泄水重力坝设计.doc

第七章 泄水建筑物的设计
7.1 泄水建筑物形式的选择
在4.3.2节已经拟订了泄水建筑物的形式为溢流坝泄水。

图7-1 溢流坝基本剖面

7.2 溢流坝剖面设计
溢流坝剖面除了应满足强度、稳定和经济等要求外，还需考虑水流运动的要求。通常它是由基本三角形（图7-1中虚线所示）即非溢流坝修改而成。内部构造则不变，和非溢流坝保持相同。
溢流坝面由顶部溢流段、中部直线段和下游消能组成，上游边为直线或折线。溢流面的中间直线段一般可与非溢流坝下游面斜率保持相同，上端与堰顶溢流曲线线相切，下端与下游反弧段相切，其作用是使水流平顺的按要求的消能方式与下游水衔接。
7.2.1 顶部溢流段（ac段）
溢流坝顶部溢流曲线，应使水流平顺的通过堰顶，在堰面不产生过大的负压，溢流能力较大。
(1)溢流堰面曲线（bc段）。有两种曲线可供选择使用：克-奥曲线和WES曲线。但最近的工程实例证明WES曲线比克-奥曲线瘦，宜与坝面连接，计算切点位置及放样均方便的多，与上游面可呈坡形连接，按定型水头设计此堰面曲线时，在不同水头下，可增加泄流量，因此我国“混凝土重力坝设计规范”荐采用WES曲线。故拟订采用WES曲线。当上游面垂直时，WES曲线方程如下：

式中：x,y——堰顶曲线的水平和垂直坐标，原点为堰顶的最高点；
Hs ——定型设计水头，按堰顶最高水头的75～95%计算。
经计算确定该曲线方程为
（2）上游曲线（ab段）。堰顶上游面为1/4椭圆曲线，其方程为：

式中：a、b——分别为椭圆的长短轴系数；
Hs ——定型设计水头。
最后确定该椭圆方程为
7.2.2 中部直线段（cd段）
溢流坝的中部为直线段，要求和非溢流坝的基本三角形的下游边相重合，上端和堰顶曲线相切，下端和反弧相切，其作用是使水流平顺的按要求的消能方式与下游水位衔接。
经过计算（详细见计算书3.2节）得切点位置为(12.3，9.5)，其坡度和非溢流坝保持一致，为1：0.7。
7.2.3 下游消能设计（de段）
表7-1 消能形式极其比较
消能形式
原理及特点
适用情况
底流消能
基本原理是使水流产生临界水跃，通过表面漩滚消能；他常需要护坦、消力池等措施，对于基岩往往不够经济。
常用于水闸。
挑流消能
挑流消能，利用鼻坎将自溢流面下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散并卷如大量的空气，然后落入下游河床水垫中。水流在同空气摩擦的过程中，消耗了约20%的能量。抛射到下游水垫后，形成强烈的旋滚区，冲刷河床形成冲坑，同时消耗掉大部分的能量。
它一般适用于基岩上的水工建筑物，特别是高水头、大流量的泄水建筑物。
面流消能
原理是将高速水流挑至尾水面，在表层主流和河床之间形成逆流旋涡和跃波，通过旋涡和主流扩散而消能。水流在表面可减轻对坝下河床的冲刷，但可能水滚裹挟石块，磨损坝脚地基。
它适用于下游尾水较深，流量变化范围小，水位变幅不大的情况，由于表层水流速很大，对下游的电站和航运有影响。

消力戽消能
它将鼻坎设置在水下，不形成自由水舌，水流在戽内产生漩滚，经鼻坎将高速主流挑射至水流表面，消耗大量动能。
它一般实用于尾水较深，变幅较小，无航运要求，且地基条件比较好的情况。

（1）消能形式及原理：重力坝的下泄水流具有很大能量，如不能妥善的消杀水流的能量，将冲刷建筑物及河床基岩，危机建筑物的安全。常用的消能形式有底流消能、挑流消能、面流消能和消力戽消能等,他们的比较列于表7-1。
由于该枢纽河床地质条件较好，且水头较高，同时有通航和发电要求。拟采用挑流消能。
（2）挑流设计
挑流设计的要求：选择合适的鼻坎型式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度，使挑射水流形成的冲刷坑不会影响到坝体的安全。
①常用的鼻坎型式有连续式和差动式。连续式构造简单，射程远，水流平顺，一般不会产生空蚀，施工方便；差动式消能效果好，冲刷坑较小，但有空蚀问题存在，施工难度较连续式大。
由于本枢纽的地基条件较好，考虑到施工的方便使用连续式鼻坎，同时也避免了空蚀的问题，但要保证冲坑不会危及到坝体的安全。
②连续式的挑流鼻坎的挑射角，根据我国的工程实践经验，以20°～25°为宜，拟定采用25°的挑射角。
③鼻坎反弧段半径R以8～12倍的hc为宜，hc为鼻坎上的水深，流速越大，倍数宜选用较大值。经过计算（见计算书3.3节）拟订为17.21米。
④鼻坎高程，为了保证挑流的效果，必须要求挑流要高于下游水面。一般情况下鼻坎高程以高于下游水位1～2米为宜。设计出来的鼻坎高程为148.74米，高出下游水位：

满足要求。
⑤水力校核，鼻坎设计完毕后，还需验算该挑流消能是否会危及建筑物的安全，常用冲坑上游坡做为标准，即：

式中 tk——冲坑深度（米）；
L——冲坑最深深度距建筑物距离；
i——冲坑上游坡；
ic——安全临界坡，可取1/3～1/4。
计算工况为设计和校核情况。计算（详细计算见计算书3.4节）得
校核时：
设计时：
均满足安全要求。
综上，拟订的挑流消能的鼻坎型式为,连续式鼻坎；反弧半径R=17.21m；挑射角度θ=25°；鼻坎高程顶部148.74m。
7.3闸门、闸墩及导墙设计
7.3.1 闸门设计
（1）闸门形式的型式选择
比较常见的闸门形式是平板门和弧形门。平板直升闸门能满足各种类型的泄水孔道的要求，所以它是应用最为广泛的一种闸门形式；弧形门也是一种应用十分广泛的门型，它一般可用于泄洪道和无压泄水孔的泄水形式。二者具体特性如表7-1所示：
表7-1 闸门型式及其优缺点

优点
缺点
平板门
①可封堵相当大面积的孔口；
②建筑物顺流方向尺寸较小；
③闸门结构简单，其制造、安装和运输工作相对来说比较方便；
④门页可以出孔口，便于检修维护；
⑤门页可在孔口间互用；
⑥门叶可为数段，有利于泄洪、排沙；
⑦闸门启闭设备比较简单，对对移动式起门机适应性较好。
①需要较高和较厚的闸墩；
②具有影响水流的门槽特别在水头较高的情况，门槽会带来很多的麻烦；
③需要启闭力较大，故须选用超大的门机。
弧形门
①可封闭相当大面积的孔口；
②所需闸墩高度和厚度较小；
③没有影响水流流态的门槽；
④所需的启闭力较小；
⑤埋件数量小。
①需要较长的闸墩；
②闸门所占空间较大；
③不能提出孔口以外进行维修；
④闸门所承受的总水压力较大，不能在孔口间互换。
通过比较二者各有优劣，但当二者均为方案选择时，优先考虑使用弧形门。故工作门拟采用弧形闸门，而检修门为了保证工作的可靠，采用平板门。
（2）工作闸门基本尺寸拟订
①门高。工作闸门要求可以在正常水位的情况下完全挡水，在校核水位时则打开闸门放水，即门高H为正常水位的堰上水深加上浪高（浪高见计算书2.1节）和一定的超高。
Z正-Z顶+H浪=178.0-170.92+1.68=8.76米
加上一定超高为9.4米。

图7-1 溢流坝闸门尺寸及布置示意图

②门面板曲率。弧形门面板曲率半径与门高的比值露顶式一般为1.1～1.5，则弧形门半径R =1.2×9.4=11米。
③布置位置，支绞位置应设在泄水时不受水流和漂浮物冲击的高程，一般溢流坝顶上的露顶式闸门，支绞位置约在1/2～3/4倍门高处。
现拟订将支铰放在5.9米高度处，5.9/9.4=0.63满足上面的要求。此时的支铰远远高于水面线（水面线计算见计算书3.4节），且闸门开启的之后也可保证在水面线上一定的超高，如图7-1所示。
（3）检修门基本尺寸拟订
检修门采用平板门，门槽厚度为1～4米，门高和工作门一致。故拟订门槽宽为1米，门高9.4米。
要求检修们和工作门之间要有1～2米的间距，以保证工作人员能够进入进行检修和维护。此处二者间距拟订为1.2米。
7.3.2 闸墩设计
（1）闸墩的作用
将溢流前缘分分隔为若干个孔口，便于设置闸门，同时承受闸门传来的水压力，也是坝顶桥梁的支承体。
（2）闸墩体型设计
闸墩的长度主要取决于坝顶桥面的交通和闸门的受力条件。坝顶交通主要有交通桥、工作桥和便桥，闸门受力牛腿后同样需要一定的混凝土厚度以保证可以承受闸门传来的力。因为使用是弧形门，按照上面的要求所的闸墩很长，考虑如图7-2所示布置形式，即在牛腿的斜下方和水面线以上向内收缩。这样可以减小闸墩的长度，增大溢流面宽度，减小水流流速；同时保证闸门的受力牛腿布置在一个平面上，有较好的受力条件。
对于弧形门闸墩最小厚度为1.5～2.0m，最大可达3～3.5m。考虑到墩缝，墩厚初拟定为3m。
检修门槽宽度前面已经拟订为1米，深度取0.5米。

图7-2 闸墩示意图

7.3.3 导墙设计
（1）导墙的作用及位置。
边墩设在溢流坝的两侧，以分隔溢流坝和非溢流坝，并做为边跨桥梁和闸门的支承体，为了防止坝面水流向两侧漫溢，边墩应向下游延伸形成导墙。延伸的长度应根据枢纽的布置而定。
由于本枢纽采用挑流消能，所以和非溢流坝或溢流坝间的导墙至少要延伸到鼻坎末端，和鼻坎端部平齐；和电站坝段之间的导墙为了和坝后式厂房分割开，不影响电站尾水，保证不影响电站的正常运行，导墙应延伸到厂房后20～30 h0（h0为下游水临界水深）。
（2）导墙的高度确定。
导墙要求高于掺气水面线（当弗氏系数Fr>2时候考虑掺气水深）1～2米，以保证水流不会漫溢。
表7-2 溢流面水面线计算结果
Xi
6
8
10
12
12.3
14
16
17.16
Yi
2.52
4.29
6.48
9.08
9.5
11.93
14.79
16.45
水深h
5.39
4.79
4.35
4.01
3.97
3.75
3.05
2.97
经水面线计算（见计算书3.4节）得溢流面掺气水面线如表7-2和图7-3所示。并按照1～2米的超高设计导墙，为了施工的方便，将导墙设计为如图7-3所示的折线形式。
（3）导墙厚度及截面的确定
导墙断面按受力条件决定，墙顶宽度不小于50～60cm。导墙的重要外力来自水压力，其受力如图7-2（b）所示呈三角形分布。故将导墙截面做成梯形，以更好的承受水压力。梯形顶边宽1米，底边宽2米，起坡点在水面线处，如图7-2（b）所示。

图7-3 导墙示意图

7.4.1计算基本原理及方法
溢流坝虽然是在基本剖面的基础上修改而来，但剖面的样式已经改变，前面挡水坝段的稳定应力分析的结果已不在适用于此，必须对该坝段重新进行稳定应力分析。
分析的基本方法为材料力学法。
坝基面反弧段下方之所以出现拉应力，是因为溢流坝过长导致扬压力过大而造成的，可以在基本三角形的顶点处设置一永久纵缝，以消除拉应力，并可以起到降低该处过大的剪应力的作用。关于纵缝的设置见11.2节。

第八章 放空建筑物设计
8.1 深孔的作用
在水利枢纽中为满足泄洪、灌溉放水、施工导流、防空水库及排砂等要求，常在坝体中设置泄水孔。位于水面线下坝体中、下部的泄水孔，习惯上称为深孔。
8.2 深孔形式的选择
在第4.3.4节就已经分析采用无压孔。
8.3 基本尺寸初拟
（1）孔口尺寸及数量拟订
初拟定为3.5×4；考虑到要求排砂，底板高程定在151米高程；拟订为一孔。
经过放空计算（见计算书4-1），知在最枯季节（1～4月）和溢流坝联合放水从正常高水位放空到死水位需要32天，完全满足在40天内防空的要求。
（2）坝段宽度确定
要求在孔两边各有一定的厚度的混凝土保护层，一般为孔口宽度，则深孔坝段宽度拟订为3×4=12米。
8.4 深孔体型设计
无压深孔从上游至下游可分为：进口段、压坡段、闸门段、无压段、反弧段和挑流鼻坎。
其中前三段共同构成短的有压段，其长度要求为2～3倍的有压段出口的高度。
（1）进口段（ac段）
进口的上下唇都可用椭圆曲线，侧壁也可采用椭圆曲线。他们的曲线方程分别为：

式中x,y和z——正交坐标系的坐标值，x与水流平行，y（上下向）和z（水平
向）与水流垂直；
D——压坡段（de段）进口的高度，为4.7米（见压坡段的设计）；
B——压坡段进口的宽度，为3.5米。

图8-1 深孔体型示意图

以上为ab段，要求ab段的平均坡度为0.5左右，水平长度0.6D1左右。实际坡度0.5，水平长度2.5米，为D1的0.625倍，均满足要求。
bc段，下壁为水平直线；上壁为倾斜直线，要求其坡度不缓于0.1，在b点和椭圆相切，实际坡度0.19，满足要求，其水平长度为1米。
ac段总水平长度要求控制在0.8～1.0D1为宜，实际水平长度3.5米，为0.88 D1，满足要求。
（2）检修门槽（cd段）
检修门一般采用平板门（详见8.5.2节），其门槽宽度1米，延伸至坝顶的起吊设备。
（3）压坡段（de段）
要求d点在bc的延长线上，de段的坡度为0.25～0.15。实际de段坡度为0.2，满足该要求。该段水平长度3.5米。e点为短有压段出口的顶点。

图8-2 深孔无压段示意图
（4）无压段
无压段紧接短有压段，其底缘采用抛物线，有时为了适应与坝下游面连接，在有压段出口和抛物线之间设一直线短。抛物线的方程为：

式中： x,y——以抛物线起点为原点的坐标系的坐标值；
H0——流速水头，为v2/2g，v为抛物线起点断面的平均流速
又因为，则H0=μ2H=0.95×(178-153)2=20.25米；
K——为防止产生负压的安全系数，一般取4.8～6.4，拟取5.5；
φ——流速系数，初设取0.95。
则无压段的抛物线方程为:
y=x2/5.5×0.952×20.25=0.009949x2
（5）下游消能防冲设计
①消能形式的选择：由于该枢纽河床地质条件较好，且水头较高，拟采用挑流消能。它利用鼻坎将自溢流面下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散并卷如大量的空气，然后落入下游河床水垫中。水流在同空气摩擦的过程中，消耗了约20%的能量。抛射到下游水垫后，形成强烈的旋滚区，冲刷河床形成冲坑，同时消耗掉大部分的能量。
②鼻坎设计
连续式的挑流鼻坎的挑射角，根据我国的工程实践经验，以20°～25°为宜，定采用20°的挑射角。
鼻坎反弧段半径R以4～10倍的hc为宜，hc为鼻坎上的水深，经计算（见计算书4.4节）得R=21.86米。
该反弧上游必须和无压段的抛物线衔接并相切。根据以上求得鼻坎最高点高出下游最高水位1.72米，满足高出下游最高水位1～2米的设计要求，可以保证挑流的形成。
③水力校核
鼻坎设计完毕后，和溢流坝一样，还需验算该挑流消能是否会危及建筑物的安全，常用冲坑上游坡做为标准，即：

式中 tk——冲坑深度（米）；
L——冲坑最深深度距建筑物距离；
i——冲坑上游坡；
ic——安全了解临界坡，可取1/3～1/4。
计算工况为设计和校核情况。计算（详细计算见计算书4.5节）得
校核时：
设计时：
均满足要求。
（6）孔顶板设计
无压孔顶可做为折线的，但孔的高度应考虑高速水流掺气后水深增加的因素，留有安全余度，以保证水流为无压流，孔顶距水面的高度可取最大流量时的不掺气水深的30%～50%。孔侧仍然是平行的，宽度为B。
对于深孔，最大流量就是正常水位时对应的流量，此时水面线计算成果如表8-1所示（计算过程见计算书4.4节）：
表8-1 深孔水面线计算成果表
i
Xi(m)
Yi(m)
角度α
水深h(m)
流速V(m/s)
1
0
0
0
3.93
21.11
2
4.25
0.18
4.84
3.919
21.19
3
10.61
1.12
11.92
3.843
21.61
4
15.24
2.31
16.87
3.753
22.13
5
18.68
3.47
0
3.671
22.62
6
15.07
2.26
16.0
3.756
22.11
7
14.7
2.15
20
3.764
22.06
注：此处水深为垂直底板方向上的水深
8.5 深孔其他设施设计
8.5.1 通气孔计算
在深孔进行充水或放空过程，闸门后需要排气和补气，特别是当动水下门时，问题更为严重，会引起压力管内局部真空形成负压。依据水利水电钢闸门设计规范于泄水管道中的工作闸门或事故闸门，其后通气孔面积可按下列经验公式计算：
a≥
式中： a——通气孔断面面积（m2）；
[V]——通气孔允许风速（m/s），对于中小型工程一般取50；
v——闸孔孔口水流速（m/s）
A——闸门后管道面积
a≥0.09×3.5×4/50=0.52m2
对应孔直径为D==0.8m
8.5.2 闸门、启闭设施设计
（1） 工作门，
深式无压泄谁孔应设置工作闸门，工作闸门应布置在短有压段出口处，如图8-1所示。工作门可采用平板门或弧形门。弧形门的优点是启门力较小，不需要门槽。不足之处是坝体内要留较大的空室，以便于闸门开启。由于重力坝坝体较大，所以拟订选用弧形门。
由于启门力一般要求较大，开时要拉，关时要压，选用油压启闭机操作，所以所要求的启闭室也较小。
（2）检修门

图8-3 防空蚀门槽体形
工作门上游要设置检修门。如果工作门不能及时开启，就不能即使泄洪或泄水，会造成不良后果，所以必须加强检修。所以要求检修门能在动水下关闭，在静水下开启。一般检修门用平板门，一般布置在进口喇叭口段的下游，闸门槽通至坝顶。启闭设备设置在坝顶。
高速水流经过闸门的门槽时，由于水流两侧边界突然变化，在门槽内极其下游发生立轴旋涡，易出现空穴或负压，影响深式泄水孔的正常运行。为此，应对矩形门槽进行改进，以防止空蚀。具体的设计体形和尺寸如图8-3。

电站坝段设计
在重力坝枢纽中水电站是重要的组成部分，他担负着整个水利枢纽的主要经济来源的重任。
9.1 电站布置形式的选择
4.3.3节已拟订采用坝后式电站。
9.2 基本尺寸拟订
（1）引水管直径的确定
电站的总装机容量72000千瓦，拟采用三台机组，每台容量24000千瓦。
电站最大引用流量240m3/s,则每台的引用流量为q=240/3=80m3/s。
钢管的直径应根据技术经济比较确定。一般钢管内的经济流速为4～6m/s，拟采用5m/s的经济流速。此时管径为：

（2）坝段宽度确定
钢管在坝内布置要求在坝段的中间，管的直径不超过坝段宽度的1/3。则坝段宽度最小为4.5×3=13.5，拟订取15米一个坝段。
（3）进水口高程的确定
进水口的进口高程应按水电站运行过程中可能出现的最底水位决定，应在引水道顶部以上有一定的淹没深度，以保证不进入空气和不产生漏斗状吸气旋涡，同时，进水口闸门第坎还应在淤沙高程以上，以免影响水电站的正常运行。
最小淹没深度采用高登(J.L Gordon)建议的经验公式：

式中 h——门顶最小淹没深度，即相对死水位（166.28m）的最小淹没深度；
c——经验系数，为0.55～0.73之间，对称进水口的进口取小值，侧面进水的进口取
大值，此处取为0.6；
v——闸门断面流速，为4.5m/s；
a——闸门空口高度，为4m。
则最小淹没深度为
h=0.6×5×4.51/2=6.36m
则门顶高程最高为 166.28-6.36=159.92m
即门顶高程须在 151.5m（淤沙高程）～159.92m，拟订为159米。
(4)水轮机的选用及相关参数的计算
水轮机是水电站中最重要的动力设备之一，它关系到水电站的工程投资、安全运行、功能指标及经济效益等重大问题。水轮机的选择、在确定水轮机的型号和有关参数时，应结合枢纽布置、工期安排以及水轮机的制造、运输、安装和维护等方面的因素，力求选出技术上先进可靠，经济上合理的水轮机。
水轮机的最大工作水头为hmax=180.13-147.13=33m,当水轮机的最大工作水头小于40米时，为了节约钢材，多采用混凝土蜗壳，它的断面多采用梯形断面，这种混凝土蜗壳特别实用于轴流式水轮机；又本枢纽的单管流量为80m3/s,流量较大，而水头较低，优先选用轴流式水轮机。故拟订用轴流式水轮机。
确定水轮机的具体型号需要确定水轮机的工作水头范围，上面已经计算了最大工作水头为33米，下面计算最小工作水头。最小工作水头为死水位情况下只有一台机组工作时候对应的工作水头，此时下游水位为80 m3/s对应的水位，差水位-流量曲线（附图1）得140.79米，此时工作水头为hmin=166.28-140.79=25.49m，即工作水头范围在25.49～33米，据此选用水轮机型号为ZZ440。
经计算（见计算书5.1节）确定相关基本尺寸如下：
水轮机直径D： 3.8m；
导叶高度b0： 1.425m；
吸出高hs： -3.86m；
安装高程： 137.64m；
厂房地面高程: 147.93m;
厂房宽度： 15m;
厂房长度： 63m.
9.3 深式进水口体型设计
深式进水口的水电站引水系统的首部工程，其主要作用是在规定的水位变化范围内引进发电所需要的水量，并可拦截泥沙和污物，提高水质，保证水电站的正常运行。
深式进水口的组成包括：进口段、闸门段、渐变段、操作平台及交通桥和其他附属设备。
（1）进口段
为了保证水流的平顺，坝式进水口一般为一很短的喇叭形进口段，其长度视不同的布置而定。
进口段顶板广泛采用四分之一椭圆曲线，而为了便于施工，顶板也常做成斜坡形式；两侧边墙轮廓可用椭圆或圆弧等曲线。
①顶板的椭圆方程

图9-1 电站进水口体型
根据国内外时间经验，喇叭口顶板的椭圆方程为

式中 a=1～1.5D,通常用1.1D（D为引水管直径），a=1.1D=1.1×4.5=4.95m;
b=1/3D～1/2D,采用
b=1/3D=4.5/3=1.5m.
即顶板的椭圆方程为

②两侧的椭圆方程
喇叭口两侧的椭圆方程为

式中 a=B（B该段为孔口宽度,一般等于直径D)，即a=D=4.5=4.5m;
b=1/3D～1/2D,采用b=1/3B=4.5/3=1.5m.
即两侧的椭圆方程为

（2）闸门段
由于为有压流，工作闸门采用平板门。
闸门段是引水道和进口段的连接段,其体形主要根据所采用的闸门、门槽形式以及结构受力条件而决定。闸门孔口常做成矩形，其宽度一般等于或稍小于压力管道直径D，高度一般等于或稍大于管道直径。闸门段的长度通常取决于闸门及启闭设备的需要，并考虑引水道检修通道的要求。
现拟订闸门门高h为5米，门宽B为4.5米。
（3）渐变段
渐变段是由闸门段（通常为矩形断面）到压力引水管道（通常为圆形）的过渡段，其断面面积和流速应逐渐变化，使水流不产生涡流并尽量减少水头损失。由矩形变到圆形断面通常采用在四角加圆角过渡，圆弧中心的位置和圆角的半径均按直线规律变化。
渐变段的长度根据经验，一般为压力隧洞直径的1.5～2.0倍，收缩角一般不超过10°，以6°～8°为宜。对于坝式进水口的渐变段长度为了适应坝体的结构布置的要求，一般取为压力管道直径的1.0～1.5倍钢管直径，因管道短，渐变段轴线通常为直线，也可根据引水道需要布置成曲线。
拟订渐变段长度为l=D=4.5m,高从5米渐变到4.5米，宽度不变从4.5m的方形渐变到4.5米的圆形压力管道，如图9-2所示。

图9-2 电站引水管渐变段体形
9.4 坝内钢管的布置
钢管在坝内的布置可分为三种形式：倾斜的、垂直的和水平的，其中以倾斜式的最为常用；垂直的用在高差较大，而水平距离较小的情况；水平的则相反，用于水平距离较大，垂直高差较小的情况。本枢纽的电站采用的是坝后式电站，水平和垂直距离相当，故采用倾斜式的布置。
倾斜式的坝内管布置要求在平面上尽量布置在坝段的中间。在剖面上，应尽量使管轴线和坝内的主应力方向保
图9-3 坝内压力管道布置
持一致以减小坝体孔口应力，由6.5.3节的应力计算可以知道坝内主应力大致角度为55°（与水平方向夹角），则管道的倾斜角也为55°。压力管道在坝体内转弯的时，转弯半径不宜小于2倍的管径，即最小转弯半径为4.5×2=9.0米，以保证水流的平顺和管道的应力条件。
在满足以上的要求的前提下，坝内钢管布置如图9-3所示。
9.5 其他设施设计
9.5.1 拦污珊
拦污珊的功用是防止污物进入进水口。拦污珊可布置成直线和多边形两种。根据近年来的经验，直线形的拦污珊可以充分利用进水口的空间，在部分拦污珊被污物堵塞时，仍可通过临近的珊面进水，起到互为备用的作用，其结构上也较简单，施工和清污都较为简便。故拟订采用直线布置的形式。
由于拦污珊必须能阻拦污物，所以其的高度要求在校核水位以上，此处拟订为超高0.5米，即为180.13+0.5=180.63；
拦污珊和进水口之间的距离不得小于1倍压力管道直径，拟订为一倍直径为4.5米。
9.5.2 闸门极其启闭设备
由于引水为压力管道，工作门和检修门必须使用平板门。由于电站的运行需要，启闭设备使用能快速启闭的油压启闭机。
9.5.3 通气孔
在引水管进行充水或放空的过程中，闸门后需要排气和补气，特别是在动水下门时。为此必须设置通气孔。根据经验，通气孔的面积一般为压力管道的5%~10%。此处拟订为
5%π(D/2)2=5%×3.14×2.252=0.24m2。
坝体细部构造设计
11.1 坝顶构造
（1）非溢流坝顶构造

图11-1 非溢流坝顶构造（单位：米）
坝顶高度应高出水库静水位，并考虑浪高和一定的超高；坝顶宽度应考虑实际的交通要求，一般不小于2米。在6.2节中已经计算为坝顶高程182.04米，坝顶宽度为6米。
由于坝顶高程就已经考虑了波浪高度，所以坝顶不用设置防浪墙，仅设置栏杆就可以了。

图11-2 溢流坝顶构造（单位：米）
坝顶路面应有适当的横向坡度，设置相应的排水管，并将集水引至上游水库或坝体排水管内，引水管出口宜布置在水位以下，以免污染坝面；坝顶两侧为人行道，宜高出路面20～30cm。坝顶的上下游设置栏杆和照明设备。具体的布置如图11-1所示。
（2） 溢流坝顶构造
溢流坝顶高程为了保证交通的通畅和非溢流坝保持一致。其宽度主要根据坝顶的构造而定。溢流坝顶主要的构造有交通桥、工作桥、便桥和人行道。在可能的情况下，可以将工作桥和交通桥结合使用。上面所有的构造都通过T形梁支承在闸墩上，T形梁要求能够承载上面所有的荷载。两侧同非溢流坝相同的布置人行道和栏杆及照明设施。
11.2 坝体分缝及止水
11.2.1 坝体分缝的目的
为了满足施工要求（如混凝土浇注能力及施工期间的温度控制等）以及为了防止在坝在运行期间由于温度变化和地基的不均匀沉降等导致坝体出现裂缝，在坝体内分缝。根据分缝的布置可分为横缝和纵缝。
11.2.2 坝体分缝及止水设计
（1）横缝及止水
横缝有永久缝和临时缝两种，临时缝一般在坝基条件不好的情况下，为了提高坝体的整体性而设置的。本枢纽坝基条件良好，务须设临时缝。永久缝是为了防止出现由于不均匀沉降或温度变化而出现裂缝而设置的。
横缝是垂直于坝轴线设置的，将坝体分为若干段。横缝间距一般为12～20米。本枢纽在各坝段间均设置横缝。
横缝内需要设置专门的止水。
①永久性横缝面常为平面，不设键槽，不进行灌浆，不用预留缝宽。
②止水片。
第一道止水：一般以紫铜片为材料，厚度1.0～1.5米，距离上游坝面1米左右，伸入混凝土中的长度为20～25cm，具体尺寸参见图11-3（a）（b）。
第二道止水：材料为不锈钢片，尺寸和上面一样，距离上一止水0.8米。

图11-3 止水示意图
止水片的底部必须与基岩连接好，止水片应埋入基岩内，深度为30～50m，取50cm，在基岩内挖方形坑后插入止水片，再回填沥青，如图11-3(c)所示。
③沥青井，是止水的辅助设施，在低坝中可简略，但须确保前面的止水片的止水质量。
④排水井，直径40cm，距第二止水0.8m，通至廊道。
⑤检查井，会给施工带来极大的不便，不于设置。
由于坝的下游有水，在下游最高尾水位以下的坝面以内也需设置止水，一般只需设置一道。
（2）纵缝
重力坝纵缝的方向与坝轴线平行。缝面能传递压应力和剪应力，故对临时施工纵缝必须灌浆以保障坝体的整体工作。《规范》中规定，纵缝间距一般为15～30米。拟订设置的纵缝如图11-4（a）所示。
由于溢流坝在坝基反弧段附出现拉应力和较大的剪应力（详见7.4节），需在此设置永久纵缝，以减小拉应力和剪应力。纵缝设置在基本三角形的顶点处，即如图11-4（a）所示的位置。由于在反弧段，有下泄水流，需在此设置止水。止水设置参见上面横缝的止水设置。
纵缝面应设水平方向键槽，因为键槽承受压力和剪力，所以键槽应有足够的强度，以免被破坏。一般纵缝键槽为斜三角形，上斜面和第一主应力正交，下斜面和第二主应力正交。具体的键槽形式如图11-4（b）所示。

图11-4 纵缝及键槽示意图
11.3 廊道系统
在混凝土坝中，为了灌浆、排水、观测、检查及交通要求，必须在坝体内设置各种廊道，这些廊道在坝体内互相连通，构成廊道系统。
（1）基础灌浆廊道
帷幕灌浆廊道常在坝体浇注到一定高程后开始进行，以便用混凝土的压重来提高灌浆压力，保证灌浆质量，并加强坝基接触面上的抗渗和抗剪能力。因此，常需在坝内靠近上游坝踵处设置一个专门的基础灌浆廊道。其上游距坝面0.05～0.1倍的水头，且不小于4～5米，也不宜距坝踵过远，以免降低较小扬压力的作用。L1=(180.13-140)×0.1=4.01米。
灌浆廊道的断面一般采用上圆下方的城门洞的型式，宽度约为2.0～2.5米。高度为202～3.5米，以满足钻孔、灌浆工作空间的需要，具体设计的尺寸如图11-4(b)。廊道与基岩应保持一定的距离，而且最好不要小于1.5倍的廊道宽度。在廊道下游侧应能钻孔设排水及扬压力观测孔。基础灌浆廊道是沿地形向两岸逐渐提高的。两岸斜坡段的坡度不宜大于40°～45°，以便于转孔、灌浆操作和搬运操作。灌浆廊道应由设在两岸设置的横向廊道接出坝外。

（a）

（b）

(c)

图11-4 排水及廊道示意图
（a） 坝体排水廊道
（b） 坝基灌浆廊道
（c） 廊道、排水布置

（2）检查排水廊道
为了便于巡视，常在靠近坝体上游面处每隔15～20m高程设置一个检查廊道，一般还兼做排水廊道。该廊道也多用上圆下方的型式，最小宽度为1.2米，最小高度为2.2米。照此形式设计如图11-4（a）。
11.4 坝体排水
在坝体各种接缝面内虽已经设置了止水系统，但渗水仍再所难免。为了减小渗水的有害影响，还要设置相应的排水系统，将坝体和坝基的渗水由排水管排入廊道，再由廊道汇入集水井，自流或用抽水机排到下游。
坝身排水管应该靠近上游面，以便及早排除渗水，但与坝面距离一般不得小于坝前水深的1/10～1/20，以免渗透坡降过大，导致坝面混凝土溶滤破坏。由此计算对于灌浆廊道处L1=(180.13-140)/10=4.01m;
对于折坡点处L2=(180.13-151)/10=2.91m，取3米。坝体排水管的间距一般为2～3米；管内径为12～20cm,管径太小排水减压效果差，且容易堵塞。排水管常用预制多孔混凝土管，在浇注混凝土时埋入坝内。排水管和廊道的连通形式如图11-4（a）所示。
11.5 坝体材料分区
重力坝的建筑材料主要是混凝土，水工的混凝土要求具有一定的抗渗、抗冻、抗冲刷、抗侵蚀、低热、抗裂等性能。应符合《混凝土重力坝设计规范》中的规定。混凝土的强度随着龄期的增长而增长，因此，在规定设计标号时应同时规定设计龄期。坝体混凝土的强度一般采用90天龄期，对于有其他要求的混凝土的龄期，可根据需要需要确定。
坝体各部位工作条件不同。为了节约和合理利用水泥，通常将坝体混凝土按不同部位和不同工作条件分区，采用不同标号，一般可分为下列各分区（如图11-5所示）：
Ⅰ区——上下游水位以上坝体外部表面混凝土；
Ⅱ区——上下游水位变化区的坝体外表面混凝土；
Ⅲ区——上下游水位以下坝体外部表面混凝土；
Ⅳ区——基础混凝土；
Ⅴ区——坝体内部混凝土；
Ⅵ区——抗冲刷的混凝土（例如溢流面、泄水孔和闸墩等）。

选定各区混凝土强度标号，除应满足所在部位的应力要求外，为了防止施工期间发生温度裂缝，还应减少整个水利枢纽中不同混凝土标号的类别，这样也便于施工。相邻区的混凝土的强度标号不宜超过两级，以避免引起坝内应力重分布或产生裂缝。分区的厚度一般不得小于2米。
基础处理
重力坝的坝基应具有足够的强度和承载能力。但地基总是存在着种种的缺陷，为了能在具有某些缺陷的的岩基上修建重力坝，应对基岩进行必要的处理，以保证大坝的安全。
坝基处理的目的在于提高其强度、稳定性、耐久性和抗渗能力，具体的措施通常包括开挖、清理、灌浆、排水和特殊软弱地带的处理等。
12.1 地基开挖与清理
坝基的开挖就是把覆盖层缓和风化破碎的岩石挖掉，使大坝直接建筑在坚实的岩石上。重力坝地基的开挖深度，一般应根据岩石强度及完整性，并结合上部结构对地基的要求来确定。对于本枢纽的中坝（70～30m）来说，宜挖到微风化层或弱风化层的下部的基岩。开挖的边坡必须稳定。各坝段的地基面上下游高差不宜过大。两岸岸坡坝段的地基开挖面形状，在平行坝轴线方向上，如岸坡平缓则开挖要求与河床坝段相同，如岸坡较陡，因坝段有侧向稳定的问题，宜开挖成有足够宽度的台阶状。
具体的开挖线和开挖面参阅设计图册。
基岩开挖后，在浇注混凝土前，需进行彻底的清理和冲洗，包括：清除一切松动的岩块，打掉突出的尖角，基坑中原有的勘探钻井、孔、洞等均应回填封堵。开挖爆破不能损害设计开挖线以下基岩的质量；当基岩为易风化的岩石，如页岩、粘土岩等时，在设计开挖线或边线以上宜留有保护层0.2～0.3米，待混凝土浇注时才随挖注浇。
12.2 固结灌浆
固结灌浆的目的是：提高基岩的整体性和弹性模量，减少基岩受力后的变形，提高基岩的抗压、抗剪强度，降低坝基的渗透性。
固结灌浆一般布置在坝基受力较大的部位和强度较低的部位以及对改善坝体应力有利的部位。通常以布置在坝趾附近为宜。一方面能加固受力较大的坝趾附近岩体；另一方面可以改善坝踵应力，使之不出现或少出现拉应力。至于坝踵附近，在帷幕灌浆和防渗要求允许的情况下，从改善和坝踵应力考虑，以不布置或少布置固结灌浆为宜。
灌浆范围从坝踵上游0.1～0.15倍坝高开始，到坝趾0.15～0.2倍坝高为止。按照该要求从坝踵前5米开始到坝趾下游6米结束。灌浆孔常布置成梅花形或井字形。孔距从10～20m开始，采用内插逐步加密，最终孔距2～4米。孔深一般为5～15米，应根据地质情况并参照灌浆实验确定。孔径一般为15～38mm。
具体尺寸参见图12-6。

图12-6 固结灌浆孔的布置
12.3 帷幕灌浆
帷幕灌浆的重要目的是降低坝底渗透压力，也有利于坝基内产生机械或化学管涌，即防止基岩裂隙中的填充物被带走或溶滤，减少坝基渗透流量等。帷幕灌浆最常用的是水泥浆，有时也用化学灌浆。
帷幕灌浆常在灌浆廊道内进行，一般先进行固结灌浆，并利用已浇注混凝土坝块的压重，采用分级灌注法，即自上而下钻进一段，灌注一段，灌好