1 工程总体布置
工程等别及建筑物级别
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》，确定工程规模、工程等别、防洪标准及设计标准。灌溉农田在50万亩以上，属于Ⅱ等中型工程。发电在20万千瓦。根据规范，按各指标中最高等级确定工程等别：综合取水库工程等级为Ⅱ等中型工程。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准（SL252-2000）》中“水库大坝提级指标”表中的规定，混凝土和浆砌石重力坝大坝高度超过了100m，按提高一级的规定，大坝的建筑物级别提高为1 级。其余永久性水工建筑物中的主要建筑物为2级，次要建筑物和临时建筑物为2 级，而洪水标准不提高。
2 非溢流坝坝体设计
2.1 剖面拟定
2.1.1 剖面设计原则
1、设计断面要满足稳定和强度要求； 2、力求剖面较小； 3、外形轮廓简单；
4、工程量小，运用方便，便于施工。 2.1.2 拟定基本剖面
重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力（水位与坝顶齐平）和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形剖面，如图3—1，在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c 和扬压力U 的条件下，根据抗滑稳定和强度要求，可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。根据工程经验，一般情况下，上游坝坡坡率n=0～0.2，常做成铅直或上铅直下部倾向上游；下游坝坡坡率m=0.6～0.8；底宽约为坝高的0.7～0.9 倍。
图3-1 重力坝的基本剖面图示
2.1.3 拟定实用剖面 一、确定坝顶高程
1、超高值Δh 的计算 （1）基本公式
坝顶高程应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，防浪墙顶至设计洪水位或校核洪水位的高差Δh，可由式（3-1）计算。
Δh = h1% + hz + hc （3-1）
Δh—防浪墙顶与设计洪水位或校核洪水位的高差，m； H1% —累计频率为1%时的波浪高度，m；
hz —波浪中心线至设计洪水位或校核洪水位的高差，m；
hc —安全加高，按表3－1 采用,对于Ⅲ级工程，设计情况hc＝0.4m，校核情况hc＝0.3m。
表2－1 坝的安全加高hc
运用情况 设计情况（ 基本情况） 校核情况（ 特殊情况） 坝的级别 1 2 3 0. 7 0. 5 0. 5 0. 4 0. 4 0. 3 下面按官厅公式计算h1% ， hz。（适用于V0小于２０m/s，Ｄ小于２０km的峡谷水库）
V0 为计算风速，m/s，设计洪水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。正 常蓄水位和设计洪水位时，采用的最大风速１７m/s，西北偏西；校核洪水位时，采用多年平均最大风速１２m/s。
D 为吹程，km，按回水长度计算：正常蓄水位时回水长度为4.5km，设计洪水位时回水长度为4km，校核洪水位时回水长度为4km。
波高hl，当gD/V02=20～250 时，为累计频率5%的波高h5%；当gD/V02=250～1000 时，为累计频率10%的波高h10%。规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41。
首先计算波浪高度hl 和波浪长度L 和波浪中心线超出静水面的高度hz。 （1）设计洪水位时Δh 计算
风速采用的风速217m/s，吹程D=4.5km。 波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166 V0 D=0.0166×17×4.5=0.95m 波长L=10.4(h1) =10.4×0.95=9.98m 壅高hz=πhl/L=3.14×0.95/9.98=0.28m gD/V0=9.8×4500/17=152.60<250；
h1%=1.24h5%=1.24×0.95=1.18m ； hz = 0.28m ； hc = 0.7m Δh = h1% + hz + hc=1.18+0.28+0.7=2.16m （2）校核洪水位时Δh 计算
风速采用多年平均风速12m/s，D=4km。 波浪三要素计算如下：
波高hl=0.0166 V0 D=0.0166×12×4=0.59m 波长L=10.4(h1) =10.4×0.59=6.86m 壅高hz=πhl/L=3.14×0.59/6.86m=0.16m gD/V0=9.8×4000/12=272.22>250；
h1%=1.41h10%=1.41×0.59=0.83m ； hz = 0.16m ； hc = 0.5m Δh = h1% + hz + hc=0.83+0.16+0.5=1.49m 2、坝顶高程计算
坝顶高程按式（3-5）计算，并选用其中较大值
坝顶高程=设计洪水位+Δh 设
坝顶高程=校核洪水位+Δh 校 （3-5） 根据以上两种水位时Δh 计算结果，得出两种状况下坝顶高程。 （1） 设计洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=设计洪水位+Δh
=186.60+2.16 =188.76m
（2）校核洪水位时的坝顶高程：
▽坝顶=校核洪水位+Δh
=189.60+1.49=191.09m
为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝191.09m，且坝顶高程要高于校核洪水位，所以取坝顶高程为▽191.09m。
2.2、确定坝基高程
2
2
2
2
0.8
0.8
5/4
1/3
5/4
1/3
2
2
2
2
0.8
0.8
5/4
1/3
5/4
1/3
河床高程100m，校核洪水位为191.09m，地基开挖时河床上的大块石、卵石必须清除5-6 m，所以开挖应按100m 以上坝高标准要求考虑。根据规范，坝高超过100m 时，可建在新鲜下部基岩上，故挖6m。
坝基为花岗斑岩，风化较浅，岩性均一新鲜完整坚硬。坝址的地质构造简单，无大的地质构造，缓倾角节理延伸短，整体滑动可能性小。但倾角节理较发育，以节理构造为主，应结合基础开挖予以挖除7m。通过立式图上确定的坝基开挖线定出建基面最低开挖高程为▽87m，因此，最大坝高为104m，属于高坝。 2.3、拟定坝顶宽度
坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。
因无特殊要求，根据规范的规定，坝顶宽度可采用坝高的8%～10%取值，且 不小于2m 并应满足交通和运行管理的需要。按坝高的10%计算，即为10.4米，考虑到上游防浪墙、下游侧护栏、排水沟槽及两边人行道等，取坝顶宽为12m，以满足大坝维修作业通行需要。 2.4、拟定剖面尺寸
根据规范SL319-2005规定，非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝 顶附近。基本断面上部设坝顶结构。坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。
实体重力坝上游坝坡宜采用1∶0～1∶0.2，坝坡采用折面时，折坡点高程应 结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。
下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同 时选定。下游坝坡宜采用1∶0.6～1∶0.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。拟定坝体形状为基本三角形。坝的下游面为均一斜面，斜面的延长线与上游坝面相交于最高库水位处，为了便于布置进口控制设备，又可利用一部分水重帮助坝体维持稳定，本次设计采用上游坝面上部铅直，下部倾斜的形式。该形式为实际工程中经常采用的一种形式，具有比较丰富的工程经验。
上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资 料可知，淤沙高程为115m，由于死水位为164m，折点取在高程为151m 的位置。通过最优方案的比较，上游坝坡取1：0.18，下游坝坡取1：0.7。 2.5、坝底宽度拟定
坝底宽度约为坝高的0.7～0.9 倍，本工程的坝高为104m，通过已经确定的 上下游坝坡坡率，最终确定坝底宽度B=12+73=85m。 2.6、基础灌浆廊道尺寸拟定
高、中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。
基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，一般宽为 2.5～3m，高为3～4m，为了保证完成其功能且可以自由通行，本次设计基础灌
浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面 0.05～0.1 倍作用水头、且不小于4～5m 处设置，本次设计取8m，为满足压力
灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度，取5m。
3. 荷载计算及其组合
重力坝的主要荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力、地震荷载等，常取1ｍ坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合与特殊组合两类。基本组合属于设计情况或正常情况，由同时出现的基本荷载组成。特殊组合属校核情况或非常情况，由同时出现的基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。设计时应从这两类组合中选择几种最不利的、起控制作用的组合情况进行计算，使之满足规范中规定的要求。
本次设计考虑的基本荷载组合为正常蓄水位和设计洪水位；特殊组合为校核洪水位和地震情况，它们分别考虑的荷载如表3-1 所示。
表3-1 荷载组合
荷载 主要考虑情组合 况 （1）正常蓄基本 水位情况 组合 （2）设计洪√ √ √ √ √ √ √ 水位情况 （1）校核洪√ √ √ √ √ √ √ 特殊 水位情况 组合 √ √ √ √ √ √ √ （2）地震情 况 注：1.应根据各种作用同时发生的实际可能性，选择计算中的最不利的组合；
2.分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。 3.施工期的情况应作必要核算，作为特殊组合。
4.根据地质和其他条件，如考虑运用时排水设备，易于堵塞，须经常维修时，应考虑排水失效的情况，作为特殊组合。
5.地震情况的静水压力、扬压力、浪压力按正常蓄水位计算。 6.表中的“+”表示应考虑的荷载。 （1）自重W
坝体自重的计算公式： W =Vγ
（kN） （3-6） c
荷载 自重 静水 扬压 泥沙 浪压 地震 动水 土压 压力 力 压力 力 荷载 压力 力 √ √ √ √ √ √ 式中 V——坝体体积，ｍ3；由于取1ｍ坝长，可以用断面面积代替
γc ——坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为24kN/m3） 四种情况下自重相同。
W11=24×0.5×64×12=9216kN W12=24×12×104=29952kN
W13=24×0.5×61×88.86=76089.36kN
W1=W11+W12+W13=115257.36kN （2）静水压力P
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水压力PH和垂直水压力PV 两种。
计算各种情况下的上下游水深： 根据水力学公式
式中： 根据相关规范，C=1，m=0.49，ε1=1，σs=1；
溢流坝宽度10m，B=10m；
表3-2 不同情况下上下游水深
特征水位 正常蓄水位 设计洪水位 上游水深H1 （m） 下游水深H2（m） 上下游水位差H(m) 184.25 186.64 103.5 114.15 115.50 80.75 72.49 74.1 校核洪水位 189.60 计算各种情况下静水压力： 水平水压力PH 计算公式为：
（3-8）
式中： Ｈ — 计算点处的作用水头，ｍ；
γw —水的重度，常取9.81 kN／ｍ3；
垂直水压力PV 按水重计算。 a.正常蓄水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×97.25×97.25=46389.34kN （→） 下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×16.5×16.5=1335.39kN （←） 上游垂直水压力：PV1=W2’=9.81×12×33.25=3914.19kN PV2=W2” =9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：PV3=W3=9.81×1/2×16.5×16.5×0.7=934.77kN b.设计洪水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×99.64×99.64=48697.46kN （→） 下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×27.15×27.15=3615.59kN （←） 上游垂直水压力：PV1=W2’=9.81×35.64×12=4195.54kN
PV2=W2”=9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：PV3=W3=9.81×1/2×27.15×19.01=2531.58kN c.校核洪水位：
上游水平水压力：PH1=Pu=1/2×9.81×102.6×102.6=51633.76kN （→） 下游水平水压力：PH2=Pd=1/2×9.81×28.5×28.5=3984.09kN （←） 上游垂直水压力：PV1=W2’=9.81×12×38.6=4543.99kN
PV2=W2”=9.81×1/2×12×64=3767.04kN
下游垂直水压力：PV3=W3=9.81×1/2×28.5×19.95=2788.86kN
(3) 扬压力U
根据规范，排水处扬压力折减系数：α=0.25,将扬压力分成四部分，U1，U2，U3，U4。 a.正常蓄水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×80.75×9.81=3564.71kN U2=9.81×0.25×80.75×12=2376.47kN U3=1/2×9.81×0.25×80.75×73=7228.44kN U4=9.81×85×16.5=13758.53kN U=U1+U2+U3+U4=226928.15kN
b.设计洪水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×72.49×9.81=3200.07kN U2=9.81×0.25×72.49×12=2133.38kN U3=1/2×9.81×0.25×72.49×73=6489.03kN U4=9.81×85×28.5=23764.73kN
U=U1+U2+U3+U4=34461.51kN
c.校核洪水位：
U1=1/2×12×（1-0.25）×74.1×9.81=3205.9kN U2=9.81×0.25×74.1×12=2180.76kN U3=1/2×9.81×0.25×74.1×73=6633.15kN U4=9.81×28.5×85=23764.73kN U=U1+U2+U3+U4=35849.78kN
地震情况按正常蓄水位计算。 （4）泥沙压力Ps
一般计算年限取50～100 年，水平泥沙压力
式中：γ
sb——泥沙的浮容重，kN/m3；
hs ——坝前淤沙厚度，ｍ； Φs ——淤沙的内摩擦角，( °)。
浮容重为8.5kN/m3，,φs=10°。
水库坝址处多年平均年固体径流总量331万t百年水库淤积高程115m。 故泥沙压力为
Ps=1/2×8.5×28×28×tan2（45°- 5°）=2346.02kN
（5）浪压力 1.基本数据
Ps 为：
表3-3 浪压力计算基本数据表 正常蓄水位 17 4500 9.81 184.25 87 0.7 97.25 设计洪水位 17 4000 9.81 186.64 87 0.7 99.64 校核洪水位 12 4000 9.81 189.60 87 0.5 102.6 计算风速V0(m/s) 有效吹程D(m) 重力加速度g(m/s2) 水位高程(m) 坝基高程(m) 安全超高hc(m) 迎水面深度H(m) 2.波浪要素计算及波态判别
根据规范SL319-2005，波浪要素按官厅水库公式计算（适用于V0<20m/s 及D<20km）：
h ——当gD/V02=20～250 时，为累积频率5%的波高h5%；
当gD/V0=250～1000 时，为累积频率10%的波高h10%
Lm ——平均波长（m）；
波浪中心线至水库静水位的高度hz 按下式计算：
2
平均波长按下式计算：
a.正常蓄水位：
Lm =0.331V0
-1/2.15
21/3.75
2
(gD/V0)×V0/g
2 1/3.75
=0.331×17
-1/2.15
(9.8×4500/17)×17/9.8=9.99m
2
hl =0.0076V0
-1/12
(gD/V0)×V0/g
(9.8×4500/17)×17/9.8=0.945m
21/3
2
21/32
=0.0076×17
-1/12
h1%=1.24×h5%=1.17m hz=3.14×1.17/9.99=0.431m 因H>Lm /2，属于深水波。
b.设计洪水位：
Lm=0.331×17h1%=1.178m hz=0.28m
因H>Lm /2，属于深水波。
c.校核洪水位
Lm=0.331×12h1%=0.83m hz=0.16m
因H>Lm /2，属于深水波。
3.波浪压力计算
各种情况均按深水波计算浪压力，浪压力计算公式为
-1/2.15-1/2.152
(9.8×4000/17)
21/3.75
×17/9.8=9.99m
2
(9.8×4000/12)
21/3.75
×12/9.8=6.82m
2
a.正常蓄水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=9.8×9.99×（1.172+0.431）/4=39.27kN
b.设计洪水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=9.8×9.99×（1.178+0.28）/4=35.72kN
c.校核洪水位：
Pl=γLm(h1%+hz)/4=9.8×6.82×（0.83+0.16）/4=16.56kN
地震情况按正常蓄水位计算。
（6）地震荷载
工程区地震烈度为7 度，设计时考虑水平向地震惯性力代表值Fi，按式（3-15）计算
当设计烈度为7 度时，αh 取0.1g，ξ一般取0.25，αi 为质点i 的动态分布系数，按式（3-16）计算
地震时，坝前、坝后的水也随着震动，形成作用在坝面上的激荡力。在水平地震作用下，单位宽度上的总地震动水压力F0 为
F0=86.56/90×0.65×0.1×9.8×0.25×1.0×99.64=1520.62kN （7） 其它荷载
冰压力、土压力应根据具体情况来定。温度荷载一般可以采取措施来消除，稳定和应力分时可以不计入。风荷载、雪荷载、人群荷载等在重力坝荷载中所占比例很小，可以忽略不计。 3.3 稳定分析
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法和分项系数极限状态设计进行计算和验算。抗滑稳定分析的目的是核算坝体沿坝基面或沿地基深层软弱结构面抗滑稳定的安全度。抗滑稳定计算时取单宽作为计算单元。
正常蓄水位情况和地震情况按单一安全系数法验算，设计洪水位情况和校核洪水位情况按承 载能力极限状态验算。 图为坝体抗滑稳定计算简图 1.单一安全系数法：
因坝体混凝土与基岩接触良好，本次设计单一安全系数法采用抗剪断强度计算公式进行稳定分析，计算公式如下：
2
式中：
K′—— 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；
f′—— 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数，f′=0.75；
c′—— 坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，KPa，c′=500KPa； A —— 坝基接触面截面积，m2。 ΣW—— 作用于坝体上全部荷载（包括扬压力）对滑动平面的法向分值，kN； ΣP—— 作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，kN； 按抗剪断强度公式（3-18）计算的坝基面抗滑稳定安全系数K′值应不小于 表3-6的规定。
表3-4 坝基面抗滑稳定安全系数K′
荷载组合 基本组合 特殊组合 （1） （2） （1）基本组合 a.正常蓄水位
单一安全系数法：
K′ 3.0 2.5 2.3
KS’=[0.75×72708.91+500×85]/47439.24=2.43<3.0
不满足规范要求。 b.设计洪水位： 单一安全系数法：
KS’=[0.75×68467.39+500×85]/47463.61=2.33<2.5
不满足规范要求。 b.校核洪水位： 单一安全系数法：
KS’=[0.75×67880.63+500×85]/50012.25=2.21<2.5
不满足规范要求。 采取措施
1. 利用水重 将坝的上游面向上游倾斜，利用坝面的水重来提高坝
的稳定性。
2. 采用有利的开挖轮廓线 开挖地基时利用沿免得自然坡度，使坝
基倾向上游。有时将坝址高程降低，使坝基面倾向上游。 3. 设置齿墙。
4. 预应力 采用深孔锚固高强度钢索，并施加预应力，可增加坝体
稳定性。
4 应力分析
用材料力学法计算边缘应力。在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。
当采用材料力学法分析坝体应力时，SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标如下（本次设计只考虑运用期）。
重力坝坝基面坝踵、坝趾的垂直应力应符合下列要求： 运用期
1） 在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵垂直应力不应出现拉应力，坝趾垂直应力应小于坝基容许压应力；
2） 在地震荷载作用下，坝踵、坝趾的垂直应力应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）的要求；
重力坝坝体应力应符合下列要求： 运用期
1） 坝体上游面的垂直应力不出现拉应力（计扬压力）。 2） 坝体最大主压应力，应不大于混凝土的允许压应力值。
3） 在地震情况下，坝体上游面的应力控制标准应符合《水工建筑物抗震设计规范》（SL 203-97）的要求。
同样采用单一安全系数法和分项系数极限状态设计式对四种情况分别分析水平截面上的正应力。 单一安全系数法：
因为假定σy 按直线分布，所以按偏心受压公式计算上、下游的边缘应力 σ
yu和σyd 。
ΣW——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的总和，kN；
ΣM——作用于计算截面以上全部荷载对坝基截面垂直水流流向形心轴的力
矩总和，kN·m； B——计算截面的长度，m。
坝体最大主应力按下游边缘最大主应力计算：
正常蓄水
=123873.36/85+6×(-820200)/85=776.2kN>0
2
坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。
2
=123873.36/85-6×(-820214)/85=2138.46kN
坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
=(1+0.49)×2138.46=3186.31 kN
设计洪水
=125751.52/85+6×(-820214)/85=798.28kN>0
坝踵铅直应力没有出现拉应力，符合规范要求。
2
2
=12571.52/85-6×(-820214)/85=2160.58kN
坝趾铅直应力小于坝基容许压应力，符合规范要求。
=(1+0.49)×2160.58=3219.26kN
小于混凝土的容许压应力。 校核洪水位
偶然状况，只需采用承载能力极限状态法判别大坝是否满足强度要求。 （1）计算作用效应函数
=[126357.25/85-6×(-1016450.82)/85]×(1+0.49)=3472.7 kN
满足强度要求。 地震情况
2
=125751.52/85+6×(-820214)/85=798.28kN
2
=12571.52/85-6×(-820214)/85=2160.58kN
地震荷载作用下，铅直应力符合SL 203-97《水工建筑物抗震设计规范》的要求。
经计算初拟的方案满足应力和稳定的要求，且其折点处的应力和稳定也均满足要求，初步符合要求。
2
5 消能防冲设计
《水工建筑物》及《混凝土重力坝设计规范》可知消能的设计原则是： 1）尽量使下泄水流的大部分动能消耗在水流内部的紊动中，以及水流与空气的摩擦上；
2）不产生危及坝体安全的河床或岸坡的局部冲刷；
3）下泄水流平稳，不影响枢纽中其它建筑物的正常运转； 4）结构简单，工作可靠，工程量小。 确定消能形式
（1）挑流消能:挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射,使水流扩散,并掺入大量空气，然后跌入下游河床水垫后,形成强烈的旋滚,并冲刷河床形成冲坑,随着冲坑逐渐加深，水垫愈来愈厚,大部分能量消耗在水滚的摩擦中, 冲坑逐渐趋于稳定.挑流消能的工程量小、投资省,结构简单、检修施工方便.但下游局部冲刷不可避免,一般适用于岩基比较坚固的高坝或中坝。
（2）底流式消能:底流消能是在坝址下游设消力池,消力坎等,促使水流在限定范围内产生水跃,通过水流内部的旋涡、摩擦、掺气和撞击消耗能量.底流消能具有流态稳定，消能效果好,对地质条件和尾水变幅适应性强及水流雾化等优点。 但工程量大，不宜排漂或排冰.底流消能适应于中低坝或基岩较软弱的河道,高坝采用底流消能需经论证。
（3）面流式消能:面流消能是在溢流坝下游面设低于下游水位、挑角不大的鼻坎，将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，其流速低于表面，且旋滚水体的底部流动方向指向坝址，并使主流沿下游水面逐步扩散，减小对河床的冲刷，达到消能防冲的目的。面流消能适用与水头较小的中、低坝，要求下游水位稳定，尾水较深，河道顺直，河床和河岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。面流消能虽不需要做护坦，但因为高速水流在表面，并伴随着强烈的波动，流态复杂，使下游在很长距离内水流不平稳，可能影响电站的运行和下游航运，且宜冲刷两岸，因此也须采取一定的防护措施。 （4）最终确定消能型式
分析比较以上消能工的优缺点，考虑到本次设计的重力坝属于高坝，下游地质条件比较好的情况，决定选用挑流消能。
6 细部构造设计
6.1 坝顶构造
坝顶路面应具有2～3％的横向坡度，并设置砼排水沟(30×30cm)以排出坝顶雨水，坝顶上游的防浪墙（宽0.5m，高1.2m）要承受波浪和漂浮物的作用，因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性，宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构，而上下游侧则可设防护栏，为满足运用要求和交通要求，设置公路，在坝顶上布置照明设施，即在上游侧每隔30m 设一对照明灯，一只朝向坝顶路面方向，一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要，在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井，便于观测和维修人员快速进出。 6.2 分缝止水 一、坝体分缝
1、横缝：减小温度应力，适应地基不均匀变形和满足施工要求；
2、纵缝：适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力，在平行坝轴线方向设置。
一般情况下横缝为永久缝，也有临时缝，垂直坝轴线，用于将坝体分成为若干独立的坝段；纵缝为临时缝，可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种，纵缝缝面应设水平向键槽，键槽呈斜三角形，槽面大致沿主应力方向，在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆，为了灌浆时不使浆液从峰内流出，必须在缝的四周设止浆片。
3、水平施工缝：是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.5～4.0m；在靠近基岩面附近用0.75～1.0m 的薄层浇筑，以利于散热，减少温升，防止开裂。 二、止水设计
横缝内需设止水，止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等，对于高坝应采用两道止水片，中间设沥青井，金属片止水一般采用1.0～1.6mm 后的紫铜片，第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力，一般为0.5～2.0m（本设计采用1.0m），每侧埋入砼的长度约为20～25cm（本设计采用25cm），在止水片的安装时要注意保证施工质量，沥青井为方形或圆形（本设计采用方形），其一侧可用预制砼块，预制块长1.0～1.5m，厚5～10cm（本设计采用1m×10cm），沥青井尺寸大致为15cm～15cm 至25cm～25cm（本设计采用20cm×20cm），井内灌注的填料由二号或三号是由沥青，水泥和石棉粒组成，井内设加热设备（通常采用电加热的方法），将钢筋埋入井中，并以绝缘体固定，从底部一直通到坝顶，在井底设置沥青排出管，以便排除老化的沥青，重填新料，管径可为15～20cm。
止水片及沥青井需伸入岩基一定深度，约30～50cm，井内填满沥青砂，止水片必须延伸到最高水位以上，沥青井需延伸到坝顶。
图6-1 止水设计
1—第一道止水铜片；2—沥青井；3—第二道止水铜片； 4—预制块；5—横缝6—沥青油毡；7—加热电极
6.3 坝体排水
坝体排水为了减小渗水对坝体的不利影响，在靠近坝体上游面需要设置排水管幕，排水管应通至纵向排水管道，其上部应通至上层廊道或坝顶（溢流面以下），以便于检修管距可采用采用3m，排水管幕距上游坝面的距离，一段要求不小于坝前水深的1/10～1/12，且不少于2m，
（1/10～1/12）（99.64～102.6）=（8.33～10.26）m
故根据规定排水管设置在距上游面9m 处，以使渗透坡降控制在允许范围内。排水管采用预制多孔混凝土管，内径可为15cm～25cm（取20cm），随着坝体混凝土的浇筑而加高。渗入排水管的水可汇集到下层纵向廊道，沿积水沟或集水管经横向廊道的排水沟汇入集水井，再用水泵或自流排水排向下游，排水沟断面常用30cm×30cm，低坡3%，排水管施工时必须防止被混凝土的杂物等堵塞。排水管与廊道的连通采用直通式，如图所示。
6.4 廊道系统
为了满足施工运用要求，如灌浆，排水，观测，检查和交通的需要，在坝体内设置各种廊道，这些廊道互相连通，构成廊道系统。 1 坝基灌浆廊道
帷幕灌浆需要在坝体浇灌到一定高度后进行，以便利用混凝土压重提高灌浆压力，保证灌浆质量。本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门水洞型。廊道的上
游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1 倍作用水头、且不小于4～5m 处设置，本次设计取8m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基岩面不宜小于1.5 倍廊道宽度，取5m。
灌浆廊道兼有排水作用，并在其上游侧设排水沟，下游侧设坝基排水孔幕，在靠近廊道最低处设置集水井，汇集从坝基和坝体的渗水，然后经由水泵抽水排至下游坝外。 2 检查及坝体排水廊道
为了检查巡视和排除渗水，常在靠近坝体上游面适当高度方向每隔15～30m设置检查和排水廊道，设置3排，断面形式多采用城门洞形，最小宽度为1.2m，最小高度为2.2m，距上游面的距离应不少于0.05～0.07 倍水头，且不小于3m,该重力坝选取7m，上游测设排水沟。
各层廊道在左右两岸应各有一个出口，并用铅直的井使各层廊道连通。排水廊道断面尺寸统一拟定为2m×2.5m，城门洞形。
7 地基处理设计
天然地基，由于经受长期的地质作用，一般都有风化、节理、裂隙等缺陷，有时还有断层、破碎带和软弱夹层，所有这些都需要采取适当的处理措施，地基处理的主要任务是：（1）防渗；（2）提高基岩的强度和整体性。 7.1 清基开挖
1 开挖原则
地基开挖与清理的目的是使坝体坐落在稳定、坚固的地基上。开挖深度应根据坝基应力、岩石强度及完整性，结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。坝高超过100m 时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。
2 开挖设计
靠近坝基面的缓倾角软弱夹层应尽可能清除。顺河流流向的基岩面尽可能略向上倾斜，以增强坝体的抗滑稳定性，基岩面应避免有高低悬殊的突变，以避免造成坝体内应力集中。在坝踵和坝址处可开挖齿坎以利稳定。采用爆破开挖时应避免放大炮，以避免造成新的裂隙或是原有裂隙张开。基岩开挖到最后0.5～1.0m，应采用受风钻钻孔，小药量爆破；遇有宜风化的页岩、粘土岩等，应留0.2～0.3m 的保护岩层，待到浇筑混凝土前再挖除。对
岸坡坝段，在平行坝轴线方向宜开挖成台阶状，但须避免尖角。
3 坝基清理 基岩开挖后，在浇灌混凝土前，需要进行彻底的清理和冲洗，包括：清除松动的岩块，打掉突出的尖角。基坑中原有的勘探钻孔、井、洞等均应回填封堵。
7.2 坝基加固
固结灌浆孔一般布置在应力较大的坝踵和坝趾附近，以及节理裂隙发育和破碎带范围内。
采用浅孔低压灌注法灌入水泥浆，以提高基岩的弹性模量、抗渗性和强度等。在坝踵、坝址附近灌注孔相对较密，呈梅花形布置，其他部位疏一些。孔距排距由灌浆试验确定，一般从10～20m 开始，采用内插逐步加密的方法，最终约为3～4m，本设计取4m。孔深5～8m，必要时还可适当加深，帷幕上游区的孔深一般为8～15m。钻孔方向垂直于基岩面。当存在裂隙时，为了提高灌浆效果，钻孔方向尽可能正交于主要裂隙面，但倾角不能太大。
7.3 防渗排水 1 帷幕灌浆
1、帷幕灌浆目的
帷幕灌浆的目的是：降低坝底渗透压力，防止坝基内产生机械或化学管涌，减少坝基渗流量。灌浆材料最常用的是水泥浆，有时也采用化学灌浆，化学灌浆的优点是：可灌性好，抗渗性强，但较昂贵，且污染地下水质，使用时需慎重，本次设计从经济合理以及环保角度考虑，选用水泥浆作为灌浆材料。
2、帷幕灌浆范围
防渗帷幕布置于靠近上游面坝轴线附近，自河床向两岸延伸，钻孔和灌浆常在坝体内特设的廊道内进行，靠近岸坡处也可在坝顶、岸坡或平洞内进行。平洞还可以起排水作用，有利于岸坡的稳定。钻孔方向一般为铅直，必要时也可有一定斜度，以便穿过主节理裂隙，但角度不宜太大，一般在100 以下，以便施工。防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质、水文地质情况确定。当地质内的不透水层厚度不大时，帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3～5m。当相对隔水层埋藏较深，则帷幕深度可根据防渗要求确定，通常采用坝高的0.3～0.7倍。
帷幕深入两岸的部分，原则上也应达到上述标准，并与河床部位的帷幕保持连续，形成连续的不透水的防渗墙。当相对隔水层距地面不远时，帷幕应深入岸坡与该层相衔接。当相对隔水层埋藏较深时，可深到原地下水位线与最高枯水位的交点B 处，如图6-2，在BC′以上设置排水，以降低水库蓄水后库岸的地下水
图7-1 防渗帷幕沿坝轴线的布置
1—灌浆廊道；2—山坡钻进；3—坝顶钻进；4—灌浆平洞；5—排水孔；6—最高库水位； 7—原河水位；8—防渗帷幕底线；9—原地下水位线；10—蓄水后地下水位线
3、帷幕灌浆设计
防渗帷幕的厚度应当满足抗渗稳定要求，即帷幕的渗透坡降不能超过规定的容许值，见表7-1。
表7-1 防渗帷幕的容许渗透坡降
帷幕区的透水率q（Lu） 帷幕区的渗透系数k(cm/s) ＜5 ＜1×10-4 ＜3 ＜6×10-5 ＜1 ＜2×10-5 容许渗透坡降J 10 15 20 灌浆所能到的帷幕厚度l 与灌浆孔排数有关，如图所示，当由n 排灌浆孔时，
l =( n −1 ) c1 + c'
此处，c1 为灌浆孔排距，一般c1=（0.6～0.7）c；c 为孔距；c'为单排灌浆时 的帷幕厚度，c'=（0.7～0.8）c。
帷幕灌浆孔的排数，在一般情况下，高坝可设两排，对地质条件差的地段还可适当增加。当帷幕由n 排灌浆孔组成时，一般仅其中一排孔钻灌至设计深度，区域各排的孔深可取设计深度的1/2～1/3。孔距一般为1.5～4.0m，排距宜比孔距略小。本次设计属高坝，所以帷幕设两排，孔距取3.0m。
钻孔方向可以是铅直的，也可有一定的倾斜度，依工程地质情况而定，帷幕灌浆必须在浇灌一定后的坝体混凝土后施工。灌浆压力一般应通过实验确定，通常在帷幕表层段不宜小于1～1.5 倍坝前静水头，在孔底段不宜小于2～3 倍坝前静水头，但应以不破坏岩体为原则。
2 坝基排水
为进一步降低坝底面的扬压力，应在防渗帷幕后设置排水孔幕。
根据规定要求，坝基的排水孔幕在防渗帷幕的下游，向下游倾斜，与灌浆帷幕的夹角为15°，孔距取3m，孔径为200mm。孔深为10m，沿坝轴线方向设置一排。
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