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1、水力发电枢纽工程重力坝设计【摘 要】：人类筑坝的历史有近5000年，重力坝是出现最早的一种坝型。它具有结构简单、工作可靠、易于机械化施工、使用年限长、养护费用低等优点，所以至今仍被广泛使用。水力发电枢纽工程兼有发电、防洪、航运、灌溉等任务。沿岸地质条件适中，所以修筑实体重力坝较为理想。【关键词】：重力坝设计 非溢流坝段 溢流坝段一、 前言1、 流域概况及枢纽任务是罗江上的一条南北向大支流，河流全长295公里，流域面积850平方公里。流域形状略呈菱形，上下游狭窄，中游宽大，河道坡陡流急，具有暴涨暴落的特性。本枢纽工程以发电为主，兼顾防洪、灌溉，对航运和木材筏运也适当加以解决。水库总库容22.6亿
2、立方米，装机容量24.8万千瓦，灌溉上游农田130万亩，确保减免昌州市（福州市）及附近50万亩农田和南江县（南平县）的洪灾。2、 经水文、水利调洪演算确定：死水位200.15m；发电正常水位215.5m，相应下游水位163.88m；设计洪水位216.22m，相应下游水位169.02m，通过河床式溢洪道下泄流量5327.70m3/s；校核洪水位217.14m，相应下游水位169.52m，通过河床式溢洪道下泄流量6120.37 m3/s；泥沙淤积高程174.6m，淤沙干容重14.1KN/m3（浮容重=8.71 KN/m3），孔隙率n=0.45内摩擦角为=15o；电站进水口底板高程为186.20m（
3、坝式进水口）。3、 气象资料相应洪水季节50年重现期最大风速的多年平均值为17.3m/s，相应设计洪水位时吹程2.54km，相应校核洪水位时吹程2.66km。4、 地质勘测资料坝址处河床地面高程为146.10m，河床可利用基岩高程为140m，坝与基岩之间摩擦系数为0.7，基岩允许抗压强度为6.3Mpa ,坝基渗透系数（扬压力折减系数或剩余水头系数）12可分别取0.25，0.34。5、 建筑材料有关数据5.1 龄期为90天，强度等级C15标号的混凝土允许抗压强度为4.3Mpa。5.2 砂石料有3个主要料场：5.2.1 房村料场位于坝上游右岸22公里处，与公路边小山丘相连，附近河岸地形开阔，可供加
4、工堆存之用，分布呈长方形，长1350m，宽234m，表土层34m，露出水面07m。5.2.2 张湖料场位于坝址下游62公里的江中靠右岸，附近有铁路干线的某一车站，全长1580m，宽390m，露出水面09m。5.2.3 南浠料场位于坝址下游58公里江中靠右岸，全长1900m，宽300m，露出水面05m。5.3 土料分布于坝址上下游一公里范围内，分布高程为170350m，有效储量达150万m3，其平均剥土层约1.5m左右，开采运输也方便。5.4 石料及水泥掺和料石料在坝址上下游一公里范围内，花岗岩储量丰富，且石质坚硬良好，但覆盖风化层厚，采料时剥土工作量大。无效储量与有效储量之比约1：7.4；水泥
5、掺和料在坝址区10公里范围内，可用者有风化后的灰质页岩及泥煤。前者活性高，储量亦大，后者层薄，难开采，并含有少黄铁矿。6、 其他有关资料根据国家建筑委员会所颁布的地震烈度图，本地区应属6度地震区，坝区设防烈度建议为7度。坝顶有交通要求，行车宽度不少于8m。二、 设计说明书1、 工程综合说明1.1 工程分等与建筑物分级根据工程的效益，库容确定本枢纽属于等工程，其主要建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。1.2 枢纽布置本工程是以发电为主的综合利用工程，溢流坝段布置在主河槽处，冲沙孔布置在电站进水口附近。本枢纽的主体工程由挡水坝段、溢流坝段、泄水底孔坝段、电站坝段及其建筑物组成，电站为
6、坝后式。该重力坝由18个坝段组成，每个坝段的长度大约为20m，从左岸到右岸依次是16号坝段为右挡水坝段，79号为溢流坝段，10号11号为底孔坝段，1218号为右岸挡水坝段。该坝坝基面最低高程为140m，坝顶高程为217.8m，坝体总长度为370m，枢纽工程布置图附后。非溢流坝段：右岸全长120m左岸全长190m，除10号坝段长30m外，其余坝段均长20m。坝顶宽度为10m，坝顶两侧各设一宽1m的人行道。坝顶的上游侧设置高1.2m宽0.5m的钢筋混凝土结构防浪墙，下游设置栏杆。沿坝轴线方向每隔20m设置一个照明灯。坝上游面为折线面，起坡点高程为185m，坡度为1：0.2，下游面坡度为1：0.7，
7、折坡点高程为202.85m。溢流坝段：该坝段全长60m，分3个坝段，每段长20m，共分3孔。溢流堰顶高程为201.07m。堰顶安装工作闸门和检修闸门，闸门宽高=1515。工作闸门为平面钢闸门，采用坝顶门机启闭。工作桥面与非溢流坝顶一致。堰顶设有两个中墩，其厚度为4.5m边墩厚3m，缝设在闸孔中间。溢流堰面采用WES曲线，过堰水流采用连续式鼻坎挑流消能，坎顶高程为170.52m，反弧半径为30m，挑射角为25o，边墩向下游延伸成导水墙，其高度为4m，断面为梯形，顶宽为0.5m底边为3m，需分缝，缝距为15m。电站坝段：电站的装机容量为46.2万千瓦，坝段总长30m，坝顶高程为217.14m宽度为
8、20m，坝顶人行道与挡水坝段一致，门机与溢流坝段一致，上游突出2m为拦污闸槽，引水口中心线高程为160.07m，孔径为6m，进口为三向收缩的喇叭口，进口前紧贴坝面布置拦污栅，进口处设置事故闸门和工作闸门，均为平面闸门。在进口闸门后设置渐变段，渐变段为圆角过渡，长度为12m。电站厂房采用坝后式，位于左岸非溢流坝后，由主厂房、副厂房等组成。副厂房在主厂房的上游侧，厂房与坝之间用缝分开。2、 坝型、坝址选择2.1 坝型选择2.1.1 坝址地质条件该河道河谷为壮年期类型，浅滩深渊交替，河道稳定，断面冲淤极微，河谷断面形状除上游和峡谷地区多呈“V”形外，中下游一带均为浅槽形或梯形，坝址区域多为花岗岩，完
9、整性较好，覆盖层及风化层均较薄。2.1.2 建筑材料 由前言所述“建筑材料有关数据”中知坝址附近砂石料较为丰富（3个主要料场）且运输也方便，土料次之，石料含量有限。2.1.3 方案比较 根据以上情况综合分析如下：拱坝方案：河谷面宽浅，不是“V”字形，两岸不对称，没有适宜的地形条件，故该方案不可取；土石坝方案：坝址附近没有适宜的地方修建溢洪道，若开挖溢洪道则工程量较大，且当地土料含量不丰富，故该方案也不可取；重力坝方案：混凝土重力坝和浆砌石重力坝都能充分利用当地的自然条件，泄洪问题易于解决，施工导流容易。浆砌石重力坝虽然可以节约水泥用量，但当地石料比较缺乏，而且此坝型不能实现机械化施工，速度慢，
10、施工质量难以控制，故不可取。混凝土重力坝可以采用机械化施工，施工方便快捷，故本工程宜采用混凝土重力坝。2.2 坝址选择根据坝址地质勘测工作，水电站选坝委员会在距南江县约6公里处选定了现坝址。坝址两岸地形较宽敞。河水面宽达70m140m，右岸山坡坡度30o左右，而左岸较陡，约为40o。河床在此段内纵向呈“釜形”，是两头浅中间深，河流稍偏蚀右岸，致使右岸河水比左岸深。坝址区地层简单，表层大部分为第四纪残破积层所覆盖，由黏土、砂质黏土及花岗岩风化土所组成，厚度约816m。河床部分的冲积层厚度小于5m，下伏岩基均为上白垩纪花岗岩。综合防洪、灌溉等因素选坝委员会做了五条勘探线比较，最后选定第二坝轴线作为
11、建坝的坝轴线。3、 非溢流坝设计3.1 剖面尺寸拟定3.1.1 坝顶高程的确定波浪要素按官厅公式计算：hl=0.0166VoD1/3m；L=10.4（hl）0.8；hz=（hc2/L）cth（2h/L）L波长，m；D风区长度，m；H坝前水深，m；hl波浪高度，m；hz波浪中心线高于静水面的高度，m；Vo计算风速，设计洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速，m/s。坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+h设坝顶或防浪墙高程=设计洪水位+h校 h= hl + hc + hzh坝顶高于静水位的超高值；hc坝顶安全超高（查非溢流坝坝顶安全超高表）。分
12、设计情况和校核情况分别计算，计算成果见表2-1表2-1 坝顶高程计算成果表计算情况风速V波浪高度波浪长度风壅水高安全加高静水超高坝顶高程设计情况301.5915.070.530.52.62218.84校核情况17.30.818.790.230.41.44218.58经过比较可以得出坝顶或防浪墙顶高程为218.84m，考虑水库综合利用情况取219m，并取防浪墙高1.2m则有带防浪墙的坝顶高程位217.8-140=77.8m3.1.2 坝顶宽度 考虑交通要求，坝顶宽度取m。 3.1.3 坝面坡度上游坝采用折线面，起坡点在（1/32/3）H处，其高程为185m，坡度为1：0.2；下游剖面采用基本三角
13、形顶点与校核洪水位齐平的剖面形式，则有折坡处向上延伸与校核洪水位相交。取下游边坡系数为1：0.7，那么下游起坡点高程为202.85。3.1.4 坝底宽度由上下游起坡点高程、坡度、边坡系数等条件通过几何关系可得坝底宽度为63m，在（0.70.9）坝高=54.4670.02范围内。说明坝底宽度符合要求。3.1.5 地基防渗与排水设施拟定由于防渗的需要，坝基面须设置防渗帷幕和排水孔幕，其中心线在坝基面处距离坝踵分别为12m和15m。初步拟定非溢流坝剖面尺寸如图2-1所示：3.2 荷载组合及其计算（以下各组合情况均取单位坝长计算）3.2.1 设计情况上游设计洪水位为216.22m，相应下游洪水位为16
14、9.02m，坝基设有防渗帷幕和基础排水措施。要求抗滑安全系数Ks1.05。计算成果见表2-2（附后）。3.2.2 校核情况可分为以下两种3.2.2.1 设计洪水位情况下发生7度地震。要求抗滑安全系数Ks1.0。计算成果见表2-3（附后）。3.2.2.2 上游校核洪水位为217.14m，相应下游洪水位为169.52m。要求要求抗滑安全系数Ks1.0。计算成果见表2-4（附后）。3.2.3 抗滑稳定验算与强度验算抗滑稳定系数按公式Ks=f(W-U)/ P计算；上游边缘正应力按公式Gyu=(W/B)+(6M/B2)计算；上游边缘正应力按公式Gyd=(W/B)-(6M/B2)计算。W总铅直力；P总水平
15、力；W竖直方向合力；B坝底宽度；M对坝截面形心的总力矩。3.2.3.1 设计情况抗滑稳定验算：Ks=f(W-U)/ P=0.7（65.75-2.52）/28.88=1.531.05满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力Gyu=(W/B)+(6M/B2)=63.23/63-6261.17/632=0.61Mpa0上游边缘正应力Gyd=(W/B)-(6M/B2)=63.23/63+6261.17/632=1.40 Mpa4.3Mpa满足强度要求。3.2.3.2 校核情况3.2.3.2.1 设计洪水位时发生7度地震抗滑稳定验算：Ks=f(W-U)/ P=0.7（65.75-2.52）/32.36=1.371.0满足稳定要求。强度验算：上游边缘正应力Gyu=(W/B)+(6M/B2)=63.23/63-6378.53/632=0.43Mpa0上游边缘正应力Gyd=(W/B)-(6M/B2)=63.23/63+6378.53/632=1.58
