【《某混凝土面板堆石坝第一主要建筑物设计计算案例》16000字】

某混凝土面板堆石坝第一主要建筑物设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u29820第一主要建筑物设计 110241.1大坝的轮廓尺寸及防浪墙设计 2259941.1.1坝顶高程和坝顶宽度 280311.1.2坝体分区 2272501.1.3坝坡与马道 391361.1.4防浪墙设计 3235551.2堆石料的设计 12114111.2.1堆石料基本特性参数 1274861.2.2垫层设计（挤压边墙） 13305551.2.3过渡层设计 14110321.2.4主、次堆石料设计 15139101.3混凝土面板设计 1669551.3.1面板厚度 16110551.3.2面板的配筋设计 1723121.3.3面板挠度计算 17106211.3.4面板分缝 18120451.4大坝稳定分析 18273301.4.1整体稳定分析 1938131.4.2坝坡稳定分析 19100831.5副坝设计 20284531.5.1副坝的型式 21175051.5.2强度和稳定验算 21242171.5.3副坝与主坝的连接 2491801.5.4副坝的防渗设计 25131241.6细部构造设计及基础处理 25221811.1.1坝顶构造 25271741.1.2护坡设计 2580421.1.3周边缝及止水设计 26138751.1.4垂直缝及止水设计 26318141.1.5其他缝及其止水设计 27164341.1.6坝基处理 27209161.7趾板设计（专题） 28261951.7.1趾板基线的确定 28271881.7.2趾板尺寸设计 294501.7.3趾板配筋设计 30225791.7.4趾板稳定分析 31106251.8工程量汇总 33296681.8.1堆石坝各分区工程量 33259261.8.2趾板工程量 34156631.8.3面板工程量 3462041.8.4副坝及防浪墙工程量 351.1大坝的轮廓尺寸及防浪墙设计1.1.1坝顶高程和坝顶宽度L型挡墙顶高程280m，根据混凝土面板堆石坝设计规范可知L型挡墙顶端要高出坝顶1~1.2m，且L型挡墙底高程一般要求要高于正常蓄水位。取L型挡墙高于坝顶1.2m，则坝顶高程=280-1.2=278.8m。坝顶宽度一般由坝的高度、坝顶结构、防汛管理、交通要求和施工场地要求等综合因素确定，规范要求低于100m的面板堆石坝坝顶宽度可取5~8m，且以过往的工程实例中以8m居多，如考虑运行期防汛管理的要求，也不宜小于8m为妥，因此本堆石坝坝顶高宽度取为8m。1.1.2坝体分区混凝土面板堆石坝的主体材料是堆石，包括硬岩和软岩。堆石坝体是维持混凝土面板堆石坝稳定的主体结构，它体积大，用料多，施工周期长。堆石材料应以充分使用枢纽附近的各种材料为准则。典型的面板堆石坝分区从上游向下游宜分为垫层区、过渡区、主堆石区（上游堆石区）、下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；SL-228—2013和DL/T5016—2011对用硬岩石料堆筑的坝体给了建议分区设计，同时规范规定“坝体材料分区可通过工程类比确定”。在本工程中，将坝体区域分为：1）防渗土料和任意料区，该区位于上游坝踵，主要作用是提高防渗能力，维持坝体稳定和保护趾板的作用，其中任意料不必人为铺填，多为河流的泥沙沉积，对坝体的防渗有利。2）为垫层料，是堆石坝主要承担防渗作用的部位之一，也是对钢筋混凝土面板起支撑作用的部位，因此在施工时对该区的碾压和沉降要重视。3）为坝体主要的填筑料，其中3A区为垫层和主堆石区之间的过渡区，由于堆石区的堆石料往往比较大空隙较大，而垫层相对颗粒较小，为满足这两区域的差异，因此要布置一定厚度的过渡料来满足防渗需求。此外堆石料也分为3B和3C两区，分别为主堆石区和次堆石区，由于此堆石区一般不受渗透压力，主要对坝体起支撑作用，因此相对主堆石区来说，次堆石用料可稍微降低要求。其中主堆石区与次堆石区界面角度应由坝料特性和坝高确定，本工程中的堆石料主要为微新千枚岩和弱风化千枚岩，其中弱风化千枚岩饱和抗压强度>25MPa，其强度属于硬岩和软岩的临界区，因此在在分区时考虑到坝体稳定的因素，次堆石区体量不宜过大，但考虑坝料使用的经济利益因素，次堆石区域不宜过小，因而考虑了洪家渡和水布垭面板堆石坝主次堆石区交界面的工程经验，取交界面坡度为1:0.3向下游倾斜。具体分区情况见下图6-1。图6-1堆石分区图1A-防渗土料1B-任意料2-垫层3A-过渡层3B-主堆石区3C次堆石区1.1.3坝坡与马道由于堆石料有较高的抗剪强度，特别是考虑非线性强度理论时，地应力区的强度指标更高，这对浅层滑动的稳定性有利。考虑到本工程的堆石料为微新和弱风化的千枚岩，均属硬岩，且本工程坝高不高。因此通过工程类比，上游坝坡采用1:1.3的坡度，下游坝坡采用1:1.4的坡度。坝坡稳定分析详见1.4.2。面板坝上游坝面通常均不变坡，也不设马道，而是一坡到底。除了高山峡谷地区和有特殊要求的情况下，下游坝坡一般也不设马道。考虑到本工程处于丘陵地区也无特殊要求，上下坝坡均不设马道。1.1.4防浪墙设计1.1.4.1防浪墙尺寸选择在面板堆石坝中，一般都在坝顶上游边缘处设置钢筋混凝土防浪墙，用以降低坝顶高度，减少堆石体的工程量，而混凝土的用量则增加不多，这样可以降低工程量和造价，加快施工进度。防浪墙一般为悬臂式结构，在浪压力作用下必须满足结构应力要求。挡墙延伸到两岸与坝头基岩或结构物相连接，形成完整的防渗体系。因此，它是坝体防渗结构的一个组成部分。坝顶上游设置L型防浪墙，根据防浪墙底部高程宜高于正常蓄水位的要求，取防浪墙底高程为271.5+0.1=271.6m，则墙高为280-271.6=3.4m。坝顶上游侧底部设0.8m宽的检修走道。L型挡墙尺寸见图6-2（尺寸单位mm）图6-2L型防浪墙尺寸1.1.4.2L型挡墙的荷载计算根据SL-3792007防浪墙应考虑到的荷载组合如下表6-1所示：表6-1防浪墙应考虑荷载组合防浪墙荷载组合计算情况荷载自重附加荷载土压力水重静水压力风浪压力基本组合完建情况√√√√√/正常水位√√√√√√设计水位√√√√√√特殊组合校核水位√√√√√√但考虑到SL-3792007考虑的是挡土墙，在此作为防浪墙考虑，为特殊情况，且该地区处6度地震区，因而可不考虑地震特殊组合，实际上存在荷载组合应如下表1.2所示：表1.2防浪墙实际荷载组合防浪墙荷载组合计算情况荷载自重附加荷载土压力水重静水压力风浪压力基本组合完建情况√√√///正常水位√√√///设计水位√√√√√√特殊组合校核水位√√√√√√由荷载组合可得到各种组合下的L型挡墙荷载图，由于完建情况和正常水位时均无水压力，二者受力情况相同，因而按一个工况进行荷载分析。图1.3从左到右依次为正常工况、设计工况、校核工况挡墙荷载图由荷载图，可进行如下荷载计算，以下计算全部取单宽1m。永久荷载：（1）自重：（6-1）式中：—钢筋混凝土容重，在此取25kN/m3；—钢筋混凝土计算体积。（2）附加荷载（土重）：（6-2）式中：—堆石容重，在此取21kN/m3；—挡土墙上方堆石体积。（3）土压力：土压力采用朗肯土压力理论计算，取单宽1m。（6-3）式中：—土压力；—土的容重，此处取为21kN/m3；—土体厚度；—土压力系数。1）主动土压力系数：（6-4）式中：—内摩擦角，由于挡墙后坝顶路面，采用和过渡料相同的细石料，为微新千枚岩，故选择A组实验参数，=38.58°；2）被动土压力系数：被动土压力的情况在该工程中不会出现，因此在此不作讨论。3）静止土压力系数：（6-5）式中：为墙后填土的泊松比，取为0.25。可变荷载：（1）水重：（6-6）式中：—水的容重；—挡墙上的水的体积。（2）静水压力：（6-7）式中：—挡墙上水的高度；—水的计算宽度，此处取1m。注：静水压力在校核工况属于偶然荷载，不同于设计工况下的可变荷载。（3）风浪压力：（6-8）式中：—波浪平均波长；—累计频率为1%的波高；—波浪中心线高出计算静水位。注：该式只是垂直面受波浪压力的理论算法，但实际上其受力并没有挡墙以下的那部分，因此采用图解法，利用CAD进行的面积和作用点的计算。工况一：正常蓄水位由于挡墙高程在正常蓄水位以上，虽然浪压力会对挡墙产生作用，但较小，因此在此忽略，只考虑作用在挡墙后的填土压力，且挡墙前端无遮挡，有向前运动趋势，因此采用主动土压力进行计算。经计算得墙身截面处以上的土压力Ea1=7.89kN，其产生的弯矩M1=4.732kN·m（逆时针），底板截面以上的土压力Ea1=9.64kN。工况二：设计洪水位虽然设计洪水位在挡墙底板以上，但实际上只有很小一部分水，对挡墙的影响很小，因此在此处忽略挡墙前的水压力和水重，只考虑浪压力和土压力。墙身截面以上：经计算得，浪压力=15.35kN，土压力为静止土压力=14.58kN其产生的弯矩=13.17kN·m（顺时针方向）。底板截面以上：经计算得，浪压力=19.98kN，土压力为静止土压力=17.82kN，自重=60kN，土重=68.04kN。所受弯矩=30.79kN·m（顺时针方向）。工况三：校核洪水位墙身截面以上：经计算得，浪压力=12.2kN，土压力为静止土压力=14.58kN其产生的弯矩为=8.674kN·m（顺时针方向）。底板截面以上：经计算得，浪压力=13.32kN，土压力为静止土压力=17.82kN，自重=60kN，土重=68.04kN，静水压力=20.81kN，水重=13.12kN。求得其弯矩=32.24kN·m。1.1.4.3L型挡水墙的抗滑稳定计算根据《SL379-2007水工挡土墙设计规范》土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数，应按公式（6-9）进行计算：（6-9）式中：—沿基底面的抗滑稳定安全系数，基本组合为1.25，特殊组合为1.1；—摩擦系数，=0.5~0.6，取=0.5；—作用在挡墙上全部垂直于基底面的荷载；—作用在挡墙上全部平行于基底面的荷载。工况一：正常蓄水位主动土压力：=9.64kN土重：=68.04kN挡墙自重：=60kN则求得抗滑稳定系数=1.64≥=1.25，满足要求。工况二：设计洪水位静止土压力：=17.82kN浪压力：=15.35kN土重：=68.04kN挡墙自重：=60kN则求得抗滑稳定系数=25.9≥=1.25，满足要求。工况三：校核洪水位静止土压力：=17.82kN浪压力：=13.32kN自重=60kN土重=68.04kN静水压力=20.81kN水重=13.12kN。则求得抗滑稳定系数=3.93≥=1.25，满足要求。1.1.4.4L型挡墙的基底应力计算根据《SL379-2007水工挡土墙设计规范》挡土墙基底应力应按公式（6-10）进行计算：（6-10）式中：为挡墙基底应力的最大值或最小值；为作用在当墙上全部垂直于基底面的荷载；为作用在当墙上的全部荷载对于挡板底板部中点的力矩之和；为挡墙基地面的面积，此处取为3m2；为挡墙基底面对于基底面中点平行前墙方向的截面矩，此处为1.5m3工况一：正常蓄水位经计算得=128.04kN（顺时针）计算得：<25MPa工况二：校核洪水位=141.16kN（顺时针）计算得：<25MPa两种工况下挡墙平均基底应力均小于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；且挡墙基底应力的最大值与最小值之比为1.8小于规范允许的2.5。所以基底应力满足要求。1.1.4.5L型挡墙抗倾覆稳定计算根据《SL379-2007水工挡土墙设计规范》规定，土质地基上的挡土墙，在同时满足以下2个规定的要求时，可不进行抗倾覆稳定计算：（1）在各种计算情况下，挡土墙平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍；（2）挡土墙基底应力的最大值与最小值之比不大于2.5。本设计挡土墙同时满足以上2个规定，故不进行抗倾覆稳定计算。1.1.4.6L型挡墙配筋计算（1）墙身配筋计算最危险工况判定：工况一：正常蓄水位墙身底截面上只受到主动土压力产生的弯矩。其产生的弯矩=4.73kN·m（逆时针）工况二：设计洪水位以静止土压力和浪压力产生的弯矩为主。其合弯矩为=2.15kN·m（顺时针）工况三：校核洪水位主要由静止土压力、静水压力、浪压力产生的弯矩为主。其合弯矩=11.32kN·m（顺时针）。故最危险工况为工况三——校核洪水位配筋计算：(6-11)式中：—结构重要性系数，结构安全级别为Ⅱ级，=1.0；—设计状况系数，=1.0；、为永久、可变荷载分项系数，其中浪压力取1.2，土压力取1.2，静水压力取1.0。通过计算得=14.68kN·m根据《SL379-2007水工挡土墙设计规范》规定，墙身配筋可按固支在底板上的悬臂板受弯构件计算：由于防浪墙处于水位变动区，故环境类级为三类，混凝土保护层厚度=30mm，=35mm，取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C20，则轴心抗压强度设计值=10.0N/mm2。钢筋采用HRB300热轧钢筋，=270N/mm2。截面抵抗矩系数：（6-12）式中：—结构系数，取值为1.2；—截面有效高度，365mm；求得=0.016。（6-13）算得=0.016<=0.544，属于适筋破坏。钢筋面积：（6-14）算得=211.3mm2配筋率：（6-15）算得=0.059%<=0.15%因此采用最小配筋率配筋：（6-16）算得=547.5mm2因此选配7A10（=550mm2），分布钢筋采用4A10。在下游侧采用构造对称配筋，选配7A10，分布钢筋采用4A10。配筋图详见细部构造图。（2）底板配筋计算：最危险工况判定：底板截面主要承受自重，基底反力和盖土重作用，在三种工况下自重和盖土重一样，而校核洪水位工况下的基底反力大于正常蓄水位和设计洪水位这两种工况的基底反力，故最危险工况应为校核洪水位工况。配筋计算：根据《SL379-2007水工挡土墙设计规范》规定，前趾和底板配筋可按固支在墙体上的悬臂板按受弯构件计算。通过计算得=33.56kN·m（逆时针）由于防浪墙处于水位变动区，故环境类级为三类，混凝土保护层厚度=30mm，=35mm，取单位宽度1m进行计算，混凝土采用C20，轴心抗压强度设计值=10.0N/mm2。钢筋采用HRB300热轧钢筋，=270N/mm2。通过计算得：截面抵抗矩系数=0.03。=0.03<=0.544，属于适筋破坏。钢筋面积：=405.6mm2配筋率：=0.11%<=0.15%故采用最小配筋率配筋：=547.5mm2因此选配7A10（=550mm2），分布钢筋采用4A10。1.2堆石料的设计1.2.1堆石料基本特性参数堆石料为微新千枚岩和弱风化千枚岩，具体堆石试验参数如下：软化系数：微新岩石>0.7弱风化岩石>0.55饱和抗压强度：微新岩石>40MPa弱风化岩石>25MPa其它试验参数见表6-3。表6-3堆石试验参数组别试验干密度（g/cm3）C(kPa)KnGFDA2.104738.586800.350.820.460.201.5B2.056037.726000.320.810.430.181.81.2.2垫层设计（挤压边墙）设置垫层区最初的目的是为了均匀支撑面板。但作为坝体水力过渡的一部分，当面板出现一般性裂缝时，垫层区与其下游的过渡区之间应符合反滤准则；同时，相对面板主要防渗功能，它又应具备第二道防渗线的作用。根据《SL228—2013》规定：垫层区应具有良好连续级配，最大粒径为80~100mm，粒径小于5mm的颗粒含量宜为35%~55%，小于0.075mm的颗粒含量宜为4%~8%。压实后应具有自身渗透稳定性、低压缩性、高抗剪强度，渗透系数宜为10-3~10-4cm/s，并具有良好的施工特性。虽然本工程坝址流域砂砾石料贫乏，但在江湾水和段莘水域有梨苗场和古玩料场，距大坝约10~15km，有公路相同，运输方便，且石料均为砂卵（砾）石混合料储量丰富质量良好，满足工程要求。因此本工程垫层区采用砂砾石料作为填筑材料。本工程拟采用汽车直接卸料、推土机平料进行机械化施工，因此垫层区水平宽度定为3m。垫层料表面的坡保护采用挤压边墙的方式进行。垫层区（2A）的石料级配曲线如图1.3所示：图6-3垫层料级配曲线特殊垫层区（2B）的石料级配曲线如图6-4所示：图6-4特殊垫层料级配曲线由于未进行现场碾压实验，因此本设计根据规范经验给出参考填筑标准和碾压参数，由于尚未进行砂砾石实验，因此以下标准仅供参考，具体情况应根据现场试验确定。垫层区的填筑标准设置如下表6-4所示：表6-4垫层区坝料填筑标准和碾压参数填筑分区坝料名称最大粒径dmax小于5mm%小于0.075mm%孔隙率%碾压层厚cm碾压遍数加水量%2A垫层料80406184083~52B特殊垫层料30506~81820831.2.3过渡层设计过渡区（3A）位于垫层区（2A）和主堆石区（3B）之间。过渡料的作用是满足与垫层料之间的层间关系。根据规范《SL228-2013》规定：过渡料最大粒径不宜超过300mm，级配连续，压实后应具有低压缩性和高抗剪强度，并具有自由排水性能。本工程坝址附近坝址附近广泛分布绿泥绢云母千枚岩，弱至微风化岩石，岩性较坚硬，力学强度较高，质量较好，储量丰富，可作为大坝堆石料。因此采用其中的细石料作为过渡区主要材料。在以往的工程中，常有垫层和过渡层宽度之和达到6m的情况，且水工设计手册中要求，过渡层水平宽度也不宜小于3m，因此考虑到施工方便，因此本设计采用过渡层和垫层区水平宽度等宽，为3m。过渡区（3A）的石料级配曲线如图6-5所示：图6-5过渡区石料级配曲线由于未进行现场碾压实验，因此本设计根据规范经验给出参考填筑标准和碾压参数，因此以下标准仅供参考，具体情况应根据现场试验确定。过渡区（3A）的填筑标准设置如下表6-5所示：表6-5过渡区坝料填筑标准和碾压参数填筑分区坝料名称最大粒径dmax小于5mm%小于0.075mm%干密度g/cm3孔隙率%碾压层厚cm碾压遍数加水量%3A过渡料300306~82.1020408151.2.4主、次堆石料设计主堆石区位于坝轴线及其上游，是坝体最高部位，也是坝体应力最大的部位。主堆石区（上游堆石区，3B）与次堆石区（下游堆石区，3C）一起，是重力式坝体的承载主体，也是大坝费用的主体，对整个坝体的技术经济合理性有至关重要的作用。主堆石区的基本要求是变形小、与相邻区变形协调并满足水力过渡和渗透稳定要求。主堆石区设计的基本原则是料源平衡原则、变形协调原则和水力过渡原则。根据《SL228—2013》规定，用于主堆石区的硬岩堆石料压实后应具有自由排水性能、较高的抗剪强度和较低的压缩性。堆石料最大粒径不应超过压实层厚度，小于5mm颗粒含量不宜超过20%，小于0.075mm颗粒含量不宜超过5%。由于本工程坝址处有大量优质千枚岩，属硬岩，满足强度要求，因此采用当地材料千枚岩进行筑坝。因此主堆石区（3B）的石料级配曲线如图6-6所示。图6-6主堆石区石料级配曲线次堆石区也是构成坝体的主要成分，但由于远离面板，受水荷载的影响很小，其压缩性对面板变形影响甚微，仅起到为稳定下游坝体的作用。因此可采用硬度相对较低但同属硬岩的弱风化千枚岩，堆石级配同主堆石区相同。由于未进行现场碾压实验，因此本设计根据规范经验给出参考填筑标准和碾压参数，因此以下标准仅供参考，具体情况应根据现场试验确定。堆石区（3B、3C）的填筑标准设置如下表6-6所示：表6-6堆石区坝料填筑标准和碾压参数填筑分区坝料名称最大粒径dmax小于5mm%小于0.075mm%干密度g/cm3孔隙率%碾压层厚cm碾压遍数加水量%3B主堆石料800170~52.1020808203C次堆石料800170~52.05231506~8201.3混凝土面板设计1.3.1面板厚度混凝土面板是设置在坝体垫层上的主要防渗结构，从整体上来看具有一定柔性，但局部看来刚度较大。根据《SL228—2013》规定，坝高低于150m的中低坝，可采用0.3~0.4m的等厚面板。因此在本设计中混凝土面板采用0.4m的等厚面板。1.3.2面板的配筋设计面板配筋是为了控制温度裂缝和水泥硬化初期的干缩裂缝，限制这些裂缝的扩展，并将可能发生的条数较少、宽度较大的裂缝分散为条数较多而宽度较小的裂缝。面板配筋在混凝土浇筑中也能起到约束混凝土，避免混凝土沿坡面臌胀、流淌的作用。一般情况下，面板配筋多为构造钢筋，很少为结构应力的需要。根据规范《SL228—2013》规定，面板宜采用单层双向配筋，钢筋可置于面板界面中部或偏上位置，每向配筋率宜为0.3%~0.4%，水平向配筋率可小于顺坡向配筋率。因此在本设计中，钢筋置于面板中部，顺坡向配筋率为0.4%，水平向配筋率为0.3%。钢筋采用HRB335热轧钢筋，混凝土采用C25W12F100。经计算单位宽度钢筋面积=800mm2，分布钢筋=600mm2。因此顺坡向钢筋配筋4B22（实际=1520mm2），水平向钢筋配筋4B20（实际=1256mm2），水平钢筋布置在顺坡钢筋上层，以便工人施工行走，具体配筋图如图6-7所示：图6-7面板配筋图1.3.3面板挠度计算蓄水期混凝土面板最大挠度应按下式计算：（6-17）式中：为坝高为堆石体变形模量通过试验可知，本工程的堆石体弱风化千枚岩的弹性模量为（0.8~1）×104MPa。取系数为0.16，通过计算可得：=0.00105cm。1.3.4面板分缝图6-8面板分缝图例面板在进行分块时应考虑河谷形状、面板应力、变形计算及施工条件，面板的垂直缝分别设置为8m和16m。在河谷两岸部位，局部受拉，河床部位，局部受压，为满足面板整体的变形协调条件，因此考虑将河谷两岸的面板垂直缝间距设置为8m，在河床部位的面板垂直缝间距为16m。周边缝是趾板与面板间的接缝。由于面板与趾板分别位于碾压堆石体和基岩之上，本设计中由于左岸布置了溢洪道，溢洪道的挡墙作为面板的整体系统，替代趾板，因此在溢洪道挡墙与面板之间也设置周边缝。面板垂直缝从坝顶沿坝坡一直延伸到周边缝，方向与坝轴线垂直，在周边缝处转弯，使之垂直于周边缝L=1m，见图6-9。图6-9周边缝附近垂直缝布置1.4大坝稳定分析1.4.1整体稳定分析规范《SL228—2013》规定面板堆石坝坝坡宜参照已建工程选用，可不进行稳定分析。但当存在下列情况之一时，应进行相应的稳定分析：（1）100m及以上高坝。（2）地震设计烈度为8度、9度的坝。（3）地形条件不利。（4）坝基有软弱夹层或坝基砂砾石中存在细沙层、粉砂层或粘性土夹层。（5）坝体用软岩堆石料填筑。（6）施工期堆石坝体过水或堆石坝体临时断面挡水度汛时。本工程在初步设计阶段坝区共发现断层20条。坝基开挖后，在坝基部位新发现小断层14条及两条风化夹层，但密度均较小。因此本工程虽参照已建工程确定的坝坡，且由硬岩堆砌，但由于符合了上述规范的第4条，因此需要进行坝坡稳定分析。同时由于本工程地处6度地震区，因此不必进行地震稳定分析，仅进行坝坡稳定分析，具体分析过程见下节1.4.2。1.4.2坝坡稳定分析通常在进行坝坡稳定分析时，可采用瑞典弧分法和滑楔法，但是瑞典弧分法理论上存在缺陷，在孔隙压力较大和深滑弧的情况下，计算结果往往失真，因此规范《SL274—2020》规定，对于面板堆石坝，应采用滑楔法进行坝坡稳定分析。在进行堆石体坡面稳定设计之前，要通过现场碾压试验和室内大型三轴试验，测得堆石体各区的干容重和内摩擦角。但在进行试验和采用这些参数时，应考虑堆石体各部分自重的垂直压应力的不用对这些参数的影响。比如，在堆石体较低部位，所受的垂直压应力较大，石块的棱角可能被压碎，使石块与石块之间咬合较差，因此其内摩擦角就相对较小；繁殖，在堆石体的较高部位，自重的垂直压应力较小，石块之间咬合作用较好，其内摩擦角也相对较大。由于在分析堆石体上游坡面的稳定程度时，不考虑上游的水库水压力作用，因而上下游坡面的稳定计算方法基本相同。由于上游坡坡度相对比下游坡陡，因此在本设计中只进行了上游坝坡面的稳定计算。计算原理：计算时，先假定堆石体的坡面，与水平面相交的坡角和，绘制堆石体的横剖面图，然后再横剖面图上，假定几种由折线组成的可能滑动面，如图1.8：图6-10折线法计算简图将滑动土体分为两块，各块重量分别计为和，两块土体底面的抗剪强度分别为和。采用折现法滑动静力计算法，假定条间作用力为P，其方向为水平。则土块的平衡式为：（6-18）（6-19）考虑各滑动面上抗剪发挥程度一样，两式中安全系数应相等，因此可联立方程求解。在规范《SL274—2020》中，对折现法稳定分析规定的稳定安全系数要求中，堆石体坝坡抗滑稳定系数最小安全系数根据正常运行条件和III级工程等级，取[K]=1.2。当条间力假设为水平向时，安全系数可降低8%，故[K]=1.104。借此验算上游坝坡是否稳定：假定4组滑动面，分别按上述方法算出。（具体计算过程见计算书）得出的Kc分别为1.465、1.754、1.338、1.277均满足要求，坝坡稳定。但由于在取四个滑动面的时候存在一些主观性，并不一定会刚好取到坝坡最危险的截面，故结果存在一定误差。1.5副坝设计1.5.1副坝的型式由于右岸山体存在垭口，山体较陡，且山体顶高程较低，低于坝高，因此应修建副坝以挡水。副坝的型式可以为：重力式挡墙、堆石坝体等，本工程若考虑料源问题，本应采用与主坝材料相同的堆石坝，但由于右岸山体坡度较陡，如果布置当地材料堆石坝的话，在垭口处由于山体较陡，坡脚线无法与地形线相交，所以不宜布置。副坝若采用混凝土重力坝，规范要求混凝土重力坝必须建造在基岩上，而右侧山体270m以上为全风化岩石，若要建设需将右岸山体全部开挖至270m高程处，开挖量巨大，因此在本设计中副坝的型式确定为混凝土重力式挡墙。副坝坝顶采用与主坝的坝顶相同的宽度，坝顶高程与主坝同高为278.8m。在混凝土重力式挡墙末端与主坝连接处浇筑成1:0.3的坡面。副坝横剖面如图6-11所示：图6-11副坝剖面图1.5.2强度和稳定验算1.5.2.1荷载组合计算根据《SL319-2018混凝土重力坝设计规范》规定，作用在坝上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载，基本荷载包括：自重、静水压力、扬压力、淤沙压力、正常蓄水位和设计洪水位的浪压力、冰压力、土压力、动水压力及其他荷载。特殊荷载包括：校核洪水时上下游坝面的静水压力、校核洪水位的扬压力、校核洪水位时的浪压力、校核洪水位时的动水压力、排水失效时的扬压力、地震荷载。由于在本工程中混凝土坝作为副坝高度较低，且坝底高程较高，修建在右岸坚硬的岩石上，因此在此不考虑淤沙压力、土压力及动水压力，同时又由于该地区平均最低气温为4.6℃，仅有极端情况下低于零度，因此在此亦不考虑冰压力。且该地区处于6级地震区，不考虑地震荷载。因此通过计算，各荷载组合下的荷载如表6-7：表6-7副坝的荷载组合荷载组合主要工况荷载（kN）自重静水压力扬压力浪压力基本组合正常1313.5260.1281.639.9设计1313.5290.69101.441.8特殊组合校核1313.52151.02139.514.61.5.2.2副坝强度验算根据《SL319—2018》规定，混凝土重力坝截面设计后要进行应力计算器计算的内容应该为下列内容的部分、全部或另加其他内容：（1）计算坝体选定截面上的应力（2）计算坝体削弱部位的局部应力（3）计算坝体个别部位的应力（4）需要时分析坝基内部的应力本工程的副坝由于坝高很小，而把坝体宽度又相对较大，因此未设置廊道、引水管道，且该坝仅挡水坝顶不溢流，因此计算时不考虑上述2、3项内容，同时由于该副坝体型较小，因此不进行坝体混凝土分区，仅使用同一混凝土浇筑，因此不考虑上述4的内容，因此仅考虑上述1中的截面上的应力进行计算，又由于该坝无折坡面，因此仅考虑坝底截面进行计算分析，同时由于副坝体型较小，施工时可一次性浇筑完毕，因此不考虑施工期的荷载。坝基截面的垂直应力计算：根据规范《SL319—2018》规定，重力坝坝基截面的垂直应力应按式6-20进行计算：（6-20）式中：为坝基截面垂直应力，kPa；为作用于坝段上或1m坝上全部荷载（包括扬压力，下同）在坝基截面上法向力的总和，kN；为作用于坝段上或1m坝长上全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和，kN·m；为坝段或1m坝长上的坝基截面积，m2；坝基截面上计算点到形心轴的距离，m；坝段或者1m长的坝基截面对形心轴的惯性矩，m4。（1）正常蓄水位下的坝基截面垂直应力：坝踵：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝踵部位满足要求。坝趾：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝趾部位满足要求。（2）设计洪水位下的坝基截面垂直应力：坝踵：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝踵部位满足要求。坝趾：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝趾部位满足要求。（3）校核洪水位下的坝基截面垂直应力：坝踵：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝踵部位满足要求。坝趾：通过计算kPa<1MPa远小于地基承载力以及混凝土抗压强度，且无拉应力，因此坝趾部位满足要求。综上所述，该混凝土副坝在垂直应力上满足强度要求。1.5.2.3副坝抗滑稳定计算根据规范《SL319—2018》规定，混凝土坝的抗滑稳定计算主要核算坝基面滑动条件，采用刚体极限平衡法应按抗剪断强度公式或抗剪强度公式计算坝基面的抗滑稳定系数。本设计采用抗剪强度公式进行计算：抗剪强度公式：（6-21）式中：为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数，在本次设计中根据建基面岩体有关地质参数建议值取摩擦系数为0.3；为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数；为作用于坝段上或1m坝上全部荷载（包括扬压力，下同）对滑动平面的法向分值，kN；为作用于坝体上全部荷载对滑动面的切向分值，kN。滑动面抗滑稳定计算：由于副坝与主坝同为III级建筑物，根据规范《SL319—2018》可知，根据抗剪强度公式计算的应不小于1.0。（1）正常蓄水位：通过计算=3.68>1满足抗滑稳定要求。（2）设计洪水位：通过计算=2.73>1满足抗滑稳定要求。（3）校核洪水位：通过计算=2.06>1满足抗滑稳定要求。因此综上所述，该副坝在滑动面上满足抗滑稳定要求。1.5.3副坝与主坝的连接土石坝与混凝土建筑物的连接形式，有插入式和侧墙式，一般插入式较经济，侧墙式结构形式简单，施工质量容易保证，受力分析较明确，但工程量较大，故中坝、低坝用的较多，但是在过往工程经验中，侧墙式连接往往用于船闸、溢洪道等在上下游方向有很长的挡墙延伸的水工建筑物。因此在本设计中，在主坝和副坝的连接处采用插入式连接，插入深度为3.5m为连接处坝高的1/2。本设计中堆石坝坝顶与混凝土坝坝顶等高布置，为满足交通要求，采用圆弧段连接，转弯半径为9.1m。由于该堆石坝有钢筋混凝土挡墙，因此连接段与堆石坝的防浪墙同时浇筑并与面板分缝错开。根据规范《SL274—2020》要求，堆石坝与混凝土坝连接面坡度不宜陡于1:0.25，因此本设计连接面坡度设为1:0.3。混凝土趾板与副坝挡水面紧密相连，其接缝采用与主坝一致的止水措施。具体布置如枢纽布置图。1.5.4副坝的防渗设计副坝作为一重力式混凝土挡墙，在坝基处进行固结灌浆和帷幕灌浆，与主坝部分的帷幕灌浆相连形成统一的整体防渗体系，在副坝与主坝的连接段由于只存在钢筋混凝土防浪墙部分而无面板部分，因此将混凝土防浪墙与副坝挡墙浇筑为一体，并在分缝处放置止水。形成趾板+钢筋混凝土面板+帷幕灌浆的防渗体系。1.6细部构造设计及基础处理1.1.1坝顶构造由坝的高度、坝顶结构、防汛管理、交通要求和施工场地要求等因素综合考虑，本工程取坝宽8m，并设L型挡墙，具体尺寸见图6-2。具体图形见细部构造图。1.1.2护坡设计堆石坝坡本身可以防止雨淋和人为破坏，可不做护坡，但为满足外部观测、排水、生态环境及美观等要求，一般需要做护坡。我国过去常采用干砌石护坡，但规范《SL274—2020》中提出，干砌石护坡费工费料一般不建议采用，因此本工程采用混凝土预制六棱块护坡型式，该型式随成本稍高，但安装难度较低，且受天气影响较小，对施工工期影响较小，同时本工程规模中等，不会产生较大的费用差异，所以本设计选择混凝土预制六棱块护坡。1.1.3周边缝及止水设计周边缝位于面板与趾板两种变形性质相差较大的分界面上，主要是为了满足面板和趾板直接相互位移的要求，是面板坝防渗体系中最薄弱的环节，是可能漏水的主要部位。由于影响周边缝位移的因素很多，目前尚无准确的预测方法，一般通过工程类比来进行确定。因此在本工程中，类比相似坝高的面板堆石坝如龙溪、小干沟、琅琊山上库等，将周边缝定为2cm宽。规范《SL228—2013》提到50m~100m高度的坝设置两道止水可以满足大坝运行要求。因此在本设计中只设置顶部止水和底部止水两道止水。顶部设置为GB柔性填料，底部设置为铜片止水。图6-11面板周边缝止水结构1.1.4垂直缝及止水设计面板垂直缝要承受堆石体的变形，受两岸岸坡的约束，垂直缝同样会产生张压、沉降和剪切三向位移。一般两岸岸坡为张性缝，河床中部为压性缝。规范《SL228—2013》规定张性垂直缝的止水结构应参考周边缝。所不同的是，由于张性缝的接缝位移较小，嵌缝填料的数量和止水带（片）的尺寸可以适当减小。同时在《水工设计手册》（第二版第六卷）中也提到，无论是垂直张性缝还是压性缝，所产生的相对位移都较小，因此采用硬拼缝结构，顶部止水设置为GB柔性填料，底部止水为铜片止水，止水铜片下设置PVC垫片并粘合在水泥砂浆垫座上，止水铜片两侧底角设置沥青止浆条。图6-12面板垂直缝止水结构1.1.5其他缝及其止水设计（1）防浪墙与面板的水平接缝，设置顶、底两道止水，其中顶部采用GB柔性填料止水，底部采用铜片止水。（2）防浪墙墙体缝内设一道止水铜片，且该止水铜片与和防浪墙底缝连接。（3）趾板伸缩缝与面板的垂直缝错开，伸缩缝设置一道铜片止水，一端与周边缝的止水相接，另一端埋入基岩内，构成封闭制水系统。1.1.6坝基处理面板堆石坝的坝基处理重点为：趾板地基处理、堆石体地基处理、覆盖层处理以及坝基防渗处理等。对于有覆盖层且覆盖层深度不大的坝址区，一般采用趾板区域一定范围内覆盖层全部挖除，由坝体区域的覆盖层厚度确定覆盖层是否完全挖除的方案。1.1.1.1趾板地基处理趾板宜置于坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化至新鲜基岩上，也可置于经过处理的强风化地基上，本设计中由于左右岸山体在240m~270m高程处基本为强风化岩石，若完全挖到弱风化基岩处，开挖量较大，不经济。因此考虑在左岸240m高程以上的趾板区域，全部开挖到强风化岩石处，并进行深度的固结灌浆处理，同时对左岸以F22为代表的断层和破碎带进行局部开挖并回填混凝土。在右岸235~270m高程处的趾板区域，将覆盖层全部开挖后，在强风化岩石处进行同左岸相同的固结灌浆和开挖回填处理。对于低于240m高程的岸坡趾板区域和河床区域，在完全清除覆盖层后，全部开挖至弱风化岩石处，对于开挖后出现的断层、裂隙和风化夹层，全部进行局部开挖和混凝土回填，并进行固结灌浆。以保障趾板的安全稳定。在处理完所有断层、破碎带和软弱夹层后，统一对趾板进行固结灌浆和帷幕灌浆处理，形成统一的防渗体系。1.1.1.2堆石体地基处理堆石体地基处理的主要目的：清除影响坝坡稳定的不良地质体；消除周边缝附近影响面板与周边缝应力变形的基础条件；有利于坝体填筑碾压。《水工设计手册》（第二版第六卷）中提到，堆石坝体可置于风化岩基上，变形模量应不低于堆石坝体的变形模量，且趾板下游约0.3~0.5倍高程范围内的地基沉降将影响面板的变形。因此在本设计中，由于山体处覆盖层厚度较薄在山体岸坡240m以上处全部开挖至强风化岩层，并清除强风化岩层表面的软弱表层，并且开挖的岸坡坡度不允许出现反坡和坡度陡于1:0.25的陡坎，对于局部可能出现的反坡与陡坡应进行低强度等级的混凝土进行补坡。并对240m以下的岸坡处开挖至弱风化岩层，坡度要求与上述相同。对于河床部位覆盖层，由于本工程坝址区的松散堆积物主要为冲击砂卵石和漂石厚1~1.5m，覆盖层厚度较薄，因此考虑全部开挖清除，同时开挖出的砂卵石和漂石可以作为填筑材料。在清除覆盖层后，对宽度较小的断层及破碎带、软弱夹层不作抽槽回填处理；对于宽度大于0.3m的断层、软弱夹层及破碎带等进行抽槽回填C15混凝土置换处理。1.1.1.3坝基防渗处理在本工程中主要通过固结灌浆和帷幕灌浆组成防渗体系，在趾板处进行固结灌浆，并设置一排帷幕灌浆，灌浆深度应深入岩体透水率5~10Lu区域内5m，同时帷幕灌浆与副坝处的帷幕灌浆相连，组成统一的防渗体系。此外在存在破碎带及软弱夹层的趾板处，加密加深帷幕灌浆。1.7趾板设计（专题）1.7.1趾板基线的确定趾板基线是面板底面线与趾板底面的交点，是趾板设计、施工是控制点，趾板基线在空间上呈一系列的连接线段，折线转角应根据地形、地质条件确定，以最大限度地保证每段趾板都布置在地质条件较好、工程量较小和施工方便的岸坡上。具体趾板基线布置如图6-13。图6-13趾板X线的拟定1.7.2趾板尺寸设计趾板尺寸一般应满足三种要求：必须满足坝基渗流控制和止水系统可靠的要求，并结合地基处理措施确定；必须满足填筑坝体与坝基之间的变形协调的要求；应满足施工方便的要求。同时趾板的宽度可根据趾板下基岩的容许水力梯度和地基处理措施确定。趾板横剖面上面板迎水面与水平线的夹角是一个空间角度，可通过下式进行计算：（6-22）式中：、—BC段趾板两端点的高程（见图1.12）；—趾板BC段在坝轴线方向上的投影长度；—面板垂直于坝轴线方向上的设计坡度，即堆石体上游坡度；由于要满足滑模施工的要求，将滑模息止长度（斜长段）设置为1m。趾板厚度为满足自身稳定和起到灌浆盖板的作用，在考虑温度应力和施工的要求下，将趾板厚度定为与面板同厚为0.4m。由于局部超挖或地形不平整等原因，可能使趾板有较大的厚度，此时可以分两次浇筑，先将超挖部分填平，再在其上浇筑正式的趾板。由此就可定出各分段趾板的尺寸，具体分段和趾板尺寸如下表6-8、6-9：表6-8趾板分段表分段迎水面与水平线的夹角°开挖高程（m）坝轴线方向投影长度（m）实际长度（m）AB25.78272.5254.5922.4731.98BC30.17254.5923931.1842.86CD35.2723922745.8648.79DE37.5922722732.0732.07EF24.0822724622.2238.00FG33.1224626549.7758.38GH29.76265271.621.1229.10表6-9趾板尺寸表分段趾板底高程范围（m）最大水头（m）趾板宽（m）斜长段（m）趾板厚（m）AB272.5254.5923.1430.840.4BC254.5923939.6441.440.4CD23922751.6441.150.4DE22722751.6441.030.4EF22724651.64410.4FG24626532.6441.260.4GH265271.613.6431.470.4趾板的具体形式和尺寸见图6-14。图1.14趾板型式及尺寸图1.7.3趾板配筋设计规范《SL228—2013》中提到，对趾板进行配筋的目的是为了限制裂缝的发生，消除由收缩及温度应力所引起的较宽对耐久性有害的裂缝。建造在基岩上的趾板仅需要在表面配筋，由于本设计的趾板布置于新开挖的基岩上，因此对趾板表层进行单层双向配筋，配筋率为0.3%，保护层厚度取10cm，钢筋采用HRB335热轧钢筋，混凝土采用C25W12F100。横向钢筋选用B25@100（实际As=4909mm2，配筋率ρ=0.306%~0.343%），纵向钢筋选用6B18（实际As=1527mm2，配筋率ρ=0.38%）配筋图见图6-15。为使趾板混凝土与基岩有很好的粘结，也避免灌浆时浆液对趾板形成显著压力，本工程在趾板地基处设置锚筋，采用直径30mm的砂浆锚杆，间距1.5m，长3m，用90°弯钩与趾板表面配筋相连，布置两排。由于左岸240m高程和右岸235m附近为强弱风化岩石的分界处，为避免在水库水压力的作用下趾板与地基之间沉降不均，在左岸240m和235m附近加密锚杆至间距0.6m。同时本工程混凝土趾板不设伸缩缝，施工时设置临时宽槽，浇筑后回填。图6-15趾板配筋图1.7.4趾板稳定分析规范《SL228—2013》中提到，趾板一般可不进行稳定计算和应力分析，趾板厚度超过2m或采用趾墙时，类似于混凝土挡墙，需进行稳定计算和应力分析。稳定计算可以采用刚体极限平衡法，且计算时不必计算锚筋的作用以及与面板之间的传力，堆石压力只考虑主动土压力。应力分析可采用材料力学法。本设计中大部分趾板都等厚，仅在右岸河床边冲沟处需要建设高趾墙，因此本设计中仅对高趾墙进行稳定分析和应力计算，计算要求参考的是《SL319—2018混凝土重力坝设计规范》。由地形图可知，在河床右岸存在冲沟和阶地，此处高程变化剧烈，因此需要修建趾墙来满足趾板的建筑需求，由地质资料可知，河床部位存在1~1.5m的砂卵石以及漂石，冲沟处存在1~6m的积壤土和碎块石土，因此在本设计中，在挖除趾板处的积壤土和碎块石土后，先浇筑混凝土回填冲沟，后再浇筑趾墙，扣除河床清基的深度2m。因此趾墙后最大的堆石厚度确定为8.5m（偏大，偏保守）。图6-16高趾墙布置图通过计算，可计算得到荷载如下表6-10，在空库状态下，土压力荷载为主动土压力荷载，在正常蓄水位和校核洪水位中，土压力按静止土压力计算。表6-10趾墙荷载表荷载组合主要工况荷载（kN）自重静水压力扬压力土压力基本组合正常1111.64020.9900.23660.83特殊组合校核1111.64222.9977.63660.83空库1111.6001842.17趾板强度验算采用的是材料力学法，根据前文公式6-20进行计算，计算成果如下：正常蓄水位：受压区最大应力=1467.7kPa<11.7MPa（C25混凝土受压强度设计值）受拉区最大应力=561.1kPa<1.78MPa（C25混凝土受拉强度设计值）因此满足强度要求。校核洪水位：受压区最大应力=1579.2kPa<11.7MPa（C25混凝土受压强度设计值）受拉区最大应力=655.9kPa<1.78MP