混凝土重力坝

混凝土重力坝

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2023年3月17日发(作者：台笔顺)

混凝土重力坝设计说明书

学生：饶乐

指导老师：张萍

三峡大学水利与环境学院

1.工程等级、建筑物级别及防洪标准确定

1.1工程等级确定

根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000（表1—1），

确定：

1)根据水库总库容10433万m³和供水保证率为95%判定，工程属于Ⅱ等工程，大（2）

型规模；

2)根据电站装机1.5万KW判定，工程属于Ⅳ等工程，小（1）型规模；

3)根据水库设计灌溉面积24.28万亩，工程属于Ⅲ等工程，中型规模。

综合以上数据，确定水利枢纽工程为Ⅱ等工程，大（2）型规模。

表1-1水利水电工程分等指标

工程等

别

工程

规模

水库

总库容

(3810m）

防洪治涝灌溉供水发电

保护城镇

及工矿企业

的重要性

保护农

田

(410亩)

治涝面积

(410亩)

灌溉面积

(410亩)

供水对

象

重要性

装机容量

(410KW)

Ⅰ大（1）型≥10特别重要≥500≥200≥150

特别重

要

≥120

Ⅱ大（2）型10～1.0重要500～100200～60150～50重要120～30

Ⅲ中型1.0～0.10中等100～3060～1550～5中等30～5

Ⅳ小（1）型0.10～0.01一般30～515～35～0.5一般5～1

Ⅴ小（2）型0.01～0.001<5<3<0.5<1

注:①水库总库容指水库最高水位以下的静库容；

②治涝面积和灌溉面积均指设计面积。

1.2建筑物级别确定

表1-2水工建筑物级别

工程等别

永久性建筑物级别

临时性建筑物

级别

主要建筑物次要建筑物

Ⅰ134

Ⅱ234

Ⅲ345

Ⅳ455

Ⅴ55

根据工程基本资料和《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000（表1—2），

确定：

鲤鱼塘水库水工建筑物级别

工程等别

永久性建筑物级别

临时性建筑物级别

主要建筑物次要建筑物

Ⅱ234

1.3工程洪水标准确定

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000规定：

表1-3山区、丘陵区水利水电工程永久性水工建筑物的洪水标准[重现期（年）]

项目

水工建筑物级别

12345

设计1000～500500～100100～5050～3030～20

校

核

土石坝

可能最大洪水

（PMF）或

10000～5000

5000～20002000～10001000～300300～200

混凝土坝、浆

砌石坝

5000～20002000～10001000～500500～200200～100

表1-4临时性水工建筑物洪水标准[重现期（年）

临时性建筑物类型

临时性水工建筑物级别

345

土石结构50～2020～1010～5

混凝土、浆砌石结构20～1010～55～3

根据表1—3、表1—4确定，有：

鲤鱼塘水库工程的洪水标准

水工建筑物

类型

永久性水工建筑物级别临时性建筑物

重现期（年）

设计500～100

10～5

校核2000～1000

所以，永久性水工建筑物的洪水标准：正常运用情况下为100年一遇（%1P）,非

常运用情况下为1000年一遇（%1.0P）；临时性建筑物的洪水标准：5年一遇（%20P）。

2.坝址和坝型的选择及枢纽布置

2.1坝址选择

2.1.1坝址地形地质条件

鲤鱼塘水库坝段选择在桃溪河三溪口以下、大黑滩主要煤矿区以上约4km河段内。项

目建议书阶段初选了九道拐、小黑滩、大黑滩三处坝址进行比较，从地形地质、水库水质、

和工程技术经济等条件看，大黑滩坝址存在有明显缺点，根据项目建议书阶段审查意见，

本阶段予以放弃。故主要勘探工作和技术经济分析工作重点放在在九道拐坝址（称上坝址）

和小黑滩坝址（称下坝址），两处坝址各自的地形地质情况简述如下。

2.1.1.1上坝址

上坝址位于三溪口下游1.1km，桃溪河在该坝址处的水流流向为NE45SW225，坝址

下游河道转弯，并在右岸有支沟九道拐汇入。河谷较开阔，谷坡左缓右陡，为不对称“U”

型纵向谷，左岸为顺向坡，坡角25～35，坡面分布有残、坡积物和地滑堆积物，坡脚为

Ⅰ级阶地，宽20～50m，高程370～374m。右岸为反向坡，坡角50～70。枯水季节坝址

处常水位362～363m，河床宽35～40m，正常蓄水位450.00m时，河床宽321～340m。

河床覆盖层厚0～3m，左岸岸坡覆盖层厚0～6m，地表覆盖有滑坡堆积物，方量约15

万m3，右岸基岩裸露良好。本坝址出露地层主要为粉砂质泥岩夹长石石英砂岩，岩性较软

弱，强度低。左岸强风化层厚7～15m，弱风化层厚15～20m。河床部位强风化层厚3～6m，

弱风化层厚10～12m。右岸强风化层厚6～10m，弱风化层厚12～16m。坝址处为单斜岩

层，构造简单，断层不发育，仅沿软硬岩层接触面发育一些层间错动带。

坝址上游左岸约500m处有一方量为103.5万m3的陈家大院滑坡。

岩体透水性与地质构造和风化程度有关，两岸地下水位均高于正常蓄水位，岩石透水

率q≤3Lu的相对隔水层，两岸在地表以下66～85m，河床59.5m。

2.1.1.2下坝址

下坝址位于九道拐下游约500m处，桃溪河出九道拐后流向SE，该坝址河道较为顺直，

岸坡左陡右缓，河谷形态呈不对称“V”型横向谷。两岸山体完整、雄厚，左岸呈一陡崖

状，坡角为60～70，右岸地形稍缓，坡角为30～50，部分地段分布有残、坡积物及崩

积物。常水位355～362m，水面宽10～20m，河谷宽约50m，当正常蓄水位450.00m时，

河谷宽222～285m。

河床为第四系冲、洪积漂卵砾石夹砂，结构较松散，覆盖层厚0～3m。左岸基岩裸露，

右岸除局部地段覆盖有1～5m的块、碎石夹亚粘土外，大部岸坡基岩裸露。下坝址地基

岩石为砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩。河床部位强风化层厚0～5.0m，弱风化层厚2.0～

13.00m。左岸强风化层厚0～17.35m，弱风化层厚2.0～63m。右岸强风化层厚0～13.0m，

弱风化层厚2.0～34m。坝址区断层发育程度较低，已查明的6条断层中，F

3

、F

4

规模稍大，

F

1

、F

2

、F

5

、F

6

规模均较小。F

3

断层位于坝址下段牛背脊──石板河一带。F

4

断层位于Ⅱ坝

线下游约30m，该断层走向近东西，倾向北西，倾角20～40，破碎带宽度2～15m，在河

谷左岸坡脚处出露宽度最大，向两岸延伸，渐趋尖灭，破碎带由页岩、粉砂岩及灰岩碎块

组成。坝基岩层软硬相间，沿页岩发育有一系列层间错动破碎带（JC），其中JC

1

最大，贯

穿左右岸，在河床坝基处与F

4

汇合后，出露宽度约15m。趾板范围内坝基岩石中砂岩占

31.84%，粉砂岩占36.85%，泥质岩占31.31%

地下水在高程450m以上埋藏较深，在高程450m以下埋藏稍浅，两岸地下水位均高于

正常蓄水位450.00m。岩石透水率q≤3Lu的相对隔水层，左岸在地表以下52～100.0m，

河床53～61m，右岸36.0～70.0m。

2.1.2坝址比较与选择

a)地形地质条件：上、下坝址地形差异较大，但出露的地层相同，两岸地下水位埋深

也基本接近。上坝址为纵向河谷，河谷较宽，左坝肩山体较单薄，地形不完整；且坝址区

左坝肩有体积约15万m3的滑坡堆积物，坝基处理工程量较大。右岸坝肩下游有一条宽6m，

切割深达10~90m的冲沟，对坝肩稳定不利。下坝址为横向河谷，河段较顺直，便于建筑

物的布置。陈家大院滑坡体均位于两个坝址的库区内，上坝址距陈家大院约500m，滑坡体

的稳定与否直接威胁着大坝施工期和运行期的安全，而下坝址与上坝址排距500m，其间河

流形成近90的拐弯，相应也削弱弱了滑坡对大坝安全的威胁程度。因此，从地形地质条

件来看，以下坝址为优。

b)水库淹没情况：两坝址相距500m左右，其间无移民搬迁，下坝址仅水库占地略比

上坝址有所增加。

c)工程量及投资：两个坝址方案的主要工程量及投资列于表2.1.2-1。从表中可以看

出，下坝址方案比上坝址方案可节约投资2650万元。

综合以上分析，从地形地质条件、施工条件及投资效益等方面来看，下坝址均比上坝

址更具有优越性，故采用下坝址。

表2.1.2-1坝址工程量及投资比较表

项目单位

数量

备注

上坝址下坝址

覆盖层开挖万m311.5710.45

石方明挖万m346.4984.68

石方洞挖万m35.041.37

土石方填筑万m3247.46197.52

混凝土万m36.776.02含喷锚混凝土

钢筋t48663385

锚筋t136.0124

钢材t178.4149.7

帷幕灌浆m3170027824

固结灌浆m154909296

回填灌浆m60002150

投资万元1710014450

注：1.表中未含施工导流等临建工程量；

2.上、下坝址的排沙放空洞洞长相差不大，不影响坝址比较的结论，故表

中未列入其工程量和投资；

3.两个坝址金属工程量相同。

2.2坝线、坝型比选

2.2.1坝型坝线的初步选择

从小黑滩到牛背脊共勘探了4条坝线，它们分别是I线、II线、III线和IV线，综

合分析各项工程地质条件，以I、II线为优，结合考虑水工建筑物布置及工程量等方面的

因素，本阶段选择I坝线布置混凝土重力坝方案，II坝线布置混凝土面板堆石坝方案进行

比较。

1）地形地质条件：

本坝址河谷较狭窄，为不对称的“V”型横向河谷，河段较顺直，便于建筑物的布置，

两岸山体完整、雄厚，左岸边坡高陡，右岸地形稍缓地形上适宜修建重力坝。

从工程地质条件来看，坝址以砂岩、粉砂岩及泥质岩、夹页岩为主，岩性相对较弱，

两岸弱风化较深，若布置成面板堆石坝，岸边溢洪道开挖量大，堆石填筑量大，施工强度

高，且场地狭小，施工道路布置困难，从地形地质条件看，本坝址宜修建混凝土重力坝。

2)工程布置：

两个坝型方案布置都比较简单，引水隧洞、厂房与大坝分开布置，坝范围仅考虑挡水

和泄洪，大坝下游消能影响区域内无重要设施和居民，故考虑坝体安全，两个方案均采用

较简便的挑流消能方式。但混凝土重力坝布置相对较紧凑，管理运行方便。

3)施工条件：

施工材料：坝区内石料的储量丰富，有工程需要的土料，但天然砂砾料较缺乏，水泥、

粉煤灰需从外地购入，运距远、单价高。

施工导流：两种坝型方案施工导流标准相同，导流方式均为一次性拦断隧洞导流。面

板坝导流洞断面较小，但渡汛防护费用高，后期导流困难，而混凝土导流洞断面虽大，但

后期可预留缺口易于解决。导流费用面板坝略大。

弃渣场地：混凝土重力坝方案首部枢纽土石开挖41.04万m3，混凝土面板堆石坝方案

首部枢纽土石开挖123.26万m3（含排沙放空洞），其中利用料约27%。扣除利用料后，面

板坝方案弃渣量约为重力坝方案的两倍，鲤鱼塘水库工程坝址附近地形狭窄，只能采取分

散多处弃渣的方式解决。因此，面板坝方案弃渣场地布置难度相对较大。

综上所述，两种坝型比较，宜采用I坝线、混凝土重力坝方案。

2.2.2混凝土重力坝

岩基上的重力坝在水压力作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定。与常用

坝型比较，混凝土重力坝具有如下优点：重力坝设计和建造的经验比较丰富，安全可靠，

剖面尺寸大，应力较低，筑坝材料强度高，耐久性好，因而抵抗水的渗漏、洪水漫顶、地

震和战争的能力较强，使用年限较长，养护费用较低；由于坝体作用于地基面上的压应力

不高，对地形、地质条件适应性强，任何形状的河谷都可以修建重力坝；重力坝可以做成

溢流的，也可以在坝内设置泄水孔，一般不需要另外设置溢洪道或泄水隧洞，枢纽布置紧

凑，泄洪问题容易解决；便于施工导流，在施工期可以利用坝体导流，一般不需要另开导

流隧洞；大体积混凝土可以采用机械化施工，在放样、立模和混凝土浇捣方面都比较简便；

重力坝沿坝轴线用横缝分成若干坝段，各坝段独立工作，结构作用明确，应力分析和稳定

计算都比较简单；在严寒地区，与拱坝或支墩坝相比，受到冻害的影响较小。但是由于依

靠自身重力维持稳定，所以坝体的体积较大，要消耗大量的水泥；坝体应力较低，材料强

度不能充分发挥；坝体与地基的接触面积大，因而坝底的扬压力较大，对稳定不利；由于

坝体体积大，施工期混凝土的温度应力和收缩应力较大，在施工期对混凝土温度控制的要

求较高。

2.2.3坝型的进一步选择

在重力坝中根据坝的横断面的结构型式可分为实体重力坝、宽缝重力坝、空腹重力坝、

预应力重力坝、碾压混凝土重力坝等。

①宽缝重力坝

一般重力坝沿坝轴线所设横缝很宽，又称实体重力坝。宽缝重力坝是在实体重力坝的

基础上，将横缝扩宽成为空腔而成的。设置宽缝后，坝基的渗透水可从宽缝中排出，所以

扬压力显著降低，作用面积也相应减小；由于宽缝重力坝所受的扬压力小，坝体混凝土方

量可较实体重力坝节省10％～20％，甚至更多；宽缝增加了坝体的侧向散热面，加快了坝

体混凝土的散热过程。但是宽缝重力坝增加了摸板用量，尤其是倒坡部分更增加了立模的

复杂性；在某些部为上存在局部的不利应力分布，温度应力问题也较多；施工比较复杂，

需要的人工多，且施工进度慢。因此本工程可不考虑宽缝重力坝。

②空腹重力坝

空腹重力坝是在坝内布置大型空腔，空腔下面不设底板，坝底所受的荷载直接由所谓

的前后腿传到地基上。空腹重力坝坝体内的空腔减小了坝基扬压力，因而混凝土方量可较

实体重力坝节省20％～30％，并且可以节省坝基开挖量；上游坝踵的应力较大，扬压力可

进一步得到降低；可以适应某些不利的地质条件（例如坝修建在具有软弱断层的地基上，

可用空腹越过软弱层）同时尚可利用空腹布置水电站的厂房等。它的缺点是在空腹附近的

应力分布较复杂，可能存在一定的拉应力，须配置较多的钢筋，应力分析及施工过程比较

复杂在实际工程中很少采用。因此，本工程不选空腹重力坝方案。

③预应力混凝土重力坝

坝的特点是利用预加应力措施来增加上游部分的压应力，以增加坝体的稳定性，并有

效地改善坝身应力，从而可以大大消减坝体的断面，达到节约混凝土的用量。但这种坝也

同样存在施工复杂钢筋用量多的缺点，在实际工程中很少采用。因此，本工程不选预应力

重力坝方案。

④碾压式混凝土重力坝

要考虑渗透和层与层之间的接触问题且施工复杂，因为我们现在的水平有限，不能作

出很好的论证，因而放弃此种很好的坝型。

⑤实体重力坝

实体重力坝是最原始也是最简单的型式。其优点是施工，计算，设计均较简单，应分

布也较明确和有利。但其缺点是扬压力大，端面面积和工程量大。

本工程所在坝址的地质条件较好，因而也无须建空腹重力坝，从而减少施工难度；由

于宽缝重力坝对扬压力的减少不明显，且其应力也复杂，故也无须修建宽缝重力坝；预应

力重力坝的钢筋用量大，施工复杂，在此也不宜选用此重力坝；而实体重力坝其优点及本

枢纽所在的地形地质条件（地质较好，河谷的宽高比较大）决定了实体重力坝是重力坝里

的最佳坝型。

最终方案采用混凝土实体重力坝

根据横断面的结构形式，混凝土重力坝可分为实体重力坝、宽缝重力坝、和空腹重力

坝。实体重力坝是指坝体内无空腔，实心坝段的重力坝，大坝上游面多为垂直，下游坝坡

一般取1:0.7～1:0.9。宽缝重力坝和空腹重力坝具有工程量小、扬压力小的特点，可以适

应某些不利的地形条件，但是施工较为复杂，技术不够纯熟，故采用传统的实体重力坝型

式。

3．调洪计算

3.1调洪计算方法

调洪计算的方法很多，目前我国常用的是：列表试算法和半图解法。

本工程采用列表试算法。

此法用列表试算来联立求解水量平衡方程和动力方程，以求得水库得下泄流量过程

线，其步骤如下：

（1）由资料给出得VZ关系曲线，并根据既定的泄洪建筑物尺寸和形式，由相应的

水利学出流计算公式求得

Vq

曲线

（2）从第一时段开始调洪，由汛前水位查

VZ

及

vq

关系曲线得到水量平衡方程

中的

1

V

、

1

q

；由入库洪水过程线

)(tQ

查得

1

Q

，

2

Q

；然后假设一个

2

q值，根据水量平衡方

程算得相应的

2

V

值，由

2

V

在

Vq

曲线上查得

2

q，若二者相等，

2

q即为所求。否则，重

复上述计算过程，直到二者相等为止。

（3）将上时段末的

2

q、

2

V值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即

得出水库下泄流量过程线

)(tq

。

（4）将入库洪水

)(tQ

和计算的

)(tq

两条曲线点绘在同一张图上，若计算的最大下泄流

量

m

q正好是二线的交点，说明计算的

m

q是正确的。否则，计算的

m

q有误差，应改变时段

t

重新进行试算，直到计算的

m

q正好是二线的交点为止。

（5）由

m

q查Vq曲线，得最高洪水位时的总库容

m

V，从中减去堰顶以下的库容，

得到防洪库容

防

V。由

m

V查VZ曲线，得最高洪水位

防

Z。显然，当入库洪水为设计标准

的洪水时，求得的

m

q、

防

V和

防

Z即为设计标准的最大泄流量

设m

q、设计防洪库容

设

V和设

计洪水位

设

Z。同理，当入库洪水为校核标准的洪水时，求得的

m

q、

防

V和

防

Z即为

校m

q、

校

V

和

校

Z。

关于调洪计算的过程及结果详见计算书。

3.2调洪计算中的公式

（1）下泄流量的计算公式如下：

电

溢

qqq

（3—1）

式中q—下泄流量（

sm/3）；

溢

q—溢流坝下泄流量（sm/3）；

电

q—发电引用流量（sm/3），这里取13.4sm/3。

（2）实用堰堰流基本公式：

2

3

0

2Hgmnbq

（3—2）

式中q—通过溢流孔口的下泄流量，sm/3；

n—溢流孔孔口数；

b—溢流孔单孔净宽，m；



—侧收缩系数，初取



=0.8；

m—流量系数，初取m=0.502；

g—取

kgNg/81.9

；

0

H—堰顶水头，m。

3.3调洪计算结果

经过综合分析和比较，确定该水利枢纽工程的泄洪方式采用表孔溢流堰泄洪，表孔选

择双孔，尺寸为9×11m(孔宽×高)，堰顶高程▽=441（m）。计算过程见计算书。

设计洪水位时：

设

Z

m89.450，

max

qsm/66.10083

。

校核洪水位时：

校

Z

m44.451，

max

qsm/0424.10943

。

4.非溢流坝段设计

4.1非溢流坝段剖面设计

4.1.1基本资料

由工程水文资料中的，坝址水位—流量关系曲线查出：

设计洪水位时：

mZ89.450

设

，mH67.361

下

校核洪水位时：

mZ44.451

校

，mH99.361

下

4.1.2基本剖面的拟定

图4-1-1重力坝基本剖面图

根据工程经验，一般上游坡2.0~0n，下游坡8.0~6.0m，坝底宽约为坝高的0.7～

0.9倍。该工程取，坝底宽度mB51.81，上游坝坡率0n，折坡率15.0n，下游坡率

8.0m。

4.1.3实用剖面的确定

（1）坝顶宽度

坝顶需要有一定的宽度，以满足设备布置、运行、交通及设施的需要。非溢流坝的坝

顶宽度一般可取坝高的8%～10%，并不小于2m。如作交通要道或有启闭机设施时，应根据

实际情况确定。

经过分析选取该水利枢纽工程的坝顶宽度为10m。

（2）坝顶高程

坝顶或坝顶上游防浪墙顶高程应超出水库静水面的高度按下式计算：

cz

hhhh

%1

（4—11）

式中

%

1

h——为累计频率为1%时的波浪高度（m），可按官厅水库公式计算：

hL=0.01664

5

0

v

D3

1

（m）；

z

h——波浪高出静水面的高度（m），按下式

L

H

L

h

z

cthhl



2

2

（m），

其中

8.0)(4.10

l

hL

（m）；

c

h——取决于坝的级别和计算情况的安全超高，查表4—3。

表4—1安全超高

c

h（m）

荷载组合（运用情况）

坝的级别

1234、5

基本组合（正常情况）0.70.50.40.3

特殊组合（校核情况）0.50.40.30.2

坝顶高程（或坝顶防浪墙顶高程）按下式计算，并选用其中的较大值。

（4—1）

式中，

设

h和

校

h分别按式（4—1）的要求考虑。对于1、2级的坝，如果按照可能最大















校

设

校核洪水位坝顶高程

设计洪水位坝顶高程

h

h

洪水校核时，坝顶高程不得低于相应静水位，防浪墙顶高程不得低于波浪顶高程。该工程

的防浪墙高度一般取1.2m，应与坝体在结构上连成整体，墙身应有足够的厚度，以抵挡波

浪及漂浮物的冲击。

坝顶高程计算过程见计算书，最终取坝顶高程m.5452

坝顶

，并取防浪墙高度1.2m，

则坝顶部高程为：

m.74532.1.5452

防浪墙顶

最大坝高为：452.5-349=103.5m。

4.1.4实体重力坝剖面形态

图4-1-2非溢流坝实用剖面图

4.2荷载分析

作用在重力坝的荷载主要有：坝体自重，上下游坝面上的水压力，扬压力，浪压力，

泥沙压力，地震压力及冰压力等。设计重力坝时应根据具体的运用条件确定各种荷载的数

值，并选择不同的荷载组合，用以验算坝体的稳定和强度。具体计算过程见计算书。

H

1

1

:

m

H

=

(

H

1

-

H

2

)

H

2

b

a

H2

H

d

c

H

H1

e

4.2.1荷载的计算

1.坝体自重

坝体自重是维持大坝稳定的主要荷载，其数值可根据坝的体积

V

和材料容重

c



计算确

定

c

VW（4—1）

本工程采用常态混凝土筑坝，取容重3/24mKN

c

。

2.坝面上的静水压力

可按水力学原理计算，坝面上任一点静水压强yP

0

。式中，

0



为水的容重，y为

该点距水面的深度，将P沿坝面积分后，即可求出作用在坝面上的静水压力的合力。当坝

面为倾斜时，为计算简便，常将水压力分解为水平水压力和垂直水压力两部分进行计算。

2

10

2

1

1

HP（4—2）

2

10

2

1

2

nHP（4—3）

式中

1

H—坝前水深（m）；

n—上游坝坡系数；

0



—水容重，取kgN/10

0



。

3.扬压力

（1）坝基面扬压力

0



0



0



图4-2-2有防渗排水时坝底扬压力分布图

对于坝基设有防渗帷幕和排水孔的实体重力坝，扬压力可按图（4—2）计算，在坝踵

的扬压力强度为

10

H

，在排水孔中心线上的扬压力强度为HH

020

下游坝址扬压力强

度为

20

H

，其间均以直线连接，形成折线形扬压力分布。上式中的



为扬压力折减系数，

可根据坝基地质及防渗、排水等具体情况拟定。我国重力坝设计规范建议：河床坝段

3.0~2.0；岸坡坝段

4.0~3.0。本工程去

25.0。

（2）坝体内部扬压力（折坡截面）

坝体混凝土也有一定的渗透性，在水头作用下，库水仍会从上游坝面渗入坝体，并产

生渗透压力。为了减小坝内渗透压力，常在坝体上游面附近3～5m的范围内，提高混凝土

防渗性能，形成一定厚度的防渗层，并在防渗层后设坝身排水管。上游坝面扬压力强度为

10

H



，在排水管线为)(

21020

HHH











，在下游面为

20

H



，其间仍以直线连接。也取

2.0。

4.浪压力

由于影响波浪的因素很多，目前主要根据风速和吹程结合水库所在位置

的地形，采用已建水库长期观测资料所建立的经验公式进行计算。对于库缘地势高峻的山

区水库，风速风速

f

v=4～16m/s，水库吹程1～13km的情况，可按官厅水库公式计算：

3

1

4

50166.0Dvh

fl



（4—4）

8.0)(4.10

l

hL（4—5）

上两中，

f

v为计算风速，设计情况宜采用洪水期多年平均最大风速的1.5倍；校核情

况宜采用洪水期多年平均最大风速。库面吹程)(kmD系指坝前沿水面至对岸的最大直线距

离，可根据水库形状确定，本工程中为已知0.9Km。

由于空气的阻力比水的阻力小，波峰在静水面以上的高度大于波谷在静水位以下的深

度，所以平均波浪中心线高出静水面

0

h，其值可按下式计算

L

H

L

h

z

cthhl



2

2

（4—6）

本工程属于深水波，求得

L

h2、

L

L2和

0

h等波浪要素后，浪压力便可按下式计算。

22

)2(2

0

0

L

LhhL

L

zcP



（4—7）

5.泥沙压力

淤积计算年限可取为50～100年，对于多沙河流应专门研究决定。本工程在设计工况

下取50年淤沙高程，校核工况下取100年淤沙高程。

要准确计算泥沙压力是比较困难的，一般可参照经验数据，按土压力公式计算

)45(tan

2

2

2

2

1



n

nnn

hP

（4—8）

式中

n

P—泥沙对上游坝面的总水平压力；

n



—泥沙的浮容重；

n

h—泥沙的淤积高度；

n



—泥沙的内摩擦角，对于淤积时间较长的粗颗粒泥沙，可取

30~26

n



；对于较细的粘土质泥沙，可取14~12

n



；对于极细的泥

沙、粘土和胶质颗粒，可取0

n



。

当上游坝面倾斜时，除计算水平向泥沙压力外，尚应计算铅直向泥沙压力，即淤沙重。

6.土压力

坝基开挖后，一般还要进行回填，但由于方量较少，压力小。所以本工程中，不计算

土压力。

7.地震荷载

设计烈度在6度以下的可不进行抗震设计，而在9度以上则专门进行专门研究。本工

程的地震基本烈度小于6度，所以不进行抗震设计。

8.冰压力

冰压力在较高的重力坝设计荷载中常起控制作用，但冰冻作用会使混凝土表面剥蚀，

破坏混凝土的耐久性。

本工程海拔高程较低，不会产生冰冻。所以不考虑冰压力。

4.2.2荷载组合

作用在坝上的荷载，按其性质可分为基本荷载和特殊荷载两种。

荷载组合情况分为两大类：一类是基本组合，指水库处于正常运用情况下可能发生的

荷载组合，又称设计情况，有基本荷载组成；另一类是特殊组合，指水库处于非常运用情

况下的荷载组合，又称校核情况，由基本荷载和一种或几种特殊荷载组成。

该水利枢纽工程采用的荷载组合为：

表4-2-1荷载组合

荷载组

合

主要考虑情况

荷载

自重

静水

压力

泥沙

压力

扬压

力

浪压

力

冰压

力

地震

荷载

动水

压力

土压

力

基本

组合

（1）设计洪水位情况12345----

特殊

组合

（1）校核洪水位情况12345----

4.3稳定分析

工程实践和试验研究表明，岩基上混凝土重力坝的失稳破坏可能有两种类型：一种是

坝体沿抗剪能力不足的薄弱层面产生滑动，包括沿坝与基岩接触面的滑动以及沿坝基岩体

内连续软弱结构面产生的深层滑动；另一种是在荷载作用下，上游坝踵以下岩体受拉产生

倾斜裂缝以及下游坝趾岩体受压发生压碎区而引起倾斜破坏。

1

抗力S

抗力S

2

3

(a)(b)

图4-3-1重力坝失稳破坏示意图

（a）沿软弱面深层滑动示意图(b)倾倒破坏示意图

在一般情况中只进行抗滑稳定分析。本工程也只进行抗滑稳定分析。

4.3.1沿坝基面的抗滑稳定

1抗滑稳定计算公式

目前常用的有两种公式。

S

U

(a)

a

a

a

(b)

U

图4-3-2重力坝沿坝基面抗滑稳定计算示意图

（a）沿水平坝基面抗滑稳定（b）沿倾斜坝基面抗滑稳定

（1）摩擦公式

此法的基本观点是把滑动面看成是一种接触面，而不是胶结面。滑动面上的阻滑力只

PP

WW

PW

W

P

计摩擦力，不计凝聚力。

当滑动面为水平面时，其抗滑稳定安全系数K可按下式计算









P

UWf

K

)(

滑动力

阻滑力

（4—9）

式中



W

——作用于滑动面以上的力在铅直方向投影的代数和；



P——作用于滑动面上的力在水平方向投影的代数和；

f

——滑动面上的抗剪摩擦系数；

K——按摩擦公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。

当滑动面为倾向上游的倾斜面时，计算公式为



















sincos

)sin)cos(

WP

PUWf

K

（4—10）

式中，



为滑动面与水平面的夹角，其他符号同式（4—9）。

由式（4—10）看出，滑动面倾向上游时，对坝体抗滑稳定有利；倾向下游时，



角

由正变负，滑动力增大，抗滑力减小，对坝的稳定不利。

（2）抗剪断强度公式

此法认为，坝与基岩胶结良好，滑动面上的阻滑力包括摩擦力和凝聚力，并直接通过

胶结面的抗剪断试验确定抗剪强度的参数

f



和C



。其抗滑稳定安全系数由下式计算











P

ACUWf

K

)(

（4—11）

式中

f



—坝体与坝基面连接面的抗剪断摩擦系数；

C



—坝体与坝基连接面的抗剪断凝聚力；

A—坝体与坝基连接面的面积；

K



—按抗剪断公式计算的抗滑稳定安全系数，按表4-3-1采用。

表4-3-1抗滑稳定安全系数K、K



安全系数荷载组合坝的级别

123

K

基本组合

特殊组合（1）

特殊组合（2）

1.10

1.05

1.00

1.05

1.00

1.00

1.05

1.00

1.00

K



基本组合

特殊组合（1）

特殊组合（2）

3.0

2.5

2.3

抗剪断强度公式考虑了坝体与基岩的胶结作用，计入了摩擦力和凝聚力，是比较符合

坝的实际工作状态，物理概念也较明确。所以，该水利枢纽工程抗滑稳定计算时采用抗剪

断强度公式验算。

2计算参数的确定

抗剪断摩擦系数

f



，凝聚力C



和抗剪摩擦系数

f

的确定，一般是根据工程的实际情

况，野外现场试验测定来选取。

该水利枢纽工程的64.0f，10.1



f，KPaC800



。

3计算过程和结果

计算过程见计算书，计算结果如表4-3-2所示

表4-3-2计算安全系数

安全系数工作状况1—1截面2—2截面

K



设计5.183.15

校核5.073.02

各工况下安全系数均大于表4-3-1中对应工况下的安全系数，因此该工程满足抗滑稳

定要求。

4.3.2沿坝基深层的抗滑稳定分析

由于坝基滑动面、抗裂面的阻滑力受岩石性质、产状等因素的影响，计算结果的精度

比坝体与坝基接触面的阻滑力计算还要差。因此坝基抗滑稳定安全系数一般要求大于坝体

的抗滑稳定安全系数。

4.3.3提高抗滑稳定性的工程措施

从上述抗滑稳定分析可以看出，要提高重力坝的稳定性关键在于增加抗滑力。工程上

常采用如下一些措施：

①将坝的上游面做成倾斜或折坡形，利用坝面上的水重来增加的抗滑稳定，但倾斜

坡度不宜过大，以防止上游坝面出现拉应力。

②将坝基面开挖成倾向上游的斜面，借以增加抗滑力提高稳定性。若基岩较为坚硬，

也可将坝基面开挖成若干段倾向上游的斜面，形成锯齿状，以提高坝基面的抗剪刀能力。

③利用地形、地质特点，在坝踵或坝趾设置深入基岩的齿墙，用以增加抗力提高稳

定。

④采用有效的防渗排水或抽水措施，降低扬压力。

⑤利用预加应力提高抗滑稳定性。

4.4应力分析

4.4.1应力分析方法

该水利枢纽工程采用理论计算中的材料力学法进行分析。用材料力学法计算坝体应力

时，一般沿坝轴线切取单宽坝体作为固接于地基上的变截面悬臂梁，按平面问题进行计算。

图4-4-1表示非溢流坝横断面的计算简图，并规定坐标方向，作用力及应力的正方向如图

所示，即水平外力以指向上游为正，铅直外力以向下为正，力矩以反时针方向为正，正应

力以压为正，剪应力以微分体的拉伸对角线在一、三象限为在正。

4.4.2应力计算

1.坝体边缘应力的计算

坝体的最大和最小主应力一般都出现在上下游边缘，而且要计算坝体内部

应力也需要以边缘应力作为边界条件。计算时，应根据工程规模和具体情况，沿坝高方向

每隔一定高度（或断面轮廓有突变处）切取水平截面作为计算截面。

1

:

n

1

:

m

A

B

B/2

B/2

A

dsdy

dy

dxdx

B

d

s

p

dx

B

p

dx

(a)

(b)

(c)

A

图4-4-1坝体应力计算图

（1）水平截面上的边缘正应力

y



和

y



假定任一水平截面上的垂直正应力

y



呈直线分布，可用材料力学偏心受压公式计算。

假定任一水平截面上的垂直正应力

y



呈直线分布。

式中W—作用在计算截面以上全部荷载的铅直分力总和；

M—作用在计算截面以上全部荷载对截面形心的力矩总和；

B—计算截面沿上下有方向的宽度。

（2）边缘剪应力

和

W

M

P

x

x



y



1



x



y



x



y



1



y







y







y

u



d



2

2

6

6

B

M

B

W

y

B

M

B

W

y

























)124(—

求出

y



和

y



以后，可在上下游边缘A、B点分别切取三角形微元体。根据力的平衡

条件即可求得：

np

y

)(









（4—13）

mp

y

)(











（4—14）

上两式中

p



、

p



—计算截面处上下游坝面的水压力强度（如有泥沙压力和地震动水压

力时也应计算在内）；

n、m—上下游坝面坡率，

u

tgn，

d

tgm，

u



、

d



为上下游坝面与铅直

面的交角。

（3）铅直面上的边缘正应力

x



和

x



求得

和

以后，由上下游坝体微元体的平衡条件0

x

F可求得

x



和

x



。

2)(nPP

yx















（4—15）

2)(mPP

yx













（4—16）

（4）边缘主应力

和

取三角微元体，按力的平衡条件0

y

F可得

22

1

)1(nPn

y









（4—17）

22

1

)1(mPm

y









（4—18）

显然另一主应力即为作用字坝面上的压力强度，分别为

P







2

（4—19）

P







2

（4—20）

当上游坝面倾斜时，由于0n，即使

y



≥0，但如果

y



＜

u

P2sin



,上游面主应力

1



仍会出现拉应力。因此重力坝上游坡面率n一般很小乃至为零，以防止上游坝面出现拉应

力。

（5）有扬压力时的边缘应力计算

以上公式均未计入扬压力，当计入扬压力时

边缘剪应力为

nPp

yU

)(













（4—21）

mpP

Uy

)(















（4—22）

边缘正应力为

2)()(nPPPP

yUUx























（4—23）

2)()(mPPPP

uyUx





















（4—24）

上游边缘主应力为

22

1

)()1(nPPn

uy













（4—25）

u

PP











2



（4—26）

下游边缘主应力为

22

1

)()1(mPPm

uy













（4—27）

u

PP











2



（4—28）

当有泥沙压力时，应加上泥沙压力。

2.坝体内部应力计算

(c)

A

1

:

n

1

:

m

o

(b)

(a)

x

x



y

x



y





y



y





x





1



2



1



x

图4-4-2坝内应力分布示意图

（1）坝内垂直正应力

y



根据

y



在水平截面上呈直线分布的假定，可得距下游坝面x处的

y



为

bxa

y



（4—29）

式中，系数a、b可由边界条件和偏心受压公式确定。采用的x、y见图4-4-2。

当0x时，

2

6

B

M

B

W

y

a













当Bx时，

3

12

B

M

B

yyb









（2）坝内剪应力



根据

y



呈线性分布，由平衡条件可得出水平截面上剪应力

x



呈二次抛物线分布，即

2

111

xcxba

x



（4—30）

式中











































)33(

)42(

6

1

1

6

1

1

1

2







B

P

B

B

P

B

c

b

a

（4—31）

（3）坝内水平正应力

x



根据

x



在水平截面呈二次抛物线分布，由平衡条件可近似的取水平正应力

x



呈二次抛

物线分布

xba

x33



（4—32）

x

a



3

B

xxb





3

（4）坝内主应力

1

、

2



求得坝内各点的三个应力分量后，利用材料力学公式可得

2

1





=

2

22

)(

xyyx（4—33）

4.4.3应力计算过程和强度指标

应力计算过程见计算书，坝体应力控制标准，对不同的计算方法有不同的规定。当采

用材料力学方法分析坝体应力时，SL319-2005《混凝土重力坝设计规范》规定的强度指标

如下。

4.4.3.1重力坝坝基面坝踵、坝址的铅直应力应符合下列要求

1运用期

在各种荷载组合下（地震荷载除外），坝踵铅直应力不应出现拉应力，坝址铅直应力

小于坝基容许压应力。

2施工期

坝址铅直应力允许有小于0.1MPa的拉应力。

4.4.3.2重力坝坝体应力应符合下列要求

1运用期

（1）坝体上游面的铅直应力不出现拉应力（计扬压力）。

（2）坝体最大主应力，不应大于混凝土的容许压应力。

2施工期

（1）坝体在任何截面上的主压应力不应大于混凝土容许压应力。

（2）在坝体下游面，允许有不大于0.2MPa的主拉应力

4.4.4成果分析

表4-4-1坝基面坝踵、坝址的铅直应力

设计工况校核工况

坝踵铅直

应力σ'

坝址铅直

应力σ"

坝踵铅直

应力σ'

坝址铅直

应力σ"

运用期

不计扬压力821.4271758.06

运用期

不计扬压力814.391789.21

计扬压力266.721724.49计扬压力255.381752.68

施工期1819.95567.99施工期1819.95567.99

注：单位：KPa

表4-4-2坝体应力

2-2截面1-1截面

上游面铅

直

应力σ'

坝体最大

主应力σ

1

下游面

主应力

σ1，

x=90.66

上游面铅

直

应力σ'

坝体最大

主应力σ1

下游面

主应力

σ1，

x=90.66

设计工况

运用期

不计扬压力1758.062802.13-608.99998.74-

计扬压力1724.492828.17-593.52973.38-

施工期-1860.901285.43

校核工况

运用期

不计扬压力1789.212851.16-627.371028.89-

计扬压力1752.681848.1-611.71003.18-

施工期-1860.901285.43

注：单位：KPa

坝基容许承载力为2MPa，该水利工程选用C15号混凝土，允许抗压强度为7.2MPa。

混凝土的容许压应力，对于各级工程，混凝土的抗压安全系数在荷载基本组合情况下不小

于4.0,；在特殊组合情况下（地震荷载除外）不小于3.5。由以上数据可知，两截面在设

计和校核情况下，强度均满足要求，各点的应力也满足规范要求。

5溢流坝剖面

5.1泄水方式的选择

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、较好体形的堰型，以满足泄水的要求；并使水流平顺，不产

生空蚀破坏。其主要泄水方式有以下两种：

1、开敞溢流式除宣泄洪水外，还能用于排除冰凌和其它漂浮物。堰顶可以设闸门，

其闸门顶高于正常蓄水位，堰顶高程较低可以调节水库水位和下泄流量，减少上游淹没损

失和非溢流坝的工程量。由于闸门承受的水头较小，所以孔口尺寸可以较大。当闸门全开

时，下泄流量与堰顶水头H0的3/2次方成正比。随着库水位升高，下泄流量可以迅速增

大，因此，当遭遇意外洪水时可有较大的超泄能力。闸门在顶部，操作方便，易于检修，

工作安全可靠，所以，开敞溢流式得到了广泛的采用。

2、大孔口溢流式，上部设置胸墙，堰顶高程较低。这种形式的溢流孔可根据洪水预

报提前放水，加大蓄洪库容，从而提高了调洪能力。当库水位低于胸墙时，下泄水流和开

场流相同，库水位高出孔口一定高度后为大孔口泄流，超泄能力不如开敞溢流式。

综合以上情况，本工程本枢纽属大中型工程，所以为使水库有较大的泄洪能力，本设

计采用开敞式溢流。

5.2溢流坝剖面设计

5.2.1溢流坝坝面的体形设计

溢流坝面由顶部曲线段、中间直线段和下部反弧段三部分组成。堰顶上游做成椭圆曲

线，下游做成WES曲线，反弧段末端接挑流鼻坎。

①选择

d

H：

d

H为定型设计水头，一般为校核洪水位时堰顶水头的75%～95%。该坝堰顶高程为441

米，校核洪水位为451.44米，则：

mH4.410441-4.4451

堰顶

，

得到mH

d

918.9~83.7H)%95~%75(

堰顶

，取mH

d

5.9。

由91.0

max



H

H

d查规范附录一、附表2产生最大负压为

d

H0002.0,满足规范第29条：校

核洪水位闸门全开时出现负压，一般要求负压值不超过3~6m水柱高。

②选择堰顶曲线段：

堰顶曲线常用的有克—奥曲线和WES曲线，由于WES坝面曲线的流量系数较大，且剖

面较瘦，工程量较省，坝面曲线用方程控制，比克—奥曲线用给定坐标值的方法设计、施

工都比较方便，所以选择WES曲线。

WES型溢流堰顶部曲线以堰顶为界分为上游段和下游段两部分，上游段采用椭圆曲线。

（1）椭圆曲线方程：

1

2

2

2

2

)(

)(

)(



d

d

d

bH

ybH

aH

x

式中30.0a，1695.0b。溢流面曲线坐标x、y的原点取在堰顶点O。

WES曲线方程：

yKHxn

d

n1

由于上游面为铅直的，0.2K,85.1n，

则：maH

d

85.25.93.0，mbH

d

61.15.91695.0。

取mbHd

d

5，则

mmdH22.561.6

2

44.10

2

max

。

则AO段椭圆方程：

1

2

2

2

2

61.1

)61.1(

85.2

y

x

（2）O点下游的曲线方程为：1.850.5()

d

yx

HH



d

，

即BO段WES曲线方程为：

85.1

85.05.92

1

xy





则

8.0

1

5.92

85.1

'85.0

0

85.0

0





xy

mx538.13

0



my147.9538.13

5.92

1

85.1

85.0

0







所以切点B的坐标为（13.538,9.147）

将x=0，1,2,3，…13.538代入式中求得相应的纵坐标，列表得：

x01234567

y0.0000.0740.2660.5630.9591.4492.0302.700

891011121313.538

3.4564.2985.2236.2307.3188.4869.147

所得的堰面曲线如图所示。

5.2．2消能防冲设计

（1）选择消能方式：消能方式有面流消能、底流消能和挑流消能。

面流消能利用鼻坎将主流挑至水面，在主流下面形成旋滚，旋滚流速较低，而且沿河

床流向坝址，河床一般不需要加固，面流消能适用于下游尾水较深，流量变化范围较小，

水位变幅不大，或有排冰、漂木的要求。

底流消能是通过水跃将泄水建筑物泄出的急流转变成缓流，以消除多余动能的消能方

式。底流消能具有流态稳定，消能效果较好，对地质条件和尾水变幅适应性强以及水流雾

化很小等优点，可适应高、中、低水头，但护坦较长，土石方开挖量和混凝土方量大，工

程造价较高。

挑流消能是利用泄水建筑物出口的挑流鼻坎，将下泄的急流抛向空中，然后落入离建

筑物较远的河床，与下游水流相衔接的消能方式。挑流消能通过鼻坎可以有效地控制射流

落入下游河床的位置，范围和流量分布，对尾水变幅适应性强，结构简单，施工维修方便，

耗资省，对下游冲刷较严重，适用于基岩比较坚固的中、高水头等各类泄水建筑物。

因为该坝址基岩情况较好，下游水也不是很深，下落有一定水垫深度，同时挑流消能

具有结构简单，工程投资少，检修施工方便等特点，故该工程可以选用挑流消能。

（2）挑流消能设计：

①挑流鼻坎型式：

连续式鼻坎虽然存在水在空气中扩散掺气的消能作用较差动式鼻坎差，冲刷坑较深，

引起下游水位波动也较剧烈的缺点，但由于它构造简单，施工方便，水流平顺，射程较远

的优点得到普遍采用，故该工程挑流鼻坎型式采用连续式。

②鼻坎挑设角度：

根据实验，鼻坎挑射角度一般采用0020~25，可选取025，如图所示。

③鼻坎高程：

鼻坎高程与工程布置有关，一般应高于下游最高水位1～2m,以利于挑流水舌下缘的掺

气。该工程下游最高水位为校核洪水位相应的下游水位361.99米，则可选取鼻坎高程为

363.5米。

④反弧半径：

设挑坎顶部的过流断面的流速为v，平均水深为h

大坝的流速系数可有经验公式计算，即

3

055.0

1

K

，

5.1

1

sg

q

K

泄流的单宽流量为

s

db

Q

q/m3097.52

392

0424.1094

2











因此有

02.0

)5.36344.451(8.9

097.52

5.15.1

1







sg

q

K

85.0

055.0

13

K



建立大坝上游断面和挑坎顶部断面的伯努利方程：

2

2

2

0

12

cos

2



g

v

h

g

v

s

行近流速

0

v很小，可忽略。此外，

1

sh,故有

鼻坎处水流平均速度v按下式计算

1

2gsv

——堰面流速系数

1

s——库水位至坎顶的高

所以smv/289.35)5.36344.451(8.9285.0

鼻坎平均水深为：

m

v

q

h476.1

反弧段半径

mhR76.14~904.5)10~4(

，取mR12

（3）设反弧段圆弧圆心的坐标为),(

''oo

yx，则：

)

2

180

cot()(

2'



RyPmxx

BBo

RPy

o



2'

8.0

1

tan，即34.51；P2

为下游堰高，

取5.36344125cos1(12)cos1(

12

）

鼻

堰

RPP

m624.78

则mx

o

887.7433.64cot12)147.9624.78(8.0538.13

'



my

o

624.6612624.78

'



（5）直线段下端点D),(

DD

yx

mRxx

oD

517.6534.51sin12887.74sin

'



mRyy

oD

12.7434.51cos12624.66cos

'



（6）挑距和冲刷坑的估算

①连续式挑流鼻坎的水舌挑距L按水舌外缘计算：

根据《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005中附录A中公式A.4.1-1：

)(2sincoscossin

1

21

22

11

2

1

hhgvvv

g

L

式中L——水舌抛距，m;

1

v

——坎顶水面流速，m/s,按鼻坎处平均流速v的1.1倍计，即

smvv/818.38289.351.11.1

1



；



——鼻坎的挑角；

1

h

——坎顶垂直方向水深，m,

mhh338.125cos476.1cos

1



（

h

为坎顶平均水

深，m）;

2

h

——坎顶至河床面高差，m，

mh5.143495.363

2



;



——堰面流速系数。

所以)5.14338.1(8.9225sin818.3825cos818.3825cos25sin818.38

8.9

1

222L

m316.145

②最大冲坑水垫厚度估算

参见《混凝土重力坝设计规范》SL319-2005中附录A

25.05.0Hkqt

k



2

25.05.0'HHkqt

k



式中

k

t

——水垫厚度，自水面到坑底，m；

'

k

t

——冲坑深度,m;

q

——单宽流量，m³/s;

H

——上下游水位差，m；

2

H

——下游水深，m；

k

——冲坑系数，查表A.4.2,这里取1.5。

所以

mt

k

296.33)99.36144.451(097.525.125.05.0

mt

k

306.20)34999.361(296.33'

则

0.55.2156.7306.20/316.145

'

～＞

k

t

L

说明挑流消能形成的冲坑不会影响大坝的安全

（7）鼻坎的末端做成

1

4

圆弧，半径取为1米，使鼻坎减少水流磨损。

5.2.3闸门形式的选择

闸门装于溢流坝泄水孔口上，用以调节流量，控制上、下游水位，宣泄洪水，排除泥

沙或漂浮物等，是水工建筑物的重要组成部分。在本工程中主要选择有平板闸门和弧形闸

门。

平板闸门的基本尺寸根据孔口尺寸决定。弧形闸门挡水面为圆柱面，支撑铰位于圆心，

启闭时闸门绕支撑铰转动。弧形闸门不设门槽，不影响孔口水流流态，不易产生空蚀破坏，

与平板闸门比较，所需闸墩的高度及厚度较小，但闸墩较长，因为弧形闸门不能提出孔口，

故检修维修不如平板闸门方便，也不能用作检修门。弧形闸门的支铰座一般布置在闸墩侧

面的牛腿上。溢流坝上的露顶式弧形闸门，可将支撑铰布置在

13

~

24

门高处。弧形闸门的

弧形半径通常用

(1.1~1.5)RH

，H为门高。

溢流坝单宽9米，布置有两道闸门，上游端设置一道平板闸门，为检修闸门；后面为

平板闸门，为工作闸门。

5.2.4闸墩的设计

闸墩的上游端常采用半圆或椭圆形，下游端一般用流线型或圆弧曲线，有的用半圆形，

闸墩厚度与闸门形式有关，采用平板闸门时需设门槽，工作闸门槽深0.5~2.0m，宽1~4m，

门槽处的闸墩厚度不得小于1~1.5m，以保证有足够的强度，弧形闸门闸墩的最小厚度为

1.5~2m,检修闸门最小尺寸为0.5m×0.5m。闸墩的长度和高度，应满足布置闸门、工作桥、

交通桥和启闭机械的要求，平面闸门多用活动式启闭机，轨距一般在10米左右。

这里取中墩宽4m，边墩宽3m,闸墩中间设横缝分开，闸墩的上端为半圆弧，下端为矩

形。检修闸门和工作闸门均采用平板闸门，检修闸门槽采用最小尺寸0.5m×0.5m，工作闸

门按下式估算：

门槽宽：

)(55.3cmbHW

门槽深：

)()

5.2

1

~

4.1

1

(cmWD

式中H——闸门挡水高度（m）；

b——闸门净宽（m）。

则取W=1m,D=0.5m。

5.2.5溢流堰水面线的计算

（1）水面线计算的目的

为了设计闸墩高度、边墙顶高程、弧形闸门门轴高程的确定，都需要知道溢流面的水

面线。边墩或导墙顶高程应应根据计算水面线加

m5.1~5.0

的超高确定。

（2）基本资料

WES曲线为

85.1

85.05.92

1

xy





，堰顶高程441m，直线段坡度1：0.8。

定型设计水头H

d

，按堰顶最高水头的75～95%计算H

d

=9.5m

校核水位：451.44m；

对应单宽下泄流量：

sq/m3097.52

；

要求计算校核水位情况下的水面线。

（3）计算过程

在这里使用《水工设计手册6—泄水与过坝建筑物》（以下简称《手册6》）中提供的

计算水面线的方法。具体计算过程参见计算书。

将计算结果整理得溢流坝面水面线，如下图所示：

边墩的高度在水面线的基础上再加上0.5～1.5m，则边墙墙高度为

m31.45.181.2

，

取边墙高度为4.5m,边墙顶宽取3m。

6大坝细部构造

重力坝的细部构造包括坝顶结构、坝体分缝、排水廊道布置、混凝土分区等内容，这

些构造的合理选型和布置，可以改善大坝的工作性态，提高坝体的抗滑稳定性，改善坝体

应力，满足运用和施工的要求，保证大坝的正常工作。

6.1坝顶结构设计

溢流坝坝顶主要由闸墩、工作桥等组成，非溢流坝主要由人行道和防浪墙组成。

6.2坝顶构造

6.2.1非溢流坝段

坝顶上游设置防浪墙，与坝体连成整体，其结构为钢筋混凝土结构。防浪墙在坝体横

缝处留有伸缩缝，缝内设止水。墙高为1.2m，厚度为50cm，以满足运用安全的要求。坝

顶采用混凝土路面，向两侧倾斜，坡度为2%，两边设有排水管，汇集路面的雨水，并排入

水库中。坝顶公路两侧设有宽1m的人行道，并高出坝顶路面20cm，坝顶总宽度为10m，

下游侧设栏杆及路灯。细部构造图如下

排水管

坝体

排水管

坝顶

人行道

起重机轨道

公路

防浪墙

最高水位最高水位

坝顶构造图

6.2.2溢流坝段

溢流坝的坝顶由闸门、闸墩、工作桥、交通桥等组成。

闸门：在设计溢流坝闸门时已经比较了平板门与弧形门的优缺点，决定检修闸门采用

平面闸门，工作闸门采用弧形闸门。

闸墩布置：为减少溢洪时水流的侧面收缩，闸墩可向上游方向伸出坝外，其首部的平

面轮廓应平顺常用的型式如图所示，本工程采用（d）的型式,闸墩下游端采用近年来常用

的方形，使墩后形成一定范围的空腔，有利于过坝水流底部掺气，防止溢流坝面发生空蚀。

闸墩尺寸：闸墩中间设横缝，中墩厚度4米，边墩3米。

工作桥：溢流坝顶常设有工作桥，桥上布置固定式或移动式启闭机械，在布置交通桥

时应结合考虑兼作工作桥的可能性与合理性。通常当采用移动式启闭机时，两者可和二为

一，当采用固定启闭机时，工作桥与交通桥可分开布置，相互间的位置，应由与溢流坝坝

顶交通相沟通的要求来确定。桥面的高程必须保证最大设计洪水时的掺气水面不致淹没桥

面，并使闸门吊起后的最低点和门轴与溢流水面线保持足够的距离，使漂浮物能畅通排泄。

导墙：一般布置在溢流坝的两侧边缘与非溢流坝或毗连建筑物（水电站等）的连接处，

其向下游延伸的长度按上述用途来决定（水工设计手册P56）

6.3坝顶分缝

⒈横缝：

横缝垂直于坝轴线，横缝间距（即坝段宽度）一般为20～30m，参照本工程地基特性，

河谷地形，温度变化，结构布置和浇筑能力等本工程缝距值不同，缝宽2cm，内有止水。

横缝的布置主要有两种形式：一是缝设在闸墩中间，当各坝段间产生不均匀沉陷时不

致影响闸门的启闭；二是逢设在溢流孔跨中间，闸墩可以较薄，但受地基不均匀沉降的影

响，且水流在横缝上流过易造成局部水流不顺，考虑到闸门启闭将逢设在闸墩中。

本工程非溢流坝段横缝间距26米左右；溢流坝段在闸墩中间设横缝。

⒉纵缝

为了适应混凝土的浇注能力和减小施工期的温度应力，常在平行坝轴线方向设纵缝，

将一个坝段分成几个坝块，待温度降到稳定温度后再进行接缝灌浆，其布置形式采用铅直

纵缝，逢的间距根据混凝土浇注能力和温度控制要求确定，一般为15～30m。本工程中，

挡水坝设置一条距坝轴线20米的纵缝，溢流坝和深孔坝段设置两条纵缝。

纵缝缝面应设有水平向键槽，为了更好的传递压力和剪力，键槽应呈三角形，槽面大

致沿主应力方向。在纵缝面上设置有灌浆系统，其构造图如下：

⒊水平缝：

混凝土浇筑块厚度一般为1.5～4m本工程取4m，在靠近基岩附近用0.75～1.0m的薄

层浇筑以利于散热，减少升温，防止开裂。纵缝两侧相邻坝块的水平缝错开布置，以减小

坝体水平截面的抗剪强度。上下层混凝土浇筑间歇为5d，上层混凝土浇筑前必须用风水枪

或压力水冲洗施工缝面上的浮渣灰土和水泥乳膜，使表面成为干净的麻面，铺2cm厚的水

泥砂浆。分缝情况如图所示：

竖缝

水平施工缝

横缝

坝体分缝图

6.4止水设置

参见《混泥土重力坝设计规范》（SDJ21-78）坝体采用两道金属止水片中间设置防渗

沥青井。金属止水片采用1.0mm厚的紫铜片，可作成申缩的“︷”形。本工程中横缝的止

水采用在上游设一紫铜片，下游侧水平方向分设止浆片，将横缝分成若干区，并预埋灌浆

廊道，在坝体冷却横缝张开时灌浆封堵。缝内上游侧应布置一个排水和检查井，采用的横

缝止水，其设计图如下所示：

横缝止水布置图（单位：mm）

这种横缝止水排水系统，是沥青井与金属阻片联合使用的形式，金属片的适应变形能

力较好，沥青井则便于随时加热修补，联合使用，可提高止水的保证性。金属阻片一般采

用

0.2~4.1

毫米厚的紫铜片，成弯折形，各道止水设置的间距为1米，第一道止水距离上

游面约0.5~2.0米，取1米；止水片埋入混凝土的深度一般为30～50厘米，取40厘米。

沥青井呈方形或圆形，其中一侧可用预制混凝土块构成，这些预制块一般做成1.0~1.5米

长，

5~10

厘米厚，取其长为1.5米，厚5厘米；沥青井尺寸一般为

2020

至

4040

厘米

左右，因为该坝为高坝，取其尺寸

2020

厘米；沥青井中设有加热设备电极。

6.5廊道系统

为了满足灌浆、排水、观测、检查和交通等的要求，需要在坝体内设置各种不同用途

的廊道。廊道的主要作用有：

①进行上游面坝基内的帷幕灌浆和基础排水工作以及必要时进行检查维修工作。

②集中与排除坝体及坝基中的渗漏水流。

③设置观测仪器或观测站，便于巡视，检查和观测坝体工作情况。

④作为坝内的运输、交通和联络手段。

⑤其它特殊作用。

1基础灌浆廊道

坝基上游面的帷幕灌浆常须在坝体完成或浇注到一定高度后才开始进行，以便利用混

凝土的压重来提高灌浆压力和灌浆质量，同时也可以加强接触面上的防渗、抗剪能力。这

就使得通常要在坝内靠近上游的基础部位设置一个专用的基础灌浆廊道，它离开上游面的

距离应为0.05～0.1倍的作用水头，上游侧（中心点）距上游坝面的距离为，且不小于4-5

m。灌浆廊道的尺寸要满足在廊道内进行钻孔、灌浆操作的要求，一般采用上圆下方的标

准形式。在廊道顶部和底部应埋些吊钩和轨道，以便搬动机件，廊道两侧应设置合适的排

水沟，因为灌浆时施工水量是较大的。灌浆廊道离基岩面应保持有一定的距离，而且最好

不小于1.5倍廊道宽度，以便进行基础面接触灌浆，在灌浆廊道下游侧常可钻设排水孔及

扬压力观测孔，最后拟定灌浆廊道可沿纵横方向布置，它常直接设置在基岩上并在其中钻

排水孔，以增加排水效果，全面降低坝基渗透压力和浮托力。基础排水灌浆廊道通常在尾

水位以下，若无特殊设置，是要淹没的，基础排水廊道一般宽度为1.5~2.5m，高度为

2.2~3.5m，取排水廊道为23m。

2检查及坝体排水廊道：

在靠近坝体上游面处设置一排检查廊道，通常约每隔15～30米高程设置一层，以供

运行检查巡视，并排除坝体渗水，廊道的形式多用上圆下方的标准断面，如无特殊要求，

可采用2.5×3.5m的断面尺寸，各排廊道上游壁离上游坝面的距离，不应小于0.05倍止

水水头，也不应小于3米。各层廊道在左右两岸至少应有两个出口，并最好用垂直井道连

通，坝体中的排水管均分别通到廊道中，渗水由此集中并排除到下游去，廊道必须设有排

水沟，并有一定的坡度。

25003

5

0

0

1

4

2

3

1

4

2

7

6

防渗帷幕和排水孔的布置

1—坝基灌浆排水廊道；2—灌浆孔；3—灌浆帷幕；

4—排水孔幕；5—排水钢管；6—三通；

7—预埋钢管；8—坝体

6

坝基排水系统

1—灌浆排水廊道；2—灌浆帷幕；3—主排水孔；

4—纵向排水廊道；5—半圆混凝管；6—辅助排水孔幕；

7—灌浆孔

1

2

7

3

6

5

4

廊道布置图

3排水管的设置及帷幕灌浆：

对地基进行帷幕灌浆处理以降低坝底渗透压力，防止坝体坝基内产生机械化或化学管

涌，减少坝基渗流量。

灌浆廊道尽可能布置在坝基的迎水面，常设置在坝体灌浆廊道下的基础内，形成一道

连续而倾斜或垂直的幕墙，斜幕一般比直幕效果好，但施工比较复杂。

帷幕灌浆钻孔方向，原则上应尽量穿过最多的裂隙和岩石层面，但考虑实际施工条件，

钻孔倾角不宜过大，常控制在10~0之间。帷幕深度由基础岩石内不透水层深度，作用

于建筑物上水头大小以及帷幕本身防渗及降低坝底扬压力的要求来确定，通常可在

(0.3~0.7)H

。

排水孔幕设置一排，排水孔距为3米，孔径200毫米，孔深12米。

坝体排水通常设在坝体上游面距离3～5m处，在该坝上取间距为3米，孔径200毫米。

排水管

铸

铁

管

集

水

管

排水管

廊

道

廊道连接图

6.6坝体混凝土分区

坝体各部位的工作条件不同，对混凝土强度、抗渗、抗冻、抗冲刷、抗裂等性能的

要求也不同。为节约与合理使用水泥，通常将坝体按不同部位和不同工作条件分区，采用

不同标号的混凝土，如下图所示：

图中：Ⅰ区――上、下游水位以上坝体表层混凝土；

Ⅱ区――上、下游水位变化区的坝体表层混凝土；

Ⅲ区――上、下游最低水位以下坝体表层混凝土；

Ⅳ区――靠近地基的混凝土；

Ⅴ区――坝体内部混凝土；

Ⅵ区――有抗冲刷要求部位的混凝土，如：溢流面、泄水孔、导墙和闸墩等。

坝体各区对混凝土性能的要求

分

区

强

度

抗

渗

抗

冻

抗冲

刷

抗侵

蚀

低

热

最大水灰比

选择各区宽度

的主要因素

严寒和寒冷地

区

温和地

区

Ⅰ+-++--+0.600.65施工和冰冻深度

Ⅱ++++-++0.500.55冰冻深度、抗渗和施工

Ⅲ+++++-++0.550.60抗渗、抗裂和施工

Ⅳ++++-+++0.550.60抗裂

Ⅴ++++--++0.700.70

Ⅵ++-+++++++0.500.50抗冲耐磨

注：表中有“++”的项目为选择各区混凝土的主要控制因素，有“+”的项目为需要提出要求的，

有“-”的项目为不需要提出要求的。

为了便于施工，坝体混凝土采用的标号种类应尽量减少，并与枢纽中其他建筑物的混

凝土标号相一致。同一浇筑块中的标号不得超过两种，相邻区的标号不得超过两级，以免

引起应力集中或产生温度裂缝。分区厚度一般不小于2～3m，以便浇筑施工。坝体不同分

区的混凝土所用的水泥，应尽量采用同一品种，并优先采用大坝水泥。有抗冻或抗冲刷要

求的部位，不宜采用火山灰水泥或矿渣水泥。坝体内部混凝土可适当掺加掺和料或外加剂，

以降低水泥用量并改善混凝土的性能。大体积混凝土结构的下游面及建筑物内部采用抗渗

标号的最小容许值为S

2

；大体积混凝土结构的挡水面的防渗层的混凝土采用抗渗标号的最

小容许值为S

6

。水位涨落区的外部混凝土抗冻标号的最小容许值为D200；钢筋混凝土结构

则为D250；水位涨落区以上的外部混凝土抗冻标号的最小容许值为D100。

混凝土分区的尺寸一般为：外部（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区）混凝土各区厚度的最小值为2～3m，

上游面的厚度比下游面的大；基础混凝土（Ⅵ区）厚度一般为0.1L，（L为坝体底部边长），

并不小于3.0m。在不同标号的混凝土之间要有良好的接触带，施工中须混合充分加强震捣，

或采用池形缝结合，同时相邻混凝土标号的级差不宜大于两级，否则在浇筑块内部因两种

混凝土的性质相差过大，水化热温升和体积收缩变形都不相同，容易在接触带产生裂缝。

混泥土分区结果：

分区及厚度（米）强度抗渗抗冻水灰比

Ⅰ3C20S2D1000.6

Ⅱ3C20S6D2000.5

Ⅲ3C20S6D1500.55

Ⅳ3C30S6D1500.55

Ⅴ3C20S6D1500.70

Ⅵ3C20S4D1500.50

7地基的处理设计

7.1地基开挖与清理

各种类型水工建筑物对地基基础具有足够的强度、足够的整体性和均一性，足够的抗

渗性、足够的耐久性有基本要求。该坝址处有淤泥、软弱层，需要开挖清理。

⑴及时排除基坑积水、渗水和地表水。

⑵合理安排开挖顺序，保证施工安全，遵循从上而下的分层开挖顺序。

⑶统盘规划运输路线，组织好出渣运输工作。

⑷采用钻孔爆破、分层开挖，确保开挖质量。

7.2坝基的帷幕灌浆

本工程基础灌浆的目的主要是为了防渗，因此为帷幕灌浆，可用水泥浆，灌浆孔直径

为220毫米，孔深2米，孔距4米。

7.3防渗、排水

防渗：防渗以灌浆帷幕为主，灌浆帷幕在坝靠近上游端，作用是增大渗水路径而防渗。

排水：排水有基础排水廊道，纵向排水廊道、横向排水廊道、纵横向排水廊道。在灌

浆孔的下游有主排水孔，深12米，孔径200毫米，孔距3米；主排水孔下游，还有两排

基础排水孔，孔径200毫米，深12米，孔距5米。

7.4断层破碎带与软弱夹层的处理

坝址地质属震旦纪岩层，因老岩经过多次地壳变动，使地基结构趋于细致，因此受力

次数甚多，节理甚为发达，又有石英岩脉侵入，以致影响其强度。岩层走向大致与河流平

行，坝址附近没有发现断层。对节理发达，强度较弱的地方，可以考虑固结灌浆。对表层

较弱的岩层，可以开挖掉，然后回填混凝土。

8枢纽布置

该方案枢纽布置为：混凝土重力坝、坝顶溢流表孔、左岸布置引水建筑物、地面厂房

及开关站等。

a)大坝

1)基本剖面及布置

基本剖面：大坝采用混凝土重力坝、坝顶高程452.50m，最低基建面高程349.00m，

最大坝高103.5m，坝顶宽10.0m，坝底最大宽度90.66m。上游坝面为铅直面，在高程410m

以下为折坡，坝坡为1:0.15。下游坝面坝坡为1:0.8。坝体上游侧距坝面3.0m位置设竖

向排水管，管径20cm，间距2.5m，于高程410.00m设2.5m3.5m纵向排水检查廊道，各

坝段坝踵上游侧设3.04.0m的帷幕灌浆及排水廊道，坝内廊道相互连通。

坝体不设置纵缝，大坝从左岸到右岸按25～30m设横缝，共分11个坝段，其中左岸7～

11坝段为非溢流坝段，长134.2m。河床6坝段为溢流坝段，长28.0m。右岸1～5为非溢

流坝段，长130.00m。坝顶长度292.2m，坝体混凝土总量74.88万m3。

2)溢流坝

溢流坝布置在河床⑥坝段，采用表孔自由溢流，堰顶高程441.00m，共设2孔泄洪闸，

每孔宽9.0m，中墩厚4.0m，边墩厚3.0m，溢流坝段总长28.0m。孔口由弧形工作闸门控

制，尺寸为9.0m10m（宽高），由设置在坝顶的2320kN液压式启闭机操作。溢流面采用

WES曲线，方程为y=0.06513x1.85，下接坡比1:0.8直线段坝坡，下游采用挑流消能，挑射

角度25，反弧半径12m，挑鼻坎高程363.5m。最大泄量1465m3/s，挑坎处最大单宽流量

52.097m3/s。

b)引水建筑物

引水建筑物布置于左岸，由进水口、上平段、斜井段、下平段、岔管段组成，引水隧

洞长585.476m，洞径3.2m，其中上平段486.003m和弯段57.473m采用混凝土衬砌厚度0.5m。

下平段30m，岔管段30m采用钢板和0.5m厚混凝土组合衬砌。

c)拉沙放空洞

布置于引水洞左侧山体内，由进水塔、压力隧洞、工作闸门室、泄槽及挑流鼻坎等组

成。进水塔底板高程390m，孔口尺寸3.5×3.5m，无压洞洞径3.5m，洞长574.5m，混凝

土衬厚0.8m；工作闸门设在隧洞进口段检修闸门后，为弧门，尺寸为3.0×3.0m，由

500/500kN油压机启闭。100年及以上频率洪水可参与泄洪。

d)厂房及开关站

厂房及开关站布置在水井塘附近的左岸岸边，厂房内安装3台HLD75-WJ-73型水轮发

电机组，总容量6000kW。发电尾水进入总干隧洞。主厂房尺寸37.02×13.0×16.24m(长

×宽×高)，开关站为户内式，面积11.0×12.0m。

致谢

在四年的大学学习期间，得到了众多老师、同学和亲友的帮助、支持和关心。藉此论

文完成之际，在这里请接受我诚挚的谢意！

毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功

的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业

学术论文和工作打下良好的基础。

本次设计能够顺利完成，首先我要感谢我的母校——三峡大学，是她为我们提供了学

习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢水利与环境学院的老师们，他们不

仅教会我们专业方面的知识，而且教会我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给

与我大力支持和帮助的张萍老师，每当有问题时，张老师总是耐心地为我解答，使我能够

充满热情的投入到毕业设计中去，同时让我在毕业设计的过程中学到了不少知识；还要感

谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资

料的编著者，感谢您们为我们提供一个良好的环境。

一个人的成长绝不是一件孤立的事，没有别人的支持与帮助绝不可能办到。我感谢可

以有这样一个空间，让我对所有给予我关心、帮助的人说声“谢谢”！今后，我会继续努

力，好好工作！好好学习！好好生活！

参考文献

1.陈胜宏等.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，

2.水利电力部水利水电规划设计院.水工设计手册（混凝土坝）.北京：水利电力出版社，

1987

3.水利水电勘测设计院.小型水电站设计图集（混凝土坝分册）.北京：水利电力出版社，

1986

4.焦爱萍.水利水电工程专业毕业设计指南.郑州：黄河水利出版社，2003

5.余锡光等.水利水电规划、设计与施工.北京：科学技术出版社，1994

6.河海大学.林益才.水工建筑物.中国水利水电出版社，1997

7.张光斗、王光纶.专门水工建筑物.上海：上海科学技术出版社，1999

8.李家星、赵振兴.水力学（上、下册）.南京：河海大学出版社，2000

9.周之毫等.水利水能规划（第二版）.北京：中国水利水电出版社，1997

10.水利电力部标准汇编.水利水电工程4.水工设计.北京：水利电力出版社，1989

11.混凝土重力坝设计规范SDJ21—78（试行）.北京：中国水利水电出版社

12.水利水电工程发、等级划分及洪水标准SL252—2000.北京：中国水利水电出

版社