碾压混凝土实体重力坝设计大纲

1FJD31050FJD水利水电工程技术设计阶段碾压混凝土实体重力坝设计大纲范本大中型水利水电勘测设计标准化信息网1999年3月2工程技术设计阶段碾压混凝土实体重力坝设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目次1引言42设计依据文件和规范43设计基本资料44坝体布置65水力设计76坝体断面设计87碾压混凝土材料配合比及层面抗剪断参数的试验128坝体稳定应力分析139坝体构造1610坝基处理设计1611坝体观测设计1712专题研究1713工程量计算1714设计成果1841引言11适用范围本设计大纲范本适用于技施设计阶段一般地区大中型碾压混凝土重力坝的设计。工程位于，是以为主，兼有等综合利用的水利水电枢纽工程。挡水建筑物为碾压混凝土实体重力坝，最大坝高M，水库正常蓄水位M，总库容亿M3，电站机组台，总装机容量MW，多年平均发电量亿KWH。2设计依据文件和规范21主要依据文件1工程可行性研究报告；2工程可行性研究报告审批文件；3工程技术设计任务书；4有关工程文件和会议纪要。22主要设计规范1SDJ1278水利水电枢纽工程等级划分及设计标准山区、丘陵区部分试行及补充规定；2GB5020194防洪标准；3SDJ2178混凝土重力坝设计规范试行及补充规定；4DL/T500592碾压混凝土坝设计导则；5SL4894水工碾压混凝土试验规程；6SDJ34189溢洪道设计规范；7SDJ1078水工建筑物抗震设计规范试行；8SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行；3设计基本资料31工程等别和建筑物级别1工程等别为等；2建筑物级别为级。32地震烈度1地震基本烈度度；2地震设防烈度度。33洪水标准1设计工况洪水重现期SA；52校核工况洪水重现期XA。34水库淤积1泥沙淤积高程M；2泥沙内摩擦角；3泥沙浮容重KN/M3。35气温与水温1月平均气温，见表1。表1月平均气温表单位月份123456789101112平均气温2绝对最高气温；3绝对最低气温；4多年平均气温；5水库水温。36风速与吹程1相应于洪水期多年平均最大风速M/S；2风的吹程KM。37冰情1冰期月月；2冰盖最大厚度M；3流冰特征冰块厚度M；面积M2；流速M/S；流冰破碎强度MPA；流冰量M3。38地质资料1地质年代；2岩性；3岩层走向；4岩层倾向；5岩层倾角。6坝基岩石物理力学指标岩石抗压强度，见表2。6表2岩石抗压强度单位MPA岩性平均饱和抗压强度允许承压强度坝建基面抗剪断强度参数微风化岩石；弱风化岩石；。岩体变形特性，见表3。表3岩体变形特性指标岩性及构造变形模量GPA泊松比岩石岩石断层破碎带断层影响带7坝址岩石风化深度，见表4。表4坝址岩石风化深度位置左岸右岸河床风化带下限全强弱微全强弱微弱微风化深度，M4坝体布置41布置原则42泄洪建筑物设计数据1泄洪孔口型式；2泄洪孔口尺寸MM；3泄洪孔口孔数孔；4闸门型式；5堰顶高程M；6堰面曲线方程；7闸墩厚度M；提示1坝体布置应结合枢纽布置全面考虑，一般应首先考虑泄洪建筑物的布置，使下泄水流不致冲淘坝基和其它建筑物基础，并使其流态和冲淤不致影响其它建筑物使用，还应妥善解决排沙、冲淤以及岸坡防护等问题。2为了尽量多的采用碾压混凝土，宜选用表孔式溢洪道，放空洞选用压力流即将工作门置于下游坝面。3大中型水利水电枢纽工程的泄洪建筑物布置应经整体水工模型试验进行验证。78放空孔型式；9放空孔孔口尺寸MM；10放空孔孔数孔；11放空孔进口底板高程M；12放空孔闸门型式；13消能型式及消能工几何尺寸。43坝轴线座标坝轴线控制点座标，见表5。表5坝轴线控制点座标单位M座标控制点ABC44坝体分块分段自右左起1号坝块号坝块为坝段，号坝块号坝块为坝段。5水力设计51泄洪能力计算1表孔泄流能力计算1式中Q流量，M3/S；MZ流量系数；收缩影响系数；M淹没系数；B溢流堰总净宽，M；HX计入行进流速的堰上水头，M；G重力加速度，M/S22底孔泄流能力计算提示一般消能型式有挑流、底流和面流。选用挑流消能时，按规范可给出鼻坎高程M、反弧半径M和挑角；若选用底流或面流消能时，消力池或消力戽的几何尺寸要通过水力学计算确定。提示坝段名称按其功能填写，如溢流坝段、底孔坝段、厂房进水口坝段等。23XMZHGBQ82式中Q流量，M3/S；孔口流量系数；AK出口处孔口面积，M2；HZ计入行进流速的孔口堰上水头，M；G重力加速度，M/S2。52泄洪建筑物调洪演算成果调洪演算成果，见表6。表6调洪演算成果表泄洪方式孔宽高M；堰顶高程洪水频率项目校核洪水设计洪水下游防冲洪水起调水位，M频率洪水流量，M3S坝前最高水位，M最高水位相应泄量，M3S最大泄量相应下游水位，M发电流量，M3S正常蓄水位，M正常尾水位，M预留防洪库容水位，M53整体水力学模型试验6坝体断面设计61设计原则ZGHAQ提示主要试验项目有1泄流能力；2采用挑流消能时的挑距、冲坑深、堆丘高度、两岸回旋流速等；3采用面流或底流消能时，由模型试验验证计算所得的消力戽或消力池、消力槛的几何尺寸。提示碾压混凝土重力坝设计，按照碾压混凝土中胶凝材料的贫与富，存在着两种设计方法，即基于土工原理和混凝土坝原理的两种不同方法。前者设计的坝断面大，工程量也大，但对坝体碾压混凝土强度指标和施工质量标准要求低；而后者设计的坝断面小，工程量省，但对坝体碾压混凝土强度指标和施工质量标准要求高。随着碾压混凝土技术的发展，施工工艺和质量监测与控制措施的不断完善，目前采用混凝土坝原理在我国建成了多座坝高接近和超过100M的富胶碾压混凝土坝。富胶碾压混凝土坝已成为碾压混凝土筑坝技术发展的主要潮流。本大纲建议按混凝土坝原理设计大坝断面。962基本断面选择63计算假定1混凝土重度24KN/M32按拟静力法计算地震惯性力水平向地震系数H地震惯性力系数3扬压力图形图1河床坝段坝基面图2碾压混凝土层面及岸坡坝段坝基面64作用在坝体上的荷载及荷载组合641作用在坝体上的荷载图3作用在坝体上的荷载1水平力上游水压力1；提示一般取最高溢流坝段和最高挡水坝段断面为基本断面，其它如底孔坝段断面、厂房进水口坝段断面、通航坝段断面等，均由以上两种基本断面，根据其功能及结构特点修改而成。10水平泥沙压力2；上游面冰压力3；上游面浪压力4；下游面水压力5；地震时作用于坝体库水惯性力6；地震时坝体水平向惯性力7；地震时泥沙动土压力8；泄洪时反弧段动水压力水平分力。2垂直力坝体自重1；作用在上游倾斜面上的垂直压力包括水重及泥沙重2；作用在坝基面上扬压力3；地震时坝体垂直向惯性力4；下游倾斜面坝面上水重5；反弧段动水压力垂直分力。642荷载组合表7荷载组合荷载荷载组合运行工况自重静水压力扬压力泥沙压力风浪压力地震荷载动水压力冰压力基本组合1正常蓄水位情况基本组合2冰冻情况特殊组合1校核洪水位情况特殊组合2正常蓄水位地震情况特殊组合3地震情况说明特殊组合3指大坝建成尚未蓄水的情况65断面优化1优化计算方法提示1以往混凝土重力坝断面优化设计，习惯用坝体经济断面选择法或其它试算法，也可设计出相对较好的重力坝体型。但因其方法的局限，难以确保求得最优化方案，而且工作量繁重。2随着计算机技术发展，目前多采用数学规划法的非线性规划求解坝体最优断面。由于其约束条件大都是复杂的隐函数不好求导数，需采用迭代和搜索的数值计算方法求解。复形法是解决这类问题的常用方法，它具有收敛速度快，成果可靠等优点。可采用运用复形法编制的碾压混凝土重力坝RCGD优化设计程序进行优化计算，该优化设计程序已通过国家鉴定，并已用于龙滩工程碾压混凝土重力坝的国际招标设计，经手算对比成果可靠。并采用了“交互式”输入和“图形曲线”输出定性分析计算成果的前后处理系统，用户操作运用方便，建议采用。3坝高150M以内的碾压混凝土重力坝断面优化设计，应力计算采用材料力学方法和稳定计算采用抗剪断强度公式还是适用的。112设计变量设计变量见图4和图5。3目标函数4约束条件图4溢流坝段基本断面图5挡水坝段基本断面1上游面坝坡2上游面起坡点高程3溢流坝段下游坝坡4溢流坝段下游面起坡点高程5挡水坝段下游面坝坡6挡水坝段下游面起坡点高程表8坝基面稳定、应力约束条件坝趾正应力，MPA荷载组合运行工况抗滑稳定坝踵正应力计扬压力MPA计扬压力不计扬压力基本组合正常蓄水位情况30YU0特殊组合1校核洪水位情况25YU0特殊组合2正常蓄水位地震情况23YU0YDCB注基岩允许压应力CB。表9坝体控制层面稳定、应力约束条件上游面最小主应力MPA下游面最大主应力MPA荷载组合运行工况抗滑稳定计扬压力不计扬压力计扬压力不计扬压力基本组合正常蓄水位情况30101025特殊组合1校核洪水位情况25101025特殊组合2正常蓄水位地震情况231特殊组合3仅考虑地震2提示坝断面优化目标是使坝断面工程量最小，而达到大坝整体工程量最小，即基本断面面积最小。12注表中为计算截面处静水头；碾压混凝土允许压应力；碾压混凝土层面允许拉应力。5断面优化成果表10断面优化成果表断面名称建基面高程M上游起坡点高程M上游坝坡LN下游起坡点高程M下游坝坡LM溢流坝挡水坝6层面抗剪断强度参数设计要求值，表11坝体断面参数表溢流坝断面挡水坝断面层面高程M091011091011备注1坝内层面扬压力图形2单位提示根据层面上扬压力计算假定和层面的抗滑稳定安全系数，可以反算出不同高程层面上抗剪断强度参数，的设计要求值。137碾压混凝土材料配合比及层面抗剪断参数的试验71试验任务72试验碾压混凝土层面抗剪断参数建议值及配合比表12试验碾压混凝土层面抗剪断参数建议值及配合比试验工况ABCC胶材用量F级配入仓温度，间歇时间，层面处理情况均值小值平均NP80VF020综合值法建议参数NP80VC03073说明8坝体稳定应力分析81计算分析方法提示坝高在100以内，可借鉴其它工程的有关资料类比确定。大型工程需根据设计所要求的碾压混凝土层面抗剪断参数值提出试验任务，进行碾压混凝土材料的配比设计和现场原位抗剪断试验，并对试验原始数据作数理统计分析，提出层面抗剪断参数的建议值。提示若试验的碾压混凝土各种配比的抗剪断强度参数、的建议值，均不满足设计要求值，仍需采用试验建议值时，则应重新进行断面优化，该断面往往不是建基面控制，而是层面控制断面几何尺寸。否则也可将原优化断面的碾压混凝土高程提高。碾压混凝土层面抗剪断强度参数、是设计碾压混凝土坝断面的主要参数，因此，建议进行专题研究。提示1断面优化设计采用的是传统的材料力学方法和抗剪断强度公式，仅对其建基面和某些控制层面的边缘应力和整体稳定作为约束条件进行了计算。在优化断面确定之后，还必须采用有限元方法，计算和分析坝体内应力、应变规律，以及某些控制层面点强度的安全系数等，进一步复核优化断面的安全可靠性。2计算方法推荐采用常规的弹塑性有限元法，塑性分析采用塑性理论的正交流动法则与无拉分析相结合的方法，即当材料受压时，相应的屈服条件为MOHRCOULOMB准则，当材料受拉时，相应屈服条件为抗拉强度准则。3计算程序推荐采用平面弹塑性有限元应力与稳定分析专用程序EPS7，该程序已通过国家鉴定，并在龙滩碾压混凝土重力坝国际招标设计中得到应用。1482有限元网格剖分及边界条件83各区材料主要物理力学参数表13各区材料主要物理力学参数表抗剪断强度残余强度材料分区弹模104MPA泊松比容重KN/M3MPAMPA厚度M抗拉强度MPACCCC常态混凝土RCC本体RCC本体RCC层面RCC层面基础基础碾压混凝土84成果整理分析1基本断面特性点位移值表14基本断面特性点位移表单位MM基本断面位移值断面及工况坝顶上游面上游面折坡点坝踵坝址堰项鼻坎正常工况溢流坝校核工况挡水坝正常工况提示1碾压混凝土具有明显的成层特性，层间胶结不好则构成相对较弱面，从而引起坝体应力状态变化，因此，严格的讲，应将每个层间设置节理单元，但这样会使单元和结点太多，计算工作量太大。因此建议只在某些关键部位，如建基面与控制层面、几何轮廊突变部位、材料分区界面等，布设有厚度的GOODMAN节理单元，碾压混凝土本体布设块体单元，采用四结点等参单元，用三角形单元进行边界和疏密过渡。只要合理布设计算单元可得到满意结果。2计算模型的坝基范围上下游分别延伸3倍和2倍坝底宽，基础深度取2倍坝高，基础周边均为双向约束即UV0。3另外，碾压混凝土还具有各向异性的特性，即法向和切向弹模有差异，经研究其差异甚小，对应力影响不大，故仍视为各向同性。15校核工况2基本断面应力特征值表15基本断面应力特征值表单元类型材料分区应力取值MPA单元形心坐标X、YM点安全系数最小主应力RCC最大主应力最小主应力RCC最大主应力最小主应力最大主应力最小主应力混凝土本体块体单元RCCN最大主应力最大正应力对应剪应力最小正应力RCC对应剪应力最大正应力对应剪应力最小正应力RCC对应剪应力最大正应力对应剪应力最小正应力对应剪应力最大正应力对应剪应力最小正应力层面节理单元RCCN对应剪应力3坝体主应力1、2等值线图4典型层面的剪应力S，正应力N和层面点安全系数分布曲线图点安全系数计算公式3SINICFK169坝体构造91坝体上游面防渗、排水结构设计1设计准则2方案比较92坝体分缝1纵缝一般不设纵缝2横缝10坝基处理设计11坝体观测设计提示碾压混凝土坝是一种典型的成层体系结构，其层面既是抗滑稳定的薄弱环节，也是渗流的主要途径。层面渗流可导致层面扬压力升高，而影响层面抗滑稳定，且对碾压混凝土耐久性产生不利影响。因此，碾压混凝土坝的坝身防渗、排水是至关重要的，特别是高碾压混凝土坝。1上游坝面承受的水压力大，防渗结构须能承受较大的水力梯度。2上游坝面防渗面积大，并长期淹没于水下，维修条件差，因此要求其具有很好的可靠性和耐久性，确保在长期运行中坝体内扬压力低于设计值。3防渗、排水结构力求简单，使其在施工过程中不致影响碾压混凝土坝体的上升速度。提示从总体而言防渗结构有刚性的和柔性的两大类，其中刚性的有13M5厚常态混凝土防渗体；21厚现浇钢筋混凝土面板；3表面布筋的2级配碾压混凝土。柔性的有4预制混凝土板内贴PVC薄膜；5沥清混凝土。通过上面5种防渗结构方案的防渗效果及可靠性、耐久性、施工进度和造价5个主要因素的综合比较分析，推荐出一种适合本工程的防渗方案。坝体排水系统要求紧接防渗体，包括排水廊道、竖向排水管及水平排水管，从而保证防渗体的渗漏水能及时排走。总之。碾压混凝土坝上游坝面防渗、排水结构设计，关系到碾压混凝土坝的设计成败，尤其是对高碾压混凝土坝而言。因此，建议列项进行专题研究。提示1国外已建成的碾压混凝土坝如柳溪坝、上静水坝，均不同程度地发生了横向贯穿性裂缝，产生了较大渗漏，影响大坝安全运行。因此适当设置大坝横缝，防止坝体产生贯穿性裂缝是非常必要的。2坝体碾压混凝土的横缝有两种分缝形式，一种是模板缝，另一种是切缝。前一种横缝