万家寨水利枢纽混凝土重力坝设计

1、 /69摘要关键词:混凝土重力坝溢流坝挡水坝本设计为万家寨水利枢纽设计.万家寨水利枢纽工程位于黄河托克托至龙口峡谷,其控制流域面积395000平方公里，正常蓄水位977m,校核蓄水位980.4m,该坝为实体混凝土重力坝，最大坝高为928.16m,设计完成后的万家寨重力坝具有供水，发电，防洪的作用.设计内容包括枢纽布置,枢纽泄水能力验算,坝体剖面设计,导墙设计,消能设计,坝体应力与抗滑稳定验算，细部构造，与地基处理其中溢流表孔采用WES曲线设计,底流消能;底孔采用无压形式,底流消能.设计过程中我们大量翻阅了大量的文献、资料，并对实际工程做了改进。设计过程包括初稿，修改，复稿，再修改，成稿的过程。

2、AbstractKeywords:concretegravitydamspillwayretainingdamThedesignfortheWanjiazhaiWaterControlProjectDesign.WanjiazhaiWaterControlProjectontheYellowRivervalleyTuoketuotoLongkou,itscontroldrainagearea395,000squarekilometers,thenormalwaterlevel977m,checkingwaterlevel980.4m,thedamofconcreteentitiesDam,th

3、elargestdamheightto928.16m,afterthepletionofthedesignoftheWanjiazhaiDamwithwatersupply,powergeneration,floodcontrolrole.Designelementsincludethegenerallayout,checkinghubdischargecapacity,thedamprofiledesign,trainingwalldesign,energydissipationdesign,thedamstressandslidingstabilitychecking,detailcons

4、truction,andgroundtreatment.OverflowwhichusedWES-tablecurvedesign,Attheendofenergydissipation;Bottomadoptstheformofpressure,attheendofenergydissipation.Thedesignprocess,wereadalotalotofliterature,informationandpracticalprojectstodotoimprove.Thedesignprocess,includingdraftamendmentsonrehabilitation,r

5、e-edits,adraftoftheprocess. /69 /69目录基本资料1工程概况1地形条件1地质条件1工程特性2其他4万家寨水利枢纽坝址形图和坝轴线地质剖面图5坝段坝线坝型选择6坝段选择6坝线选择6坝型选择6枢纽布置7方案比较7泄洪调度方式7调洪验算7表孔过流能力计算8中孔过流能力计算8底孔过流能力计算8排沙孔过流能力计算9总泄流能力9坝体布置10地基开挖10计算坝顶高程10坝长及坝段布置11剖面设计13挡水坝段剖面设计13坝顶宽度的确定13折坡点位置及坝底宽度的确定14中孔的设计15进水口设计15无压明流段17通气孔18排沙孔的剖面设计18顶部直线段AB186.3.2BC段19侧

6、面曲线19无压明流段19通气孔19消能设计20消能工形式20中孔坝段的消能设计20中孔设计洪水位下消能计算20中孔校核洪水位下消能计算23排沙孔坝段的消能设计26排沙孔设计洪水位下消能计算26排沙孔校核洪水位下消能计算29水力计算33中孔水面线计算33不掺气水面线的确定33掺气水面线的确定35净空验算35排沙孔水面线计算35不掺气水面线的确定35掺气水面线的确定37净空验算37修改方案37抗滑稳定和应力分析38概述38计算内容39设计工况39抗滑稳定截面的选择39计算公式及控制标准39抗滑稳定计算39应力计算40在水库运用期间的应力控制标准40荷载组合41挡水坝正常蓄水位情况下的稳定与应力计算

7、41坝体自重41静水压力42扬压力43泥沙压力44荷载简化45挡水坝正常蓄水位的抗滑稳定计算46挡水坝正常蓄水位的应力计算46挡水坝正常蓄水位加地震情况下稳定及应力计算489.6.1地震荷载48荷载简化50挡水坝正常洪水位加地震情况下稳定抗滑稳定计算50挡水坝正常洪水位加地震情况下应力计算50计算结果分析529.7.1稳定抗滑分析表529.7.2应力分析结果5210.细部构造5410.1.材料及坝顶构造5410.1.1坝体材料5410.1.2坝体材料分区5410.1.3坝顶构造5510.2.坝体分缝与止水5610.2.1横缝5610.2.2横缝止水5610.2.3纵缝5610.2.4水平施工缝

8、5710.3.廊道及排水系统5710.3.1廊道系统5710.3.2基础灌浆廊道尺寸拟定5810.3.3排水系统5811.地基处理6011.1.开挖清理6011.2.坝基的加固处理6011.2.1基岩固结灌浆6011.2.2断层破碎带的处理6011.3.防渗帷幕61结语62谢辞63参考文献64 /69基本资料万家寨水利枢纽位于黄河干流上、中游交接处，XX省关县境内，控制流域面积395000km2，总库容8.96亿m3，实测多年平均径流量246.3亿m3，设计多年平均径流量195亿m3，多年平均输沙量1.53亿吨，年平均含沙量6.24kg/m3。两岸临近地区蕴藏着丰富的煤炭资源，本枢纽的主要任务

9、是利用黄河水利资源安排调峰电站，担任华北电网102万kW的尖峰负荷，同时为XX雁北、晋中和内蒙准格尔能源基地及市提供工业和城市用水14亿m3。水库枢纽由主坝、电站、溢流表孔、中孔、底孔及排沙孔等组成。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用，枢纽为一等工程，主坝为1级建筑物。地形条件黄河过龙羊峡、X家峡、黑山峡后入XX自治区XX平原和内蒙自治区河套平原，到托克托县河口镇折会南流，穿行于XX、XX黄土高原峡谷至潼关后再向东流，至XX小浪底出峡谷，到桃花峪后进入华北大平原。万家寨水利枢纽位于黄河中上游的交接处，XX、XX黄土高原峡谷的起点，流向由北向南，两岸坡势陡峭，山脉高程属于我国天然地势的第二

10、阶梯，山顶高程10002000m，坝址处河谷呈扁宽U型，河谷宽高比为5.5。当地属干旱半干旱性气候，平均气温低，约414C。降雨量较少，区域内暴雨形成常发生在7、8月份。年平均降雨量月500mm。地质条件万家寨枢纽库区，黄河穿行于寒武系白云岩、灰岩和奥陶系灰岩地层中位于新华夏系和祁吕贺山字型两个构造体系展布X围内的相对稳定地块，区内寒武、奥陶系碳酸盐地层有溶岩发育，多表现为溶洞、溶槽、溶孔、溶蚀裂隙面，一般规模不大，多呈孤立状。水库区的主要地质问题为库区右岸渗漏，水库蓄水后，自龙王沟下游2km处至黑岱沟口下游5.5km处长约13km段中奥陶系马家沟组灰岩出露区入渗，顺右岸低槽带排向榆树湾黄河地

11、段。岩溶渗漏形式为岩溶裂隙式渗漏，其渗漏量在不考虑工程措施条件下，从宽估算最大值在10m3/s以下。不致影响水库正常效益，如采取一定的堵漏工程措施尚可进一步减少其渗漏量。坝址区两岸为下奥陶系、上寒武系白云岩、灰岩、页岩、泥灰岩。坝基为中寒武系灰岩、页岩与泥灰岩。岩性致密坚硬，地质构造简单，无较大断层。河床坝基底部分布有X夏第六、四、二层为灰岩、泥灰岩、页岩互层，岩性相对较为软弱，其中X夏第四层在在坝基下埋藏较浅（基岩面下14.720.3m），位于持力层X围内，其层面局部X围内有剪切带和泥化夹层，是坝的深层滑动控制面，但该岩层岩石的最小饱和抗压强度任在80MPa以上。控制深层滑动的X夏组第五层与

12、第四层的交界面附近的钻孔岩芯多数界面胶结良好。据18个河床中的钻孔统计，界面附近岩芯采取率为100%以及在岩芯上见到界面胶结良好者有13孔，界面岩芯采取率不足100%者5个。为安全计，并综合考虑构造成因、两岸平峒、地表层间剪切带和泥化夹层连通率的统计值，深层滑动控制面的层间剪切带和泥化夹层的连通率按坝基宽的1/3考虑。其滑动面的综合抗剪断强度参f=0.7,c=0.7MPa。为实现水库年内冲淤平衡，控制淤积末端不上延，保持水库长期使用，本枢纽采用蓄清排浑运用方式，调节周期为8月至次年7月。水库最高洪水位980.4m，汛限水位970m，最低冲沙水位948.0m。运行情况如下：（1）冲沙期（8、9月

13、），冲沙时水库从汛限水位降低至952957m运行，此间电站实行日调节。汛期遇有大水大沙时降低水位至948.0m冲沙。（2）蓄水期（104月），蓄水发电，10月末水位蓄到970m，11月水位在970974m运行，123月水位最高不超过977m,4月底蓄至正常高水位980.0m。（3）供水期（57月），供水发电，5月份水位开始下降，7月末以前水位降至970.0m。8月进入排沙期水位骤降至952.0957.0m。采用以上运用方式，可使水库保持4.48亿m3调洪库容。工程特性万家寨枢纽工程特性见表1.1表1.1工程特性表项目单位数量备注（1）水文控制流域面积Km2395000.0多年平均年径流量（实测

14、/设计）亿m3246.3/195多年平均流量（实测/设计）m3/s780/618万年一遇洪峰流量m3/s21200.0千年一遇洪峰流量m3/s16500.0多年平均输沙量亿吨/年1.53多年平均含沙量Kg/m36.24（2）水库下游尾水位校核洪水（0.01%）m980.4905.1设计洪水位（0.1%）m977.0904.7正常畜水位m980.0900.5死水位m948.0汛期限制水位m970.0 /69 /69冲沙期运用水位m952.0957.0最低冲沙水位m948.0淤沙高程m910.0总库容亿m38.96调洪库容亿m34.48（3）洪水流量万年一遇洪水m3/s9274.0千年一遇洪水m3

15、/s8497.0（4）工程效益1）发电装机容量万kW102.0保证出力万kW18.7多年平均发电量亿度28.2年利用小时数时2765.02）年供水量亿m314.0（5）主要建筑物尺寸仅供考1）主坝型式混凝土重力坝坝顶高程m982.0最大坝咼m90.0坝顶长度m435.32）底孔进口高程m915.0孔数-孔口宽X高m8-4.0X6.03）中孔进口高程m948.0孔数-孔口宽X高m4-4.0X8.04）表孔进口高程m970.0孔数-孔口宽X高m1-14X105）排沙孔进口高程m912.0孔数-孔口宽X高m6-2.4X36）电站孔进口高程m932.0孔数-孔口宽X高m6-7.5X8.5压力钢管直径m

16、7.56）厂房型式坝后式引水口进口高程m932.0主厂房尺寸m195X28X57.7机组安装高程m895.07）水轮机台数台6型号HL-(200)-LJ600单机容量万kW17.0转速转/分90.9吸出高程m-4.5最大工作水头（毛）m80.5最小工作水头（毛）m53.3设计工作水头m67.0输电线电压kV500.0其他多年平均最大风速16m/s，水库吹程为5km；地震基本烈度7度。万家寨水利枢纽坝址形图和坝轴线地质剖面图图1.1万家寨水利枢纽坝址地形图图1.2坝轴线地质剖面图坝段坝线坝型选择坝段选择水库坝址选择一般是根据综合利用的要求，结合河道地形、地质等的调查资料和判断进行选择适合坝段，对

17、坝段和坝线进行综合比较，选出有利的坝轴线，确定坝型和枢纽布置方案。黄河经过龙羊峡，X家峡，黑山峡后进入XX自治区XX平原和XX河套平原，到托克托县河口镇折会南流，穿行于XX、XX黄土高原峡谷至潼关后再向东流，至XX小浪底出峡谷，至【桃花峪后进入大平原。XX、XX黄土高原峡谷的起点，流向由北向南，两岸坡势陡峭，山脉高程属于我国天然地势的第二阶梯，山顶高程10002000米。万家寨水利枢纽位于黄河中上游的交接处，托克托至龙口河段的峡谷处，坝址处河谷呈扁宽U型，河谷宽高比为5.5。此坝址的选择考虑了充分利用了基岩的抗滑作用且使坝轴线不长；坝轴线与地形线垂直，改善坝体结构与受力；有利于整体枢纽的布置等

18、原则。坝线选择坝轴线的正确选择在水利枢纽布置中，是很关键的，坝轴线的选择是一个复杂过程，综合性很强，影响因素很多，也很复杂，初步设计时，根据坝地质地形条件，定性分析，确定出坝轴线。坝段内有上坝线、下坝线、中坝线、中坝线、中上坝线，上坝线与中2坝线间距l.lKm,中坝线与下坝线间距1.3Km,针对各坝线地形、地质、施工、交通条件、材料等因素进行比较，采用最优方案。比较如下：上坝段：两岸裂隙发育，有泉水出露，建坝后存在渗漏问题，坝基内有泥化夹层，不利于坝体稳定，从地形上看，位于弯道末端，固不利于作为坝址，舍弃。下坝线：两岸山体破碎，断层发育，渗漏严重，稳固基岩层薄对坝体不利，虽地形上河流顺直，但由

19、于地质原因，工程量大，不利用此坝线，舍弃。中坝线：坝段在200米内有三条坝线，中线是最初的地址勘探线，在河弯道下，1右岸呈喇叭状，下游有串沟，岸坡呈半悬状，串沟有汇流面积，鉴此舍弃。中上坝线的位置是将中线左端不动，右端上移150米。河谷窄，工程量小是有利的，但布置电站1要扩挖，对枢纽不利，坝线位于中下游200米处，是原来中的备用坝线，此处较中111窄200米，右岸下游山体收缩，利于坝体稳定，两岸山顶比中处低20米，且右岸有三1阶台地，便于施工布置，从地质上看中略优于中坝线，故选中线。212坝型选择坝型有三种：土坝、拱坝、重力坝。由于坝址位于上中游，土料不丰富，建坝要大量粘性、沙性土料，故不采用

20、；坝址河床断面宽高比5.5，按现在技术，可用拱坝。河谷呈U型，采用单曲拱坝。但考虑本枢纽布置6各电站孔、5各排沙孔、8个底孔、4个中孔和1个表孔，孔口多，尺寸大，对拱圈承载力有大的削弱，结构复杂，不合理；坝址处河流顺直，右岸收缩，重力坝简单，安全性高，适宜于采用。重力坝包括混凝土实体重力坝、浆砌石实体重力坝、宽缝重力坝、碾压重力坝。此处结构复杂，不宜于采用碾压，浆砌石重力坝用于中低坝，本坝采用混凝土实体重力坝为宜，宽缝重力坝作为备选。枢纽布置万家寨水利枢纽的任务是为华北电网提供调峰电源，并有利于解决华北及能源基地严重缺水问题，经过上述坝型选择确定为混凝土直线重力坝，其枢纽组成包括溢流坝、挡水坝

21、、电站和泄水孔。方案比较该枢纽所处河段两岸坡势陡峭，坝址处河谷呈扁宽U型，河谷宽高比为5.5。坝址区两岸为下奥陶纪、上寒武纪白云岩、灰岩、页岩、泥灰岩，坝基为灰岩、页岩、泥灰岩、岩性致密坚硬，地质构造简单，无较大断层。河床坝基为灰岩、泥灰岩、页岩互层，岩性相对较为软弱。据此地形条件，提出以下两种布置方案：I方案：沿坝线自左岸向右岸依次布置左岸挡水坝段、电站坝段、底孔坝段、中孔坝段、溢流坝段和右岸挡水坝段。该方案优点是靠近左右岸的表孔和电站尾水对左右岸冲刷小，有利于保护河床。为水位高程稍高，不易被淹没，底孔泄流布置在河槽部位，便于下泄水流与下游河道顺畅衔接，并兼作排沙孔。缺点是底孔放水时影响尾水

22、位稳定性。II方案：自左岸向右岸依次布置中孔坝段、底孔坝段、电站坝段、表孔溢流坝段、右岸挡水坝段。该方案优点为电站水流顺直、流量大，靠近溢流坝段更稳定，减少震动。底孔靠近电站，有利于电站排沙，缺点是电站厂房高程降低，底孔放水时容易影响尾水稳定性。中孔泄洪对左岸下游边坡冲刷较小，有利于坝体稳定。故选择方案I进行布置。泄洪调度方式I方案：溢流坝段采用坝面泄洪方式，即表孔溢流；泄水孔采用无压泄洪方式；电站不参与泄洪。II方案：电站、表孔、中孔、底孔均参与泄洪，电站参与泄洪是对电站不利，影响发电。故采用方案I作为泄洪方案。调洪验算初步拟定各孔口尺寸见表1.1，验算拟定孔口的调洪能力。4.1表孔过流能力

23、计算Q=nbscmj2gH32（4.1）溢sY0闸墩侧收缩系数，0.9m流量系数，0.49o淹没系数，1.0S设计洪水时Q=1x14x0.9xl.Ox0.49x*2x9.8x732设=506.22m3；s校核洪水时Q=1x14x0.9xl.0 x0.49x*2x9.8x10.432校=916.74m3；s中孔过流能力计算Q=npAJ2gH2c4.2)u流量系数，0.8人厂出口断面面积H水库水位与进口断面中心高差设计洪水位时H=977.0-948.0-4=25mQ=4x0.8x32.0 x2x9.8x25设=2266.72m3.,s校核洪水位时H=980.4-948.0-4=28.4mQ=4x0

24、.8x32.0 x2x9.8x28.4校=2415.95m3.is4.3底孔过流能力计算Q=npA：2gH设计洪水位时H=977.0-915.0-3=59.0mQ=8x0.8x24.0 x、：2x9.8x59设=5223.3m3；s校核洪水位时H=980.4-915.0-3=62.4mQ=8x0.8x24.0 x2x9.8x62.4校=5371.7m3.；s4.4排沙孔过流能力计算Q=nyAj2gH设计洪水位时H=977.0-912.0-1.5=63.5mQ=5x0.8x7.2x：2x9.8x63.5设=1016.03m3.s校核洪水位时H=980.4-915.0-1.5=66.9mQ=5x0

25、.8x7.2x*2x9.8x66.9校=1042.88m3；s4.5.总泄流能力设计洪水位时泄洪流量为:506.22+2266.72+5223.3+1016.03=9012.27m3/s8497.0m3/s校核洪水位时泄洪流量为：916.74+2415.95+5371.7+1042.88=9747.27m3/s9274.0m3/s拟定孔口尺寸满足调洪要求，故按拟定尺寸布置各坝段，枢纽布置如下：修建直线型混凝土重力坝，溢流坝顶布置在河床右岸，电站厂房布置在河床左岸，装机容量6X17=62万千瓦。坝体布置重力坝剖面设计的主要任务是选择一个既满足稳定和强度要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施

26、工方便，运行安全可靠的剖面。重力坝的剖面设计原则是在确保坝体安全运用，在满足稳定和强度要求的前提下获得最小的剖面尺寸和美观简单的外形，以达到最大限度的节省坝体工程量的目的。重力坝的基本剖面是指坝体在重力、水压力、扬压力等三种重要荷载作用下，满足稳定要求时所求得的最小三角形剖面。地基开挖将坝基及边坡表层风化破碎岩层挖除，河床底部开挖成一平面，高程892.0m。两岸边坡较陡，开挖成顺水向有足够宽度的三层台阶，开挖线如图1.2。计算坝顶高程坝顶应具有足够的安全超高，坝顶或防浪墙顶高出水库静水位的高度可按下式计算：h二h+h+h(5.1)正常0c式中：h波高(米)ho一波浪中心线至净水位的高度(米)h

27、c一安全超高(米)对于设计洪水位和校核洪水位情况，分别采用不同的计算风速值，求得相应的Ah设和Ah以后，坝顶高程或防浪墙高程按下式计算：校坝顶高程二设计洪水位+Ah设坝顶高程二校核洪水位+Ah1(5.2)校选用其中计算后结果较大的一个。对1、2级坝，坝顶高程不得低于相应最大洪水位时的静水位，防浪墙高程不得低于波浪顶高程。由设计资料可知，该水库的吹程为5千米，多年平均最大风速为17米每秒，且为山区峡谷水库，故采用官厅公式计算波高和波长。h=0.0166V5/4D1/31(5.3)L=10.4h0.81(5.4)由于空气阻力小于水阻力，波浪中心线高出水库静水面一定高度h,0h=出cth1(5.5)

28、0LL上式中：h波高，即波峰至波谷底的垂直距离。ml波长，即相邻波峰(谷)之前的水平距离。mh波浪中心线高出静水位的水位高度。m0V计算风速，m/s。对1、2级坝，再正常高水位和设计洪水位时，宜采用相应的洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍。在校核洪水位和3、4、5级坝，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。D库面波浪吹程，即坝前沿至对岸的最大直线距离。kmH坝前水深。m1坝顶安全超高h按1中表111中选取。c（1）正常蓄水位情况：风速值采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍。V二1.8x16二28.8m/sD二5kmh二0.0166x（1.8x16）54x513二1.89mL=10.4

29、x1.890.8=17.31mh0-护=0.65m由1表1-11查得：I级混凝土闸坝在正常运用情况下的超高是0.7m。Ah=1.89+0.65+0.7=3.24m正常防浪墙顶高程二980.0+3.24=983.24m2）校核洪水位情况：风速值V采用相应洪水期多年平均最大风速。V=16m/sD=5kmh=0.0166x165/4x51/3=0.91mL=10.4x0.910.8=9.64mh0=0.27m由1表1-11查得：1级混凝土闸坝非正常运用情况下安全超高是0.5米。Ah=0.91+0.27+0.5=1.68m校防浪墙顶高程=980.4+1.68=982.08m取正常蓄水位和校核洪水位情况

30、下坝顶高程较大值，即982.24m，设计防浪墙高度为1.3m，防浪墙顶高程为：983.3m，坝顶高程设为982.0m。坝长及坝段布置坝长L的确定需由坝顶高程与坝基开挖线共同确定.由坝顶高程量取坝长为543.3m，始末桩号分别为0+000,0+435.3。各坝段布置为：左岸挡水坝段1X90=90m电站坝段6X15.5=93m边墩3m,中墩8m，缝中间布置排沙孔隔墩1X20=20m底孔中孔表孔8X10=802X20=401X20=20边墩3m,中墩6m，孔口4m边墩3m,中墩6m，孔口4m边墩3m,孔口14m右岸挡水坝段1X92.3=92.3m。甲程高0+435.3右岸挡水坝段表孔中孔底孔坝段隔墩

31、电站坝段左岸挡水坝段坝段布置图5.1。剖面设计挡水坝段剖面设计挡水坝剖面采用最优化原则，在确保坝体安全运用，满足稳定和强度要求下力求获得最小剖面尺寸和美观简单的外形，其尺寸确定通过计算进行最优化选择。参考1所述三种剖面。1）上游铅直，适用于混凝土与基岩接触的f、c值较大或坝内布置有泄水孔或引水管道的情况，铅直的上游面便于布置进水口控制闸门和拦污设备，但同重心偏向上游，库空或低水位时，下游坝易产生拉应力。2）上游面上部铅直，下部倾斜，即便于布置坝内泄水孔管进口控制设备，又可利用一部分水重增加自重，是工程中常用的一种形式。上游坡起点高度一般设在（1/32/3）坝高处。3）上游面略向上游倾斜，起坡点

32、设于基本剖面三角形起点，可更多的利用水重增加坝体稳定，但不利于布置泄水孔、管进口设备，适用于基岩间f、c值较低的情况。对于三种坝型的分析比较，本设计采用第二种剖面形式，如图4.2所示。图6.1坝体实用剖面形式根据工程经验，当为基岩时，一般取上游坡率n=00.2,下游坡率0.60.8,本设计中初步拟定n取0.1，m取0.7。坝顶宽度的确定坝顶应有足够的宽度，以满足交通、施工和运行管理的需要，坝顶宽度一般取坝高的8%10%，且不小于2米.（1）最大坝高的确定由已知资料知坝的最地面高程为892米，有大坝的高程为982.0米，故最大坝高为H=982.0892=90mmax2)坝顶宽度的确定b=(8%-

33、10%)x90=(7.2-9.0)m本设计取坝顶宽度为8米。折坡点位置及坝底宽度的确定H二校核水位一挡水坝底高程二980.4-892.0二88.4米1上游折坡点高程本设计上有折坡点的高度取为1倍坝前设计水深，则3Y=-xH=-x88.4=29.5m1313取Y=30m,故上游折坡点高成为：892+30=922m坝底宽度的确定T=ny+mH=0.1x30+0.7x88.4=64.88m11下游折坡点高程Y=64.88-(30 x0.1+8)十0.7二77m2故下游折坡点高程为：892+77=969m如图6.2。图6.2挡水坝剖面中孔的设计本设计中孔为无压泄水孔，有工作闸门后的压力短管与无压明流段

34、组成。明流段采用矩形。中孔为无压孔口出流，孔口高程为948米，尺寸为4-4x8m。图6.3中孔剖面图中孔体形采用短有压段形式；工作闸门为平面钢板闸门，后为明流段泄洪槽，事故闸门位于工作闸门之前，为矩形平板闸门，事故闸门前的胸腔厚度为7.4米，事故闸门后的胸腔厚度为3m。设置横逢止水，使深孔有压段的前半部分，止水前两侧横缝间的水压力对深孔的内水压力起到平压作用，从而减少该部分的孔口应力。进水口设计进水口段设计的目的是：在宣泄各种流量时，均能保证无压，以免产生空蚀，压强平缓变化，以使进口段损失减少，尽量使进口断面小，便于闸门迅速关闭，同时应使结构简单，便于施工。无压进水口是指工作闸门前的压力管段。

35、它包括进口曲线段AC,检修门槽CE和门槽后部的压坡段EF三部分组成。如图6.4进水口体型平面图.(1)顶部曲线AB段为使水流平顺，减叫少局部水头损失，提高泄水能力，防止孔壁孔蚀，进口表面轮廓应尽量符合流线变化规律，因此，进口段中AB曲线的形状常做成三面或四面收缩的喇叭口形状。r丄、kh丿1式中进口轮廓曲线采用椭圆曲线，其方程为6.1）竺|2=1【3】(kh/3丿1x,y曲线坐标轴k-系数通常取1，h-进口段末端孔高1由于段管的阻力小，水流收缩大，为满足收缩特性与孔口压力稳定，在曲线曲率为S的的B点处接y以斜率为S的压板BC，长度1米，按经验取1:5,1:5.5,1:6.5,11此处取1:5.5

36、,相应的S取1:5，检修门槽C与E点同高程，压坡线EF的长度L不应2小于h，h的孔口高度为8米，则L取3米，则进口段末端的孔高h=3x-+8=8.6m2215将上述各值代入椭圆曲线方程得rx186丿+（863）21(2)BC段为AB段的丄椭圆在B点的切线，切点B的位置可由式方程求得:4x2y2+=1khj（曾/3J2式中J切线BC的坡度，取1:5.5即:1x138.62-x25.5x2y2+8血（8.6/3J23）侧面曲曲线图6.5侧面曲线图侧面曲线采用4椭圆其方程式为x2y2+二1【3】（6.2）a2b222式中a可取（0.220.27）B,a=3b=3222b-泄水孔正常宽度，4米2将上式

37、代入侧面曲线方程（6.1）得（4）事故检修门槽段该段分为CD,DE两段，事故检修门槽段应选择体型较优且初生空化数较低的门槽，其中CD间为一条空口，其宽度为5倍止水宽度，点C与点E应位于同一高程（5）压坡线EFEF段为压坡段其体型的选择应使压坡段不产生负压为准，其顶坡宜取陡于BC段，的顶坡，本设计采用1：5.0,压坡段两端断面的面积之比为A/A，可参照实际工程所21选用的值确定。无压明流段明流段的孔径在水面以上有足够的安全余幅，孔顶距水面的高度可取最大流量时不掺气水深的30%50%。为使门后水流平顺贴府下泄，泄水孔应与孔口出流水缘一致，通常按抛物线设计，其方程采用 /692 /69x2二70y(

38、6.3)其取值见表6.1表6.1无压明流段方程取值表X0123456Y00.1430.0570.1290.2290.3570.51478910111213140.70.9141.1571.4291.7292.0572.4142.86.2.3通气孔通气孔设于检修闸门之后，用于检修期间关闭检修闸门开启工作闸门放水时向空内补气；而当检修完毕，关闭工作闸门后，向二道闸门泄水孔冲水排气。此外，为满足正常泄水时不断的要求，还需要在工作门后设置通气孔。(1)检修门后的通气孔面积通气孔断面面积一般取泄水孔断面面积的0.5%1%，本设计取0.8%A=Ax0.8%=0.256m2通K则通气孔边长取0.51m(2)

39、工作闸门后通气面积通气孔断面面积一般不小于工作闸门处孔口断面面积的10%，本设计取15%A,=A,x15%=4x8x15%=4.8m2通K则通气孔边长取2.2m排沙孔的剖面设计排沙孔为无压孔口出流，孔口高程为912.00m，孔口尺寸为6-2.4x3m，坝底高程为892.00m，坝顶高程为982.16m，上游坡率为n=0.2,折坡点高程928.10m下游坡率为m=0.76.3.1顶部直线段AB进口轮廓曲线采用椭圆曲线，其方程为、kh/3丿r上.kh丿L=4m11S取1:5.5，S取1:5.012则进口段末端孔高为片=4xi+3=3.8m代入上式得y2BC段TOC o 1-5 h zx1 HYPE

40、RLINK l bookmark118 o Current Document 3J3.82-x25.5x2*y2_13.82(3.8/3)2_侧面曲线+=11.820.62式中b取0.25B=0.25x2.4=0.6,a=3,b=1.8.222无压明流段明流段的孔径在水面以上有足够的安全余幅,孔顶距水面的高度可取最大流量时不掺气水深的30%50%。为使门后水流平顺下泄，泄水孔应与孔口出流水缘一致，通常按抛物线设计，其方程采用x=15.5jy其取值见表6.2表6.2无压明流段方程取值表X0123456Y00.0040.0170.0370.0670.1040.15078910111213140.2

41、040.2660.3370.4160.5040.5990.7030.816通气孔检修门后的通气孔面积通气孔断面面积一般取泄水孔断面面积的，本设计取0.8%A=Ax0.8%=2.4x3x0.8%=0.0576m2通K则通气孔边长取0.24m工作闸门后通气面积通气孔断面面积一般不小于工作闸门处孔口断面面积的10%，本设计取A,=A,x15%=2.4x3x15%=1.08m2通K则通气孔边长取1.1m消能设计消能工形式据调查资料统计，底流消能可适应在较大X围内变动的过闸流量和下游水位，同时在平面上也易扩散,故本设计采用底流消能。设计任务：池深，坎高C,池长L，护坦厚t，尾坎及辅助消能工等。kk设计原

42、则：坎前产生稍淹没水跃，坎后考虑下游水面衔接。设计工况：设计洪水位情况，校核洪水位情况。设计内容：溢流表孔坝段，中孔坝段，底孔坝段，排沙孔坝段的消能设计。中孔坝段的消能设计中孔设计洪水位下消能计算（1）下游水深ht确定下游河床高程V二897.0m，下游设计水深V二904.7m底下下游水深h二904.7-897.0二7.7mt（2）泄洪条件Q=1678.42m3/s，单宽流量q=纟设=52.45m2/s,设设3232能量E=V-V=977.0899.0=78mo设洪底3）跃后水深hc1临界水深hk=37【2】=3焉茅=6.55mEoh2】籍=11.91（7.1）7.2）查【4】表9-1，取流速系

43、数申=0.90，忆=0.238根据上述.的值，查【4】附录1得，查=2.72则相应的收缩水深及其共轭水深为：2=gh=0.238x6.55=1.56mTOC o 1-5 h zc1c1kh=gh=2.72x6.55=17.82mc1c1k因为hh=7.7m，故坝下游产生远驱式水跃衔接，需要设消能坎。c1t（4）消力池长LkL=6.9(h-h)【2】(7.3)jc1c1=6.9x(17.82-1.56)=16.26消力池长L=(0.70.8)Lk=(0.70.8)x16.26=(11.413.0)mj取Lk（5）=12m。求坎高C11052.45.0.42x1.0 xyj2x9.8丿、2/3【2

44、】bh=H+Cc11【2】（7.4）1V2h:=HC1H2g10q2设(ahT2x2gc17.5)2/3=9.622mH=H110q2(ah)2x2gc152.452=9.622-(1.05x17.82J2x2x9.8=9.622-0.4=8.866m所以坎高为C=bh-H=1.05x17.82-8.866=9.845沁10m1c116）验算下游水面衔接E=H+C=9.266+9.845=19.111m01101E19.111292吐=2.92h6.55k【4】表9-1,取流速系数申=0.90,01fg=0.51根据上述g,Q的值，查【4】附录I得，查屮c1og=1.87c1则相应的收缩水深及

45、其共轭水深为：h=gh=0.51x6.55=3.34mc2clkh=gh=1.87x6.55=12.25mTOC o 1-5 h zc2clk因为hh=7.7m，故需要设第二道消能坎。c1t（7）消力池长Lk7.6)L=6.9(h一h)【2】jc1c17.7)=6.9x(12.25-3.34)=61.479消力池长L=(0.70.8)Lk2j=(0.70.8)x61.479=(43.0449.18)m取L=43m。k2(8)求坎高C2qh=H+Cc222V2H=H2102g=H10q2设一(qh、2g2=9.622-52.452(1.05x12.25)2x2x9.8=9.622-0.85=8.

46、416m所以坎高为C=qhH=1.05x12.258.416=4.4465沁4.5m2c219）验算下游水面衔接E=H+C=9.266+4.4465=13.7m02102TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark168 o Current Document E13.7g=02=2.102h6.55查【4】表9-1，k取流速系数p=0.90，根据上述g,p的值，查【4】附录I得,oE=0.66查c3g=1.40c3则相应的收缩水深及其共轭水深为：hh二0.66x6.55二4.323mTOC o 1-5 h zc3c3kh=gh=1.40 x6.55二9.17mc3c3k

47、尽管hh=7.7m，但h与h已很接近了，刚开始泄流时，泄流水面会在尾水位c1tcc以上，但时间很短，所以不再设消能坎。水跃已至下游离坝体较远处，对坝体无深影响。（10）求护坦厚度tkt=aq0.5AH0.25【2】（7.8）k二（0.1750.20）x52.450.5x（977.0-904.7）0.25二（3.704.22）m取t=4.0m。k（11）各级坎顶宽及下游坡比采用梯形坎中孔校核洪水位下消能计算（1）下游水深ht确定下游河床高程V二897.0m，下游设计水深V二905.1m底下下游水深h二905.1-897.0二8.1mt（2）泄洪条件Q=1806.32m3/s，单宽流量q=纟设=1

48、806.32=56.45m2/s，设，表设3232能量E二V-V二980.4-899.0二81.4mo设洪底3）跃后水深hc1临界水深hk=37飞眯二6.55m81.46.8711.85Eoohk查【4】表9-1，取流速系数申0.90，巨0.23根据上述g,甲的值，查【4】附录I得，查屮c1o匕-2.78c1则相应的收缩水深及其共轭水深为：hh二0.23x6.87二1.58mTOC o 1-5 h zc1c1kh=gh=2.78x6.87二19.1mc1c1k因为hh=8.1m，故坝下游产生远驱式水跃衔接，需要设消能坎。c1t（4）消力池长LkL=6.9(h-h)jc1c1二6.9X17.52

49、二120.888消力池长L二(0.70.8)Lkj=(0.7-0.8)X120.888=(84.696.7)m取L=15m。k求坎高C1bh=H+Cc111H=H110V2c1而H1056.45Imb、2/3丿2/310.42x1.0 xj2x9.8丿=9.73m=H10q2(bh；2gc1=9.73-56.452(1.05X19.1)2；2；9.8=9.73-0.4=9.33m所以坎高为C=bh-H=1.05x19.1-9.33=10.7沁10m1c11(6)验算下游水面衔接E=H+C=9.73+10.7=20.43m011010120.436.87二2.97查【4】表9-1，取流速系数申=

50、0.90,焉=0.5TOC o 1-5 h z根据上述g,甲的值，查【4】附录I得，查彳ciog=1.7c1则相应的收缩水深及其共轭水深为：h=gh=0.5x6.87=3.44mc2c1kh=gh=1.7x6.87=11.68mc2c1k因为hh=8.1m，故需要设第二道消能坎。c1t(7)消力池长LkL=6.9(h-h)jc1c1=6.9x(11.68-3.44)=56.856消力池长L=(0.70.8)Lk2j=(0.70.8)x56.856=(39.845.48)m取L=40m。k2(8)求坎高C2bh=H+Cc222H=H210V2h”=hC2H2g10q2(bh2gc2=9.73-5

51、6.452(1.05X11.681X2X9.8=9.73-1.08=8.65m所以坎咼为C=bh-H2c21=1.05X11.68-8.65=3.614m9)验算下游水面衔接E=H+C=9.73+3.614=13.344m02102查【4】表9-1，Eg=0202h13.3446.87二1.94取流速系数申=0.90,怎=0.72根据上述g,甲的值，查【4】附录I得，查彳c3olg=1.32c3则相应的收缩水深及其共轭水深为：h=gh=0.72x6.87=4.95mc3c3kh=gh=1.32x6.87=9.07mc3c3khh=9.07-8.1=0.97mc3t但h与h已很接近了，刚开始泄流

52、时，泄流水面会在尾水位以上，但时间很短,cc所以不再设消能坎。水跃已至下游离坝体较远处，对坝体无深影响。（10）求护坦厚度tkt=aq0.5AH0.25k=（0.1750.20）x56.450.5x（980.4-905.1）0.25=（3.874.43）m取t=4.0m。k（11）各级坎顶宽及下游坡比采用梯形坎排沙孔坝段的消能设计.1排沙孔设计洪水位下消能计算（1）下游水深ht确定下游河床高程V=897.0m，下游设计水深V=904.7m底下下游水深h=904.7-897.0=7.7mt（2）泄洪条件，单宽流量q=63.18m2/s，设能量E=V-V=977.0-899.0=78mo设洪底3）

53、跃后水深hc1临界水深hk=37飞零=7.41m&787.41=10.53查【4】表9-1,取流速系数申=0.90,忆二0.242根据上述g,甲的值，查【4】附录I得，查彳cio|g二2.7c1则相应的收缩水深及其共轭水深为：h二gh二0.242x7.41二1.79mc1c1kh二gh二2.7x7.41二20.01mc1c1k因为hh=7.7m，故坝下游产生远驱式水跃衔接，需要设消能坎。c1t4)消力池长LkL=6.9(h-h)jc1c1二6.9X18.22二125.72消力池长L二(0.70.8)Lkj=(0.70.8)x125.72=(88100.57)m取L=88m。k(5)求坎高C1b

54、h=H+Cc111H=H110V2q2Ibh设feg而H10%设_mb、；2g63.18、2/3丿2/3.0.42x1.0 xJ2x9.8丿=10.49m竹。Gh2gcl=10.49-63.182(1.05x20.01)2x2x9.8=10.49-0.46=10.03m所以坎高为C=qh-H=1.05x20.01-10.03沁11m1c11验算下游水面衔接E=H+C=10.49+11=21.49m01101.E21.49292=吐=2.901h7.41k查【4】表9-1,取流速系数p=0.90,fg=0.51根据上述勺，申的值查【4】附录1得查訂=1.67则相应的收缩水深及其共轭水深为：h=g

55、h=0.51x7.41=3.78mTOC o 1-5 h zc2c1kh=gh=1.67x7.41=12.37mc2c1k因为hh=7.7m，故需要设第二道消能坎。c1t消力池长LkL=6.9(hh)jc1c1=6.9x(9.63-5.48)=28.635消力池长L=(0.70.8)Lk2j=(0.70.8)x28.635=(20.0422.9)m取L=22m。k2求坎高C2qh=H+Cc222V2H二H210二Hioq2G2gc2=10.49-63.182(1.05x9.63x2x9.8=8.5m所以坎高为C=bhH=1.05x9.63-8.5沁1.6m2c219）验算下游水面衔接E=H+C

56、=10.49+1.6=12.09m02102E12.09163q=02=1.6302h7.41k查【4】表9-1,取流速系数申=0.90,焉=1.0根据上述q,甲的值，查【4】附录I得，查彳c3oq=1.0c3则相应的收缩水深及其共轭水深为：h=qh=1.0 x7.41=7.41mTOC o 1-5 h zc3c3kh=qh=1.0 x7.41=7.41mc3c3k尽管hh=7.7m，为淹没水跃，其衔接形式为淹没式水跃c1t（10）求护坦厚度tkt=aq0.5AH0.25k=（0.1750.20）x52.450.5x（977.0-904.7）0.25=（3.704.22）m取t=4.0m。k7

57、.4排沙孔校核洪水位下消能计算（1）下游水深ht确定下游河床高程V=899.0m，下游设计水深V=905.1m底下下游水深h=905.1-897.0=8.1mt（2）泄洪条件单宽流量q=64.81m2/s，设能量E=V-V=980.4-899.0=81.4mo设洪底跃后水深hc1临界水深hk飞f飞赛二7.54m81.47.54=10.8查【4】表9-1,取流速系数申=0.90,fg=0.24根据上述g,甲的值，查【4】附录I得，查彳ciog二2.71c1则相应的收缩水深及其共轭水深为：h二gh二0.24x7.54二1.81mTOC o 1-5 h zc1c1kh二gh=2.71x7.54二20

58、.43mc1c1k因为hh=8.1m，故坝下游产生远驱式水跃衔接，需要设消能坎。c1t消力池长LkL=6.9(h-h)jc1c1=6.9x(20.43-1.81)=128.5消力池长L二(0.70.8)Lkj=(0.70.8)x128.5=(89.95102.8)m取L=90m。k求坎高C1bh=H+Cc111V2H二H110二H10而H10%设_mb、；2g、2/3丿 /692 /692/3=10.67mH=H110q2Gh；)22gc164.812所以坎高为C=bh1c164.81.0.42x1.0 xJ2x9.8丿=10.67-(1.05x20.43T2x2x9.8=10.67-0.47

59、=10.2H=1.05x20.43-10.2沁11.25m16）验算下游水面衔接E=H+C=10.67+11.25=21.92m01101,E21.92291q=01=2.9101h7.54k查【4】表9-1,取流速系数申=0.90,根据上述Q,Q的值，查【4】附录I得，查F；=0.51o|q=1.68则相应的收缩水深及其共轭水深为：h=Qh=0.51x7.54=3.85mTOC o 1-5 h zc2c1kh=Qh=1.68x7.54=12.67mc2c1k因为hh=8.1m，故需要设第二道消能坎。c1t消力池长LkL=6.9(h-h)jc1c1=6.9x(12.67-3.85)=60.86

60、消力池长L=(0.70.8)Lk2j=(0.70.8)x60.86=(42.648.69)m取L=46m。k2求坎高Cqh=H+Cc222H二H210V2h:-Hhc2H2g10q2G2gc2=10.67-64.812(1.05x12.67)2x2x9.8=10.67-1.21=9.46m所以坎高为C=bh-H=1.05x12.67-9.46=3.84m2c21验算下游水面衔接E=H+C=9.46+3.84=13.3m02102E13.3g=02=1.76402h7.54k查【4】表9-1,取流速系数申=0.90,忆=0.82根据上述go，.的值查【4】附录1得查=1.19则相应的收缩水深及其