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水库混凝土重力坝设计书第1章 基本资料 一、枢纽工程概况： P水库位于TS和CD两地区交界处，坝址位于X河桥上游十公里干流上。控制流域面积3.37万km2，总库容为14.39亿m3。 P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TJ和TS地区工农业用水和城市人民生活用水，结合引水发电。并兼顾防洪，要求：尽可能使其工程提前受益，尽早建成。 根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为级建筑物，其它均按级建筑物考虑。 二、气象： P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，绝对最气温高达39(1955年)，多年平均气温见下表（表五）。表一 多年平均气温、水温表 单位：月份123456789101112气温-6.8-3.43.5512.1119.1422.8625.1124.016.6710.202.85-4.4水温10.417.121.424.623.618.511.63.4 本流域无霜期较短(90180天)，冰冻期较长(120200天)，P站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70100天，冰厚0.40.6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21.5m/s，水库吹程D=3km。 流域内多年平均降雨量约为400700mm，多年平均降水天数及降水量见表六：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0000.912.520.0101.194.21.7000表二 多年月平均降水天数及降水量表 单位：mm三、水文分析： 1、年径流：栾河水量较充沛，多年平均年径流量为24.5亿m3，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。 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，近一百年来有六次大洪水。其中1883年最大，由洪痕估算洪峰流量约为2440027400 m3/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800 m3/s。洪峰历时三天左右，由频率分析法求得：几个重现期所对应的洪峰流量值（见下表 表三、表四所示）。 表三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40400m3/s59200m3/s26.1亿m345.4亿m3表四重 现 期(年)102050100洪峰流量(m3/s)7520117001780022800三日洪量(亿m3)8.0611.416.019.7枯水期洪水过程线表五 时段：9月1日至次年6月30日 频率：5% 3、泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375mm，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，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万t多年平均含沙量7.45kg/m3。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0.9t/m3，内摩擦角为12。 四、工程地质： 1、库区地质：P水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只有西城峪至北台子一带较为宽阔，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漏问题。2、坝址地质：主要工程地质条件地形地貌构造剥蚀-中低山地形，不对称“U”形峡谷右岸较陡，左岸较缓，阶地不发育。坝线长480m覆盖层河床5-7m砂石层，左岸山麓堆积31.0m地层岩性震旦系大红峪组第一、二段为中原层石英砂与板岩互层。岩层产状层面倾向上游软弱夹层据平洞竖井资料，右岸有软弱夹层13条，系顺层夹泥，左岸顺层夹泥6条，青层泥3条，建议摩擦系数为0.20.24。风化情况弱风化下限：河床1028m深（高程：左边75m，右边55m）左岸弱风化下限为115105m高程同右岸地质构造右岸小断层67条，左岸F122断层一条，构造简单，基本裂度为6度岩层透水层坝基下部80100m深的范围内W值均大于0.02L/（min. min）均需灌浆处理。岩溶坝线上游2Km处，马圈子电站附近见溶洞稳定性右坝肩上下游存在I、号不稳定岩体。技术指标石英砂岩室内指标：抗压强度134338mpa，弹性模量5001000 mpa，泊桑值0.110.13，各岩层层面摩擦系数的估计建议值：（1） 石英砂岩层面摩擦系数为0.600.65，凝聚力0.380.50 mpa（2） 板岩层摩擦系数为0.40.45，凝聚力0.200.38 mpa（3） 层面夹泥摩擦系数为0.30.35，凝聚力为0.200.27 mpa（4） 切层泥摩擦系数为0.20.24，凝聚力为0.150.18 mpa。 五、当地建筑材料： 坝址附近主要砂石料场有七处，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，可作大坝混凝土骨料使用。且无大量的粘性土及砂壤土料，可供围堰防渗材料之用。 六、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通坝址，坝顶无重要交通要求。七、效益： 水库建成与下游大黑汀、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。八、水库规划及建筑特性指标项目单位指标备注水位校核供应水m156.30P=0.02%设计洪水位m153.70P=0.1%正常储水位m153.20死水位m110.0发电校核尾水位m99.10设计尾水位m97.00正常尾水位m84.10坝前堆砂高程m97.60库容总库容108m314.93调洪库容108m32.00兴利库容108m310.23死库容108m30.94堆沙库容108m31.66主坝坝型砼实体重力坝坝顶高程m157.24最大坝高m89.24坝顶长度m519.00坝顶溢流孔数孔15堰顶高程m141.70每孔净宽m15.00工作闸门尺寸m * m12.5启闭机（2*45t固定式）台15设计洪水下泄能力m3*S-118276.00校核洪水下泄能力m3*S-124527.00进水口进口底高程m90.00底孔数及尺寸孔、m * m4、5*6弧形工作闸门m * m4、5*6工作门启闭机台4设计水位泄水能力m3*S-13584校核水位泄水能力m3*S-13663 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汀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/秒以符合大黑汀水库设计标准。第2章 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较对枢纽布置首先当然是选择坝址，确定坝轴线。坝址和坝轴线的选择是否适当，将在很大的程度上影响工程设计是否经济合理，甚至决定工程的成败。所以选择时必须审慎进行。决定坝址所考虑的条件，首先应该是地质、地形和枢纽布置上的问题，其次则为施工条件和施工后的运行条件。 一、坝轴线的选择坝址的选择要考虑：地形条件，地质条件，水能利用，枢纽布置，施工条件，交通等条件。就地形而言，坝址一般以选在狭窄河谷处，节省工程量；但对于一个具体的枢纽来说，必须从各个方面综合考虑：是否便于布置泄洪、发电建筑物，是否便于施工导流，技术可行，经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然地基很少，因而在选择坝址时应从实际出发，针对不同的情况采取不同的地基处理方式，来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件，同时应考虑两岸的地质因素，使库区及两岸边坡有足够的稳定性，以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势来说，坝址要选在河流顺直段，靠近坝址上、下游河流如有急湾最不利 ，应予避免；枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚，并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些；水库周缘应没有难处理的缺口。通过对P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P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。根据地质构造图对坝轴线有以下要求：1、坝基应全部座落在第四大岩层（Ar14），第四大岩层为角闪斜长石，石英及角闪石，本岩体成厚层块状，质地均一，岩性坚硬，抗风化能力强，工程地质条件好，总厚度185米左右，适宜建坝。2、坝线应避开大的节理和断层，并保持一定距离，由坝址河谷段构造分析图，河谷上游有一大的断层破碎带F2，走向北东850西北2750，倾向及倾角为南70800，宽度2.512.5m，为压扭性断层，对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响，坝体应避开，坝轴线可向下游移动。3、河岸右岸有不稳定岩体，坝线布置应避开，保证右坝肩稳定，因此右岸坝线应向上游移动。4、河谷左岸有第3大岩层分布，其岩性比较软弱，应避开，所以左岸坝线应向上游移动。5、因受以上条件限制，坝线如果采用直线，将不能通过两岸山头，若要满足挡水要求，工程量将很大，材料用量多，为此，将坝轴线两岸段用弯折线或圆弧与两岸山头相连，即左岸向下游折向，右岸向上游圆弧状弯折伸向山体。结论：可见给定坝轴线满足以上要求，坝轴线选择是合理的。二、 坝型选择1、综述坝址的选择要考虑：地形条件，地质条件，水能利用，枢纽布置，施工条件，交通等条件以及抗震性等特点，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、坝型选择方案（一）土石坝土石坝又称当地材料坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝主要分为：均质坝、心（斜）墙坝、土石混合（堆石坝）坝等。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P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）混凝土坝选择如果选择砼坝应考虑采用拱坝、支墩坝还是重力坝，1、拱坝优缺点优点：拱坝是高次超净定空间整体结构，坝体的稳定性主要依靠两岸拱端山体反力作用来维持，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有利于发挥材料的强度，从而坝体厚度可以减薄，节省工程量。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1/32/3，从经济意义上讲，拱坝是一种很优越的坝型。且较好的超载能力可达设计荷载的511倍，具有很强的抗震能力。缺点：建筑拱坝要求河谷的宽高比小于4.5，由水库坝轴线工程地质剖面图量得河谷长为820米，高87米，L/H4.5，为宽浅形河道，不宜修建拱坝；而且拱坝对坝肩的岩体要求坚固完整，但从坝址河谷段构造分析图可发现河谷左岸有大的断层，右岸又存在一个滑坡体，也不宜选择拱坝；理想的拱坝地形应是左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。而此坝址处河段顺直，两岸由于受断层、软弱地带的影响，坝轴线为折线形，不适宜建拱坝。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。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。重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。需对三种坝型进行比较做出结论：（1）宽缝重力坝优缺点：宽缝重力坝，坝体设置宽缝后，坝基的渗透水可自宽缝排出，减小了渗透压力，但宽缝坝增加了模板用量，立模也较复杂，分期导流不便，而且由资料可知当地无霜期较短（90180天）冰冻期较长（120200天），对宽缝坝需要采取保温措施，工程造价大大增加且不能大型机械化施工，工期较长，因此不宜选用宽缝重力坝。（2）空腹重力坝优缺点：空腹坝与实体坝相比具有以下优点：1）由于空腹下部设底板，减小了坝底面上的扬压力，可节省坝体砼方量20%左右；2）减小了坝基开挖量；3）坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定；4）前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；5）便于砼散热；6）坝体施工可不设纵缝；7）便于监测和维修；8）空腹内可以布置水电站厂房。缺点有：1）施工复杂；2）钢筋用量大；3）如在空腹内布置水电站厂房，施工干扰大，基于以上缺点，将难以进行大型机械化施工，不能实现机械化程度较高的快速施工，选此坝型不够经济合理。因此不适宜建空腹重力坝。（3）结论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，本水库采用砼重力坝较为合理。三、枢纽布置方案枢纽布置应遵循一般原则：（1）坝址、坝基及其它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，保证其在任何工作条件下都能正常工作。（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）枢纽中各建筑物布局紧凑，尽量将一工种的建筑物布置在一起，以减少连接建筑物。（5）尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益。（6）枢纽的外观与周围的环境协调，在可能的条件下注意美观。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。1、综述P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，P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。因干流水量年内分配很不均匀，汛期主要集中在七、八月份，而且年际变化也很大，所以枢纽设计应具有多年调节能力，能将丰水年水量调到枯水年运用。建坝拦河蓄水所形成的水头，满足供水之余可建电站，结合引水发电充分利用水头提高工程效益，电站可装机18万千瓦，由三台发电机组发电，并用三条引水管引水。与电站配合运行的还有开关站、尾水渠等建筑物。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、各类建筑物枢纽布置的要求2.1、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。2.2、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。2.3、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。2.4、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；当溢流坝于厂房并列布置时，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。3、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。 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。泄水底孔一般设在河床部位的坝段内，进口高程、尺寸、孔数、孔型是应根据其主要用途来选择，狭窄河谷宜与溢流坝段结合，宽敞河谷两者可分开布置，布置在非溢流坝段内的排沙孔应尽量靠近发电进水口、船闸闸首等需要排沙的部分，放空水库的孔口高度应设置较低高程，当在高坝上，泄水孔可采用无压孔或有压孔，但应避免交替出现有压流与无压流，近年趋向采用无压孔，用泄水孔泄洪或向下游供水一般不经济。底孔也应设在主槽来满足排沙要求。选择溢流坝位置时，应考虑是下泄洪水，排冰时水流能与下游平顺连接，不直接冲淘坝基和其他建筑物的基础，其流态和冲淤不致影响其它建筑物的使用，为此溢流坝也应设在主槽，否则应在溢流坝的两侧设导墙，来控制水流流态，导墙的高度应高出溢流水面。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。对方案一所存在的问题，用以下方法进行处理：1. 陡峭的不稳定岩体开挖成缓坡，并进行喷锚支护。2. 电站与底孔之间设导墙，直至尾水影响较小。3. 对第三岩层进行特殊处理，以确保安全。从地质剖面图可以看出，为减少电站开挖和便于安装间的布置，将电站坝段设在BK1+006处，底孔坝段设在BK1+054和BK1+118之间，溢流坝坝段直到BK1+472处。开挖线基本上按建议开挖线，最大开挖高程为126.0m。两种方案设计的下游立视图如下：最终选择方案一。第3章 坝床剖面设计一 、坝顶高程确定1、为了妥善解决工程安全和经济的矛盾，使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性统一起来，需对该工程及其组成的建筑物进行分等分级。1.根据本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水利部制定的SL2522000设计标准，总库容14.93*108m3，确定本工程等级为一等，工程规模为大（L）型（查教材水工建筑物P14表11），主要建筑物按一类设计，次要建筑物按三级设计，临时建筑物按四级设计（查教材水工建筑物P16表13）。2.根据建筑物级别确定各项设计系数。根据教材水工建筑物表211216，本设计的系数见下表：建筑物名称级别安全级别结构重要性系数设计状态系数材料性能系数vm结构系数v持久状况偶然状况摩擦系数fR粘接力CQ临界稳定状态砼抗压极限状态挡水坝11.11.00.51.33.01.21.8备注不考虑短暂状况砼/基岩接触面基本偶数、组合系数相同注：材料性能分项系数rm=fR/ fQ，设计值fR=fk/ fm。由基本资料已知，坝基建于弱风化岩层，故fk=0.85，CR=0.60Ra，坝基面抗剪断摩擦系数设计值fQ/= fk/ fm=0.85/1.3=0.654，坝基面抗剪断摩擦系数设计值fQ/=0.6/3.0=0.2mPa，在最大挡水坝剖面的永久作用和可变作用分项系数。作用类别自重静水压力渗透压力浮托力淤沙压力液压力分项系数1.01.01.21.01.21.2注：动水压力、冰压力、地震压力、木压力等作用不考虑。3.挡水坝的剖面尺寸设计根据重力坝剖面原理，要满足稳定和强度要求，又使得坝床工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面，具体设计如下：（1）初拟基本剖面：由于重力坝承受的主要荷载的作用在上游面，静水压力是三角形分布，所以重力坝承受的基本剖面也是三角形。根据坝体按应力和稳定控制条件确定的基本剖面和参考已完建筑工程进行初步拟定基本剖面尺寸，现取三角形顶点为校核洪水位156.30m，上游面为铅直面，n=0（=0）,下游面坡比M取0.7，根据已知工程地质条件，风化下限河床部位高程左边75M，右边55M，去风华下限高程为70M，则高H=86.30M如图： 校核 156.30 正常 153.20 H=86.30 n=0（2）确定实用剖面的坝顶高程及坝顶宽度：基本剖面只考虑了坝体的承受作用主要荷载，没有考虑在运用方面的要求，因此需要对基本剖面进行优化设计。1）坝顶宽度B：考虑坝顶设备布置、检修运行、施工及交通等方面的要求，坝顶宽度无特殊要求时，常态砼坝顶最小宽度为3m，碾压砼坝顶最小宽度为5m，一般取坝高的1/81/10，本设计取8m。2）坝顶高程或坝顶防渗墙顶高的确定：按水工建筑物P12公式263式分别计算，公式为：坝顶高程=设计洪水位（或正常蓄水位）+k设/正坝顶高程=校核洪水位+k核式中：k设/正为计算的坝顶（或防渗墙顶）距设计洪水位（或正常蓄水位）k的高度。k设为计算坝顶（或防渗墙顶），距校核洪水位的高差。因在计算坝顶超出静水位h时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以再决定坝高程时，应按正常蓄水位情况和校核洪水位情况分别求出坝顶高程，然后选取最大值。安全超高h=2h1（1%）=h2=hc式中：2h1（1%）-累积频率为一时的浪高度m。h2-波浪中心线至静水位的高度m。Hc-安全超高m。根据水工建筑物P72表2-30，对安全级别为级的坝，安全超高正常蓄水位时hc为0.7m，校核洪水时hc为0.5m。因本工程位于山区，故波浪计算采用官厅水库公式计算浪高2h1，波长221m，公式取自水工建筑物P29式2-6式2-7g（2h1）/V2=0.0076V-1/12（8D2）1/3g（2L1）/V2=0.33V-1/2.15（Gd/V2）1/3.75式中：2h1-当Gd/V2=20250时，为累积频率为5%的浪高，当Gd/V2=2501000时，为累积频率为10%的浪高，而设计规范规定应用累积频率为1%的浪高，对应于5%的浪高，应乘以1.24，对应10%的浪高应乘以1.14。V-设计风速，设计情况采用30年一遇或采用相应多年平均最大风速的1.52.0倍；校核情况先采用多年最大风速，本设计多年平均最大风速为23.7m/S作为校核情况；设计情况取2倍的23.7m/s，即为47.4 m/s。D-吹程m，设计情况和校核情况为3000m。（3）坝坡根据工程经验考虑，利用水重增加坝体稳定，上游坝面采用折坡，起坡点按要求为1/32/3坝高，该工程折坡点高程取死水位，即100.00m，上部为铅直，下部为1：0.2。下游坝破取1：0.7，基本三角形顶点位于坝顶，防浪墙及折坡点已修筑成整体，且上游面为铅直面。3-1 坝顶高程计算表适用情况坡前静水位设计风速吹程mGh/2（Gd/V2）1/30.0076V-1/12持久状况153.2047.4300013.12.3570.0055偶然状况156.3023.7300052.33.7400.0058g（2h1）/V22h1（5%）（Gd/V2）1/3.750.33V-1/2.15g（2L1）/V22L10.0132.9721.98580.0550.109225.03970.02171.2432.87250.75932.1811125.01设计坡高区值2h1（1%）h2hch坝顶高程m3.68531.1080.75.493158.6931.541320.0390.52.080158.380注：（1）持久状态：Gd/V220250之间，取其为累计频率为5%时的波高，所以累计频率为1%时的波高为2h1（1%）/2h1（5%）1.24。（2）偶然状况：Gd/V2L1=62.505，所以h2=4h2=（2 hc）2/2L1（4）坝顶高程（防浪墙顶高），持久状况与偶然状况两者最大值158.693m，最后本设计取防浪墙顶高程158.7m，防浪墙高1.2m，坝顶高程取157.5m。（5）坝底宽度的确定根据以往工程经验，规定坝底宽约为坝高的0.70.9倍，因此157.5-70=87.5m，坝底宽在61.2578.25m之间，因此取70m。（6）汇总最后采用的实用剖面尺寸为：坝基高程70m，坝顶高程157.5m，坝顶宽度8m，上游折坡1：0.2，下游坡1：0.7，坝底宽度70m，上游折坡点高程110m，下游折坡点高程147.5m（见混凝土重力坝剖面图）。4.坝体防渗与排水分析地基条件，采取防渗灌浆帷幕和排水幕，以利大坝防渗及坝体稳定，灌帷幕中心线距上游坝踵6m，排水孔中心线距防渗墙帷幕中心线1.5m，廊道断面为城门洞形，宽度为3m，高度为4m，廊道底部距坝基6m，其对渗透压力强度的折减系数=0.25（实体重力坝河床段）。坝顶上下游两侧均设防浪墙，墙高1.2m，宽0.5m，与坝体筑成整体，防浪墙内侧各设1m宽人行道，两人行道之间为5m公路，设起重机轨道及坝体排水管（见坝顶构造图）。二、挡水坝结构计算1、 作用及其组合1. 持久状况-设计洪水位情况下坝体的稳定和应力分析验算荷载及组合：设计洪水位情况的荷载组合自重+静水压力+淤砂压力+扬压力（渗透压力+浮托力）+液压力沿坝轴线取单位坝长度1m计算。1）自重：将坝体剖面分成两个三角形和长方形计算其标准值，跟防浪墙、廊道的影响不计入在内。2）静水压力：按设计洪水位时的上下游水压力斜面上的垂直水压力分别计算其标准值，即上游153.7m，下游97.00m。3）扬压力：扬压力强度在坝踵处为H1，排水孔中心线上为（H1+2H），坝趾处为H2，取0.25。4）淤砂压力：分水平和垂直方向计算，已知泥砂重度为9KN/M3，泥砂淤积厚度为87.6-70=17.6m，泥砂内摩擦角为1.2，采用教材水工建筑物公式2-5计算。 5）浪压力：坝前水深大于1/2浪长（H1L1）采用水工建筑物公式2-12计算浪压力标准值，随压力P1对坝底中点的力矩计算采用水工建筑物公式2-13，荷载作用标准值和设计值成果见下表：3-2 荷载计算表组合情况荷载自重W1计算式W1=1/2*54*77.5*24重度作用每一坝段/KN力臂/m力矩/（KN.m）水平（H）垂直（V）+-自重W1W1=1/2*54*77.5*2424502208401760自重W2W2=8*87.5*24241680023386400自重W3W3=1/2*8*40*2424374031119040上游水平水压力P1P1=1/2*10*83.721035028.527.9977295.15上游水平水压力P2P2=1/2*10*17.210364.5932805上游垂直压力Q1Q1=（43.7+8.37）*8*10*1/210509631157976上游垂直压力Q2Q2=1/2*10*27*18.9102551.525.5565190.83浮托力U1U1=27*70*110189000渗透力U2U2=1/2（-2.5）*56.7*0.25*10104429.7835437.6渗透力U3U2=1/2（14.175+56.7）*7.5*10102657.831.2583056.25水平泥砂压力PnPn=1/2*6*17.62*tan2（45-12/2）913.812156.2垂直泥砂压力QnQn=1/2*9*17.6291081.1251393.93143210.991679.4浪压力PV1PV1=1/2*10*（125+3.69+1.1087）*125101081.12584.891679.4浪压力PV2PV2=1/2*10*125210781.382.6小计32597.353913.964535.38合计791732.953-3 作用设计值计算表作用名称作用分项系数作用标准值（KN）作用设计值（KN）力矩标准值（KN.m）力矩设计值（KN.m）垂直力水平力垂直力水平力+-+-自重W11.0502205022040176040176自重W21.01680016800386400386400自重W31.038403840119040119040上游水平压力P11.035028.535028.5977295.2977295.2下游水平压力P21.036453280532805上游垂直压力Q11.050965096157976157976下游垂直压力Q21.02551.52551.565190.865190.8浮托力U11.018900渗透压力U21.24429.735437.642525.1渗透压力U11.22657.883056.399667.7水平泥砂压力Pn1.2914.11096.9212156.214587.4垂直泥砂压力Qn1.21393.91672.751853.1浪压力Pn11.21081.11297.391679.4110015.3浪压力Pn21.2781.377442.5合计79901.425987.537023.74426.380180.23189.437422.74582.6839404.91631137.886804