混凝土重力坝枢纽施工组织设计

前 言关键词：重力坝 剖面 稳定 应力 细部构造 地基处理本次设计内容为河南南潘家口水利枢纽，坝型选择为混凝土重力坝，坝轴线选择和枢纽布置见1号图SG-01潘家口水库平面图所示。整座重力坝共分53个坝段，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。其中非溢流挡水坝段每坝段宽15米，分布于大坝两端；厂房坝段每段宽16米，布置在靠近右岸的主河床上，装机3台机组；底孔坝段每段宽22米，布置在厂房坝段左侧的主河床上；溢流坝段每段宽18米，布置在滦河主河床上。详见1号图SG-02下游立视图。挡水坝段最大断面的底面高程为128米，坝顶高程为228米，防浪墙高1.2米，最大坝高为101.2m，属高坝类型。坝顶宽12米，最优断面的上游坝坡坡率为1:0.2，上游折坡点高程为181米，下游坝坡坡率为1:0.7，下游折坡点高程688.98英尺，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126米，堰顶高程210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25.0米，鼻坎高程取159米，上游坝坡坡率取1：0.2，折坡点高程为181米，上游坝面与WES曲面用1/4椭圆相连，详细情况见1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，敬请读者批评指正。编者2008.9目 录第一部分设计说明书第一章 潘家口混凝土重力坝枢纽基本资料2 一、枢纽概况及工程目的2 二、设计基本资料（参见附录一）2 附录一3 附录二 水市库规划及建筑特性指标12第二章 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较14 第一节、坝轴线选择14 第二节、坝型选择17 第三节、枢纽布置方案20第三章 坝工设计26 第一节、挡水坝剖面设计26 第二节、挡水坝剖面设计28 第三节、溢流坝剖面拟定33 第四节、挡水坝稳定计算43第四章 细部构造设计56 第一节、坝顶构造56 第二节、分缝止水56 第三节、混凝土标号分区58 第四节、排水60 第五节、廊道系统61第五章 地基处理63 第一节、清基开挖63 第二节、防渗措施64 第三节、断层破碎带的处理66 第四节、软弱夹层处理67第二部分计算书 表1 设计水位作用情况设计值计算表 69 表2 荷载计算表（设计水位情况）70 表3校核水位作用情况设计值计算表 71 表4 荷载计算表（校核洪水位情况）7280 / 84第一部分设计说明书第一章 潘家口混凝土重力坝枢纽基本资料 一、枢纽概况及工程目的： 潘家口水库位于河北省唐山市和承德市两地区交界处，坝址位于迁西县洒河桥上游十公里扬查子村的栾河干流上。控制流域面积3.37万km2，总库容为25.5亿m3。 水库枢纽由主坝、电站及泄水底孔等组成，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业用水和城市人民生活用水，结合引水发电。并兼顾防洪，要求：尽可能使其工程提前受益，尽早建成。 根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽定为一等工程，主坝为级建筑物，其它均按级建筑物考虑。 二、设计基本资料(参见附录一)： 设计任务和基本要求： (一)设计任务： 1、根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用进行坝线、坝型的选择，枢纽布置方案比较通过初步分析确定。绘制枢纽平面布置及下游立视图。 2、进行溢流坝的剖面设计，内容包括：拟定断面，水力计算稳定应力分析等，并绘制设计图纸。(采用可靠度理论法、编程序计算) 3、进行非溢流坝的剖面设计，内容包括：拟定挡水坝剖面，稳定应力分析等，并绘制设计图。(采用可靠度理论法、编程序计算) 4、进行细部构造设计和地基处理设计，包括：混凝土标号分区、分缝、止水、廓道、排水以及开挖、清理、灌浆、断层处理等，并绘制有关设计图。 5、设计绘图要求结构合理、工艺性好、表达完整清晰，符合GB规定，体现CAD绘图能力。 (二)选作内容：根据设计者完成设计任务的具体情况，可选作导墙、廓道、闸墩、工作桥等结构设计内容，包括：结构计算、配筋计算和绘制设计图纸。 根据设计基本资料，确定导流设计标准及导流时段，并进行导流方案比较。通过论证和计算，选定施工导流方案。编制控制性的施工总进度计划，并绘制施工导流程序图。 (三)基本要求： 1、设计者必须发挥独立思考能力，创造性的完成设计任务，在设计中应遵循技术规范，尽量采用国内外的先进技术与经验。 2、设计者对待设计计算绘图等工作，应具有严肃认真一丝不苟的工作作风，以使设计成果达到较高水平。 3、设计者必须充分重视和熟悉原始资料，明确设计任务，在规定的时间内圆满完成要求的设计内容，成果包括：设计说明、计算书各一份、设计图纸4张。附录一潘家口水库混凝土重力坝毕业设计基本资料 一、水文分析： 1、年径流：栾河水量较充沛，潘家口水文站多年平均年径流量为24.5亿m3，占全流域的53%。年内分配很不均匀，主要集中汛期七、八月份。丰水年时占全年5060%，枯水年占3040%，而且年际变化也很大。 2、洪水：多发生在七月下旬至八月上旬，有峰高量大涨落迅速的特点，据调查，近一百年来有六次大洪水。其中1883年最大，由洪痕估算洪峰流量约为2440027400 m3/s，实测的45年资料中最大洪峰流量发生在1962年为18800 m3/s。洪峰历时三天左右，由频率分析法求得：几个重现期所对应的洪峰流量值（见下表 表一、表二所示）。 表一项目千年一遇洪水流 量万年一遇洪水流 量千年一遇三天洪 量万年一遇三天洪 量指标40400m3/s59200m3/s26.1亿m345.4亿m3表二重 现 期(年)102050100洪峰流量(m3/s)7520117001780022800三日洪量(亿m3)8.0611.416.019.7枯水期洪水过程线表三 时段：9月1日至次年6月30日 频率：5% 日 期月、日、时流 量m3/s日 期月、日、时流 量m3/s日 期月、日、时流 量m3/s6.16.2656.17.24906.18.244047248804430672610106420879877284001079107301039012861269012380141231466014360161231661016350181301856018330201372052020310221882249022300242312445024280表四 设计洪水过程线表 流量：米3/秒重现期(年)日期1020501007.25.2871201952215110180300340825437857666311604117012901460141504183019002290171860263037504510203790537076509200235210735010450126007.26.260008150116001400056800883012000152008723011400162001960011722011700178002280014734010400148001780017543077001100013200表四续表 设计洪水过程线表 流量：米3/秒重现期第日期1020501907.26.2037805350762091602328604040576069407.27.2210029604220503051670236033604050814402080291035001113001840262031501422701700235028401712501680220026002011001600205025002310501580183021007.28.21000145017002050595013501600188089001150155018501187011001500180014850104514501700178201000140016703、泥沙：本流域泥沙颗粒较粗，中值粒径0.0375mm，全年泥沙大部分来自汛期七、八月份，主要产于一次或几次洪峰内且年际变化很大，由计算得，多年平均悬移质输沙量为1825万t多年平均含沙量7.45kg/m3。推移质缺乏观测资料。可计入前者的10%，这样总入库沙量为2010万吨。淤砂浮容重为0.9t/m3，内摩擦角为12。 二、气象： 库区年平均气温为10左右，一月份最低月平均气温为零下6.8，绝对最低气温达零下21.7(1969年)；7月份最高月平均气温25，绝对最气温高达39(1955年)，多年平均气温见下表（表五）。表五 多年平均气温、水温表 单位：月份123456789101112气温-6.8-3.43.5512.1119.1422.8625.1124.016.6710.202.85-4.4水温10.417.121.424.623.618.511.63.4 本流域无霜期较短(90180天)，冰冻期较长(120200天)，潘家口站附近河道一般12月封冻，次年3月上旬解冻，封冻期约70100天，冰厚0.40.6米，岸边可达1米。流域内冬季盛行偏北风，风速可达七、八级，有时更大些，春秋两季风向变化较大，夏季常为东南风，多年平均最大风速为21.5m/s，水库吹程D=3km。 流域内多年平均降雨量约为400700mm，多年平均降水天数及降水量见表六：月 份123456789101112降水天数月 平 均1.72.53.64.66.711.015.512.67.147.32.61.1最多天数599811172120141154最少天数000111451000降水量毫米月平均1.45.68.225.739.089.1277.3215.268.830.19.22.0最大4.833.524.274.291.3217.8548.5462.8181.976.1134.611.4最小0000.912.520.0101.194.21.7000表六 多年月平均降水天数及降水量表 单位：mm三、工程地质： 1、库区地质：潘家口水库、库区属于中高山区，河谷大都为峡谷地形，只有西城峪至北台子一带较为宽阔，沿河两岸阶地狭窄，断续出现且不对称，区域内无严重的坍岸及渗漏问题。2、坝址地质：（1）地貌：坝址位于扬查子村南300m处，为低谷丘陵地区，两岸相对高差不大，河谷开阔，宽约600m上下游两公里范围内，河道顺直主河槽位于右岸，河床高程137m左右。枯水期河床宽约100m，由于受河流侧向侵蚀两岸地形不对称。右岸坡度较陡约60左右，左岸较缓约20，河床中除漫滩外，左岸还有三级阶地发育，一、二级阶地高程自140m160m。三级阶地与缓坡相接直达山顶。覆盖层厚度为712m的砂砾卵石冲积层。（2）岩性：坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四纪松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉，坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况可分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六层因受地形限制建坝工程很大。第四大岩层(Ar I 4)为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好，总厚度185m左右。 3、构造：坝址处虽然断层、裂隙较多，但大部分规模较小对工程影响不大，其中F2、F5、F11、f26、f27、f28断层对坝体有一定影响，以上各断层的特性由下表（表七）所示。所在部分参见构造分析图。 表七 各断层的特性表编号走向倾向及倾角宽度(m)性质对建筑物的影响F2北东85西北275南70802.512.5压扭 长约200米一段靠近上游坝锺。对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响。F5北东20度南东30度18.0张扭 位于溢流坝段自上游向下游斜贯23个坝段降低岩层力学强度。影响完整性和均一性。F11北东10度南东75度1.52.5张扭 F11与f26两断层相距近而交汇，位于溢流坝处斜惯两个坝段且交汇带靠近下游侧又与F(压扭性)相关，对基础力学强度影响较大。f26北东16度南东75度0.31.2张扭f27北西320度北东80度0.30.6张扭 f27与f28两断层相距也较近之间有一号岩脉并与坝体成53度夹角相交，斜穿56个坝段，对坝体有影响地段达120米。f28北西320度北东75度1.3张扭4、水文地质：坝基的透水性总的看来不大，但不均一，主要决定断裂发育程度和性质，在平面上，一级阶地基岩透水性大于其它地貌单元。从垂向上看河谷内单位吸水量小于0.01公升/分的顶板在83m105m高程其间之透水层厚度为4050m，若除去开挖部分厚度将更薄一些，两岸透水层应以天然地下水位为下限，一般都大于50m，具体参见地质剖面图。 5、岩石物理力学性质：岩石容重为2.682.70t/m3，饱和抗压强度，弱风化和微分化岩石均在650kg/cm2以上，有的可达1100 kg/cm2，混凝土与岩石的磨擦系数微分化及弱风化化下部，可取f=1.10、c=7.5kg/cm2。 6、地震：库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁。弱震仍不断发生，其中1936年和1976年两次发生6度左右地震，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区域地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为7度，考虑到枢纽的重要性，和水库激发地震的可能性拦河坝设防烈度采用8度。 四、当地建筑材料：坝址附近主要砂石料场有七处，储量足以建坝，各料场的物理性质、试验指标，基本满足技术要求，可作大坝混凝土骨料使用。且无大量的粘性土及砂壤土料，可供围堰防渗材料之用。 五、交通条件： 对外交通在右岸，公路、铁路均距坝址较近，略加修改或扩建即可直通坝址，坝顶无重要交通要求。六、水库水位与库容关系曲线及淤积年限见下表：（表八） 表八 水库水位与库容关系曲线及淤积年限表水库水位(米)天然库容(亿立米)三角洲法万氏法淤 积 年 限十年二十年五十年五十年136.000000150.00.310.210.1000160.01.030.870.650.190170.02.362.131.861.030180.04.464.163.852.710.04190.07.407.016.535.001.23200.011.2510.639.837.764.23210.016.0916.0614.0111.078.94220.022.0020.5019.2015.4014.83230.029.1927.6526.2822.1022.02坝前淤积高程(米)141.2144.0153.8177.5七、效益： 水库建成与下游大黑汀、邱庄、陡河等水库联合运用，承担多年调节作用，在保证率P=75%时，可调节水量20.05亿立米，计划年补给工业及城市生活用水7亿立米，并可灌溉农田一百余万亩，达到遇旱有水、电站装机3台，总容量18万千瓦，平均年发电量3.45亿度。表九 潘家口水库水位库容关系表水 位(米)库 容(亿立米)水 位(米)库 容(亿立米)水 位(米)库 容(亿立米)136.00164.01.50192.08.10139.00.01166.01.78194.08.90141.20.03168.02.10195.09.20143.00.07170.02.36200.011.25145.00.11172.02.75210.016.09147.00.19174.03.20220.022.00148.00.22176.03.60150.00.31178.04.00152.00.42180.04.46154.00.55182.05.00156.00.70184.05.65158.00.85186.06.20160.01.03138.06.90162.01.20190.07.40八、淹没损失： 库区淹没范围包括河北省承德唐山两地区的四个县(兴隆、宽城、承德和迁西)，十一个公社四十一个大队，迁移人口20700人，淹没土地33400亩，房屋19100间，公路25km。 注：移民迁建标准：经领导审查决定清河唐(距坝线约40km)以下库区段按正常高水位加风浪浸没安全2m定淹没线，清河唐以上按计入淤积后以1962年洪水(相当于50年一遇)的回水线作为移民线，以五年一遇洪水的回水线作为土地征用线。九、本工程由水电部某工程局施工，机械化程度较高。施工作业天数，根据本地区气温及降雨等自然条件统计如表十。表十 全年有效施工天数统计 季项目合计月123456789101112混凝土浇筑81119272724202125262815251土料填筑0013252420131723252710197其它工程202224272724202126262825289 十、工期：按施工组织设计得知，工程总工期为8年。 十一、其它： 施工期下游无供水要求，无须考虑通航、过木问题。附录二水库规划及建筑特性指标项 目单 位指 标备 注水位校核洪水位米227.2设计洪水位米224.7p=0.01%正常蓄水位米224.7p=0.1%汛期限制水位米216.0死水位(发电)米180.0校核洪水位尾水位米156.8设计洪水尾水位米152.0正常尾水位米138.4库容总库容亿立米25.5计入十年淤积调洪库容亿立米7.4兴利库容亿立米19.5共用库容亿立米5.6死库容亿立米4.2计入十年淤积坝 型混凝土重力坝坝顶高程米228.0最大坝高米103.0坝顶长度米1024.0坝顶溢孔数孔19堰顶高程米210.0每孔净宽米15.0工作闸门尺寸米米1515弧形钢闸门启闭机(270吨)台19固定式卷扬机设计洪水下泄能力米3/秒32300校核水位下泄量42900限泄275003项 目单 位指 标备 注泄水孔进口底高程米160.0底孔数目孔4工作闸决议尺寸(宽高)米米57弧形钢闸门启闭机台4设计水位泄水能力米3/秒4340校核水位泄水能力米3/秒4430电站引水管道引水管道进口底高程米170.0三条引水管管线长度米121.0管 径米5.0最大引水流量米3/秒104每条引水道工作闸门扇米米357平板钢闸门工作闸门启闭机台324070吨液压平板检修门米米58.5式共用一扇检修门启闭机台1400/25吨门机电站主厂房尺寸(长宽高)米米米7219.139.机组间距米16水轮发电机组台3装机容量万瓦36=18水轮机型号HL702-LJ330额定出力万瓦6.18发电机型号TS-750/19036额定出力万瓦6.0主要压器型号SSPL-80000/220输电线电压千伏220共3台 如遇千年一遇洪水，水库最大泄量与区间同频率洪水相遇将超过大黑汀水库的千年一遇设计洪水。为此需要控制下泄流量而不超过27500立米/秒以符合大黑汀水库设计标准。第二章 坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较 坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系。在选择坝址/坝型和枢纽布置时，不仅要研究枢纽附近的自然条件,而且需要考虑枢纽的施工条件，运行条件，综合效益，投资指标以及远景规划等，这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。不同的坝址适用于不同的坝型和枢纽布置，所以选择坝址、坝型要同时做出枢纽布置。针对不同坝址做出不同坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，最后选定较为理想的坝轴线位置及相应的坝型和枢纽布置。第一节 坝轴线的选择坝址和轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的。就地形而言，坝址一般以选在狭窄河谷处，节省工程量；但对于一个具体的枢纽来说，必须从各个方面综合考虑：是否便于布置泄洪、发电建筑物，是否便于施工导流，技术可行，经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一，对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基。但理想的天然地基很少，因而在选择坝址时应从实际出发，针对不同的情况采取不同的地基处理方式，来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件，同时应考虑两岸的地质因素，使库区及两岸边坡有足够的稳定性，以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势来说，坝址要选在河流顺直段，靠近坝址上、下游河流如有急湾最不利 ，应予避免；枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚，并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些；水库周缘应没有难处理的缺口。通过对潘家口水库坝址区域基本地质、地形等资料的研究和分析，确定要选择合理的坝轴线，必须具备以下四个原则：一、坝基全部坐落在第四大岩层上 根据潘家口水库地质基本资料知：坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩，其次为第四纪松散堆积物，以及不同时期的侵入岩脉，坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况可分为六大层，其中第一、四、六层岩性较好，但第一、六层因受地形限制建坝工程很大，而第四大岩层(ARL4)为角闪斜长片麻岩，具有粗粒至中间细粒纤状花岗岩变晶结构，主要矿物为斜长石、石英及角闪石，本层岩体呈厚层块状，质地均匀，岩性坚硬，抗风化力强，解理裂隙较少，透水性小工程地址条件好，总厚度185m左右，其特性均满足建坝要求，故坝基建在第四大岩层之上，有利于坝体稳定。二、左岸与第三大岩层保持一定距离从“坝址河谷段构造分析图”中，可知：第四大岩层，自右岸至左岸逐步向北偏移，且宽度略变窄，若坝轴线垂直水流方向直接伸向左岸，则坝轴线将与第三大岩层相接。由地质资料可知：第三大岩层较软弱，不宜建坝，故坝轴线需偏移，使之与第三大岩层保持一定距离。根据地质剖面资料分析，坝轴线在左岸时向上游推移，避开软弱的第三大岩层，为以后坝体的稳定运行作好基础。三、避开大的断层F2由坝址河谷段构造分析图可知：坝址处虽然断层裂隙较多，但大部分规模较小，对工程影响不大。其中F2断层最大，它走向为北东85-西北275，倾向南，倾角70-80，宽度2.5-12.5m，属压扭断层。长约200m，一段靠近上游坝踵，对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响，故坝轴线应该避开F2断层，并保持一定距离。四、避开右岸不稳定岩体由坝址河谷段构造分析图可知：在右岸F2断层的上方有一块由ALI5和Qpl组成的不稳定的岩体，而库区附近历史地震活动较为频繁，近年来微繁，弱震仍不断发生。由此，坝轴线需避开右岸陡岸的局部不稳定岩体，在右岸向上游方向折弯，对大坝日后的安全有利。综上所述：为同时满足坝基坐落在第四大岩层上，左岸与第三大岩层保持一定距离，右岸避开不稳定岩体，河床部位使上游坝踵避开F2断层四个选择坝轴线的基本原则。另外，左岸为避开F2断层向下游偏移，右岸的下游多为破碎带，故向上游偏移，致使坝轴线倾斜，偏离两岸山头；为了节省工程造价，减少工程量，使两岸坝轴线弯折，右岸（西）为避开不稳定岩体需做一圆弧，延伸至山头，左岸（东）则折线延伸至山头；由此，水流方向与坝轴线斜交，虽然会产生横向水流，对坝体，岸坡有影响，但水库蓄水后，库容较大，致使坝前水流流速几近为零，这样受到横向水流影响就很小，故此坝轴线选择合理可行。根据地质构造图对坝轴线有以下要求：1、坝基应全部座落在第四大岩层（Ar14），第四大岩层为角闪斜长石，石英及角闪石，本岩体成厚层块状，质地均一，岩性坚硬，抗风化能力强，工程地质条件好，总厚度185米左右，适宜建坝。2、坝线应避开大的节理和断层，并保持一定距离，由坝址河谷段构造分析图，河谷上游有一大的断层破碎带F2，走向北东850西北2750，倾向及倾角为南70800，宽度2.512.5m，为压扭性断层，对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响，坝体应避开，坝轴线可向下游移动。3、河岸右岸有不稳定岩体，坝线布置应避开，保证右坝肩稳定，因此右岸坝线应向上游移动。4、河谷左岸有第3大岩层分布，其岩性比较软弱，应避开，所以左岸坝线应向上游移动。5、因受以上条件限制，坝线如果采用直线，将不能通过两岸山头，若要满足挡水要求，工程量将很大，材料用量多，为此，将坝轴线两岸段用弯折线或圆弧与两岸山头相连，即左岸向下游折向，右岸向上游圆弧状弯折伸向山体。结论：可见给定坝轴线满足以上要求，坝轴线选择是合理的。第二节 坝型选择一、综述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。二、坝型选择方案（一）土石坝土石坝又称当地材料坝，是历史最为悠久的一种坝型。土石坝主要分为：均质坝、心（斜）墙坝、土石混合（堆石坝）坝等。1、土石坝优点（1）可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，减少工地的外线运输量，几乎任何土石料均可筑坝。（2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。任何不良的坝址地基，经处理后均可筑坝。（3）大容量、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度，降低了造价，促进了高土石坝的发展。（4）由于岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。（5）土石坝适应地基变形，施工方便，而且我国拥有丰富的建坝经验。土石坝与砼坝相比，其造价为砼坝的1/10，工程量为砼坝的4倍，由此可见土石坝经济性优于砼坝。2、缺点由所给潘家口水库基本资料可知，坝址附近主要的砂石大料场有七处，且储量足以建坝，各料场的物理性质、试验指标，基本满足技术要求，可作为大坝混凝土骨料使用。从材料方面看可以建土石坝。但土石坝有它本身的特点，就是坝身不能过水，泄水建筑物需另设溢洪道。由本枢纽基本资料知，两岸均为高山，山峰绵绵，没有崖口，没有合适地形布置溢洪道，因此，从这方面看，不宜建土石坝。由于坝址附近无大量的粘性土及砂壤土料，只可供应围堰防渗材料之用。不能满足土石坝所需的大量粘性土和砂壤土料，因此，从这方面考虑，此处建设土石坝条件不足。综合上述优缺点，故本次设计不采用土石坝，而采用混凝土坝。（二）混凝土坝如果选择砼坝应考虑采用拱坝、支墩坝还是重力坝，1、拱坝优缺点优点：拱坝是高次超净定空间整体结构，坝体的稳定性主要依靠两岸拱端山体反力作用来维持，并不全靠坝体自重来维持。由于拱是一种主要承受轴向压力的推力结构，拱内弯矩较小，应力分布较均匀，有利于发挥材料的强度，从而坝体厚度可以减薄，节省工程量。拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1/32/3，从经济意义上讲，拱坝是一种很优越的坝型。且较好的超载能力可达设计荷载的511倍，具有很强的抗震能力。缺点：建筑拱坝要求河谷的宽高比小于4.5，由水库坝轴线工程地质剖面图量得河谷长为820米，高87米，L/H4.5，为宽浅形河道，不宜修建拱坝；而且拱坝对坝肩的岩体要求坚固完整，但从坝址河谷段构造分析图可发现河谷左岸有大的断层，右岸又存在一个滑坡体，也不宜选择拱坝；理想的拱坝地形应是左右岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷段。而此坝址处河段顺直，两岸由于受断层、软弱地带的影响，坝轴线为折线形，不适宜建拱坝。综合上述，本坝址处不适宜建混凝土拱坝。2、支墩坝优缺点优点：支墩坝，自重较轻，坝体工程量小，其中连拱坝与平板坝可节省1060工程量；支墩可随受力情况调整厚度，能充分利用圬工材料的抗压强度；节省坝基开挖量和固结灌浆工作量，可加快施工速度；由于坝体较薄，施工散热条件较好。缺点：支墩本身单薄，侧向刚度比纵向刚度低，在遭遇垂直水利流向的地震作用时，抗震能力明显低于重力坝；支墩的应力较大，对地基要求比重力坝高；施工期坝体对温度变化较敏感，容易产生裂缝；模板较复杂且用量较大，混凝土标号要求高，单方混凝土钢筋用量多，施工存在难度；而且支墩坝有一个致命的缺点，抗压性差，据资料显示库区附近历史上地震活动较为频繁，1977年6月国家地震局地震地质大队对本区与地震问题作了鉴定，水库的基本烈度为7度，考虑到枢纽的重要性和水库激发的地震的可能性，拦河坝设防烈度采用8度，基于此种情况，当地是不能选用支墩坝的。综合上述，本坝址处不适宜建支墩坝，适宜选择重力坝坝型。3、重力坝重力坝坝身可以过水，对地形地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，可以大型机械化施工，施工速度快，故本枢纽选择重力坝坝型。重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。需对三种坝型进行比较做出结论：（1）宽缝重力坝优缺点：宽缝重力坝，坝体设置宽缝后，坝基的渗透水可自宽缝排出，减小了渗透压力，但宽缝坝增加了模板用量，立模也较复杂，分期导流不便，而且由资料可知当地无霜期较短（90180天）冰冻期较长（120200天），对宽缝坝需要采取保温措施，工程造价大大增加且不能大型机械化施工，工期较长，因此不宜选用宽缝重力坝。（2）空腹重力坝优缺点：空腹坝与实体坝相比具有以下优点：1）由于空腹下部设底板，减小了坝底面上的扬压力，可节省坝体砼方量20%左右；2）减小了坝基开挖量；3）坝体前后腿嵌固于岩体内，有利于坝体的抗滑稳定；4）前后腿应力分布均匀，坝踵压应力较大；5）便于砼散热；6）坝体施工可不设纵缝；7）便于监测和维修；8）空腹内可以布置水电站厂房。缺点有：1）施工复杂；2）钢筋用量大；3）如在空腹内布置水电站厂房，施工干扰大，基于以上缺点，将难以进行大型机械化施工，不能实现机械化程度较高的快速施工，选此坝型不够经济合理。因此不适宜建空腹重力坝。（3）结论实体重力坝由于结构简单，安全可靠，对地形、地质条件适应性强，枢纽泄洪问题容易解决，便于施工导流，可以大型机械化施工，施工方便且速度快，结构作用明确，适合建高坝。基于以上各种坝型的比较分析，本水库采用砼重力坝较为合理。第三节 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。一、综述潘家口水利枢纽的主要任务是调节水量，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。枢纽功能及其相应的水工建筑物，潘家口水库枢纽的主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业城市人民生活用水，结合引水，并兼顾防洪。因干流水量年内分配很不均匀，汛期主要集中在七、八月份，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18万千瓦，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。枢纽布置主要应考虑：厂房段，底孔段，溢流坝段，挡水坝段的布置。二、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。三、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。但有时受地质和地形条件的限制，可将坝轴线布置成折线，本枢纽即是如此。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。本枢纽中，溢流坝的尺寸大概如下：由资料可得万年一遇洪水流量为59200m2/s，假设单宽泄水流量为200m2/s，需净宽约300m的溢流孔，每孔尺寸宽约15m，共需20孔，假如泄洪时，底孔开启辅助泄洪，可代替一个溢流孔还需19孔。中墩和边墩厚取3m。横缝设在每个溢流孔中间。故每个溢流段的宽为18m。总溢流段宽为1819+3=345m。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5 m宽7 m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4 m。所以每个底孔坝段的宽度为25+34=22 m，泄洪底孔的总宽为222=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16m，电站厂房坝段总长为48m。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。四、枢纽布置方案比较根据以上考虑，初步拟定以下两种方案：（1）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，本地区主要用电户在右岸方向，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。（2）方案二：电站厂房布置在左岸，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。 （3）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，排冰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，对外交通在右岸，公路、铁路均距坝址较近，略加修改或扩建既可直通坝址，若选择第二方案，因用电户聚集在右岸，需耗费大量电缆，而且电站的安装维修也不便，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。3. 对第三岩层进行特殊处理，以确保安全。从地质剖面图可以看出，为减少电站开挖和便于安装间的布置，将电站坝段设在BK1+006处，底孔坝段设在BK1+054和BK1+118之间，溢流坝坝段直到BK1+472处。开挖线基本上按建议开挖线，最大开挖高程为126.0m。两种方案设计的下游立视图如下：最终选择方案一。第三章 坝工设计第一节 坝工设计综述剖面设计是重力坝设计的重要环节，主要任务是选择一个既要满足稳定和强度的要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面，影响剖面设计的因素很多，如荷载、地形、地质、运用要求、筑坝材料、施工条件等。本次设计首先考虑坝体的主要荷载，按照安全和经济的要求拟定基本剖面，然后根据剖面的设计原则，进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算，校核坝体强度和抗滑稳定性能，反复修改，最后确定经济合理的坝体剖面。重力坝剖面的设计原则是：满足稳定和强度要求，保证大坝安全；工程量小；运用方便；便于施工。重力坝剖面设计包括的主要工作有：（1）拟定剖面尺寸 参照已建成的条件相近的工程，检验和设计工程的坝体要求，或通过简化计算初步拟定剖面尺寸。（2）稳定分析 在持久状况和偶然状况下进行承载能力极限状态稳定计算，保证坝体不至沿坝基面或地基中的软弱结构面产生滑动。（3）应力分析 使坝体应力在承载能力和正常使用极限状态下满足设计要求，保证坝体和地基不产生强度破坏。（4）确定设计剖面 在满足设计原则条件下的经济剖面确定为设计剖面。（5）构造设计 根据施工和运用要求确定坝体的构造，如廊道系统、排水系统、分缝、止水等。（6）地基处理 包括地基防渗、排水、断层破碎带的处理等。混凝土重力坝设计规范（DL51081999）就坝体断面设计的原则作了如下规定：“混凝土重力坝一般以材料力学和刚体极限平衡计算成果作为确定坝段面的依据。”一般采用数学规划和优化设计方法求得最优剖面。本次设计应用材料力学和可靠度理论进行坝体设计。重力坝的基本剖面是指在自重、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，如图31，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。对于完整、坚硬的基岩，f、c值较大，剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制，上游坝坡较陡，甚至可做成倒坡（n0），但倒坡对施工不利，立模浇筑砼存在一定难度，