【正文】 83。10 五、大壩剖面優(yōu)化和應(yīng)力穩(wěn)定分析 10 六、工程量與開挖量計算 11 七、附表 11 （一）附表一：擋水壩電算方案 11 （二）附表二：溢流壩電算方案 18 3 寧村水庫重力壩初步設(shè)計計算書 一、工程等級的確定 （一） 原理： 擬定泄水建筑物，進行調(diào)洪計算，求得校核洪水位，再根據(jù)附圖 1（寧村水庫水位 ~庫容關(guān)系曲線）查得水庫總庫容，最終根據(jù)規(guī)范 《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》 SL2522020 確定工程等級。 （二） 計算過程： 已知： 在校核洪水 （ %） 下， Q=588m3/s；正常蓄水位 ；死水位 。 壩址巖層以砂巖為主，夾泥巖和頁巖， 砂巖抗壓強度較高，但泥巖、頁巖抗壓強度稍低，其允許承載能力為 ~，巖層傾向上游，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，整體性稍差，并夾有軟薄層，抗滑能力較低。下游河道平均水深 2米左右。預(yù)計采用消能效果較好的消能工。綜合地質(zhì)條件、下游河道水深、樞紐布置和消能工設(shè)計，因此，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后選定單寬流量 q=28m3/(sm)。 則堰頂寬 b=Q/q=588/28=21m 由 Hd=(~) H 校 ， 取 Hd= H 校 即 Hw / Hd= 查圖 3 可得 m=＜ ，滿足要求。 式中： Hd為定型設(shè)計水頭， m； Hw 為堰上水頭， m。 根據(jù)公式 Q=ε1σsmnb g2 H3/2 ， 式中： ε1： 側(cè)收縮系數(shù)，與邊墩、閘墩及閘墩頭部的型式、堰孔的數(shù)目、堰孔的尺寸、全 大大大大的 水頭等有關(guān)， ε1=； σs： 淹沒系數(shù)，為自由出流 σs=1； n： 堰孔數(shù)，本設(shè)計中為 1； m： 流 量系數(shù)，由計算得出 m=； b： 堰頂寬，由計算得出 b=21m； g取 。 帶入公式 有： H 校 =[Q/(ε1smnb g2 )]2/3=[588/(*1**21* *2 )]2/3= Hd= H 校 =*= Z 校 =+= 查水位 ~庫容關(guān)系曲線（圖 1）確定總庫容 V 總 =（萬 m3） 根據(jù)工程效益、總庫容查詢規(guī)范 SL252— 2020，該工程的等別為 Ⅲ 等。 二、孔口尺寸擬定及設(shè)計洪水位、校核洪水位的確定 （一） 堰頂高程的擬定 因為是開敞式溢流壩身泄水，并無調(diào)節(jié)等要求，因此堰頂高程就是正常蓄水位高程，即為 。 （二） 堰頂溢流前沿寬度的擬定 因為砂巖中還夾有泥巖、頁巖等，砂巖本身強度也不高，且不完整，因此從消能防沖考慮，應(yīng)按破碎巖石處理，單寬流量 q=20～ 50m3/s，又綜合考慮了以上四方面的因素，初步選定單寬流量 q=28m3/(sm)，按渲泄最大洪水時的流量 Q 校 =588m3/s 考慮，得到溢流前沿寬度為： L=Q 校 /q=588/28=21m 4 （三） 設(shè)計洪水位、校核洪水位的計算 原理： 試算法。首先假定一個堰上水頭 H 設(shè) ， 計算 H 設(shè) /Hd 值，查附圖 3，寧村水庫 Hw / Hd與流量系數(shù) m 關(guān)系曲線，得出流量系數(shù) m，代入公式 Q=ε1σsmnb g2 H 設(shè) 3/2 求出設(shè)計洪水 H 設(shè) 。 與資料給的 設(shè)計洪水（ 2%） Q 設(shè)=450m3/s 比較，誤差不超過 1%即可。 已知 : 由以上計算知堰頂高程為 ，單寬流量 q=28m3/s，及前沿寬度 L=21m。由 確定工程等級過程推求得校核洪水位為 Z 校 =。 計算過程： 通過多次試算 結(jié)果簡單列表如下：（表 4） 方案 堰上水頭H設(shè)（ m） Hd H 設(shè) /Hd 流量系數(shù) m 設(shè)計洪水Q 設(shè)（ m3/s） 設(shè)計洪水（ 2%） Q設(shè)（ m3/s） 誤差 一 1 % 二 % 三 % 四 % 經(jīng)過多次試算，方案一、二、三不滿足設(shè)計規(guī)范，方案四和方案五均滿足設(shè)計要求，但方案五更為精確。故選定方案 四 作為設(shè)計依據(jù)。即 H 設(shè) =。 推求設(shè)計洪水位： Z 設(shè) =+=。 三、 擋水壩設(shè)計 （一）壩頂高程的確定 重力壩壩頂高程按 壩頂上游防浪墻頂高程計，按下式計算，取其大值。 防浪墻頂高程 =設(shè)計洪水位 +△ h 設(shè) 防浪墻頂高程 =校核洪水位 + △ h 校 其中設(shè)計洪水位、校核洪水位已計算得出，只需求 △ h 即可。 △ h=h2%+hz+hc 式中： h2% ：累計頻率為 2%時的波浪高度； hz：波浪中心線高于靜水位的高度； hc：安全加高，按表 5 選用。 5 表 5 安全加高 hc 運用情況 壩的級別 1 2 3 設(shè)計情況（基本情況） 校核情況（特殊情況） 根據(jù)官廳水庫公式求 h1%、 hz： 設(shè)計情況 ① 高： hl=*V05/4D1/3=*275/4*31/3= 由于 gD/Vo2=*3000/152= 在（ 20， 250） 之間，故為累計頻率為 5%的波高。 h1%= h5%=*= ② 波長： L=(h1%)=*= ③ 高： hz=(π h1%2/L)cth(2π H)/L= ④ 表 5 得 hc= 因此 △ h=h2%+hz+h=++= H=+= 校核情況 ① 波 高： hl=*V05/4D1/3=*155/4*31/3= ② 波長： L=(h1%)=*= ③ 高： hz=(π h2%2/L)cth(2π H)/L= ④ 表 5 得 hc= 因此 △ h=h2%+hz+h=++= H=+= 相比取大者，所以壩頂高程為 。 （二） 建基面高程 的確定 根據(jù)該壩的地形地質(zhì)條件，建基面可設(shè)在弱風(fēng)化處，在高程為 85m~86m 附近，該設(shè)計取建基面高程為 （三） 壩頂寬度的確定 根據(jù)《混凝土重力壩規(guī)范》 SDJ2178，壩頂寬度應(yīng)根據(jù)設(shè)備布置運行檢修施工和交通等需要確定，并應(yīng)考慮抗震特大洪水時搶護以及其他特殊要求。 壩頂寬度一般取 (8%~10%)H，且不小于 2m。常態(tài)混凝土壩壩頂最小寬度為3m，碾壓混凝土壩為 5m。 H== B=(~)H=(~)*=~ 考慮施工要求，取 B= （四） 上下游壩坡坡率及起坡點位置的確定 根據(jù)工程經(jīng)驗，一般情況下，上游坡率 n=0~,下游坡率 m=~。根據(jù)寧村水庫工程地質(zhì)條件，初擬n=， m=。 6 上游起坡點 一般為離建基面的距離為壩高的三分之一左右，即距建基面為： 則擬定上游起坡高程為 。 下游起坡點 起坡高程可按基本三角形頂點約在正常蓄水位以上擬定，且低于壩頂高程。如下圖。 J 點為下游壩坡坡面延長線與上游面交點 。 F 點為下游起坡點。（壩頂高程為 ，正常蓄水位為 ，建基面高程為 86m。） ① J 點恰好在正常蓄水位與上游壩面交點時： BJ=AG== GF=4/= AF=AG+GF= ②當(dāng) J 點恰好在壩頂與上游壩面交點時： BJ=AG=0m GF=4/= AF=AG+GF= 因此，設(shè)計中 AF 應(yīng)在 ~ 之間， 取 AF=10m。 FI=AHAF== 重力壩底寬 DE DE=DH+HE=*+4+*= 圖 1 擋水壩計算簡圖 （五） 壩面優(yōu)化 通過電算對比分析，可知最優(yōu)方案為：上游起坡高程： 105m；上游坡比： ；下游起坡高程： 125m；下游坡比： ；壩頂寬度： 4m。 （六） 壩體強度穩(wěn)定承載力極限狀態(tài)設(shè)計 詳見：附表一：擋水壩電算方案 （七） 壩體上游面拉應(yīng)力的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計 詳見：附表一：擋水壩電算方案 （八） 壩體應(yīng)力分析 詳見：附表一：擋水壩電算方案 四、 溢流壩設(shè)計 （一） 溢流壩斷面設(shè)計 溢流堰斷面設(shè)計包括上游直線段，堰 頂曲線段、下游曲線段、下游直線段以及反弧段 5 個部分組成。設(shè)計要求：⑴有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；⑵水流平順，不產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞；⑶體形簡單、造價低，便于施工。 ①上游直線段 在該設(shè)計中，由于擋水壩已經(jīng)確定，故為了不使擋水壩產(chǎn)生側(cè)向水壓力，則溢流壩的上游直線段設(shè)計與擋水壩保持一致。 7 ②堰頂曲線段 WES剖面堰頂曲線如右圖。 堰頂 O1點為坐標(biāo)原點（ 0， 0），曲線采用三段復(fù)合圓弧相接。這樣做可使堰頂曲線與堰上游面平滑連接，改善了堰面壓強分布，減小了負壓。三段復(fù)合圓弧的半徑 R 如圖中所示。 R1==*= R2==*= R3==*= 三段復(fù)合圓弧水平坐標(biāo)值： =*= =*= =*= 豎直坐標(biāo)值為： y1=， y2=， y3= ② 下游曲線段 該剖面堰頂 O1點下游的曲線由公式 (y/Hd)=k(x/Hd)n計算，式中系數(shù) k 及指數(shù) n 決定于堰上 游面的坡度，取 k=， n=，代入上述公式得： = 式中的 Hd為不包括行近流速水頭的剖面設(shè)計水頭， Hd=。 計算與下游直線段銜接 處點 A的 坐標(biāo) 。由于 溢流壩與擋水壩銜接部分有導(dǎo)墻連接，從工程實用 和 經(jīng)濟等方面綜合考慮，擬定下游直線段的坡度 m2=。 對 y 求導(dǎo)， y39。=*(*m2)=*(*)= 求得： xA=， yA=，即 A(， )。 x 0 1 2 3 4 5 6 0 1 y 0 ④反弧段 溢流壩面反弧段是使溢流面下泄水流平順轉(zhuǎn)向的工程措施，通常采用圓弧曲線，反弧半徑應(yīng)結(jié)合下游消能設(shè)施來確定。根據(jù)DL5108— 1999《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：對于挑流消能，R=(4~10)h。 h 為校核洪水位閘門全 開時反弧段最低點處的水深。 查圖 2 下游水位 ~流量關(guān)系曲線， 校核洪水 （ %） 下，Q=588m3/s 時的下游水位為 94m。地面高程 84m，挑砍高度~1m，初步擬定為 1m。則有挑砍高程為 94+1=95m。 上游水位至挑砍高程 S1== 流能比 KE=q/( g )=28/( *)= 8 壩 面流速系數(shù) 3 0 3 ???? EK? = 鼻砍斷面流速 **2*8 9 1 ?? SV ? =反弧段最低點處的水深 h=q/v=28/= 因為反弧段流速愈大，要求反弧半徑愈大。當(dāng)流速小于 16m/s 時，取下限；流速大時，宜采用較大值。鼻砍斷面流速為 ，初擬 R=8h=8*=。 ⑤ 下游直線段 由③知， 下游直線段 與壩頂曲線和下部反弧段 相切，其與曲線段交點 A(， )， 坡度 與非溢流壩段的下游坡相同，取 m2=。 根據(jù)經(jīng)驗，鼻砍挑射角度一般取 20176。 ~25176。，擬定為 θ =20176。 因為下游直線段與反弧段相切，且坡率為 ， 由此計算出 ∠ BO2C=tan1(1/)=176。 O2F=Rcos∠ BO2C=*= O2H=Rcos∠ CO2D=*cos20= 則 O2 所在高程為 HO2=95+= yO2== yb=+= AE== BE=AE*m2=*= 則 xB=+= xO2=xB+BF=+= 所以有 B(,)， O2(,)， C(,)。 從而使 上游直線段，堰頂曲線段、下游曲線段、下游直線段以及反弧段得以確定。 （二） 消能防沖設(shè)計 確定鼻坎高程、反弧半徑、挑角 由 溢流壩斷面設(shè)計部分 得知： 鼻坎高程為 95m，反弧半徑為 ，挑角為 20176。 計算挑距和下游沖刷坑深度 ① 挑距的計算 水舌挑射距離是按水舌外緣計算，其估算公式為 ])(2s i nco sco ss i n[1 21221121 hhgvvvgL ???? ???? 式中：