注册土木工程师(水利水电工程)专业案例第六章混凝土拱坝设计课件

第六章混凝土拱坝设计熟练掌握拱坝布置和设计基本要求。熟练掌握拱坝泄洪、消能型式及结构设计。熟练掌握泄水建筑物的水力计算。掌握拱坝结构、构造设计和坝体分区。掌握拱坝应力与拱座抗滑稳定计算。掌握坝基（坝肩）处理设计。掌握碾压混凝土拱坝材料性能、构造要求与施工特点。了解拱坝坝体温度控制与混凝土防裂措施。了解拱坝的安全监测设计。考试大纲

6.1拱坝布置和设计基本要求（一）拱坝布置设计

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.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。

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。

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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、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。

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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、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，再水平穿过坝体布置。（二）拱坝设计原则

拱坝设计遵循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。6.2拱坝结构、构造设计和坝体分区（一）坝体结构、构造设计

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.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的选定高程。

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１．２ｍ，在坝体横缝处应留伸缩缝，并设止水。坝顶下游侧应设置栏杆。

4）非溢流段坝顶宽度应根据剖面设计，满足运行、交通要求确定，不宜小于3ｍ。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20～30cm。

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。

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.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，在坝体混凝土冷却到年平均气温左右，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。（二）坝体混凝土及分区设计

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）泄水孔深式泄水孔(包括中孔、深孔和底孔)宜设计成有压孔。（4）坝身泄水孔结构布置6.3拱坝泄洪、消能建筑物型式及结构设计

6.3.2消能型式及结构设计1．消能型式选择2．消能防冲结构设计要求3．防空蚀设计4．雾化

6.5拱坝应力与拱座抗滑稳定计算（一）坝体应力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，还应采用有限元法计算。必要时，应进行结构模型试验加以验证。

（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方法进行分析。初步设计以后的阶段，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。6.6拱坝坝基（坝肩）处理设计（一）一般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。（二）坝基开挖

（三）固结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３～４ｍ。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５～８ｍ。（四）防渗帷幕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。（六）断层破碎带、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；位于坝趾附近的比位于坝踵附近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。6.7坝体温度控制与混凝土防裂措施（一）收集资料要求当日平均气温２～３ｄ连续下降不小于６℃，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，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、日照等资料进行分析。（四）

表面保护及温控措施选用（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。气温骤降是引起混凝土表面裂缝的最不利因素之一，低温季节内外温差过大或混凝土表面温度梯度过大，也是引起混凝土表面裂缝的原因之一，因此应特别注意气温骤降期间及低温季节混凝土表面保护。（1）温度控制措施选用温控措施的选用应符合以下要求：应采用合适的混凝土原材料，改进混凝土施工管理和施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。应合理安排混凝土施工程序，在有利季节浇筑基础约束区混凝土，并控制相邻块、相邻坝端高差。基础约束区混凝土应连续均匀上升，不得出现薄层、长间歇情况。控制混凝土全年的浇筑量，高温季节宜利用夜间浇筑，严寒地区应避免在冬季浇筑混凝土。6.8碾压混凝土拱坝碾压混凝土拱坝的材料性能要求、构造要求、温控要求、施工特点等与混凝土重力坝大