第二节挡水坝剖面设计一、挡水坝剖面初步拟定本次设计挡水坝剖面主要对挡水坝的最大剖面进行拟定，并进行稳定和强度校核，应用计算机确定挡水坝的最优断面，以下为手算部分。
（一）坝基高程设计确定最大剖面的位置，首先要知道清基后坝基的最低点位置，地基的处理根据《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）。
1、坝基设计原则一般规定，砼重力坝的基础经处理应满足下列要求：（1）具有足够的强度，以承受坝体的压力；（2）具有足够的整体性和均匀性，以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷；（3）具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量；（4）具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。
2、坝基开挖（1）砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩土类别、基础变形和稳定性，上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定，原则上应考虑技术加固处理后，在满足坝的强度和稳定的基础上，减少开挖。
坝高超过100m时，可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。
（2）重力坝的基坑形状应根据地形地质条件及上部结构的要求确定，坝段的基面上下游高差不宜过大，并略向上游倾斜，若基础面高差过大或向下游倾斜时，应开挖成带钝角的大台阶状，台阶的高差与砼浇筑块的尺寸和分缝的位置相协调，并和坝址处的坝体砼厚度相适应。
对地形悬殊部位的坝体应调整坝段的分缝。
（3）基础中存在的局部工程地质缺陷，例如表层夹泥裂缝、强风化区、断层破碎带、节理密集带及岩溶充填物等均应结合基础开挖予以挖除。
3、坝基高程拟定由水库坝轴线工程地质剖面图量得，河床高程在137m左右，标准洪水位为227.2m，地基开挖时河床上的冲积砂夹石层、冲积粘土夹碎石层必须清除（由地址剖面图上量得大多在10m以上），所以开挖应按100m以上坝高标准要求考虑。
由图上量的电站坝段最低建基面高程为▽126m。
（二）坝高拟定1、超高值Δh的计算（1）基本公式坝顶应高于校核洪水位，坝顶上游防浪墙顶高程应高于波浪顶高程，其与正常蓄水位或校核洪水位的高差，可由式（2.1.1）计算，应选择两者中防浪墙较高者作为选定高程。
Δh = 2h l + hz + hc （2.1.1）Δh—防浪墙顶与正常蓄水位或校核洪水位的高差m；h% —波浪高度m；h z —波浪中心线至正常蓄水位或校和洪水位的高差m；h c—安全超高按表3－1采用,对于一级工程设计情况hc＝0.7m，特殊组合(校核情况)hc＝0.5m。
必须注意，在计算h（1%）和h z时，正常蓄水位和校核洪水位采用不同的计算风速值。
正常蓄水位时，采用重现期为50年的年最大风速；校核洪水位时，采用多年平均最大风速。
坝顶高程或坝顶上游防浪墙顶高程按下式计算：坝顶高程=正常蓄水位+Δh正坝顶高程=校核洪水位+Δh校式中，Δh正、Δh校分别为计算的坝顶（或防浪墙顶）据正常蓄水位和校核洪水位的高度。
由于正常蓄水位和校核洪水在计算坝顶超出静水位Δh 时，所采用的风速计算值及安全超高值不一样，所以在决定坝顶高程时，应按正常蓄水情况（持久状况）和校核洪水情况（偶然状况）分别求出坝顶高程，但坝顶高程应高于校核水位。
首先计算波浪高度2h l和波浪长度2L I和波浪中心线超出静水面的高度hz。
（2）正常蓄水位时Δh计算风速采用50年一遇的风速，取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，即：风速V=2.0×21.5＝43m/s，吹程D=3km。
各波浪要素计算如下：波高2h l=0.0166 V5/4 D1/3=0.0166×435/4×31/3=2.64m （官厅公式）波长2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×2.640.8=22.6m （官厅公式）h o=4πh l2/2L l=0.97m （官厅公式）规范规定应采用累计频率为1%时的波高，对应于5%波高，应乘以1.24；对应于10%波高，应乘以1.41；V——计算风速，设计情况采用50年一遇,风速取为多年平均最大风速的1.5～2.0倍，校核情况采用多年平均最高风速；D——吹程，可取坝前沿水库到对岸水面的最大直线距离；hz = h o= 0.97mh c = 0.7mΔh = 2h l + hz + hc=2.64+0.6+0.7m=4.31m（2）校核洪水位时Δh计算风速采用多年平均风速，即：V=21.5m/s,D=3km。
各波浪要素计算如下：2h l=0.0166 V5/4 D1/3 =0.0166×21.55/4×31/3=1.11m （官厅公式）2L l=10.4(2h1)0.8 =10.4×1.110.8=11.31m （官厅公式）h o=4πh l2/2L l=0.34m （官厅公式）所以；hz = h o= 0.34mh c = 0.5mΔh = 2h l + hz + hc=1.11+0.34+0.5m=1.95m2、坝顶高程计算根据以上两种水位时Δh计算结果，得出两种状况下坝顶高程。
（1）正常蓄水位时的坝顶高程：▽坝顶=正常蓄水位+Δh=224.7+4.31= 229.01m（2）校核洪水位时的坝顶高程：▽坝顶=校核洪水位+Δh=227.2+1.95=229.15 m为保证大坝的安全运行，应该选用其中的较大值▽坝顶＝229.15m，当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙（取1.2m）时，可降低坝顶的高程，所以取坝顶高程为▽228m。
建基面最低开挖高程为▽126m，则最大坝高为102m，属于高坝。
（三）剖面尺寸拟定根据规范DL5108-1999，常态混凝土实体重力坝非溢流坝段的上游面可为铅直面，斜面或折面。
上游坝坡宜采用n＝0—0.2，取n＝0.2；当设置纵缝时，应考虑其对纵缝灌浆前施工期坝体应力的影响，坝坡不宜太缓，采用折面时，折坡点高程应结合坝内发电进水管，泄水孔建筑物的进水口一并考虑，下游坝坡可采用一个或几个坡段，并根据稳定和应力要求，结合上游坝坡同时选择，下游坝坡宜采用m＝0.6—0.8，取m＝0.7；对横缝设有键槽进行灌浆的整体重力坝，坝坡可适当变陡。
根据《水工建筑物》（孙明权主编，第72页），有时为了同时满足稳定和强度坝体抗滑稳定要求，同时也避免施工期下游面产生拉应力，折坡起点高度应结合引水管、泄水孔的进口布置等通过优化设计确定，一般的为坝前最大水头的1/2—1/3。
上游设置成折面可利用淤沙增加坝体自重，折点设置在淤沙水位以上，由资料可知，五十年坝前淤沙高程为177.5m，由于死水位为180m，折点取在高程为181m的位置。
上游坝坡取1：0.2，下游坝坡取1：0.7。
（四）坝顶宽度拟定坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修、施工和交通等需要确定并应满足抗震，特大洪水时维护等要求。
在严寒地区，当冰压力很大时，还要核算段面的强度。
非溢流坝段的坝顶宽度可根据要求确定，必要时可在坝的上、下游面加做悬臂结构，增加坝顶宽度，常态混凝土坝顶最小宽度为3m，为了满足施工要求，大中型工程不低于10～15m（旧规范取1%坝高），本工程取坝顶宽度为12m。
扣除上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽，坝顶路面宽度为10m。
因为两岸没有交通要求，10m宽路面能满足大坝维修作业通行需要。
（五）基础灌浆廊道尺寸拟定高中坝内必须设置基础灌浆廊道，兼作灌浆、排水和检查之用。
基础灌浆廊道的断面尺寸，应根据浇灌机具尺寸即工作要求确定，宽度可取2.5m～3.0m，高度可取3.0m～3.5m，为了保证完成其功能且可以自由通行的尺寸，本次设计基础灌浆廊道断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。
廊道的上游壁离上游侧面的距离应满足防渗要求，在坝踵附近距上游坝面0.05～0.1倍作用水头、且不小于4～5m，本次设计取6.5m，为满足压力灌浆，基础灌浆廊道距基底为4～5m，取5m。
挡水坝段剖面拟定见下图：1：0.71：0.2图3—2 挡水坝剖面拟定第三节溢流坝剖面拟定一、剖面拟定溢流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。
1、坝顶曲线段设计采用WES曲线。
原点上游用椭圆曲线，其方程式为：X2/(aHs)2+(bHs-y)2/( bHs)2=1式中：aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴Hs—定型设计水头，按堰顶最大作用水头的75～95％计算a—取0.28～0.30，在此取a＝0.29a/b—取0.87+3a，则b=0.17图3-3 WES 实用堰面曲线图示Hzmax ＝234.5-228＝6.5mHs=0.9×Hzmax=0.9×6.5=5.95m且0.2 Hs ＝0.2×5.95＝1.19m<3～6m ，满足《规范》要求。
故：椭圆曲线的长轴 aHs ＝0.29×5.95=1.73m短轴 bHs=0.17×5.95=1m上游椭圆曲线方程式为：2222 2、堰顶下游段堰面曲线由混凝土重力坝设计规范DL5108-1999，堰顶下游段堰面曲线可采用下列幂曲线：y Kh x n s n 1-=式中：h s — 为定型设计水头，米，按堰顶最大作用水头hsmax 的0.75-0.95倍计算，设计中取倍。
K 、n —与上游堰面的倾斜坡度有关的参数，本设计中分别取2.0和1.85。
x 、y —以溢流堰顶顶点为坐标原点的坐标，x 以向下游为正，y 以向下为正。
即：y=x1.85×0.11对该方程求导，即可得切点B的坐标dx/dy=0.11×1.85x0.85=1/0.73、中间直线段中间直线段与坝顶部下游曲线和下部反弧段相切，坡度和挡水坝一致，取0.6～0.8。
中间直线段的坡度通过挡水坝的剖面优化程序选取的，最后取值0.8。
4、反弧段（1）反弧半径溢流坝面反弧段是使沿溢流面下泄水流平顺转向的工程措施。
通常采用圆弧曲线，反弧半径R按《混凝土重力坝设计规范》（DL5108-1999）规定：R=（4—10）h式中：h —为校核洪水时，闸门全开反弧处的水深，反弧流速越大，要求反弧半径越大。
但是，如果反弧过大，又将使鼻坎向下游延伸很多，增加了工程量和延误工程工期。
其值为R＝25.0m。
（2）挑坎高程工程中一般采用下游最高尾水位以上1～2m，由于下游最高尾水位为156.8m，所以挑坎高程定为159.0。
（3）挑角挑角越大，射程越大，但挑角增大，入水角β也增大，水下射程减小。
同时入水角增大后，冲刷坑深度增加；另外，随着挑角增大，开始形成挑流得能量，即所谓起挑能量也增大。
θ一般在150～300之间，在此取250。
（4）反弧段坐标确定圆心O’y o’＝158+24×cos25o=179.8m反弧最低点E y E=179.8-24=155.8M相对于xoy坐标下y o’＝30.2m y E=54.2mx E = x B+(y E–y B) ×0.8+R×tg(51.340/2)=22.05+(54.2-14.89)×0.8+24×tg(51.340/2)=65m切点c x C =R2＝25×1.28＝32m。