【導(dǎo)讀】湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì)

　　

【正文】 高、中壩不應(yīng)采用布置在軟基上的壩下埋管形式。低壩采用軟基上埋 管時(shí)，必須進(jìn)行技術(shù)論證。地雷區(qū)的壩采用壩下埋管應(yīng)按 SL20397《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。 壩型選擇 壩型選擇應(yīng)綜合考慮下列因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定： 1. 壩址區(qū)河勢(shì)地形、壩址基巖、覆蓋層特征及地震烈度等地形地質(zhì)條件： 2. 筑壩材料的種類、性質(zhì)、數(shù)量、位置和運(yùn)輸條件； 3. 施工導(dǎo)流、施工進(jìn)度與分期、填筑強(qiáng)度、氣象條件、施工場(chǎng)地、運(yùn)輸條件和初期度汛等施工條件； 4. 壩高：高壩多采用土質(zhì)防滲體分區(qū)壩 ，低壩多采用均質(zhì)壩，條件合適時(shí)宜采用混凝土面板堆石壩； 5. 樞紐布置、壩基處理以及壩體和泄水、引水建筑物等的連接； 6. 運(yùn)行條件：如對(duì)滲漏量要求 高低，上、下游水位變動(dòng)情況，分期建設(shè)等； 7. 壩及樞紐的總工程量、總工期和總造價(jià)。 8. 3 級(jí)低壩竟工論證可采用土工膜防滲體壩。 9. 軸線較長(zhǎng)的土石壩根據(jù)地形、地質(zhì)及料場(chǎng)的具體條件，可分段采用不同壩型，但在壩型變化處應(yīng)設(shè)置漸變段 。 各壩對(duì)地形 、 地質(zhì)得要求 重力壩對(duì)地質(zhì)、地形條件的要求如下 ： 1. 具有足夠的抗滑能力，能滿足抗滑穩(wěn)定的要求。大壩與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度大、壩基巖體內(nèi)沒(méi)有軟弱結(jié)構(gòu)面 和可能滑動(dòng)的巖體或其抗剪強(qiáng)度滿足抗滑穩(wěn)定的要求，不致在水推力作用下沿之產(chǎn)生滑動(dòng)，否則要采取阻滑措施。 2. 壩基應(yīng)有足夠的抗壓強(qiáng)度和與壩體混凝土相適應(yīng)的彈性模量，其均勻性湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 20 和完整性也應(yīng)較好，能承受壩體傳來(lái)的巨大壓力，不致產(chǎn)生過(guò)大的變形或不均勻變形，否則壩體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，使壩體裂開(kāi)，甚至毀壞。重力壩對(duì)壩基巖體承載力的要求低于拱壩。有的低壩可建在均勻密實(shí)的卵礫石層上。 3. 壩基 (肩 )應(yīng)有良好的抗?jié)B性，在庫(kù)水上下游水頭差作用下不發(fā)生大量滲漏、不產(chǎn)生過(guò)大揚(yáng)壓力，也不會(huì)產(chǎn)生巖體的軟化、泥化和軟弱夾 層、斷層破碎帶的滲透變形。 4. 重力壩對(duì)地形適應(yīng)性好，幾乎可以在任何形狀的峽谷中修建，但兩岸山坡巖體必須穩(wěn)定，沒(méi)有難以處理的滑坡體和潛在的不穩(wěn)定的滑移體。 5. 重力壩可以從壩頂宣泄大量洪水，下游河床巖體應(yīng)具有對(duì)高速水流的抗沖能力，以免沖刷坑向上游擴(kuò)展，威脅大壩安全。 6. 壩區(qū)附近應(yīng)有足夠的、合乎要求的混凝土骨料或石料。 拱壩對(duì)地質(zhì)、地形條件的要求 拱壩的外荷載主要是通過(guò)拱的作用傳遞到壩端兩岸，所以拱壩的穩(wěn)定性主要是依靠壩端兩岸巖體維持。與重力壩相比較，拱壩對(duì)兩岸地形完整性和巖 體的要求較高，要求兩岸 對(duì)稱，岸坡平順無(wú)突變、平面上向下游收縮的峽谷段。壩端下游側(cè)應(yīng)有足夠的巖體支承，以保證壩體的穩(wěn)定。 土石壩對(duì)地質(zhì)、地形條件的要求 土石壩由散體材料經(jīng)碾壓堆筑而成，壩坡平緩，體積龐大，底寬較大，對(duì)地基的壓應(yīng)力小、允許產(chǎn)生較大的變形，故與混凝土壩相比，它對(duì)地質(zhì)地形條件要求低，從巖石地基到土質(zhì)地基，盡管地基性狀不同，但都可修建土石壩。 各壩的特點(diǎn) 重力壩的特點(diǎn) （一） 優(yōu)點(diǎn) 1. 對(duì)地形地質(zhì)條件適應(yīng)較強(qiáng)。 2. 樞紐泄洪及倒流問(wèn)題容易解決。 3. 重力壩 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積大，有利于機(jī)械 化施工。 4. 傳力系統(tǒng)明確，便于分析與設(shè)計(jì)，運(yùn)行期間的維護(hù)及檢修工作量較少。 （二）缺點(diǎn) 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 21 1. 壩底揚(yáng)壓力較大。 2. 水泥水化熱較大，可能導(dǎo)致壩體裂縫。 拱壩的特點(diǎn) 1. 拱壩在水平外荷載作用下的穩(wěn)定性主要是依靠作為拱座的兩岸巖體的反力，并不全靠壩體自重來(lái)維持穩(wěn)定，這是拱壩的一個(gè)主要工作特點(diǎn)。 2. 拱壩可比重力壩節(jié)省工程量 1/3～ 2/3；另外還可減少基礎(chǔ)開(kāi)挖，縮短泄水 (引水 )渠道和導(dǎo)流洞的長(zhǎng)度。 3. 拱壩超載能力很強(qiáng)，其破壞時(shí)所達(dá)到的荷載可達(dá)設(shè)計(jì)荷載的 7～ 11倍 (只要拱肩有足夠的穩(wěn)定性 )。 4. 拱 壩的抗震性能好。 (世界壩高 100m 以上的拱壩有 40 座建在 7～ 8度以上的地震區(qū) )。 5. 拱壩砼的標(biāo)號(hào)一般高于重力壩， (百米高以上的拱壩常用 200～ 300號(hào)砼，百米以下的拱壩常用 200 號(hào)砼，重力壩則用 150 號(hào)砼 )，但每方砼增加的單價(jià)一般不會(huì)超過(guò)重力壩的 10～ 15％。 6. 近年來(lái)，拱壩壩頂或表孔大流量泄洪已趨普遍，單寬流量已超過(guò)200m3/s。 7. 溫度荷載應(yīng)列為拱壩的主要荷載，揚(yáng)壓力對(duì)壩體應(yīng)力的影響則小，對(duì)薄拱壩可忽略之。但在計(jì)算拱肩穩(wěn)定時(shí)，則應(yīng)考慮揚(yáng)壓力。因此拱壩應(yīng)力計(jì)算中三個(gè)最主要的荷載為：水平水 (砂 )壓力、溫度荷載、自重。 土石壩的特點(diǎn) (一 ) 優(yōu)點(diǎn) 1. 散粒體結(jié)構(gòu)，就地取材。 2. 對(duì)地質(zhì)要求低，地基適應(yīng)性強(qiáng)。 3. 必須采取防滲措施。 4. 一般不會(huì)整體滑動(dòng)。 5. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，便于維修，加高和擴(kuò)建 . 6. 施工技術(shù)簡(jiǎn)單，工序少，便于組織機(jī)械化快速施工 . (二 ) 缺點(diǎn) 1. 壩頂不能溢洪，一般要另設(shè)溢洪道 (洞 ). 2. 施工導(dǎo)流不如砼壩或漿砌石方便 . 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 22 3. 粘性土料的填筑受氣候影響較大 . 4. 沉陷和不均勻沉陷大。 根據(jù)基本資料給出的地形、地質(zhì)情況可知， 玉帶河屬山區(qū)河流 ， 河床及河谷兩岸覆 蓋少，河曲多 ，庫(kù)岸巖石裸露，系堅(jiān)硬巖石組成，地表即位弱風(fēng)化層，不易產(chǎn)生塌滑體， 地震基本烈度為 7 度。綜合以上資料，參閱《設(shè)計(jì)手冊(cè)》以及聯(lián)系工程實(shí)際情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。大壩采用均質(zhì)土壩。 均質(zhì)壩，壩體基本上由一種透水性較小的土料填筑而成，這種壩型土料單一，施工方便，便于質(zhì)量控制，同時(shí)壩址附近有材料性質(zhì)適宜，數(shù)量足夠的土料時(shí)，宜優(yōu)先采用。土石壩還有如下優(yōu)點(diǎn)：就地取材，可節(jié)省大量的水泥。地基適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)地基要求比 比混凝土低；施工技術(shù)較簡(jiǎn)單，工序少，便于機(jī)械化施工；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于管理、維修、加高和擴(kuò)建；土壩理論、試驗(yàn)及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，保障了大壩設(shè)計(jì)的可靠性。 樞紐布置 水利樞紐的建筑物 水利樞紐的建筑物包括主要建筑物和臨時(shí)建筑物，主要建筑物有擋水建筑物；泄水建筑物；輸水建筑物和水電站建筑物。臨時(shí)建筑物有導(dǎo)流圍堰，導(dǎo)流洞和臨時(shí)工作橋等。 擋水建筑物是混凝土面板對(duì)石壩。 泄水建筑物有溢洪道，排沙洞，導(dǎo)流洞。 輸水建筑物有引水渠，隧洞，尾水渠。 水電站建筑物有電站廠房，進(jìn)廠房壓力鋼管，開(kāi)關(guān)站等 。 樞紐總體布置 樞紐布置的一般性原則：合理安排樞紐中各個(gè)水工建筑物的相互位置稱為樞紐布置，其應(yīng)該遵循的一般原則是： 1. 壩址，壩及其他主要建筑物的型式選擇和樞紐布置要做到：施工方便，工期短，造價(jià)低。 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 23 2. 樞紐布置應(yīng)該滿足各個(gè)建筑物在布置上的要求，保證其在任何工作條件下都能正常工作。 3. 在滿足建筑物強(qiáng)度和穩(wěn)定的條件下，降低樞紐總造價(jià)和年運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。 4. 樞紐中各建筑物布置要緊湊，盡量將同一工種的建筑物布置在一起，以減少聯(lián)結(jié)建筑。 5. 盡可能使樞紐 中的部分建筑物早期投產(chǎn)，提前發(fā)揮效益（如提前蓄水，早期發(fā)電或灌溉）。 銅錢壩水庫(kù)主要由擋水建筑物大壩、泄水建筑物隧洞和溢洪道組成。本次設(shè)計(jì)的樞紐布置為：土石壩位于原河槽部位，上游面上游面坡 率 1： ，最大壩 高 47m，大壩軸線總 長(zhǎng) 。溢洪道 堰頂高 程 597m，分 5孔，每孔凈 寬 13m，大壩 為均質(zhì) 土石 壩， 消能方式采用挑流 消能 壩體剖面擬定 壩坡 土石壩的壩坡取決于壩型、壩高、壩體和壩基材料的性質(zhì)、壩體所承受的荷載以及壩的施工情況和運(yùn)用條件等因素。 一般情況下，上游壩坡經(jīng)常浸在水中，工 作條件不利，所以當(dāng)上下游壩坡采用同一種土料時(shí)，上游壩坡比下游壩坡緩。心墻壩上下游壩殼多采用強(qiáng)度較高的非粘性土填筑，所以壩坡一般比均質(zhì)壩陡。塑性斜墻壩上游壩坡較緩，下游坡則和心墻壩相仿。地基條件好、土料碾壓密實(shí)的，壩坡可以陡些，反之則應(yīng)放緩。黏性土料的穩(wěn)定壩坡為一面曲，上部陡坡，下部坡緩，所以用黏性土料做成的壩坡，常沿高度風(fēng)成數(shù)段，每段 10—— 30m，從上而下逐漸放緩，相鄰坡率差值取 或 。砂土和堆石的穩(wěn)定壩坡為一平面，可采用均一坡率。當(dāng)壩基或壩土料沿壩軸線分布不一致時(shí)，應(yīng)分段采用不同坡率，在各段間 設(shè)過(guò)度區(qū)，使壩坡緩慢變化。 土石壩壩坡確定的步驟是：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用類比法初步擬定，再經(jīng)過(guò)核算、修改以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。壩坡經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表 32。 在變坡處可根據(jù)需要確定是否設(shè)置馬道，碾壓土石壩上下游壩坡常沿高程每湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 24 隔 10— 30m 設(shè)置一條馬道，其寬度不小于 ，用以攔截雨水，防止沖刷壩面，同時(shí)也兼作交通、檢修和觀測(cè)之用，還有利于壩坡穩(wěn)定。馬道一般設(shè)在坡度變化初。 根據(jù) Ⅲ — Ⅲ 線地質(zhì)圖，結(jié)合工程實(shí)際情況考慮取壩底高程 570m，因此 壩高約47m。 表 32 壩坡經(jīng)驗(yàn)值 類型 上游水坡 下游壩坡 土壩 壩高 (m) ＜ 10 1∶ ～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ 10～ 20 1∶ ～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ 20～ 30 1∶ ～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ ＞ 30 1∶ ～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ 分 區(qū) 壩 心墻壩 堆石（壩殼） 1∶ ～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ 土料（壩殼） 1∶ 2～ 1∶ 1∶ ～ 1∶ 斜墻壩 石質(zhì)比心墻壩緩 。土質(zhì)緩 取值比心墻壩可適當(dāng)偏陡 ① 上 游壩坡： 1:。 1:。 ② 下游壩坡： 1:。 1:。 ③ 馬道：第一級(jí)馬道高程為 597m，第二級(jí)馬道高程為 585m。 壩頂寬度 壩頂寬度應(yīng)根據(jù)運(yùn)行、施工、構(gòu)造、交通和人防等方面的要求綜合研究后確定。當(dāng)無(wú)特殊要求時(shí)， 高壩的壩頂最小寬度可選用 10～ 15 m，中低壩可選用 5～10 m。壩頂寬度必須考慮心墻或斜墻頂部及反濾層布置的需要。 本壩頂無(wú)交通要求，對(duì)中低壩最小寬度 BBmin=5m取 B=6m。 壩頂高程 壩頂高程等于水庫(kù)靜水位與超高之和，并分別 按以下運(yùn)用情況計(jì)算，取其最大值。 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 25 ① 設(shè)計(jì)洪水位加正常運(yùn)用情況的壩頂超高，②校核洪水位加非常運(yùn)用情況的壩頂超高。 Y???? 靜水頂 計(jì)算情況： 壩頂設(shè)防浪墻時(shí)，超高值 Y是指靜水位與墻頂?shù)母卟睢? 計(jì)算的壩頂高程是指壩體沉降穩(wěn)定后的數(shù)值。 Y按下式計(jì)算。 Y=R+e+A ?cos2 20mgHDKve ? KR ? △ ?tanh 3/14/ DVh ? 式中 R—— 波浪在壩坡上的最大爬高， m。 e—— 最大風(fēng)壅水面高度，即風(fēng)壅水面超出原庫(kù)水位 高度的最大值 ,m。 Hm—— 壩前水域平均水深， m。 K—— 綜合摩阻系數(shù)，其值變化在 （ ～ ） 610?? 之 間，計(jì)算時(shí)一般取 K= 610?? ? —— 風(fēng)向與水域中線（或壩軸線的法線）的夾角，度 ； v0、 D—— 計(jì)算風(fēng)速和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度； A—— 安全加高， m。根據(jù)壩的等級(jí)和運(yùn)用情況 計(jì)算情況 見(jiàn)表 33； 表 33 壩頂高程計(jì)算表 運(yùn)用情況 靜水位 (m) R(m) e(m) A(m) △ h(m) 壩頂高程 (m) 設(shè)計(jì)情況 校核情況 湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 銅錢壩樞紐及溢洪道設(shè)計(jì) 26 驗(yàn)算：壩頂高程 ??? ??? m 0 7 0 0 ，即設(shè)計(jì)洪水位 根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（ SL2742020）的規(guī)定，壩頂高程取上 計(jì)算成果中大值，故壩頂高程為 ?？紤]到在自重及水壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生沉陷。為防止壩 頂?shù)陀谠O(shè)計(jì)高程，壩高預(yù)留沉陷量，按壩高的 2％預(yù)留沉陷值。根據(jù)規(guī)范要求要設(shè)防浪墻，其高度取 : ?碾 壓 =? 壩頂 +壩高 ℅=+ () 2%= 壩坡選擇 參閱《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)類比，初步擬定大壩內(nèi)坡坡率分別為一級(jí)坡 1： 3. 0，二級(jí)坡 1： ，按壩高 27m變坡。大壩外坡坡率為一 級(jí)坡 1：，二級(jí)坡 1： ，按壩高 20m 變坡。變坡處設(shè)馬道（戧道），寬度根據(jù)交通需要而定，為設(shè)置排水溝和人行道，規(guī)范規(guī)定最窄需要 米。則初步擬定為。 壩體排水設(shè)備選擇及尺寸擬定 常用的壩體排水有以下幾種型式：貼坡排水、棱體排水、褥墊式排水。 貼坡排水不能降低