A江水利枢纽设计说明书

第 1 页 共 43 页摘 要A 江水利枢纽同时兼有防洪，发电，灌溉，渔业等综合作用，水库正常蓄水位 183.5m，设计洪水位 186.8m，校核洪水位 189.68m，汛前限制水位 182m，死水位 164m，尾水位 103.5m。水库死库容 4.80 亿 m3，总库容 10.81 亿 m3。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。A 江水利枢纽的主要组成建筑物有挡水建筑物，主副厂房，泄水建筑物，过木筏道等。挡水建筑物是一变圆心变外半径的双曲拱坝，坝顶弧长 303m，最大坝高100.16m，坝底厚 26m，坝顶宽 8.3m。泄水建筑物由两个浅孔和两个中孔组成：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 8m，高 7m，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 175m，中孔启闭机房高程为 160m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为 119m,浅孔反弧半径为 40m,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=20 o,导墙厚度为 0.5m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8.5m。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。发电机层高程为 114.8m，厂房顶高程 130.5 m，尾水管底高程为90.8m。为防止坝基渗漏，在坝基靠近上游侧进行帷幕灌浆，并且为了减少坝基的扬压力，在灌浆帷幕之后设置排水孔。为了防止混凝土产生裂缝，拱坝坝体设置横缝，横缝面上需设置键槽，以咬合加固，增强坝体的抗剪能力。当底宽在 4050m 以上的拱坝，才考虑设置纵横缝，而本设计中，拱坝坝底宽为 26m，小于 40m，故可不设置纵缝。第 2 页 共 43 页AbstractAjiang hydrocomplex play parts in flood control,water power,irrigation,water conservancy related fisheries,and so on.The reservoir normal water level is 183.5m,design flood level is 186.8m,maximum flood level is 189.68m,flood control level is 182m,dead water level is 164m,and tailwater level of hydropower station is 103.5m.The dead reservoir capacity is 480,000,000m3,and the total reservoir capacity is 1,081,000,000 m3.The hydraulic engineering grade is Grade I.The hydroproject is consist of water retaining structure,power house,auxiliary room,sluice structure,raft sluice,and so on.The water retaining structure is a double curvature arch dam.The length of the axis of crest dam is about 303m.Maximum height of the dam is 100.16m,the thickness of the bottom of the dam is 26m,and the width of the top of the dam is 8.3m.The release structure is comprised of 2 mid-level outlet and 2 short-level outlet.The width of the mid-level outlet is 8m,and the height is 7m;the width of the short-level outlet is 8.5m,and the height is 8m.The upstream and the downstream side of every outlet are a bulkhead gate and a operating gate which is a radial gate.There is a room where a gate hoist is put above every service gate.The two rooms which are above the mid-level outlet service gate are at an elevation of 160 metres,and the other two rooms are at an elevation of 175 metres.The intake of the mid-level outlet is at an elevation of 135 metres,and the intake of the short-level outlet is at an elevation of 164 metres.The type of the power house is at damtoe.The dimensions of the power house and the auxiliary room are 81m18m and 66m10m.The generator floor is at an elevation of 114.8 metres,and the bottom of the draft tube is at an elevation of 90.8 metres,and the intake of hydropower station is at an elevation of 152.3 metres.In case of leakage of the dam foundation,there is grouting curtain at the base of the dam,behind which there are drainage holes which decrease the uplift pressure of the dam foundation.In radial directions there are transverse joints in which there are keys,and because the thickness of the bottom of the dam is smaller than 4050 metres,there is no longitudinal joint.第 3 页 共 43 页目录摘 要 1ABSTRACT.2第一章 综合说明 .51.1 概述 .51.2 工程特性表 .6第二章 设计资料 .72.1 枢纽任务 .72.2 基本 资料 .7第三章 枢纽主要建筑物的型式与总体布置 123.1 工程等级及技术规范设计标准 .123.2 调洪演算及设计基本数据 .123.3 枢纽组成建筑物 .143.4 坝型选择 .153.5 泄水建筑物型式选择 .173.6 厂房及引水系统布置 .173.7 枢纽总体布置 .17第四章 拱坝设计 .184.1 拱坝型式及布置 .18第 4 页 共 43 页4.2 荷载及其组合 .204.3 计算原理和计算步骤 .234.4 应力强度分析(电算,手算) 234.5 坝肩稳定验算 .27第五章 泄水建筑物设计 .295.1 泄水建筑物组成与布置 .305.2 泄槽设计 .305.3 消能与防冲 .315.4 泄水孔口应力及配筋 .32第六章 坝体细部构造及地基处理 336.1 坝体构造与细部结构设计 .336.2 坝基处理 .34结语 35附 表 36参考文 献 .42第 5 页 共 43 页第一章 综合说明1.1 概述一 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，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 183.5m，汛前限制水位为 182m，死水位为 164m，设计水位为 186.8m，校核水位为 189.68m。 电站多年平均发电量为 5.09 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，同时增加灌溉面积 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 100.16m，主体工程量约为 32 万方左右，坝顶宽 8.3m，坝顶长约 303m，坝底宽 26.0m。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。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 8.0m，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 8m，高 7m，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 119m,浅孔反弧半径为 40m,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 =20 o,导墙厚度为0.5m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8.5m。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，起木材最大长度为 10m，大头直径为 100cm。开关站长 75m，宽 20m，位于左岸。第 6 页 共 43 页二 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，拟定地基处理方案和坝身构造，进行水利计算、静力计算。(4)对泄水建筑物（待坝型选定后指定）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 水库特性表正常蓄水位 设计洪水位 校核洪水位 死水位 汛前限制水位183.5 186.8 189.68 164 182表 1-2 枢纽特性表泄水建筑物 厂房拦河大坝浅孔 中孔坝型双曲拱坝 个数 2 2 厂房型式 坝后式坝基地质花岗斑岩 宽 8.5m 8m 主厂房尺寸 8118最大坝高 100.16 高 8m 7m 副厂房尺寸 6610坝顶中心角 104 进口底高程 164m 135m 发电机层高程 114.8m 坝顶外半径 197m 出口底高程 154m 130m 引水钢管进口高程 152.3m 坝顶厚度 8.3m 坎顶高程 117m 117m 引水钢管直径 4.5m 坝底中心角 69 坎上水深 5.455m 6.835m 尾水管底高程 90.8m 坝底外半径 78.2m 反弧半径 40m 50m 厂房顶高程 130.5m 坝底厚度 26.0m 挑射角 20 20 尾水位 103.5m 第 7 页 共 43 页导墙高度 7m 8.5m 发电机台数 4导墙厚度 0.5m 0.5m 单机容量 5 万 kw满载流量 338m3/s安装场尺寸 2118开关站尺寸 2075第二章 设计资料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 5.09 亿度。正常蓄水位 186.8m，汛前限制水位182m，死水位 164m,4 台机满载时的流量 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 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、11700m 3/s 分别削减为 7650m3/s、6650m 3/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，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 基本资料一 自然地理（一） 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，平均坡降第 8 页 共 43 页6.32%0.97%，因河道陡，调蓄水能力低，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。(二) 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 5（1 月份） ，最高气温29（7 月份） 。实测极端最低气温-8.2（1 月份） ，最高为 40.6（7 月份） 。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 1680mm，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。表 2-1 各月降雨量的雨型及日数统计表月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年实际天数 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 310.3-10mm 雨日 3 4 5 7 12 12 10 9 8 7 6 410-30mm 雨日 2 3 4 5 8 9 6 5 4 3 2 130mm 以上雨日 9 1 1 8 5 6 3 2 2 1 0 04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。（1）风向风力：实测最大风速 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。（2）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：TH = (2-1)8.105.845.27HeTc (2-2).2其中：H 为水深。(三) 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第 9 页 共 43 页亿 m3，各频率的月平均量见下表。表 2-2 坝址处月平均流量频率(%)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12多年平均1 116 267 324 490 689 679 346 263 331 102 121 113 1865 78 179 235 364 510 537 352 177 210 73 77 73 15050 21 49 89 141 216 277 78 44 44 26 16 16 9780 8 19 47 73 12 134 22 15 12 13 4 5 7495 2 5 22 36 69 121 5 4 2 6 1 1 5523 65 103 162 215 295 115 61 67 31 24 24 1002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/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5 2087 1772 1367 1367 884 82410 1673 1410 1072 1072 654 59620 1275 1045 784 784 434 3323固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，百年后水库淤积高程 115m，淤沙容量为 8.5kN/m3，内摩擦角 10。(四) 其他：本坝址地震烈度为 7。第 10 页 共 43 页二 工程地质（一) 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。（二） 坝址工程地质：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。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。表 2-4 岩石的物理力学性质表摩擦系数容重（kN/m 3）抗压强度（MPa） 抗剪系数 抗剪断系数岩性或 地质构造干 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27.3 28.1 2.3 210 1902.21040.70 0.75 0.75 1.200.5 基岩与混凝土0.20节理面0.65 0.751.0 基岩内第 11 页 共 43 页相对隔水层离基岩表面深 15m。三 筑坝材料(一) 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。(二) 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。经质量检验，砂石料符合规范要求。坝址处缺乏筑坝的土料。四 库区经济及其它(一) 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。(二) 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，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。第 12 页 共 43 页第三章 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一 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 188.2m，查库容曲线得相应库容为 11.2 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。二 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 30%。三 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一 调洪演算的目的1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。2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第 13 页 共 43 页筑物的孔口尺寸。二 调洪演算的原理先对一种泄洪方案，求得不同水头下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲线，再假定几组最大泄流量，对设计（校核）洪水过程线进行调洪演算，求得这几组最大泄流量分别对应的水库存水量，查水位库容曲线，得出这几组最大泄流量分别对应的上游水位，并作最大泄流量与上游水位的关系曲线。上述两条曲线相交得出一交点，此交点坐标即为设计（校核）情况下的孔口最大泄流量及相应的水库水位，再对其它泄洪方案按同样的方法进行调洪演算，最后选定的泄洪方案孔口最大泄流量应接近并不超过容许值，库水位又相对比较低。三 泄洪方案的选择1调洪方案初选表孔溢流方案：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，需设置泄槽或滑雪道结构，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振动，稳定性不好；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能得以发挥。坝身开孔方案（浅孔方案和中孔方案）：优点是对坝体应力影响不大，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：若同一高程开孔数量多，该层拱圈削弱较多。坝外溢洪道泄洪方案：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。利用导流隧洞泄洪方案：拱坝的施工导流须采用一次断流方案，故施工时需在某一岸开挖导流隧洞，以便坝体施工，为节省工程投资，可将进口段改建成“龙抬头” ，将导流洞改建成泄洪洞，但本工程导流洞长度较短，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，实际并不能有效节省工程投资。依据 A 江水利枢纽的具体情况，全面综合比较以上所述四种方案，坝外溢洪道泄洪方案和利用导流隧洞方案不及采用表孔溢流和坝身泄水孔方案，采用滑雪道结构工程投资远小于修建坝外泄水建筑物的工程投资，故初步选择以下方案进行调洪演算：（1）4 表孔+2 中孔泄洪方案第 14 页 共 43 页（2）2 浅孔+2 中孔泄洪方案（3）4 中孔泄洪方案 2调洪演算调洪演算根据水量平衡原理采用试算方法计算，计算时先按不同的出口高程和孔口尺寸拟定多组方案，详见计算书，计算结果见下表表 3-1 洪水调节计算方案成果表泄水方案设计Q（m 3/s）校核Q（ m3/s）设计 H(m)校核 H(m)4 表孔+2 中孔 6400 7510 18834 190.482 浅孔+2 中孔 6600 6870 186.80 189.684 中孔 6640 6820 1866 199.583调洪方案的最终选择为减小坝身开孔对坝体空间结构的不利影响(4 表孔使得坝体堰顶以上失去空间结构作用,4 中孔使得坝体同一高程开孔数量过多，该层拱圈削弱过多)，采用两浅孔与两中孔相结合的方案。两浅孔，孔口宽 8.5m，高 8.0m，进口底高程为164m，出口底高程为 154m；两中孔，孔口宽 8m，高 7m，进口底高程为 135m，出口底高程为 130m，设计洪水时，下泄流量 6600 m3/s，校核洪水时，下泄流量6870m3/s，略小于允许下泄流量，设计洪水位为 186.8m，校核洪水位为189.68m。由此算得坝顶高程为 192.16m，最大坝高为 100.16m。3.3 枢纽组成建筑物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 100.16m，主体工程量约为 35 万方左右，坝顶宽 8.3m，坝顶长约 303m，坝底宽 26.0m。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 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 8.0m，进口底高程为 164m，出口底高程为 154m；中孔位于水电站第 15 页 共 43 页进水口两侧，孔口宽 8m，高 7m，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 119m,浅孔反弧半径为 40m,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 =20 o,导墙厚度为0.5m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8.5hm。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，起木材最大长度为 10m，大头直径为 100cm。开关站长 75m，宽 20m，位于左岸。3.4 坝型选择一 坝型初选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，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。 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。第 16 页 共 43 页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 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。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。二 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。单曲拱坝单曲拱坝只在水平截面上呈拱形，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，坝底部圆心第 17 页 共 43 页角过小，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。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。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 8.0m，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 8m，高 7m，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 119m,浅孔反弧半径为 40m,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 =20,导墙厚度为 0.5m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8.5m。3.6 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 152.3m。第 18 页 共 43 页3.7 枢纽总体布置双曲拱坝的最大坝高为 100.16m，坝顶宽 8.3m，坝顶弧长约 303m，坝底宽26.0m。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 152.3m。浅孔位于两岸，孔口宽 8.5m，高 8.0m，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 8m，高 7m，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175m，中孔启闭机房高程 160m。泄槽支撑结构采用框架式结构,坎顶高程为 119m,浅孔反弧半径为 40m,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 =20,导墙厚度为 0.5m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8.5m。过木筏道位于右岸。开关站长 75m，宽 20m，位于左岸。第四章 拱坝设计4.1 拱坝型式及布置一 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。1坝顶厚度（T C）：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+2.4b 1） （4-1）Tmin=35m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） 。考虑到交通要求、以及顶拱厚度加大对梁应力有利，取 Tc=8.3 米。2底部厚度（T B）：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。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（b 1+bn-1）H/ a （4-2）第 19 页 共 43 页式中：K经验系数，一般可取 K=0.35b1、b n-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/m 3）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 （4-3）式中 x 1=2 1x2 x2= 2TB/(2 1-1) 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= -40.3y/97.0+32.5(y/97.0) 2下游面的曲线按 Tc，T B沿高程线性内插。设第 i 层拱圈的厚度为 Ti 则Ti=Tc+(TB-Tc)/ Hyi （4-4）表 4-1 拱冠梁断面的几层典型拱圈的几何尺寸高程（m） Y 坐标上游面坐标坝体厚度（m）下游面坐标192.16 0 0 8.3 8.3180 12.16 -4.41362 994 10.44888170 22.16 -7.32535 1188 12.21605160 32.16 -9.58914 1382 13.98323150 42.16 -11.205 1576 15.7504140 52.16 -12.173 1769 17.51757130 62.16 -12.493 1963 19.28474120 72.16 -12.1651 2157 21.05192110 82.16 -11.1893 2351 22.81909100 92.16 -9.56551 2545 24.5862692 100.16 78 26 182二 拱坝的布置1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，然后按拟订的方案进行应力和稳定分析。拱坝布置按第 20 页 共 43 页下列程序进行：根据地形地质等基本资料，找出坝址可利用岩石等高线。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。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 25.04m 为一层，试画出各层拱圈的水平拱圈线。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。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。2拱坝布置的原则：（1）坝面力求平顺；（2）坝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。3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）右半中心角（度）左半中心角（度）上游拱圈半径下游拱圈半径1 192.16 8.3 53.5 50.5 197 188.72 167.12 12.47 46 46 175.4 162.6753 142.68 16.65 45 45 147.9 130.754 117.04 20.83 40 44 112.5 90.9255 92 26.0 34 35 78.2 52.2第 21 页 共 43 页4.2 荷载及其组合一 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：（4-5）hRcAG21式中：Rc混凝土容重，取 2.4 吨/米 3h计算坝块的垂直高度A1，A 2上、下两端截面的面积。经计算得拱坝总重量约为 7.68 万吨。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) （4-6）式中：p s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 =13.76t/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。=47/（T+3.39） （4-7）表 4-3 计算表截面 温升时 温降时1-1 4.020 -4.020第 22 页 共 43 页2-2 2.92 -2.923-3 2.29 -2.294-4 1.88 -1.885-5 1.60 -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 （4-8）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：地震荷载用 Excel 编制表格计算出纵向地震惯性力，纵向地震激荡力，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）左拱端 （地震）右拱端截面HA（t） VA（t） MA（tm） HA（t） VA（t） MA（tm）1.00 96.07 -199.36 527.35 627.56 -199.36 603.33 2.00 253.14 -286.80 -1589.80 926.08 -286.80 1056.66 3.00 125.88 -334.25 -2300.15 883.53 -334.25 -399.77 4.00 -45.13 -322.28 -2031.89 669.14 -322.28 -1151.62 5.00 -141.58 -208.95 -1173.11 363.07 -208.95 -991.10 表 4-5 地震应力汇总截面号 拱冠应力(t/m 2) 左拱端应力(t/m 2) 右拱端应力 (t/m2)上游面 下游面 上游面 下游面 上游面 下游面1.00 60.02 0.68 57.50 -34.36 -57.50 34.362.00 62.67 20.76 -39.02 78.80 39.02 -78.803.00 43.92 9.51 -39.58 54.26 39.58 -54.264.00 23.30 2.14 -28.28 24.10 28.28 -24.105.00 7.75 -0.45 -15.86 4.97 15.86 -4.976扬压力由于拱坝底厚度很小，作用于坝底的扬压力很小，故在计算坝体应力时，可忽略扬压力。但在分析拱座稳定时，要求计算作用于滑裂面的扬压力。而实际计算中由于没有考虑地下水位等因素的影响，将扬压力作用于拱坝坝肩，然后投影到滑裂面上。坝体内的基础帷幕灌浆廊道上游壁至下游坝面距离应不小于第 23 页 共 43 页0.050.1 倍水头，且不小于 45m。二 荷载组合荷载组合情况包括基本组合（水库处于正常运行情况下可能发生的各种荷载组合，由基本荷载组成）以及特殊组合（水库处于非常运行情况下可能发生的各种荷载组合，由基本荷载和特殊荷载组成） 。1基本组合包括：（1）正常水位+温降；（2）设计水位+温升。2特殊组合包括：（1）校核水位+温升；（2）正常水位+温降+地震。4.3 计算原理和计算步骤 一 计算原理 本设计中采用拱冠梁法进行计算。取拱冠处的一根悬臂梁，根据拱圈和拱冠梁的各交点径向变位一致的条件来求得拱梁的荷载分配，且各层拱圈分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，以拱冠梁所分配到的荷载代表全部梁系的受力情况。二 计算步骤拱冠梁法的主要步骤是：选定若干拱圈，分别计算各拱圈拱顶以及拱冠梁与各拱圈交点在单位径向荷载作用下的变位，这些变位称为“单位变位” ；根据各共轭点拱梁径向变位协调的关系以及各点荷载之和应等于总荷载强度的要求建立变位协调方程组；将上述方程组联立求解，得出各点的荷载分配；根据求出的荷载分配值，分别计算拱冠梁的内力和应力。第 24 页 共 43 页4.4 应力强度分析(电算,手算)一 电算根据设计要求，可对正常水位+温降、设计水位+温升、校核水位+温升三种工况用计算机进行计算，计算结果如下：表 4-6 梁拱应力电算结果（正常水位+温降） （单位： t/m 2）拱冠 拱端 悬臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 247.45 150.03 112.60 290.80 0 02 286.25 95.21 31.82 235.17 61.5 48.373 280.58 35.39 -27.59 190.96 78.08 123.254 223.09 -28.64 -62.40 129.99 34.09 239.745 91.10 -60.06 -44.17 43.81 -69.04 395.74表 4-7 梁拱应力电算结果（设计水位+温升） （单位： t/m 2）拱冠 拱端 悬臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 292.04 223.45 197.10 322.55 0 02 304.58 158.84 110.48 263.32 87.40 23.883 293.71 95.86 45.04 219.16 111.61 91.464 238.70 29.42 1.35 159.50 75.36 197.795 120.13 -13.77 0.31 76.36 0.01 319.18表 4-8 梁拱应力电算结果（校核水位+温升） （单位：t/m 2）拱冠 拱端 悬臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 322.80 244.75 214.76 357.52 0 02 334.10 171.53 117.58 288.69 93.97 19.193 317.23 101.24 45.75 236.55 107.96 98.314 253.62 29.44 -0.63 169.45 60.43 216.18第 25 页 共 43 页5 125 -15.47 -0.779.73 79.73 -22.84 345.70由以上计算结果可知，正常水位+温降、设计水位+温升、校核水位+温升三种下最大拉应力分别为 69.04 t/m2、13.77 t/m 2、22.84 t/m 2满足应力要求。二 手算（一） 拱冠梁法计算拱梁荷载分配。变形协调方程为：ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xi i= Pi i+A i-B i （4-9）式中：a ij单位荷载作用在梁上 j 点使 i 点产生的径向变位，称为梁的变位系数 i在单位均匀径向水平荷载作用下，第 i 层拱圈拱冠处的径向变位，称为拱的变位系数A i第 i 层拱圈由于该层均匀温度变化 时在拱冠处的径向变位B i作用于梁上竖直方向荷载引起的拱冠梁上 i 点的径向变位i1，2，3，4，5 Pi、x i分别为第 i 层截面处水平径向总荷载、梁分担的荷载计算步骤：拱圈变位系数 i的计算及均匀温降 时的 A i的计算： i= 0（R/E C） （4-10）式中： 0可由拱圈的 A、T/R 查表 4-7（沈长松编拱坝 ）得出；EC混凝土的弹性模量，取 2.2106；R第 i 层拱圈的平均半径。A i= 0（RC） （4-11）式中： 0可由拱圈的 A、T/R 查表 4-8（沈长松编拱坝 ）得出；R第 i 层拱圈的平均半径；C坝身材料线胀系数，取 0.810-5；第 i 层拱圈的均匀温度下降值。=47/（T+3.39）( oC) （4-12）第 26 页 共 43 页T第 i 层拱圈的拱厚。经计算得表 4-9 各层拱圈的 i与 A i的结果i 计算 均匀温降 时Ai 计算高程(m)拱厚 T(m)半径