碾压混凝土拱坝设计大纲范本.docx
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碾压混凝土拱坝设计大纲范本
FJD31060FJD
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4
2.设计依据文件和规范4
3.基本资料4
4.拱坝布置7
5.拱坝应力分析12
6.坝肩稳定分析15
7.坝基处理19
8.碾压混凝土拱坝温控及结构分析23
9.拱坝构造27
10.碾压混凝土拱坝观测29
11.专题研究30
12.工程量计算30
13.应提供的设计成果30
1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
MWh。
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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
月平均水温
3.5.4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
(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×10—41/℃,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
4.1.1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TB0.23H0,取TB=m;
H1上游坝面倒悬部分高度,取H1=(0.3~0.4)H0m;
K1上游坝面倒悬坡度,一般K10.14,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A的大地坐标(A点为拱坝中心线与坝轴线的交点)
控制点
N
E
A
拱坝中心线方位为NE。
(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、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
(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×10-41/℃.
(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:
①正常蓄水位m及相应的尾水位m。
②上游设计洪水位m及相应的尾水位m。
③上游校核洪水位m及相应的尾水位m。
④施工期遭遇洪水位m及相应的尾水位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
rm
rd
设计温升
rm
rd
(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
①水库正常蓄水位及相应的尾水位,泥沙压力,自重,设计温降。
②上游设计洪水位及相应的尾水位,泥沙压力,自重,设计温升。
③坝体自重。
(2)特殊组合
①上游校核洪水位及相应的尾水位,泥沙压力,自重,设计温升。
②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。
③基本组合①+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。
①正常蓄水位时水荷载作用下坝体应力分析;
②自重荷载作用下坝体自重应力分析;
③温度荷载(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
×104MPa
C
MPa
f
(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
×104MPa
C
MPa
f
6.1.2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
f1
C1,MPa
f2
C2,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=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。
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
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