桃林口水利枢纽混凝土重力坝设计

青海大学成人教育学院毕业（设计）论文：桃林口水利枢纽混凝土重力坝设计青海大学成人教育学院毕业（设计）论文：桃林口水利枢纽混凝土重力坝设计PAGE98青海大学成人教育学院PAGE97青海大学成人教育学院1.基本资料1.1枢纽概况及工程目的桃林口水库位于河北省青龙县与卢龙县交界处，控制流域面积5060平方公里，占流域面积的80%。青龙河是滦河较大的支流之一，水量充沛，但年内及年际的水量分配极不均匀，必须兴建大型控制型工程进行调节，丰富的水资源方可得到充分地利用。水库的主要任务是调节水量，供秦皇岛市和港口码头、钢铁基地及滦河下游地区农业用水，结合引水发电、水面养殖、洪水错峰等。可得到综合利用的效益。供水原则是：在满足城市生活、工业用水的同时，对农业用水也给以一定的重视。特别是移民迁建灌区用水应优先保证；其次是在现在灌区用水及盘家口、大黑丁两库的配套灌区，新增灌区要安排在缺乏地下水的滨海地区。枢纽工程在三个坝段选择了二条坝线，二种坝型。I83坝线采用混凝土重力坝，红层坝线采用当地材料坝。本设计选择I83坝线、混凝土重力坝方案，枢纽建筑物包括主坝、泄水建筑物及电站等，详见“套林口水利枢纽工程平面布置图”。根据本工程的规模及其在国民经济中的作用，按水电部制定的SDJ12—78设计标准。水库枢纽工程属大（一）型。主要建筑物按一级设计，辅助建筑物按三级，临时建筑物按四级设计。1.2基本资料1.2.1水文分析1.2.1.1年径流青龙河流域水量丰沛，是滦河流域水资源蕴藏量较大的一条支流。年径流由年降雨产生。年径流在地区与时间上的分布与年降水基本一致。年径流在年际间变化悬殊。套林口实测资料1956～1982年资料中，丰水年1977年达21.34亿立米。苦水年1981年仅1.667亿立米，相差19.37亿立米，约合12.8倍。且丰、枯水年连续发生。多年平均年径流量为9.6亿立米。1.2.1.2洪水青龙河洪水由于暴雨形成。本地区暴雨历时短、强度大、地面坡度陡，洪峰陡涨陡落。一次洪水历时一般为3～5天。流域南部位于燕山山脉东侧的暴雨中心地带，因此洪水具有峰高量大的特点。本流域洪水多发生在七、八两月，出现在七月的占34%，出现在八月的占66%。桃林口多年平均6～9月洪量占年径流量的70%左右，三天洪量占六天洪量的70%以上，大水年尤为集中。如1962年最大六天洪量占年径流量达70%.流域内洪水地区分布主要在土门子以下。以土门子与桃林口1971～1977年同期系列统计。土门子～桃林口区间洪量占桃林口以上洪量60%以上，而其面积占桃林口以上流域总面积的42%。由频率分析法进行洪水计算，计算成果见下表：洪水计算成果表项目洪峰流量(秒立米）洪量（亿立米）24小时三天六天三十天特征值均值20001.42.22.85.3Cv1.351.351.351.251.0Cs/Cv2.52.52.52.52.5频率(%)0.013204022.4335.2439.9655.40.022960020.7532.6536.9051.50.12248015.7424.7328.3440.500.21968013.7821.6524.9236.200.51600011.2317.6020.4130.401132809.3014.5017.1426.102106807.4811.7513.9221.70573605.158.109.8016.201050003.505.506.8312.102029202.043.214.178.18桃林口水库坝址以上不同频率设计洪水过程线时间不同频率（%）的流量（立方米）月日时0.020.1482378296724229468034823782962419741721800550500252230019001050800630426872035120090074064466337915001100891876225773275018901220101086782303920270018001213131994647403260217014143481086751703560237016141281070051003510234018131629984475032702180201132385764080281018702297517386352024201610248923675832202210147026283996362303020001390477405862279019201280766895522224801710114086845518424701700113010684551842470170011301226800195809518591037901428400218001050070004700162940022400106507320494018296002248001068073605000202930022200106507330495022290002160010450725048802428500200009850688045802722052017600895060004100421540152007700520037006180601280062004450300081458010400485036002460101110080003400254017701250003800190014501030714342028851400100070016316324701150850610182911324010508005902028902210100075056022275821899507305502426042080920726540282255219609107225354245119339007185306230918209007145288221417228907105261021451676885706524122030163588070252214201615508756985201619261527870694517181827146386569051520181814338606865137221723140485568251024168913778506785082921655137184667450541622132684367050361616128184066650081567123583666249710151612298336584951214551170830654493141379114482665049016134811438236464881812901095820642486201260106981663848322122910438136344802411981017810631478302116899180662847541138965803625473761107939800622470810959307966184681010839307936154661210729107906124641410619007856094621610538947806064601811079397756034582010619007706004551.2.1.3泥沙青龙河流域植被较好，泥沙来源在地区上分布和洪水在地区上的分布是一致的。主要是土门子到桃林口区间，其间来沙量约占桃林口以上总输沙量的60%～70%。本地区泥沙在年内分配比径流更集中。汛期输沙量占年输量的95%以上，而汛期沙量又都集中在几次大洪水。年际之间沙量变化悬殊。由统计分析得知，桃林口站多年平均输沙量为386万吨，多年平均侵蚀模数为762吨／平方公里，多年平均含沙量为4.0公斤／立方米。从泥沙的组成情况来看，泥沙颗粒较粗，中值历径为0.075毫米，淤沙浮重0.9吨／立米，内摩擦角为12度。1.2.2气象条件：全流域属于季风大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，年平均降水量约700毫米，且多集中在夏季七、八两月。流域多年平均气温为10℃左右，日温度变化较大。离坝址较近的迁安站实测最高气温39℃（青龙站）。全年无霜期约180天，结冰期约120天;河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，冰厚为0.4～0.6米，岸边可达1米。多年平均最大风速为23.7米／秒，水库吹程1.2.3工程地质1.2.3.1区域地质桃林口水库库区属中高山区、构造剥蚀地形。青龙河在本区内河曲发育，冲蚀能力较强,沿河形成不对称河谷。由于构造运动影响，河流不断下切，于堆积岸形成阶地，侵蚀岸形成陡崖。组成本区地层的有：太古界、下元古界、震旦系、朱罗系及火成岩侵入体和第四纪等。其中分布最广的为震旦系地层。其中分布最广的为震旦系地层。其中以太古界、震旦系、朱罗系、三者与工程关系密切，为库区的主要岩层。1.2.3.2地质构造与地震桃林口水库处于燕山沉降带的中部。地质构造复杂。全区地段震频繁，特别是坝址区南段尤为突出。库区及其周边控制性的断层有秦皇岛——建昌营和滦南——卢龙断裂。秦皇岛——建昌营大断裂为深层大断裂，在坝址下游小暖泉村穿过青龙河，沿线有泉群出现。从控制权群、控制地貌及岩相作用分析，列为活动性断裂较合适。滦南——卢龙断裂（又称桃园断裂）。该断层向北东方向延伸，在距桃林口库区6～7公里处尖灭，属第四纪以来活动性较强的断裂。唐山地震以后，沿该段层时有余震发生。上诉二条活动性断裂在三坝段以西5公里处汇而不交。按断层交汇部分易发震的原则，这种汇而不交是值得注意的。近期坝址地区未发生大于4级以上地震，邻区地震活动有一定影响。1983年8月河北省地震局在《桃林口水库工程地震基本烈度鉴定书》中确定，一、二坝段位于北区I区，属相对稳定区，基本烈度为6度；三坝段位于I区，基本烈度为7度。邻区强震的影响，烈度量可高达6～7度。1.2.3.3库区工程地质库区左岸非可溶性岩层广泛分布,主要由娟云母千枚岩、石英沙岩、沙质页岩等组成，透水性较小，也没有发现沟通库内外的大断层。因此，在非可溶性岩层分布区，没有向库外渗漏的可能性。库区可溶性岩层分布于青龙间右岸。从隔水层的分布、岩溶的发育情况以及地貌水文地质条件的分析，水库蓄水以后，向邻谷沙河渗漏的可能性也是不大的。青龙河与邻谷沙河之间分布有大面积的石英斑岩，斑状花岗岩及火成岩的侵入体，组成了相对隔水层，不利于地下水的活动。经过对库内断层，灰岩地区的勘探分析，水库向外流域及下游漏的可能性很小。库区内岩层抗压强度较高，抗风化能力较强，未发现可能发生塌滑的岩体，库岸基本上是稳定的。库区内未发现有开采价值的矿藏，不存在对库周边产生的浸没问题。1.2．3.4坝址坝线工程地质坝段内出露的断裂构造如F103、F105、F108、F112、F114、F117、F122等大小断层共十余条，断层走向以北西为主，北东者少，多为高角度争断或平移正断层：（1）F103断层，产状走向近EW，倾向N，倾角400～500,逆断层。大红峪组第三段砾岩被切割。下盘有牵引褶曲，破碎带宽约10～20米。出露于I83坝线右岸上游约150～200米，宽约10～20米。（2）F105断层，产状走向NW31OO、倾角800～900，为平移断层。水平断距400米，两侧岩石破碎严重、无胶结现象，出露于I83坝线右岸坝头附近。（3）F108断层，产状走向NW3450、倾向NE、倾角560，逆断层。由大红峪组第一段薄层板岩、石英砂岩组成，逆于大红峪第二段中厚石英砂岩之上。破碎带宽约6.0米、未见胶结现象，其中夹有30厘米厚的断层泥。断层两盘岩石影响带宽10.4米。在上盘薄层板岩夹石英沙岩中有牵引皱曲。岩石有直立或（4）根据坝址两岸构造，地层岩性出露分析，推测河床中可能有顺河断层通过。原因一是两岸出露的断裂构造均未过河，如F103断层走向近东西，规模较大，左岸无迹象；二是地层出露两岸高程有明显差异。I83坝线主要工程地质条件见下表：I83坝线主要工程地质条件表地形地貌构造剥蚀——中低山地形，不对称“U”型峡谷，右岸坡陡，左岸坡缓，阶地不发育。坝线长480米。覆盖层河床5～7米沙石层，左岸山麓堆积31.0米。地层岩性震旦系大红峪组第一、二段，为中厚层石英砂岩与板岩互层。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，切层泥3条。建议摩擦系数f=0.20～0.24。风化情况弱风化下限、河床10～28米深（高程左边75米，右边55米）。左岸弱风化下限为115～105米高程，右岸为120～90米高程。地质构造右岸小断层6～7条：左岸F122断层一条。构造简单，基本地震烈度为6度。岩层透水层坝基下部80～100米深的范围内ω值均大于0.02升／分·米·米,均须灌浆处理。岩溶I83坝段上游2公里处，马圈子电站附近见溶洞。稳定性右坝肩上、下游存在Ⅰ、Ⅱ号簿稳定岩体。岩石力学指标石英砂岩单块岩石室内指标：抗压强度134～338Mpa。弹性模量E=500～10000Mpa。泊桑比μ=0.11～0.13。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0.60～0.65；（2）板岩层面摩擦系数为0.40～0.45；（3）层面夹泥膜摩擦系数为0.30～0.35;(4)切层泥层摩擦系数为0.20～0.24。1.2.4当地天然建筑材料分布于坝址区上、下游河滩及阶地。其中土料场主要有庄窝、土台子等七处。地下水位以上储量为1183.44万立方米。砂砾卵石料场主要有南杖子、桃林口等八处。地下水位以上储量为10898.95万立方米，全部储量有待进一步探查。各料场材料的物理性质、试验指标等基本满足技术要求，可作大坝混凝土骨料及围堰填筑所用。如采用当地材料坝方案，其粘性土料的储量也足以满足施工要求。1.2.5交通条件对外交通计划从京秦路大横河站接轨至工地。改建和新建滦县经迁安、滦县经卢龙到达工地的公路。坝顶无交通要求。1.2.6施工条件采用低围堰、底孔导流、分期施工的导流方法进行施工。各项施工辅助企业、仓库及生活等临建设施布置在坝址下游两岸。混凝土骨料取自下游料场。施工用电由刘田庄引接。1.2.7效益（以1984年价格水平及费用标准计算）水库建成以后，除了满足秦皇岛市、翼东钢铁基地及农业用水外，还可获得发电、防洪、养鱼等效益，总效益是显著的。(1)灌溉效益：(灌溉效益分析成果表)项目旱地灌溉旱改水垦荒水稻灌与不灌产值差（元／亩）162.0354.2412.0分摊系数法亩效益（元／亩）81.0177.1206.0单方水效益（元／立米）0.250.170.17减去成本法亩效益（元／亩）124.0378.0261.0单方水效益（元／立米）0.390.260.22(2)城市及钢铁基地供水效益：按秦皇岛市总净产值中水的效益分摊系数以10%计，则每立方米水量的效益为0.53元／立米。(3)防洪效益:防洪效益按建库以后,与潘家口、大黑丁水库联合运用，在销峰、错峰过程中减少滦河下游地区的洪水灾害计算。水库年平均效益为443.16万元／年。(4)发电效益：以水电的价格代替水电效益0.093元／度计算。1.2.8水库规划及建筑物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死水位校核尾水位设计尾水位正常尾水位坝前堆砂高程米米米米米米米米156.3153.7153.2110.099.197.084.197.6P=0.02%P=0.1%发电库容总库容调洪库容兴利库容死库容堆沙库容亿立米亿立米亿立米亿立米亿立米14.932.1110.330.941.66主坝坝型坝顶高程最大坝高坝顶长度坝顶溢流孔数堰顶高程每空净宽工作闸门尺寸启闭机(2×45T固定式)设计洪水下泄能力校核洪水下泄能力米米米孔米米米×米台秒立米秒立米砼重力坝157.2489.24519.015141.715.015×12.5151827624527实体底孔、隧洞、主厂房进口底高程底孔数及尺寸弧形工作闸门工作门启闭机设计水位泄水能力校核水位泄水能力隧洞进口高程隧洞长度隧洞洞径主厂房尺寸(长×宽×高)水轮发电机组装机容量米孔-米×米扇-米×米台秒立米秒立米米米米米×米×米台万千瓦90.04-5×64-5×6435843663103.5446.05.051.75×13.9×2844×0.65=2.62.枢纽布置2.1坝轴线选择根据坝址的地质、地形条件、施工条件、枢纽布置，通过定性分析，确定坝轴线位置。2.1.1坝段比较桃林口水库坝址，从上游到下游分为三个坝段。其中上游第一坝段位于高台子村至三道河村之间，曾选有Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ及I83四条坝线。河岸为串岭沟板岩，其中I83坝线为大红峪第一层的石英砂岩与板岩互层；中间第二坝段，位于二道河村与桃林口水文站之间，曾选有Ⅲ60、Ⅲ69、Ⅲ83及“红层线”四条坝线。坝基岩层为高庄灰岩地层，其中“红层线”位于红色的杨庄泥质灰岩之上；下游为第三坝段，位于桃林口旧村与新村之间。曾选有Ⅵ、Ⅶ及Ⅳ三条坝轴线。其中Ⅵ、Ⅶ二条坝轴线河床为串岭沟板岩，Ⅳ坝轴线坝基为大红峪石英砂岩夹砂页岩。三个坝段，11条坝线的位置见《指示书》中的图一。三个坝段坝基岩层的地质年代虽都属于旦震系，但岩性不同，而其共同点却是都存在有软弱层或夹泥层。现已发现的第一坝段I83坝线基岩的夹泥层只是泥膜，厚度在3～5毫米，基岩以下深30米以内。切层的夹泥厚度5厘米左右。二、三坝段夹泥较多一些。三个坝段地形、地质及交通条件等的比较见下表。坝段地形、地质等条件比较表坝段类别第一坝段第二坝段第三坝段地形条件河谷较窄，适于修建砼坝；溢流堰底孔等泄水建筑物可放在主河床。可增加6米发电水头。无副坝，工程单一。不宜修建当地材料坝。河谷不对称，左岸坡缓，坝轴线较长，适于修建砼坝或当地材料坝。荞麦岭处天然单薄分水岭，是修建溢洪道或泄水洞的有利地形。无副坝，工程单一。河谷较窄，适于修建砼或当地材料坝。右岸山地脊薄。须修建二座副坝。工程项目多。地质条件坝堪石英砂岩与板岩互层，右岸北西向大裂隙较多，坝基软弱夹层为泥膜。切层的夹泥厚3～5厘米且倾向下游。左岸F122断层通过坝肩。砼坝基为灰岩，岩性不均一，左坝头可能漏水。荞麦岭较单薄。Ⅲ69坝基有断层F104通过，破碎带宽度大、处理工程量大。当地材料坝坝基为泥质灰岩和页岩。渗透性小，是天然的防渗帷幕，溢洪道位于荞麦岭。坝基为石英砂岩夹砂质页岩、岩性坚硬。坝基有断层F8通过。右坝头有F7通过。坝址上游不远处是几个断层交汇处。下游离建昌营～秦皇岛大断裂较近。对坝体的稳定不利。地震6度6度7度交通条件坝址位于峡谷之中，对外交通不便。施工场地狭窄。坝址位于峡谷之中，对外交通不便。施工场地狭窄。坝址位于低山丘陵地带，交通方便，施工场地宽阔。其他距离建筑材料场地最远。距离建筑材料场地较远。距离建筑材料场地最近。2.1.2坝线选择第一坝段Ⅰ、Ⅴ、Ⅱ三条坝线，其右岸岩层褶皱变化复杂、断层密集、都不是适宜的坝线。相比之下，在三河道附近，右岸岩层倾向上游，层次分明较为完整，条件较好，故以I83坝线作为第一坝段的代表。第二坝段中Ⅲ60、Ⅲ69两条坝线基岩为灰岩。但从右岸岩层的产状相比，Ⅲ60坝线右岸岩层走向与河流平行，倾向河中，倾角较高。当建坝蓄水以后，存在不稳定因素及绕坝渗漏；Ⅲ69坝线右岸岩层倾向下游，才层次比较平稳，两者相比，Ⅲ69好于Ⅲ60。但因两坝线左岸都存在大暖泉，渗漏情况及单薄分水岭——荞麦岭在蓄水以后的稳定情况难以把握，故此两坝线不予考虑。“红层线”比Ⅲ83坝线基岩层强度稍低一些，适宜修建当地材料坝。Ⅲ69坝线左岸钻孔中，从高程137.7米到49.7米发现黑色含锰页岩51层，厚度0.5～1.0厘米，最厚达8厘米，性质松软，表面润滑，摩擦系数较低且岩层走向与河流平行，不宜做为坝基。第三坝段中Ⅵ坝线河槽较宽，右岸坝头已经远离较高的山头，坝轴线拐弯，增加了坝线的长度，从而加大工程量。Ⅶ坝线，坝基为串岭沟板岩，岩层强度较低，还有软弱层，相比之下，不如Ⅳ坝线。Ⅳ坝线位于现存小溢流坝下游80米处,坝基岩层为石英砂岩,夹有少数几层沙质页岩,岩层的抗压强度及抗滑摩擦系数比板岩要大,故此坝线作为第三坝段的代表。经上述比较，三个坝段虽有11条坝线，但适于建坝的仅有I83、“红层线”及Ⅳ坝线三条。具体选择哪一条，应做技术经济比较最后确定。本次毕业设计以第一坝段的I83为推荐方案。2.2坝型选择桃林口水库，位于北纬40度地区,坝址在峡谷的风口处,气温较低、气候寒冷、日气温差较大。各条坝线的河谷不对称，河谷宽度与坝高之比皆大于5.0，坝基及两岸岩层又加有软弱岩层或泥层，故不宜修建拱坝或其它类型的轻型混凝土坝。根据本地区的气象特点及坝址区地形、地质条件的实际情况，初步考虑采用混凝土重力坝和当地材料坝两种坝型作为枢纽工程坝型比较的依据。I83坝线,坝址两岸群山连绵，左岸没有修建溢洪道的地形条件，右岸虽有布置溢洪道的位置，但山体高大。如修建溢洪道，需挖深130余米，开挖石方量约1560万方。工程量浩大，故本坝线选用当地材料坝方案是不经济的。经上述比较分析，I83坝线以混凝土实体重力坝为宜。2.3枢纽布置方案比较及选择坝址河谷宽约250米，河床覆盖层厚4～7米，河谷不对称，右岸岩石裸露、坡陡、左岸山坡较缓，基岩被山麓堆积物所覆盖。坝基为石英砂岩与板岩互层，岩层倾向上游，倾角为16～18度，坝基建基高程位于弱风化岩层之中，基岩挖深7～15米。枢纽布置方案考虑如下：坝址河谷宽约250米，河床覆盖厚4～7米，河谷不对称，右岸岩石裸露、坡陡、左岸山坡较缓，基岩被山麓堆积物所覆盖。坝基为石英砂岩与板岩互层，岩层倾向上游，倾角为16～18度，坝基建基高程位于弱风化岩层之中，基岩挖深7～15米。枢纽布置方案考虑如下：方案Ⅰ：主河槽从右到左分别为溢流坝部分、底孔部分及电站部分，两岸山坡为非溢流坝部分。由于底孔及溢流坝部分已全部占满河槽，电站部分不得不向左岸山坡靠近。本方案的优点是电站进口紧临底孔，可利用底孔冲沙，防止电站进水口淤积。缺点是建筑物之间太挤，场地布置紧张，当底孔放水时影响电站尾水位的稳定性。遇效核洪水泄洪时，保护电站免淹的工程措施复杂。此外，电站厂房及进口引渠土石方开挖工程量大。方案Ⅱ：主河槽从右到左分别为溢流坝部分、底孔部分、两岸山坡为非溢流坝部分。在右岸开凿一条长约450米的引水隧洞至坝址下游青龙河转弯处，电站厂房布置在隧洞出口。其优点是利用青龙河拐弯处折回的自然地形条件，可增加6米的发电水头。电站、厂房自成系统，互不干扰，场地开阔，遇效核洪水时，易于防护。其缺点是增加一条隧洞的工程量，多一项工程，对施工不利。比较上述两个方案，方案Ⅱ虽增加了一条引水隧洞，相应增加了工程费用，但由于减少了土石方开挖量，且增加了6米发电水头，河床的主要建筑物布置相对容易，比方案Ⅰ更为合理。故以方案Ⅱ为推荐方案。3坝体剖面设计3.1坝顶高程和防浪墙顶高程的确定（1）防浪墙顶高程计算式根据《教材》P78式（3-57）的规定，坝顶或防浪墙顶高程的计算式为：防浪墙顶高程=设计洪水位+△h设或防浪墙顶高程=校核洪水位+△h校式中：△h设和△h校分别为防浪墙顶高于设计洪水位和校核洪水位的超高，计算中取其大者。考虑到：·《指示书》中只给出了多年平均最大风速值,可计算出相应校核洪水位时的波浪几何要素,进而确定防浪墙顶高程;但《指示书》中没给出50年重现其的最大风速值，因此不能计算出正常蓄水位和设计洪水位时的几何要素，所以本计算仅取坝前水位为校核洪水位一种情况进行计算；·本设计利用防浪墙挡水，采用与坝体整体连接的钢筋混凝土防浪墙，墙身有足够的强度能抵御波浪和漂浮物的冲击并能防止波浪漫顶过坝。因此，利用上式计算的高程值为防浪墙顶的高程值；·根据《教材》P124（六、坝顶）的介绍：“坝顶放浪墙的高度一般为1.2米”。因此，本设计取防浪墙高1.2米，坝顶高程低于防浪墙顶高程1.2米（2）防浪墙顶超高值的计算公式防浪墙顶超高值△h的计算公式取自《教材》P78公式（3-56）；△h=h1+hz+hc式中：h1-波浪高度（m）hz-波浪中心线至静水位的高度（m），本设计取波浪中心线至校核洪水位的高度。hc-安全加高（m）（3）波浪几何要素h1、hz和波长L的计算计算公式采用适用于峡谷水库的官厅公式，见《教材》P15～P16的公式（2-4）、（2-5）、（2-6）。1）波浪高度h1的计算h1=0.0166Vo5／4D1/3(m)式中：Vo：计算风速（m/s)，为水面以上10m处10min的风速平均值，水库为正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值，本设计只能采用后者Vo=23.7m/s；D：风作用于水域的长度（km)，即吹程或风区长度，即吹程或风区长度，为自坝前（风向）到对岸的距离，当吹程内水面有局部缩窄，若缩窄处的宽度B小于12倍波长时，近似地取吹程D=5B（也不小于自坝前到缩窄处的距离）。本设计取《指示书》给出的水库吹程值D=3km。则：h1=0.0166Vo5／4D1/3=0.0166×23.75/4×31/3=0.0166×52.29×1.44=1.25（m）2）波长L的计算L=10.4(h1)0.8=10.4×（1.25）0.8=12.43（m）3）波浪中心线至静水位高度hz的计算hz=(πh12/L)×cth(2πH/L)式中：·H为坝前水深，校核洪水位时的坝前水深H=153.70m-68.00m=88.30m·πh12/L=π×1.252/12.43=0.39(m)。·2πH/L=2×π×88.3/12.43=44.62（m）。·cth(2πH/L)=e2πH/L＋e﹣2πH/L/e2πH/L﹣e﹣2πH/L=e44.62﹢e﹣44.62/e44.62﹣e﹣44.62=2.38901998×1019﹢4.18581681×10﹣20/2.38901998×1019﹢4.18581681×10﹣20=1.00(m)(注：e=2.718281828)得：hz=(πh12/L)×cth(2πh/L)=0.39×1.00=0.39(m)(4)安全加高hc的取值安全加高hc的取值，见《教材》P78表3-10：表3-10安全加高hc(m)运用情况坝的级别123设计情况（基本情况）0.70.50.4校核情况（特殊情况）0.50.40.3桃林口水利枢纽工程属于大(一)型,主要建筑按一级设计，根据上表规定，效核情况下hc=0.50m。(5)超高值△h校的计算根据防浪墙顶超高值的计算公式：取h=h1+hz+hc式中：h1=1.25mhz=0.39hc=0.50m则：h校=1.25+0.39+0.50=2.14（m）(6)防浪墙顶高程的计算根据防浪墙顶高程的计算式：防浪墙顶高程=效核洪水位+△h校得：防浪墙顶高程=156.30+2.14=158.44（m）（7）坝顶高程的计算取防浪墙高1.20m,则坝顶高程为：158.44m-1.20m=该高程高于校核洪水位156.30m,满足“教材”P78页：“坝顶高程不得低于相应最大洪水时的静水位”的要求，并与《指示书》P14表中给出的数值相同。3.2挡水坝剖面设计3.2.1剖面设计原则混凝土重力坝剖面的设计原则是:·满足稳定和强度等要求,保证大坝安全;·经济合理,工程量小;·运用方便、可靠；·便于施工。3.2.2基本剖面拟定根据《教材》P77页，第七节“重力坝剖面设计”中的定义：“重力坝的基本剖面是指坝体在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面”。因此在挡水坝坝体基本剖面拟定中，作用在基本三角形剖面上的荷载为坝体自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力;根据《指示书》P14表中的规定：最大坝高89.24m，坝顶高程157.24m、则溢流坝最大坝高的建基高程为157.24m-89.24m=68.00m;挡水坝最大坝高建基高程为79.00m扬压力：·扬压力包括两部分即：由上游水深H2产生的浮托力U1和由上游水位差（H1-H2）产生的渗透压力U2、U3、U4；·取坝基灌浆排水廊道上游面距大坝上游面7.00m。廊道高3.50m、宽3.00m、排水孔幕距大坝上游坝面9.50m；·扬压力折减系α：根据《教材》P45页中的规定：河床坝段扬压力折减系数α=0.2～0.3；岸坡坝段α=0.3～0.4。本计算按河床最大坝高断面计算，取α=0.25。基本剖面估算：挡水坝基本剖面按以下三种剖面进行估算：·上游面垂直,下游面1：0.76;·上游面垂直,下游面1：0.78;·上游面垂直,下游面1：0.80。基本剖面拟定：经初步的稳定和应力估算,挡水坝下游面坡度为1：0.76的基本剖面可满足稳定和强度要求,工程量又最小,并在已建工程的实际剖面范围内,因此暂取下游面1：0.76的剖面进行计算。拟定的挡水坝基本剖面参数如下：·三角形顶点高程：156.30m(即校核洪水位)；·基础高程：79.00m；·基本剖面高度：156.30-79.00=77.30m；·上游坝坡：1：0；·下游坝坡：1：0.76。3.2.3实用剖面的拟定根据《指示书》的要求和以上计算,初拟满足实用要求的挡水坝实用剖面简图即参数如下：·防浪墙顶高程：158.44m;·坝顶高层：157.24m；·坝顶宽度：6.00m;·建基高程：79.00m；·挡水坝最大坝高：157.24-79.00=78.24m；·上游坝坡：1：0；·下游坝坡：1：0.76。初拟的挡水坝实用剖面如图3.2.3示：根据图示的实用剖面，进行挡水坝的稳定和应力计算。说明：后在画图时，将25号坝段的坝基开挖高程改为72.50m。因此，挡水坝最大剖面建基高程应为72.50m，并应按这一剖面进行稳定及应力计算。考虑到大坝的稳定及应力计算已全部结束，来不及修改。因此，仍保持挡水坝坝基高程79.00米的剖面稳定及应力计算成果不便。3.3溢流坝剖面设计根据《指示书》给出的资料，本溢流坝及下游销能建筑物的尺寸拟定如下：（1）堰顶高程根据《指示书》P14表给出的资料：堰顶高程为141.70m。（2）堰面曲线因WES型曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省，本设计采用这一曲线。曲线形式见《水利学》P292图7-11。——定型设计水头：Hd=0.85Hmax=0.85×(156.30-141.70)=12.41(m)——上游段曲线：三段复合圆弧相连，圆弧半径分别为：R1=0.5Hd=6.205mR2=0.2Hd=2.482mR3=0.04Hd=0.496m——下游段曲线：设堰面顶点为坐标原点，下游段曲线方程为：X1.85=2.0Hd0.85Y,Y=0.05878X1.85,并与溢流坝下游斜线段相接。堰面曲线计算表如下：表3.3堰面曲线计算表X(m)Y(m)X(m)Y(m)X(m)Y(m)1.00.05912.05.83123.019.4282.00.21213.06.76124.021.0193.00.44914.07.75525.022.6684.00.76415.08.81026.024.3745.01.15416.09.92827.026.1376.01.61717.011.10628.027.9567.02.15118.012.34529.029.8318.02.75319.013.64330.031.7629.03.42420.015.00131.033.74810.04.16121.016.41932.035.79011.04.96422.017.894（3）上下游坝坡取溢流坝的坝坡与非溢流坝的坝坡相同，即：——上游面：铅直面——下游面：1：0.79（根据大坝稳定及应力计算，最终取大坝下游面坡度为1：0.79）。（4）切点坐标计算计算公式：下游段WES曲线与斜线段的切点坐标Xt、Yt的计算公式见《水工设计手册》第六卷P6-173公式（27-2-1）。Xt=1.096Hd(1/a)1/0.85=1.096Hda-1.177,Yt=0.592Hda-2.177式中：a—坝坡系数，根据大坝稳定及应力计算结果，取a=0.79Xt=1.096×12.41×0.79-1.177=17.95(m)Yt=0.592×12.41×0.79-1.177=12.27(m)(5)反弧半径R根据《教材》P94的介绍，反弧半径R=（4～10)h,h为校核洪水位闸门全开时反弧处的水深；当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上限值。根据3.4.2.1的计算，当校核洪水位闸门全开时反弧最低点的水深hc=2.68m，据此，取反弧半径选R=26.00m。（6）坝段宽度溢流坝坝顶设15个一流孔，每孔净宽15.00m，取闸墩厚4.00m，中墩处设缝并设止水，坝段宽19.00m。取挡水坝坝段宽度与溢流坝坝段宽度相同，也为19.00m。（7）坝下消能形式考虑到本坝单宽流量较大、流速较高，而坝址基岩为石英岩与板岩互层，大裂隙较多，并有含泥软弱夹层，基岩较差、抗冲能力较低，因此设计采用底流消能方式，消能结构由护坦、消力坎和海曼组成，由消力坎形成消力池。护坦建基于基岩内，根据《桃林口水库I-83坝轴线地质纵剖面图》，护坦建基高程取▽77.00m，护坦厚度取3.00m，护坦混凝土表面高程为▽80.00m;护坦后设消力坎，并设海曼保护消力坎基础和部分下游河道。3.4水力计算3.4.1溢流坝堰顶过流量计算3.4.1.1计算情况本设计仅计算以下两种情况的堰顶过流能力:·设计洪水情况·效核洪水情况3.4.1.2设计规范和计算公式设计规范:《溢洪道设计规范》SL253-20000采用公式：本规范P48，A.2.1开敞式WES型实用堰泄流能力计算公式（A.2.1-2）:Q=cmεσB(2g)1/2H03/2ε=1-0.2[ξk+(n-1)ξ0]H0/nb式中：Ｑ—流量，m3/s;C—上游堰坡影响系数,本堰上游堰坡铅直，C=0;m—二维水流WES实用堰流量系数；ε—闸墩侧收缩系数；σs—淹没系数；B—溢流堰总静宽；HO—堰上总水头，m;n—闸孔数目，《指示书》P14表中给出n=15;b—单孔宽度，《指示书》P14表中给出b=15m;ξK—边墩形状系数；ξO—中墩形状系数。3.4.1.3设计洪水时的泄流量计算(1)设计洪水时的设计参数:·设计洪水位:153.70m;·设计尾水位:97.00m;·堰顶高程：141.70m;·堰基高程：68.00m;·堰上水头：153.70m-141.70m=12.00m·定性设计水头：Hd=12.41m;·堰高：P1=141.70m-68.00m=73.70m因P1/Hd=73.70/12.41=5.94＞1.33，该堰为高堰，计算中可忽略行近水头，HO≈H=12.00m;因设计尾水位低于堰顶高程，故为自由出流，淹没系数σS=0。（2）流量系数mP1/Hd=73.70/12.41=5.94;HO/Hd=12.00/12.41=0.967;查规范P49，表A.2.1-1得:m=0.499。（3）闸墩收缩系数εε=1-0.2[ξK+(n-1)ξO]HO/nb式中：ξK=0.70，见规范P50，图A.2.1-2园弧形变墩;ξO=0.45,查规范P49，表A.2.1-3;n=15b=15.00mHO=12.00m则：ε=1-0.2[0.70+（15-1）0.45]12.00/15.15=1-0.075=0.925（4）设计洪水时的堰顶泄流量Q=cmεσSB(2g)1/2H03/2=1.00×0.499×0.925×1.00×225×4.43×12.001.5=19125(m3本计算的堰顶泄流量19125m3/s比《指示书》P14表中给出的18276m3/s的多849m3.4.1.4校（1）校核洪水时的设计参数：·校核洪水位：156.30m;·校核尾水位：99.10m;·堰上水头：156.30-141.70=14.60m;·定型设计水头：Hd=12.41m;·堰高：P1=141.70m-68.00m=73.70m（2）流量系数mP1/Hd=73.70/12.41=5.94;HO/Hd=14.60/12.41=1.18;查上述规范P49，表A.2.1-1得:m=0.509。（3）闸墩收缩系数εε=1-0.2[ξK+(n-1)ξO]HO/nb=1-0.2[0.70+（15-1）×0.45]14.60/15.15=1-0.091=0.909（4）校核洪水时的堰顶泄流量Q=cmεσSB(2g)1/2H03/2=1.00×0.509×0.909×1.00×225×4.43×14.601.5=25727(m3/s)本计算的堰顶泄流量25727m3/s比《指示书》P14表中给出的24527m3/s多3.4.2消力坎水力计算分别按设计洪水和校核洪水两种情况进行消力池的水力计算。3.4.2.1坝下水流自然衔接型式判别（1）涉计洪水情况下坝下水流自然衔接型式的判别设计洪水流量：Q设=19125m3/s护坦宽度：B=15.00×15+4.00×14=281.00（m）；单宽流量：q=19125/281.00=68.06m3坝上水位：153.70m;消力池底板高程：80.00m;坝上水头：H上=153.70-80.00=73.70（m）;坝下水位：97.00m;坝下水深：ht=97.00-80.00=17.00(m)。——收缩断面水深hc的计算计算公式：hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2式中：ψ—流速系数，查《水利学》P319表7-11，堰顶有闸门的曲线型实用堰ψ=0.90；EO—以收缩断面底部（消力池底板）为准的上游水流总能量；EO≈H上=73.70mhc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=68.06/0.90[2×9.81(73.70-hc)]=17.074/(73.70-hc)1/2用迭代法求解hc:令hc=0,hc=17.074/(73.70-0)1/2=1.99;令hc=1.99,hc=17.074/(73.70-1.99)1/2=2.02;令hc=2.02,hc=17.074/(73.70-2.02)1/2=2.02,假设值与设计值相同,则收缩断面水深hc=2.02m——共轭水深hc〃的计算计算公式：hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]带入上诉数值，hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]=2.02/2[（1+8×68.082/9.81×2.023）-1]=20.64（m）——坝下水流自然衔接形式判别因hc〃=20.64m＞ht=17.00m，下游水流为远驱水跃式衔接，需设消能工程。（2）校核洪水情况下坝下水流自然衔接型式的判别校核洪水流量：Q设=25727m3单宽流量：q=25727/281.00=91.56m坝上水位：156.30m;坝上水头：H上=156.30-80.00=76.30（m）;坝下水位：99.10m;坝下水深：ht=99.10-80.00=19.10(m)。——收缩断面水深hc的计算计算公式：hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=68.06/0.90[2×9.81(73.70-hc)]=17.074/(73.70-hc)1/2式中:ψ—流速系数，ψ=0.90EO—以收缩断面底部（消力池底板）为准的上游水流总能量；EO≈H上=76.30hc=q/ψ[2g(EO-hc)]1/2=91.56/0.90×4.43×(76.30-hc)1/2=22.965/(76.30-hc)1/2用迭代法求解hc:令hc=0,hc=22.965/(76.30-0)1/2=2.63;令hc=2.63,hc=22.965/(76.30-2.63)1/2=2.68;令hc=2.68,hc=22.965/(76.30-2.68)1/2=2.68,假设值与设计值相同,则收缩断面水深hc=2.68m。——共轭水深hc〃的计算计算公式：hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]带入上诉数值，hc〃=hc/2[(1+8q2/ghc3)-L]=2.68/2[（1+8×91.562/9.81×2.683）-1]=23.95（m）——坝下水流自然衔接形式判别因hc〃=23.95m＞ht=19.10m3.4.2.2消力坎坎高的计算本坝下游水位较高，为节省开挖工程量，消能型式选用在护坦末端设消力坎、坎前形成消力池的消能方案。消力坎坎高按设计洪水和校核洪水两种情况计算，并取其大者。消力坎高的水力计算如下：要使消力坎内产生满足要求的淹没水跃，取淹没系数σj=hr/hc〃=1.05式中：hr—坎前水深视消力坎为实用堰，坎高C的计算公式如下：C=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3式中：m1—消力坎的流量系数，取m1=0.42；σS—消力坎的淹没系数，由《水力学》P326，表7-12查得。（1）设计洪水情况下坎高C1的计算设计洪水时：q=68.06m3/s;hc〃=20.64m;ht=由于不明消力坎的过流情况，先按自由过流计算坎高C1，取σS=1.0，m1=0.42，得：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/1.0×0.42×4.43）2/3=11.155复核：设坎上全水头为H10，因HS/H10=ht-C/[q/σSm1(2g)1/2]2/3=（17.00-11.16）/（68.06/1.0×0.42×4.43）2/3=5.84/11.019=0.53＞0.45故：消力坎为淹没过流，需按淹没过流试算。设坎高C1=11.20m，则坎上水头H1=σjhc〃-C=1.05×=10.47（m）坎上全水头H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=10.47+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2=10.97(m)HS/H10=17.00-11.20/10.97=0.53,查表7-12，得：σS=0.987则：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/0.987×0.42×4.43）2/3=11.06（m）因计算的C1=11.06m值小于所设值11.20m,再设C1=11.05m，则：H1=σjhc〃-C=1.05×20.64-11.05=10.622（m）H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=10.62+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2=11.12(m)；HS/H10=17.00-11.05/11.12=0.54,查表7-12，得：σS=0.986则：C1=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×20.64+68.062/2×9.81×（1.05×20.64）2-（68.06/0.986×0.42×4.43）2/3=11.05（m）计算的C1值与所设值相同，取C1=11.05m。（2）校核洪水情况下坎高C2的计算校核洪水时：q=91.56m3hc〃=23.95m;ht=19.10m。由于不明消力坎的过流情况，先按自由过流计算C2,取σS=1.0，m1=0.42，得：C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×（1.05×23.95）2-（91.56/1.0×0.42×4.43）2/3=12.39（m）复核：设坎上全水头为H10，hS/H10=ht-C2/[q/σSm1(2g)1/2]2/3=19.10-12.39/（91.56/1×0.42×4.43）2/3=6.71/13.43=0.50＞0.45故消力坎为淹没过流，需按淹没过流试算。设坎高C2=12.20m，则坎上水头H1=σjhc〃-C=1.05×23.95-12.20=12.95（m）坎上全水头H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=12.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2=13.63（m）则:HS/H10=19.10-12.20/13.63=0.51,查表7-12,得σS=0.989则:C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2-（91.56/0.989×0.42×4.43）2/3=12.30（m）因计算的C2值大于所设值12.20m,再设C2=12.30m,则:H1=σjhc〃-C=1.05×23.95-12.30=12.85（m）H10=H1+q2/2g(σjhc〃)2=12.85+96.362/2×9.81×(1.05×24.54)2=13.53（m）hS/H10=19.10-12.30/13.53=0.50,查表7-12,得σS=0.990则:C2=σjhc〃+q2/2g(σjhc〃)2-[q/σSm1(2g)1/2]2/3=1.05×23.95+91.562/2×9.81×(1.05×23.95)2-（91.56/0.990×0.42×4.43）2/3=12.30（m）计算的C2值与所值相同,取C2=12.30m（3）坎高的确定坎高C应在流量变化范围内选定几个q值分别计算，取其最大值作为设计的坎高值。为简化计算，仅作如上设计洪水和校核洪水情况下的坎高计算，并取其最大值C=12.30m作为本设计的坎高值。因过坎水流为淹没出流，不校核坎后水流衔接情况。3.4.2.3消力池长度LK的计算（1）计算参数：——消力池长度计算的宽度流量qL：一般情况下，水跃长度随流量增长而增长。因此，由水跃长度所决定的消力池长度LK的设计单宽流量qL应为建筑物所通过的最大单宽流量。取qL=q校核=91.56m3——收缩断面水深和共轭水深h1、h2:h1=2.68mh2=23.95m——跃前断面流速和佛汝德数：V1=q/h1=91.56/2.68=34.16m/sFr1=V1/gh11/2=34.16/(9.81×2.68)1/2=6.66（2）水跃长度计算：见《水力学》P252公式：——吴持恭公式Lj=10.8h1(Fr1-1)0.93=10.8×2.68×(6.66-1)0.93=145.1(m)——欧勒佛托斯基公式Lj=6.9（h2-h1）=6.9×(23.95-2.68)=146.8(m)——陈椿庭公式Lj=9.4h1(Fr1-1)=9.4×2.68×（6.66-1）=142.6(m)上述三个公式的计算结果均不相同，但都比较接近，因欧勒佛托斯基公式适用于Fr1=5.5～9.0，故取水跃长度Lj=142.6≈147.0m。（3）消力池长度LK的计算：LK=（0.7～0.8）Lj=(0.7～0.8）×147=103～118m取消力池长度为LK=110m3.4.3海漫长度LP的估算因跃前流速大于15m/s（校核洪水时流速为34.16m/s），辅助消能工程易遭空蚀破坏，因此消力池内不设趾墩、消力墩等辅助消能工程。由于水流出护坦后紊动仍很激烈，底部流速仍较大，流速分布也未恢复到天然河道的流速分布，对河床仍有较强的冲刷能力；而坝下河道为石英砂岩与板岩互层，大裂隙较多，并有软弱夹层，抗冲能力较差，设计考虑在护坦后设置海漫，以保护消力坎基础不被淘刷。本设计拟取海漫设计参数如下：海漫材料：钢筋石笼；海漫厚度：1.0m。海漫长度估算：按《水力计算手册》P223公式（4-2-20）计算：LP=（8.5～12.5）ht式中：ht—下游水深，取ht=17.0mLP=10.0×17.0=170.0m。按《水力计算手册》P223公式（4-2-21）计算：LP=K[q(△H)1/2]1/2式中：q—消力池出口单宽流量，取q=91.56m3△H—上下游水位差，取△H=156.3-99.1=57.2m（校核洪水时）K—系数，取K=6（河床为硬粘土时）LP=K[q(△H)1/2]1/2=6×[91.56（57.2）1/2]1/2=158（m）由上述公式计算，所需海漫长度约160～170m。经估算,水流出坎后平均流速约4m/s～5m/s左右，由于对消力坎下游侧河道地质及覆盖层情况不清，本设计拟取海漫长80m。海漫长度最终应根据地质情况，由水工模型试验和参考类似工程请况3.4.4堰顶水面曲线估算根据《水工设计手册》第六卷“泄水与过坝建筑物”P6-181表27-2-5“沿中墩的水面线坐标（2型中墩）”，列出本溢流坝校核洪水位时水流沿闸墩不掺气水面线的坐标值，并取水面以上的超高值≧1.50m，作为闸墩高度、边墙顶高度、弧形闸门门轴高程确定的依据。计算情况：校核洪水位，堰上水头H=14.60m,定型设计水头Hd=0.85H,H/Hd=1.17647。计算方法：从上表27-2-5中，内插求出H/Hd=1.17647时、相应于H/Hd的Y/Hd的值；然后算出X、Y值，点绘水面曲线。沿闸墩不掺气的水面线坐标值（2型中墩）见表3.4.4。表3.4.4沿闸墩不掺气的水面线坐标值（2型中墩）X/HdX(m)Y/HdY(m)-1.0-12.4-1.102-13.68-0.8-9.93-1.090-13.53-0.6-7.45-1.079-13.39-0.4-4.96-1.084-13.45-0.2-2.48-1.096-13.600.00.0-0.952-11.810.22.48-0.811-10.060.44.96-0.693-8.600.67.45-0.566-7.020.89.93-0.426-5.291.012.41-0.264-3.281.214.89-0.084-1.041.417.370.1271.581.619.860.3544.391.822.340.5977.41注：X、Y的坐标原点位于堰面顶点，X轴向下游为正，Y轴向下为正4.挡水坝稳定及应力计算4.1荷载根据本坝的运行情况,作用于坝体上的荷载分为基本荷载和特殊荷载。基本荷载：1）坝体自重（包括固定设备重，计算时略）；2）正常蓄水位或设计洪水位的静水压力（即上、下游的静水压力）；3）相应于正常蓄水位或设计洪水位的扬压力（即上、下游水位差产生的渗透压力和由下游水深产生的浮托力）。取：·排水孔幕距上游坝面9.50m;·扬压力折减系数α：根据教材P45中设计规范的规定——河床坝段扬压力折减系数α=0.2～0.3；岸坡坝段α=0.3～0.4。本计算按河床最大坝高断面计算，取α=0.25；4）相应于正常蓄水位或设计洪水位的波浪压力；5）设计洪水位情况下泄流时的动水压力；6)淤沙压力(水库蓄水后坝前淤沙产生的淤沙压力)·坝前淤沙高程:▽97.60m;·淤沙浮容重：0.90t/m3；·淤沙内摩擦角：120。特殊荷载校核洪水时的静水压力；相应于校核洪水位时的扬压力；相应于校核洪水位时的波浪压力；相应于校核洪水位时的动水压力；地震荷载。4.1.2荷载组合作用于坝体上的荷载组合分为基本组合和特殊组合。基本组合由基本荷载组成；特殊组合由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。根据《指示书》的要求，本设计的荷载组合见下表：表4.1.2荷载组和表荷载组合计算情况荷载说明自重静水压力杨压力波浪压力动水压力淤沙压力地震力基本组合正常蓄水位情况★★★★★设计洪水位情况★★★★★★特殊组合校核洪水位情况★★★★★★地震情况★★★★★★正常蓄水位时4.2计算原则及假定(1)先按下游坝坡1：0.76进行计算，视计算结果再修改下游坝坡，选出经济合理的坡面；（2）根据《指示书》P20页的要求，只进行坝体混凝土与基岩接触面间的稳定和应力计算；（3）因抗剪强度公式没考虑坝体与基岩间的胶结作用，不能完全反映坝的实际工作情况；而抗剪断了坝体与基岩间的胶结作用，物理概念明确，比较符合坝的实际工作情况。因此本设计采用抗剪断公式进行抗滑稳定计算；（4）抗剪断参数坝体混凝土与基岩接触面间抗剪断参数的取值参见《教材》P52表3-6中的抗剪断参数f'、C'值：坝体混凝土与基岩接触面抗剪断参数的参考值岩石工程分级岩石综合评价基岩特征抗剪断参数f'(Mpa)C'(Mpa)Ⅰ很好的岩石完整的、新鲜的、致密坚硬的、裂隙不发育的、块状的、厚层状的岩石。饱和抗压强度大于100Mpa，变形模量大于2×104Mpa,声波纵波速大于5000m/s。1.2-1.5Ⅱ好的岩石完整的、新鲜的、坚硬的、微裂隙的、块状的、厚层状的岩石。饱和抗压强度60～100Mpa,变形模量(1～2)×104Mpa,声波纵波速4000～5000m/s。1.0-1.31.1-1.3Ⅲ中等岩石完整性较差的、微风化的、微裂隙的、中等坚硬的、块状的、层状的岩石。饱和抗压强度30～60Mpa，变形模量（0.5～1.0）×104Mpa,声波纵波速3500～4500m/s。0.9-1.20.7-1.1Ⅳ较差的岩石完整性差的、弱风化的、弱裂隙的、较软弱的、中厚层状的岩石或节理不发育，但层理、片理较发育、易风化的薄层状的岩石。饱和抗压强度15～30Mpa，变形模量（0.2～0.5）×104Mpa,声波纵波速2500～3500m/s。0.7-0.90.3-0.7注：①本表不包括基岩内有软弱夹层的情况；②混凝土与基岩接触面上的抗剪断参数不超过混凝土本身的抗剪断参数值；③对于Ⅰ、Ⅱ级的基岩，如果建基面能做成较大的起伏差，则接触面上的抗剪断参数可采用混凝土的抗剪断参数。（5）本设计选取的坝体混凝土与基岩接触面间的抗剪断参数根据《指示书》中的介绍：·桃林口水库坝址区的地层岩性为震旦系大红峪组第一、二段，中厚层石英砂岩与板岩互层；·坝址位于三道河附近，河谷宽250m，基岩为石英砂岩与板岩互层，河床覆盖层厚4～7m;·大坝建基于弱风化岩层中，基岩挖深7～15m。坝基岩石虽为层状分布，但岩层倾向上游，倾角160～180，层次分明且较为完整，条件较好，坝基岩层一般不存在抗滑稳定问题。根据上述资料，本设计选取的坝体混凝土与基岩接触面间的抗剪断参数如下：抗剪断摩擦系数：f'=1.00抗剪断凝聚力：C'=0.70Mpa（6）抗滑稳定安全系数坝体混凝土与岩石接触面间的抗滑稳定按抗剪断强度公式计算。利用抗剪断强度公式计算时，坝体混凝土与岩石接触面间抗剪断安全系数Ks'见《教材》P52中的规定：“关于安全系数Ks'，设计规范规定，不分工程级别，基本荷载组合时，采用3.0；特殊荷载组合（1）校核洪水位情况时，采用2.5；特殊荷载（2）地震情况时，不小于2.3”（7）应力计算方法应力计算采用材料力学法，假定：·坝体混凝土为均质、连续、各项同性的弹性材料；·视坝段为固结于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；·仅进行坝基上下游边缘应力的计算；（8）应力计算强度指标《指示书》中P12表中给出的：“石英砂岩单块岩石室内指标：抗压强度134～338Mpa”；根据《教材》P63的规定，坝体混凝土与基岩接触面间的正应力应满足：·坝基面的最小铅直正应力σymin应大于零，即不出现拉应力；·坝基面的最大铅直正应力σymax应小于坝基容许压应力。根据《水工混凝土结构设计规范》SL/T191-96表3.1.4“混凝土强度设计值”中的规定：·C15—轴心抗压强度为7.5N/mm2=7.5Mpa·C20—轴心抗压强度为10.0N/mm2=10.0Mpa本计算按坝基不出现拉应力、最大压应力小于7.5N/mm2=7.5Mpa控制。（9）符号规定：弯矩以顺时针为正、逆时针为负；应力以压为正、拉为负；（10）取最大坝高断面按单宽b=1.00m计算；（11）混凝土容重取2.4t/m3。4.3下游坝坡1:0.76剖面的稳定及应力计算挡水坝下游坡面1:0.76剖面的稳定应力计算简图如下:4.3.1荷载计算(1）自重GW1=2.4×6.00×78.24=1126.656(t/m)M1=1126.656×26.374=29714.43(t-m/m)W2=2.4×1/2×69.41×52.748=4393.486(t/m)M2=4393.486×5.791=25442.70(t-m/m)(2)静水压力P——正常蓄水位时H1=153.20-79.00=74.20(m)P1=1/2×74.20×74.20=2752.82(t/m)M1=2752.82×1/3×74.20=68086.41(t-m/m)H2=84.10-79.00=5.10(m)P2=1/2×5.10×5.10=13.005(t/m)M2=13.005×1/3×5.10=22.11(t-m/m)——设计洪水位时H1=153.70-79.00=74.70（m）P1=1/2×74.70×74.70=2790.045(t/m)M1=2790.045×1/3×74.70=69472.12(t-m/m)H2=97.00-79.00=18.00(m)P2=1/2×18.00×18.00=162.000(t/m)M2=162.000×1/3×18.00=972.00(t-m/m)——校核洪水位时H1=156.30-79.00=77.30(m)P1=1/2×77.30×77.30=2987.645(t/m)M1=2987.645×1/3×77.30=76981.65(t-m/m)H2=99.10-79.00=20.10(m)P2=1/2×20.10×20.10=202.005(t/m)M2=202.005×1/3×20.10=1353.43(t-m/m)(3)扬压力——正常蓄水位时·浮托力U1U1=（84.10-79.00）×58.748=299.615（t/m）M1=0·扬压力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(153.20-84.10)×9.50=164.11(t/m)M2=164.11×(58.748/2-9.50/2)=4041.04(t-m/m)·扬压力U3U3=1/2×17.275×49.248=425.38(t/m)M3=425.38×(2/3×49.248-58.748/2)=1470.96(t-m/m)·扬压力U4U4=1/2×9.50×51.825=246.17(t/m)M4=246.17×(58.748/2-1/3×9.50)=6451.46(t)——设计洪水位时·浮托力U1U1=（97.00-79.00）×58.748=1057.464（t/m）M1=0·扬压力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(153.70-97.00)×9.50=134.66(t/m)M2=134.66×(58.748/2-9.50/2)=3315.87(t-m/m)·扬压力U3U3=1/2×14.175×49.248=349.05(t/m)M3=349.05×(2/3×49.248-58.748/2)=1207.01(t-m/m)·扬压力U4U4=1/2×9.50×42.525=201.99(t/m)M4=201.99×(58.748/2-1/3×9.50)=5293.62(t-m/m)——校核洪水位时·浮托力U1U1=(99.10-79.00)×58.748=1180.835(t/m)M1=0·扬压力U2U2=α(H1-H2)×9.50=0.25×(156.30-99.10)×9.50=135.85(t/m)M2=135.85×(58.748/2-9.50/2)=3345.17(t-m/m)·扬压力U3U3=1/2×14.30×49.248=352.12(t/m)M3=352.12×(2/3×49.248-58.748/2)=1217.63(t-m/m)·扬压力U4U4=1/2×9.50×42.90=203.78(t/m)M4=203.78×(58.748/2-1/3×9.50)=5340.53(t-m/m)(4)波浪压力计算假定：《指示书》中仅给出校核洪水位时最大风速的多年平均值V0=23.70m/s,可以计算出校核洪水时的波浪几何要素；但没给出正常蓄水位和设计洪水位相应季节50年重现期的最大风速值。为能进行正常蓄水位和设计洪水位时的波浪压力计算，取50年重现期的最大风速值也为23.70m/s。计算公式：利用《教材》P15的官厅水库计算公式，由3.1的计算知：浪高hl=0.0166V05/4D1/3=0.0166×23.705/4×31/3=1.25(m)波长L=10.4（h1）0.8=10.4×1.250.8=12.43(m)波浪中心线高于静水面的高度hZ=πhl2/Lcth2H/Lπ=0.39(m)本坝高H=78.24m＞L/2=6.215m，波浪为深水波，波浪压力pl的计算公式见《教材》P16公式（2-8）：波浪压力pl=γ/4L(h1+hZ)=1.0×12.43/4(1.25+0.39)=5.10(t/m)说明：正常蓄水位、设计洪水位和校核洪水位时的波浪压力均取pl=5.10t/m。计算简图如下：——正常蓄水位时波浪压力的力矩计算力臂l=(H正+hZ+hl)-1/3(L/2+hZ+hl)=(74.20+0.39+1.25)-1/3(12.43/2+1.00+1.25)=73.222(m)力矩M=5.10×73.222=373.43(t-m/m)——设计洪水位时波浪压力的