【正文】 壩體常呈如圖 61所示的復式梯形。 本樞紐的重力壩采用如圖 61 所示的形式，即上游面上部鉛直，而下部是傾斜的，這是因為該處的地基較好，做出斜面以利用一部分水重來協(xié)助自身的抗滑穩(wěn)定。 壩體尺寸確定 （ 1）壩高的計算 壩頂高出靜水面 Δ h=2h1+h0+hc 2h1—— 波浪高度； h0—— 波浪中心線高出靜水位高度； hc—— 安全超高，根據(jù)壩的等級為一等知； 經(jīng)過計算（見 計算書 節(jié) ）壩頂高程為 。 （ 2）壩基面高程和壩高的確定 由河谷地形圖上量得河谷高程（除掉河沙卵石）為 138m。取開挖的深度為 2m，則壩基面面高程為 Z 基 =1382=136m；壩高為 H=Z 頂 Z 基 == （ 3）壩頂寬度的確定 在無特殊要求的前提下，壩頂寬度約為壩高的 8%～ 10%，一般不小于 2 米，有交 通要求時候應按交通要求布置。 182 .04151 .00136 .00 圖 61 擋水壩形式 第六章 擋水建筑物設計 16 壩高 H=，壩頂寬度要求有 =。 考慮可能有的通車要求，取 B=6米。 （ 4）上游折坡點高程 為盡量利用水重來提高抗滑穩(wěn)定，在滿足應力的前提下，上游坡應盡可能的緩。同時也應考慮電站進水口閘門攔污珊的操作便利。一般的情況下，折坡點高度頂在壩高的 1/3～2/3處?，F(xiàn)擬定折坡點高程為： Z 折 u=136+15=151m （ 5）上下游邊坡坡度 n、 m 上游邊坡 n 一般要求在 ～ 之間，上游邊坡 m 在 ～ 之間。同時在滿足穩(wěn)定和應力條件的情況下， 取能使整個壩的工程量最小的 n和 m值。 現(xiàn)初步擬定為： n= m= 最后確定的坡度需要經(jīng)過壩體的經(jīng)濟剖面計算后方能確定，見 。 （ 6）下游折坡點 根據(jù)基本三角形理論，基本三角形的頂點應在上游校核水位處。由此確定下游折坡點高程為 H 折 2= 壩體經(jīng)濟剖面選擇 選擇的原理和方法 非溢流壩段的斷面在任何水平截面上均能滿足穩(wěn)定和應力的要求，而整個壩體的混凝土方又最小的斷面稱經(jīng)濟斷面。為了獲得經(jīng)濟合理的壩剖面，必須遵循以下三個原則：（ 1）壩體沿最危險破壞面的最小 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于規(guī)范規(guī)定值；（ 2）壩體上游面最小主壓應力不小于規(guī)定值；（ 3）壩體總工程量為最小。 本次設計主要對非溢流壩剖面進行優(yōu)化。對最常用的剖面形狀，共有 5 個參數(shù)，即壩頂寬度 B，上游壩坡 n，上游起坡點高程 y1，下游壩坡 m和下游起坡點高程 y2，控制條件主要是壩基面和上游起坡點兩個水平截面上的穩(wěn)定和應力條件。一般壩頂寬度 B對壩體混凝土方量影響極微，可根據(jù)構造或交通要求預先定出，其它 4個參數(shù)可按下述方法求得：即在壩基面和上游折坡點的街截面上，取應力和穩(wěn)定安全系數(shù)為最小的允許值，分別列出一個穩(wěn)定方程式和一 個應力方程式，共 4個方程式，可解出 4個未知數(shù) n， m， y1， y2，此時，位于中間的剖面就是經(jīng)濟剖面。 由于其中有大量重復的計算，由電算進行來進行，計算程序是由武漢大學水利水電學第六章 擋水建筑物設計 17 院水工教研室提供的 SAOGD1。 經(jīng)濟剖面計算及其成果分析 計算工況： 1正常洪水位 +揚壓力； 2設計洪水位 +揚壓力； 3校核洪水位 +揚壓力。 程序輸入和輸出見計算說明書附錄一。 從輸出結果中找到滿足前面的三個原則的經(jīng)濟剖面為： n= m=。其對應的壩體體積 V=,上游折坡點 151，下游折坡點 。其他計算結果匯總于表 61。 表 61 經(jīng)濟剖面計算結果 計算工況 垂直應力σ y 上游第二主應力σ 2u 下游第一主應力σ 1d 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 1 2 3 注 :表中單位為噸 .米。 穩(wěn)定及應力分析（手算） 穩(wěn)定分析的基本原理和計算方法 在任何可能出現(xiàn)的荷載組合的情況下，重力壩都必須保持穩(wěn) 定。而巖基混凝土重力壩的失穩(wěn)破壞一般有以下兩種類型：①壩沿抗剪能力不足的面產生滑動，包括沿壩基面或沿附近巖體的表層或淺層破壞以及沿基巖體內方向不利而又連續(xù)延伸的軟弱結構面產生深層滑動；②壩可能伴隨著在上游壩踵以下出現(xiàn)斜拉裂縫以及在下游壩趾以下出現(xiàn)巖石受壓屈服區(qū)，兩者逐漸開展，直至連通，壩體連同部分地基產生傾倒或滑移而破壞。 抗滑穩(wěn)定分析主要就是核算壩體沿壩基面或地基深層軟弱結構面抗滑穩(wěn)定的安全度。主要計算方法有兩種：抗剪斷強度公式（ Ksh）抗剪強度公式（ Ksl），根據(jù)我國 1984年頒布的《混凝土重力壩設計規(guī) 范 SDJ21— 78（試行）補充規(guī)定》中規(guī)定，除中型工程中的中低壩外，應按抗剪斷強度公式計算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 此工程屬于大（一）型工程，因此采用抗剪斷強度公式。 抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為： K’= ?? ??H AcUVf 39。)(39。б 式中 f’ —— 抗剪斷摩擦系數(shù)； c’ —— 抗剪斷凝聚力； KN/m2 第六章 擋水建筑物設計 18 A—— 滑動面面積 , m2； U—— 作用于滑動面上的揚壓力； ∑ H—— 作用于滑動面上壩體的力在水平方向的投影的代數(shù)和； ∑ V—— 作用于滑動面上壩體的 力在垂直方向的投影的代數(shù)和。 穩(wěn)定分析計算 基本荷載有：壩體自重、上游水壓力、下游水壓力、泥沙壓力、浪壓力、揚壓力、壩頂設備重量。 計算的詳細過程見計算 書 ，計算成果匯總列于表 62 表 62 穩(wěn)定計算（手算）成果 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 設計 校核 K’ () () 可知上面設計的壩體滿足穩(wěn)定要求。 應力分析的基本原理 和方法 強度和穩(wěn)定是表征建筑物安全兩個重要方面。而應力分析是校核強度和穩(wěn)定的前提。重力壩的應力分析是在壩體斷面業(yè)已初步擬訂的情況下進行的，其目的是為了判定壩體運用期和施工期是否滿足強度和穩(wěn)定方面的要求，同時也為研究與設計和施工有關的其他問題（如確定壩體混凝土標號分區(qū)以及在某些部位配置鋼筋等）提供依據(jù)。 設計的壩體斷面需要滿足規(guī)定的應力條件：在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應力應小于壩基允許壓應力，最小垂直正應力應大于零；對于壩體應力，在基本荷載組合下，下游面最大主壓應力不大于混凝土的允許壓應力值， 上游面的最小主壓應力應大于零。 應力的計算方法很多，可歸納為理論計算和模型實驗兩大類。設計時一般使用理論計算的方法，理論的計算方法有材料力學法、彈性理論和彈塑性理論的方法。對于中等高度（ 60～ 70m）以下的重力壩，一般只用材料力學計算方法即可，他計算方法簡單，原理明確，計算比較準確。 應力分析計算 計算截面為壩基面；計算工況為設計和校核情況；計算內容是壩踵和壩趾處兩點的應力值。 經(jīng)過應力計算（計算見 計算書 ）匯總計算結 果列于表 62。 第六章 擋水建筑物設計 19 表 62 應力計算（手算）成果表 工況 設計 校核 σ x σ y τ xy σ 1 σ 2 σ x σ y τ xy σ 1 σ 2 上游面 0 0 下游面 0 0 注：單位為噸 .米。 可知上面設計的壩體尺寸滿足應力要求。 穩(wěn)定及應力分析（電算） 應力分析（電算）的目的和要求 由于用材料力學法進行應力分析的計算量較大且屬于重復性計算，在實際的工作中一般利用程序來進行應力分析，迅速而準確。 這里使用的是武漢大學水利水電學院水工教研室提供的 SAOGD1程序。 要求計算出 3～ 5個不同高程截面的正應力σ xσ y、剪應力τ xy和主應力σ 1σ 2,分析壩體的應力條件；并繪制出應力分布圖和主應力分布圖。 應力計算及其成果分析 應力計算的三個工況為：正常洪水位 +揚壓力；設計洪水位 +揚壓力；校核洪水位 +揚壓力；程序的輸入數(shù)據(jù)輸出結果見附錄二 將計算 成果整理成表 63。 可見壩體內部應力條件良好：沒有出現(xiàn)應力為負值的，即拉應力的情況，也沒出現(xiàn)壓應力超過混凝土極限承載能力的情況！ 由程序的輸出結果繪制得到正常水位情況下的應力分布圖（圖 62）和主應力分布圖（圖 63）。 表 63 非溢流壩應力計算（電算）成果整理表 ①計算工況 :正常水位 +揚壓力 高程 σ x σ y τ xy σ 1 σ 2 min max Min max min max min max min max 0 0 0 165 0 0 0 158 0 0 0 151 0 0 0 143 0 0 136 0 第六章 擋水建筑物設計 20 ②計算工況 :設計水位 +揚壓力 高程 σ x σ y τ xy σ 1 σ 2 min max Min max min max min max min max 0 0 0 165 0 0 0 158 0 0 0 151 0 0 143 0 136 0 ②計算工況 :校核水位 +揚壓力 高程 σ x σ y τ xy σ 1 σ 2 min max Min max min max min max min max 0 0 0 165 0 0 0 158 0 0 0 151 0 0 143 0 136 注： max 代表最大值； min 代表最小值；表中單位均以噸 .米計；計算結果中值非常小的以 0計 第六章 擋水建筑物設計 21 σσ τxy 圖63 主應力分布圖 圖62 應力分量分布圖 第七章 泄水建筑物的設計 22 第七章 泄水建筑物的設計 泄水建筑物形式的選擇 在 。 溢流壩剖面設計 溢流壩剖面除了應滿足強度、穩(wěn)定和經(jīng)濟等要求外，還 需考慮水流運動的要求。通常它是由基本三角形（圖 71 中虛線所示）即非溢流壩修改而成。內部構造則不變，和非溢流壩保持相同。 溢流壩面由頂部溢流段、中部直線段和下游消能組成，上游邊為直線或折線。溢流面的中間直線段一般可與非溢流壩下游面斜率保持相同，上端與堰頂溢流曲線線相切，下端與下游反弧段相切，其作用是使水流平順的按要求的消能方式與下游水銜接。 頂部溢流段（ ac 段） 溢流壩頂部溢流曲線，應使水流平順的通過堰頂，在堰面不產生過大的負壓，溢流能力較大。 (1)溢流堰面曲線（ bc 段）。有兩種曲線可供選擇 使用：克 奧曲線和 WES 曲線。但最近的工程實例證明 WES 曲線比克 奧曲線瘦，宜與壩面連接，計算切點位置及放樣均方便的多，與上游面可呈坡形連接，按定型水頭設計此堰面曲線時，在不同水頭下，可增加泄流量，因此我國“混凝土重力壩設計規(guī)范”薦采用 WES曲線。故擬訂采用 WES曲線。當上游面垂直時， WES曲線方程如下： H2xy? 式中： x,y—— 堰頂曲線的水平和垂直坐標，原點為堰頂?shù)淖罡唿c； 較 圖 71 溢流壩基本剖面 第七章 泄水建筑物的設計 23 Hs —— 定型設計水頭，按堰頂最高水頭的 75～ 95%計算。 經(jīng)計算確定該曲線方 程為 ?? （ 2）上游曲線（ ab 段）。堰頂上游面為 1/4 橢圓曲線，其方程為： 1)hb( )yhb()ha( x 2s2s2s2 ?? ???? 式中： a、 b—— 分別為橢圓的長短軸系數(shù)； Hs —— 定型設計水頭。 最后確定該橢圓方程為 1131 )( x 2222 ??? 中部直線段（ cd 段） 溢流壩的中部為直線段，要求和非溢流壩的基本三角形的下游邊相重合，上端和堰頂曲線相切，下端和反弧相切，其作用是使水流平順的按要求的消能方式與下游水位銜接。 經(jīng)過計算（詳細 見計算書 ）得切點位置為 (， )，其坡度和非溢流壩保持一致，為 1： 。 下游消能設計（ de段） 表 71 消能形式極其比較 消能形式 原理及特點 適用情況 底流消能 基本原理是使水流產生臨界水躍，通過表面漩滾消能；他常需要護坦、消力池等措施，對于基巖往往不夠經(jīng)濟。 常用于水閘。 挑流消能 挑流消能，利用鼻坎將自溢流面下泄的高速水流向空中拋射，使水流擴散并卷如大量的空氣，然后落入下游河床水墊中。水流在同空氣摩擦的過程中 ，消耗了約 20%的能量。拋射到下游水墊后，形成強烈的旋滾區(qū)，沖刷河床形成沖坑，同時消耗掉大部分的能量。 它一般適用于基巖上的水工建筑物，特別是高水頭、大流量的泄水建筑物。 面流消能 原理是將高速水流挑至尾水面，在表層主流和河床之間形成逆流旋渦和躍波，通過旋渦和主流擴散而消能。水流在表面可減輕對壩下河床的沖刷，但可能水滾裹挾石塊，磨損壩腳地基。 它適用于下游尾水較深，流量變化范圍小，水位變幅不大的情況，由于表層水流速很大，對下游的電站和航運有影響。 消力戽消能 它將鼻坎設置在水下，不形成自由水舌，水流在戽內產生漩滾，經(jīng)鼻坎將高速主流挑射至水流表面，消耗大量動能。 它一般實用于尾水較深，變幅較小，無航運要求，且地基條件比較好的情況。 第七章 泄水建筑物的設計 24 （ 1）消能形式及原理：重力壩的下泄水流具有很大能量，如不能妥善的消殺水流的能量，將沖刷建筑物及河床基巖，危機建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等 ,他們的比較列于表 71。 由于該樞紐河床地質條件較好，且水頭較高，同時有通航和發(fā)電要求。擬采用挑流消能。 （ 2）挑流設計 挑流設計的要求：選擇合適的鼻坎型式、反弧半徑、鼻坎高程和挑射角度，使挑射 水流形成的沖刷坑不會影響到壩體的安全。 ①常用的鼻坎型式有連續(xù)式和差動式。連續(xù)式構造簡單，射程遠，水流平順，一般不會產生空蝕，施工方便；差動式消能效果好，沖刷坑較小，但有空蝕問題存在，施工難度較連續(xù)式大。 由于本樞紐的地基條件較好，考慮到施工的方便使用連續(xù)式鼻坎，同時也避免了空蝕的問題，但要保證沖坑不會危及到壩體的安全。 ②連續(xù)式的挑流鼻坎的挑射角，根據(jù)我國的工程實踐經(jīng)驗，以 20176?！?25176。為宜，擬定采用 25176。的挑射角。 ③鼻坎反弧段半徑 R 以 8～ 12 倍的 hc 為宜， hc 為鼻坎上的水深，流速越大，倍數(shù)宜選用較大值 。經(jīng)過計算（見計算書 ）擬訂為 。 ④鼻坎高程，為了保證挑流的效果，必須要求挑流要高于下游水面。一般情況下鼻坎高程以高于下游水位 1～ 2米為宜。設計出來的鼻坎高程為 ，高出下游水位： ???? 滿足要求。 ⑤水力校核，鼻坎設計完畢后，還需驗算該挑流消能是否會危及建筑物的安全，常用沖坑上游坡做為標準，即： ck iLti ?? 式中 tk—— 沖坑深度（米）； L—— 沖坑最深深度距建筑物距離； i—— 沖坑上游坡； ic—— 安全臨界坡，可取 1/3～ 1/4。 第七章 泄水建筑物的設計 25 計算工況為設計和校核情況。計算（詳細計算見計算書 ）得 校核時： k ???? 設計時： ???? Lt k 均滿足安全要求。 綜上，擬訂的挑流消能的鼻坎型式為 ,連續(xù)式鼻坎；反弧半徑 R=；挑射角度θ=25176。；鼻坎高程頂部 。 、閘墩及導墻設計 閘門設計 （ 1）閘門形式的型式選擇 比較常見的閘門形式是平板門和弧形門。平板直升閘門能滿足各種類型的 泄水孔道的要求，所以它是應用最為廣泛的一種閘門形式；弧形門也是一種應用十分廣泛的門型，它一般可用于泄洪道和無壓泄水孔的泄水形式。二者具體特性如表 71所示： 表 71 閘門型式及其優(yōu)缺點 優(yōu)點 缺點 平板門 ①可封堵相當大面積的孔口； ②建筑物順流方向尺寸較小； ③閘門結構簡單，其制造、安裝和運輸工作相對來說比較方便； ④門頁可以出孔口，便于檢修維護； ⑤門頁可在孔口間互用； ⑥門葉可為數(shù)段，有利于泄洪、排沙； ⑦閘門啟閉設備比較簡單，對對移動式起門機 適應性較好。 ①需要較高和較厚的閘墩； ②具有影響水流的門槽特別在水頭較高的情況，門槽會帶來很多的麻煩； ③需要啟閉力較大，故須選用超大的門機。 弧形門 ①可封閉相當大面積的孔口； ②所需閘墩高度和厚度較小； ③沒有影響水流流態(tài)的門槽； ④所需的啟閉力較??； ⑤埋件數(shù)量小。 ①需要較長的閘墩； ②閘門所占空間較大； ③不能提出孔口以外進行維修； ④閘門所承受的總水壓力較大，不能在孔口間互換。 通過比較二者各有優(yōu)劣，但當二者均為方案選擇時，優(yōu)先考慮使用弧形門。故工作門擬采用弧形閘門，而檢修門為了保證工作的 可靠，采用平板門。 （ 2）工作閘門基本尺寸擬訂 ①門高。工作閘門要求可以在正常水位的情況下完全擋水，在校核水位時則打開閘門第七章 泄水建筑物的設計 26 放水，即門高 H為正常水位的堰上水深加上浪高（浪高見計算書 ）和一定的超高。 Z正 Z頂 +H 浪 =+= 米 加上一定超高為 。 ②門面板曲率?；⌒伍T面板曲率半徑與門高的比值露頂式一般為 ～ ，則弧形門半徑 R = =11米。 ③布置位置，支絞位置應設在泄水時不受水流和漂浮物沖擊的高程，一般溢流壩頂上的露頂式閘門，支絞位 置約在 1/2～3/4倍門高處。 現(xiàn)擬訂將支鉸放在 度處， 的要求。此時的支鉸遠遠高于水面線（水面線計算見計算書 節(jié)），且閘門開啟的之后也可保證在水面線上一定的超高，如圖 71所示。 （ 3）檢修門基本尺寸擬訂 檢修門采用平板門，門槽厚度為 1～ 4米，門高和工作門一致。故擬訂門槽寬為 1米，門高 。 要求檢修們和工作門之間要有 1～ 2米的間距，以保證工作人員能夠進入進行檢修和維護。此處二者間距擬訂為 。 閘墩設計 （ 1）閘墩的作用 將溢流前緣分分隔為 若干個孔口，便于設置閘門，同時承受閘門傳來的水壓力，也是壩頂橋梁的支承體。 （ 2）閘墩體型設計 閘墩的長度主要取決于壩頂橋面的交通和閘門的受力條件。壩頂交通主要有交通橋、工作橋和便橋，閘門受力牛腿后同樣需要一定的混凝土厚度以保證可以承受閘門傳來的檢修門工作門水面線 圖 71 溢流壩閘門尺寸及布置示意圖 第七章 泄水建筑物的設計 27 力。因為使用是弧形門，按照上面的要求所的閘墩很長，考慮如圖 72 所示布置形式，即在牛腿的斜下方和水面線以上向內收縮。這樣可以減小閘墩的長度，增大溢流面寬度，減小水流流速；同時保證閘門的受力牛腿布置在一個平面上，有較好的受力條件。 對于弧形門閘墩最小厚度為 ～ ，最大可達 3～ ?？紤]到墩縫，墩厚初擬定為 3m。 檢修門槽寬度前面已經(jīng)擬訂為 1米，深度取 。 導墻設計 （ 1）導墻的作用及位置。 邊墩設在溢流壩的兩側，以分隔溢流壩和非溢流壩，并做為邊跨橋梁和閘門的支承體，為了防止壩面水流向兩側漫溢，邊墩應向下游延伸形成導墻。延伸的長度應根據(jù)樞紐的布置而定。 由于本樞紐采用挑流消能，所以和非溢流壩或溢流壩間的導墻至少要延伸到鼻坎末端，和鼻坎端部平齊；和電站壩段之間的導墻為了和壩后式廠房分割開，不影響電站尾水，保證不影響電站的正常運行，導墻 應延伸到廠房后 20～ 30 h0（ h0為下游水臨界水深）。 （ 2）導墻的高度確定。 導墻要求高于摻氣水面線（當弗氏系數(shù) Fr2 時候考慮摻氣水深） 1～ 2 米，以保證水流不會漫溢。 剖面剖面便橋工作橋交通橋牛腿水面線 圖 72 閘墩示意圖 第七章 泄水建筑物的設計 28 表 72 溢流面水面線計算結果 Xi 6 8 10 12 14 16 Yi 水深 h 經(jīng) 水面線計算（見計算書 節(jié)）得溢流面摻氣水面線如表 72 和圖 73 所示。并按照 1～ 2米的超高設計導墻，為了施工的方便，將導墻設計為如圖 73所示的折線形式。 （ 3）導墻厚度及截面的確定 導墻斷面按受力條件決定，墻頂寬度不小于 50～ 60cm。導墻的重要外力來自水壓力，其受力如圖 72（ b）所示呈三角形分布。故將導墻截面做成梯形，以更好的承受水壓力。梯形頂邊寬 1米，底邊寬 2米，起坡點在水面線處，如圖 72（ b）所示。 穩(wěn)定與應力分析（電算） 計算基本原理及方法 溢流壩雖然是在基本剖面的基礎上修改而來，但剖面的樣式已經(jīng)改變，前面擋水壩段的穩(wěn)定應力分析的結果已不在適用于此，必須對該壩段重新進行穩(wěn)定應力分析。 分析的基本方法為材料力學法。 由于計算十分煩瑣復雜，此處利用武漢大學水利水電學院水工教研室提供的穩(wěn)定應力分析程序 SAOGD1來進行分析 截面導墻閘墩導墻水面線 圖 73 導墻示意圖 第七章 泄水建筑物的設計 29 穩(wěn)定應力分析計算 計算的工況：正常洪水位