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5.11.1溢流坝段剖面图26
5.11.2溢流坝段稳定性分析27
（1）正常蓄水情况27
（2）设计洪水情况27
（3）校核洪水情况28
第6章消能防冲设计28
6.1洪水标准和相关参数的选定29
6.2反弧半径的确定29
6.3坎顶水深的确定30
6.4水舌抛距计算31
6.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度32
第7章泄水孔的设计33
7.1有压泄水孔的设计34
7.11孔径D的拟定34
7.12进水口体形设计34
7.13闸门与门槽35
7.14渐宽段35
7.15出水口35
7.15通气孔和平压管35
参考文献36
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计（论文）,是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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涉密论文按学校规定处理。
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日期:
毕业设计（论文）任务书
题目车家坝河水利枢纽
碾压重力坝设计
（任务起止日期2010年3月29日~2010年6月18日）
河海院水利水电专业03班
学生姓名谢龙学号06150311指导教师张建梅教研室主任许光祥院领导周华君
第一章非溢流坝设计
1.1坝基面高程的确定
由《混凝土重力坝设计规范》可知,坝高100~50米时,重力坝可建在微风化至弱风化中部基岩上,本工程坝高为50~100m,由于本坝址岩层分布主要为石英砂岩,故可确定坝基面高程为832.0m。
由水位?
库容曲线查的该库容为0.03×
108m3,故可知该工程等级为Ⅳ级。
1.2坝顶高程计算
1.2.1.1正常蓄水位时:
坝顶高程分别按设计和校核两种情况,用以下公式进行计算:
波浪要素按官厅公式计算。
公式如下:
库水位以上的超高:
式中--波浪高度,m
--波浪中心线超出静水位的高度,m
--安全超高,m
--计算风速。
水库为正常蓄水位和设计洪水位时,宜用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍;
校核洪水位时,宜用相应洪水期多年平均最大风速,m/s
D-风区长度;
m
L--波长;
M
H--坝前水深
1.2.1.2设计洪水位时:
根据水库总库容在之间可知,大坝工程安全级别为级
计算风速取相应洪水期多年平均最大风速的1.8倍,即47.7m/s
根据公式,可知波浪高度2.71m
根据公式,可知波长L23.19m
根据公式,可知波浪中心线超静水位高度0.994274m
可知库水位超高4.1m
可知坝顶高程890.00+4.1894.1m1.2.1.2校核洪水位时:
计算风速取相应洪水期多年平均最大风速,即26.5m/s
根据公式,可知波浪高度1.30m
根据公式,可知波长L7.0034m
根据公式,可知波浪中心线超静水位高度0.7577m
可知库水位超高2.355m
可知坝顶高程890.00+2.355892.355m
Vo26.5m/s
故按莆田试验站公式计算:
6.43×
10-3
故hm0.4603m1.1146
故Tm3.011s
综合
（1）、
（2）,可知最大坝顶高程取894.1m
1.3坝宽计算
为了适应运用和施工的需要,坝顶必须有一定的宽度。
一般地,坝顶宽度取最大坝高的8%~10%。
且不小于3m
所以坝顶宽度6m,并可算出坝底宽为78.5m
1.4坝面坡度
上游坝坡采用折线面,一般起坡点在坝高的2/3附近,建坝基面高程为832m,折坡点高程为873.4m,坡度为1:
0.2;
下游坡度为1:
0.8。
因为基本三角形的顶点与正常蓄水位齐平,故重力坝剖面的下游坡向上延伸应与正常蓄水位相交,具体尺寸见下图
图1.1重力坝剖面图
1.5坝基的防渗与排水设施拟定
由于防渗的需要,坝基须设置防渗帷幕和排水孔幕。
据基础廊道的布置要求,初步拟定防渗帷幕及排水孔廊道中心线在坝基面处距离坝踵5.5m。
第二章非溢流坝段荷载计算
2.1计算情况的选择
作用在坝基面的荷载有:
自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、浪压力、土压力,常取坝长进行计算。
2.2荷载计算
2.2.1自重
自重在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位完全一样计算步骤如下;
坝体自重的计算公式:
式中:
可知:
W10.56302.49.812118.96KN
W2662.12.49.818772.494KN
W30.566.557.32.49.8144856.62KN
WW1+W2+W355748.47KN
坝体自重55748.47KN
2.2.2静水压力及其推力
①静水压力与作用水头有关,所以在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位时静水压力各不相同,应分别计算;
②静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载,计算时常分解为水平压力和垂直压力两种。
的计算公式为:
式中:
?
?
计算点的作用水头,;
水的重度,常取;
（1）基本组合:
正常蓄水位情况:
F10.59.8158216500.42KNW10.558+2869.812538.72KN
设计洪水位情况:
F10.59.8158.09216551.67KN
F2-0.59.8121.72-2309.715KN
W10.558.09+28.0969.812536.277KN
W20.521.727.1259.812887.144KN
（2）特殊组合:
校核蓄水位情况:
F10.59.8160.33217852.77KN
F2-0.59.8117.52-1502.156KN
W10.560.33+30.3369.812668.124KN
W20.523.6229.5259.813420.651KN
2.2.3扬压力的计算
规范:
当坝基设有防渗帷幕和排水孔时,坝底面上游（坝踵）处的扬压力作用水头为,排水孔中心线处为（,下游（坝趾）处为,其间各段依次以直线连接,则:
A坝踵处的扬压力强度为,坝址处的扬压力强度为,帷幕灌浆和排水孔处的渗透压力为（,的取值如表2-1所示）。
B扬压力的大小等于扬压力分布图的面积。
图2.1扬压力计算图示
表2.1坝底面的渗透压力、扬压力强度系数
坝型及部位坝基处理情况
（A）设置防渗帷幕及排水孔（B）设置防渗帷幕及主、副排水孔并抽排
部位坝型渗透压力强度系数α主排水孔前的扬压力强度系数α1残余扬压力强度系数α2
河床坝段实体重力坝0.250.20.5
宽缝重力坝0.20.150.5
大头支墩坝0.20.150.5
空腹重力坝0.25--
岸坡实体重力坝0.35--
宽缝重力坝0.3--
则:
帷幕灌浆处的,排水孔处的。
（1）正常蓄水情况下:
H1890.0-832.058.0
H20
U1γH20
U2-11.50.39.8158-1962.981KN
U3-0.5670.39.8158-5718.249KN
U40
Ucc-（0+1962.981+5718.249+0）-7681.23KN
设计洪水情况:
H1890.9-832.058.09
H221.7
U1γH2-212.877KN
U2-11.50.39.8158.09-1966.027KN
U3-0.5670.39.8158.09-5727.122KN
U4-0.511.536.39-209.2425KN
Ucc-（212.877+1966.027+5727.122+209.2425）-8115.269KN
（3）校核洪水位情况:
H160.33
H217.5
U1γH2-171.675KN
U211.50.39.8160.33-2041.839KN
U3-0.5670.39.8160.33-5947.965KN
U4-0.511.542.83-246.2725KN
Ucc-（171.675+2041.839+5947.965+246.2725）-8407.751KN
2.2.4淤沙压力及其推力
图2.3淤沙压力计算图示
（1）水平泥沙压力为:
水平方向:
（2）竖直方向:
Psv7.360.517.8+4480.224KN
2.2.5波浪压力
波浪压力计算公式:
（1）基本组合（设计和正常情况）:
Hz0.7577m;
Lm7.0m;
h1%1.30m
（2）特殊组合（校核）:
Hz0.05402m;
Lm2.488m;
h1%0.207m;
2.2.6土压力
（1）正常蓄水情况:
（2）设计及校核洪水位情况:
第三章坝体抗滑稳定性分析
3.1总则
A、按抗剪断强度的计算公式进行计算,按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数值应不小于表3-1规范规定;
B、它认为坝体混凝土与坝基基岩接触良好,属于交界面;
C、基础数据:
;
A178.578.5m2。
此时其抗滑稳定安全系数的计算公式为:
表3.1坝基面抗滑稳定安全系数K′
荷载组合K′
基本组合3
特殊组合12.5
22.3
表3.2全部荷载计算结果
荷载水平力垂直力
正常工况设计工况校核工况正常工况设计工况校核工况
自重144598.97144598.97144598.97
水压力67144.5460426.660333.519025.2014775.915784.29
扬压力-25586.66-57222.22-59984.09
波浪力4.874.871.59
淤沙力3614.423614.423614.42964.13964.13964.13
土压力-805.0748.6448.646688.24511.194511.19
总计69958.7664094.5363998.16135689.80107585.0105874.49
3.2抗滑稳定计算
（1）正常蓄水情况
∑W51617.23KN
∑P16889.85KN
K′3.056113.0
（2）设计洪水情况
∑W54067.9KN
∑P14953.2KN
K′3.6158092.5
（3）校核洪水情况
∑W54440.77KN
∑P17061.85KN
K′3.1907892.3
3.3抗剪断强度计算
3.0
2.5
2.3
故非溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。
第四章应力分析
4.1总则
4.1.1大坝垂直应力分析
根据SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》,按下列公式进行应力计算:
图4.1应力计算图示
1上游面垂直正应力:
2下游面垂直正应力:
4.1.2大坝垂直应力满足要求
由《混凝土重力坝设计规范》SL319?
2005可知:
重力坝坝基面:
运用期:
要求上游面垂直正应力不小于0,下游面垂直正应力应小于坝基容许压应力4.0Mpa4000Kpa。
施工期:
坝趾垂直应力可允许由小于0.1Mpa（100Kpa）的拉应力;
重力坝坝体截面:
坝体上游面不出现拉应力（计扬压力）,下游面垂直正应力应不大于混凝土压应力值,采用C15混凝土,故混凝土压应力值为15/43.75Mpa3750Kpa。
施工期:
坝体任何截面上的主压应力应不大于混凝土的允许压应力,下游面可允许有不大于0.2Mpa（200Kpa）的主拉应力。
4.2计算截面为建基面的情况
4.2.1荷载计算
（1）自重力矩
自重如下图所示:
图4.2自重力矩计算图示
W12118.96KN;
W28772.494KN;
W344856.62KN
自重力矩计算如下:
M12118.9628.3159987.76KNm
M28772.49424.2212294.4KNm
M344856.622.0391058.94KNm
MM1+M2+M3363341.1KNm
4.2.2运用期（计入扬压力的情况）
T109.45
4.2.3运用期（不计入扬压力的情况）
T109.45
4.2.4施工期
第五章溢流坝段设计
5.1泄流方式选择
为了使水库具有较大的超泄能力,采用开敞式孔口,WES实用堰。
5.2洪水标准的确定
洪水标准的确定:
本次设计的重力坝是Ⅲ级建筑物,根据GB50201?
94表6.2.1,采用50年一遇的洪水标准设计,500年一遇的洪水标准校核。
5.3流量的确定
流量的确定:
根据基础资料可知,设计情况下,溢流坝的下泄流量为115.75m3/s;
在校核情况下溢流坝的下泄流量为176m3/s。
5.4单宽流量的选择
坝址处基础节理裂隙发育,岩石软弱,综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求,单宽流量取20m3/（s.m）。
5.5孔口净宽的拟定
孔口净宽拟定,分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度,计算成果如下表:
表5.1孔口净宽
计算情况流量m3/s单宽流量q〔m3/s.m〕孔口净宽B（m）
设计情况115.75205.79
校核情况176208.8
根据以上计算,溢流坝孔口净宽取B16m,假设每孔宽度为b8m,则孔数n为2。
5.6溢流坝段总长度的确定
溢流坝段总长度（溢流孔口的总宽度）的确定:
根据工程经验,拟定闸墩的厚度。
初拟中墩厚d为2.5m,边墩厚t为3m,则溢流坝段的总长度B0为:
B0n×
b+n-1×
d+2×
t2×
8+（2-1）×
2.5+2×
324.5m
5.7堰顶高程的确定
初拟侧收缩系数,流量系数m0.463,因为过堰水流为自由出流,故
由堰流公式计算堰上水头Hw,计算水位分别减去其相应的堰上水头即为堰顶高程。
计算公式如下:
计算成果见表:
表5.2堰顶高程
计算情况流量（m3/s）侧收缩系数流量系数孔口净宽（m）堰上水头（m）堰顶高程（m）
设计情况115.750.920.463167.57883.52
校核情况1760.920.463169.86882.47
根据以上计算,取堰顶高程为882.47m。
5.8闸门高度的确定
门高正常高水位-堰顶高程+安全超高
890.00-882.47+0.27.7（m）
则按规范取门高7.8m。
5.9定型水头的确定
堰上最大水头H校核洪水位-堰顶高程892.33-882.479.86（m）;
定型设计水头Hd（75%~95%）H7.4~9.4（m）;
取Hd8.4,Hd/H8.4/9.860.85,查表知坝面最大负压为:
0.3Hd2.8（m）,小于规范的允许值（最大不超过3~6m水柱）
5.10泄流能力的校核
先由水力学公式计算侧收缩系数ε,然后计算不同水头作用下的流量系数m,根据已知条件,运用堰流公式校核溢流堰的泄流能力。
计算成果汇总如下表:
表5.3泄流能力校核
计算情况mBmHmQm3/sQ`m3/s
设计情况0.4630.92167.57142141.950.0352%
校核情况0.4630.92169.86211208.331.2654%
满足的要求,则符合规范设计的孔口要求。
5.11.1溢流坝段剖面图
图5.1溢流坝横剖面图
5.11.2溢流坝段稳定性分析
（1）正常蓄水情况
（2）设计洪水情况
（3）校核洪水情况
故溢流坝段抗滑稳定满足设计规范要求。
第六章消能防冲设计
通过溢流坝顶下泄的水流,具有很大的能量,必须采取有效地消能措施,保护下游河床免受冲刷。
消能设计的原则是:
消能效果好,结构可靠,防止空蚀和磨损,以保证坝体和有关建筑物的安全。
设计时应根据坝址地形,地质条件,枢纽布置,坝高,下泄流量等综合考虑。
6.1洪水标准和相关参数的选定
本次设计的重力坝是3级水工建筑物,根据SL252?
2000表3.2.4,消能防冲设计采用按50年洪水重现期标准设计。
根据地形地质条件,选用挑流消能。
根据已建工程经验,挑射20°
。
6.2反弧半径的确定
反弧半径R为:
对于挑流消能,可按下式求得反弧段的半径
堰面流速系数,取0.95;
H?
设计洪水位至坎顶高差,H891.09-851.040.09m取坎顶高程为851.0m
故算出V26.65m/s
Q?
校核洪水时溢流坝下泄流量,211m3/s;
B?
鼻坎处水面宽度,m,此处B单孔净宽+2×
边墩厚度;
B8+2×
314m
h15.65585m
R（4~10）h
R22.62~56.56（m）
取R32（m）
6.3坎顶水深的确定
坎顶水深计算公式为:
坎顶水流流速v按下式计算:
50年一遇洪水时溢流坝下泄流量,105m3/s;
故坎顶平均水深:
6.4水舌抛距计算
根据SL253-2000《溢洪道设计规范》,计算水舌抛距和最大冲坑水垫厚度。
计算公式:
水舌抛距计算公式:
L:
水舌抛距
:
鼻坎的挑角
坎顶至河床面的高差
堰面流量系数,取0.95;
将这些数据代入水舌抛距的公式得:
6.5最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度
最大冲坑水垫厚度公式:
水垫厚度,自水面算至坑底。
单宽流量,由前面的计算可得单宽流量为20;
上下游水位差,根据资料可得水位差为40.5m;
冲刷系数,（这里根据地质情况取1.5）;
将数据代入公式得:
所以最大冲坑水垫厚度为14.35m。
最大冲坑厚度估算:
图6.1冲坑厚度图示
为了保证大坝的安全,挑距应有足够的的长度。
一般当时,认为是安全的。
计算结果为n3.817,所以满足规范。
故,其消能防冲设计符合规范设计要求。
第七章泄水孔的设计
7.1有压泄水孔的设计
坝体在内水压力的作用下可能会出现拉应力,因此孔壁需要钢板衬砌。
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