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鲫江分水岭重力坝

鲫江分水岭重力坝设计

农业水利工程赵炳程

指导老师田奥

【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。

仁寿县鲫江重力坝枢纽工程兼有、防洪、航运、灌溉等任务。

鲫江沿岸地质条件适中，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

TheDesignofGravityDamforwaterdivideaboutJijiang

AgriculturalHydraulicengineering　　ZhaoBingcheng

DirectedbyTianAo

【Abstract】:

Almost5,000yearsofhumanhistoryofthedam,damisoneoftheearliestdams.Ithasasimplestructure,reliableoperation,easymechanicalconstruction,longservicelife,lowmaintenancecosts,arestillwidelyused.RenshoucountryRiverDamprojectandofCarassiusauratusgibelio,floodcontrol,navigation,irrigation,andothertasks.CruciancarpRiverGeologicconditionsalongthecoastismoderate,sosolidgravitydamconstructionbetter.

【Keywords】:

DesigningofGravityDamTheOverflowingForbiddenDam

TheOverflowingdam

1基本资料

1.1气象资料

本坝址位于四川仁寿县境内的鲫江上，流域地处龙泉山以西、岷江以东地带。

流域最高处位于灯塔乡与文公乡的界山顶,系岷江水系鲫江与沱江水系球溪河的支流龙溪河的分水岭,海拔904m。

流域最低处为鲫江河口,海拔395m,流域相对高差504m。

流域属亚热带湿润气候,四季分明,气候温和,夏无酷暑,冬无严寒。

多年平均降水量1009mm,降水量在年内分配不均,主要集中在7、8两月,7月平均降水量244mm,8月平均降水量234mm,最多月降水量达507.16mm,流域内多年平均气温17.13℃，最高气温43℃，最低气温－4℃,霜期在11～2月间，约100天，每次霜期约为3～4天。

流域内雨量充沛，多年均雨日121天，多年平均降雨量1036.3mm，雨量年内分布不均，7～8月雨量占全年总雨量的50%左右。

流域内多年平均最大风速为20m/s。

1.2地形、地质资料

坝址位于某县官料河上游河谷地段，由于地质构造运动及长期风化剥蚀，库区多为平顶圆丘及丘陵间凹地，坝址处河谷不对称，谷地宽约为20m，覆盖层厚度小于3m。

库区位于龙泉上背斜末端某县背斜西翼轴以东，属于中生代上侏罗纪，白垩纪地层以及新生代第四纪沉积。

坝址区地质构造处于某县背斜西翼的单斜层上，地层平缓，一般倾角5～8°。

坝址属白垩纪嘉定统，为砖红色细粒、中细粒泥质、钙质胶结的块层砂岩。

岩层一般强度不高，易风化，风化层深度5～7m。

上游（仁寿县境内）地貌以丘陵为主,海拔450m～500m,相对高差30m,切割不深,地形开阔,田连阡陌,土层深厚,垦植指数较高。

下游（眉山、青神境内）地貌以缓丘平坝为主,丘顶浑圆或呈方山状,斜坡多具不明显的台阶,丘间平坝坦荡,地面微有倾斜,与冲积平原浑然一体。

根据有关规范坝址地震设计烈度为7度。

1.3有关技术指标及相关参数

1、库容：

总库容0.8亿m³

防洪库容0.3亿m³

兴利库容0.4亿m³

死水库容0.1亿m³

2、水位：

设计洪水位1704.50m（P=1%）

正常蓄水位1702.00m

死水位1680.00m

3、淤沙高程：

1677.00m；

淤沙容重：

8.5KN/m³；

内摩擦角：

18°；

4、坝址处河谷底面新鲜基岩面高程：

1666.00m；

5、坝顶宽度：

根据交通要求取为7.0m；

6、流量及水位：

设计洪水流量355m³/s；

相应下游水位1674.50m；

校核洪水位流量475m³/s；

相应下游水位1676.00m。

7、其他有关参数：

基岩与坝基面摩擦系数：

f=0.55

坝体混凝土容重：

24KN/m³

坝基扬压力折减系数：

α=0.3

坝基排水孔中心线距坝踵处6.5m

水库吹程：

1.22km

坝基部分混凝土标号：

C15

坝址基岩的允许承载力：

基本组合70Mpa

考虑地震100Mpa

坝址下游基岩允许单宽流量：

q=50m³/s.m

8、坝轴线根据地形和枢纽布置等综合分析而确定，已在地形图中标明。

详

见附图一。

2工程概况

2.1工程分等与建筑物分级

根据规范《水利水电工程等级划分及洪水标准》，确定本枢纽工程规模为Ⅲ等中型工程，其主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物为5级。

2.2坝址选择

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，完整性较好，覆盖层及风化层均较薄。

2.3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、泄水底孔坝段及其建筑物组成，电站为引水式电站。

该坝坝基面最低高程为1666.00m，坝顶高程为1707.50m，枢纽工程布置图附后（见附图二）。

非溢流坝段：

坝顶宽度为7m，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1666.00m，坡度为1：

0.2，折坡点高程为1687.35m；下游面坡度为1：

0.7，折坡点高程为1698.69m。

溢流坝段：

该坝段全长20.00m，共分3孔，每孔净宽3.00m，中墩厚3.0m，边墩厚2.5m；坝顶宽20.40m，分为便桥、工作桥、交通桥三部分。

溢流堰顶高程为1697.45m；堰顶安装工作闸门和检修闸门，闸门宽×高=3×7。

工作闸门为弧形闸门，采用坝顶工作桥卷扬式启闭机启闭。

工作桥面与非溢流坝顶高程一致。

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1677.87m，反弧半径为20m，挑射角为25o，边墩向下游延伸成导水墙。

3设计计算

3.1溢流坝结构设计

3.1.1溢流坝前缘宽度计算

由设计洪水流量确定溢流前缘宽度

L—溢流前缘宽度m；Q—设计洪流量355m³/s；

q—下游基岩允许单宽流量50m³/s.m；则

3.1.2溢流坝孔口宽度及孔数计算

（1）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。

计算成果见下表

表3.1空口宽度计算成果

计算情况

流量Q（m³/s）

单宽流量q[m³/（s.m）]

孔口净宽B（m）

设计情况

355

7.1

校核情况

475

9.5

根据以上计算，溢流坝孔口净宽取9m，设每孔宽度为3m，则孔数为3。

（2）溢流坝段总长度确定

初步拟定闸墩厚度，中墩厚d=3m，边墩厚t=2.5m，则溢流坝段的总长度B0为：

B0=nb+（n-1）d+2t=9+6+5=20m

3.1.3溢流坝坝顶高程计算

初拟侧收缩系数ε＝0.95，流量系数m＝0.502，因为过堰水流为自由出流，故σs＝1，由堰流公式计算堰上水头H，计算设计洪水位水位减去其相应的堰上水头即为堰顶高程，根据公式

，计算如下：

表3.2堰上水头计算成果

计算情况

流量Q（m³/s）

侧收缩系数

流量系数

孔口净宽度

（m）

堰上水头H0

（m）

设计情况

355

0.95

0.502

9.0

7.04

校核情况

475

0.95

0.502

9.0

8.55

则溢流坝顶高程=设计洪水位－设计时堰上水头

=1704.50－7.04=1697.46m。

3.1.4校核洪水位计算

则校核洪水位=溢流坝顶高程＋校核时堰上水头=1697.46＋8.55=1706.01m。

3.1.5溢流面曲线设计

流坝剖面除应满足强度、稳定性和经济条件外，其外形尚须考虑水流运动要求。

通常它也是由基本三角形修改而成，内部与非溢流坝相同。

溢流面由顶部溢流段、中部直线段及挑流鼻坎组成，上游面为直线或折线。

溢流曲线要求：

①有较高的流量系数；②水流平顺，不产生空蚀。

溢流面采用WES曲线曲线。

本设计采用的溢流坝的基本剖面为三角形。

其上游面为折线面，其起坡点的高度和坡率与非溢流坝的保持一致，即取上游的坡率为n=0.2，溢流面由顶部的曲线、中间的直线、底部的反弧三部分组成。

（1）顶部曲线段

我国现行规范推荐采用幂曲线，即WES曲线,其曲线方程为：

式中：

n、k——系数，n=1.85，k=2.0；

Hd——定型设计水头，m，（一般为校核水位－堰顶水头的75%-95%）。

在本次设计中，按85%计算。

堰上最大水头Hmax＝校核洪水位－堰顶高程即：

Hmax＝1706.01－1697.46＝8.55m。

Hd＝0.85×（1706.01－1697.46）＝7.27m。

由Hd/Hmax=0.85，查表知堰顶负压值为0.3Hd=0.3×7.27=2.18m小于规定的允许值（3～6m水柱），满足规范要求。

代入WES曲线经计算，WES曲线方程为：

（坐标原点为堰顶,同时确定上游面是铅直的）

表3.3WES曲线方程图

（2）椭圆曲线。

堰面曲线原点上游采用椭圆曲线，其方程为：

因上游面垂直，故取a＝0.3，b=a/（0.78+3a）＝0.178

图中的aHd=2.18

bHd=1.29

所以带入得椭圆曲线方程为

可以通过描绘几个不同的点来确定这个曲线。

详图见溢流坝的剖面图。

（见附图三）

（3）中间直线段

溢流坝的中部为直线段，要求和非溢流坝的基本三角形的下游边相重合，上端和堰顶曲线相切，下端和反弧相切，坡度和非溢流坝保持一致，为1：

0.7。

其作用是使水流平顺的按要求的消能方式与下游水位衔接。

由于曲线和直线相切，那么切点处WES曲线的导数的值为1/0.7。

对WES求导，

y′=（0.0926.x1.85）′=0.171.x0.85=1/0.7

由此求得切点位于（9.40,12.15）

3.2消能防冲设计

本设计采用挑流消能的消能方式。

挑流消能是利用溢流坝下游的挑流鼻坎将从坝顶下泄的高速水流抛向空中，使水流扩散、掺气，然后跌入下游河床的水垫中。

水流在同空气摩擦的过程中可消耗一部分能量，水流进入水垫后，发生强烈的摩擦、旋滚，冲刷河床形成冲坑，其余大部分能量消耗于冲坑中。

表3.4消能防冲示意图

挑流鼻坎设计主要是选择合适的鼻坎型式、鼻坎高程、挑射角及反弧半径。

鼻坎的型式选择连续式。

连续式鼻坎结构简单，施工方便，鼻坎上水流平顺，挑距较远，应用也广泛。

鼻坎挑射角一般取θ＝20°～25°，本设计采用挑角θ＝25°。

鼻坎坎顶高程宜高出下游最高水位1～2ｍ，校核洪水位时对应的下游最高水位为1676.00米。

3.2.1堰面流速系数

式中

，

（

为上游水面至挑坎顶部的高差，

=1706.01-1676.0=30.01ｍ）

Ｑ――校核洪水时溢流坝下泄流量，475m³/s；Ｂ――鼻坎处水面宽度，11m；

，q=31.67m³/s

所以KE=q/g0.5（s11.5）=31.67/2044=0.01549

=0.8233

3.2.2鼻坎处水流平均流速υ

υ＝

式中

——堰面流速系数，其中

——上游水面至挑坎顶部的高差

υ=19.97m／s

3.2.3反弧半径Ｒ

h——校核洪水闸门全开是反弧处的水深

h=Q/（B×V）=475/（11×19.97）=2.16m

查规范反弧半径Ｒ=（4--10）h=9.28～23.2m，所以取Ｒ为20ｍ。

鼻坎高程为1676+R（1-cos25）=1676+20（1-cos25）=1676+1.87=1677.87m

高出下游水位1.87米，满足要求。

3.2.4挑距L

（水舌外缘计算，其估算公式如下）

L——水舌挑距ｍ；g——重力加速度9.8

；

——坎顶水面流速，约为鼻坎处平均流速v的1.1倍；

——挑角取25°；

——坎顶平均水深h在铅直向的投影；

——坎顶至河床面的高差。

△L=T/（tanβ）

其中：

△L——水舌外缘与河床面交点到冲坑最深点的水平距离；

β——入水角，指水舌外缘与下游水面的夹角。

L'=L+△L

其中：

L'——总抛距。

表3.5计算成果表

坎顶水面流速（m/s）

坎顶平均水深（m）

坎顶垂直方向水深（m）

L（m）

入水角（°）

△L（m）

总抛距L'（m）

24.542

1.419

1.287

64.535

30.338

11.088

75.622

3.2.5冲刷坑深

最大冲坑水垫厚度tk（自水面至坑底）计算公式：

其中：

q单宽流量（m²/s），H上下游水位差（m），k冲刷系数。

冲坑深度T（自河床面至坑底）计算公式：

T=tk-ht

其中：

ht下游水深。

表3.6冲坑深度计算成果

上下游水位差（m）

水垫厚度（m）

冲坑深度（m）

30.010

14.489

6.489

3.2.6冲刷坑深验算冲刷坑后坡是否满足要求

为了保证大坝的安全，挑距应有足够的长度，《混凝土重力坝设计规范》中7.4.2规定：

“挑流消能的安全挑距，以不影响坝址基岩稳定为原则。

冲坑最低点距坝址的距离应大于2.5倍坑深”。

即规范规定许可的最大后坡为：

iK=1/2.5，当冲刷坑后坡i

T/L'=0.0286＜0.4，满足规范要求。

3.3溢流坝荷载计算

校核洪水位荷载计算（软件计算）

表3.7荷载计算

荷载

垂直力（KN）

水平力（KN）

对坝底中点的力臂

（m）

力矩（KN.m）

↓

↑

→

←

逆时针+

顺时针-

自重

498260.00

157584.98

3.92

1953179.20

水压力

9800.00

13.33

2101133.07

3.33

32634.00

水重

24255.00

2.70

65488.50

22148.00

26.00

575848.00

浪压力

38.66

143.00

39.16

1513.93

泥沙压力

3.67

524.33

扬压力

108388.00

64372.28

12.30

791779.04

小计

544701.66

172760.28

157727.98

9800.00

104.41

2627149.70

2894950.37

合计

371941.38

147927.98

267800.67

3.4溢流坝稳定分析

上游校核洪水位为1706.01m，相应下游洪水位为1676.00m。

根据《重力坝设计规范》要求抗滑安全系数Ks≧1.05。

抗滑稳定系数按公式

（2-1）

计算式中：

∑W—总铅直力；∑P—总水平力；∑M—对坝截面形心的总力矩。

设计洪水位时抗滑稳定验算：

由（2-1）式得

＝0.55×371941.38/147927.98=1.38＞1.00

溢流坝校核洪水位情况下，地基满足抗滑稳定要求。

3.5溢流坝强度验算

坝基面应力：

Pmax/min—坝基面应力的最大值或最小值（Kpa）；

∑G—作用在坝基面的全部竖向荷载（包括坝基面上的扬压力在内，KN）；

L—坝基面垂直水流方向的长度；

B—坝基面顺水流方向的长度；

e—偏心矩

经计算：

e=0.7Pmax=72.51MPa＜100MPaPmix=62.00MPa＜100MPa

Pmax/min=1.17＜1.5

综上可知，剖面尺寸满足抗滑稳定和强度要求。

3.6非溢流坝结构设计

3.6.1非溢流坝坝顶高程计算

波浪要素按官厅水库公式计算：

L—波长m；D—风区长度km；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1.5～2.0倍,此处取1.5,即风速为30.0m/s；校核洪水位时宜用相应洪水期多年平均最大风速为20.0m/s。

坝顶或防浪墙高程＝设计洪水位

坝顶或防浪墙高程＝校核洪水位

。

—坝顶高于静水位的超高值

—坝顶安全超高（查非溢流坝坝顶安全超高表）。

坝体按三级建筑物考虑取安全超高分别为：

设计情况0.4m，校核情况0.3m。

坝顶高程如下表所示：

3.7坝顶高程计算

计算情况

风速

（m/s）

波浪高度

（m）

波浪长度L（m）

风壅水高

（m）

安全加高

（m）

静水超高

（m）

坝顶高程（m）

设计情况

30.0

1.25

12.43

0.39

0.4

2.04

1706.54

校核情况

20.0

0.91

9.64

0.27

0.3

1.48

1707.49

根据以上计算比较，取坝顶高程为1707.50m；防浪墙设计为高1.2m，宽0.5m的钢筋砼结构。

3.6.2非溢流坝几何尺寸拟定

3.6.2.1非溢流坝高度和坝顶宽度

坝高=坝顶高程-基岩高程=1707.50m-1666.00m=41.50m

根据交通要求坝顶宽度取为7.0m

3.6.2.2非溢流坝坝面坡度

根据工程经验，上游坝坡系数常采用n=0～0.2；下游坝坡系数常采用m=0.7～0.75；在此坝的设计中，采用上游坝坡系数n=0.2,上游起坡点高度42.69×1/2=21.35m，经过取各值的比较计算，采用下游坝坡系数m=0.7。

3.6.2.3非溢流坝底宽

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34.15m，在（0.7～0.9）坝高=29.88m～38.42m范围内，坝底宽度满足要求。

表3.8初步拟定非溢流坝剖面简图

3.7非溢流坝应力及抗滑稳定计算

3.7.1应力计算

3.7.1.1坝趾抗压强度验算

荷载组合:

运用期-特殊组合-校核洪水位

（1）各种荷载对计算截面的作用力（电算）

表3.9荷载对截面的作用力

作用力名称

水平力（kN）

竖向力（kN）

弯矩（kN*m）

坝体自重

+0.000e+000

-1.704e+004

+6.410e+004

永久设备

+0.000e+000

附加荷载

+0.000e+000

静水压力（上游）

+8.004e+003

-1.253e+003

-8.771e+004

静水压力（下游）

-5.000e+002

-3.500e+002

-3.493e+003

扬压力（浮托力）

+0.000e+000

+3.415e+003

+0.000e+000

扬压力（渗透力）

+0.000e+000

+2.513e+003

-1.996e+004

淤沙压力

+1.436e+002

-5.440e+001

+5.370e+001

浪压力

+3.866e+001

+0.000e+000

-1.514e+003

土压力（上游）

+1.730e+002

-3.460e+001

+4.179e+002

土压力（下游）

-2.000e+001

-1.400e+001

-2.192e+002

总计

+7.839e+003

-1.282e+004

-4.832e+004

（2）计算截面的几何参数

截面长度=34.153m对形心轴的惯性矩=3319.750m³，上游坡度=0.200，下游坡度=-0.700。

（3）坝趾混凝土抗压强度检算

坝趾面垂直应力σy=ΣW/A-ΣMx/J

=12820.063/34.153-（-48319.992*17.076）/3319.750=0.624MPa

混凝土极限抗压强度Ra=26.20MPa

抗压安全系数K=3.50

混凝土的允许应力[σ]=Ra/K=26.200/3.50=7.486MPa

σy<[σ]，坝趾混凝土抗压强度满足要求

（4）坝趾基岩抗压强度检算

基岩的允许应力[σ]=70.000MPa

σy<[σ]，坝趾基岩抗压强度满足要求

3.7.1.2坝踵抗拉验算

荷载组合:

运用期-特殊组合-校核洪水位

（1）各种荷载对计算截面的作用力表（电算）

表3.10荷载对截面的作用力

作用力名称

水平力（kN）

竖向力（kN）

弯矩（kN*m）

坝体自重

+0.000e+000

-1.704e+004

+6.410e+004

永久设备

+0.000e+000

附加荷载

+0.000e+000

静水压力（上游）

+8.004e+003

-1.253e+003

-8.771e+004

静水压力（下游）

-5.000e+002

-3.500e+002

-3.493e+003

扬压力（浮托力）

+0.000e+000

+3.415e+003

+0.000e+000

扬压力（渗透力）

+0.000e+000

+2.513e+003

-1.996e+004

淤沙压力

+1.436e+002

-5.440e+001

+5.370e+001

浪压力

+3.866e+001

+0.000e+000

-1.514e+003

土压力（上游）

+1.730e+002

-3.460e+001

+4.179e+002

土压力（下游）

-2.000e+001

-1.400e+001

-2.192e+002

总计

+7.839e+003

-1.282e+004

-4.832e+004

（2）计算截面的几何参数

截面长度=34.153m对形心轴的惯性矩=3319.750m³

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