家朱滩水电站设计水工建筑物课程设计--毕业设计.doc

目录

第一章 基本资料 3
1.1 工程概况 3
1.2 工程规模 3
1.3 流域概况 3
1.4 气象资料 4
1.5 水文资料 4
1.5.1洪水 4
1.5.2泥沙 5
1.5.3河道水位流量关系曲线 5
1.6 地质资料 7
1.6.1坝址区工程地质概况 7
（1）地形地貌 7
（2）地层岩性 7
1.6.2坝址基岩物理力学参数 8
第二章 工程总体布置 9
第三章 溢流坝坝体设计 11
3.1 泄流方式选择 11
3.2 洪水标准的确定 11
3.3 流量的确定 11
3.4 单宽流量的选择 11
3.5 孔口净宽的拟定 12
3.6 定型水头的确定 12
3.7 堰型的确定 12
3.7.1顶部曲线段 12
3.7.2 反弧段设计 14
3.8 确定上游水位 14
3.9 消能防冲设计 16
3.9.1确定消能形式 16
3.9.2消力池设计 17
（1）护坦构造 17
（2）消力池长的确定 18
3.10溢流坝稳定分析 18
第四章 冲沙闸设计 23
4.1 冲沙闸尺寸设计 23
4.1.1泥沙止动流速的计算 23
4.1.2冲沙流速的计算 23
4.1.3沉沙槽尺寸的计算 24
4.1.4闸墩设计 25
4.1.5胸墙设计 25
4.1.6工作桥尺寸拟订 26
4.1.7冲砂闸门 26
4.2 冲沙闸防渗设计 26
4.3 冲沙闸闸室稳定验算 27
4.4消能防冲设计 31
4.4.1消力池长度计算 31
4.4.2消力池深度 33
4.4.3消力池底板厚度计算 33
4.4.4排水设备 34
4.4.5止水设计 35
4.4.6上下游岸坡防护 35
第五章 进水闸设计 36
5.1 基本资料 36
5.1.1基本尺寸确定 36
5.1.2基本高程确定 36
5.2 水力计算 37
5.2.1过闸流速确定 37
5.2.2水头损失计算 37
5.2.3进水闸过流能力验算 38
第六章 细部构造设计 39
6.1 坝顶构造 39
6.2 坝体的分缝 39
6.3 止水设计 39
6.4混凝土标号分区 40
6.5 坝体排水 42
6.6 廊道系统 42
6.5.1 坝基灌浆廊道 43
6.5.2 检查及坝体排水廊道 43
第七章 地基处理设计 44
7.1 清基开挖 44
7.1.1 开挖原则 44
7.1.2 开挖设计 44
7.1.3 坝基清理 44
7.2 坝基加固 44
7.3 防渗排水 45
7.3.1 帷幕灌浆 45
（1）帷幕灌浆目的 45
（2）帷幕灌浆范围 45
（3）帷幕灌浆设计 46
7.3.2 坝基排水 47
7.4 软弱带处理 47
7.4.1 断层破碎带的危害 47
7.4.2 断层破碎带处理措施 47

第一章 基本资料
1.1 工程概况
朱家滩水电站选择枢纽布置在朱家滩村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河汇入口1.8km。宝鸡峡林家村引水枢纽以上陕西境内渭河干流长70km，平均比降3.5‰，地处深山峡谷，河道蜿蜒曲折，蕴藏着丰富的水能资源，朱家滩是该段渭河干流上的梯级开发中的水电站之一，电站坝址以上控制流域面积是29874.80km2。
电站工程南靠310国道，北邻陇海铁路对外交通便利、快捷。随着改革开放的深入发展，经过20多年的建设，当地经济也得到了长足的发展，但与东部、南部省市相比，与全国平均水平相比仍有较大的差距。在中央西部大开发战略决策感召下，宝鸡市各县（区）、乡各级政府，决心开发当地资源，把资源优势转化为经济优势，确定新的经济增长点，带领群众实现奔小康目标。而朱家滩水电站工程就是陈仓区、宝鸡市政府确定的招商引资项目，为该项目的建设提供了多项优惠政策和方便条件。
1.2 工程规模
朱家滩是座低坝引水式电站，有日调蓄能力。
电站拦水坝顶高程687.5m，尾水位674.74m，设计水头12.16m。按长系列分析确定的典型年逐日计算出力和发电量，最终确定装机容量9600kw，多年平均发电量3859万kwh，年利用小时数为3850h。
1.3 流域概况
朱家滩水电站位于北纬34°23′，东经106°51′之间，枢纽布置在陕西省宝鸡市陈仓区坪头镇上游3.2km的渭河主流上，上游距小水河汇入口1.8km，电站坝址以上控制流域面积29874.80km2，电站处于渭河干流及其流域的中部。
渭河发源于甘肃省渭源县的乌鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三省26个县（市），全长818km，总流域面积6.24万km2。渭河由宝鸡风阁岭流入陕西境内，于陕西潼关港口东汇入黄河，是黄河的最大一级支流，也是陕西关中的母亲河。陕西境内渭河干流长502km，流域面积3.32万km2，分别占渭河全长和总流域面积的61.4%和53.2%。坝址以上渭河干流长分别为373.5km，平均比降3.5‰。
林家村水位站控制流域面积30661km2，渭河流经甘肃、宁夏、陕西三省（区），甘肃省境内流域面积占林家村以上总面积的85%，宁夏占11.07%，陕西境内占1.3%。
1.4 气象资料
多年平均气温12.9℃，最高气温41.6℃（1973.8.8），最低气温-13.9℃（1977.1.30）；多年平均降雨量683.4mm，实测最大降雨量948.6mm（1964），实测最小降雨量434.5mm（1977）；多年平均陆地蒸发量550mm，水面蒸发量800mm。流域内降雨显著的特征是时空分布不均，降雨量随地形海拔高程垂直变化大，山区高而川道低，二是年内分配不均衡，7、8、9、10四个月降雨量占全年的59.7%；三是年际丰枯变化大，丰枯比为2.26。
1.5 水文资料
朱家滩枢纽布置在坪头镇上游3.2km的渭河主干流上，在小水河汇入口下游1.8km处。电站坝址以上控制流域面积29874.80km2，其下游28Km处有林家村水文站，控制流域面积30661km2，该区间流域面积786.2km2 ，占林家村水文站以上流域面积的2.56%。林家村水文站建于1934年，至今已有68年的径流、洪水、泥沙系列资料（1934～2001年）。朱家滩处无实测资料，但其控制流域面积与林家村水文站控制流域面积仅相差2.56%，就以林家村水文站为参证站来分析该座水电站的水文特性，朱家滩水电站进行水文分析。
1.5.1洪水
坝址以上渭河干支流上未建大型蓄水工程，故林家村洪水不需要进行还原计算，直接采用该站实测洪水资料。
洪峰流量选样的方法采用年最大值法，即每年只选取最大一次的瞬时洪峰流量作为频率计算样本。
作年最大洪峰流量与历时关系图（图2-3），在1944-2001年的58年系列中，大洪水有1954年、1959年、1981年，一般洪水有1949年、1988年；而干旱年有1982年、1974年、1994年。历年洪水丰枯交替出现，变幅较大。一般间隔3-4年，多者7-8年就会出现一次丰水年。
根据林家村（1944～2001）58年系列洪水资料，加1933年历史调查洪水Q=6890 m3/S，进行频率分析采用皮-Ⅲ型频率曲线目估适线，得出林家村水文站不同频率的洪峰流量，再用面积比拟法换算到朱家滩水电站坝址处，其洪水成果详见表。
表1—1 洪峰流量成果表
站名
各种频率年径流量（亿m3）
0.10%
0.33%
0.50%
1%
2%
3.30%
10%
林家村
9782
7995
7378
6356
5346
4626
3072
朱家滩
9614
7858
7251
6247
5254
4547
3019
1.5.2泥沙
林家村水文站每年平均悬移质输沙量为1.5771亿t，推移质输沙量为0.0287亿t。
1.5.3河道水位流量关系曲线

天然情况下各断面水位流量关系曲线采用均匀流计算公式：

式中： A——断面过水面积
R——水力半径
C——谢才系数，C=R1/6/n，n为糙率
i——河道断面处纵向比降
坝址河段纵比降i=3.5‰，河床糙率n=0.057，原河段天然河床断面水位流量关系曲线如下图。
根据各站坝址处河段纵向比降i和n，可得各站坝址水位流量关系曲线。见图1—1。

图1—1 原河段天然河床断面水位流量关系曲线
1.6 地质资料
本区属稳定性较差地区，区内次级构造活动痕迹明显，在基岩山体中，“X”型节理和小的褶曲较发育，在多期岩浆侵入活动影响下，岩体非常破碎。
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）规定，工程区抗震设防烈度为7°，设计基本地震加速度为0.2g。
1.6.1坝址区工程地质概况
（1）地形地貌
工程区位于秦岭中低山区，渭河蛇曲发育，自西向东流经本区，地面高度675m（渭河河谷）~1243.8（强家山）。
渭河两岸山体陡峻，基岩大都裸露，局部表层覆盖少量坡积物和第四系黄土及黄土状土。渭河河道宽度200~400m，两岸阶地呈不对称发育，左岸大多数被侵蚀，右岸残留一级、二级及三级阶地，一级阶地高出河床4~5m，最宽可达400~500m，二、三级阶地仅残存一小部分。河谷两岸支流分布有一级阶地，阶地堆积物二元结构清晰，上部黄土、壤土夹碎石，下部卵（砾）石。
（2）地层岩性
上坝址引水枢纽位于码头村东北渭河干流上，该段河谷部宽150～300m，宽38～45m，河床高程679～683m，河漫滩表面高程682.31～686.59m，河床漫滩堆积的卵石层厚度13.0～22.1m。左坝肩山坡岩石体裸露，坡面倾角40～50度。右坝山坡高呈687.0m以下岩体裸露，岸坡陡立，以上为黄土斜坡，坡面角度20度左右，无不良物理地质现象。
地质特性从上至下概况如下：
中沙层（Q4a1+p1）：黄褐色，长石、石英质，均粒结构，稍湿—饱和，松散—稍密状态，层厚1.6-6.5m。
卵石层（Q4a1+p1）：由石英岩、花岗岩碎块组成，亚园形，一般粒径5-8cm，最大30cm，充填沙15%。该层遍布场地，稍密状态，层厚3.9-14.7m。
漂石层（Q4a1+p1）：由石英岩、花岗岩碎块组成，亚园形，一般粒径20-25cm，最大90cm，充填沙10%，松散—稍密，分布广，层厚1-13.6m。
园砾层（Q4a1+p1）：由石英岩碎块组成，亚园形，一般粒径2-15mm，最大约50cm，充填沙10%，夹卵石薄层，松散—稍密状态，在左岸呈凸镜体分布，层厚2-5.1m。
基岩层（r5）：花岗岩，浅褐色，主要矿物为长石，石英岩次之，或黑云母，中粒结构，块状结构，少量裂隙，中等风化。基岩埋深17-26.3m，岩石分类为Ⅱ类。
坝址处地层强透水层，渗透系数K=85.6m/天。
中砂层有振动液化的可能，应挖去。
1.6.2坝址基岩物理力学参数
坝基砂卵石层物理、力学指标建议值表如下表1—2。
表1—2 砂卵石层物理力学指标建议值表
地貌
地层
渗透系数(m/d)
允许水力坡降
（i）
承载力基本值f0
(kpa)
变形模量
E0
(Mpa)
摩擦系数f
6
砂卵石
55
0.1
380
26
0.55
两坝肩弱风化花岗岩岩体裂隙发育，比较破碎，岩石和饱和单轴抗压强度Rb=90～100MPa，岩体纵波速度Vp=2000～3750m/s，完整系数Kv=0.11～0.39，岩体的基本质量指标BQ=237～378，基本质量级别III～IV级，岩体物理、力学指标建议值如下表1—3。
表1—3 坝基岩体力学指标建议值表
岩石名称
密度
抗剪断强度
变形模量
泊桑比
ρ
f′
c

μ
g/cm3
—
Mpa
Gpa
—
花岗岩
2.45
0.8
0.6
5
0.3

第二章 工程总体布置
根据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000）规定，朱家滩装机9600kw，为五等工程，即小（2）型水电工程，其主要建筑物为5级建筑物。故朱家滩水电站枢纽设计洪水标准为10年一遇，相应洪峰流量Q=3019 m3/s，校核洪水标准为50年一遇，相应洪峰流量为Q=5254 m3/s，厂区防洪标准为30年一遇洪水设计，相应洪峰流量Q=4547 m3/s，50年一遇洪水校核，相应洪峰流量Q=5254 m3/s。
经多方案比较，朱家滩水电站选择枢纽布置在朱家滩村上游300m的渭河主干流上，上游距小水河汇入口1.8km。进水闸、冲砂闸布置在左岸，厂区布置在朱家滩下游100m渭河一级阶地上，该处的主流靠左岸，河岸开阔有利于布置水电站建筑物。
本引水枢纽工程由三大部分组成，拦河溢流坝、冲沙闸及进水闸，附属工程有上游防渗、下游消能工程，包括消力池、海漫、防冲槽，工程范围内的两岸翼墙及护岸工程。
右岸为进水闸，与溢流坝轴线夹角为34°，闸底板表面高程为681m，闸孔宽为2.5m，设胸墙顶部高程为695m，底部高程为685m,胸墙高10m。闸室用C30砼浇筑，闸门为宽2.5m，高4m的平面铸铁闸门。
坝轴线垂直河道，坝布置在河中及左岸。溢流坝长130m，坝高14m，坝底宽15.3m，坝顶高程687.5m，坝底高程678.0m。坝体内填充M7.5浆砌石，表面为C15混凝土。
冲沙闸布置在右岸靠近进水口一侧，冲沙闸3孔，每孔宽4m。冲沙闸为敞开式，上部设11m高胸墙，闸门为4×5m的平面铸铁闸门，四扇。左边墩厚2m，中墩宽2m，右边墩宽2m。闸底板顶面高程679m，闸关闭后闸门顶高程684m，。闸室顶部高程700m，工作闸门闸墩净高16m，上设启闭机及启机房；检修闸门闸墩净高11m。
坝、冲沙闸下游均采用底流消力池消能，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。消力池底高程678.0m，池长39m，深2m，池尾槛高程为680.0m，池用C25混凝土浇筑。
有关设计规范见表5-1。
表2-1 有关设计规范
序号
名称
标准编号
1
水利水电工程等级划分及洪水标准
SL252—2000
2
防洪标准
GB50201—94
3
水利工程水利计算规范
SL104—95
4
水利水电工程设计洪水计算规范
SL44—93
5
水工建筑物荷载设计规范
DL5077—1997
6
建筑结构荷载规范
GB50009—2001
7
水工混凝土结构设计规范
SL/T191—2008
8
水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）
SDJ20—78
9
堤防工程设计规范
GB50286—98
10
城市防洪工程设计规范
CJJ50—92
11
水利水电工程设计工程量计算规定
SL328—2005
12
水利水电工程初步设计报告编制规程
DL5021—93
13
水利水电工程施工组织设计规范
SL303—2004
14
水电水利工程围堰设计导则
DL/T5087—1999
15
水电水利工程施工导流设计导则
DL/T5114—2000

第三章 溢流坝坝体设计
3.1 泄流方式选择
溢流重力坝既要挡水又要泄水，不仅要满足稳定和强度要求，还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型，以满足泄水的要求；且使水流平顺，不产生空蚀破坏。
重力坝的泄水方式主要有开敞式溢流和孔口式溢流，前者除泄洪外还可以排除冰凌或其他漂浮物；设置闸门时，闸门顶高程大致与正常高水位齐平，堰顶高程较低，可利用闸门的开启高度调节水位和下泄流量，适用于中小型工程，采用开敞式溢流水库有较大的泄洪能力，本设计采用开敞式溢流。
3.2 洪水标准的确定
洪水标准的确定：本次设计的溢流重力坝是Ⅴ级建筑物，根据GB50201—94表采用10年一遇的洪水标准设计，50年一遇的洪水标准校核。
3.3 流量的确定
流量的确定：根据基础资料可知，设计情况下，溢流坝的下泄流量为3019m3/s；在校核情况下溢流坝的下泄流量为5254m3/s。
3.4 单宽流量的选择
一般来说，当河谷狭窄、基岩坚硬，且下游水深较大时，可选用较大单宽流量，以减小溢流前缘宽度，便于枢纽布置；当河床基岩较软弱或存在地质构造等缺陷时，该值应较小些。
以往一般情况，软弱基岩20～50m3/(s.m),较好基岩50～70 m3/(s.m),特别坚硬完整基岩100～150 m3/(s.m)。
由该坝址区的地质资料及工程地质概况可知该坝址处基础节理裂隙发育，岩石软弱，综合枢纽的布置及下游的消能防冲要求，故可取单宽流量为45m3/（s.m）。
3.5 孔口净宽的拟定
孔口净宽拟定，分别计算设计和校核情况下溢洪道所需的孔口宽度，计算成果如下表：
表3—1 不同情况下的孔口净宽
计算情况
流量(m3/s)
单宽流量q〔m3/(s.m)〕
孔口净宽B（m）
设计情况
3019(10%)
45
67.09
校核情况
5254(2%)
45
116.76
根据以上计算，溢流坝孔口净宽取B=130m，因为溢流坝按一孔设计，则溢流前缘长度为L=130m。
3.6 定型水头的确定
堰上最大水头Hmax=校核洪水位－堰顶高程=693.15-687.5=5.65（m）；
定型设计水头Hd=（75%～95%）Hmax=4.24～5.37（m）；
取Hd=4.8，Hd/Hmax=4.8/5.65=0.85，查表知坝面最大负压为：0.2Hd = 0.2×4.8=0.96（m），小于规范的允许值（最大不超过3～6m水柱）,故最终确定Hd=4.8m，满足要求。
3.7 堰型的确定
溢流面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求：（1）有较高的流量系数，泄流能力大；（2）水流平顺，不产生不利的负压和空蚀破坏；（3）体型简单，造价低，便于施工等。
3.7.1顶部曲线段
（1）由于WES溢流曲线的流量系数较大且剖面较瘦，工程量教省，坝面曲线用方程控制，容易找到切点位置，施工教方便，故采用WES溢流堰形式。
WES溢流剖面堰型采用幂曲线公式如下：

其中—定型设计水头，为了防止出现负压和得到经济的剖面，采用堰顶水头Hd=(0.75～0.95) H0，取Hd=0.85 H0=4. 8m。
a、b—系数，与堰的上游系数面倾斜坡度有关，由《水工建筑物》课本P106可知，当上游面为垂直的时候a=0.5,b=1.85 ；
x、y——以堰顶最高点为原点坐标。
化简为

图3—1 WES堰堰面曲线
（2）堰顶曲线与堰下游面的连接点：堰顶曲线和下游坝面应该是光滑连接，即下游坝面直线是堰顶曲线在交接点的切线。这两条直线的斜率应相等。堰下游面坡度与非溢流坝段的下游面相同为1：m=1:0.7。设两曲线相交点坐标为（x,y）,易知下游坝面直线斜率为k=1.43,堰顶曲线在焦点处斜率为曲线方程对x求导：

3.7.2 反弧段设计
堰顶高程687.50m，坝基高程673.50m，溢流坝高度14m。堰顶上游为三段圆弧曲线，下游面为反弧段，堰面方程为；其后接直线段，坡比1：0.7；直线段后接反弧段，反弧半径根据下游收缩断面处水深hc来确定。
hc是通过试算得到的。其具体试算过程如下表：

表3—2 上游水位流量关系
H0
Z
H0/Hd
P1/Hd
m
Q
hc
q
Eo
φ
hc'
2.0
689.5
0.4
2.9
0.4
868.6
0.0
40.4
15.5
1.0
2.4
2.5
690.0
0.5
2.9
0.5
1254.2
2.4
40.4
15.5
1.0
2.7
3.0
690.5
0.6
2.9
0.5
1699.6
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
3.5
691.0
0.7
2.9
0.5
2193.9
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
4.0
691.5
0.8
2.9
0.5
2733.1
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
4.5
692.0
0.9
2.9
0.5
3317.3
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
5.0
692.5
1.0
2.9
0.5
3936.9
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
5.5
693.0
1.2
2.9
0.5
4588.0
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7
6.0
693.5
1.3
2.9
0.5
5258.5
2.7
40.4
15.5
1.0
2.7

由以上，试算得到收缩断面水深：hc=2.69m。
下游反弧段半径宜为R=(4～10)hc，对于该溢流坝段，考虑到多种因素，取R=7m。
一般情况下，坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍，反映在该溢流坝上，底宽为9.8～12.6m。但是，考虑到该坝属于低坝，应尽量取大值，最终定为15.3m。
3.8 确定上游水位
由上游水位流量关系，可以绘制上游水位流量关系曲线。绘制结果
如下图：

图3—2 上游水位流量关系曲线
由以上关系曲线可以查得：
对应于校核流量Q=5254m3/s时的上游校核洪水位为693.5m，相应单宽流量为33.26m3/s，对应于设计流量Q=3019m3/s时的上游设计洪水位为691.75m相应单宽流量为19.11，m3/s。
由下游水位流量关系曲线可以查得：
对应于校核流量Q=5254m3/s时的下游校核洪水位为688.4m，对应的下游临界水深hK=4.83m，相应下游水深ht=10.4m，相应共轭水深为9.87m,淹没系数σj=1.05；
对应于设计流量Q=3019m3/s时的下游设计洪水位为687m，对应的下游临界水深hK=3.34m，相应下游水深ht=9.1m,相应共轭水深为7.58m,淹没系数σj=1.20。
当一般洪水标准情况下，取Q=868.55m3/s时的下游洪水位为685.3m，对应的下游共轭水深为4.13m,相应下游水深ht=6.9m,淹没σj=1.67。
3.9 消能防冲设计
由于溢流坝下泄的水流具有很大的动能，常高达几百万甚至几千万KW，如此巨大的能量，如不妥善处理，势必导致下游河床被严重冲刷，甚至造成塌滑岸破和大坝失事。所以消能措施的合理选择和设计对枢纽布置、大坝安全及工程量具有重要意义。
《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。
3.9.1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。采用底流消能时应保证消力池内形成稳定的水跃，避免产生回流。消力池内和尾坎前后要清理干净，不允许堆积石渣等杂物。
（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）消力戽消能：消力戽消能是在溢流坝址设置一个半径较大的反弧戽斗，戽斗的挑流鼻坎潜没在水下，形不成自由水舌，水流在戽内产生旋滚，经鼻坎将高速的主流挑至表面。戽内、外水流的旋滚可以消耗大量能量，因高速水流桃到表面，减轻了对河床的冲刷。消力戽适用于尾水较深，变幅较小，无航运要求且下游河床和两岸有一定抗冲刷能力的情况。消力戽的优点是：工程量较底流消能小；冲刷坑比挑流消能浅；不存在雾化问题。缺点是：下游水面波动大，绵延范围长，易冲刷岸坡，对航运不利，底部旋滚将泥沙带入戽内时，磨损戽面增加了维修费用。
通过以上各种消能方式的优缺点分析及综合比较，以及考虑到该坝的自身情况及地质情况，最终确定适合该坝体的最佳消能工形式为底流消能。
3.9.2消力池设计
消力池是由一段护坦与尾坎成的，因此需要考虑护坦与尾坎两个方面。
（1）护坦构造
护坦厚度：由于消力池内水流高度紊流转台，脉动压力情况复杂，可按经验公式，也可以参照规范设计，一般大、中型水闸为0.5～1.0m，长消力池也可以自上而下，采用不同的厚度，末端厚度为t/2，但不宜小于0.5m。
在本次设计中，护坦厚度采用0.8m，且厚度均匀。
护坦的材料和细部构造：校核情况下的临界水深为hk=4.83m ,收缩断面水深hc=2.69m,则hk<hc ,因此坝趾出的水流为急流，而河渠中的水流一般多属缓流，其水深ht大于临界水深hk，故此处必发生水跃，可利用水跃进行消能。护坦地板采用钢筋混凝土，混凝土为C20，在护坦的中后部设置排水孔，孔径5cm，间距2m，梅花形排列，在平行于水流方向设有沉降缝，缝的位置与闸墩对齐，护坦下面设有反滤层，卵石20cm，砂砾石15cm。细纱15cm。
（2）消力池长的确定
校核情况下的临界水深为hk=4.83m ,收缩断面水深hc=2.69m,则hk<hc ,因此坝趾出的水流为急流，而河渠中的水流一般多属缓流，其水深ht大于临界水深hk，故此处必发生水跃，可利用水跃进行消能。因为ht>hc'',水流从收缩断面起要流动一段距离，使水深由hc增至ht,才开始发生水跃。由于下游的实有比能大，表面旋滚将涌向上游，并淹没收缩断面，形成淹没式水跃。

淹没度系数公式

因为前已判明建筑物下游水流为淹没式水跃衔接，ht>hc''，采用底流型衔接与消能，淹没度系数σj =1.05，护坦长度较小，消能效果比较好，则可修建消能坎，使坎前水位壅高，在池内发生稍有淹没的水跃，因为根据河底地形与高程，下游坝顶高程为678m,下游河道高程为680m,相当于在护坦末端加了一个2m高的消力坎。
求池长LB:
由 Lj=6.9(hc'' - hc)=6.9(9.87-2.69)=49.54m
得 LB=0.75Lj=0.75×48.714=38m
则消力池长度不小于38m，故最后确定消力池池长LB=41m，坎高c=2m。
3.10溢流坝稳定分析
重力坝的荷载主要有：自重、静水压力、泥沙压力及扬压力等，常取1m坝长进行计算。
荷载组合可分为基本组合和特殊组合两类。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。
各种情况下相应荷载的计算如下：
（1） 自重W
坝体自重的计算公式：
式中 ：V—坝体体积，m³；由于取1m坝宽，可用断面面积代替，面积可从断面图上量取；
—坝体混凝土的重度（本设计中混凝土的重度为25KN/m³）
三种情况下自重均相同，且量取的断面面积为144.55㎡，则有：

（2） 静水压力P
静水压力是作用在上下游坝面的主要荷载，计算时常分解成水平水压力PH和垂直水压力PV两种。
表3—3 不同情况上下游水深
特征水位
上游水深
H1（m）
下游水深
H2（m）
上下游水位差
（m）
正常蓄水位
687.5
680.0
7.5
设计洪水位
691.8
687.0
4.8
校核洪水位
693.5
688.4
5.1

计算各种情况下的静水压力：
水平水压力PH计算公式为：

式中：H—计算点处的水头，m；
—水的重度，常取10KN/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：
（→）
下游水平水压力：
（←）
上游垂直水压力：

下游垂直水压力：

b. 设计洪水位：
上游水平水压力：
下游水平水压力：

上游垂直水压力：

下游垂直水压力：

c. 校核洪水位：
上游水平水压力：
下游水平水压力：

上游垂直水压力：

下游垂直水压力：

（3） 扬压力U
根据规范，排水处扬压力折减系数取，扬压力的计算过程如下：
a. 正常蓄水位

b. 设计洪水位

c.校核洪水位

（4） 泥沙压力PS
一般计算年限取50~100年，水平泥沙压力PS为：

式中： —泥沙的浮容重，KN/m³；
—坝前淤积厚度，m；
—淤沙的内摩擦角，（）。
故泥沙压力：

各种荷载计算结果见表3.1。
稳定分析：
重力坝的抗滑稳定分析按单一安全系数法进行验算。本设计采用抗滑稳定公式进行验算，计算时取单宽1m，计算公式如下：

计算结果见表3.1，验算均满足抗滑稳定要求。

计 算 内 容
荷载基本组合
荷载特殊组合
正常挡水情况
设计洪水情况
校核洪水情况
计算水位
上游
687.5
691.8
693.5
下游
680.0
687.0
688.4
下游坝顶高程
m
678.0
678.0
678.0
坝基面高程
m
673.5
673.5
673.5
荷载
自重
kN
3613.8
3613.8
3613.8
压力体
kN
0.0
615.0
820.0
上游静水压力
kN
980.0
1575.0
1721.3
下游静水压力
kN
191.3
506.3
540.8
泥沙压力
kN
240.6
240.6
240.6
扬压力
kN
356.6
787.3
224.7
∑W
KN
3257.2
3441.4
4209.0
∑P
KN
1029.3
1309.3
1421.0
抗滑稳定
计算值KC
1.7
1.4
1.6
安全系数
允许值[KC]
1.2
1.1
1.0
表3—4 溢流坝稳定计算成果表

如上表计算结果可见，重力坝的抗滑稳定系数KC满足荷载组合要求，即：

第四章 冲沙闸设计
4.1 冲沙闸尺寸设计
泥沙运动控制法，概念明确，方法简单。它是根据在进水闸前，能够造成“门前清”所需要的冲沙流量Q来确定的，基本上可以防止推移质泥沙进入进水闸，适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。
已知泥沙平均粒径dpj=0.0367mm,设计能够冲沙的最大石块粒径dmax=5cm.,
4.1.1泥沙止动流速的计算
Uc为泥沙起动流速，根据河流泥沙情况可选用有关的公式计算。
本设计选用张瑞瑾泥沙启动流速公式：

则止动流速Uz为：

4.1.2冲沙流速的计算
(1)开启冲沙闸，要求沉沙槽断面流速达到能够冲洗槽内全部淤泥以及随冲沙水流带入槽内的群体泥沙，则冲沙流速为：

式中，
d0--冲沙流量相应的河道运动推移质泥沙的平均粒径；
h0i--沉沙槽内水位至底板面上的水深。
（2）另外，为使停留在沉沙槽内的单个粒径为d的大石块也能够冲到下游，要求槽内冲沙流速达到Vc＇可由库明试验公式计算。

取VC 与Vc＇中的较大值，作为沉沙槽的设计冲沙流速，则取Vc＝1.9m/s。
在正常引水条件下，沉沙槽进口控制断面宽度b0，由下式计算：

则沉沙槽设计冲沙流量：

且流量系数：

4.1.3沉沙槽尺寸的计算
假设冲沙闸关闭，进水闸引水通过沉沙槽时的水流流速应小于等于限制入渠最小粒径泥沙的止动流速，使进入槽内的底沙沉落，利用这个原则确定沉沙槽的尺寸。
在正常引水条件下，沉沙槽进口控制断面宽度：

式中，
Q0--进水闸引水的流量；
h0--沉沙槽断面减去预留淤积厚度后的水深，为限制进入进水闸泥沙最小粒径d min的止动流速；
B--冲沙闸过流宽度。
本设计取B=12m，闸门为3孔，每孔4m×5m(宽×高)。
另外，由闸孔出流方程：
Q=μBe
单宽流量表达式：

计算不同情况下冲沙闸的过流量，结果见下表4.2。

表4—1 不同情况下冲沙闸的过流能力计算
来水情况
上游水位
上游水头h0
闸门开度e
流量系数μ
冲沙流量Q
单宽流量q
校核洪水
693.5
14.5
5
0.539
545.5
45.46
设计洪水
691.75
12.75
5
0.531
503.7
41.98
正常蓄水位
687.5
8.5
5
0.496
384.5
32.04

4.1.4闸墩设计
(1) 作用：分隔闸孔并支撑闸门、工作桥等上部结构，使水流顺利地通过闸室。
(2) 外形轮廓： 应能满足过闸水流平顺，侧向收缩小，过流能力大的要求。上游墩头采用半圆形，下游墩头采用流线形。其长度采用与闸底板同长，为18m。
(3) 厚度：中墩和边墩均厚2.0m。工作闸门的门槽尺寸应根据闸门的尺寸确定，门槽深0.3m，宽0.5m。 检修闸门与工作闸门间距为4m。
(4) 高度：采用三种计算方法，取最大值。经过比较后取闸墩高度为16m.
H墩=校核洪水位时水深+安全超高=14.5+1.5=16（m）
H墩=设计洪水位水深+安全超高=12.75+1.5=14.25（m）
H墩=正常挡水位水深+Δh=8.5+0.27+1.5=10.27（m）
式中Δh为波浪高度。
4.1.5胸墙设计
（1）作用：当水闸挡水高度较大时，可代替一部分闸门高度。
(2) 高度：顶部高程与边墩顶部高程相同，底部高程以不影响闸孔过水为准。所以顶部高程为695.00m，底部高程为684.00m，高度为11m。
（3）由于胸墙高度较大，采用板梁式结构，材料为钢筋混凝土，厚度为60cm.