[电力水利]甘肃九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝设计

[电力水利]甘肃九甸峡枢纽工程碾压混凝土重力坝设计内容摘要：

口、引水发电厂房等。 碾压混 凝土重力坝中部设三孔表孔泄水孔，两侧为挡水坝段，在右岸挡水坝段中设一泄洪中孔。 枢纽建筑物布置见附图１。 枢纽建筑物布置 本枢纽正常蓄水位 m，坝顶高程 m，最大坝高 m，最大坝底宽 124m。 大坝由左岸挡水坝段、溢流坝段、右岸挡水坝段组成。 其中，左岸非溢流坝段长 m,溢流坝段长 30 m， 右岸坝段长 m， 坝顶总长度 m。 共分 9 个坝段，坝段编号由右向左排 1— 9。 .１ 碾压混凝土重力坝 ① 右岸挡水坝段： 包括： 1＃ 、 2＃ 、 3＃ 、 4＃ 坝段，长度分别为 m、 30 m、 30 m、 30 m。 坝顶宽度为12m，上游直立，下游坡为 1:，起坡点高程 m。 5＃ 坝段长 23 m，布置一泄洪中孔，用以泄洪和放空水库，后期可兼作排沙用。 坝顶宽度为 12 m，上游直立，下游坡为 1:，起坡点高程 m。 泄洪中孔进口底板高程 m。 在坝后设弧形工作门，孔口尺寸为 5 5 m（宽高），由液压启闭机控制。 进口设事故检修平板门一道，尺寸为 5 6 m（宽高），由坝顶固定卷扬式启闭机控制。 中孔工作门后为明渠， 平坡，长 m，底宽 5 m，末端采用鼻坎挑流消能，将水流挑入主河床中。 ② 溢流坝段： 6＃ 坝段主要为河床溢流坝段，长度为 30 m。 堰顶宽度为 25 m，坝顶交通桥设在下游侧。 堰顶高程为 m，堰面曲线直线段坡度为 1:，起坡点高程 m。 消能形式采用挑流鼻坎消能，鼻坎高程 m，挑角 35176。 ，出口采用收缩断面形式。 三孔开敞式溢流堰顶设有弧形工作门。 孔口尺寸为 10 10 m（宽高），采用液压式弧门启闭机操作。 ③ 左岸挡水坝段： 包括： 7＃ 、 8＃ 、 9＃ 坝段，长度分别为 23 m、 30 m、 m。 坝顶宽度为 12 m，下游坝坡和起坡点高程同右岸挡水坝段。 在 7＃ 挡水坝段左侧，坝轴线下游 m～ m 处布置电梯及楼梯井，平面尺寸为 m，高度均为 170 m，分别联通灌浆廊道及各层 排水、观测、交通廊道。 溢洪表孔 溢洪设 3 个表孔，孔口尺寸为 10 10 m（宽高），每孔装有弧形工作阀门，液压式弧门启闭机操作。 边墩厚 m，中墩厚 3 m，堰顶高程为 2192 m。 为了减轻下游的冲刷，采用连续式挑流鼻坎消能。 坎顶高程 m，挑角 35176。 ，出口为收缩断面型式。 经水利学计算，各种泄量情况下，水流都不会对大坝坡脚、泄洪建筑物等造成危害。 计算最大挑距 222～ m，下游冲坑深度 m，最深点高程 m。 泄洪中孔 泄洪中孔为 1 孔，底板高程为 m，进口设事故平板闸门，孔口尺寸为 5 6 m（宽高），由坝顶固定卷扬式启闭机启闭。 坝体下游面设有弧形工作门，孔口尺寸为 5 5 m（宽高），由液压启闭机启闭。 工作门前为有压流，后为明渠，槽宽 5 m，无压平段长 m后接反弧段，反弧半径 25 m， 挑角 20176。 ，鼻坎高程 m，最大挑距 ～ m，最大冲坑深 m，最深点高程 m。 中孔作为泄洪及放空水库之用，并兼作后期排沙。 大坝建筑物布置见附图 附图 3 5 非溢流坝段剖面设计 剖面设计原则 ① 满足稳定和强度要求，保证大坝安全； ② 工程量少，造价低； ③ 外形轮廓简单，便于施工； ④ 满足运行要求。 基本剖面 重力坝承受的主要荷载是静水压力、扬压力和自重，控制剖面尺寸的主要因素是稳定和强度要求，并使工程量最小的 三角形剖面。 因为作用于上游面的水压力呈三角形分布，故重力坝的基本剖面应是顶部与上游水位齐平的三角形（见图 2）。 重力坝基本剖面呈三角形，在平面上坝轴线通常呈直线。 时为了适应地形地质条件或为了枢纽布置上的要求，也可成折线或折率不大的拱向上游的拱形。 根据工程经验，一般情况下，上游坡率 n = 0～ ，常作成铅直或上部铅直下部向上游倾斜。 此设计中上游取铅直（ψ＝ 0176。 ）。 WPUBαγHHψ图2 重力坝基本剖面 实用剖面设计 坝顶高程确定 根据调洪演算成果，水库设计洪水位为 m，校核洪水位为 m，正常蓄水位为 m，《混凝土重力坝设计规范》 [10]规定，坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高度差由下式计算，取其高者作为选定高程。 Δ h = 2hl + hz + hc （ 5— 1） 式中： Δ h—— 坝顶距水库静水位的高度， m； 2hl—— 波浪高度， m； hz—— 波浪中心线至水库静水位的高度， m； hc—— 坝顶超高， m。 ○ 1 波浪高度 2hl 公式为： 2hl = V。 5/4 D1/3 （ 5— 2） 式中： V—— 计算风速，本工程中 V 设 =30 m/s， V 校 =15 m/s； D—— 水库吹程，本工程中 D 设 =， D 校 = ○ 2 波浪中心线至水库静水位的高度 hz 的公式为： LLz 1l H Πc t hh Π4h2 （ 5— 3） 式中： L—— 波长， m，由公式 L=(2hl) 计算； H1—— 坝前水深， m。 以上（ 2）（ 3）计算公式采用的是：官厅水库半经验公式，本工程是峡谷型 水库，适用上公式。 ○ 3 安全超高 hc 采用表 5— 1。 表 5— 1 安全超高 hc（单位： m） 荷载组合（运用情况） 坝的级别 1 2 3 5 基本组合（正常运用） 特殊组合（非常 运用） 此工程枢纽建筑物为Ⅰ级工程，则在设计情况和校核情况下，安全超高分别取 m和 m。 ④ 由以上（ 1）、（ 2）、（ 3）三式联立，得坝高计算成果表 5— 2。 表 5— 2 坝高计算成果表 控制参数 L 2hl hz hc Δ h 坝高 H 设计情况 校核情况 确定坝顶高程为： m。 坝顶高度 H 取为： m。 坝顶 宽度确定 坝顶宽度一般取坝高的 6%～ 10%，且不小于 2 m，当在坝顶布置移动式起闭机时，坝顶宽度要满足安装门机轨道的要求。 由于施工及运行要求，坝顶应有足够的宽度，考虑到本工程坝顶无交通要求，结合以上坝顶高程，坝顶高度 H 取 m， 则坝顶宽取值范围为： （ 6%～ 10%） =～ m 初步取 12 m。 坝底宽度的确定 根据工程经验，下游坝坡坡率 m=～ ；底宽约为坝高的 ～ 倍。 本工程中： 下游坝坡坡率 m取 ，坝底宽度取值范围为： （ ～ ） =～ m，坝底宽初步选定为 124 m。 综上初步选择，挡水坝段剖面如图 3，挡水坝段设计详图见附图 4。 124m12m1:图 3 挡水坝段剖面 6 溢流坝段设计 溢流坝段工作特点 ○ 1 有足够的孔口尺寸以满足泄洪要求。 ○ 2 溢流面及闸墩有较好的体形，以便使水流平顺流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免产生空蚀现象。 ○ 3 下游不产生危及坝体及其他建筑物安全的冲 刷。 ○ 4 泄流不影响枢纽中其他建筑物的正常运行。 ○ 5 有灵活控制水流下泄的机械设备。 如闸门、启闭机等。 溢流坝的剖面设计 溢流重力坝的剖面除应满足强度、稳定、安全和经济条件外，其外形尚需考虑水流运动要求。 通常其基本剖面也是三角形，为适应泄流要求，三角形上部和下游面需做成溢流面。 溢流面由顶部溢流段、中间直线段和下部反弧段组成，上游为铅直面或折坡面。 坝顶溢流曲线段 溢流坝剖面设计中需解决的主要问题是选择溢流曲线，理想的溢流曲线具有阻 力小、泄量大、免空蚀等条件。 溢流曲线的形式很多，常用的有克 — 奥曲线和 WES 型曲线，根据克 — 奥曲线所定出的溢流剖面比 WES 曲线定出的剖面肥胖，工程量大，另外克 — 奥曲线所给出的离散坐标值，其设计、施工都不方便。 因此，我国现行规范 [9]推荐采用 WES 曲线。 ○ 1 WES 曲线型剖面堰顶上游段采用椭圆形曲线，其曲线方程为  ddd H xH xH y （ 6— 4） 式中： Hd — 定型设计水头取校核洪水位堰顶水头的 75％ — 95％ 堰顶水头 =校核洪水位高程 堰顶高程 == Hd=（ 75％ — 95％） = — 取 10 m X1= Hd= ， R1= Hd X2= Hd= ， R2= Hd X3= Hd= ， R3= Hd ○ 2 WES 型曲线型剖面堰顶部下游段曲线按如下方程控制 当上游面铅直时，采用下公式计算： yH2x d （ 6— 5） 式中： Hd—— 堰顶定型水头。 WES 型堰面曲线如图 4。 X3123X2X1XYy H 2x . 8 5d图 4 WES型 堰面曲线 反弧段曲线 溢流坝面反弧段的作用是使水流平顺的与下游面衔接，通常采用圆弧曲线。 反弧半径R 按《混凝土重力坝设计规范》（ SDJ2178） [9]规定，取 R=（ 410） h， h为校核洪水位闸门全开时反弧最低点处的水深，中孔段取 25 m，溢流段取 18 m。 中间直线段 中 间直线段与坝顶曲线段和下部反弧段相切，坡度为 1:。 剖面布置 溢流坝段上游设计为铅直面，溢流坝顶部是堰面曲线，下游面中间直线段与堰顶曲线相切，溢流孔两侧的边墙沿下游坝面延伸，做成导水墙，以防止溢流面上的水流向两侧漫溢。 边墙取 3 m，导水墙厚度取 5 m。 溢流坝段剖面如图 5所示。 溢流坝段设计详图见附图 5。 图 5 溢流坝段剖面124mR18m25m。