拱壩設計準則

拱壩設計準則第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)《混凝土拱壩設計規(guī)范》總則第二節(jié)主要術語第三節(jié)拱壩布置第四節(jié)水力設計第五節(jié)荷載第六節(jié)拱壩的應力分析第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

1.0.1根據(jù)水利部1997年下達的技術標準制定、修訂計劃，水利水電規(guī)劃設計管理局的水規(guī)局（1997）7號文《關于印發(fā)水利水電勘測設計技術標準工作會議有關文件的通知》以及SL01-97《水利水電技術標準編寫規(guī)定》，對SD145-85《混凝土拱壩設計規(guī)范》進行修訂。1.0.2為適應混凝土拱壩建設發(fā)展的需要，規(guī)范混凝土拱壩設計要求，對SD145—85《混凝土拱壩設計規(guī)范》進行修訂使工程設計做到安全適用、經(jīng)濟合理、技術先進、質(zhì)量保證，特制定本規(guī)范。第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1.0.3混凝土拱壩的級別，應符合SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》的規(guī)定。1.0.4本規(guī)范適用于水利水電樞紐中1、2、3級混凝土拱壩的設計。4、5級混凝土拱壩設計可參照使用。壩高大于200m或有特殊情況的拱壩工程，應進行專門研究。1.0.5混凝土拱壩按其壩高分為低壩、中壩和高壩。低壩高度為30m以下，中壩高度為30-70m，高壩為70m以上。1.0.6混凝土拱壩按其厚高比分為薄拱壩、中厚拱壩和厚拱壩(或稱重力拱壩)。薄拱壩厚高比小于0.2，中厚拱壩厚高比為0.2-0.35，厚拱壩厚高比大于0.35。第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1.0.7混凝土拱壩的設計應重視下列問題

1充分掌握建壩地區(qū)的氣象、水文、泥沙、地形、地質(zhì)、地震、建筑材料、生態(tài)、環(huán)保、工業(yè)衛(wèi)生、河流規(guī)劃、施工及運用條件等基本資料，特別是壩址拱座的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。2認真分析拱壩的穩(wěn)定和應力，合理選擇拱壩體形。3做好壩體防洪安全設計和泄洪消能防沖設計，并應研究薄拱壩的壩身泄洪產(chǎn)生的結構問題。4宜研究降低或放空庫水的設施，以及地震區(qū)拱壩的抗震設計。第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一5研究施工導流和度汛、澆筑設施及交通運輸?shù)仁┕l件，提出對壩體混凝土質(zhì)量和溫度控制的要求，并應研究壩體澆筑和接縫灌漿順序、施工蓄水過程中壩體自身的穩(wěn)定和應力及其度汛問題。6合理布置安全監(jiān)測系統(tǒng)，認真做好安全監(jiān)測設計。第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.0.1拱壩在平面上拱向上游，將荷載主要傳遞給兩岸的曲線形壩。2.0.2厚高比拱壩最大壩高處的壩底厚度與壩高之比。2.0.3拱壩體形拱壩所采用的型式、形狀和尺寸。它包括兩方面的含義，一是豎向拱冠梁截面形狀，二是水平拱圈截面形狀，即分別被稱為“梁型”和“拱型”。2.0.4單曲拱壩水平截面呈曲線形，而豎向懸臂梁截面不彎曲的拱壩。2.0.5雙曲拱壩 水平截面和豎向截面均呈曲線形的拱壩。第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.0.6拱梁分載法將整個拱壩分為水平拱和懸臂梁兩個系統(tǒng)，根據(jù)拱系和梁系在其交點處變位相等的條件來確定拱梁荷載分配的分析方法。2.0.7剛體極限平衡法將可能滑動的巖體作為剛體，采用極限平衡原理，計算沿滑動面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的分析方法。2.0.8拱座拱壩所座落的兩岸巖體部分，包括兩岸壩體直接澆置的部位和上、下游一定范圍內(nèi)的巖體。2.0.9拱座穩(wěn)定包括拱座的抗滑穩(wěn)定、拱座的變形穩(wěn)定和拱座的滲透穩(wěn)定。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.0.10推力墩設置在壩體與基巖之間，將拱端推力傳至基巖的結構物，在地形突然開闊或地質(zhì)上有缺陷時采用。2.0.11拱壩墊座設置于拱壩壩體與基巖之間、寬度大于該處壩體厚度的人工地基。2.0.12拱壩周邊縫設置于拱壩與河床及岸邊混凝土墊座之間的接觸縫。2.0.13拱圈中心角拱壩中心線與拱軸線在拱座交點處半徑之間的角度為拱圈半中心，角其左右半中心角之和即為拱圈中心角。第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2.0.14斷面平均溫度沿水平拱厚度方向的平均溫度。2.0.15等效線性溫差沿水平拱厚度方向，將實際溫度分布按分布圖形面積矩相等的原則，換算成直線溫度分布時的上下游溫差。2.0.16設計正常溫降（溫升）保證率為50%的年最低最高月平均氣溫與多年月平均氣溫的差值，也可采用多年平均氣溫年變幅。2.0.17有限元法用有限多個、有限大小、在有限多個連結點處相連接的單元組合而成的離散化模型去逼近由無限多個微小單元組成的連續(xù)介質(zhì)，建立平衡方程式，基于計算機的一種數(shù)值分析方法。第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.1拱壩體型選擇3.1.1拱壩體形應根據(jù)壩址河谷形狀、地質(zhì)條件、拱座穩(wěn)定、壩體應力、泄洪布置以及施工條件等因素進行選擇。3.1.2根據(jù)壩址河谷形狀選擇拱壩體形時，應符合下列規(guī)定：1V形河谷，可選用雙曲拱壩。2U形河谷，可選用單曲拱壩。3介于V形與U形之間的梯形河谷，可選用單曲拱壩或者雙曲拱壩。

4當壩址河谷的對稱性較差時，壩體的水平拱可設計成不對稱的拱，或采用其他措施。第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

5當壩址河谷形狀不規(guī)則或河床有局部深槽時宜設計成有墊座的拱壩3.1.3當?shù)刭|(zhì)、地形條件不利時，選擇拱壩體形應符合下列要求：1可采用兩端拱圈呈扁平狀、拱端推力偏向山體深部的變曲率拱壩；2可采用拱端逐漸加厚的變厚度拱或設墊座的拱壩；3當壩址兩岸上部基巖較差或地形較開闊時，可設置重力墩或推力墩與拱壩連接。

第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3.2拱壩泄洪布置3.2.1拱壩泄洪布置，應根據(jù)體形、壩高、泄洪量大小、電站廠房位置、泄洪方式（如溢洪道、泄洪洞等）、壩址地形、地質(zhì)、施工條件、施工期導流及度汛的要求等，經(jīng)綜合比較選定。常用的拱壩泄流方式有壩頂泄流、壩身孔口泄流、壩面泄流、壩肩滑雪道泄流、壩后廠頂溢流（廠前挑流）等。3.2.2拱壩壩身泄洪，其溢流段的長度、孔數(shù)、泄流孔尺寸、位置等，應根據(jù)泄洪量和水頭大小、對壩體應力及下游沖刷的影響與后果、樞紐運行要求，以及對相鄰建筑物的影響等方面研究確定。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

3.2.3當采用拱壩壩身泄洪時,應符合下列要求:1下泄水流與壩腳應保持足夠的安全距離，下游宜保持足夠的水墊深度。2應重視泄洪水流挑入河床對兩岸山體穩(wěn)定和其他建筑物運行安全的影響。3泄洪量較大時，宜研究落水點縱向拉開、橫向擴散或采用對沖消能。4應重視泄洪霧化對下游兩岸山體、電氣設備以及交通等的不利影響，必要時應采取相應的防護措施。3.2.4壩身設置的中部偏上的中孔、中部偏下的深孔或底部附近的底孔應符合下列要求：1孔口的位置宜避開高應力區(qū)和基礎約束區(qū)。2孔口尺寸應根據(jù)壩體厚度、應力集中程度、水頭大小、閘門允許尺寸等確定。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一3孔口數(shù)目應根據(jù)所承擔的泄洪量大小壩體應力影響程度等確定。4孔口斷面宜采用高寬比為0.8-1.6的矩形。3.2.5當采用壩身孔口泄洪時，宜設置攔（清）、導（泄）等防污排污措施，并參照SL285—2003《水利水電工程進水口設計規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

4.1一般原則4.1.1拱壩泄洪、消能、防沖的水力設計應包括下列內(nèi)容：

1泄水建筑物的泄流能力設計；2泄水建筑物的進水口和流道體形設計3泄水建筑物下游水流銜接和消能防沖建筑物設計4與高速水流相關的抗空蝕防霧化設計5其他有關的水力設計第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.1.2泄水建筑物和消能防沖建筑物的洪水標準，應按GB50201-94《防洪標準》和SL252-2000的規(guī)定執(zhí)行。4.1.3拱壩的水力設計除必須滿足泄洪要求外，還應滿足汛前預泄、放空庫水、施工渡汛、排漂、排沙、排冰及下游供水等要求。4.1.4水力條件復雜的泄水建筑物和消能防沖建筑物，應經(jīng)水工模型試驗論證，必要時還應進行減壓模型試驗。水力條件簡單的中型工程，其水力設計可參照類似工程經(jīng)驗，經(jīng)計算分析確定。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.2泄水建筑物水力設計4.2.1泄水建筑物可分為壩身式、岸邊式和隧洞式三類。壩身式泄水建筑物按其進口所處部位和水力學特性等因素,可分為表孔、淺孔、中孔、深孔和底孔等型式。岸邊式和隧洞式泄水建筑物的水力設計，應符合SL253-2000《溢洪道設計規(guī)范》和SL279--2002《水工隧洞設計規(guī)范》的規(guī)定。4.2.2壩身表孔和淺孔可設計為壩頂挑流或跌流，也可設計為沿壩面或滑雪道泄流。表孔設置胸墻且胸墻起擋水作用時，應按淺孔設計。表孔的堰面曲線宜采用冪曲線，淺孔的堰面曲線宜采用拋物線，經(jīng)過數(shù)值計算或模型試驗論證，也可采用其他堰面曲線。淺孔出口采用壓板時其體形曲線宜由水工模型試驗確定。第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.2.3深式泄水孔（包括中孔、深孔和底孔）宜設計成有壓孔。對于厚拱壩也可設計成短有壓孔接無壓孔，但應避免無壓孔內(nèi)出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)象。無壓孔在平面上宜作直線布置，其出口宜高出下游水位，并應防止在孔內(nèi)出現(xiàn)水躍。有壓孔應進行壓力坡線計算，不得出現(xiàn)負壓。有壓孔出口處斷面應逐漸收縮，有壓孔進、出口面積之比可根據(jù)有壓段長度及壓力分布經(jīng)綜合分析后確定。4.2.4深式泄水孔應在進口處設置事故檢修門，事故檢修門及通氣孔設計應符合DLT5039-95《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》的規(guī)定。閘門槽負壓過大，可能引起空蝕破壞時，應改進門槽型式，或改用無門槽閘門。第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.3消能防沖水力計算4.3.1泄水建筑物的下游應設置相應的消能防沖設施。長期淹沒于水下的消能防沖設施（如消力池、水墊塘、消力戽、短護坦、二道壩等）應提供檢查及維修的方便條件。4.3.2拱壩泄洪宜采用多種泄水建筑物相結合的布置型式。壩身式泄水建筑物，宜采用挑流，跌流消能方式。深式泄水孔也可采用底流、戽流消能方式。多種壩身泄水孔聯(lián)合運行時，宜采用同高程孔口泄流左右對沖消能，或不同高程孔口泄流上下對沖消能，或高孔跌流配合低孔的底流面流消能等組合消能方式。4.3.3挑流消能方式適用于堅硬基巖上的高、中壩，其設計應符合下列規(guī)定：第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1沖坑深度較大或壩基存在下傾軟弱構造，并可能被沖坑切斷而危及壩基穩(wěn)定時，或岸坡可能被沖塌而危及拱座穩(wěn)定時，應采取有效防沖措施。2挑流鼻坎的體形及挑角的大小，宜通過比較確定。采用差動式鼻坎時，應合理選擇反弧半徑、高低坎寬度比、高程差及挑角差。亦可視需要在鼻坎與反弧段之間接入直線過渡段，或在適當部位采取通氣措施。3鼻坎的設置高程應能保證自由挑流。4.3.4跌流消能設計應對各級流量進行水力計算，估算水舌拋射距離、范圍和最大沖坑深度等，并應符合下列要求：1跌流消能水力要素，在初步設計階段可按本規(guī)范附錄確定，必要時應通過水工模型試驗論證。2應分析研究水舌下緣的通氣條件以及壩基、拱座的防護措施。第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.3.5挑流或跌流消能，若自然水墊厚度不足時，應根據(jù)岸坡和壩址基巖情況采取下列相應措施：1岸坡和壩址基巖堅硬完整，在沖刷不影響大壩及其他重要建筑物安全且具有檢修條件時，應參照類似工程經(jīng)驗，經(jīng)研究比較后采取先沖后護的方法。2岸坡沖刷威脅拱座穩(wěn)定時，應調(diào)整布置或?qū)Π镀逻M行可靠的防護。若壩址基巖完整性較差或裂隙較發(fā)育。應根據(jù)類似工程經(jīng)驗或水工模型試驗成果，采用短護坦二道壩和人工水墊塘等工程措施。3在下游尾水位較低的情況下，應先泄放小流量，待具備適當尾水深度后再泄放大流量。第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.3.6底流消能適用于壩體下游有軟弱基巖、下游水位流量關系較穩(wěn)定的河道，或樞紐設有過船、過木或過魚等建筑物，而要求下游水流較平穩(wěn)的情況底流消能設計應符合下列規(guī)定：1有排冰或排漂要求時，不宜采用底流消能。2地形適宜時，消力池的前段或全段可設計成斜護坦。護坦上是否設置輔助消能工，應結合其工作條件研究確定。當躍前斷面平均流速大于16m/s時，在消力池前段不宜設置消力墩。3施工時殘留于消力池中和尾坎下游回流范圍內(nèi)的石渣、雜物等，應清除干凈。4在寒冷地區(qū)，宜保持輔助消能工冬季淹沒于水下。第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.3.7底流消能設計應對各級流量進行水力計算，確定護坦高程、長度、邊墻或?qū)敻叱碳拔菜蜎]度等，并應符合下列規(guī)定：1初步設計階段，護坦長度可根據(jù)輔助消能工設置情況及水力特性，按本規(guī)范附錄確定。1、2級拱壩或高壩以及有水流向心集中情況者，其護坦長度、邊墻高度及消能工的體形尺寸和位置等，應經(jīng)水工模型試驗驗證。2尾水淹沒度可取0.95—1.05。3消力池兩側導墻頂?shù)母叱炭筛鶕?jù)躍后水深并計及超高確定?？亢哟惨粋鹊膶Γ魤ν夂哟仓杏幸欢ㄋ?，可適當降低墻高，允許墻頂有不大的漫溢水頭。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一4.3.8戽流消能適用于壩體下游尾水較深，且下游河床和兩岸有一定的抗沖能力的情況。其設計應根據(jù)各級流量選擇適當?shù)撵姘霃?、戽底高程、戽唇挑角和坎高等，并?jīng)水工模型試驗確定。4.3.9消能工(消力池、水墊塘等)下游河道的流速仍然較大或流態(tài)較建壩前惡化時，應研究確定可能被沖刷的河段范圍，并采取相應的防沖護岸措施。第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一5.0.1作用在拱壩上的荷載，應包括自重、水壓力（靜水壓力和動水壓力）、溫度荷載、揚壓力或滲透壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力、地震荷載和其他可能出現(xiàn)的荷載。5.0.2自重:主要為壩體混凝土的重量，其重度應根據(jù)選定的混凝土配合比通過試驗確定，無試驗資料時可采用23.5—24.0KN/M3。5.0.3靜水壓力:上游靜水壓力應根據(jù)水庫功能和荷載組合所規(guī)定的水庫水位確定，下游靜水壓力應根據(jù)相應的不利下游水位按本規(guī)范附錄計算確定。水的重度宜采用9.81KN/M3對于多泥沙河流應根據(jù)實際情況確定。5.0.4溫度荷載:應分別計算設計正常溫降和設計正常溫升情況，按運行期壩體混凝土溫度與封拱溫度的差值確定。第五節(jié)

荷載第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一5.0.5揚壓力:壩基及拱座穩(wěn)定分析時，應按全部計算截面積計及揚壓力或滲透壓力荷載，其計算按本規(guī)范附錄確定壩體應力分析時，宜考慮揚壓力的作用對于薄拱壩可以不計揚壓力。5.0.6泥沙壓力:應根據(jù)壩址處河流的水文泥沙特性、樞紐布置、水庫運行方式和泥沙沖淤計算等情況，確定壩前泥沙的淤積厚度，對于多泥沙河流應作專門研究。泥沙沖淤計算的期限，應符合DLT5089--1999《水電水利工程泥沙設計規(guī)范》的規(guī)定。5.0.7浪壓力：應根據(jù)波浪要素（波高、波長）計算。對于山區(qū)峽谷水庫，按本規(guī)范附錄確定。不同的荷載組合，宜采用不同的風速?；窘M合，可采用重現(xiàn)期為50年的年最大風速；特殊組合，可采用多年平均年最大風速。第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一5.0.8冰壓力：嚴寒地區(qū)水庫表面形成較厚的冰層時，應計及冰壓力的作用。冰壓力應包括靜冰壓力和動冰壓力按本規(guī)范附錄確定。5.0.9動水壓力：拱壩采用壩頂或壩面溢流時，應計及溢流段反弧面上的動水壓力，計算按本規(guī)范附錄執(zhí)行。對溢流面的脈動壓力和負壓力的影響可以不計。5.0.10地震荷載：包括壩體地震慣性力和地震動水壓力。其計算可參照SL203—97《水工建筑物抗震設計規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一6.1分析內(nèi)容6.1.1拱壩應力分析應包括下列內(nèi)容：1各計算截面上的應力分布（包括拱端、拱冠和其他需要計算應力的部位）；2壩體上下游面在各計算點上的主應力；3壩體削弱部位（孔洞、泄水管道部位等）的局部應力；4必要時尚需分析壩基內(nèi)部的應力。設計時可根據(jù)工程規(guī)模、壩的具體情況和不同的設計階段計算上述內(nèi)容的部分或全部，或另加其他內(nèi)容。第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一6.2分析方法6.2.1拱壩應力分析應以拱梁分載法或有限元法計算成果作為衡量強度安全的主要標準。1、2級拱壩和高拱壩或情況比較復雜的拱