碾壓混凝土實體重力壩設計大綱

1、FJD31050 FJD水利水電工程 技術設計階段碾壓混凝土實體重力壩設計大綱范本(大中型)水利水電勘測設計標準化信息網(wǎng)1999年3月 工程 技術設計階段碾壓混凝土實體重力壩設計大綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫 人 員: 軟 件 開 發(fā) 單 位: 軟 件 編 寫 人 員: 勘測設計研究院 年 月目 次1. 引言42. 設計依據(jù)文件和規(guī)范43. 設計基本資料44 壩體布置65. 水力設計76. 壩體斷面設計87. 碾壓混凝土材料配合比及層面抗剪斷參數(shù)的試驗128. 壩體穩(wěn)定應力分析139. 壩體構造1610. 壩基處理設計1611. 壩體觀測設計171

2、2. 專題研究1713. 工程量計算1714. 設計成果181 引言1.1 適用范圍本設計大綱范本適用于技施設計階段一般地區(qū)大中型碾壓混凝土重力壩的設計。 工程位于 ，是以 為主，兼有 等綜合利用的水利水電樞紐工程。擋水建筑物為碾壓混凝土實體重力壩，最大壩高 m，水庫正常蓄水位 m，總庫容 億m3，電站機組 臺，總裝機容量 MW，多年平均發(fā)電量 億kW·h。2 設計依據(jù)文件和規(guī)范2.1 主要依據(jù)文件(1) 工程可行性研究報告；(2) 工程可行性研究報告審批文件；(3) 工程技術設計任務書；(4)有關工程文件和會議紀要。2.2 主要設計規(guī)范(1)SDJ 12-78 水利水電樞紐工程等級

3、劃分及設計標準(山區(qū)、丘陵區(qū)部分)(試行)及補充規(guī)定；(2)GB 50201-94 防洪標準；(3)SDJ 21-78 混凝土重力壩設計規(guī)范(試行)及補充規(guī)定；(4)DL/T 5005-92 碾壓混凝土壩設計導則；(5)SL 48-94 水工碾壓混凝土試驗規(guī)程；(6)SDJ 341-89 溢洪道設計規(guī)范；(7)SDJ 10-78 水工建筑物抗震設計規(guī)范(試行)；(8)SDJ 20-78 水工鋼筋混凝土結構設計規(guī)范(試行)；3 設計基本資料3.1 工程等別和建筑物級別(1)工程等別為 等；(2)建筑物級別為 級。3.2 地震烈度(1)地震基本烈度 度；(2)地震設防烈度 度。3.3 洪水標準(1

4、)設計工況洪水重現(xiàn)期s a；(2)校核工況洪水重現(xiàn)期x a。3.4 水庫淤積(1)泥沙淤積高程 m；(2)泥沙內摩擦角 °；(3)泥沙浮容重 kN/m3。3.5 氣溫與水溫(1)月平均氣溫，見表1。表1 月平均氣溫表 單位：月 份123456789101112平均氣溫(2)絕對最高氣溫 ；(3)絕對最低氣溫 ；(4)多年平均氣溫 ；(5)水庫水溫 。3.6 風速與吹程(1)相應于洪水期多年平均最大風速 m/s；(2)風的吹程 km。3.7 冰情(1)冰期 月 月；(2)冰蓋最大厚度 m；(3)流冰特征：冰塊厚度 m；面積 m2；流速 m/s；流冰破碎強度 MPa；流冰量 m3。3.8

5、 地質資料(1)地質年代 ；(2)巖性 ；(3)巖層走向 ；(4)巖層傾向 ；(5)巖層傾角 。(6)壩基巖石物理力學指標巖石抗壓強度，見表2。表2 巖石抗壓強度 單位：MPa巖 性平均飽和抗壓強度允許承壓強度壩建基面抗剪斷強度參數(shù)：微風化巖石： ； ；弱風化巖石： ； 。巖體變形特性，見表3。表3 巖體變形特性指標巖性及構造變形模量GPa泊松比 巖石 巖石斷層破碎帶斷層影響帶(7)壩址巖石風化深度，見表4。表4 壩址巖石風化深度位 置左 岸右 岸河 床風化帶下限全強弱微全強弱微弱微風化深度，m4 壩體布置提示：(1)壩體布置應結合樞紐布置全面考慮，一般應首先考慮泄洪建筑物的布置，使下泄水流不

6、致沖淘壩基和其它建筑物基礎，并使其流態(tài)和沖淤不致影響其它建筑物使用，還應妥善解決排沙、沖淤以及岸坡防護等問題。(2)為了盡量多的采用碾壓混凝土，宜選用表孔式溢洪道，放空洞選用壓力流即(將工作門置于下游壩面)。(3)大中型水利水電樞紐工程的泄洪建筑物布置應經(jīng)整體水工模型試驗進行驗證。4.1 布置原則4.2 泄洪建筑物設計數(shù)據(jù)(1)泄洪孔口型式 ；(2)泄洪孔口尺寸 m× m；(3)泄洪孔口孔數(shù) 孔；(4)閘門型式 ；(5)堰頂高程 m；(6)堰面曲線方程 ；(7)閘墩厚度 m；(8)放空孔型式 ；(9)放空孔孔口尺寸 m× m；(10)放空孔孔數(shù) 孔；(11)放空孔進口底板高

7、程 m；(12)放空孔閘門型式 ；提示：一般消能型式有挑流、底流和面流。選用挑流消能時，按規(guī)范可給出鼻坎高程 m、反弧半徑 m和挑角 ；若選用底流或面流消能時，消力池或消力戽的幾何尺寸要通過水力學計算確定。(13)消能型式及消能工幾何尺寸 。4.3 壩軸線座標壩軸線控制點座標，見表5。表5 壩軸線控制點座標 單位：m控制點座 標ABC4.4 壩體分塊分段提示：壩段名稱按其功能填寫，如溢流壩段、底孔壩段、廠房進水口壩段等。自右(左)起1號壩塊 號壩塊為 壩段， 號壩塊 號壩塊為 壩段。5 水力設計5.1 泄洪能力計算(1)表孔泄流能力計算：(1)式中：Q流量，m3/s；mz流量系數(shù)；收縮影響系數(shù)

8、；m淹沒系數(shù)；B溢流堰總凈寬，m；Hx計入行進流速的堰上水頭，m；g重力加速度，m/s2(2)底孔泄流能力計算：(2)式中：Q流量，m3/s；孔口流量系數(shù)；Ak出口處孔口面積，m2；Hz計入行進流速的孔口堰上水頭，m；g重力加速度，m/s2。5.2 泄洪建筑物調洪演算成果調洪演算成果，見表6。表6 調洪演算成果表泄洪方式 孔 (寬×高)m；堰頂高程Ñ 項 目洪水頻率校核洪水 設計洪水 下游防沖洪水 起調水位，m頻率洪水流量，m3s壩前最高水位，m最高水位相應泄量，m3s最大泄量相應下游水位，m發(fā)電流量，m3s正常蓄水位，m正常尾水位，m預留防洪庫容水位，m5.3 整體水力學

9、模型試驗提示：主要試驗項目有：(1)泄流能力；(2)采用挑流消能時的挑距、沖坑深、堆丘高度、兩岸回旋流速等；(3)采用面流或底流消能時，由模型試驗驗證計算所得的消力戽或消力池、消力檻的幾何尺寸。6 壩體斷面設計提示：碾壓混凝土重力壩設計，按照碾壓混凝土中膠凝材料的貧與富，存在著兩種設計方法，即基于土工原理和混凝土壩原理的兩種不同方法。前者設計的壩斷面大，工程量也大，但對壩體碾壓混凝土強度指標和施工質量標準要求低；而后者設計的壩斷面小，工程量省，但對壩體碾壓混凝土強度指標和施工質量標準要求高。隨著碾壓混凝土技術的發(fā)展，施工工藝和質量監(jiān)測與控制措施的不斷完善，目前采用混凝土壩原理在我國建成了多座壩

10、高接近和超過100m的富膠碾壓混凝土壩。富膠碾壓混凝土壩已成為碾壓混凝土筑壩技術發(fā)展的主要潮流。本大綱建議按混凝土壩原理設計大壩斷面。6.1 設計原則提示：一般取最高溢流壩段和最高擋水壩段斷面為基本斷面，其它如底孔壩段斷面、廠房進水口壩段斷面、通航壩段斷面等，均由以上兩種基本斷面，根據(jù)其功能及結構特點修改而成。6.2 基本斷面選擇6.3 計算假定(1)混凝土重度 24 kN/m3(2)按擬靜力法計算地震慣性力水平向地震系數(shù)H 地震慣性力系數(shù) (3)揚壓力圖形圖1 河床壩段壩基面 圖2 碾壓混凝土層面及岸坡壩段壩基面6.4 作用在壩體上的荷載及荷載組合 作用在壩體上的荷載圖3 作用在壩體上的荷載

11、(1)水平力：上游水壓力1 ；水平泥沙壓力2 ；上游面冰壓力3 ；上游面浪壓力4 ；下游面水壓力5 ；地震時作用于壩體庫水慣性力6 ；地震時壩體水平向慣性力7 ；地震時泥沙動土壓力8 ；泄洪時反弧段動水壓力水平分力 。(2)垂直力：壩體自重1 ；作用在上游傾斜面上的垂直壓力(包括水重及泥沙重)2 ；作用在壩基面上揚壓力3 ；地震時壩體垂直向慣性力4 ；下游傾斜面(壩面)上水重5 ；反弧段動水壓力垂直分力 。 荷載組合表7 荷載組合荷載組合運行工況荷載自重靜水壓力揚壓力泥沙壓力風浪壓力地震荷載動水壓力冰壓力基本組合(1)正常蓄水位情況基本組合(2)冰凍情況特殊組合(1)校核洪水位情況+特殊組合(

12、2)正常蓄水位+地震情況特殊組合(3)地震情況說明：特殊組合(3)指大壩建成尚未蓄水的情況6.5 斷面優(yōu)化提示：(1)以往混凝土重力壩斷面優(yōu)化設計，習慣用壩體經(jīng)濟斷面選擇法或其它試算法，也可設計出相對較好的重力壩體型。但因其方法的局限，難以確保求得最優(yōu)化方案，而且工作量繁重。(2)隨著計算機技術發(fā)展，目前多采用數(shù)學規(guī)劃法的非線性規(guī)劃求解壩體最優(yōu)斷面。由于其約束條件大都是復雜的隱函數(shù)不好求導數(shù)，需采用迭代和搜索的數(shù)值計算方法求解。復形法是解決這類問題的常用方法，它具有收斂速度快，成果可靠等優(yōu)點?？刹捎眠\用復形法編制的碾壓混凝土重力壩(RCGD)優(yōu)化設計程序進行優(yōu)化計算，該優(yōu)化設計程序已通過國家鑒

13、定，并已用于龍灘工程碾壓混凝土重力壩的國際招標設計，經(jīng)手算對比成果可靠。并采用了“交互式”輸入和“圖形曲線”輸出定性分析計算成果的前后處理系統(tǒng)，用戶操作運用方便，建議采用。(3)壩高150 m以內的碾壓混凝土重力壩斷面優(yōu)化設計，應力計算采用材料力學方法和穩(wěn)定計算采用抗剪斷強度公式還是適用的。(1)優(yōu)化計算方法(2)設計變量設計變量見圖4和圖5。提示：壩斷面優(yōu)化目標是使壩斷面工程量最小，而達到大壩整體工程量最小，即基本斷面面積最小。(3)目標函數(shù)(4)約束條件 圖4 溢流壩段基本斷面 圖5擋水壩段基本斷面1上游面壩坡 2上游面起坡點高程 3溢流壩段下游壩坡4溢流壩段下游面起坡點高程5擋水壩段下游

14、面壩坡6擋水壩段下游面起坡點高程表8 壩基面穩(wěn)定、應力約束條件荷載組合運行工況抗滑穩(wěn)定壩踵正應力(計揚壓力)Mpa壩趾正應力，MPa計揚壓力不計揚壓力基本組合正常蓄水位情況3.0yu0ydcb特殊組合(1)校核洪水位情況2.5yu0特殊組合(2)正常蓄水位+地震情況2.3yu0注：基巖允許壓應力：cb=。表9 壩體控制層面穩(wěn)定、應力約束條件荷載組合運行工況抗滑穩(wěn)定上游面最小主應力MPa下游面最大主應力MPa計揚壓力不計揚壓力計揚壓力不計揚壓力基本組合正常蓄水位情況3.01010.252特殊組合(1)校核洪水位情況2.51010.25特殊組合(2)正常蓄水位+地震情況2.31特殊組合(3)僅考慮

15、地震注：表中為計算截面處靜水頭；碾壓混凝土允許壓應力=；碾壓混凝土層面允許拉應力=。(5)斷面優(yōu)化成果表10 斷面優(yōu)化成果表斷面名稱建基面高程m上游起坡點高程m上游壩坡ln下游起坡點高程m下游壩坡lm溢流壩擋水壩(6)層面抗剪斷強度參數(shù)設計要求值(，)提示：根據(jù)層面上揚壓力計算假定和層面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，可以反算出不同高程層面上抗剪斷強度參數(shù)(，)的設計要求值。表11 壩體斷面參數(shù)表層面高程m溢流壩斷面擋水壩斷面?zhèn)?注0.91.01.10.91.01.1(1)壩內層面揚壓力圖形(2)單位：7 碾壓混凝土材料配合比及層面抗剪斷參數(shù)的試驗提示：壩高在100 以內，可借鑒其它工程的有關資料類比確定

16、。大型工程需根據(jù)設計所要求的碾壓混凝土層面抗剪斷參數(shù)值提出試驗任務，進行碾壓混凝土材料的配比設計和現(xiàn)場原位抗剪斷試驗，并對試驗原始數(shù)據(jù)作數(shù)理統(tǒng)計分析，提出層面抗剪斷參數(shù)的建議值。7.1 試驗任務7.2 試驗碾壓混凝土層面抗剪斷參數(shù)建議值及配合比表12 試驗碾壓混凝土層面抗剪斷參數(shù)建議值及配合比試驗工況ABC膠材用量CF級 配入倉溫度，間歇時間，層面處理情況均值小值平均綜合值法建議參數(shù)NP80NP(80)vf0.20vc0.30提示：若試驗的碾壓混凝土各種配比的抗剪斷強度參數(shù)、的建議值，均不滿足設計要求值，仍需采用試驗建議值時，則應重新進行斷面優(yōu)化，該斷面往往不是建基面控制，而是層面控制斷面幾何

17、尺寸。否則也可將原優(yōu)化斷面的碾壓混凝土高程提高。碾壓混凝土層面抗剪斷強度參數(shù)、是設計碾壓混凝土壩斷面的主要參數(shù)，因此，建議進行專題研究。7.3 說明8 壩體穩(wěn)定應力分析提示：(1)斷面優(yōu)化設計采用的是傳統(tǒng)的材料力學方法和抗剪斷強度公式，僅對其建基面和某些控制層面的邊緣應力和整體穩(wěn)定作為約束條件進行了計算。在優(yōu)化斷面確定之后，還必須采用有限元方法，計算和分析壩體內應力、應變規(guī)律，以及某些控制層面點強度的安全系數(shù)等，進一步復核優(yōu)化斷面的安全可靠性。(2)計算方法推薦采用常規(guī)的彈塑性有限元法，塑性分析采用塑性理論的正交流動法則與無拉分析相結合的方法，即當材料受壓時，相應的屈服條件為Mohr-Coul

18、omb準則，當材料受拉時，相應屈服條件為抗拉強度準則。(3)計算程序推薦采用平面彈塑性有限元應力與穩(wěn)定分析專用程序EPS7，該程序已通過國家鑒定，并在龍灘碾壓混凝土重力壩國際招標設計中得到應用。8.1 計算分析方法8.2 有限元網(wǎng)格剖分及邊界條件提示：(1)碾壓混凝土具有明顯的成層特性，層間膠結不好則構成相對較弱面，從而引起壩體應力狀態(tài)變化，因此，嚴格的講，應將每個層間設置節(jié)理單元，但這樣會使單元和結點太多，計算工作量太大。因此建議只在某些關鍵部位，如建基面與控制層面、幾何輪廊突變部位、材料分區(qū)界面等，布設有厚度的Goodman節(jié)理單元，碾壓混凝土本體布設塊體單元，采用四結點等參單元，用三角形

19、單元進行邊界和疏密過渡。只要合理布設計算單元可得到滿意結果。(2)計算模型的壩基范圍上下游分別延伸3倍和2倍壩底寬，基礎深度取2倍壩高，基礎周邊均為雙向約束即u=v=0。(3)另外，碾壓混凝土還具有各向異性的特性，即法向和切向彈模有差異，經(jīng)研究其差異甚小，對應力影響不大，故仍視為各向同性。8.3 各區(qū)材料主要物理力學參數(shù)表13 各區(qū)材料主要物理力學參數(shù)表材料分區(qū)彈模104MPa泊松比容重kN/m3抗剪斷強度殘余強度厚度m抗拉強度MPaMPaMPa常態(tài)混凝土CC()CC()碾壓混凝土RCC()本體RCC()本體RCC()層面RCC()層面基礎()基礎()8.4 成果整理分析(1)基本斷面特性點位

20、移值表14 基本斷面特性點位移表 單位：mm斷面及工況基本斷面位移值壩頂上游面上游面折坡點壩踵壩址堰項鼻坎溢流壩正常工況校核工況擋水壩正常工況校核工況(2)基本斷面應力特征值表15 基本斷面應力特征值表單元類型材料分區(qū)應力取值MPa單元形心坐標x、y(m)點安全系數(shù)混凝土本體塊體單元RCC()最小主應力最大主應力RCC()最小主應力最大主應力最小主應力最大主應力RCC(n)最小主應力最大主應力層面節(jié)理單元RCC()最大正應力對應剪應力最小正應力對應剪應力RCC()最大正應力對應剪應力最小正應力對應剪應力最大正應力對應剪應力最小正應力對應剪應力RCC(n)最大正應力對應剪應力最小正應力對應剪應力

21、(3)壩體主應力1、2等值線圖(4)典型層面的剪應力s，正應力n和層面點安全系數(shù)分布曲線圖點安全系數(shù)計算公式：(3)9 壩體構造9.1 壩體上游面防滲、排水結構設計提示：碾壓混凝土壩是一種典型的成層體系結構，其層面既是抗滑穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié)，也是滲流的主要途徑。層面滲流可導致層面揚壓力升高，而影響層面抗滑穩(wěn)定，且對碾壓混凝土耐久性產(chǎn)生不利影響。因此，碾壓混凝土壩的壩身防滲、排水是至關重要的，特別是高碾壓混凝土壩。(1)上游壩面承受的水壓力大，防滲結構須能承受較大的水力梯度。(2)上游壩面防滲面積大，并長期淹沒于水下，維修條件差，因此要求其具有很好的可靠性和耐久性，確保在長期運行中壩體內揚壓力低于設

22、計值。(3)防滲、排水結構力求簡單，使其在施工過程中不致影響碾壓混凝土壩體的上升速度。(1)設計準則提示：從總體而言防滲結構有剛性的和柔性的兩大類，其中剛性的有：(1)3 m5 厚常態(tài)混凝土防滲體；(2)1 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板；(3)表面布筋的2級配碾壓混凝土。柔性的有：(4)預制混凝土板內貼PVC薄膜；(5)瀝清混凝土。通過上面5種防滲結構方案的防滲效果及可靠性、耐久性、施工進度和造價5個主要因素的綜合比較分析，推薦出一種適合本工程的防滲方案。壩體排水系統(tǒng)要求緊接防滲體，包括排水廊道、豎向排水管及水平排水管，從而保證防滲體的滲漏水能及時排走?？傊Ｄ雺夯炷翂紊嫌螇蚊娣罎B、排水結構設計，關系到碾壓混凝土壩的設計成敗，尤其是對高碾壓混凝土壩而言。因此，建議列項進行專題研究。(2)方案比較9.2 壩體分縫(1)縱縫(一般不設縱縫)提示：(1)國外已建成的碾壓混凝土壩如柳溪壩、上靜水壩，均不同程度地發(fā)生了橫向貫穿性裂縫，產(chǎn)生了較大滲漏，影響大壩安全運行。因此適當設置大壩橫縫，防止壩體產(chǎn)生貫穿性裂縫是非常必要的。(2)壩體碾壓混