水利枢纽拱坝施工设计

1、- 1 -目 录第一章 综合说明.- 5 -1.1 概述 .- 5 -1.1.1 枢纽概述 .- 5 -1.1.2 设计要求 .- 5 -1.2 工程特性表 .- 6 -第二章 设计资料.- 7 -2.1 枢纽任务 .- 7 -2.2 基本资料 .- 7 -2.2.1 自然地理 .- 7 -2.2.2 工程地质 .- 9 -2.2.3 筑坝材料 .- 10 -2.2.4 库区经济及其它 .- 11 -第三章 枢纽主要建筑物的型式与总体布置.- 12 -3.1 工程等级及技术规范设计标准 .- 12 -3.1.1 工程等级 .- 12 -3.1.2 技术规范 .- 12 -3.1.3 洪水标准

2、.- 12 -3.2 调洪演算及设计基本数据 .- 12 -3.2.1 调洪演算的目的 .- 12 -3.2.2 调洪演算的原理 .- 12 -3.2.3 计算方法 .- 14 -3.2.4 泄洪方案的选择.- 14 -3.3 枢纽组成建筑物 .- 17 -3.4 坝型选择 .- 17 -3.4.1 坝型初选 .- 17 -3.4.2 方案比较.- 19 -3.4.3 坝体形态选择 .- 20 -3.5 泄水建筑物型式选择 .- 20 -3.6 厂房及引水系统布置 .- 21 -3.7 枢纽总体布置 .- 21 -第四章 拱坝设计.- 21 -4.1 拱坝型式及布置.- 21 -4.1.1 拱

3、坝剖面设计.- 21 -4.1.2 拱坝的布置.- 22 -4.2 荷载及其组合 .- 23 -4.2.1 荷载及计算 .- 23 -4.2.2 荷载组合 .- 28 -4.3 计算原理和计算方法 .- 28 - 2 -4.3.1 计算原理 .- 28 -4.3.2 计算方法 .- 29 -4.4 应力与强度分析(电算,手算) .- 29 -4.4.1 应力控制指标 .- 29 -4.4.2 电算 .- 30 -4.4.3 手算 .- 31 -4.5 坝肩稳定验算 .- 33 -4.5.1 验算原理 .- 33 -4.5.2 验算工况 .- 36 -4.5.3 验算结果 .- 36 -第五章

4、泄水建筑物设计.- 36 -5.1 基本资料 .- 36 -5.2 泄水建筑物组成与布置 .- 36 -5.3 泄槽设计 .- 37 -5.3.1 泄槽尺寸 .- 37 -5.4 消能与防冲 .- 39 -5.4.1 挑距计算 .- 39 -5.4.2 冲坑计算.- 39 -5.4.3 防冲评价.- 39 -5.4.4 消能率计算 .- 39 -5.4.5 消能防冲计算成果.- 40 -5.5 泄水孔口应力及配筋.- 40 -5.5.1 计算原理.- 40 -5.5.2 孔口作用力.- 40 -第六章 坝体细部构造及地基处理.- 43 -6.1 坝体构造与细部结构设计 .- 43 -6.1.1

5、 坝体与坝面 .- 43 -6.1.2 坝体分缝 .- 43 -6.1.3 坝内廊道和坝后工作桥 .- 43 -6.2 坝基处理 .- 44 -6.2.1 坝基处理的一般要求 .- 44 -6.2.2 地基的处理和开挖 .- 44 -6.2.3 坝基排水孔 .- 46 -结束语.- 47 -参考文献.- 48 - 3 -第一章 综合说明1.1 概述1.1.1 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 A 省南部地区，汇入东海，干流全长 153km，流域面积 4860 平方公里。根椐流域规划拟建一水电站。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

6、，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 184.0m，汛前限制水位为 182m，死水位为 164m，设计水位为 186.9m，校核水位为 189.8m。 电站多年平均发电量为 5.08 亿度，正常蓄水位时，水库面积为 35.60 平方公里，为发展养殖创造了有利条件，同时增加保灌面积 50 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 100.3m，主体工程量约为 34.1 万方左右，坝顶宽8.5m，坝顶长约 353.32 m，坝底宽 26m。坝后式

7、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 4.5m，进水口底高程为 152.3m。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 8.5m，高8m，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7.4m，高 7.4m，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 118m,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,

8、 浅孔导墙高度为 8.5m,中孔导墙高度为 12.0m。过木筏道位于右岸。根据林业部的要求，每年木材过坝量为 33.3 万立方米，其木材最大长度为 10m，大头直径为 100cm。开关站长 20m，宽 75m，位于左岸。1.1.2 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- 4 -和坝身构造，进行水利计算、静力计算。4.对泄水建筑物

9、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。1.2 工程特性表表 1-1 工程特性表- 5 -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。2.1 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 5.08 亿度。正常蓄水位 184.0m，汛前限制水位 182m，死水位 164m,4 台机水 库 特 性死水位高程 164.00 米汛前限制水

10、位高程 182.00 米正常蓄水位高程 184.00 米设计洪水位高程 186.90 米水库水位校核洪水位高程 189.80 米主要建筑物大坝级别级大坝型式变半径变中心角双曲拱坝坝顶高程192.3 米坝底高程 92.0 米最大坝高 100.3 米坝顶弦长306 米坝顶厚度 8.5 米坝底厚度 26.0 米大坝资料混凝土方量341000 立方米/孔口尺寸进口高程出口高程两浅孔8.58.0164.0m154.0m泄洪方式两中孔7.47.4m2135.0m130.0m检修闸门平板闸门，设在进口处闸门形式工作闸门弧形闸门，设在出口处消能方式滑雪道式泄槽挑流对撞消能P=1下泄流量6520m3/s泄水建筑

11、物P=0.2下泄流量7000m3/s最大引用流量338 m3/s厂房装机容量45.0 万千瓦型式钢管数量4 条引水道内径4.5 米- 6 -满载时的流量 338m3/s，尾水位 103.5m，厂房形式为坝后式。本工程建成后，可增加保灌面积 50 万亩，减轻洪水对 A 江 A 市和 A 平原的威胁，在遇到 P=0.02%和 P=0.1%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7550m3/s、6550m3/s，要求设计洪水时最大下泄流量限制为 6550m3/s，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。此外，

12、根据林业部的要求，每年木材过坝量为 33.3 万立方米，其木材最大长度为 10m，大头直径为 100cm。2.2 基本资料2.2.1 自然地理2.2.1.1 流域概况 A 江是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 4860 平方公里。坝址以上流域面积 2761 平方公里，流域境内是山区，平均高度为 662m,最高山峰达1921m，流域境内气候湿润，雨量丰沛，属热带气候。径流主要来自降雨，小部分由地下水补充，每年 49 月份为汛期，其中 5、6 两月为梅雨期，河道坡降上游陡，下游缓，平均坡降 6.32%0.97%，因河道陡，调蓄水能力

13、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 省的重要农副业生产基地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。2.2.1.2 气候特征（1）气温坝址处的多年平均气温为 17.3，月平均最低气温（1 月份）5C，最高气温（7 月份）29C。实测极端最低气温（1 月份）-8.2C，最高为（7 月份）40.6C。（2）湿度年平均相对湿度为 79%左右，其中以 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 16

14、80mm，实测最大年降雨量为 2389mm，最少为1380mm，雨量在年内分布不均，其中 49 月份占全年降雨量的 75%，而 5、6 两月占全年的1/3。- 7 -表 2-1 各月降雨量的雨型及日数统计表月份123456789101112全年实际天数3128313031303131303130310.3-10mm 雨日34571212109876410-30mm 雨日23458965432130mm 以上雨日911856322100（4）蒸发量坝址处多年平均蒸发量为 1349mm，其中 7 月份最大，月蒸发量为 217mm，2 月份为最小，月蒸发量为 45.4mm。（5）风向风力实测最大风速

15、 17m/s，风向西北偏西，吹程 4.5km。多年平均最大风速为：汛期为12m/s，非汛期为 13m/s，风向基本垂直坝轴线，吹程 4km。（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： = （2-1）HT8 .105 . 845. 212.27HeTc （2-2）40. 21 . 540. 221.25He其中：H 为水深。2.2.1.3 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，多年平均径流总量为 31.5 亿 m3，各频率的月平均量见下表。表 2-2 月平均流量频率(%)123456789101112多年平均11

16、16267324490689679346263331102121113186578179235364510537352177210737773150502149891412162777844442616169780819477312134221512134574- 8 -95252236691215426115523651031622152951156167312424100（2）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：洪峰流量 Q=3310 m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮型线，各频率流量为：P=0.02%，Q=14900m3/s；P=0.1%，Q=11700m3

17、/s。洪峰总量：三日洪水总量的均值 W=3.5 亿 m3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮型线，各频率洪量：P=0.02%，三日洪水总量 Wp=7.94 亿 m3；P=0.1%，三日洪水总量 Wp=6.58 亿 m3。可能最大三日洪量为 15.4 亿 m3。施工期各设计洪水频率流量见下表:表 2-3 施工期设计洪水频率流量表频率104月96 月103月116月112月122月备注520871772136713678848241016731410107210726545962012751045784784434332（3） 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 吨，百

18、年后水库淤积高程 115m，淤沙容量为 8.5kN/m3，内摩擦角 10。2.2.1.4 其他本坝址地震烈度为 7。2.2.2 工程地质2.2.2.1 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，延伸长度达几直几十公里，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。2.2.2.2 坝址工程地质- 9 -(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

19、。河床覆盖层由大理石，卵石组成。厚度约m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为m 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。其中一组近似于平行山坡等高线，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。岩石的物理力学性质见下表。岩石的物理力学性质表表 2-4 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

20、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27.328.12.32101902.21040.700.750.751.200.5 基岩与混凝土0.20节理面0.650.751.0 基岩内相对隔水层离基岩表面深 15m。2.2.3 筑坝材料2.2.3.1 石料坝区大部分地区为花岗斑岩，基岩埋深浅，极易开采，且河床覆盖层中的块石、卵石可利用，因此筑坝石料极易解决。2.2.3.2 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。- 10 -经质量检验，砂石料符合规范要求。坝址处缺乏筑坝

21、的土料。2.2.4 库区经济及其它2.2.4.1 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，需赔偿费 4120 万元。2.2.4.2 其它(1) 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，两县城有公路与水路与河流入海处的省辖市相连，对外交通较为方便。(2) 附属工厂和生活建筑区坝址下游两岸有较大的冲积台地，

22、地形平缓面积较大，适宜布置工厂和生活建筑区。(3) 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。(4) 坝顶有双线公路布置的要求。(5) 水库水位容积关系曲线、坝址处水位流量关系曲线、设计洪水（三日）过程线和坝址地形图见附图。- 11 -第三章 枢纽主要建筑物的型式与总体布置3.1 工程等级及技术规范设计标准3.1.1 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

23、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 189.8m，查库容曲线得相应库容为 12 亿 m310 亿 m3，根据我国水利部颁发的现行规范水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵区部分） ，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。3.1.2 技术规范混凝土拱坝设计规范（SD145-85）规定：对于基本荷载组合，允许拉应力为 1.2Mpa，安全系数为 4.0；对于特殊荷载组合，允许拉应力为 1.5Mpa，安全系数为 3.5；当考虑地震荷载时，允许拉应力可适当提高，但不超过

24、30%。3.1.3 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。3.2 调洪演算及设计基本数据3.2.1 调洪演算的目的(一) 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。(二) 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。3.2.2 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：- 12 -连续性方程： （3-1）0sQt运动方程：- （3-2）221KQsvgv

25、tvgsZ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： （3-3）tVtVVqqQQqQ12212122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（Q1+Q2）/2Qq1，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（q1

26、+q2）/2qV1、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Q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：q=f（H）=AHB （3-4） 式中： A系数，与建筑物形式和尺

27、寸、闸孔开度以及淹没系数等有关- 13 -图 3-1 洪水调节计算图(a)(b) B指数，对于堰流为 3/2，对于闸孔出流，一般为 1/23.2.3 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-a）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 Q-Z 坐标图上，绘出相应的点 P1(Q1，Z1)P2(Q2，Z2)P3(Q3，ZZ) （如图-b）4.过点 P1P2P

28、3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3.2.4 泄洪方案的选择3.2.4.1 可能方案(1) 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；(2) 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- 14 -设在两岸，对称布置，可

29、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；(3) 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；(4) 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

30、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。3.2.4.2 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3.2.4.3 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

31、位与下泄流量的关系。公式：表孔： Q= =mBH （3-5）2gH式中： Q流量（m3/s）B溢流孔净宽（m）H溢流孔堰顶作用水头（m）g重力加速度（m/s2）m流量系数，初设计时，在定型设计水头下，当 P/H3(P 为堰高 m)时，则m=0.470.49；当 P/H3 时，m=0.440.4。本次设计取为 0.48。- 15 -孔口泄流公式： Q= =A2gH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: =0.96-0.227a/H （3-6）a孔口高度（m） g重力加速度（m/

32、s2）Q下泄流量（m3/s）表 3-1 洪水调节计算方案成果表4 表孔2 浅孔中孔方案宽(m)宽(m)高(m)数目宽(m)高(m)最大泄量（m3/s）最高水位（m）设计6420188.31.1校核12.0/27.57.07530190.4设计6520186.92.1校核/8.58.027.47.47000189.8设计6540186.93.1校核/47.57.56640189.83.2.4.4 方案选择(1) 方案比较对于表孔、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

33、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- 16 -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

34、2.3 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8.5m8m，进口底高程为 164m，出口底高程 154m，两中孔，孔口尺寸为 7.4m7.4m，进口底高程为 135m，出口底高程为 130m。设计洪水时，设计水位为 186.9m，下泄流量为6520m3/s，小于允许流量 6550m3/s,。校核洪水时，校核洪水位为 189.8m，下泄流量为7000m3/s，小于允许下泄流量 7550 m3/s。总库容为 12.60 亿 m3，属大（I）型工程。(2) 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

35、程效益的前提下，尽量降低坝高可大大节省开支。故水库在洪水期的运用方式为：洪水到来之前开闸放水，腾空库容，将库水位降落直汛前限制水位 182m 处，即起调水位，起调流量为汛前限制水位下开启浅中孔时对应的下泄流量之和。3.3 枢纽组成建筑物1.挡水建筑物施工期的施工围堰拦河的大坝变半径变中心角的双曲拱坝2.泄水建筑物施工期的城门洞型导流隧洞洪水期泄流的 2 个泄水浅孔和 2 个泄水中孔及滑雪道式溢洪道3.引水建筑物发电引水钢管，直径 4.5 米，采用外包混凝土管坝外背敷设方式3.4 坝型选择3.4.1 坝型初选3.4.1.1 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

36、，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。- 17 -3.4.1.2 重力坝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

37、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。3.4.1

38、.3 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

39、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

40、 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。- 18 -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。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，两岸也没有顺河向的节理裂隙，故选择混凝土拱坝方案。3.4.2 方案比较3.4.2.1 计算最大坝高（1）波浪三要素计算（采用官

41、厅水库公式）2hL=0.0166Vf5/4 D1/3 （3-7） 2LL =10.4(2hL)0.8 （3-8）h0=cth （3-9）LLL24h 1L式中：Vf计算风速，设计情况采用洪水起多年平均最大风速的 1.52 倍校核情况采用洪水期多年平均最大风速；D库面吹程。（2）坝顶高程计算公式坝顶高程=Max设计洪水位+h设，校核洪水位+h校 其中：h= 2hL + h0 + hc （3-10）2hL波浪高度 h0 波浪中心线高出静水位的高度hc安全超高 （等级为 1 级时：设计 hc=0.7，校核 hc=0.5）经计算得：坝顶高程为 192.3 米3.4.2.2 重力坝方案重力坝的尺寸：a.

42、坝顶宽：10.00 米b.坝底宽：81.47 米c.上游坝坡斜率：0.15d.下游坝坡斜率：0.75- 19 -e. 重力坝的混凝土方量：795200m3 3.4.2.3 拱坝方案拱坝的坝体尺寸：a.坝顶厚度：Tc=8.6 米b.坝底厚度：TB=26.0 米c.上游面曲线方程： （3-11）240.332.59797yyZ d.下游面曲线方程：各高程的厚度 Ti由 Tc，TB内插求得 （3-12）icBciyHTTTTe.拱坝的混凝土方量：341000m3 ,比重力坝节省 57.1%的方量。3.4.3 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。1. 单曲拱坝单曲拱坝只在水平截面上呈拱

43、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。2. 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

44、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。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。- 20 -3.5 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 8.5m，高 8m，进口底高程为 164m，出口底高程为 154

45、m；中孔位于水电站进水口两侧，孔口宽7.4m，高 7.4m，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 118m,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 =o,导墙厚度为 1m, 浅孔导墙高度为 8.5m,中孔导墙高度为 12m203.6 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 66m，宽10m，安装场长 21m，宽 18m。压力管道的直径为 4.5m，进水口底高程为 152.3m。3.7 枢纽总体布置双曲拱坝的最大坝高为 100.

46、3m，坝顶宽 8.5m，坝顶弧长约 353.32m，坝底宽 26m。坝后式厂房，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 4.5m，进水口底高程为 152.3m。浅孔位于两岸，孔口宽 8.5m，高 8m，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 7.4m，高 7.4m，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 170m，中孔启闭机房高程为

47、150m。泄槽支撑结构采用框架式结构,坎顶高程为 118m,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 8.5m,中孔导墙高度为 12m。过木筏道位于右岸。开关站长 75m，宽 20m，位于左岸。第四章第四章 拱坝设计拱坝设计4.1 拱坝型式及布置4.1.1 拱坝剖面设计拱冠梁剖面的主要尺寸包括坝顶厚度、坝底厚度和拱冠梁上游曲线参数。- 21 -1坝顶厚度（TC）：根据结构、人防、运用等要求并考虑改善坝体应力，初步设计，采用下列经验公式：TC=0.01（H+2.4b1） (4-1) Tmin=35m

48、(4-2) 式中：H坝高（m） b1坝顶高程处两拱端新鲜基岩之间的直线距离（m） 。需要指出：顶部拱圈的厚度，对顶部拱圈和坝下游面上部的应力影响十分明显，而且顶拱钢度的大小对调整整个坝体的应力，特别是河床部位的梁底（坝踵）应力也有相当的影响，加大顶拱厚度将有利于减小梁底上游面的垂直拉应力值；相反，如顶拱两端的岩石较为软弱或坝下游面上部的垂直向拉应力较为显著，顶拱的厚度取得薄些较为有利。综合以上取 Tc=8.5 米。2底部厚度（TB）：拱坝的底部厚度是控制拱坝断面尺寸的一个重要特征数据，其影响因素较多，其中最主要的是坝高和河谷形状。通常可参照已建成的坝高和河谷形状大致相近的拱坝来初步拟定其尺寸，

49、再通过反复的修改布置和试算，定出合适的尺寸 本设计采用我国朱伯芳等建议，作为拱坝的优选初始方案：TB=K（b1+bn-1）H/a (4-3)式中：K经验系数，一般可取 K=0.35 b1、bn-1第一层和倒数第二层拱圈两拱端新鲜基岩面之间的直线距离（m）a拱的允许压应力（t/m3） H 坝高将 A 江拱坝数据代入得 TB=26 米。 双曲拱坝上游面曲线：用黎展眉高级工程师推荐的方程式定出：z= -x1(y/H)+x2(y/H)2 (4-4)式中 x1=21x2 x2=2TB/(21-1) 1=0.60.65 2=0.30.6取 1=0.62 2=0.3 经计算得： 上游面的曲线方程为 z= -

50、40.3y/100.3+32.5(y/100.3)2 下游面的曲线按 Tc，TB沿高程线性内插。设第 i 层拱圈的厚度为 Ti 则Ti=Tc+(TB-Tc)/ Hyi (4-5)表 4-1 拱冠梁端面的几层典型拱圈的几何尺寸高程192.3167.3142.3117.392纵坐标 y0255075100.3上游面横坐标z10-8.04-12.03-11.94-7.8拱厚 Ti8.512.8817.2521.6326下游面横坐标z28.54.845.229.6918.2- 22 -4.1.2 拱坝的布置(一) 根据初步拟订的拱坝断面尺寸进行平面布置，确定各高程拱圈中心角、半径、圆心位置等参数，然后

51、按拟订的方案进行应力和稳定分析。拱坝布置按下列程序进行：1.根据地形地质等基本资料，找出坝址可利用岩石等高线。2.在已定坝址处，选定拱坝在平面上的坝轴线，在坝址可利用岩面的等高线上，定出顶拱的中心角和顶拱厚位置。3.结合地形特点，初定拱冠悬臂梁的剖面形态及尺寸，以各层拱圈的拱冠断面与悬臂梁剖面尺寸相重合为准，从上往下，每 25m 为一层，试画出各层拱圈的水平拱圈线。4.按试画的拱圈线，切出几个垂直剖面，检查垂直方向是否扭曲，倒悬度是否满足要求。5.根据上述初步选定的拱坝形式和尺寸，按拱冠梁法求出分配荷载后，计算拱梁上下游坝面应力及两岸坝肩的稳定。(二) 拱坝布置的原则：1.坝面力求平顺；2.坝

52、轴线布置处应使下游有足够的支撑岩体；3.剖面的倒悬度小于 1/3；4.各层拱圈，拱端的内弧面的切线与利用的岩面等高线的夹角不小于 30o；5.顶部中心角取 70110之间，对各层中心角，左右半中心角相差小于 5 o，中心角方向尽可能顺河向。(三) 拱坝布置的结果:表 4-2 各层拱圈特性参数层数高程拱圈厚（米）左半中心角（度）右半中心角（度）上游拱圈半径下游拱圈半径拱轴线半径1192.38.552.550201.25193.25197.52167.312.884546.5169.56182.441763142.317.254244160.62143.371524117.321.63424611

53、8.3196.685107.55922639397044574.2 荷载及其组合4.2.1 荷载及计算 作用在拱坝上的荷载主要有自重、静水压力、泥沙压力、风浪压力、温度和地震荷载。 1自重计算- 23 - 本设计自重应力在施工过程中就已经形成，全部由梁承担。将拱坝各坝块的水平截面由扇形简化为矩形，上下游坝面简化为梯形，计算公式如下： （4-6）hRcAAG221式中：Rc混凝土容重，取 2.4 吨/米3 h计算坝块的垂直高度 A1，A2上、下两端截面的面积。 经计算得拱坝总重量为 818000 吨。2泥沙压力水库建成后，过水端面加大，使得流速减缓，入库水流挟带的泥沙逐渐淤积在坝前，对坝体产生了

54、泥沙压力。由于淤积高程是随时间而逐年增加，故淤积计算年限可取为 50100 年。计算公式如下：ps=shstg2(45o-s/2) （4-7） 式中：ps泥沙对上游坝底的水平压强； s泥沙浮容重。取为 0.85t/m3； s泥沙的内摩擦角，为 10o； hs泥沙的淤积高度，为 23m。经计算得 ps =15.83t/m33温度荷载拱坝是固结于基岩的整体结构，因此温度和基岩的变化对拱坝应力的影响较显著，故设计时，温度荷载必须列为一项主要荷载。其中:=47/（T+3.39） （4-8）表 4-3 截面温度变化截面温升时温降时1-13.95-3.952-22.89-2.893-32.28-2.284

55、-41.88-1.885-51.60-1.604静水压力作用在坝面上的静水压力是拱坝所承受的主要荷载。按水力学原理计算，坝面上任意一点静水强度为：pi=0y (4-9)式中：0水的容重，取为 1.0t/m3 y计算点距水面的深度5.地震荷载： 地震引起的作用于拱坝的动荷载，包括地震惯性力、地震动水压力和上游淤沙的地震土压力。该工程的设计烈度为 7 度，计算地震影响力时采用拟静力法。由于本设计地震- 24 -烈度不高，故可将拟静力法进一步简化取作用在每层拱圈上的惯性力为 KhCzWi,方向与地震加速度方向相反。 为一沿高程变化的系数， 取 2.0。坝面所受的最大动水压力 q0 可按式 q0=Kh

56、CzFyH0 计算，由于本设计为等截面圆拱的情况，可以用下面的公式直接计算：（1）.计算纵向地震惯性力（忽略基础影响）： AAAAAAAAAArTZ2cos22sin12122cos2sin27sin8222221 (4-10)AAAAAAArT2sin28121sin42sin22222 (4-11)sin1 ()cos1 (sin210AAAAAZZ拱冠截面的内力：H0=kcTrZ1 V0=0M0= kcTr2Z0拱端截面的内力：HA= kcTr(Z1COSA+AsinA);VA= kcTr(-AcosA+ Z1sinA);MA= kcTr2-A sinA-cosA+1+Z0+Z1(1-

57、COSA) 式中：c坝体容重； k地震系数（KhCz）; T截面厚度； r中心轴线半径； A拱圈半中心角；（2）.计算纵向地震激荡力（忽略基础的影响）： )2sin(sin2)2sin(sin8)2cos(cos43()(121)2sin(sin41sin2)2sin(45sin21)2cos(21cos20222222AAAAAAAAAAArTAAAAAAAAAAAU (4-12) )2sin(sin28()(121sin4)2sin(22222AAArTAAAA- 25 - )2sin()2cos(3()(121sin2)2sin(45)2cos(21122222AAAAArTAAAAAU

58、 (4-13)2sin(8()(121sin4)2sin(222222AAArTAAAA拱冠截面的内力： H0=q0RuU1; V0=0; M0=q0RuU0r拱端截面的内力： A1AAuAcosUsin2RqH0 )sinUsin21cos2(RqVA1AAAu0A )cos1 (UUsin21rRqMA10AAu0A式中：Ru拱圈外半径。（3）.计算横向地震惯性力（忽略基础影响）： AAAArTAAAA2)2sin(sin4(121sin2)2sin(2332220 (4-14) )2sin(28(121)2sin(22AArTAA拱冠截面的内力： H0=0.0 V0=kcTrY0 M0=

59、0.0拱端截面的内力: )cossin(TrkHAAA0cA )sincosY(TrkVAAA0cA AAAA02cAcossinsinYTrkM(4).计算横向地震激荡力（忽略基础的影响）- 26 - AArTAAAAvX2cos1212cos212sin4320 (4-15) AArTAA2sin281212sin22 左半拱的内力： H0=0 V0=q0RuX0 M0=0 拱端截面的内力： AAAA0u0Acossin21sinXRqH AAA0u0Asin21cosXRqV AAAA0u0Acossin21cosXrRqM地震荷载用 Excel 编制表格计算出纵向地震惯性力，纵向地震激

60、荡力，横向地震惯性力，横向地震激荡力。表 4-4 地震荷载汇总地震内力汇总拱冠左拱端右拱端截面轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1176.0492 32.4638 233.9969 112.6147 -95.6947 -3383.48 388.8248 -95.6947 4121.272411.4623 47.11221 561.3741 342.5088 -155.901 -4627.44 638.9196 -155.901 4228.6343361.1238.52392 867.862295.8052 -155.641 -4030.75 579.8561 -155.641 1717.48