浆砌石拱坝设计

1FJD31170FJD水利水电工程技术设计阶段浆砌石拱坝设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1997年4月2水电站技术设计阶段浆砌石拱坝技术设计大纲范本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拱坝布置95水力设计106坝体防渗设计117荷载与荷载组合118坝体应力分析129拱座稳定分析1310坝基处理1411坝体构造1712坝体观测设计1713专题研究（必要时）1814工程量计算1815应提供的设计成果1941引言工程位于省市县以KM的河上，是以为主，兼顾等综合利用的水利水电枢纽工程。最大坝高M，总库容万M3，灌溉面积KM2，水电站装机容量MW，保证出力MW，多年平均发电量KWH。本工程初步设计报告于年月审查通过，选定坝址为，坝型为浆砌石拱坝。2设计依据文件和规范21有关本工程的文件1工程初步设计报告2工程初步设计报告审批文件3工程初步设计报告专题报告；4有关工程文件及纪要等。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、丘陵区试行及补充规定；2SL2591浆砌石坝设计规范3SD12084浆砌石坝施工技术规定4SD14585混凝土拱坝设计规范5SDJ1078水工建筑物抗震设计规范试行；6SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范试行；7SDJ34189溢洪道设计规范；8SDJ33889水利水电工程施工组织设计规范试行。3设计基本资料31工程等别与建筑物级别1工程等别工程的坝高M，水库总库容为万M3。工程建成后使下游KM的城市防洪能力达到年一遇的标准，保护农田面积KM2，设计灌溉面积KM2，水电站装机容量MW等效益。按SDJ1278及其补充规定，本工程等别为等。52建筑物级别建筑物级别按SDJ1278规范确定，如表1。表1建筑物级别类别建筑物名称级别主要建筑物次要建筑物临时性建筑物32洪水标准1设计情况洪水重现期，TA；2校核情况洪水重现期，TA；3施工期坝体挡水洪水重现期，TA。33水位和流量1水位和流量，见表2。表2水位和流量运行期施工期项目校核洪水设计洪水一台机组运行全部机组运行第一年汛期洪水第二年汛期洪水坝址流量，M3/S下泄流量，M3/S水库水位，M下游水位，M2坝轴线下游水位与流量关系曲线图。34泥沙工程河段多年平均悬移质沙量T，多年平均推移质沙量T。河床质级配见表3。表3河床质级配表粒径，MM小于某粒径百分数，35水库淤积1年水库泥沙淤积高程M；2泥沙的内摩擦角；3泥沙的浮密度NT/M3。36气象6361气温与水温1气温，见表4。表4气温单位月份123456789101112多年月平均气温多年最低月平均气温多年最高月平均气温多年平均气温；绝对最高气温；绝对最低气温。2水温，见表5。表5水温月份123456789101112年水深，M平均水温，注表中水深值系根据设计计算需要部位确定362风向、风速与吹程1风向；2风速多年平均最大风速M/S；多年实测最大风速M/S；多年平均风速M/S。3吹程KM。363冰情冬季封冻期月，多年平均冰层最大厚度M。春季流冰持续时间天，冰块面积M2，流速M/S，流冰抗碎强度MPA。37坝址区地形资料坝址区地形图1/5001/1000。38工程地质1坝区的地质构造，断层破碎带，软弱带层，节理裂隙的分布及其走向、倾角、宽度、充填物性质等地质构造简况。2坝基包括坝肩弱风化基岩等高线图1/5001/1000。73坝址区地质平面图1/10001/2000、剖面图1/2001/1000及主要钻孔地质柱状图。4坝区基岩物理力学参数，设计采用值，见表6表6坝区基岩物理力学参数设计采用值项目单位岩体断层带软弱带层节理裂隙密度T/M3弹性模量EMPA变形模量E0MPA泊松比干抗压强度MPA湿抗压强度MPA允许抗压强度MPA抗剪摩擦系数F抗剪断摩擦系数F抗剪断凝聚力CMPA永久开挖边坡临时开挖边坡注表中需按不同性质的岩体强风化、弱风化、微风化、新鲜、断层带、软弱夹层、节理、裂隙分别提出39地震裂度1基本烈度本工程区地震基本烈度为度。提示根据国家地震部门或有关单位鉴定或查1/400万地震烈度区划图确定。2设计烈度本工程大坝设计烈度为度。提示根据本工程区地震基本烈度及SDJ1078的规定确定。310材料特性3101混凝土1混凝土设计强度与弹性模量，如表7。表7混凝土设计强度与弹性模量设计强度MPA轴心抗压弯曲抗压抗拉抗裂混凝土标号RARWRLRF泊桑比弹性模量EMPA变形模量E0MPA2混凝土密度为T/M3。3混凝土抗渗标号为。提示混凝土的抗渗标号应满足SL2591中表6211混凝土抗渗标号要求。84混凝土抗冻标号D。提示混凝土的抗渗标号应满足SL2591中表6212混凝土抗渗标号要求。5混凝土散热、导热、线膨胀系数，见表8。表8混凝土散热、导热、线膨胀系数混凝土标号散热系数导热系数，W/MK线膨胀系数，1/3102浆砌石体1浆砌石体变形模量E0MPA；2浆砌石体弹性模量EMPA；3浆砌石体线膨胀系数1/；4浆砌石体容许压应力MPA；5浆砌石拱坝控制计算拉应力不应大于表9值；表9浆砌石拱坝控制计算拉应力单位MPA项目中央悬臂梁底其他部位控制计算拉应力6浆砌石体泊桑比；提示12级浆砌石拱坝应力分析中所采用的浆砌石体弹性模量、变形模量和抗压强度应按SL2591附录六的方法进行试验确定。对3级浆砌石拱坝不具备试验条件时,可参照类似条件及SL2591附表11选用变形模量、弹性模量值。2参照SL2591表5251选用浆砌石体容许压应力值。3参照SL2591表5252选用浆砌石拱坝控制计算应力值。4浆砌石体线膨胀系数可在6106181061范围内选用。5浆砌石体的泊桑比宜采用02025。7浆砌石体密度T/M3。提示浆砌石体密度根据浆砌石体类别可按SL2591第221条选用，但应按SD12084附录三的规定复核。311抗滑稳定计算所需的抗剪断、抗剪参数1浆砌石拱坝垫层混凝土与基岩接触面抗剪断及抗剪参数抗剪断参数F19C1MPA。抗剪参数FC0。2浆砌石体与垫层凝凝土或浆砌石体本身的抗剪断及抗剪参数抗剪断参数F1C1MPA。抗剪参数FC0。3基岩浅层内软弱夹层或岩体软弱结构面的抗剪断及抗剪参数抗剪断参数F1C1MPA。抗剪参数FC0。提示在拱座的稳定性分析时，滑裂面上的抗剪强度参数F和C值，2级浆砌石拱坝应通过试验后研究选定，3级浆砌石拱坝可参照类似地质条件下工程的经验数据选定，或按规范SL2591附表14、15选用。4拱坝布置41坝轴线的优化坝轴线选择在位置。提示根据初步设计审批意见选定的坝轴线及技术设计阶段的地质资料，进一步优化坝轴线，使其更为合理。在坝轴线的选择中应优先考虑拱座稳定性，同时考虑技术经济性。42拱坝体形的优化拱坝体形主要参数如下。提示1在初步设计选定方案的基础上，进一步优化拱坝体型拱形、拱中心角，悬臂梁剖面形状和拱厚等参数，建基面高程和嵌入深度。2拱坝体形的设计应根据坝址地形、地质条件、泄洪方案、拱座稳定、坝体应力、施工条件等因素综合考虑。3拱坝顶部拱圈最大中心角以80110为宜。在河谷较宽的坝址，为了增强坝头稳定及不使应力恶化，可选用三心圆拱、螺旋线拱、抛物线拱等非圆弧拱圈。通常自拱冠向拱端曲率逐渐变小，使拱端内弧面的切线与利用岩面等高线的夹角不小于30。拱坝悬臂梁的侧悬度不宜大于031。43泄洪布置优化10本工程采用泄洪方式。提示1在技术设计中应对初步设计审定的方案作进一步优化设计，其泄洪而形成的冲刷坑应不危及大坝与有关建筑物包括两侧河岸的运行安全。对2级建筑物的拱坝溢流布置，应经水工模型试验验证。2拱坝布置与泄洪方式关系密切，泄水建筑物一般为坝身式、岸边式和隧洞式，泄洪方式应经多方案综合比较选定。通常在两岸缺乏开敞式溢洪道地形地质条件时以坝身泄洪较经济，宜优先考虑表孔泄洪，但需充分研究坝身泄洪的下游消能防冲措施以及冲刷下游的堆积和水流流态对水电站或灌溉等进水口运行的影响。44坝体内孔洞布置优化孔洞布置与尺寸如下。提示1对初步设计审定的方案作孔洞尺寸的复核计算，并对孔洞形状、布置作优化设计。2当坝内需要布置引水管、供水管包括灌溉管、排沙孔或放水底孔时，其孔口尺寸、位置及形状应根据不同要求、坝体结构应力及施工、运行条件等情况确定。5水力设计51水力设计内容一般水力设计包括以下内容1泄水建筑物的泄水能力计算；2泄水建筑物的体形设计；3泄水建筑物下游水流衔接和消能防冲设施的设计；4其他有关的水力设计。52消能防冲设计洪水标准1消能防冲设计的洪水标准为年一遇，相应流量为M3/S。同时，还应考虑低于消能防冲设计洪水流量可能出现的不利情况。2消能防冲校核的洪水标准为年一遇，相应流量为M3/S。提示消能防冲设计的洪水标准可比大坝的泄洪设计标准降低一级。校核的洪水标准可低于大坝的泄洪校核标准，但此时允许出现一些不致危及大坝及其他主要建筑物安全或长期影响枢纽运行并易于修复的局部损坏。坝身式泄洪方式的水力设计方法及计算公式参见SDJ14585中第三章及附录一。岸边式泄洪方式的水力设计方法及计算公式参见SDJ34189中第三章及附录一。116坝体防渗设计本工程采用防渗形式。提示1浆砌石体的抗渗性不如混凝土，所以在设计中要重视浆砌石坝体的防渗问题。目前我国浆砌石坝体防渗形式较多采用混凝土面板或心墙防渗、利用坝体自身防渗二种。防渗形式的选择应结合建筑物等级、当地建筑材料、施工工艺、建坝经验等因素比较论证确定。2混凝土防渗面板应根据温度应力计算或参照已建工程的实践经验，配置钢筋。3混凝土防渗面板或心墙的底部厚度可为最大水头的1/301/60，但顶部最小厚度不小于03M。4混凝土防渗心墙距上游坝面宜为05M2M。防渗面板或心墙与坝体的连接可用联系钢筋或与相邻砌体糙面结合。5混凝土防渗面板或心墙必须嵌入建基面1M2M与坝基防渗设施连成整体。6利用坝体自身防渗一般有以下二种形式用混凝土作为胶结材料，使用机械振捣，砌筑层高5M8M要通过钻孔压水试验检查，不合格时进行坝体补强灌浆单位吸水率小于003L/MINMM为合格。坝高低于50M，用水泥砂浆砌筑粗料石，迎水面用高标号水泥砂浆勾深缝防渗。坝体自身防渗，应对坝体与地基的连接作好防渗设计。7荷载与荷载组合71荷载1坝体及坝体上永久设备自重。2静水压力。3动水压力。4扬压力包括渗透压力和浮托力。5泥沙压力。6浪压力。7冰压力。8温度荷载。9地震荷载。10其他荷载。提示荷载计算可参见SL2591第三章第一节及附录二。1272基本组合1水库正常蓄水位与相应的不利尾水位的静水压力、坝体自重、扬压力、泥沙压力、浪压力或冰压力二者取其中大者、正常温降的温度荷载。2水库设计洪水位及相应尾水位的静水压力、动水压力、坝体自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、正常温升的温度荷载。3水库死水位或运行最低水位及相应尾水位的水压力、泥沙压力、坝体自重、扬压力及此时出现的正常温降或温升的温度荷载。4其他出现机会较多的不利荷载组合。73特殊组合1校核洪水位及相应尾水位的静水压力、坝体自重、扬压力、泥沙压力、动水压力、浪压力、正常温升荷载。2基本组合加地震荷载。3施工期的不利荷载组合。4基本组合加其他出现机会较少的荷载。8坝体应力分析81坝体应力分析假定与方法1浆砌石拱坝结构分析时，可视结构为各向同性的均质体；当有混凝土防渗体时，也可考虑坝体的一个方向异性。2浆砌石拱坝应力分析，宜以拱梁分载法计算成果作为衡量强度安全的标准。提示对于2级或情况比较复杂的浆砌石拱坝，除用拱梁分载法计算外，必要时应用有限元法验算或作结构模型试验加以验证。82浆砌石拱坝应力分析的主要内容提示主要内容一般包括1各计算截面上的应力分析包括拱端、拱冠和其它需要计算应力的部位；2坝体上、下游面在各计算点的主应力；3坝体削弱部位孔洞、廊道等的局部应力；4必要时分析坝基内部应力。83浆砌石拱坝应力分析中应考虑的问题提示应考虑的问题一般有1计算中能反映不同体形布置时坝体应力的影响，以优化初步设计坝体体形布13置，使其技术经济指标更为合理，坝体应力分布更为有利；2坝内孔洞对坝体应力的影响；3封拱温度对坝体应力的影响；4不设横缝，整体上升的浆砌石拱坝坝体自重对应力的影响；5分期施工、蓄水对坝体应力的影响；6坝设横缝时，坝体横缝灌浆前施工期各单独坝段的应力和抗倾覆稳定性核算。84应力控制标准提示用拱梁分载法计算时，坝体主压应力不应大于浆砌石体容许压应力容许压力的安全系数，对于基本荷载组合，采用35；对于特殊荷载组合，采用30，或不大于SL2591表5251所列数值。浆砌石拱坝计算拉应力不应大于SL2591表5252所列数值。浆砌石拱坝计算拉应力应大于SL2591表5252所列数值。85对于重要的浆砌石拱坝，宜再用拱坝极限分析法核算，进一步了解其安全度提示多拱梁法拱坝极限分析法可参见1王开治、范金星等，拱坝塑性极限分析，计算技术与计算机应用，1993年1月。2李新民、王开治、拱坝极限承载力的一个计算方法，水利学报，1987年7期。3王开治、陈美荣，拱坝极限分析多拱梁法，第二届全国塑性力学学术交流会论文，合肥，1988年。9拱座稳定分析91拱座抗滑稳定分析浆砌石拱坝拱座的抗滑稳定分析，以刚体极限平衡法为主，必要时辅以有限元法分析。提示1拱座稳定分析应首先合理确定滑裂面，再按空间问题处理，确定其整体抗滑稳定安全系数。如情况简单且无复杂的滑裂面时，可按平面分层累计计算。2在拱座稳定计算中，应考虑下列荷载坝体传来的作用力、岩体的自重、渗透压力和地震力；荷载的组合应按SL2591第三章第二节规定采用。坝体传来的作用力采用拱梁分载法所得的成果，选用最不利的一种进行稳定分析。92计算公式采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析时，采用公式1或公式2计算141KNFCAT112F22式中K1、K2抗滑稳定安全系数；N垂直于滑动方向的法向力，KN；T沿滑动方向的滑动力，KN；A计算滑裂面的面积，M2；F1抗剪断摩擦系数，F1应按相应于岩体的峰值强度采用；C1抗剪断凝聚力，MPA，C1应按相应于岩体的峰值强度采用；F2抗剪摩擦系数，应按相当于下述特征值取用对脆性破坏的岩体，采用比例极限；对塑性或脆塑性破坏的岩体，采用屈伏强度；对已经剪切错动过岩体，采用残余强度。提示采用1、2公式计算时，相应安全系数应不小于下表规定的数值。抗滑稳定安全系数安全荷载建筑物级别系数组合23基本325300K1按公式1特殊1、3、42752502225200基本140130K2按公式2特殊1、3、4120110211010093拱座加固处理与核算提示当拱座下游存在较大断裂层或软弱带时，应采取加固措施控制变形量，并核算拱座变形对坝体应力的影响。94重力墩、推力墩的应力及稳定分析浆砌石拱坝重力墩、推力墩的应力及稳定分析可参见SL2591附录四。10坝基处理15101浆砌石拱坝地基处理要求提示地基处理应达到下列要求1具有足够的整体性和稳定性，保证抗滑安全。2具有足够的强度和刚度，能承受拱坝传来的力和各种荷载，不发生不能容许的变形。3具有足够的抗渗性，满足渗透稳定要求。4具有足够的耐久性，以免在水的长期作用下恶化。5坝体和地基接触面的形状适宜，避免不利的应力分布。102坝基处理措施提示地基处理措施1通常有风化破碎岩体的挖除、基坑形状的控制、固结灌浆、接触灌浆、防渗帷幕、坝基排水、断层破碎带与软弱夹层的处理以及用预应力锚固基岩等。2坝基处理设计必须根据坝址地质条件，综合考虑坝体和地基之间关系，选择安全、经济和有效的处理方案。103坝基开挖与垫层提示一般高坝应尽量开挖到新鲜或微风化的基岩，中坝应尽量开挖到微风化或弱风化中、下部的基岩。在浆砌石体与基岩之间应设混凝土垫层，其厚度与坝高、地质条件等因素有关。104固结灌浆范围和孔深、孔距确定提示1固结灌浆的范围和孔深、孔距、孔向，主要根据基岩的裂隙情况、受力条件、坝基和拱座的变形控制以及稳定要求确定。2固结灌浆孔的孔距和孔向,应根据地质条件、裂隙分布情况确定,孔距一般采用3M6M。灌浆压力宜通过灌浆试验确定，一般无混凝土盖重时取02MPA04MPA，有混凝土盖重时取03MPA07MPA，当拱座岩坡较陡时，宜先浇盖重混凝土。对地质条件较差，缓倾角裂隙发育地段，压力可适当降低。105接触灌浆提示对下列部位应进行接触灌浆1坡度大于5060的陡壁面；2上游坝基接触面；3在基岩中开挖的槽、井、洞等回填混凝土的顶部。坝基面的接触灌浆应在坝身浇砌到一定高度，充分收缩以后并在排水孔钻设之前16进行。有条件时可利用帷幕孔与部分固结灌浆孔进行接触灌浆。106防渗帷幕提示1帷幕线的位置应根据拱座和坝基应力情况，并考虑到将来可能需要修补和补强的条件，一般布置在压应力区，并尽可能地靠上游面。应特别重视两岸防渗帷幕的布置。2防渗帷幕孔的深度，原则上应伸入相对隔水层，若相对隔水层埋藏较深，或没有统一的相对隔水层，帷幕孔深一般可采用0307倍的坝高，对地质条件特别复杂段，孔深可达1倍坝高以上，但均应经论证确定。3主辅防渗帷幕的排数、排距、孔距、孔向应根据拱坝稳定要求、地质条件、坝前水头、允许水力坡降等选定。主帷幕孔一般采用一排。帷幕孔的孔距一般可采用15M30M。排距宜略小于孔距。4帷幕灌浆必须在有一定厚度的坝体作为盖重后进行或在廊道中进行。灌浆压力应通过灌浆试验确定。通常在帷幕顶部段不宜小于15倍坝前静水头，在孔底部不宜小于23倍坝前静水头。107坝基排水提示1在防渗帷幕的下游应设置坝基排水，一般设置一排主排水孔。排水孔与帷幕下游侧的距离应不小于防渗帷幕孔中心距的12倍，且不得小于2M4M。2主排水孔的孔距一般采用3M左右。孔径不宜小于15CM。主排水孔深度在两岸部位可采用帷幕深的4075，河床部位的主排水孔深度可不大于帷幕孔深度的60，但不应小于固结灌浆孔的深度。108断层破碎带或软弱夹层处理提示1对于坝基范围内的断层破碎带或软弱夹层，应根据其所在部位、产状、宽度、断层组成物及有关试验资料，研究其对坝体和地基的应力、变形、稳定和渗漏的影响，结合施工条件采用适当的方法进行处理。2对于倾角较陡的断层破碎带，一般采用下述处理措施断层组成物为胶结良好，质量坚硬的构造岩，对坝基的强度、稳定和变形的影响较小时，可将表层较破碎的部分挖除，并进行固结灌浆。断层组成为糜棱岩、断层泥等软弱构造岩，对坝基的强度、稳定和变表有严重影响时，可采用局部挖除断层物质，回填混凝土处理。对高坝应通过相应的计算或模型试验进行论证。断层的两侧应加强固结灌浆。3对于坝基内存在的倾角较平缓的断层破碎带或软弱夹层，应根据其性质、埋藏深度及其对大坝安全的影响程度分别处理。对于埋藏较浅的部位，可用固结灌浆、抗滑键等方法处理，如效果达不到要求，则予以全部挖除。对于17埋藏较深的部位则进行专门处理设计。109岩溶问题处理提示对于岩溶地区除必须重视两岸拱座基岩稳定外，沿应根据岩溶分布及大小情况进行专门的防漏、防渗处理设计。11坝体构造111坝顶高程确定坝顶或防浪墙顶高程应为水库静水位加超高H，H按3式计算3HLC20式中H坝顶距水库静水位高度，M；2HL波浪高，M；H0波浪中心线到水库静水位的高度，M；HC安全超高，按表10采用。表10安全超高HC值单位M荷载组合坝的级别运用情况23基本组合正常运用0504特殊组合非常运用04032HL和HC值应分正常和非常运用情况，H值选其最大值。112坝顶宽度提示坝顶宽度应满足设备布置、检修、交通和观测等要求，同时注意安全、经济。坝高50M以上的非溢流坝顶宽度不宜小于3M。坝顶上游侧防浪墙高度一