重力坝设计大纲

1、 FJD31010 FJD水利水电工程 技术设计阶段混凝土实体重力坝坝体断面设 计 大 纲 范 本水利水电勘测设计标准化信息网 1997年4月 水电站技术设计阶段混凝土实体重力坝坝体断面大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月目 次1. 引 言 42. 设计依据文件和规范 43. 设计基本资料 54. 设计原则与假定65. 设计工作内容与方法136. 应提供的设计成果18附录A 201 引 言1.1 适用范围本设计大纲适用于 工程 设计阶段的混凝土重力坝坝体断面设计。1.2

2、 工程概况 工程位于 省(市) 县(镇)境内的 江(河)上，距 市(镇) km。坝址控制流域面积 km2。本工程以 为主，兼有 等综合利用效益。总库容为 亿m3，装机容量 MW，保证出力 MW，年平均发电量 MWh。枢纽由混凝土重力坝、 等主要水工建筑物组成。拦河坝为实体混凝土重力坝，最大坝高 m。2. 设计依据文件和规范2.1 主要设计规范(1) SDJ 10-78水工建筑物抗震设计规范(试行)；(2) SDJ 12-78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)(试行)及其补充规定；(3) SDJ 21-78混凝土重力坝设计规范及其补充规定(试行)。2.2 参考规范(1) SD

3、J 20-78水工钢筋混凝土结构设计规范(试行)；(2) SDJ 341-89溢洪道设计规范(3) DL/T 5005-92碾压混凝土坝设计导则。2.3 工程有关的文件3. 基本资料3.1 工程等别及拦河坝级别本工程工程等别为 等，拦河坝为 级建筑物。3.2 水位和流量资料洪水标准及各运行工况的水位和流量资料见表1。表1 洪水标准及各运行工况水位、流量运行工况上游水位m下泄流量m3/s下游水位m备 注P= a包括发电与泄洪建筑物全部下泄流量P= a包括发电与泄洪建筑物全部下泄流量正常运行(1)正常蓄水位，机组满发正常运行(2)正常蓄水位，下游最低发电水位注：正常运行(2)时的下泄流量，可能为半

4、台机或1/3台机的最小流量。3.3 气象资料(1) 风 速多年平均最大风速 m/s；实测最大风速 m/s。(2) 气 温各月月平均气温见表2。表2 各 月 月 平 均 气 温 单位： 月 份123456789101112平均气温多年平均气温 ；极端最低气温 ；极端最高气温 。3.4 泥沙资料坝前淤沙高程为 m。3.5 基岩物理力学指标3.5.1 混凝土与基岩面的抗剪断参数(1) 新鲜基岩：f= ，c= kPa;(2) 微风化基岩：f= ，c= kPa;(3) 弱风化基岩：f= ，c= kPa;(4) 混凝土与基岩间摩擦系数f= 。提示：混凝土重力坝的基础，高坝(坝高70m以上)可建在新鲜、微风

5、化或弱风化下部基岩上；中坝(坝高3070m)可建在微风化至弱风化上部基岩上； 两岸地形较高部位的坝段，可适当放宽。本工程挡水坝建于 基岩上，溢流坝建于 基岩上。3.5.2 基岩极限抗压强度新鲜基岩 kPa；微风化岩石 kPa；弱风化岩石 kPa。3.6 地震烈度地震基本烈度为 度；地震设计烈度为 度。4. 设计原则与假定4.1 设计方法及控制指标混凝土重力坝需计算抗滑稳定及应力指标，并设计断面。4.1.1 抗滑稳定计算提示：(1) 坝基面和坝体内部一般均用抗剪断强度公式计算，但对于4、5级坝抗震稳定应按抗剪强度公式计算。 (2) 当按式(12)计算时，如应力计算中出现拉应力，则应将受拉部分面积

6、扣除。坝体抗滑稳定安全系数不应小于表3所列数据。表3 抗滑稳定安全系数表荷 载 组 合按抗剪强度公式计算K按抗剪断强度1级2.3级公式计算K基本组合1.101.053.0特殊校核洪水位情况1.051.002.5组合地震情况1.002.3注：深层抗滑稳定的安全系数应酌情提高，即基本组合3.0，特殊组合2.5。4.1.2 应力计算提示：(1) 对于中、低坝，可只按材料力学方法计算坝的应力，有时可只计算坝体边缘垂直正应力。 (2) 对于高坝，尤其当地质条件复杂时，除用材料力学方法计算外，宜同时进行模型试验或有限元法进行计算研究。用材料力学法计算时，应力应满足下列要求。4.1.2.1 坝基面上垂直正应

7、力(1) 运用期1) 在各种荷载组合情况下(地震荷载除外)，坝基面所承受的最大垂直正应力sy,max应小于坝基容许压应力(计算时分别计入扬压力和不计入扬压力)；最小垂直正应力sy,min应大于零(计算时应计入扬压力)；2) 对于计算时考虑两个方向的弯矩和扭矩的坝段，可容许sy,min为 MPa的拉应力；3) 在地震情况下，坝体上游面容许出现 MPa的瞬时拉应力。提示：根据SDJ 10-78编制说明提供的实例，在坝基面的拉应力为： 新丰江(大头坝)：8度地震，0.34MPa； 丰 满：7度地震，0.28MPa； 黄松峪：8度地震，0.31MPa； 西 峪：9度地震，0.04MPa。(2) 施工期

8、下游坝基面容许出现不大于0.10MPa的拉应力。4.1.2.2 坝体内部截面上应力(1) 运用期1) 坝体上游面最小主压应力(不计扬压力)应不小于0.25gH(H为坝面计算点的静水头)；2) 坝体最大主压应力，应不大于混凝土的容许压应力；3) 在地震情况下，对于坝顶以下1/4坝高范围，需核算仅由地震荷载引起的拉应力，混凝土的抗拉安全系数不应小于2.5；4) 坝体内一般不容许出现主拉应力，但容许有以下例外：溢流坝堰顶部位；廊道及其它孔洞周边。当上述部位出现拉应力时，可考虑配置钢筋。5) 对于碾压混凝土坝，必须核算断面突变截面的应力，并遵循(1)的应力控制指标。(2) 施工期1) 坝体任何截面上的

9、主压应力应不大于混凝土的容许压应力；2) 在坝体的下游面，可容许有不大于0.20MPa的主拉应力。用模型试验或有限元法分析坝体应力时，可不受上述应力控制指标的限制。但如果局部应力数值超过控制指标较多时，应研究其原因，必要时应设法改善。本工程采用 法分析重力坝应力。4.2 混凝土标号选择及其性能指标4.2.1 混凝土分区及标号选择(1) 坝体混凝土在不同部位和不同条件下应采用分区标号，一般分成下列各区：区上、下游水位以上坝体外部表面混凝土；区上、下游水位变化区的坝体外部表面混凝土；区上、下游最低水位以下坝体外部表面混凝土；区基础混凝土；区坝体内部混凝土；区抗冲刷部位的混凝土(例如溢流面、泄水孔、

10、导墙和闸墩等)。混凝土分区标号的性能应符合表4的要求。同一浇筑块中标号不得超过两种。分区厚度尺寸至少为2m3m(对于碾压混凝土坝坝体内部混凝土的分区宽度一般不小于5m)。表4 混凝土分区标号的性能分强抗抗抗冲抗侵低最大水灰比选择各区厚度的区度渗冻刷蚀热严寒和寒冷地区温和地区主要因素+-+-+0.600.65施工和冰冻深度+-+0.500.55冰冻深度、抗渗和施工+-+0.550.60抗渗、抗裂和施工+-+0.550.60抗裂+-+0.700.70+-+0.500.50抗冲耐磨注：表中有“+”的项目为选择各区混凝土标号的主要控制因素；有“+”的项 目为需要提出要求的；有“-”的项目为不需提出要求

11、的。 坝体内部有大孔口(例如：导流底孔、坝内引水管和泄水孔等)，孔壁周围的 混凝土强度及地震设计烈度在8度以上的坝体上部的混凝土强度均应适当 提高。 选择混凝土标号时，应注意由于温度、渗透压力及局部应力集中所造成的拉 应力、剪应力和过大的压应力。 严寒及寒冷地区施工期冰冻严重，应特别重视坝体及各种附属建筑物的混凝 土和钢筋混凝土的抗冻性要求(包括各种路面、栏杆、胸墙和闸门槽等)。严 寒地区，在水位变化频繁区，抗冻性应为D150D200(薄壁钢筋混凝土结构 抗冻性应为D200D250)；温和地区为满足耐久性也应有抗冻性要求。 坝体内部混凝土标号不应低于100号(90天龄期)。 有抗裂要求的混凝土

12、见规范SDJ21-78第157条。 溢流面、泄水孔、护坦、消力墩和尾坎等部位有抗冲要求的混凝土标号，不 应低于200250号(90天龄期)，严寒地区应满足D150D250。 在环境水有侵蚀性的情况下，应适当选择抗侵蚀性较好的水泥，外部水位变 化区及水下混凝土的水灰比应较表4减少0 .05。 坝体混凝土的分区根据具体情况可适当简化。(2) 混凝土抗冻标号应符合表5要求。表5混凝土抗冻标号的最小允许值气 候 条 件结构类别工 作 条 件水位涨落区的外部混凝土水位涨落区以上的外部混凝土冻融循环总次数5050严寒气候条件(最冷月月平均气温低于-10)钢筋混凝土D200D250D100混凝土D150D2

13、00寒冷气候条件(最冷月月平均气温在-3-10之间)钢筋混凝土D150D200D50混凝土D100D150 续上表注：(1)对于严寒和寒冷地区的1、2、3级建筑物，其水位涨落区的外部混凝土必须掺 加气剂。 (2)冻融循环总次数，是指一年内气温从+3以上降至-3以下，然后回升至+3 以上的交替次数；或一年中月平均气温低于-3的期间内，因水位涨落而产生的 冻融交替次数(此期间水位每涨落一次算一次冻融)。 (3)气温资料应根据连续五年以上的实测资料统计其平均值。一年中月平均气温低于-3期间的水位涨落次数，可根据设计时预定的运行条件估算。 (4)在无抗冻要求的地区，即在最冷月月平均气温高于-3的地区，

14、对1、2、3级 建筑物水位涨落区的外部混凝土，应根据具体情况提出D50或D100的要求，以 保证建筑物的耐久性。(3) 混凝土抗渗标号应符合表6要求。表6 混凝土抗渗标号的最小允许值项 次结构类型及运用条件抗渗标号1大体积混凝土结构的下游面及建筑物内部S2大体积混凝土结构的挡水面防渗层混凝土H70S8注：(1)表中H为水头(m) (2)承受侵蚀水作用的建筑物，其抗渗标号不得低于S4。 (3)采用抗渗标号大于S8时，应提出论证。4.2.2 混凝土性能指标(1) 混凝土的设计强度一般指90天龄期的强度，按表7采用。 表7 混凝土的设计强度 单位：MPa项次 强度种类符 号混凝土标号75100150

15、2002503001轴心抗压Ra4.205.508.511.014.517.52抗 拉R10.680.801.051.31.551.753抗 裂R10.851.001.31.61.92.1(2) 混凝土容许应力混凝土的容许应力按混凝土设计强度及相应的安全系数确定。坝体混凝土强度安全系数按表8规定采用。表8 坝体混凝土强度安全系数项 次受力特征基本组合特殊组合(地震情况除外)备 注1抗 压43.52抗 拉4注：(1)容许应力的采用首先应服从4.1.2条的规定。 (2)坝体的局部结构按SDJ 20-78计算时，其安全系数应符合该规范的要求。(3) 坝体混凝土容重本工程取为 kN/m3。(4) 混凝

16、土之间的抗剪断参数本工程取f= ,c= kPa。4.3 荷载及其组合4.3.1 荷 载(1) 基本荷载1) 坝体及其上永久设备的自重；2) 正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力；3) 相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力(包括渗透压力和浮托力，下同)；4) 淤沙压力；5) 相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力；6) 冰压力；7) 土压力；8) 相应于设计洪水位时的动水压力；9) 其它出现机遇较多的荷载。(2) 特殊荷载10) 校核洪水位时的静水压力；11) 相应于校核洪水位时的扬压力；12) 相应于校核洪水位时的浪压力；13) 相应于校核洪水位时的动水压力；14) 地震荷载；15) 其它出现

17、机遇很少的荷载。4.3.2 荷载组合荷载组合分为基本组合和特殊组合两类，见表9。表9 荷 载 组 合 表荷载组合计算情况水 位荷 载备 注上游水位m下游水位m自重静水压力扬压力淤沙压力浪压力冰压力地震荷载动水压力土压力基本组合(1)正常蓄水位情况1)2)3)4)5)-7)土压力根据坝体外是否填土石而定(下同)(2)设计洪水位情况1)2)3)4)5)-8)7)(3)冰冻情况1)2)3)4)-6)-7)静水压力及扬压力按相应冬季库水位计算特殊组合(4)校核洪水位情况1)10)11)4)12)-13)7)(5)地震情况1)2)-4)5)-14)-7)静水压力、扬压力和浪压力按正常蓄水位计算，有论证时

18、可另作规定(6)施工期1)- 上、下游水位、扬压力按可能出现情况考虑(7)排水失效情况1)2)3)4)5)-7)注：分期施工的坝应按相应的荷载组合分期进行计算。本工程计算表9中第 种组合情况。4.3.3 荷载计算中的一些假定(1) 水容重取为10kN/m3；(2) 扬压力1) 作用于坝基面的扬压力，可能有图4-1所示5种情况：本工程属第 种情况。渗透压力强度折减系数a取：河床坝段 ；岸坡坝段 。提示：坝基面渗透压力折减系数参考值如下： (1) 河床坝段： 对应于图4-1(a), a=0.20.3； 对应于图4-1(b), a=0.50.7； 对应于图4-1(c), a=0.30.5； 对应于图

19、4-1(d), a=1.0； 对应于图4-1(e), a1=0.20.3；a2=0.30.5。 (2) 岸坡坝段： 对应于图4-1(a), a=0.30.4； 对应于图4-1(e), a1=0.30.4；a2=0.30.5； 其余较河床坝段适当提高。2) 作用于坝体内部的扬压力，可能有图4-1(c)、(d)两种型式。本工程为 。渗透压力强度折减系数a取 。提示：坝体内部渗透压力强度折减系数参考值如下： 对应于图4-1(c), a=0.150.3； 对应于图4-1(e), a=1.0。(3) 淤沙压力淤沙浮容重5kN/m3淤沙内摩擦角jn=0。(4) 浪压力设计计算风速 m/s；校核计算风速 m

20、/s；提示：(1)对正常蓄水位及设计洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速的1.52.0倍； (2)在校核洪水位时，宜采用相应洪水期多年平均最大风速。吹程 km。提示：除上述4条假定外，如需要，可随意增加或不增加任何内容。譬如若坝受有地震荷载和填土作用，则可增加地震荷载和土压力，如下述(5)、(6)。(5) 地震荷载提示：(1)水工建筑物抗震设计，一般采用基本烈度作为设计烈度。对于1级挡水建筑物，应根据其重要性和遭受震害的危害性，可在基本烈度基础上提高一度。需要考虑施工期和空库情况的地震作用时，可比设计烈度降低一度进行计算； (2)地震荷载一般用拟静力法计算； (3)一般只考虑顺河流方向的

21、水平向地震作用。设计烈度为8、9度的1、2级挡水建筑物，应同时计入水平向和竖向地震惯性力，此时，应将竖向地震惯性力乘以0.5的耦合系数； (4)对高度超过150m的坝，应进行动力分析； (5)对设计烈度高于9度的坝，应进行专门研究。(6) 土压力填土高程 m；土容重 kN/m3；土的内摩擦角(或有效内摩擦角) ；。5. 设计工作内容与方法5.1 坝体结构布置5.1.1 非溢流坝(1) 坝顶高程重力坝的坝顶高出水库静水位的高度由下式确定： Dh=2h1+h0+hc(1)式中：2h1浪高，m，按SDJ21-78(附17)式计算； h0波浪中心线至水库静水位的高度，m，按SDJ21-78(附20)式

22、计算； hc坝顶超高，m，按表10选用。表10 超 高 hc 单位：m 荷载组合(运用情况)坝的级别备 注123基本组合(正常运用)0.70.50.4特殊组合(非常运用)0.50.40.3提示：坝顶高程的确定尚需考虑枢纽中其他建筑物(如船闸坝顶桥下通航净空) 对坝顶高程的要求。(2) 坝顶宽度坝顶宽度根据运行和交通等要求确定。(3) 坝 坡提示：上、下游坝坡及起坡点高程宜根据作用在坝体上的主要荷载通过断面优化或根据经验(上游坝坡系数n=00.20；下游坝坡系数m=0.600.80，起坡顶点一般在坝顶附近)初拟，然后通过稳定、应力分析及总体布置作适当调整。5.1.2 溢流坝5.1.2.1 溢流坝

23、面曲线(1) 开敞式溢流孔建议采用幂曲线，并按式(1)计算： (2)式中：k、n按表11查取；表11 k、n表上游坝面坡度kn备 注垂直(3:0)2.0001.8503:11.9361.836Hs定型设计水头，m，取Hs=(75%95%)HZmax(HZmax为堰顶最大作用水头m)。具体取值需保证常遇洪水位闸门全开时不得出现负压；正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时可允许有不大的负压值，应在设计中经论证确定；校核洪水位闸门全开时出现的负压不得超过0.030.06MPa。最大负压值PB(MPa)按式(3)计算： (3)原点上游宜采用椭圆曲线，其方程为： (4)式中：aHs和bHs分别为椭圆曲线的

24、长轴和短轴。 a、b由式(5)确定： (5)(2) 设有胸墙的溢流孔建议采用孔口泄流的抛物线。当校核情况下最大作用水头HZmax (孔口中心线上)与孔口高D的比值或闸门全开仍属孔口泄流时按式(6)计算： (6)式中：j孔口收缩断面上的流速系数，一般取j=0.96；若孔前设有检修闸门槽时取j=0.95。原点上游曲线型式与胸墙底缘通盘考虑。提示：若溢流坝的反弧段应结合下游消能设施统一考虑。对挑流消能衔接，反弧半径可采用(410)h(h为校核洪水位闸门全开时反弧最低点处的水深)，反弧处流速愈大，反弧半径也宜选用较大值。5.1.2.2 闸 墩(1) 闸墩的形式和尺寸应满足布置、水流条件和结构上的要求。

25、(2) 为满足水流条件，闸墩厚度取0.267Hs为宜(对于流线型闸墩也可取为0.200Hs)；闸墩厚度还应满足强度条件。(3) 弧形闸门的闸墩厚度，对于采用圆柱铰的牛腿支承的闸墩，可按公式(7)、(8)估算：1) 当闸墩两侧同时受弧门支铰推力(中墩)时： (7)式中：T闸墩厚度，m； Kf混凝土抗裂安全系数，取Kf=1.25； Pk弧门支铰总推力(含两侧)，kN； R1混凝土轴心抗拉设计强度，MPa，按表7采用； b牛腿宽度，m，见后。2) 当闸墩一侧受弧门支铰推力(边墩)时： (8)式中：e0弧门支铰推力对闸墩厚度重心的偏心距，m； P1k弧门一只支铰的推力，kN0；其余符号同前。(4) 牛

26、腿尺寸按式(9)估算： (9)式中：h牛腿高度，m；其余符号同前。牛腿的宽高比b/h宜小于0.7；牛腿底面与闸墩表面之间夹角应大于或等于45；牛腿外缘高度宜大于或等于h/3。对于锥形铰闸墩，其厚度可根据式(9)估算当量牛腿宽度，然后按式(7)、(8)估算。锥形铰孔洞下游的闸墩混凝土有效长度宜大于3.5m。提示：从国内水平看，当闸墩单位厚度力(PK/T)超过6500kN/m时，宜考虑采用预应力混凝土闸墩。当采用平面闸门时，闸墩在门槽处应有足够的厚度。5.1.3 横 缝提示：(1)横缝间距一般为15m20m。当横缝间距超过20m或小于12m时，应有论证。 (2)溢流坝的横缝位置需根据闸墩布置、稳定

27、应力等因素综合考虑。 (3)横缝止水位置尽量在同一面上。 (4)碾压混凝土重力坝可少设或不设横缝。5.1.4 廊 道廊道设置应考虑兼作多种用途。廊道断面应满足预定功能要求。基础灌浆廊道的纵向坡度应缓于45。纵向廊道的位置，宜使廊道上游坝体厚度约为0.070.10倍坝面作用水头，并不小于3m。5.2 坝的应力计算图5-1 力、力矩、应力符号图1-y；2-yx；3-yz；4-x；5-xy；6-xz7-z；8-zx；9-zy；10-Mz；11-Mx；12-My坐标轴指向：X指向下游；Y指向地心；Z指向左岸5.2.1 力、力矩、应力符号提示：(1)当用材料力学方法计算时，建议采用图5-1符号规则。 力

28、以指向坐标轴正向为正； 力矩符合右手定则，即右手大拇指指向坐标轴正向，另四指指向即为力矩正向； 应力以压应力为正，剪应力以图示方向为正。 (2)当用有限元法等其它方法分析坝体应力时，遵循相应规定。5.2.2 计算简图及计算内容计算简图及计算内容参见附录A。5.2.3 作用在坝体上的荷载计算作用在坝体上的荷载计算按SDJ 21-78附录二荷载计算公式的有关规定进行。5.2.4 应力计算(1) 单向偏心受压公式： (10)式中：sy垂直正应力，kPa； A计算截面面积，m2； x应力计算点坐标，m； Iz计算截面截面惯性矩，m4； Fy计算截面以上所有荷载沿y轴向分力之和，kN； Mzc计算截面以

29、上所有荷载对计算截面形心轴Z的力矩之和，kNm。 (2) 双向偏心受压公式(略)。(3) 水平正应力sx及剪应力t的计算公式，可按SDJ 21-78(试行)附录三进行。(4) 有限元法。提示：有限元法分析坝体应力时，应力不仅随荷载和坝体、地基刚度而变，而且随单元形态和尺寸而异。4.1.2节的应力控制指标不适用于有限元法。5.3 坝的抗滑稳定计算(1) 抗剪强度公式： (11)式中：K按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数； f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数； Fx作用于坝体计算截面以上所有荷载沿x 轴向分力之和， kN； Fy同式(10)。(2) 抗剪断强度公式： (12)式中：K按抗剪断强度

30、计算的抗滑稳定安全系数； f坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数； c坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力，kPa；其余符号同前。对于常规混凝土坝，坝体抗滑稳定主要核算坝基面上的滑动条件，但对于碾压混凝土坝，必须同时核算坝体内部断面突变截面的抗滑指标。当用上述公式核算坝体内部抗滑稳定时，f、f、c应是混凝土与混凝土之间的抗剪强度值。(3) 深层抗滑稳定提示：(1)当重力坝坝基存在软弱夹层，尤其遇到倾向下游的缓倾角软弱夹层时，应进行深层抗滑稳定验算。 (2)深层抗滑稳定问题由于比较复杂，实践经验不多，尚无统一规定。一般情况下，可按刚体极限平衡法核算其整体安全度。 (3)对于特别重要的工程，应用有限元