洮河S水电站引水枢纽设计毕业设计

本科毕业设计

题 目 洮河S水电站引水枢纽设计

常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

目 录

摘要………………………………………………………………………………………………1 关键词…………………………………………………………………………………………1 Abstract…………………………………………………………………………………1 Key words……………………………………………………………………………………1 绪论……………………………………………………………………………………2 1 设计资料综合说明………………………………………………………………………3 1.1 水文资料 ……………………………………………………………………………3 1.1.1 流域概况 ………………………………………………………………………………3 1.1.2 径流……………………………………………………………………………………3 1.1.3 洪水……………………………………………………………………………………5 1.1.4 设计断面水位流量关系…………………………………………………………………5 1.1.5泥沙………………………………………………………………………………………6 1.1.6 冰情………………………………………………………………………………………7 1.1.7 气象……………………………………………………………………………………7 1.2 工程地质……………………………………………………………………………………7 1.2.1 地形地貌………………………………………………………………………………7 1.2.2 坝址区地质概况………………………………………………………………………8 1.3 坝址区建筑材料……………………………………………………………………8 2 工程等级的确定及引水枢纽总体布置……………………………………………………9 2.1 工程及建筑物等级的确定…………………………………………………………………9 2.2 引水枢纽总体布置………………………………………………………………………11 3 挡泄水建筑物的设计……………………………………………………………………… 11 3.1 挡泄水建筑物形式的说明…………………………………………………………………11 3.2 挡泄水建筑物设计………………………………………………………………………11 3.2.1 泄冲闸设计……………………………………………………………………………11 3.2.2 溢流坝设计……………………………………………………………………………14 3.2.3 枢纽泄洪运行方式……………………………………………………………………20 3.3 挡泄水建筑物的稳定及应力计算 ………………………………………………………21 3.3.1 挡泄水建筑物的主要荷载………………………………………………………………21 3.3.2 泄冲闸段抗滑稳定计…………………………………………………………………22 3.3.3 溢流坝抗滑稳定计算…………………………………………………………………24 3.3.4 挡泄水建筑物的应力分析………………………………………………………………26 3.4 挡泄水建筑物下游消能计算………………………………………………………………27

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3.4.1泄冲闸下游消能计算……………………………………………………………………27 3.4.2 溢流坝下游消能计算………………………………………………………………29 3.4.3 消力池抗冲及抗浮计算………………………………………………………………30 4 进水口设计…………………………………………………………………………………31 4.1 进水口的布置……………………………………………………………………………31 4.1.1进水口的功用……………………………………………………………………………31 4.1.2 进水口的设计要求……………………………………………………………………31 4.1.3无压进水口的工作条件…………………………………………………………………32 4.1.4 进水口位置选择………………………………………………………………………33 4.2 进水口的主要设备的高程及设计尺寸确定……………………………………………34 4.2.1拦沙坎设计……………………………………………………………………33 4.2.2 拦污设备的确定………………………………………………………………………34 4.2.3进水口的尺寸确定………………………………………………………………………34 4.3 进水口建筑物的稳定计算………………………………………………………………35 参考文献………………………………………………………………………………………39 致谢……………………………………………………………………………………………40

常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

洮河S水电站引水枢纽设计

常金梅

（甘肃农业大学工学院水利水电工程专业，甘肃兰州，730070）

摘要：洮河S水电站位于甘肃省临潭县境内的洮河干流上,洮河流域全长673km，流域面积25527km2，水能资源蕴藏量较大，洮河S水电站为低坝引水式径流电站，洮河S水电站闸址位于洮河中游，闸址以上控制流域面积13552km2，总装机容量12.0MW ，电站开发建设任务是发电。电站为Ⅳ等小⑴型工程，主要建筑物级别为4级。低坝引水枢纽由4孔单宽9m的泄洪冲沙闸和30m长溢流坝组成，左岸无压进水口引水发电，进水口采用2孔单宽8m的进水闸，正常蓄水位2420.0m。它的兴建不仅可以扩大电闸的规模，满足甘南州持续、高速增长的电力、电量需求起到一定作用，更重要的是促进地方经济的发展和脱贫致富，节省不可再生资源、减轻环境污染。

关键词：引水枢纽；泄冲闸；溢流坝；进水口；

Taohe Hydropower Station S Design of Water Diversion

Chang Jin-mei

（Major in water resources and hydropower engineering in the College of Ngineering

of Gansu Agriculture University,Gansu Lanzhou,730070）

Abstract:Taohehe Hydropower Station S on the Tao River in Lintan territory Gansu Province, Taohe Basin total length of 673km, the basin area of 25527km2, large reserves of water resources, hydropower is a low dam Taohe S Hydropower Plant, Taohe gateway Address S hydropower station is located Taohe midstream, gate control over site drainage area 13552km2, the total installed capacity of 12.0MW, the task of building a power station development. ⑴ Ⅳ and other small power station engineering and main building level 4. Low Dam Water Diversion from the 4-hole single-width of 9m and 30m long spillway flushing sluice spillway composition, on the left bank without pressure Intake power generation, water inlet holes using two single-width 8m of intake, the normal water level 2420.0m. It can not only expand the size of the construction of gates, to meet Gannan sustained, rapid growth of electricity, electricity demand play a role, more important is to promote local economic development and poverty alleviation, saving non-renewable resources and reduce environmental pollution.

Key words: Diversion Junction; vent red gate; overflow dam; water inlet;

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绪言

洮河S水电站位于洮河临潭县境内的洮河干流上,电站为低坝引水式径流电站，洮河是黄河水系上游的重要支流，发源于甘青交界处的西倾山北麓，由西向东流经碌曲、临潭、卓尼，至岷县茶埠急转向西北，出九甸峡与海甸峡后，穿临洮盆地，于永靖县注入刘家峡水库。全长673km，流域面积25527km2，干流平均比降2.8‰，总落差2631m，出口处多年平均流量为156m3/s，年径流量49.2亿m3，洮河干流水力资源理论蕴藏量1460MW，支流水力资源蕴藏量760 MW，属甘肃省水力资源丰富的河流。洮河S水电站为《甘肃省洮河干流古城以上河段水电补充规划报告》规划中的第二十五座梯级电站，洮河S水电站闸址位于洮河中游，距上游洮河下巴沟水文站130km，距下游岷县水文站46km，闸址以上控制流域面积13552km2，此电站设计发电流量165m3/s。

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1 设计资料综合说明 1.1 水文资料

1.1.1 流域概况

拟建的洮河S水电站位于洮河干流中游临潭县总寨乡上川村，电站开发建设任务是发电。电站设计发电流量165m3/s，坝址距上游郑旗水电站坝址约6.29km。

洮河流域位于甘肃省东南部，流域面积25527km2，河流全长673.1km，河源地海拔高程4260m，原河口处高程1629m，由于刘家峡水库水位的影响，实际上河口处1735m高程以下为库区，总落差2631m，水能资源蕴藏量较大。

洮河S水电站坝址位于洮河中游，距上游洮河下巴沟水文站130km，距下游岷县水文站46km，坝址以上控制流域面积13552km2。 1.1.2 径流

① 径流特性

洮河S水电站坝址以上径流主要来源于大气降水，其中以雨水补给为主，雪水补给为辅。3月中、下旬至5月为春汛期，由上游冰雪融水和降雨补给；6～9月为夏秋洪水期，以大面积降水补给为主，有的年份可延长至10月上旬；10～11月为秋季平水期，以地下水补给及河槽储蓄量为主；12月至次年3月初为冬季枯水期，以地下水补给为主，水量小而稳定。径流的年内分配7～9月占年径流比例最大，约占44.2%，2月份最小，约占2.7%。最小流量出现在12月下旬～2月下旬。

据洮河岷县水文站资料统计，径流年际变化不大，洮河岷县水文站实测多年平均流量为109m3/s，多年平均径流量为34.4亿m3。其中年平均流量最大为212m3/s（1967年），最小为57.0m3/s（2000年）。

② 径流系列代表性分析

本次设计采用1947～2001年共55年年径流系列，从岷县站年径流差积曲线可以看出1947～55年平偏丰、56、57年偏枯、1958～19年平偏丰、1965～1985年系列中包含了丰水年、平水年、枯水年组，且具有丰、平、枯交替出现的特点，1986年以后是一个长枯水段。总之，系列中包含了丰、平、枯水期，该系列具有良好的代表性。年径流资料采用岷县水文站1947年～2001年共55年系列能够满足本电站设计精度要求。

岷县水文站年径流时序见图1-1。

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250 Q（m³/s） 200 150 100 50 0 1947 1977 1981 1953 1957 1961 1965 1969 1973 图1-1 岷县水文站年径流时序

1985 19 1993 1997 年份 ③ 径流计算

下巴沟站到岷县站区间流域下垫面情况相似，气候条件基本一致。采用∑下巴沟站与岷县站年径流统计参数按集水面积直线内插得洮河S水电站的年径流统计参数。

洮河S水电站设计年径流成果见表1-1。

表1-1 洮河S水电站设计年径流成果表

F（km2） 均值（m3/s） 13552

97.7

CV 0.31

CS/CV

15%

2.5

129

不同保证率的设计值（m3/s） 25% 115

50% 93.8

75% 75.7

85% 67.4

④ 径流年内分配

径流年内分配采用日历年度，按典型年的年径流量和枯水期的径流量分别接近设计频率的径流量为原则，分别选取岷县站1961、1959、1986、1980、1957年为P=15%、25%、50%、75%、85%各代表年的典型年，按设计频率的年平均流量与典型年年平均流量之比值修正典型年的月平均流量得洮河S水电站各代表年的逐月平均流量。洮河S水电站代表年平均流量成果表见表1-2。

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表1-2 洮河S水电站径流年内分配成果表

月 份

P（%）

一

P=15% P=25% P=50% P=75% P=85%

二

三 57.6

四 105

五 130 123 143

六 133 131 177

七 196 157

八

九

十 338 92.2 73.9 127 62.7

十一 十二 138

65.7 129

年

42.3 36.5 39.4

129 170 376 197

37.9 44.4 65.4 63.1 46.2 115 50.4 35.3 93.8 65.2 40.6

34.7

75.7

36.4 35.9 39.9 56.1 32.3 33.1 27.5

3

246 110 118 123 122

121 83

154 85.5

40.4 34.2

47.3 53.5

54.7 73.8 147

95

26.1 28.0 67.4

注： 单位：m/s

1.1.3 洪水

① 洪水特性

洮河大洪水均由大面积暴雨形成，干流汛期为5～10月，主汛期7～9月，一次洪水过程平均为7～15天，峰型以单峰为多，洪水具有峰高量大的特点。

② 历史洪水重现期的确定

洮河S电站设计洪峰流量均值按流域面积由岷县站和∑下巴沟站双对数内插求得，洪峰流量均值Qm=595m3/s，Cv值按流域面积由岷县站和∑下巴沟站直线内插求得，Cv=0.，取Cs/Cv=3.5。设计洪峰流量成果见表1-3。

表1-3 洮河S水电站设计洪峰流量成果表

均值（m3/s）

571 Cv 0. Cs/Cv 3.5 各种频率设计值（m3/s）

0.5% 2210 1% 1930 2% 1660 3.33% 1460 5% 1300 10% 1040 20% 778 ③ 分期洪水

根据洮河流域的水文特性和年内变化情况：可大致分为3～5月春汛期，6～10月夏秋洪水期，11月秋季退水期，12～2月为冬季稳定期。 1.1.4 设计断面水位流量关系

根据实测横断面资料，计算出各断面水位～面积关系，以实测河段水面纵比降及测时流量为控制，根据上、下游水文站实测值及河道特性选用糙率值。按糙率随水位升高而逐渐减小的特点，用水力学曼宁公式计算出水位～流量关系。经过与上、下游水文站及各断面之间比较，选用糙率及比降基本合理，水位～流量关系满足工程设计需要。洮河S水电站坝线尾水断面水位～流量关系曲线见图1-2。

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高程(m) 常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计 图2-5～流量关系曲线242224212420241924182417241624152414050010001500200032500流量(m/s) 图1-2 坝线断面水位～流量关系曲线

1.1.5 泥沙

洮河S水电站以上河段流域植被良好，降雨形成地表径流挟入河流的泥沙也较少。洮河S水电站坝址河段没有实测泥沙资料,只有通过∑下巴沟站与岷县站悬沙成果推求。

岷县站具有1959～2001年43年实测泥沙资料，博拉河下巴沟站实测泥沙资料为1969～2001年，洮河下巴沟站实测泥沙资料为1965～2001年。采用平均悬移质输沙率～年平均流量相关关系延长，延长后的系列为1959～2001年。

根据岷县站1959～2001年43年系列计算得多年平均悬移质输沙量为242万t。最大断面平均含沙量222kg/m3（1991年5月），最小断面平均含沙量为0。

根据插补延长后的∑下巴沟站1959～2001年43年系列资料计算得多年平均悬移质输沙量为67.7万t。

① 悬移质计算

洮河S水电站泥沙计算：∑下巴沟～岷县区间侵蚀模数乘以洮河S水电站～∑下巴沟区间集水面积，加∑下巴沟多年平均输沙量即为上川水电站输沙量。经计算得洮河S水电站多年平均悬移质输沙量202万t。

② 推移质计算

对于推移质泥沙测验资料缺乏的地区常采用推悬比的方法估算推移质输沙量。根据分析和洮河干流其它工程采用经验，洮河S水电站推移质按悬沙的10%考虑，推移质输沙量

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为20.2万t。

洮河S水电站多年平均输沙量月分配按岷县1959～2001年多年平均年内分配比例得出。洮河S水电站多年平均输沙量月分配成果见表1-4。

表1-4 平均输沙量月分配表

内容 月份 年 八

九

十 十一 十二

一 二 三 四 五 六 七

悬移质输沙量(万t) 0.16 推移质输沙量(万t) 总输沙量(万t) 占全年的%

0.16 0.07

0.18 0.85 4.48 18.8 25.9 53.7

0.45

1.9

2.61 5.43

46.5 44.4 6.06 0.65 0.28 202 4.7

4.49 0.61

20.2

0.18 0.85 4.93 20.7 28.5 59.1 0.08 0.38 2.22 9.32 12.8 26.6

51.2 48.9 6.67 0.65 0.28 222 23.0 22.0 3.00 0.29 0.13 100

1.1.6 冰情

洮河S水电站因距下游岷县站较近，冰情可着重考虑岷县站冰情资料并参考下巴沟站冰情资料适当选用。

根据洮河下巴沟站1960～1987年28年资料统计，一般10月下旬～11月上旬开始结冰，4月上中旬全部融化。每年都封冻，封冻天数最长126天。岸边最大冰厚2.18m，河心最大冰厚1.42m。

根据洮河岷县站1954～1987年33年资料统计，一般11月上中旬开始结冰，3月上中旬全部融化。33年实测资料中只有6年封冻，封冻天数最长33天。岸边最大冰厚1.78m，河心最大冰厚2.5m。 1.1.7 气象

洮河流域地处中纬度的内陆高原，属典型的性气候，具有冬春长而夏秋短，气温日差较大和无霜期短的特点。洮河S水电站位于高山地区，气候高寒阴湿，多雨雪。冰雹和暴雨是主要灾害性天气。本工程距卓尼县气象站较近，因此确定卓尼县气象站作为本工程气象资料代表站。根据卓尼气象站资料统计，年平均气温4.5℃，平均最高气温12.9℃，平均最低气温-1.7℃，极端最高气温29.4℃，极端最低气温-23.4℃，年降水量578.1mm，蒸发量1238.3mm，最大风速14m/s，最大冻土深度109cm。

1.2 工程地质

1.2.1 地形地貌

洮河S水电站工程区地处西秦岭复杂褶皱带洮河复式向斜中段，临潭县总寨乡与卓尼

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县纳浪乡洮河中上游河谷盆地的狭长宽谷段，两岸山体海拔高程多在2400～3500m之间，相对高差近1100m，洮河左右两岸山势陡峻，悬崖峭壁多见，自然坡度多在20°～50°之间，植被不发育。两岸山前多为洮河Ⅰ～Ⅱ级阶地，地形呈阶梯状，现均为农田；山坡平缓处见有Ⅲ～Ⅳ级阶地，Ⅰ～Ⅱ级阶地上多被第四系全新统坡积碎石土覆盖。

1.2.2 坝址区地质概况

本阶段选定洮河S电站枢纽位于临潭县纳浪村，依据枢纽区的地形、地质条件，初步选择了坝线位于纳浪村下游约800m的洮河干流上，水库正常设计水位高程2420.0m,水库回水长度约1.6km，库区周边山体高大，河床高程约2414.16m。

洮河S水电站水库为河谷型水库，库区河谷较窄，呈“U”型，河谷宽377～3m，河床位于河谷中部，河床宽约67～72m。河流两岸主要发育有Ⅰ级阶地，阶面较平坦，表层为厚2～4m不等的低液限粘土，下部为厚度大于5m的卵石混合土，地下水位埋深约2～8m。

工程区出露的地层有中三叠统第三岩性组（T2c）岩性为灰色、青灰色砂质板岩夹薄层钙质砂岩(局部为中厚层)、和少量薄层灰岩。和中三叠统第四岩性组(T2d)岩性为灰色、青灰色钙质砂岩夹薄层板岩，偶夹薄层灰岩。第四系各种成因类型的松散堆积物。主要有：现代河床及河谷Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级阶地冲洪积层，冲沟及其洪积扇(锥)的洪积层，斜坡及其坡脚的崩坡积层。根据2001版1:400万《中国地震动参数区划图》及《中国地震动反应谱特征周期区划图（1:400万）》(GB18306-2001)，50年超越概率为10%，工程区地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，相当于地震基本烈度为6级。

洮河S水电站库区左、右岸的Ⅰ级阶地及河床段基座岩面高程低于2420m，地下水位均低于水库正常蓄水位，因而， 库区左、右岸的Ⅰ级阶地及河床段存在库水渗漏问题，

但坝基渗漏量很小。

库区库岸基本为土质岸坡，该类岸坡为Ⅰ级阶地前缘，坎高3～9m，坡度40～70°塌方量小，且远离坝区，对工程影响不大。

依据1/400万《中国地震动峰值加速度区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度6度，故本工程按地震基本烈度6度设防。

1.3 坝址区建筑材料

根据勘测任务书的要求，洮河S水电站本阶段各类天然建筑材料设计需求为：砼粗骨料，砼细骨料，块石料，土料。天然建筑材料的勘察工作按《水利水电工程天然建筑材料

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勘察规范》(SL251—2000)进行，通过实地调查，本着由近及远、运输方便，确保质量的原则进行筛选，选定砼用砂砾石（包括粗、细骨料）料场1个、土料场1个、块石料场1个。

① 砂卵砾石料场

砂卵砾石长约500m，宽200～250m，为层，结构稍密，地面较平坦，向洮河倾斜，地表有1.5～2.5m的覆盖层，料场西部为洮河，地下水位埋深大于6m。

根据探井揭露，砂卵砾石层厚大于5m，未见有害夹层，局部夹有薄层细砂或透镜体。卵砾石主要为灰色、青灰色砂岩、硅质岩，其石质坚硬，耐风化，卵砾石磨圆较好，均呈次圆～浑圆状。

② 土料场

土料场和砂砾石料场处于同一位置，即开采Ⅰ级阶地上部的低液限粘土，该层厚约1～2m，料场长约500m， 宽200～250m。但低液限粘土上覆1～2m厚的坡积碎石土，可开采厚度平均按1m计算，该料场储量为11.1万m³。

③ 块石料场

料场产地为一突起的山坡，山坡坡度约60～70°，东西长约100～120m，南北宽70～90m。岩性为灰褐色及青灰色厚层、巨厚层钙质砂岩夹薄层砂质板岩，山顶岩体的强风化层厚2～3m，坡顶大部分地带有0.5～2.0m厚的坡积碎石土覆盖。料层为厚层、巨厚层的钙质砂岩，单层厚0.8～1.5m，最厚可达2.0m，岩质坚硬，产状NW320°SW∠65°。据取样试验，砂岩料石平均抗抗压强度67.3MPa，冻融损失率0.022%。 储量计算方法采用平行断面法，计算此块石料场可采储量约14万m3。

2 工程级别的确定及引水枢纽总体布置 2.1 工程及建筑物等级的确定

洮河S水电站是以发电为主的引水式电站，坝址以上流域面积13552km2，电站装机容量为12.0MW。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000规定（表2-1，2-2），确定本工程属Ⅳ等工程，工程规模为小⑴型，水工建筑物（挡水建筑物、泄洪排沙建筑物、引水发电系统建筑物）为4级，次要建筑物（护坡、挡土墙）为5级。

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工程等别

表 2-1 水利水电工程分等指标表 分等指标 工程规模

水库库容

防洪

保护城镇及工矿企业重要性

一 二 三 四 五

大（1）型 大（2）型 中型 小（1）型 小（2）型

>10 10～1 1～0.1 0.1～0.01 0.01～0.001

特别重要 重要 中等 一般

≧500 500～100 100～30 30～5 <5 保护农田（万亩）

电站装机 （万KW）

灌溉面积 （万亩）

≧150 150～50 50～5 5～0.5 <0.5

≧120 120～30 30～5 5～1 <1

工程等别

一 二 三 四 五

表2-2 建筑物分级

永久性建筑物级别

主要建筑物

1 2 3 4 5

次要建筑物

2 3 4 5 5

临时性建筑物级别

3 4 5 5 5

依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）表2-1和《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》（DL5180—2003）5.0.和6.0.2条的有关规定：“当山区、丘陵区水工建筑物挡水高度低于15m，且上下游最大水头差小于10m时，其洪水标准宜按平原、滨海区标准确定”。

经计算，首部枢纽闸坝最大挡水高度9.50m，且上下游最大水头差小于10m，因此拟定采用平原、滨海区标准确定，主要建筑物及临时建筑物的洪水标准如下：

挡水、泄水建筑物

设计洪水重现期：十年（P＝5%），相应洪峰流量1040m3/s,相应设计洪水位为2420.50m； 校核洪水重现期：五十年（P＝2%），相应洪峰流量1660m3/s,相应的校核洪水位为2422.32m；

消力池消能防冲设计标准：二十年（P＝5%），相应洪峰流量1300m3/s，相应的水位为2421.36m。

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2.2 引水枢纽总体布置

洮河S水电站枢纽由拦河建筑物和进水口两部分组成，布置主要考虑满足电站引水要求，尽量减少泥沙进入发电引水系统；稳定河势，尽量减少淹没浸没损失。枢纽泄洪运用泄冲闸与溢流坝联合泄洪。电站进水口布置在泄洪冲沙闸的左侧，利用左岸阶地地形布置侧向岸边宽浅式进水口，工程简单，排沙防沙及拦污能力强。

3 挡泄水建筑物的设计

3.1 挡泄水建筑物形式的说明

拦河建筑物主要为泄洪冲沙闸和溢流坝，联合泄洪，中小洪水由冲沙闸下泄，大洪水由溢流坝和泄冲闸联合下泄为主。冲沙闸布置在河道左侧与进水口相邻，河道右侧布置溢流坝。枢纽工程投资省,闸坝联合泄洪，主要靠溢流坝顶溢流和泄冲闸联合进行泄洪，调节坝前水位，调度运行方便，闸门启闭少，故满足设计要求。

3.2 挡泄水建筑物设计

3.2.1 泄冲闸设计

泄冲闸选用平底宽顶堰，它有利于泄洪、冲沙。排污、排冰，且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便。

① 闸底板高程确定

底板高程与水闸承担的任务、泄流与引水流量及河床地质条件等因素有关。闸底板应置于较为坚实的土层上，并应尽量利用天然地基。在地基强度能够满足要求的条件下，底板高程应定的高些，闸室宽度大，两岸连接建筑物相对较低。对小型水闸，由于两岸连接建筑物在整个工程中所占比重较大，因而总的工程造价可能是经济的。对大中型水闸，由于闸室工程量所占比重较大，因而适当降低底板高程，常常是有利的。当然，底板高程也不能定的太低，否则，由于单宽流量加大，将会增加下游消能防冲的工程量；闸门高度增加，闸门启闭设备容量也随之增加，另外，还可能会给基坑开挖带来困难。

一般情况下泄洪闸与冲沙闸的底板顶面可与河床底平，进水闸的底板顶面在满足引用设计流量的条件下，应尽可能高一些，以防止推移质泥沙进入渠道。

综合考虑以上因素，确定该工程闸底板高程为2414.5m。闸基础座落于基岩上，闸室段长17.5m，闸底板厚1.80m，泄冲闸工作闸门为弧门，为钢筋砼结构。

② 闸顶高程确定

1 1

常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

水位以上闸顶超高按下式计算：

hhlh0hc

式中： h---闸顶距水库静水位的高度(m)； hl---浪高(m)；

5/41/3h0.0166VD； l4hlH h0---波浪中心线至水库静水位的高度(m)，h0cth2LL；

2 hc---安全超高(m) ； L---波长；

V---风速(m/s)； H---闸前水深(m)； D---吹程(km)；

设计情况下采用历年最大风速，V1=14m/s；

校核洪水情况下采用历年平均最大风速，V2=11.4m/s； 按上述公式计算成果如表3-1：

表3-1 洮河S水电站闸顶高程计算表

计算情况

上游静水位（m）

设计情况 设计情况

2420.5 2422.32

风速 (m/s) 14 11.4

吹程 (km） 1.0 1.0

hl (m) 0.61 0.43

h0 (m） 0.24 0.17

hc (m） 0.3 0.2

闸顶高程 (m) 2421.65 2423.12

根据上表计算结果，闸顶高程由校核情况控制，同时考虑到泄冲闸工作桥底梁底部高程需高出各种工况下的任何水位0.50m以上的要求和一定的富余高度，因此，闸顶高程确定为2424.00m，闸门挡水高度5.50m。

③ 计算闸孔总净宽

根据给定的设计流量，水位及底板高程，泄冲闸为平底宽顶堰，泄流能力按宽顶堰流公式计算：

QmB2gH0

式中： B——闸孔总净宽；

2 1

32 常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

H0——包括行进流速水头的堰前水头，由公式H0 m——堰流的流量系数，泄冲闸可采用0.385； ζ——堰流淹没系数，由公式2.31 g ——重力加速度，可采用9.8m2/s； ε——堰流的侧收缩系数，采用0.950 ；

v2H2g计算；

hsh(1s)0.4计算,自由出流时ζ=1； H0H0根据《水闸设计规范》，我国大中型水闸的单孔宽度一般采用8～12m,因此，在该工程中首先假设单孔宽度为9m，则洮河S水电站泄冲闸（按宽顶堰）下泄流量按公式

3/2计算；计算结果见表3-2。 QBm2gH0表3-2 单孔泄洪闸下泄流量计算表

计

孔单

底板

高程

n 宽

定Q 定Q 后Q

2415.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 0.500 0.923 0.043 0.543 0.401 5 6

6

数孔

宽度m

（B）

侧收ε

^0.5 （2g）

H

V

V/2g H0

^3/2

假

假

算

2

(H0) 算计

2416.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 1.500 1.538 0.121 1.621 2.063 27 30 30 2417.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 2.500 2.000 0.204 2.704 4.447 58 65 65 2418.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 3.500 2.352 0.282 3.782 7.355 95 107 107 2419.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 4.500 2.667 0.363 4.863 10.723 139 156 156 2420.00 2414.4 1 9.0 9.0

0.385 0.950 4.427

4.500 2.951 0.444 5.944 14.943 188 211 211

2421.00 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 6.500 3.219 0.529 7.029 18.634 242 272 272 2421.36 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 6.860 3.297 0.555 7.415 20.1 262 294 294 2421.86 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 7.360 3.418 0.596 7.956 22.441 291 327 327 2422.32 2421.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 7.820 3.522 0.633 8.453 24.575 319 358 358 2422.50 2414.5 1 9.0 9.0 0.385 0.950 4.427 8.000 3.567 0.9 8.9 25.437 330 371 371

单孔时，设计洪水位时，水闸的泄水流量为294m3/s，所要下泄的总流量为1040m3/s，则至少需要设置4孔，才能保证水闸安全。其中三孔为泄水闸，一孔位冲沙闸，可兼用作泄水闸。则设水闸4孔时，单孔宽度为9m,计算结果见表3-3。

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常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

表3-3 四孔泄洪闸下泄流量计算表

孔单底板 水位(Z) 高程 n 宽 数孔宽度m （B）侧收ε (2g)^H （1/2） V V/2g H0 2计算(H0)^假定假定计算（3/2） Q Q 后Q 24 24 2415.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 0.500 1.043 0.056 0.556 0.414 21 2416.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 1.500 1.855 0.176 1.676 2.169 107 128 126 2417.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 2.500 2.409 0.296 2.796 4.675 230 277 273 2418.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 3.500 2.845 0.413 3.913 7.740 382 458 451 2419.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 4.500 3.222 0.530 5.030 11.280 556 667 658 2420.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 5.500 3.486 0.620 6.120 15.140 752 882 883 2421.00 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 6.500 3.793 0.734 7.234 19.456 966 1134 1134 2421.36 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 6.860 3.8 0.775 7.635 21.097 1047 1230 1230 2421.86 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 7.360 4.153 0.880 8.240 23.653 11 1406 1379 2422.32 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 7.820 4.159 0.882 8.702 25.672 1275 1496 1496 2422.50 2414.5 4 9.0 36.0 0.385 0.950 4.427 8.000 4.609 1.084 9.084 27.377 1319 1696 1596 经计算，当四孔开时，设计洪水位时，下泄流量为1301m3/s，校核洪水位时，下泄流量为1496m3/s，由于还需设置溢流坝，下泄流量可能满足要求。

④ 闸墩厚度的确定

根据规范，弧形闸门的最小闸墩厚度为1.5～2.0m，如果是缝墩，敦厚要增加0.5～1.0m,故确定该闸门的两个边墩厚度为1.6m,2个缝墩的厚度为2.4m和一个中墩的厚度为3.2m。

则闸室总宽度度为Lnb0(n1)d49(13.222.4)44m。 3.2.2 溢流坝设计

① 溢流坝的宽度确定

溢流重力坝是重力坝枢纽中最重要的泄水建筑物，用于将规划库容所不能容纳的绝大部分洪水经由坝顶泄向下游，以保证大坝安全，溢流重力坝应满足泄洪要求包括：有足够的孔口尺寸、良好的孔口体形和泄水时具有较高的流量系数；使水流平顺的流过坝体，不产生不利的负压和振动，避免发生空蚀现象；保证下游河床不产生危及坝体安全的局部冲涮；有灵活控制水流下泄的设备，如闸门、启闭机等。

溢流坝的作用是抬高水位，调节水位和流量，使坝前保持稳定水位。为减少泄冲闸的孔数和闸门的频繁开启，在泄冲闸的右侧布置溢流坝，平时河道来水量大于引水流量时，

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常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

可不开启冲沙闸，多余水量通过溢流坝自动下泄，常年洪水时由泄冲闸泄洪，大洪水时溢流坝与泄洪冲沙闸联合泄洪。对枢纽运行管理带来一定的方便。

根据已建同类工程的成功经验，溢流坝采用WES曲线型实用堰，坝体稳定，运行效果好，故本电站溢流坝也采用这种堰型。由于河道宽67～72m，泄冲闸的闸宽为47.2m，则设计溢流坝的宽度为30m，底板高程为2414m。

② 溢流坝堰顶高程确定

由于设计洪水位时下泄水量为1040m3/s，泄冲闸的下泄流量为1031m3/s，中小洪水由冲沙闸下泄，大洪水由溢流坝和泄冲闸联合下泄为主，则确定溢流坝顶高程2420.10m。

③ 溢流坝剖面设计

根据《混凝土重力坝设计规范》，将堰面曲线设计为WES剖面曲线，堰体材料为现浇C15砼，为增加坝体表面的抗磨性能，溢流堰面采用现浇C30钢筋砼，厚0.3m。WES型溢流堰顶曲线以堰顶为分界为上游段和下游段两部分。本溢流坝上游曲线采用双圆弧。

溢流坝的基本剖面为截顶三角形，一般其上游面为铅直AB或折线面，溢流面由顶部的曲线2BC、中间的直线CD和底部的反弧DE三部分组成，大致曲线实用堰剖面见3-1。

Hd Bo C DAE图3-1 曲线实用堰剖面

溢流坝上游侧为1：0.1的斜面，通过两侧圆弧于堰顶曲线相连接。下游直线段CD坡度常用1：0.7到1:0.6，本设计取1:0.65。

定性设计水头的确定

堰上最大水头HmaxH校-H正常=2422.32-2420=2.32m

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定性设计水头Hd(75%~95%)Hmax1.74~2.2m，此处取为2m。 顶部曲线：上游面采用三圆弧连接，其半径分别为

R10.5Hd=1m R20.2Hd=0.4m R20.04Hd0.0420.08m

X10.175Hd=-0.35m X20.276Hd=-0.552m X20.282Hd0.5m

下游面采用幂曲线，其方程为：

yx0.5()1.85 HdHd其中Hd=1.5m，则方程简化为 y0.277x1.85 按上式计算坐标值见表3-4。

表3-4 计算坐标值

x/m y/m

0.1 0.004

0.2 0.014

0.3 0.030

0.4 0.051

0.5 0.077

0.6 0.108

0.7 0.143

0.8 0.183

据表刻画出堰下游曲线OC见图3-2。

0.276Hd0.175HdHdR3=0.40HdR2=0.20HdR1=0.50HdXY

图3-2 顶端下游OC曲线图

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坡度m0.65的下游直线CD与曲线相切与C点，CD点的坐标xc ，yc 求的堰面曲线一介导数。

直线CD的坡度为：

y'0.512x0.85

dydx11 m0.65

则

0.512x0.851 0.65xc3.65m

yc0.277x1.850.2773.651.853.04m

由此可得直线与幂曲线的切点为C(3.65,3.04） 反弧段的确定

坝下游反弧段半径r按下计算

r=(0.25~0.5)(Hd+Zmax)

式中Zmax=2422.32-2420.4=1.92m

则r=(0.25~0.5)（2+1.96）=（0.99 ，2）m

当采用底流消能，反弧段与护坦相连时，宜采用上线值,则r=2m。 反弧段曲线圆心点计算：

1800x0xcmap2ycrcot2

y0p2r

式中：p2=2420.1-2414=6.1m

18055x03.650.656.13.042cot代入数据的得 2y06.1200  得

x06.68my04.1m

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E点坐标 xEx06.68m

26.1m yEP D点坐标

xDx0rsin

0 6.682sin555.04m

yDy0rcos

0 4.12cos555.25m

根据以上结果绘堰面曲线图3-3。

2420.1xyD(3.65,3.04)2mE(6.68,6.1) 图3-3 堰面曲线

① 溢流坝泄水能力

根据给定的设计流量，水位，泄流能力按宽顶堰流公式计算自由出流的堰流公式：

QmB2gH0

v2HH式中：H0——包括行进流速水头的堰前水头，由公式02g计算；

32 m——堰流的流量系数，采用0.385；

hshs0.4(1)计算 ζ——堰流淹没系数，由公式2.31H0H0

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自由出流时 ζ=1；

g ——重力加速度，可采用9.8(m2/s)；； B——堰净宽，为30m。 则溢流坝泄流能力表见表3-5。

表 3-5 溢流坝泄流能力表

计算假(H0)^ 计算假定3/2 后Q 定Q Q 0 0 12 13 13 41 42 42 69 70 70 127 130 130 161 1 1 181 185 185 0 水位(Z) 底板 高程 孔 宽度数 （B） n m 侧收ε (2g)^ 1/2 H V V2/2g H0 2420.00 2420.50 2421.00 2421.36 2422.00 2422.32 2422.50 2420.1 1.0 2420.1 1.0 2420.1 1.0 2420.1 1.0 2420.1 1.0 2420.1 1.0 2420.1 1.0 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 30.0 0.385 0.95 4.427 0.000 4.427 0.400 4.427 0.900 4.427 1.260 4.427 1.900 4.427 2.220 4.427 2.400 0.000 0.361 0.519 0.617 0.760 0.821 0.856 0.000 0.007 0.014 0.019 0.029 0.034 0.037 0.000 0 0.407 0.259 0.914 0.873 1.279 1.447 1.929 2.680 2.254 3.385 2.437 3.805 则泄洪建筑物主要由4孔泄洪冲砂闸和30.0m的溢流坝组成，泄洪冲砂闸闸底板高程2414.50m，孔口尺寸9×5.5m（宽×高）；溢流坝坝顶高程2420.10m。泄水建筑物泄流能力详见表3-6。泄流能力曲线详见图3-4。

表3-6 洮河S水电站泄水建筑物泄流能力表

闸前水位(Z) （m） 2414.50 2415.00 2415.50 2416.00 2416.50 2417.00 2417.50 2418.00 2418.50

一孔闸 （m3/s）

0 6 16 30 46 65 85 107 131

两孔闸 （m3/s）

0 12 33 61 94 132 174 219 267

三孔闸 （m3/s）

0 18 50 91 141 197 258 326 398

四孔闸 (m3/s) 0 24 69 126 194 271 356 448 548

溢流坝 (m3/s) / / / / / / / / /

闸坝联合 (m3/s) 0 24 69 126 194 271 356 448 548

9 1

常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

闸前水位(Z) （m） 2419.00 2419.50 2420.00 2420.50 2421.00 2421.36 2421.86 2422.32

一孔闸 （m3/s） 156 183 211 241 272 294 327 358

两孔闸 （m3/s） 319 374 431 492 554 601 667 731

三孔闸 （m3/s） 475 556 2 731 825 5 994 1088

四孔闸 (m3/s) 654 765 883 1031 1134 1230 1367 1496

溢流坝 (m3/s) / / 0 13 42 70 116 1

闸坝联合 (m3/s) 654 765 883 1044 1176 1300 1483 1660

图3-4 泄流能力曲线

由以上计算结果可以看出，此设计满足要求。 3.2.3 枢纽泄洪运行方式

经对泄冲闸泄流、溢流坝泄流关系曲线的分析研究，得出本电站枢纽泄洪运行方式。当上游来水小于1040m3/s时，逐一开启泄冲闸泄洪，由闸门控制水位；当上游来水大于1040m3/s时，全部开启泄冲闸泄流。其中设计引用流量165m3/s。

枢纽具体运行方式如下：

0 2

常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

当上游来水量Q<引水发电流量165m3/s，则引水发电；当上游来水量Q>引水发电流量165m3/s，则溢流坝开始溢流，引水发电；当堰上水头>0.3m（Q=182.7m3/s），来水量Q<393.7m3/s,则开冲砂闸，引水发电; 当来水量Q>393.7m3/s,Q<613.7m3/s,则开启两孔闸泄洪，引水发电；当来水量Q>613.7m3/s,Q<824.7m3/s,则开启三孔闸泄洪，引水发电；当来水量>824.7m3/s，Q<1065.7m3/s，则开启四孔闸泄洪，引水发电；当来水量Q>1065.7m3/s，则四孔闸全开，溢流坝溢流，停止发电，枢纽泄洪运行方式见图3-5。 上川水电站枢纽建筑物运行曲线2423.0 2422.0 2421.0 开四孔闸+溢流坝开一孔闸2420.0 开两孔闸开三孔闸水位（m）2419.0 2418.0 2417.0 2416.0 2415.0 2414.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 流量（m3/s） 图3-5 枢纽泄洪运行方式 3.3 挡泄水建筑物的稳定及应力计算 3.3.1 挡泄水建筑物的主要荷载 为了简化计算，忽略闸、坝体底面高低不平的影响，滑动面底部最低轮廓点以直线连接。 ① 竖向荷载 闸、坝体自重（含上部设备重）；水重；扬压力(扬压力包括渗透力和浮托力两部分，渗透力是由上下游水位差产生的渗流在坝内或坝基上形成的水压力，浮托力力是由下游水面淹没设计截面而产生的向上的水压力，浮托力按下游水深计算，渗透压力按直线变化计算)。 ② 水平荷载 静水压力：P=γ·H γ----水的比重（KN/m3）； 1 2

2 常金梅：洮河S水电站引水枢纽设计

h泥沙压力：按Pn=n (hn----坝前泥沙淤积高度)计算，由于此水闸水头较低，故不

4考虑泥沙压力；

浪压力：按管厅—鹤地公式计算浪高和波长，然后按分布图计算浪压力。 浪高：2hl=0.0166W5/4、D1/3(m)，波长：2Ll=0.3WD1/3(m)；

当闸前水深H1＞Ll时，在距水库静水位深Ll以下各点的浪压力可以忽略，其浪压力按下式计算：

PLLl2hlh0Ll212Ll 2式中：h0---波浪中心线至水库静水位的高度, h0按下式计算:h0=4πhl2/2Llcth(πH1/Ll)； W---风速(m/s)； D---吹程(km)； H1---闸前水深。 ③ 地震荷载

由于地震级数在6级以下，不考虑其荷载，本设计为6级，故不考虑地震荷载。 ④ 冰压力

根据气象资料，该地区极端最低气温为-23.4℃，气温上升率按2℃/h计，静水压力强度查《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21-78）为230～300KN/m2,河心最大冰厚2.5m，故不考虑冰压力。

3.3.2 泄冲闸段抗滑稳定计算

① 基本荷载组合工况 完建情况：自重

泄冲闸自重：包括底板自重、闸墩自重、启闭机自重； 正常运行情况（上游正常挡水位为2420.0m，下游无水） 自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力； ② 特殊荷载组合工况

冬季运行情况（上游正常挡水位，下游无水）

自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力+冰压力+浪压力； 校核洪水情况（上游水位2422.32m，下游水位2420.4m） 自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力；

以正常运行情况（上游正常挡水位为2420.0m，下游无水）为例进行计算，计算荷载

2 2

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图见图3-6。

2424.002422.32（校核洪水位）2420.50（设计洪水位）2420.00（正常蓄水位）水重自重上游水压力2414.501∶5下游水压力扬压力渗透压力

图3-6 泄冲闸荷载计算图

泄冲闸抗滑稳定按1孔闸为计算单元进行稳定计算，滑动面沿泄冲闸齿墙基础面水平滑动,抗滑稳定计算公式为：Ks''sf'(WU)c'A 。

p

式中： K----抗滑稳定安全系数; W---接触面以上的总铅直力； P---作用于接触面以上的总水平力； U---- 作用于接触面以上的扬压力；

f＇----闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数，根据地质报告取0.70～0.90；

c＇----闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力，根据地质报告取0.40～0.70（ MPa）；

闸门自重：

GKcKb0.42HB0.33Hs

式中：Hs ----- 设计水头； Kc-----材料系数，取1；

3 2

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Kb ----- 孔口宽度系数，当5mG10.4725.590.336.09.8453KN

根据已建成的弧形闸门估算其上设备的重大概为1000KN。

11静水压力=H2105.52151.25KN

221扬压力=105.58220KN

2泥沙压力=0 浪压力=Pl(5.50.610.24)5.5110105.5223.4KN22

则：W=440+1000=1440KN U=220KN

P=151.25+23.4=178.65KN A=17.5KN 抗滑稳定计算为：Ks'f'(WU)c'Ap

0.7(1440220)0.417.5178.65

=4.82

其他工况计算同上，计算结果见表3-7。

表 3-7 泄冲闸稳定安全系数计算成果

运行工况

完建情况 正常挡水位情况 冬季运行情况 校核洪水位

计算值 4.82 4.94 3.66

抗滑稳定安全系数

规范值 3.0 3.0 3.0 2.50

由于抗滑稳定系数计算值大于规范值，故满足要求，即在基本荷载组合下，泄冲闸满足设计要求。

3.3.3 溢流坝抗滑稳定计算

溢流坝抗滑稳定计算按单位宽度（1m）为计算单元进行分析，滑动面沿齿墙基础面水

4 2

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平滑动，计算原理、方法和荷载组合同泄冲闸，其公式为：Ks'其荷载计算图如图3-7。

2422.32（校核洪水位）2420.50（设计洪水位）2420.00（正常蓄水位）2420.10f'∑(WU)C'AP∑

上游水压力自重下游水压力扬压力渗透压力图3-7 溢流坝荷载计算图

① 基本荷载组合工况

1完建情况：自重=8.767.525821.25KN；

2正常运行情况（上游正常挡水位为2420.0m，下游无水） 自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力； 水重=V101.2312.3KN

11静水压力=H2105.62156.8KN22 1扬压力=106.57.5210KN

2泥沙压力=0 浪压力=Pl(5.60.610.24)5.6110105.6223.8KN

22W=821.25+12.3=833.55KN U=4122KN P=156.8KN A=7.5KN

5 2

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抗滑稳定计算为：Ks'② 特殊荷载组合工况

f'(WU)c'A0.8(833.55210)0.67.53.2

p156.8冬季运行情况（上游正常挡水位，下游无水）

自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力+冰压力+浪压力; 冰压力=0；

校核洪水情况（上游水位2422.32m，下游水位2420.4m） 自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力；

111 静水压力=H2107.822105.92131.7KN222

扬压力5.97.517.5(7.825.9)51.45KN 2计算成果如表3-9，各项指标均满足规范要求。

表 3-9 溢流坝稳定安全系数计算成果

抗滑稳定安全系 数

荷载组合

运行工况

计算值

基本组合

完建情况 正常挡水位情况 冬季运行情况 校核洪水位

3.2 3.2 4.46

规范值 3.0 3.0 3.0 2.50

特殊组合

3.3.4 挡泄水建筑物应力分析

在一般情况下，坝体的最大应力和最小应力都出现在坝面，

Pmax=

minG∑M∑ AW式中：Pmax----闸室地基应力的最大值和最小值（KPa）

min A ----闸（坝）体基础底面的面积（m2）

∑G ----作用在闸（坝）体上的全部竖向荷载（KN）

∑M ----作用在闸（坝）体上的荷载对基础底面形心轴的力矩（KN·m） W ----闸（坝）全基础底面对其形心轴的截面矩（m3） 计算成果见表3-10。

6 2

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表3-10 泄冲闸段及溢流坝段地基应力计算成果表

荷载 组合 基本 组合 特殊 组合

运行工况

上游

完建情况 正常挡水位情况 冬季运行情况 校核洪水位

103 128 123 159

泄冲闸段 地基应力（KPa）

下游 203 179 175 188

溢流坝段 地基应力（KPa） 上游 166 220 212 135

下游 130 166 156 126

由以上计算结果可见未出现拉应力，故应力指标基本满足规范要求。

3.4 挡泄水建筑物下游消能计算

3.4.1 泄冲闸下游消能计算

按《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000规定，消能防冲建筑物洪水重现期为20年，在泄冲闸与溢流坝联合渲泄20年一遇的洪水时，上下游水位差最大。为最危险的情况。本电站相应洪水流量为1300m3/s，对应闸坝上游水位为2421.36m，下游水位为2419.44m，泄冲闸闸上水头为6.86m,溢流坝坝上水头为1.26m，对应下泄流量为

Q闸1230m3/s及Q坝70m3/s。其单宽流量分别为Q闸34m3/s及Q坝2.33m3/s。

① 判断下游是否需要做消能工

T=2421.36-2414.5=6.86（m）

V0q344.96(ms) T6.86V021.04.9621.25(m) 2g29.811.04.962上游有效水头T0T2g6.8629.818.11(m) 由规范查的0.90 试算收缩断面水深

V02hc0，公式如下：

T0hc0假设

q22g2hc20

hc0分别为4.0，4.2，4.4，4.47，,4.5,计算的T0值见表3-11。

7 2

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表3-11

T0计算表

4.40 8.16

4.47 8.11

4.5 8.09

hc0/m T0/m

4.0 8.55

4.2 8.32

当T08.11m时，hc0=4.47m, 利用共轭水深关系求hc02

hc0q2hc0218312ghc024.4734181 329.814.475.36(m) 下游水深ht2419.442414.54.94(m) 由于

hc02ht

故下游发生远离式水跃，需要做消能工。根据本工程具体条件，及参考已建工程的经验，选用底流消能。在泄冲闸与溢流坝联合渲泄20年一遇的洪水时，上下游水位差最大。

② 消力池深度计算： 用试算法计算结果如下：

q2Aht2g(1ht)2342 4.94229.81(0.94.94)7.92(m)先假设hc0，利用共轭水深关系hc02q22ghc022hc0q2(1831)求得hc0，将假设的hc0代入2ghc0T01hc0算的T01，再根据T01T0d算得池深d，再将算的的d代入

q2fd'hc02d，算得fd是否等于A。

2g('hc02)2以上式中： '——水跃淹没系数 '＝1.05～1.0；

hc02——跃后水深；

8 2

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ht——池后河床水深；

q211 △Z——消力池末段水位与河道水位之差 z ； 2'22g(1ht)(hc02) q——过闸单宽流量；

1——消力池流速系数，1=0.90； 当fdA6.6(m)时，d=0.98m。 ③ 计算消力池池长 池长ll0(0.7~0.8)lj

l0可近似地按经验公式l04m(a10.25H0)H0计算： 式中：m——宽顶堰的流量系数； a1——宽顶堰下游堰高； H0——堰上总水头；

l04m(a10.25H0)H040.3(70.257.635)7.635 9.9(m)lj6.9(h2h1)，式中h2与h1均为挖池以后的跃后和跃前水深，

故 h1=hc0=4.0m h2=hc02= 5.93m

lj6.9(h2h1)6.9(hc02hc0)

6.9(5.934.0)13.3(m)

因此池长：

ll0(0.7~0.8)lj9.90.713.3 19.2(m)3.4.2 溢流坝下游消能计算

溢流坝采用WES曲线型实用堰，由于溢流坝较长，单宽流量较小，下游水深较大，需设置消力池。

按照计算成果及参照已建成同类工程，消力池深为1.0m，长19.5m。

9 2

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① 消力池深度可用下式求得： d0hc''hs'z

式中 δ0——水跃淹没系数 δ0＝1.05～1.0；

hc''——跃后水深； hs'——池后河床水深；

△Z——消力池末段水位与河道水位之差 ；

αq211 △Z= ； (　－　2)2gφh's2h\"c q——过坝单宽流量；

φ——消力池流速系数 φ=0.90； ② 消力池长度按下式计算： Lsj=Ls+βLj

式中 Lj——水跃长度(m)， Lj=6.9(hc〃— hc)；

Ls——消力池斜坡段水平投影长度(m； β——水跃长度修正系数，可取0.7～0.8；

计算过程同泄冲闸消能计算，经计算溢流坝消力池深1.0m，长12m。 ③ 海漫的确定

水流经过消力池，虽已消除了大部分的多余能量，但还有一定的剩余动能，具有一定的冲刷能力。因此，护坦后仍需设置海漫，以使水流均匀扩散，并将流速分布逐步调整到接近天然河道的水流形态。

海漫长度用公式lk2qH估算，泄冲闸消力池后为铅丝笼块石海漫，海漫长15m，溢流坝消力池后为铅丝笼块石海漫，长10m。 3.4.3 消力池抗冲及抗浮计算

消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮的要求，分别按下列公式计算，并取其大值。 抗冲：t=K1qΔH′ 抗浮：tK2UWpm γb

式中 t----消力池底板始端厚度（m）； q----过闸单宽流量（m2/s）；

0 3

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△H′ ----上、下游水位差（m）；

K1----消力池底板计算系数，取0.15～0.20； K2----消力池底板安全系数，取1.1～1.3； U ----作用在消力池底板底面的扬压力（KPa）； W ----作用在消力池底板顶面的水重（KN）； pm ----消力池底板上的脉动压力（KPa）； γ----消力池底板的饱和重度（KN/m3）； ① 泄冲闸消力池底板厚度

经计算，泄冲闸消力池底板厚度在满足抗冲稳定条件下，经济厚度为0.9m，在满足抗浮稳定条件下，经济厚度0.85m，因此底板厚度按抗冲稳定条件控制，取消力池底板厚度为1.20m。

② 溢流坝消力池底板厚度

按上述公式计算，溢流坝下游消力池底板厚度在满足抗冲条件下经济厚度为0.75m，故取消力池底板厚度为0.8m。

4 进水口设计 4.1 进水口的布置

4.1.1 进水口的功用

进水口又称进水建筑物，位于水电站输水系统的首部，进水口包括拦沙坎、拦污设备和进水闸。无压进水口一般用于无压引水式水电站，也见于低坝水库的有压引水式水电站，它的功用是按照发电要求，自水源取水，引水水电站。 4.1.2 进水口的设计要求

进水建筑物是水电站输水系统的一个重要组成部分，其位置和形式的拟定与整个枢纽工程总体布置密切相关，主要有以下设计设计要求：

① 要有良好的地形、地质条件

为保证工程安全运行，要尽量选择良好的地质地段布置进水口，并避免高边坡开挖。若因枢纽工程布置所限时，应采取优化布置和辅助必要的加固措施。

② 要有足够的进水能力和顺畅的进水条件

在任何工作水位下，进水口都能引进必需的流量，并使进流匀称，水流顺畅，水头损

1 3

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失较小。

为此，设计进水口时，应重视：首先，要使其工程布置与相关建筑物相协调；其次，合理确定进水口高程和过水断面尺寸；再次，防止泥沙、漂污和流冰积聚在进水口门前，影响正常引流。

③ 水质要符合要求

进水口应能拦截有害的泥沙，漂污和流冰，避免其进入引入系统，对建筑物和水电站发电机组造成磨损或堵塞流道。为此，除了合理安排进水口高程外，还要设置拦污、防冰、拦沙、沉沙及冲沙设备。

④ 可控制流量

进水口必须设置闸门，以便在事故时紧急关闭截断水流，避免事故扩大，也为输水系统的检修创造条件，无压引水式水电站引进流量的大小可由闸门控制。

⑤ 满足水工建筑物的一般要求

进水口要有足够的强度、刚度和稳定性，结构简单、施工方便、造价低廉、便于运行、维护和检修。

4.1.3 无压进水口的工作条件

无压进水口的工作条件比有压进水口复杂的多。首先，有压进水口深埋在水库最低工作水位以下，其取水是有保证的，而无压进水口直接从河流中取水，如何保证引水发电所需流量，就成为进水口布置的首要问题。其次，无压进水口是表层取水，而且进水口前的水流仍具有相当大的流速，进水口底板又接近河床，所以水流中挟带的悬移质泥沙和推移质泥沙极易进入进水口，因此，如何采取措施来防沙和冲沙，也是无压进水口的一个重要问题。最后，无压进水口还可能有综合利用要求，在进水口的布置和设计时就必须统筹考虑。

4.1.4 进水口位置选择

进水口的位置都应尽可能选在河流的凹岸，这样布置可以利用河湾处的横向环流，使进水口引进表层较清的水，而底沙由底流带向凸岸。在进水口选择时，还应避开上游有浅滩、急滩的地点，因为它们容易搅浑底沙。

建造拦河闸或低坝时，要充分考虑泥沙的影响，原则上要尽量维持河流原有的形态，洪水期要使上游冲下来的泥沙，绝大多数经闸下泄。进水闸与冲沙闸的相对位置以“正面进水，侧面冲沙”的原则进行布置，根据自然条件和引水流量的大小确定最佳引水角度。

2 3

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4.2 进水口的主要设备的高程及设计尺寸确定

4.2.1 拦沙坎设计

在少泥沙的河流中，防沙要求不高，为防止泥沙进入引水渠，防沙设施设拦沙坎即可，以拦截推移质泥沙，根据《水电站进水口设计规范》DT/T5398-2007中进水口其高度不低于2m～3m，或为槽内冲沙水深的50%左右。有条件时坎高应取更大些，本枢纽为低坝引水，故取拦沙坎的高度为2m。拦沙坎成斜向布置，与进水闸轴线交角为33°，则坎顶高程2416.50m,前缘带L型悬臂，后接拦污栅段。

拦沙坎水力计算

拦沙坎为斜交堰，其流量按正堰乘以修正系数计算：

3/2 QKmb2gHbcs0

式中 Kb----修正系数，与斜堰和水流交角有关（当=5°时，Kb=0.86）

ζs----淹没系数,取为0.4； ζc----侧收缩系数，取为0.95； m----正堰流量系数；

3m0.320.01PHP0.460.75H

P----挡沙坎高（m）； H----坎上水深（m）； H0----坎上全水头（m）。 经计算P=2m,H=2420-2414.5=3.5m, H0=H+V²/2g=3.5+1.0²/2g=3.55m。

3 m0.320.0120.460.753.523.50.33

则b

QKbcsm2gH3/201650.860.40.950.3329.83.553/252m

则坎上过水宽度为52m，为了使水流顺畅，提高排沙效果，以及跟上游平顺连接，实际堰宽取为61.5m，满足过流需求。

3 3

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4.2.2 拦污设备的确定

拦污设备的功用是防止漂木、树枝、树叶、杂草、垃圾、浮冰等漂浮物随水流带入进水口，同时不让这些漂浮物堵塞进水口，影响进水能力。水电站拦污问题在水电站运行中是一项不容忽视的问题,拦污栅作为主要的拦污设备,在确保电站的安全运行方面起到了重要的作用。拦污栅的立面布置可以是倾斜的或垂直的。拦污栅的总面积常按电站的引水流量及拟定的过栅流速反算出来。

拦污栅底板高程确定为2414.5m，底板厚0.5m，引水流量为165m3/s，设计流速为1m/s；正常蓄水位为2420.00m，则根据以下公式进行计算。

拦污栅净面积的计算：

由拦污栅的总面积按电站的引用流量和过栅流速反算得出：

AQ VA——拦污栅总面积；

Q——设计引用流量，为165m3/s； V——过栅流速，为1m/s。

AQ165165m2 V1 在本工程中采用粗栅，分4孔，单孔宽9.0m，总宽42.0，顺水流方向长4.5m，与进水闸之间通过渐变段连接。 4.2.3 进水口的尺寸确定

① 无压进水口的进水闸底板高程确定

无压进水口底板高程应保证在上游最低运行水位时，能够引进设计流量，并且无压进水口底板高程应高于水库或天然河床冲於平衡高程。本设计为低坝，而且设有专门的冲沙闸，故取进水口底板高程为2424.5m。

② 无压力进水口的确定 无压进水口的闸顶高程确定

取进水闸顶高程与溢流堰顶闸门顶部高程相等，则闸墩顶设计高程为2424.00m，则闸门高9.5m。

③ 进水角的确定

查《水闸设计规范》（SL265-2001）知，进水闸的中心线与河道中心线的交角不宜超过30°，设计取引水角为28°。

4 3

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④ 无压进水口闸门尺寸确定

本电站引水设计流量为165m3/s，设计流速为1m/s；正常蓄水位为2420.00m，闸底板高程为2414.5，则上游水位为5.3m，下游水位为5.1m。

进水闸水力计算按淹没无底槛宽顶堰计算：

QU0hSB02gH0hs

式中：U0---为淹没堰流的综合流量系数； U0=0.877+(

hs-0.65)2； H0 hs---下游水深(m)；

V H0=H+0(闸前全水头)；

2g2 B0---闸孔净宽(m)； U0=0.877+（5.1/5.3-0.65)²=0.97； Hs=5.1m； 则B0Q16515.1m

U0hs2g(H0hs)0.975.1(5.355.1)按上式计算设计流量时闸孔净宽15.1m，为安全计，采用2孔，单孔宽选用8.0m。根据闸墩设计规范，闸墩设计为中墩厚2m，边墩厚1.6m，闸墩长8m，闸底板厚1.6m，闸室总宽度为21.20m。

4.3 进水口建筑物的稳定计算

为了简化计算，忽略闸底面高低不平的影响，滑动面底部最低轮廓点以直线连接。 ① 竖向荷载

闸体自重（含上部设备重）；水重；扬压力，扬压力包括渗透力和浮托力两部分，渗透力是由上下游水位差产生的渗流在坝内或坝基上形成的水压力，浮托力力是由下游水面淹没设计截面而产生的向上的水压力，浮托力按下游水深计算，渗透压力按直线变化计算。

② 水平荷载 静水压力：P=γ·H

γ----水的比重（KN/m3）；

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泥沙压力---由于此水闸水头较低，故不考虑泥沙压力；

浪压力，按管厅—鹤地公式计算浪高和波长，然后按分布图计算浪压力。 浪高：2hl=0.0166W5/4、D1/3(m)，波长：2Ll=0.3WD1/3(m)；

当闸前水深H1＞Ll时，在距水库静水位深Ll以下各点的浪压力可以忽略，其浪压力按下式计算：

PLLl2hlh0Ll212Ll 2式中：h0---波浪中心线至水库静水位的高度,h0=4πhl2/2Llcth(πH1/Ll)； W---风速(m/s)； D---吹程(km)； H1---闸前水深； ③ 地震荷载

由于地震级数在6级以下，不考虑其荷载，本设计为6级，故不考虑地震荷载。 ④ 冰压力

根据气象资料，该地区极端最低气温为-23.4℃，气温上升率按2℃/h计，静水压力强度查《混凝土重力坝设计规范》（SDJ21-78）为230～300KN/m2,河心最大冰厚2.5m，故不考虑冰压力。 基本荷载组合工况

完建情况：自重

进水闸自重：包括底板自重、闸墩自重、启闭机自重； 正常运行情况（上游正常挡水位为2420.0m，下游无水） 自重+静水压力+扬压力+泥沙压力+浪压力； 特殊荷载组合工况

冬季运行情况（上游正常挡水位，下游无水）

自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力+冰压力+浪压力； 校核洪水位情况（上游水位2422.32m，下游水位2420.4m） 自重+水重+静水压力+扬压力+泥沙压力；

进水闸抗滑稳定按1孔闸为计算单元进行稳定计算，滑动面沿进水闸齿墙基础面水平滑动,抗滑稳定计算公式为：Ks'f'(WU)c'A

p

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式中： Ks'----抗滑稳定安全系数；

W---接触面以上的总铅直力 ； P---作用于接触面以上的总水平力； U---- 作用于接触面以上的扬压力；

f＇----闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断摩擦系数，根据地质报告取0.70～0.90； c＇----闸室基底面与岩石地基之间的抗剪断粘结力，根据地质报告取0.40～0.70（ MPa）；

以正常运行情况况（上游正常挡水位为2420.0m，下游无水）为例进行计算： 闸门自重：GKcKbH0.42B0.33Hs9.8

式中：Hs ----- 设计水头； Kc-----材料系数，取1；

Kb ----- 孔口宽度系数，当5mG10.472680.420.336.09.8440KN

根据已建成的弧形闸门估算其上设备的重大概为1000KN。

11 静水压力=H2105.52151.25KN

22；

1扬压力=105.58220KN

2；

泥沙压力=0； 浪压力=Pl(5.50.610.24)5.5110105.5223.4KN22；

则：W=440+1000=1440KN； U=220KN；

P=151.25+23.4=178.65KN； A=8KN； 抗滑稳定计算为：Ks'f'(WU)c'Ap

0.9(1440220)0.786.1178.65

同以上计算各种工况下的稳定安全系数见表4-1。

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表4-1 进水闸稳定安全系数计算成果

运行工况

完建情况 正常挡水位情况 冬季运行情况 校核洪水位情况

计算值

抗滑稳定安全系数

规范值

6.1 6.1 3.32

3.0 3.0 3.0 2.50

从以上结果可以看出，进水闸满足稳定要求。由于抗滑稳定系数计算值大于规范值，故满足要求，即在基本荷载组合下，进水闸满足设计要求。 参考文献

［1］《水利水电工程专业毕业设计指南》，索丽生等，中国水利水电出版社；

［2］天津大学林继镛主编.水工建筑物.第5版.北京:中国水利水电出版社,2007； ［3］谈松曦.水闸设计.北京.水利电力出版社.1986；

8 3

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［4］周泽，周峰，潘军校，王振宇，重力坝深层抗滑稳定计算探讨［J］，岩土力

学，200（6）：23-25； ［5］《水工建筑物荷载设计规范》，中华人民共和国电力行业标准，DL5077-1997； ［6］Sherard J L,Woodward R J,Gizienski S F and Clevenger W A. Earth-Rock Dams. John Wiley and sons,1963；

［7］Nash D.A Comparative review of Limit Equilibrium Methods of Stability Analysis.In:Anderson M G and Richards K S. Slope Stability.John Wiley and sons,1987； ［8］《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》，中华人民共和国电力行业标准，

DL5180-2003；

[9] <水闸设计规范（SL256-2001）>，中华人民共和国行业标准，中华人民共和

国水利部2001年2月28日发布，2001年4月1日实施； ［10］赵振兴，何建京主编.水力学.第二版.清华大学出版社；

［11］河海大学刘启钊，胡明主编.水电站.第四版.中国水利水电出版社；

［12］河海大学詹道江，徐向阳，陈元芳主编.工程水文学.第四版.中国水利水电出

版社； 致谢

毕业论文是我们运用能力的一次全面考核，也是我们对科学知识研究的训练，培养我们综合运用知识的能力。

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本文在指导教师张小艳老师的多次指导下终于完稿，感激之情，溢于言表。在论文写作过程中，张老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、崇高的职业品德、我从老师身上学到了做学问的态度、方法与知识，但更重要的是学到了做人的道理与做任何事情都应有的认真、严谨的态度，这将使我受用终身，在这里我要对指导教师表达衷心的敬意与谢意。在此过程中，有众多同学帮我搜集、查阅资料，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。从开始进入课题到论文的顺利完成。

在此我向水利水电专业的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们四年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢四年里面你们孜孜不倦的教诲！

常金梅

2014/5/23

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