【正文】 和抗剪斷公式的區(qū)別1）抗剪強度公式形式簡單，方便可靠，對摩擦系數(shù)的選擇多年來積累了豐富的經(jīng)驗，在國內(nèi)外應用廣泛。但該公式忽略了壩體與基巖間的膠結作用，不能完全反映壩的實際工作性態(tài)；f值采用鏡面或粗面摩擦試驗確定，比實際值偏?。籧為安全儲備，公式偏安全，故規(guī)范采用Ks較小；基巖堅固程度不同，基巖與混凝土膠結程度也不同，安全儲備也不容，因此不同工程采用同一Ks值，實際的安全度并不一樣。抗剪斷公式直接采用接觸面上的抗剪斷摩擦系數(shù)，物理概念明確，比較符合壩的實際工作情況，已日益為各國所采用。2)采用的安全系數(shù)標準不同由于抗剪強度公式未考慮壩體混凝土與基巖間的凝聚力，而將其作為安全儲備，因此相應的安全系數(shù)Ks值就不應再定得過高，這里的Ks值只是一個抗滑穩(wěn)定的安全指標，并不反映壩體真實的安全程度。用抗剪強度公式設計時，: 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)荷載組合壩的級別123基本組合特殊組合（1）（2）本設計中，正常情況和設計情況作為基本組合，且壩的級別為3級，所以基本組合時[]=，校核工況作為特殊組合（1），[]=。關于安全系數(shù)，《混凝土重力壩設計規(guī)范SL3192005》規(guī)定，抗剪斷強度公式計算的壩基面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)值應不小于下表規(guī)定的數(shù)值： 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)荷載組合基本組合特殊組合（1）（2）： 穩(wěn)定計算結果表工況豎直力（kN）水平力（kN）（MPa）B（m）[][]正常274681445449設計261861428249校核260061542349 從計算結果可以看出，抗剪強度安全系數(shù)和抗剪斷安全系數(shù)均大于格子的容許安全系數(shù)，故最大壩高的非溢流壩段能夠滿足強度要求。（1）溢流壩的工作特點 溢流重力壩是重力壩樞紐中最重要的泄水建筑物，用于將規(guī)劃庫容所不能容納的絕大部分洪水經(jīng)由壩頂泄向下游，以保證大壩安全。溢流重力壩應滿足的泄洪要求包括： 1）有足夠的孔口尺寸、良好的孔口體型和泄水時具有較高的流量系數(shù)；2）使水流平順地流過壩體，不產(chǎn)生不利的負壓和振動，避免發(fā)生空蝕現(xiàn)象； 3）保證下游河床不發(fā)生危及壩體安全的局部沖刷；4）溢流壩段在樞紐中的位置，應使下游流態(tài)平順，不產(chǎn)生折沖水流，不影響樞紐中其他建筑物的正常運行；5）有靈活控制水流下泄的設備，如閘門、啟閉機等。（2）溢流重力壩的設計要點設計溢流重力壩，除應滿足穩(wěn)定和強度要求外，還需根據(jù)洪水特性、水利樞紐布置、地形、地質、工程造價、水庫運用方式及下游河道安全泄量等問題，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，研究確定溢流重力壩的位置選擇、泄水方式組合、下泄流量分配、堰頂和泄水孔口高程、溢流壩和泄水孔口體型以及消能防沖設施等。 1）溢流重力壩位置選擇溢流重力壩的布置應結合樞紐布置全面考慮，避免與其他水工建筑物相互干擾，其下泄水流應不致淘刷壩基與其他建筑物的地基與坡岸。對于寬闊河道，溢流壩應布置在河道主河槽，以利于順暢泄流、水流消能、下泄水流歸槽與下游水流妥善銜接以及減小土石方開挖等。對于狹窄河道，溢流重力壩常與水電站廠房在布置上發(fā)生矛盾，解決矛盾的方法常是加大溢流壩的泄流單寬流量以縮短泄流前沿長度或采用溢流壩與電站廠房重疊布置。本設計中河床較寬闊，所以將溢流壩段布置在河床主河槽。 2）泄水方式的組合和流量分配泄水建筑物的泄水方式分為：表面溢流式（如溢流重力壩和岸邊式溢洪道）和深水式（如壩身泄水孔和河岸泄水隧洞），壩身泄水孔按進水口高程的高低又可分為中孔和底孔。壩身泄洪是經(jīng)濟的，表面溢流孔泄流能力大，又具有較大的超泄能力，宜優(yōu)先考慮。深水泄水孔雖然泄流能力不及表面溢流孔，但進水口淹沒在水面以下，放水條件好，給水庫運行帶來了很大的靈活性，還兼有排沙、放空、導流等功能。因此本設計溢流方案為表面溢流孔加深水泄水孔。由于表面泄水孔泄流能力大，泄洪任務主要由表孔承擔，調(diào)洪演算時底孔流量只作為泄洪安全儲備。 3）溢流壩堰頂高程選擇溢流壩為滿足泄洪要求，可以選擇不同的溢流堰頂高程。但同樣的泄流量，堰頂高程愈低，泄流前沿愈短，可減小泄水建筑物造價，但過堰單寬流量加大，會增加消能困難和下游河床的抗沖負擔，為此需要從經(jīng)濟、安全兩方面做周密的分析。本設計中，溢流壩堰頂高程與起調(diào)水位相同。溢流面由頂部曲線段、中間直線段、和反弧段三部分組成。設計要求：1）有較高的流量系數(shù)，泄流能力大；2）水流平順，不產(chǎn)生不利的負壓和空蝕破壞；3）體型簡單、造價低、便于施工等。（1）頂部曲線段溢流壩頂部曲線段是控制流量的關鍵部位，其形狀多與銳緣堰泄流水舌下緣曲線相吻合，否則會導致泄流量減小或產(chǎn)生負壓。頂部曲線的型式很多，常用的有克—奧曲線和WES曲線。我國早期多用克—奧曲線。由于WES壩面曲線的流量系數(shù)較大且剖面較瘦，工程量較小，壩面曲線用方程控制，比克—奧曲線用給定坐標值的方法設計施工方便，所以近年來我國水利工程溢流堰頂部曲線多采用WES曲線。本設計溢流面頂部曲線也采用WES曲線。根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》（SL3192005），WES型溢流堰頂部曲線以堰頂為界分為上游段和下游段兩部分。上游段曲線可采用雙圓弧、橢圓、三圓弧等型式。本設計采用三圓弧型式，RRR3的取值如下： R1= 距堰頂?shù)乃阶钸h距離為： HdR2= Hd 距堰頂?shù)乃阶钸h距離為： HdR3= Hd 距堰頂?shù)乃阶钸h距離為： HdWES型堰頂下游段曲線，當壩體上游面為鉛直時，可按下式計算：式中：Hd—定型設計水頭，m；一般為校核洪水位時堰頂水頭的75%~95%。坐標原點在堰頂。根據(jù)調(diào)洪演算的結果：，在溢流壩段寬度為5孔8米，總寬度40m的情況下進行調(diào)洪計算，堰上最大水Hmax== m，所以Hd=（～）Hmax=~ m，為了便于設計和計算，本設計取為Hd=10 m。則溢流壩堰頂部分上游段三圓弧尺寸如下：R1==5m， Hd=；R2= Hd=2m， Hd=；R3= Hd=， Hd=；下游段曲線段方程為：= d ==，即y= 。非溢流壩下游坡度為1:，故溢流壩直線段的坡度也取為1:，為使水流經(jīng)過頂部曲線段和直線段交界處時流態(tài)平順，不發(fā)生空蝕、空化，應使直線段與頂部曲線段末端相切。y’= =1/，解得x=，y=，故頂部曲線段x的坐標范圍為：（~）m，y的坐標范圍為：（0~）m。： 溢流壩頂部曲線下游段坐標值x(m)12345678y(m)x(m)9101112131415y(m)，可以繪出溢流壩頂部曲線圖，見圖62所示：圖62 WES堰頂部曲線圖 （2）反弧段溢流壩面反弧段是使沿溢流面下泄水流平順轉向的工程措施，通常采用圓弧曲線，反弧半徑應結合下游消能設施來確定。根據(jù)《混凝土重力壩設計規(guī)范》(SL3192005)，對于挑流消能，反弧半徑R=（4~10）h，h為校核洪水閘門全開時反弧段最低點處的水深。反弧處流速愈大，要求反弧半徑愈大。當流速小于16m/s時，取下限；流速大時，宜采用較大值。根據(jù)調(diào)洪演算，可以得出樞紐的總下泄流量（壩頂溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的總和），通過堰頂?shù)南滦沽髁繎獮?，其中為電站和泄水孔等建筑的下泄流量，本設計中泄水孔下泄流量作為安全儲備，為電站引用流量=60m3/s，為系數(shù)，~。故： Q設溢=60= m3/s； Q校溢=60= m3/s；溢流堰的總凈寬為L=58=40m；則單寬流量：q設 =；q校=；根據(jù)能量方程： 式中：E0—收縮斷面底部為基準面的壩前水流總比能；hc—反弧段最低點處收縮斷面水深；—流速系數(shù)，；q—溢流壩單寬流量，m3/。反弧段鼻坎坎頂應高出下游洪水位1~2m，以校核洪水為例，考慮到坎頂比反弧段最低點高出3m左右，+（1~2）3=~，故E0校==。代入上式經(jīng)試算可得hc校= m。經(jīng)過對幾種消能方式的對比論證，本設計采用挑流消能方式，連續(xù)式鼻坎。由于溢流壩的反弧段具有挑流消能的功能，而挑流鼻坎的反弧半徑R要求采用（4~10）h，h為鼻坎上水深，此處h近似看作與hc相同，則反弧半徑R=（4~10）hc=（~）m。若R太小，則水流轉向不夠平順；若R太大，則將使鼻坎想下游延伸太長，增加工程量，且vc值越大，越趨于取上限值。在本工程中，vc=q/hc=＞16m/s，故反弧半徑R應取較大值，本設計取R=30m。對鼻坎挑射角而言，在45176。范圍內(nèi)，挑射角越大，則挑距越遠。參考眾多已建工程，挑射角一般取20176?！?5176。，本設計結合地形考慮，取鼻坎挑角為25176。則鼻坎坎頂高程：H=426+30(1cos25176。)=。=，滿足反弧段鼻坎坎頂應高出下游校核洪水位1~2m的要求。 （3）中間直線段中間直線段坡度應與非溢流壩下游壩面坡度相同，取1:。直線段起點坐標為（,），由CAD繪圖時可以確定直線段末端坐標為(,)。 （4）溢流壩剖面簡圖根據(jù)以上確定的WES堰頂曲線、反弧段和直線段，可在CAD上繪出溢流壩面的剖面簡圖。見圖63所示： 圖63 溢流壩剖面簡圖本設計在樞紐布置中，將溢流壩段布置于河床主河槽，需要計算分析溢流壩段的抗滑穩(wěn)定性。溢流壩的穩(wěn)定計算和非溢流壩段一樣，需同時用抗剪強度公式和抗剪斷強度公式分別計算其穩(wěn)定性。溢流壩所受荷載除與非溢流壩相同的自重、靜水壓力、揚壓力、泥沙壓力、浪壓力等荷載外，還要承受泄洪時的動水壓力。采用的計算公式如下： 式中：—接觸面以上的總鉛直力；—接觸面以上的總水平力；—作用在接觸面上的揚壓力；—接觸面間的摩擦系數(shù)；A—接觸面積，m2；—抗剪斷摩擦系數(shù)；—抗剪斷凝聚力，kPa。具體計算過程詳見計算書。 溢流壩段抗滑穩(wěn)定計算表工況鉛直力∑WU （KN）水平力 ∑P （KN）摩擦系數(shù) f抗剪斷參數(shù) f1抗剪斷參數(shù)C1 （KPa）接觸面積 A（m2）KsKs1【Ks】【Ks1】正常800設計800校核800，溢流壩段無論是用抗剪強度公式還是抗剪斷強度公式所計算出的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都大于規(guī)定要求，所以溢流壩段的穩(wěn)定滿足設計要求。7 方案比較本工程主要選擇混凝土面板堆石壩與重力壩方案進行比較。壩型選擇要根據(jù)壩址區(qū)地形條件、地質條件、筑壩材料、施工條件、氣候條件及工程量等多方面因素綜合進行比較，選定技術上可靠、經(jīng)濟上合理的壩型。(1) 地質條件：本工程壩址河谷谷底以下為厚約30m以上的巨厚層石英砂巖，為大壩的主要持力層；中部為厚3m的砂質粘土巖，下部為厚30m厚的石英砂巖，中夾有薄層砂質粘土巖，兩岸以石英砂巖為主，中夾有砂質粘土巖，石英砂巖巖質堅硬，抗壓、抗拉及抗剪強度較高，因此壩址區(qū)地質條件對于面板堆石壩及重力壩都能適應，修建這兩種壩型均可。 (2) 地形條件：本工程樞紐壩址河谷呈“U”型。谷底寬約30m，在470m高程處寬約300m，兩岸不甚對稱。在右岸431m高程左右，分布有一寬約10m，長約40m的一級階地。河床左岸平均坡度為30176。，右岸平均坡度為23176。主河槽偏向左岸，但是流經(jīng)潭家場后偏向右岸，致使右岸坡變陡，左岸形成一沖積臺地。壩址上游左右兩岸有小山彎地形，下游潭家場附近有一較大的沖積地形。本工程地形條件對于兩種壩型的影響也不太大，因此從地形方面考慮修建兩種壩型都比較合適。 (3) 筑壩材料：壩址順河流域地處山區(qū)，壩址上、下游蘊藏有豐富的石英砂巖，表面覆蓋較薄，易于開采，運輸距離較近?；炷良吧皾{用的砂石料主要由壩址下游10km處的沙灣一帶采集，水泥由地區(qū)水泥廠供給（400水泥）。從筑壩材料來看，壩址區(qū)蘊藏豐富的石英砂巖可用作面板堆石壩的堆石料填筑，且易于開采、運距較近，具有良好的經(jīng)濟效益。而修建重力壩則需要遠距離運送混凝土，且水泥較貴。因此從筑壩材料來看，修建面板堆石壩更可行。 （4）工程量：由計算說明書可得，堆石壩開挖情況為：，。堆石壩壩體填筑情況為：、。從兩方案的工程量統(tǒng)計可以看出，重力壩的開挖和填筑量都要小于堆石壩方案，但堆石壩方案中，開挖和回填基本能達到平衡，填筑的石料大部分可以由開挖料加工而來。而重力壩中，接近16萬m3的混凝土都需要從工地外運送，會增加工程造價，同時還可能影響工期。因此從工程量方面比較來看，本工程選取堆石壩方案更合適。因此，本工程的最終推薦方案為面板堆石壩方案。8 面板堆石壩深入設計面板壩的擋水防滲體系包括：面板、趾板、趾板地基的固結與帷幕灌漿、周邊縫和板間縫中的止水結構及防浪墻。趾板區(qū)基礎包括趾板及其下游1/3水頭范圍。河床壩段挖除覆蓋層和風化破碎巖石，使河床部位趾板基礎坐落在堅硬、完整的巖基上。應做好趾板下基巖的固結灌漿和帷幕灌漿設計。固結灌漿孔宜布置為2~4排，深度應不小于5m。帷幕灌漿孔的布置一般為1排，2級壩及高壩的帷幕深度可按深入巖體透水率為3Lu~5Lu區(qū)域內(nèi)5m，其他的壩為5Lu~10Lu區(qū)域內(nèi)5m，或按（1/3~1/2）壩高確定，并做好兩岸壩肩的滲流控制。本工程中趾板下布置3排灌漿孔： 2排固結灌漿孔，1