【正文】 ⑸ 根據(jù)上述初步選定的拱壩形式和尺寸，按拱冠梁法求出分配荷載后，計算 29 拱梁上下游壩面應(yīng)力及兩岸壩肩的穩(wěn)定。 ⑶ 結(jié)合地形特點，初定拱冠懸臂梁的剖面形態(tài)及尺寸，以各層拱圈的拱冠斷面與懸臂梁剖面尺寸相重合為準，從上往下，每 為一層，試畫出各層拱圈的水平拱圈線。拱壩布置按下列程序進行： ⑴ 根據(jù)地形地質(zhì)等基本資料，找出壩址可利用巖石等高線。 雙曲拱壩上游面曲線：用黎展眉高級工程師推薦的方程式定出： 221 )/()/( HyxHyxz ??? (43) 式中： 211 2 xx ?? )12/( 122 ?? ?? bTx 1? ， 2? ——經(jīng)驗系數(shù)： 1? =~ 2? =~ 28 取 1? ＝ ， 2? ＝ 計算得到： 1x =， 2x = 上游面曲線方程： 2)(????? 雙曲拱壩下游面曲線：下游面的曲線按 Tc， TB沿高程線性內(nèi)插。 底部厚度（ TB）：拱壩的底部厚度是控制拱壩斷面尺寸的一個重要特征數(shù)據(jù)，其影響因素較多，其中最主要的是壩高和河谷形狀。 27 第四章 拱壩設(shè)計 拱壩型式及布置 拱壩剖面設(shè)計 拱冠梁剖面的主要尺寸包括壩頂厚度、壩底厚度和拱冠梁上游曲線參數(shù)。泄槽直線段的坡度與孔身段底坡相同。因拱壩厚度薄，孔口位置較高，需設(shè)置泄槽與之連接。雙曲拱壩的最大壩高為 ，壩頂寬 ，壩底寬 26m。 壓力管道的直徑為 ，進水口底高 程為。 ,導(dǎo)墻厚度為 , 淺孔導(dǎo)墻高度為 ,中孔導(dǎo)墻高度為 11m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致 ,挑射角 淺孔θ =20176。泄槽支撐結(jié)構(gòu)采用 框架式結(jié)構(gòu)。 鑒于雙曲拱壩的優(yōu)點，本壩址的壩型選為變半徑變中心角的雙曲拱壩。 雙曲拱壩 雙曲拱壩又稱穹形拱壩，在水平和垂直截面內(nèi)都呈拱形，在 V形河谷或其它上寬下窄的河谷，若采用定半徑式拱壩，其底部會 因中心角過小而不能滿足應(yīng)力的要求，此時宜將水平拱圈的半徑從上到下逐漸減小，以使上下各層拱圈的中心角基本相等，并在鉛直向設(shè)計成一定曲率，形成變半徑等中心角雙曲拱壩，而做到上下層拱圈的中心角相等很困難，故廣泛采用變半徑變中心角的雙曲拱壩，這種拱壩各層拱圈的中心角，外弧面和內(nèi)弧面的半徑從上到下都是變化的，而各層 25 拱圈內(nèi)外弧的圓心聯(lián)線均為光滑的曲線，變半徑等中心角雙曲拱壩更能適應(yīng)河谷形狀的變化。 單曲拱壩 單曲拱壩只在水平截面上呈拱形，而鉛直懸臂梁斷面不彎曲或曲率很小。 從工程量的角度混凝土拱壩方案優(yōu)與混凝土重力壩方案，同時對 A 江水利樞紐而言，有合適的喇叭口地形 “V” 形河谷，兩岸也沒有順河向的節(jié)理裂隙，又有向下游收縮的喇叭口，由此可以得出壩型選擇為混凝土拱壩方案。 由計算的重力壩的工程量為 m3，拱壩的工程量為 。重力壩的工程量計算采用下式： ]})(23[])(3[{6/ 212211 HmmbLHmmbLHV ?????? (313) 式中 ： L1——計算部分壩體頂部長度； H——計算部分壩體高度； b——計算部分壩體頂寬； L2——計算部分壩體低部長度； m1 、 m2分別為計算部分壩體上下游邊坡。 故有： 23 ,y? = ,y? = 邊緣剪應(yīng)力 τ’和 τ” k P anpp yuy 5 0 )( , ???? ?? k P ampp uy 4 3)( , ???? ?? 鉛直截面上的邊緣正應(yīng)力 ,x? 和 ,x? k P anpppp yuux )()( 2, ?????? ?? k P ampppp uyux 7 9)()( 2, ?????? ?? 上游邊緣主應(yīng)力 ,1? 和 ,2? k P anppn uy 4 6)()1( 2,2,1 ????? ?? 0,2 ??? upp? 下游邊緣主應(yīng)力 ,1? 和 ,2? k P amppm uy 9 8 9)()1( 2,2,1 ????? ?? 0,2 ??? upp? 由上可見，沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，故應(yīng)力滿足要求。即可按材料力學(xué)的偏心受壓公式計算。應(yīng)力分析可分為理論計算和模型試驗兩大類。重力壩一般分成若干個相互獨立的壩段。當滑動面是水平面時其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù) K 可按下式計算： ? ??? PUWfK /)( (310) 式中 ： ∑W—作用于滑動面上的力在垂直方向的投影的代數(shù)和； ∑P—作用于 滑動面上的力在水平方向的投影的代數(shù)和； U—作用于滑動面上的力楊壓力； K—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； 計算可得在 校核 洪水情況時抗滑穩(wěn)定系數(shù)為 ， 故穩(wěn)定滿足設(shè)計要求?；瑒用嫔系淖杌挥嬆Σ亮?。 在本壩址處，深層滑移的條件沒有出現(xiàn)，因此在壩型選定時只分析沿壩基面的抗滑穩(wěn)定分析。 穩(wěn)定校核 穩(wěn)定分析的主要目的是驗算在各種可能荷載組合下的穩(wěn)定安全度。根據(jù)工程經(jīng)驗上游面的坡度選為 1： ，折坡點位置距壩底 40m處。 重力壩的上游面采用上部鉛直、而下部為呈傾斜，既可利用部分水重來增加壩的穩(wěn)定性，又可保留鉛直的上部便于管道進水口布置設(shè)備和操作的優(yōu)點。 由于最大壩高為 ，故取壩頂寬度為 10m。因此還要考慮其他荷載和運用條件對基本剖面進 行修改，使其成為符合實際需要的實用剖面。 綜合 ⑴⑵ ，取壩底最小寬度 B=71m。為分析方便，沿壩軸線方向取單位長度的壩體進行研究。 基本剖面一般只在主要荷載作用下滿足壩基面穩(wěn)定和應(yīng)力控制條件的最小三角形剖面，因此，基本剖面分析的任務(wù)是在滿足強度和穩(wěn)定要求下，根據(jù)給定的壩高 H 求得一個最小的壩底寬度 B。 壩型選定 重力壩的基本剖面 拱壩方案和混凝土壩之間主要做工程量的比較，工程量的計算 采用簡化的方 21 法。 但拱壩也有明顯的缺點： ① 施工技術(shù)要求高，由于拱壩壩體斷面較薄，幾何形狀復(fù)雜，因此對施工技術(shù)，施工質(zhì)量控制的要求高； ② 對地基處理的要求更為嚴格，以致有時開挖量很大； ③ 施工導(dǎo)流不如重力壩來得方便，需一次斷流，要另開導(dǎo)流隧洞； ④ 拱壩壩肩巖體穩(wěn)定，巖基穩(wěn)固是拱壩結(jié)構(gòu)優(yōu)越性發(fā)揮的前提條件。 20 拱壩 拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，依靠拱的作用，將力傳給拱座，依靠梁的作用將力傳給基巖。 其優(yōu)點比較明顯： ① 壩體斷面形態(tài)適于在壩頂布置溢洪道和壩身設(shè)置泄水孔，不需要另設(shè)河岸溢洪道或泄洪隧洞，在壩址河谷狹窄而洪水流量大的情況下，重力壩可以較好地適應(yīng)這種自然條件； ② 結(jié)構(gòu)簡單，施工 技術(shù)比較容易掌握，在放樣，立模和混凝土澆搗方面都比較方便，有利于機械化施工； ③ 由于斷面尺寸大，材料強度高，耐久性能好，因而對抵抗水的滲透，特大洪水的漫頂，地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比較強，安全性較高； ④ 對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，幾乎任何形狀的河谷都可以修建重力壩； ⑤ 具有足夠強度的巖基就可滿足要求，因為重力壩常沿壩軸線分成若干獨立的壩段，所以能較好地適應(yīng)巖石的物理力學(xué)特性的變化和各種非均質(zhì)的地質(zhì)。 壩型選擇 壩型初選 土石壩 土石壩主要由壩址附近的土石料填筑而成，由于該壩址處缺 乏筑壩的土石料，并且土石料壩身不能泄洪，需另外建泄水建筑物，本工程兩岸附近無埡口等適合建泄洪建筑物的地形，故不宜建土石壩。根據(jù)林業(yè)部的要求，每年木材過壩量為 萬立方米，起木材最大長度為 10m，大頭直徑為 100cm。 ,導(dǎo)墻厚度為 , 淺孔導(dǎo)墻高度為 ,中孔導(dǎo)墻高度為 11m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致 ,挑射角 淺孔θ =20176。泄槽支撐結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)。 壓力管道的直徑為 ，進水口底高 程為。 攔河大壩為雙曲拱壩，最大壩高為 ，壩頂寬 ，壩底寬 。兩淺孔，孔口寬 ，高 ，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；兩中孔，孔口寬 ，高 ，進口底高程為 135m，出口底高程為 130m，設(shè)計洪水時，下泄流量 6550m3/s，校核洪水時，下泄流量 7050m3/s，略小于允許下泄流量，設(shè)計洪水位為 ，校核洪水位為 ，由此計算得到的壩頂高程為 ，最大壩高為 。由此算得壩頂高程為 ，最大壩高為 。實際最大下泄流量為 6550 m3/s，略小于允許下泄流量。本次設(shè)計取為 。 用水力學(xué)公式計算出上游庫水位與下泄流量的關(guān)系。 ④ 利用導(dǎo)流隧洞泄洪方案：拱壩的施工導(dǎo)流須采用一次斷流方案，故施工時需在某一岸開挖導(dǎo)流隧洞，以便壩體施工，為節(jié)省工程投資，可將進口段改建成“ 龍?zhí)ь^ ” ，將導(dǎo)流洞改建成泄洪洞，但本工程導(dǎo)流洞長度較短，改建成泄洪洞后，除 “ 龍?zhí)ь^ ” 部分外可利用的長度不長，加上改建部分的開挖和老洞的封堵，實際并不能有效節(jié)省工程投資。 ③ 壩外溢洪道泄洪方案：適用于有天然埡口，便于布置正槽式溢洪道的地形條件。 ② 壩身開孔方案（淺孔方案和中孔方案）：優(yōu)點是對壩體應(yīng)力影響不大，可節(jié)省另建溢洪道的投資。 16 圖 31 洪水調(diào)節(jié)計算圖 (a) (b) 攔泄 泄洪方案的選擇 調(diào)洪方案初選 ① 表孔溢流方案：突出優(yōu)點是泄洪能力大，可減小孔口尺寸，閘門上的水壓力小，操作檢修方便。 計算方法 采用高切 林計算法，以直線近似代替泄水過程線 。當前一個階段 2V 、2q 求出后，其值即成為后一個階段的 1V 、 1q 值，使計算可以逐時段的進行下去。 當已知水庫入庫洪水過程線時， 1Q 、 2Q 、 Q 均為已知： 1V 、 1q 則是計算時段△ t開始時的初始條件。根據(jù)水力學(xué)明渠非恒定流的基本方程，即圣維南方程組為： 連續(xù)性方程： 0?????? sQt? (31) 運動方程： 221KQsvgvtvgsZ ????????? (32) 式中：ω —— 過水斷面面積（ m2） t—— 時間（ s） Q—— 流量（ m3/s） s—— 沿水流方向的距離（ m） Z—— 水位（ m） g—— 重力加速度（ m/s） v—— 斷面平均流速（ m/s） k—— 流速模量（ m3/s） 通常，采用簡化的瞬態(tài)法來解這個方程組。 14 根據(jù)調(diào)洪演算得出設(shè)計水位下的下泄流量，以選定泄洪方式和擬定泄洪建筑物的孔口尺寸。 洪水標準 設(shè)計洪水標準為千年一遇，校核洪水標準為五千年一遇。 本工程校核水位為 ，查庫容曲線得相應(yīng)庫容為 億 m310億 m3，根據(jù)我國水利部頒發(fā)的現(xiàn)行規(guī)范 —— 《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計標準（山區(qū)、丘陵區(qū)部 分）》，確定 A江水利樞紐工程等別為一等，工程規(guī)模為大（ 1）型工程，主要建筑物級別為 1級，次要建筑物級別為 3級，臨時性建筑物級別為 4級。 （ 5）水庫水位 —— 容積關(guān)系曲線、壩址處水位 —— 流量關(guān)系曲線、設(shè)計洪水（三日）過程線和壩址地形圖見下列附圖。 （ 3）負荷位置 本電站主要供應(yīng)壩下游 A平原的農(nóng)村生產(chǎn)用電及省轄市的工業(yè)用電，并擔負 A電網(wǎng)的部分調(diào)峰任務(wù)。 其它 （ 1）對外交通 本壩址上游左岸 30 公里處有鐵路干線車站，另有公路與壩址下游 50公里的兩座縣城相通，兩縣城有公路與水路與河流入海處的省轄市相連，對外交通較為方便。耕地主要分布在小片盆地上，高山上的森林茂密。壩址處缺乏筑壩的土料。 砂料 在壩下游勘探 6個砂料場，最遠 料場離壩約 9公里，以石英破碎帶的料場為主，初估砂料儲量 430萬 m3。 表 24 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)表 巖性或 地質(zhì)構(gòu)造 容重（ kN/m3） 孔隙率 % 抗壓強度（ MPa） 彈性模量MPa 摩擦系數(shù) 粘著力 （ MPa） 泊 松 比 Μ 抗剪系數(shù) 抗剪斷系數(shù) 干 濕 干 飽和 混凝土基巖 內(nèi)部 混凝土基巖 內(nèi)部 花崗斑巖 210 190 104 基巖與混凝土 節(jié)理面 基巖內(nèi) 注 :相對隔水層離基巖表面深 15m。 ，節(jié)理面無夾泥存在，壩址處的水文地址較簡單，未發(fā)現(xiàn)裂隙承壓水。其中一組近似于平行山坡等高線，方向見地形圖，節(jié)理傾角約 35176。 （ 2）巖性和工程地質(zhì) 9 壩基為花崗巖，風(fēng)化較淺，巖性均一，新鮮堅硬完整，抗壓強度達120—— 200Mpa。 河床覆蓋層由大理石，卵石組成。 ～ 60176。 壩址工程地質(zhì) （ 1）地貌 壩址處的河床寬度為 100m。斷層破碎都已膠結(jié)。有較大的斷層二條，這些褶皺和斷層呈北東向 展布，以壓扭性為主，傾角較陡，延伸長度達幾直幾十公里，斷層單寬 1m左右。 其他 本壩址地震烈度為 7?。 表 23 施工期設(shè)計洪水頻率流量表 頻率 10—4 月 9—6 月 10—3 月 11—6 月 11—2 月 12—2 月 備注 5 2087 1772 1367 1367 884 824 10 1673 1410 1072 1072 654 596