第三节 枢纽布置
水利枢纽布置的任务就是根据组成建筑物的形式、功能和运行方式研究各种建筑物的相互位置。影响枢纽布置的因素有自然因素和社会因素两种，包括地形、地质、水文、施工运行条件等，是设计工作中一项复杂而具有全局性的工作。选择合理的枢纽布置对工程的经济效益和安全运行有决定作用。所以，需在充分掌握基本资料的基础上，认真分析各种具体条件下各种因素的变化和相互影响，研究坝址和主要建筑物的适宜形式，拟定若干可能的布置方案，从设计、施工、运行、经济等方面进行论证、综合比较，选择最优的布置方案。
本枢纽总库容为25.5亿m3，属大Ⅰ型工程，水库主要任务是调节水量，供天津市和唐山地区工农业用水、城市人民生活用水，其所在流域汛期具有“峰高量大、涨落迅速”的特点，并携带有大量泥沙。根据枢纽的任务和目的，并结合滦河流域的自身特点，确定本枢纽建筑物的组成为：挡水坝、溢流坝、取水建筑物、泄洪底孔及电站等。进行枢纽布置就是研究这些建筑物的相互位置。
一、枢纽布置的一般原则
（1）坝址、坝及其他主要建筑物的型式选择和枢纽布置要做到：施工方便，工期短，造价低。
（2）枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求，保证其在任何工作条件下都能正常工作。
（3）在满足建筑物强度和稳定的条件下，降低枢纽总造价和年运转费用。 （4）枢纽中各建筑物布置紧凑，尽量将同一工种的建筑物布置在一起，以减少联结建筑。
（5）尽可能使枢纽中的部分建筑物早期投产，提前发挥效益（如提前蓄水、早期发电或灌溉）。
（6）枢纽的外观应与周围环境相协调，在可能的条件下，注意美观。
二、各类建筑物的具体要求
1、挡水坝
主要是拦截水流，形成水库，将其布置在河岸的两边。 2、溢流坝
主要起泄洪作用，前缘应正对上游来水的主流方向，下游出口方向最好与主流槽水流方向一致。溢流坝应建在坚硬完整的岩基上，为减少下泄水流对其他建筑物的影响，有时需在溢流坝与这些建筑物之间布置导墙，冲沙孔常布置在厂房进水口附近，其高程应满足运用要求。本枢纽中，溢流坝的尺寸大概估算如下：洪水资料显示，万年一遇洪水流量为59200m3/s，泄水孔在设计资料中设定有19孔，单宽流量为208 m3/s，泄洪底孔有4个，起辅助泄洪、排沙、放空水库等作用。
3、泄洪底孔
即深式泄水孔，起辅助泄洪、排沙、放空水库等作用。 4、电站
水电站进口水流应顺直，不发生旋涡和横向水流，尾水应顺畅。 厂房坝段与底孔并排布置，有以下优点：
（1）可以保证电站经常引用活水，不会有泥沙淤积。
（2）将电站坝段与底孔坝段同宽布置，可以共用启闭机设备，节省投资。 （3）便于管理、维修。
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三、方案比较
现拟定两个枢纽布置方案进行比较分析：方案一是将挡水坝段布置在河岸两边，电站、底孔布置在右岸，溢流坝段布置在偏左岸。方案二是将挡水坝段布置在河岸两边，电站、底孔布置在左岸，溢流坝段布置在右岸。比较如下：
1、方案一 此方案有如下优点： （1）交通便利，对外交通在右岸，上坝及运送机组等较为方便。 （2）出线省，节省投资。因电力用户在右岸，可以缩短出线线路， （3）进口水流条件好，无旋涡及横向水流。 （4）坝址处的主河床在右岸，电站布置在主河床，开挖量少。
（5）底孔紧靠电站坝段，有利于电站排沙，减少泥沙对水轮机的冲刷，且底孔闸门和电站进水口共用一台启闭机，减少启闭设备。
但也存在以下缺点：
（1）右岸地势较狭窄，且有不稳定岩体，对布置厂房不利。 （2）溢流坝溢流时，侧向水流影响下游尾水。
（3）靠右岸的溢流坝挑流时，影响第三岩层的稳定性。 2、方案二
该方案有如下优点：
（1）左岸地势开阔，便于布置电站厂房和开关站。 （2）泄洪时，水流均在河槽中，可保证两岸免受冲刷。 （3）河床冲刷问题易解决。 主要缺点如下：
（1）对外交通和电力用户均在右岸，电站供电需架设专门线路过坝，且必须在工程建成之后，这样就延误了机组的发电时间，使工程不能提前收益。
（2）尾水渠的开挖量太大。安装高程是通过尾水位来确定的，为了充分利用水头，尾水位必须与下游天然水位一致，而左岸阶地较高，需要开挖一部分，并且尾水渠出口也不能在附近与天然河床相接，这样，容易被底孔冲砂填塞，而必须开挖很长一段，才能进入主河槽。
3、分析
对上述两个方案，结合本工程必须提前受益，尽早建成的要求，并从施工、经济等各方面对比，选择方案一比较符合工程要求。对方案一所存在的问题，可用以下方法进行处理：
（1）陡峭的不稳定岩体开挖完成缓坡，并进行喷锚支护。 （2）电站与底孔之间设导墙，直至尾水影响较小处。 （3）对第三岩层进行特殊处理，以确保安全。
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四、结论
综合考虑比较，结合本工程的实际，选方案I合理。
第三章 坝体剖面设计
剖面设计是重力坝设计的重要环节，主要任务是选择一个即满足稳定和强度要求，又使得坝体工程量最小，外形轮廓简单，施工方便，运行可靠的剖面。
重力坝剖面设计的原则是：
（1）满足稳定和强度要求，保证大坝安全； （2）工程量最少； （3）运用方便； （4）便于施工。
第一节 坝顶高程确定及档水坝剖面设计
根据重力坝设计规范规定，坝顶宽度一般为坝高的8%～10%，一般不小于2米。上、下游坡度范围分别为n=0～0.2和m=0.6～0.8,坝底宽约为坝高的0.7～0.9倍。本工程中的坝高计算是：228m-126.2m =102m，折坡点以下坡率n=0.2，下游坡率m=0.8，最大坝高103m，坝顶高程228m，具体计算结果如下：
1、计算公式：
1）坝顶高于水库静水位的超高值△h： △h=2hL+h0+hc (1)
式中：2hL—波浪高度；
H0—波浪中心线至水库静水位的高度；
hc—安全加高，对I级工程设计情况时hc=0.7m，校核情况时取hc=0.5m。 2）波浪高度2hL
2hL =0.0166V5/4D1/3(m) (2)
式中：V—计算风速(m/s)，在设计洪水位（正常蓄水位）时采用相应洪水期多年平
均最大风速的1.5～2.0倍，校核洪水位时，采用相应洪水期多年平均最
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大风速21.5 m/s。本次计算采用多年平均最大风速的1.74 倍。 D—吹程（km），水库处吹程D=3km。 3）波浪中心线至水库静水位的高度h0
h0=4π（2hL）2/2LL (3)
式中：2LL-波浪长度
2LL =10.4(2hL)0.8(m) (4) 4）防浪墙顶高程▽顶 ▽顶=▽静+▽h
式中：▽静—水库静水位
2、计算各组合情况防浪墙顶高程▽顶 1）设计洪水位（▽设=224.7米） V=1.74V多=1.74×21.5=37.41m/s
2hL=0.0166×(1.74×21.5)5/4×31/3=2.216 m 2LL=10.4×(2hL)0.8=19.66 m LL＝9.83 m Ho=4×3.14×（2hL）2/2LL=0.785 m
▽顶=▽静+▽h=224.7+2.216+0.785+0.7=228.4m 2) 校核洪水位（▽核=227.2米）
V=V多=21.5m/s 2hL =1.108m 2LL =11.29m ho=0.34m hc=0.5m(I级)
▽h校=2hL +ho+hc=1.108+0.34+0.5=1.948m ▽顶=▽校+▽h=227.2+1.394=229.148m
防浪墙高度取1.2m，229.148—1.2=228m（坝顶高程）。除去1.2m的防浪墙的高度后确定坝顶高程为228.0m。
第二节 溢流坝剖面设计
溢流坝的剖面，既要满足稳定和强度要求，也要符合水流条件的需要。溢流面曲线由顶部曲线段，中间直线段和下部反弧段三部分组成。设计要求是：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体形简单、造价低、便于施工等。
溢流坝顶部采用曲线形式，顶部曲线的形式很多，常用的有克—奥曲线和WES曲线。
两种曲线在堰顶以下（2/5～1/2）Hs（Hs为堰上定型设计水头）范围内基本整合，在此范围以外，克-奥曲线肥大一些，用它确定的剖面常超过稳定和强度要求。克-奥曲线不给出曲线方程，而给定坐标值，施工放样不便。WES曲线流量系数较大，且剖面较瘦，工程量较小，坝面曲线用方程控制，施工方便。两种曲线中WES曲线用途较广。
1、原点上游椭圆曲线
溢流堰顶部曲线以堰顶为原点
x2/(aHs)2+（bHs-y）2/(bHs)2=1 (5)
式中:aHs、bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴；
Hs—定型设计水头，一般按校核洪水位时堰顶水头HZmax的75%～95%计算，取Hzmax=227.2-210.0=17.2m，Hs=0.87Hzmax＝0.87×17.2=15m；
a—取0.28～0.30，在此取a=0.3；
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a =0.17。
0.87+3a所以：椭圆曲线的长轴：(aHs)2＝(0.3×15)2＝20.3 短轴：(bHs)2＝(0.17×15)2＝6.5
b—取b=X22.55-Y曲线方程为： +20.36.5()=1
2椭圆OA段坐标值 X Y -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 0.016 0.064 0.145 0.265 0.429 0.648 0.945 1.377 2.410 2、原点下游幂曲线 x1.85=2.0Hs0.85y (6)
式中：HS—定型设计水头（m），Hs=15m； 1.85
即：y＝x/20 对该方程求导，可得切点B的坐标：
dx/dy=1/20×1.85×x0.85=1/0.8 xB=16.26 yB=8.70
幂曲线0B段坐标值 X Y 1 0.05 3 0.38 6 1.38 10 3.54 15 7.49 16 8.45 16.26 8.70 3、反弧段的确定 反弧段的确定主要有三个方面的内容：①鼻坎高程；②反弧半经R；③挑角θ。 鼻坎高程在工程中一般采用下游最高尾水位以上1～2米高，由于下游最高尾水位为156.8m，所以挑坝高程定为158.8m。反弧段半径R0，由水力计算有校核洪水闸门全开时反弧处的水深hc=3.23m，一般反弧半径R0取（4～10）倍的hc，其值取R0=20m。挑角按试验，一般采用θ=20°～25°。在此取θ=25°
圆心高程：
▽O′=▽坝+R0COSθ=156.8+20×cos25°=176.93
y0′=210-176.93=33.07
直线段和反弧段切点C的坐标为：
yc=Rocosθ1+yo′=20×cos51.34°+33.07=45.56 11其中tgθ1== ，θ1=51.34°
m0.8 xc?21.395?yc-yb45.56- 14.456=46.28 ?21.395?tgθ1tg51.34?圆心到堰顶的水平距离
xO′=xC+Rosinθ1=46.28+20×sin51.34°=61.90
反弧最低点E、yE=（158.8+20cos25°）-20=156.93
xE= xO′=61.90
xD= xO′+ Rosinθ=61.90+20sin25°=69.35
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