砌石重力坝设计大纲范本(中、小型)

1 FJD31160 FJD 水利水电工程 技术设计阶段 砌石重力坝设计大纲范本 中 小型 水利水电勘测设计标准化信息网 1997 年 11 月 2 水电站技术设计阶段 砌石重力坝技术设计大纲 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 4 2 设计依据文件和规范 4 3 设计基本资料 6 4 设计原则及假定 10 5 设计工作内容与方法 11 6 专题研究 18 7 设计成果 18 4 1 引 言 1 1 任务来源 枢纽工程由 甲方 委托本院 乙方 进行技术设计 提示 如属国家重点工程应予强调 1 2 工程概况 工程位于 省 市 县 境内 江 河 的 支流 河的 游 距 市 县城 km 是一座以 为主 结合 等综合利用的枢纽工程 提示 必要时 可简述工程在流域梯级中的位置和作用 该工程枢纽主要建筑物由大坝 输水道 电站厂房等组成 水库总库容 亿 m3 大 坝为浆砌石实体 空腹 宽缝 重力坝 坝顶高程 m 坝顶长 m 最大坝高 m 泄洪方式为 式溢洪道 设有 孔 m m 宽 高 的泄洪孔 条引水隧洞 洞径 m 总长 m 电站为 式厂房 装机 台 总容量 MW 提示 1 对于引水系统置于坝内或通过坝体 厂房置于坝内或厂房置于溢流板下等布置形 式 应特别强调 2 简述坝址的地形地貌 主要地质构造 坝基岩石岩性 产状等情况 3 简述水文气象情况 本工程初步设计已于 年 月经 审查通过 1 3 初步设计审查意见 提示 简述初步设计审查中有关大坝方面的审查意见 尤其是要求在技设中着重研究的问 题 1 4 业主对技术设计的要求 提示 主要简述以下内容 1 简述技设合同中设计方应承担的主要责任和义务 涉及水工专业的应着重叙述 2 业主要求提交设计文件的具体时间表及相应内容 3 某些并非完全由设计方决定 而是根据业主的要求确定的问题 如主材的产地 生产厂家等问题 4 业主提出的其它合理建议和要求 2 设计依据文件和规范 2 1 设计依据的文件 1 初步设计报告及附图 2 初步设计审批文件 3 水工模型试验专题报告 5 4 地质勘查专题报告 5 岩基试验专题报告 6 其它专题报告 7 技术设计合同及设计委托书 2 2 主要设计规范 1 SDJ 12 78 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 2 SD J217 87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准 平原 滨 海部分 试行 3 GB 50201 94 防洪标准 4 SDJ 21 78 混凝土重力坝设计规范 试行 及补充规定 5 SL 25 91 浆砌石坝设计规范 6 SD 120 84 浆砌石坝施工技术规定 试行 7 SL 62 94 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 8 SDJ 10 78 水工建筑物抗震设计规范 试行 9 SDJ 20 78 水工钢筋混凝土结构设计规范 试行 10 SL 47 94 水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范 11 SDJ 341 89 溢洪道设计规范 12 SDJ 336 89 混凝土大坝安全监测技术规范 13 SD 134 84 水工隧洞设计规范 2 3 主要参考文件 水利水电工程设计工程量计算规定 修改稿 2 4 设计主要参考文献 1 水工设计手册 1 8 卷 水利电力出版社 1982 2 水工建筑物设计丛书 重力坝 潘家铮 汝乃华 水利电力出版社 1983 3 中小型水库丛书砌石坝水利电力部水利调度研究所 水利电力出版社 1977 4 水力计算手册武汉水利电力学院 水利电力出版社 1983 5 水工结构分析文集 潘家铮 电力工业出版社 1981 6 水工建筑物设计丛书 坝内孔口和廊道 潘家铮 林可冀 水利电力出版社 1986 7 坝工丛书 砌石坝设计 华东水利学院 四川省水利电力局 广西大学水利出版 社 1980 6 3 设计基本资料 3 1 工程等别及建筑物级别 1 本工程属 等工程 2 本工程枢纽主要建筑物级别为 级 次要建筑物级别为 级 临时建筑物为 级 3 2 水文气象资料 3 2 1 水库区水温与气温见表 1 表 1 水库区水温与气温 单位 月 份 123456789101112多年平均 月平均气温 月最高气温 月最低气温 月平均水温 绝对最高气温 绝对最低气温 多年平均地温 3 2 2 风向 风速和砍程 1 风向 2 风速 多年平均最大风速 m s 实测最大风速 m s 3 吹程 km 3 2 3 冰情 冬季封冻期 月 月 冰层最大厚度 m 春季流冰持续时间 d 流冰尺寸 m 流冰速度 m s 流冰抗碎强度 MPa 3 2 4 坝址水位 流量关系曲线见表 2 表 2 坝址水位 流量关系曲线表 水位 H m 流量 Q m3 s 3 3 洪水标准 3 3 1 大坝设计洪水标准与相应水位见表 3 表 3 大坝设计洪水标准与相应水位表 洪 水 标 准洪峰流量 m3 s 下泄流量 m3 s 上游水位 m 下游水位 m 备 注 移民标准 P 设计洪水 P 校核洪水 P 7 3 3 2 导流洪水标准与相应水位见表 4 表 4 导流洪水标准与相应水位表 导流标准洪峰流量 m3 s 导流下泄流量 m3 s 上游水位 m 下游水位 m 备 注 枯水时段 P 全年围堰 汛期 P 过水围堰 3 3 3 发电流量与电站尾水位见表 5 表 5 发电流量与电站尾水位表 运行方式引用流量 m3 s尾水位 m备 注 单机保证出力 单机满发 全部机组满发 3 4 泥沙与水库淤积 1 多年平均含沙率 kg m3 2 多年平均悬移质输沙量 万 t 3 多年平均推移质输沙量 万 t 4 水库淤积标准 a 5 泥沙淤积高程 m 6 淤沙内摩擦角 7 淤沙浮容重 n kN m3 3 5 地形测量资料 1 库区地形图 2 坝区地形图 3 块石料场地形图 4 坝区测量控制网资料 3 6 工程地质与水文地质资料 3 6 1 地质报告及附图 1 初步设计阶段地质勘探报告 提示 若初设后有补充地质工作 则还应包括补充地质报告 2 坝址及建材料场地质图 3 专题报告 提示 指有关地质方面的专题报告 如 物探 地震 大的地质构造论证等 8 3 6 2 坝区基岩物理力学指标见表 6 表 6 基岩物理力学指标表 基岩类型新鲜岩石微风化岩石弱风化岩石软弱夹层断层备注 容重 kN m3 干抗压强度 MPa 饱和抗压强度 MPa 混凝土 岩 岩 岩 混凝土 砌体 摩擦系数 f f 砌体 砌体 混凝土 岩 岩 岩 混凝土 砌体 凝聚力 C 或 C MPa 砌体 砌体 弹性模量 E MPa 变形模量 E0 MPa 泊松比 3 6 3 地震资料 1 地震基本烈度 度 2 地震设防烈度 度 本工程大坝设计按 度考虑地震荷载 3 7 特征水位 1 正常蓄水位 汛前 m 汛后 m 2 正常尾水位 m 3 死水位 m 3 8 建筑材料物理力学指标 3 8 1 主材指标 1 水泥主要指标见表 7 表 7 水 泥 主 要 指 标 表 产地或厂家标号容重 kN m3单位水化热 J kg备 注 2 块石料主要指标见表 8 表 8 块石料主要指标表 9 料场岩石种类风化程度容重 kN m3 弹模 E MPa 泊松比 抗压强度 MPa 抗拉强度 MPa 新 鲜 微风化 弱风化 3 8 2 坝体材料设计指标见表 9 表 9 坝 体 材 料 设 计 指 标 材 料 标 号 容重 kN m3 抗压强 度 MPa 抗拉强 度 MPa 弹 模 MPa 泊松比 线胀系数 C 1 抗渗标号抗冻标号 C15 C20 混 凝 土 C25 砂浆 胶凝 材料 细 石 混凝土 砌 体 注 表中抗压及抗拉强度均指设计强度 3 9 设计控制标准 3 9 1 防渗控制标准 1 相对隔水层控制线 LU 2 渗压折减系数 帷幕 1 排水 2 3 3 9 2 抗滑稳定控制标准 提示 1 安全系数参见SDJ21 78 表2 2 SDJ21 78 表2 中的特殊组合 2 为考虑地震荷载情况 3 9 3 坝体应力控制标准 1 允许压应力见表 10 表 10 允许压应力指标 材 料强度安全系数 Ki标号允许压应力 MPa备 注 基本组合 混凝土 特殊组合 基本组合 砌 体 特殊组合 坝 基 2 允许拉应力见表 11 表 11 允许拉应力指标 10 坝体部位垂直正拉应力 一 MPa 主拉应力 一 MPa 备 注 坝 基 坝 体 3 10 闸门资料 1 部位 2 闸门形式 尺寸 m m 宽 高 3 闸门启闭力 t 4 启闭设备荷载 t 3 11 其它资料 提示 所有与设计有关的其它资料 4 设计原则及假定 4 1 设计基本原则 1 本工程砌石重力坝的设计 除要符合有关规程 规范 标准的规定要求外 还应 执行本 大纲 2 设计前应注重调查研究 深入现场 认真分析研究和掌握坝址区各项基本资料 使设计做到因地制宜 技术先进 经济合理 施工和运行安全可靠 3 在初设方案基础上 遵照初设审查结论 对大坝作进一步的优化设计 4 本阶段设计成果 应在施工过程中 根据现场实际情况 不断修改和完善 4 2 设计基本假定 1 坝体设计计算断面应选取最大断面 建基面最低处 及有代表性断面 2 坝体与岩基接触面作为平面考虑 不考虑坝基面的高低不平 3 坝体应力分析按 方法进行 且满足该方法的基本假定 提示 一般坝体应力计算采用材料力学方法 特殊情况 如空腹坝 薄肋宽缝坝等 也可采用 平面 三维有限元计算方法 4 大坝稳定分析时 坝体与坝基都假定为刚体 不考虑弹性变形 坝基面及坝体按 抗剪断考虑 软弱面按抗剪考虑 5 砌体内孔口应力分析时 可假定周边砌体为均质体 6 作用于坝基及坝体上的水压力 其面积系数采用 1 0 5 设计工作内容和方法 11 5 1 荷载与荷载组合 5 1 1 荷载计算参见 SDJ21 78 附录二及 SL25 91 附录二 考虑地震荷载时不进行地震 动力分析 5 1 2 计算工况 1 基本组合 1 工况一 水库正常蓄水位 m 正常尾水位 m 自重 扬压力 泥沙压力 浪压力或冰压力 二者取其中大者 2 工况二 水库设计洪水位 m 设计尾水位 m 自重 扬压力 泥沙压力 浪压力 动水压 力 2 特殊组合 3 工况三 水库校核洪水位 m 校核尾水位 m 自重 扬压力 泥沙压力 浪压力 动水压 力 4 工况四 工况一或工况二 取二者不利情况 地震荷载 提示 若不考虑地震设防 则工况四没有 5 工况五 工况一或工况二 其它特殊荷载 提示 若没有其它特殊荷载 则工况五没有 5 2 坝体布置 1 在初设选定的坝线及枢纽布置基础上进行坝体布置 应根据坝址地形 地质 水 文等自然条件 结合泄洪 发电 灌溉 航运等枢纽建筑物的综合利用要求统筹考虑 还 应重视冲淤 排沙及岸坡防护等问题 对初设选定的布置方案进一步进行优化 2 泄洪建筑物是大坝设计重点 在初设及水工模型试验论证基础上 对溢流坝段位 置 孔口 消能方式 包括消能工 进行进一步的复核 论证和优化 3 进一步论证坝内开设廊道和孔洞的必要性 需要设时 其位置 尺寸 数目应结 合运用要求 施工条件以及坝体结构应力状态合理确定 以求尽量简化 5 3 坝体形状设计 12 5 3 1 基本要求 1 坝体形状设计 必须满足稳定 应力及构造要求 2 宜采用优化设计方法 尽可能节省工程量 3 坝体断面形状力求简单 实用 既要考虑经济合理 同时也要考虑施工的可行性 和方便 5 3 2 非溢流坝断面设计 1 非溢流坝断面基本体型为三角形 顶点在坝顶上游点或其附近 2 上 下游面可分别采用一个或几个坡度 上游坝坡可采用 1 下游坝坡可采 用 1 上游折坡点高程应结合坝体开孔一并考虑 折坡点一般不与开孔断面重叠 3 坝顶高程不得低于水库最高静水位 4 坝顶最小宽度应满足构造 检修及交通等要求 为 m 5 空腹坝还应按下列要求进行断面设计 若非空腹坝 则此条不要 1 外廓尺寸宜采用满足稳定和应力要求的 较经济的实体坝断面 其上下游坡比 可酌予放缓 2 空腹宜位于坝底中部 略偏下游 空腹底宽宜为坝底宽度的 1 3 左右 高度宜 为坝高的 1 4 1 3 3 空腹断面形状宜采用应力状态较好的组合圆或经论证的其它形状 空腹下游面 的倒悬度不宜大于 0 3 1 空腹上游面宜倾向上游一定角度 使空腹断面轴线趋向于坝体合 力作用线 5 3 3 溢流坝断面设计 1 溢流孔口型式 选用 2 堰面曲线段 堰面曲线采用 曲线 定型设计水头 Hs m 曲线的设计参见 SDJ21 78 附录一 3 反弧段 1 反弧段采用 曲线 2 反弧段应与堰面曲线良好衔接 3 反弧段应结合下游消能设施一并考虑 反弧半径 R 采用 m 4 工作闸门 1 采用 闸门 2 闸门置于 位置 5 检修闸门 13 在初设基础上 进一步论证设置检修闸门的必要性 检修闸门一般采用平面闸门 布 置在工作闸门上游侧 两门距离应不小于 m 6 闸墩结构型式 在初设基础上 在进一步论证闸门及其启闭系统和坝顶交通布置后 决定闸墩的结构 型式 牛腿位置 闸墩尺寸等 并对其进行优化 7 深式泄水孔 不考虑设深式泄水孔 则此条不要 设深式泄水孔 其设计方法参见 SDJ21 78 第三章第三节 5 4 泄水建筑物水力设计 5 4 1 泄水能力计算 1 基本要求 1 根据初设成果和水工模型试验成果选择孔口 2 泄流能力要满足库区移民淹没及库水位控制的要求 P 时 库水位控制为 m P 时 库水位控制为 m 3 安全下泄设计及校核标准洪水 2 计算公式 参见 SDJ21 78 附录一及参考文献 4 第三篇 5 4 2 消能设计 1 消能方式选定为 消能工设计洪水频率 P 相应下泄流量 Q m3 s 下游水位 m 2 消能方式水力设计方法参见 SDJ21 78 附录一及参考文献 4 第四篇 3 消能设施的结构设计 1 参见 SDJ21 78 第三章及参考文献 4 第四篇 2 结合水工模型试验成果修改 5 5 坝体稳定应力分析 5 5 1 坝体稳定计算 1 坝体抗滑稳定计算主要核算坝基面在各种工况下的滑动条件 包括 1 沿垫层混凝土与基岩接触面滑动 2 沿砌石体与垫层混凝土接触面滑动 3 砌石体之间滑动 4 沿基岩中软弱面的深层滑动 2 计算公式采用抗剪断公式或抗剪公式 公式参见 SL25 91 第 4 3 2 条 3 对于岸坡坝段 当纵坡较陡时 一般指水平向角大于 45 应核算坝体侧向抗 14 滑稳定 5 5 2 坝体应力计算 1 坝体应力计算内容主要包括 1 各计算截面上的应力 2 坝体廊道 孔洞等消弱部位的局部应力 提示 1 空腹坝的腹拱周边 前后腿的应力 2 必要时 尚应分析坝基内部的应力 2 坝体应力计算方法 1 坝体应力以材料力学法为基本分析方法 当坝体设置混凝土防渗面板时 也可 考虑坝体一个方向异性 按分层异弹模方法分析 计算方法参见 SL25 91 附录三 2 开孔处局部应力计算方法参见参考文献 2 6 提示 1 对于处在复杂地基上的坝段 以及不能作为平面问题处理的坝体或坝段 还应进行三维 有限元法计算或结构模型试验研究 2 空腹坝宜采用有限元法计算 5 6 温度控制设计 1 坝基垫层混凝土温度控制应按 SDJ21 78 有关规定执行 2 坝体浆砌石砌筑时的温度控制 应按 SD120 84 的有关规定执行 5 7 坝体防渗设计 1 防渗形式 坝体防渗形式应结合大坝等级 当地建材 自然条件 施工工艺等因素确定 提示 浆砌石坝防渗形式一般有 1 设置在坝体上游面的防渗面板 2 设置在砌体内的防渗心墙 3 坝体自身防渗 2 防渗体设计 提示 防渗体设计包括防渗体自身及构造的设计 应按 SL25 91 的有关要求进行 5 8 坝基处理 5 8 1 砌石重力坝坝基处理设计应包括 基础开挖 固结灌浆 防渗和排水 不良地质构 造处理等 处理后的基础应满足强度 整体性 均匀性 抗渗和耐久性的要求 5 8 2 基础开挖 15 1 本工程大坝建基面开挖深度要求 1 河床部位挖至 2 两岸挖至 2 坝基开挖稳定边坡 根据地质资料和现场实际情况确定 永久边坡比为 临 时边坡比为 3 基础中存在的局部工程地质缺陷 应结合基础开挖予以处理 5 8 3 坝基固结灌浆 1 坝基固结灌浆设计应包括 1 确定灌浆具体位置及范围 灌浆孔布置 2 确定灌浆参数 3 灌浆技术要求 2 坝基固结灌浆部位应包括 1 压应力较大的坝趾部位 2 不良基岩部位 3 防渗帷幕上游侧 5 8 4 坝基防渗设计 1 坝基防渗的主要措施是设置灌浆帷幕 帷幕灌浆设计应包括 1 确定帷幕位置和深度 厚度 2 确定帷幕灌浆基本参数 3 灌浆技术要求 2 防渗帷幕设计应根据地质情况 参照 SDJ21 78 和 SL25 91 的有关规定和要求 进行 5 8 5 坝基排水设计 1 坝基排水孔布置位置 2 坝基排水设计应按规范 SDJ21 78 和 SL25 91 的有关规定和要求进行 5 8 6 断层破碎带和软弱层处理 1 对于坝基存在的断层破碎带和软弱夹层等不良地基应作处理 处理方法主要依据 地质资料参照规范 SDJ21 78 和 SL25 91 有关规定及已建工程成功经验进行 2 不良地基部位应加强固结灌浆 3 伸入库内的断层或夹层 有可能造成渗漏通道并使地质条件恶化时 应进行专门 的防渗设计 如增设防渗井或防渗墙等 5 9 坝体构造设计 16 5 9 1 坝顶构造 1 非溢流坝坝顶不得低于水库最高静水位 防浪墙顶不得低于正常运用或非常运用 的水库静水位加相应的超高 h h 的计算参照规范 SL25 91 第八章的规定进行 2 坝顶结构应满足设备布置 检修 交通和观测等方面要求 注意安全 适用 经 济 美观 3 坝顶交通桥宽 m 按 荷载设计 5 9 2 坝内廊道和开孔 1 坝内廊道根据布置需要设置 2 砌石坝体内应尽量少开孔洞 必要设置时按运行要求布置 断面不宜过大 3 应满足规范 SDJ21 78 和 SL25 91 的有关规定和要求 5 9 3 坝体分缝和坝体排水 1 坝体横缝间距 m 2 坝体横缝应设可靠止水 3 坝体内宜设置至少一排竖直排水管 排水管设在防渗体后砌体内 坝体应设置水 平排水系统 并与竖直排水管连通 5 9 4 坝体材料分区及标号 1 砌石重力坝坝基一般设置混凝土垫层 本大坝垫层厚为 m 混凝土标号为 2 坝体防渗体混凝土标号为 3 溢流面设 m 厚混凝土面板 其标号为 4 消能设施采用 材料 标号为 5 坝体廊道及开孔其周边设 m 厚混凝土 标号为 6 坝体中部浆砌体采用 材料砌筑 材料标号为 5 9 5 关于坝体配筋设计 除闸墩 导墙及启闭