%为最大，1月份72%为最小，日变化较大。3.降雨量坝址以上流域的年平均降雨量为1860毫米，实测最大降雨量为2574毫米，最少为1242毫米。雨量在年内分配不均，其中49月份占全年雨量的80%，56月占全年雨量的1/3，往往形成起伏多峰的洪水。各月降雨量的雨型及日数统计见表2。表2 各月降雨量的雨型及日数统计表月份项目123456789101112全年实际天数3123313031303131303130310.3-10mm雨日34571212109876410-30mm雨日23458965432130mm以上雨日9118563221004.蒸发量坝址处多年平均蒸发量为1349毫米，其中以7月份为最大，月蒸发量为217毫米，2月份为最小，月蒸发量为45.5毫米。5.风向风力实测最大风速为17米/分，风向西北偏西，吹程4.5公里。多年平均最大风速成为：汛期为12米/分，非汛期为13米/分。风向向基本垂直坝轴线，吹程4公里。（三）水文特性1.正常径流 根据资料分析，坝址处的多年平均流量为100m3/s，多年平均总量为31.5亿m3，各频率的月平均量见表3。表3 各频率的平均量 （单位：m3/s） 月频率123456789101112多年平均11162673244906896793626333110212111318657817923536451053735217721073777315050214989141216277784444261616978081947731271842215121345749525223669121542611552.洪峰流量及总量据水文资料推算，坝址处的洪峰流量及总量如下：（1）洪峰流量Q=3310 m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮型线。各频率流量见表4。表4 各频率流量表频率（%）0.020.10.21251020备注流量（m3/s）1490011700（2）洪峰总量三日洪水总量的均值W=3.5亿m3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮IV型线。各频率洪流量见表5。表5 各频率洪流量表频率（%）0.020.10.21251020备注总量WP7.946.58亿m3可能最大三日洪量为15.4亿m3。（3）施工期各设计洪水频率流量见表6。表6 施工期各设计洪水频率流量表时段频率（%）104月96月103月116月112月122月备注5208717721367136788482410167314101072107265459620127510457847844343323.固体径流量及水库淤积据水文站实测资料分析，年固体径流总量为331万吨，百年后水库淤积高程115 m。淤沙浮容重为8.5 kN/m3，内摩擦角为100。4.其它本坝址地震烈度为70。二、工程地质（一）坝址工程地质1.地貌坝址处的河床宽度约100 m。河底高程约100 m，水深13 m。河床覆盖层由大块石、卵石组成。厚度约56m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为510m左右。河谷近似梯形，两岸约400600。2.岩性和工程地质坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120200 MPa。坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性很小。但陡倾角节理较发育，以构造节理为主，左右岸各有走向互相垂直的二组节理。其中一组近于平行山坡等高线，方向见地形图，节理倾角约350900，节理面无夹泥存在。坝址处的水文地质较简单，未发现裂隙承压水。3.岩石的物理力学性质 岩石的物理力学性质见表7。表7 岩石的物理力学性质表岩性或地质构造容重（kN/m3）孔隙率（%）抗压强度（MPa）弹性模量（MPa）摩擦系数粘着力（MPa）泊松比(u)抗剪系数抗剪断系数干湿干饱和混凝土与基岩基岩内部混凝土与基岩基岩内部花岗斑岩27.328.12.32101902.21040.700.750.751.200.5基岩与砼0.20节理面0.650.751.0基岩内相对隔水层离基岩表面深15 m。（二）库区工程地质库区岩性以火山岩和沉积岩为主，皱褶规模不大，均为背斜，两翼地层平缓，且不对称。有较大的断层二条，这些皱褶和断层呈北东向展开，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几到几十公里，断层单宽1米左右，个别达10米以上。断层破碎都已胶结。库区水文地质简单，以裂隙水为主，地下分水岭高程均高出库水位以上。三、筑坝材料（一）石料坝区大部分为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石亦可利用，因此筑坝石料极易解决。（2） 砂料在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9公里，以石英破碎带的料料场为主，初估砂料储量约430万m3。经质量检验，砂石料符合规范要求。坝址处缺乏筑坝的土料。四、库区经济库区除有小片盆地外，其余多为高山峡谷地带。耕地主要分布在小片盆地上，高山上森林茂密。在正常蓄水位时，需迁移人口21444人，拆迁房屋19240间，淹没、浸没耕地16804亩，淹没森林面积18450亩，淹没县乡建造的二座小型水电站（装机2210 kW）等，共需赔偿费4120万元。五、其他（一）对外交通本坝址上游左岸30公里处有铁路干线、车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县于相通，两县城有公路和水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。（二）附属工厂和生活建筑区坝址下游两岸有较大的冲积台地，地形平缓面积较大，适宜布置附属工石和生活建筑区。（三）负荷位置本电站主要供应坝下游A平原的农村生产用电及省辖市的工业用电，并担负A电网的部分调峰任务。（四）坝顶有双线公路布置的要求。87第二章 主要建筑物型式选择和枢纽的布置第一节 枢纽的建筑物组成和工程等级与建筑物级别一、枢纽的建筑物组成根据枢纽的任务，可知枢纽的主要建筑物组成如下：挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物。二、工程等级与建筑物级别根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准以及该工程的一些指标确定工程等级如下： （1）各效益指标等别 根据枢纽灌溉面积50万亩，判断属于等工程；根据电站装机容量20万千瓦，判断属于等工程；根据保护城镇的重要性，判断属于等工程。 （2）水利枢纽等级 根据规范规定，对具有综合利用效益的水电工程，各效益指标分属不同的等别时，整个工程的等级应按其最高的等别确定，故本水利枢纽为等工程。 （3）水工建筑物的级别 根据水工建筑物级别的划分标准，等工程的主要建筑物为2级水工建筑物，所以本枢纽中挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物为2级水工建筑物，次要建筑物为3级水工建筑物。注1：水利水电工程分等指标见表8。表8 水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库总库容（108m3）防洪治涝灌溉供水发电保护城镇及工矿企业重要性保护农田（104亩）治涝面积（104亩）灌溉面积（104亩）供水对象重要性装机容量（104kw）大（1）型10特别重要500200150特别重要120大（2）型101.0重要5001002006015050重要12030中型1.00.1中等100306015505中等305小（1）型0.10.01一般30515350.5一般51小（2）型0.010.001530.51注2：永久性水工建筑物的级别见表9。表9 永久性水工建筑物的级别工程等级永久性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物1323344555第二节 主要建筑物型式的选择一、坝型的选择坝型有三种类型：重力坝、拱坝、土石坝。（一）重力坝方案 重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求；同时依靠坝体自重产生的压应力来抵消由于水压力产生的拉应力，以满足强度的要求。且重力坝有如下的优点：（1）结构作用明确，设计方法简单，安全可靠。（2）对地形地质条件适应性强。（3）枢纽泄洪问题容易解决。（4）便于施工导流。（5）施工方便。 同时，坝区大部分为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石亦可利用，因此筑坝石料极易解决。在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9公里，以石英破碎带的料料场为主，初估砂料储量约430万m3。经质量检验，砂石料符合规范要求。且对外交通较为方便，所需水泥等其他材料运输方便。所以该方案可行。（二）拱坝方案拱坝是固接与基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面竖直的或向上游凸出的曲线形。坝体结构既有拱作用又有梁作用，其承受的荷载一部分通过拱的作用压向两岸，另一部分通过竖直梁的作用传到坝底基岩。与其他坝型相比拱坝具有以下特点：（1）稳定特点。坝体的稳定主要依靠两岸拱端的反力作用，不像重力坝那样依靠自重来维持稳定。（2）结构特点。拱坝属于高次超静定结构，超载能力强，安全度高，当外荷载增大或坝的某一部分发生局部开裂时，坝体的拱和梁作用将会自行调整，使坝体应力重新分配。（3）荷载特点。拱坝坝身不设永久伸缩缝，温度变化和基础变形对坝体应力的影响比较显著，设计时，必须考虑基岩变形，并将温度作用列为一项主要荷载。由于拱坝剖面较薄，坝体几何形状复杂，因此，对于施工质量、建筑材料强和防渗要求等都较重力坝严格。除此之外，拱坝对地形的要求是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。由于坝址处的河床宽度约100 m，宽度较大，不宜建拱坝。所以该方案不可取。（三）土石坝方案土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝，是历史最为悠久的一种坝型，是世界坝工建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。其得到广泛应用和发展的主要原因是：（1）可以就地、就近取材，节约大量的水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的压实密度，减少了土石坝的断面，加快了施工进度，降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了分析计算水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（5）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，对加速土石坝的建设和推广也起到了重要的促进作用。由于坝址处缺乏筑坝的土料，所以该方案不可取。综上可得坝型初步选择重力坝。 而重力坝的形式比较多，主要可分为实体重力坝、空腹重力坝、宽缝重力坝等。下面介绍这几种坝型的优缺点。1.空腹重力坝空腹重力坝的优缺点：较实体重力坝节省砼20%左右，由于空腔下部不设地板，减少了扬压力；可以减少坝基开挖量；坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定；前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；有利于砼散热；坝体施工可以不设纵缝；便于检测和维修；可在空腹中布置电站厂房等优点。但空腹重力坝设计繁难；施工复杂；工期长；钢筋和模板用量较实体重力坝多；如在空腔内布置水电站厂房，施工干扰大。2.宽缝重力坝宽缝重力坝具有以下一些优点：充分利用了混凝土的抗压强度；扬压力显著降低；混凝土方量较实体重力坝可节约1020，甚至更多；宽缝增加了坝块的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热进程；便于检测和维修。从结构角度看，坝体内部应力较低，在该处将厚度减薄也是合理的。但也有一些缺点，如：增加了模板用量，立模也较复杂；分期导流不便；在严寒地区，对宽缝需要采取保温措施。3.实体重力坝实体重力坝有以下优点：（1）相对安全可靠,耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强；（2）设计、施工技术简单，易于机械化施工；（3）对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高；（4）在坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题。实体重力坝的缺点:（1）坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；（2）坝体体积大，耗用水泥多；（3）施工期混凝土温度应力和收缩应力大，对温度控制要求高。 为了能够适应于大型机械化作业，施工速度快，工期短，使工程尽早建成早日供水发电，提前受益，故本工程坝型选用实体重力坝。二、溢流坝泄水方式的选择溢流坝泄水方式有坝顶溢流和坝身泄水孔。在水利枢纽中，泄水重力坝可以承担泄洪、向下游输水、排沙、放空水库和施工导流等任务。（一）坝顶溢流孔口型式的选择 坝顶溢流孔口型式分为：开敞溢流式和大孔口溢流式。1.开敞溢流式开敞溢流式除宣泄洪水外，它还可以排除冰凌和其他漂浮物。堰顶可以设闸门，也可不设。不设闸门的溢流孔，堰顶高程与水库的正常高水位齐平，泄洪时库水位壅高，淹没损失加大，非溢流坝坝顶高程也相应提高，但结构简单，管理方便。适用于泄水量较小、淹没损失不大的中、小型工程。设置闸门的溢流孔，其闸门顶略高于正常蓄水位，堰顶高程较低，可以调节库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝工程量。通常大、中型工程的溢流坝均设有闸门。2.大孔口溢流式 大孔口溢流式，上部设有胸墙，堰顶高程较低。这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于胸墙时，下泄水流形式和开敞溢流式相同；当库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。为了使水库具有较大的泄流能力，宜优先考虑开敞溢流式。本设计中设计洪水位为186.18m时，相应的下泄流量是6802.3m3/s；校核洪水位为189.06m时，相应的下泄流量是7090.8m3/s。下泄流量都较大，所以本设计采用开敞溢流式。（二）坝身泄水孔型式的选择按水流条件，坝身泄水孔可分为有压和无压；按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔；按布置的层数又可分为单层和多层。本设计中泄水孔选择单层、有压、底孔。三、水电站系统型式的选择水电站厂房采用坝后式厂房，水库至水轮机之间的输水管道采用有压钢管输送。第三节 枢纽布置 本枢纽建筑物的组成为：挡水坝、溢流坝、泄水底孔及水电站建筑物等等。进行枢纽布置就是研究这些建筑物的相互位置。一、枢纽布置的一般原则枢纽布置的一般原则如下：（1）坝址、坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。（2）枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都能正常工作。（3）在满足各建筑物强度和稳定性的条件下，降低枢纽的总造价和年运转费用。（4）枢纽中建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少连接建筑物（5）尽可能使枢纽中部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水、早期发电或灌溉）。（6）枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能的条件下，注意美观。二、各建筑物的具体要求（一）挡水坝主要是拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。（二）溢流坝主要起泄洪作用，前缘应正对上游来水的主流方向，下游出口方向最好与主流槽水流方向一致。溢流坝应建在坚硬完整的岩基上，为了减少下泄水流对其他建筑物的影响，有时需要在溢流坝与这些建筑物之间布置导墙，冲沙孔常设在厂房进水口附近，其高程应满足运用要求。（三）泄水底孔即深式泄水孔，起放空水库以便检修；排放泥沙，减少水库淤积。正常情况下不进行泄洪。（四）电站水电站进水口水流应顺直，不发生漩涡和横向水流，尾水应顺畅。厂房坝段与底孔并排布置，有以下优点：（1）可以保证电站经常引用活水，不会有泥沙淤积。（2）将电站坝段与底孔坝段同宽布置，可以共用启闭机设备，节省投资。（3）便于管理和维修。三、方案比较 现在拟定两个枢纽布置方案进行比较分析：方案一是挡水坝段布置在河岸两边，溢流坝段布置在中间，电站布置在右岸的挡水坝之后。方案二是挡水坝段布置在河岸两边，溢流坝段布置在中间，电站布置在左岸的挡水坝之后。比较如下： 由对外交通和流域概况知：本坝址上游左岸30公里处有铁路干线与车站，另有公路与坝址下游50公里的两座县城相同，两县城有公路和水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。A江是我国东南一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇人东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。所以知道用户多位于左岸，少部分位于右岸。综上知当水电站坝段布置在偏左岸时，交通便利，上坝及运送机组较为方便，而且出线省，节省投资。因为用户多位于河流左岸，可以缩短出线线路。底孔紧靠电站坝段，有利于电站排沙，减少泥沙对水轮机的冲刷，且底孔闸门和电站进水口共用一台启闭机，减少启闭设备。通过比较知方案二优于方案一，所以选择方案二。第三章 挡水坝设计剖面设计是重力坝设计的重要环节，主要任务是选择一个既满足稳定和强度要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面。重力坝剖面设计的原则是：（1）满足稳定和强度要求，保证大坝安全。（2）工程量最少。（3）运用方便。（4）便于施工。第一节 挡水坝坝顶高程确定和挡水坝剖面设计根据重力坝设计规范规定，坝顶宽度一般为坝高的8%10%，一般不小于2m。上、下游坡度范围分别为：n=00.2和m=0.60.8,坝底宽约为坝高的0.70.9倍。本工程中上游折坡点以下坡率为n=0.2，下游坡率m=0.7。因为河床高程为100m，河床覆盖层由大块石、卵石组成，厚度约为56m。所以开挖深度取5m，得大坝建基面高程为95m。一、坝顶高程的计算（一）计算防浪墙的高程顶顶=静+h （1）式中：静为水库静水位，m；h 为坝顶高出水库静水位的超高值，m。（二）计算坝顶高出水库静水位的超高值hh=hl+hz+hc （2）式中：hl为波浪高度，m； hz为波浪中心线高出静水位的高度，m；hc为安全加高，m。hc按表10取值。表10 安全加高 (单位：m)运用情况坝的级别123设计情况0.70.50.4校核情况0.50.40.3本工程中大坝为2级，所以，设计情况时，hc为0.5m；校核情况时，hc为0.4m。（三）计算波浪高度hl （3）式中：V0为计算风速，ms；是指水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计水洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大值或采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；D为水库吹程，km。（四）计算波浪中心线高出静水位的高度hz （4）式中：为波浪长度，m；为坝前水深，m；cthx=。（五）计算波浪长度L （5） 由已知条件知：吹程D=4km，设计情况下：V0=17ms；校核情况下：V0=12ms。代入以上公式得：设计情况下：=0.01661754413=0.9096m=10.40.90960.8=9.6408m=0.2696m所以，坝顶高出水库静水位的超高值h=hl+hz+hc= 0.90960.26960.5=1.6794m，进而得计算防浪墙的高程顶=静+h =186.18 +1.6794=187.8594m 。校核情况下：=0.01661254413=0.5885m=10.40.58850.8=6.8050m=0.1159m所以，坝顶高出水库静水位的超高值h=hl+hz+hc= 0.58850.11590.4=1.1484m，进而得计算防浪墙的高程顶=静+h =189.06 +1.1484=190.2084m 。正常蓄水位情况下同设计情况下一样。 在设计、校核洪水位情况下和正常蓄水位情况下防浪墙高程取最大值得：顶=190.2084m,取整得防浪墙高程顶=191m。取防浪墙高度为1.2m，得坝顶高程为：191-1.2=189.8m，最大坝高为：189.8-95=94.8m。二、坝顶宽度计算94.8（8%10%）=7.584m9.48m。因为坝顶有双向公路，所以取坝顶宽度为9m。三、坝底宽度计算94.8（0.70.9）=66.36m85.32m。所以取坝底宽度为75.84m。四、坝面坡度计算上游坝坡采用折线，起坡点高程为145m，破率为1:0.2；下游坡度为1:0.7，因为基本三角形的顶点与校核洪水位齐平，所以重力坝的剖面的下游坡向上延伸应与校核洪水位相交，则可以得出下游坡的起坡点高程为176.2m。挡水坝剖面图见图1。图1 挡水坝剖面图（单位：m）第二节 挡水坝的稳定分析和应力计算一、荷载计算（1） 计算情况选择 在设计重力坝的剖面时，应按照承载能力极限状态计算荷载的基本组合和偶然组合进行计算，荷载的基本组合有：正常蓄水位情况、设计洪位情况、冰冻情况（本次设计不考虑，因为A江为我国东南地区的河流）；偶然组合有：校核洪水位情况、地震情况。设计时应对几种情况分别进行计算。（二）计算截面的选择 抗滑稳定性的计算截面一般选择在受力较大、抗剪强度低、容易产生滑动破坏的截面，一般情况有以下几种：坝基面、坝内软弱层面、坝基缓倾角结构面、不利地形、混凝土层面。应力分析的位置一般有：坝基面、折坡处的截面、坝体削弱部位等。本次设计仅以坝基面为例来分析计算。（三）荷载计算 重力坝承受的荷载与作用主要有：1.自重；2.静水压力；3.扬压力；4.波浪压力；5.泥沙压力；6.地震作用等。有关参数的选择：砼的重度为24kNm3，水的重度为9.81kNm3，扬压力折减系数为0.25，泥沙的浮重度8.5kNm3，内摩擦角为10。取单位坝宽为计算对象（即坝的宽度为1m）。1.计算自重GG=V （6）式中：为砼的重度，kNm3；V为砼的体积，m3。 重力坝分块如图2所示。 图2 重力坝分块（单位：m）V1=9189.8951=853.2m3V2=10145951=250m3V3=56.84176.2951=2307.704m3G1=V1=24853.2=20476.8kNG2=V2=24250=6000kNG3=V3=242307.704=55384.896kN2.计算静水压力水平方向水压力：P=H2 （7）式中：为水的重度，kNm3；H为水深，m。垂直方向水压力：W=V （8）式中：为水的重度，kNm3；V为压力体的体积，m3。 计算简图见图3。图3 静水压力计算简图（单位：m）（1） 校核洪水位情况上游水平水压力P1=H12=9.81189.06952=43395.9261kN上游垂直水压力W1=V1=9.8110189.0614510145951=6774.786kN下游水平水压力P2=H22 =9.81115.8952=2122.0992kN下游垂直水压力W2=V 2 = 9.81115.8950.7115.8951=1485.4694kN（2）设计洪水位情况上游水平水压力P1=H12=9.81186.18952=40779.1517kN上游垂直水压力W1=V1=9.8110186.1814510145951=6492.258kN下游水平水压力P2=H22 =9.81114.45952=1855.5738kN下游垂直水压力W2=V 2 = 9.81114.45950.7114.45951=1298.9016kN（3） 正常蓄水位情况上游水平水压力P1=H12=9.81184.25952=39071.0841kN上游垂直水压力W1=V1=9.8110184.2514510145951=6302.925kN下游水平水压力P2=H22 =9.81103.5952=354.3863kN下游垂直水压力W2=V 2 = 9.81103.5950.7103.595=248.0704kN3.计算扬压力 计算简图见图4。图4 扬压力计算简图（单位：m） 本工程中帷幕灌浆廊道在坝踵附近距上游坝面为6.1m，廊道底部的高程为100m，经计算在坝基面的高程上排水孔距坝踵距离为11m，即B=11m。（1）校核洪水位情况H1=9.81189.0695=922.7286kNm2H2=9.81115.895=204.048kNm2H=9.81189.06115.8=718.6806kNm2H=0.25718.6806=179.6702kNm2U1=204.04875.841=15475.0003kNU2=179.670275.84111=5824.9079kNU3=179.6702111=1976.3722kNU4=718.6806179.6702111=2964.5572kN（2） 设计洪水位情况H1=9.81186.1895=894.4758kNm2H2=9.81114.4595=190.8045kNm2H=9.81186.18114.45=703.6713kNm2H=0.25703.6713=175.9178kNm2U1=190.804575.841=14470.6133kNU2=175.917875.84111=5703.24kNU3=175.9178111=1935.0958kNU4=703.6713175.9178111=2902.6443kN（3） 正常蓄水位情况H1=9.81184.2595=875.5425kNm2H2=9.81103.595=83.385kNm2H=9.81184.25103.5=792.1575kNm2H=0.25792.1575=198.0394kNm2U1=83.38575.841=6321.4169kNU2=198.039475.84111=6420.4373kNU3=198.0394111=2178.4334kNU4=792.1575198.0394111=3267.6496kN4.计算波浪压力 当坝前水深大于半波长，即HL2时，波浪运动不受库底的约束，这样条件下的波浪称为深水波，此时浪压力为：Pl=Lhl+hz4 （9） 当坝前水深小于半波长且大于临界水深H0，即L2HH0时波浪运动受到库底的影响，此时称为浅水波，此时波浪压力为：Pl=hl+hzHplsHpls2 （10） Pls=hlsech （11） 式中：Pls为建筑物建基面处波浪压力的剩余强度。经验算在设计与校核洪水位情况下都满足HL2，所以均属于深水波，计算公式均采用公式（9）。波浪压力分布图见图5。图5 波浪压力分布图（单位：m）（1） 校核洪水位情况hl=0.5885m，hz=0.1599m，L=6.8050m 代入公式（9）得：Pl=Lhl+hz4 =9.816.80500.5885+0.15994=12.4902kNm得1m宽的坝体上的波浪压力为12.4902kN。（2） 设计洪水位情况hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m 代入公式（9）得：Pl=Lhl+hz4 =9.819.64080.9096+0.26964=27.8811kNm得1m宽的坝体上的波浪压力为27.8811kN。（3） 正常蓄水位情况hl=0.9096m，hz=0.2696m，L=9.6408m 代入公式（9）得：Pl=Lhl+hz4 =9.819.64080.2696+9.64084=27.8811kNm得1m宽的坝体上的波浪压力为27.8811kN（与设计洪水位情况相同）。5.计算泥沙压力 坝面单位宽度上的水平泥沙压力Ps一般计算公式为：Ps=sbhs2tg245s2 （12）式中：sb为淤沙的浮容重，kNm3；hs为坝前泥沙淤积厚度，m；s为淤沙的内摩擦角，（）。由基本资料知sb为8.5kNm3；hs=（115-95）=20m；s为10。代入公式（12）得： Ps=sbhs2tg245s2=8.5202tg245102=1196.9499kNm,则1m宽的坝面上的水平泥沙压力为1196.9499kN 垂直泥沙压力Ws计算公式为:Ws=sbVs （13） 式中：sb为淤沙的浮容重，kNm3；Vs为淤沙所形成的压力体体积。代入数据得： Ws=sbVs=8.5115950.2115951=340kN。6.计算地震作用（1） 地震惯性力 一般情况下，水工建筑物可只考虑水平向的地震作用。设计烈度为8、9度的1、2级重力坝，应同时计入水平向和竖直向的地震作用。 混凝土重力坝沿高度作用于质点i的水平向的地震惯性力代表值Fi可按下式计算：Fi=hGEiig （14）式中：h为水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为7度、8度、9度时，h分别为0.1g 、0.2g 、0.4g ；为地震作用的效应折减系数，一般取=0.25；GEi为集中在质点i的重力作用标准值，kN；g为重力加速度；i为质点i的动态分布系数，一般按下式计算：i=1.4 （15）式中：n为坝体计算质点总数；H为坝高；溢流坝的H应算至闸墩顶，m；hi、hj分别为质点i、j的高度，m；GEi为集中在质点i的重力作用标准值，kN；GE为产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值，kN。由于本坝址处地震烈度为7度，所以该重力坝可只考虑水平向的地震作用， 取h=0.1g。将重力坝沿高程分为三块，如图6。图6 地震惯性力坝体分块图（单位：m） 由图中尺寸可求得：GE 1=V1=24913.61=2937.6kNGE2=V2=249+30.8431.21=14916.096kNGE 3=V3=2475.84+30.84501=64008kNGE =V=24913.69+30.8