高拱坝设计说明书

- 1 -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 183.25m，设计洪水位 187.18m，校核洪水位 191m，汛前限制水位 182m，死水位 164m，尾水位 103.5m。水库死库容 9.3 亿 m3，总库容 12.5 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 355.65m，最大坝高101m，坝底厚 26.0m，坝顶宽 8.0m。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 9.5m，高9.0m，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 7.5m，高 7.0m，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189.5m，中孔启闭机房高程为 168m。泄槽支撑结构采用框架式结构。坎顶高程为 119,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,挑射角浅孔和中孔均为 =20o,导墙厚度为 1.0m, 浅孔导墙高度为 7m,中孔导墙高度为 8m。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 4.5 m，进水口底高程为 152.3m。发电机层高程为 114.8m，尾水管底高程为 90.8m，厂房进水口底高程为 152.3m。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。- 2 -AbstractAjiang hydrocomplex play parts in flood control,water power,irrigation,water conservancy related fisheries,and so on.The reservoir normal water level is 183.25m,design flood level is 187.18m,maximum flood level is 191m,flood control level is 182m,dead water level is 164m,and tail water level of hydropower station is 103.5m.The dead reservoir capacity is 930,000,000m3,and the total reservoir capacity is 1,250,000,000 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 about355.65m.Maximum height of the dam is 101m,the thickness of the bottom of the dam is 26m,and the width of the top of the dam is 8.0m.The release structure is comprised of 2 mid-level outlet and 2 short-level outlet. the width of the short-level outlet is 9.5m,and the height is 9.0m; The width of the mid-level outlet is 7.5m,and the height is 7.0m.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 148 metres,and the other two rooms are at an elevation of 174.0 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.- 3 -目 录摘 要 1ABSTRACT2第一章 综合说明 71.1 概述 71.1.1 枢纽概述 71.1.2 设计要求 71.2 工程特性表 81.2.1 水库特性表 81.2.2 枢纽特性表 .8第二章 设计资料 102.1 枢纽任务 102.2 基本资料 102.2.1 自然地理 .102.2.2 工程地质 122.2.3 筑坝材料 142.2.4 库区经济及其它 14第三章 枢纽主要建筑物的型式与总体布置 173.1 工程等级及技术规范设计标准 17- 4 -3.1.1 工程等级 .173.1.2 技术规范 .173.1.3 洪水标准 .173.2 调洪演算及设计基本数据 173.2.1 调洪演算的目的 .173.2.2 调洪演算的原理 .173.2.3 泄洪方案的选择 .1833 枢纽组成建筑物 .213.4 坝型选择 213.4.1 坝型初选 .223.4.2 方案比较 .233.4.3 坝体形态选择 .273.5 泄水建筑物形式的选择 273.6 厂房及引水系统布置 283.7 枢纽总体布置 28第四章 拱坝设计 294.1 拱坝形式及布置 294.1.1 拱坝剖面设计 .294.1.2 拱坝的布置 .304.2 荷载及其组合 31- 5 -4.2.1 荷载及计算 .314.2.2 荷载组合 .354.3 计算原理和计算方法 .364.3.1 计算原理 .364.3.2 计算步骤 .374.4 应力强度分析（电算、手算） 374.4.1 应力控制指标 .374.4.2 电算 .384.4.3 手算 .384.5 坝肩稳定验算 414.5.1 验算原理 .424.5.2 验算工况 .444.5.3 验算结果 .44第五章 泄水建筑物设计 455.1 泄水建筑物的组成与布置 455.2 泄槽设计 455.2.1 泄槽尺寸 .455.2.2 导墙尺寸 .455.3 消能与放冲 465.3.1 水舌挑距 46- 6 -5.3.2 冲刷坑深度 .465.3.3 消能率计算 .465.4 泄水孔口应力及配筋计算 47第六章 坝体细部构造及地基处理 486.1 坝体构造与细部结构设计 .486.1.1 坝体与坝面 .486.1.2 坝体分缝 .486.1.3 坝内廊道和坝内工作桥 .486.2 坝基处理 496.2.1 地基处理的一般要求 .496.2.2 地基的处理与开挖 .496.2.3 坝基排水孔 .51结 语 52参 考 文 献 53- 7 -第一章 综合说明1.1 概述1.1.1 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。水库正常蓄水位为 183.25m，汛前限制水位为 182m，死水位为 164m，设计水位为 187.18m，校核水位为 191m，尾水位为 103.5m。坝址以上流域面积 2761 平方公里,流域境为山区，气候湿润，雨量充沛，属热带气候。流域境内以农业为主，森林茂盛，植被良好，水土流失不严重，枢纽下游为 A 省的重要农副生产基地 A 平原。坝址下游约 50 公里有县级城市两坐，在河流入海处有省直辖市一座。电站多年平均发电量为 5.08 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，同时增加保灌面积 250 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 101m，主体工程量约为 33.4 万方左右，坝顶长约 355.65 m，坝顶宽 8m，坝底宽 26m。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9.5m，高 9.0m，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 7.5m，高 7.0m，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 1m, 浅孔导墙高度为 7.0m,中孔导墙高度为 8.0m。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，其木材最大长度为 10m，大头直径为 100cm。开关站长 20m，宽 75m，位于左岸。- 8 -1.1.2 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1.2.1 水库特性表表 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183.25m 18718m 191.0m 164m 182m 1.2.2 枢纽特性表（见下页）- 9 -表 12 枢纽特性表泄水建筑物拦河大坝浅孔 中孔 厂房坝型 双曲拱 坝 个数 2 2 厂房型式 坝后式坝基地质 花岗斑 岩 宽 9.5m 7.5m 主厂房尺寸 81m18m最大坝高 101m 高 9.0m 7.0m 副厂房尺寸 66m10m坝顶中心角 104.5进口底高程 164m 135m 发电机层高程 114.8m 坝顶外半径 195m 出口底高程 154m 130m 引水钢管进口高程 152.3m 坝顶厚度 8m 坎顶高程 119m 119m 引水钢管直径 4.5 m 坝底中心角 56.8 坎上水深 5.62m 6.39m 尾水管底高程 90.8m 坝底外半径 89.3m 反弧半径 40m 50m 厂房顶高程 130.5m 坝底厚度 26m 挑射角 20 20 尾水位 103.5m 导墙高度 7m 8m 发电机台数 4 台导墙厚度 1m 1m 单机容量 5 万 kw满载流量 338m3/s安装场尺寸 21m18m开关站尺寸 20m75m- 10 -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、渔业等综合作用。1、发电装机 20 万千瓦，多年平均发电量为 5.09 亿度。本电站 4 台 5 万千瓦机组。正常蓄水位为 183.25m，汛期限制水位：182m，死水位为 164m，4 台机满载时的流量为 338s/m3，尾水位为 103.5m。厂房形式为坝后式，主厂房平面尺寸为 81m18m，发电机层高程：114.8m，尾水管底高程：90.8m，厂房顶高程 130.5m，副厂房平面尺寸为 66m10m，安装场尺寸为 21m18m，开关站尺寸为 20m75m。2、灌溉增加灌溉面积 50 万亩。3、防洪可减轻洪水对 A 市平原及 A 市的威胁，在遇 5000 年一遇和 1000 年一遇洪水时，经水库调洪后，洪峰流量由原来 14900，11700 s/m3分别消减为 7300，6300 s/m3。要求设计洪水时最大下泄流量限制为 6300 s/m3。4、渔业正常蓄水位时，水库面积为 35.6 平方公里，为发展养殖创造有利条件。5、过木根据林业部门提供的要求，木材过坝量为每年 33.3 万 m3。其木材最大才长10m，大头直径为 100cm。2.2 基本资料2.2.1 自然地理2.2.1.1 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，- 11 -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。坝址下游约 50 公里有县级城市两座，在河流入海处有省直辖市一座。2.2.1.2 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。5. 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。6. 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 = 8.105.845.27HeTc.2其中：H 为水深。2.2.1.3 水文特性1正常径流- 12 -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 亿 m3，各频率的月平均量见下表 2-3。表 2-3 各频率的月平均径流量频率(%)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=14900m 3/s；P=0.1%，Q=11700m 3/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 2-4 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 备注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。2.2.1.4 其他本坝址地震烈度为 7。2.2.2 工程地质2.2.2.1 库区工程地质- 13 -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。2.2.2.2 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 4060。河床覆盖层由大理石，卵石组成。厚度约56m，两岸山坡为第四系覆盖层，厚度为 510m 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 2-5 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 基岩内相对隔水层离基岩表面深 15m。2.2.3 筑坝材料- 14 -2.2.3.1 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。2.2.3.2 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。2.2.4 库区经济及其它2.2.4.1 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。2.2.4.2 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。- 15 - 16 - 17 -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3.1.1 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 191m，查库容曲线得相应库容为 12.5 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。3.1.2 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%。3.1.3 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3.2.1 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筑物的孔口尺寸。3.2.2 调洪演算的原理由水量平衡原理可得 (Q1+Q2)/2-(q1+q2)/2=(V2-V1)/t=V/t- 18 -q=f(V)式中：Q、q 分别为水库如库流量和下泄流量（m 3/s),下标 1、2 分别表示时段初和时段末的值；V 为水库蓄水量，下标 1、2 分别为时段初和时段末的值； t为时段长（s） ；V 为时段内水库蓄水量的变化量。连立上面二式，便求出正个水库调洪过程，即可确定坝前最高水位及其相应的最大下泄流量。 展展图 3-1 洪水调节计算图采用高切林法，以直线近似代替泄水过程线。计算过程如下：（1）假定三条泄水过程线 AB1、AB 2、AB 3如图 31（A） ；（2）求出相应发的库容 V1、V 2、V 3（阴影部分面积）和下泄 Q1、Q 2、Q 3；（3）根据 V1、V 2、V 3在库容曲线上得出相应的上游水位 Z1、Z 2、Z 3；（4）在绘有泄水建筑物泄流能力曲线 L1的 QZ 坐标图上，绘出相应的点P1（Q 1、Z 1） ，P 2（Q 2、Z 2） ，P 3（Q 3、Z 3）如图 3-1（B）所示；（5）过 P1、P 2、P 3点绘曲线 L2与 L1与 P，对应于 P 点的泄流量 Q 为拦洪是最大下泄流量，相应水位为最高洪水位。3.2.3 泄洪方案的选择3.2.3.1 可能调洪方案表孔溢流方案：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- 19 -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。3.2.3.2 方案初选依据 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（2）2 浅孔+2 中孔泄洪方案（3）4 中孔泄洪方案 3.2.3.3 调洪演算调洪演算根据水量平衡原理计算，计算时先按不同的出口高程和孔口尺寸拟定多组方案，计算结果见后表。根据中华人民共和国水利行业标准混凝土拱坝设计规范 ，公式：表孔： Z32gH BmQz式中： Q流量（m 3/s）B溢流孔净宽（m）Hz溢流孔堰顶作用水头（m）g重力加速度（m/s 2）mz流量系数，初设计时，在定型设计水头下，当 P/H3(P 为堰高 m)时，则 mz=0.470.49；当 P/H3 时，m=0.440.4。本次设计取为 0.48。孔口泄流公式： zk2gHAQ式中：Ak出口处的面积（m 2）- 20 -Hz自由泄流时，为孔口中心线处的作用水头（m） ；淹没泄流时，为上下游水位差（m）.孔口或管道的流量系数，对 Hz/D=2.02.4（D 为孔口高度，m)的浅孔，取 =0.740.82；对深式进水口 值可参照公式估算；当为长有压孔时， 值必须计及沿程和局部水头损失后确定。深式泄水孔流量系数：1、喇叭形进口 =0.97-0.3D/H z2、非完全喇叭形进口 =0.93-0.3D/H z3、圆形进口 =0.90-0.3D/H z表 3-1 孔口形式表调洪 方案 4 表+2 中 2 浅+2 中 全中孔孔口 形式 表孔 中孔 浅孔 中孔 中孔孔口 高(m) 堰顶 9.5 9 7 7.5尺寸 宽(m) 高程 8 9.5 7.5 7.5进口底高程(m) 179 135 164 135 135出口底高程(m) 130 154 130 130表 3-2 洪水调节计算成果表工况 设 计 校 核方案 Q 泄 Hmax Q 泄 Hmax4 表孔+2 中孔 6720 187.85 8030 191.22 浅孔+2 中孔 6740 187.18 7000 1914 中孔 6730 186.99 6990 191.83.2.3.4 方案选择(1) 方案比较对于表孔、浅孔、中孔方案在满足防洪要求时， 4 中孔方案缺点是同一高程开孔数量多，令该层拱圈削弱过多，对坝体结构作用影响大，不宜布置。4 表孔+2 中孔方案优点是泄洪能力强，但缺点是坝体较高，同时表孔结构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以下才得以发挥。2 中孔+2 浅孔方案有较大泄流能力，而且经过合理布置，采用挑流对撞消能工可以解决消能问题，也可使坝体空间结构作用少受影响。综合比较上述四个方案，结合 A 江水利枢纽的具体情况，坝外溢洪道和利用导流隧洞方案不尽合理，选择表孔、浅孔、中孔方案，虽有水流向心收聚，能力- 21 -集中的特点，但只要合理布置，采用挑流对冲消能工可以解决消能问题。泄槽的工程投资远小于另建泄水建筑物的投资.为使坝体空间结构作用少受影响，宜选择两浅孔和两中孔方案，浅孔位于两岸，中孔位于水电站进水口两侧，对称布置。由表中可知，浅中孔方案满足防洪要求的同时，坝前水位较低，从而可节省坝体工程量，故选其为最终泄洪防方案，即设置两个浅孔，孔口尺寸为 9m9.5m，进口底高程为 164m，出口底高程 154m，两中孔，孔口尺寸为 7.0m7.5m，进口底高程为 135m，出口底高程为 130m。设计洪水时，设计水位为 187.18m，下泄流量为 6740m3/s，小于允许流量 6750m3/s。校核洪水时，校核洪水位为 191.00m，下泄流量为 7000m3/s，小于允许下泄流量 7750 m3/s。总库容为 12.50 亿 m3，属大（I）型工程。(2) 水库运用方式根据上述分析，本工程采用 2 浅孔和 2 中孔泄洪方案，在不影响工程效益的前提下，尽量降低坝高可大大节省开支。故水库在洪水期的运用方式为：洪水到来之前开闸放水，腾空库容，将库水位降落直汛前限制水位 182m 处，即起调水位，起调流量为汛前限制水位下开启浅中孔时对应的下泄流量之和。33 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 101m，主体工程量约为 33.4 万方左右，坝顶宽 8m，坝顶长约 355.65m，坝底宽 26m。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9.5m，高 9.0m，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 7.5m，高 7.0m，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 2m, 浅孔导墙高度为 8m,中孔导墙高度为 8.8m。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 m3，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。- 22 -3.4 坝型选择3.4.1 坝型初选3.4.1.1 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。3.4.2.2 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。3.4.2.3 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- 23 -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。3.4.2 方案比较3.4.2.1 计算最大坝高（1）波浪三要素计算（采用官厅水库公式）2hL=0.0166Vf5/4 D1/3 2LL =10.4(2hL)0.8 h0= cth 241式中：Vf计算风速，设计情况采用洪水起多年平均最大风速的 1.52 倍校核情况采用洪水期多年平均最大风速；D库面吹程。（2）坝顶高程计算公式坝顶高程=Max设计洪水位+h 设 ，校核洪水位+h 校 其中：- 24 -h= 2h L + h0 + hc 2hL波浪高度 h0 波浪中心线高出静水位的高度hc安全超高 （等级为 1 级时：设计 hc=0.7，校核 hc=0.5）经计算得：坝顶高程为 193 米3.4.2.2 重力坝方案A、 重力坝的基本剖面拱坝方案和混凝土坝之间主要做工程量的比较，工程量的计算采用简化的方法。在确地坝高的条件下确定混凝土坝的基本破剖面，并在基本剖面的基础上得到使用剖面。基本剖面一般只在主要荷载作用下满足坝基面稳定和应力控制条件的最小三角形剖面，因此，基本剖面分析的任务是在满足强度和稳定要求下，根据给定的坝高 H 求得一个最小的坝底宽度 B。也就是确定三角形的上下游边坡。为分析方便，沿坝轴线方向取单位长度的坝体进行研究。基本破剖面按应力条件确定坝底最小宽度用如下公式：B=（0.70.9）H=（70.790.9）取坝底最小宽度 B=80m,B、 实用剖面的确定重力坝的基本剖面是在荷载和剖面形态都作了简化之后求得的，实用剖面当然不能是顶点与上游水位齐平的简单三角形。因此还要考虑其他荷载和运用条件对基本剖面进行修改，使其成为符合实际需要的实用剖面。坝顶需要有一定的宽度，以满足设备、运行、交通、及施工的需要，非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的 810%，并不小于 2m，如作为交通要道或有移动式启闭机设施时，应根据实际需要确定，当有较大的冰压力或漂浮物撞击时，把顶最小宽度还应满足强度的要求。由于最大坝高为 101m，故取坝顶宽度为9.0m。坝顶高程已由调洪演算中详细介绍，这里不在介绍。重力坝的上游面采用上部铅直、而下部为呈倾斜，既可利用部分水重来增加坝的稳定性，又可保留铅直的上部便于管道进水口布置设备和操作的优点。上游折坡的起坡点伪造置应结合应力控制条件和引水、泄水建筑物的进口高程来选定，一般在坝高的 1/32/3 的范围内。根据工程经验上游面的坡度选为 1：0.15，折坡点位置距坝底 40m 处。下游面的坡度取为 1：0.78。C、 稳定校核稳定分析的主要目的是验算在各种可能荷载组合下的稳定安全度。工程实践和实验表明，岩基上的重力坝的失稳破坏可能有两种形式：一种是坝体沿抗剪能- 25 -力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与基岩的接触面滑动以及沿坝基岩体内的连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下的岩体手辣产生倾斜裂缝以及下游坝址岩体受压发生压碎区而引起倾倒滑移破坏。在本坝址处，深层滑移的条件没有出现，因此在坝型选定时只分析沿坝基面的抗滑稳定分析。采用摩擦公式，此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑利只计摩擦力。实际工程中的坝基面可能是水平面，也可能是倾斜面。当滑动面是水平面时其抗滑稳定安全系数 K 可按下式计算：Kf(W-U)/P式中 W作用于滑动面上的力在垂直方向的投影的代数和；P作用于滑动面上的力在水平方向的投影的代数和；U作用于滑动面上的力杨压力；K抗滑稳定安全系数；计算可得在设计洪水情况时抗滑稳定系数为 1.129，在校核洪水情况时抗滑稳定系数为 1.07，故稳定满足设计要求。D 、 应力分析应力分析的目的在于检查坝体和坝基在计算情况下是否能满足强度的要求。重力坝一般分成若干个相互独立的坝段。可以作为平面问题处理，使应力分析得以简化。应力分析可分为理论计算和模型试验两大类。理论计算又可分为材料力学法和弹性理论法等，材料力学法是一种常用的计算方法，其基本的假定是坝体水平截面上的垂直正应力 y 为直线分布。即可按材料力学的偏心受压公式计算。1、水平截面上的边缘正应力 y 和 ”yy= W/B+6M/B2”y= W/B-6M/B2式中 W作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和（向下为正）M作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和（逆时针为正）B计算截面沿上下游方向的宽度当水库正常蓄水且运行较长时间后，通过坝体和坝基的渗透水流，已逐渐形成稳定的渗流场，需要考虑扬压力的作用。则有：2、边缘剪应力 和 ”=(p-pu-y)n- 26 -”=(”y +pu”-p”)m3、铅直截面上的边缘正应力 x 和 ”xx=(p-pu)- (p-pu-y)n2”x=(p”-pu”)+(”y +pu”-p”)m24、上游边缘主应力 1 和 21=(1+n2)y -( p-pu)n22= p-pu5、下游边缘主应力 ”1 和 ”2”1=(1+m2)”y -( p”-pu”)m2 ”2= p”-pu”当无泥沙压力和地震动水压力时，p 、 p”即为作用在坝面上的静水压力强度。且即等于 pu、 pu”上述公式中的(p-pu)、p”-pu” 。由上可见，没有出现拉应力，故应力满足要求。E、重力坝工程量计算拱坝方案和混凝土坝之间主要做工程量的比较，工程量的计算采用简化的方法。重力坝的工程量计算采用下式：V=H/6L13b+(m1+m2)H+L23b+2(m1+m2)H式中 L 1计算部分坝体顶部长度； 图 3-3H计算部分坝体高度；b计算部分坝体顶宽；L2计算部分坝体低部长度；m1 、 m 2分别为计算部分坝体上下游边坡。 分块见图 33。重力坝的工程量为 584373.55m3。 拱坝方案拱坝的坝体尺寸：a.坝顶厚度：Tc=8.0 米b.坝底厚度：TB=26.0 米c.上游面曲线方程： 21074.9103.8yyZd.下游面曲线方程：各高程的厚度 Ti由 Tc，T B内插求得- 27 -icBci yHTe.拱坝工程量计算: 利用下式分别对四个坝块进行计算： V=(Ai+ Ai+1) h/2式中 A i 、 A i+1 分别为计算部分坝块顶部，顶部面积，Ru 、R d 为上游面半径，下游面半径；其中：Ai=(Ru 1-Rd2)/360式中 ： 为该层拱圈中心角； h分块高度。拱坝的工程量为 333553.7m3。可见拱坝方案要比混凝土方案节省混凝土工程量 42.92%从工程量的角度混凝土拱坝方案优与混凝土重力坝方案，同时对 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，又有向下游收缩的喇叭口，由此可以得出坝型选择为混凝土拱坝方案。3.4.3 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。3.4.3.1 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。3.4.3.2 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- 28 -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。鉴于双曲拱坝的优点，本坝址的坝型选为变半径变中心角的双曲拱坝。3.5 泄水建筑物形式的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9.5m，高 9.0m，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 7.5m，高 7.0m，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 2m, 浅孔导墙高度为 8m,中孔导墙高度为 8.8m。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，进水口底高程为152.3m。3.7 枢纽总体布置双曲拱坝的最大坝高为 101.0m，坝顶宽 8.0m，坝顶弧长约 355.65m，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，进水口底高程为 152.3m。浅孔位于两岸，孔口宽 9.5m，高 9.0m，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 7.5m，高 7.0m，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 174.0m，中孔启闭机房高程为 148m。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 2.0m, 浅孔导墙高度为 8.8m,中孔导墙高度为 8.8m。过木筏道位于右岸。开关站长 75m，宽 20m，位于左岸。- 29 -第四章 拱坝设计4.1 拱坝形式及布置4.1.1 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=0.01H+(0.0120.024) L 1Tmin=35m式中：H坝高（m）L1坝顶高程处两拱端新鲜基岩