1、清水河水利樞紐重力壩設計第一章 基本資料一、氣象、水文 清水河流域屬亞熱帶高原氣候區，由于大氣環流和流域地形影響，氣候類型較為復雜，垂直變化十分明顯，多年平均氣溫為14.1。 流域內降水較多，但年內及地區分配極不均勻，年降雨量為1130mm，410月占全年降水量的86.5%。支流獨木河上游為多雨區，多年平均降雨量超過1200mm。每年58月為暴雨集中的季節，降雨量占全年的60%。 壩址集雨面積為4328km2,多年平均流量76m3/s,多年平均來水量23.97億m3，徑流系數0.48。 流域洪水特性與暴雨特性和流域自然地理條件密切相關。洪水過程一般從5月份開始，到10月份結束，汛期洪水較為頻繁

2、，年最大洪峰多出現在67月份。設計洪水標準（p=1%），洪峰流量為5240m3/s，相應3天為洪量6.0億m3。校核洪水標準（p=0.1%）時，洪峰流量為7430m3/s，相應3天洪量為8.4億m3。壩址多年平均年輸沙量52.8噸，主要集中在汛期，占全年輸沙量的92.8% ，其中57月份大來沙量占全年的73.8% 。二、工程地質 電站地處云貴高原的黔中地區，區域內硫酸鹽巖廣布，屬中的山巖溶山地地貌，地層自寒武系至三達系均勻分布。區域地處黔北臺隆、遵義斷拱南部，屬揚子準臺地中穩定的iii及構造單元，自中更新世以來，區域內無斷裂活動跡象，構造環境穩定，地震烈度為6度。 水庫河段均屬峽谷型水庫。庫區

3、構造以南北向為主，北東向和北西向斷裂也很發育。南明河近壩6km庫段大部為橫向谷，上游庫段為走向谷，左岸為順向坡；獨木河庫段大部分為走向谷，右岸為順向坡。 水庫兩岸山體雄厚，其間分布有多層隔水層和相對隔水層，不存在內鄰谷滲透問題。 水庫庫岸多為堅硬的灰巖、白云巖組成，一般穩定性好。局部以軟巖為主的走向谷順向坡地段，風化后抗剪強度好抗沖刷能力降低，蓄水后可能產生順層塌滑，除近壩的南明河口左岸邊坡外，其余邊坡距壩址較遠，規模不大，對庫容和工程建設無影響。 工程樞紐區河段，河谷斷面呈不對稱“v”型，左岸較緩，右岸較陡。河床及兩岸坡出露底層主要為吳家坪組（p2w）中厚層燧石條帶灰巖、夾泥頁巖、鈣質頁巖和

4、少量泥灰巖，其中軟巖占總厚度的19%，河床基巖大部裸露，巖層緩傾上游偏右岸。該地層屬弱巖溶含水層，在垂直層面方向可取相對隔水作用，防滲處理簡單。 壩址附近天然建筑材料豐富，開發及運輸條件較好，壩址下游2km處有公路通過，距左右岸壩肩也僅12km。3、 設計標準 電站正常蓄水位初擬為835m，裝機容量60mw，保證出力10.1mw，多年平均發電量2.51億kwh,裝機年利用小時為4183h。 電站工程規模為大（二）型，屬二等工程，主要擋水及泄水建筑物為2級，廠房為3級建筑物，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。大壩及泄水建筑物正常運用洪水為100年一遇（p=1%），非正常運用洪水標準為1000年

5、一遇（p=0.1%）；廠房正常運用洪水標準為100年一遇（p=1%），非正常運用洪水標準為200年一遇（p=0.5%）。4、 水庫、水能參數 正常蓄水位 835m水庫死水位 820m裝機容量 230mw電站引用流量 129.4m3/s最大水頭 64m最小水頭 42.8m 平均水頭 55.5m 設計洪水：100年一遇，壩址相應洪峰流量5240m3/s，相應下泄流量4593m3/s，設計洪水位836.1m，相應下游水位792.75m。校核洪水：1000年一遇，壩址相應洪峰流量7430m3/s，相應下泄流量6654m3/s，設計洪水位841.68m，相應下游水位796.27m。五、工程地質巖體力學指

6、標壩基（肩）巖體力學指標及巖體質量分類表地層代號巖性風化分級容重 st(t/m3)承載力(mpa)泊松比變模eo(103mpa)抗剪斷強度質量分類巖/巖巖/砼fc(mpa)fc(mpa)p2w中厚層含燧石條帶灰巖夾頁巖和泥灰巖微風化2.60 4.5 0.25 8 0.90 0.80 0.80 0.70 ap2c含燧巖結核灰巖微風化2.65 6.0 0.23 12 1.20 1.00 1.10 0.90 at1d1頁巖夾薄層灰巖弱風化2.30 1.0 0.35 2 0.55 0.20 0.50 0.10 ct1d2薄層灰巖夾頁巖弱風化2.40 2.0 0.30 3 0.65 0.30 0.60

7、0.20 cp1m中厚層灰巖微風化2.60 6.0 0.23 12 1.20 1.00 1.10 1.00 a第二章 非溢流重力壩的設計一、非溢流壩剖面的確定（1） 基本剖面的設計 根據重力壩的荷載特點與工作特點，基本剖面為三角形，如圖2-1所示。圖2-1基本剖面1、 壩底寬度的計算表2-1 正常蓄水位時的各項參數上游水深h1下游水深h2上下游水位差h上游壩坡坡率n下游壩坡坡率m壩底寬度b揚壓力折減系數抗剪斷參數f抗剪斷凝聚力c98m18m80m00.68367m0.251.11.0 壩體自重： 上游水壓力：下游水壓力：揚壓力：抗滑穩定安全系數:滿足穩定要求（二）、實用剖面的確定圖2-2 實用

8、剖面 1、壩底寬度：根據工程實踐經驗，下游壩坡坡率m=0.6-0.8，為提高壩的安全性，取m=0.8，則壩底寬度b=78.4。 2、壩頂寬度d=8%98=7.84，所以取把頂寬度為8m。 3、壩頂高程： 1）正常蓄水位時 風速v=20m/s 吹程d=5b=5125=625m波高：波長：壅高：因為 ,所以，所以壩頂高程為836.404 2）校核洪水位時 風速v=20m/s 吹程d=5b=5153=765m波高：波長：壅高： 因為 ,所以，所以壩頂高程為842.99所以，相比之下，取壩頂高程為842.994、廊道：選用城門洞形，寬7m,高7m,廊道底面距壩基面為10m,即高程為747，廊道上游面距

9、上游壩面5m。5、帷幕灌漿：根據要求，帷幕中心線距上游壩面7m，設置一排帷幕，孔距4m二、壩體強度和穩定承載能力極限狀態驗算1、荷載組合：自重+靜水壓力+揚壓力+淤沙壓力+浪壓力2、荷載組合計算：圖2-3 校核洪水位壩基面荷載計算簡圖1）、壩體自重: 2)、靜水壓力表2-2 校核洪水位時的各項參數上游水深h1下游水深h2上下游水位差h上游壩坡坡率n下游壩坡坡率m壩底寬度b揚壓力折減系數104.62m59.27m45.35m00.878.40.25上游水壓力：下游水壓力：3）、揚壓力 4）、淤沙壓力： 壩前泥沙淤積高度: 淤沙的容重: 取 淤沙的內摩擦角: 取則淤沙壓力: 5)、浪壓力：壩前水深

10、，所以浪壓力按深水波計算浪壓力 ： 3、校核洪水位時 （1）、承載能力極限狀態1）、壩體混凝土與壩基面的抗滑穩定性極限狀態作用效應函數 抗力函數 因為結構安全級別為2級，則結構重要性系數，設計狀況系數結構系數則 經過計算可知，該重力壩在校核洪水位情況下壩基面的抗滑穩定性滿足要求 2)、壩趾抗壓強度極限狀態 因為結構安全級別為2級，則結構重要性系數，設計狀況系數 結構系數 選用混凝土。表2-3 壩基面上的荷載作用荷載符號大小(kn)作用點距壩基面形心距離（m）產生力矩（kn.m）力矩和（kn.m）自重w192198.40013.0671204719.613-783939.164w22494.08

11、035.20087791.617靜水壓力p153632.19034.873-1870331.452p217213.37019.757340077.666揚壓力u1777.75035.700-27765.675u2666.64536.867待添加的隱藏文字內容3-24576.935u47933.0768.400-66637.834浪壓力pl14.630105.990-1550.634淤沙壓力ps1949.51011.777-22958.716下游水重w17213.37123.395-402706.8145注：力矩以逆時針為正。 作用效應函數: 抗力函數：則 所以經計算，該重力壩在校核洪水位情況下

12、壩趾抗壓強度滿足要求 （2）、正常使用極限狀態 以壩踵垂直應力不出現拉應力為正常使用極限狀態作用效應函數: 正常使用極限狀態設計式為： 所以經計算，該重力壩在校核洪水位情況下壩踵垂直應力不出項拉應力。 該重力壩經過穩定驗算，滿足抗滑穩定要求。三、壩體應力計算(一)正常蓄水位時壩體邊緣應力計算表2-4 正常蓄水位時的荷載作用荷載符號大小(kn)距壩基面形心距離（m）產生力矩（kn.m）力矩和（kn.m）自重w192198.413.071204719.6-488653.516w22494.0835.287791.62水壓力p147107.6232.67-1538865p21589.2269535.

13、32揚壓力u1137235.7-48980.4u2205836.87-75878.46u46997.28.4-58776.48浪壓力pl14.63105.99-1550.634淤沙壓力ps1949.5111.78-22958.72下游水重w1270.0834.4-43690.751、不計揚壓力 上游面垂直正應力：下游面垂直正應力： 上游面剪應力： 下游面剪應力： 上游面水平正應力： 下游面水平正應力： 上游面主應力： 下游面主應力： 2、計入揚壓力時 上游面垂直正應力：下游面垂直正應力： 上游面剪應力： 下游面剪應力： 上游面水平正應力： 下游面水平正應力： 上游面主應力： 下游面主應力： （

14、二）、正常蓄水位時壩體內部應力的計算圖2-4 壩內主應力計算簡圖1、壩內垂直正應力根據在水平截面上呈直線分布的假定可得距下游壩面x處的為：其中a、b由邊界條件和偏心受壓公式確定。當x=0時，當x=b時， 2、壩內剪應力 根據呈線性分布，由平衡條件可得出水平截面上剪應力呈二次拋物線分布，即： 其中，、由邊界條件確定。 所以： 3、壩內水平截面正應力 根據在水平截面呈二次拋物線分布，由平衡條件可得出水平正應力 呈三次拋物線分布，即： 其中、可由邊界條件確定。由于的三次拋物線分布與直線相當接近。因此，可近似地作為直線分布，即： 所以： 4、壩內主應力 、 5、將壩底四等分，分別計算各等分點的主應力

15、1）、a點的應力：x=19.6m 2）、b點的應力：x=39.2m 3）、c點的應力：x=58.8m 所以，經過計算，在正常蓄水位時壩體應力沒有出現拉應力，滿足應力要求。（三）、校核洪水位時壩體邊緣應力的計算 表2-5 校核洪水位時的荷載作用荷載符號大小(kn)作用點距壩基面形心距離（m）產生的力矩（kn.m）力矩和（kn.m）自重w192198.40013.0671204719.613-783939.164w22494.08035.20087791.617靜水壓力p153632.19034.873-1870331.452p217213.37019.757340077.666揚壓力u1777.

16、75035.700-27765.675u2666.64536.867-24576.935u47933.0768.400-66637.834浪壓力pl14.630105.990-1550.634淤沙壓力ps1949.51011.777-22958.716下游水重w17213.37123.395-402706.81451、不計揚壓力的情況 上游面垂直正應力：下游面垂直正應力： 上游面剪應力： 下游面剪應力： 上游面水平正應力： 下游面水平正應力： 上游面主應力： 下游面主應力： 2、計入揚壓力的情況 上游面垂直正應力：下游面垂直正應力： 上游面剪應力： 下游面剪應力： 上游面水平正應力： 下游面水

17、平正應力： 上游面主應力： 下游面主應力： （四）校核洪水位時壩體內部應力的計算1、壩內垂直正應力根據在水平截面上呈直線分布的假定可得距下游壩面x處的為：其中a、b由邊界條件和偏心受壓公式確定。當x=0時，當x=b時， 2、壩內剪應力 根據呈線性分布，由平衡條件可得出水平截面上剪應力呈二次拋物線分布，即： 其中，、由邊界條件確定。 所以： 3、壩內水平截面正應力 根據在水平截面呈二次拋物線分布，由平衡條件可得出水平正應力 呈三次拋物線分布，即： 其中、可由邊界條件確定。由于的三次拋物線分布與直線相當接近。因此，可近似地作為直線分布，即： 所以： 4、壩內主應力 、 5、將壩底四等分，分別計算各

18、等分點的主應力 1）、a點的應力：x=19.6m 2）、b點的應力：x=39.2m 3）、c點的應力：x=58.8m 經過計算，在校核洪水位時壩體應力滿足要求第三章 溢流重力壩的設計一、堰頂高程的確定（一）基本資料 1、泄水方式的選擇：為使水庫有較好的超泄能力，采用開敞溢流式孔口。2、洪水標準的確定；本次設計的重力壩是二級建筑物，根據規范查山區、丘陵區水利工程建筑物洪水標準，采用100年一遇的洪水標準設計，1000年一遇的洪水校核。 3、設計資料：設計洪水位情況下，溢流壩的下泄流量為4593 m3/s ；校核洪水位情況下，溢流壩的下泄流量為6654 m3/s，電站引用流量129.4 m3/s4

19、、初步擬定采用曲線型實用堰（二）計算 1、計算公式通過溢流孔的下泄流量： 初擬閘孔總凈寬: 設計閘孔總凈寬： 溢流前緣總長： （m）式中：經過電站和泄水孔等的下泄流量；系數，正常運用時取0.750.9，校核運用時取1.0；單寬流量m3/s.m，對一般軟弱巖石常取3050m3/s.m左右，對地質條件好、下游尾水較深和采用消能效果較好的消能工，可以選取較大的單寬流量。 孔口數，孔口寬為b，則孔口數，一般選用略大于計算值的整數。 閘墩的厚度，中間閘墩約為孔徑的 ，邊閘墩約為。 閘墩側收縮系數，與墩頭有關，根據規范sl282-2003中可取=0. 900.95; 流量系數，曲線型實用堰的流量系數主要取

20、決于上游眼高于設計水頭之比、堰頂全水頭與設計水頭之比以及堰上游坡度。重力加速度，9.81； 堰頂水頭，m。2、計算表3-1 設計洪水位和校核洪水位時的各項參數計算計算情況q總（m3/s）q溢設（m3/s）q（m3/s.m）b（m）設計l(m)n實際l(m)實際q（m3/s.m）l。（m）設計洪水45934495.951251535.973.04599.9151取流量系數, 側收縮系數，則根據 可得1）、設計洪水位時： 則設計洪水位時的堰頂高程為設計洪水位減去，則設計洪水位時的堰頂高程為：823.145 2）、校核洪水位時： 則校核洪水位時的堰頂高程為：824.677所以取堰頂高程為：823.1

21、45二、消能防沖設計通過溢流壩頂下泄的水流，具有很大能量，所以要采取有效的消能措施，保護下游河床免受沖刷。消能設計的原則：消能效果好，結構可靠，防止空蝕和磨蝕，以保證壩體和有關建筑物的安全。設計時應根據壩址地形，地址條件，樞紐布置，壩高、下泄流量等綜合考慮。溢流壩常用的消能方式是：挑流消能、底流消能、面流消能和消力戽消能。 挑流消能是利用泄水建筑物出口處的挑流鼻坎，將下泄急流拋向空中，然后落入離建筑物較遠的河床，與下游水流相銜接的消能方式。挑流消能通過鼻坎可以有效地控制射流落入下游河床的位置、范圍、和流量分布，對尾水變幅適應性強，結果簡單，施工、維修方便。工程量小。但下游沖刷較嚴重，堆積物較多

22、，尾水波動與霧化較大。挑流消能適用于基巖比較堅固的中、高水頭各類泄水建筑物，應用較廣泛，較經濟。底流消能：底流消能是通過水躍，將泄水建筑物泄出的急流轉變為緩流，以消除多余動能的消能方式。消能主要靠水躍產生的表面漩滾與底部主流間的強烈紊動、剪切和摻混作用。底流消能具有流態穩定、消能效果好、對地質條件和尾水變幅適應性強以及水流霧化很小等優點，多用于中、低水頭。但護士坦較長，土石方開挖量和混凝土澆筑量一般都較大，與挑流消能比較，底流消能在經濟方面往往不利。故：選用連續式挑流消能（一）、挑流鼻坎的設計 挑流鼻坎的型式多樣，采用連續坎。根據試驗，鼻坎挑射角度一般采用，本次設計采用。鼻坎高程一般高出最大下游水位12m，所以鼻坎高程為：。鼻坎反弧半徑一般采用，為鼻坎上有水深(二)、水舌挑射距離和沖刷坑深度的計算 1、水舌挑射距離按水舌外緣計算，其估算公式為： 其中：為水舌挑射距離（m）；為重力加速度（）；為坎頂水面流速（m/s），約為鼻坎處平均流速的1.1倍；為挑射角度；為坎頂平均水深h在鉛直向的投影，；為坎頂至河床面的高差（m）。 1）、鼻坎處水流平均流速用水力學第二冊的挑流消能的計算公式 式中：堰面流速系數 庫水位至坎頂的高差 因為 ，其中b為鼻坎處水面寬，h為坎頂平均水深 所以 所以反弧半徑2）、坎頂平均水深： 3)、坎頂至河床面的高差