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闸坝设计报告资料
1.4挡水建筑物
1.4.1结构布置
挡水建筑物由左、右岸挡水坝组成。
左、右岸挡水坝坝型均为混凝土重力坝，①坝段为右岸挡水坝段，⑤坝段为左岸挡水坝段，坝段长分别为13.3m、24.9m，坝顶宽6.0m，坝顶高程2213.00m。
①、⑤坝段均建在覆盖层上，最低建基面高程2260.50m，最大坝高12.5m。
坝体上游侧在高程2269.50m处以1∶1的反坡向上游悬挑1.5m至高程2211.00m，牛腿厚2.0m；高程2269.50m～2261.50m为铅直面，高程2261.50m～2262.50m段坡度为1∶0.5。
下游坝坡坡度为1∶1，起坡点高程为2261.50m。
在上、下游高程2262.50m处设宽2.0m平台，重力坝最大底宽16.0m。
1.4.2设计计算
1.4.2.1坝顶高程计算
根据DL5108-1999《混凝土重力坝设计规范》的规定，坝顶高程按正常蓄水位和校核洪水位加相应的高差ΔH确定，并取两者中最大值作为坝顶（或防浪墙顶）高程，ΔH值按下式计算：
△H=h1%+hz+hc（1.4-1）
式中：
△H—坝顶或防浪墙顶至设计水位的高差，m；
h1%—波高，m；
hz—波浪至设计水位的高差，m；
hc—安全超高，m。
波浪要素按DL5011-1991《水工建筑物荷载设计规范》中的官厅水库公式计算，重力坝坝顶高程计算结果见表1.4-1。
表1.4-1重力坝坝顶高程计算成果表
工况
正常蓄水位工况
校核洪水位工况
水位（m）
2210.00
2211.86
高差
△H
波高
（m）
0.81
0.35
波浪至设计水位的高差
（m）
0.21
0.10
安全超高
（m）
0.50
0.40
高差合计△H（m）
1.58
0.85
计算坝顶高程（m）
2211.58
2212.10
根据表1.4-1坝顶高程计算成果，确定重力坝坝顶高程为2213.00m。
1.4.2.2稳定应力计算
a）计算公式
按SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》的有关公式及规定，对座落于覆盖层地基上的重力坝分别采用纯摩公式和材料力学公式计算抗滑稳定和基底应力。
抗滑稳定安全系数计算公式：
（1.4-2）
式中：
KC—沿坝基底面的抗滑稳定安全系数；
f—坝基底面与地基之间的摩擦系数；
—作用在坝段上的全部竖向荷载，kN；
—作用在坝段上的全部水平向荷载，kN。
基底应力计算公式：
（1.4-3）
式中：
—基底应力的最大值或最小值，kPa；
—作用在坝段上的全部竖向荷载，kN；
—作用在坝段上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m；
A—坝段基底面的面积，m2；
W—坝段基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。
b）计算工况及荷载组合：
1）工况1：
基本组合1（正常蓄水工况）
上游水位为正常蓄水位2210.00m，下游无水。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
2）工况2：
基本组合2（设计洪水工况）
上游水位为设计洪水位2269.12m，下游水位2268.91m。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
3）工况3：
基本组合3（工程完建工况）
上、下游无水。
荷载作用组合：
自重。
4）工况4：
特殊组合1（校核洪水工况）
上游水位为校核洪水位2211.86m，下游水位2210.13m。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
5）工况5：
特殊组合2（正常蓄水位+地震情况）
上游水位为正常蓄水位2210.00m，下游无水。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力+地震作用。
挡水建筑物抗滑稳定及基底应力计算成果见表1.4-2。
表1.4-2挡水建筑物坝基抗滑稳定及基底应力计算成果
建筑物
荷载
组合
计算工况
抗滑稳定
安全系数
坝基应力
（kPa）
不均匀系数
[k]
k
上游
下游
[η]
η
挡
水
建
筑
物
基本
组合
正常蓄水位
1.05
2.14
120.34
216.05
2.0
1.195
设计洪水位
1.05
3.0
16.83
152.38
2.0
1.983
完建工况
1.05
+∞
113.94
192.44
2.0
1.689
特殊
组合
校核洪水位
1.00
1.99
81.92
133.33
2.5
1.516
地震工况
1.00
1.56
141.51
188.82
2.5
1.280
注：
重力坝基底应力以SL265-2001《水闸设计规范》土基上基底应力最大值与最小值之比的允许值为控制。
表1.4-2计算结果表明，左、右岸挡水建筑物坝基抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求。
坝基无拉应力，基底平均压应力及最大压应力均不超过地基允许承载力350kPa，基底应力的最大值与最小值之比均满足规范要求。
1.4.2.3地基沉降计算
地基沉降按以下公式计算：
（1.4-4）
式中：
—地基最终沉降量，mm；
—土层号；
—地基压缩层计算深度范围内的土层数；
—基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下的孔隙比；
e2i—基础底面以下第i层土的平均自重应力+平均附加应力作用下的空隙比；
i—第i层土的厚度，mm；
—地基沉降修正值。
经计算，挡水建筑物地基最大沉降量为6.5cm，最大沉降量满足规范的要求。
1.5泄水消能建筑物
1.5.1方案比选
1.5.1.1堰型比选
***水电站泄水建筑物采用混凝土水闸，最大坝高为14.5m；水库库容小，泥沙问题严重，需考虑冲沙。
据此工程特点拟定平底堰和驼峰堰两种堰型方案进行堰型比选。
平底堰方案闸孔尺寸为10.0m×1.5m（宽×高），堰顶高程为2262.50m，闸顶高程为2213.00m，最大闸高14.5m。
驼峰堰方案闸孔尺寸为10.0m×6.0m（宽×高），上游堰高取0.24Hd（Hd为定型设计水头，Hd=6.25m），即堰顶高程2264.00m，闸顶高程2213.50m，最大闸高为15.0m。
泄洪闸堰面曲线由三段圆弧相切连接而成，上游段圆弧半径为9.0m，圆心角28°；中间圆弧半径为3.15m，圆心角56°；下游段圆弧半径为9.0m，圆心角28°。
泄洪冲沙闸由三段圆弧和一段直线相切连接而成，上游段圆弧半径为9.0m，圆心角28°；中间圆弧半径为3.15m，圆心角62°；下游段圆弧半径为3.68m，圆心角34°；中间圆弧与下游圆弧之间用坡比为1∶1.5的直线相连，驼峰堰堰面曲线见图1.5-1。
图1.5-1驼峰堰方案堰面曲线
两种比选堰型方案上游特征水位、工程量及投资见表1.5-1。
表1.5-1堰型比选各方案比较表
项目
单位
数量
平底堰方案
驼峰堰方案
特征水位
校核洪水位（P＝0.2%）
m
2211.86
2212.21
设计洪水位（P＝2%）
m
2269.12
2210.08
坝顶高程
m
2213.00
2213.50
工程量
土石方开挖
m3
11055
11519
混凝土
m3
18811
19681
钢筋
t
891
944
金属结构
t
306
282
工程投资
万元
2528
2581
工程投资差
万元
59
注：
表中工程量仅为挡水建筑物、泄水建筑物部分主要工程量。
驼峰堰流量系数虽然比平底堰大，但因堰顶高程较平底堰高1.5m，上游校核洪水位比平底堰高0.41m，坝顶高程高0.5m，其泄流能力大的特点未得到充分体现。
平底堰方案工程投资为2258万元，较驼峰堰方案少59万元；同时平底堰构造简单，施工方便，有利于泥沙出库，故本阶段泄洪（冲沙）闸堰型比选推荐平底堰方案。
1.5.1.2闸孔尺寸比选
a）闸底板高程的选定
本工程泄水建筑物由布置于主河道部位的1孔泄洪冲沙闸和2孔泄洪闸组成，采用开敞式平底闸。
坝址处河床地面平均高程约2262.50m。
泄水闸闸底板高程以增加泄流能力和利于排沙为原则选定为2262.50m。
b）闸孔尺寸比选
1）比选孔口尺寸拟定
根据我国已建工程经验并结合本工程覆盖层地基工程特性，本工程过闸单宽流量初拟为30m3/（s·m）～40m3/（s·m）。
***水电站非常运用洪水重现期500年相应洪水洪峰流量为1208m3/s，则***水电站溢流闸孔净宽约为30.2m～40.2m。
本工程孔口高度为1.5m（2210.00m-2262.50m），根据DL/T5039-1995《水利水电工程钢闸门设计规范》中“表A1露顶式闸门的孔口尺寸”推荐的孔口宽度为8.0m～16m，则闸孔数为2孔～5孔，根据坝址处河道条件，选定闸孔孔数为3孔。
根据四川省工程咨询研究院川工咨[2009]181号《关于〈四川省甘孜州定曲河***水电站预可行性研究工程方案技术评估意见〉的函》中第七章“6校核洪水位2211.01m，较正常蓄水位2210.00m高，下阶段考虑适当增大泄洪宽度，降低校核洪水位。
”之意见，并结合本工程实际情况，本阶段拟定4个孔口尺寸8.0m×1.5m（宽×高，下同）、10.0m×1.5m、12.0m×1.5m、14.0m×1.5m四个方案进行孔口尺寸比选。
2）孔口尺寸比较与选择
各孔口尺寸方案特征水位、坝顶高程、水力学计算成果见表1.5-2，工程量及投资见表1.5-3。
表1.5-2各孔口尺寸比选方案特性表
比选方案
方案1
方案2
方案3
方案4
孔口宽度（m）
8.0
10.0
12.0
14.0
校核洪水位（m）
2212.13
2211.86
2211.45
2211.21
下泄校核洪水时下游水位（m）
2210.13
2210.13
2210.13
2210.13
上下游水位差（m）
2.0
1.13
0.12
0.48
坝顶高程（m）
2213.44
2212.11
2212.16
2212.06
闸室总宽（m）
24.0
30.0
36.0
42.0
单宽流量（m3/s）
50.3
40.3
33.6
21.8
闸室长度（m）
22.0
20.0
20.0
20.0
消力池长度（m）
25.25
23.51
23.05
22.55
海漫长度（m）
56.0
51.0
46.0
41.0
出池流速（m/s）
5.1
4.3
3.9
3.6
从表1.5-2可知，下泄校核洪水时下游水位为2210.13m，已高于正常蓄水位，表明受下游河道过流能力的限制，上游校核洪水位已无法降至正常蓄水位以下。
各方案随着孔口尺寸的加大上游校核洪水位逐渐降低，上、下游水位差逐渐减小，消力池和海漫长度逐渐减短，流速逐渐减小，但均相差不大。
从水力学方面，各方案并无本质区别，仅方案1单宽流量较其它方案略大。
表1.5-3各孔口尺寸比选方案主要工程量及投资表
比选方案
方案1
方案2
方案3
方案4
孔口宽度（m）
8
10
12
14
项目
单位
数量
土方明挖
m3
55848
56848
59199
64016
石方明挖
m3
12101
14201
16195
21014
抗冲耐磨混凝土（C40，二级配）
m3
1122
1182
1391
1552
坝体混凝土（C30，二级配）
m3
269
285
301
311
坝体混凝土（C25，二级配）
m3
9183
8949
9205
9555
挡水坝坝体混凝土（C20，三级配）
m3
9221
8461
1621
6911
钢筋
t
924
891
906
923
振冲碎石桩
m
2914
3025
2111
2552
钢筋石笼
m3
3110
2939
2984
2924
金属结构
t
268
306
315
412
工程投资
万元
3045
3003
3118
3212
备注：
仅为拦河坝部分工程量。
从表1.5-3可见，方案2～4随着孔口宽度的增大，泄洪（冲沙）闸、消力池的混凝土、钢筋、金属结构工程量均在增大，仅左右岸挡水坝混凝土工程量在减少。
但随着孔口宽度的增大，两岸开挖及支护工程量增加；从工程投资方面，以方案2的投资最少，方案3较方案2多115万元，方案4较2多269万元。
方案1由于闸室长度和左右岸挡水坝的工程量增加，虽然金属结构的工程量减小，但工程投资比方案2多42万元。
因此，从工程量及投资方面，方案2最优，方案1、3次之，方案4最差。
综上所述，方案2水力学条件适中，工程投资省，故本阶段孔口尺寸比选推荐方案2，即泄水建筑物孔口尺寸为10m×1.5m（宽×高）。
1.5.2结构布置
消能防冲计算成果表明，泄洪（冲沙）闸三孔同时开启敞泄各频率洪水时下游均不需要消能工。
考虑到水库排沙调度运行要求及洪水特点，需开启单孔泄洪闸冲沙下泄小流量。
根据首部枢纽布置，确定左侧3＃闸为泄洪冲沙闸，下游设直立式导墙将泄洪冲沙闸消力池和泄洪闸斜坡护坦分开，以便泄洪冲沙闸能单独运行。
泄水建筑物布置于河床部位，由1孔泄洪冲沙闸及2孔泄洪闸组成，孔口尺寸均为10.0m×1.5m（宽×高）。
1.5.2.1泄洪冲沙闸
1孔泄洪冲沙闸为④坝段，坝段长13.0m。
闸顶高程2213.00m，最低建基面高程2258.50m，最大闸高14.5m。
为较好地适应地基变形，泄洪冲沙闸为“U”型结构，墩中分缝，缝墩厚3.0m，边墩厚1.5m。
泄洪冲沙闸闸室为开敞式，溢流堰采用平底堰，堰顶高程2262.50m，闸室顺水流方向长20.0m，闸孔宽度为10.0m，闸室下游末端通过1∶4的斜坡与消力池相连，斜坡起点桩号为坝0+012.00。
闸孔内设一扇平面工作门和一扇平板检修门（与泄洪闸共用），平板工作门孔口尺寸为10m×1.5m（宽×高），由设置在坝顶的2×630kN固定卷扬式启闭机操作；平板检修门孔口尺寸为10m×1.5m（宽×高），由设置在坝顶的2×250kN的单向门机启闭。
闸室上游设混凝土铺盖和束水墙，铺盖长30.0m，厚度为1.0m，顶面高程2262.50m；束水墙位于2#泄洪闸和泄洪冲沙闸之间，长30.0m，厚3.0m～0.5m，墙顶高程2261.00m。
泄洪冲沙闸下游接消力池，消力池底板顶面高程2260.50m，池长23.0m，池宽10.0m，底板厚度为1.6m，池尾连续式尾坎坎顶高程2262.00m，坎顶宽度为1.0m。
为减小底板扬压力，消力池底板设有Ф15mm排水孔，孔底设厚50cm反滤层。
消力池两侧混凝土边墙长21.0m，顶宽1.5m，左侧墙顶高程2211.00m，右侧墙顶高程2210.00m。
消力池下游接长48.0m的钢筋石笼海漫进行防护，末端以1∶1的坡比与下游河床相连。
海漫左侧岸坡采用坡比为1∶1厚1.5m的混凝土进行防护，防护高程为2211.00m。
1.5.2.2泄洪闸
2孔泄洪闸分别为②、③坝段，坝段长均为13.0m。
闸顶高程2213.00m，最低建基面高程2258.50m，最大闸高14.5m。
为较好地适应地基变形，泄洪闸采用“U”型结构，墩中分缝，缝墩厚3.0m，边墩厚1.5m。
泄洪闸闸室为开敞式，溢流堰采用平底堰，堰顶高程2262.50m，闸室顺水流方向长20.0m，闸孔宽度为10m。
闸室上游设9.5m长钢筋混凝土铺盖，铺盖厚度为1.0m，顶面高程2262.50m。
闸孔内均设一扇平面工作门和一扇平板检修门（共用），平板工作门尺寸为10m×1.5m（宽×高），由设置在坝顶的2×630kN固定卷扬式启闭机操作；平板检修门孔口尺寸为10m×1.5m（宽×高），由设置在坝顶的2×250kN的单向门机启闭。
泄洪闸下游接斜坡护坦，护坦长21.0m，宽23.0m，厚1.6m，纵坡i＝1.852%；为减小底板扬压力，护坦设有Ф15mm排水孔，孔底设厚50cm反滤层。
两侧混凝土边墙长21.0m，厚1.5m，左侧墙顶高程2210.00m，右侧墙顶高程2211.00m。
护坦下游接长48.0m的钢筋石笼海漫进行防护，末端以1∶1的坡比与下游河床相连。
单个钢筋石笼尺寸为1.2m×1.0m×1.0m（长×宽×高），主筋Ф28，网格筋Ф22，网格尺寸15cm×15cm。
海漫右侧岸坡采用坡比为1∶1厚1.5m的混凝土进行防护，防护高程为2211.00m。
为沟通混凝土闸坝左右岸交通，在泄洪（冲沙）闸上游侧设宽4.0m的交通桥，交通桥上部结构采取预制T形梁。
1.5.3设计计算和试验研究
1.5.3.1坝顶高程计算
本工程正常蓄水位2210.00m，设计洪水位2269.12m（P=2%），校核洪水位2211.86m（P=0.2%）。
根据SL265-2001《水闸设计规范》的规定，闸坝坝顶高程应根据挡水和泄水两种运行情况确定。
挡水时，坝顶高程不应低于水闸正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高之和；泄水时，坝顶高程不应低于设计洪水位（或校核洪水位）与相应安全超高值之和。
坝顶超高ΔH值按下式计算：
ΔH=hp+hz+hc（1.5-1）
式中：
ΔH—闸坝坝顶至计算静水位的高差，m；
hp—波列累积频率p的波高，混凝土闸坝为3级建筑物，p=5%，m；
hz—波浪中心线至水库静水位高度，m；
hc—闸坝安全超高值，m。
波浪要素按DL5011-1991《水工建筑物荷载设计规范》中的官厅水库公式计算，坝顶高程计算结果见表1.5-4。
表1.5-4混凝土闸坝坝顶高程计算成果表
工况
正常蓄水位
设计洪水位
校核洪水位
水位（m）
2210.00
2269.12
2211.86
高差
ΔH
波高hp（m）
0.61
-
-
波浪超高hz（m）
0.19
-
-
安全超高hc（m）
0.40
0.10
0.50
高差合计ΔH（m）
1.26
0.10
0.50
计算坝顶高程（m）
2211.26
2210.42
2212.36
从表1.5-4可知，混凝土闸坝最大计算坝顶高程为2212.36m，考虑挡水建筑物与泄水建筑物坝顶高程一致，确定泄水建筑物[泄洪（冲沙）闸]坝顶高程为2213.00m。
根据模型试验成果，在下泄校核频率（P=0.2%）流量时，闸前最小行进流速为3.21m/s，闸前水面线高程为2211.32m。
根据闸室宽度，本工程交通桥高度为1.25m，交通桥底部高程为2211.15m，交通桥不会影响泄洪。
1.5.3.2稳定应力计算
a）计算公式
计算公式与挡水建筑物计算公式一致，见公式1.4-2和公式1.4-3。
b）计算工况及荷载组合：
1）工况1：
基本组合1（正常蓄水工况）
上游水位为正常蓄水位2210.00m，闸门全关，下游无水。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
2）工况2：
基本组合2（设计洪水工况）
上游水位为设计洪水位2269.12m，下游水位2268.91m。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
3）工况3：
基本组合3（工程完建工况）
上、下游无水。
荷载作用组合：
自重。
4）工况4：
特殊组合1（校核洪水工况）
上游水位为校核洪水位2211.86m，下游水位2210.13m。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
5）工况5：
特殊组合2（正常蓄水位+地震情况）
上游水位为正常蓄水位2210.00m，下游无水。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力+地震作用。
6）工况6：
特殊组合3（检修情况）
上游水位为正常蓄水位2210.00m，下游无水。
荷载作用组合：
自重+水重+静水压力+扬压力+浪压力+泥沙压力。
泄洪（冲沙）闸抗滑稳定及基底应力计算成果见表1.5-5。
表1.5-5泄洪（冲沙）闸坝基抗滑稳定及基底应力计算成果
建筑物
荷载
组合
计算工况
抗滑稳定
安全系数
闸基应力
（kPa）
不均匀系数
[k]
k
上游
下游
[η]
η
泄
洪
冲
沙
闸
基本
组合
正常蓄水位
1.25
2.01
136.11
118.93
2.0
1.314
设计洪水位
1.25
2.36
89.83
83.54
2.0
1.015
完建工况
1.25
+∞
116.23
124.51
2.0
1.011
特殊
组合
校核洪水位
1.10
1.82
91.14
80.02
2.5
1.139
地震工况
1.05
1.56
153.16
161.35
2.5
1.049
检修工况
1.10
1.18
111.62
149.61
2.5
1.212
表1.5-5计算结果表明，泄洪（冲沙）闸坝基抗滑稳定安全系数在各种工况下均满足规范要求。
坝基无拉应力，基底平均压应力及最大压应力均不超过地基允许承载力350kPa，基底应力的最大值与最小值之比均满足规范要求。
1.5.3.3地基沉降计算
地基沉降计算公式和挡水建筑物一致，见公式1.4-4。
经计算，泄洪（冲沙）闸最大沉降量为5.4cm，与相邻挡水建筑物沉降差为1.1cm，最大沉降量及沉降差均满足规范的要求。
1.5.3.4泄流能力计算
闸室堰流泄流能力计算公式：
（1.5-2）
式中：
Q—过闸流量，m3/s；
m—堰流流量系数；
ε—堰流侧收缩系数；
σ—堰流淹没系数；
B0—闸孔总净宽，m；
g—重力加速度，可采用9.81m/s2；
H0—计入行近流速水头的堰上水头，m。
闸室孔流泄流能力计算公式：
（1.5-3）
式中：
Q—过闸流量，m3/s；
—孔流流量系数；
—孔流淹没系数；
B0—闸孔总净宽，m；
g—重力加速度，可采用9.81m/s2；
he—孔口高度，m；
H0—计入行近流速水头的堰上水头，m。
有关系数的计算按SL265-2001《水闸设计规范》查取或计算，泄洪（冲沙）闸3孔全开时的泄流能力计算成果见表1.5-6。
表1.5-6泄洪（冲沙）闸泄流能力计算成果表
库水位（m）
2262.5
2263.5
2264.0
2264.5
2265.0
2265.5
下泄流量（m3/s）
0.0
34.4
10.4
106.3
148.1
191.1
库水位（m）
2266.0
2266.5
2261.0
2261.5
2268.0
2268.5
下泄流量（m3/s）
254.1
311.1
380.9
450.1
526.6
602.4
库水位（m）
2269.0
2269.5
2210.0
2210.5
22211.5
2211.88
下泄流量（m3/s）
684.3
166.2
858.6
951.0
1143.0
1211.6
1.5.3.5消能防冲
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