课程论文-水工结构设计

1、河海大学水利水电学院混凝土重力坝部分条文的解读摘要：目前水工建筑物的设计在电力和水利行业中执行两套不同的标准，对于混凝土重力坝的设计，电力行业执行的标准是DL51081999 混凝土重力坝设计规范，水利行业执行的标准是SL3192005混凝土重力坝设计规范，两本规范都是在原中华人民共和国水利电力部发布的行业标准SDJ2178混凝土重力坝设计规范及其1984年补充规定的基础上修订而来的，但是，两本规范的内容不尽相同，甚至在某些规定上存在较大的差别。本文以SL3192005混凝土重力坝设计规范为基准阐述自己对其中部分条文的理解。为便于对照，相关条文序号与水利行业标准相对应。关键词：混凝土重力坝；水

2、利行业标准；条文理解一混凝土重力坝设计的主要内容混凝土重力坝设计的主要内容包括以下7个方面：(1) 剖面设计 应参照已建过程经验初步拟定剖面尺寸。(2) 稳定计算 即验算坝体沿建基面或地基中软弱结构面的稳定安全度。(3) 应力计算 应使应力条件满足设计规范要求以保证大坝和坝基有足够的强度。(4) 溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计 内容包括泄水建筑物体型、溢流堰顶高程、溢流重力坝前沿宽度和泄水孔进口高程、泄水孔口尺寸等。(5) 构造设计 应根据施工和运行要求确定坝体的细部构造比如分缝、廊道系统、排水系统、止水系统等。(6) 地基处理 即根据地质条件进行地基的防渗、排水设计以及对断层等地质结构面

3、进行处理。(7) 检测设计 包括坝体内部和外部的观测设计。二剖面设计2.1非溢流重力坝剖面设计原条文：4.2.1 非溢流坝段的基本断面呈三角形，其顶点宜在坝顶附近。基本断面上部设坝顶结构。4.2.2 坝体的上游面可为铅直面、斜面或折面。实体重力坝上游坝坡宜采用1010.2。坝坡采用折面时，折坡点高程应结合电站进水口、泄水孔等布置，以及下游坝坡优选确定。下游坝坡可采用一个或几个坡度，应根据稳定和应力要求并结合上游坝坡同时选定。下游坝坡宜采用10.610.8；对横缝设有键槽进行灌浆的整体式重力坝，可考虑相邻坝段联合受力的作用选择坝坡。4.2.3 宽缝重力坝的上游坝坡宜适当放缓。宽缝宽度，可取坝段宽

4、的20%40%。当坝体布置有引水管道、泄水孔、导流底孔时，该部分坝体结构和宽缝布置应经论证确定。条文理解：非溢流重力坝基本断面是指坝体在自重、静水压力和扬压力三项主要荷载作用下，满足稳定和强度要求，并使工程量最小的三角形断面（或折坡断面）。确定基本断面是非溢流坝断面设计的第一步，其主要任务是确定上、下游坝坡以及顶点的位置。在上、下游坝坡的规定上，DL51081999和SL3192005 是一致的， 即“实体重力坝上游坝坡宜采用1:01:0.2”，“下游坝坡宜采用1:0.61:0.8，而关于基本断面顶点位置的规定则有所不同，DL51081999规定“顶点宜位于正常蓄水位或防洪高水位附近”，SL3

5、192005 规定“顶点宜在坝顶附近”，（与SDJ2178一致）。由于正常蓄水位与坝顶有一定的距离（有时可达到几米以上），根据两本规范确定的基本断面可能存在较大的差别。实用剖面设计： 坝顶的宽度根据施工、交通、设备安装等条件确定，也可以由Bmin=8%10%H初步拟定，其中Bmin为最小坝顶的宽度。或根据漂浮物、冰压力等对坝体的冲击力情况确定。2.2溢流重力坝剖面设计溢流重力坝剖面设计除应满足强度、稳定、经济条件外还应考虑泄水条件。原条文：4.3.1 溢流坝段的堰面曲线，当设置开敞式溢流孔时可采用幂曲线；当设置有胸墙，且胸墙起挡水作用时，可采用孔口溢流的抛物线。4.3.6 溢流坝段的堰面曲线、

6、闸墩型式、门槽、堰面压力、泄流能力和反弧半径等，大型工程应经水工模型试验验证；中型工程宜经水工模型试验验证；水力条件较简单时，可参照类似工程经验，经计算确定。条文理解： 见图1，上游oa曲线一般采用椭圆或三心圆曲线，下游ob曲线一般采用WES曲线或克-奥曲线。WES曲线的基本形式为Xn=K(Hd)n-1y，其中，Hd为定型设计水头，一般取堰顶上最大水头的75%95%；K，n为与上游堰面倾斜坡度有关的系数。Bc直线段坡比与一般非溢流坝一致。cd为反弧段，应使水流平顺进入下游消能段，反弧段的半径R=（610h），其中，h为校核水位闸门全开时反弧段最低水深，可按能量方程求解。de为挑流消能段，有溢流

7、坝下游消能形式确定，若为挑流消能则其挑角宜为25。30。挑流末端高程应高于下游最高尾水位或与下游最高尾水位齐平。图1溢流坝剖面设计三溢流重力坝和泄水孔的孔口尺寸的设计3.1溢流重力坝孔口尺寸的选定原条文：4.4.1 泄水孔可设在溢流坝段的下部或专设泄水孔坝段，并应有消能设施。4.4.2 坝身泄水孔内应避免有压流与无压流交替出现。条文理解：溢流重力坝泄水方式： 坝顶式溢流特点是：超泄能力大，闸门承受水压力小、孔口尺寸可大些；工作可靠，操作、检修方便，能排泄冰凌和其它漂浮物；但不能提前预泄洪水。 大孔口式溢流大孔口式溢流的特点是可以提前预泄洪水、降低上游洪水位、降低坝高、减少工程量；大孔口溢流式由

8、于有胸墙挡水故可以减小闸门高度，当库水位低时胸墙不影响泄流，和坝顶溢流式相同，当库水位较高时由于胸墙的拦阻不能排泄冰凌和漂浮物；胸墙多做成固定的，当然也可以做成活动的。 深式泄水孔深式泄水孔的特点是可用于预泄洪水、放空库水、排放泥沙、向下游供水、施工导流等；深式泄水孔可以根据孔内流态分为有压和无压两类。有压泄水孔泄水时，整个泄水孔都处于满流承压状态；无压泄水孔泄水时除进口有一段压力短管外其余部分处于明流状态。原条文：4.3.7 当溢流坝段有排冰要求时，溢流孔口尺寸还应结合冰情资料确定，堰上水深宜大于流冰期最大冰厚，冰块应能自由下泄而不致破坏下游设施；下游应有导墙、护岸等设施；闸墩墩头宜呈锐角形

9、状，必要时宜经试验确定。条文理解：溢流坝孔口尺寸即溢流坝的堰顶高程和溢流坝段的前沿高度，溢流坝孔口尺寸需通过对与洪水标准相应的设计(校核）洪水过程进行调节计算确定。在拟定溢流坝孔口尺寸时要先根据下游河床的抗冲刷条件确定单位宽度上溢流坝下泄的流量。单宽流量越大，对下游局部冲刷越严重。然后，对初步拟定的溢流坝孔口尺寸进行洪水调节计算得到水库的最高洪水位和最大下泄流量，最高洪水位涉及大坝的高度、工程量及上游的淹没状况。最大下泄流量涉及下游的消能防洪问题。因此需要进行技术经济综合比较来确定溢流坝孔口尺寸。3.2溢流重力坝的下游消能原条文：5.1.4 泄水建筑物的消能防冲设计，除应符合本规范的坝体泄洪消

10、能防冲型式应根据坝体高度、坝基下游河床及两岸地形地质条件，下游河道水深变化情况，结合排冰、排漂浮物等要求合理选择。除此要求外，尚应满足下列要求：1.消能设施应做到消能效果良好，结构可靠，防止空蚀和磨损，防止淘刷坝基和岸坡，保证坝体及有关建筑物的安全；2.选定的消能型式在宣泄设计洪水及其以下各级洪水流量，尤其是常遇洪水流量时，都应具有良好的消能效果；对超过消能防冲设计标准的洪水，允许消能防冲建筑物出现不危及挡水建筑物安全，不影响枢纽长期运行并易于修复的局部损坏；3.淹没于水下的消力池、消力戽等消能设施，应为运行期的排水检修提供条件。 溢流重力坝下游的消能方式主要有挑流消能、底流消能、面流消能及消

11、力戽消能。5.1.5 挑流消能适用于坚硬岩石上的高、中坝，低坝需经论证才能选用。当坝基有延伸至下游的缓倾角软弱结构面，可能被冲坑切断而形成临空面，危及坝基稳定，或岸坡可能被冲塌时，不宜采用挑流消能，或须做专门的防护措施。5.1.6 底流消能适用于中、低坝或基岩较软弱的河道；高坝采用底流消能需经论证，但不宜用于排漂和排冰。5.1.7 面流消能适用于水头较小的中、低坝，河道顺直，水位稳定，尾水较深，河床和两岸在一定范围内有较高抗冲能力，可排漂和排冰。5.1.8 消力戽消能适用于尾水较深且下游河床和两岸有一定抗冲能力的河道。5.1.9 联合消能适用于高、中坝，泄洪量大，河床相对狭窄，下游地质条件较差

12、或单一消能型式经济合理性差的情况。联合消能应经水工模型试验验证。条文理解：重力坝的挡水和泄洪标准，分为设计和校核两种情况。根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准SDJ 12一78规定，设计洪水标准:一级建筑物为2000500年一遇频率，二级为500100年一遇频率；三级为20050年一遇频率。校核洪水标准则按建筑物失事后对下游造成灾害的程度不同而有所区别，当失事后对下游不致造成较大灾害的混凝土坝和其它水工建筑物，一级建筑物不低于5000年一遇频率，二级不低于1000年一遇频率，三级不低于500年一遇频率。但是，挡水建筑物的挡水标准和枢纽的泄流能力标准与泄水建筑物的消能防冲设施标准应有所区别。前

13、者涉及大坝及整个工程的安全，要求有较高的标准，后者只要不危及大坝和主要建筑物安全，其本身防护标准可以适当降低。表1溢流重力坝下游各种消能方式的特点及适用范围消能方式优点缺点适用条件挑流消能构造简单、施工方便、工程量小冲刷大、雾气大基岩条件好、上下游水位差大底流消能运行可靠，下游流态较平稳工程量大基岩条件差，下游尾水变幅大面流消能工程量小出流流态不易控制下游尾水较深，水位变幅不大，流量变化范围较小消力戽消能工程量小，消能效率高出流流态不易控制下游尾水变幅不大四构造设计4.1坝 顶原条文：8.1.4 溢流坝顶应结合闸门、启闭设备布置、操作检修、交通和观测等要求设置坝顶工作桥、交通桥。坝顶上的桥梁可

14、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。8.1.5 溢流坝的坝顶工作桥、交通桥等结构，应满足水工建筑物抗震设计规范（SL203）的要求。条文理解：溢流坝坝顶上的构造包括闸门、闸墩边墩和导墙、工作桥及交通桥等。(1) 工作闸门 工作闸门主要用于调节下泄流量。工作闸门在动水中启闭（因此，要求有较大的启闭力）。工作闸门的形式为弧形闸门或平板闸门。(2) 检修闸门 检修闸门用于短期挡水，以便对工作闸门及机械设备进行检修。检修闸门在静水中启闭，故启闭力较小。检修闸门的形式一般采用平板闸门，各闸孔可交替使用平板检修闸门。当库水位在检修期低于溢流坝堰顶高程时可不设检修闸门。(3)

15、 工作桥、交通桥、启闭设备 工作桥的作用是分别管理人员进行闸门操作和维护等。交通桥用于沟通河流两岸的交通。启闭设备用于启闭工作闸门和检修闸门。4.2坝内廊道及通道原条文：8.2.1 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、坝内交通、施工期的需要等多种用途。条文理解： 基础廊道系统 基础灌浆廊道主要用于防渗帷幕及排水帷幕的施工。基础灌浆廊道离上游坝面距离一般应为（1/10）（1/20）坝前水深且在基岩面以上应有1.5倍廊道宽度的距离。廊道的断面形式一般为城门洞型。 排水、观测、检查、坝内交通廊道 是用于排水、观测、检查、坝内交通等目的的廊道，一般应沿坝高每隔1520m高

16、程设置一层。五地基处理5.1坝基处理设计原条文：7.1.1 混凝土重力坝的基础经处理后应符合下列要求：1. 具有足够的强度，以承受坝体的压力；2. 具有足够的整体性和均匀性，以满足坝体抗滑稳定和减小不均匀沉陷；3. 具有足够的抗渗性，以满足渗透稳定，控制渗流量，降低渗透压力；4. 具有足够的耐久性，以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化。条文理解：重力坝对建坝地基的要求主要体现在强度和抗渗性两个方面。所谓“强度要求”是指地基应具有一定的承载能力且不发生显著的变形。所谓“抗渗性要求”是指不发生管涌等渗透破坏（管涌是指坝基中细土壤颗粒被渗流带走而逐渐形成渗流带走而逐渐形成渗流通道的现象）。天然地基

17、经过长期的地质作用一般都有风化、节理、裂隙等缺陷以及断层、软弱夹层等结构面，重力坝的地基处理的任务就是提高地基的强度、稳定性和抗渗能力。5.2坝基开挖原条文：7.2.1 建基面位置应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学性质、岩体类别、基础变形和稳定性、上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等因素经技术经济比较确定。可考虑通过基础加固处理和调整上部结构的措施，在满足坝基强度和稳定的基础上，减少开挖量。坝高超过100m 时，可建在新鲜、微风化至弱风化下部基岩上；坝高100m50m 时，可建在微风化至弱风化中部基岩上；坝高小于50m 时，可建在弱风化中部至上部基岩上。两岸地形较

18、高部位的坝段，可适当放宽。条文理解： 具体示意图见图2，清理就是指在浇筑混凝土之前需进行彻底地清理、冲洗以及封堵勘探的钻孔、井洞等。图2 坝基开挖深度要求5.3坝基固结灌浆原条文：7.3.1 坝基固结灌浆的设计，应根据坝基工程地质条件、坝高和灌浆试验资料确定。1. 宜在坝基上游和下游一定的范围内进行固结灌浆；当坝基岩体裂隙发育时，且具有可灌性时，可在全坝基范围进行固结灌浆，并根据坝基应力及地质条件，向坝基外及宽缝重力坝的宽缝部位适当扩大灌浆范围；2. 防渗帷幕上游的坝基宜进行固结灌浆；3. 断层破碎带及其两侧影响带或其它地质缺陷应加强固结灌浆。4. 基础中的岩溶洞穴、溶槽等，在清挖回填后其周边

19、应根据岩溶分布情况适当加强固结灌浆。条文理解： 固结灌浆是指在坝基的较大范围内钻孔并进行浅层低压灌浆，主要用于整体加固地基。固结灌浆可以改善地基的强度、整体性，提高基岩的不透水性，可达到填实目的，即用混凝土充填溶洞、断层以及与基岩间的裂隙，有利于提高帷幕灌浆的压力。5.4坝基防渗和排水原条文：7.4.1 坝基防渗和排水设计，应以坝基的工程地质、水文地质条件和灌浆试验资料为依据，结合水库功能、坝高综合考虑防渗和排水措施的适应性及二者的联合作用，确定相应的措施。水文地质条件复杂的高坝，应进行渗流计算分析。7.4.2 坝基及两岸的防渗措施，可采用水泥灌浆，亦可采用水泥混合材料灌浆，必要时可采用化学材

20、料灌浆；经研究论证坝基也可采用混凝土齿墙、防渗墙或水平防渗铺盖；两岸岸坡也可采用明挖或洞挖后回填混凝土形成的防渗墙。多泥沙河流上，经分析淤积物的渗透系数及上游的淤积厚度能起防渗作用时，设计中可适当考虑其效果，但应确保大坝初期运行的安全。条文理解：坝基排水的目的是为了进一步降低坝底渗透压力。坝基排水是通过在灌浆廊道下游侧沿坝轴线方向钻设排水孔形成一排排水幕进行的。排水孔幕一般应略向下游倾斜且与帷幕成10。15。交角。排水孔在坝内的部分要预埋钢管，通过坝内的预埋钢管将渗水引至廊道边排水沟内，再汇入集水井，最后由横向排水管自流或水泵抽排至下游。抽排降压设施的辅助排水孔幕是指在主排水孔幕下游侧设置的2

21、3排辅助排水孔幕。5.5断层破碎带和溶洞的处理原条文：7.5.1 坝基范围内的断层破碎带或软弱结构面，应根据其所在部位、埋藏深度、产状、宽度、组成物性质以及有关试验资料，研究其对上部结构的影响，进行专门处理。在地震设计烈度为8 度以上的区域，其处理要求应适当提高。低坝的断层破碎带处理要求，可适当降低。7.5.2 倾角较陡的断层破碎带，可用下述方法处理：1. 坝基范围内单独出露的断层破碎带，其组成物质主要为坚硬构造岩，对基础的强度和压缩变形影响不大时，可将断层破碎带及其两侧影响带岩体适当挖除。2. 断层破碎带规模不大，但其组成物质以软弱的构造岩为主，且对基础的强度和压缩变形有一定影响时，可用混凝土塞加固，混凝土塞的深度可采用1.01.5 倍断层破碎带的宽度或根据计算确定。贯穿坝基上、下游的纵向断层破碎带的处理，宜向上、下游坝基外适当延伸。3. 规模较大的断层破碎带或断层交汇带，影响范围较广，且其组成物质主要是软弱构造岩，并对基础的强度和压缩变形有较大的影响时，必须进行专门的处理设计。7.5.4 根据软弱结构面埋深不同可分别采用混凝土置换、混凝土深齿墙、混凝土洞塞等措施，提高软弱结构面抗剪能力；必要时也可采用抗滑桩、预应力锚索、化学灌浆等措施。7.6.1 岩溶的防渗处理方式有防渗帷幕灌浆、防渗墙等，应根据岩溶的规模、发育规律、充填物性质及透水性等条件选定。对存在岩溶洞穴或具有强透水