重力坝毕业设计成果 - 图文

目 录

摘要 ........................................................................ 1 前言 ........................................................................ 2

第一部分 设计说明书

1 工程概况 .................................................................. 3

1.1 工程地理位置 ........................................................ 3 1.2 流域概况 ............................................................ 3 1.3 工程任务与规模 ...................................................... 3 2 基本资料 .................................................................. 4

2.1 水文气象 ............................................................ 4 2.2 坝址与地形情况 ..................................................... 11 2.3 工程枢纽任务与效益 ................................................. 12 3 枢纽布置 ................................................................. 13

3.1 枢纽组成建筑物及其等级 ............................................. 13 3.2 坝线、坝型选择 ..................................................... 14 3.3 枢纽布置 ........................................................... 17 4 洪水调节 ................................................................. 19

4.1 基本资料 ........................................................... 19 4.2 洪水调节基本原则 ................................................... 22 4.3 调洪演算 ........................................................... 23 4.4 调洪计算结果 ....................................................... 27 5 非溢流坝剖面设计 ......................................................... 28

5.1 设计原则 ........................................................... 28 5.2 剖面拟订要素 ....................................................... 28 5.3 抗滑稳定分析与计算 ................................................. 31 5.4 应力计算 ........................................................... 33

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6 溢流坝段设计 ............................................................. 36

6.1 泄水建筑物方案比较 ................................................. 36 6.2 工程布置 ........................................................... 37 6.3 溢流坝剖面设计 ..................................................... 38 6.4 消能设计与计算 ..................................................... 41 7 细部构造设计 ............................................................. 42

7.1 坝顶构造 ........................................................... 42 7.2 廊道系统 ........................................................... 43 7.3 坝体分缝 ........................................................... 44 7.4 坝体止水与排水 ..................................................... 45 7.5 基础处理 ........................................................... 46 7.6 混凝土重力坝的分区 ................................................. 47

第二部分 计算说明书

1 洪水调节 ................................................................. 49

1.1 调洪演算 ........................................................... 49 1.2 调洪计算结果及分析 ................................................. 63 2 非溢流坝段计算 ........................................................... 64

2.1 非溢流坝段经济剖面尺寸拟定 ......................................... 64 2.2 重力坝非溢流坝段主要荷载 ........................................... 68 2.3 抗滑稳定分析 ....................................................... 75 2.4 抗剪断强度计算 ..................................................... 78 2.5 应力分析计算 ....................................................... 80 3 溢流坝段设计 ............................................................. 84

3.1 顶部曲线 ........................................................... 84 3.2 反弧段 ............................................................. 86 4 消能防冲设计 ............................................................. 87

4.1 洪水标准和相关参数的选定 ........................................... 88 4.2 水舌抛距计算 ....................................................... 89

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4.3 最大冲坑水垫厚度及最大冲坑厚度 ..................................... 90 致 谢 ................................................................. 92 参 考 文 献 ................................................................ 93

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BJ重力坝毕业设计

学 生：晁 阳 指导老师：蒋定国 三峡大学水利与环境学院

摘要：BJ一级水电站位于鹤峰县北佳镇柳月坪，流域面积共303.4km2。该工程开发任务以发电为主，兼顾防洪。设计中，基于给定的地质及水文气象等资料，首先进行了重力坝坝型的选择，选取了混凝土实体重力坝坝型；然后进行了水库水位调洪演算，调得设计洪水位647.8m，校核洪水位649.8m；还对挡泄水建筑物的剖面进行设计，确定坝高为117m，采用3×12m表孔溢流，并对挡水坝段进行抗滑稳定分析及坝体应力分析，结果均满足要求；最后还对大坝进行细部构造设计，并阐述了关于消能防冲的方案。

Abstract: BJ river hydropower is located of Hefeng month County town of North JiaLiu Ping, the basin area of 303.4km2.This project development, giving priority to the task to power of flood control.The design of this project is based on the data of geological and hydrological and meteorological which is given, first select the solid concrete gravity dam to be the type of gravity, and then make the calculus of floodind the reservoir water level ,the result is the design flood level 647.8m and Check flood level 649.8m; also design the water discharge structure with surface hole which size 3×12m overflow and water retaining structure to determine the dam height is 117m and water retaining dam stability analysis for the dam and stress analysis, the results are satisfied Requirements; Finally, detailed structural design of the dam, and elaborated on the energy dissipation of the program.

关键词：枢纽布置 混凝土重力坝 剖面设计 荷载计算 稳定分析 应力分析

Keywords：Ground-handling project layout concrete gravity dam Profile design the load calculation stability analysis stress analysis

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前言

本次毕业设计是根据根据教学要求，对水利水电专业本科毕业生进行的最后一项教学环节。本毕业设计内容为BJ水利枢纽工程，它基本包括了一般水利枢纽所需进行的坝工初步设计的全过程。

BJ位于鄂西南的恩施自治州鹤峰县西部，属洞庭水系，为澧水二级支流、溇水上游右岸支流。流域总面积373.4km2，干流全长41.4km，天然落差728m，平均坡降9.3‰。流域地处亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，多年平均降雨量1986.4mm，森林覆盖率在50%以上。

BJ一级电站坝址位于鹤峰县北佳镇柳月坪，控制流域面积303.4km2，占全流域面积的81.3%，坝址多年平均流量12.6m3/s，年径流量3.97亿m3。水库为流域龙头水库，具有年调节性能，正常蓄水位647.5m，总库容0.96亿m3；混凝土重力坝最大坝高117m，岸边地面式厂房装机2台，总装机容量30MW，多年平均发电量0.88亿kW·h，增加下游梯级多年发电量903万kW·h。BJ一级水电站地处BJ中下游河段，位于湖北省恩施自治州鹤峰县境内。电站下距鹤峰县城公路里程10.08km（经BJ二级水电站），离州城恩施183km，至省城武汉625km。

电站主要建筑物由大坝（非溢流坝段、溢流坝段）、电站厂房组成。本工程建成投产后，具有可观的经济效益。在经营管理效益方面，电站装机容量为30MW，一方面为工、农业和人民生活用电提供了保障，另一方面可以利用电费收入，使自身得以发展。另一方面，BJ一级水库建成后，可形成1860～3830亩的人工养殖水域，利用BJ流域气候温和湿润、雨量丰沛、光照充足、天然饵料丰富的自然条件，采用水库渔业精养及网箱养殖进行渔业规模生产，可改变鹤峰县渔业生产落后的面貌，满足人民群众膳食多样化的生活需要，还可以利用绿化、美化工程环境，发展旅游事业等等。

BJ一级水库坝址距鹤峰县城约10km，水库建成后与先期建设的BJ二级水库梯级衔接，形成以鹤峰县城为中心，北有幽谷深涧的溇水咕噜溪、南靠深山明珠八峰山、西依BJ人工湖泊，集自然景观、园林景观、湖光山色于一体的旅游景观新格局，将极大地丰富城乡居民的休闲生活，对鹤峰旅游业的发展也将起到积极的促进作用。因此工程建成后不仅可以保护广大的农田和城镇，免受洪水和渍涝灾害，而且具有很好的社会经济效益。

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大坝为混凝土实体重力坝，轴线全长277m，坝顶高程为650m，最大坝高117m。泄洪坝段位于河床中部，两侧为挡水坝段。电站采用右岸引水式，电站厂房布置在右岸，安装2台水轮机。水库的防洪库容，可满足本工程2000年防洪标准。

设计的基本内容包括调洪演算，枢纽布置设计，混凝土重力坝剖面设计，溢洪道设计，消能计算及细部构造设计等。根据设计总要求，设计内容偏重于坝型选择与主要建筑物的设计，而由于时间关系对建筑物中电站厂房坝段的设计及施工导流设计两部分设计这里不进行叙述。本书在阐述过程中，尽可能的配置了许多的插图、附表和附录，以供参阅。

本次设计期间要特别感谢指导老师蒋定国老师的悉心指导。由于时间仓促，限于本人的水平以及以前从未进行过工程实践缺乏经验，特别是对本设计的工程所在地也未进行过实地考察，因此，书中如有不当和错误之处，恳望各位老师和读者谅解予以指正。

第一部分 设计说明书

1 工程概况

1.1 工程地理位置

BJ一级水电站地处BJ中下游河段，位于湖北省恩施自治州鹤峰县境内。电站下距鹤峰县城公路里程10.08km（经BJ二级水电站），离州城恩施183km，至省城武汉625km。

1.2 流域概况

BJ位于鄂西南的恩施自治州鹤峰县西部，属洞庭水系，为澧水二级支流、溇水上游右岸支流。流域总面积373.4km2，干流全长41.4km，天然落差728m，平均坡降9.3‰。流域地处亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，多年平均降雨量1986.4mm，森林覆盖率在50%以上。

1.3 工程任务与规模

BJ一级水电站以发电为主，兼有航运、养殖和旅游等综合效益。电站坝址位于鹤峰县北佳镇柳月坪，控制流域面积303.4km2，占全流域面积的81.3%，坝址多年平均流量

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12.6m3/s，年径流量3.97亿m3。水库为流域龙头水库，具有年调节性能，正常蓄水位647.5m，总库容0.96亿m3；混凝土面板堆石坝最大坝高115.3m，岸边地面式厂房装机2台，总装机容量30MW，多年平均发电量0.88亿kW·h，增加下游梯级多年发电量903万kW·h。

2 基本资料

2.1 水文气象

2.1.1 流域概况

BJ位于恩施自治州鹤峰县境内，在东经109°45′～110°01′、北纬29°48′～~30°02′之间。属溇水上游右岸的一级支流，发源于太平乡文家河。河流呈东西向，自西向东北流经太平乡，在左岸八家河纳入支流许老河后，河流南折经北佳镇、蓉美镇于鹤峰县城鹤峰水文站下游2km处汇入溇水。其主要支流有小干溪、大溪、许老河、田家河、五马溪，河流全长41.4km，控制流域面积373.4km2，平均坡降9.3‰。

BJ地势西北高，东南低，西临酉水上游的白水河。西面分水岭一天门最高海拔高程为1920m，一般均在1700m左右，河流总落差1134m。两岸小支密布，河谷深切，基岩裸露，岩溶地貌发育，约占流域总面积的1/5。上游高山峻岭人烟稀少，中、下游山间台地稍有农田种植，故人类垦殖对自然环境影响不大。森林覆盖率约为60%，植被良好，泥沙来源不多。

BJ一级水电站工程坝址位于下游北佳镇柳月坪村，下距在建工程二级水电站坝址约8.7km，距BJ口12.3km，控制集水面积303.4km2。坝址以上河长29.1km，河流平均坡降13.1‰，总落差658m。

溇水流域属亚热带湿润气候，支流BJ雨量充沛，气候温和。因流域内无气象台站，故依据附近的鹤峰气象站观测资料统计，多年平均气温15.4℃，极端最高气温40.7℃（1959年8月23日），极端最低气温-10.1℃（1977年1月30日）。其气象特征值见表2-1-1。

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表2-1-1 鹤峰县气象站气象要素统计表

项 目 多年平均降水量 历年最大1d降水量 多年平均蒸发量 多年平均气温 历年极端最高气温 历年极端最低气温 多年平均相对湿度 多年平均风速 历年最大风速/风向 单 位 mm mm mm ℃ ℃ ℃ % m/s m/s 鹤 峰 1684.5 277.8 1000.5 15.4 40 -10.1 81 0.6 14.0/ENE

流域降水受山区地形及山地影响，有随地势增高而递增的特征。经统计（1962年～1985年）流域多年平均年降雨量1986.4mm，鹤峰站以上流域多年平均年降雨量1770.6mm（1961年～1985年）。年月降雨量见表2-1-2。

表2-1-2 鹤峰、BJ一级坝址流域年、月平均降雨量表

各 月 平 均（mm） 站 址 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 十一 十二 （mm） 年平均 鹤 峰 30.7 40.3 79.1 158.1 225.2 277.6 323.4 211.5 180.4 134.1 74.4 35.9 1770.6 一级坝址 34.8 41.4 86.4 179.6 250.9 297.5 357.4 235.3 228.8 154.6 80.3 39.4 1986.4 由上表可见流域内降雨量主要集中在4～10月，约占全年降雨量的85.6%，尤以7月份为多，是流域暴雨多发季节。设计流域内无雨量站，但流域周边有鹤峰、太平镇、中营、雪落寨等雨量站；鹤峰站以上流域内有鹤峰、中营、坪山、燕子坪、大坪等雨量站，基本能控制流域降雨。

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2.1.2 径流

BJ属山溪性河流，径流主要由降雨所至。BJ流域无实测径流资料，径流系列是依据BJ口附近的干流溇水鹤峰站1960～1998年实测径流资料，以流域面积和雨量比（1962～1985年资料）为参数推算。其中，1962～1985年各年借用两流域各月实测雨量比值推算，1960～1961年、1986～1998年因受资料条件所限，均借用1962～1985年多年平均月雨量比推算。由此统计得BJ一级坝址多年平均流量为12.6m3/s，平均年径流量3.97亿m3。

鹤峰站及BJ一级坝址年、月平均流量见表2-1-3

表2-1-3 坝址、鹤峰站年、月平均流量表

各 月 平 均 流 量（m3/s） 地址 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 年平均 3(m/s) 十一 十二 12.6 23.9 坝址 2.50 3.88 7.77 13.1 18.9 22.0 30.5 15.8 15.6 11.1 6.99 3.02 鹤峰 4.71 7.94 14.6 25.1 37.5 45.7 56.1 27.5 27.6 20.2 13.0 5.73 由上表可见，由鹤峰站推算的多年平均流量系列中，径流年内分配主要集中在汛期（4~10月），约占全年径流量的84.6%，11~3月为枯水期，其径流年内分配基本与流域降雨量年内分配相吻合。推算的坝址径流系列具有一定的代表性，基本能反映本流域的降雨量特征。 2.1.3 洪水

本流域无实测流量资料，坝址设计洪水推算方法与径流一致，也是由邻近溇水干流鹤峰站设计洪水移置法和设计流域暴雨洪水法多种方法推算。

(1)暴雨洪水法

流域内及周边有鹤峰、太平镇、雪落寨、沙坪、中营等雨量站，收集至1998年，分别有37～34年资料。统计年最大1h、6h、24h设计暴雨量，采用“湖北省暴雨洪水查算图表”法中的瞬时单位线法推算坝址设计洪水。成果见表2-1-4。

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表2-1-4 鹤峰站、坝址暴雨洪水成果表

站名 鹤峰 一级坝址 各频率（P%）设计洪峰流量（m3/s） 0.05 - 2770 0.1 4092 2570 0.2 - - 1 2790.5 - 2 - - 备 注 - 采用BJ二级水电站可行性研究阶段成果 本次成果

(2)鹤峰站设计洪水移置法

鹤峰站实测流量资料为本坝址推算洪水的依据。鹤峰站有1960～1998年已刊布的39年实测洪水及调查到的历史洪水组成的不连序系列（历史洪水按大小顺序排位为1788年、1909年、1911年、1912年、1935年、1949年、1955年、1930年），其中1962年洪水提为历史洪水处理。

本次经对该站实测系列的各年最大、次大洪水的洪峰及最大W24h、W72h洪量统计及相应的Q～W24h～W72h关系分析，以峰型为参数所作的峰、量相关关系较好。历史洪水各年相应各时段洪量由峰、量关系线平均型插补。以独立取样法分别组成最大洪峰流量及各时段洪量的不连序系列。

峰、量频率统计：实测系列按式P?P?m?100%计算经验频率，历史洪水经验频率按n?1M?100%计算，由三点法计算统计参数，P～IIIN?1型适线外延推算得设计洪水成果

见表2-1-5。见图2-1-4～2-1-6。

表2-1-5 鹤峰站设计洪水成果表

各频率（P%）设计值 项 目 0.05 Qm(m3/s) W24h(亿m3) W72h(亿m3) 7210 2.53 4.31 0.1 6480 2.31 3.98 0.2 5770 2.08 3.60 0.5 4830 1.77 3.08 1 4140 1.54 2.71 2 3440 1.32 2.32 5 2560 1.02 1.82 10 1910 0.802 1.45 7页

（3）洪水成果合理性分析：

鹤峰站历史洪水采用“湖南省洪水调查资料”刊布成果和实测流量刊布资料，精度可靠且具有39年系列已满足规范要求。从本站设计峰、量成果比较，关系线变化趋势合理，均值随着历时的增加而逐渐增大，CV值随历时的增长而减小。

设计成果经与溇水下游红花岭、江垭坝址、长潭河站设计洪水成果对照，其参数变化较合理，模数由上游向下游递减，设计值变化规律符合流域暴雨特性，故此认为鹤峰站设计洪水成果较为合理。见表2-1-6

表2-1-6 溇水上下游各站设计洪水参数比较表

集水面积河 名 站 址 （km） 鹤峰 溇 水 红花岭 江垭坝址 长潭河 647.3 2393 3711 5018 23均 值 Cv Q（m/s） 911 2780 3560 4110 M(m/s) 1.41 1.16 0.96 0.82 0.90 0.48 0.49 0.47 3.0 3.0 3.5 3.5 3Cs/Cv

综上所述，从鹤峰站不同方法计算的设计洪水成果比较，频率为P%=1，P%=0.1，洪峰相差32.6%及36.9%，显然暴雨洪水法成果经实测流量系列验证精度较差，不予采用。

坝址设计洪水采用鹤峰站设计洪水峰量值，洪峰以流域面积比的2/3次方推算，各时段洪量以流域面积比的一次方及流域平均降雨量比为参数推算得BJ一级坝址、二级坝址设计洪水。成果见表2-1-7。

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表2-1-7 BJ一级坝址、二级坝址设计洪水成果表

各频率（P%）设计值 站 址 项 目 0.05 Q(m3/s) 鹤 峰 W24h(亿m3) W72h(亿m3) Q(m3/s) 一 级 坝 址 W24h(亿m3) W72h(亿m3) Q(m3/s) 二 级 坝 址 W24h(亿m3) W72h(亿m3) 7210 2.53 4.31 4350 1.32 2.24 4640 1.45 2.47 0.1 6480 2.31 3.98 3910 1.20 2.07 4170 1.32 2.28 0.2 5770 2.08 3.60 3480 1.08 1.87 3710 1.19 2.06 0.5 4830 1.77 3.08 2910 0.922 1.60 3110 1.02 1.77 1 4140 1.54 2.71 2500 0.802 1.41 2660 0.883 1.55 2 3440 1.32 2.32 2080 0.687 1.21 2210 0.757 1.33 5 2560 1.02 1.82 1540 0.531 0.948 1650 0.585 1.04

设计洪水过程线：由鹤峰站1960~1998年实测洪水过程中选用1962年7月7日、1969年7月11日、1998年8月3日三次不同峰型、峰高、量大较为恶劣的洪水过程为典型，按峰、量同频率控制放大。经水库调洪演算后采用1962年7月洪水过程，设计洪水过程线见表2-1-8和图2-1-1。

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表2.1-8 BJ一级坝址设计洪水过程线表

时 序 时 间 各频率（%）流量（m3/s）过程 t(h) 日 时 0.05 1 2 0 7 8 1070 671 581 1 9 1710 1170 1010 2 10 2430 1530 1320 3 11 3090 1940 1680 4 12 4350 2500 2080 5 13 3830 2030 1760 6 14 2890 1650 1430 7 15 2230 1310 1130 8 16 1810 1110 964 9 17 1490 963 834 10 18 1310 813 704 11 19 1140 727 630 12 20 1040 642 556 13 21 953 556 482 14 22 855 523 453 15 23 781 489 424 16 8 0 728 456 395 17 1 718 455 394 18 2 718 454 393 19 3 720 453 392 20 4 722 454 393 21 5 723 455 394 22 6 725 456 395 23 7 786 483 418 24 8 839 516 447 页

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芭蕉河一级水电站坝址设计洪水过程线图(1962年7月）500045004000350030002500200015001000500006流量(m3/s)p=0.05%p=1%p=218243036424854606672时序 (h)

图2-1-1 BJ一级坝址设计洪水过程线

2.1.4 泥沙

一级坝址泥沙目前拟采用下游二级坝址可研设计成果。借用清江恩施站年均悬移质含沙量0.539Kg/m3，推移质为悬沙的20%估算。一级坝址多年平均悬移质输沙量21.4万t，多年平均推移质输沙量4.28万t，年总输沙量25.7万t。泥沙容重为1.3t/m3，折算水库年淤积总量为19.8万m3。

2.2 坝址与地形情况

2.2.1 地形地貌

BJ一级水电站建坝河段位于鹤峰县北佳镇柳月坪自然村下游0.3～1.6km。BJ自西向东流入柳月坪坝址后逐渐折转为自北向南，在柳月坪坝址下游经过一较大的河湾进入落山坝坝址后河流流向折转为南东向。

柳月坪坝址河水位547.00～541.50m，水深一般小于1m，局部2～3m，前200m河段为急滩跌水，河床覆盖层厚2～4m。整个坝址区属中高山峡谷地貌，河流两岸山高坡陡，基岩出露良好。柳月坪坝址近河山岭高程均在800.00m以上，山体连续完整；两岸自然边坡坡度一般为40°～60°，但受结构面控制的悬崖陡壁随处可见；左岸发育6条规模大小不一的冲沟，上游峡谷入口处还有一条常年流水的溪沟（唐家湾）；右岸因陡崖发育，边坡成台阶状。柳月坪坝址地层主要由龙马溪组的S1ln2、S1ln3岩组和罗惹坪组的S1lr1岩

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组组成，岩性以条带状砂岩、石英砂岩为主，岩石坚硬。 2.2.2 地质构造

该工程位于北东向的八字山背斜南东翼，为单斜构造地区，岩层产状35°～50°/SE∠35°～50°。对柳月坪坝址，岩层走向斜交河流，倾向下游偏左岸，为斜向谷；区内断裂构造较简单。已查明的断层主要有2条：F1和F2，F1位于落山坝坝址上游左岸，产状274°～280°/NE∠79°～84°，破碎带宽0.40m；F2位于柳月坪坝址左岸，产状70°～85°/NW∠60°～65°、280°～290°/NE∠80°，破碎带宽0.05～0.15m。

坝址区节理裂隙以区域性构造节理为主，较发育的有以下几组：① 产状30°～40°/NW∠45°～60°，为反倾向结构面；② 产状300°～320°/SW∠40°～60°；③ 产状340°～360°/NE、SW∠70°～85°；④ 产状70°～275°/NW～SW∠65°～80°。各组节理均有延伸长、贯通性较好、结构面较平直的特征，常沿某组节理形成十几米至近百米长、数米至数十米高的悬崖陡壁。 2.2.3 天然建筑材料

混凝土骨料：坝址及附近地区天然砂砾料缺乏。根据初步调查，工程所需混凝土骨料

可采用坝址上游约1km芭蕉坡附近的奥陶系红花园组（O1h）的结晶灰岩或芭蕉湾下游二叠系微晶灰岩轧制。

堆石料：产地初步拟定在坝址下游左岸落山坝村后山，料源层为志留系中统纱帽组S2s3岩组厚100多米的厚层、中厚层石英细砂岩、砂岩。

土料：坝址周围碎石类土料分布较广，如柳月坪村、落山坝村一带，但土层的厚度一般较薄。围堰防渗和堆石坝面板铺盖所需的粘性土在坝区缺乏，须在周边地区寻找合适的产地。

各类天然建筑材料还需进行进一步的勘测、试验工作以查明储量和质量。

2.3 工程枢纽任务与效益

根据《恩施自治州鹤峰县BJ流域水电规划报告》，BJ流域开发任务是以发电为主，兼

顾航运、养殖、旅游等综合利用效益。 2.3.1 航运

BJ为溇水上游一级支流，发源于鹤峰县与宣恩县交界的太平乡文家河，在鹤峰县城下

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游2km处注入溇水，干流全长41.4km，蜿蜒穿行于鹤峰县西部的崇山峻岭之中，水急滩多，基本不具备通航条件，航运方面仅有少量木材流放。由于BJ两岸山高坡陡，不通公路，严重制约库区经济的发展，给库区群众的生活造成极大的不便，BJ一级水库建成后，可使库区官庄河以下11km河道渠化，届时库区群众可通过18.7km的渠化水路直达鹤峰县城，极大地改善了库区的交通状况，有利于促进库区经济的繁荣和发展。 2.3.2 养殖

鹤峰县是湖北省西南部的高山县之一，辖区内河流比降大，自然状况下渔业养殖条件极差，1999年全县水产品产量仅58t，渔业产值32万元。BJ一级水库建成后，可形成1860~3830亩的人工养殖水域，利用BJ流域气候温和湿润、雨量丰沛、光照充足、天然饵料丰富的自然条件，采用水库渔业精养及网箱养殖进行渔业规模生产，可改变鹤峰县渔业生产落后的面貌，满足人民群众膳食多样化的生活需要。 2.3.3 旅游

BJ一级水库坝址距鹤峰县城约10km，水库建成后与先期建设的BJ二级水库梯级衔接，形成以鹤峰县城为中心，北有幽谷深涧的溇水咕噜溪、南靠深山明珠八峰山、西依BJ人工湖泊，集自然景观、园林景观、湖光山色于一体的旅游景观新格局，将极大地丰富城乡居民的休闲生活，对鹤峰旅游业的发展也将起到积极的促进作用。

3 枢纽布置

3.1 枢纽组成建筑物及其等级

3.1.1 根据枢纽的任务确定枢纽组成建筑物

根据BJ一级水电站的主要任务，水电站的效益主要是发挥梯级电站效益和防洪，故需的永久建筑物包括挡水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、开关站。为便于施工，还需要导流建筑物、施工围堰等临时建筑物。 3.1.2 确定建筑物等级

根据已知条件：正常蓄水位647.5m,对应库容0.96亿m3，装机2台，总装机容量30MW，按表3-1知水库属三等中型工程，主要建筑物拦河坝、溢流堰、拉沙底孔为3级建筑物，引水道、消能防冲、导墙、挡墙为4级，厂房按装机属3级，导流围堰、明渠等临时建筑

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物为4级。

表3-1-1 水利水电枢纽工程的分等指标

分等指标 工程等别 工程规模 水库总库容 （亿米） 一 二 三 四 五 大（1）型 大（2）型 中 型 >10 10～1 1～0.1 3防洪 灌溉面积 保护农田面积 保护城镇及工矿区 （万亩） 特别重要城市、工矿区 重要城市、工矿区 中等城市、工矿区 一般城镇、工矿区 >500 500~100 100~30 30~5 <5 >150 150~50 50~5 5~0.5 <0.5 （万亩） 水电站 装机容量 （万千瓦） >120 120～30 30～5 5~1 <1 小（1）型 0.1～0.01 小（2）型 0.01～0.001

3.2 坝线、坝型选择

坝型、坝址选择是水利枢纽设计的重要内容，二者相互联系，不同的坝址可以选用不同的坝型，同一个坝址也应考虑几种不同的枢纽布置方案并进行比较。在选择坝型、坝址时，应研究枢纽附近的地形地质条件、水流条件和建筑材料、施工条件、枢纽布置等：

(1)地质条件。地质是坝址、坝型选择的主要依据之一。拱坝、重力坝需建在岩基上；土石坝则岩基、土基均可修建。

坝址选择应该注意一下几个方面的问题：

①对断层破碎带，软弱夹层要查明其产状、宽度（厚度）、充填物和胶结情况，对垂直水流方向的陡倾角断层应尽量避开，对具有规模较大的垂直水流方向的断层或是存在活断层的河岸，均不应选择坝址。

②在顺向河谷（指岩层走向与河流方向一致）中，总有一岸指与岩层倾向一致的顺向坡，当岩层倾角小于地形坡角，岩层又有软弱结构面时，在地形上存在临空面，这种岸坡极易发生滑坡，应当注意。

③对于岩溶地区，要掌握岩溶发育规律，特别要注意潜伏溶洞、暗河、溶沟和溶槽，

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必须查明岩溶对水库蓄水和对建筑物的影响。

④对土石坝，应尽量避开细砂、软粘土、淤泥、分散性土、湿陷性黄土和膨胀土等土基。

(2)地形条件。河谷狭窄，地质条件良好，适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石、沙砾等当地材料储量丰富，适宜修建土石坝。在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。坝址选在峡谷地段，坝轴线短，坝体工程量小，但不利于泄水建筑物等的布置，因此需综合考虑。

(3)筑坝材料。坝址附近应有足够的符合要求的天然建筑材料。

(4)施工条件。便于施工导流，坝址附近特别是其下游应有开阔地形，便于布置施工场地；距离交通干线近，便于交通运输；可与永久电网连接，解决施工用电问题。

(5)综台效益。选择坝址应综合考虑防洪、灌溉、发电、航运、旅游、环境等各部门的经济效益。

坝址选择与地形、地质条件、坝型、枢纽布置和施工导流等因素有关，在满足枢纽布置和施工导流要求的前提下，坝轴线应尽可能短，以节省工程量。从地质条件看，坝址应选在地质构造简单，无大的地质构造的地方。 3.2.1 坝址的比较与选择

1) 地形地质条件：两坝址河谷形状基本相同，但下坝址由于受溪沟切割，左岸坝肩

山体略显单薄，且河谷较上坝址稍宽；上坝址出露地层岩性坚硬，岩体风化稍浅，地质构造简单；下坝址出露地层岩性较软弱，且具崩解性，加之左岸有断层切割库盆，因此基础处理工程量较大。从地形、地质条件看，以上坝址为优。

2) 工程布置：下坝址溢洪道与引水发电系统分别布置在左、右岸，建筑物布置分散，施工和运行干扰较小，但面板堆石坝比上坝址高3m，引水发电系统也较上坝址长72m。上坝址因受地形地质条件的制约，溢洪道和引水发电系统均布置在左岸，厂房只能布置在大坝与溢洪道之间，建筑物布置稍紧，施工干扰较大。且溢洪道泄洪时可能对厂房造成一定的影响，需采取相应的工程措施。

3) 与BJ二级电站的衔接：正在建设的BJ二级电站正常蓄水位543.5m，下坝址河床高程537.00m，与二级电站正常蓄水位重叠6.5m，上坝址河床高程542.00m，与二级电站

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正常蓄水位重叠1.5m。显然，上坝址与二级电站的水位衔接更为合理一些。

4) 开挖料利用：上坝址开挖料以龙马溪组砂岩、石英砂岩为主，岩性坚硬，可作为坝体下游堆石区填料；下坝址开挖料主要为罗惹坪组的粉砂岩、泥质粉砂岩，岩性软弱且易崩解，不适合作坝体填筑料。相比之下，上坝址开挖料利用程度较高。

5） 施工条件：下坝址距下游辅助施工工厂和落山坝堆石料场较近，施工交通比上坝址近0.7～1.0km。因此施工条件以下坝址为优。

6） 工程量及投资：上、下坝址枢纽布置方案的工程量及投资列于表5.2-1，上坝址方案比下坝址方案可节约投资1941万元。

综合以上分析，上、下坝址各有优缺点，但上坝址具有工程量省，能充分利用开挖石渣，减少弃渣对环境的影响，降低水土保持投资，且与二级电站水位衔接合理等显著优点，故本阶段推荐采用上坝址。 3.2.2 坝型比较与选择

由基本资料知坝址千年校核洪水洪峰流量4350m3/s，百年设计流量2500 m3/s，洪水来量大，要求泄水建筑物有较大的过水能力，由于本水库除满足千年一遇的防洪标准外，尚需要承担下游防洪任务，所以单宽流量不宜过大，必须有足够的溢流前缘宽度。

坝区水文气象和工程地质条件具备了修建50~60m,坝高及成库条件，特别是坝址处河床狭窄，其宽度仅为160m（普通洪水流量时）死河滩，坝址附近河床坡度甚陡，水流湍急，有小瀑布，右岸地势较高，左岸地势较低，有起伏之山头。坝址处为震旦纪砂岩。左岸风化较严重，深达3 ~ 4m，且夹有页岩。水层岩岩层为向斜层之一翼微倾向上游。坝址处水流急，故无砂卵石等淤积物，无侵蚀地下水。首先考虑重力坝、土石坝、拱坝三种基本坝型。

（1）从地质来看，重力坝是用混凝土或石料等材料修筑、主要依靠坝身自重保持稳定的坝，对地形、地质适应性强。任何形状的河谷都可以修建重力坝。在土基上也可修建高度不高的重力坝。拱坝坝体的稳定主要依靠两岸拱段的反力作用，不像重力坝那样依靠自重维持稳定。因此拱坝对坝址的地形、地质条件要求较高，对地基处理要求也较严格。再者由于左右岸岩性不均一，不适于建拱坝。土石坝能适应不同的地形、地质和气候条件。除极少数例外，几乎任何不良地基，经处理后均可修建土石坝。但因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，不适合修建土石坝。故考虑地质条件以修建混凝土坝较为适宜。

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（2）地形条件。河谷狭窄，地质条件良好，适宜修建拱坝；河谷宽阔，地质条件较好，可选用重力坝或支墩坝；河谷宽阔、河床覆盖层深厚或是地质条件较差，且土石、沙砾等当地材料储量丰富，适宜修建土石坝。由于坝址处河床狭窄但地质条件较差，且左右岸岩性不均一，不适于建拱坝，若是修建拱坝，开挖量较大，不符合经济效益。同时在高山峡谷区布置水利枢纽，应尽量减少高边坡开挖。因洪水泄量及导流和渡汛流量大的特点，坝址处不适宜修建土石坝。故此处修建重力坝最为适宜。

（3）筑坝材料。土石坝可用任何土石料筑坝，坝址附近有足够的符合要求的天然建筑材料，可以就地、就近取材，节省大量水泥、木材和钢材，以减少工地的外线运输量。重力坝和拱坝因建坝材料的不同可分为多种类型，但都不及土石坝，能就地取材。

经综合考虑，选定重力坝。再考虑以下几种重力坝坝型：常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、混凝土宽缝重力坝、混凝土空腹重力坝。

（1）空腹重力坝和宽缝重力坝节省投资有限，且这两种坝型结构复杂，钢筋和模板用量较多，施工难度大，渡汛过水较困难，故放弃这两种坝型。

（2）除去基础部位和坝体外部的常态混凝土以外，碾压混凝土的方量较少，如采用此坝型，还需要增设碾压施工设备，拌和楼的容量也要扩大，就近又没有粉煤灰，经比较，放弃此坝型。

（3）常态混凝土重力坝相对以上坝型，坝身泄洪安全可靠，坝体结构简单，施工期便于过水渡汛，施工速度快。

综上，根据BJ一级水电站坝址的地形、地质及洪水特点，选则常态混凝土重力坝比较合适。

3.3 枢纽布置

3.3.1 布置原则：

根据坝址的建坝条件，枢纽布置主要考虑以下原则：

（1）坝址洪水洪峰流量大，且河谷狭窄，所以要求尽可能加宽溢流前缘，减少单宽流量，以便泄洪安全可靠，上下游流态好，不影响个建筑物的正常运行。

（2）应积极稳妥地采用先进技术，尽量减少工程量，节省工程投资，以便加快施工进度，缩短施工工期，争取提前发电。

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（3）在枢纽布置时，引水系统应优先考虑坝式进水口，做到管理运行方便，缩短引水隧洞长度，尽可能不设调压井，厂房尽可能布置在完整的基岩上，特别要注意厂后边坡的稳定。

3.3.2 枢纽的总体布置

拦河坝在水利枢纽中占主要地位。在确定枢纽工程位置时，一般先确定建坝河段，再进一步确定坝轴线，同时还要考虑拟采用的坝型和枢纽中建筑物的总体布置，合理解决综合利用要求。一般地，泄洪建筑物和电站厂房应尽量布置在主河床位置，供水建筑物位于岸坡。

(一)溢流坝的布置。溢流坝的位置应使下泄洪水、排冰时能与下游平顺连接，不致冲淘坝基和其他建筑物的基础，其流态和冲淤不致影响其他建筑物的使用。

(二)泄水孔的布置。泄水孔一般设在河床部位的坝段内，进口高程、孔数、尺寸、形式应根据主要用途来选择。狭窄河谷泄水孔宜与溢流坝段相结合，宽敞河谷二者可分开；排沙孔应尽量靠近发电进水口，船闸等需要排沙的部位。

(三)非溢流坝的布置。非溢流坝一般布置在河岸部分并与岸坡相连，非溢流坝与溢流坝或其他建筑物相连处，常用边墙、导墙隔开。连接处尽量使迎水面在同一平面上，以免部分建筑物受侧向水压力作用改变坝体的应力。在宽阔河道上以及岸坡覆盖层、风化层极深时，非溢流坝段也可采用土石坝。 3.3.3 布置方案

（一）、方案拟订

1、坝型：常态混凝土重力坝 2、方案：

方案一：混凝土重力坝右岸引水式厂房； 方案二：混凝土重力坝左岸引水式厂房； （二）、方案比较 引水道与厂房布置

方案一：右岸地势陡峭，不便于厂房的布置，同时需要较大的土石方开挖，于枢纽的总体布置和施工预算不利。

方案二：左岸厂房的位置较开阔，地势平缓， 便于施工开挖和水电站各设施的布置，

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只是尾水管水流与下游河道有一定的夹角，需要做好下游的消能防冲措施。

综上比较，方案二明显优于方案一。即采用混凝土重力坝、左岸引水式地面厂房的布置方案。

4 洪水调节

4.1 基本资料

4.1.1 洪水过程线的确定

BJ流域开发任务是以发电为主，兼顾航运、养殖、旅游等综合利用效益，兼做防洪之用。该工程为三等中型工程，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为4级，根据SDJ12-78《水利水电工程枢纽等级划分和设计标准（山区、丘陵区部分）》结合BJ一级水电站所给定的特征水位和基本资料，通盘考虑水库总库容、防洪效益、装机容量等因素，由资料及表4.1-1得出防洪标准：设计重现期在100～50，频率在0.2～1%，校核重现期在1000～500，频率在0.001～0.02%。由水工建筑物的设计标准及表4-1-2给定的洪水过程线综合考虑，选定设计洪水的频率为1%，校核洪水的频率为0.05%。

表4-1-1 山区、丘陵区水利水电永久性水工建筑物洪水标准 [ 重现期（年）]

水工建筑物级别 项目 1 设计 1000～500 可能最大洪水土石坝 校10000～5000 核 混凝土坝、5000～2000 浆砌石坝

2000～1000 1000～500 500～200 200～100 （PMF）或5000～2000 2000～1000 1000～300 300～200 2 500～100 3 100～50 4 50～30 5 30～20 19页

表4.1-2 BJ一级坝址设计洪水过程线表

时 序 t(h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 日 7 8 时 间 时 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 各频率（%）流量（m/s）过程 0.05 1070 1710 2430 3090 4350 3830 2890 2230 1810 1490 1310 1140 1040 953 855 781 728 718 718 720 722 723 725 786 839 1 671 1170 1530 1940 2500 2030 1650 1310 1110 963 813 727 642 556 523 489 456 455 454 453 454 455 456 483 516 2 581 1010 1320 1680 2080 1760 1430 1130 964 834 704 630 556 482 453 424 395 394 393 392 393 394 395 418 447 3

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芭蕉河一级水电站坝址设计洪水过程线图(1962年7月）)5000s/45003m(4000量流35003000p=0.05%00p=1 001500p=2005000061218243036424854606672时序 (h)

图4-1-1 洪水过程线

4.1.2 相关曲线图

图4-1-2 水库水位面积、容积曲线图

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图4-1-3 坝址水位流量关系曲线

4.1.3 确定天然设计洪峰流量和天然校核洪峰流量

表4-1-3 洪水流量频率表

频率 (P%) 流量 (m/s) 35 1540 2 2080 1 2500 0.5 2910 0.2 3480 0.1 3910 0.05 4350

由表4-1-3：设计流量（p=1%）Q?2500m3/s，校核流量（p=0.05%）Q?4350m3/s。 4.1.4 确定下泄设计洪峰流量标准（p=1%）和下泄校核洪峰流量标准（p=0.05%）

从前面资料可知，考虑下游防洪要求以及下游能承受的洪水泄量，故下泄设计洪峰流

33量标准（p=1%）Qm?2660m/s，下泄校核洪峰流量标准（p=0.05%）Qm?4640m/s。

4.2 洪水调节基本原则

在已确定选择混凝土实体重力坝的情况下，从提高泄流能力，便于运用管理和闸门维修，节省工程投资角度出发，泄洪方式以坝顶泄流最为经济。故按坝顶溢流的方式进行洪水调节计算，以确定坝顶高程和最大坝高。调洪演算采用半图解法。

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4.2.1 水库防洪要求

本水库的设计标准为100年，校核标准为2000年，BJ一级洪水调节除保证本工程设计标准以外，还担负着提高下游防洪标准的任务。 4.2.2 水库的运用方式

本工程拦河大坝采用混凝土重力坝，为充分利用混凝土坝坝身泄水的特点，泄水建筑物选用坝顶溢流式。当水库洪水在Qm?2500m3/s时，即P=1%时，用闸门控制下泄流量，既来多少泄多少，保持库水位不变；当Qm?2500m3/s并小于下游承受的最大洪水量，继续用闸门控制下泄量，即来多少泄多少，保持库水位不变；当Q＞下游承受的最大洪水量，为了提高下游防洪标准，用闸门控制下泄量在下游承受的最大洪水量，即大坝允许承受的最大洪水量，把多余的洪水拦蓄在水库内。

4.3 调洪演算

4.3.1 堰顶高程

设此堰的堰顶高程为635m。 4.3.2 设计水头Hd

最高限制水位为649.8m，正蓄水位H＝647.5m，设堰顶高程为635m，则堰上最大水头Hmax根据公式

Hmax＝最高限制水位－堰顶高程

进行计算，即

Hmax＝649.8m－635m＝14.8m

设计水头Hd取最大水头的（0.75～0.95），即

Hd＝（0.75～0.95）Hmax

所以有Hd＝（0.75～0.95）×14.8，取

Hd＝13m

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4.3.3 流量系数m的确定

河底高程为542m，所以上游的堰高为

P1＝635-642＝93m

因为设计水头Hd＝13m，

所以，

P93 1??1.33Hd13所以此堰为高堰。

根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319—2005）可知各个水深的流量系数如表4-3-1。

表4-3-1 重力坝流量系数表

Hw/Hd 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 P1/Hd 0.2 0.425 0.438 0.450 0.458 0.467 0.473 0.479 0.482 0.485 0.496 0.4 0.430 0.442 0.455 0.463 0.474 0.480 0.486 0.491 0.495 0.498 0.6 0.431 0.445 0.458 0.468 0.477 0.485 0.491 0.496 0.499 0.500 1.0 0.433 0.448 0.460 0.472 0.482 0.491 0.496 0.502 0.506 0.508 ≥1.33 0.436 0.451 0.464 0.476 0.486 0.494 0.501 0.507 0.510 0.513 注：P1为上游堰高，102.5m；Hd为定型设计水头，13m，按堰顶最大作用水头Hmax 的 75％～95％计算。

4.3.4 方案拟订

根据所给资料，工程建成后可以对下游起到防洪作用，最大的下泄流量为Q=4350m3/s。

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调洪演算采用坝址洪水，根据水量平衡原理用列表法计算，计算时先按不同孔口尺寸拟定两组方案：

方案一： 1个表孔

1个表孔堰顶高程为635m，堰顶采用“WES”曲线实用堰，堰顶设弧形工作闸门，闸门尺寸12m×13m（宽×高），堰单宽12m。

方案二： 2个表孔

2个表孔堰顶高程为635m，堰顶采用“WES”曲线实用堰，堰顶设弧形工作闸门，闸门尺寸12m×13m（宽×高），堰单宽12m。 4.3.5 计算下泄流量

堰顶溢流公式：

Q?Cm??sB2gHw2

3式中

m—流量系数，其取值见《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005附表A.3-1流量系数 表，参见表4.3-1； B—溢流堰宽度；

Hw—堰上水头，考虑坝前行进流速水头较小；

C—上游面坡度影响修正系数，当上游面为铅直面时，C 取1.0； ε—侧收缩系数，根据闸墩厚度及墩头形状而定，可取ε＝0.94；

σs—淹没系数，视泄流的淹没程度而定，不淹没时σs＝1.0。 计算下泄流量，其中其中ε=0.94，g=9.81，HW=Z-635

根据以上数据和不同的堰宽可得不同水深时的下泻流量Q，列于表4-3-2中：

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表4-3-2 水位流量库容关系表

库水位Z(m)堰顶水头H(m)H3／2库容V（亿3m）HW/HDm溢洪道泄量3(24)q（m/s）溢洪道泄量3(12)q（m/s）63563663763863964064164264364464564664764864965065165265365465501234567891011121314151617181920012.8284275.196152811.1803414.6969418.5202622.627422731.6227836.4828741.5692246.8721752.383258.094756470.092876.3675382.8190889.442720.6150.63640.65780.67920.70060.7220.7450.7680.7910.8140.8370.86280.88860.91440.94020.9660.99341.02081.04821.07561.10300.0769230.1538460.2307690.3076920.3846150.4615380.5384620.6153850.6923080.7692310.8461540.92307711.0769231.1538461.2307691.3076921.3846151.4615381.5384620.4360.4360.4360.4360.4360.4360.420.4560.4658460.4750770.4829230.4896920.4956150.5010.5056150.5086150.5109230.5130.5130.5130.513043.5687486123.2310303226.3898586348.5499888487.1134178616.8289703843.91848471053.3339731281.7882791526.0422441785.2576662058.757742346.6123462646.6769212952.6704523267.5639033593.1830643914.8463334245.5734954585.12263021.784374361.61551516113.1949293174.2749944243.5567089308.4144851421.9592423526.6669863640.8941396763.0211219892.62883281029.378871173.3061731323.338461476.3352261633.7819521796.5915321957.4231662122.7867482292.561315

4.3.6 半图解法调洪演算

依据《水能规划》教材所给的水库洪水调节计算原理，采用水量平衡方程式：

Q?q?V?V1?V11， (Q1?Q2)?(q1?q2)?2?22?t?t整理得,

_V2q2V1q1????Q?q1 ?t2?t2式中：Q1,Q2——分别为计算时段初，末的入库流量（m3/s）；

Q ——计算时段中的平均入库流量（m3/s），它等于

Q2?Q1； 2q1,q2——分别为计算时段初、末的下泄流量（m3/s）；

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q——计算时段中的平均下泄量（m3/s），即q=

q1?q2； 2V1,V2——分别为计算时段初、末水库的蓄水量（m3）； ?V——为V2和V1的差；

?t ——计算时段，须化为秒数。

泄洪建筑物采用100年一遇洪水设计，洪峰流量为2500m3/s；2000年一遇洪水校核，洪峰流量为4350m3/s。

综合考虑该库调洪要求，把防洪限制水位?635m作为起调水位，此刻的下泄量作为起调泄量分别采用了两种方案，用半图解法进行调洪。

调洪过程详细见计算书。

4.4 调洪计算结果

表4-4-1 调洪计算成果表

频率 设计洪水(1%) 方案 最大泄量(m3/s) 方案一12 水库最高水位(m) 最大泄量(m3/s) 方案二24 水库最高水位(m) 校核洪水(0.1%) 1155.727 647.748 1541.997 644.989 2152.924 654.067 2898.584 649.762

经综合比较后，遇设计洪水(百年一遇)时，选择方案一，堰宽12m，调洪后水库最大泄量为1155.727m3/s，水库最高水位为647.784m,取647.8m；遇校核洪水(千年一遇)时，选择方案二,调洪后水库最大泄量为2898.584m3/s，水库最高水位为649.762m,取649.8m。

此时，枢纽的设计、校核和正常工况情况下上游水位、最大下泄流量和下游水位（根据最大下泄流量由坝址处流量-水位曲线查得）。

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表4-4-2 经调洪演算得到的水利水能资料

上游水位 (m) 正常 设计 校核 647.5 647.8 649.8 最大下泄流量(m/s) 1155.727 2898.584 3下游水位 (m) 543.5 547.60m 552.12m

5 非溢流坝剖面设计

5.1 设计原则

重力坝在水压力及其他荷载的作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持抗滑稳定；同时依靠坝体自重产生大扬压力来抵消由于水压力引起的拉应力以满足强度要求。

非溢流坝剖面设计的基本原则是：①满足稳定和强度要求，保证大坝安全；②工程量小，造价低；③结构合理，运用方便；④利于施工，方便维修。

遵循以上原则拟订出的剖面，需要经过稳定及强度验算，分析是否满足安全和经济的要求，坝体剖面可以参照以前的工程实例，结合本工程的实际情况，先行拟定，然后根据稳定和应力分析进行必要的修正。重复以上过程直至得到一个经济的剖面。

5.2 剖面拟订要素

5.2.1 坝顶高程的拟订

坝顶高程由静水位+相应情况下的风浪涌高和安全超高定出。即?＝静水位＋?h 式中：?h＝hl?hz?hc（hl＝0.166v0D为波浪高度；v0为计算风速；D为吹程；hz为波浪中心线超出静水位的高度；hc为安全超高。）

计算风速在水库正常蓄水位和设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5~2.0倍，校核洪水位时宜采用相应洪水期多年平均最大风速。

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表5-2-1

最大风速计算风速计算情况 库水位(m) 吹程(km) (m/s) (m/s) 正常情况 647.5 1 14 20 设计情况 647.8 1 14 20 校核情况 649.8 1 14 14

51采用官厅公式计算： hl?0.0166v04D3，L?10.4(h0.8c) h?h2l2?Hz?LcthL （ D——吹程，m;L——波长，m;）

非溢流坝坝顶安全超高hc值表如下：

表5-2-2 水工建筑物结构安全级别

水工建筑物安全级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 水工建筑物级别 （1） （2，3） （4，5） 设计情况 0.7 0.5 0.4 校核情况 0.5 0.4 0.3

计算过程详见计算书,成果列于下表：

表5-2-3

计算情况 hl（m） hz（m） hc（m） ?h（m） 坝顶高程?（m）

正常情况 0.702 0.198 0.5 1.568 647.9 设计情况 0.702 0.198 0.5 1.568 647.8 校核情况 0.450 0.116 0.4 1.073 649.8

29页

计算结果表明，坝顶高程由校核洪水位控制，考虑由泄洪和结构要求确定的剖面，稳定安全系数有较大的余幅，坝踵也未出现拉应力，取坝顶高程650m，将超高置于坝顶以上，坝顶上游再设实体防浪墙。 5.2.2 坝顶宽度的拟订

为了适应运用和施工的需要，坝顶必须有一定的宽度。一般地，坝顶宽度取最大坝高的8 %～10%，且不小于2m。综合考虑以上因素,坝顶宽度B?10m. 5.2.3 坝坡的拟订

考虑坝体利用部分水重增加其抗滑稳定，根据工程实践，上游边坡系数n=0.1～0.2,取0.2。下游边坡系数m=0.6～0.8，取0.8。 5.2.4 上、下游起坡点位置的确定

上游起坡点位置应结合应力控制标准和发电引水管、泄水孔等建筑物的进口高程来定，初拟上游起坡点为坝高的中点处，下游起坡点的位置应根据坝的实用剖面形式、坝顶宽度，结合坝的基本剖面得到，初拟取顶点为坝顶处（最常用的是基本剖面的顶点位于校核洪水位处）。由于起坡点处的断面发生突变，故应对该截面进行强度和稳定校核。 5.2.5 剖面设计

n=0.2,m=0.8,底宽B=105.3m 初选剖面尺寸如图所示:

图5.2-1 剖面受力图

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5.3 抗滑稳定分析与计算

5.3.1 分析的目的

核算坝体沿坝基面或地基深层软弱结构面的抗滑稳定的安全度。 5.3.2 滑动面的选择

滑动面选择的基本原则：研究坝基地质条件和坝体剖面形式，选择受力较大,抗剪强度低,最容易产生滑动的截面作为计算截面。

一般有以下几种情况：①坝基面②坝基内软弱层面③基岩缓倾角结构面④不利的地形⑤碾压混凝土层面等。

由已知基本资料知，基坑抗滑稳定控制面为混凝土与基岩接触面,故对非溢流坝段只需对坝基面进行抗滑稳定分析。 5.3.3 对坝基面进行抗滑稳定计算

1）抗剪断强度计算

将坝体与基岩间看成是一个接触面，而不是胶结面。按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数k值应不小于表5-3-2规范规定；

'Ks?f(?W?U)/?P

式中：

?W?接触面以上的总铅直力；?P?接触面以上的总水平力；f?接触面间的摩擦系数。U-作用在接触面上的扬压力；

表5-3-1 坝基面抗滑稳定安全系数 Ks

荷载组合 基本组合 (1) 特殊组合 (2) 1 1.10 1.05 1.00

坝的级别 2 1.05 1.00 1.00 3 1.05 1.00 1.00 31页

2）抗剪断强度计算

按抗剪断强度的计算公式进行计算，将坝体与基岩间看成是一个胶结面。按抗剪断强度公式计算的坝基面抗滑稳定安全系数k's值应不小于表5-3-2规范规定；

K's?f'(?W?U)?c'A

?P式中：

K's?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得抗剪断摩擦系数；c'?坝体混凝土与坝基接触面得抗剪断凝聚力，KPa;A?坝基接触面截面积，m2;

?W?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；?P?作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值，KN；表5-3-2 坝基面抗滑稳定安全系数KS'

荷 载 组 合 基 本 组 合 (1) 特 殊 组 合 (2) KS' 3 2.5 2.3

表5-3-3 稳定计算成果

抗滑稳定安全系数 设计 1.11(>1.05) 3.19(>3.0) 校核 1.06(>1.00) 3.08(>2.5) Ks K's 32页

表5-3-3表明，重力坝在设计和校核洪水位情况下均满足承载能力极限状态下的抗滑稳定要求。

5.4 应力计算

5.4.1 分析的目的与过程

应力分析的目的是为了检验大坝在施工期和运行期是否满足强度要求，同时也是为研究、解决设计和施工中的某些问题，如为坝体混凝土标号分区和某些部位的配筋等提供依据。

应力分析的过程是：首先进行荷载计算和荷载组合，然后选择适宜的方法进行应力计算，最后检验坝体各部分的应力是否满足强度要求。 5.4.2 计算方法

①重力法：又称材料力学方法。它计算简便，适用范围广，已经过模型试验和工程实践的验证，有一套成熟的应力控制标准。重力法的主要假定是：坝体水平截面上的垂直正应力σy呈直线分布

②有限单元法：弹性理论中的一种数值解法。将结构划分为若干结点联系的有限个单元，利用边界条件和连续条件，根据弹性理论列出单元的应力、应变、位移关系式和全部结点平衡方程组。依靠电子计算机计算出坝体和坝基内各点的应力和变形。对于实体重力坝的应力分析，一般可采用二维有限元法，属于空间性质的问题，可采用三维有限元法。

本次设计采用材料力学方法。 5.4.3 材料力学法的基本假设

1、坝体混凝土为均质、连续、各向同性的弹性材料；

2、视坝段为固接于地基上的悬臂梁，不考虑地基变形对坝体应力的影响，并认为各坝段独立工作，横缝不传力；

3、假定坝体水平截面上的正应力?y按直线分布，不考虑廊道等对坝体应力的影响。 5.4.4 荷载组合

1、正常蓄水情况：自重+正常蓄水位对应的静水压力+扬压力+浪压力；

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2、设计洪水情况：自重+设计洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力； 3、校核洪水情况：自重+校核洪水位对应的静水压力+扬压力+浪压力；

因正常蓄水位与设计洪水位相差不大，根据《SDJ21-78(试行)补充规定》可不予计算。 5.4.5 应力计算

在一般情况下，坝体的最大和最小应力都出现在坝面，所以，在重力坝设计规范中规定，首先应校核坝体边缘应力是否满足强度要求。计算公式如下：

1）计入扬压力

1、水平截面上的正应力?y，因为假定正应力?y按直线分布，所以按偏心受压公式

?yu??W6?M?W6?M； ；来计算上下游边缘应力，其中： ????yd22BBBB?W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的合力，kN;

?M——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm； B——计算截面的长度，

2、剪应力?

?u??Pu?puu??yu?n

Pu——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时，应计入在内), n——下游坝坡坡率

?d???yd?pud?pd?m

Pd——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时，应计入在内), m——上游坝坡坡率

3、水平正应力?x

?xu?(pu?puu)?(pu?puu??yu)n2 ?xd?(pd?pud)?(?yd?pud?pd)m2 4、主应力

?1u?(1?n2)?yu?(pu?puu)n2 ?2u?Pu?puu ?1d?(1?m2)?yd?(pd?pud)m2 ?2d?pd?pud

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2）不计入扬压力

水平截面上的正应力?y，因为假定正应力?y按直线分布，所以按偏心受压公式

?yu??W6?M?W6?M； ；来计算上下游边缘应力，其中： ????ydBB2BB2?W——作用于计算截面以上全部荷载的铅直分力的合力，kN;

?M——作用于计算截面以上全部荷载对截面垂直水流流向形心轴的力矩总和，kNm； B——计算截面的长度，

2、剪应力?

?u??pu??yu?n

Pu——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时，应计入在内), n——下游坝坡坡率

?d???yd?pd?m

Pd——上游面水压力强度(有泥沙压力ps时，应计入在内), m——上游坝坡坡率

3、水平正应力?x

?xu?pu??un ?xd?pd??dm 4、主应力

?1u?(1?n2)?yu?pun2 ?2u?pu

?1d?(1?m2)?yd?pdm2 ?2d?pd

重力坝非溢流坝段的荷载主要有：自重、静水压力、浪压力、泥沙压力、扬压力，常取1m坝长进行计算。

应力计算结果如下：（以下应力单位均为KPa） 1）计扬压力

由上面的公式计算出各个应力，分析可看出由以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。 2）不计扬压力

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不计扬压力时其应力计算与计扬压力是计算方法一样，主要分析①垂直正应力?yu和

?yd、②剪应力?u，?d、③水平正应力?xu, ?xd、④第一主应力?1u,?1d、⑤第二主应力五种应力，详情见计算说明书。

由成果分析，以上可以看出坝体边缘应力状态良好，未出现拉应力的情况。

6 溢流坝段设计

6.1 泄水建筑物方案比较

6.1.1 布置原则

由溢流坝下泄的水流具有巨大的能量，必须妥善进行处理，否则势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成岸坡坍塌和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计，对枢纽、大坝安全及工程量都有重要意义。

通过溢流坝顶下泄的水流，具有很大的能量，必须采取有效地消能措施，保护下游河床免受冲刷。消能设计的原则是：消能效果好，结构可靠，防止空蚀和磨损，以保证坝体和有关建筑物的安全。设计时应根据坝址地形，地质条件，枢纽布置，坝高，下泄流量等综合考虑。

挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证才能选用。当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面，可能被冲坑切断而形成临空面，危及坝基稳定，或岸坡可能被冲塌时，不宜采用挑流消能，或须做专门的防护措施

底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道；高坝采用底流消能需经论证，但不宜用于排漂和排冰。

面流消能适用于水头较小的中、低坝，河道顺直，水位稳定，尾水较深，河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。

消力戽消能适用于尾水较深且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。

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联合消能适用于高、中坝，泄洪量大，河床相对狭窄，下游地质条件较差或单一消能型式经济合理性差的情况。联合消能应经水工模型试验验证。

根据工程地质条件，选取挑流消能。 6.1.2 泄洪方案选择

由第三章中的调洪演算中可知，洪水频率为设计频率是选取第一个方案为最终方案：1个表孔，孔口净宽12m，设计洪水位为647.8m，相应下泄量q为1155.727m3/s，洪水频率为校核频率是选取第二个方案为最终方案：2个表孔，孔口净宽24m，校核洪水位为649.8m，相应下泄量q为2898.584 m3/s。

6.2 工程布置

6.2.1 溢流表孔

2个表孔布置于河床中间坝段，孔口单净宽12m，墩厚0.267×12= 3.204m，取3.2m,总30.2m。堰顶高程635m，堰顶上游为三圆弧曲面，堰顶下游面为“WES”曲面，与下游坝坡相切。坝址部位用圆弧段衔接。堰顶上游部位设平板闸门，尺寸为12×13m（宽×高），坝顶用2×800KN的单向移动式门机启闭，堰顶设弧形工作闸门，尺寸为12×13m（宽×高），用坝顶排架上2×800KN弧形启闭机启闭。

具体数据祥见后文和图纸。

闸墩剖面图

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