面板堆石坝对照研究.ppt

中外技术标准对照研究成果 混凝土面板堆石坝设计规范 目录 1选取的国外对照标准 2中外标准的主要差异 3国外工程中使用本标准需关注的主要问题 4对标工作的体会 一 选取的国外对照标准 包括 美国标准 Standard 导则 Guideline 准则 Code 规范 Specification 除上表外 还包括美国工程师兵团的下列标准1 EM1110 2 1901大坝渗流分析与控制2 EM1110 2 6053水工混凝土抗震 3 EM1110 2 1806土木工程地震设计和评估4 EM1110 1 2101 结构设计的工作应力 5 EM1110 2 2902 水道 涵洞以及管道 以及美国混凝土学会6 ACI350R 环境工程混凝土结构 二 中外标准的主要差异 1 坝轴线 中美标准对坝轴线布置都需要根据坝址的地形地质条件 经技术经济比较后确定 中国标准中还应重点考虑趾板的要求及强调要有利于枢纽中其他建筑物布置 有利于基础防渗系统的布置 节省工程量及方便面板的施工 1 关于坝的布置和坝体分区 2 坝基 中美标准都允许堆石坝体建在密实的河床覆盖层上 但都要求进行变形稳定分析及安全经济合理性分析 3 放空设施 中国标准规定研究设置用于降低库水位的放空设施的必要性 美国标准对放空设施的必要性未提及 主要强调泄洪设施应有充足泄量防止库水漫坝 1 关于坝的布置和坝体分区 4 对枢纽布置中其他建筑物的考虑 中国标准主张在进行枢纽布置方案比较时 应将土石方平衡考虑在内 充分利用建筑物开挖石料筑坝 要求枢纽整体较优 安全经济 美兵团标准也是尽可能多地使用所需开挖的材料和运距最短 弃料最少的料场的材料 与中国标准原则一致 5 坝顶 中美标准对坝顶相关要求原则基本一致 坝顶宽度要求综合考虑坝顶设施 面板施工要求 抗震等因素确定 坝顶超高由波浪爬高 风壅水面高度及安全超高组成 地震区的安全加高尚应增加地震作用下的附加沉陷和地震涌浪高度 另外尚需考虑滑坡 建筑物运行故障等因素 可以通过设置防浪墙减低坝顶高程 其中美国标准直接规定了在2 3 4地震区 坝顶高程应取最高水位加常规超高 或防洪水位加3 坝高 从河床起算 的最大值 这点规定对部分工程来看比中国标准更为安全 1 关于坝的布置和坝体分区 5 坝顶 中国标准中为保证大坝运行期沉降稳定后坝体仍有足够的超高 坝顶需预留沉降超高 坝顶沉降超高可为坝高的0 3 0 8 沉降超高的设置应由坝头处的零值 渐变到坝高最大处的最大值 可采用局部放陡顶部坝坡实现沉降超高 美国标准规定了坝顶超高要包括地基和坝体允许的沉降 并根据经验 坝顶最大超填量约为最大坝高的1 相比中国标准稍保守一点 1 关于坝的布置和坝体分区 6 坝坡 中美标准对坝坡的要求基本一致 坝坡主要由筑坝材料特性 坝基特性结合工程经验或抗滑稳定分析确定 对下游坝坡要求适当防护 平整 美观 7 坝体分区 中国标准 5 4 1坝体应根据河谷地形条件 料源及其变形性质 坝高 施工方便和经济等因素进行分区 坝体分区应尽量利用建筑物开挖料和近坝区可用的料源 堆石坝体各区的透水性宜从上游向下游增加 坝体分区应有利于变形控制 1 关于坝的布置和坝体分区 7 坝体分区 中国标准 1 关于坝的布置和坝体分区 7 坝体分区 美垦务局 1 关于坝的布置和坝体分区 7 坝体分区 美恳务局 A区 级配良好的小块石和砾石 用作上游防渗面板的垫层 当防渗层发生开裂时 阻止大量漏水 B区 块石质量可较C区稍差 例如 采用溢洪道的开挖料 用以降低坝的总投资 C区 坝体较大的下游区 由高质量的 块体较大并经过压实的块石组成 该区能使坝体断面保持高的稳定性 1 关于坝的布置和坝体分区 7 坝体分区 中美标准对坝体分区均要求根据料源等因素 从满足水力过渡 坝体应力变形 充分利用建筑物开挖料进行坝体材料分区 美国标准对坝料间反滤准则强调较多 中国标准同时强调了稳定和变形要求 相对而言美国标准对坝体分区较中国标准简单 没有中国标准说明详细 如对于垫层料 过渡料宽度 软岩筑坝 砂砾料筑坝中国标准中均有对应条文要求 1 关于坝的布置和坝体分区 2 关于筑坝材料及填筑标准 1 坝料勘察与试验 料场规划 勘探和试验是面板堆石坝设计的基础 中美标准都规定要对坝料进行勘察试验工作 中国标准规定较具体 值得借鉴的是美国标准强调对实际填筑料 试填料 做相应的试验研究 能保证研究对象更具代表性 2 坝料要求 中国标准中对坝体各区料的物理力学性质 颗粒级配等有明确要求 美国标准则不太具体 对于软岩筑坝的要求 中国标准同时考虑渗流 变形的要求 明确高坝应置于下游干燥区 中低坝置于上游区时应加强排水设计 美国标准无明确限定 2 关于筑坝材料及填筑标准 3 填筑标准 中国标准 坝料的填筑标准包括坝料的干密度和孔隙率 级配和碾压参数 鉴于碾压设备的改进 坝高增加 填筑标准提高 根据工程实践和研究 当坝高超过150m后 堆石坝体的变形形态对防渗面板的不利影响加大 堆石料流变对大坝的后期影响凸现 所以将以150m为界分为两级制定填筑标准 3 填筑标准 美兵团 美国标准仅对透水填筑料 反滤排水区以及反滤料的相对密度作出规定 填筑类型的选择和坝体最终设计在很大程度上还是依据经验和判断 2 关于筑坝材料及填筑标准 3 填筑标准 中美标准都是采用试验和经验来确定坝料填筑标准 原则一致 中国标准规定设计阶段要确定填筑标准 并以150m坝高分界明确提出各种坝料的压实孔隙率或相对密度要求 美标则对坝料提出相对密度 平均值 要求 中美标准都是以控制碾压参数为主 不同的是中国标准要求辅以孔隙率或相对密度参数控制 都提出了应加水碾压及通过试验确定加水量要求 美国标准强调用试验填筑结果来确定施工和压实的最佳方法 但在很大程度上还是依据经验和判断 2 关于筑坝材料及填筑标准 3 关于面板 趾板 1 趾板基础 中美标准都要求趾板应置于坚固且经过防渗处理的岩体上 建于覆盖层上时 中国标准要求对高坝进行专门论证 美国标准要求经过有经验的工程师现场鉴定 均较慎重 2 趾板宽度 中美标准都要求考虑坝基条件 坝高 或水头 施工或灌浆等因素 3 关于面板 趾板 3 趾板结构设计 中国标准规定较详细 美标未查到相关内容 4 面板尺寸和分缝 中国标准 8 1 1面板的厚度应使面板承受的水力梯度不超过200 高坝面板顶部厚度宜取0 3m 0 4m 面板厚度从顶部向底部逐渐增加 可按式 8 1 1 确定 t 0 3 0 4 0 002 0 0035 H 8 1 1 式中 t 面板的厚度 m H 计算断面至面板顶部的高度 m 低坝可采用0 3m厚的等厚面板 3 关于面板 趾板 4 面板尺寸和分缝 美恳务局 混凝土面板必须配筋 且其最小厚度应为12英寸 30cm 计算面板上某处板厚用的经验公式为 t 1 0 003h 以英尺计 式中h为该面板处以上的坝高 以英尺计 3 关于面板 趾板 4 面板尺寸和分缝 中美标准都规定面板最小厚度为0 3m 随坝高增加而逐渐加厚 但计算厚度公式高度系数时美国标准比中国标准小 及面板厚度美标略小于中国标准 中国标准规定了面板的厚度应使面板承受的水力梯度不超过200 美国标准无此规定 面板分块宽度中国标准建议为12m 18m 美标未查到相关规定 3 关于面板 趾板 5 面板混凝土 中美标准都要求面板混凝土具有耐久性 抗渗性 抗裂性 抗冻性及施工和易性 混凝土配合比 配筋相关规定中国标准较美标具体 详细 混凝土抗压强度中国要求不小于25MPa 标准立方体 美标要求不小于28MPa 圆柱体 中国标准对分期施工面板顶部与填筑体高差 面板基础平整度 施工时段等均有相应规定 美标则未查到相关条款 3 关于面板 趾板 4 关于接缝和止水 中美标准对止水材料的要求基本一致 中国标准对各类接缝 周边缝 垂直缝以及其他接缝 止水结构有明确要求 美标则未查到相关条款 5 关于坝基处理 1 基础开挖 中美标准都要求对软弱地基通过试验来确定其适应性 开挖范围及工程处理措施等原则基本一致 中国标准对趾板开挖体型 岸坡体型改造有明确要求 美标则未查到相关条款 2 基础处理 中美标准对地基范围内的断层 破碎带和软弱夹层等地质缺陷 均根据它们的产状 规模和组成物质 研究其渗透 渗透变形和溶蚀后对坝基的影响 确定相应的防渗处理和防止渗透变形和基础不均匀变形的处理措施 对于帷幕渗控标准 中国标准根据工程实践经验 提出对固结灌浆深度和帷幕灌浆深度的要求 而美国标准通常根据试验确定 5 关于坝基处理 2 基础处理 中国标准 10 2 2固结灌浆孔宜布置为2 4排 深度应不小于5m 帷幕宜布置在趾板中部 帷幕灌浆孔的布置一般为1排 1 2级坝及高坝的帷幕深度可按深入岩体透水率为3Lu 5Lu区域内5m 其他坝为5Lu 10Lu区域内5m 或按1 3 1 2坝高确定 并进行两岸坝肩的渗流控制 5 关于坝基处理 2 基础处理 美恳务局 对于一座堆石坝 防止坝下渗流和坝体防渗体与坝基之间渗漏 是至关重要的 为了减小坝下渗流 坝基通常要灌浆 确定是否需要灌浆及灌浆范围 须依据对坝址地质条件的精心分析 岩基钻孔的观察及钻孔水压试验做出 5 关于坝基处理 1 渗流计算 中美标准对于计算项目的规定大致相同 均包含了土石坝渗流分析中需要关注的要素 但在计算方案 方法上有差别 中国多采用有限元法进行计算 美标则根据不同情况列出不同的建议方法 同时 中美标准中均强调了反滤设计 渗流稳定的重要性 6 关于坝体计算 2 抗滑稳定 中美标准均重视大坝稳定分析 规定也较为详细 美国标准侧重于方法 原理介绍 中国标准的规定较为直接 实用性更强 在安全标准方面 根据不同计算工况 采用的计算方法 总应力或有效应力法 等 两种标准均给出了最小安全系数值 从安全系数看 美国标准相对保守一点 但差别不大 对厚度大于2m的趾板或高趾墙 中国规范要求进行稳定计算和应力分析 而美标则未查到相关条款 6 关于坝体计算 3 应力和变形分析 中美标准关于应力变形分析要求的原则和方法基本一致 可采用有限元数值分析和经验方法估算 中国标准中提出在应力和变形分析中 应反映坝体界面的力学特性 模拟坝体分期填筑 蓄水加载等要求 而美标则未查到相关条款 6 关于坝体计算 4 计算参数 对于试验获取计算参数时 均强调试验坝料的代表性 同时 中国标准提出对1 2级高坝在施工过程中应及时分析现场条件变化 施工质量检测资料及坝体安全监测资料 复核设计的合理性 必要时修改设计 6 关于坝体计算 7 关于抗震措施 12 0 2当地震设计烈度为 度时 宜采用下列抗震措施 1采用较大的坝顶宽度和上缓下陡的下游坝坡 并在坝坡变化处设置马道 2采取水平加筋网 浆砌石护坡等措施 增加顶部坡面的稳定性 3采用较低的防浪墙 采取措施增加防浪墙的稳定性 4确定坝体安全超高时 应计入坝和地基在地震作用下的附加沉降 5增加坝体堆石料的压实密度 特别是在地形突变处的压实密度 6应加大垫层区的宽度 当岸坡很陡时 宜适当延长垫层料与基岩接触的长度 减小垫层料的最大粒径 7宜在面板部分垂直缝内设置有一定强度又可压缩的填充板 8增加河谷中间顶部面板的配筋率 特别是面板顺坡向的配筋率 7 关于抗震措施 美恳务局和美土木工程学会 填筑坝的设计 包括能够提高它们在地震荷载下的工作性能的防护性措施 这些措施包括 设置过渡区和排水区 其级配由筛分处理控制 控制坝体各区的压实度 清除或处理强度低或密度低的坝基材料 7 关于抗震措施 7 关于抗震措施 美兵团 在可能发生强震的地区 为避免地震影响 增加坝的安全 也采用下述的防护性设计措施 确保地基砂层有足够的密度 相对密度最小70 使不透水区更具塑性 扩大不透水区 加宽坝顶 放缓坝坡 增加超高 压实坝壳 达到较高密度 加宽坝肩处坝体 7 关于抗震措施 7 关于抗震措施中美标准建议采取的抗震措施基本一致 如采取加宽坝顶 放缓坝坡 增加超高 增加垫层区和过渡区的宽度 提高坝料压实密度等 中国标准根据实践经验进一步提出坝顶附近坝体内设水平加筋网 坝坡采用浆砌石护坡 采用低防浪墙 在面板部分垂直缝内设置有一定强度又可压缩的填充板 增加河谷中间顶部面板的配筋率 坝体用砂砾石料填筑时 应增大排水区的排水能力 下游坝坡应用大块石或预制混凝土块护坡 或一定范围内采用堆石料填筑下游区等措施 相对而言 中国标准更全面 7 关于抗震措施 8 关于分期施工和坝体加高 1 分期施工 中美标准中都建议根据天然条件 导流 施工组织 资金等情况进行分期施工 分期填筑时总体应平衡 均匀上升 中国标准提出尽可能减少面板浇筑分期 合理选择面板混凝土浇筑时间 避开面板下部堆石体变形的高峰期 限制填筑高差 填筑体间坡度 重视反渗排水措施等保证大坝施工质量 增强大坝安全的要求 美标则未查到相关条款 2 挡水度汛 中国标准允许用堆石坝体或临时断面挡水度汛 允许施工期采取保护措施后堆石坝体过水 并提出相关挡水度汛 坝体过水的设计原则 美标则未查到相关条款 8 关于分期施工和坝体加高 3 坝体加高 中美标准都提到可对已建坝进行后期加高 中国标准对分期完建的面板坝 已建面板坝 土质防渗体堆石坝 混凝土坝采用混凝土面板堆石坝加高的设计原则提出了相关要求 美标则未查到相关条款 8 关于分期施工和坝体加高 9 关于安全监测 1 设计原则 中美标准对于大坝监测设计 成果分析要求基本一致 美兵团规范还强调了大坝失事模式 临界参数 应急预案方案的设计与研究 相比来说 中国标准更侧重于事前设计 美国标准强调后期根据现场条件不断修订性能参数 制定应急措施 2 设备布置及选型 中美标准对于监测设计的原则 监测部位及布置 仪器的要求基本一致 均要求参考工程经验 中国标准还提出应结合设计研究成果布置监测设备 中国标准体现了大坝研究的定量成果与定性的已有经验的结合 中国标准还提及有条件时应实行监测自动化的要求 9 关于安全监测 3 监测项目 14 0 41 2级坝和高坝应设置下列监测项目 其他坝可适当简化 1坝面垂直位移和水平位移 2坝体内部垂直位移和顺河向水平位移 3坝基覆盖层的沉降 4接缝位移 5面板变形 应变和温度 钢筋应力 6坝基和坝体渗漏量 渗透压力 7绕坝渗流 9 关于安全监测 3 监测项目 美恳务局 在填筑坝中需要监测的常规参数是 结构物位移 变形 沉降 渗漏 测压管水位和建筑物及基础内的孔隙压力 9 关于安全监测 3 监测项目 中国标准详细规定了大坝监测的重点项目 美国标准所列举的项目较为宽泛 美国标准还强调了对于一座土石坝的监测项目 更重要的是先了解现场条件及设计中担心的安全问题 针对这些问题进行相关的监测设计 因此 美国标准规定是基于对大坝的安全性态有深入了解的基础上进行的 中国标准列举的项目较为全面 但是某些项目可能不是关键性控制因素 9 关于安全监测 三 国外工程中使用本标准需关注的主要问题 中美标准相比而言 美国标准相对灵活 比较宽泛 多数美标主要给出基本理论 基本方法 考虑要素 设计原则等 相对而言 中国规范的具体建议或限定性指标较多 这样有利的一面是便于设计和实施 但对某些项目 尤其EPC项目 限定太死可能会导致项目经济性较差 因此在国际工程中 应积极推进中国规范的使用 同时也应根据具体条件有所取舍 宜根据具体工程周边筑坝材料特点 通过调整坝体坡度 材料分区 压实标准 充分利用建筑开挖料和周边材料筑坝 实现工程安全 经济和环保的目标 1 关于筑坝材料中国标准中对坝体各区料的物理力学性质 颗粒级配等有明确要求 美国标准则不太具体 2 关于基础处理中国标准根据工程实践经验 提出对固结灌浆深度和帷幕灌浆深度的要求 而美国标准通常根据试验确定 美国标准依据对坝址地质条件的精心分析 岩基钻孔的观察及钻孔水压试验做出确定是否需要灌浆及灌浆范围 渗流控制是土石坝安全的重要保障 国外重点控制渗流稳定 对渗漏量的关注度不