混凝土重力坝设计设计说明

学 生：宋文海 指导老师：张 萍 三峡大学水利与环境学院

1. 工程等级、建筑物级别及防洪标准确定

1.1工程等级确定

根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000（表1—1），确定：

1) 根据水库总库容1.042亿m³和供水保证率为95%判定，工程属于Ⅱ等工程，

大（2）型规模；

2) 根据电站装机1.5万KW判定，工程属于Ⅳ等工程，小（1）型规模； 3) 根据水库设计灌溉面积24.28万亩，工程属于Ⅲ等工程，中型规模。 综合以上数据，确定水利枢纽工程为Ⅱ等工程，大（2）型规模。

表1-1 水利水电工程分等指标

治 防 洪 涝 水 库 工程等别 工程 总库容 规模 (10m） 83灌 溉 灌溉面供 发 电 水 供水对装机容量 保护农保 护 城 镇 田 及 工 矿 企 业 的 重 要 性 (104治涝面积 (104积 象 (104亩) 大（1）Ⅰ 型 ≥10 特别重要 ≥500 亩) ≥200 亩) ≥150 重要性 (104KW) 特别重≥120 要 大（2）Ⅱ 型 Ⅲ Ⅳ 型 小（2）Ⅴ 型 0.001 0.01～ 中 型 1.0～0.10 小（1）0.10～0.01 一般 中等 10～1.0 重要 500～100 200～60 150～重要 120～30 50 50～5 5～0.5 中等 一般 30～5 5～1 100～30 60～15 30～5 15～3 <5 <3 <0.5 <1 注: ①水库总库容指水库最高水位以下的静库容；

②治涝面积和灌溉面积均指设计面积。

1.2 建筑物级别确定

表 1-2 水工建筑物级别

永久性建筑物级别 工程等别 主要建筑物 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

1 2 3 4 5 次要建筑物 3 3 4 5 5 级 别 4 4 5 5 临时性建筑物 根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000（表1—2），确定：

鲤鱼塘水库水工建筑物级别

永久性建筑物级别 工程等别 主要建筑物 次要建筑物 3 4 临时性建筑物级别 2 Ⅱ

1.3 工程洪水标准确定

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000规定：

表1-3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准[重现期（年）]

水工建筑物级别 项 目 1 设 计 1000～500 可能最大洪水土石坝 校10000～5000 核 混凝土坝、浆5000～2000 砌石坝

表1-4 临时性水工建筑物洪水标准[重现期（年）

临时性水工建筑物级别 临时性建筑物类型 3 土石结构 混凝土、浆砌石结构

50～20 20～10 4 20～10 10～5 5 10～5 5～3 2000～1000 1000～500 500～200 200～100 （PMF）或5000～2000 2000～1000 1000～300 300～200 2 500～100 3 100～50 4 50～30 5 30～20 根据表1—3、表1—4确定，有：

鲤鱼塘水库工程的洪水标准

水工建筑物 永久性水工建筑物级别 类型 设计 重现期（年） 校核

2000～1000 500～100 10～5 临时性建筑物 所以，永久性水工建筑物的洪水标准：正常运用情况下为500年一遇

（P0.2%）,非常运用情况下为2000年一遇（P0.05%）；临时性建筑物的洪水标准：5年一遇（P20%）。

2坝线、坝型比选

2.1坝型坝轴线的初步选择

从小黑滩到牛背脊共勘探了4条坝线，它们分别是I线、II线、III线和IV线，综合分析各项工程地质条件，以I、II线为优，结合考虑水工建筑物布置及工程量等方面的因素，本阶段选择I坝线布置混凝土重力坝方案，II坝线布置混凝土面板堆石坝方案进行比较。

1）地形地质条件：

本坝址河谷较狭窄，为不对称的“V”型横向河谷，河段较顺直，便于建筑物的布置，两岸山体完整、雄厚，左岸边坡高陡，右岸地形稍缓地形上适宜修建重力坝。

从工程地质条件来看，坝址以砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩为主，岩性相对较弱，两岸弱风化较深，若布置成面板堆石坝，岸边溢洪道开挖量大，堆石填筑量大，施工强度高，且场地狭小，施工道路布置困难，从地形地质条件看，本坝址宜修建混凝土重力坝。

2)工程布置：

两个坝型方案布置都比较简单，引水隧洞、厂房与大坝分开布置，坝范围仅考虑挡水和泄洪，大坝下游消能影响区域内无重要设施和居民，故考虑坝体安全，两个方案均采用较简便的挑流消能方式。但混凝土重力坝布置相对较紧凑，管理运行方便。

3) 施工条件：

施工材料：坝区内石料的储量丰富，有工程需要的土料，但天然砂砾料较缺乏，水泥、粉煤灰需从外地购入，运距远、单价高。

施工导流：两种坝型方案施工导流标准相同，导流方式均为一次性拦断隧洞导流。面板坝导流洞断面较小，但渡汛防护费用高，后期导流困难，而混凝土导流洞断面虽大，但后期可预留缺口易于解决。导流费用面板坝略大。

弃渣场地：混凝土重力坝方案首部枢纽土石开挖41.04万m3，混凝土面板堆

石坝方案首部枢纽土石开挖123.26万m3（含排沙放空洞），其中利用料约27%。扣除利用料后，面板坝方案弃渣量约为重力坝方案的两倍，鲤鱼塘水库工程坝址附近地形狭窄，只能采取分散多处弃渣的方式解决。因此，面板坝方案弃渣场地布置难度相对较大。

综上所述，两种坝型比较，宜采用I坝线、混凝土重力坝方案。

3、调洪计算

泄水建筑物尺寸：采用3个泄水孔，每个泄水孔尺寸为单宽为9m 堰型为实用堰

qnbm2gH0

32式中 q—通过溢流孔口的下泄流量，m3/s； n—溢流孔孔口数；

b—溢流孔单孔净宽，

—侧收缩系数，

m—流量系数，

g—取g9.81N/kg；

H0—堰顶水头，m。

3.1调洪计算结果

经过综合分析和比较，确定该水利枢纽工程的泄洪方式采用表孔溢流堰泄洪，表孔选择两孔，尺寸为8×11m(孔宽×高)，堰顶高程▽=441（m）。计算过程见计算书。

设计洪水位时：Z设450.641m，qmax951.59m3/s。 校核洪水位时：Z校452.258m，qmax1266.45m3/s

4、非溢流坝段设计 4.1非溢流坝段剖面设计

4.1.1基本资料

由工程水文资料中的，坝址水位—流量关系曲线查出：

设计洪水位时：Z设450.641m，H下362.76m 校核洪水位时：Z校452.258m，H下363.53m

4.1.2基本剖面的拟定

图 4-1-2 重力坝基本剖面图

设计洪水位Z设=450.641m，坝底部高程Z=350m。根据工程经验，一般上游坡n0~0.2，下游坡m0.6~0.8，坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍。该工程取，坝底宽度B0.77510581.38m，上游坝坡率n0，折坡率n0.15，下游坡率m0.7。

4.1.3实用剖面的确定

（1）坝顶宽度

坝顶需要有一定的宽度，以满足设备布置、运行、交通及设施的需要。非溢流坝的坝顶宽度一般可取坝高的8%～10%，并不小于2m。如作交通要道或有启闭机设施时，应根据实际情况确定。

经过分析选取该水利枢纽工程的坝顶宽度B顶0.91059.45m，实际工程可取9.5m

（2）坝顶高程

坝顶或坝顶上游防浪墙顶高程应超出水库静水面的高度按下式计算：

hh1%hzhc

式中 h5%——为累计频率为5%时的波浪高度（m），可按官厅水库公式计算：

hvf=0.0166v0D（m）；

545413（这里取v0=20.25m/s ,吹程取D=0.9km）

hz——波浪高出静水面的高度（m），按下式

hzhl2LHcth2L（m）

其中L10.4(hl)0.8

hc——取决于坝的级别和计算情况的安全超高，查表4—3。

表4—1 安全超高 hc（m）

坝的级别 荷载组合（运用情况） 1 基本组合（正常情况） 特殊组合（校核情况）

0.7 0.5 2 0.5 0.4 3 0.4 0.3 4、5 0.3 0.2 坝顶高程（或坝顶防浪墙顶高程）按下式计算，并选用其中的较大值。

坝顶高程设计洪水位h设（ 坝顶高程校核洪水位h校 式中，h设和h校分别按式（4—1）的要求考虑。对于1、2级的坝，如果按照

可能最大洪水校核时，坝顶高程不得低于相应静水位，防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。该工程的防浪墙高度一般取1.2m，应与坝体在结构上连成整体，墙身应有足够的厚度，以抵挡波浪及漂浮物的冲击。

坝顶高程计算过程见计算书，最终取坝顶高程坝顶453.4m，并取防浪墙高度1.2m，则坝顶部高程为： 防浪墙顶最大坝高为：454.6-350=104.6m。

453.41.2454.6m

4.2非溢流坝段实体重力坝剖面形态

理论分析与工程实践证明，混凝土重力坝上游面可做成折坡，折坡点一般位于1/3～2/3坝高处，以便利用上游坝面水重增加坝体的稳定性；上游坝坡系数常采用n=0～0.2，下游坝坡系数常采用m=0.6～0.8,坝顶宽度取坝高的9%，故顶宽为9.5m。

4.3荷载分析

作用在重力坝的荷载主要有：坝体自重，上下游坝面上的水压力，扬压力，浪压力，泥沙压力，地震压力及冰压力等。设计重力坝时应根据具体的运用条件确定各种荷载的数值，并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。具体计算过程见计算书。

4.2.1 荷载的计算

1.坝体自重

坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载，其数值可根据坝的体积V和材料容重

c计算确定

WVc （4—1）

本工程采用常态混凝土筑坝，取容重c24KN/m3。 2.坝面上的静水压力

可按水力学原理计算，坝面上任一点静水压强P0y。式中，0为水的容

重，y为该点距水面的深度，将P沿坝面积分后，即可求出作用在坝面上的静水压力的合力。当坝面为倾斜时，为计算简便，常将水压力分解为水平水压力和垂直水压力两部分进行计算。

21 P 120H1式中 H1—坝前水深（m）=100.6m n—上游坝坡系数；

0—水容重，取09.81N/kg。 下游水深H2=12.76m

3.扬压力

（1）坝基面扬压力

H=(H1-H2)H21:H1madH1HbH2cHe

图 4-2-2 有防渗排水时坝底扬压力分布图

对于坝基设有防渗帷幕和排水孔的实体重力坝，扬压力可按图（4—2）计算，在坝踵的扬压力强度为0H1，在排水孔中心线上的扬压力强度为0H20H下游坝址扬压力强度为0H2，其间均以直线连接，形成折线形扬压力分布。上式中的为扬压力折减系数，可根据坝基地质及防渗、排水等具体情况拟定。我国重力坝设计规范建议：河床坝段0.2~0.3；岸坡坝段0.3~0.4。本工程去

0.25。

4.浪压力

由于影响波浪的因素很多，目前主要根据风速和吹程结合水库所在位置 的地形，采用已建水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算。对于库缘地势高峻的山区水库，风速风速vf<20m/s，水库吹程1～13km的情况，可按官厅水库公式计算：

hl L0.0166vfD5413

10.4(hl)0.8

上两中，vf为计算风速，设计情况宜采用洪水期多年平均最大风速的1.5倍；校核情况宜采用洪水期多年平均最大风速。库面吹程D(km)系指坝前沿水面至对岸的最大直线距离，可根据水库形状确定，本工程中为已知0.9 Km。

由于空气的阻力比水的阻力小，波峰在静水面以上的高度大于波谷在静水位以下的深度，所以平均波浪中心线高出静水面h0，其值可按下式计算

hzhl2LHcth2L （4—6）

本工程属于深水波，浪压力便可按下式

pl=

γLm4

(h1%+hz)

5.泥沙压力

淤积计限可取为50～100年，对于多沙河流应专门研究决定。本工程在设计工况下取50年淤沙高程，校核工况下取100年淤沙高程。

要准确计算泥沙压力是比较困难的，一般可参照经验数据，按土压力公式计算

Pnnhntan(451222n2) （4—8）

式中 Pn—泥沙对上游坝面的总水平压力； n—泥沙的浮容重；= 1.2g/cm3 hn—泥沙的淤积高度；=30.94m

n—泥沙的内摩擦角，对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，可取

n26~30；对于较细的粘土质泥沙，可取；对于极细的泥沙、粘土和胶质颗粒，可取n0。这里取n30

当上游坝面倾斜时，除计算水平向泥沙压力外，尚应计算铅直向泥沙压力，即淤沙重。

6.土压力

坝基开挖后，一般还要进行回填，但由于方量较少，压力小。所以本工程中，不计算土压力。

7.地震荷载

设计烈度在6度以下的可不进行抗震设计，而在9度以上则专门进行专门研究。本工程的地震基本烈度小于6度，所以不进行抗震设计。

8.冰压力

冰压力在较高的重力坝设计荷载中常起控制作用，但冰冻作用会使混凝土表面剥蚀，破坏混凝土的耐久性。

本工程海拔高程较低，不会产生冰冻。所以不考虑冰压力。 4.2.2 荷载组合

作用在坝上的荷载，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。

荷载组合情况分为两大类：一类是基本组合，指水库处于正常运用情况下可能发生的荷载组合，又称设计情况，有基本荷载组成；另一类是特殊组合，指水库处于非常运用情况下的荷载组合，又称校核情况，由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。

该水利枢纽工程采用的荷载组合为：

表4-2-1 荷载组合

荷 载 荷 载 组主 要 考 虑 情 况 合 基 本 （1）设 计 洪 水 位 情 况 组 合 特 殊 （1）校 核 洪 水 位 情 况 组 合 1 2 3 4 5 - - - - 1 2 3 4 5 - - - - 自 重 压 力 压 力 力 力 力 荷 载 压 力 力 静 水泥 沙扬 压浪 压冰 压地 震动 水土 压

4.3 稳定分析

工程实践和试验研究表明，岩基上混凝土重力坝的失稳破坏可能有两种类型：一种是坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾斜破坏。

PW1抗力SPW23(b)抗力S(a)

图 4-3-1 重力坝失稳破坏示意图

（a）沿软弱面深层滑动示意图 (b)倾倒破坏示意图

在一般情况中只进行抗滑稳定分析。本工程也只进行抗滑稳定分析。 4.3.1沿坝基面的抗滑稳定

1 抗滑稳定计算公式 目前常用的有两种公式。

PWWPSU(a)(b)aaaU

图 4-3-2 重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图 （a）沿水平坝基面抗滑稳定 （b）沿倾斜坝基面抗滑稳定

（1）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。滑动面上的阻滑力只计摩擦力，不计凝聚力。

当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数K可按下式计算

K阻滑力滑动力f(WU) （4—9）

P 式中 W——作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；

P——作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和； f——滑动面上的抗剪摩擦系数；

K——按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。 当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为

Kf(WcosU)Psin) （4—10）

PcosWsin式中，为滑动面与水平面的夹角，其他符号同式（4—9）。

由式（4—10）看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，角由正变负，滑动力增大，抗滑力减小，对坝的稳定不利。

（2）抗剪断强度公式

此法认为，坝与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数f和C。其抗滑稳定安全系数由下式计算

Kf(WU)CA （4—11）

P式中 f—坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数； C—坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力； A—坝体与坝基连接面的面积；

K—按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。

表4-3-1 抗滑稳定安全系数K、K

坝 的 级 别 安全系数 荷载组合 1 基本组合 1.10 1.05 1.00 2 1.05 1.00 1.00 3.0 2.5 2.3 3 1.05 1.00 1.00 K 特殊组合（1） 特殊组合（2） 基本组合 K 特殊组合（1） 特殊组合（2）

抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了摩擦力和凝聚力，是比较符合坝的实际工作状态，物理概念也较明确。所以，该水利枢纽工程抗滑稳定计算时采用抗剪断强度公式验算。

2 计算参数的确定

抗剪断摩擦系数f，凝聚力C和抗剪摩擦系数f的确定，一般是根据工程的实际情况，野外现场试验测定来选取。

该水利枢纽工程的f0.64，f1.10，C800KPa。 3 计算过程和结果

计算过程见计算书，计算结果如表4-3-2所示

表4-3-2 计算安全系数

安全系数 工作状况 设计 校核 系数 3.1 2.8 K

各工况下安全系数均大于表4-3-1中对应工况下的安全系数，因此该工程满足抗滑稳定要求。

4.3.2 沿坝基深层的抗滑稳定分析

由于坝基滑动面、抗裂面的阻滑力受岩石性质、产状等因素的影响，计算结果的精度比坝体与坝基接触面的阻滑力计算还要差。因此坝基抗滑稳定安全系数一般要求大于坝体的抗滑稳定安全系数。 4.3.3 提高抗滑稳定性的工程措施

从上述抗滑稳定分析可以看出，要提高重力坝的稳定性关键在于增加抗滑力。工程上常采用如下一些措施：

① 将坝的上游面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加的抗滑稳定，但倾斜坡度不宜过大，以防止上游坝面出现拉应力。

② 将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力提高稳定性。若基岩较为坚硬，也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，以提高坝基面的抗剪刀能力。

③ 利用地形、地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，用以增加抗力提高稳定。

④ 采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。 ⑤ 利用预加应力提高抗滑稳定性。

4.4 应力分析

4.4.1 应力分析方法

该水利枢纽工程采用理论计算中的材料力学法进行分析。用材料力学法计算坝体应力时，一般沿坝轴线切取单宽坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁，按平面问题进行计算。图4-4-1表示非溢流坝横断面的计算简图，并规定坐标方

向，作用力及应力的正方向如图所示，即水平外力以指向上游为正，铅直外力以向下为正，力矩以反时针方向为正，正应力以压为正，剪应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限为在正。 4.4.2 应力计算

1. 坝体边缘应力的计算

坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘，而且要计算坝体内部 应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时，应根据工程规模和具体情况，沿坝高方向每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。

xxdssdydyyABdx1:ndWMudxyxPB/21:m(b)Bd1AB/2BpAypy1dxxydxy

(a)图 4-4-1 坝体应力计算图

(c)（1）水平截面上的边缘正应力y和y

假定任一水平截面上的垂直正应力可用材料力学偏心受压公y呈直线分布，式计算。

假定任一水平截面上的垂直正应力y呈直线分布。

W6MyBB2W6MyBB2(4—12)

式中 W—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和； M—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和；

B—计算截面沿上下有方向的宽度。

（2）边缘剪应力和

求出y和y以后，可在上下游边缘A、B点分别切取三角形微元体。根据力的平衡条件即可求得：

(py)n （4—13）

(yp)m （4—14）

上两式中 p、p—计算截面处上下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地

震动水压力时也应计算在内）；

n、m—上下游坝面坡率，ntgu，mtgd，u、d为上下游

坝面与铅直面的交角。

 （3）铅直面上的边缘正应力x和 x

求得和以后，由上下游坝体微元体的平衡条件Fx0可求得x和

x。

2xP(Py)n （4—15） 2xP(yP)m （4—16）

（4）边缘主应力和

取三角微元体，按力的平衡条件Fy0可得

(1n2)21yPn （4—17）

2(1m2) （4—18） 1Pmy显然另一主应力即为作用字坝面上的压力强度，分别为

P （4—19） 2P （4—20） 22当上游坝面倾斜时，由于n0，即使y≥0，但如果y＜Psinu,上游面主应力1仍会出现拉应力。因此重力坝上游坡面率n一般很小乃至为零，以防止上游坝面出现拉应力。

2.坝体内部应力计算

x1:n11A2xm1:oy(a)yxyx(b)x(c)y图 4-4-2 坝内应力分布示意图

（1）坝内垂直正应力y

根据y在水平截面上呈直线分布的假定，可得距下游坝面x处的y为

yabx （4—29）

式中，系数a、b可由边界条件和偏心受压公式确定。采用的x、y见图4-4-2。

当 x0时，ay当xB时，bBW6MBB2

yy12MB3

（2）坝内剪应力

根据y呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力x呈二次抛物线分布，即

xa1b1xc1x （4—30）

a116P式中 b1B(B24) （4—31）

6P1c(33)2B1B2（3）坝内水平正应力x

根据x在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可近似的取水平正应力x呈二次抛物线分布

xa3b3x （4—32）

a3x

xb3xB

（4）坝内主应力1、2

求得坝内各点的三个应力分量后，利用材料力学公式可得

1xy=22

(yx2)2 （4—33）

4.4.3 应力计算过程和强度指标

应力计算过程见计算书，坝体应力控制标准，对不同的计算方法有不同的规定。当采用材料力学方法分析坝体应力时，SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下。

4.4.3.1 重力坝坝基面坝踵、坝址的铅直应力应符合下列要求

1 运用期

在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不应出现拉应力，坝址铅直应力小于坝基容许压应力。

2 施工期

坝址铅直应力允许有小于0.1 MPa的拉应力。 4.4.3.2 重力坝坝体应力应符合下列要求

1 运用期

（1）坝体上游面的铅直应力不出现拉应力（计扬压力）。

（2）坝体最大主应力，不应大于混凝土的容许压应力。 2 施工期

（1）坝体在任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力。 （2）在坝体下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力

4.4.4成果分析

铅直正应力бyu 铅直正应力бyd 剪应力τu 剪应力τd 第一主应力б1u 第一主应力б1d 第二主应力б2u 第二主应力б2d 附：单位kpa 边缘应力成果表 设计工况运行期 1706.18 266.87 -100.835 99 1722.36 336.26 987.27 125.27 校核工况运行期 1771.83 181 -111.86 33.789 1788.6 208.31 1026.13 125.27

内部应力成果表 铅直正应力бyu 铅直正应力бyd 剪应力τu 剪应力τd 第一主应力б1u 第一主应力б1d 第二主应力б2u 第二主应力б2d 附：单位kpa

1-1截面 设计工况运行校核工况运行期 期 1706.18 266.87 -100.835 99 1722.36 336.26 987.27 125.27 1771.83 181 -111.86 33.789 1788.6 208.31 1026.13 125.27 2-2截面 设计工况运行校核工况运行期 期 198.82 952.44 41.31 666.71 192.62 1419.14 474.22 0 39.66 974.68 71 682.28 29.01 1452.27 513.063 0 坝基容许承载力为2MPa，该水利工程选用C15号混凝土，允许抗压强度为7.2MPa。混凝土的容许压应力，对于各级工程，混凝土的抗压安全系数在荷载基本组合情况下不小于4.0,；在特殊组合情况下（地震荷载除外）不小于3.5。由以上数据可知，两截面在设计和校核情况下，强度均满足要求，各点的应力也满足规范要求。

5溢流坝剖面

5.1泄水方式的选择

溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此，需要有足够的孔口尺寸、较好体形的堰型，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产生空蚀破坏。其主要泄水方式有以下两种：

1、开敞溢流式除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其它漂浮物。堰顶可以设闸门，其闸门顶高于正常蓄水位，堰顶高程较低可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损失和非溢流坝的工程量。由于闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开时，下泄流量与堰顶水头H0的3/2次方成正比。随着库水位升高，下泄流量可以迅速增大，因此，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到了广泛的采用。

2、大孔口溢流式，上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据洪水预报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于胸墙时，下泄水流和开场流相同，库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。

综合以上情况，本工程本枢纽属大中型工程，所以为使水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。

5.2 溢流坝剖面设计

5.2.1溢流坝坝面的体形设计

溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。堰顶上游做成椭圆曲线，下游做成WES曲线，反弧段末端接挑流鼻坎。 ① 择Hd：

Hd为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%～95%。该坝堰顶

高程为441米，校核洪水位为452.258米，则：

H堰顶452..26-44111.26m，

得到Hd(75%~95%)H堰顶8.45~10.70m，取Hd9.5m。 由

Hd0.91查规范附录一、附表2产生最大负压为0.0002Hd,满足规范第Hmax29条：校核洪水位闸门全开时出现负压，一般要求负压值不超过3~6m水柱高。 ②选择堰顶曲线段：

堰顶曲线常用的有克—奥曲线和WES曲线，由于WES坝面曲线的流量系数较大，且剖面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克—奥曲线用给定坐标值的方法设计、施工都比较方便，所以选择WES曲线。

WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分，上游段采用椭圆曲线。

（1）椭圆曲线方程：

x2(aHd)2(bHdy)2(bHd)21

式中 a0.30，b0.1695。溢流面曲线坐标x、y的原点取在堰顶点O。

nn1WES曲线方程： xKHdy

由于上游面为铅直的，K2.0,n1.85，

则：aHd0.39.52.85m，bHd0.16959.51.61m。

取 dbHd5m，则 d则AO段椭圆方程：

x2 2.8526.61mHmax2.441025.22m。

(1.61y)21.6121

（2）O点下游的曲线方程为：

yx0.5()1.85， HdHd11.85x即BO段WES曲线方程为：y 0.8529.5则 y0' x01.8510.85x 029.50.850.813.538m

11.8513.5389.147m 0.8529.5 y0所以切点B的坐标为（13.538,9.147）

将x=0，1,2,3，…13.538代入式中求得相应的纵坐标，列表得：

x y

0 0.000 1 0.074 2 0.266 3 0.563 4 0.959 5 1.449 6 2.030 7 2.700 8 3.456

9 4.298 10 5.223 11 6.230 12 7.318 13 8.486 13.538 9.147 所得的堰面曲线如图所示。

5.2．2消能防冲设计

（1）选择消能方式：消能方式有面流消能、底流消能和挑流消能。

面流消能利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且沿河床流向坝址，河床一般不需要加固，面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，水位变幅不大，或有排冰、漂木的要求。

底流消能是通过水跃将泄水建筑物泄出的急流转变成缓流，以消除多余动能的消能方式。底流消能具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾化很小等优点，可适应高、中、低水头，但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量大，工程造价较高。

挑流消能是利用泄水建筑物出口的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，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。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置，范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工维修方便，耗资省，对下游冲刷较严重，适用于基岩比较坚固的中、高水头等各类泄水建筑物。

因为该坝址基岩情况较好，下游水也不是很深，下落有一定水垫深度，同时挑流消能具有结构简单，工程投资少，检修施工方便等特点，故该工程可以选用挑流消能。

（2）挑流消能设计： ①挑流鼻坎型式：

连续式鼻坎虽然存在水在空气中扩散掺气的消能作用较差动式鼻坎差，冲刷坑较深，引起下游水位波动也较剧烈的缺点，但由于它构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远的优点得到普遍采用，故该工程挑流鼻坎型式采用连续式。 ②鼻坎挑设角度：

根据实验，鼻坎挑射角度一般采用200~250，可选取250，如图所示。

③鼻坎高程：

鼻坎高程与工程布置有关，一般应高于下游最高水位1～2m,以利于挑流水舌下缘的掺气。该工程下游最高水位为校核洪水位相应的下游水位363.53米，则可选取鼻坎高程为365米。 ④反弧半径：

设挑坎顶部的过流断面的流速为v，平均水深为h 大坝的流速系数可有经验公式计算，即

31泄流的单宽流量为 q因此有

K0.055，KKq 1.5gs1Q1232.9864.89m3/s 2bd283qgs1.5164.899.8(452.26365)1.50.02

310.0550.85 K建立大坝上游断面和挑坎顶部断面的伯努利方程：

2v0v2hcos s1 2g2g2行近流速v0很小，可忽略。此外，hs1,故有 鼻坎处水流平均速度v按下式计算 v2gs1

——堰面流速系数 s1——库水位至坎顶的高

所以v0.8529.8(452.26365)35.15m/s 鼻坎平均水深为：hq1.85m v反弧段半径R(4~10)h7.4~18.5m，取R12m

（3）设反弧段圆弧圆心的坐标为(xo',yo')，则：

180 xo'xBm(P2yB)Rcot()

2 yo'P2R

tan1，即51.34；P2 为下游堰高， 0.8441365 取P2P1R(1cos)堰鼻12(1cos25）77.124m

则xo'13.5380.8(77.1249.147)12cot64.3373.687m yo'77.1241265.124m

（5）直线段下端点D(xD,yD)

xDxo'Rsin73.68712sin51.3464.317m yDyo'Rcos65.12412cos51.3472.62m

（6）挑距和冲刷坑的估算

①连续式挑流鼻坎的水舌挑距L按水舌外缘计算：

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005中附录A中公式A.4.1-1：

L12v1sincosv1cosv12sin22g(h1h2) g式中L——水舌抛距，m;

v1——坎顶水面流速，m/s,按鼻坎处平均流速v的1.1倍计，即

v11.1v1.135.1538.665m/s；

——鼻坎的挑角；

h1——坎顶垂直方向水深，m, h1hcos1.85cos251.68m（h为坎顶

平均水深，m）;

h2——坎顶至河床面高差， m，h236535015m;

——堰面流速系数。

所以

L138.6652sin25cos2538.665cos2538.6652sin22529.8(1.6815)9.8 145.558m ②最大冲坑水垫厚度估算

参见《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005中附录A

tkkq0.5H0.25

'tkkq0.5H0.25H2

式中tk——水垫厚度，自水面到坑底，m ；

tk'——冲坑深度, m;

q——单宽流量，m³/s; H——上下游水位差，m； H2——下游水深，m；

k——冲坑系数，查表A.4.2,这里取1.5。

所以 tk1.564.890.5(452.26363.53)0.2537.085m

'tk37.085(363.53350)23.555m

则Ltk'145.558/23.5556.17＞2.5～5.0

说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝的安全

（7）鼻坎的末端做成

1圆弧，半径取为1米，使鼻坎减少水流磨损。 4

5.2.3 闸门形式的选择

闸门装于溢流坝泄水孔口上，用以调节流量，控制上、下游水位，宣泄洪水，排除泥沙或漂浮物等，是水工建筑物的重要组成部分。在本工程中主要选择有平板闸门和弧形闸门。

平板闸门的基本尺寸根据孔口尺寸决定。弧形闸门挡水面为圆柱面，支撑铰位于圆心，启闭时闸门绕支撑铰转动。弧形闸门不设门槽，不影响孔口水流流态，不易产生空蚀破坏，与平板闸门比较，所需闸墩的高度及厚度较小，但闸墩较长，因为弧形闸门不能提出孔口，故检修维修不如平板闸门方便，也不能用作检修门。弧形闸门的支铰座一般布置在闸墩侧面的牛腿上。溢流坝上的露顶式弧形闸门，可将支撑铰布置在

H为门高。

13~门高处。弧形闸门的弧形半径通常用R(1.1~1.5)H，24溢流坝单宽8米，布置有两道闸门，上游端设置一道平板闸门，为检修闸门；

后面为平板闸门，为工作闸门。 5.2.4闸墩的设计

闸墩的上游端常采用半圆或椭圆形，下游端一般用流线型或圆弧曲线，有的用半圆形，闸墩厚度与闸门形式有关，采用平板闸门时需设门槽，工作闸门槽深

0.5~2.0m，宽1~4m，门槽处的闸墩厚度不得小于1~1.5m，以保证有足够的强度，弧形闸门闸墩的最小厚度为1.5~2m,检修闸门最小尺寸为0.5m×0.5m。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、交通桥和启闭机械的要求，平面闸门多用活动式启闭机，轨距一般在10米左右。

这里取中墩宽4m，边墩宽3m,闸墩中间设横缝分开，闸墩的上端为半圆弧，下端为矩形。检修闸门和工作闸门均采用平板闸门，检修闸门槽采用最小尺寸0.5m×0.5m，工作闸门按下式估算：

门槽宽：W3.5Hb5(cm) 门槽深：D(1~1)W(cm)

1.42.5式中 H ——闸门挡水高度（m）；

b ——闸门净宽（m）。

则取W=1m,D=0.5m。

5.2.5溢流堰水面线的计算 （1）水面线计算的目的

为了设计闸墩高度、边墙顶高程、弧形闸门门轴高程的确定，都需要知道溢

流面的水面线。边墩或导墙顶高程应应根据计算水面线加0.5~1.5m的超高确定。 （2）基本资料

11.85yxWES曲线为，堰顶高程441m，直线段坡度1：0.7。

29.50.85定型设计水头Hd，按堰顶最高水头的75～95%计算Hd=9.5m 校核水位：452.258m；

对应单宽下泄流量：q=78.14m3/s； 要求计算校核水位情况下的水面线。

（3）计算过程

在这里使用《水工设计手册6—泄水与过坝建筑物》（以下简称《手册6》）

中提供的计算水面线的方法。具体计算过程参见计算书。

将计算结果整理得溢流坝面水面线，如下图所示：

导墙的高度在水面线的基础上再加上0.5~1.5m，可得导水墙高度为4.20+1=5.20m，取为6m;导水墙顶部厚度取1.0m。