【正文】 由于計(jì)算十分煩瑣復(fù)雜，此處利用武漢大學(xué)水利水電學(xué)院水工教研室提供的穩(wěn)定應(yīng)力分析程序 SAOGD1來進(jìn)行分析 截面導(dǎo)墻閘墩導(dǎo)墻水面線 圖 73 導(dǎo)墻示意圖 第七章 泄水建筑物的設(shè)計(jì) 29 穩(wěn)定應(yīng)力分析計(jì)算 計(jì)算的工況：正常洪水位 +揚(yáng)壓。 穩(wěn)定與應(yīng)力分析（電算） 計(jì)算基本原理及方法 溢流壩雖然是在基本剖面的基礎(chǔ)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(yīng)力分析的結(jié)果已不在適用于此，必須對該壩段重新進(jìn)行穩(wěn)定應(yīng)力分析。故將導(dǎo)墻截面做成梯形，以更好的承受水壓力。 （ 3）導(dǎo)墻厚度及截面的確定 導(dǎo)墻斷面按受力條件決定，墻頂寬度不小于 50～ 60cm。 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(shè)計(jì) 28 表 72 溢流面水面線計(jì)算結(jié)果 Xi 6 8 10 12 14 16 Yi 水深 h 經(jīng) 水面線計(jì)算（見計(jì)算書 節(jié)）得溢流面摻氣水面線如表 72 和圖 73 所示。 （ 2）導(dǎo)墻的高度確定。延伸的長度應(yīng)根據(jù)樞紐的布置而定。 導(dǎo)墻設(shè)計(jì) （ 1）導(dǎo)墻的作用及位置?？紤]到墩縫，墩厚初擬定為 3m。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(shí)保證閘門的受力牛腿布置在一個(gè)平面上，有較好的受力條件。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(shè)計(jì) 27 力。 閘墩設(shè)計(jì) （ 1）閘墩的作用 將溢流前緣分分隔為 若干個(gè)孔口，便于設(shè)置閘門，同時(shí)承受閘門傳來的水壓力，也是壩頂橋梁的支承體。 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(jìn)入進(jìn)行檢修和維護(hù)。 （ 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。 現(xiàn)擬訂將支鉸放在 度處， 的要求。弧形門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。 Z正 Z頂 +H 浪 =+= 米 加上一定超高為 。 （ 2）工作閘門基本尺寸擬訂 ①門高。 通過比較二者各有優(yōu)劣，但當(dāng)二者均為方案選擇時(shí)，優(yōu)先考慮使用弧形門。 弧形門 ①可封閉相當(dāng)大面積的孔口； ②所需閘墩高度和厚度較??； 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。二者具體特性如表 71所示： 表 71 閘門型式及其優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 平板門 ①可封堵相當(dāng)大面積的孔口； ②建筑物順流方向尺寸較?。? ③閘門結(jié)構(gòu)簡單，其制造、安裝和運(yùn)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(hù)； 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(shè)備比較簡單，對對移動式起門機(jī) 適應(yīng)性較好。 、閘墩及導(dǎo)墻設(shè)計(jì) 閘門設(shè)計(jì) （ 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。 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。 第七章 泄水建筑物的設(shè)計(jì) 25 計(jì)算工況為設(shè)計(jì)和校核情況。設(shè)計(jì)出來的鼻坎高程為 ，高出下游水位： ???? 滿足要求。 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。 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 。為宜，擬定采用 25176。 ②連續(xù)式的挑流鼻坎的挑射角，根據(jù)我國的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以 20176。連續(xù)式構(gòu)造簡單，射程遠(yuǎn)，水流平順，一般不會產(chǎn)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。 （ 2）挑流設(shè)計(jì) 挑流設(shè)計(jì)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。 由于該樞紐河床地質(zhì)條件較好，且水頭較高，同時(shí)有通航和發(fā)電要求。 第七章 泄水建筑物的設(shè)計(jì) 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(jī)建筑物的安全。 消力戽消能 它將鼻坎設(shè)置在水下，不形成自由水舌，水流在戽內(nèi)產(chǎn)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。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。水流在同空氣摩擦的過程中 ，消耗了約 20%的能量。 常用于水閘。 經(jīng)過計(jì)算（詳細(xì) 見計(jì)算書 ）得切點(diǎn)位置為 (， )，其坡度和非溢流壩保持一致，為 1： 。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(shè)計(jì)水頭。當(dāng)上游面垂直時(shí)， WES曲線方程如下： H2xy? 式中： x,y—— 堰頂曲線的水平和垂直坐標(biāo)，原點(diǎn)為堰頂?shù)淖罡唿c(diǎn)； 較 圖 71 溢流壩基本剖面 第七章 泄水建筑物的設(shè)計(jì) 23 Hs —— 定型設(shè)計(jì)水頭，按堰頂最高水頭的 75～ 95%計(jì)算。但最近的工程實(shí)例證明 WES 曲線比克 奧曲線瘦，宜與壩面連接，計(jì)算切點(diǎn)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(shè)計(jì)此堰面曲線時(shí)，在不同水頭下，可增加泄流量，因此我國“混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范”薦采用 WES曲線。 (1)溢流堰面曲線（ bc 段）。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。內(nèi)部構(gòu)造則不變，和非溢流壩保持相同。 溢流壩剖面設(shè)計(jì) 溢流壩剖面除了應(yīng)滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)等要求外，還 需考慮水流運(yùn)動的要求。 可見壩體內(nèi)部應(yīng)力條件良好：沒有出現(xiàn)應(yīng)力為負(fù)值的，即拉應(yīng)力的情況，也沒出現(xiàn)壓應(yīng)力超過混凝土極限承載能力的情況！ 由程序的輸出結(jié)果繪制得到正常水位情況下的應(yīng)力分布圖（圖 62）和主應(yīng)力分布圖（圖 63）。 要求計(jì)算出 3～ 5個(gè)不同高程截面的正應(yīng)力σ xσ y、剪應(yīng)力τ xy和主應(yīng)力σ 1σ 2,分析壩體的應(yīng)力條件；并繪制出應(yīng)力分布圖和主應(yīng)力分布圖。 穩(wěn)定及應(yīng)力分析（電算） 應(yīng)力分析（電算）的目的和要求 由于用材料力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力分析的計(jì)算量較大且屬于重復(fù)性計(jì)算，在實(shí)際的工作中一般利用程序來進(jìn)行應(yīng)力分析，迅速而準(zhǔn)確。 第六章 擋水建筑物設(shè)計(jì) 19 表 62 應(yīng)力計(jì)算（手算）成果表 工況 設(shè)計(jì) 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。 應(yīng)力分析計(jì)算 計(jì)算截面為壩基面；計(jì)算工況為設(shè)計(jì)和校核情況；計(jì)算內(nèi)容是壩踵和壩趾處兩點(diǎn)的應(yīng)力值。設(shè)計(jì)時(shí)一般使用理論計(jì)算的方法，理論的計(jì)算方法有材料力學(xué)法、彈性理論和彈塑性理論的方法。 設(shè)計(jì)的壩體斷面需要滿足規(guī)定的應(yīng)力條件：在基本荷載組合下，重力壩壩基面的最大垂直正應(yīng)力應(yīng)小于壩基允許壓應(yīng)力，最小垂直正應(yīng)力應(yīng)大于零；對于壩體應(yīng)力，在基本荷載組合下，下游面最大主壓應(yīng)力不大于混凝土的允許壓應(yīng)力值， 上游面的最小主壓應(yīng)力應(yīng)大于零。而應(yīng)力分析是校核強(qiáng)度和穩(wěn)定的前提。 計(jì)算的詳細(xì)過程見計(jì)算 書 ，計(jì)算成果匯總列于表 62 表 62 穩(wěn)定計(jì)算（手算）成果 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 設(shè)計(jì) 校核 K’ () () 可知上面設(shè)計(jì)的壩體滿足穩(wěn)定要求。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(shè)計(jì) 18 A—— 滑動面面積 , m2； U—— 作用于滑動面上的揚(yáng)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。 抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為： K’= ?? ??H AcUVf 39。主要計(jì)算方法有兩種：抗剪斷強(qiáng)度公式（ Ksh）抗剪強(qiáng)度公式（ Ksl），根據(jù)我國 1984年頒布的《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī) 范 SDJ21— 78（試行）補(bǔ)充規(guī)定》中規(guī)定，除中型工程中的中低壩外，應(yīng)按抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算壩基面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。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(chǎn)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(nèi)方向不利而又連續(xù)延伸的軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)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(chǎn)生傾倒或滑移而破壞。 表 61 經(jīng)濟(jì)剖面計(jì)算結(jié)果 計(jì)算工況 垂直應(yīng)力σ y 上游第二主應(yīng)力σ 2u 下游第一主應(yīng)力σ 1d 抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) 1 2 3 注 :表中單位為噸 .米。其對應(yīng)的壩體體積 V=,上游折坡點(diǎn) 151，下游折坡點(diǎn) 。 程序輸入和輸出見計(jì)算說明書附錄一。 由于其中有大量重復(fù)的計(jì)算，由電算進(jìn)行來進(jìn)行，計(jì)算程序是由武漢大學(xué)水利水電學(xué)第六章 擋水建筑物設(shè)計(jì) 17 院水工教研室提供的 SAOGD1。對最常用的剖面形狀，共有 5 個(gè)參數(shù)，即壩頂寬度 B，上游壩坡 n，上游起坡點(diǎn)高程 y1，下游壩坡 m和下游起坡點(diǎn)高程 y2，控制條件主要是壩基面和上游起坡點(diǎn)兩個(gè)水平截面上的穩(wěn)定和應(yīng)力條件。為了獲得經(jīng)濟(jì)合理的壩剖面