水利水电工程 初步设计阶段

混凝土面板堆石坝设计大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1999年10月

     工程 初步设计阶段

混凝土面板堆石坝设计大纲

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        勘测设计研究院

       年    月

目    录

1  综合说明 ……………………………………………………………………………………（4）

2  设计依据文件和规范………………………………………………………………………（4）

3  基本资料……………………………………………………………………………………（4）

4  面板坝布置…………………………………………………………………………………（9）

5  坝体设计……………………………………………………………………………………（10）

6坝体计算 …………………………………………………………………………………（13）

7基础处理 …………………………………………………………………………………（14）

8坝体原型观测设计………………………………………………………………………（15）

9工程量计算及设计成果…………………………………………………………………（16）

1  引言

工程位于_____省_____ (县)以_____ km的_____河上，是以_____为主，兼顾(结合)    等综合利用的水利水电枢纽工程。水库正常蓄水位_____m，最大坝高_____ m，总库容_____ m3，电站总装机容量_____MW，年发电量_____kW·h，灌溉面积_____hm2。

本工程可行性研究报告于_____年_____月由_____审查通过，选定坝址为。

2  设计依据文件和规范

2.1  有关本工程的文件

    (1)可行性研究报告

    (2)可行性研究报告审批文件

    (3)可行性研究地质报告、建材试验报告

    (4)可行性研究专题报告

    (5)设计合同及设计任务书

    (6)初步设计地质报告、建材试验报告

2.2  主要设计规范

    (1)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)及补充规定；

    (2)SDJ 218—84       碾压式土石坝设计规范；

    (3)DL 5016—93       混凝土面板堆石坝设计导则；

    (4)SL 49—94         混凝土面板堆石坝施工规范；

    (5)DL 5073—1997    水工建筑物抗震设计规范；

    (6)SDJ 20—78        水工钢筋混凝土结构设计规范；

    (7)SDJ 338—       水利水电工程施工组织设计规范(试行)；

(8)GB 50201—94      防洪标准。

3  基本资料

3.1  工程等别与建筑物级别

    (1)工程等别

    _____工程，水库总库容_____×108 m3，防洪效益_____，灌溉面积_____hm2，水电站装机容量_____MW，按SDJ 12—78的规定，本工程为_____等。

    (2)建筑物级别

    根据SDJ 12—78中表2确定建筑物的级别为：_____级;

    永久主要建筑物拦河坝为_____级；

    永久次要建筑物为_____级；

    临时建筑物为_____级。

3.2  气象

    (1)气温与水温

1)气温

表1                         气温表                    单位：℃

绝对最高气温_____℃；

绝对最低气温_____℃。

2)水温

表2                       水温表                    单位：℃

      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)吹程_____km。

    (3)冰情

    冬季冰冻期_____月～_____月，多年平均最大冰厚_____m，春季流冰持续时间_____d，冰块最大面积_____m2，流速_____m/s，流冰抗碎强度_____MPa，冻土最大深度_____ m，溶冰期_____月～_____月。

3.3  水文、水能

    (1)洪水

      1)设计洪水重现期_____a；

      2)校核洪水重现期_____a；

      3)施工渡汛坝体挡水洪水重现期_____a；

      4)移民标准洪水重现期_____a；

      5)征地标准洪水重现期_____a。

    (2)坝前水位

      1)校核洪水位_____m；

      2)设计洪水位_____m;

      3)正常蓄水位_____m；

      4)防洪水位_____m；

      5)死水位_____m。

    (3)坝址水位、流量关系曲线

    (4)泥沙

        工程河段多年平均悬移质沙量_____×104 t，多年平均推移质沙量_____×104 t，河床推移质级配见表3。

表3  河床推移质级配表

    (5)水库淤积

      1)坝前20年泥沙淤积高程_____m，30年泥沙淤积高程_____m；

      2)泥沙的内摩擦角(φ)°；

      3)泥沙浮容重_____kN/m3。

3.4  地形

    坝址区地形图。

3.5  地质

    (1)工程地质

      1)工程地质图包括：

    坝址工程地质平面图；坝址区工程地质纵、横剖面图；坝址岩盘、风化带及覆盖层等高线图；围堰工程地质纵横剖面图；钻孔柱状图。

3)建议岩、土开挖边坡见表4。

4)

表4  建议岩、土开挖边坡

表5  坝区岩体物理力学指标建议值

表6  坝区河床覆盖层物理力学指标建议值

    (2)水文地质

      1)沿大坝趾板线的渗透剖面图。

      2)大坝坝基(特别是趾板线附近)地下水的分布规律，地下水的层数_____ ,各层埋深_____,水源补给途径_____,水的酸碱度_____,pH值_____,承压水的压力_____。

3.6  地震烈度

    (1)地震基本烈度

    本工程坝区基本烈度为_____度。

    (2)地震设计烈度

    根据DL 5073-1997的规定，本工程大坝地震设计烈度为_____度。

3.7  建筑材料

    (1)外来建筑材料

    水泥、钢材、木材、止水材料的特性见供货单位说明书，其中混凝土的强度特性见表7。

表7  混凝土强度特性

混凝土热胀系数见表8。

表8  混凝土热胀系数

混凝土标号  吸热系数  放热系数  导热系数  线胀系数

(2)当地建筑材料

    石料储量_____×104 m3，运距_____km；土料储量_____×104 m3，运距_____km；沙石料储量×104 m3，运距_____km。

1)填坝石料主要物理力学性质见表9。

表9  填坝石料物理力学指标

表10  防渗土料物理力学指标

土壤

提示：(1)小型工程和30 m以下的坝可不作应力应变分析。对于中型工程的坝坡稳定计算抗剪强度指标C、φ，可以通过直剪仪和三轴剪切仪进行试验取得，或由工程类比确定。

(2)坝料为软岩又无资料类比者，设计参数应通过试验确定。

(3)坝料试验项目有：爆破试验；级配试验；击实试验；压缩试验；三轴剪切试验；渗透变形试验；现场碾压试验。

在初设阶段，中、小型工程一般没有条件进行现场试验，可留待施工时再进行。

    坝体应力应变计算所需参数如表11。

表11  坝体应力应变计算所需参数

4  面板坝布置

4.1  面板坝坝轴线选择和布置

    根据可行性研究阶段选定的坝址，结合本阶段地勘资料和枢纽布置要求，选择和布置较合理的坝轴线。

提示：坝轴线的选择一般取决于下列条件：

(1)坝址河段的地形条件；

(2)地质条件；

(3)趾板线的水文地质条件；

(4)与枢纽其他建筑物的协调条件；(5)坝轴线一般布置成直线，当地形、地质条件不具备时，也可布置成折线或弧线；

(6)施工条件。

按照上述条件布置坝轴线，然后进行经济技术比较，择优选取。

4.2  坝体布置

    确定坝顶高程和坝顶宽度、上下游坝坡、趾板线的位置；确定与两岸坝肩及建筑物的相互关系。

4.2.1  坝顶布置

    面板坝顶部的上游面一般设一道直立的钢筋混凝土的L墙，墙高从防浪墙顶算起共    m，缝间设一道止水至墙顶。

    下游面可设L墙，也可不设；下游面设拦杆，坝顶布置照明灯杆，间距_____m。

    坝顶宽度_____m，按构造和交通要求选定。坝顶设横向排水坡为_____ %。

4.2.2  确定坝顶高程

    防浪墙顶高程等于水库静水位加墙顶超高，按下列三种情况计算，取其最大值。

    (1)设计洪水位+正常运用情况的墙顶超高；

    (2)校核洪水位+非常运用情况的墙顶超高；

    (3)正常蓄水位+非常运用情况的墙顶超高+地震安全超高_____m(包括涌浪高程)，当地震设计烈度为8(或9)度时，还应加上坝体(和坝基)在地震作用时的坝顶沉陷。

墙顶超高计算公式：

Y=R+e+A                                   (1)

式中：  R——为波浪在坝坡上的爬高，m；R按SDJ 218—84附录一计算,其中正常运用情况，采用多年平均最大风速的_____倍；非常运用情况采用多年平均最大风速；

e——为最大风雍水面高度，m；e按SDJ 218—84附录一计算，其中风速值的采用与R计算相同；

A——为安全加高，m；按表12采用。

表12  安全加高，A值表

4.2.3  上、下游坝坡拟定

提示：根据已建工程类比和本工程填坝石料的物理力学性质初步拟定。

(1)上游坝坡：

    湿抗压强度高、质量良好的爆破石碴料坡比为1∶_____；

湿抗压强度低、质量较差的石碴料坡比为1∶____；

质量良好的砂砾料坡比为1∶____。

(2)下游坝坡：    湿抗压强度高，优良石碴料构成的坡比为1∶_____；

湿抗压强度低，坝区开挖石碴料构成的坡比为1∶_____；软弱石碴料构成的坡比为1∶_____；

各种砂砾料构成的坡比为1∶_____；

由复合料构成的坡比为1∶_____。

4.2.4  趾板线的选择和布置

提示：(1)根据布置及防渗的需要，调整好坝轴线与趾板线。

(2)趾板线的选择就是大坝防渗帷幕的位置选择，趾板一般置于坚硬、稳定、无冲蚀和可灌的基础上。

(3)当趾板线实在避不开不利的地质构造时，可采用贴坡面板或截水墙，以绕开或改善不利的地质构造。

4.2.5  坝顶连接结构设计

提示：面板堆石坝的坝体堆石和面板，往往与堆石坝两坝肩的刚性混凝土建筑物相邻，如混凝土副坝、溢洪道边墙、船闸的边墙、筏道等，在此种情况下面板与这些建筑物之间的接缝应按周边缝设计，止水体应留有足够的变形余地。

5  坝体设计

5.1  坝体剖面设计

提示：坝体剖面设计应先确定剖面的几何尺寸，即先确定坝的建基高程，求出最大坝高，然后进行坝体堆料分区和各分区坝料的设计及工艺设计。

5.1.1  确定最大坝高

    (1)趾板的最低清基高程；

    (2)坝基最低清理高程。

    最大坝高H=坝顶高程—(1)、(2)项之最低者。

5.1.2  坝体堆石分区

    根据《混凝土面板堆石坝设计导则》(DL 5016—93)第2章第2节对面板坝进行区域划分，从上游铺盖至下游坝坡大致划分如下：

    (1A)粘性土料墙铺盖区填筑_____土料；

    (1B)盖重区填筑_____任意料；趾板后特殊垫层区填筑_____石料；

    (2)垫层区填筑_____石料；

    (3A)过渡区填筑_____石料；

    (3B)主堆石区填筑_____石料；次堆石区填筑_____石料；

    (3C)下下游堆石区下部浸水部分填筑_____石料；

(3C)上下游堆石区上部干燥部分填筑_____石料。

5.1.3  各分区坝料设计和碾压工艺设计

(1A)粘性土料墙铺盖区：压实干容重_____,孔隙率_____,级配曲线_____,渗透系数_____,铺料厚度_____,洒水量_____,碾子功率_____,碾压遍数。

    (1B)盖重区：压实干容重    。

    趾板后特殊垫层区：压实干容重_____,石料风化程度_____,孔隙率_____,级配曲线_____,水泥参量_____,渗透系数_____,铺料层厚_____,洒水量_____,碾重_____,碾压遍数    。

    垫层区：压实干容重_____,石料风化程度_____,孔隙率_____,级配曲线_____,渗透系数_____,铺料厚度_____,洒水量_____,碾重_____,碾压遍数_____,含泥量_____,垫层区水平宽度_____m。

    (3A)过渡区：压实干容重_____,石料风化程度_____,孔隙率_____,级配曲线_____,渗透系数_____,铺料厚度_____,洒水量_____,碾子功率_____,碾压遍数_____,含泥量_____,过渡区的水平宽度_____m。

    (3B)主堆石料区：压实干容重_____,风化程度_____,孔隙率_____,级配曲线_____,渗透系数_____,含泥量_____,铺料厚度_____,洒水量_____,碾子功率_____,碾压遍数_____。

    (3C)下游堆石区：压实干容重_____,风化程度_____,孔隙率_____,级配曲线_____,渗透系数_____,含泥量_____,铺料厚度_____,洒水量_____,碾子功率_____,碾压遍数_____。

5.1.4  填筑质量标准

提示：中、小工程的初步设计阶段其坝料设计，可参照表列经验数据取值，施工过程中再行修正。    

填筑质量标准的经验数值表

5.2  面板坝坝体防渗系统设计

提示：大坝的防渗系统包括帷幕、趾板、面板和接缝等内容，本节只叙述趾板、面板和接缝设计，帷幕归入基础处理部分。

5.2.1  趾板设计

    (1)趾板宽度按基础处理后的地基允许渗流比降确定，采用水头的____%，全部趾板按水头的大小及基础处理的严宽可分成_____种不同的型式。

    (2)趾板的厚度根据工程类比及面板的厚度定为____～____。

    (3)趾板采用单层双向配筋，配筋率为_____%。

    (4)趾板与基岩的联系采用锚筋，锚筋直径为____mm、间距____m、伸入基岩____m、全长    m。

    (5)在趾板下进行帷幕灌浆和固结灌浆，可在相应的灌浆孔位设置预埋管。

    (6)趾板沿纵向可不设缝，也可设缝。如设缝，在缝间设一道PVC止水。

    (7)趾板混凝土强度标号_____,抗渗标号为_____,抗冻标号为____。(水泥标号    )。

    (8)趾板下的断层破碎带、软弱夹层等要进行处理，处理后的基础要能满足渗流稳定并达到同一安全标准。

    (9)如在设计上一定要采用高趾墙，必须进行稳定应力计算，控制墙下帷幕部位不能出现拉应力。    (10)两岸为溢洪道边墙时，可利用边墙作为趾板使用。面板与挡墙接缝按周边逢设计。

5.2.2  面板设计

    (1)面板厚度

中低坝可以采用大于30 cm的等厚度面板，其厚度为____m。或采用变厚度面板，其厚度为：t=0.3+xH(2)

式中：H——计算断面至面板顶部的垂直高度，m；

           x——经验系数，一般为0.002～0.0035。

    (2)配筋

    面板采用单层双向布筋，位置偏中或偏上。纵向配筋率_____,横向配筋率_____。    周边缝及垂直挤压缝侧参照已建工程类比配置加强钢筋。

    (3)分缝

    面板周边设周边缝，本身设垂直缝。缝距在坝肩处_____ m,部分_____ m。施工中的水平缝按施工缝处理。

    (4)混凝土标号_____,抗渗标号_____,抗冻标号_____,水泥用量_____。

    (5)混凝土拌制掺加气剂，含气量_____。

    (6)面板的分期施工：第一期面板混凝土浇筑高程_____m，第二期面板混凝土浇筑高程_____m。

5.2.3  接缝设计

    (1)周边缝

    周边缝是面板与趾板之间，或面板与坝顶防浪墙及相邻建筑物之间的缝。要求面板相对于趾板等能适应于微小转动和移动。

    面板与趾板间预留缝宽_____cm，缝间置沥青杉板或柏木板，缝底设W型止水铜片，缝顶设塑性填料盖片。对于高坝中间应加一道PVC止水片。

    (2)张拉垂直缝

    施工时不留缝宽，底部在两板上嵌入W型止水铜片，铜片下铺塑料垫片。顶部设塑性填料加盖片。

    (3)压缩垂直缝    压缩性垂直缝只在底部设一道W型止水铜片。

    (4)施工缝

    施工缝不增设止水片，先期施工的面板打毛洗净，钢筋伸过接缝，使两侧面板紧密相连。

6  坝体计算

6.1  坝体稳定计算

6.1.1  需计算坝体稳定的情况

提示：中、低面板坝一般不要进行稳定计算，只有当存在下列情况之一时进行稳定计算。

(1)坝基存在砂砾石层或软弱夹层；

(2)施工期坝体过水或拦洪渡汛；

(3)强地震区；

(4)坝体包含软弱堆石料区。

6.1.2  稳定计算的外界条件    (1)正常情况

    水库正常蓄水位，下游最低水位。

    (2)非常情况

    水库正常蓄水位，下游最低水位遇_____度地震；

    水库校核洪水位，下游相应泄洪水位；

    施工期临时渡汛断面挡水上游渡汛洪水位，下游相应水位。

6.1.3  稳定计算法

    (1)静力计算方法

    瑞典圆弧法、简化毕肖普法、滑楔法。以上计算公式参见SDJ 218—84附录三。

    (2)抗震计算方法

    拟静力法计算，用简化毕肖普法或滑楔法，或参用有限元法对坝体和坝基进行动力分析。以上计算公式可参见DL 5073—1997。

6.1.4  安全系数

    正常情况：____ ；

    非常情况：_____。

    最小安全系数应满足SDJ 218—84的规定。

6.2  坝体应力应变分析

用坝料试验(包括室内的和室外的)得到的计算参数，利用有限元法对坝体进行静荷载及动荷载作用下的应力分析，了解坝体在蓄水期和竣工期的垂直位移、水平位移、上游坡面位移及拉、压分界线，为坝体设计和接缝设计提供依据。

7  基础处理

提示：面板坝的趾板一般要求置于岩石基础上，而坝体可置于岩石基础上，也可置于密实的砂砾石覆盖层上。

7.1  基础开挖

    (1)沿趾板线的开挖

    在趾板宽度范围内河床部位挖至_____风化岩石，中部挖至_____风化岩石，顶部挖至    风化岩石。

    趾板后河床部位挖成1∶_____的坡度与河床清基面相接，两岸坡部位挖成1∶_____的坡度与岸坡清基面相接。

    (2)河床清理

    从趾板至下游坝坡坡脚范围内，清除所有坡积土石体，河床质含泥量高于_____ %的河床砂砾及夹泥层清除干净，压缩模量低于_____的河床质开挖掉，清除河床及岸边堆积的所有杂草、树根等杂物，打碎河床中高大孤石，清理后的河床面地形变化比较平缓，压缩模量大于等于坝基处坝料的压缩模量。

    (3)两岸岸坡清理

    清除坝体范围内两岸岸坡上的杂草树根，全风化土体，清除影响坝体自由压缩变形的凸出及倒悬岩体，在坝轴线以上，使趾板后开挖坡1∶_____与河岸的开挖坡1∶_____平顺相接，开挖基础面上各点的承载力必须大于或等于相应该点坝体的压力。

7.2  断层、破碎带及软弱夹层处理

    凡穿过趾板线的断层、破碎带及软弱夹层必须进行处理，使其满足该处的允许水力坡降    和基础承载力_____MPa的要求。

7.2.1  断层、破碎带处理

    根据断层、破碎带的胶结状况的好坏，决定沿断层、破碎带的发展方向挖深_____m，长    m，回填_____混凝土。必要时在混凝土塞的下游侧_____m长_____m宽的范围内铺反滤料。

7.2.2  软弱夹层处理

    凡趾板跨越软弱夹层时，必须核算该处趾板的抗滑稳定性，使其满足有关规范规定的安全系数。如不满足，则需采取处理措施。

    措施1，浅层的夹层挖除。挖除范围长_____m，宽_____m，深_____m，回填_____号混凝土。    措施2，深层的夹层，采用高喷(旋喷)或高压灌浆。高喷或灌浆工程量_____m。

7.3  基础岩溶处理

    趾板线及帷幕体穿过岩溶区，必须加以处理。浅层岩溶挖除，回填_____号混凝土；深层岩溶采用灌浆处理，灌浆_____排，排距_____m，孔距_____ m，孔深_____ m。

7.4  探洞、探槽、探坑、钻孔处理

    位于坝基范围内的探硐、探槽、探坑用浆砌石混凝土加以堵塞。位于趾板及垫层基础范围内的探硐、探槽、探坑、钻孔，用_____号混凝土堵塞，并进行灌浆处理。

7.5  帷幕灌浆和固结灌浆

7.5.1  基础帷幕灌浆

    帷幕灌浆的目的在于减少坝基和两岸的渗透流量，增强岩体的抗渗能力和抗冲蚀能力。遵照SDJ 218—84第5.2.帷幕厚度由允许水力坡降经计算分段，各段分别为_____、    m。帷幕深度，根据地质提供沿趾板线的渗透剖面，深入相对不透水层以下5 m，从河床至两岸坝肩划分成_____段，各段深分别为_____ 、_____m。

    根据坝高及等级，帷幕体及灌浆后基岩的ω≤L/(min·m·m)。帷幕灌浆在两岸坝肩的延伸点要达到水库正常蓄水位_____m与渗透剖面中相对不透水层的交汇点，或与蓄水前地下水位线的相交点。

7.5.2  基础固结灌浆

    固结灌浆的目的在于提高趾板下基岩的整体弹模，使趾板变形趋于均匀，并提高其抗渗抗冲蚀能力。

    固结灌浆在趾板上进行，设_____排，排距_____m,孔距_____m，孔深_____m；灌浆压力    kg/cm2。

8  坝体原型观测设计

8.1  观测目的

    进行坝体原型观测，在施工期是监测施工质量，及时调整碾压的施工参数；在运行期是监测大坝的运行，保证大坝的安全，检验设计的正确性，并为今后面板堆

石坝的设计和科研积累资料。

    测点的平面位置和高程分布以能反映整个大坝的工作状态为宜。仪器的选择标准和数量应符合简单易行、有效可靠、坚固持久等原则。

提示：对于小型工程，观测项目和点数可适当简化。

8.2  坝体表面观测断面

    坝体表面位移点(包括坝上、下游坝坡及坝顶)按网格形布置，纵向布置_____剖面，横向布置_____剖面，纵向剖面间距_____m，横向剖面间距_____m。其中纵、横向主剖面各一个。

8.3  坝体内部观测断面

    内部观测断面按网格布置，纵向布置    剖面，横向布置_____剖面，纵向剖面间距    m，横向剖面间距_____m。其中纵、横向主剖面各一个。最好使内部观测点与表面观测点相对应。

    内部观测点的分布高程按三层布置，离坝基1/3坝高一层，1/2坝高一层，2/3坝高一层。

8.4  观测项目

    (1)坝体内外测点的三向变位；

    (2)周边缝的位移；

    (3)垂直缝的张拉变形；

    (4)面板的挠曲曲线；

    (5)面板混凝土的应力应变；

    (6)钢筋应力；

    (7)趾板后及垫层区的渗透压力；

    (8)坝体及坝基渗流量；

    (9)坝体上、下游水位变化与渗流量的关系；

    (10)地震观测；

(11)资料的收集、整理和写出报告。

9  工程量计算及设计成果

9.1  工程量计算

按有关规定进行。

9.2  主要工程量

表13  主要工程量表

 _____木材_____m3，水泥_____t，钢材_____t。

9.4  观测设备清单

9.5  设计成果

    (1)初步设计报告；

    (2)初步设计专题报告；

    (3)计算书；

    (4)设计图纸：

    平面布置图,剖面图；

    工程量累积曲线；

    基础处理；

    (5)工程量汇总表。 下载本文