第六章混凝土拱壩設(shè)計概述

1、混凝土拱壩設(shè)計熟練掌握拱壩布置和設(shè)計基本要求。熟練掌握拱壩泄洪、消能型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計。熟練掌握泄水建筑物的水力計算。掌握拱壩結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計和壩體分區(qū)。掌握拱壩應(yīng)力與拱座抗滑穩(wěn)定計算。掌握壩基（壩肩）處理設(shè)計。掌握碾壓混凝土拱壩材料性能、構(gòu)造要求與施工特點。了解拱壩壩體溫度控制與混凝土防裂措施。了解拱壩的安全監(jiān)測設(shè)計?？荚嚧缶V考試大綱 （一）拱壩布置設(shè)計拱壩布置設(shè)計 1 . 一般規(guī)定1）拱壩宜修建在河谷較狹窄、地質(zhì)條件較好的壩址上。2）拱壩壩軸線應(yīng)選在河谷兩岸較厚實的山體上。3）拱壩布置應(yīng)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、水文等自然條件及樞紐的綜合利用等要求，進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇最優(yōu)方案。 4）泄洪方式的

2、選擇，除有明顯合適的岸邊泄洪通道外，宜首先研究采用拱壩壩身泄洪的可行性。5）與拱壩相鄰的其他建筑物布置，應(yīng)分析研究其對拱壩應(yīng)力及拱座穩(wěn)定的影響。6）應(yīng)分析研究拱壩兩岸山體存在不利結(jié)構(gòu)面、緩傾角節(jié)理、軟弱夾層和下游臨空面等因素對拱壩布置的影響，以及采用拱座加固措施的可行性。7）應(yīng)分析研究施工導(dǎo)流、工程施工等對拱壩布置的影響。8）1、2級拱壩方案，應(yīng)進(jìn)行水工模型試驗；9）拱壩設(shè)計應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，選擇最優(yōu)體形。 2 .拱壩體形選擇與設(shè)計 對形河谷，可選用雙曲拱壩。 對形河谷，可選用單曲拱壩。 當(dāng)壩址河谷的對稱性較差時，壩體的水平拱可設(shè)計成不對稱的拱，或采用其他措施。 當(dāng)壩址河谷形狀不規(guī)則或河床有局部深槽

3、時，宜設(shè)計成有墊座的拱壩。 當(dāng)?shù)刭|(zhì)、地形條件不利時，可采用兩端拱圈呈扁平狀、拱端推力偏向山體深部的變曲率拱壩；或采用拱端逐漸加厚的變厚度拱或設(shè)墊座的拱壩； 當(dāng)壩址兩岸上部基巖較差或地形較開闊時，可設(shè)置重力墩或推力墩與拱壩連接。 3 . 拱壩泄洪布置 常用的拱壩泄流方式有壩頂泄流、壩身孔口泄流、壩面泄流、壩肩滑雪道泄流、壩后廠頂溢流（廠前挑流）等。 拱壩壩身泄洪，其溢流段的長度、孔數(shù)、泄流孔尺寸、位置等，應(yīng)根據(jù)泄洪量和水頭大小、對壩體應(yīng)力及下游沖刷的影響與后果、樞紐運行要求，以及對相鄰建筑物的影響等方面研究確定。 3 . 其他布置要求 當(dāng)采用壩后式或壩內(nèi)式廠房時，拱壩壩內(nèi)或壩面壓力管道的布置應(yīng)根

4、據(jù)壩體厚度、壓力管道受力狀況、施工與運行條件等，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較研究確定。布置型式有下列三種： 1）壓力管道斜向或垂直布置于壩體內(nèi)。 2）壓力管道從進(jìn)水口高程水平穿過壩體，再沿下游壩面向下“背管”布置。 3）壓力管道貼壩體上游面，垂直下延到機組高程后，再水平穿過壩體布置。 （二）拱壩設(shè)計原則拱壩設(shè)計原則 拱壩設(shè)計遵循技術(shù)經(jīng)濟綜合最優(yōu)的總原則，（1）拱壩布置應(yīng)根據(jù)壩址地形、地質(zhì)、水文等自然條件及樞紐的綜合利用等要求, 進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟比較, 選擇最優(yōu)方案。（2）壩肩巖體應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性。（3）拱壩體形設(shè)計應(yīng)使壩體應(yīng)力分布盡可能均勻，最大壓應(yīng)力接近混凝土的允許壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力不超過允許拉應(yīng)力。（

5、4）泄洪消能布置應(yīng)盡可能減少對拱壩壩肩、壩基穩(wěn)定的不利影響，并保證工程安全。（5）拱壩布置及體形設(shè)計應(yīng)使施工較為方便。 （三）與安全性有關(guān)的限制性條件與安全性有關(guān)的限制性條件 （1）應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)及其他 1）拱梁分載法計算時的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 2）用有限元法計算時的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) 3）施工期的壩體應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和抗傾覆穩(wěn)定性 4）地震工況的拱壩應(yīng)力分析及其控制標(biāo)準(zhǔn)：可參照SL20397或DL5073-2000的規(guī)定執(zhí)行。 5）當(dāng)拱壩設(shè)有重力墩時，重力墩的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，應(yīng)符合混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。 （2） 抗滑穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn) 當(dāng)采用剛體極限平衡法進(jìn)行拱座抗滑穩(wěn)定分析時，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)符合表4.3

6、. 1-1的規(guī)定。6.2 拱壩結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計和壩體分區(qū) （一）壩體結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計 1 .壩頂布置要求 1）壩頂高程：壩頂高程應(yīng)不低于水庫最高靜水位。 2）防浪墻高程：壩頂上游側(cè)防浪墻頂高程與水庫正常蓄水位的高差或與校核洪水位的高差，可按公式（6.2.1）計算，應(yīng)選擇兩者計算所得防浪墻頂高程的高者作為最終的選定高程。 3）防浪墻宜采用與壩體連成整體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻身應(yīng)有足夠的厚度，墻身高度宜采用，在壩體橫縫處應(yīng)留伸縮縫，并設(shè)止水。壩頂下游側(cè)應(yīng)設(shè)置欄桿。 4）非溢流段壩頂寬度應(yīng)根據(jù)剖面設(shè)計，滿足運行、交通要求確定，不宜小于3。壩頂路面應(yīng)有橫向坡度和排水系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)人行道時，宜高出壩頂路面2030

7、cm。 5）溢流壩段應(yīng)結(jié)合溢流方式，布置壩頂工作橋、交通橋，其尺寸必須滿足泄流、設(shè)備布置、運行操作、交通和監(jiān)測檢修等要求。壩頂橋梁宜采用裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋下應(yīng)有足夠的凈空。 2 .橫縫和縱縫 1）橫縫和縱縫布置的原則 拱壩是整體結(jié)構(gòu)，為便于施工期間混凝土散熱和降低收縮應(yīng)力，防止混凝土產(chǎn)生裂縫，需要分段澆筑，各段之間設(shè)有收縮縫，在壩體混凝土冷卻到年平均氣溫左右，混凝土充分收縮后，再用水泥漿封填，以保證壩的整體性。 2）接縫灌漿 橫縫和縱縫都必須進(jìn)行接縫灌漿。灌漿時壩體溫度應(yīng)降到設(shè)計規(guī)定值?？p的張開度不宜小于0.5mm?？p兩側(cè)壩體混凝土齡期，在采取有效措施后，不宜小于4

8、個月。灌漿漿液結(jié)石達(dá)到預(yù)期強度后，壩體方能擋水受力。拱壩橫（縱）縫尚未灌漿而需臨時攔洪時，必須專門論證。 3 .壩內(nèi)廊道及交通 拱壩壩內(nèi)廊道設(shè)置應(yīng)兼顧基礎(chǔ)灌漿、排水、安全監(jiān)測、檢查維修、運行操作和壩內(nèi)交通等多種用途。壩內(nèi)應(yīng)設(shè)置基礎(chǔ)灌漿廊道，對于中、低高度的薄拱壩，也可不設(shè)廊道。廊道與壩內(nèi)其他孔洞門的凈距離不宜過小，應(yīng)通過應(yīng)力分析確定。 4 . 壩體止水和排水 橫縫上游面、校核尾水位以下的橫縫下游面、溢流面以及陡坡段壩體與邊坡接觸面等部位，均應(yīng)設(shè)置止水片。止水片應(yīng)根據(jù)其重要性、作用水頭、檢修條件等因素確定止水材料和布置型式。 （二）壩體混凝土及分區(qū)設(shè)計 6.3.1泄水建筑物型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）

9、泄水建筑物型式 泄水建筑物可分為壩身式、岸邊式和隧洞式三類。岸邊式泄水建筑物主要為岸邊式溢洪道，（2）表孔和淺孔 壩身表孔和淺孔可設(shè)計為壩頂挑流或跌流，也可設(shè)計為沿壩面或滑雪道式泄流。（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)宜設(shè)計成有壓孔。（4）壩身泄水孔結(jié)構(gòu)布置6.3 拱壩泄洪、消能建筑物型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計 6.3.2 消能型式及結(jié)構(gòu)設(shè)計1消能型式選擇2消能防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計要求3防空蝕設(shè)計4霧化 6.4 泄水建筑物的水力計算（一）壩身式泄水建筑物泄流能力1.表孔泄水能力計算2.孔口泄流能力計算3.深式泄水孔流量系數(shù)（二）挑流消能水力計算（三）跌流消能水力計算（四）

10、底流消能水力學(xué)計算 6.5 拱壩應(yīng)力與拱座抗滑穩(wěn)定計算（一）壩體應(yīng)力分析方法及內(nèi)容 拱壩應(yīng)力分析應(yīng)以拱梁分載法或有限元法計算成果,作為衡量強度安全的主要標(biāo)準(zhǔn)。1、2級拱壩和高拱壩或情況比較復(fù)雜的拱壩（如拱壩內(nèi)設(shè)有大的孔洞、基礎(chǔ)條件復(fù)雜等），除用拱梁分載法計算外，還應(yīng)采用有限元法計算。必要時，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型試驗加以驗證。 （二）拱座穩(wěn)定分析方法及計算拱座穩(wěn)定分析方法及計算 拱座抗滑穩(wěn)定的數(shù)值計算方法以剛體極限平衡法為主。1、2級拱壩或地質(zhì)情況復(fù)雜的拱壩還應(yīng)輔以有限元法或其他方法進(jìn)行分析。初步設(shè)計以后的階段，1、2級拱壩或地質(zhì)情況復(fù)雜的拱壩除采用數(shù)值分析方法外，必要時尚應(yīng)輔以地質(zhì)力學(xué)模型試驗。采用

11、剛體極限平衡法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析時，壩體傳來的作用力應(yīng)采用拱梁分載法的相應(yīng)計算成果。6.6 拱壩壩基（壩肩）處理設(shè)計（一）一般規(guī)定 混凝土拱壩地基經(jīng)過必要的處理后，應(yīng)具有整體性和抗滑穩(wěn)定性，具有足夠的強度和剛度，具有抗?jié)B性、滲透穩(wěn)定性和有利的滲流場，具有在水長期作用下的耐久性，并通過地基處理控制地基接觸面形狀對壩體應(yīng)力分布的不利影響。 壩基處理設(shè)計（包括兩岸拱座和河床段的地基）應(yīng)根據(jù)壩址地質(zhì)條件和基巖的物理力學(xué)性質(zhì)，綜合分析壩體和地基之間的相互關(guān)系、泄洪建筑物的布置、施工技術(shù)等因素，選擇安全、經(jīng)濟和有效的處理方案。（二）壩基開挖 壩基開挖深度應(yīng)根據(jù)壩體傳來的荷載、壩基內(nèi)的應(yīng)力分布情況、基巖的地質(zhì)

12、條件和物理力學(xué)性質(zhì)、壩基處理的效果、工期和費用等綜合研究確定。根據(jù)壩址具體地質(zhì)情況，結(jié)合壩高,選擇新鮮、微風(fēng)化或弱風(fēng)化中、下部的基巖作為建基面。 定出建基面后，即可進(jìn)行開挖。在開挖過程中應(yīng)注意以下幾點：兩岸拱座利用巖面宜開挖成徑向面，當(dāng)按全徑向開挖，如拱端厚度較大而使開挖量過多時，也可采用非全徑向開挖，見圖6.6.1。經(jīng)充分論證,拱座利用巖面也可開挖成其他形狀.（二）壩基開挖 （三）固結(jié)灌漿和接觸灌漿 一般要求對拱壩壩基進(jìn)行全面的固結(jié)灌漿，對于比較堅硬完整的基巖，也可以只在壩基的上游側(cè)和下游側(cè)設(shè)置數(shù)排固結(jié)灌漿孔。對節(jié)理、裂隙發(fā)育的基巖，為了減小地基變形，增加巖體的抗滑穩(wěn)定性，還需在壩基外的上、

13、下游側(cè)擴大固結(jié)灌漿的范圍。斷層破碎帶及其兩側(cè)影響帶，應(yīng)加強固結(jié)灌漿。 固結(jié)灌漿孔的孔距、排距，應(yīng)根據(jù)開挖以后的地質(zhì)條件，并參照灌漿試驗確定，宜為。固結(jié)灌漿孔的孔深，應(yīng)根據(jù)壩高和開挖以后的地質(zhì)條件確定，宜采用。（四）防滲帷幕 防滲帷幕應(yīng)符合下列基本要求：1）控制滲漏對壩基及兩岸邊坡穩(wěn)定的不利影響；2）控制壩基軟弱夾層、斷層破碎帶、巖體裂隙充填物以及抗水性能差的巖層不產(chǎn)生管涌；3）控制壩基面滲透壓力和滲流量；4）具有可靠的連續(xù)性和足夠的耐久性。 壩基和兩岸的防滲帷幕宜采用水泥灌漿；在水泥灌漿達(dá)不到設(shè)計防滲要求時，可采用化學(xué)材料補充灌漿，但應(yīng)防止污染環(huán)境。（五）壩基排水 正常情況下，防滲帷幕的下游應(yīng)

14、布置壩基排水，設(shè)1排主排水孔，必要時加設(shè) l3排輔助排水孔。壩基下存在相對隔水層或緩傾角結(jié)構(gòu)面時，宜根據(jù)其分布情況進(jìn)行合理布置。對于地質(zhì)條件較差的壩基，設(shè)置排水孔時應(yīng)防止?jié)B透變形。中、低高度的薄拱壩經(jīng)論證可不設(shè)壩基排水。 高壩以及兩岸地形較陡、地質(zhì)條件較復(fù)雜的中壩，宜在兩岸布置多層排水平硐，在平硐內(nèi)鉆設(shè)排水孔。排水孔的孔壁有塌落危險或排水孔穿過軟弱夾層、夾泥裂隙時，應(yīng)采取孔內(nèi)設(shè)濾層等保護(hù)措施。（六）斷層破碎帶、軟弱夾層的處理 對于壩基范圍內(nèi)的斷層破碎帶或軟弱夾層，應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)狀、寬度、充填物性質(zhì)、所在部位和有關(guān)的試驗資料，分析研究其對壩體和地基的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定與滲漏的影響，并結(jié)合施工條件，采用

15、適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理。一般情況下，位于壩肩部位的斷層破碎帶比位于河床部位的對拱壩的安全影響大；緩傾角比陡傾角斷層的危害性嚴(yán)重；位于壩趾附近的比位于壩踵附近的斷層破碎帶對壩體應(yīng)力和穩(wěn)定更為不利；斷層破碎帶寬度愈大，對應(yīng)力和穩(wěn)定的影響也愈嚴(yán)重。6.7 壩體溫度控制與混凝土防裂措施 （一）收集資料要求 當(dāng)日平均氣溫連續(xù)下降不小于，稱之為“氣溫驟降”，對壩體防裂不利。設(shè)計應(yīng)搜集整理壩址地區(qū)溫度資料，并對年平均氣溫和變幅、多年月平均和旬平均氣溫、氣溫驟降的幅度和歷時及出現(xiàn)的頻率、水庫水溫、壩基地溫、日照等資料進(jìn)行分析。（二）壩體接縫及澆注層厚 壩體縱縫、橫縫的設(shè)置應(yīng)考慮溫度控制的要求。澆筑層厚應(yīng)根據(jù)溫度控

16、制標(biāo)準(zhǔn)、混凝土澆筑能力及溫度控制措施等因素，通過計算確定?；A(chǔ)約束區(qū)的澆筑層厚度宜采用1.52.0，應(yīng)采取短間歇均勻上升的分層澆筑方法，層面不應(yīng)長期暴露?；A(chǔ)約束區(qū)以外的澆筑層厚度，可根據(jù)該部位溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和上下層溫差要求，以及混凝土施工機械設(shè)備澆筑能力確定，并應(yīng)做到短間歇均勻上升。（三）溫差控制 據(jù)國內(nèi)部分混凝土壩裂縫調(diào)查，基礎(chǔ)部位出現(xiàn)裂縫有下列幾種情況：（）基巖上薄層澆筑塊長時間停歇，以致混凝土薄層的約束應(yīng)力和由于內(nèi)外溫差引起的應(yīng)力相疊加，使塊長中部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，遠(yuǎn)大于混凝土的抗拉強度，形成貫穿裂縫。（）巖石表面起伏很大，局部有深坑或突出尖角，致使混凝土澆筑塊厚度不均勻，造成局部應(yīng)力集中，

17、形成基礎(chǔ)混凝土裂縫。（）施工期壩上留缺口導(dǎo)流或汛期過水，在混凝土溫度較高時，因受水的冷沖擊，造成基礎(chǔ)混凝土開裂。（）相鄰壩塊不及時澆筑混凝土，以致基礎(chǔ)混凝土塊側(cè)表面長期暴露，在氣溫反復(fù)作用下，開始出現(xiàn)表面裂縫，以后逐漸發(fā)展形成貫穿裂縫。（四） 表面保護(hù)及溫控措施選用 （1）表面保護(hù) 混凝土裂縫大多數(shù)是表面裂縫，在一定條件下表面裂縫可發(fā)展為深層裂縫，甚至為貫穿性裂縫，因此加強混凝土表面保護(hù)至關(guān)重要。氣溫驟降是引起混凝土表面裂縫的最不利因素之一，低溫季節(jié)內(nèi)外溫差過大或混凝土表面溫度梯度過大，也是引起混凝土表面裂縫的原因之一，因此應(yīng)特別注意氣溫驟降期間及低溫季節(jié)混凝土表面保護(hù)。 （1）溫度控制措施選用 溫控措施的選用應(yīng)符合以下要求： 應(yīng)采用合適的混凝土原材料，改進(jìn)混凝土施工管理和施工工藝，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。 應(yīng)合理安排混凝土施工程序，在有利季節(jié)澆筑基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土，并控制相鄰塊、相鄰壩端高差。基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土應(yīng)連續(xù)均勻上升，不得出現(xiàn)薄層、長間歇情況。控制混凝土全年的澆筑量，高溫季節(jié)宜利用夜間澆筑，嚴(yán)