顺场滩水利枢纽工程设计（堆石坝方案） 毕业设计计算书

'本科毕业设计计算书题目顺场滩水利枢纽工程设计（堆石坝方案）学院水利水电学院专业学生姓名学号年级指导教师二Ο一三年六月七日 目录目录I1水文水利计算11.1水文计算11.1.1水文资料11.1.2工程等别及建筑物级别11.1.3洪水频率曲线的推求21.1.4洪水过程线的推求41.2水利计算61.2.1列表试算法61.2.2计算机调洪81.3淤沙高程计算141.3.1计算淤沙系数141.3.2计算淤沙高程142坝体剖面设计152.1坝顶高程计算152.1.1波浪爬高的计算152.1.2风壅水面高度的计算162.1.3确定坝顶高程162.2坝体设计172.2.1坝坡拟定172.2.2钢筋混凝土面板设计172.2.3趾板设计173溢洪道计算193.1引水渠的计算193.2控制段的计算193.2.1堰面曲线的确定203.2.2剖面衔接计算213.2泄槽的计算213.2.1泄槽临界水深和临界坡降213.2.2泄槽水面曲线确定213.3消能防冲段的计算253.3.1水舌挑距的计算25第23页 3.3.2冲坑及鼻坎的计算264施工初步设计274.1导流标准274.2导流洞设计274.3围堰设计295重力坝方案设计315.1坝顶高程计算315.2剖面设计325.3稳定计算335.3.1荷载及荷载组合335.3.2荷载计算345.3.3稳定计算375.4溢流坝段设计385.4.1剖面设计385.4.2稳定计算416工程造价估算及方案选择456.1面板堆石坝方案工程量计算456.1.1土石方开挖工程量456.1.2坝体填筑工程量476.2重力坝方案工程量计算516.2.1土石方开挖工程量516.2.2坝体混凝土浇筑工程量53第23页 1水文水利计算1.1水文计算1.1.1水文资料顺河流域属亚热带气候，根据桑坪水文站1967～1986年完整的水文资料分析，多年平均流量为240.5m3/s，实测最大洪峰流量为1600m3/s。实测洪峰流量及有代表性的两次历史洪水流量分别见表1.1和表1.2。表1.1实测洪峰流量年份1967196819691970197119721973197419751976洪峰流量（m3/s）1240590640795101091070016001120570年份1977197819791980198119821983198419851986洪峰流量（m3/s）106072582093013806301430680860770表1.2历史洪水流量年份历史洪水量（m3/s）1957年23001899年2040顺河无大面积固体径流来源，所以沙量变化较平稳。经分析，河流多年平均输沙总量为2.1万m3。淤沙浮容重0.75t/m3，内摩擦角13°。1.1.2工程等别及建筑物级别由顺场滩水利枢纽工程的基本资料知：（1）水库库容：顺场滩水利枢纽工程正常高水位469.5m，由水位—库容曲线查得对应库容为3652万m3；（2）电站装机：发电站装机容量为4000kW。（3）灌溉面积：工程建成后，可以灌溉下游8万多亩田地。综合考虑顺场滩水利枢纽工程水库库容、灌溉、防洪、电站装机等要求，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）确定顺场滩水利枢纽工程的工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型，主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。第23页 1.1.3洪水频率曲线的推求（1）特大洪水的处理实测系列的经验频率计算按系列经验频率公式为；；式中：Pm—实测系列第m项的经验频率；m—实测系列由大到小排列的序号，m=1、2、3……20；n—实测系列的年数，n=1986-1967+1=20；PM—特大洪水第M序号的经验频率；M—特大洪水由大到小排列的序号，M=1、2；N—自最远的调查考证年份迄今的年数，N=1986-1899+1=88。（2）经验频率曲线计算①将逐年实测的年最大洪峰流量（包括特大洪水系列）填入表1.3的（1）、（2）栏。②将第（2）栏中的洪峰流量按从大到小的顺序重新排列，并填入第（5）栏。③分别计算特大洪水系列与实测资料系列经验频率，填入第（9）栏。④以第（5）栏的水文变量Qm为纵坐标，以第（9）栏的P为横坐标，在频率格子上点绘经验频率点，目估通过点群中间练成一条光滑曲线，即为年最大洪峰流量的经验频率曲线。（3）理论频率曲线①计算统计参数年最大洪峰流量的均值：变差系数：第23页 表1.3顺场滩水利枢纽最大洪峰流量频率计算表年份年最大洪峰流量Q(m3/s)序号由大到小排列Q(m3/s)模比系数KiKi-1（Ki-1）2经验频率p=m/n+1（%）（1）(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)189920401　23002.2191.2191.4871.1195723002　20401.9680.9680.9382.319671240　116001.5440.5440.2964.81968590　214301.3800.3800.1449.51969640　313801.3320.3320.11014.31970795　412401.1960.1960.03919.019711010　511201.0810.0810.00723.81972910　610601.0230.0230.00128.61973700　710100.975-0.0250.00133.319741600　89300.897-0.1030.01138.119751120　99100.878-0.1220.01542.91976570　108600.830-0.1700.02947.619771060　118200.791-0.2090.04452.41978725　127950.767-0.2330.05457.11979820　137700.743-0.2570.06661.91980930　147250.700-0.3000.09066.719811380　157000.675-0.3250.10571.41982630　166800.656-0.3440.11876.219831430　176400.618-0.3820.14681.01984680　186300.608-0.3920.15485.71985860　195900.569-0.4310.18690.51986770　205700.550-0.4500.20395.2∑22800　　22800　　4.241　②配线Q平均=1036m3/s，取Cv=0.45，并假定Cs=2Cv，查《水文水利计算》附表2，得出相应于不同频率P的Kp值，列入表1.4中的第（2）列，乘以Q平均得相应的Qp值，列入表第23页 1.4中第（3）列。将表1.4中第（1）、(3)两栏的对应数值点绘曲线，以Qp为纵坐标，P为横坐标，将此频率曲线花在绘有经验点据的图上，发现理论频率曲线头部于经验频率点据的下方，而尾部又偏于经验频率点的上方。改变参数，重新配线，分别取Cv=0.4、Cs=2Cv和Cv=0.4、Cs=3Cv进行第二次和第三次配线，发现第三次配线时理论频率曲线和经验频率曲线大致重合，即作为采用的理论频率曲线。表1.4理论频率曲线选配计算表频率P(%)第一次配线第二次配线第三次配线Cv=0.45Cs=2Cv=0.9Cv=0.4Cs=2Cv=0.8Cv=0.4Cs=3Cv=1.2Kp1Qp1Kp2Qp2Kp3Qp3（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）0.013.5937193.2033153.5636880.12.9830872.7027972.9230250.22.8029012.5426312.7328280.332.6527452.4225072.5826730.52.5326212.3224042.46254912.3324142.1622382.26234122.1322071.9820512.05212451.8419061.7418031.761823101.6016581.5415951.541595201.3513991.3113571.291336500.939630.959840.92953750.676940.717360.70725900.484970.535490.57591950.404140.454660.50518990.262690.303110.424351.1.4洪水过程线的推求在理论频率曲线上查频率P=1%，P=0.05%对应的流量分别为：Q设=2341m3/sQ校=3234m3/s本工程采用同倍比放大法推求洪水过程线，以洪峰流量控制，其放大倍比为K。设计洪水情况：K设==2341/1600=1.46校核洪水情况：K校==3234/1600=2.02将典型洪水过程线按放大倍比放大，得到表1.5。第23页 表1.5洪水过程线对应点值流量时段典型洪量Q典（m³/s）设计洪量Q设（m³/s）校核洪量Q校（m³/s）04058.4080.801129.5189.07261.592335489.10676.703660963.601333.20410001460.002020.0051381.72017.282791.03615602277.603151.2071562.52281.253156.2581281.71871.282589.039869.31269.181755.9910649.8948.711312.6011500730.001010.0012389.5568.67786.7913304.8445.01615.7014239.4349.52483.5915190277.40383.8016154224.84311.0817128186.88258.5618108.8158.85219.781993.5136.51188.872080116.80161.602166.597.09134.332253.778.40108.472342.662.2086.052434.450.2269.49253043.8060.602629.843.5160.20第23页 1.2水利计算1.2.1列表试算法以计算来水为设计洪水情况为例。（1）根据已给的水库水位容积关系曲线Z~V,泄洪建筑物为有闸门溢洪道，堰顶高程与防洪限制水位齐平为461.50m，初步拟定堰顶净宽为40m，堰流系数为m=0.502，汛期水轮机过水能力Q电=12m3/s引水发电。（2）列表计算q~V曲线。在堰顶高程461.50m之上，假定不同库水位Z，列于表1.6中第(1)栏，用它们分别减去堰顶高程461.50m，得第（2）栏所示的堰顶水头H，代入堰流公式：从而算出各H相应的溢洪道泄流能力，加上发电流量12m3/s，得Z值相应的水库泄流能力为q=q溢+q电，列于第（3）栏。再由第（1）栏的Z值查Z~V曲线，得Z值相对应的库容V，列于表中第（4）栏表1.6水库q~V关系计算表库水位Z（m）（1）461.5463.5465.5467.5469.5471.5473.5堰顶水头H（m）（2）024681012泄流能力q(m3/s）（3）12.00251.44711.191306.532011.542811.213695.43库容V（104m3）（4）2250259529353278364541084680（3）绘制q~V曲线。由表中第（3）、（4）栏对应值，绘制水库蓄泄曲线q~V，见图1-1。q~VZ~V图1-1水库蓄泄曲线q～V第23页 表１.７调洪计算表（列表试算法）（1）（2)（3）（4)（5)（6)（7)（8)（9)（10)0　58.40　　12　　22.50461.52273.751.9759.50.4282489.1010724.04462.42974.557.02345.52.48841460.0058428.57465.0421868.8013.4610837.79862277.60158234.23468.322074.4414.94178412.84581871.28198636.32469.421410.0010.15175012.60010948.71151433.87468.12758.695.4612168.75512568.6791830.58466.22459.103.31746.55.37514349.5257528.514652287.182.07477.53.43816224.8438027.14464.22191.841.383262.34718158.8527226.18463.62137.820.99239.51.72420116.8020725.44463.2297.600.70183.51.3212278.4016024.82462.9264.310.461411.0152450.2212224.27462.5246.870.341080.7782643.519423.83462.3　　　　　（1）推求下泄流量过程线q（t）。按表的格式逐时段进行试算。对于第一阶段，按起始条件V1=22.5×106m3、q1=12m3/s和已知值Q1=58.4m3/s、Q2=489.1m3/s，求V2、q2，假设q=120m3/s，由水库水量平衡方程：求得V2=23.995×106m3，查q~V曲线，得q2=103m3/s，与假设不符，故需重新设q2进行计算，再假设q2=107m3/s，求得V2=240.043×106m3，查q~V曲线，得q2=107m3/s，与假设相符，故q2=107m3/s和V2=240.043×106m3即为所求，分别填入表中该时段末的第(6)、(9)栏。以第一时段所求的V2、q2作为第二时段初的V1、q1，重复第一时段的失算过程，可求得表第（6）栏所示的下泄流量过程q（t）。（2）计算最大下泄流量qm。按每时段Δt=2小时，取表第（1）、（3）、（6）栏的t、Q、q值，绘出Q(t)、q（t）过程线，可以查出qm=1986m3/s。（3）推求设计设计洪水位Z设。按qm=1986m3/s从q~V曲线上查得相应总库容Vm=3631.3万m3，减去堰顶高程以下的库容2250万m3，即得V设=1381.3万m3，查Z~V曲线第23页 得到Z设=469.4m。t（h）1—设计洪水过程线Q（t）2—下泄流量过程线q（t）Q，q（m3/s）图1-2设计洪水过程线及下泄流量过程线1.2.2计算机调洪（1）设计状况输入数据：库容曲线的数据为427.2,0430,12.4432.5,30435,60437.5,108.7440,180442.5,278.9445,410447.5,577450,780452.5,1101455,1280457.5,1609460,2000462.5,2421465,2850第23页 467.5,3278470,3750472.5,4361475,5130入库洪水线的数据为0,58.41,189.072,489.13,963.64,14605,2017.2826,2277.67,2281.258,1871.2829,1269.17810,948.70811,73012,568.6713,445.00814,349.52415,277.416,224.8417,186.8818,158.84819,136.5120,116.821,97.0922,78.40223,62.19624,50.22425,43.826,43.508泄流曲线的数据为461.5,0461.85,17.8第23页 462.2,50.4462.55,92.6462.9,142.5463.25,199.2463.6,261.8463.95,330464.3,403.1464.65,481465,563.4465.35,650465.7,740.6466.05,835.1466.4,933.2466.75,1035467.1,1140.2467.45,1248.7467.8,1360.5468.15,1475.5468.5,1593.5468.85,1714.5469.2,1838.4469.55,1965.1469.9,2094.7470.25,2227470.6,2361.9470.95,2499.5471.3,2639.6471.65,2782.3472,2927.4472.35,3075472.7,3225473.05,3377.3473.4,3532起调水位为461.5m，调洪结果图为下图1-3所示。第23页 图1-3设计洪水过程线及下泄流量过程线水库调洪最高水位为469.75m，调洪最大下泄流量为2038.62m3/s，查资料中坝址下游水位~流量曲线得下游水位为426.9m。（2）校核状况库容曲线的数据设计状况的相同，校核洪水过程线的数据为0,80.81,261.592,676.73,1333.24,20205,2791.0346,3151.27,3156.258,2589.0349,1755.98610,1312.59611,101012,786.79第23页 13,615.69614,483.58815,383.816,311.0817,258.5618,219.77619,188.8720,161.621,134.3322,108.47423,86.05224,69.48825,60.626,60.196泄流曲线的数据为461.5,0461.85,17.8462.2,50.4462.55,92.6462.9,142.5463.25,199.2463.6,261.8463.95,330464.3,403.1464.65,481465,563.4465.35,650465.7,740.6466.05,835.1466.4,933.2466.75,1035467.1,1140.2467.45,1248.7467.8,1360.5468.15,1475.5第23页 468.5,1593.5468.85,1714.5469.2,1838.4469.55,1965.1469.9,2094.7470.25,2227470.6,2361.9470.95,2499.5471.3,2639.6471.65,2782.3472,2927.4472.35,3075472.7,3225473.05,3377.3473.4,3532起调水位为461.5m，调洪结果图如下图1-4所示图1-4校核洪水过程线及下泄流量过程线水库调洪最高水位为471.71m，调洪最大下泄流量为2807.98m3/s，查资料中坝址下游第23页 水位~流量曲线得下游水位为427.6m。1.3淤沙高程计算1.3.1计算淤沙系数式中：V—正常高水位时的库容，m3；W入—年平均来水量m3，T—全年时间，s。多年平均流量为240.5m3/s，所以W入=Q多年.T=240.5×365×24×3600=7584.4×106m3水库正常高水位469.5m，此时的对应的库容为3697万m3.代入数据得1.3.2计算淤沙高程淤沙体积：式中：β’=1.8β’=1.8×0.4=0.72；W沙—多年平均输沙总量；T—使用年限。河流多年平均输沙总量为2.1×104m3，工程使用年限为50年。代入公式得V淤=0.72×2.1×104×50=75.4×104m3查已给资料中的Z~V曲线可以得Z淤=435.9m。第23页 2坝体剖面设计2.1坝顶高程计算坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应分别按以下运用情况计算，取其最大值：①正常蓄水位加正常运用情况的坝顶超高；②设计洪水加正常运用情况的坝顶超高；③校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高；④正常蓄水位加非常运用情况的坝顶超高。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），坝顶超高y的计算公式为式中：y—坝顶超高，m；R—最大波浪在坝坡上的爬高，m；e—最大风壅水面高度，m；A—安全加高，m。依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），对于3级大坝，设计工况（正常运用时），A=0.7m；校核工况（非常运用时），丘陵地区，A=0.4m。最大波浪在坝坡上的爬高R和风壅水面高度e依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的附录A中的计算方法进行计算。2.1.1波浪爬高的计算对于丘陵地区水库，计算风速W＜26.5m/s，风区长度D＜7500m时，累积频率为2%的波高h2%和平均波长Lm可采用鹤地水库公式《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A中的式A.1.6-1和式A.1.6-2）计算，如下式中：g—重力加速度，取为9.81m/s2；W—计算风速，正常运用情况时取年平均最大风速的1.5倍10.8m/s；非常运用时取年平均最大风速7.2m/s。D—水库吹程，2000m。由波浪累积频率为2%的波高h2%查《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的附录A中表A.1.8即可求出平均波高hm值，计算结果整理如表2.1。第23页 表2.1平均波浪爬高Rm和设计波浪爬高R1%计算成果表运用情况上游坝坡坡率m糙率渗透性系数KΔ经验系数Kw平均波高hm（m）平均波长Lm（m）平均波浪爬高Rm（m）设计波浪爬高R1%（m）正常蓄水1.40.910.275.960.6221.51校核洪水1.40.910.153.970.3690.892.1.2风壅水面高度的计算风壅水面高度e可按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）附录A中A.1.10计算，式中：K—综合摩阻系数，取3.6×10-6；Hm—库水平均深度，这里取坝前水深；β—计算风向与坝轴线法向的夹角，这里取90°。风壅水面高度的计算列于表2.2中。表2.2风壅水面高度e计算表运用情况库水平均深度Hm（m）综合摩阻系数K风区长度D（m）计算风速W（m/s）风壅水面高度e（m）正常蓄水49.53.6×10-6200010.80.00087校核洪水51.73.6×10-620007.20.000372.1.3确定坝顶高程根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），在4种运用条件下的坝顶高程计算如表2.3。表2.3坝顶高程计算表运用情况洪水位（m）波浪爬高R1%（m）风壅水面高度e（m）安全超高A（m）坝顶高程（m）设计洪水位加正常运用469.751.510.000870.7471.96正常蓄水位加正常运用469.501.510.000870.7471.71校核洪水位加非常运用471.700.890.000370.4472.99正常蓄水位加非常运用469.750.890.000370.4471.04坝顶上游侧应设置防浪墙，防浪墙的底部高程宜高于正常蓄水位（469.75m）,第23页 墙顶高出坝顶1m。故最后确定坝顶高程为473.00m，防浪墙顶高程为474.00m，防浪墙墙高为4m。2.2坝体设计2.2.1坝坡拟定当筑坝材料为硬岩堆石料时，上、下游坝坡可采用1:1.3~1:1.4。本设计根据工程实际情况，上游坝坡取1：1.4，下游坝坡取1：1.5，并在高程为445.00m之处设2m宽的马道。2.2.2钢筋混凝土面板设计(1)面板厚度根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），面板厚度的确定应满足下列要求：①应能便于在其内布置钢筋和止水，其相应最小厚度为0.3m。②控制渗流水力梯度不超过200.③在达到上述要求的前提下，应选用较薄的面板厚度，以提高面板的柔性，减低造价。对于中低坝面板可采用0.3~0.4m均一厚度，本设计取面板厚度为0.3m。(2)面板分缝在两坝肩附近的面板应设张性垂直缝，其余部分的面板设压性垂直缝。该坝顶长336m，参照已建工程，右岸设总长度为80m的张兴缝，缝间距为8m，左岸设总长度为64m的张性缝，缝间距为8m；面板中部设总长度为192m的压性缝，缝间距为12m。(3)钢筋面板采用单层双向钢筋，钢筋布置在面板截面中部，每向配筋率为0.3%。2.2.3趾板设计趾板的布置采用平趾板方案，即趾板等高线垂直于趾板基准线。趾板宽度按容许水力梯度确定。表2.4岩石地基容许水力梯度岩石风化程度容许水力梯度岩石风化程度容许水力梯度新鲜、微风化≥20强风化5～10弱风化10～20全风化3～5根据已给地形地质资料，岩石风化程度为弱风化，容许水力梯度i为10~20，取10。趾板宽度趾板厚度可小于与其连接的面板厚度,最小设计厚度应不小于0.3m。本设计取0.4m。趾板示意图如图2-1。第23页 趾板图2-1趾板示意图趾板仅需要配置温度筋和灌浆盖板的钢筋，采用单层钢筋，各向钢筋量为设计厚度的0.3%，保护层厚度采用10cm，止水附近局部增加构造钢筋。趾板的锚筋采用砂浆锚杆，先灌浆再插入钢筋，选取φ25普通螺旋钢筋，间距1m。第23页 3溢洪道计算3.1引水渠的计算引水渠的作用是将水流平顺、均匀、对称地引向控制段，为了加大泄流能力，采用反坡形式，引渠渠首渠底高程取为450m。引渠终点渠底高程比堰顶高程低0.5Hd。Hd是堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高P1≥1.33的高堰，取Hd=（0.75～0.95）Hmax；对于P1<1.33的低堰，则取Hd=（0.65～0.85）Hmax，Hmax为校核流量下的堰上水头；本设计中P1=堰高/水头=5.5/10.2<1.33，故本溢流堰属于低堰，Hd=(0.65~0.85)Hmax=0.8×10.2=8.2m。引渠终点高程H=461.5-0.5×8.2=457.5m。岩基上的引渠，可采用近乎矩形的梯形断面，本设计属于风化岩石，边坡取1：0.5。横断面底宽取控制段宽度，B=b+n1d1+n2d2，其中b为溢洪道闸门净宽，n1为中墩数量，d1为中墩宽度，n2为边墩数量，d2为边墩宽度。表3.1闸墩厚度（d）参考表闸孔净宽b（m）闸墩厚度d（m）中墩缝墩小跨度（3～6）0.5～1.02×0.4～2×0.6中等跨度（6～12)0.8～1.42×0.6～2×0.8大跨度（＞12）1.2～2.52×0.8～2×1.5依照闸墩厚度参考表，中墩厚度取1.2m，边墩厚度取0.8m。故控制段总宽度B=40+4×1.2+2×0.8=46.4m。该地区岩性较好，引水渠不需要衬砌。溢洪道首部控制段毗邻主坝坝肩，引渠采用近似椭圆的布置型式，其中椭圆曲线长短轴之比取a/b=1.5,取B0/B=2。3.2控制段的计算溢流堰采用开敞式溢流堰，根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000），开敞式溢流堰的堰面曲线，在上游坝面均为铅直时，沿顶上游段及上游段堰面曲线各参数如图3-1所示。第23页 图3-1溢流堰曲线根据水库相关资料，溢流堰采用实用堰，开敞式堰面曲线按公式计算：式中：—堰面曲线定型设计水头，对于上游堰高P1≥1.33的高堰，取=（0.75～0.95）Hmax；对于P1<1.33的低堰，则取=（0.65～0.85）Hmax，Hmax为校核流量下的堰上水头；x、y—原点下游堰面曲线横、纵坐标；n—与上游堰坡有关的指数；k—当P1/>1.0，见《溢洪道设计规范》（SL253-2000）附录A中表A.1.1；当P1/Hd≤1.0时，取k=2.0～2.2。3.2.1堰面曲线的确定根据规范及工程经验，堰顶上游采用三圆弧曲线：R1=0.5Hd=4.1m，0.175Hd=1.435m；R1=0.2Hd=1.64m，0.276Hd=2.26m；R1=0.04Hd=0.328m，0.282Hd=2.31m。，下游为幂曲线。幂曲线方程为：；故可得幂曲线方程为y=0.0836x1.85溢流堰原点下游堰面曲线坐标计算于表3.2所示：表3.2溢流堰面曲线坐标结果x13579111314y0.08360.63811.64173.05944.87037.05969.616211.0292第23页 3.2.2剖面衔接计算（1）直线段1：0.7和堰面曲线切点Xc、Yc确定对y=0.0836x1.85求导，得y’=0.155x0.85=1/m=1/0.7=1.429，求得Xc=13.64，代入原幂曲线方程Yc=10.51。（2）反弧段半径确定R=（0.25~2.0）（Hmax+Zmax）=0.3×(8.2+46.4)=16.4m。3.2泄槽的计算3.2.1泄槽临界水深和临界坡降，，，，，式中：hk——临界水深，m；Q——槽内泄量，m3/s；q——单宽流量，m3/（s·m）；——临界坡降；B——泄槽首段宽度，m；g——重力加速度，m/s2；——相应临界水深的水面宽，m；、、、——临界水深时对应的过水断面积（m2）、湿周（m）、水力半径（m）、谢才系数。表3.3临界水深hk和临界坡降ik计算结果计算情况Qn设计水位203952395.40280.8062.804.470.01491.680.0014校核水位280852546.68347.3665.365.320.01494.360.0014本设计中取i=0.04，故泄槽段属于急流，按照明渠非均匀流计算。3.2.2泄槽水面曲线确定根据《溢洪道设计规范》（SL253-2000）可知，泄槽上游接实用堰时，起始计算断面定在堰下收缩断面处，泄槽起始断面水深小于，可按下式计算：第23页 式中：q—起始计算断面单宽流量，m3/（s.m）；—起始计算断面渠底以上总水头，mm；—泄槽底坡坡角，；—起始计算断面流速系数，取为0.95。根据上表计算结果确定以校核洪水流量来计算。经过迭代试算：h1=3.71m。根据规范要求，采用分段求和法推算，以确定溢洪道泄槽的泄流能力，分段求和法计算公式如式：式中：现以h1=3.71m，h2=3.51m。求两端面之间的距离Δs。A1=bh1=52×3.71=192.92m2A2=bh2=52×3.51=182.52m2χ1=b+2h=52+2×3.71=59.42mχ2=b+2h=52+2×3.51=59.02mR1=192.92/59.42=3.247R2=182.52/59.02=3.093C1R11/2=1/nR12/3=1/0.014×(3.247)2/3=156.62C2R21/2=1/nR12/3=1/0.014×(3.093)2/3=151.63v1=2808/192.92=14.56m/sv2=2808/182.52=15.38m/sv12/C12R1=(14.56/156.62)2=0.00864第23页 v22/C22R2=(15.38/151.63)2=0.01030J=1/2(v12/C12R1+v22/C22R2)=1/2(0.00864+0.0103)=0.0095其余各流段的计算完全相同，为了清晰起见，采用列表法进行，情况如表3.4第23页 表3.4水面线试算列表3.71192.9259.423.25156.61614.5550.00910.80914.5190.0000.0090.031-0.507-16.3743.61187.7259.223.17154.13514.9580.00911.41615.02616.3740.0100.030-0.560-18.5703.51182.5259.023.09151.61615.3850.01012.07615.58634.9440.0110.029-0.619-21.1803.41177.3258.823.01149.06015.8360.01112.79416.20456.1240.0120.028-0.685-24.3233.31172.1258.622.94146.46316.3140.01213.57916.88980.4470.0130.027-0.759-28.1663.21166.9258.422.86143.82616.8220.01414.43817.648108.6120.0140.026-0.843-32.9563.11161.7258.222.78141.14517.3630.01515.38218.492141.5680.0160.024-0.939-39.0703.01156.5258.022.70138.42017.9400.01716.42119.431180.6390.0180.022-1.048-47.1132.91151.3257.822.62135.64918.5570.01917.56920.479227.7520.0190.021-0.338-16.1142.88149.7657.762.59134.80918.7500.01917.93720.817243.8660.0200.020-0.350-17.2002.85148.257.72.57133.96418.9470.02018.31621.166261.0660.0200.020-0.119-5.9962.84147.6857.682.56133.68119.0140.02018.44621.286267.0620.0200.020-0.121-6.1352.83147.1657.662.55133.39819.0810.02018.57621.406273.198　　　　第24页 泄槽段水流掺气水深按下式计算：式中：h─未计入波动及掺气的水深，m；hb─计入波动及掺气的水深，m；v─未计入波动及掺气的计算断面上的平均流速，m/s；─修正系数，一般为1.0s/m～1.4s/m，视流速和断面收缩情况而定，当流速大于20m/s时，宜采用较大值，本设计取1.2。计算后的掺气水深的边墙高度，取安全超高0.6m。列举若干个泄槽段断面的掺气水深及泄槽边墙高计算结果如下表3.5所示表3.5泄槽边墙高度计算表断面距槽首的距离（m）计算水深（m）流速（m/s）hb（m）安全超高（m）泄槽边墙高（m）03.7114.564.360.64.9616.373.6114.964.260.64.8634.943.5115.384.160.64.7656.123.4115.844.060.64.6680.453.3116.313.960.64.56108.613.2116.823.860.64.46141.573.1117.363.760.64.36180.643.0117.943.660.64.26227.752.9118.563.560.64.16243.872.8818.753.530.64.13261.072.8518.943.500.64.10267.062.8419.013.490.64.09273.22.8319.083.480.64.08根据上表得泄槽边墙高最高为4.96m，由于泄槽采用同一坡度，则边墙高度一致，最终取5m。3.3消能防冲段的计算3.3.1水舌挑距的计算水舌挑射距离按水舌外缘计算，其估算公式为第56页 式中：L—水舌挑距，m；g—重力加速度，9.81m/s2；v1—坎顶水面流速，m/s，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍；θ—挑射角度；h1—坎顶平均水深h在铅直向的投影，h1=hcosθ；h2—坎顶至河床面的高程，m。鼻坎处平均水深近似取泄槽出口水深h=2.83m，挑射角θ按经验值取20°，鼻坎处平均流速近似取泄槽出口流速，v=q/h末=19.08m/s，故v1=1.1v=21m/s，h2＝435-420＝15m。3.3.2冲坑及鼻坎的计算冲坑最大水垫深度按下式估算：式中：T—自下游水面至坑底最大水垫深度，m；q—鼻坎末端断面单宽流量，m3/(s.m)；Z—上、下游水位差；k—综合冲刷系数。T=0.9×541/2×(471.7-427.6)1/4=17m。冲坑深度Tk=T-H2式中：H2为下游水深Tk=17-(427.6-423)=12.4m。L/Tk=54/12.4=4.35>2.5，满足要求。挑流鼻坎段反弧半径R=反弧最低点最大水深h×（6~12）=2.83×9=25.5m。第56页 4施工初步设计4.1导流标准根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000：临时性水工建筑物（导流建筑物）的级别可由表7确定：表4.1临时性水工建筑物级别级别保护对象失事后果使用年限临时性水工建筑物规模高度（m）库容3特别重要重大＞3年＞50＞1.04重要较大3～1.5年50～151.0～0.15一般较小＜1.5年＜15＜0.1注：当临时性水工建筑物根据上表指标分属不同级别时，其级别应按其中最高级别确定，但对3级临时建筑物，符合该级别规定的指标不得少于两项。从资料中得知施工期限安排为三年半，即临时性水工建筑物使用年限至少为三年，故本设计中的临时水工建筑物级别为4级。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）：临时性水工建筑物（导流建筑物）的洪水标准可由表4.2确定：表4.2临时性水工建筑物洪水标准〔重现期（年）〕临时性建筑物类型临时性水工建筑物级别345土石结构50～2020～1010～5混凝土、浆砌石结构20～1010～55～3本设计决定采用土石结构围堰。根据确定的临时性水工建筑物级别，选取洪水标准即导流标准为10年一遇。4.2导流洞设计临时建筑物的洪水标准为10年一遇，在理论频率曲线查10%对应流量为Q10%=1592m3/s，采用同倍比放大法来求10年一遇的洪水过程线，则KQ=1592/1600=0.995，将典型洪水过程线按0.995倍放大，得10年一遇洪水流量为1554.7m3/s。十年一遇洪水过程计算如表4.3。第56页 表4.3十年一遇洪水过程列表流量(m³/s)典型洪水流量（m³/s）10年一遇洪水流量（m3/s)时段(t)04039.801129.5128.852335333.333660656.7041000995.0051381.71374.79615601552.2071562.51554.6981281.71275.299869.3864.9510649.8646.5511500497.5012389.5387.5513304.8303.2814239.4238.2015190189.0516154153.2317128127.3618108.8108.261993.593.03208079.602166.566.172253.753.432342.642.392434.434.23253029.852629.829.65本设计采用全年围堰一次断流、隧洞导流的导流方案。由于上游围堰有一定的滞洪作用，参考已建工程，导流洞最大泄流量为1200m3/s。导流洞为圆形断面的有压隧洞，泄流能力公式为：式中：µ—流量系数，经验值取0.7；ω—洞口横断面面积，m2；H—计算水头，上下游水位差，m；拟定不同的方案进行计算，结果如表4.4所示。其中下游水位根据Qm=1200m3/s查坝址下游水位-流量关系曲线得下游水位426.43m。第56页 表4.4导流方案列表方案序号导流洞拟定：条数×洞径（m）上下游水位差H（m）上游水位（m）12×81644222×91043632×106.6433方案比较：方案1虽然洞径小，隧洞开挖量小，但是上下游水位差太大，需要的上游围堰高程较高；方案3上下游水位差较小，上游围堰高程小，但是由于洞径太大，山体开挖量过于多，故也要舍弃。综合考虑，选择方案2。4.3围堰设计堰顶高程取决于导流设计流量及围堰的工作条件，上、下游围堰均采用土石围堰。围堰底部高程为420.8m。则上游围堰高为442-420.8=15.2m。下游围堰的堰顶高程可由下式决定：式中：—下游围堰堰顶高程，m；—下游水位高程，m；—波浪爬高，与吹程有关，一般取=0.5～1.0m；—围堰安全超高，可按下表4.5取值。表4.5不过水围堰堰顶安全超高下限值（单位：m）围堰形式围堰级别IIIIV～V土石围堰0.70.5混凝土围堰、浆砌石围堰0.40.3在本设计中，下游水位高程hd=426.43m，波浪爬高取1.0m，围堰等级为IV级，故安全超高取0.5m。综上，可知本设计中下游围堰堰顶高程Hd=427.93m。本工程围堰为土石围堰，对地基要求不是很高。故将河床部位1～3m的砂卵石挖出后即为本工程的围堰坝基面，高程为420.80m。故下游围堰堰高H=7.0m。上游围堰的堰顶高程由下式决定：式中：Hu—上游围堰堰顶高程，m；z—上下游水位差，m；第56页 在本设计中，上游水位高程hd=436.00m，波浪爬高取1.0m，围堰等级为IV级，故安全超高取0.5m。综上，可知本设计中上游围堰堰顶高程Hd=437.5m。故上游围堰高H=437.5-420.8=16.7m。第56页 5重力坝方案设计5.1坝顶高程计算根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)可知，坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶的高程，应高于波浪顶高程。防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差，可按下式计算：上式中：△h—防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差，m；h1%—累计频率为1%时的波浪高度，m；hz—波浪中心线高于静水位的高度，m；hc—安全加高，按表5.1取值。表5.1重力坝安全加高hc的取值运用情况坝的安全级别123正常蓄水位0.70.50.4校核蓄水位0.50.40.3注：表中正常蓄水位指设计工况下，包含正常蓄水位和设计洪水位两种情况。本工程重力坝方案调洪演算在理论频率曲线上查频率P=1%，P=0.2%对应的流量分别为：Q设=2341m3/sQ校=2828m3/s本工程采用同倍比放大法推求洪水过程线，以洪峰流量控制，其放大倍比为K。设计洪水情况：K设==2341/1600=1.46校核洪水情况：K校==2828/1600=1.77同堆石坝方案的计算过程一样，经过洪水过程线的绘制及计算机调洪演算，得到各工况下的水位及流量见表5.2所示：表5.2各工况下的水位及下泄流量　正常工况设计工况校核工况上游水位（m）469.50469.75471.94下游水位（m）423.10426.90427.21下泄流量（m3/s)6.002038.622323.49第56页 本设计重力坝的级别为3级，所以hc设计=0.4m，hc校核=0.3m。坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算，并选用其中的较大值：防浪墙顶高程=设计洪水位＋hc设计；防浪墙顶高程=校核洪水位＋hc校核。根据本设计基本资料，宜按鹤地水库公式计算坝顶超高。式中：g—重力加速度，取为9.81m/s2；W—计算风速，正常运用情况时取年平均最大风速的1.5倍10.8m/s；非常运用时取年平均最大风速7.2m/s；D—水库吹程，2000m。经计算得，设计状况下h1%=0.56m，hz=0.165m；校核状况下h1%=0.31m，hz=0.076m。由《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)，坝顶上游侧防浪墙顶高程必须大于波浪顶高程，由以上计算可以得知，坝顶上游侧防浪墙顶高程应大于校核工况下的波浪顶高程472.63m，本设计选取坝顶上游侧防浪墙顶高程为472.70m。再根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319—2005)，重力坝防浪墙高度一般取为1.2m，本设计取防浪墙高为1.2m，则重力坝坝顶高程为472.70-1.20=471.50m，坝顶下游侧设栏杆。由坝址区地质剖面图可确定坝基开挖高程为弱风化下限417.00m，最大坝高为471.50-417.00=54.5m。5.2剖面设计根据工程经验，一般情况下，坝体上游面常做成铅直或是上部铅直下部倾向上游。实体重力坝上游坝坡宜采用1:0.2～1:0，下游坝坡宜采用1:0.8～1:0.6。本设计根据工程实际情况，坝址河谷谷底以下为厚约30m以上的巨厚层石英砂岩，为大坝的主要持力层；中部为厚3m的砂质粘土岩，下部为厚30m厚的石英砂岩，中夹有薄层砂质粘土岩，两岸以石英砂岩为主，中夹有砂质粘土岩，石英砂岩岩质坚硬，抗压、抗拉及抗剪强度较高，可满足大坝对基强度的要求。故本设计选择的实用剖面坝体上游面444.00m高程以上铅直，440.00m高程以下倾斜，坡率取为n=0.20，下游坝坡坡率取为m=0.8。第56页 重力坝基本剖面设计见图5-1所示。图5-1重力坝非溢流坝段最大剖面图5.3稳定计算5.3.1荷载及荷载组合①.主要荷载：A组A1，坝体自重及永久设备重A2，正常高水位时之水压力A3，设计洪水位之水压力A4，浪压力A5，正常水位时之扬压力A6，设计洪水位时之扬压力A7，淤沙压力②.特殊荷载：B组B1，宣泄校核洪水时之水压力B2，宣泄校核洪水时之扬压力第56页 B3，地震荷载③.荷载组合1）正常运行Ⅰ：A1+A2+A4+A5+A72）正常运行Ⅱ：A1+A3+A4+A6+A73）校核情况：A1+A4+A7+B1+B2由基本资料可知，香山水电工程坝址区基本地震烈度为5度，且所处大清河流域为亚热带气候，故不需考虑冰冻情况和地震情况。因此，本设计取①正常蓄水位；②设计洪水位；③校核洪水位三种情况进行计算。5.3.2荷载计算各种工况上下游水位、水头情况如表5.3所示：表5.3各种工况上下游水位、水头工况上游水位（m）下游水位（m）上游水深（m）下游水深（m）上下游水位差H（m）扬压力折减（m）正常469.50423.1052.506.1046.409.28设计469.75426.9052.759.9042.858.57校核471.94427.2154.9410.2144.738.95.①坝体自重取单宽为计算单元，坝体剖面面积由三部分组成，如荷载计算简图所示。S1=1/2×27×5.4=72.9m2；S2=12×（471.5-417）=654m2；S3=1/2×39.5×31.6=624.1m2；则剖面总面积为S=S1+S2+S3=72.9+545+682.72=1351m2，体积V=S×1=1300.62×1=1351m3。根据资料已给出的200#碾压混凝土容重=2.4g/cm3=2400kg/m3，可求得单宽坝体W=W3+W4+W5=ρVg=2400×1351×10=32424kN。②静水压力静水压力分为上游和下游，计算公式为：=式中：为水容重，取10KN/m3；为水深，单位m。计算结果如表5.4所示：表5.4上下游静水压力计算表工况上游水位（m）下游水位（m）上游水深（m）下游水深（m）上游静水压力P1（kN）下游静水压力P2（kN）正常469.50423.1052.506.1013781186第56页 设计469.75426.9052.759.9013913490校核471.94427.2154.9410.2115092521③水重上游水重计算公式为：W1=γw×[(H1-444)+(H1-417)]×(444-417)×0.2/2下游水重计算公式为：W2=γw×(H2-417)×(H2-417)×0.8/2计算结果如表5.5所示：表5.5上下游水重计算表工况上游水位（m）下游水位（m）上游水深（m）下游水深（m）上游水重W1（kN）下游水重W2（kN）正常469.50423.1052.506.102106148设计469.75426.9052.759.902120392校核471.94427.2154.9410.212238417④扬压力扬压力由渗流压力和上浮力力组成，上浮力是由坝体下游水深产生的浮托力，而渗流压力是在上下游水位差作用下，水流通过基岩节理间隙而产生的向上的静水压力。计算简图如图5-2所示：图5-2扬压力计算简图如图5-2所示，扬压力可以分为三个部分进行计算：第56页 其中：为水容重，单位kg/m3；为上游水深，单位m；为下游水深，单位m；为坝底宽度，单位m；为帷幕中心线至上游坝踵的距离，单位m；为扬压力折减系数。坝底宽度B=49m，L为帷幕中心线至上游坝踵的距离，本设计中L取为8m，根据《混凝土重力坝设计规范SL319-2005》规定，对河床坝段，扬压力折减系数为0.2~0.3，本设计取0.2。计算各个工况下扬压力结果如表5.6所示：表5.6扬压力计算结果工况上游水深H1（m）下游水深H2（m）U1（kN）U2（kN）U3（kN）U（kN）正常52.506.102227199529897211设计52.759.902057184348518750校核54.9410.212147192350039073⑤波浪压力波浪作用使重力坝承受波浪压力，而波浪压力与波浪要素（波高hl、波长L、波浪中心线高于静水面产生的壅高hz）和坝前水深等有关。本设计中，坝前水深H在三个工况下分别为52.50m、52.75m、54.94m，由前面确定坝顶高程时的计算可得波长L分别为5.96m、3.97m，故H>L/2，属于深水波。波浪压力计算公式为：=式中:为浪压力；为水容重；L为波长；频率为1%的波浪高度；为波浪中心线至静水面的距离,即雍高。计算结果如表5.7所示：表5.7波浪压力计算表工况波长L（m）壅高hz（m）h1%（m）浪压力Pl(kN)正常5.960.1650.5610.6设计5.960.1650.5610.6校核3.970.0760.313.8第56页 ⑥泥沙压力淤沙的容重及内摩擦角与淤积物的颗粒组成及沉积过程有关。淤沙逐渐固结，容重与内摩擦角也逐年变化，而且各层不同，使得泥沙压力不易准确算出，一般按下式计算：Ps=式中：Ps为坝面单位宽度上的水平泥沙压力，kN/m；γsb为淤沙浮容重，kN/m3；hs坝前淤沙高度，m；φs为淤沙内摩擦角，°。由基本资料可知，γsb=0.75t/m3=0.75×10=7.5kN/m3，φs=13°，hs=435.9-417=18.9m，故淤沙压力：Ps=5.3.3稳定计算（1）稳定计算公式①抗剪强度公式式中：为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；为接触面以上的总水平力，kN；为接触面间的摩擦系数。②抗剪断公式式中：为接触面的抗剪断摩擦系数为接触面的抗剪断凝聚力为接触面积，为为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；为接触面以上的总水平力,kN。（2）稳定安全系数本设计大坝级别为1级，由规范知，抗滑稳定最小安全系数如5.8表所示：第56页 表5.8容许安全系数表计算情况抗剪强度公式容许安全系数抗剪断公式容许安全系数正常运行Ⅰ（正常）1.053.00正常运行Ⅱ（设计）1.053.00校核情况1.002.50（3）稳定计算结果稳定计算结果如表5.9所示：表5.9稳定计算结果表工况竖直力（kN）水平力（kN）（MPa）B（m）[][]正常27468144540.61.00.8491.144.521.053.00设计26186142820.61.00.8491.104.491.053.00校核26006154230.61.00.8491.014.141.002.50从计算结果可以看出，抗剪强度安全系数和抗剪断安全系数均大于格子的容许安全系数，故最大坝高的非溢流坝段能够满足强度要求。5.4溢流坝段设计5.4.1剖面设计本设计溢流坝孔口型式采用开敞溢流式，溢流面由顶部曲线段、中间直线段和反弧段三部分组成，堰面曲线采用型，上游上部铅直，下部倾斜，堰顶高程306m。（1）顶部曲线段根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005），WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分。上游段曲线可采用双圆弧、椭圆、三圆弧等型式。本设计采用三圆弧型式，R1、R2、R3的取值如下：R1=0.5Hd距堰顶的水平最远距离为：0.175HdR2=0.2Hd距堰顶的水平最远距离为：0.276HdR3=0.04Hd距堰顶的水平最远距离为：0.282HdWES型堰顶下游段曲线，当坝体上游面为铅直时，可按下式计算：式中：Hd—定型设计水头，m；一般为校核洪水位时堰顶水头的75%~95%。第56页 坐标原点在堰顶。根据调洪演算的结果：堰顶高程为461.50m，在溢流坝段宽度为5孔×8米，总宽度40m的情况下进行调洪计算，校核洪水位为471.94m，堰上最大水Hmax=471.94-461.50=10.44m，所以Hd=（0.75～0.95）Hmax=7.83~9.92m，为了便于设计和计算，本设计取为Hd=10m。则溢流坝堰顶部分上游段三圆弧尺寸如下：R1=0.5Hd=0.5×10=5m，0.175Hd=0.175×10=1.75m；R2=0.2Hd=0.2×10=2m，0.276Hd=0.276×10=2.76m；R3=0.04Hd=0.04×10=0.4m，0.282Hd=0.282×10=2.82m；下游段曲线段方程为：x1.85=2.0Hd0.85y=2.0×100.85y=14.16y，即y=0.07x1.85。非溢流坝下游坡度为1:0.8，故溢流坝直线段的坡度也取为1:0.8，为使水流经过顶部曲线段和直线段交界处时流态平顺，不发生空化空蚀、空化，应使直线段与顶部曲线段末端相切。y’=0.13x0.85=1/0.8，解得x=16.85，y=13.01，故顶部曲线段x的坐标范围为：（-2.82~16.85）m，y的坐标范围为：（0~13.01）m。顶部曲线下游段坐标如表5.10所示：表5.10溢流坝顶部曲线下游段坐标值x(m)12345678y(m)0.070.250.530.911.371.932.563.28x(m)910111213141516.85y(m)4.084.965.916.948.059.2310.4913.01根据堰顶部分上游段三圆弧曲线和表5.1中的数据，可以绘出溢流坝顶部曲线图，见图5-3所示：第56页 图5-3WES堰顶部曲线图（2）反弧段溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施，通常采用圆弧曲线，反弧半径应结合下游消能设施来确定。根据《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)，对于挑流消能，反弧半径R=（4~10）h，h为校核洪水闸门全开时反弧段最低点处的水深。反弧处流速愈大，要求反弧半径愈大。当流速小于16m/s时，取下限；流速大时，宜采用较大值。根据调洪演算，可以得出枢纽的总下泄流量（坝顶溢流、泄水孔及其他建筑物下泄流量的总和），通过堰顶的下泄流量应为，其中为电站和泄水孔等建筑的下泄流量，本设计中泄水孔下泄流量作为安全储备，为电站引用流量=60m3/s，为系数，设计洪水位时取0.75~0.95，本设计取为0.80，校核时取1.0。故：Q设溢=2038.62-0.80×60=1990.62m3/s；Q校溢=2323.49-1.0×60=2263.49m3/s；溢流堰的总净宽为L=5×8=40m；则单宽流量：q设=1990.62/40=49.77m3/s.m；q校=2263.49/40=56.59m3/s.m；根据能量方程：式中：E0—收缩断面底部为基准面的坝前水流总比能；hc—反弧段最低点处收缩断面水深；—流速系数，查表得取0.9；第56页 q—溢流坝单宽流量，m3/s.m。反弧段鼻坎坎顶应高出下游洪水位1~2m，以校核洪水为例，下游校核洪水位427.21m，考虑到坎顶比反弧段最低点高出3m左右，拟定反弧段最低点高程为427.21+（1~2）-3=425.21~426.21，取为426.00m，故E0校=471.94-426.00=45.94。代入上式经试算可得hc校=2.95m。经过对几种消能方式的对比论证，本设计采用挑流消能方式，连续式鼻坎。由于溢流坝的反弧段具有挑流消能的功能，而挑流鼻坎的反弧半径R要求采用（4~10）h，h为鼻坎上水深，此处h近似看作与hc相同，则反弧半径R=（4~10）hc=（11.8~29.5）m。若R太小，则水流转向不够平顺；若R太大，则将使鼻坎想下游延伸太长，增加工程量，且vc值越大，越趋于取上限值。在本工程中，vc=q/hc=56.59/2.95=19.18m/s＞16m/s，故反弧半径R应取较大值，本设计取R=30m。对鼻坎挑射角而言，在45°范围内，挑射角越大，则挑距越远。参考众多已建工程，挑射角一般取20°～25°，本设计结合地形考虑，取鼻坎挑角为25°。则鼻坎坎顶高程：H=426+30×(1-cos25°)=428.81m。坎顶高出下游水位428.81-427.21=1.60m，满足反弧段鼻坎坎顶应高出下游校核洪水位1~2m的要求。（3）中间直线段中间直线段坡度应与非溢流坝下游坝面坡度相同，取1:0.80。直线段起点坐标为（16.85,13.01），由CAD绘图时可以确定直线段末端坐标为(24.83,24.31)。（4）溢流坝剖面简图根据以上确定的WES堰顶曲线、反弧段和直线段，可在CAD上绘出溢流坝面的剖面简图。见图5-4所示：图5-4溢流坝剖面简图5.4.2稳定计算第56页 溢流坝在不同的运行工况下所受到的荷载不同，故需对其沿坝基面的抗滑稳定进行校核计算。在正常蓄水位时，溢流坝受到坝体自重、静水压力、淤沙压力、波浪压力、扬压力等荷载作用，在设计洪水和校核洪水时，除了以上荷载，溢流坝还受到动水压力的作用。计算简图如下5-5所示：图5-5溢流坝沿坝基面稳定计算荷载简图（1）动水压力的计算溢流坝面上的动水压力可采用如下公式进行计算：式中：—总动水压力的水平分量，KN；—总动水压力的铅直分量，KN；α1、α2—反弧最低点两侧弧段所对应的中心角，(°)；—单宽流量，m3/(s·m)；—水的容重，kN/m3，取9.81；—重力加速度，m/s2；—水流速度，m/s，可取为反弧段最低点流速。动水压力计算结果如表5.11所示：表5.11溢流坝动水压力计算表工况单宽流量qm3/（s·m）左侧中心角α1（°）右侧中心角α2（°）流速V（m/s）水平力PH（KN）铅直力PV（KN）正常05525000设计49.77552516.87279.361042.61校核56.59552519.18361.131347.81注：动水压力合力作用点近似地取在反弧中点，正常水位时溢流坝不泄流，无动水压力存在。（2）溢流坝体及其他荷载自重计算第56页 本设计中，由于溢流坝与非溢流坝的上游部分的设计一样，故溢流坝体上的自重除了坝体自身的重量W1外，还有上游水重W2、上游淤沙压重W3、及坝上泄流时水重W4。溢流坝下游面铅直，不受下游水重作用。坝体自重仍通过CAD量取其单宽体积，再与其混凝土容重相乘得到。上游水重和上游淤沙压重的计算与非溢流坝段中的计算一样，这里不再重述。坝上水重分别量取设计洪水和校核洪水时不掺气水面曲线的单宽体积，与水的容重相乘得到，正常水位时无坝上水重。溢流坝段及其他荷载的自重计算结果见表5.12所示：表5.12坝体及其他荷载自重计算表工况上游坝坡水单宽体积V（m3）坝体自重W1（KN）上游水重W2（KN）淤沙压重W3（KN）坝上水重W4（m3）自重∑W（KN）正常125.9945185.151235.962166.24048587.35设计134.7646132.651322.002166.241787.7349620.89校核136.6846198.071340.832166.241911.1649705.14（3）静水压力计算溢流坝段由于在洪水期间开启孔口泄洪，故其静水压力的计算在正常水位和设计水位、校核水位时所采用的公式不一样。1）对于上游水压力而言，在正常蓄水位时采取如下公式计算：=式中：—水容重，KN/m3，取9.81；—上游水深，m。在设计洪水位和校核洪水位时由于孔口泄洪，坝体挡水高度减小，采用如下公式计算：=式中：h1—上游堰上水深，m；其他与上式一样。2）对于下游水压力而言，直接采取下式计算：=式中：—水容重，KN/m3，取9.81；—下游水深，m。静水压力计算结果见表5.13所示：表5.13静水压力计算表工况上游水深H1上游堰顶以上水深h1下游水深H2上游水压力P1下游水压力P2静水压力∑P第56页 （m）（m）（m）（KN）（KN）（KN）正常48.708.006.1011633.14182.5211450.62设计48.958.259.9021323.02480.7420842.28校核51.1410.4410.2122955.79511.3222444.48（4）淤沙压力计算溢流坝段的淤沙压力与非溢流坝段的一样，由基本资料可知，γsb=0.86t/m3=0.86×9.81=8.44kN/m3，φs=12°，hs=435.9-417=18.9m，故淤沙压力：Psk==2125.26KN（5）扬压力计算溢流坝段扬压力的计算原理与非溢流坝相同，计算结果如表5.14所示：表5.14溢流坝段扬压力计算工况上游水深H1（m）下游水深H2（m）帷幕距坝踵距离L（m）坝底宽度B（m）γ·H1（KN）γ·H2（KN）α·γH（KN）扬压力U（KN）正常48.706.10838.43477.7559.84104.485978.83设计48.959.90838.43480.2097.1295.777104.83校核51.1410.21838.43501.68100.16100.387384.06（6）波浪压力计算正常工况下，溢流坝段不溢流，闸门挡水，坝体要承受波浪压力，此时波浪压力与非溢流坝段相同；设计工况和校核工况下，溢流坝段闸门开启溢流，坝体承受动水压力，不受波浪压力。故Pwk正常=94.87kN，Pwk设计=Pwk校核=0KN。溢流坝段沿坝基面的抗滑稳定计算采用非溢流坝段一样的公式，分抗剪强度公式和抗剪断强度公式分别计算正常、设计、校核三种工况下的稳定情况，计算结果见表5.15所示：表5.15溢流坝段沿坝基面抗滑稳定计算表工况铅直力∑W-U（KN）水平力∑P（KN）摩擦系数f抗剪断参数f1抗剪断参数C1（KPa）接触面积A（m2）KsKs1【Ks】【Ks1】第56页 正常42608.5213670.750.601.0080038.431.875.371.053.00设计43762.1223246.900.601.0080038.431.123.201.003.00校核43668.8924930.870.601.0080038.431.052.981.002.50第56页 6工程造价估算及方案选择6.1面板堆石坝方案工程量计算6.1.1土石方开挖工程量（1）坝基及岸坡开挖工程量本工程堆石坝方案最大坝高52.2m，属于中低坝。根据《混凝土面板堆石坝设计规范》（SL228—98），建基面高程应取在强风化层下部。本工程根据坝轴线地质剖面图，将基础开挖线定在强风化线以下1~2m范围内，结合地形变化趋势开挖成折线形式。在坝基及岸坡开挖工程量统计中，将坝基沿坝轴线分为40个坝段，根据相邻两坝段的平均坝宽及平均开挖深度，以及相邻两坝段间的距离，三者相乘即得各坝段区间的开挖工程量，最后各坝段工程量相加即得总开挖量。在开挖过程中，土方开挖坡度定为1：1，石方开挖坡度定为1：0.5。开挖宽度为B=T+6（m），T为计算剖面底宽。开挖横断面图见6-1所示，坝基与岸坡开挖工程量计算见表6.1所示。图6-1堆石坝开挖横断面示意图表6.1堆石坝坝基与岸坡开挖工程量表剖面序号剖面开挖深度（m）剖面底宽（m）剖面平均开挖深度（m）剖面平均底宽（m）两剖面间距离（m）坝基开挖量（m3）边坡开挖量（m3）总开挖量（m3）10.0012.003.2713.4010.13443.20606.031049.2326.5314.806.2714.802.00185.59146.03331.6236.0114.806.5620.125.28696.36226.55922.9147.1025.445.7929.096.921165.34231.931397.2754.4832.734.4742.590.000.000.000.0064.4552.45第56页 5.3661.238.962940.37257.393197.7676.2770.006.8270.706.303035.47219.603255.0787.3671.406.4072.745.072358.42207.112565.5395.4374.085.7676.683.341473.82110.681584.50106.0879.275.6779.272.681203.4986.091289.58115.2579.276.2186.159.625142.18369.925512.10127.1693.027.10101.879.87087.77493.827581.59137.04110.716.60110.714.102995.81178.773174.58146.16110.716.25113.764.653306.00181.763487.76156.34116.807.23131.1528.0526597.42430.3527027.77168.12145.508.08145.285.256162.57342.816505.38178.04145.059.58152.0519.9129001.68826.6829828.361811.12159.0510.70159.056.2010546.45709.3611255.811910.27159.0510.71160.534.377509.73501.208010.932011.14162.0110.33162.018.3513974.25890.2414864.49219.52162.018.88164.619.9414521.04782.1215303.16228.23167.207.35167.2015.7019294.04847.5420141.58236.47167.207.28167.2014.4717601.02765.6018366.62248.08167.208.01162.427.9110284.36506.9310791.29257.93157.648.48157.644.616162.59331.156493.74269.03157.647.67149.2711.5913269.40681.6613951.06276.31140.905.32133.227.625400.32215.965616.28284.33125.535.04125.534.582894.76116.223010.98295.74125.535.46121.175.393562.55160.473723.02305.17116.805.70103.1315.669205.14561.229766.36316.2389.457.2989.454.532951.94240.603192.54328.3489.458.7183.399.556936.42724.727661.14339.0877.338.5173.674.532838.14327.443165.58347.9370.006.3556.478.963212.92430.033642.95354.7742.945.3542.943.53810.19100.93911.12365.9242.945.6531.4119.423445.85620.194066.04375.3819.876.0719.607.76922.23285.291207.52386.7519.327.3617.096.36799.20343.991143.19397.9614.853.9813.432.00106.86126.87233.73400.0012.00第56页 坝基及岸坡开挖量总计265230.15（2）溢洪道开挖工程量溢洪道开挖工程量分为进水渠、控制段及泄槽三部分，分别计算其开挖工程量。将进水渠分为5个断面计算其开挖工程量，计算过程见表6.2所示。表6.2进水渠开挖工程量表断面序号两断面间距离（m）断面开挖深度（m）平均开挖深度（m）断面宽度（m）断面平均宽度（m）开挖量（m3）109223052.56277877532076586092004306.56.75525514137.553066.25505112562.5开挖总计44675本工程堆石坝方案控制段宽度为40m，在CAD里测量可得控制段开挖横断面积平均为99.83m2，因此，控制段开挖工程量：Q挖=40×99.83=3993.2m3泄槽段开挖计算中，由于开挖较深，因此将边墙以上的开挖坡度取为1：1。将泄槽分为5段分别计算，计算过程见表6.3所示。表6.3泄槽开挖工程量表断面序号两断面间距离（m）断面开挖深度（m）平均开挖深度（m）断面开挖宽度（m）开挖量（m3）16.5851235.746.976.775113983.153507.227.095120593.394506.376.795119620.195506.076.225117780.04634.813.694.88519491.96开挖总计81468.73（3）隧洞开挖工程量本工程堆石坝方案施工导流采取全断面围堰，因此将开挖两条导流隧洞。隧洞直径为9m，经初步估算，隧洞I长度为600m，隧洞II长度为640m。因此隧洞开挖工程量为：Q挖=QI+QII=3.14×92/4×（600+640）=81388.8（m3）6.1.2坝体填筑工程量本工程堆石坝方案中，坝体主要由主堆石料、次堆石料、过渡料、垫层料、混凝土面第56页 板、干砌块石护坡、石渣回填料、粘土回填料及特大块石排水棱体等部分组成。在统计各部分材料工程量时，将坝体沿坝轴线方向按照5m等高线，分成24个区域。每个区域通过其对应高程的剖面，在CAD中量出各部分材料的工程量，然后在平面图中量出相邻两高程剖面间的间距，通过梯形公式可得出该区间各部分材料的工程量，最后24个区域相加即得各部分材料总工程量。各高程剖面示意图见图6-2所示（注：图中坝体中的线为每隔5m的剖面线）。图6-2堆石坝不同高程剖面图根据以上计算方法，得到坝体主堆石料、次堆石料；坝体过渡料、垫层料；混凝土面板、干砌块石护坡工程量计算分别见表6.4~6.6所示。表6.4坝体主堆石料及次堆石料填筑量表剖面序号剖面高程（m）剖面主堆石料填筑量（m2）剖面次堆石料填筑量（m2）两剖面间沿坝轴线距离（m）剖面区间主堆石料填筑量（m3）剖面区间次堆石料填筑量（m3）1左▽4700013.15293.110.002左▽46544.5807.58670.98110.673左▽460132.4629.2010.661940.12793.644左▽455231.54119.7012.463798.242211.035左▽450378.13235.208.393986.682562.736左▽445572.21375.706.664615.383082.557左▽440813.79549.9911.6211135.797555.798左▽4351102.87750.4923.9832564.6018618.319左▽4301613.11802.338.6616693.366948.1810左▽4252242.17802.338.6621867.416948.1811左▽4202808.04802.338.6624317.636948.1812左▽4172808.04802.3313右▽4172808.04802.339.3626283.257509.81第56页 14右▽4202808.04802.339.3623634.987509.8115右▽4252242.17802.339.3618042.717509.8116右▽4301613.11802.3347.0363866.2736514.5617右▽4351102.87750.4917.7817039.1111561.2718右▽440813.79549.9910.447234.924832.1019右▽445572.21375.7010.484979.783201.1220右▽450378.13235.206.111862.541084.2221右▽455231.54119.709.091654.38676.7522右▽460132.4629.2053.074697.76774.8223右▽46544.58018.89421.060.0024右▽47000堆石坝坝体填筑总量291600.07136953.50表6.5坝体过渡料及垫层料填筑量表剖面序号剖面高程（m）剖面过渡料填筑量（m2）剖面垫层料填筑量（m2）两剖面间沿坝轴线距离（m）剖面区间过渡料填筑量（m3）剖面区间垫层料填筑量（m3）1左▽47000　13.15131.50131.502左▽46520207.58227.40227.403左▽460404010.66533.00533.004左▽455606012.46872.20872.205左▽45080808.39755.10755.106左▽4451001006.66732.60732.607左▽44012012011.621510.601510.608左▽43514014023.983597.003597.009左▽4301601608.661472.201472.2010左▽4251801808.661645.401645.4011左▽4202002008.661755.511858.5712左▽417205.43229.23　13右▽417205.43229.239.361897.412008.8014右▽4202002009.361778.401778.4015右▽4251801809.361591.201591.2016右▽43016016047.037054.507054.5017右▽43514014017.782311.402311.40第56页 18右▽44012012010.441148.401148.4019右▽44510010010.48943.20943.2020右▽45080806.11427.70427.7021右▽45560609.09454.50454.5022右▽460404053.071592.101592.1023右▽465202018.89188.90188.9024右▽47000　过渡料、垫层料填筑总量32620.2232834.66表6.6混凝土面板、干砌块石护坡填筑量表剖面序号剖面高程（m）剖面混凝土面板浇筑量（m2）剖面干砌块石护坡填筑量（m2）两剖面间沿坝轴线距离（m）剖面区间混凝土面板浇筑量（m3）剖面区间干砌块石填筑量（m3）1左▽47001.6313.159.8651.092左▽4651.56.147.5817.0663.633左▽460310.6510.6639.98137.514左▽4554.515.1512.4665.42216.875左▽450619.668.3956.63183.876左▽4457.524.176.6654.95179.997左▽440929.8811.62113.30373.418左▽43510.534.3923.98269.78878.639左▽4301238.898.66110.42346.2710左▽42513.541.088.66123.41355.7511左▽4201541.088.66142.59355.7512左▽41717.9341.0813右▽41717.9341.089.36154.11384.5114右▽4201541.089.36133.38384.5115右▽42513.541.089.36119.34374.2616右▽4301238.8947.03529.091723.1817右▽43510.534.3917.78173.36571.3618右▽440929.8810.4486.13282.1419右▽4457.524.1710.4870.74229.6720右▽450619.666.1132.08106.3421右▽4554.515.159.0934.09117.26第56页 22右▽460310.6553.07119.41445.5223右▽4651.56.1418.8914.1773.3924右▽47001.63混凝土面板、干砌块石护坡填筑总量2469.257834.91本工程里，堆石坝中的石渣及粘土回填在▽435高程以下填筑，因此▽435高程以上均没有石渣及粘土。石渣及粘土回填工程量见表6.7所示。表6.7石渣、粘土回填工程量表剖面序号剖面高程（m）剖面石渣回填量（m2）剖面粘土回填量（m2）两剖面间沿坝轴线距离（m）剖面区间石渣回填量（m3）剖面区间粘土回填量（m3）1左▽4350023.98359.10209.352左▽43029.9517.468.66432.39248.593左▽42569.9139.958.66821.83465.004左▽420119.8967.448.661188.89660.415左▽417154.6885.086右▽417154.6885.089.361284.99713.797右▽420119.8967.449.36888.26502.598右▽42569.9139.959.36467.34268.689右▽43029.9517.4647.03704.27410.5717右▽43500石渣、粘土回填总量6147.093478.97特大块石排水棱体只是在▽427.80m以下才有，因此只是在河谷最深处的一些剖面有特大块石排水棱体。介于篇幅不再列表介绍计算过程，经计算特大块石排水棱体填筑工程量为2537.31m3。6.2重力坝方案工程量计算6.2.1土石方开挖工程量本工程重力坝方案最大坝高54.5m，属于中低坝。根据《重力坝设计规范》（SL228—98），其建基面高程与堆石坝方案一致，取在强风化层下部，将基础开挖线定在强风化线以下1~2m范围内，结合地形变化趋势开挖成折线形式。坝基开挖量计算方法与堆石坝方案中的计算一致，将坝基沿坝轴线分为32个坝段进行计算，坝基开挖结果见表6.8所示。第56页 图6-3重力坝开挖横断面示意图表6.8重力坝方案坝基开挖工程量表剖面序号剖面开挖深度（m）剖面底宽（m）剖面平均开挖深度（m）剖面平均底宽（m）两剖面间距离（m）坝基开挖量（m3）边坡开挖量（m3）总开挖量（m3）10.0010.003.8810.0013.76533.89660.661194.5527.7610.007.4910.002.33174.52111.85286.3737.2210.006.93511.009.99762.09480.441242.5346.6512.006.6912.817.58649.60339.05988.6556.7313.625.8313.6227.592190.77937.643128.4164.9313.624.73514.8613.48948.48302.241250.7274.5416.106.28519.1519.942399.31787.093186.4088.0322.197.13522.8812.792087.95650.552738.5096.2423.577.12526.7217.333299.29879.724179.01108.0129.877.44532.334.951191.27274.081465.35116.8834.787.92537.4833.589974.23207.1510181.38128.9740.189.09542.887.062753.35583.713337.06139.2245.5810.80548.9919.8810523.222321.0712844.291412.3952.4012.3952.404.442882.61682.073564.681512.3952.4013.7153.936.304658.101184.065842.161615.0355.4612.6355.4615.0010506.902392.7712899.671710.2355.469.35555.4615.808197.491382.369579.85第56页 188.4855.469.2855.4614.367390.641236.698627.331910.0855.4612.00555.4610.006657.971441.518099.482013.9355.4611.19552.156.813975.43853.014828.44218.4648.837.1444.6713.154194.11670.364864.47225.8240.516.1138.1113.183068.99492.153561.14236.4035.716.8931.5515.263317.21724.674041.88247.3827.398.20527.393.39761.85228.01989.86259.0327.399.4825.849.422307.55846.123153.67269.9324.298.62520.948.341505.91619.952125.86277.3217.587.22515.6712.701437.84662.872100.71287.1313.766.6412.8810.63909.11468.61377.71296.1512.006.13511.006.64448.10249.94698.04306.1210.006.9110.007.45514.80355.96870.76317.7010.003.8510.006.51250.64446.91697.55320.0010.00坝基开挖总计123946.466.2.2坝体混凝土浇筑工程量本工程重力坝方案中，坝体主要由混凝土组成，其工程量计算方法与堆石坝方案一致。将坝体沿坝轴线方向按照5m等高线，分成24个区域，每个区域通过其对应高程的剖面，在CAD中量出各部分材料的工程量，然后在平面图中量出相邻两高程剖面间的间距，通过梯形公式可得出该区间各部分材料的工程量，最后得到坝体混凝土总量见表6.9所示。各高程剖面示意图见图6-4所示（注：图中坝体中的线为每隔5m的剖面线）。图6-4重力坝不同高程剖面图第56页 表6.9重力坝坝体混凝土浇筑工程量表剖面序号剖面高程（m）剖面混凝土填筑量（m2）两剖面平均混凝土填筑量（m2）两剖面间沿坝轴线距离（m）剖面区间填筑量（m3）1左▽470184823.151111.202左▽465781087.58818.643左▽460138168.4510.661795.684左▽455198.9236.912.462951.775左▽450274.9322.98.392709.136左▽445370.9429.76.662861.807左▽440488.5559.7511.626504.308左▽435631714.7523.9817139.719左▽430798.5894.758.667748.5410左▽4259911099.758.669523.8411左▽4201208.51279.758.6611082.6412左▽417135113右▽41713511279.759.3611978.4614右▽4201208.51099.759.3610293.6615右▽425991894.759.368374.8616右▽430798.5714.7547.0333614.6917右▽435631559.7517.789952.3618右▽440488.5429.710.444486.0719右▽445370.9322.910.483383.9920右▽450274.9236.96.111447.4621右▽455198.9168.459.091531.2122右▽46013810853.075731.5623右▽465784828.891386.7224右▽47018坝体混凝土总量156428.27注：此表统计的混凝土工程量是按照非溢流坝段的剖面进行计算的，实际情况因非溢流坝段及厂房坝段有一定差别。第56页 第56页'