居乐水利枢纽混凝土重力坝设计

Ⅲ居乐水利枢纽混凝土重力坝设计居乐水利枢纽混凝土重力坝设计摘要本次设计内容为居乐水利枢纽，坝型选择为混凝土重力坝，坝轴线选择和枢纽布置见3号图SG-01居乐水库平面图所示。整座重力坝主要有非溢流挡水坝段、溢流表孔坝段、溢流底孔坝段和电站厂房坝段。挡水坝段最大断面的底面高程为1902.00米，坝顶高程为1987.00米，防浪墙高1.2米，最大坝高为85m，属中坝类型。坝顶宽7米，最优断面的上游坝坡坡率为1:0.2，上游折坡点高程为1940.00米，下游坝坡坡率为1:0.7，下游折坡点高程1975.00m，详细情况参见1号图SG-03挡水坝剖面图。溢流坝段最大断面的底面高程为1902.00米，堰顶高程1973.33米，溢流堰采用WES曲线设计，直线段坡率为1：0.7，反弧段半径取18.0米，鼻坎高程取1912.00米，上游坝坡坡率取1：0.2，折坡点高程为1940.00米，上游坝面与WES曲面用1/4椭圆相连，详细情况见3号图SG-02溢流堰标准横断面图所示。本枢纽溢流堰采用挑流方式消能，挑角取250。止水采用两道紫铜中间加沥青井的形式。坝基防渗处理（主要依据上堵下排的原则），上游帷幕灌浆（两道），下游侧设置排水管。以非溢流挡水坝段为计算选择断面，进行了抗滑稳定分析和应力分析，分别采用抗剪断计算法和材料力学法计算法进行计算，最终验算满足抗滑稳定，上游坝踵没有出现拉应力，设计剖面合理可行。本次设计只是部分结构物设计，考虑问题较单一，采用基础资料一般以书本为主，跟实际情况难免有出入，敬请批评指正。关键词：重力坝非溢流坝溢流坝

目录20466摘要 22762目录 3143651前言 670382枢纽基本概述 6246992.1基本资料 6288202.1.1流域概况 6240132.1.2枢纽任务 6198482.1.3水文气象资料 7267092.2坝址自然条件 7269832.2.1河流泥砂特征 78862.2.2工程材料特征 7267262.2.3枢纽及库区地形地质条件 7162353枢纽布置 928913.1坝轴线选择 9198553.2坝型选择 928223.2.1坝型的初步选择 992283.2.2坝型的进一步选择 1126013.3枢纽布置方案 1251053.3.1枢纽布置应遵循以下原则 1249073.3.2确定工程等别和水工建筑物级别 1233223.3.3各类建筑物枢纽布置的要求 1344913.3.4枢纽布置方案比较 14257404非溢流坝设计 15259444.1非溢流重力坝的剖面设计 16250214.1.1剖面设计原则 16275564.1.2基本剖面 1677694.1.3实用剖面 16276314.2荷载计算及组合 2033894.2.1荷载计算 2065444.2.2荷载组合 28144794.3抗滑稳定性分析 2845064.3.1单一安全系数法 2978244.3.2抗滑稳定极限状态计算法 31166054.4应力分析 3325864.4.1单一安全系数法 34150824.4.2分项系数极限状态法 39276655溢流坝设计 4346815.1坝身泄水孔设计 4395455.1.1有压泄水孔设计 438305.1.2无压泄水孔的设计 45278265.2孔口设计 4635335.3溢流坝剖面拟定 4771115.3.1设计要求 47166155.3.2坝顶曲线段 47152515.3.3堰顶下游段堰面曲线 48183955.3.4中间直线段 48160765.3.5反弧段 4952575.4消能防冲设计 51311875.4.1确定消能形式 5150935.4.2挑流消能设计 52121805.4.3挑流冲刷坑验算 5219885.5荷载计算 536785.5.1自重 53143665.5.2静水压力 53215215.5.3扬压力 54325325.5.4泥沙压力 5496395.5.5浪压力 5537165.5.6动水压力 559895.5.7地震荷载 567585.6稳定分析 56234085.6.1抗剪强度公式 56141105.6.2抗剪断公式 573706重力坝细部构造 5892936.1坝顶布置与构造 58103446.1.1非溢流坝顶构造 58162586.1.2溢流坝坝顶构造 5850216.2廊道、分缝、止水、排水设计 5836.2.1廊道 5886696.2.2分缝 60254996.2.3止水设计 60212966.2.4坝体排水 6197156.3混凝土标号分区 62187716.3.1混凝土 62193696.3.2坝体砼分区 622487地基处理 65263757.1坝基的开挖与清理 65128277.1.1开挖深度的确定 65275297.1.2开挖形状和坡度 65307027.2坝基灌浆 65201257.21固结灌浆 6695117.2.2帷幕灌浆 66264237.3坝基排水 6740177.3.1坝基排水目的 67192487.3.2坝基排水的排水孔的布置及方向 67141087.4断层的处理 6883378总结 69820后记 7018996参考文献 711193附录 72PAGE661前言本设计是根据所给设计任务书进行课题设计，设计的基本内容包括，坝型选择，枢纽组成建筑物选择，工程等别和建筑物级别确定，非溢流坝剖面设计，溢流坝剖面设计，坝身泄水孔设计，电站坝段设计，细部结构设计及地基处理等。根据设计总要求，设计内容偏重于坝型选择与主要建筑物的设计，而对建筑物中电站厂房坝段的设计进行比较简单。其中很多内容设计者采用了各种图表，力求做到设计清晰明了，以期达到安全性、适用性、经济性的基本标准。2枢纽基本概述2.1基本资料2.1.1流域概况居乐水库位于长江上游金沙江流域横江水系洒渔河正源的居乐河上，在昭通市西北向23公里处地。理座标在东经103°19′~32′，北纬27°10′~34′之间。其干流总长81公里，河道平均比降6.2‰，坝址控制流域面积709平方公里，流域内水系发育，地形复杂，山势陡峻，河谷深切，高山深谷连绵起伏。2.1.2枢纽任务居乐水库位于长江上游金沙江流域横江水系洒渔河正源的居乐河上，在昭通市西北向23公里处地。根据国民经济发展要求，本枢纽是以灌溉为主，并考虑发电，供水，防洪，旅游的综合利用的水利工程。灌溉坝址下游灌溉面积约32.2万亩，灌溉供水1.32亿立方米/年。发电发电供水0.55亿立方米/年，供装机1.26万千瓦的居乐坝后水电站用水，为调节、补偿装机9万千瓦的下游高桥水电站及下游待开发的装机5万千瓦的3个梯级电站供水。供水水库建成以后，城市生活供水0.18亿方/年；工业供水0.62亿立方米/年，为将来开发的大型褐煤矿、煤化工、坑口火电站提供可靠水源。防洪修建居乐水利枢纽后，提高下游农田防洪标准。旅游业发展水库建成以后，可以促进昭通市旅游产业的发展。2.1.3水文气象资料居乐河多年平均年径流量3.65亿m3，多年平均流量11.6m3/s，调查历史最大流量922m3/s。设计洪水标准为百年一遇，流量为905m3/s；校核洪水标准为千年一遇，流量为1400m3/s；正常尾水位1910.00m，死水位1952.00m；设计洪水位时最大泄量760m3/s，校核洪水位时最大泄量1150m3/s。水位190119101920192519301935194019451950库容00.010.030.050.080.140.220.350.53水位195519601965197019751980198519901995库容0.771.051.361.792.282.873.534.35.2表2-1水位（m）—库容（亿m3）关系2.2坝址自然条件2.2.1河流泥砂特征泥沙淤积库容0.53亿，淤积泥沙浮容重，水下摩擦角。2.2.2工程材料特征坝区附近1~2km内石料丰富，但人为加工条石较费工，砂料储量一般，可考虑人工沙补其不足。水泥和钢材均需由外埠运来。2.2.3枢纽及库区地形地质条件1）坝址地形地貌V-V坝轴线处河宽30-40m，河床平均比降6.3‰，两岸坡度40~50。2)坝址地质构造坝区出露地层为二跌统玄武岩和第四纪冲积、坡积、冲积层。玄武岩中夹有凝灰岩及玄武质页岩各一层，厚度0.2-0.5m，倾角约40梢大。岩体节理裂隙发育中等，裂隙率平均为4.2%。见1：500坝轴线地质剖面图。玄武岩湿抗压强度500-800kg/cm2。弹性模量6×105kg/cm2-9×105kg/cm2。坝址岩层为上二迭统峨嵋山玄武岩。其中，致密状玄武岩占整个坝基的57%，杏仁状玄武岩占36.7%，火山角砾岩占2%。坝基98%为坚硬岩层，岩石饱和抗压强度为41~105MPa。依据岩石实验资料，综合分析试验成果，选取混凝土与基岩面的抗剪断指标，f值采用抗剪断峰值小值均值，f=0.25，C=2.8MPa。坝基摩擦系数经现场试验确定为0.68。坝区主要有9条断层，坝轴线剖面上露出的主要为FⅡ组断层及部分F组小断层，走向为NE与NW，倾角较大，为40~80。基本不存在深层滑动问题，但须作必要的灌浆、开发并回填混凝土处理。3)地震烈度地震基本烈度为7，抗震烈度提高1。4)坝址水文地质根据相关水文站20年实测，并经分析计算，得到洪水资料见表2。频率0.1%1%2%5%全年140090565851811-5月20615712-3月163.21表2-2洪水频率与流量资料地基主要为裂隙含水，地表下15-40m以下单位吸水率值小于0.01。

3枢纽布置3.1坝轴线选择坝轴线的选择主要是根据地质条件，地形条件，施工条件建筑材料供应和效益及远景指标等因素选择合理经济的坝轴线.1)地质条件地质条件是坝址选择的重要条件，太平哨电站曾选用两条坝轴线(上坝轴线与下坝轴线)，上下坝轴线相距200～300，地质条件基本相同，但下坝轴线与右岸岩石完整性较差，呈片状破碎，风化也较深.2)地形条件在高山峡谷地区布置水利枢纽，减少开挖，坝址选在峡谷地段，坝轴线断，坝体工程量小，但不利于泄水建筑物的布置，因此需要综合考虑.在选用坝址时，应考虑如何防止泥沙和漂木进入，取小建筑物，对与于有通航要求的枢纽，应主意通航建筑物与河道的连接。3)施工条件坝址附近特别是其下游应有较开阔的地形，以便布置施工机械应在交通干线的附近，便于施工运输，可与永久电网连接，解决施工用电问题，却便于施工导流。4)建筑材料坝址附近有足够数量符合质量要求的天然建筑材料，对于材料分布埋置深度，开采条件以及施工期淹没等问题都应认真考虑。5)综合效益对于不同坝址要综合考虑防洪灌溉发电航运旅游等各个方面的经济效益.综上所述，并结合本设计情况，确定选用上坝线。3.2坝型选择3.2.1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。坝型选择应根据当地地质、地形条件，施工条件，建筑材料，综合效益，宣泄洪水能力，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。1）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；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。根据工程经验，在L/H＜1.5的深窄河谷可以修建薄拱坝，在L/H=1.5～3.0的稍宽河谷可以修建一般拱坝，在L/H=3.0～4.5的宽河谷多修建重力拱坝，而在L/H＞4.5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。2）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。3）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。4）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，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。3.2.2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。1）宽缝重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10％～20％，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。2）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20％～30％，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。3）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。4）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。5）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。3.3枢纽布置方案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。综述居乐水利枢纽的主要任务是灌溉，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。因干流水量年内分配很不均匀，雨季为5~10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1.26万千瓦，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。3.3.1枢纽布置应遵循以下原则1）坝址、坝段及其他主要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，各建筑物之间能协调、无干扰地工作，保证其他任何工作条件下都能正常工作，满足枢纽运用管理的要求。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）枢纽中各建筑物紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。5）尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水，早期发电或灌溉）。6）枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能条件下注意美观。3.3.2确定工程等别和水工建筑物级别根据灌溉的要求，水库灌溉面积30万亩，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三等。根据库容的要求，水电站正常高水位为1985.25米，水库最高水位不得超过1985.90米，查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1.2万千瓦，查分等指标可确定工程等别为四等。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2000～500100～50永久建筑物非常运用洪水标准5000500临时建筑物10～5表3-1建筑物分等标准3.3.3各类建筑物枢纽布置的要求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。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。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5m宽×7m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4m。所以每个底孔坝段的宽度为2×5+3×4=22m，泄洪底孔的总宽为2×22=44m。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5m，电站厂房坝段总长为15m。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。3.3.4枢纽布置方案比较根据以上考虑，初步拟定以下两种方案：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，对外交通在右岸，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。方案二：电站厂房布置在左岸河槽电站厂房布置在左岸河槽，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，排水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，右岸有居乐大沟，修建对外交通比较方便，略加修改或扩建既可直通坝址，若选择第二方案，则电站的安装维修很不便，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。两种方案设计的下游立视图如下：最终选择方案一。图3-1下游立视图

4非溢流坝设计4.1非溢流重力坝的剖面设计4.1.1剖面设计原则重力坝的设计断面应由基本荷载组合控制，以材料力学法和刚体极限平衡法计算成果作为确定坝体断面的依据，并以特殊荷载组合复核。设计断面要满足稳定和强度要求，保证大坝安全，工程量要小，运用方便，优选体形，便于施工，避免出现不利的应力分布状态。4.1.2基本剖面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）和扬压力三项基本荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面。4.1.3实用剖面实用剖面（1）

实用剖面（2）

实用剖面（3）图4-1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（2）。确定最大剖面的位置，首先要知道清基后坝基的最低点位置，地基的处理根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2018)。坝基高程（1）坝基设计原则一般规定，砼重力坝的基础经处理应满足下列要求：1）具有足够的强度，以承受坝体的压力；2）具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷；3）具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量；4）具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。（2）坝基开挖砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩土类别、基础变形和稳定性，上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。重力坝的基坑形状应根据地形地质条件及上部结构的要求确定，坝段的基面上下游高差不宜过大，并略向上游倾斜，若基础面高差过大或向下游倾斜时，应开挖成带钝角的大台阶状，台阶的高差与砼浇筑块的尺寸和分缝的位置相协调，并和坝址处的坝体砼厚度相适应。对地形悬殊部位的坝体应调整坝段的分缝。基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。（3）坝基高程拟定由水库坝轴线工程地质剖面图量得，河床高程在1908m左右，标准洪水位为1985.25m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地址剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。由图上量的电站坝段最低建基面高程为▽1902m。坝高拟定坝顶高程=（设计洪水位+、校核洪水位+）（式4-1）式中：——防浪墙顶与正常蓄水位或校核洪水位的高差m；——累计频率为1%波浪高度m；——波浪中心线至正常蓄水位或校和洪水位的高差m；——安全超高按表4－1采用。坝的级别运用情况Ⅰ（1级）Ⅱ（2级）Ⅲ（3级）正常蓄水位校核洪水位0.70.50.50.40.40.3表4-1坝的安全加高必须注意，在计算和时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的年最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。首先计算波浪高度和波浪长度和波浪中心线超出静水面的高度，分别由下式计算。（式4-2）（式4-3）（式4-4）式中：——当=20~250时，为累计频率为5%的波高。当=250~1000时，为累计频率10%的波高。——计算风速时，为水库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。——吹程，风作用于水域的长度，km——平均波长，m（1）设计洪水位时坝顶高程计算风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，本设计取2.0倍，即：风速，吹程=2.5km。各波浪要素计算如下：波高波长由表4-1查得规范规定当时为累计频率为5%的波高，应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；故。（2）校核洪水位时坝顶高程计算风速采用多年平均风速，即：，。各波浪要素计算如下：由表4-1查得因为，故由规范可得所以为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值坝顶高程，当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙（取1.2m）时，可降低坝顶的高程，所以取坝顶高程为▽1987m。建基面最低开挖高程为▽1902m，则最大坝高为85m，属于中坝。坝坡拟定根据工程经验，一般工程情况下，实体重力坝上游坝坡宜采用1:0~1:0.2，结合稳定和应力要求，上游坝坡取1:0.2，下游坝坡宜采用1:0.6~1:0.8，下游坝坡结合稳定和应力要求以及上游坝坡同时选定，下游坝坡取1:0.8。上下游起坡点位置的确定上游起坡点位置应结合应力控制标准和发电引水标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来确定，一般起坡点在坝高的1/3~2/3附近，坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相较于最高库水位处，通过比较上游起坡点的高程为1940.00m，下游起坡点的高程为1975.00m。坝顶宽度拟定坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。在严寒地区，当冰压力很大时，还要核算段面的强度。非溢流坝段的坝顶宽度可根据要求确定，必要时可在坝的上、下游面加做悬臂结构，增加坝顶宽度，非溢流坝坝顶最小宽度为3m，一般取坝高的8%-10%，这里取7m，扣除上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽，坝顶路面宽度为5m。因为两岸没有交通要求，5m宽路面能满足大坝维修作业通行需要。坝底宽度拟定由上下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度为67.1m，在（0.7～0.9）坝高=59.5～76.5范围内。说明坝底宽度符合要求。基础灌浆廊道尺寸拟定高中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，宽度可取2.5m～3.0m，高度可取3.0m～3.5m，为了保证完成其功能且可以自由通行的尺寸，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头，且不小于4～5m，本次设计取6.5m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距底为4～5m，取5m。挡水坝段剖面拟定见下图：图4-2挡水坝剖面拟定4.2荷载计算及组合重力坝的主要荷载有：自重、静水压力、泥沙压力、浪压力、扬压力、冰压力、地震荷载等，常取1m坝长进行计算。计算工况有设计、校核、地震三种工况。4.2.1荷载计算坝体自重沿坝轴线取单位宽度为1米的坝体作为计算对象，按下式计算：（式4-5）式中：——单位长度坝体体积，m3——混凝土的容重，=24kN/m3。受力图如图4-3所示。图4-3自重计算简图静水压力静水压力是垂直于作用在上下游坝面的荷载，计算时分解为水平压力和垂直水压力两种。的计算公式为： (式4-6)式中——计算点处的作用水头，m；。垂直水压力按水重计算: （式4-7）式中——压力体的体积，；——水的容重，本设计取10。受力图如图4-4所示。图4-4静水压力计算图（1）设计洪水位上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：（2）校核洪水位上游垂直水压力：下游垂直水压力：上游水平水压力：下游水平水压力：扬压力扬压力包括上浮力和渗流压力。上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力；渗透压力是由上、下游水位差作用下，水流通过基岩节理、裂隙而产生的向上的静水压力。我国SL319-2018《混泥土重力坝设计规范》规定：岸坡坝段=0.30～0.35，本设计取=0.30。扬压力计算简图如图4-5所示。图4-5扬压力计算简图（1）设计洪水位（2）校核洪水位浪压力当时浪压力按深水波计算，假定深水波浪顶及水深等于处的浪压力为零，静水位处的浪压力最大，呈三角形分布，如图4-6所示。图4-6波浪压力计算简图深水波计算公式：(式4-8)各种工况下的波浪要素计算见本章坝顶高程计算部分。（1）设计洪水位（2）校核洪水位泥沙压力泥沙压力有水平泥沙压力和竖直泥沙压力，按下式计算：（式4-9）式中——泥沙的浮重度；——泥沙的淤积厚度；——泥沙的内摩擦角。水平泥沙压力：垂直泥沙压力：地震作用地震情况的静水压力、扬压力、浪压力和泥沙压力按正常蓄水位情况计算。工程区地震烈度为7度，设计时考虑水平向地震惯性力代表值，按下式计算。(式4-10)式中——作用在质点i的水平地震惯性力代表值，kN；——水平向设计地震加速度代表值，当设计烈度为7度时，取0.1g；——地震作用的效应折减系数，一般取=0.25；——集中在质点i的重力作用标准值，kN；——重力加速度；——质点i的动态分布系数，按下式计算。（式4-11）式中——坝体计算质点总数；——坝高，m；——分别为质点i、j的高度，m；——集中在质点j的重点作用标准值，kN；——产生地震惯性力的建筑物总重力作用的标准值，kN。如图4-7所示，由于地震惯性力随高度分布不同，故将坝体分成若干段进行计算，本设计将坝体分为3段，分别记为1、2、3，将对应的力记为。图4-7地震惯性力坝体分块（1）动态分布系数的确定式中——每段对应的形心到坝基面的竖直距离；——每段对应的自重。=0.109（2）水平地震惯性力计算（3）竖向地震惯性力计算当需要需要计算竖向地震惯性力时，仍可以按计算，但应以竖向地震系数代替。竖向地震加速度的最大值约为水平加速度的，即。当同时计入水平和竖向地震惯性力时，竖向地震惯性力还应该乘以耦合系数0.5。（4）地震动水压力因设计的重力坝迎水面有折坡，且水面以下直立部分的高度大于水深的一半，所以可以近似取做铅，故=0.65×0.1×10×0.25×1.0×=1126.22kN4.2.2荷载组合荷载组合主要情况荷载自重静水压力泥沙压力扬压力浪压力地震荷载动水压力基本正常情况+++++特殊校核情况++++++地震情况+++++++4-1荷载组合荷载组合如上表可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。各种工况下的偏心距和荷载计算成果见表4-1、4-2（见附表）、4-3（见附表）、4-4（见附表）。4.3抗滑稳定性分析重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算，抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。计算简图如图4-8。图4-8稳定分析计算简图4.3.1单一安全系数法坝基面抗滑稳定安全系数不应小于表4-5中规定值。荷载组合坝的级别荷载组合坝的级别12、312、3KS基本组合特殊组合（1）特殊组合（2）1.101.051.051.051.01.0K'S基本组合特殊组合（1）特殊组合（2）3.02.52.3表4-5抗滑稳定安全系数抗剪强度公式把坝体与基岩之间看成一个单纯的接触面，而不是胶结面。计算公式如下：式（4-12）式中——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数，计算值应不小于表4-5中规定值；——接触面间的摩擦系数；——作用接触面以上的总铅直力，kN；——作用接触面以上的总水平力，kN；——作用在接触面上的扬压力，kN。基本参数：；计算如下：（1）基本组合＞1.05（2）特殊组合（1）＞1.0（3）特殊组合（2）＞1.0抗剪断公式坝体混凝土与坝基基岩接触良好，属于胶结面。其抗滑稳定安全系数的计算公式为：式（4-13）式中——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；——坝体砼与坝基接触面的抗剪断摩擦系数；——坝体砼与坝基接触面的抗剪断凝聚力，Pa；——坝基接触面截面积，；——作用接触面以上的总铅直力，kN；——作用接触面以上的总水平力，kN。——作用在接触面上的扬压力，kN。基本参数：。（1）基本组合＞3.0（2）特殊组合（1）＞2.5（3）特殊组合（2）＞2.3结论：由以上计算可知：在各种组合下，坝基面均满足抗滑稳定性要求。4.3.2抗滑稳定极限状态计算法基本组合式（4-14）偶然组合式（4-15）式中——结构重要性系数，对应于结构安全级别Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级的结构，其中系数分别为1.1、1.0、0.9；——设计状况系数，对应于持久状况、短暂状况、偶然状况分别为1.0、0.95、0.85；——作用效应函数；——构件及构件抗力函数；——永久作用分项系数；——可变作用分项系数；——永久作用标准值，kN；——永久作用标准值，kN；——几何参数标准值；——材料性能标准值，由试验确定；——基本组合结构系数，见表4-6；——偶然组合结构系数，见表4-6；—材料性能的分项系数，见表4-7；——偶然作用标准值。序号项目组合类型分项系数1坝体抗滑稳定极限状态基本组合偶然组合1.21.22混凝土抗压极限状态基本组合偶然组合1.81.8表4-6结构系数序号材料类别及强度抗剪断强度分项系数备注1混凝土/基岩混凝土之间碾压混凝土之间基岩之间软弱夹层之间1.3，3.01.3，3.01.3，3.01.4，3.21.5，3.4常态混凝土层面碾压混凝土之间2混凝土强度抗压强度1.5表4-7材料性能分项系数基本参数：由表中查得，持久状况：；短暂状况：；偶然状况：；；。基本组合（1）计算作用函数作用函数，，坝基面上全部切向作用之和，即作用设计值水平方向的代数和，见表4.2。计算抗滑稳定抗力函数抗滑稳定抗力函数，为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和，计算过程见表4-2。（3）验算抗滑稳定性根据公式右边左边左边＜右边特殊组合（1）（1）计算作用函数作用函数，，坝基面上全部切向作用之和，即作用设计值水平方向的代数和，见表2。（2）计算抗滑稳定抗力函数抗滑稳定抗力函数，为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和，计算过程见表3-3。（3）验算抗滑稳定性根据公式右边左边左边＜右边特殊组合（2）（1）计算作用函数作用函数，，坝基面上全部切向作用之和，即作用设计值水平方向的代数和，见表4-4。（2）计算抗滑稳定抗力函数抗滑稳定抗力函数，为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和，计算过程见表4-4。（3）验算抗滑稳定性根据公式右边左边左边＜右边结论：由以上计算可知：在各种组合下，坝基面均满足抗滑稳极限状态要求。4.4应力分析当采用材料力学法分析坝体应力时，SL319-2018《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：运用期（1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；（2）在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求。施工期坝址铅直应力允许有小于0.1MPa的拉应力。重力坝坝体应力应符合下列要求：运用期（1）坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。（2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。（3）在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的要求。施工期坝体任何截面上的主应力大于混泥土容许压应力；在坝体的下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力。计算图形及应力与荷载的正方向如图4-9所示。图4-9应力计算简图4.4.1单一安全系数法1运用期（不考虑扬压力）坝基面上、下游边缘应力的计算。（1）水平截面正应力按下式计算：（式4-18）式中——作用于计算截面以上的总铅直力，kN；——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kN；B——计算截面宽度，m。基本参数：。各荷载对形心轴的力矩计算如表4-2、4-3、4-3所示。水平截面正应力计算：基本组合：特殊组合（1）：特殊组合（2）：主应力按下式计算：（式4-19）式中——上游水压力强度，kPa；——下游水压力强度，kPa；——上游坝坡坡率；——下游坝坡坡率。 基本参数：。主应力计算如下：基本组合特殊组合（1）特殊组合（2） 运用期（考虑扬压力）坝基面上、下游边缘应力的计算。水平截面正应力按（式4-18）计算：各荷载对形心轴的力矩计算如表4-2、4-3、4-3所示。水平截面正应力计算：基本组合特殊组合（1）特殊组合（2）主应力按下式计算：（式4-20）式中——上游扬压力强度，kPa；——下游扬压力强度，kPa；——上游水压力强度，kPa；——上游水压力强度，kPa；——上游坝坡坡率；——下游坝坡坡率。基本参数：。主应力计算如下：基本组合（1）特殊组合（1）：特殊组合（2）施工期（1）水平截面正应力（2）主应力4.4.2分项系数极限状态法（1）承载能力极限状态表达式：式（4-21）式（4-22）式中——作用的效应函数：——抗力函数，；——荷载作用设计值，kN；——料性能设计值；——坝体下游边坡系数；——混凝土的抗压强度，kN；——作用于计算截面以上全部荷载对计算截面形心力矩的总和。（2）以坝踵垂直应力不出现拉应力作为正常极限使用状态，此时计算公式为：式（4-23）核算应力时应按作用标准值计入。基本参数：查表3-5可得；；m=0.8；运用期（不计扬压力）（1）基本组合计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边（2）特殊组合（1）计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边基本组合（2）计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边运用期（计扬压力）（1）基本组合计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边（2）特殊组合（1）计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边（3）基本组合（2）计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边施工期计算作用函数计算抗力函数应力验算根据公式：左边右边左边＜右边通过对非溢流坝应力分析，非溢流坝在施工期和运用期满足强度要求。

5溢流坝设计5.1坝身泄水孔设计根据泄水孔中水流的流动形态可将泄水孔分为有压和无压两种类型；按泄水孔所处的高程可分为中孔和底孔；按布置的层数又分为单层和多层。5.1.1有压泄水孔设计坝体在内水压力作用下可能会出现拉应力，因此孔壁需用钢板衬砌。此次设计中发电孔设计为有压孔，灌溉孔设计为无压孔，利用发电尾水供水，发电孔进口设置拦污栅和事故闸门，工作闸门布置在出口，孔口断面为圆形，发电孔共设置两条，为单元供水方式。孔底距水面的高度可取通过最大流量不掺气水深的30%50%，孔顶的高程为1951.95m。孔径的确定孔径D的拟定可依据下式:（式5-1）式中——每个发电孔引取的流量，；——孔内的允许流速，m/s，对于发电孔=5.0~6.0m/s。最大发电流量Q==1.17m3/s，共设两台发电机组。=6m/s时=5m/s时，取D=0.64m。进水口体形设计进水口体形应满足水流平顺、水头损失小的要求，进口形状应尽可能符合流线变化规律。此次设计采用1/4椭圆曲线三向收缩的矩形进水口。椭圆方程为：（式5-2）式中a——椭圆长半轴，圆形进口时，a为圆孔直径；矩形进口时，顶面曲线a为孔高h，侧面曲线a为孔宽B；b——椭圆短半轴，圆形进口时，b=0.3a;矩形进口时，顶面曲b=(1/3~1/4)a，侧面曲线b=a/5。由于孔口断面为圆形，a=0.64，b=0.183m。则曲线方程为：进口底缘采用平底，进水口草图如图5-1所示。图5-1有压进出水口草图渐变段有压泄水孔孔身断面为圆形，进口闸门处为矩形，在进口闸门处需设置渐变段，以便使水流平顺过渡，防止负压和空蚀的产生。渐变段可采用在矩形四个角加圆弧的办法逐渐过渡，其长度为（2~3）D，取1.5m。出水口有压泄水孔的出口控制着整个泄水孔内水压力状况，为避免空蚀破坏，将出口缩小以增加孔内压力。根据工程经验采用1:10的压坡段，出口断面积为孔身面积的85%~95%。孔身断面面积=0.322m2，出口断面=0.274~0.306m2，出口断面为矩形，尺寸为0.5m×0.6m，面积=0.30m2。通气孔和平压管为减小检修闸门的启闭力，在检修闸门和工作闸门之间设置与水库相连通的平压管，闸阀设在廊道内。通气孔的断面积一般取0.05%~1.0%的泄水孔断面面积，同时大于平压管的过水断面面积，此处取d=0.4m，通气孔的下端应尽量靠近闸门之后的最高位置，上端进口必须与闸门启闭室分开。水力计算水力计算的任务：验算泄流能力以及孔内的压力分布。泄流能力计算按管流公式：（式5-3）式中——流量系数，当压力短管长度不超过10倍孔高时，有闸门槽时=0.8～0.85，无闸门槽时=0.9～0.95。本设计取0.85。——泄水孔孔身和出口断面面积，m2；——库水位与出口水面之间高差，m；代入数据得。5.1.2无压泄水孔的设计无压泄水孔在平面布置上宜为直线，其过水断面多为矩形，它由压力短管和明流段组成。无压泄水孔工作闸门布置在进水口，工作闸门后的孔口顶部升高，形成无压流。关闭闸门后，孔内无积水，对坝体的防渗有利。泄水孔的衬砌，一般根据内外水压力、孔口尺寸、受力条件、孔内流速、含沙量、运用条件等因素来确定，一般要求混凝土有一定的强度和抗虫耐磨性能。无压泄水孔的进水口指工作闸门前的压力短管部分，它由进口曲线段、检修闸门槽、压迫段组成。孔身设计成城门洞形，拱脚距水面的高度可取不掺气水深的20%～30%。孔顶的高程为1968.60m。进口曲线段进口段曲线常采用1/4椭圆曲线。椭圆方程为：式（5-4）底板曲线：a=H=0.8m，b=H/3=0.27m。曲线方程为：顶板曲线：a=B=0.9m，b=（1/5~1/3）B=0.3m。曲线方程为：压坡段进口曲线段后接一段直线压坡段，压坡段坡度取1:4，长度为3m。明流段设计为使水流平顺，工作闸门后的明流段的底坡设计为抛物线形，其方程为：（式5-5）式中——工作闸门处的作用水头，m；——孔口流速系数，一般为δ=0.90～0.96。代入数据得。水力计算无压泄水孔的泄流能力也按公式5-3计算。代入数据得=5.2孔口设计泄水方式的选择为了使水库具有较大的超泄能力，采用开敞式孔口。洪水标准的选择所给基本资料可知，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为千年一遇。设计流量的确定设计情况下，溢流坝的下泄流量为760m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为1150m3/s。单宽流量的选择坝址处基岩比较完整，河宽30~40m，综合枢纽布置和下游消能防冲要求，单宽流量取。孔口净距和溢流坝长度的拟定本枢纽中，溢流坝的尺寸大概如下：由资料可得设计洪水位最大泄流量为760m3/s，校核洪水位时最大泄量1150m3/s，孔口净宽计算如表5-1。计算情况流量Q（m3/s）单宽流量q[m3/（s.m）]孔口净宽B（m）设计情况76050～1007.6～15.2校核情况115050～10011.5～23.0表5-1孔口净宽计算表根据以上计算，净孔宽取12m，每孔尺寸宽约4m，共需3孔。中墩和边墩厚取2m横缝设在每个溢流孔中间。故每个溢流段的宽为6m。总溢流段宽为6×3+2=20m。堰顶高程的确定初拟侧收缩系数，流量系数。因过堰水流为自由出流，故，由堰流公式计算堰上水头H0，计算水位分别减去相应的堰上水头即为堰顶高程。计算成果如表5-2。计算情况流量m3/s侧收缩数流量系数孔口净宽m堰上水头m堰顶高程m设计情况760.000.950.502129.561975.69校核情况1150.000.950.5021212.641973.33表5-2堰顶高程计算表根据以上计算，取堰顶高程为1973.33m。闸门高度计算闸门的高度：门高=正常高水位堰顶高程+门高=1985.251973.33+0.1=12.02m定型设计水头确定堰上最大水头：=1985.901973.33=12.57m定型设计水头为：=(75%~95%)取定型设计水头的选择及堰顶可能出现的最大负亚值见表5-3。0.750.7750.800.8250.850.8750.900.951.0最大负压值(m)0.5Hd0.45Hd0.4Hd0.35Hd0.3Hd0.25Hd0.2Hd0.1Hd0.0Hd表5-3堰顶最大负压表由=0.9查上表得<3～6m，满足《规范》要求。5.3溢流坝剖面拟定5.3.1设计要求溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体形简单，造价低，便于施工。5.3.2坝顶曲线段溢流坝顶顶部曲线是控制流量的关键部位。顶部曲线的形式常用的有克-奥曲线和WES曲线，由于WES坝顶面曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量较省施工方便，所以设计采用WES曲线。原点上游用椭圆曲线，其方程式为：（式5-6）式中：和分别为椭圆曲线的长轴和短轴—定型设计水头—取0.28～0.30，在此取—取，则故：椭圆曲线的长轴上游椭圆曲线方程式为：，坐标计算如下表5-4。x-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0-2.4-2.8-3.2-3.28y0.0140.0580.1330.2440.3980.6110.9201.4991.920表5-4上游曲线坐标计算表5.3.3堰顶下游段堰面曲线由混凝土重力坝设计规范DL5108-1999，堰顶下游段堰面曲线可采用下列幂曲： （式5-7）式中——为定型设计水头，米，按堰顶最大作用水头的75％～95％计算，设计中取90％，即。——与上游堰面的倾斜坡度有关的参数，本设计中分别取2.0和1.85。——以溢流堰顶顶点为坐标原点的坐标，x以向下游为正，y以向下为正。即：对该方程求导，即可得切点B的坐标，故：，曲线坐标计算如表5-5。x036912151818.86y0.000.4851.7503.7056.3099.53313.37514.562表5-5下游曲线坐标计算表图5-2WES实用堰面曲线图示5.3.4中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取0.6～0.8。中间直线段的坡度通过挡水坝的剖面优化程序选取的，最后取值0.7。5.3.5反弧段反弧半径（1）鼻坎处平均流速的计算根据《混泥土重力坝设计规范》SL319-2018，平均流速的计算公式为：（式5-8）式中——库水位至坎顶的高差：——堰顶流速系数。（式5-9）式中——流能比，适用于=0.040.15 情况；当>0.15时，取=0.95。则（2）鼻坎顶水深根据水力学知识可以用下式计算：（式5-10）式中——鼻坎处的水面宽度，取溢流段宽为20m。（3）反弧段半径R的确定对于挑流消能的计算公式为：（式5-11）挑坎高程工程中一般采用下游最高尾水位以上1～2m，由于下游最高尾水位为1910.00m，所以挑坎高程定为1912.00m。挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程减小。同时入水角增大后，冲刷坑深度增加；另外，随着挑角增大，开始形成挑流得能量，即所谓起挑能量也增大。θ一般在150～300之间，在此取250。反弧段坐标确定圆心距坝底距离：图5-3溢流坝剖面计算简图圆心距C点距离：可得圆心的坐标为(61.20，45.02)。求得反弧段与斜面切点坐标为D（46.45，55.34）。堰顶突出部分的计算根据下游曲线方程，可求出理论B点坐标为（18.86，14.56）。水平突出长度：突出竖向长度：根据规定，其突出部分高度应大于，即，本设计取5.4消能防冲设计由于工程所在地地基岩性很好，抗冲能力强，且水头很高，参考已建工程由DL5108-1999第7.1.6条：消能型式应根据地形地区条件、枢纽布置、运行条件、下游水深及消能防冲要求等综合考虑，并通过经济技术比较选定。由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。《水工建筑物》及《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-2018）可知消能的设计原则是：1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转；4）结构简单，工作可靠，工程量小。5.4.1确定消能形式挑流消能挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散，并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后，形成强烈的旋滚，并冲刷河床形成冲坑，随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚，大部分能量消耗在水滚的摩擦中，冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省，结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免，一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。底流式消能底流消能是在坝址下游设消力池，消力坎等，促使水流在限定范围内产生水跃，通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.底流消能具有流态稳定，消能效果好，对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点.但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道，高坝采用底流消能需经论证。面流式消能面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。消力戽消能消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。最终确定消能型式分析比较以上消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况。决定选用挑流消能。挑流消能是利用泄水建筑物出口处的挑流鼻坎将下泄水流抛向空中，然后落入离建筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。由DL5108-1999第7.1.2条：挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证选用，当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构，可能形成临应面时，不宜采用。设计工程地基地质条件较好，故选用挑能消能。5.4.2挑流消能设计挑流消能设计内容包括：选择合适的鼻坎形式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度，计算各种泄量时的挑射距离和最大冲坑深度。从大坝安全考虑，希望挑射距离远一些，冲刷坑浅一些。鼻坎形式及鼻坎高程的确定挑流鼻坎形式很多，主要有扩散坎、连续坎、差动坎，斜挑坎等。其中斜挑坎结构简单，易于避免发生空蚀破坏；急流在挑流鼻坎前可获得均化