- 1 - 摘 要A 江水利樞紐同時兼有防洪，發(fā)電，灌溉，漁業(yè)等綜合作用，水庫正常蓄水位 184.75m，設計洪水位 188.6m，校核洪水位 190.7m，汛前限制水位 182m，死水位 164m，尾水位 103.5m。水庫死庫容 4.80 億 m3，總庫容 10.81 億 m3。A 江水利樞紐工程等別為一等，工程規(guī)模為大（1 ）型工程，主要建筑物級別為 1 級，次要建筑物級別為 3 級，臨時性建筑物級別為 4 級。A 江水利樞紐的主要組成建筑物有擋水建筑物，主副廠房，泄水建筑物，過木筏道等。擋水建筑物是一變圓心變外半徑的雙曲拱壩，壩頂弧長 310m，最大壩高101.21m，壩底厚 25.7m，壩頂寬 8.33m。泄水建筑物由兩個淺孔和兩個中孔組成：淺孔位于兩岸，孔口寬 8.5m，高8m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；中孔位于水電站進水口兩側，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為 130m。在壩身泄水孔的上下游側分別布置檢修閘門和工作閘門，檢修閘門采用平板門，工作閘門采用弧形閘門，在每一個工作閘門的上方有啟閉機房，淺孔啟閉機房高程為 175m，中孔啟閉機房高程為 160m。泄槽支撐結構采用框架式結構。坎頂高程為 119m,淺孔反弧半徑為 30m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 θ=20o,導墻厚度為 0.5m, 淺孔導墻高度為 7m,中孔導墻高度為 8.5m。壩后式廠房裝有 4 臺 5 萬 kw 的發(fā)電機組，主廠房長 81m，寬 18m，副廠房長 66m，寬 10m，安裝場長 21m，寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m，進水口底高程為 152.3m。發(fā)電機層高程為 114.8m，尾水管底高程為 90.8m，廠房進水口底高程為 152.3m。為防止壩基滲漏，在壩基靠近上游側進行帷幕灌漿，并且為了減少壩基的揚壓力，在灌漿帷幕之后設置排水孔。為了防止混凝土產生裂縫，拱壩壩體設置橫縫，橫縫面上需設置鍵槽，以咬合加固，增強壩體的抗剪能力。當底寬在 40～50m 以上的拱壩，才考慮設置縱橫縫，而本設計中，拱壩壩底寬為 26m，小于 40m，故可不設置縱縫。三心圓拱壩設計- 2 - AbstractAjiang hydrocomplex play parts in flood control,water power,irrigation,water conservancy related fisheries,and so on.The reservoir normal water level is 184.75m,design flood level is 188.6m,maximum flood level is 190.7m,flood control level is 182m,dead water level is 164m,and tailwater level of hydropower station is 103.5m.The dead reservoir capacity is 480,000,000m3,and the total reservoir capacity is 1,081,000,000 m3.The hydraulic engineering grade is Grade I.The hydroproject is consist of water retaining structure,power house,auxiliary room,sluice structure,raft sluice,and so on.The water retaining structure is a double curvature arch dam.The length of the axis of crest dam is about 310m.Maximum height of the dam is 101.21m,the thickness of the bottom of the dam is 25.7m,and the width of the top of the dam is 8.33m.The release structure is comprised of 2 mid-level outlet and 2 short-level outlet.The width of the mid-level outlet is 7.5m,and the height is 7.5m;the width of the short-level outlet is 8.5m,and the height is 8m.The upstream and the downstream side of every outlet are a bulkhead gate and a operating gate which is a radial gate.There is a room where a gate hoist is put above every service gate.The two rooms which are above the mid-level outlet service gate are at an elevation of 160 metres,and the other two rooms are at an elevation of 175 metres.The intake of the mid-level outlet is at an elevation of 135 metres,and the intake of the short-level outlet is at an elevation of 164 metres.The type of the power house is at damtoe.The dimensions of the power house and the auxiliary room are 81m×18m and 66m×10m.The generator floor is at an elevation of 114.8 metres,and the bottom of the draft tube is at an elevation of 90.8 metres,and the intake of hydropower station is at an elevation of 152.3 metres.In case of leakage of the dam foundation,there is grouting curtain at the base of the dam,behind which there are drainage holes which decrease the uplift pressure of the dam foundation.In radial directions there are transverse joints in which there are keys,and because the thickness of the bottom of the dam is smaller than 40～50 metres,there is no longitudinal joint.- 3 - 目錄摘 要 .1ABSTRACT2第一章 綜合說明 .5§1.1 概述 .5§1.2 工程特性表 .6第二章 設計資料 .8§2.1 樞紐任務 .8§2.2 基本資料 .8第三章 樞紐主要建筑物的型式與總體布置 13§3.1 工程等級及技術規(guī)范設計標準 .13§3.2 調洪演算及設計基本數據 .13§3.3 樞紐組成建筑物 .15§3.4 壩型選擇 .16§3.5 泄水建筑物型式選擇 .18§3.6 廠房及引水系統(tǒng) 布置 .18§3.7 樞紐總體布置 .18第四章 拱壩設計 .20§4.1 拱壩型式及布置 .20§4.2 荷載及其組合 .22三心圓拱壩設計- 4 - §4.3 計算原理和計算 步驟 .24§4.4 應力強度分析(電算,手算) 24§4.5 壩肩穩(wěn)定驗算 .28第五章 泄水建筑物設計 .31§5.1 泄水建筑物組成與布置 .31§5.2 泄槽設計 .31§5.3 消能與防沖 .32§5.4 泄水孔口應力及配 筋 .33第六章 壩體細部構造及地基處理 35§6.1 壩體構造與細部結構設計 .35§6.2 壩基處理 .36參考文獻 .42- 5 - 第一章 綜合說明§1.1 概述一 樞紐概述A 江是我國東南地區(qū)的一條河流, 流向自西向東，流經 A 省南部地區(qū)，匯入東海，干流全長 153km，流域面積 4860 平方公里。根椐流域規(guī)劃擬建一水電站。本設計任務是對 A 江水利樞紐進行設計。A 江水利樞紐是一項同時兼顧防洪，發(fā)電，灌溉，漁業(yè)等綜合作用的水利工程。壩址以上流域面積 2761 平方公里, 水庫正常蓄水位為 184.75m，汛前限制水位為 182m，死水位為 164m，設計水位為 188.65m，校核水位為 190.73m。 電站多年平均發(fā)電量為 5.09 億度，正常蓄水位時，水庫面積為 35.60 平方公里，為發(fā)展養(yǎng)殖創(chuàng)造了有利條件，同時增加灌溉面積 50 萬畝。A 江水利樞紐的主要組成建筑物有攔河大壩，壩后式廠房，泄水建筑物，過木筏道，開關站以及上壩公路等。攔河大壩為雙曲拱壩，最大壩高為 101.21m，主體工程量約為 32 萬方左右，壩頂寬 8.33m，壩頂長約 310m，壩底寬 25.7m。壩后式廠房裝有 4 臺 5 萬 kw 的發(fā)電機組，主廠房長 81m，寬 18m，副廠房長 66m，寬 10m，安裝場長 21m，寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m，進水口底高程為 152.3m。泄水建筑物采用兩個淺孔和兩個中孔相結合的方案：淺孔位于兩岸，孔口寬 8.5m，高 8.0m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；中孔位于水電站進水口兩側，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為130m。泄槽支撐結構采用框架式結構?？岔敻叱虨?119m,淺孔反弧半徑為 30m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 θ=20 o,導墻厚度為 0.5m, 淺孔導墻高度為 7m,中孔導墻高度為 8.5m。過木筏道位于右岸。根據林業(yè)部的要求，每年木材過壩量為 33.3 萬立方米，起木材最大長度為 10m，大頭直徑為 100cm。開關站長 75m，寬 20m，位于左岸。二 設計要求在明確設計任務及對原始資料進行綜合分析的基礎上，要求：三心圓拱壩設計- 6 - (1)根據防洪要求，對水庫進行洪水調節(jié)計算，確定壩頂的高程和泄水建筑物孔口尺寸。(2)通過分析，對可能的方案進行比較，確定樞紐組成建筑物的形式，輪廓尺寸及水利樞紐布置方案。(3)詳細做出大壩設計，并通過比較確定壩的基本剖面和輪廓尺寸，擬定地基處理方案和壩身構造，進行水利計算、靜力計算。(4)對泄水建筑物（待壩型選定后指定）進行設計，選擇泄水建筑物的形式與輪廓尺寸，確定布置方案，擬訂細部構造，進行水利計算、靜力計算。(5)對 A 江水利樞紐各組成建筑物進行總體布置以及細部構造設計。§1.2 工程特性表表 1-1 水庫特性表正常蓄水位 設計洪水位 校核洪水位 死水位 汛前限制水位184.75 188.65 190.21 164 182表 1-2 樞紐特性表泄水建筑物 廠房攔河大壩淺孔 中孔壩型雙曲拱壩 個數 2 2 廠房型式 壩后式壩基地質花崗斑巖 寬 8.5m 8m 主廠房尺寸 81×18最大壩高 101.21 高 7.5m 7.5m 副廠房尺寸 66×10壩頂中心角 107° 進口底高程 164m 135m 發(fā)電機層高程 114.8m 壩頂外半徑 197m 出口底高程 154m 130m 引水鋼管進口高程 152.3m 壩頂厚度 8.33m 坎頂高程 117m 117m 引水鋼管直徑 4.5m 壩底中心角 85° 坎上水深 5.57m 6.55m 尾水管底高程 90.8m 壩底外半徑 67.1m 反弧半徑 30m 50m 廠房頂高程 130.5m 壩底厚度 25.688m 挑射角 20° 20° 尾水位 103.5m 導墻高度 7m 8.5m 發(fā)電機臺數 4導墻厚度 0.5m 0.5m 單機容量 5 萬 kw滿載流量 338m3/s- 7 - 安裝場尺寸 21×18開關站尺寸 20×75三心圓拱壩設計- 8 - 第二章 設計資料§2.1 樞紐任務本工程同時兼有防洪，發(fā)電，灌溉，漁業(yè)等綜合利用。水電站裝機容量為20 萬 kW，多年平均發(fā)電量 5.09 億度。正常蓄水位 184.75m，汛前限制水位182m，死水位 164m,4 臺機滿載時的流量 338m3/s，尾水位 103.5m，廠房形式為壩后式。本工程建成后，可增加保灌面積 50 萬畝，減輕洪水對 A 市和 A 平原的威脅，在遇到 P=0.02%和 P=0.1%頻率的洪水時，經水庫調洪后，洪峰流量由原來的 14900m3/s、11700m 3/s 分別削減為 6500m3/s、7500m 3/s，正常蓄水位時，水庫面積為 35.60 平方公里，可為發(fā)展養(yǎng)殖創(chuàng)造有利條件。此外，根據林業(yè)部的要求，每年木材過壩量為 33.3 萬立方米，其木材最大長度為 10m，大頭直徑為 100cm?！?.2 基本資料一 自然地理（一） 流域概況 A 江是我國東南部的一條河流，流向自西向東，流經 A 省南部地區(qū)，匯入東海，干流全長 153km，流域面積 4860 平方公里。壩址以上流域面積 2761 平方公里，流域境內是山區(qū)，平均高度為 662m,最高山峰達 1921m，流域境內氣候濕潤，雨量豐沛，屬熱帶氣候。徑流主要來自降雨，小部分由地下水補充，每年 4～9月份為汛期，其中 5、6 兩月為梅雨期，河道坡降上游陡，下游緩，平均坡降6.32%～0.97%，因河道陡，調蓄水能力低，匯流快，由暴雨產生的洪水迅速漲落，一次洪水過程線尖瘦，屬典型的山區(qū)河流。流域境內，以農林為主，森林茂盛，植被良好，水土流失不嚴重，樞紐下游為 A 省的重要農副業(yè)生產基地——A 平原。(二) 氣候特征1．氣溫壩址處的多年平均氣溫為 17.3°，月平均最低氣溫 5°（1 月份） ，最高氣溫29°（7 月份） 。實測極端最低氣溫-8.2°（1 月份） ，最高為 40.6°（7 月份） 。2．濕度：年平均相對濕度為 79%左右，其中以 6 月份 87%為最大，1 月份 72%- 9 - 為最小，日變化較大。3．降雨量：壩址以上流域的年平均降雨量為 1680mm，實測最大年降雨量為2389mm，最少為 1380mm，雨量在年內分布不均，其中 4～9 月份占全年降雨量的75%，而 5、6 兩月占全年的 1/3。表 2-1 各月降雨量的雨型及日數統(tǒng)計表月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年實際天數 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 310.3-10mm 雨日 3 4 5 7 12 12 10 9 8 7 6 410-30mm 雨日 2 3 4 5 8 9 6 5 4 3 2 130mm 以上雨日 9 1 1 8 5 6 3 2 2 1 0 04．蒸發(fā)量：壩址處多年平均蒸發(fā)量為 1349mm，其中 7 月份最大，月蒸發(fā)量為217mm，2 月份為最小，月蒸發(fā)量為 45.4mm。（1）風向風力：實測最大風速 17m/s，風向西北偏西，吹程 4.5km。多年平均最大風速為：汛期為 12m/s，非汛期為 13m/s，風向基本垂直壩軸線，吹程 4km。（2）水庫水溫：據資料分析，各層水溫的多年平均水溫（TH）及年變幅（△Tc）按下列公式計算：TH = (2-1)8.105.845.27????????He△Tc＝ (2-2).2??????其中：H 為水深。(三) 水文特性：1．正常徑流根據資料分析，壩址處的多年平均流量為 100m3/s，多年平均徑流總量為 31.5億 m3，各頻率的月平均量見下表。表 2-2 壩址處月平均流量頻率(%)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12多年平均1 116 267 324 490 689 679 346 263 331 102 121 113 1865 78 179 235 364 510 537 352 177 210 73 77 73 150三心圓拱壩設計- 10 - 50 21 49 89 141 216 277 78 44 44 26 16 16 9780 8 19 47 73 12 134 22 15 12 13 4 5 7495 2 5 22 36 69 121 5 4 2 6 1 1 5523 65 103 162 215 295 115 61 67 31 24 24 1002．洪峰流量及總量據水文資料推算，壩址處的洪峰流量及總量如下：洪峰流量 Q=3310 m3/s，Cv=0.45，Cs=4Cv，皮Ⅲ型線，各頻率流量為：P=0.02%，Q=14900m3/s；P=0.1%，Q=11700m3/s。洪峰總量：三日洪水總量的均值 W=3.5 億 m3，Cv=0.38，Cs=3Cv，皮Ⅳ型線，各頻率洪量：P=0.02%，三日洪水總量 Wp=7.94 億 m3；P=0.1%，三日洪水總量Wp=6.58 億 m3。可能最大三日洪量為 15.4 億 m3。施工期各設計洪水頻率流量見下表表 2-3 施工期設計洪水頻率流量表頻率 10—4 月 9—6 月 10—3 月 11—6 月 11—2 月 12—2 月5 2087 1772 1367 1367 884 82410 1673 1410 1072 1072 654 59620 1275 1045 784 784 434 3323．固體徑流量及水庫淤積：據水文站實測資料分析，年固體徑流總量為 331 噸，百年后水庫淤積高程 115m，淤沙容量為 8.5kN/m3，內摩擦角 10°。(四) 其他：本壩址地震烈度為 7?。二 工程地質（一) 庫區(qū)工程地質庫區(qū)巖性以火山巖和沉積巖為主，褶皺規(guī)模不大，均為背斜，兩翼地層平緩，并且不對稱。有較大的斷層二條，這些褶皺和斷層呈北東向展布，以壓扭性為主，傾角較陡，延伸長度達幾直幾十公里，斷層單寬 1 米左右。個別達 10 米以上。斷層破碎都已膠結。庫區(qū)水文地質簡單，以裂隙水為主，地下分水嶺均高出庫水位以上。（二） 壩址工程地質：- 11 - 1．地貌：壩址處的河床寬度為 100m。河底高程 100m，水深 1～3m，河谷近似“V”型，兩岸約４０°～６０°。河床覆蓋層由大理石，卵石組成。厚度約５～６m，兩岸山坡為第四系覆蓋層，厚度為５～１０m 左右。2．巖性和工程地質：壩基為花崗巖，風化較淺，巖性均一，新鮮堅硬完整，抗壓強度達 120——200MPa。壩址的地質構造簡單，無大的地質構造，緩傾角節(jié)理延伸短，整體滑動可能性小，但陡傾角節(jié)理較發(fā)育，以構造節(jié)理為主，左右岸各有走向互相垂直的二組節(jié)理。其中一組近似于平行山坡等高線，方向見地形圖，節(jié)理傾角約 35°～90°，節(jié)理面無夾泥存在，壩址處的水文地址較簡單，未發(fā)現裂隙承壓水。巖石的物理力學性質見下表。表 2-4 巖石的物理力學性質表摩擦系數容重（kN/m 3）抗壓強度（MPa） 抗剪系數 抗剪斷系數巖性或 地質構造干 濕孔隙率% 干 飽和彈性模量MPa 混凝土基巖內部混凝土基巖內部粘著力（MPa）泊松比μ花崗斑巖27.3 28.1 2.3 210 1902.2×1040.70 0.75 0.75 1.200.5 基巖與混凝土0.20節(jié)理面0.65 0.751.0 基巖內相對隔水層離基巖表面深 15m。三 筑壩材料(一) 石料壩區(qū)大部分地區(qū)為花崗斑巖，基巖埋深淺，極易開采，且河床覆蓋層中的塊石、卵石可利用，因此筑壩石料極易解決。(二) 砂料三心圓拱壩設計- 12 - 在壩下游勘探 6 個砂料場，最遠料場離壩約 9km，以石英破碎帶的料場為主，初估砂料儲量 430 萬 m3。經質量檢驗，砂石料符合規(guī)范要求。壩址處缺乏筑壩的土料。四 庫區(qū)經濟及其它(一) 庫區(qū)經濟庫區(qū)除有小片盆地外，其余多為高山峽谷地帶。耕地主要分布在小片盆地上，高山上的森林茂密。在正常蓄水位時，需遷移人口 21444 人，拆遷房屋 19240 間，淹沒，浸沒耕地 16804 畝，淹沒森林面積 18450 畝，淹沒縣社建造的二座小型水電站(裝機 2210kw）等，需賠償費 4120 萬元。(二) 其它1．對外交通本壩址上游左岸 30km 處有鐵路干線車站，另有公路與壩址下游 50km 的兩座縣城相通，兩縣城有公路與水路與河流入海處的省轄市相連，對外交通較為方便。2．附屬工廠和生活建筑區(qū)壩址下游兩岸有較大的沖積臺地，地形平緩面積較大，適宜布置工廠和生活建筑區(qū)。3．負荷位置本電站主要供應壩下游 A 平原的農村生產用電及省轄市的工業(yè)用電，并擔負A 電網的部分調峰任務。4．壩頂有雙線公路布置的要求。5．水庫水位——容積關系曲線、壩址處水位——流量關系曲線、設計洪水（三日）過程線和壩址地形圖見附圖。- 13 - 第三章 樞紐主要建筑物的型式與總體布置§3.1 工程等級及技術規(guī)范設計標準一 工程等級在工程安全與經濟之間存在著矛盾，為使工程的安全可靠性與其造價的經濟合理性適當統(tǒng)一起來，水利樞紐及其組成建筑物要分等分級，即先按工程的規(guī)模，效益及其在國民經濟中的重要性，將水利樞紐分等，而后再對各組成建筑物按其所屬樞紐等別，建筑物作用及重要性進行分級。本工程校核水位為 190.73m，查庫容曲線得相應庫容為 11.2 億 m310 億 m3，根據我國水利部頒發(fā)的現行規(guī)范——《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標準（山區(qū)、丘陵區(qū)部分） 》 ，確定 A 江水利樞紐工程等別為一等，工程規(guī)模為大（1）型工程，主要建筑物級別為 1 級，次要建筑物級別為 3 級，臨時性建筑物級別為 4 級。二 技術規(guī)范混凝土拱壩設計規(guī)范（SD145-85）規(guī)定：對于基本荷載組合，允許拉應力為1.2Mpa，安全系數為 4.0；對于特殊荷載組合，允許拉應力為 1.5Mpa，安全系數為 3.5；當考慮地震荷載時，允許拉應力可適當提高，但不超過 30%。三 洪水標準設計洪水標準為千年一遇，校核洪水標準為五千年一遇。§3.2 調洪演算及設計基本數據一 調洪演算的目的（1）根據防洪要求，對水庫進行洪水調節(jié)計算，以確定上游不同洪水標準下的下泄流量，然后確定出設計洪水位和校核洪水位。三心圓拱壩設計- 14 - （2）根據調洪演算得出設計水位下的下泄流量，以選定泄洪方式和擬定泄洪建筑物的孔口尺寸。二 調洪演算的原理先對一種泄洪方案，求得不同水頭下的孔口泄洪能力，并作孔口泄洪能力曲線，再假定幾組最大泄流量，對設計（校核）洪水過程線進行調洪演算，求得這幾組最大泄流量分別對應的水庫存水量，查水位庫容曲線，得出這幾組最大泄流量分別對應的上游水位，并作最大泄流量與上游水位的關系曲線。上述兩條曲線相交得出一交點，此交點坐標即為設計（校核）情況下的孔口最大泄流量及相應的水庫水位，再對其它泄洪方案按同樣的方法進行調洪演算，最后選定的泄洪方案孔口最大泄流量應接近并不超過容許值，庫水位又相對比較低。三 泄洪方案的選擇（1） 調洪方案初選1.表孔溢流方案：突出優(yōu)點是泄洪能力大，可減小孔口尺寸，閘門上的水壓力小，操作檢修方便。缺點是壩身單薄，需設置泄槽或滑雪道結構，實體的泄槽結構工程量較大，不經濟，輕型的滑雪道結構易引起振動，穩(wěn)定性不好；使壩體堰頂以上失去空間結構作用，拱的空間結構作用從堰頂高程以下才能得以發(fā)揮。2.壩身開孔方案（淺孔方案和中孔方案）：優(yōu)點是對壩體應力影響不大，可節(jié)省另建溢洪道的投資。缺點是當水流過壩后需設置滑雪道泄槽，并進行合理選型和布置：若同一高程開孔數量多，該層拱圈削弱較多。3.壩外溢洪道泄洪方案：適用于有天然埡口，便于布置正槽式溢洪道的地形條件。A 江提供的地形圖壩址附近，未見有天然埡口地形，故不考慮該方案。4.利用導流隧洞泄洪方案：拱壩的施工導流須采用一次斷流方案，故施工時需在某一岸開挖導流隧洞，以便壩體施工，為節(jié)省工程投資，可將進口段改建成“龍?zhí)ь^” ，將導流洞改建成泄洪洞，但本工程導流洞長度較短，改建成泄洪洞后，除“龍?zhí)ь^”部分外可利用的長度不長，加上改建部分的開挖和老洞的封堵，實際并不能有效節(jié)省工程投資。依據 A 江水利樞紐的具體情況，全面綜合比較以上所述四種方案，壩外溢洪道泄洪方案和利用導流隧洞方案不及采用表孔溢流和壩身泄水孔方案，采用滑雪道結構工程投資遠小于修建壩外泄水建筑物的工程投資，故初步選擇以下方案進行調洪演算：- 15 - 4 表孔+2 中孔泄洪方案2 淺孔+2 中孔泄洪方案4 中孔泄洪方案 （2）調洪演算調洪演算根據水量平衡原理采用試算方法計算，計算時先按不同的出口高程和孔口尺寸擬定多組方案，詳見計算書，計算結果見下表表 3-1 洪水調節(jié)計算方案成果表泄水方案設計Q（m 3/s）校核Q（ m3/s）設計 H(m)校核 H(m)4 表孔+2 中孔 6320 7250 188.35 190.552 淺孔+2 中孔 6300 7380 188.65 190.734 中孔 6300 6450 187.18 190.17（3）調洪方案的最終選擇為減小壩身開孔對壩體空間結構的不利影響(4 表孔使得壩體堰頂以上失去空間結構作用,4 中孔使得壩體同一高程開孔數量過多，該層拱圈削弱過多)，采用兩淺孔與兩中孔相結合的方案。兩淺孔，孔口寬 8.5m，高 8.0m，進口底高程為164m，出口底高程為 154m；兩中孔，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為135m，出口底高程為 130m，設計洪水時，下泄流量 6300 m3/s，校核洪水時，下泄流量 7380m3/s，略小于允許下泄流量，設計洪水位為 188.65m，校核洪水位為190.73m。由此算得壩頂高程為 193.21m，最大壩高為 101.21m。§3.3 樞紐組成建筑物A 江水利樞紐的主要組成建筑物有攔河大壩，壩后式廠房，泄水建筑物，過木筏道，開關站以及上壩公路等。攔河大壩為雙曲拱壩，最大壩高為 101.21m，主體工程量約為 35 萬方左右，壩頂寬 8.33m，壩頂長約 310m，壩底寬 25.6888m。壩后式廠房裝有 4 臺 5 萬 kw 的發(fā)電機組，主廠房長 81m，寬 18m，副廠房長 66m，寬 10m，安裝場長 21m，寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m，進水口底高程 152.3m。泄水建筑物采用兩個淺孔和兩個中孔相結合的方案：淺孔位于兩岸，孔口三心圓拱壩設計- 16 - 寬 8.5m，高 8.0m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；中孔位于水電站進水口兩側，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為130m。泄槽支撐結構采用框架式結構?？岔敻叱虨?119m,淺孔反弧半徑為 30m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 θ=20 o,導墻厚度為 0.5m, 淺孔導墻高度為 7m,中孔導墻高度為 8.5hm。過木筏道位于右岸。根據林業(yè)部的要求，每年木材過壩量為 33.3 萬立方米，起木材最大長度為 10m，大頭直徑為 100cm。開關站長 75m，寬 20m，位于左岸。§3.4 壩型選擇一 壩型初選（1） 土石壩土石壩主要由壩址附近的土石料填筑而成，由于該壩址處缺乏筑壩的土石料，并且土石料壩身不能泄洪，需另外建泄水建筑物，本工程兩岸附近無埡口等適合建泄洪建筑物的地形，故不宜建土石壩。（2） 重力壩重力壩依靠壩體自重或垂直荷載在壩基面上產生摩阻力來抵抗水平水壓力以達到穩(wěn)定的要求，利用壩體自重或垂直荷載在水平截面上產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力以滿足強度的要求。其優(yōu)點比較明顯：①壩體斷面形態(tài)適于在壩頂布置溢洪道和壩身設置泄水孔，不需要另設河岸溢洪道或泄洪隧洞，在壩址河谷狹窄而洪水流量大的情況下，重力壩可以較好地適應這種自然條件；②結構簡單，施工技術比較容易掌握，在放樣，立模和混凝土澆搗方面都比較方便，有利于機械化施工；③由于斷面尺寸大，材料強度高，耐久性能好，因而對抵抗水的滲透，特大洪水的漫頂，地震和戰(zhàn)爭破壞能力都比較強，安全性較高；④對地形地質條件適應性較好，幾乎任何形狀的河谷都可以修建重力壩；⑤具有足夠強度的巖基就可滿足要求，因為重力壩常沿壩軸線分成若干獨立的壩段，所以能較好地適應巖石的物理力學特性的變化和各種非均質的地質。但缺點也比較明顯：①剖面尺寸較大，壩體內部的壓應力一般不大，因此材料的強度不能充分發(fā)揮；②壩體體積大，水泥用量多，混凝土凝固時水化熱高，散熱條件差，且各部澆筑順序有先有后，因而同一時間內冷熱不均，熱脹冷縮，相互制約，往往容易形成裂縫，從而削弱壩體的整體性，因而混凝土重力壩施工- 17 - 期需有嚴格的溫度控制和散熱措施。（3） 拱壩拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，依靠拱的作用，將力傳給拱座，依靠梁的作用將力傳給基巖。其優(yōu)點是：①受力條件好，在荷載作用下，拱壩同時起拱的作用和懸臂梁的作用，主要依靠兩岸壩肩和壩基的巖體維持穩(wěn)定，壩體自重對壩體的穩(wěn)定性影響不大；②壩的體積小，因為拱壩是一種受壓結構，拱向除拱端外，幾乎全部受壓，梁向除底部外大部分也是受壓，故可充分發(fā)揮混凝土抗壓性能，厚度可以較小，故其體積可比同樣高度的重力壩節(jié)省 1/3～2/3；③拱壩超載能力強，安全度高，拱壩通常屬周邊嵌固的高次超靜定結構，當外荷載增大或壩的某一部位因拉應力過大而發(fā)生局部開裂時，能調整拱作用和梁作用及其荷載分配，進行壩內應力重分配，不致使壩全部喪失承載能力，裂縫對于拱壩的威脅不象對其他壩型那樣嚴重，拱壩水平裂縫中的揚壓力只會降低壩體懸臂梁的作用，鉛直裂縫會使拱圈未開裂部分的應力增加，原來的拱圈變成具有更小曲率半徑的拱圈，壩內應力重分配，成為無拉應力的有效拱，所以按結構的觀點，拱壩壩面允許局部開裂，另外混凝土具有一定的塑性和徐變特性，在局部壓應力特大的部位，變形受限制的情況下，經過一段時間，混凝土的徐變變形增大，彈性變形減小，從而這些特大應力有所降低，而且三維受力時混凝土的實際極限抗壓強度比單軸時的極限抗壓強度要高，由于以上所述原因，拱壩在合適的地形地質條件下具有很強的超載能力，據國內外試驗資料表明，其超載能力可達設計荷載的 5～11 倍；④抗震性能好，由于拱壩是整體性的空間結構，壩體較輕韌，富有彈性，又能自行調整其結構性能，因此拱壩抗震性能好。但拱壩也有明顯的缺點：①施工技術要求高，由于拱壩壩體斷面較薄，幾何形狀復雜，因此對施工技術，施工質量控制的要求高；②對地基處理的要求更為嚴格，以致有時開挖量很大；③施工導流不如重力壩來得方便，需一次斷流，要另開導流隧洞；④拱壩壩肩巖體穩(wěn)定，巖基穩(wěn)固是拱壩結構優(yōu)越性發(fā)揮的前提條件。綜合上述分析，對 A 江水利樞紐而言，有合適的喇叭口地形“V”形河谷，兩岸也沒有順河向的節(jié)理裂隙，故選擇混凝土拱壩方案。二 壩體形態(tài)選擇拱壩按壩體形態(tài)可分為單曲拱壩和雙曲拱壩。（1） 單曲拱壩單曲拱壩只在水平截面上呈拱形，而鉛直懸臂梁斷面不彎曲或曲率很小。定三心圓拱壩設計- 18 - 圓心定外半徑拱壩設計施工簡單，但工程量大，且河谷上寬下窄時，壩底部圓心角過小，使拱的作用減小，而定中心角變半徑拱壩雖然比較經濟，但兩岸壩段剖面有倒懸，在施工和庫空運行時會產生拉應力。（1） 雙曲拱壩雙曲拱壩又稱穹形拱壩，在水平和垂直截面內都呈拱形，在 V 形河谷或其它上寬下窄的河谷，若采用定半徑式拱壩，其底部會因中心角過小而不能滿足應力的要求，此時宜將水平拱圈的半徑從上到下逐漸減小，以使上下各層拱圈的中心角基本相等，并在鉛直向設計成一定曲率，形成變半徑等中心角雙曲拱壩，而做到上下層拱圈的中心角相等很困難，故廣泛采用變半徑變中心角的雙曲拱壩，這種拱壩各層拱圈的中心角，外弧面和內弧面的半徑從上到下都是變化的，而各層拱圈內外弧的圓心聯(lián)線均為光滑的曲線，變半徑等中心角雙曲拱壩更能適應河谷形狀的變化。雙曲拱壩比單曲拱壩更具特殊的優(yōu)點：①由于其梁系也呈彎曲形狀，兼有垂直拱的作用，它在承受水平向荷載后，在產生水平位移的同時還有向上位移的傾向，使梁的彎矩有所減少，而軸向力加大，對降低壩體拉應力有利；②在水壓力作用下，雙曲拱壩中部的垂直梁應力是上游面受壓而下游面受拉，這同自重產生的梁應力正好相反?！?.5 泄水建筑物型式選擇泄水建筑物采用兩個淺孔和兩個中孔相結合的方案：淺孔位于兩岸，孔口寬8.5m，高 8.0m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；中孔位于水電站進水口兩側，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為 130m。泄槽支撐結構采用框架式結構?？岔敻叱虨?119m,淺孔反弧半徑為 30m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 θ=20°,導墻厚度為0.5m, 淺孔導墻高度為 7m,中孔導墻高度為 8.5m?！?.6 廠房及引水系統(tǒng)布置壩后式廠房裝有 4 臺 5 萬 kw 的發(fā)電機組，主廠房長 81m，寬 18m，副廠房長 66m，寬 10m，安裝場長 21m，寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m，進水口底高程 152.3m。- 19 - §3.7 樞紐總體布置雙曲拱壩的最大壩高為 101.21m，壩頂寬 8.33m，壩頂弧長約 310m，壩底寬25.6888m。壩后式廠房，主廠房長 81m，寬 18m，副廠房長 66m，寬 10m，安裝場長 21m，寬 18m。壓力管道的直徑為 4.5m，進水口底高程 152.3m。淺孔位于兩岸，孔口寬 8.5m，高 8.0m，進口底高程為 164m，出口底高程為 154m；中孔位于水電站進水口兩側，孔口寬 7.5m，高 7.5m，進口底高程為 135m，出口底高程為130m。在壩身泄水孔的上下游側分別布置檢修閘門和工作閘門，檢修閘門采用平板門，工作閘門采用弧形閘門，在每一個工作閘門的上方有啟閉機房，淺孔啟閉機房高程 175m，中孔啟閉機房高程 160m。泄槽支撐結構采用框架式結構,坎頂高程為 119m,淺孔反弧半徑為 30m,中孔反弧半徑為 50m。泄槽直線段的坡度與孔身底部坡度一致,挑射角 θ=20°,導墻厚度為 0.5m, 淺孔導墻高度為 7m,中孔導墻高度為 8.5m。過木筏道位于右岸。開關站長 75m，寬 20m，位于左岸。三心圓拱壩設計- 20 - 第四章 拱壩設計§4.1 拱壩型式及布置一 拱壩剖面設計拱冠梁剖面的主要尺寸包括壩頂厚度、壩底厚度和拱冠梁上游曲線參數。1．壩頂厚度（T C）：根據結構、人防、運用等要求并考慮改善壩體應力，初步設計，采用下列經驗公式：TC=0.01（H+2.4b 1） （4-1）Tmin=3～5m式中：H——壩高（m）b1——壩頂高程處兩拱端新鮮基巖之間的直線距離（m） 。考慮到交通要求、以及頂拱厚度加大對梁應力有利，取 Tc=8.33 米。2．底部厚度（T B）：拱壩的底部厚度是控制拱壩斷面尺寸的一個重要特征數據，其影響因素較多，其中最主要的是壩高和河谷形狀。本設計采用我國朱伯芳等建議，作為拱壩的優(yōu)選初始方案：TB=K（b 1+bn-1）H/〔σ a〕 （4-2）式中：K——經驗系數，一般可取 K=0.35b1、b n-1——第一層和倒數第二層拱圈兩拱端新鮮基巖面之間的直線距離（m）〔σ a〕——拱的允許壓應力（t/m 3）H ——壩高將 A 江拱壩數據代入得 TB=25.6888 米。雙曲拱壩上游面曲線：用黎展眉高級工程師推薦的方程式定出：z= -x1(y/H)+x2(y/H)2 （4-3）- 21 - 式中 x 1=2β 1x2 x2=β 2TB/(2β 1-1) β 1=0.6~0.65 β 2=0.3~0.6取 β 1=0.62 β 2=0.3 經計算得：上游面的曲線方程為 z= -40.3×y/97.0+32.5×(y/97.0) 2下游面的曲線按 Tc，T B沿高程線性內插。設第 i 層拱圈的厚度為 Ti 則Ti=Tc+(TB-Tc)/ H×yi （4-4）表 4-1 拱冠梁斷面的幾層典型拱圈的幾何尺寸高程 y Z 上 Z 下 各層拱厚193.21 0 0 8.33 8.33168 25.21 -7.92573 4.728107 12.65384143 50.21 -11.8505 5.091149 16.94165118 75.21 -11.8568 9.372665 21.2294792 101.21 -7.70664 17.98216 25.6888二 拱壩的布置（1）根據初步擬訂的拱壩斷面尺寸進行平面布置，確定各高程拱圈中心角、半徑、圓心位置等參數，然后按擬訂的方案進行應力和穩(wěn)定分析。拱壩布置按下列程序進行：1.根據地形地質等基本資料，找出壩址可利用巖石等高線。2.在已定壩址處，選定拱壩在平面上的壩軸線，在壩址可利用巖面的等高線上，定出頂拱的中心角和頂拱厚位置。3.結合地形特點，初定拱冠懸臂梁的剖面形態(tài)及尺寸，以各層拱圈的拱冠斷面與懸臂梁剖面尺寸相重合為準，從上往下，每 25.04m 為一層，試畫出各層拱圈的水平拱圈線。4.按試畫的拱圈線，切出幾個垂直剖面，檢查垂直方向是否扭曲，倒懸度是否滿足要求。5.根據上述初步選定的拱壩形式和尺寸，按拱冠梁法求出分配荷載后，計算拱梁上下游壩面應力及兩岸壩肩的穩(wěn)定。三心圓拱壩設計- 22 - （2）拱壩布置的原則：1.壩面力求平順；2.壩軸線布置處應使下游有足夠的支撐巖體；3.剖面的倒懸度小于 1/3；4.各層拱圈，拱端的內弧面的切線與利用的巖面等高線的夾角不小于 30o；5.頂部中心角取 70°～110°之間，對各層中心角，左右半中心角相差小于5 o，中心角方向盡可能順河向。（3）拱壩布置的結果:表 4-2 各層拱圈特性參數截面 高程 拱厚 T 左半中心角 右半中心角 上游拱圈半徑 下游拱圈半徑1 193.21 8.33 53 54 192.182717 183.852722 168 12.65384 51 53 165.766823 153.112983 143 16.94165 53 52 136.876895 119.935254 118 21.22947 51 53 104.042476 82.8130065 92 25.6888 41 44 67.0711228 41.382323§4.2 荷載及其組合 09一 荷載及計算作用在拱壩上的荷載主要有自重、靜水壓力、泥沙壓力、風浪壓力、溫度和地震荷載。(1)自重計算本設計自重應力在施工過程中就已經形成，全部由梁承擔。將拱壩各壩塊的水平截面由扇形簡化為矩形，上下游壩面簡化為梯形，計算公式如下：（4-5）??hRcAG????21式中：Rc——混凝土容重，取 2.4 噸/米 3△h——計算壩塊的垂直高度A1，A 2——上、下兩端截面的面積。經計算得拱壩總重量約為 8.2 萬噸。（2）泥沙壓力- 23 - 水庫建成后，過水端面加大，使得流速減緩，入庫水流挾帶的泥沙逐漸淤積在壩前，對壩體產生了泥沙壓力。由于淤積高程是隨時間而逐年增加，故淤積計算年限可取為 50——100 年。計算公式如下：ps=γ shstg2(45o-φ s/2) （4-6）式中：p s——泥沙對上游壩底的水平壓強；γ s——泥沙浮容重。取為 0.85t/m3；φ s——泥沙的內摩擦角，為 10o；hs——泥沙的淤積高度，為 23m。經計算得 ps =13.76t/m3（3）溫度荷載拱壩是固結于基巖的整體結構，因此溫度和基巖的變化對拱壩應力的影響較顯著，故設計時，溫度荷載必須列為一項主要荷載。△θ=47/（T+3.39） （4-7）（4）靜水壓力作用在壩面上的靜水壓力是拱壩所承受的主要荷載。按水力學原理計算，壩面上任意一點靜水強度為：pi=γ 0×y （4-8）式中：γ 0——水的容重，取為 1.0t/m3 y——計算點距水面的深度（5）地震荷載：地震荷載用 Excel 編制表格計算出縱向地震慣性力，縱向地震激蕩力，橫向地震慣性力，橫向地震激蕩力。（6）揚壓力由于拱壩底厚度很小，作用于壩底的揚壓力很小，故在計算壩體應力時，可忽略揚壓力。但在分析拱座穩(wěn)定時，要求計算作用于滑裂面的揚壓力。而實際計算中由于沒有考慮地下水位等因素的影響，將揚壓力作用于拱壩壩肩，然后投影到滑裂面上。壩體內的基礎帷幕灌漿廊道上游壁至下游壩面距離應不小于0.05～0.1 倍水頭，且不小于 4～5m。二 荷載組合荷載組合情況包括基本組合（水庫處于正常運行情況下可能發(fā)生的各種荷載組合，由基本荷載組成）以及特殊組合（水庫處于非常運行情況下可能發(fā)生的各種荷載組合，由基本荷載和特殊荷載組成） 。（1）基本組合包括：1．正常水位+溫降；三心圓拱壩設計- 24 - 2．設計水位+溫升。（2）特殊組合包括：1．校核水位+溫升；2．正常水位+溫降+地震。§4.3 計算原理和計算步驟 一 計算原理 本設計中采用拱冠梁法進行計算。取拱冠處的一根懸臂梁，根據拱圈和拱冠梁的各交點徑向變位一致的條件來求得拱梁的荷載分配，且各層拱圈分配到的徑向荷載從拱冠到拱端為均勻分布，以拱冠梁所分配到的荷載代表全部梁系的受力情況。二 計算步驟拱冠梁法的主要步驟是：①選定若干拱圈，分別計算各拱圈拱頂以及拱冠梁與各拱圈交點在單位徑向荷載作用下的變位，這些變位稱為“單位變位” ；②根據各共軛點拱梁徑向變位協(xié)調的關系以及各點荷載之和應等于總荷載強度的要求建立變位協(xié)調方程組；③將上述方程組聯(lián)立求解，得出各點的荷載分配；④根據求出的荷載分配值，分別計算拱冠梁的內力和應力?！?.4 應力強度分析(電算,手算)一 電算根據設計要求，可對正常水位+溫降、設計水位+溫升、校核水位+溫升三種工況用計算機進行計算，計算結果如下：表 4-6 梁拱應力電算結果（正常水位+溫降） （單位： t/m 2）拱冠 拱端 懸臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 223.46 136.43 103.33 262.02 0 0- 25 - 2 262.29 110.66 61.53 226.57 57.41 53.943 312.05 9.75 -60.10 196.3 77.77 125.774 221.85 -0.02 -24.36 143.34 52.56 223.515 96.08 -65.76 -39.69 45.73 -26.38 354.77表 4-7 梁拱應力電算結果（設計水位+溫升） （單位： t/m 2）拱冠 拱端 懸臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 269.82 210.07 187.35 296.29 0 02 284.1 169.98 133.0 254.88 84.71 28.323 317.0 74.6 18.6 221.87 112.72 92.894 236.25 54.58 34.65 170.21 86.4 189.925 123.43 -20.24 2.91 76.79 38.71 281.86表 4-8 梁拱應力電算結果（校核水位+溫升） （單位：t/m 2）拱冠 拱端 懸臂梁截面 上游 下游 上游 下游 上游 下游1 288.79 223.4 198.53 317.77 0 02 302.28 179.32 139.47 271.21 88.93 25.363 333.88 76.86 17.48 233.49 110.69 97.084 245.77 55.71 34.86 177.13 77.8 200.95 126.6 -21.48 2.37 78.95 25.94 296.97由以上計算結果可知，正常水位+溫降、設計水位+溫升、校核水位+溫升三種下最大拉應力分別為 65.76 t/m2、20.24 t/m 2、21.48 t/m 2滿足應力要求。二 手算(1)拱冠梁法計算拱梁荷載分配。1.變形協(xié)調方程為：ai1x1+ai2x2+ ai3x3+ ai4x4+ ai5x5+ xiδ i= Piδ i+ΔA i-ΔB i （4-9）式中：a ij——單位荷載作用在梁上 j 點使 i 點產生的徑向變位，稱為梁的變位系數三心圓拱壩設計- 26 - δ i——在單位均勻徑向水平荷載作用下，第 i 層拱圈拱冠處的徑向變位，稱為拱的變位系數ΔA i——第 i 層拱圈由于該層均勻溫度變化 Δθ 時在拱冠處的徑向變位ΔB i——作用于梁上豎直方向荷載引起的拱冠梁上 i 點的徑向變位i——1，2，3，4，5 Pi、x i——分別為第 i 層截面處水平徑向總荷載、梁分擔的荷載(2)計算步驟：1.拱圈變位系數 δ i的計算及均勻溫降 Δθ 時的 ΔA i的計算：δ i=Δγ 0（R/E C） （4-10）式中：Δγ 0——可由拱圈的 Φ A、T/R 查表 4-7（沈長松編《拱壩》 ）得出；EC——混凝土的彈性模量，取 2.2×106；R——第 i 層拱圈的平均半徑。ΔA i=Δγ 0（RCΔθ） （4-11）式中：Δγ 0——可由拱圈的 Φ A、T/R 查表 4-8（沈長松編《拱壩》 ）得出；R——第 i 層拱圈的平均半徑；C——壩身材料線脹系數，取 0.8×10-5；Δθ——第 i 層拱圈的均勻溫度下降值。Δθ=47/（T+3.39）( oC) （4-12）T——第 i 層拱圈的拱厚。經計算得表 4-9 各層拱圈的 δ i與 ΔA i的結果截面 高程拱厚T平均半徑R T/R ΦAδ i(1/Ec)Δθ ΔAiEc*C*△θ1 193.21 8.33 188.02 0.04 53.50 -9263.14 4.01 -24459.79 70.58 2 168.00 12.65 159.44 0.08 52.00 -4258.48 2.93 -14617.53 51.56 3 143.00 16.94 128.41 0.13 52.50 -2128.13 2.31 -8699.67 40.69 - 27 - 4 118.00 21.23 93.43 0.23 52.00 -930.07 1.91 -4487.84 33.60 5 92.00 25.69 54.23 0.47 42.50 -284.98 1.62 -2026.75 28.45 (3)垂直荷載作用下引起的梁的徑向變位 ΔB i的計算：垂直荷載（壩重、水荷載）作用下由于彎矩引起的變位 ΔB iIΔB iI=Ω iyi （4-13）式中：Ω i——垂直荷載作用下 i 截面以下 M/ECI 圖的面積；yi——Ω i面積形心至 i 截面的距離。由于梁基變形產生的拱冠梁徑向變位 ΔB iⅡΔB iⅡ =θxh i+Δγ f （4-14）僅垂直荷載時θx= Mxα （4-15）Δγ f= Mxα 2 （4-16）式中 α=5.62/（Ec×T 2）×n=5.62/(26.6 2×Ec)=000794/Ecα2=0.74/(26.6×Ec)Mx=-4210.55 t·m表 4-10ΔB i(1/Ec)的計算截面 hi ΔBiⅡ ΔBiⅠ ΔBi1 101.21 -3662.85 3851.3546 188.52 76 -2780.336 2092.6894 -687.63 51 -1905.173 389.72162 -15154 26 -1030.01 -450.0242 -14805 0 -119.8407 0 -1