1、碾压混凝土拱坝设计大纲范本 FJD31060 FJD水利水电工程 技术设计阶段碾压混凝土拱坝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碾压混凝土拱坝设计大纲 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. 基本资料 44. 拱坝布置 75.拱坝应力分析 126.坝肩稳定分析 157.坝基处理 198.碾压混凝土拱坝温控及结构分析 239.拱坝构造 2710.碾压混凝土拱坝观测 2911.专题研究 3
2、012.工程量计算 3013.应提供的设计成果 301 引 言 工程位于 省 市（县）境内；是 河（江）支流 河（江）上第 梯级水电站。本工程以 为主，兼以 等综合利用的水利水电枢纽工程。挡水建筑物为碾压混凝土拱坝，最大坝高 m，水库正常蓄水位 m，总库容 亿m3,电站机组 台，总装机容量 MW，保证出力 MW，多年平均发电量 MW h。本工程初步设计于 年 月审查通过，选定坝址 ，坝型为碾压混凝土拱坝。2 设计依据文件和规范2.1 有关本工程的主要文件(1) 工程初步设计报告；(2) 工程初步设计报告审批文件；(3) 工程初步设计 研究专题报告；(4) 工程 文件；(5) 工程 纪要。2.2
3、 主要设计规范(1) SDJ12-78 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）及补充规定；(2) SD145-85 混凝土拱坝设计规范（试行）；(3) DL/T5005-92 碾压混凝土坝设计导则；(4) SDJ21-78 混凝土重力坝设计规范（试行）；(5) SDJ10-78 水工建筑物抗震设计规范（试行）；(6) SDJ336-89 混凝土大坝安全监测技术规范。3 基本资料3.1 工程等别与建筑物级别(1) 工程等别 工程的坝高 m，水库总库容 亿m3。工程建成后具有使下游 km的 城市防洪能力达到 年一遇的设防标准，保护农田面积 万亩，设计灌溉面积 万亩，工程总
4、装机容量 MW等效益。根据SDJ12-78及其补充规定，本工程等别属 等工程。 (2) 建筑物级别 根据SDJ12-78的规定，确定 工程碾压混凝土拱坝为 级建筑物。3.2 洪水标准3.2.1 洪水标准 (1) 设计洪水重现期为 a； (2) 校核洪水重现期为 a； (3) 施工期坝体挡水洪水重现期为 a。3.2.2 洪水流量 (1) 设计洪水流量Q= m3/s； (2) 校核洪水流量Q= m3/s； (3) 施工期坝体挡水洪水流量Q= m3/s。3.2.3 水库上下游防洪标准 (1) 水库调洪时坝前限制最高水位 m； (2) 水库调洪时下泄设计洪水流量Q= m3/s； (3) 水库调洪时下泄
5、校核洪水流量Q= m3/s。3.3 水 文 水位与流量关系曲线 提示：应附水位-流量关系图。3.4 泥 沙(1) 年水库泥沙淤积高程 m；(2) 泥沙的内摩擦角 = ；(3) 泥沙的浮容重 n= t/m3。3.5 气 象3.5.1 气 温表1 气 温 单位： 项 目月 份年平均123456789101112多年月平均气温多年最低月平均气温多年最高月平均气温3.5.2 日 照表2 多 年 平 均 太 阳 辐 射 热 单位：J/cm2月 份 123456789101112年总辐射热量月总辐射热量3.5.3 水 温表3 水 温 单位：月 份 123456789101112年平均月平均水温3.5.4
6、风 速 (1) 风 向： (2) 风 速： 多年平均最大风速 = m/s； 多年实测最大风速 = m/s； 多年平均风速 m/s。3.6 坝址区地形资料 坝址区地形图。3.7 坝区工程地质资料 (1) 坝区工程地质报告。 (2) 坝区地质总平面图。 坝区地质平切面图。 坝区地质剖面图。 (3) 坝区的地质构造，断层破碎带、软弱带（层）、节理、裂隙的分布以及产状等。 (4) 坝区岩体物理力学参数。3.8 地震烈度 (1) 基本烈度 根据国家地震局（或有关单位）鉴定本工程区地震基本烈度为 度。 (2) 设防烈度 根据SDJ10-78的规定，本工程大坝设防烈度为 度。3.9 碾压混凝土物理力学特性
7、(1) 碾压混凝土按龄期 天标号 设计。 (2) 碾压混凝土弹性模量 104MPa、变形模量 104MPa。 (3) 碾压混凝土抗渗标号为 。 (4) 碾压混凝土容重 t/m3。 (5) 碾压混凝土泊松比取 。 (6) 碾压混凝土热学性能：线胀系数 1041/，导热系数 ，混凝土绝热温升 ，混凝土散热系数 。4 拱坝布置 提示：按初步设计阶段成果， 工程的拱坝坝型为 ，坝轴线位置选在 。 根据初步设计报告审查意见 ；并研究了有关专家咨询意见 ；同时结合新提供的工程地质资料等，需要在初步设计的基础上，对拱坝布置及坝型作进一步优化，以确定本设计阶段较优的拱坝布置方案。4.1 坝轴线位置优化4.1.
8、1 主要原则 (1) 在满足枢纽整体布置总要求的前提下，坝轴线位置选择要为简化枢纽总布置，减少各建筑物间相互干扰创造条件。 (2) 尽量避开不利的工程地质条件（如断层带影响），使拱坝坝基着落在较完整的基岩上。 (3) 要求两岸坝肩有足够的抗力体范围。 (4) 尽量使坝轴线选在河谷相对狭窄部位。 (5) 尽量避开坝基高边坡开挖的情况。4.1.2 坝轴线方案优化 提示：根据上述拱坝坝轴线布置原则，在初步设计所选定的坝轴线位置的基础上进行坝轴线微调，优化后确定。4.1.3 坝轴线位置优化程序坝轴线方案拟定 各方案的拱坝布置 技术经济分析：包括坝体应力分析，坝肩稳定分 析，施工条件分析，工程量计算，其
9、它条件分析。 综合比较，确定坝轴线位置图1 坝轴线位置优化程序4.2 拱坝布置4.2.1 拱坝坝型提示 为了发挥碾压混凝土筑坝技术的快速施工优势，确保碾压混凝土施工质量，同时结合我国目前碾压混凝土拱坝施工水平和实践经验，根据初步设计阶段坝型比较论证结果，拱坝坝型以采用（三心圆或单心圆等）单曲拱坝较好。4.2.2 确定建基面提示 根据SD145-85关于坝基开挖深度的规定，“一般高坝应尽量开挖至新鲜或微风化的基岩，中坝应尽量开挖至微风化或弱风化中、下部的基岩”，同时结合本工程的坝基地质条件和物理力学性质等因素，经工程类比后，确定拱坝建基面及坝底建基高程。4.2.3 拱坝体形优化设计4.2.3.1
10、 一般原则 (1) 力求拱坝体形简单，以利加快碾压混凝土施工速度，确保施工质量； (2) 在满足坝体强度要求的同时，最大限度地改善坝肩稳定条件； (3) 满足坝身泄洪建筑物布置的要求； (4) 充分考虑工程具体条件。4.2.3.2 体形设计基本条件 除有关基本资料和参数外，结合拱坝体形设计还应有以下设计条件： (1) 拱坝轴线位置选在 位置； (2) 水库正常蓄水位 m，经计算分析确定坝顶高程 m，最大坝高 m; (3) 根据河床部位的河谷形状，经初步设计论证确定在河床部位设置垫座，垫座顶部高程 m，拱坝体形设计中采用的计算坝高 m； (4) 按“U”型河谷进行拱坝体形设计。4.2.3.3 拱
11、坝体形优化 (1) 拱冠剖面优化拱冠剖面的几何描述，见图2：图2 主要参数： T0 坝顶厚度，取T0= m； TB 拱冠剖面底厚，要求TB 0.23H0，取TB= m； H1 上游坝面倒悬部分高度，取H1=(0.30.4)H0m； K1 上游坝面倒悬坡度，一般K1 0.14，取K1= ； K2 下游坝面上段折线坡度，取K2= ； K3 下游坝面下段折线坡度，取K3= ； ZC 下游坝面上下段折线相交处高程，取ZC= m。 (2) 水平拱圈优化 水平拱圈几何描述，见图3：图3 主要参数： 拱厚，m TC 拱冠处拱厚，由拱冠剖面形状确定； T1 左半拱变曲率处拱厚，一般T1 =TC； Tr 右半拱
12、变曲率处拱厚，一般Tr =TC； T1 左拱端拱厚，一般T1=TC； Tr 右拱端拱厚，一般Tr=TC。 水平拱圈上游面圆弧半径，m RCu 中圆部分上游面圆弧半径，取Rcu= ； Rlu 左侧圆部分上游面圆弧半径，取Rlu= ； Rru 右侧圆部分上游面圆弧半径，取Rru= 。 中圆中心角，（ ） cl 左中圆中心角，一般取 cl=20 30 ； cr 右中圆中心角，一般取 cr=20 30 。 各计算高程拱端中心角，（ ） 1 左拱端中心角，取 1= （ ）； r 右拱端中心角，取 r= （ ）。 (3) 拱坝中心线平面位置优化 拱坝中心线平面位置描述（图4示）： 图4 主要参数： 控制点
13、A的大地坐标（A点为拱坝中心线与坝轴线的交点）控 制 点NEA 拱坝中心线方位为N E。 (4) 拱坝体形优化设计 (5) 选定体形几何参数特征值表4 选 定 体 形 几 何 参 数 特 征 表 项 目单 位数 值坝 型计算坝高m坝顶厚度m坝底厚度m最大中心角 顶拱中心线弧长m厚高比弧高比坝体体积万m3其 它5 拱坝应力分析5.1 拱坝应力分析内容和分析方法5.1.1 拱坝应力分析内容5.1.1.1 拱坝应力分析的主要内容一般包括： (1) 计算坝体应力分布状态（包括坝体位移图、拱向应力、梁向应力、坝面主应力分布图）； (2) 坝体应力控制部位和应力控制值计算； (3) 坝体削弱部位（如孔洞、
14、泄水管道部位等）的局部应力计算分析； (4) 需要时分析坝基内部应力。提示 设计时可根据工程规模，拱坝结构的具体情况，坝区自然条件（如坝基条件，气温条件，荷载变化条件等），计算上述内容的部分或全部，或另加其它内容。5.1.1.2 拱坝应力分析中，要考虑下述问题： (1) 如坝体内设有大的孔洞，应考虑其对坝体应力的影响； (2) 基础变形对坝体应力的影响； (3) 分期蓄水，分期施工和施工程序对坝体应力的影响； (4) 温度荷载对坝体应力的影响； (5) 混凝土徐变对坝体应力的影响； (6) 在施工期坝体自重作用对坝体应力的影响； (7) 当拱坝设有重力墩，推力墩，基础垫座或周边缝时对坝体应力的
15、影响。提示 上述问题，可根据其重要性和必要性，有的放矢选取。5.1.2 拱坝应力分析方法 (1) 拱梁分载法 根据拱坝设计规范规定，拱坝应力分析一般以拱梁分载法计算成果作为衡量强度安全的主要标准，故本工程的拱坝应力分析采用拱梁分载法为主。 (2) 有限元法 (3) 结构模型试验提示 在拱坝应力分析中，根据工程的重要性，应进行有限元法或结构模型试验加以验证。必要时，二者同时进行，相互验证。 当拱坝内设有大的孔洞，基础条件复杂，或为研究局部应力状态等，应采用有限元法或结构模型试验。5.2 基本设计参数5.2.1 拱坝体形参数提示 根据“4.2.3拱坝体形优化设计”成果采用。5.2.2 物理力学参数
16、 (1) 坝体混凝土物理力学参数 混凝土容重 t/m3，混凝土变形模量 104MPa，混凝土泊松比 ，混凝土线胀系数 10-4 1/. (2) 坝基岩体变形模量及泊松比表5 坝 基 岩 体 变 形 模 量 及 泊 松 比 岩 性变形模量，104MPa泊 松 比 (3) 坝基综合变形模量表6 坝 基 综 合 变 形 模 量 单位：104MPa 计 算 高 程，m左 岸右 岸5.3 荷载及荷载组合5.3.1 荷 载 在一般情况下有： (1) 水压力：正常蓄水位 m及相应的尾水位 m。 上游设计洪水位 m及相应的尾水位 m。 上游校核洪水位 m及相应的尾水位 m。 施工期遭遇洪水位 m及相应的尾水位
17、 m。 (2) 泥沙压力：淤沙高程 m。 淤沙浮容重 t/m3。 淤沙内摩擦角 。 (3) 自重：坝体混凝土容重 t/m3。 (4) 温度荷载根据SD145-85附录二中“七、温度荷载”部分所提供的有关计算公式，经计算分析，用于拱坝应力常规分析的温度荷载见表7所列。表7 温 度 荷 载 单位：计 算 高 程 (m) 设计温降rmrd设计温升rmrd (5) 地震荷载：地震设防烈度 。 (6) 其它荷载： ，。5.3.2 荷载组合 在一般情况下有： (1) 基本组合 水库正常蓄水位及相应的尾水位，泥沙压力，自重，设计温降。 上游设计洪水位及相应的尾水位，泥沙压力，自重，设计温升。 坝体自重。 (
18、2) 特殊组合 上游校核洪水位及相应的尾水位，泥沙压力，自重，设计温升。 施工期遭遇洪水位及相应的尾水位，渡汛时坝体临时断面自重，设计温升。 基本组合+地震荷载。提示 荷载组合可根据工程的实际情况，依据规范要求来确定。5.4 坝体应力控制指标表8 坝 体 应 力 控 制 指 标 单位：MPa荷 载 组 合 最大主压应力最大主拉应力上游坝面下游坝面上游坝面下游坝面基本组合特殊组合无地震有地震 注：此表与拱梁分载法计算成果相配套5.5 拱坝应力分析5.5.1 拱坝拱梁分载法应力分析 (1) 单项荷载作用时应力分析。 正常蓄水位时水荷载作用下坝体应力分析； 自重荷载作用下坝体自重应力分析； 温度荷载
19、（设计温降与设计温升）作用下坝体温度应力分析。 (2) 各组合荷载工况时的坝体应力分析。(3) 坝基变形模量对坝体应力影响的敏感性分析。5.5.2 三维有限元分析提示 (1)有限元法特别适用于以下情况： 1)体型复杂的拱坝； 2)坝体开设底孔、中孔、表孔或廊道的拱坝； 3)布置有垫座，推力墩或重力墩的拱坝； 4)拱坝的动力分析，特别是当需要考虑水与坝体耦合作用时； 5)需要考虑坝基软弱夹层、断层、裂隙或坝体分缝、裂缝等非线性分析时。 (2)在划分单元时，坝体中部区域用20节点曲边六面体等参单元，建基面附 近的坝体区域用退化单元或四面体、五面体、三棱柱单元。 (3)在坝基变形对坝体应力影响的有限
20、元分析中，有三种分析方法： 1)考虑一定的坝基范围，然后在坝基边界处刚固。对坝基的模拟一般采用四面体单元或8节点六面体单元，对软弱夹层或断层用非线性夹层单元。 2)可采用无穷元模拟拱坝坝基，这种方法反映了整个坝基对坝体的影响，较切合实际。 3)用伏格特理论模拟坝基，此法的优点是计算结果易与拱梁分载法结果相比较。5.5.3 拱坝结构模型试验提示 在拱坝应力分析中，拱坝结构模型为静力模型，用于研究坝体应力和位移状态、坝体的破坏机理和承载能力。用它研究拱坝坝体应力的特殊问题时，更为方便。例如坝内开孔的应力、孔口、闸墩局部刚度对拱坝应力的影响，坝体加高的应力分析问题等。静力学模型把坝基视为承力体，也就
21、是说，在进行拱坝超载试验时，坝基不会首先破坏。通过静力学模型研究坝体的破坏现象，除了可以了解坝体潜在的超载能力外，还可以观察到拱坝整体破坏前可能出现的局部损伤及应力调整情况。5.5.4 拱坝动力分析 (1) 三维有限元动力分析。 (2) 动力模型试验。6 坝 肩 稳 定 分 析6.1 坝区岩体地质结构特征及物理力学参数6.1.1 坝区岩体地质结构特征 (1) 节理裂隙特征，见表9：表9 节 理 裂 隙 特 征 表 组 号分布范围产 状充 填 物发育程度 (2) 断层特征，见表10：表10 断 层 特 征 表 断层号分布部位等 级产 状充 填 物发育规模(3) 软弱岩带特征，见表11：表11 软
22、 弱 岩 带 特 征 表 软弱岩带岩性分布部位主 要 物 理 力 学 参 数抗压强度MPa变形模量104MPaCMPaf (4) 坝区岩体各岩性的物理力学参数，见表12：表12 各 岩 性 的 物 理 力 学 参 数 岩 性容 重t/m3泊 松 比变形模量104MPaCMPaf6.1.2 抗剪强度设计值，见表13表13 抗 剪 强 度 设 计 值 类 别节理裂隙抗 剪 断 强 度抗 剪 强 度或断层编号f1C1,MPaf2C2,MPa结构面节理裂隙岩层/层面断 层非结构面软弱岩体坝基岩体坝与基础接触面6.2 坝肩稳定分析方法6.2.1 坝肩抗滑稳定分析 (1) 刚体极限平衡法； (2) 将坝和
23、地基作为弹性或弹塑性的有限元法； (3) 地质力学模型试验。提示 关于坝肩抗滑稳定分析，以刚体极限平衡法为主，对于大型工程或复杂地质情况时，要辅以地质力学模型试验和有限元法计算。6.2.2 坝肩变形稳定分析 (1) 三维有限元法； (2) 地质力学模型试验。提示 在坝肩附近下游存在有较大断层或软弱岩带时，应进行变形稳定分析。6.2.3 刚体极限平衡法 坝肩稳定分析应按空间问题处理。结合本工程具体情况，采用三维刚体极限平衡法为主，进行抗滑稳定分析。提示 (1)在情况简单无特定的滑裂面和作初步估计时,可按平面分层进行稳定计算。 (2)当滑动体为四面体时，采用矢量代数法，三维浮值分析法计算，也可用赤
24、平投影法计算。对于多块体组成的复杂基岩的深层抗滑稳定问题，可采用等K值法进行计算。6.3 三维刚体极限平衡法坝肩稳定分析6.3.1 可能滑动体边界条件分析 结合本工程特定地质条件，经分析，可能滑动体边界的组合情况见表14。表14 可 能 滑 动 体 边 界 条 件 可能滑动体编号上游拉裂面P1底滑(缓)面P2侧滑(陡)面P3侧滑(陡)面P4图 示左IL产状坝性质肩IIL产状性质右IR产状坝性质肩IIR产状性质 注：表中“性质”指假定面或某条断层面或某组节理裂隙面6.3.2 荷载与荷载组合6.3.2.1 荷载计算 坝体推力：采用拱梁分载法计算成果，并取各荷载组合中最不利的情况。 岩体自重：可能滑
25、动体的岩体自重，从安全余度考虑，不计强风化岩体部分的自重。 渗透压力：渗透压力计算假定是在滑动面上上游点的渗压强度取其作用水头，下游出露点的渗压强度取零（当出露点在下游水位以上时）或下游尾水的作用水头（当出露点在下游水位以下时），在上游点与下游出露点之间按线性分布取值，并将其计算的渗透压力值称为100%渗压值，记Umax。设计渗压值，类比工程设计经验，可取Umax值的50%。提示 当坝肩稳定安全系数较低，需要有可靠排水措施保证时，其设计渗压值也可取Umax值的33%，但要经充分论证。 地震力：地震区的坝肩稳定分析，其地震力应按SDJ10-78的有关规定计算。6.3.2.2 荷载组合 基本组合=
26、坝体推力+岩体自重+渗透压力 特殊组合（无地震）=坝体推力+岩体自重+渗透压力 特殊组合（有地震）=坝体推力+岩体自重+渗透压力+地震力6.3.3 抗滑稳定安全系数6.3.3.1 抗滑稳定计算公式 (1) (2)式中：K1和K2 抗滑稳定安全系数； N 垂直于滑动方向的法向力； T 沿滑动方向的滑动力； A 计算滑裂面的面积。 公式(1)中的抗剪断强度参数，即摩擦系数f1和凝聚力C1值，应按相应于材料的峰值强度采用。 公式(2)中的抗剪强度参数，即摩擦系数f2，应按相应于下述特性值取用，对脆性破坏的材料，采用比例极限；对塑性或脆塑性破坏的材料，采用屈伏强度；对已经剪切错断过的材料，采用残余强度
27、。6.3.3.2 允许抗滑稳定安全系数 根据拱坝设计规范，在本工程的坝肩稳定分析中，允许抗滑稳定安全系数采用值见表15。表15 允 许 抗 滑 稳 定 安 全 系 数 采 用 值 荷 载 组 合抗 剪 断 时抗 剪 时基 本特 殊无地震有地震6.3.4 最不利的滑动体分析 (1) 最不利的可能滑动体边界组合分析； (2) 最不利的可能滑动体计算高程（或部位）分析； (3) 最不利的可能滑动体滑型分析。6.3.5 影响抗滑稳定的主要因素分析 (1) 结构面产状对抗滑稳定影响的敏感性分析； (2) 渗压取值对抗滑稳定影响的敏感性分析； (3) 抗剪强度参数取值对抗滑稳定影响的敏感性分析。6.4 有限元法分析6.4.1 平面非线性有限元分析提示 平
