伦潭水利枢纽工程重力坝毕业设计.docx

南昌工程学院本科毕业设计目录第一章 工程概况与设计任务及要求 11.1 工程概况11.2 设计任务与要求1第二章 设计基本资料及水库工程特性 32.1基本资料32.1.1 水文气象32.1.2 工程地质32.1.3 筑坝材料及其物理力学性质42.1.4 水库的运用要求52.2 水库工程特性5第三章 枢纽布置及工程等级73.1 工程等级及建筑物级别73.2 枢纽布置83.2.1 坝址选择93.2.2 坝轴线选择93.2.3 坝型选择103.2.4 引水隧洞的布置11第四章 重力坝非溢流坝剖面设计134.1 坝顶高程的确定134.2 坝顶宽度的确定144.3 坝坡的设计144.4 坝底宽度的拟定144.5 荷载组合及其计算（以单宽计算）144.6 稳定计算164.7 应力分析及边缘应力计算18第五章 溢流坝段设计215.1 泄水方式的选择215.2 溢流坝的孔口布置215.3 溢流坝剖面拟定235.4 消能防冲设计255.5 挑距和冲坑的估算275.5.1 水舌挑射距离L275.5.2 最大冲坑水垫厚度的计算（按校核洪水位情况考虑）28第六章 细部构造设计296.1 混凝土分区设计296.2 非溢流坝细部结构296.3 溢流坝细部结构306.3.1 闸门和启闭机306.3.2 闸墩和工作桥306.4 坝体分缝及止水设计306.5 坝体排水326.6 坝体廊道系统326.6.1 基础灌浆廊道326.6.2 坝体廊道32第七章 引水隧洞的设计357.1洞径的计算357.1.1洞径的拟定357.1.2洞径泄流验算357.2 洞线的布置357.2.1 洞线的布置原则357.2.2 隧洞围岩厚度的确定367.2.3 隧洞纵坡设计367.2.4 洞线的选择367.3进口段的布置与设计377.3.1 进水口的具体形式选择377.3.2 事故闸门与检修闸门377.3.3 进水口高程的验算377.3.4 进口段、渐变段和闸门段的设计387.3.5 拦污栅的设计387.3.6 通气孔设计397.3.7 启闭机设计397.4 引水隧洞水力计算407.4.1 局部水头损失计算407.4.2 沿程水头损失计算407.5 调压室设计41第八章 地基处理428.1 重力坝对地基的要求428.2 坝基开挖与清理428.3 坝基的固结灌浆428.4 坝基帷幕灌浆438.5 坝基排水设施44III南昌工程学院本科毕业设计I第一章 工程概况与设计任务及要求1.1 工程概况伦潭水利枢纽工程位于铅山县天柱山乡境内，距县城约50km，坝址地处铅山河支流杨村水中游，是铅山河流域内具有防洪、灌溉、发电、供水及水产养殖等综合效益的控制性工程。铅山河是信江中上游南岸的一条主要支流，发源于闽赣边境的武夷山脉。流域东邻石溪水，西毗陈坊河，南靠武夷山，北抵信江，集雨面积1255km2。流域内山高林密 ，植被良好，气候温和，矿产资源丰富，尤以铜矿著称。铅山河流域理论电力蕴藏量约14108 kWh，初步查明的可开发水电装机有18.46104 kW，可开发电量6.7108 kWh，其水力资源之丰富为信江之冠。铅山河流域是我省暴雨中心之一，也是我省小流域治理规划的重点流域。伦潭水利枢纽工程项目在2002年7月已经国务院批准立项。1.2 设计任务与要求1.2.1 设计任务（一）枢纽布置 1、坝址、坝轴线及坝型的选择。 2、引水隧洞的布置。 （二）挡水及泄水建筑物设计 1、坝体设计，包括地基处理、剖面设计、坝体应力分析、稳定分析及细部构造设计。 2、泄水建筑物设计，包括溢流坝或泄水孔的孔口尺寸、体形、消能防冲设计及稳定计算等。 包括进水口设计，隧洞直径确定、衬砌设计及调压室设计等。1.2.2 设计要求（一）设计说明书、设计计算书各一份 说明书和计算书要求用钢笔书写，章节分明，语句通顺，字体工整，对于论断的依据，公式的来源以及所引用的符号意义均需交代清楚，并应附必要的简图和表格。此外，要求前有目录，页有编号，如使用程序时须附源程序说明，编制原理和程序框图打印结果等，必要时附源程序。 （二）图纸 主要设计图有： 1、大坝平面布置图、上游立视图、下游立视图； 2、挡水坝剖面图、溢流坝剖面图及细部结构图 3、引水系统平面布置图、剖视图，包括进水口、调压室及隧洞断面图图纸要求用计算机或铅笔绘制，能表达设计意图，尺寸齐全，干净美观，符合国家制图标准，图中应有附注以说明技术要求等问题。图应编号，有设计制图者签名。53南昌工程学院本科毕业设计第二章 设计基本资料及水库工程特性2.1基本资料2.1.1 水文气象潭水利枢纽坝址处于铅山河支流杨村水中游。杨村水为信江二级支流，发源于武夷山脉读书尖。河流自南向北流经篁碧、港口、天柱山、港东、杨村、五都等地，在下坂与石塘水相汇后称铅山河。杨村水主河长70km，流域面积465km2，河道平均坡降6.6。伦潭水库坝址以上集雨面积242km2、主河长41.9km，流域平均宽度5.77km，主河道平均比降11.62。坝址附近无水文测站，选择铅山河流域内铁路坪水文站作为参证站，由1959年至2000年共42年径流资料，推求坝址多年平均流量为11.0m3/s，Cv=0.31,Cs=2.5Cv，多年平均径流深1438.8mm，多年平均径流量3.48108m3。铅山河为雨洪式河流，洪水与暴雨相应，多发生在49月份，洪水主要由锋面雨形成，台风雨也能形成较大洪水。经分析计算，坝址设计洪水成果：校核洪水标准（P=0.1%)，相应洪峰流量为2640m3/s，洪量W1=87.73106m3、W3=155.17106m3；设计洪水标准（P=1%）、相应洪峰流量为1500m3/s，洪量W1=52.06106m3、W3=92.08106m3。铅山河属少泥沙河流，坝址多年平均悬移质输沙量4.55104t、推移质输沙量1.82104t。铅山河流域属亚热带季风气候区，流域内各地多年平均气温18.1，极端最高气温40.1，极端最低气温-10.6，多年平均相对湿度79%。多年平均降水量1908.9mm，最大年降水量2856.7mm（1998年），最小年降水量1177.1mm（1971年），多年平均蒸发量1550.4mm，多年平均风速1.9m/s，实测最大风速20.3m/s。坝址区洪水期多年平均最大风速16/，吹程为2.5公里。2.1.2 工程地质本区处华南褶皱系、赣中南褶隆、饶南拗陷区。区内地势东南高、西北低，下游为低山丘陵区，中上游属中低山中高山构造剥蚀地貌，不良物理地质现象不甚发育。区内出露地层主要为燕山早期花岗岩。枢纽及库区处于次一级的陈坊永平八都区域隆起构造带，未发现孕震断裂分布，不存在产生水库诱发地震的可能性，根据GB18306-2001中国地震动参数区划图，本区地震动峰值加速度小于0.05g，地震动反应谱周期小于0.35s，区域构造稳定性较好。水库区地层岩性单一，组成库盆、库岸的花岗岩体岩性坚硬，透水性弱，库周分水岭雄厚，库区产生永久性渗漏的可能性小，库岸稳定性较好。未来库区淤积问题不大。库区内未发现有工业开采价值的矿产资源及古文化遗址分布，淹没影响较小。不存在浸没问题。坝区含上、下两个坝址，均属构造剥蚀中低山地貌，位于燕山早期侵入的伦潭岩体上岩性，为细粒花岗岩，岩性单一，一般弱风化微新岩体为中等较好质量岩体。地质构造较简单，未发现较大的断裂构造及顺河断层。构造节理主要为北东向和北西向两组，卸荷裂隙发育不明显。坝区的地下水主要为基岩裂隙潜水。地下水埋深多受大气降水和地形条件及季节变化等因素所控制。岩体透水性则受地形条件、节理裂隙的密度与贯通，节理裂隙充填状况及岩体风化程度等多种因素影响，一般遵循自上而下，由大到小的规律。据水质分析结果，坝区河水和地下水对混凝土具中等溶出型侵蚀性。上、下坝址存在的工程地质问题，主要为渗漏及坝肩稳定问题。由于岩体风化及节理裂隙的影响，坝址基础开挖以后，建基面以下一般为弱中等透水岩体，需作防渗处理。上坝址可利用基岩埋深较大，建基面以下透水岩体厚度也较大。下坝址拱坝方案右坝肩，由于局部分布有缓倾角节理裂隙，其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合，存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面，有沿该组面产生滑动的可能，对拱肩稳定不利。就工程地质条件而言，上、下坝址均具备修建90m左右大坝的条件。而下坝址的工程地质条件优于上坝址。据本阶段对三条引水隧洞、一条导流隧洞、一个溢洪道及三个发电厂房和下坝址上、下游围堰作的地质勘探工作，这些建筑物均处于中低山地貌，围岩为细粒花岗岩，洞室大部分置于弱风化微新岩体，地下水量不丰，地质构造较简单，洞线进出口及厂房区未见较大的滑坡、崩塌等不良物理地质现象。各引水隧洞线及厂房均未发现大的工程地质问题。上、下游围堰不存在大的工程地质问题。2.1.3 筑坝材料及其物理力学性质水库枢纽工程所需天然建材，石料可就地取材，储量及质量均可满足要求。砂砾料在坝址区缺乏，需在坝区下游较远处采运，其中砂料质量可满足规范要求，但粗骨料级配较差，粗细骨料储量均可满足需求。2.1.4 水库的运用要求 伦潭水利枢纽工程位于铅山河流域杨村水中游，是以防洪、灌溉为主，兼顾发电、供水和水产养殖的综合利用工程。经综合分析论证，伦潭工程规模基本选定为：水库正常蓄水位253.0m，死水位为230.0m，防洪限制水位250.0m，防洪高水位为254.70m，相应防洪库容为0.261108m3，调节库容0.938108m3，水库总库容1.798108m3；灌溉农田面10.62万亩；电站装机容量20.0MW；枯水季节能为下游工矿企业补充1500104m3生产生活用水。伦潭水利枢纽工程综合利用效益显著。在防洪方面：经水库调蓄可使下游沿河两岸和港东、杨林、五铜、永平、鹅湖、福惠等7个乡（镇）的村镇和农田、永平铜矿的供水设施和尾矿污水排放设施、横南铁路线和上饶联络段铁路线以及铅山县河口镇的防洪标准由5年一遇提高到20年一遇；在灌溉方面：从水库坝下取水可灌溉下游铅山西部灌区的杨林、五铜、福惠、虹桥、汪二、河口茶场、新安埠、汪二垦殖场等九个乡（镇、场）的10.62万亩，农田灌溉保证率达90%；在发电方面：电站装机210.0MW，年发电量6074104kW.h，保证出力4520kW，年利用小时3037h；在供水方面：枯水季节能补充下游工矿企业生活生产用水1500104m3。2.2 水库工程特性 （一）水库枢纽工程主要特征值 正常蓄水位 253.00 防洪高水位 254.70 设计洪水位（P=1） 254.75 相应下泻流量 9753/相应下游水位 176.43校核洪水位 256.45 相应下泻流量 13103/相应下游水位 177.51死水位 230.00水电站装机容量 210MW总库容 1.798亿3河床地面高程 170m（二）重要物理力学设计指标（1）坝址处地基物理力学设计指标坝址处具有砂质亚粘土覆盖层，河床处覆盖深度约为5米，两岸垂直坡面覆盖左岸3米，右岸12米。砂质亚粘土覆盖层物理力学指标如下：干容重=1.59/3 饱和容重S=2.00/3浮容重=0.98/3 渗透系数K=4.510-6/凝聚力=0.38/2 内摩擦角=20.570（2）砼与基岩抗剪指标及基础承载力纯摩时 =0.7 =0剪摩时 =0.9 =2.8/2基础承载力 =30/2砼容重 =2.4/3工作桥及启闭机作用于一个墩上荷载45吨，弧形门重20吨（三）引水隧洞设计引用流量 32.403/相应下游尾水位163.64 水轮机安装高程165.63第三章 枢纽布置及工程等级3.1 工程等级及建筑物级别该水库总库容为1.796亿，电站装机容量为2万KW。按照水利水电枢纽工程等级划分及划分标准，综合考虑水库总容量、防洪效益、灌溉面积、电站装机容量、工程规模，查教材水工建筑物表3-1 水利水电工程分等指标工程等别工程规模水库总库容（亿）防洪灌溉供水发电保护城镇及工矿企业重要性保护农田（万亩）灌溉面积（万亩）供水对象重要性装机容量（万KW）大型10特别重要500200特别重要120大型101.0重要50010020060重要12030中型1.00.1中等100306015中等305小型0.10.01一般305153一般51小型0.010.001531 表3-2 永久性水工建筑物的级别工程等别永久性建筑物的级别主要建筑物次要建筑物1323344556该工程等级为等，工程规模为大型，主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。永久性水工建筑物洪水标准：正常运用（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期2000年。永久性水工建筑物洪水标准：永久性挡水建筑物和泄水建筑物正常运用（设计）洪水重现期100年；非常运用（校核）洪水重现期2000年；水电站厂房正常与非正常洪水标准分别为50年和500年；临时性水工建筑物采用洪水标准为20-30年。3.2 枢纽布置坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容，三者相互联系。在选择坝址/坝型和枢纽布置时，不仅要研究枢纽附近的自然条件,而且需要考虑枢纽的施工条件，运行条件，综合效益，投资指标以及远景规划等，这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。不同的坝址适用于不同的坝型和枢纽布置，所以选择坝址、坝型要同时做出枢纽布置。针对不同坝址做出不同坝型的各种枢纽布置方案，进行技术经济比较，最后选定较为理想的坝轴线位置及相应的坝型和枢纽布置。坝线、坝型选择(1)地质条件。地质是坝址、坝型选择的主要依据之一。拱坝、重力坝需建在岩基上；土石坝则岩基，土基均可修建。坝址选择应该注意一下几个方面的问题：对断层破碎带，软弱夹层要查明其产状、宽度（厚度）、充填物和胶结情况，对垂直水流方向的陡倾角断层应尽量避开，对具有规模较大的垂直水流方向的断层或是存在活断层的河岸，均不应选择坝址；在顺向河谷（指岩层走向与河流方向一致）中，总有一岸指与岩层倾向一致的顺向坡，当岩层倾角小于地形坡角，岩层又有软弱结构面时，在地形上存在临空面，这种岸坡极易发生滑坡，应当注意；对于岩溶地区，要掌握岩溶发育规律，特别要注意潜伏溶洞、暗河、溶沟和溶槽，必须查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响；对土石坝，应尽量避开细砂、软粘土、淤泥、分散性土、湿陷性黄土和膨胀土等土基。(2)地形条件。河谷狭窄，地质条件良好，适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石、沙砾等当地材料储量丰富，适宜修建土石坝。在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此需综合考虑。(3)筑坝材料。坝址附近应有足够的符合要求的天然建筑材料。(4)施工条件。便于施工导流，坝址附近特别是其下游应有开阔地形，便于布置施工场地；距离交通干线近，便于交通运输；可与永久电网连接，解决施工用电问题。(5)综合效益。选择坝址应综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游、环境等各部门的经济效益。坝址选择与地形、地质条件、坝型、枢纽布置和施工导流等因素有关，在满足枢纽布置和施工导流要求的前提下，坝轴线应尽可能短，以节省工程量。从地质条件看，坝址应选在地质构造简单，无大的地质构造的地方。3.2.1 坝址选择根据坝区水文气象以及地质条件，伦潭水利枢纽可行性研究阶段，在选择坝型、坝址时，初选了上、下两个坝址。上、下坝址均属构造剥蚀中低山地貌，位于燕山早期侵入的伦潭岩体上岩性，为细粒花岗岩，岩性单一，一般弱风化，微新岩体为中等，较好质量岩体。地质构造较简单，未发现较大的断裂构造及顺河断层。构造节理主要为北东向和北西向两组，卸荷裂隙发育不明显。上、下坝址存在的工程地质问题，主要为渗漏及坝肩稳定问题。由于岩体风化及节理裂隙的影响，坝址基础开挖以后，建基面以下一般为弱中等透水岩体，需作防渗处理。上坝址可利用基岩埋深较大，建基面以下透水岩体厚度也较大。下坝址拱坝方案右坝肩，由于局部分布有缓倾角节理裂隙，其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合，存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面，有沿该组面产生滑动的可能，对拱肩稳定不利。就施工条件而言，上、下坝址均具备修建90m左右大坝的条件。而下坝址的工程地质条件优于上坝址。经综合必选后，上、下两个坝址的地形、水工枢纽布置和施工条件等诸多因素，以下坝址较优，故选定下坝址，见图1。3.2.2 坝轴线选择根据上述坝址岩基地质特点和地形情况,坝轴线布置时考虑以下因素：（1） 坝体与岩基联合作用的应力场和应变场合理,应力应变最大值控制在允许范围之内；（2）作用于坝面的水、淤沙荷载与坝体自重的合力尽可能作用于辉绿岩带的中部,最大限度地使辉绿岩真正成为主要持力层,使因建坝产生的地基应力尽量在辉绿岩体中消散；（3）设置在岩基中的防渗帷幕工程量小,且防渗效果可靠；（4）坝脚尽可能远离蚀变带,对蚀变带处理工作量较小；（5）便于坝基开挖施工。首先对河床段坝轴线作了上线（坝踵位于上游蚀变带边缘）、中线（坝踵和坝趾分别离上、下游蚀变带有一定距离）和下线（坝趾位于下游蚀变带边缘）3个方案进行比较研究,中线方案的坝体和地基应力分布最为理想,非库空工况地基中的第二主应力)压应力.大值全部分布在质地坚硬的辉绿岩体中,且沿上下游两侧衰减得很快,使上下游相邻的较软弱岩层如马口、马已所产生的应力相对很小。同时,辉绿岩的第二主应力方向基本与该岩层的倾角一致,极利于整个坝基的稳定安全。这种应力分布特征,表明非库空工况作用于地基的合力作用点不仅在辉绿岩带的中部区域,而且其方向亦基本与辉绿岩岩层的倾角一致。这正是我们所希望的。此外,中线方案因坝踵和坝趾分别距上、下游蚀变带相对较远,基础处理相对简单、可靠,同时坝踵底部的辉绿岩体厚度既可保证强度需要,亦可适当延长库水从上游蚀变带渗入坝底的渗径,并较多削减渗压梯度,以便于设置防渗帷幕。故主坝轴线布置选择中线方案。3.2.3 坝型选择由基本资料知坝址千年校核洪水洪峰流量2640m/s，百年设计流量1500m/s，洪水来量大，要求泄水建筑物有较大的过水能力，由于本水库除满足千年一遇的防洪标准外，尚需要承担下游防洪任务，所以单宽流量不宜过大。坝区水文气象和工程地质条件具备了修建90m左右坝高及成库条件，坝址处为细粒花岗岩。一般弱风化，微新岩体为中等，较好质量岩体。坝址基础开挖以后，建基面以下一般为弱中等透水岩体，需作防渗处理。首先考虑重力坝、土石坝、拱坝三种基本坝型。（1）从地质来看，重力坝是用混凝土或石料等材料修筑、主要依靠坝身自重保持稳定的坝，对地形、地质适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。在土基上也可修建高度不高的重力坝。拱坝坝体的稳定主要依靠两岸拱段的反力作用，不像重力坝那样依靠自重维持稳定。因此拱坝对坝址的地形、地质条件要求较高，对地基处理要求也较严格。再者由于下坝址拱坝方案右坝肩局部分布有缓倾角节理裂隙，其与坝区较发育的北西或北东向两组陡倾角结构组合，存在与拱肩推力方向夹角很小的不利组合面，有沿该组面产生滑动的可能，对拱肩稳定不利。所以不适合修建土石坝。土石坝能适应不同的地形、地质和气候条件。除极少数例外，几乎任何不良地基，经处理后均可修建土石坝。但因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，不适合修建土石坝。故考虑地质条件以修建混凝土坝较为适宜。（2）地形条件。河谷狭窄，地质条件良好，适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石、沙砾等当地材料储量丰富，适宜修建土石坝。由于坝址处河床狭窄但地质条件较差，且左右岸岩性不均一，不适于建拱坝，若是修建拱坝，开挖量较大，不符合经济效益。同时在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，坝址处不适宜修建土石坝。故此处修建重力坝最为适宜。（3） 筑坝材料。土石坝可用任何土石料筑坝，坝址附近有足够的符合要求的天然建筑材料，可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，以减少工地的外线运输量。重力坝和拱坝因建坝材料的不同可分为多种类型，但都不及土石坝，能就地取材。经综合考虑，选定重力坝。再考虑以下几种重力坝坝型：常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、混凝土宽缝重力坝、混凝土空腹重力坝。（1）因全河道泄洪，溢流坝堰顶会定的很低，空腹重力坝和宽缝重力坝节省投资有限，且这两种坝型结构复杂，钢筋和模板用量较多，施工难度大，渡汛过水较困难，故放弃这两种坝型。（2）因为本工程洪水泄量大，所以非溢流坝段长度较小，溢流坝段长度所占比例较大，且堰顶高程较低，除去基础部位和坝体外部的常态混凝土以外，碾压混凝土的方量较少，如采用此坝型，还需要增设碾压施工设备，拌和楼的容量也要扩大，就近又没有粉煤灰，经比较，放弃此坝型。（3）常态混凝土重力坝相对以上坝型，坝身泄洪安全可靠，坝体结构简单，施工期便于过水渡汛，施工速度快。综上，根据伦潭坝址的地形、地质及洪水特点，选则常态混凝土重力坝比较合适。3.2.4 引水隧洞的布置因本引水隧洞为引水发电隧洞，根据提供的地质地形图可知，坝址左岸下游河床可以充分利用S形河段的特点，增加利用水头，所以在右岸布置可增加7-9m的发电水头，而且该处岩层为微新细颗粒花岗结晶岩，新鲜岩面坚硬完整，洞线山体雄厚，地质构造简单。断裂构造不发育。主要以北走向节理，其走向与洞轴线交角甚小。考虑到了洞室基本处于微新岩体及部分弱风化岩体之中，岩石坚硬，完整性较好，成洞条件良好。洞线应尽量取直，且有良好的水流条件，必要的转弯处，转弯半径大于5倍的洞径，转角不宜大于60度。隧洞的横断面形状应根据隧洞的用途，水力学、工程地质与水文地质、衬砌工作条件以及地应力情况、施工方法等因素，通过技术经济分析确定。有压隧洞宜采用圆形断面。在围岩稳定性较好，内、外水压力不大时，可采用便于施工的其他断面形状。较长隧洞可采用多种断面形状和衬砌型式，但不宜过多过密。不同断面或衬砌型式之间应设置过渡段，过渡段的边界应采用平缓曲线，并便于施工。有压隧洞过渡段的圆锥角宜采用610，对承受双向水流的过渡段应取小值。过渡段的长度不应小于1.5倍洞径(或洞宽)。由于本设计洞线处为花岗岩，地质条件较好，又采用了有压隧洞。根据隧洞的断面图形考虑水流条件好及受力条件较好，且可充分得用围岩弹性抗力，从而减小衬砌的工程量，降低施工的难度和造价，当选取圆形断面无疑。同时有压隧洞水流较平顺，稳定，不易产生不利流态。引水隧洞由进水口段，洞身段及有压管道部分组成。由于该建筑物处于中低山地貌，围岩为细粒花岗岩，地质条件较好，又采用了有压隧洞。根据隧洞的断面图形考虑水流条件及受力条件较好，且可充分的利用围岩弹性抗力，从而减小衬砌的工程量，降低施工的难度和造价，无疑当选取圆形断面。同时有压隧洞水流较顺畅，不易产生不利水流流态。此处拟定隧洞进口断面为矩形，后渐变成圆形，再变为矩形主闸门段，直过闸门估后于由矩形渐变圆形，至压力管道处再度渐变，隧洞段坡降0.5，至压力管道后以45度角向下拐弯坐高程165.63 m（发电水轮机安装高程）后不平布置直至厂房。南昌工程学院本科毕业设计第四章 重力坝非溢流坝剖面设计4.1 坝顶高程的确定根据教材水工建筑物可查得坝顶高程可按以下两个公式计算，并选用其中较大值。坝顶高程=设计洪水位+设坝顶高程=校核洪水位+校为了交通和运用管理的安全，非溢流重力坝的坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游的防浪墙顶的高程应高于波浪高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差由下式确定： （4-1）式中 防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；超值累积频率为1%时波浪高度，m；按官厅水库公式计算 （4-2）D库面的波浪吹程,这里取2.5km；V计算风速（米/秒），设计洪水位时，采用相应洪水期多年平均最大风速的 1.52.0倍，校核洪水位时，采用相应洪水期多年平均最高波浪中心线高出正常蓄水位或校核洪水位的高度，m; （官厅公式） （4-3） （4-4）式中:L为波长，m； hz-为波浪中心线壅高，m。 安全超高，m,可查下表。 表4-1 安全超高值表水工建筑物安全级别（1）（2、3）（4、5）正常蓄水位0.70.50.4水工建筑物安全级别（1）（2、3）（4、5）校核洪水位0.50.40.3必须注意，在计算h1%和hz时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正常蓄水位时，采用重现期为50年的年最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。4.2 坝顶宽度的确定为了满足运用、施工和交通的需要，坝顶必须要有一定的宽度。当有交通要求时，应按交通要求布置。一般情况坝顶宽度可采用坝高的8%10%，且不小于3m。碾压混凝土坝坝顶宽不小于5m；当坝顶布置移动式启闭机时，坝顶宽度要满足安装门轨道的要求。本工程取坝顶宽度为9m，扣除上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽，坝顶路面宽度为9m。因为两岸没有交通要求，9m宽路面能满足大坝维修作业通行需要。4.3 坝坡的设计常用的剖面形态有：（1）上游坝面铅直，适用于混凝土与基岩接触面间的f,c值较大或坝体内设有泄水孔或水管道，有进口控制设备的情况；（2）上游坝面上部铅直，下部倾斜，既便于布置进口控制设备，又可利用部分水重帮助坝体维持稳定；（3）上游坝面略向上倾斜，适用于混凝土与基岩面间的f,c值较低的情况。经比较，本设计采用第（2）种，即上游坝面上部铅直，下部倾斜的剖面形态。上游坝坡坡率取n=0.2，下游边坡系数m=0.75，上游起坡点高度，一般在坝高的1/32/3范围内。 上游折坡点高程定在1/2坝高处221.25m，下游245.75m以上为铅直坝面。4.4 坝底宽度的拟定坝底宽度约为坝高的0.70.9倍，本工程的坝高93m，通过已确定的上下游坝坡坡率，可以根据上述尺寸最终算得最大坝底宽度B= 79.05 m。分析地基条件，要求设防渗灌浆帷幕和排水幕，灌浆帷幕中心线距上游坝踵15m，排水孔中心线距防渗帷幕中心线17m.4.5 荷载组合及其计算（以单宽计算）荷载是重力坝设计的主要依据之一，荷载组合可分为基本组合与偶然组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。偶然组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种偶然荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。基本组合1：设计洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力、自重。偶然组合1：校核洪水位时的静水压力、扬压力、浪压力、自重。荷载计算如下：（1）自重W坝体自重的计算公式： （KN/m） （4-5）式中V-坝体体积，m3;由于取1m坝长，可以用断面面积代替；-坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24KN/m3） 两种情况下自重相同。（2）静水压力P静水压力是作用在上下游坝面荷载，计算时常主要分解为水平水压力PH和垂直水压力Pv两种。计算各种情况下的上下游水深，如下表： 表4-2特征水位上游水深（m）下游水深（m）上下游水位差（m）设计洪水位89.7511.4378.32校核洪水位91.4512.5178.94计算各种情况下静水压力：水平水压力计算公式为： （4-6）式中：H 计算点处的作用水头，m；g水的重度，常取9.81kN/m3；（3）扬压力U()扬压力包括渗透压力和浮托力两部分。渗透压力是由上下游水位差产生的渗流在坝体内或坝基面上形成的水压力；浮托力是由下游面淹没计算截面而产生向上的水压力。扬压力的分布与坝体结构、上下游水位、防渗排水等因素有关。下面以坝基面（当坝基设有防渗帷幕和上游筑排水孔）上的扬压力计算为例来说明，坝踵处的扬压力强度为H1，坝趾处的扬压力强度为H2，排水孔孔幕处的渗透压力为aH（a为扬压力折减系数，=0.25）如下图：(4) 浪压力 表4-3 浪压力计算基本数据表正常蓄水位设计洪水位校核洪水位计算风速Vo(m/s)20.320.316有效吹程D(m)250025002500重力加速度g(m/s2)9.89.89.8水位高程(m)253254.75256.45坝基高程(m)165165165安全超高hc (m)0.50.50.4迎水面深度H (m)8889.7591.45根据坝高时的计算，各种情况均按深水波计算浪压力，波浪压力计算公式： （4-7）式中：PL-单位长度迎水面上的浪压力，KN/m;-水的重度，KN/m;L-平均波长，m；h1%-累积频率为1的波浪高度（m）;hz-为波浪中心线壅高，m。4.6 稳定计算 重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。1.单一安全系数法：因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下： （4-8）式中：按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f=1.35；c坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c=1500KPa；A坝基接触面截面积，；W作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN；P作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN；按上述抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数K值应不小于下表的规定。 表4-4荷载组合基本组合3特殊组合（1）2.5（2）2.32. 分项系数极限状态设计法：承载能力极限状态设计式： （4-9）抗滑稳定极限状态作用效应函数为 （4-10） -坝基面上全部切向作用之和,即作用设计值水平方向的代数和。抗滑稳定极限状态抗力函数 （4-11） -为坝基面上全部作用的法向作用设计值之和，既法向力设计值代数和。查得f的分项系数为1.3，C的分项系数为3.0。坝基面抗剪断系数设计值f=1.35/1.3=1.04 坝基面抗剪断黏聚力设计值C=1500/3.0=500kPa各基本变量及扬压力系数应以设计值代入计算。各分项系数可查表。4.7 应力分析及边缘应力计算用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。当采用材料力学法分析坝体应力时，SL319-2005混凝土重力坝设计规范规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求：运用期1）在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；重力坝坝体应力应符合下列要求：运用期1） 坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。2）坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。同样采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计式对两种情况分别分析水平截面上的正应力1.单一安全系数法 （4-12） （4-13）式中：uys上游边缘垂直正应力，kPa； dys下游边缘垂直正应力，kPa； M作用于计算表面以上全部荷