潘家口水库混凝土重力坝设计.doc

赵佳全：潘家口水库混凝土重力坝设计本科毕业设计题 目 潘家口水库混凝土重力坝设计 学 院 工学院 专 业 水利水电工程 毕业届别 2013届 姓 名 赵佳全 指导教师 李海燕 职 称 副教授 甘肃农业大学教务处制二一三年 五月0目录摘 要：1关键词：1abstract:1keywords:11 潘家口书库基本资料21.1 枢纽概况及工程目的21.2 设计任务和基本要求21.2.1 设计任务21.2.2 选作内容21.2.3 基本要求31.3 水文分析31.3.1 年径流31.3.2 洪水31.3.3 泥沙51.3.4 气象61.4 工程地质71.4.1 库区地址71.4.2 坝址地址71.4.3 构造71.4.4 水文地质71.4.5 岩石物理力学性质81.4.6 地震81.5 其他资料91.5.1 当地建筑材料91.5.2 交通条件91.5.3 水库水位于库容关系曲线及淤积年限91.5.4 效益101.5.5 淹没损失101.5.6 降雨等自然条件统计111.5.7 按施工组织设计得知，工程总工期为8年111.5.8 其他112 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较1412.1 坝轴线的选择142.2 坝型选择152.2.1 综述152.2.2 坝型选择方案152.3 枢纽布置方案172.3.1 综述172.3.2 枢纽布置应遵循以下原则172.3.3 各类建筑物枢纽布置的要求182.3.4 枢纽布置方案比较193 坝工设计213.1 坝工设计综述213.2 挡水坝剖面设计223.2.1 挡水坝剖面初步拟定223.2.2 基础灌浆廊道尺寸拟定253.3 溢流坝剖面拟定263.3.1 消能防冲设计263.3.2 剖面拟定273.3.3 挑流冲刷坑验算303.3.4 闸门的设置323.4 挡水坝稳定分析及应力计算323.4.1 荷载计算及其组合323.4.2 稳定分析383.4.3 应力分析（材料力学法）403.5 溢流坝稳定分析计算453.5.1 溢流坝段的主要荷载计算463.5.2 稳定分析：504 细部构造设计514.1 坝顶构造514.2 分缝止水524.2.1 分缝的作用524.2.2 缝间距524.2.3 止水设计524.3 混凝土标号分区534.3.1 混凝土534.3.2 坝体砼分区534.4 排水554.4.1 坝体排水554.4.2 基础排水5624.5 廊道系统564.5.1 基础灌浆廊道564.5.2 检查及坝体排水廊道564.5.3 其他廊道565 地基处理565.1 清基开挖575.1.1 开挖设计原则575.1.2 开挖设计575.1.3 处理措施575.2 防渗措施575.3 断层破碎带的处理595.3.1 断层破碎带的危害595.3.2 断层破碎带处理措施605.4 软弱夹层的处理60参考文献62致 谢633潘家口水库混凝土重力坝设计赵佳全（甘肃农业大学工学院水利水电专业，甘肃兰州，730070） 摘 要：潘家口水库位于河北省唐山承德两地区交界处,水利枢纽主要任务是调节水量，供天津市和唐山市人水，结合引水发电，并兼顾防洪要求。枢纽属一等工程，其主要建筑物有：混凝土重力坝、泄洪建筑物、生活用电厂房等。本设计的主要内容包括：坝型选择、枢纽布置方案、溢流坝剖面设计、非溢流坝剖面设计,坝体稳定和应力分析、细部构造以及地基处理。关键词：潘家口；水利枢纽；混凝土重力坝pan jia kou reservoir concrete gravity dam designzhaojiaquan(gansu agricultural university water resources and hydropower professional, lanzhou, gansu, 730 070)abstract: panjiakou reservoir located in the middle of tangshan and chende two areas in hebei province. the major task of the hydraulic complex is to adjust a water yield. be for the city of tianjin and tangshan city human life living with water. generate electricity combining with drawing water. and give consideration to flood protection. the panjiakou water project plan is the first class project, its main building include: concrete gravity dam, building of discharging the flood, power house.the main content of the design includes: the dam choice, the arrangement of the position, the section plane design of the spillway, the section plane design of the nonspillway, stablition of the dam body, stress analysis, the detail structure and the ground processing.keywords: panjiakou concrete gravity dam hydraulic complex1 潘家口水库基本资料1.1 枢纽概况及工程目的潘家口水库位于河北省唐山承德两地区交界处坝址位于迁西洒和桥上游十千米扬查子村的滦河干流上。控制流域面积33700平方千米，总库容25.5亿立方米。水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山市人命生活用水，结合引水发电。并兼顾防洪要求，尽可能使工程提前受益，尽早建成。根据水库规模及在国名经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为级建筑物其他均按级建筑物考虑。1.2 设计任务和基本要求1.2.1 设计任务1根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用进行坝线、坝型的选择，枢纽布置方案比较通过初步分析确定。绘制枢纽平面布置及下游立视图。2.进行非溢流坝（挡水坝）的剖面设计，内容包括：拟定挡水坝剖面，稳定、应力分析等，并绘制设计图。3.进行溢流坝的剖面设计，内容包括：拟定断面，水力计算，稳定、应力分析等，并绘制设计图纸。4.进行细部构造设计和地基处理设计，包括：混凝土标号分区、分缝、止水、廓道、排水以及开挖、清理、灌浆、断层处理等，并绘制有关设计图。5.毕业设计应有5000汉字的外文资料翻译。6.设计绘图要求结构合理、工艺性好、表达完整清晰，符合gb规定，体现cad绘图能力。1.2.2 选作内容 根据设计者完成设计任务的具体情况，可选作导墙、廓道、闸墩、工作桥等结构设计内容，包括：结构计算、配筋计算和绘制设计图纸。 根据设计基本资料，确定导流设计标准及导流时段，并进行导流方案比较。通过论证和计算，选定施工导流方案。编制控制性的施工总进度计划，并绘制施工导流程序图。1.2.3 基本要求1必须发挥独立思考能力，创造性的完成设计任务，在设计中应遵循技术规范，尽量采用国内外的先进技术与经验。2对待设计计算绘图等工作，应具有严肃认真一丝不苟的工作作风，以使设计成果达到较高水平。3必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在规定的时间内圆满完成要求的设计内容，成果包括：设计说明计算书一份、设计图纸3张（1#）。1.3 水文分析1.3.1 年径流滦河水量较充沛潘家口站多年平均年径流量为24.5亿立方米占全流域的53%，年内分配很不均匀，主要集中汛期七、八月份。丰水年时占全年5060%，枯水年占3040%，而且年际变化也很大。1.3.2 洪水多发生在七月下旬至八月上旬有峰高量大涨落迅速的特点，据调查近一百年来由六次大水。其中1883年最大，有洪痕估算洪峰流量约为2440027400 秒，实测的45年资料中最大洪峰流量发生灾1962年为18800 秒。洪峰历时三天左右，有频率分析法求得：表11 洪水流量指标项目千年一遇洪水流量万年一遇洪水流量千年一遇三天洪量万年一遇三天洪量指标40400 59200 26.1亿45.4亿表12 几个重现期所对应的洪峰流量值重 现 期（年）102050100洪峰流量（）7520117001780022800三日洪量（亿）8.0611.416.019.7 表13 枯水期洪水过程线（频率：5%） 时段：9月1日至次年6月30日 日 期月、日、时流 量日 期月、日、时流 量日 期月、日、时流 量6.16.2656.17.24906.18.244047248804430672610106420879877284001079107301039012861269012380141231466014360161231661016350181301856018330201372052020310221882249022300242312445024280表 14 设计洪水过程线表 流量：重现期日期1020501007.25.2871201952215110180300340825437857666311604117012901460141504183019002290171860263037504510203790537076509200235210753010450126007.26.26000815011600140056800883012000152008723011400162001960011722011700178002280014734010400148001780017543077001100013200重现期 日期1020501907.26.2037805350762091602328604040576069407.27.2210029604220503051670236033604050814402080291035001113001840262031501422701700235028401712501680220026002011001600205025002310501580183021007.28.21000145017002050595013501600188089001150155018501187011001500180014850104514501700178201000140016701.3.3 泥沙本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375毫米，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际 变化很大，有计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万吨，多年平均含沙量7.45公升/立方米。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。淤砂浮容重为0.9吨/立方米，内摩擦角为12度。1.3.4 气象库区年平均气温为10左右，一月份最低月平均气温为零下6.8，绝对最低气温达零下21.7（1969年），7月份最高月平均气温25，绝对最高达39（1955），多年平均气温见表1.5。表15 多年平均气温表月份1234 56789101112气温-6.8-3.43.5512.11 19.1422.8625.1124.016.6710.202.85-4.4水温10.417.121.4 24.623.618.511.63.4本流域无霜期较短（90-180）天，冰冻期较长（120-20天），潘家口站附近的河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70-100天，冰厚0.4-0.6米，岸边可达1米，流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级有时更大些，春秋两季风向变化较大，夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5米/秒，水库吹程d=3千米。流域内多年平均降雨量约为400-700毫米，多年平均降水天数及降水量见下表1.6。表16 多年平均降水天数及降水量表月 份123456789101112降水天数月平均1.72.53.64.66.711.015.512.67.147.32.61.1最多天数599811172120141154最少天数000111451000降水量毫米月平均1.45.68.225.739.089.1277.3215.268.830.19.22.0最大4.833.524.274.291.3217.8548.5462.8181.976.1134.611.4最小0000.912.520.0101.194.21.70001.4 工程地质1.4.1 库区地址潘家口水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只西城峪止台北子一带较为宽阔沿河两，岸阶地狭窄，断续出现且不对称，区域内无严重的坍岸及渗陋问题。1.4.2 坝址地址1.地貌坝址位于扬查子村南300米处，为低谷丘陵地区，两岸相对高差不大，河谷开阔，宽约600米上下游两千米范围内，河道顺直主河槽位于右岸，河床高程137米左右。枯水期河床宽约100米，由于受河流侧向侵蚀两岸地形不对称。右岸坡度较陡约60左右，左岸较缓约20度，河床中除漫滩外，左岸还有三级阶地发育，一、二级阶地高程自140米160米。三级阶地与缓坡相接直达山顶。覆盖层厚度为712米的沙砾卵石冲击层。2. 岩性坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四季松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉，把区范围内片麻岩以其岩性变化情况可分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六曾因受地形限制建坝工程很大。第四大岩层（ar i 4）为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒纤状花岗岩变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185米左右。1.4.3 构造把指出虽然断层、裂隙较多，但大部分规模较小对工程影响不大，其中f2、f5、f11、f26、f27、f28断层对坝体有一定影响，以上各断层的特性有表1.7所示1.4.4 水文地质坝基的透水性总的看来不大，但不均一，主要决定断裂发育程度和性质，在平面上，一级阶地基岩透水性大于其它地貌单元。从垂向上看河内单位溪水量小于0.01公升/分的顶板在83105米高程其间之透水层厚度为4050米，若除开挖部分厚度将更薄一些，两岸透水层应以天然地下水位为下限，一般都大于50米，具体参见地质剖面图。表 17 地质构造特性表编号走向倾向及倾角宽度（米）性质对建筑物的影响f2北东85西北275南70802.512.5压扭长约200米一段靠近上游坝锺。对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响。f5北东20度南东30度18.0张扭位于溢流坝段子上有向下游斜贯23隔坝段降低岩层力学强度。影响完整性和均一性。f11北东10度南东75度1.52.5张扭f11与f26两断层相距近而交汇，位于溢流坝处斜贯两个坝段且交汇带靠近下游侧，对基础力学强度影响较大。f26北东16度南东75度0.31.2张扭f27北西320度北东80度0.30.6张扭f27与f28两断层相距也较之间有一号岩脉并欲坝体成53度夹角相交，斜穿56个坝段，对坝体有影响地段 达20米。f28北西320度北东75度1.3张扭1.4.5 岩石物理力学性质岩石容重为2.682.70吨/立方米，饱和抗压强度，弱风化和微风化岩石均在650千克/ 以上，有的可达1100千克/，混凝土与岩石的默察系数微风化及弱风化下部，可取=1.10、=7.5kg/c。1.4.6 地震库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。弱震仍不断发生，其中1936年和1976年两次发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为7度，考虑到枢纽的重要性，河水激发地震的可能性，拦河坝设防烈度采用8度。1.5 其他资料1.5.1 当地建筑材料坝址附近主要砂石料场有7处，储量足以建坝，阁僚长的物理性质、实验指标，基本满足技术要求，可作大坝混凝土骨料使用。且无大量的粘性土及沙壤土料，可供围堰防渗材料之用。1.5.2 交通条件对外交通在右岸，公路，铁路均距坝址较近略加修改或扩建即可直接通坝址，坝顶无重要交通要求。1.5.3 水库水位于库容关系曲线及淤积年限水库水位于库容关系曲线及淤积年限见表18、 表19。表18 水库水位于库容关系曲线及淤积年限表水库水位（）天然库容（亿）三角洲法万氏法淤积年限十年二十年五十年五十年136.0150.0160.0170.0180.0190.0200.0210.0220.0230.000.311.032.364.467.4011.2516.0922.0029.1900.210.872.134.167.0110.6316.0620.5027.6500.100.651.863.8560539.8314.0119.2026.28000.191.032.715.007.7611.0715.4022.1000000.041.234.238.9414.8322.02坝前淤积高程（）141.2144.0153.8177.5表19 潘家口水库位库容关系表水位（）库容（亿）水位（米）库容（亿）水位（）库容（亿）136.0139.0141.0143.0145.0147.0148.0150.0152.0154.0156.0158.0160.0162.000.010.030.070.110.190.220.310.420.550.700.851.031.20164.0166.0168.0170.0172.0174.0176.0178.0180.0182.0184.0186.0188.0190.01.501.482.102.362.753.203.604.004.465.005.656.206.697.40192.0194.0195.0200.0210.0220.08.108.909.2011.2516.0922.001.5.4 效益 水库建成与下游大黑订、邱庄、陡河等水库联合运用，承担多年调节作用，在保证率p=75%时，可调节水量20.05亿立米，计划年补给工业及城市生活用水7亿立米，并可灌溉农田一百余万亩，达到遇旱有水。电站装机3台，总容量18万千瓦，平均年发电量3.45亿度。1.5.5 淹没损失库区淹没范围包括河北省承德、唐山两地区的四个县（兴隆、宽城、承德和迁西），是一个公社四十一个大队，迁移人口20700人，淹没土地33400亩，房屋9100间，公路5千米。注：移民迁建标准：经领导审查决定清河唐（距坝线约40千米）以下库区段按正常高水位加风浪浸没安全2米定淹没线，清河唐一上按计入淤积后以1962年洪水（相当于50年一遇）的回水线作为移民线，以五年一遇洪水的回水线作为土地征用线。1.5.6 降雨等自然条件统计本工程由水电部某工程局施工，机械化程度较高。施工作业天数，根据本地区气温及降雨等自然条件统计如表1.10。1.5.7 按施工组织设计得知，工程总工期为8年。表110 全年有效施工天数统计项目 季度 月份合计123456789101112混凝土浇筑81119272724202125262815251图料填筑0013252420131723252710197其他工程2022242727242021262628252891.5.8 其他 施工期下游无供水要求，无须考虑通航，过木问题。表111 水库规划及建筑特性指标项目单位指标备注水位校核洪水位设计洪水位正常蓄水位汛期限制水位死水位（发电）核洪水尾水位设计洪水尾水位正常尾水位米米米米米米米米227.2224.7224.7216.0180.0156.8152.0138.4p=0.01%p=0.1%库容总库容调洪库容兴利库容共用库容死库容亿立米亿立米亿立米亿立米亿立米25.57.419.55.64.2计入十年淤积计入十年淤积坝型坝顶高程最大坝高坝顶长度溢流坝孔数溢流堰顶高程每孔净宽工作闸门尺寸启闭机（270吨）设计洪水下泄流量校核洪水下泄流量米米米孔米米米米台秒秒混凝土重力坝228.0103.01024.019210.015.01515193230042900闸墩的中墩厚度为3米（横缝设在闸墩中间）弧形钢闸门固定式卷扬机限泄275003项 目单 位指 标 备 注泄水孔进口底高程低孔数目工作闸门尺寸（宽高）启闭机设计水位泄水能力校核水位泄水能力米孔米米台秒秒160.0457443404430弧形钢闸门电站引水管道引水管道进口底高管线长度管径最大引水流量工作闸门工作闸门启闭机平板检修门检修门启闭机米米米秒长米宽台米米台170.0121.05.0104357358.51三条引水管每条引水道平板钢闸门24070吨液压式共用一闪40025吨门机电 站主厂房尺寸（长宽高）机组间距水轮发电机组装机容量水轮机型号额定出力发电机型号额定出力主要压器型号输电线电压米米米米台万瓦hl702-万瓦ts-750万瓦sspl-80000千伏7219.139.0016336=18lj-3306.18190-366.0220220 共3台 如遇千年一遇洪水，水库最大泄量与区间同频率洪水相遇将超过大黑订水库的千年一遇设计洪水。为此需要控制下泄流量而不超过27500立米秒以符合大黑订水库设计标准。2 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系。在选择坝址/坝型和枢纽布置时，不仅要研究枢纽附近的自然条件，而且需要考虑枢纽的施工条件，运行条件，综合效益，投资指标以及远景规划等，这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。不同的坝址适用于不同的坝型和枢纽布置，所以选择坝址、坝型要同时做出枢纽布置。针对不同坝址做出不同坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，最后选定较为理想的坝轴线位置及相应的坝型和枢纽布置。2.1 坝轴线的选择通过对潘家口水库坝址区域基本地质、地形等资料的研究和分析，确定要选择合理的坝轴线，必须具备以下四个原则：1、坝基全部坐落在第四大岩层上根据潘家口水库地质基本资料知：坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四纪松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉，坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况可分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六层因受地形限制建坝工程很大，而第四大岩层(arl4)为角闪斜长片麻岩，具有粗粒至中间细粒纤状花岗岩变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状，质地均匀，岩性坚硬，抗风化力强，解理裂隙较少，透水性小工程地址条件好，总厚度185m左右，其特性均满足建坝要求，故坝基建在第四大岩层之上，有利于坝体稳定。2、左岸与第三大岩层保持一定距离从“坝址河谷段构造分析图”中，可知：第四大岩层，自右岸至左岸逐步向北偏移，且宽度略变窄，若坝轴线垂直水流方向直接伸向左岸，则坝轴线将与第三大岩层相接。由地质资料可知：第三大岩层较软弱，不宜建坝，故坝轴线需偏移，使之与第三大岩层保持一定距离。根据地质剖面资料分析，坝轴线在左岸时向上游推移，避开软弱的第三大岩层，为以后坝体的稳定运行作好基础。3、避开大的断层f2由坝址河谷段构造分析图可知：坝址处虽然断层裂隙较多，但大部分规模较小，对工程影响不大。其中f2断层最大，它走向为北东85-西北275，倾向南，倾角70-80，宽度2.5-12.5m，属压扭断层。长约200m，一段靠近上游坝踵，对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响，故坝轴线应该避开f2断层，并保持一定距离。4、避开右岸不稳定岩体由坝址河谷段构造分析图可知：在右岸f2断层的上方有一块由ali5和qpl组成的不稳定的岩体，而库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁，弱震仍不断发生。由此，坝轴线需避开右岸陡岸的局部不稳定岩体，在右岸向上游方向折弯，对大坝日后的安全有利。综上所述：为同时满足坝基坐落在第四大岩层上，左岸与第三大岩层保持一定距离，右岸避开不稳定岩体，河床部位使上游坝踵避开f2断层四个选择坝轴线的基本原则。另外，左岸为避开f2断层向下游偏移，右岸的下游多为破碎带，故向上游偏移，致使坝轴线倾斜，偏离两岸山头；为了节省工程造价，减少工程量，使两岸坝轴线弯折，右岸（西）为避开不稳定岩体需做一圆弧，延伸至山头，左岸（东）则折线延伸至山头；由此，水流方向与坝轴线斜交，虽然会产生横向水流，对坝体，岸坡有影响，但水库蓄水后，库容较大，致使坝前水流流速几近为零，这样受到横向水流影响就很小，故此坝轴线选择合理可行。2.2 坝型选择2.2.1 综述坝型选择应根据当地地质、地形条件，施工条件，建筑材料，综合效益，宣泄洪水能力，以及抗震性等特点，通过定性分析，初步选择两种坝型进行较详细的技术比较，选取既满足工程要求，又比较经济的坝型，经济比较只要求对坝体的砼方量及三材用量作粗略的计算和比较。以下分别就各种坝型进行比较分析：2.2.2 坝型选择方案（一）土石坝1、土石坝优点（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，几乎任何土石料均可筑坝。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（5）土石坝适应地基变形，施工方便，而且我国拥有丰富的建坝经验。土石坝与砼坝相比，其造价为砼坝的1/10，工程量为砼坝的4倍，由此可见土石坝经济性优于砼坝。2、缺点由所给潘家口水库基本资料可知，坝址附近主要的砂石大料场有七处，且储量足以建坝，各料场的物理性质、试验指标，基本满足技术要求，可作为大坝混凝土骨料使用。从材料方面看可以建土石坝。但土石坝有它本身的特点，就是坝身不能过水，泄水建筑物需另设溢洪道。由本枢纽基本资料知，两岸均为高山，山峰绵绵，没有崖口，没有合适地形布置溢洪道，因此，从这方面看，不宜建土石坝。由于坝址附近无大量的粘性土及砂壤土料，只可供应围堰防渗材料之用。不能满足土石坝所需的大量粘性土和砂壤土料，因此，从这方面考虑，此处建设土石坝条件不足。综合上述优缺点，故本次设计不采用土石坝，而采用混凝土坝。（二）混凝土坝如果选择砼坝应考虑采用拱坝、支墩坝还是重力坝，1、拱坝优缺点拱坝剖面较薄，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。该坝址处河谷断面宽浅，不是v字型，两岸不对称，没有适宜的地形条件。本设计的两岸地形不适合建拱坝。综合上述，本坝址处不适宜建混凝土拱坝。2、支墩坝优缺点优点： 支墩坝，自重较轻，坝体工程量小，其中连拱坝与平板坝可节省1060工程量；支墩可随受力情况调整厚度，能充分利用圬工材料的抗压强度；节省坝基开挖量和固结灌浆工作量，可加快施工速度；由于坝体较薄，施工散热条件较好。缺点： 支墩本身单薄，侧向刚度比纵向刚度低，在遭遇垂直水利流向的地震作用时，抗震能力明显低于重力坝；支墩的应力较大，对地基要求比重力坝高；施工期坝体对温度变化较敏感，容易产生裂缝；模板较复杂且用量较大，混凝土标号要求高，单方混凝土钢筋用量多，施工存在难度；而且支墩坝有一个致命的缺点，抗压性差，据资料显示库区附近历史上地震活动较为频繁，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区与地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为7度，考虑到枢纽的重要性和水库激发的地震的可能性，拦河坝设防烈度采用8度，基于此种情况，当地是不能选用支墩坝的。综合上述，本坝址处不适宜建支墩坝，适宜选择重力坝坝型。 3、重力坝重力坝坝身可以过水，对地形地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，可以大型机械化施工，施工速度快，故本枢纽选择重力坝坝型。实体重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。基于以上各种坝型的比较分析，本水库采用实体砼重力坝较为合理。 2.3 枢纽布置方案首先根据枢纽的任务及要求确定枢纽建筑物的组成，然后根据地质、地形等条件，拟定二到三个枢纽布置方案，并画出草图，通过定性分析确定较合理的枢纽方案。水利枢纽布置的任务是合理地确定枢纽中各组成建筑物之间的相互位置。2.3.1 综述潘家口水利枢纽的主要任务是调节水量，结合引水发电并兼顾防洪。包括溢流坝段、底孔坝段、电站坝段和挡水坝段；挡水坝段在河的两岸，溢流坝段的位置与电站的位置有关。枢纽功能及其相应的水工建筑物，潘家口水库枢纽的主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业城市人民生活用水，结合引水，并兼顾防洪。根据枢纽功能需要，工程具有挡水坝段、电站坝段、底孔坝段、溢流坝段等建筑物。枢纽布置主要应考虑：厂房段，底孔段，溢流坝段，挡水坝段的布置。2.3.2 枢纽布置应遵循以下原则1、坝址、坝段及其他主要建筑物的形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，各建筑物之间能协调、无干扰地工作，保证其他任何工作条件下都能正常工作，满足枢纽运用管理的要求。3、在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。4、枢纽中各建筑物紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。5、尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产，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，在可能条件下注意美观。2.3.3 各类建筑物枢纽布置的要求1、挡水坝拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。通常布置成直线，这样坝轴线较短，坝身体积小，对建筑物的受力状态有利，并便于与相邻建筑物的联结。但有时受地质和地形条件的限制，可将坝轴线布置成折线，本枢纽即是如此。2、溢流坝溢流坝起泄洪作用，前缘应正对上游来水的河流主流方向，下游出口方向最好与主河槽水流方向一致。溢流坝应坐落在坚硬结实的岩基上，减少下泄水流对其建筑物的影响，以解决下游消能防冲问题。为减少下泄水流对其它建筑物的影响，有时常在溢流坝和这些建筑物之间布置导墙。本枢纽中，溢流坝的尺寸大概如下：由资料可得万年一遇洪水流量为59200m2/s，假设单宽泄水流量为200m2/s，需净宽约300m的溢流孔，每孔尺寸宽约15m，共需20孔，假如泄洪时，底孔开启辅助泄洪，可代替一个溢流孔还需19孔。中墩和边墩厚取3m。横缝设在每个溢流孔中间。故每个溢流段的宽为18m。总溢流段宽为1819+3=345m。3、泄洪底孔坝段泄洪底孔进口高程常接近水库死水位，或靠近河床，随时可以放水。其作用有：预泄库水，增大水库的调蓄能力；放空水库以便检修大坝；排放泥沙，减少水库淤积；随时向下游放水，满足航运或灌溉要求；也起施工导流、洪水期泄洪、人防作用。根据本枢纽基本资料，拟利用泄洪底孔作为二期导流通道，参照已建工程孔口尺寸定为5 m宽7 m高，共设四孔，每两孔口为一个坝段，其中两个底孔坝段中间隔墩厚4 m。所以每个底孔坝段的宽度为25+34=22 m，泄洪底孔的总宽为222=44m。4、电站厂房坝段水电站厂房坝段布置原则：要求水电站进口水流应该平稳，不发生旋涡和横向水流，尾水应顺畅；当溢流坝与厂房并列布置时，应尽量将前者布置在河道深槽，以保证泄水顺畅；为减少下泄水流对发电和航运的不利影响，常在溢流坝与其它建筑物之间设置导墙；当河流含沙量大，坝前淤积严重时，应采取排沙措施，冲沙孔或排沙洞常布置在厂房进水口附近，其高程应满足运用要求。坝后式厂房应尽可能靠近坝体，以减小引水管路的工程量和水头损失，对河床式电站，由于泄水建筑物占据了主河槽，厂房多布置在岸边，但应防止由于泥沙淤积造成尾水壅高，降低发电水头。厂房坝段与泄洪底孔段并排布置有以下优点：（1）可保证电站经常引用活水，不会有泥沙淤积。（2）可以共用起闭设备，节省投资。本枢纽拟定装机3台，每台机组段宽为16m，电站厂房坝段总长为48m。本枢纽电站厂房坝段位置选择是整体枢纽布置的关键，先拟定两种方案进行比较，通过论证比较，选择最优方案，以达到技术上先进和可能，投资少，工期短，运行可靠，管理方便等目的。2.3.4 枢纽布置方案比较根据以上考虑，初步拟定以下两种方案：（1）方案一：电站厂房布置在右岸主河槽可减少基础开挖量，获得高水头，本地区主要用电户在右岸方向，利于就近输送电力，比较经济。但是，电站尾水位较高，发电水头小，尾水有横向水流存在，影响下游岸坡稳定。因本地河流泥沙量大，泄水底孔紧靠厂房，用于排沙泄水，以免泥沙淤积而降低电站效率，挨着底孔坝段向左为溢流坝段，为了不影响电站尾水在下游设置导墙，其余为挡水坝段。（2）方案二：电站厂房布置在左岸，然后自左向右为底孔坝段，溢流坝段，挡水坝段。这种方案虽溢流水流不会影响电站尾水，电站尾水流态好，但开挖量大，才能保证发电水头和装机，不经济。因此，选择方案一较合理。 （3）经济技术比较从经济角度考虑，本电站不宜采用引水式，因为引水式电站需另设隧洞，引水管线，工程成本高，而坝后式电站可采用坝内埋管引水，更为经济，坝后式厂房应尽可能靠近坝体，以减小引水管路的工程量和水头损失，厂房多占据主河槽，可减小开挖量，获得高水头并靠近岸边。根据资料，对外交通在右岸，公路、铁路均距坝址较近，略加修改或扩建既可直通坝址，若选择第二方案，因用电户聚集在右岸，需耗费大量电缆，而且电站的安装维修也不便，从经济合理角度看应选第一种方案。 图21 下游立面图方案对比3 坝工设计3.1 坝工设计综述重力坝剖面的设计原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝安全；工程量小；运用方便；便于施工。 对于完整、坚硬的基岩，f、c值较大，剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒坡（n0），但倒坡对施工不利，立模浇筑砼存在一定难度，在空库时坝址易出现拉应力。对于完整性较差、较软弱的岩基，f、c值较小，需要将上游坝坡放缓，以便借助上游坝面上的水重帮助坝体维持稳定。但当n太大时，在满库情况下，合力可能超出底边三分点，坝踵易出现拉应力。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=00.2，取n0.2，常做成铅直或上部铅直下部倾向上游的；下游坝坡坡率m=0.60.8，取m0.7；底宽约为坝高的0.70.9倍。h图3-1重力坝的基本剖面图示3.2 挡水坝剖面设计3.2.1 挡水坝剖面初步拟定本次设计挡水坝剖面主要对挡水坝的最大剖面进行拟定，并进行稳定分析应力分析，最后确定挡水坝的最优断面。（一）坝基高程设计确定最大剖面的位置，首先要知道清基后坝基的最低点位置，地基的处理根据混凝土重力坝设计规范（dl5108-1999）。1、坝基开挖（1）砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩土类别、基础变形和稳定性，上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定，原则上应考虑基础加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。（3）基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。2、坝基高程拟定由水库坝轴线工程地质剖面图量得，河床高程在137m左右，标准洪水位为227.2m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地址剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。由图上量的电站坝段最低建基面高程为126m，挡水坝段最低建基面高程为128m。（二）坝高拟定1、超高值h的计算（1）基本公式坝顶应高于校核洪