1、水力发电枢纽工程重力坝毕业设计模板一、 前言1、 流域概况及枢纽任务是罗江上的一条南北向大支流，河流全长 295公里，流域面积 850平方公里。流域形状略呈菱形，上下游狭窄，中游宽大，河道坡陡流急，具有暴涨暴落的特性。本枢纽工程以发电为主，兼顾防洪、灌溉，对航运和木材筏运也适当加以解决。水库总库容 22.6亿立方米，装机容量 24.8万千瓦，灌溉上游农田 130万亩，确保减免昌州市（福州市）及附近 50万亩农田和南江县（南平县）的洪灾。2、 经水文、水利调洪演算确定：死水位 200.15m；发电正常水位 215.5m，相应下游水位 163.88m；设计洪水位216.22m，相应下游水位 169
2、.02m，通过河床式溢洪道下泄流量 5327.70m3/s；校核洪水位 217.14m，相应下游水位 169.52m，通过河床式溢洪道下泄流量 6120.37 m3/s；泥沙淤积高程 174.6m，淤沙干容重 14.1KN/m3（浮容重=8.71 KN/m3） ，孔隙率 n=0.45内摩擦角为 =15o；电站进水口底板高程为 186.20m（坝式进水口） 。3、 气象资料相应洪水季节 50年重现期最大风速的多年平均值为 17.3m/s，相应设计洪水位时吹程 2.54km，相应校核洪水位时吹程 2.66km。4、 地质勘测资料坝址处河床地面高程为 146.10m，河床可利用基岩高程为 140m，
3、坝与基岩之间摩擦系数为 0.7，基岩允许抗压强度为 6.3Mpa ,坝基渗透系数（扬压力折减系数或剩余水头系数） 1 2可分别取 0.25，0.34。5、 建筑材料有关数据5.1 龄期为 90天，强度等级 C15标号的混凝土允许抗压强度为 4.3Mpa。5.2 砂石料有 3个主要料场：5.2.1 房村料场位于坝上游右岸 22公里处，与公路边小山丘相连，附近河岸地形开阔，可供加工堆存之用，分布呈长方形，长 1350m，宽 234m，表土层 34m，露出水面07m。5.2.2 张湖料场位于坝址下游 62公里的江中靠右岸，附近有铁路干线的某一车站，全长 1580m，宽 390m，露出水面 09m。5
4、.2.3 南浠料场位于坝址下游 58公里江中靠右岸，全长 1900m，宽 300m，露出水面05m。5.3 土料分布于坝址上下游一公里范围内，分布高程为 170350m，有效储量达 150万 m3，其平均剥土层约 1.5m左右，开采运输也方便。5.4 石料及水泥掺和料石料在坝址上下游一公里范围内，花岗岩储量丰富，且石质坚硬良好，但覆盖风化层厚，采料时剥土工作量大。无效储量与有效储量之比约 1：7.4；水泥掺和料在坝址区10公里范围内，可用者有风化后的灰质页岩及泥煤。前者活性高，储量亦大，后者层薄，难开采，并含有少黄铁矿。6、 其他有关资料根据国家建筑委员会所颁布的地震烈度图，本地区应属 6度地
5、震区，坝区设防烈度建议为 7度。坝顶有交通要求，行车宽度不少于 8m。二、 设计说明书1、 工程综合说明1.1 工程分等与建筑物分级根据工程的效益，库容确定本枢纽属于等工程，其主要建筑物为 2级，次要建筑物为 3级，临时建筑物为 4级。1.2 枢纽布置本工程是以发电为主的综合利用工程，溢流坝段布置在主河槽处，冲沙孔布置在电站进水口附近。本枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物组成，电站为坝后式。该重力坝由 18个坝段组成，每个坝段的长度大约为 20m，从左岸到右岸依次是 16 号坝段为右挡水坝段，79 号为溢流坝段，10 号 11号为底孔坝段，1218 号为右岸挡
6、水坝段。该坝坝基面最低高程为 140m，坝顶高程为 217.8m，坝体总长度为 370m，枢纽工程布置图附后。非溢流坝段：右岸全长 120m左岸全长 190m，除 10号坝段长 30m外，其余坝段均长20m。坝顶宽度为 10m，坝顶两侧各设一宽 1m的人行道。坝顶的上游侧设置高 1.2m宽0.5m的钢筋混凝土结构防浪墙，下游设置栏杆。沿坝轴线方向每隔 20m设置一个照明灯。坝上游面为折线面，起坡点高程为 185m，坡度为 1：0.2，下游面坡度为 1：0.7，折坡点高程为 202.85m。溢流坝段：该坝段全长 60m，分 3个坝段，每段长 20m，共分 3孔。溢流堰顶高程为 201.07m。堰
7、顶安装工作闸门和检修闸门，闸门宽高=1515。工作闸门为平面钢闸门，采用坝顶门机启闭。工作桥面与非溢流坝顶一致。堰顶设有两个中墩，其厚度为4.5m边墩厚 3m，缝设在闸孔中间。溢流堰面采用 WES曲线，过堰水流采用连续式鼻坎挑流消能，坎顶高程为 170.52m，反弧半径为 30m，挑射角为 25o，边墩向下游延伸成导水墙，其高度为 4m，断面为梯形，顶宽为 0.5m底边为 3m，需分缝，缝距为 15m。电站坝段：电站的装机容量为 46.2万千瓦，坝段总长 30m，坝顶高程为 217.14m宽度为 20m，坝顶人行道与挡水坝段一致，门机与溢流坝段一致，上游突出 2m为拦污闸槽，引水口中心线高程为
8、 160.07m，孔径为 6m，进口为三向收缩的喇叭口，进口前紧贴坝面布置拦污栅，进口处设置事故闸门和工作闸门，均为平面闸门。在进口闸门后设置渐变段，渐变段为圆角过渡，长度为 12m。电站厂房采用坝后式，位于左岸非溢流坝后，由主厂房、副厂房等组成。副厂房在主厂房的上游侧，厂房与坝之间用缝分开。2、 坝型、坝址选择2.1 坝型选择2.1.1 坝址地质条件该河道河谷为壮年期类型，浅滩深渊交替，河道稳定，断面冲淤极微，河谷断面形状除上游和峡谷地区多呈“V”形外，中下游一带均为浅槽形或梯形，坝址区域多为花岗岩，完整性较好，覆盖层及风化层均较薄。2.1.2 建筑材料由前言所述“建筑材料有关数据”中知坝址
9、附近砂石料较为丰富（3 个主要料场）且运输也方便，土料次之，石料含量有限。- 3 -2.1.3 方案比较根据以上情况综合分析如下：拱坝方案：河谷面宽浅，不是“V”字形，两岸不对称，没有适宜的地形条件，故该方案不可取；土石坝方案：坝址附近没有适宜的地方修建溢洪道，若开挖溢洪道则工程量较大，且当地土料含量不丰富，故该方案也不可取；重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝都能充分利用当地的自然条件，泄洪问题易于解决，施工导流容易。浆砌石重力坝虽然可以节约水泥用量，但当地石料比较缺乏，而且此坝型不能实现机械化施工，速度慢，施工质量难以控制，故不可取。混凝土重力坝可以采用机械化施工，施工方便快捷，故本工程
10、宜采用混凝土重力坝。2.2 坝址选择根据坝址地质勘测工作，水电站选坝委员会在距南江县约 6公里处选定了现坝址。坝址两岸地形较宽敞。河水面宽达 70m140m，右岸山坡坡度 30o左右，而左岸较陡，约为 40o。河床在此段内纵向呈“釜形” ，是两头浅中间深，河流稍偏蚀右岸，致使右岸河水比左岸深。坝址区地层简单，表层大部分为第四纪残破积层所覆盖，由黏土、砂质黏土及花岗岩风化土所组成，厚度约 816m。河床部分的冲积层厚度小于 5m，下伏岩基均为上白垩纪花岗岩。综合防洪、灌溉等因素选坝委员会做了五条勘探线比较，最后选定第二坝轴线作为建坝的坝轴线。3、 非溢流坝设计3.1 剖面尺寸拟定3.1.1 坝顶
11、高程的确定波浪要素按官厅公式计算：h l=0.0166VoD1/3m；L=10.4（h l） 0.8；hz=（h c2/L）cth（2h/L）L波长，m；D风区长度，m；H坝前水深，m；hl波浪高度，m；hz波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的 1.52.0 倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+h 设坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+h 校 h= hl + hc + hzh坝顶高于静水位的超高值；hc坝顶安全超高（查非溢流坝坝顶安全超高表） 。分设计情况和校核情况分别计算，计算成果见表 2-1表
12、 2-1 坝顶高程计算成果表计算情况风速 V 波浪高度波浪长度风壅水高安全加高静水超高坝顶高程设计情况30 1.59 15.07 0.53 0.5 2.62 218.84校核情况17.3 0.81 8.79 0.23 0.4 1.44 218.58经过比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为 218.84m，考虑水库综合利用情况取219m，并取防浪墙高 1.2m则有带防浪墙的坝顶高程位 217.8-140=77.8m3.1.2 坝顶宽度考虑交通要求，坝顶宽度取 m。 3.1.3 坝面坡度上游坝采用折线面，起坡点在（1/32/3）H 处，其高程为 185m，坡度为 1：0.2；下游剖面采用基本三角形顶点
13、与校核洪水位齐平的剖面形式，则有折坡处向上延伸与校核洪水位相交。取下游边坡系数为 1：0.7，那么下游起坡点高程为 202.85。3.1.4 坝底宽度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 63m，在（0.70.9）坝高=54.4670.02 范围内。说明坝底宽度符合要求。3.1.5 地基防渗与排水设施拟定由于防渗的需要，坝基面须设置防渗帷幕和排水孔幕，其中心线在坝基面处距离坝踵分别为 12m和 15m。初步拟定非溢流坝剖面尺寸如图 2-1所示：上2-1 217.8:0. 1:0.745216.07464466.9259上3.2 荷载组合及其计算（以下各组合情况均取
14、单位坝长计算）3.2.1 设计情况上游设计洪水位为 216.22m，相应下游洪水位为 169.02m，坝基设有防渗帷幕和基础排水措施。要求抗滑安全系数 Ks1.05。计算成果见表 2-2（附后） 。3.2.2 校核情况可分为以下两种3.2.2.1 设计洪水位情况下发生 7度地震。要求抗滑安全系数 Ks1.0。计算成果见表 2-3（附后） 。3.2.2.2 上游校核洪水位为 217.14m，相应下游洪水位为 169.52m。要求要求抗滑安全系数 Ks1.0。计算成果见表 2-4（附后） 。3.2.3 抗滑稳定验算与强度验算抗滑稳定系数按公式 Ks=f(W-U)/ P 计算；上游边缘正应力按公式
15、Gyu=(W/B)+(6M/B 2)计算；上游边缘正应力按公式 Gyd=(W/B)-(6M/B 2)计算。W总铅直力；P总水平力；W竖直方向合力；B坝底宽度；M对坝截面形心的总力矩。3.2.3.1 设计情况抗滑稳定验算：Ks=f(W-U)/ P=0.7（65.75-2.52）/28.88=1.531.05满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力 Gyu=(W/B)+(6M/B 2)=63.23/63-6261.17/632=0.61Mpa0上游边缘正应力 Gyd=(W/B)-(6M/B 2)=63.23/63+6261.17/632=1.40 Mpa4.3Mpa满足强度要求。3.2.3.2 校核
16、情况3.2.3.2.1 设计洪水位时发生 7度地震抗滑稳定验算：Ks=f(W-U)/ P=0.7（65.75-2.52）/32.36=1.371.0满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力 Gyu=(W/B)+(6M/B 2)=63.23/63-6378.53/632=0.43Mpa0上游边缘正应力 Gyd=(W/B)-(6M/B 2)=63.23/63+6378.53/632=1.58Mpa4.3Mpa满足强度要求。3.2.3.2.2 校核洪水位时抗滑稳定验算：Ks=f(W-U)/ P=0.838.98/27.97=1.1151.0满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力 Gyu=(W/B)+(
17、6M/B 2)=63.14/63-6265.87/632=0.60Mpa0上游边缘正应力 Gyd=(W/B)-(6M/B 2)=63.14/63+6265.87/632=1.40Mpa4.3Mpa满足强度要求。4、 溢流坝设计4.1 孔口设计4.1.1 泄水方式的选择重力坝的泄水主要方式有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物。设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于大中型工程，所以为是水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。4.1.2 洪水标准的确定本次设计的重力坝是 2级建筑物，根据水利工程水工建筑
18、物洪水标准采用 500年一遇的洪水标准设计，2000 年一遇的洪水标准校核。4.1.3 流量的确定经水文、水利调洪演算确定：设计情况下，溢流坝的下泄流量为 5327.7m3/s；校核情况下，溢流坝的下泄流量为 6120.37m3/s。4.1.4 单宽流量的选择坝址处基岩比较完整，根据综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，单宽流量取100150 m 3/（s.m） 。4.1.5 孔口净宽拟定分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度。计算成果见表 2-5表 2-5孔口净宽计算成果表计算情况 流量Q（m 3/s）单宽流量qm3/（s.m）孔口净宽 B（m）设计情况 5327.70 100150 5
19、3.2835.52校核情况 6120.37 100150 61.2040.80根据以上计算，溢流坝孔口净宽取 45m，设每孔宽度为 15m，则孔数为 3。4.1.6 溢流坝段总长度确定初步拟定闸墩厚度，中墩厚 d=4.5m，边墩厚 t=3m，则溢流坝段的总长度 B0为：B0=nb+（n-1）d+2t=45+9+6=60m4.1.7 堰顶高程的确定初拟侧收缩系数 =0.95，流量系数 m=0.502。因过堰水流为自由出流，故 s=1，由堰流公式 Q= smnb（2g） 0.5H01.5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。计算成果见表 2-6表 2-6堰顶高程计算成果表
20、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 5327.70 0.95 0.502 45 14.65 201.57校核情况 6120.37 0.95 0.502 45 16.07 201.07根据以上计算，取堰顶高程为 201.07m。4.1.8 闸门高度的确定门高=正常高水位 -堰顶高程+ （0.10.2）=215.5-201.07+（0.10.2）=14.5m 取 15m4.1.9 定型设计水头的确定堰上最大水头 Hmax=校核洪水位-堰顶高程即：H max=217.14-201.07=16.07m 定型设计水头 Hs为 Hs=（75%95%）H max=1
21、2.0515.27m，取 Hs=14.2m，由 14.2/16.07=0.88查表知 0.3Hs=4.26m小于规定的允许值（36m 水柱） 。4.1.10 泄流能力校核运用堰流公式 Q= smnb（2g） 0.5H01.5分情况校核溢流堰的泄流能力，计算成果见表 2-7表 2-7 泄流能力校核计算成果表计算情况 m B（ m） H（ m）Q（m 3/s）Q |（ Q-Q）/Q|设计情况 0.502 0.92 45 15.15 5159.27 5327.7 3.26%校核情况 0.512 0.92 45 16.07 6045.36 6120.37 1.24%由表中计算成果知|（Q -Q）/Q|
22、100%2.5，说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝安全。挑流消能冲坑计算简图如图2-2所示： 上 上H25hvLo tk2上- 4.3 溢流坝剖面设计首先绘出坝顶部的曲线，取堰顶部最高点为坐标原点，堰顶上游部分采用椭圆曲线，下游部分采用幂曲线。幂曲线方程：y=x n/kHsn 椭圆方程：x 2/(aHs)2+(bHs-y)2/(bHs)2=1Hs定型设计水头，值为堰顶最大作用水头的 75%95%；n.k取决于坝顶上游面的坡度，按表取用。a0.280.3；a/b=0.87+3a代入参数得幂曲线方程为 y=x1.85/214.2(1.85-1)=0.052 x1.85取 a=0.3，b=0.17 则 aHs=5.68 bHs=2.41得椭圆方程为：x 2/5.682+(2.41-y)2/2.412=1绘出其基本剖面，求得基本剖面的下游面与幂曲线的切点 c的坐标为（20.01，13.28） 。由于上游侧超出基本剖面，故需将溢流坝做成倒悬的堰顶以满足溢流曲线的要求，倒悬的高度为 4.57m。最后作出反弧段，反弧半径为 20m。溢流坝的剖面如图 2-3所示：217.8146.0140.6850.921747529.614:2:.上-3
