说明书混合曲线拱坝设计

摘要A江是我国东南地区的一条河流，根据流域规划拟建一座水电站。A江水利枢纽同时兼有防洪、发电、灌溉、渔业等综合作用，水库正常蓄水位18325M，设计洪水位1867M，校核洪水位18980M，汛前限制水位182M，死水位164M，尾水位1035M。水库死库容476亿M3，总库容96亿M3。A江水利枢纽工程等别为一等，工程规模为大（1）型工程，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。A江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物、主副厂房、泄水建筑物、过木筏道等。经过坝型比选，选定挡水建筑物为一变圆心变外半径的双曲拱坝，坝顶弦长310M，最大坝高1005M，坝底厚257M，坝顶宽85M。设计中对四种工况的坝体应力分别采用了电算和手算，手算运用拱冠梁法。泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成浅孔位于两岸，孔口宽85M，高80M，进口底高程为164M，出口底高程为154M；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽75M，高75M，进口底高程为135M，出口底高程为130M。在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门，检修闸门采用平板门，工作闸门采用弧形闸门，在每一个工作闸门的上方有启闭机房，浅孔启闭机房高程为17338M，中孔启闭机房高程为15082M。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为1194M,浅孔反弧半径为35M,中孔反弧半径为50M。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角20O,导墙厚度为10M,浅孔导墙高度为85M,中孔导墙高度为11M。坝后式厂房装有4台5万KW的发电机组，主厂房长81M，宽18M，副厂房长66M，宽10M，安装场长21M，宽18M。压力管道的直径为46M，进水口底高程为1524M。发电机层高程为1148M，尾水管底高程为908M，厂房顶高程为1305M。为防止坝基渗漏，在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆，并且为了减少坝基的扬压力，在灌浆帷幕之后设置排水孔。各孔间距均为50M。为了防止混凝土产生裂缝，拱坝坝体设置横缝，横缝面上需设置键槽，以咬合加固，增强坝体的抗剪能力。当底宽在4050M以上的拱坝，才考虑设置纵横缝，而本设计中，拱坝坝底宽为257M，小于40M，故可不设置纵缝。ABSTRACTAJIANGISARIVERWHICHLIESINSOUTHEASTOFCHINAACCORDINGTODRAINAGEAREAPROGRAMMING,AWATERPOWERSTATIONISPLANNINGTOBUILTONITAJIANGHYDROCOMPLEXPLAYSANIMPORTANTPARTSINFLOODCONTROL,WATERPOWER,IRRIGATION,FISHERYANDSOONTHERESERVOIRNORMALWATERLEVELIS18325M,DESIGNFLOODLEVELIS1867M,MAXIMUMFLOODLEVELIS18980M,FLOODCONTROLLEVELIS182M,DEADWATERLEVELIS164M,TAILWATERLEVELOFHYDROPOWERSTATIONIS1035MTHEDEADRESERVOIRCAPACITYIS476,000,000M3,ANDTHETOTALRESERVOIRCAPACITYIS960,000,000M3THEHYDRAULICENGINEERINGGRADEISGRADEITHEKEY、SECONDARYANDTEMPORARYSTRUCTURESGRADEISGRADEI、IIIANDIVTHEKEYHYDROPROJECTISCONSISTOFWATERRETAININGSTRUCTURE,POWERHOUSE,AUXILIARYROOM,SLUICESTRUCTURE,RAFTSLUICE,ANDSOONTHEWATERRETAININGSTRUCTUREISADOUBLECURVATUREARCHDAMTHELENGTHOFTHEAXISOFCRESTDAMISABOUT310MMAXIMUMHEIGHTOFTHEDAMIS1005M,THETHICKNESSOFTHEBOTTOMOFTHEDAMIS257M,ANDTHEWIDTHOFTHETOPOFTHEDAMIS85MINTHISDESIGN,WEUSETWODIFFERENTMETHODSTOCALCULATETHESTESSOFTHEARCHDAMINFOURSTATUSONEISUSINGPROGRAM,THEOTHERISUSINGCROWNCANTILEVERMETHODTOCALCULATETHERELEASESTRUCTUREISCOMPRISEDOF2MIDLEVELOUTLETAND2SHORTLEVELOUTLETTHEWIDTHOFTHESHORTLEVELOUTLETIS85M,ANDTHEHEIGHTIS80MTHEWIDTHOFTHEMIDLEVELOUTLETIS75M,ANDTHEHEIGHTIS75MTHEUPSTREAMANDTHEDOWNSTREAMSIDEOFEVERYOUTLETAREABULKHEADGATEANDAOPERATINGGATEWHICHISARADIALGATETHEREISAROOMWHEREAGATEHOISTISPUTABOVEEVERYSERVICEGATETHETWOROOMSWHICHAREABOVETHEMIDLEVELOUTLETSERVICEGATEAREATANELEVATIONOF15082METRES,ANDTHEOTHERTWOROOMSAREATANELEVATIONOF17338METRESTHEINTAKEOFTHEMIDLEVELOUTLETISATANELEVATIONOF135METRES,ANDTHEINTAKEOFTHESHORTLEVELOUTLETISATANELEVATIONOF164METRESTHEPOWERHOUSELIESATTHEDAMTOETHEDIMENSIONSOFTHEPOWERHOUSEANDTHEAUXILIARYROOMARE81M18MAND66M10MTHEGENERATORFLOORISATANELEVATIONOF1148MMETRES,ANDTHEBOTTOMOFTHEDRAFTTUBEISATANELEVATIONOF908METRES,THETOPOFTHEPOWERHOUSEISATANELEVATIONOF1305METRES,ANDTHEINTAKEOFHYDROPOWERSTATIONISATANELEVATIONOF1524METRESINCASEOFLEAKAGEOFTHEDAMFOUNDATION,THERENEEDCURTAINGROUTINGATTHEBASEOFTHEDAM,BEHINDWHICHTHEREAREDRAINAGEHOLESWHICHCANDECREASETHEUPLIFTPRESSUREOFTHEDAMFOUNDATIONINRADIALDIRECTIONSITNEEDSTOSETKEYSTRENCH,WHICHWILLREINFORCETHERESISTANTOFSHEARINGINTENSIONOFTHEDAMFORTHEBOTTOMOFTHEDAMISSMALLERTHAN4050METRES,SOITNEEDSNOLONGITUDINALJOINTS目录第一章综合说明711概述7111枢纽概述712工程特性表8第二章设计资料1021枢纽任务1022基本资料11221自然地理11222工程地质14223筑坝材料15224库区经济15225其它16第三章洪水调节1731泄水建筑物型式选择1732确定工程等别和级别18321工程等级18322技术规范18323洪水标准1933水库运用方式1934调洪演算及设计基本数据19341调洪演算的目的19342调洪演算的原理19343计算方法20344泄洪方案的选择21第四章坝型选择及枢纽布置2541坝址坝型选择25411混凝土重力坝25412土石坝26413混凝土面板堆石坝26414拱坝26415综合选择2742坝体形态选择27421单曲拱坝27422双曲拱坝27423坝型比较2843方案比较28431最大坝高计算28432重力坝方案29433拱坝方案2944组成建筑物及枢纽布置30441组成建筑物30442枢纽布置3145泄水建筑物型式选择3146厂房及引水系统布置3147枢纽总体布置3151拱坝形态和剖面尺寸的拟定32511拱坝形式选择32512拱冠梁剖面尺寸的拟定3252拱坝的布置34521拱坝布置的原则34522拱坝布置步骤3453拱坝的荷载及其组合35531荷载及计算35532荷载组合4154计算原理和计算步骤41541计算原理41542计算步骤4255拱坝应力分析电算,手算42552手算4356坝肩稳定验算49561基本资料49562验算原理50563主要作用力计算51564验算工况52565验算结果52第六章泄水建筑物设计5361泄水建筑物组成与布置5362坝身进水口设计53621管径的计算53622进水口的高程5363泄槽设计计算5464导墙设计5465消能防冲计算5566泄水孔口应力及配筋57661计算原理57662坝内孔口的形状和作用力57663矩形孔口的应力计算59664配筋计算61第七章坝体细部构造及地基处理6271坝体构造与细部结构设计62711坝体与坝面62712坝体分缝62713坝内廊道和坝后工作桥6372坝基处理64721坝基处理的一般要求64722地基的处理和开挖64723坝基排水65参考文献66结语68第一章综合说明11概述111枢纽概述A江是我国东南地区的一条河流，流向自西向东，流经省南部地区，汇入东海，干流全长153公里，流域面积4860平方公里。根据流域规划拟建一座水电站，本设计任务是对A江水利枢纽进行设计。A江水利枢纽是一项同时兼顾防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用的水利工程。坝址以上流域面积2761平方公里,水库正常蓄水位为18325M，汛前限制水位为182M，死水位为164M，设计水位为1867M，校核水位为18980M。电站多年平均发电量为508亿度，4台机组满载时的流量为338M3/S,尾水位1035M。正常蓄水位时，水库面积为356平方公里，为发展养殖创造了有利条件，同时增加灌溉面积250万亩。A江水利枢纽的主要组成建筑物有拦河大坝，坝后式厂房，泄水建筑物，过木筏道，开关站以及上坝公路等。拦河大坝为双曲拱坝，最大坝高为1005M，主体工程量约为363360M3左右，坝顶宽85M，坝顶拱弦长约310M，坝底宽257M。坝后式厂房装有4台5万KW的发电机组，主厂房长81M，宽18M，副厂房长66M，宽10M，安装场长21M，宽18M,尾水管底高程为908M。发电机层高程1148M。泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成浅孔位于两岸，孔口宽85M，高80M，进口底高程为1640M，出口底高程为1540M；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽75M，高75M，进口底高程为1350M，出口底高程为1300M。在坝身泄水孔的上下游侧分别布置检修闸门和工作闸门，检修闸门采用平板门，工作闸门采用弧形闸门，在每一个工作闸门的上方有启闭机房，浅孔启闭机房高程为17338M，中孔启闭机房高程为15082M。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为1194M,浅孔反弧半径为35M,中孔反弧半径为50M。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角20O,导墙厚度为10M,浅孔导墙高度为85M,中孔导墙高度为11M。过木筏道位于右岸。根据林业部的要求，每年木材过坝量为333万M3，起木材最大长度为10M，大头直径为100CM。开关站长66M，宽26M，位于左岸。112设计要求在明确设计任务及对原始资料进行综合分析的基础上，要求1根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，确定坝顶的高程和泄水建筑物孔口尺寸。2通过分析，对可能的方案进行比较，确定枢纽组成建筑物的形式，轮廓尺寸及水利枢纽布置方案。3详细做出大坝设计，并通过比较确定坝的基本剖面和轮廓尺寸，拟定地基处理方案和坝身构造，进行水利计算、静力计算。4对地基处理（待坝型选定后指定）进行设计，选择泄水建筑物的形式与轮廓尺寸，确定布置方案，拟订细部构造，进行水利计算、静力计算。5对A江水利枢纽各组成建筑物进行总体布置以及细部构造设计。12工程特性表表11工程特性表水库特性死水位高程16400M汛前限制水位高程18200M正常蓄水位高程18325M设计洪水位高程18670M水库水位校核洪水位高程18980M主要建筑物大坝级别级大坝型式双曲拱坝坝顶高程1925M坝底高程9200M最大坝高1005M坝顶弦长31000M坝顶厚度850M坝底厚度2570M大坝资料混凝土方量363360立方米/孔口尺寸进口高程出口高程泄水建泄洪方式两浅孔858M21640M1540M两中孔7575M21350M1300M检修闸门平板闸门，设在进口处筑物闸门形式工作闸门弧形闸门，设在出口处（表11）第二章设计资料A江是我国东南地区的一条河流，根据流域规划拟建一水电站。本设计的任务是对A江水利枢纽进行设计，其基本设计要求如下。21枢纽任务本工程同时兼有防洪，发电，灌溉，渔业等综合利用。水电站装机容量为20万KW，多年平均发电量508亿度。正常蓄水位18325M，汛前限制水位182M，死水位164M,4台机满载时的流量338M3/S，尾水位1035M，厂房形式为坝后式。本工程建成后，可增加保灌面积250万亩，减轻洪水对A江A市和A平原的威胁，在遇到P002和P01频率的洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来的14900M3/S、11700M3/S分别削减为7650M3/S、6650M3/S，要求设计消能方式滑雪道式泄槽挑流对撞消能P1下泄流量6600M3/S泄水建筑物P02下泄流量6880M3/S最大引用流量338M3/S厂房装机容量450万KW型式钢管数量4条引水道内径46M洪水时最大下泄流量限制为6650M3/S，正常蓄水位时，水库面积为356平方公里，可为发展养殖创造有利条件。此外，根据林业部的要求，每年木材过坝量为333万立方米，其木材最大长度为10M，大头直径为100CM。22基本资料221自然地理2211流域概况A江为我国东南部的一条河流，流向自西向东，流经A省南部地区，汇入东海，干流全长153KM，流域面积4860KM2。坝址以上流域面积2761KM2，流域境内为山区，平均高度662M，最高山峰达1921M，流域境内气候湿润，雨量充沛为热带气候。径流主要来自自降雨，小部分由地下水补给，每年49月为汛期，其中5、6月份为梅雨季节，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降632097，因为河道陡，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，属于典型的山区性河流。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省的重要农副业基地A平原。坝址下游约50公里有县级城市两座，在河流入海处有省直辖市一座。2212气候特性1气温坝址处的多年的平均气温为173C，月平均气温最低（一月份）5C，最高（七月份）29C，实测极端最低气温82C，最高为406C。2湿度年平均相对湿度79左右，其中以6月份87为最大，1月份72为最少，日变化较大。3降雨量坝址以上流域的年平均降雨量为1680毫米，实测年最大降雨量为2389毫米，最少为1380毫米，雨量在年内分配不均，其中49月份的占年降雨量的75，5、6月份的占全年的1/3。表21各月雨量的雨型及日数统计表123456789101112全年实际天数D3128313031303131303130310310雨日MM3457121210987641030雨日MM23458965432130以上雨日MM9118563221004蒸发量坝址处多年蒸发量为1349毫米，其中以7月份最大，月蒸发量217毫米，2月份为最小，月蒸发量454毫米。5风向风力实测最大的风速为71M/SEC，风向西北偏西，吹程45公里，多年平均最大风速为汛期12M/SEC，非汛期13M/SEC，风向基本垂直坝轴线，吹程4公里。6水库水温据资料分析，各层水温的多年平均水温TH及年变幅TC按下列公式计算TH810584527ETC2其中H为水深。2213水文特征1正常径流根据资料分析，坝址处的多年平均径流量为100M3/S，多年均径流总量为315亿M3，各频率的月平均量见表表22各频率的月平均流量月份项目月份频率（）123456789101112多年平均11162673244906896793462633311021211131865781792353645105373521772107377731505021498914121627778444426161697808194773127184221512134574952522366912154261155236510316221529511561673124241002洪峰流量和总量根据水文资料推算，坝址处的洪峰流量和总量如下A洪峰流量Q3310M3/S，CV045,CS4CV,皮型线，各频率流量如下表所示表23各频率流量表频率（）002010215102050备注流量1490011700M3/SB洪峰总量三日洪水总量的均值W35亿M3，CV038,CS3CV,皮型线，各频率流量如下表所示表24各频率流量表频率（）00101020215102050备注总量WP794685亿M3可能最大三日洪量为15/4亿M3。三日洪水过程线见附图C施工期的设计洪水频率量表25施工期的设计洪水频率量施工时段频率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115M，淤沙容量为85KN/M3，内摩擦角10。4其他本坝址地震烈度为7。222工程地质2221库区工程地质库区岩性以火山岩和沉积岩为主，褶皱规模不大，均为背斜，两翼地层平缓，并且不对称。有较大的断层二条，这些褶皱和断层呈北东向展布，以压扭性为主，倾角较陡，延伸长度达几至几十公里，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，地下分水岭均高出库水位以上。2222坝址工程地质1地貌坝址处的河床宽度为100M，河底高程100M，水深13M。河谷近似“V”型，两岸约4060。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。2岩性和工程地质坝基为花岗岩，风化较浅，岩性均一，新鲜坚硬完整，抗压强度达120200MPA。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。其中一组近似平行于山坡等高线，方向见地形图，节理倾角约3590，节理面无夹泥存在。坝址处的水文地址较简单，未发现裂隙承压水。3岩石的物理力学性质表26岩石的物理力学性质表摩擦系数容重（KN/M3）抗压强度（MPA）抗剪系数抗剪断系数岩性或地质构造干湿孔隙率（）干饱和弹性模量MPA混凝土基岩内部混凝土基岩内部粘着力（MPA）泊松比（）花岗斑岩27328123210190221040707507512005基岩与混凝土020节理面06507510基岩与混凝土相对隔水层离基岩表面深15M。223筑坝材料2231石料坝区大部分地区为花岗岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石可利用，因此筑坝石料极易解决。2232砂料在坝下游勘探6个砂料场，最远料场离坝约9KM，以石英破碎带的料场为主，初估砂料储量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。224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，高山上的森林茂密。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，淹没县社建造的二座小型水电站装机2210KW）等，共需赔偿费4120万元。225其它2251对外交通本坝址上游左岸30KM处有铁路干线车站，另有公路与坝址下游50KM的两座县城相通，两县城有公路和水路与河流入海处的直辖市相连，对外交通较为方便。2252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，适宜布置工厂和生活建筑区。2253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直辖市的工业用电，并担负A电网的部分调峰任务。2254坝顶有双线公路布置的要求经计算所得的坝顶宽度符合要求为85M。第三章洪水调节31泄水建筑物型式选择本工程已选定拱坝方案见后，故泄水建筑物型式选择需要考虑拱坝结构的特点，其泄洪方式，有表孔溢流、坝身开孔泄流（浅孔或中孔）、坝身溢洪道和利用导流隧洞泄洪等。（1）坝身开孔方案实验研究表明，坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案。为合理布置厂房，浅孔或中孔设在两岸，对称布置，可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流方案相同，适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大，利用坝身开孔可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽，并进行合理选型和布置。泄槽若做成排架式，进厂公路可从排架间穿过。此外，应注意开孔数量和设置高程，若同一高程开孔数量多，该层拱圈削弱较多，应尽量避免。坝身开孔方案实验研究表明，坝身开孔方案包括浅孔和中孔方案。为合理布置厂房，浅孔或中孔设在两岸，对称布置，可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流方案相同，适当尺寸的孔口对坝体应力影响不大，利用坝身开孔可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽，并进行合理选型和布置。泄槽若做成排架式，进厂公路可从排架间穿过。此外，应注意开孔数量和设置高程，若同一高程开孔数量多，该层拱圈削弱较多，应尽量避免。2表孔溢流方案突出优点是泄洪能力大，可减小孔口尺寸，闸门上的水压力小，操作检修方便；缺点是坝身单薄，需设置泄槽或滑雪道结构。实体的泄槽结构工程量较大，不经济，轻型的滑雪道结构易引起振动，稳定性不好。此外，表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用，拱的空间结构作用从堰顶高程以下才能得以发挥。（3）利用导流隧洞泄洪方案拱坝的施工导流须采用一次断流方案，故施工时需在某一岸开挖导流隧洞，以便坝体施工，竣工后导流隧洞完成自己的使命，不再使用。为充分利用现成的洞子，水利建设中常将进口段改建成“龙抬头”，将导流隧洞改建成泄洪洞，以节省工程投资。结合该工程的实际情况，考虑因导流洞长度较短，改建成泄洪洞后，除“龙抬头”部分外可利用的长度不长，加上改建部分的开挖和老洞的封堵，实际并不能有效节省工程投资，故需认真比较决定。（4）坝外溢洪道泄洪方案该方案适用于有天然垭口，便于布置正槽式溢洪道的地形条件。A江提供的地形图坝址附近，未见有天然垭口地形，故不考虑该方案。（5）方案选择依据A江水利枢纽的具体情况，全面综合比较以上所述四种方案，坝外溢洪道泄洪方案和利用导流隧洞方案不及采用表孔溢流和坝身泄水孔方案，采用滑雪道结构工程投资远小于修建坝外泄水建筑物的工程投资，故初步选择以下方案进行调洪演算1）4表孔2中孔泄洪方案2）2浅孔2中孔泄洪方案3）4中孔泄洪方案4）坝身泄流与利用导流隧洞32确定工程等别和级别321工程等级在工程安全与经济之间存在着矛盾，为使工程的安全可靠性与其造价的经济合理性适当统一起来，水利枢纽及其组成建筑物要分等分级，即先按工程的规模、效益及其在国民经济中的重要性，将水利枢纽分等，而后再对各组成建筑物按其所属枢纽等别，建筑物作用及重要性进行分级。本工程校核水位为18980M，查库容曲线得相应库容为1201亿M310亿M3，根据我国水利部颁发的现行规范SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分），结合A江枢纽给定的特征水位和基本资料，通盘考虑水库总库容、防洪效益、装机容量等因素，确定A江水利枢纽工程等别为一等，工程规模为大（1）型工程，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时性建筑物级别为4级。322技术规范混凝土拱坝设计规范（SL2822003）规定对于基本荷载组合，允许拉应力为12MPA，安全系数为40；对于非地震情况特殊荷载组合，允许拉应力为15MPA，安全系数为35；混凝土极限抗压强度指90D龄期15CM立方体的强度，保证率为80，则混凝土的容许压应力为混凝土极限抗压强度除以安全系数；当考虑地震荷载时，允许拉应力可适当提高，但不超过30，即195MPA。323洪水标准设计洪水标准为千年一遇，校核洪水标准为五千年一遇。33水库运用方式根据上述分析，本工程采用2浅孔和2中孔泄洪方案，在不影响工程效益前提下，尽量降低坝高可大大节省投资，故水库在洪水期的运用方式为洪水到来之前开闸放水，腾空水库，将库水位降落至汛前限制水位182M处，即起调水位，起调流量为正常水位下开启浅、中孔时对应的下泄流量及发电流量之和。34调洪演算及设计基本数据341调洪演算的目的1、根据防洪要求，对水库进行洪水调节计算，以确定上游不同洪水标准下的下泄流量，然后确定出设计洪水位和校核洪水位。2、根据调洪演算得出设计水位下的下泄流量，以选定泄洪方式和拟定泄洪建筑物的孔口尺寸。342调洪演算的原理洪水在水库中行进时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间变化，其流态属于明渠非恒定流。根据水力学明渠非恒定流的基本方程，即圣维南方程组为连续性方程（31）0SQT运动方程（32）21KVGTZ式中过水断面面积（M2）T时间（S）Q流量（M3/S）S沿水流方向的距离（M）Z水位（M）G重力加速度（M/S）V断面平均流速（M/S）K流速模量（M3/S）通常，采用简化的瞬态法来解这个方程组。瞬态法将上式进行简化而得出基本公式，在结合水库的特有条件对基本公式进一步简化，则得出专用于水库调洪计算的实用公式（33）TVTQQQ12121式中Q1，Q2分别为计算时段初、末的入库流量（M3/S）计算时段中的平均入库流量（M3/S），它等于（Q1Q2）/2Q1，Q2分别为计算时段初、末的下泄流量（M3/S）计算时段中的平均下泄流量（M3/S），即等于（Q1Q2）/2V1、V2分别为计算时段初、末的水库蓄水量（M3）V为V1、V2之差T计算时段，一般取16小时，需化为秒。这个公式实际表现为一个水量平衡方程式。当已知水库入库洪水过程线时，Q1、Q2、均为已知V1、Q1则是计算时段T开始时的初始条件。于是，式中的未知数仅剩下V2、Q2。当前一个阶段V2、Q2求出后，其值即成为后一个阶段的V1、Q1值，使计算可以逐时段的进行下去。又知，假定不计自水库取水的兴利部门泄向下游的流量，则下泄流量Q应是泄洪建筑物泄流水头H的函数，而当泄洪建筑物的形式、尺寸等已定时BQFAH（34）式中A系数，与建筑物形式和尺寸、闸孔开度以及淹没系数等有关B指数，对于堰流为3/2，对于闸孔出流，一般为1/2343计算方法采用高切林计算法，以直线近似代替泄水过程线计算步骤如下假定三条泄水过程线AB1，AB2,AB3，（如图11A）1）求出相应的库容V1，V2，V3阴影部分面积，下泄流量Q1，Q2，Q；2）根据V1，V2，V3在库容曲线上得出的相应的上游水位Z1，Z2，Z3；3）在绘有泄水建筑物泄流能力曲线L1的QZ坐标图上，绘出相应的点P1Q1，Z1图11洪水调节计算图ABP2Q2，Z2P3Q3，ZZ（如图11B）4）过点P1P2P3绘出曲线L2交L1于P，对于P点的泄流量Q必为拦洪时泄水建筑物最大下泄流量，相应的水位Z即是所求拦洪水位。展展344泄洪方案的选择3441可能方案（1）坝身开孔方案实验研究表明，坝身开孔方案包括浅孔方案和中孔方案。为合理布置厂房，浅孔和中孔设在两岸，对称布置，可利用水流对撞消耗能量。其优点与表孔溢流相同，适当尺寸的孔口对坝体应力并无大的影响，利用坝身开孔泄洪可节省另建溢洪道的投资。缺点是当水流过坝后需设置滑雪道泄槽，并进行合理选型和布置，泄槽若做成排架式，进厂公路可从排架间通过。此外，应注意开孔数量和设置高程，若同一高程开孔数量多，该层拱圈削弱数量多，应尽量避免；（2）表孔溢流其突出优点是泄洪能力大，可减小孔口尺寸，闸门上的水压力小，操作检修方便，缺点是坝身单薄，需设置泄槽和滑雪道结构。实体的泄槽结构工程量较大，不经济，轻型的滑雪道结构易引起震动，稳定性不好。此外，表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用，拱的空间结构作用从堰顶高程以下才得以发挥；（3）利用导流隧洞泄洪方案拱坝的施工导流需采用一次断流方案，故在施工时需在某一岸开挖导流隧洞，以便坝体施工，竣工后导流隧洞完成自己的使命，不再使用。为充分利用现成的洞子，水利建设中常将进口段改建成“龙抬头”，将导流洞改建成泄洪洞，以节省工程投资。结合该工程的实际情况，考虑因导流洞长度较短，改建成泄洪洞后，除“龙抬头”部分外，可利用的长度不长，加上改建部分的开挖和老洞的封堵也需要一定的投资，故须认真比较决定。（4）坝外溢洪道泄洪方案该方案适用于有天然垭口，便于布置正槽式溢洪道的地形条件，A江提供的地形图坝址附近，未见有天然垭口地形，故不考虑该方案；3442方案初选本设计从坝址处的地形地质条件等因素综合考虑，拟采用坝身泄洪方式。初步选择以下方案进行调洪演算方案一4表孔2中孔方案二2浅孔2中孔方案三4中孔3443调洪演算调洪演算根据水量平衡原理计算，计算时先按不同的出口高程和孔口尺寸拟定多组方案，计算结果见后表。用水力学公式计算出上游库水位与下泄流量的关系。公式表孔（32/301HGBMQ5）式中Q1流量（M3/S）B溢流孔净宽（M）H0溢流孔堰顶作用水头（M）G重力加速度（M/S2）；侧收缩系数,；M流量系数，初设计时，在定型设计水头下，当P/H3P为堰高M时，则M047049；当P/H3时，M04404。本次设计取为048。孔口泄流公式QA（36）2GH式中A出口处的面积（M2）H自由泄流时，为孔口中心处的作用水头（M）；淹没泄流时，为上下游水位差（M）孔口或管道的流量系数，浅孔和中孔的值可用下式计算09703A/H（37）式中A孔口高度（M）G重力加速度（M/S2）Q下泄流量（M3/S）（1）2浅孔2中孔表312浅孔2中孔最大泄洪流量与最高水位结果表起调流量最大泄量最高水位方案（M3/S）（M3/S）（M）设计614862660018671校核61486268801898最大设计泄洪流量为6600M3/S，校核流量为6880M3/S，最高设计水位为1867M，最高校核水位为18980M。（2）4表孔2中孔表324表孔2中孔最大泄洪量与最高水位结果表起调流量最大泄量最高水位方案（M3/S）（M3/S）（M）设计40961558018811校核4096176201901（3）4中孔表334中孔最大泄洪量与最高水位结果表高宽出口高程上游水位出口中心处水头起调流量最大下泄量最高水位（M）（M）（M）（M）（M）流量系数（M3/S）（M3/S）（M）设计7751301824850927634462466401866校核775130182485092759441868201896（4）坝身泄流与利用导流隧洞因客观因素，现对坝身泄流与利用导流隧洞不进行调洪计算，只对其进行定性分析。3444调洪方案的最终选择对于表孔、浅孔、中孔方案在满足防洪要求时，4中孔方案缺点是同一高程开孔数量多，令该层拱圈削弱过多，对坝体结构作用影响大，不宜布置。4表孔2中孔方案优点是泄洪能力强，但缺点是坝体较高，同时表孔结构使坝体堰顶以上失去空间结构作用，拱的空间结构作用从堰顶以下才得以发挥。2中孔2浅孔方案有较大泄流能力，而且经过合理布置，采用挑流对撞消能工可以解决消能问题，也可使坝体空间结构作用少受影响。综合比较上述四个方案，结合A江水利枢纽具体情况，坝外溢洪道和利用导流隧洞方案不尽合理，选择表孔、浅孔、中孔方案，虽有水流向心收聚，能力集中的特点，但只要合理布置，采用挑流对撞消能工可以解决消能问题。泄槽的工程投资远小于另建泄水建筑物的投资为使坝体空间结构作用少受影响，宜选择两浅孔和两中孔方案，浅孔位于两岸，中孔位于水电站进水口两侧，对称布置。由表中可知，方案23满足防洪要求的同时，坝前水位较低，从而可节省坝体工程量，故选其为最终泄洪防方案，即设置两浅孔，孔口尺寸为85M80M，进口底高程为164M，出口底高程154M，两中孔，孔口尺寸为75M75M，进口底高程为135M，出口底高程为130M。设计洪水时，允许泄量6650M3/S，校核洪水时，允许泄量7650M3/S。设置两浅孔，孔口宽85M，高80M，进口底高程为164M，出口底高程为154M；两中孔，孔口宽75M，高75M，进口底高程为135M，出口底高程为130M，设计洪水时，下泄流量6600M3/S，校核洪水时，下泄流量6880M3/S，均小于允许下泄流量，设计洪水位为1867M，校核洪水位为18980M。第四章坝型选择及枢纽布置41坝址坝型选择坝址选择与地形地质条件、坝型、枢纽布置和施工导流等因素有关，在满足枢纽布置和施工导流要求的前提下，坝轴线应尽可能短，以节省工程量。从地质条件看，坝址选择应选在地质构造简单，无大的地质构造的地方。A江枢纽提供的地形图有明显喇叭口状，河谷形状呈“V”形，无明显的地质构造，左右岸仅有两条互相垂直的二组节理，坝址附近无土料，故坝址易于选择。411混凝土重力坝混凝土重力坝依靠坝体自重或垂直荷载在坝基面上产生摩阻力来抵抗水平水压力以达到稳定的要求，利用坝体自重或垂直荷载在水平截面上产生的压应力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度的要求。其优点比较明显坝体断面形态适于在坝顶布置溢洪道和坝身设置泄水孔，不需要另设河岸溢洪道或泄洪隧洞，在坝址河谷狭窄而洪水流量大的情况下，重力坝可以较好地适应这种自然条件；结构简单，施工技术比较容易掌握，在放样，立模和混凝土浇捣方面都比较方便，有利于机械化施工；由于断面尺寸大，材料强度高，耐久性能好，因而对抵抗水的渗透，特大洪水的漫顶，地震和战争破坏能力都比较强，安全性较高；对地形地质条件适应性较好，几乎任何形状的河谷都可以修建重力坝；具有足够强度的岩基就可满足要求，因为重力坝常沿坝轴线分成若干独立的坝段，所以能较好地适应岩石的物理力学特性的变化和各种非均质的地质。但缺点也比较明显剖面尺寸较大，坝体内部的压应力一般不大，因此材料的强度不能充分发挥；坝体体积大，水泥用量多，混凝土凝固时水化热高，散热条件差，且各部浇筑顺序有先有后，因而同一时间内冷热不均，热胀冷缩，相互制约，往往容易形成裂缝，从而削弱坝体的整体性，因而混凝土重力坝施工期需有严格的温度控制和散热措施。412土石坝土石坝主要由坝址附近的土石料填筑而成，由于该坝址处缺乏筑坝的土石料，并且土石料坝身不能泄洪，需另外建泄水建筑物，本工程两岸附近无垭口等适合建泄洪建筑物的地形，故不宜建土石坝。413混凝土面板堆石坝混凝土面板堆石坝是近十多年来重新崛起的一种新坝型，得益于振动碾得应用，因其使用机械化施工，造价低而取胜。但坝身不能泄洪，需另建泄水建筑物，本工程附近无垭口等适合建泄洪建筑物的地形，水电站厂房也不能放在坝后，需另找位置。因此，将坝节省下来的费用又用到泄水建筑物和水电站建筑物上，工程总投资也不一定经济，开挖隧洞虽不十分困难，也无技术上的难题，但总比地面工程复杂。414拱坝拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，依靠拱的作用，将力传给拱座，依靠梁的作用将力传给基岩。其优点是受力条件好，在荷载作用下，拱坝同时起拱的作用和悬臂梁的作用，主要依靠两岸坝肩和坝基的岩体维持稳定，坝体自重对坝体的稳定性影响不大；坝的体积小，因为拱坝是一种受压结构，拱向除拱端外，几乎全部受压，梁方向除底部外大部分也是受压，故可充分发挥混凝土抗压性能，厚度可以较小，故其体积可比同样高度的重力坝节省1/32/3；拱坝超载能力强，安全度高，拱坝通常属周边嵌固的高次超静定结构，当外荷载增大或坝的某一部位因拉应力过大而发生局部开裂时，能调整拱作用和梁作用及其荷载分配，进行坝内应力重分配，不致使坝全部丧失承载能力，裂缝对于拱坝的威胁不象对其他坝型那样严重，拱坝水平裂缝中的扬压力只会降低坝体悬臂梁的作用，铅直裂缝会使拱圈未开裂部分的应力增加，原来的拱圈变成具有更小曲率半径的拱圈，坝内应力重分配，成为无拉应力的有效拱，所以按结构的观点，拱坝坝面允许局部开裂，另外混凝土具有一定的塑性和徐变特性，在局部压应力特大的部位，变形受限制的情况下，经过一段时间，混凝土的徐变变形增大，弹性变形减小，从而这些特大应力有所降低，而且三维受力时混凝土的实际极限抗压强度比单轴时的极限抗压强度要高，由于以上所述原因，拱坝在合适的地形地质条件下具有很强的超载能力，据国内外试验资料表明，其超载能力可达设计荷载的511倍；抗震性能好，由于拱坝是整体性的空间结构，坝体较轻韧，富有弹性，又能自行调整其结构性能，因此拱坝抗震性能好。但拱坝也有明显的缺点施工技术要求高，由于拱坝坝体断面较薄，几何形状复杂，因此对施工技术，施工质量控制的要求高；对地基处理的要求更为严格，以致有时开挖量很大；施工导流不如重力坝来得方便，需一次断流，要另开导流隧洞；拱坝坝肩岩体稳定，岩基稳固是拱坝结构优越性发挥的前提条件。415综合选择综合上述分析，对A江水利枢纽而言，有合适的喇叭口地形“V”形河谷，地质条件也不复杂，两岸也没有顺河向的节理裂隙，故拦河大坝选择混凝土拱坝方案。42坝体形态选择拱坝按坝体形态可分为单曲拱坝和双曲拱坝。421单曲拱坝单曲拱坝只在水平截面上呈拱形，而铅直悬臂梁断面不弯曲或曲率很小。定圆心定外半径拱坝设计施工简单，但工程量大，且河谷上宽下窄时，坝底部圆心角过小，使拱的作用减小，而定中心角变半径拱坝虽然比较经济，但两岸坝段剖面有倒悬，在施工和库空运行时会产生拉应力。422双曲拱坝双曲拱坝又称穹形拱坝，在水平和垂直截面内都呈拱形，在V形河谷或其它上宽下窄的河谷，若采用定半径式拱坝，其底部会因中心角过小而不能满足应力的要求，此时宜将水平拱圈的半径从上到下逐渐减小，以使上下各层拱圈的中心角基本相等，并在铅直向设计成一定曲率，形成变半径等中心角双曲拱坝，而做到上下层拱圈的中心角相等很困难，故广泛采用变半径变中心角的双曲拱坝，这种拱坝各层拱圈的中心角，外弧面和内弧面的半径从上到下都是变化的，而各层拱圈内外弧的圆心联线均为光滑的曲线，变半径等中心角双曲拱坝更能适应河谷形状的变化。423坝型比较双曲拱坝比单曲拱坝更具特殊的优点由于其梁系也呈弯曲形状，兼有垂直拱的作用，它在承受水平向荷载后，在产生水平位移的同时还有向上位移的倾向，使梁的弯矩有所减少，而轴向力加大，对降低坝体拉应力有利；在水压力作用下，双曲拱坝中部的垂直梁应力是上游面受压而下游面受拉，这同自重产生的梁应力正好相反。43方案比较431最大坝高计算4311波浪三要素计算（采用官厅水库公式）拱坝坝顶超出水库静水位的高度H为（41）0520139MMGTHV（42）ML（43）1/21/302076GHGDV（44）1ZMHCTL式中V0计算风速,M/S；D库面吹程，M；平均波高，M；H平均波周期，S；H水深，M。T4312坝顶高程计算坝顶高程MAX设计洪水位H设，校核洪水位H校（45）其中H（46）1ZCH式中H1累积频率1的波浪高度（M），按式（41）、（42）、（43）求出；HZ波浪中心线高出静水位的高度M,按式（44）计算；HC取决于坝的级别和计算情况的安全超高（等级为1级时设计HC07M，校核HC05M）。经计算得坝顶高程为1925米，即拱坝坝高1005米。432重力坝方案4321重力坝的坝体尺寸1）坝顶宽1000M2）坝底宽8634M3）上游坝坡斜率0154）下游坝坡斜率084322重力坝工程量计算在大坝两个折坡处将坝体沿水平向分成三块，从上往下依次为I、II、III，利用下式分别对三个坝块进行计算（47）HMBLHMBLHV212211336式中V所求坝块的体积，M3；H所求坝块的高度，M；L1所求坝块坝面长度，M；L2所求坝块坝底长度，M；B所求坝块坝顶宽度，M；M1、M2所求坝块上、下游坡度。经计算得重力坝的混凝土方量为VVIVIIVIII7295877M3。433拱坝方案4331拱坝的坝体尺寸1坝顶厚度TC850M2坝底厚度TB257M3上游面曲线方程（4239851YYZH8）4下游面曲线方程各高程的厚度TI由TC，TB内插求得（49）IBCIYH4332拱坝工程量计算拱坝工程量计算利用下式分别对四个坝块进行计算（410）2HA下上V其中A/360（R外2R内2）第I层拱圈的中心角；R1第I层拱圈的外半径，M；R2第I层拱圈的内半径，M。经计算得混凝土拱坝的方量为V363360M3。4333工程量比选经比较，拱坝较重力坝可节约工程量/72958360/7295802V44组成建筑物及枢纽布置441组成建筑物根据A江水利枢纽任务，本工程的主要组成建筑物有拦河大坝双曲拱坝、泄水建筑物2浅孔2中孔、坝后式厂房、泄水建筑物、开关站、导流隧洞、过木筏道等六个主要建筑物。442枢纽布置枢纽布置为坝后式厂房位于河谷中间；进厂公路布置在左岸，从左岸泄水建筑物的泄槽下面穿过，泄槽支承结构采用框架式结构（也可用浆砌石结构，在砌体中预留交通洞）；泄水建筑物布置在两岸径向穿过坝体，对撞消能；浅孔靠岸边，中孔靠河床侧，以便进流平顺；开关站布置在进厂公路一侧；过木筏道和导流隧洞均布置在右岸，以防过木时影响进厂交通。导流隧洞为临时建筑物，用后封堵。45泄水建筑物型式选择泄水建筑物采用两个浅孔和两个中孔相结合的方案浅孔位于两岸，孔口宽85M，高80M，进口底高程为164M，出口底高程为154M；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽75M，高75M，进口底高程为135M，出口底高程为130M。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为1194M,浅孔反弧半径为35M,中孔反弧半径为50M。泄槽直线段的坡度与孔身底部坡度一致,挑射角20O,导墙厚度为1M,浅孔导墙高度为85M,中孔导墙高度为11M。46厂房及引水系统布置坝后式厂房装有4台5万KW的发电机组，主厂房长81M，宽18M，副厂房长60M，宽10M，安装场长21M，宽18M。压力管道的直径为46M，进水口底高程为1524M。47枢纽总体布置双曲拱坝的最大坝高为1005M，坝顶宽85M，坝顶弧长约310M，坝底宽257M。坝后式厂房，主厂房长81M，宽18M，副厂房长66M