注册土木工程师水利水电工程专业案例混凝土拱坝设计实用教案

1、会计学1注册注册(zhc)土木工程师水利水电工程专土木工程师水利水电工程专业案例混凝土拱坝设计业案例混凝土拱坝设计第一页，共31页。 （一）拱坝布置设计 1 . 一般规定1）拱坝宜修建在河谷较狭窄、地质条件较好的坝址上。2）拱坝坝轴线应选在河谷两岸较厚实的山体上。3）拱坝布置应根据坝址地形、地质、水文等自然(zrn)条件及枢纽的综合利用等要求，进行全面技术经济比较，选择最优方案。 第1页/共31页第二页，共31页。4）泄洪方式的选择，除有明显合适的岸边泄洪通道外，宜首先(shuxin)研究采用拱坝坝身泄洪的可行性。5）与拱坝相邻的其他建筑物布置，应分析研究其对拱坝应力及拱座稳定的影响。6）应分

2、析研究拱坝两岸山体存在不利结构面、缓倾角节理、软弱夹层和下游临空面等因素对拱坝布置的影响，以及采用拱座加固措施的可行性。7）应分析研究施工导流、工程施工等对拱坝布置的影响。8）1、2级拱坝方案，应进行水工模型试验；9）拱坝设计应进行优化，选择最优体形。第2页/共31页第三页，共31页。 2 .拱坝体形选择与设计 对形河谷，可选用双曲拱坝。 对形河谷，可选用单曲拱坝。 当坝址河谷的对称性较差时，坝体的水平拱可设计成不对称的拱，或采用其他措施。 当坝址河谷形状不规则或河床有局部深槽时，宜设计成有垫座的拱坝。 当地质、地形条件不利时，可采用两端拱圈呈扁平状、拱端推力偏向山体深部的变曲率(ql)拱坝；

3、或采用拱端逐渐加厚的变厚度拱或设垫座的拱坝； 当坝址两岸上部基岩较差或地形较开阔时，可设置重力墩或推力墩与拱坝连接。第3页/共31页第四页，共31页。 3 . 拱坝泄洪布置 常用的拱坝泄流方式有坝顶泄流、坝身孔口泄流、坝面泄流、坝肩滑雪道泄流、坝后厂顶溢流（厂前挑流）等。 拱坝坝身泄洪，其溢流段的长度(chngd)、孔数、泄流孔尺寸、位置等，应根据泄洪量和水头大小、对坝体应力及下游冲刷的影响与后果、枢纽运行要求，以及对相邻建筑物的影响等方面研究确定。第4页/共31页第五页，共31页。 3 . 其他布置要求 当采用坝后式或坝内式厂房时，拱坝坝内或坝面压力管道的布置应根据坝体厚度、压力管道受力状况

4、、施工与运行条件等，经技术经济比较研究确定。布置型式有下列三种： 1）压力管道斜向或垂直布置于坝体内。 2）压力管道从进水口高程水平穿过(chun u)坝体，再沿下游坝面向下“背管”布置。 3）压力管道贴坝体上游面，垂直下延到机组高程后，再水平穿过(chun u)坝体布置。第5页/共31页第六页，共31页。 （二）拱坝设计原则 拱坝设计遵循(zn xn)技术经济综合最优的总原则，（1）拱坝布置应根据坝址地形、地质、水文等自然条件及枢纽的综合利用等要求, 进行全面技术经济比较, 选择最优方案。（2）坝肩岩体应具有足够的稳定性。（3）拱坝体形设计应使坝体应力分布尽可能均匀，最大压应力接近混凝土的允

5、许压应力，最大拉应力不超过允许拉应力。（4）泄洪消能布置应尽可能减少对拱坝坝肩、坝基稳定的不利影响，并保证工程安全。（5）拱坝布置及体形设计应使施工较为方便。第6页/共31页第七页，共31页。 （三）与安全性有关的限制性条件 （1）应力控制标准及其他 1）拱梁分载法计算时的应力控制标准 2）用有限元法计算时的应力控制标准 3）施工期的坝体应力控制标准和抗倾覆稳定性 4）地震工况的拱坝应力分析及其控制标准：可参照SL20397或DL5073-2000的规定执行。 5）当拱坝设有重力墩时，重力墩的应力和稳定分析，应符合混凝土重力坝设计规范的规定。 （2） 抗滑稳定控制标准 当采用刚体极限平衡法进行

6、(jnxng)拱座抗滑稳定分析时，抗滑稳定安全系数应符合表4.3. 1-1的规定。第7页/共31页第八页，共31页。6.2 拱坝(n b)结构、构造设计和坝体分区 （一）坝体结构、构造设计 1 .坝顶布置要求 1）坝顶高程：坝顶高程应不低于水库最高静水位。 2）防浪墙高程：坝顶上游侧防浪墙顶高程与水库正常蓄水位的高差或与校核洪水位的高差，可按公式（6.2.1）计算，应选择两者计算所得防浪墙顶高程的高者作为最终(zu zhn)的选定高程。第8页/共31页第九页，共31页。 3）防浪墙宜采用与坝体连成整体的钢筋混凝土结构，墙身应有足够的厚度，墙身高度宜采用，在坝体横缝处应留伸缩缝，并设止水。坝顶下

7、游侧应设置栏杆。 4）非溢流段坝顶宽度(kund)应根据剖面设计，满足运行、交通要求确定，不宜小于3。坝顶路面应有横向坡度和排水系统。当设人行道时，宜高出坝顶路面2030cm。 5）溢流坝段应结合溢流方式，布置坝顶工作桥、交通桥，其尺寸必须满足泄流、设备布置、运行操作、交通和监测检修等要求。坝顶桥梁宜采用装配式钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构，桥下应有足够的净空。第9页/共31页第十页，共31页。 2 .横缝和纵缝 1）横缝和纵缝布置的原则 拱坝是整体结构，为便于施工期间混凝土散热和降低收缩应力，防止混凝土产生裂缝，需要分段浇筑，各段之间设有收缩缝，在坝体混凝土冷却(lngqu)到年平均气

8、温左右，混凝土充分收缩后，再用水泥浆封填，以保证坝的整体性。 2）接缝灌浆 横缝和纵缝都必须进行接缝灌浆。灌浆时坝体温度应降到设计规定值。缝的张开度不宜小于0.5mm。缝两侧坝体混凝土龄期，在采取有效措施后，不宜小于4个月。灌浆浆液结石达到预期强度后，坝体方能挡水受力。拱坝横（纵）缝尚未灌浆而需临时拦洪时，必须专门论证。第10页/共31页第十一页，共31页。 3 .坝内廊道及交通(jiotng) 拱坝坝内廊道设置应兼顾基础灌浆、排水、安全监测、检查维修、运行操作和坝内交通(jiotng)等多种用途。坝内应设置基础灌浆廊道，对于中、低高度的薄拱坝，也可不设廊道。廊道与坝内其他孔洞门的净距离不宜过

9、小，应通过应力分析确定。 4 . 坝体止水和排水 横缝上游面、校核尾水位以下的横缝下游面、溢流面以及陡坡段坝体与边坡接触面等部位，均应设置止水片。止水片应根据其重要性、作用水头、检修条件等因素确定止水材料和布置型式。第11页/共31页第十二页，共31页。 （二）坝体混凝土及分区(fn q)设计 第12页/共31页第十三页，共31页。6.3.1泄水建筑物型式及结构设计 （1）泄水建筑物型式 泄水建筑物可分为坝身式、岸边式和隧洞式三类。岸边式泄水建筑物主要为岸边式溢洪道，（2）表孔和浅孔 坝身表孔和浅孔可设计为坝顶挑流或跌流，也可设计为沿坝面或滑雪道式泄流。（3）深式（包括中孔、深孔和底孔(d k

10、n)）泄水孔 深式泄水孔(包括中孔、深孔和底孔(d kn)宜设计成有压孔。（4）坝身泄水孔结构布置6.3 拱坝泄洪(xi hn)、消能建筑物型式及结构设计第13页/共31页第十四页，共31页。 6.3.2 消能型式(xn sh)及结构设计1消能型式(xn sh)选择2消能防冲结构设计要求3防空蚀设计4雾化 第14页/共31页第十五页，共31页。6.4 泄水建筑物的水力(shul)计算（一）坝身式泄水建筑物泄流能力1.表孔泄水能力计算(j sun)2.孔口泄流能力计算(j sun)3.深式泄水孔流量系数（二）挑流消能水力计算(j sun)（三）跌流消能水力计算(j sun)（四）底流消能水力学计

11、算(j sun) 第15页/共31页第十六页，共31页。6.5 拱坝(n b)应力与拱座抗滑稳定计算（一）坝体应力(yngl)分析方法及内容 拱坝应力分析应以拱梁分载法或有限元法计算成果,作为衡量强度安全的主要标准。1、2级拱坝和高拱坝或情况比较复杂的拱坝（如拱坝内设有大的孔洞、基础条件复杂等），除用拱梁分载法计算外，还应采用(ciyng)有限元法计算。必要时，应进行结构模型试验加以验证。第16页/共31页第十七页，共31页。 （二）拱座稳定分析方法及计算 拱座抗滑稳定的数值计算方法以刚体极限平衡法为主。1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝还应辅以有限元法或其他(qt)方法进行分析。初步设计以后的

12、阶段，1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝除采用数值分析方法外，必要时尚应辅以地质力学模型试验。采用刚体极限平衡法进行抗滑稳定分析时，坝体传来的作用力应采用拱梁分载法的相应计算成果。第17页/共31页第十八页，共31页。6.6 拱坝(n b)坝基（坝肩）处理设计（一）一般(ybn)规定 混凝土拱坝地基经过必要的处理后，应具有整体性和抗滑稳定性，具有足够的强度和刚度，具有抗渗性、渗透稳定性和有利的渗流场，具有在水长期作用下的耐久性，并通过地基处理控制地基接触面形状对坝体应力分布的不利(bl)影响。 坝基处理设计（包括两岸拱座和河床段的地基）应根据坝址地质条件和基岩的物理力学性质，综合分析坝体和地基之

13、间的相互关系、泄洪建筑物的布置、施工技术等因素，选择安全、经济和有效的处理方案。第18页/共31页第十九页，共31页。（二）坝基(b j)开挖 坝基开挖深度应根据坝体传来的荷载、坝基内的应力分布情况、基岩的地质条件和物理力学性质、坝基处理的效果、工期和费用等综合研究确定。根据坝址具体地质情况，结合坝高,选择新鲜、微风化或弱风化中、下部的基岩作为建基面。 定出建基面后，即可进行开挖。在开挖过程中应注意以下几点：两岸拱座利用岩面宜开挖成径向面，当按全径向开挖，如拱端厚度较大而使开挖量过多时，也可采用(ciyng)非全径向开挖，见图6.6.1。经充分论证,拱座利用岩面也可开挖成其他形状.第19页/共

14、31页第二十页，共31页。（二）坝基(b j)开挖 第20页/共31页第二十一页，共31页。（三）固结( ji)灌浆和接触灌浆 一般要求对拱坝坝基进行全面的固结灌浆，对于比较坚硬完整(wnzhng)的基岩，也可以只在坝基的上游侧和下游侧设置数排固结灌浆孔。对节理、裂隙发育的基岩，为了减小地基变形，增加岩体的抗滑稳定性，还需在坝基外的上、下游侧扩大固结灌浆的范围。断层破碎带及其两侧影响带，应加强固结灌浆。 固结灌浆孔的孔距、排距，应根据开挖以后的地质条件，并参照灌浆试验确定，宜为。固结灌浆孔的孔深，应根据坝高和开挖以后的地质条件确定，宜采用。第21页/共31页第二十二页，共31页。（四）防渗帷幕

15、(wim) 防渗帷幕应符合下列基本要求：1）控制渗漏对坝基及两岸边坡稳定的不利影响；2）控制坝基软弱夹层、断层破碎带、岩体裂隙充填物以及抗水(kn shu)性能差的岩层不产生管涌；3）控制坝基面渗透压力和渗流量；4）具有可靠的连续性和足够的耐久性。 坝基和两岸的防渗帷幕宜采用水泥灌浆；在水泥灌浆达不到设计防渗要求时，可采用化学材料补充灌浆，但应防止污染环境。第22页/共31页第二十三页，共31页。（五）坝基(b j)排水 正常情况下，防渗帷幕的下游应布置坝基排水，设1排主排水孔，必要时加设 l3排辅助排水孔。坝基下存在相对隔水层或缓倾角结构面时，宜根据其分布情况进行合理布置。对于地质条件较差的

16、坝基，设置排水孔时应防止渗透变形。中、低高度的薄拱坝经论证可不设坝基排水。 高坝以及两岸地形(dxng)较陡、地质条件较复杂的中坝，宜在两岸布置多层排水平硐，在平硐内钻设排水孔。排水孔的孔壁有塌落危险或排水孔穿过软弱夹层、夹泥裂隙时，应采取孔内设滤层等保护措施。第23页/共31页第二十四页，共31页。（六）断层破碎(p su)带、软弱夹层的处理 对于坝基范围内的断层破碎带或软弱夹层，应根据其产状、宽度、充填物性质、所在部位和有关的试验资料，分析研究其对坝体和地基的应力、变形、稳定与渗漏的影响，并结合施工条件，采用适当的方法进行处理。一般情况下，位于坝肩部位的断层破碎带比位于河床部位的对拱坝的安

17、全影响大；缓倾角比陡倾角断层的危害性严重；位于坝趾附近(fjn)的比位于坝踵附近(fjn)的断层破碎带对坝体应力和稳定更为不利；断层破碎带宽度愈大，对应力和稳定的影响也愈严重。第24页/共31页第二十五页，共31页。6.7 坝体温度控制与混凝土防裂措施(cush) （一）收集(shuj)资料要求 当日平均气温连续下降不小于，称之为“气温骤降”，对坝体防裂不利。设计应搜集整理坝址地区温度资料(zlio)，并对年平均气温和变幅、多年月平均和旬平均气温、气温骤降的幅度和历时及出现的频率、水库水温、坝基地温、日照等资料(zlio)进行分析。第25页/共31页第二十六页，共31页。（二）坝体接缝(ji

18、fn)及浇注层厚 坝体纵缝、横缝的设置应考虑温度控制的要求。浇筑层厚应根据温度控制标准、混凝土浇筑能力及温度控制措施等因素，通过计算确定。基础约束区的浇筑层厚度宜采用1.52.0，应采取短间歇均匀上升的分层浇筑方法，层面不应长期暴露(bol)。基础约束区以外的浇筑层厚度，可根据该部位温度控制标准和上下层温差要求，以及混凝土施工机械设备浇筑能力确定，并应做到短间歇均匀上升。第26页/共31页第二十七页，共31页。（三）温差(wnch)控制 据国内部分混凝土坝裂缝调查，基础部位出现裂缝有下列几种情况(qngkung)：（）基岩上薄层浇筑块长时间停歇，以致混凝土薄层的约束应力和由于内外温差引起的应力

19、相叠加，使块长中部产生的拉应力，远大于混凝土的抗拉强度，形成贯穿裂缝。（）岩石表面起伏很大，局部有深坑或突出尖角，致使混凝土浇筑块厚度不均匀，造成局部应力集中，形成基础混凝土裂缝。（）施工期坝上留缺口导流或汛期过水，在混凝土温度较高时，因受水的冷冲击，造成基础混凝土开裂。（）相邻坝块不及时浇筑混凝土，以致基础混凝土块侧表面长期暴露，在气温反复作用下，开始出现表面裂缝，以后逐渐发展形成贯穿裂缝。第27页/共31页第二十八页，共31页。（四） 表面保护(boh)及温控措施选用 （1）表面保护 混凝土裂缝大多数是表面裂缝，在一定条件下表面裂缝可发展为深层裂缝，甚至为贯穿性裂缝，因此加强混凝土表面保护至关重要。气温骤降是引