水利枢纽和主要建筑物设计

1、武汉大学设计说明书 湘01-水利枢纽工程PAGE PAGE 36前 言通过大学近四年的系统学习，我们已经掌握了水工设计的基础知识。为了进一步培养我们理论联系实际的能力，特别是为了能使我们尽快的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，我们进行了历时一个学期的毕业设计。本次毕业设计是设计者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独立完成的。通过这次毕业设计，我们提高了如下的几方面的能力： 综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； 培养了我们的自学能力和科学研究能力，使我们逐步具有更新和丰富自己科学知识的能力和创新能力；提高了我们设计、计算、

2、绘图的能力以及编写设计说明书和计算书的能力；培养了我们严谨的工作作风和正确的设计思想。由于时间仓促，水平有限，本设计中难免有些不足之处，还希望各位老师批评指正，本设计者将不胜感激。设计者： 2006年6月3日中文摘要本文对湘01水利枢纽的概况和主要建筑物设计做了详细描述，主要有一份设计说明书，附有计算说明和示意图。设计说明书共分十章，主要内容包括湘01水利枢纽的基本资料、主要建筑物设计、枢纽布置方案、地基处理以及施工导截流等内容。本枢纽主要任务为防洪发电。其正常高水位为140米，发电死水位128米，装机容量为9000千瓦。经调洪演算得其设计洪水位为142.10米，校核洪水位143.08米。本枢

3、纽主要建筑物由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物、放空建筑物组成。主要建筑物为二级，次要建筑物为三级。坝型选用混凝土实体重力坝，最大坝高为45米，坝顶宽度为4米。厂房坝段包括三个机组段和一个安装场段，厂房采用坝后式。施工导流选用两期两段的导流方法，一期由束窄河床泄流，二期由导流底孔泄流。详细说明参见正文，以及附带的计算书。 第一章 概述流域概况(参阅J水流域及湘-01水利枢纽位置示意图)J水发源于山区,流经H,C等县市,而于H市附近汇入S江,其于流总长197公里,流域积3356平方公里,坝址控制流域面积711平方公里,占全流域面积的21%,J水属于山区性河流,流域内多为山区和丘陵区,起河床比降

4、为: 上游河段:由河源至石门 1.21% 中游河段:由石门至神山头 0.44% 下游河段:由神山头至河口 0.24%流域内雨量充沛,H市站多年平均雨量为1447.7公里,且雨量多集中于38月份,约占全年平均雨量的70%,尤以46月份雨量集中,每到雨季,山洪爆发,流域内中,下游地区农田(50余万)和城乡人口(30余万人)经常遭到洪水灾害和威胁,甚至造成生命财产的重大损失,在近60年内,曾发生较大洪水6次,而以1934年和1949年为最大.年份死伤人口冲毁房屋冲毁耕地农作物损失1949人间.万.百万斤1934间.万.百万斤1952间.百万斤.百万斤本地区国民经济以农业为主,C县农业人口计64万,耕

5、地面积约计101万,其中水田占百分之八十几,作物以水稻为主,其他作物次之.流域内虽然雨量较充沛,但年内分配极不均匀,往往在农作物生长季节久晴无雨,形成旱灾,根据调查,历年较大旱灾如下表年份年年年受灾面积3827.415.8解放以来,本地区修建了很多小型水利工程抗旱能力大大提高,但为了根治丘陵地区的旱灾,确保丰收,须考虑下游农田实行自流灌溉,其灌溉面积为15万.本地区矿产比较丰富,蕴藏褐铁矿,赤铁矿,煤矿,铜矿和重晶石矿等,目前尚只限于小规模手工开采阶段,其他工业方面尚有陶瓷厂,冶炼厂和穴县厂等,这些工矿企业的发展,农附产品的加工及农村照明等,都迫切需要电力.J水上游盛产竹木和其他物资,因为交通

6、不便,无法运往下游 ,造成水路交通不便的的原因是:山区性河流,坡度陡,在洪水期,水流湍急,不便航运,枯水期水深不足,不能航运,所以,为了沟通城乡物资交流,急需发展水利事业.二:枢纽任务湘-01水利枢纽位于J水上,距C县县城约40公里,根据国民经济发展要求,本枢纽是以防洪发电为主,并考虑灌溉,航运,渔业的综合利用的水利工程.1.防洪修建湘-01水利枢纽后,需确保中下游50余万及30余万城乡人口的生命财产的安全.根据地方的要求,在发生设计洪水时,上游水位不超过144.5米,下泄流量不超过下游河床的安全泄量900秒立方米.2.发电电站装机容量9000千瓦,确保出力2950千瓦,三台机组,每台引水最大

7、流量为11.8秒立方米.机组间距7.0米,厂房尺寸28.0*11.2平方米.发电机层高程112.7米.水轮机安装高程107.4米.尾水管底版高程103.5米.水轮机型号为PO-266-BM-134.引水管直径为1.75米.3.灌溉坝址下游灌溉面积约15万(除5万利用尾水灌溉外,其余10万由水库引水自流灌溉.干渠长度约16公里,坡降约为0.5%,渠首高程要求不低于120米,灌溉引用最大流量为11秒立方米.灌溉取水建筑物设在枢纽上游,另行设计.4.航运水库建成以后,改善通航里程120公里,可通航20吨木船,上游可至余天桥,下游可直达H市.枢纽设计时,仅考虑竹.木过坝建筑物.5.渔业水产水库简称以后

8、,可以发展水产事业,估计可年产鱼1200万斤.三:水文气象资料1.峡谷处各种频率的洪峰流量值如下表:P(%)0.10.20.5126Qm3/s)4770440035402990250018802.逐月各种频率洪峰流量值如下表:月份123456(m3/s)48511401770204029902600(m3/s)4069561402170025002200(m3/s)304716105212801880165010(m3/s)81191280500500439 月份789101112(m3/s)13301100530770590400(m3/s)1100940445640492335(m3/s)

9、82570533548036925110(m3/s)200188891289867附注:洪峰历时过程图 坝址下游水位流量关系曲线 水库水位与面积关系曲线 见附图 水库水与容积关系曲线四：气象特征1：降雨年内雨量多集中与3-8月份，占全年雨量的70%，而以4、5、6三个月为最多，10月至次年1月雨量最少，多年平均降雨量为1447.7毫米，日最大暴雨强度达120.7毫米，多年平均降雨天数为120天。2：降水量多年平均水量为5.07亿立方米。3：水的损失多年平均蒸发量为979.1mm/年。4：气温多年平均温度为17.9最高温度为46.0最低温度为-5.05：水库吹程最大风速18.5米/秒，水库吹程5

10、公里五：河流泥砂特征1：输砂量多年平均输砂量为15.1吨/年。2：淤砂特征 淤砂高程108米，淤砂容重0.5吨/米3，淤砂内摩擦角=0。六：工程材料特征1：粘土：粘土：分布于河谷上游，距坝址约10001500米，=1.6吨/米3，=18，C=0.5吨/米2。2：砂砾料：分布于上、下游河流急转弯处，距坝址平均在两公里左右。3：石料：左右岸山坡均可作为采石场，距坝址约300米4：竹料库区上游盛产楠竹和杉木，可供使用。5：水泥和钢材：水泥和钢材均需由外埠运来。七：施工资料1：劳动力来源主要为本省水利施工队，加上一部分民工2：对外交通（1） 在J水上游左案距坝址8公里初有公路可通H市。（2） 在J水下

11、游距坝址10公里初有公路可通H市3：施工准备省内施工队拥有拌和机、斗车及少量汽车等，其他机械有待施工时从外地调用。4：施工动力由施工队自带柴油发电机发电。八：枢纽及库区地形地质条件 1：坝址地形地貌 本枢纽位于河段峡谷出口处，峡谷进口流向正东，距出口200米，即转流正南，峡谷水面宽约2540米，峡谷长约800米左右，两岸山为泥盆纪坚硬的砾岩及砂岩构造，离出水面150米以上，河谷呈V字形，岸坡较陡峻。2：坝址地质构造峡谷内岩石暴露整齐，覆盖层不厚（12），呈单斜构造，倾向为S030E，倾角4570，构造不复杂，河床亦无构造通过，但节理裂隙较发育，夹有较弱的砂质页岩。坝址基础岩石情况：下泥盆纪：极

12、坚硬的砾状厚层硅质砂岩及石英岩夹少许薄层碰质页岩，其抗压强度100兆帕以上，摩擦系数为0.65。下泥盆纪：坚硬的中厚曾中细粒紫色铁质砂岩夹铁质泥质砂岩，抗压强度在100兆帕以上，摩擦系数为0.65。砂砾石，在河床低部有第四纪砂砾石覆盖层，厚约25米。3：地震烈度坝址地区地震基本烈度为6度，设计时可不考虑地震影响。4：坝址水文地质峡谷地下水以裂隙水与空隙水为主，前者呈不连续分布，主要埋藏在硅质砾岩、石英岩及石英砂岩中，涌水量少，后者呈连续分布，以冲积沟中坡积层最为发达，涌水量变化较大，两者均为大气降雨补给，然后补给河水，地下水出露高程在130米以上，故可见峡谷无漏水危险。地表面以下015米，=0

13、.10.03公升/分钟，25米以下，=0.01升/分。第二章 枢纽位置确定及各建筑物级别一：确定工程等别和各建筑物的级别根据库容的要求，水电站正常高水位为140米，水库最高水位不得超过143.08米，查水利电力出版社的重力坝设计（潘家铮编写）中的水利水电枢纽工程的分等指标可确定工程等别为二等。根据发电要求，电站装机容量为9000千瓦，查分等指标可确定工程等别为三等。综合以上所述的库容和发电的要求，工程等别需要取最高等别，即该工程等别为二等。根据水工建筑物级别划分可查得主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。（见下表） 建筑物级别洪水重现期134永久建筑物正常运用洪水标准20005

14、0010050永久建筑物非常运用洪水标准5000500临时建筑物105二：坝轴线选择 原始资料给定2条坝轴线提供选择，见附图，轴线I和轴线II，最终定问轴线I，因为混凝土重力坝轴线I，处于河谷的拐角处，而且轴线I垂直于上游河道，相对于轴线II，摆放的枢纽建筑物更稳定，轴线更短，可以节省材料。三：坝型选择1：坝型的初步选择在坝型的选择上存在拱坝、支墩坝、土石坝、混凝土重力坝等。 拱坝拱坝是基本坝型里最晚发展起来的。其优点是利用拱作用于坝体上的水压力传至坝肩两岸的岩体中，坝内的主要应力为压应力，从而充分利用了混凝土抗压的性能，而且可以利用拱座下游的岩体抗历来维持坝的抗滑稳定，最终达到节约材料的目的

15、；且拱座是整体性的空间结构，超载能力较强，坝体比较轻韧，弹性较好，只要基岩稳定，拱坝的抗震能力就比较高；因拱坝较薄，扬压力也较小。但其也存在许多缺点，如拱坝的修建对河谷的形状要求较高，对两岸的岩石完整性要求较高，对坝体材料的强度和防渗要求及施工要求都比较严格，温度应力是它的主要应力，施工过程也较其它坝型困难。拱坝的修建对地形条件和河谷的要求比较高。河谷的形状特征常用坝定高程处的河谷宽度L与坝高H的比值，即“宽高比”L/H来表示。在宽高比较小的河谷，拱坝的弧弦长相对于坝高较小，拱的作用能更好的发挥，大部分荷载通过拱的作用传至两岸，仅有小部分荷载通过梁的作用传至坝基，故坝体可以修建的较薄。根据工程

16、经验，在L/H1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝，在L/H=1.53.0的稍宽河谷可以修建一般拱坝，在L/H=3.04.5的宽河谷多修建重力拱坝，而在L/H4.5的宽浅河谷，拱的作用已经很小，梁的作用将成为主要的传力系统，一般认为只能修建重力坝或拱形重力坝较为适合。 支墩坝支墩坝由一系列支墩和盖板所组成。至墩沿坝轴线排列，前面设有盖板，形成挡水面。库水压力由盖板传给支墩，在由支墩传给地基。支墩坝可以节约混凝土方量，随受力情况调整厚度，从而充分利用混凝土的容许抗压强度，从而充分利用材料强度。但其侧向稳定性差，对地基要求严格，钢筋用量也较大，施工条件难易并存，溢流要慎重。由于支墩坝应力复杂，并存在许多

17、问题未得到解决，且近几年的工程中已经很少采用支墩坝了，故本工不采用支墩坝。 土石坝土石坝是土坝和堆石坝的总称。土石坝历史悠久，在国内为广泛采用。因为它可以就地取材，节约水泥、木材和钢筋等重要的建筑材料；对地质要求较低，能适应地基变形；结构简单，便于维修和加高、扩建；施工技术较简单，工序少，便于组织机械化快速施工；有较丰富的修建经验。但其抵御洪水漫顶的能力差，坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；施工导流不如混凝土坝方便；粘性土料的填筑受气候条件的影响较大。在甲坝轴线上，没有垭口，不能设置溢洪道，因此不适合选用土坝。 混凝土重力坝岩基上的重力坝在水压力作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定。与常

18、用坝型比较，混凝土重力坝具有如下优点：重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；由于坝体作用于地基面上的压应力不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧凑，泄洪问题容易解决；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导流隧洞；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，

19、结构作用明确，应力分析和稳定计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要求较高。经过以上几种坝型相比较，本工程适合选用拱坝和重力坝，由于毕业设计需要，先进行混凝土重力坝的枢纽设计，便于做经济比较。2：坝型的进一步选择在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、预应力重力坝、碾压混凝土重力坝等。宽缝重

20、力坝一般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽，又称实体重力坝。宽缝重力坝是在实体重力坝的基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以扬压力显著降低，作用面积也相应减小；由于宽缝重力坝所受的扬压力小，坝体混凝土方量可较实体重力坝节省1020，甚至更多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；施工比较复杂，需要的人工多，且施工进度慢。因此本工程可不考虑宽缝重力坝。 空腹重力坝空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载

21、直接由所谓的前后腿传到地基上。空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力，因而混凝土方量可较实体重力坝节省2030，并且可以节省坝基开挖量；上游坝踵的应力较大，扬压力可进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较复杂在实际工程中很少采用。因此，本工程不选空腹重力坝方案。 预应力混凝土重力坝坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力，以增加坝体的稳定性，并有效地改善坝身应力，从而可以大大消减坝体的断面，达到

22、节约混凝土的用量。但这种坝也同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点，在实际工程中很少采用。因此，本工程不选预应力重力坝方案。 碾压式混凝土重力坝要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂，因为我们现在的水平有限，不能作出很好的论证，因而放弃此种很好的坝型。 实体重力坝实体重力坝是最原始也是最简单的型式。其优点是施工，计算，设计均较简单，应分布也较明确和有利。但其缺点是扬压力大，端面面积和工程量大。本工程所在坝址的地质条件比较好，因而也无须建空腹重力坝，从而减少施工难度；由于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显，且其应力也复杂，故也无须修建宽缝重力坝；预应力重力坝的钢筋用量大，施工复杂，在此也不宜选用此重力

23、坝；而实体重力坝其优点及本枢纽所在的地形地质条件（地质较好，河谷的宽高比较大）决定了实体重力坝是重力坝里的最佳坝型。最终方案采用混凝土实体重力坝。四：建筑物类型拟定本枢纽的主要任务是防洪发电，主要建筑物有挡水建筑物，泄水建筑物，放空建筑物和电站建筑物。泄水建筑物：常用的坝身泄水建筑物有坝身泄水道（包括溢流坝、中孔泄洪孔、深式泄水孔、坝下涵管等）和河岸泄水道（包括河岸溢洪道和泄水隧洞等）。河岸泄水道多用于土石坝的水利枢纽中，并且因为没有垭口，不适合用河岸溢洪道。本工程选用的是实体重力坝，坝身可过水，无需采用泄水隧洞。实体重力坝可做成溢流的形式，坝顶溢流式除宣泄洪水外，也能用于排除冰凌和飘浮物。由

24、于坝顶闸门承受的水头较小，空口尺寸可以较大，随着库水位的升高，下泄量也迅速增大。因此，当遭遇意外洪水时，可有较大的超泄能力，而且闸门启闭操作方便，易于检查修理，工作安全可靠，所以本工程的泄水建筑物可选用溢流坝形式。电站建筑物：由于本枢纽处于河段峡谷出口处，坝宽相对狭窄，流量较小，为了便于摆放枢纽建筑物，此时可采用地下式厂房。放空建筑物：坝下涵管通常布置在土石坝下部，本枢纽采用混凝土重力坝，则不必采用涵管。 隧洞需开挖山体，工程量较大，不宜采用。本工程采用深孔作为放空建筑物。第三章 调洪演算一：选择泄洪方式本水库选择表孔泄洪，表孔和深孔相结合的放空方式。当来水量较小时，采取对称开启或局部开启，当

25、来水量大于闸门全开时下泄量时，闸门全开。二：闸门操作方式水库的运用方式是在洪水来临时，先用闸门控制使来洪量=下泄量q,来多少洪水泄多少洪水，此时，水库保持防洪限制水位不变；当来洪量继续加大，在来洪量大于下泄量q后，闸门全开，作为无闸门情况对待。三：初拟孔口尺寸、确定孔数泄洪单宽流量q与地基岩石有关，坚硬完整的岩石q=100130米3 /秒，较好岩石q=5080米3/秒，较差岩石q=2050米3/秒。本坝坝址处岩石较好，可选单宽流量q=60米3/秒，允许最大设计下泄流量max=900米3/秒，则可初步计算得溢流坝段溢流前缘宽度L0=max/q=900/60=30 ,孔口宽度b=15米。从而可确定

26、孔口数n=30/15=2,取n=2。四：确定堰顶高程闸门宽高比b/h=1.22.0,取b/h=1.666，可算得h=b/1.666=9。闸门一般超过正常水位3050厘米，但不到坝顶。正常高水位为140米，可确定闸门顶部高程为140.5米 ，从而闸门顶部高程为140.5-10=130.5米。五：调洪演算选用半图解法来进行调洪演算，其公式为：（1+2 ）t/2-（q1+q2）t/2=V1-V2，即V2/t+q2/2=（1+2）/2+（V1/t-q1/2）。令f1（Z）=V1-q1/2, f2（Z）=V2+q2/2, f3（Z）=下。式中：1、2分别为计算时段初、末的入库流量（米3/秒） q1、q2

27、分别为计算时段初、末的下泄流量（米3/秒） V1、V2分别为计算时段初、末水库的蓄水量（米3/秒） t为计算时段。取t=5小时=18000秒。下泄流量q为泄洪能力与发电流量之和，其中发电流量为35.4米3/秒，泄洪能力计算公式为BH3/2,其中B=30米。Z 水位（m）V 库容(亿米3)V上 堰顶以上库容（亿米3）H 堰顶以上水头H(米)m 流量系数q 下泄流量(米3/秒)t 时间间隔，详细计算过程参见计算书第一章。两个方案的结果如下表：方案12堰顶高程135136堰流前缘宽3030设计洪水位142.08142.1设计泄流量705645校核洪水位143.06143.08校核泄流量955960上

28、述两个方案的下泄流量均满足要求，且由于坝高较低，两个方案各项数据相差均较小，作为安全考虑，因此选取的方案II作为最后方案，堰顶高程既定为136m，校核洪水位为143.08m。第四章 重力坝挡水坝段剖面设计一：重力坝挡水坝段剖面尺寸初拟1：坝顶高程的确定根据天津大学编的水工建筑物可查得坝顶高程可按以下两个公式计算，并选用其中较大值。坝顶高程=设计洪水位+设坝顶高程=校核洪水位+校经计算，设计情况下坝顶高程为146.633米，校核情况下坝顶高程为145.810米。比较取较大值，坝顶高程最终取为147米。具体计算过程详见设计计算书第二章2：坝顶宽度的确定无交通要求时，坝顶宽度可采用坝高的8%10%，

29、一般不小于2米。坝基面高程为102米，坝高为147-102=45米，所以坝顶宽度可取为4米。取上游边坡系数n1=01,下游边坡系数n2=0.7。根据资料给定淤沙高程为108米。上游边边坡系数为零，下游折坡点高程可根据校核水位选取为138米。3：排水管位置及尺寸的确定为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近上游面处需要布设排水管。排水管距上游面距离一般不小于坝前水深的1/101/20，且在坝顶处排水管据上游坡面的距离不能小于2米，以使渗透坡降在许可范围以内。因此排水管可选在距上游坡面3米处。坝体排水管的间距一般为23米，可取3米左右。管内径为1520厘米，可取20厘米左右。实用剖面（1） 实用剖面（

30、2） 实用剖面（3）图5.1 非溢流重力坝实用剖面选择实用剖面：（1）适合于地基条件较好,坝体与基岩间摩擦系数较大的情况，坝体剖面由强度条件控制；（2）坝体剖面由稳定条件控制，同时有利于利用水重和布置坝体泄水孔；（3）适合于地基条件较差,坝体与基岩间摩擦系数较小的情况，坝体剖面由稳定条件控制。综合考虑坝址的条件选择采用实用剖面（1）。4：灌浆廊道位置及尺寸的确定帷幕灌浆需要在坝体浇筑到一定高程后进行，以便于利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量，为此需在坝踵部位设置灌浆廊道。廊道断面一般采取城门洞形，由于坝高限制，廊道底宽取为2米，高可取为3米。距上游面的距离可取0.050.1倍水头处，廊道

31、地面距基岩不小于1.5倍基岩宽度，因此廊道底面距基岩不小于4米，可取4米。5:检查排水廊道的确定为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面设置检查廊道，断面形式多采取城门洞形，最小宽度为1.2米，最小高度为2.2米，距上游面的距离应不小于0.050.07倍水头，且不小于3米。考虑本枢纽尺寸较小的问题，宽度可以取为1米，高度可以取为1.5米。 非溢流坝剖面可见附图 二：重力坝挡水坝段经济剖面的设计剖面优化为电算过程，计算结果附于设计计算书最后。经过剖面优化，可确定上游边坡系数为零，下游折坡点高程为138.30米，下游边坡系数n2=0.725，单位宽度最小体积VOL=650.80米3，经济剖面见附

32、图。坝体稳定和坝基边缘应力的具体计算过程详见设计计算书第二章。第五章 溢流坝段设计一：溢流坝段剖面形状的确定堰形选择：溢流堰堰面曲线以往国内多采用克奥曲线。从我国工程采用的克奥曲线情况看，有些工程并不符合该曲线的边界条件。近年来的一些工程中溢流坝段堰顶采用了WES曲线，该曲线比克奥曲线瘦，易与坝面连接，计算切点位置及放样均方便的多，与上游面成坡形连接，按定型水头设计此堰面曲线时，在不同水头下可增加泄流量。因此我国“混凝土重力坝设计规范”推荐该曲线。所以本工程溢流坝堰顶可采用WES曲线。具体计算详见设计计算书第三章。经计算，反弧半径R=10米。挑角=25。当溢流坝剖面超出基本剖面时，为节约坝体工

33、程量并满足泄流条件，可以将堰顶做成悬臂式，悬臂高度应大于=3.9米。可取为10米。 二：下游消能方式选择底流消能可适用于高、中、低水头，大、中、小流量的各类泄水建筑物，对地质条件要求较低，对尾水变幅的适应性较好，但当应用于高水头、大流量泄水建筑物时工程费用较大，且还需注意空蚀问题和抗磨损问题。面流消能适用于下游尾水位较深，单宽流量变化范围较小，且水位变幅不大或有漂流的情况。但面流式消能坝下游有波浪发生，甚至几公里范围内的水面都不稳定，对电站及航运不利，容易冲刷两岸。戽流消能有较好的效能效果和较小的冲刷范围，工程量也较小，适用于尾水较深、变幅较小的情况。但消力戽的底部旋滚会把下游河床沙石带入戽内

34、，并随戽内旋滚运动，磨损消力戽及坝面，增加了维修养护费用，下游水面波动绵延较长的范围，易冲刷河岸，对航运不利。挑流消能利用鼻坎将泄下的高速水流向空中抛射，使水流在空中扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫中，一般不需对下游河床设保护工程，可大大节省工程费用，同时设计与施工均较方便简单，运用也较安全可靠。只要有足够的水头，能保证水舌有一定的挑距，使冲坑远离建筑物，一般适用于基岩比较坚固的高坝或中坝。比较以上四种消能方式，可采取挑流式消能方式。通过计算的出挑流消能水舌的挑射距离L=35.63m，冲刷坑深度Tk=11.2m具体的消能计算详见设计计算书第三章，经过计算，冲刷坑深度不会危及主体建筑物

35、的安全。三：闸门、闸墩及导墙设计1：闸门的选择直升式平板闸门的门叶结构简单，便于制造、安装和运输；闸门可吊出孔口，便于检修和维护；互换性好，各孔闸门可以互换，工作们可以兼做检修门用；布置紧凑，所需闸墩长度或闸门井尺寸较小，闸墩受力条件好，配筋简便；启闭设备构造简单，便于使用移动式启闭机。但平板闸门启门力较大，需要较大的启闭设备；由于启门高度较大，工作桥的支墩或支承排架较高；由于设置了门槽，闸墩较厚；过闸水流产生低压漩涡，易造成闸门槽空蚀。弧形闸门启闭省力，可降低启闭设备的造价；弧门无需门槽，可减薄墩厚，水流条件也较好，但由于闸门支承较长，故闸墩较长；闸墩设计较复杂，钢筋用量较多，制作安装也较平

36、板门复杂，由于弧形闸门不能提出孔口，故检修维护不如平板门方便，不能用于检修门。本工程中工作闸门选定为弧形闸门，检修闸门可以选用平板闸门。2：闸墩的确定墩中分缝可避免地基的不均匀沉降所引起的止水不严问题，但闸墩厚度需要增大，本工程坝轴线出地基情况良好，不会发生严重的不均匀沉降，因此溢流坝段采取跨中分缝。本枢纽的工作闸门采用弧形闸门，根据需要，可以不设置门槽，但工作闸门为平板闸门，需要设置门槽，长和宽都初步定为1米，墩长定为15米。闸墩的断面形状应使水流平顺，减小孔口水流的侧收缩，闸墩的上游可采用半圆形，墩尾逐渐收缩为流线型。3：边墩和导墙边墩设在溢流坝的两侧，以分隔溢流坝段和非溢流坝段，并作为边

37、跨桥梁和闸门的支承体。为了防止坝面水流向两侧漫溢，边墩应向下游延伸形成导墙，导墙的墙顶应高于掺气后溢流水面11.5米。经计算，导墙高度为3.99米，反弧段可以做成水平的。具体计算过程详见设计计算书第三章。为了防止出现温度裂缝，沿导墙每隔15米作一道伸缩缝，在护坦部分可和护坦分缝一致。缝可做成铅直的，缝内做简单的止水设备。导墙顶部厚度为0.52.0米，可取为1.5米。第六章 深孔坝段设计一：深孔型式根据泄水孔中水流的流动状态可将泄水孔分为有压和无压两大类型。 从水力学条件考虑，无压深孔泄流能力大，沿程损失比有压深孔小，可略而不计。但无压泄水孔的无压段，因流速大，压力小，带来了高速水流的掺气、气蚀

38、以及明满流交替出现等问题，流态相对较压力管段复杂，因此孔内净空余幅要求大，对体型布置及衬砌不平整度要求较高。有压深孔内阻力大，流速小，过流断面大，而且孔内压力比较稳定，气蚀可能较小，水流流态较好。 从运行条件考虑，无压深孔水力学条件较复杂，有掺气、气蚀等问题，在体型设计或施工上稍有疏忽运行中就可能出现问题。工作门和检修门均布置在进口段，管理、操作虽然比较方便，但若工作门处发生问题，维修处理困难。有压深孔内压力稳定，一般不会出现气蚀问题。工作门和检修门虽分设两段，管理操作不甚方便，但同时出现事故的可能性较小，而且易于控制洞内泄流条件。 从结构要求考虑，无压深孔结构受力明确，工作闸门能承受水压力，

39、门后为无压孔段，没有内水压力的作用，对坡段防渗、稳定均较有压深孔压力管道简单。 从施工条件考虑，有压深孔带有长的无压明流泄水道，采用矩形或城门洞形，放样控制、浇筑、施工均较便利，有利于加快施工。无压深孔采用圆形断面或矩形断面带隅角加圆，有的还加全断面钢板衬护，与无压深孔相比，施工较复杂。从目前国内外已建工程或正在设计施工的工程来看，无压深孔选用较多。本工程也可选用无压坝内泄水道方式。二：放空计算 要求在一个月内将库水位由正常高水位放空至发电死水位。深孔底部高程由淤沙高程和发电死水位决定。淤沙高程为108米，发电死水位为正常高水位减最有利工作深度。本工程的正常高水位为140米，最有利工作的发电死

40、水位为128米，进口中心线高程为111米。深孔断面可取为正方形，初拟孔口尺寸为32米2（宽高），共计2个泄水深孔。经计算放空总时间T=21.3天30天，符合放空要求。具体的计算详见设计计算书第四章。三：坝身泄水孔的体型设计无压坝身泄水孔包含有较短的压力段和较长的无压段。压力段又分为进口段、事故检修门槽和压坡段三个部分，压坡段下游侧设工作闸门。检修闸门采用平板门，工作闸门多采用弧形门。明流段自上游至下游按顺序布置直线段、抛物线段和反弧段。1：进口型式根据中国电力出版社出版的混凝土重力坝设计规范中所介绍的，进口段各部分的体型可按如下方式设计。顶曲线AB段采用椭圆曲线，长半轴可取为进口段末端的孔高h

41、1，短半轴可取为长半轴的1/3。h1=6米，所以AB段的曲线可表示为。BC段为AB段在B点处的切线，其坡度J1一般取为1：4.51：6.5，可取 J1= 1：5.5。AC段的长度约为0.81.0h1，可近似取AC段长为4.8米。AC段侧面曲线可采用1/4椭圆，短半轴b2可取为（0.220.27）B,B为泄水孔的正常宽度，由放空计算的B=4.5米。取b2=1米，a2=3b2=3米。上游面A切点以上的垂直高度不一小于1倍进口末端的孔高。CD段为一条空口，其宽度约为5倍止水宽度m。当底孔的底板高于河床时，可采用图示之半圆连接。点C与点E位于同一高程，点E处可稍加圆角。EF为压坡段，其坡顶取稍低于BC

42、段的顶坡，坡度J2可取为1：4.01：6.0， EF段水平长度最小可为h2。当事故检修闸门的止水为下游止水时，应在EF段的段首设置通2：泄水孔无压段和反弧段无压段紧接在短有压段之后，无压段泄水孔的底缘曲线常设计为抛物线，抛物线方程一般可采用。明流段的反弧段一般采用单圆弧式，末端为挑坎。鼻坎高程可取略高于下游水位，以保证发生自由挑流。可取鼻坎高程为113米，经计算反弧段半径R=10米。3：闸门型式闸门一般布置在深孔的平直段上，需设置工作闸门和检修闸门。一般工作闸门采用弧形闸门，检修闸门采用平板门。如图所示。4：通气孔在深孔进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下使用闸门时，问题

43、更为严重，会引起孔内局部真空，形成负压，为此需要紧接闸门后设置通气孔。目前依据水利水电工程钢闸门设计规范，设于泄水道中的工作闸门或事故检修闸门，其门后通气孔面积可按下列经验公式计算。，5 深孔导墙高度的确定导墙的墙顶应高出掺气后溢流水面0.51.5米。第七章 电站坝段设计一：引水建筑物1：进水口进水口是水电站水流的进口，按水流条件可分为无压进水口和有压进水口。在需要利用库容调节发电流量，水库消落深度较大时，或者需要将水流直接引入水轮机输入压力管道时，须用有压进水口。因此本工程可选用有压进水口。有压进水口有坝式、岸式、塔式几种，其中坝式进水口适用于坝后式厂房。坝式进水口位于混凝土坝或河床式电站厂

44、房的上游坝体内，成为统一整体，通常每台机组有单独的进水口。进水口的进口高程应按水电站运行中可能出现的最低水位决定，应在引水道顶部以上有一定的淹没深度，以保证不进入空气和不产生漏斗状吸气漩涡。同时进水口闸门底坎高程还应在淤沙高程以上。钢管的直径应根据技术经济比较确定。进口段顶板曲线目前广泛采用1/4椭圆曲线，进水口顶板常做成斜坡，以便于施工。两侧边墙的轮廓可用椭圆或圆弧等曲线。根据国内外实践经验，喇叭口顶板的椭圆曲线方程式为：。式中： a = 11.5D,通常采用1.1D=4.2米。b = D/3D/2，取b= D/3=1.4米。D 压力钢管的直径。所以喇叭口顶板的椭圆曲线为：。进口流速一般不宜

45、过大，进口面积建议不小于下列公式计算值。式中：A 引水道断面面积（接渐变段末端）。 引水道中心线与水平面之间的夹角。C 收缩系数，一般取C=0.60.7，可取C=0.65。进口短的长度无一定标准，在满足工程结构布置需要及进水可能允许的尺寸与水流顺畅条件下原则上要求布置紧凑。2：闸门段闸门是引水道和进水段的连接段，其体形主要根据所采用的闸门、门槽以及结构的受力条件而决定。闸门孔口常采用矩形，其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D，高度一般等于或稍大于压力管道直径D。可采用4.23.8米2（高宽）的闸门，工作闸门和检修闸门之间间隔2m。闸门段的长度常取决于闸门及启闭设备的需要，并考虑引水道检修通道要

46、求。3：渐变段渐变段是由闸门段（通常为矩形断面）到压力引水管道（通常为圆形）的过渡段，其断面面积和水流应逐渐变化，是水流不产生涡流并尽量减小水头损失。由矩形变到圆形通道采用在四角加圆角过渡。如图7.1所示。圆弧的中心位置和圆角半径 r 均按直线规律变化。坝式进水口的渐变段长度一般取压力管道直径的1.01.5倍，可取为5米。渐变段轴线通常为直线。4：拦污栅为了拦阻漂浮物，进水口前一般要设置拦污栅。拦污栅可以布置成垂直的或倾斜的，进水口可以是多边形的或平面的。本工程可采用倾斜布置和平面拦污栅。拦污栅结构简图5：通气孔在引水道进行充水或放空过程中，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下使用闸门时，问题

47、更为严重，会引起压力管内局部真空，形成负压，为此需要紧接闸门后设置通气孔。通气孔面积可按下列经验公式计算。，。式中： a 通气孔的断面面积（米2）。Qa 通气孔的充分通气量（米3/秒）。Va 通气孔的允许风速（米/秒），一般采用40米/秒。VW 闸门孔口的水流流速（米/秒）。A 闸门后管道的面积。其中VWA=Qmax=35.4/3,计算得0.105米2，可取通气孔直径为0.4米。6：平压管为减少检修闸门的启门力，需要设置平压管，根据闸门段结构特点，设置在工作闸门上，以便于检修7：压力钢管布置从水库将水流在有压状态下输送给水轮机的管道，采用坝内埋管的形式，倾斜式布置，由于引水道较短，机组台数量只

48、有2台，可以采用单管供水，即一管一机。压力钢管上弯道的转弯半径取倍管径,23.46.8，可取为7m。根据进水口和水轮机之间的高差和水平距离，钢管可布置成倾斜的、垂直的和水平的。当进水口和水轮机之间的高差较大而水平距离较小的情况下，采用垂直布置，当情况恰好相反时可采用水平布置。本工程中进水口和水轮机之间的高差和水平距离均较大，可采用倾斜式布置。二：电站厂房建筑物厂房设计时，主要是进行厂房的立面、平面布置。若布置合理，今后运行就很安全方便，投资也会很省。由于影响厂房布置的因素很多。因受地形、地质、水文、气象等不同因素的影响，很难作到定型化，必须因地制宜、充分论证比较后才能确定。厂房布置应满足下列一

49、些原则:（1）尽可能选择有利的地形地质条件，厂房不要布置在滑坡或陡坡地段；（2）尽量使水流平顺进出厂房，以减少水头损失，防止淤积和冲刷；（3）尽量使厂内外交通方便；尽量节约投资，并使运行管理方便。1：水轮机转轮直径的确定根据设计资料，水轮机采用PO-266-BM-134，转轮直径为1.34米。厂房各高程的确定：2：主厂房安装高程的确定：1水轮机安装高程任何类型的厂房在设计时，都要首先确定安装高程，安装高程确定后，其余尺寸才能确定。安装高程的确定，必须根据水轮机的吸出高度来定出，这样才能避免水轮机转轮不受气蚀破坏。水轮机的吸出高度为水轮机转轮气蚀最危险点到下游尾水位的最小距离。水轮机的吸出高度为

50、 式（63）式中： 设计水头，m；电站厂房的海拔高程，m；水轮机的气蚀系数，有水轮机的综合特性曲线查处；气蚀系数修正系数。水轮机安装高程为为107.4m（设计资料给出） 2、主厂房开挖高程在水轮机的安装高程确定后，由此往下绘出尾水管的剖面图，再确定一个合理的尾水管底板厚度，即可以确定厂房最低点的开挖高程。现根据资料尾水管底部高程为103.5m，尾水管底部混凝土保护层厚度取为1m（范围是1-2m），故厂房基础开挖高程为103.5-1.0=102.5m。3、水轮机层高程安装高程确定后，由此往上确定出蜗壳顶板厚度，其顶面即为水轮机高程。蜗壳顶板厚度是由结构受力条件定出的。常见电站的蜗壳顶板厚一般为1

51、.54m。枢纽电站为高水头电站，采用金属蜗壳，内水压力由金属板承受，蜗壳外围的混凝土主要承受上部传来的荷载，混凝土与钢板之间设有垫层，彼此之力互不传递。现取蜗壳顶板厚4m，故水轮机层高程为107.4。4、发电机层高程发电机层是安放水轮机发电机及其辅助设备和仪表盘的场地，也是运行人员巡回检查机组、监视仪表的场所。发电机层到水轮机层之间的高度，主要由机组主轴长短决定，主轴长、二者高差大，水轮机层层高就大，轴短即相反。一般水轮机层层间高度不能小于34m，否则无法布置机电辅助设备。由于资料所给发电机安装高程为112.7m，故可取发电机层高程为112.7m。5、吊车轨顶高程桥吊的跨度与安装高程决定着发电

52、机层以上主机房的空间大小。该空间除了布置发电机的上部及机旁盘、调速器等设备以外，还要足以吊运机组的最大及最长部件而不影响其他机组的正常运行。最大部件一般是发电机转子或水轮机转轮。主副钩的极限位置由制造厂家给出。吊运部件与周围建筑物及设备之间的最小间距，水平方向为0.4m，垂直方向为0.61.0m。据此，可以在厂房横剖面上绘出吊运大部件的位置，并确定吊车轨顶高程。，屋顶高程减去吊车卷扬机高度（1m），再考虑吊车检修时有l m左右的检修高度，再减去屋顶大梁高度与屋面厚度（1.5m）即为吊车轨顶高程6、屋顶高程资料所给发电机层到屋顶的高度为11.2米，故屋顶高程为113+11.2=124.2m。附资

53、料：水轮机安装高程为107.4米发电机安装高程为112.7米尾水管底部高程为103.5米机组间距7.0米主厂房宽度为11.2米主厂房长度为28米。水轮机形式采用PO-266-BM-134，转轮直径为1.34米。7尾水管可采用弯肘形，它是由进口直锥段、肘管和出口扩散段组成的。由金钟元水力机械中推荐的尾水管尺寸可确定本工程中的尾水管尺寸见下表： hLB5D4h4h6L1h56.512.56.83.3753.3751.694.553.053：主厂房平面尺寸的确定： 1、机组段的长度：机组段长就是2台机组的中心线之间的距离 ，应由发电机层、水轮机层、蜗壳层最大需要的尺寸来确定。由于资料已给主厂房长度=

54、28m，根据厂房总长的计算公式： （式65）式中：厂房沿纵轴全长，m；n机组台数；机组段长，m；安装间长度，m；左端机组段加长，m；右端机组段加长，m。因为吊车在起吊任何物体时，吊钩必须正对机组中心。因吊车本身有一定宽度，起吊最边上一台机组时，吊钩对准中心后，厂房必须延长一个才能放下吊车。故边机组段较中间的机组段要长些。初步估算时，为机组水轮机转轮直径，根据资料，所以，。右端增加值的确定：因机组段长为机组中心到中心之距离为L值，而右边最边一台机组还有一半的蜗壳结构，蜗壳外还应有结构厚度，故右边机组要适当延长一个，才能以缝和安装间联接，。安装间是机组安装和检修的场地，任何电站均应设置。平常运行时

55、，为一空旷无物的房间，不设任何设备在内，但吊车必须要能覆盖此房间的主要部分。安装间与主厂房联在一起，一般厂房内，它不在左端就在右端，而且与对外交通线密切联系，才便于设备由公路或铁路运进来组装。安装间的高度一般与发电机层同高，才便于共用一台吊车。安装间高程在下游尾水洪水位以上。与外界交通线联接时，门前应有一平段，便于回车，也安全，以免汽车或火车下坡时冲入主机段，撞坏机组，有一平段便于降低车速。安装间的功用既然是安装和检修机组，它就应能放下机组的主要部件，一般为下列五大件：发电机转子带轴、上机架、下机架、水轮机顶盖、水轮机转轮及轴。这五大件在安装或检修时，放在安装问中，彼此应有l m左右的间隔，以

56、便运行人员检查维修时操作方便。因此安装间的面积应以放下这五大件为准。在初步设计时，可按下式估算尺寸： 第八章 枢纽布置方案本枢纽的主要任务是防洪抗旱，其次是发电，所以本枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、发电建筑物、放空建筑物（水库检修或特殊情况下使用）组成。各建筑物的布置要求：溢流坝段主要宣泄汛期洪水，为使下泄的洪水大体上沿原河道主流方向平顺地与下游衔接，不致冲刷坝基和其它建筑物的基础，一般应尽量布置在原河道主流部分；深孔坝段主要用于放空，放空时流量较小，冲刷问题不明显，对其它建筑物也不会有太大影响，因此无特殊要求；厂房坝段主要用于发电，其布置基本要求是交通便利，尽量利用附近平地地形布置开关站

57、等各种电气设备，使发电机出线长度缩短，并便于管理。由此可拟定以下方案：方案：从左岸到右岸，分别布置非溢流坝段、溢流坝段、深孔坝段、非溢流坝段。坝段尽量设置在左岸。由所给资料可知，整个大坝所处于一个狭小的峡谷中，水流在坝址处转向，比较适合地下式厂房，交通运输主要靠左岸的公路干线，为了便于运输水轮机等大型机械设备，可将电站设置在左岸，详细平面布置参见枢纽布置图。第九章 细部构造及地基处理一：坝顶构造坝顶上、下游设栏杆，并在坝顶两侧设人行道，人行道一般高出路面2030厘米。 坝顶路面应有一定的横向坡度，取为2，倾向上游，并设置相应的排水管将集水引至上游水库。溢流坝坝顶有工作桥和交通桥，二者应尽量结合

58、使用。工作桥的高度要满足工作闸门与检修闸门启闭的要求。二：坝的分缝为了满足施工要求以及为了防止坝在运行期间由于温度变化和地基不均匀沉降等导致坝体出现裂缝，在坝体内需要进行分缝。1：横缝横缝垂直于坝轴线设置，将坝体分成若干个坝段。横缝间距设为20米。横缝有永久缝和临时缝两种。永久缝可分为沉降缝、温度缝和兼有两种作用的温度沉降缝。本工程可采用温度沉降缝，永久横缝内需要设置专门的止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料和沥青等。对于高坝或很重要的坝，需设两道止水，中间设沥青井，前面设混凝土塞。当止水失效时，混凝土塞可起临时止水作用。第一道止水离上游面约0.52.0米，一般采用1.01.5毫米厚的紫铜片，每

59、侧埋入混凝土中的长度约为2025厘米。第二道止水也可用不锈钢片或镀锌钢片。在气候温和地区止水片可采用塑料，在寒冷地区可采用橡胶。沥青井为方形或圆形，其一侧可用预制混凝土块，长11.5米，后510厘米。沥青井尺寸大致为2020至3030厘米，井内灌注的填料由号或号石油沥青、水泥和石棉粉组成，井内设加热设备。2：纵缝为了适应混凝土浇筑能力和减小施工期温度应力，常用平行于坝轴线方向的纵缝把一个坝段分成几块浇筑，待坝体降低到稳定温度后再进行接缝灌浆，使坝段结成整体。本工程可采用垂直纵缝，间距可取为20米。为了使缝面能够传递剪力，常在缝上设置三角形键槽，槽的短边和长边分别大致与第一和第二主应力方向正交。3：水平施工缝上、下层浇筑块之间的水平施工缝是新老混凝土的结合面，浇筑块的厚度可取为2.5米，施工时按50厘米的浇捣层连续浇筑。在基岩表面需用0.9米的薄层浇铸以利散热、减少温升、防止开裂。水平施工缝一般不设止水，可在廊道前靠上游边处的水平缝间插一道长0.5米的止水片。三：坝体及坝基排水1：坝体排水在坝体的横缝面内虽已经设置了止水，