【正文】 某水電站重力壩設(shè)計(jì)與施工組織設(shè)計(jì)4 溢流壩壩體設(shè)計(jì) 泄水方式的選擇溢流重力壩既要擋水又要泄水，不僅要滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求，還要滿足泄水要求。因此需要有足夠的孔口尺寸、較好體型的堰型，以滿足泄水的要求；且使水流平順，不產(chǎn)生空蝕破壞。重力壩的泄水主要方式有開(kāi)敞式和孔口式溢流，開(kāi)敞溢流式的堰除了有較好的調(diào)節(jié)性能外,還便于設(shè)計(jì)和施工,同時(shí)這種形式的堰在我國(guó)應(yīng)用廣泛，有很多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。故本設(shè)計(jì)采用開(kāi)敞溢流式孔口形式，堰頂不設(shè)閘門(mén)，故堰頂高程與正常蓄水位齊平。 溢流壩剖面擬定 溢流曲線由頂部曲線段、中間直線段和底部反弧段三部分組成。設(shè)計(jì)要求：，泄流能力大；，不產(chǎn)生不利的負(fù)壓和空蝕破壞；，造價(jià)低，便于施工。 根據(jù)《水工建筑物》[1]規(guī)范，本設(shè)計(jì)采用的溢流壩的基本剖面為三角形。其上游面為折線面，其起坡點(diǎn)的高度和坡率與非溢流壩的保持一致，即取上游坡率為n=，溢流面由頂部的曲線、中間的直線、底部的反弧三部分組成。定型設(shè)計(jì)水頭的確定：堰頂最大水頭Hmax=校核洪水位－堰頂高程，即： Hmax=－=定型設(shè)計(jì)水頭Hd=(75%~95%)Hmax ，取Hd=由Hd /Hmax= 壩頂曲線段根據(jù)《水力學(xué)》[2]規(guī)范可知，溢流壩頂部采用曲線形式，頂部曲線的形式很多，常用的有克—奧曲線和WES曲線。本工程選用WES 曲線。首先繪出壩頂部的曲線，取堰頂部最高點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。WES型堰頂部曲線以堰頂為界分為上游段和下游段兩部分。該設(shè)計(jì)上游段曲線采用三圓弧型曲線。堰頂O點(diǎn)上游三圓弧的半徑及其坐標(biāo)值為：R1==； X1==R2==； X2==R3==；X3==圖41 WES實(shí)用堰面曲線圖示開(kāi)敞式堰面堰頂下游堰面采用WES 曲線，可按式（41）計(jì)算： （41）式中：—堰面曲線定型設(shè)計(jì)水頭，m，可根據(jù)容許負(fù)壓的大小按堰頂最大作用水頭的75%～95%計(jì)算。x、y—原點(diǎn)下游堰面曲線橫、縱坐標(biāo)；n—與上游堰坡有關(guān)的指數(shù),見(jiàn)下表；k —當(dāng)/＞,k值見(jiàn)下表,當(dāng)/≤,取k＝～，為上游相對(duì)堰高。 堰面曲線參數(shù)如表15。表15 堰面曲線參數(shù)上游面坡度（△y/△x）knR1aR2b3:03:13:23:3上游面為鉛直面由上表可查的n=，k=，根據(jù)公式41可知，原點(diǎn)下游堰面曲線方程為： (42)按上式計(jì)算的坐標(biāo)值如表16所示：表16 計(jì)算WES下游曲面坐標(biāo)值表xyxyxy161127123813491451015 中間直線段中間直線段與壩頂部下游曲線和下部反弧段相切，坡度和擋水壩一致，取1︰。 反弧段 反弧半徑溢流壩面反弧段是使沿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R按經(jīng)驗(yàn)公式（43）計(jì)算： （43）式中：為反弧段最低點(diǎn)出的費(fèi)勞德數(shù)。流速按式（44）計(jì)算： （44） （45）式45為迭代公式，迭代初值取h=0。E0為上游最高水位與反弧段最低點(diǎn)的距離，反弧最低點(diǎn)與下游水位齊平。為堰面流速系數(shù)，由長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室提供的公式初步確定為：Q=255m3/s，q=（單寬流量）初始令h0=0， 故故取。 挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程減小。同時(shí)入水角增大后，沖刷坑深度增加。根據(jù)《水力學(xué)》[2]查得：θ一般在150～350之間，在此取 挑坎高度根據(jù)《水力學(xué)》[2]規(guī)范，挑坎應(yīng)高出下游水位，一般以1～2m為宜。計(jì)算時(shí)按設(shè)計(jì)洪水位情況考慮。取挑坎最低高程等于下游水位，挑坎最高點(diǎn)與最低點(diǎn)間距離為R(1cosθ)。故挑坎高度 反弧段坐標(biāo)確定 溢流壩實(shí)用堰剖面計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示。圖10 溢流壩實(shí)用堰剖計(jì)算面簡(jiǎn)圖圓心O′距壩底距離為： =+30cos25176。=圓心O′距C點(diǎn)距離為： == 消能防沖設(shè)計(jì) 由于溢流壩下泄的水流具有很大的動(dòng)能，常高達(dá)幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)KW,如此巨大的能量，如不妥善處理，勢(shì)必導(dǎo)致下游河床被嚴(yán)重沖刷,甚至造成塌滑岸破和大壩失事。所以消能措施的合理選擇和設(shè)計(jì)對(duì)樞紐布置、大壩安全及工程量具有重要意義。 由《水工建筑物》[1]及（SL319—2005）《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]可知消能的設(shè)計(jì)原則是：（1）盡量使下泄水流的大部分動(dòng)能消耗在水流內(nèi)部的紊動(dòng)中，以及水流與空氣的摩擦上。（2）不產(chǎn)生危及壩體安全的河床或岸坡的局部沖刷；（3）下泄水流平穩(wěn)，不影響樞紐中其它建筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，工程量小。 確定消能形式 根據(jù)《水工建筑物》[1]及《水力學(xué)》[2]確定消能形式。（1）挑流消能：挑流消能是利用鼻坎將下泄的高速水流向空中拋射,使水流擴(kuò)散, 并摻入大量空氣，然后跌入下游河床水墊后,形成強(qiáng)烈的旋滾,并沖刷河床形成沖坑,隨著沖坑逐漸加深，水墊愈來(lái)愈厚,大部分能量消耗在水滾的摩擦中,沖坑逐漸趨于穩(wěn)定。挑流消能的工程量小、投資省,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢修施工方便。但下游局部沖刷不可避免,一般適用于巖基比較堅(jiān)固的高壩或中壩。（2）底流式消能：底流消能是在壩址下游設(shè)消力池,消力坎等,促使水流在限定范圍內(nèi)產(chǎn)生水躍，通過(guò)水流內(nèi)部的旋渦、摩擦、摻氣和撞擊消耗能量。底能具有流態(tài)穩(wěn)定，消能效果好,對(duì)地質(zhì)條件和尾水變幅適應(yīng)性強(qiáng)及水流霧化等優(yōu)點(diǎn)。但工程量大，不宜排漂或排冰。底流消能適應(yīng)于中低壩或基巖較軟弱的河道,高壩采用底流消能需經(jīng)論證。（3）面流式消能：面流消能是在溢流壩下游面設(shè)低于下游水位、挑角不大的鼻坎，將主流挑至水面，在主流下面形成旋滾，其流速低于表面，且旋滾水體的底部流動(dòng)方向指向壩址，并使主流沿下游水面逐步擴(kuò)散，減小對(duì)河床的沖刷，達(dá)到消能防沖的目的。面流消能適用與水頭較小的中、低壩，要求下游水位穩(wěn)定， 尾水較深，河道順直，河床和河岸在一定范圍內(nèi)有較高抗沖能力，可排漂和排冰。 面流消能雖不需要做護(hù)坦，但因?yàn)楦咚偎髟诒砻?，并伴隨著強(qiáng)烈的波動(dòng)，流態(tài) 復(fù)雜，使下游在很長(zhǎng)距離內(nèi)水流不平穩(wěn)，可能影響電站的運(yùn)行和下游航運(yùn)，且宜 沖刷兩岸，因此也須采取一定的防護(hù)措施。（4）消力戽消能：消力戽消能是在溢流壩址設(shè)置一個(gè)半徑較大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潛沒(méi)在水下，形不成自由水舌，水流在戽內(nèi)產(chǎn)生旋滾，經(jīng)鼻坎將 高速的主流挑至表面。戽內(nèi)、外水流的旋滾可以消耗大量能量，因高速水流挑到 表面，減輕了對(duì)河床的沖刷。消力戽適用于尾水較深，變幅較小，無(wú)航運(yùn)要求且下游河床和兩岸有一定抗沖刷能力的情況。消力戽的優(yōu)點(diǎn)是：工程量較底流消能 ??；沖刷坑比挑流消能淺；不存在霧化問(wèn)題。缺點(diǎn)是：下游水面波動(dòng)大，綿延范圍長(zhǎng)，易沖刷岸坡，對(duì)航運(yùn)不利，底部旋滾將泥沙帶入戽內(nèi)時(shí)，磨損戽面增加了維修費(fèi)用。 最終確定消能型式：分析比較以上消能工的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到本次設(shè)計(jì)的重力壩屬于高壩，下游地質(zhì)條件比較好的情況，決定選用挑流式消能。 挑流鼻坎設(shè)計(jì)（1）挑流鼻坎有連續(xù)式和差動(dòng)式，該設(shè)計(jì)選用連續(xù)式鼻坎。（2）經(jīng)計(jì)算。（3）反弧半徑R=30m。（4）根據(jù)實(shí)際工程情況，該設(shè)計(jì)挑射角取θ=25176。 水舌挑距L的估算根據(jù)《水工建筑物》[1]規(guī)范，水舌挑射距離按水舌外緣計(jì)算（圖11），其估算公式為 (46)式中：L—水舌挑距，m； —坎頂水面流速，； —鼻坎的挑角； —坎頂平均睡神h在鉛直方向的投影，； —坎頂至河床面高差，；式（46）中的按下列公式計(jì)算： （47） （48） （49） 計(jì)算按設(shè)計(jì)洪水位情況考慮，把數(shù)據(jù)代入式（47）、（48）、（49）中，得：代入各參數(shù)計(jì)算得： 沖刷坑深度的估算 挑流消能沖坑計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖11所示。圖11 挑流消能沖坑計(jì)算圖 沖刷坑深度工程上常按式（410）進(jìn)行估算: (410)根據(jù)《水工建筑物》[1]規(guī)范可得：式中：tk—水墊厚度，自水面算至坑底，m； q—單寬流量，m3/（）；q=110247。10=11m3/（） H—上下游水位差，m；H= α—沖坑系數(shù)，～，～，～。 L/tk=,一般要求L/tk﹥～5，滿足要求。因非溢流壩段應(yīng)力和穩(wěn)定均滿足要求，故溢流壩應(yīng)力穩(wěn)定不再做詳細(xì)分析?？紤]到溢流壩下泄水流會(huì)產(chǎn)生摻氣現(xiàn)象，故需要在溢流壩兩邊設(shè)置導(dǎo)墻，初步估算導(dǎo)墻高出壩面2m。1225 細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì) 壩頂構(gòu)造 根據(jù)《水工建筑物》[1]規(guī)范，壩頂路面應(yīng)具有2%～3％的橫向坡度，并設(shè)置砼排水溝(3030cm)以排出壩頂雨水，壩頂上游的防浪墻（，）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墻身應(yīng)有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，宜采用與壩體連成整體的鋼筋砼結(jié)構(gòu)，而下游側(cè)則可設(shè)防護(hù)欄，為滿足運(yùn)用要求和交通要求，在壩頂上布置照明設(shè)施，即在上游側(cè)每隔25m設(shè)一對(duì)照明燈，一只朝向壩頂路面方向，一只朝向水庫(kù)方向。根據(jù)大壩正常運(yùn)行需要，在壩頂還要設(shè)置通向壩體內(nèi)部各層廊道、電站的電梯井，便于觀測(cè)和維修人員快速進(jìn)出。 分縫止水 壩體分縫 壩體分縫目的由于本設(shè)計(jì)為碾壓混凝土重力壩，采用全斷面通倉(cāng)澆筑。根據(jù)（SL314—2004）《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，碾壓混凝土壩可不設(shè)縱縫，但為了適應(yīng)溫度伸縮和地基的不均勻沉降，減小壩體的拉應(yīng)力分量，應(yīng)當(dāng)設(shè)置橫縫，但是可以減少橫縫的條數(shù)。橫縫分為永久性和臨時(shí)性兩種。永久性橫縫做成豎直平面，不設(shè)鍵槽，縫內(nèi)不灌漿，使各壩段獨(dú)立工作?？p隙為1～2cm。縫面在冬季收縮，橫縫張開(kāi)；夏季橫縫擠緊，產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。橫縫內(nèi)設(shè)置止水。具體布置見(jiàn)排水和止水一節(jié)。臨時(shí)性橫縫設(shè)置鍵槽和灌漿系統(tǒng)灌漿高度視壩高和傳力的需要決定。臨時(shí)性橫縫主要適用于以下幾種情況：（1）河谷狹窄，做成整體式重力壩，可在一定程度上發(fā)揮兩岸山體的支撐作用，有利于壩體的穩(wěn)定和強(qiáng)度；（2）岸坡陡峻，將各壩段連成整體，可以改善岸坡壩段的穩(wěn)定性；（3）坐落在軟弱破碎帶上的各壩段，連成整體后，可增加壩體的剛度；（4）在強(qiáng)地震區(qū)，將各壩段連成整體，可提高壩體的抗震性能。本設(shè)計(jì)中工程地處花崗巖地區(qū)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，完整性較好，地基無(wú)不良的地質(zhì)，岸坡較緩，穩(wěn)定系數(shù)較高，應(yīng)此，可將其布置成永久性橫縫。 布設(shè)原則根據(jù)（SL 3191005）《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定，橫縫間距可為15m～20m，超過(guò)24m或小于12m時(shí)應(yīng)作論證。碾壓混凝土重力壩的橫縫間距可較常態(tài)混凝土重力壩的橫縫間距適當(dāng)加大。龍灘碾壓混凝土壩研究結(jié)果表明，對(duì)于碾壓混凝土壩，設(shè)橫縫是必須的，是防止溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的主要措施，而且橫縫間距不宜太大，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算分析，橫縫間距選擇15m～25m為宜。表17是我國(guó)一些已建混凝土重力壩壩采用橫縫情況。表17 中國(guó)碾壓混凝土重力壩采用橫縫情況序號(hào)壩名完成年份壩高（m）壩長(zhǎng)（m）底寬（m）橫縫間距（m）采用橫縫形勢(shì)1龍門(mén)灘19895813948無(wú)無(wú)2天生橋二級(jí)1989614704368～73誘導(dǎo)縫3銅街子199088102916～21切縫4水口19921011916840誘導(dǎo)縫5巖灘19921115257320～46誘導(dǎo)縫6百龍灘19968210406616切縫7石漫灘1997406743310～42誘導(dǎo)縫8龍灘200919274116820～44正規(guī)縫9百色200613072011133～35正規(guī)縫11棉花灘20011113038220,33～70正規(guī)縫12石板水1998844456041～70正規(guī)縫13大朝山20021184808518～36正規(guī)縫從表17可以看出，碾壓混凝土壩體分縫間距從10m～70m不等。龍門(mén)灘碾壓混凝土壩甚至沒(méi)有分縫，其運(yùn)行十余年來(lái)未發(fā)生貫穿性裂縫。 工程措施 在本設(shè)