拱壩設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

第一節(jié) 《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》總則第二節(jié) 主要術(shù)語第三節(jié) 拱壩布置第四節(jié) 水力設(shè)計(jì)第五節(jié) 荷載第六節(jié) 拱壩的應(yīng)力分析1.0.1根據(jù)水利部1997年下達(dá)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定、修訂計(jì)劃，水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局的水規(guī)局（1997）7號(hào)文《關(guān)于印發(fā)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作會(huì)議有關(guān)文件的通知》以及SL01-97《水利水電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)定》，對(duì)SD145-85《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行修訂。1.0.2為適應(yīng)混凝土拱壩建設(shè)發(fā)展的需要，規(guī)范混凝土拱壩設(shè)計(jì)要求，對(duì)SD145—85《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行修訂使工程設(shè)計(jì)做到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量保證，特制定本規(guī)范?；炷凉皦蔚募?jí)別，應(yīng)符合SL252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。本規(guī)范適用于水利水電樞紐中1、2、3級(jí)混凝土拱壩的設(shè)計(jì)。4、5級(jí)混凝土拱壩設(shè)計(jì)可參照使用。壩高大于200m或有特殊情況的拱壩工程，應(yīng)進(jìn)行專門研究?；炷凉皦伟雌鋲胃叻譃榈蛪?、中壩和高壩。低壩高度為30m以下，中壩高度為30-70m，高壩為70m以上?；炷凉皦伟雌浜窀弑确譃楸」皦?、中厚拱壩和厚拱壩(或稱重力拱壩)。薄拱壩厚高比小于0.2，中厚拱壩厚高比為0.2-0.35，厚拱壩厚高比大于0.35。1.0.7混凝土拱壩的設(shè)計(jì)應(yīng)重視下列問題充分掌握建壩地區(qū)的氣象、水文、泥沙、地形、地質(zhì)、地震、建筑材料、生態(tài)、環(huán)保、工業(yè)衛(wèi)生、河流規(guī)劃、施工及運(yùn)用條件等基本資料，特別是壩址拱座的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。認(rèn)真分析拱壩的穩(wěn)定和應(yīng)力，合理選擇拱壩體形。做好壩體防洪安全設(shè)計(jì)和泄洪消能防沖設(shè)計(jì)，并應(yīng)研究薄拱壩的壩身泄洪產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)問題。宜研究降低或放空庫水的設(shè)施，以及地震區(qū)拱壩的抗震設(shè)計(jì)。研究施工導(dǎo)流和度汛、澆筑設(shè)施及交通運(yùn)輸?shù)仁┕l件，提出對(duì)壩體混凝土質(zhì)量和溫度控制的要求，并應(yīng)研究壩體澆筑和接縫灌漿順序、施工蓄水過程中壩體自身的穩(wěn)定和應(yīng)力及其度汛問題。合理布置安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，認(rèn)真做好安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。拱壩在平面上拱向上游，將荷載主要傳遞給兩岸的曲線形壩。厚高比拱壩最大壩高處的壩底厚度與壩高之比。拱壩體形拱壩所采用的型式、形狀和尺寸。它包括兩方面的含義，一是豎向拱冠梁截面形狀，二是水平拱圈截面形狀，即分別被稱為“梁型”和“拱型”。單曲拱壩水平截面呈曲線形，而豎向懸臂梁截面不彎曲的拱壩。雙曲拱壩水平截面和豎向截面均呈曲線形的拱壩。拱梁分載法將整個(gè)拱壩分為水平拱和懸臂梁兩個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)拱系和梁系在其交點(diǎn)處變位相等的條件來確定拱梁荷載分配的分析方法。剛體極限平衡法將可能滑動(dòng)的巖體作為剛體，采用極限平衡原理，計(jì)算沿滑動(dòng)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的分析方法。拱座拱壩所座落的兩岸巖體部分，包括兩岸壩體直接澆置的部位和上、下游一定范圍內(nèi)的巖體。拱座穩(wěn)定包括拱座的抗滑穩(wěn)定、拱座的變形穩(wěn)定和拱座的滲透穩(wěn)定。推力墩設(shè)置在壩體與基巖之間，將拱端推力傳至基巖的結(jié)構(gòu)物，在地形突然開闊或地質(zhì)上有缺陷時(shí)采用。拱壩墊座設(shè)置于拱壩壩體與基巖之間、寬度大于該處壩體厚度的人工地基。拱壩周邊縫設(shè)置于拱壩與河床及岸邊混凝土墊座之間的接觸縫。拱圈中心角拱壩中心線與拱軸線在拱座交點(diǎn)處半徑之間的角度為拱圈半中心，角其左右半中心角之和即為拱圈中心角。斷面平均溫度沿水平拱厚度方向的平均溫度。等效線性溫差沿水平拱厚度方向，將實(shí)際溫度分布按分布圖形面積矩相等的原則，換算成直線溫度分布時(shí)的上下游溫差。設(shè)計(jì)正常溫降

（溫升）保證率為50%的年最低最高月平均氣溫與多年月平均氣溫的差值，也可采用多年平均氣溫年變幅。有限元法用有限多個(gè)、有限大小、在有限多個(gè)連結(jié)點(diǎn)處相連接的單元組合而成的離散化模型去逼近由無限多個(gè)微小單元組成的連續(xù)介質(zhì)，建立平衡方程式，基于計(jì)算機(jī)的一種數(shù)值分析方法。3.1拱壩體型選擇拱壩體形應(yīng)根據(jù)壩址河谷形狀、地質(zhì)條件、拱座穩(wěn)定、壩體應(yīng)力、泄洪布置以及施工條件等因素進(jìn)行選擇。根據(jù)壩址河谷形狀選擇拱壩體形時(shí)，應(yīng)符合下列規(guī)定：V形河谷，可選用雙曲拱壩。U形河谷，可選用單曲拱壩。介于V形與U形之間的梯形河谷，可選用單曲拱壩或者雙曲拱壩。當(dāng)壩址河谷的對(duì)稱性較差時(shí)，壩體的水平拱可設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的拱，或采用其他措施。5當(dāng)壩址河谷形狀不規(guī)則或河床有局部深槽時(shí)宜設(shè)計(jì)成有墊座的拱壩3.1.3當(dāng)?shù)刭|(zhì)、地形條件不利時(shí)，選擇拱壩體形應(yīng)符合下列要求：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；可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(shí)，可設(shè)置重力墩或推力墩與拱壩連接。3.2拱壩泄洪布置拱壩泄洪布置，應(yīng)根據(jù)體形、壩高、泄洪量大小、電站廠房位置、泄洪方式（如溢洪道、泄洪洞等）、壩址地形、地質(zhì)、施工條件、施工期導(dǎo)流及度汛的要求等，經(jīng)綜合比較選定。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(duì)壩體應(yīng)力及下游沖刷的影響與后果、樞紐運(yùn)行要求，以及對(duì)相鄰建筑物的影響等方面研究確定。當(dāng)采用拱壩壩身泄洪時(shí),應(yīng)符合下列要求:下泄水流與壩腳應(yīng)保持足夠的安全距離，下游宜保持足夠的水墊深度。應(yīng)重視泄洪水流挑入河床對(duì)兩岸山體穩(wěn)定和其他建筑物運(yùn)行安全的影響。泄洪量較大時(shí)，宜研究落水點(diǎn)縱向拉開、橫向擴(kuò)散或采用對(duì)沖消能。應(yīng)重視泄洪霧化對(duì)下游兩岸山體、電氣設(shè)備以及交通等的不利影響，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。壩身設(shè)置的中部偏上的中孔、中部偏下的深孔或底部附近的底孔應(yīng)符合下列要求：孔口的位置宜避開高應(yīng)力區(qū)和基礎(chǔ)約束區(qū)?？卓诔叽鐟?yīng)根據(jù)壩體厚度、應(yīng)力集中程度、水頭大小、閘門允許尺寸等確定。孔口數(shù)目應(yīng)根據(jù)所承擔(dān)的泄洪量大小壩體應(yīng)力影響程度等確定?？卓跀嗝嬉瞬捎酶邔挶葹?.8-1.6的矩形。3.2.5當(dāng)采用壩身孔口泄洪時(shí)，宜設(shè)置攔（清）、導(dǎo)（泄）等防污排污措施，并參照SL285—2003《水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。4.1一般原則拱壩泄洪、消能、防沖的水力設(shè)計(jì)應(yīng)包括下列內(nèi)容：泄水建筑物的泄流能力設(shè)計(jì)；泄水建筑物的進(jìn)水口和流道體形設(shè)計(jì)泄水建筑物下游水流銜接和消能防沖建筑物設(shè)計(jì)與高速水流相關(guān)的抗空蝕防霧化設(shè)計(jì)其他有關(guān)的水力設(shè)計(jì)泄水建筑物和消能防沖建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)按GB50201-94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和SL252-2000的規(guī)定執(zhí)行。拱壩的水力設(shè)計(jì)除必須滿足泄洪要求外，還應(yīng)滿足汛前預(yù)泄、放空庫水、施工渡汛、排漂、排沙、排冰及下游供水等要求。水力條件復(fù)雜的泄水建筑物和消能防沖建筑物，應(yīng)經(jīng)水工模型試驗(yàn)論證，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行減壓模型試驗(yàn)。水力條件簡單的中型工程，其水力設(shè)計(jì)可參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算分析確定。4.2泄水建筑物水力設(shè)計(jì)泄水建筑物可分為壩身式、岸邊式和隧洞式三類。壩身式泄水建筑物按其進(jìn)口所處部位和水力學(xué)特性等因素,可分為表孔、淺孔、中孔、深孔和底孔等型式。岸邊式和隧洞式泄水建筑物的水力設(shè)計(jì)，應(yīng)符合SL253-2000《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL279--2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。壩身表孔和淺孔可設(shè)計(jì)為壩頂挑流或跌流，也可設(shè)計(jì)為沿壩面或滑雪道泄流。表孔設(shè)置胸墻且胸墻起擋水作用時(shí)，應(yīng)按淺孔設(shè)計(jì)。表孔的堰面曲線宜采用冪曲線，淺孔的堰面曲線宜采用拋物線，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算或模型試驗(yàn)論證，也可采用其他堰面曲線。淺孔出口采用壓板時(shí)其體形曲線宜由水工模型試驗(yàn)確定。深式泄水孔（包括中孔、深孔和底孔）宜設(shè)計(jì)成有壓孔。對(duì)于厚拱壩也可設(shè)計(jì)成短有壓孔接無壓孔，但應(yīng)避免無壓孔內(nèi)出現(xiàn)明、滿流交替現(xiàn)象。無壓孔在平面上宜作直線布置，其出口宜高出下游水位，并應(yīng)防止在孔內(nèi)出現(xiàn)水躍。有壓孔應(yīng)進(jìn)行壓力坡線計(jì)算，不得出現(xiàn)負(fù)壓。有壓孔出口處斷面應(yīng)逐漸收縮，有壓孔進(jìn)、出口面積之比可根據(jù)有壓段長度及壓力分布經(jīng)綜合分析后確定。深式泄水孔應(yīng)在進(jìn)口處設(shè)置事故檢修門，事故檢修門及通氣孔設(shè)計(jì)應(yīng)符合DLT5039-95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。閘門槽負(fù)壓過大，可能引起空蝕破壞時(shí)，應(yīng)改進(jìn)門槽型式，或改用無門槽閘門。4.3消能防沖水力計(jì)算泄水建筑物的下游應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的消能防沖設(shè)施。長期淹沒于水下的消能防沖設(shè)施（如消力池、水墊塘、消力戽、短護(hù)坦、二道壩等）應(yīng)提供檢查及維修的方便條件。拱壩泄洪宜采用多種泄水建筑物相結(jié)合的布置型式。壩身式泄水建筑物，宜采用挑流，跌流消能方式。深式泄水孔也可采用底流、戽流消能方式。多種壩身泄水孔聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，宜采用同高程孔口泄流左右對(duì)沖消能，或不同高程孔口泄流上下對(duì)沖消能，或高孔跌流配合低孔的底流面流消能等組合消能方式。挑流消能方式適用于堅(jiān)硬基巖上的高、中壩，其設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：沖坑深度較大或壩基存在下傾軟弱構(gòu)造，并可能被沖坑切斷而危及壩基穩(wěn)定時(shí)，或岸坡可能被沖塌而危及拱座穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)采取有效防沖措施。挑流鼻坎的體形及挑角的大小，宜通過比較確定。采用差動(dòng)式鼻坎時(shí)，應(yīng)合理選擇反弧半徑、高低坎寬度比、高程差及挑角差。亦可視需要在鼻坎與反弧段之間接入直線過渡段，或在適當(dāng)部位采取通氣措施。鼻坎的設(shè)置高程應(yīng)能保證自由挑流。4.3.4跌流消能設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)各級(jí)流量進(jìn)行水力計(jì)算，估算水舌拋射距離、范圍和最大沖坑深度等，并應(yīng)符合下列要求：跌流消能水力要素，在初步設(shè)計(jì)階段可按本規(guī)范附錄確定，必要時(shí)應(yīng)通過水工模型試驗(yàn)論證。應(yīng)分析研究水舌下緣的通氣條件以及壩基、拱座的防護(hù)措施。4.3.5挑流或跌流消能，若自然水墊厚度不足時(shí)，應(yīng)根據(jù)岸坡和壩址基巖情況采取下列相應(yīng)措施：岸坡和壩址基巖堅(jiān)硬完整，在沖刷不影響大壩及其他重要建筑物安全且具有檢修條件時(shí)，應(yīng)參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)研究比較后采取先沖后護(hù)的方法。岸坡沖刷威脅拱座穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)調(diào)整布置或?qū)Π镀逻M(jìn)行可靠的防護(hù)。若壩址基巖完整性較差或裂隙較發(fā)育。應(yīng)根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)或水工模型試驗(yàn)成果，采用短護(hù)坦二道壩和人工水墊塘等工程措施。在下游尾水位較低的情況下，應(yīng)先泄放小流量，待具備適當(dāng)尾水深度后再泄放大流量。4.3.6底流消能適用于壩體下游有軟弱基巖、下游水位流量關(guān)系較穩(wěn)定的河道，或樞紐設(shè)有過船、過木或過魚等建筑物，而要求下游水流較平穩(wěn)的情況底流消能設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：有排冰或排漂要求時(shí)，不宜采用底流消能。地形適宜時(shí)，消力池的前段或全段可設(shè)計(jì)成斜護(hù)坦。護(hù)坦上是否設(shè)置輔助消能工，應(yīng)結(jié)合其工作條件研究確定。當(dāng)躍前斷面平均流速大于16m/s時(shí)，在消力池前段不宜設(shè)置消力墩。施工時(shí)殘留于消力池中和尾坎下游回流范圍內(nèi)的石渣、雜物等，應(yīng)清除干凈。在寒冷地區(qū)，宜保持輔助消能工冬季淹沒于水下。4.3.7底流消能設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)各級(jí)流量進(jìn)行水力計(jì)算，確定護(hù)坦高程、長度、邊墻或?qū)敻叱碳拔菜蜎]度等，并應(yīng)符合下列規(guī)定：初步設(shè)計(jì)階段，護(hù)坦長度可根據(jù)輔助消能工設(shè)置情況及水力特性，按本規(guī)范附錄確定。1、2級(jí)拱壩或高壩以及有水流向心集中情況者，其護(hù)坦長度、邊墻高度及消能工的體形尺寸和位置等，應(yīng)經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。尾水淹沒度可取0.95—1.05。消力池兩側(cè)導(dǎo)墻頂?shù)母叱炭筛鶕?jù)躍后水深并計(jì)及超高確定。靠河床一側(cè)的導(dǎo)墻，若墻外河床中有一定水深，可適當(dāng)降低墻高，允許墻頂有不大的漫溢水頭。4.3.8戽流消能適用于壩體下游尾水較深，且下游河床和兩岸有一定的抗沖能力的情況。其設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各級(jí)流量選擇適當(dāng)?shù)撵姘霃健㈧娴赘叱?、戽唇挑角和坎高等，并?jīng)水工模型試驗(yàn)確定。4.3.9消能工(消力池、水墊塘等)下游河道的流速仍然較大或流態(tài)較建壩前惡化時(shí)，應(yīng)研究確定可能被沖刷的河段范圍，并采取相應(yīng)的防沖護(hù)岸措施。作用在拱壩上的荷載，應(yīng)包括自重、水壓力（靜水壓力和動(dòng)水壓力）、溫度荷載、揚(yáng)壓力或滲透壓力、泥沙壓力、浪壓力、冰壓力、地震荷載和其他可能出現(xiàn)的荷載。自重:主要為壩體混凝土的重量，其重度應(yīng)根據(jù)選定的混凝土配合比通過試驗(yàn)確定，無試驗(yàn)資料時(shí)可采用23.5—24.0KN/M3。靜水壓力:上游靜水壓力應(yīng)根據(jù)水庫功能和荷載組合所規(guī)定的水庫水位確定，下游靜水壓力應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的不利下游水位按本規(guī)范附錄計(jì)算確定。水的重度宜采用9.81KN/M3對(duì)于多泥沙河流應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定。溫度荷載:應(yīng)分別計(jì)算設(shè)計(jì)正常溫降和設(shè)計(jì)正常溫升情況，按運(yùn)行期壩體混凝土溫度與封拱溫度的差值確定。第五節(jié)

荷載揚(yáng)壓力:壩基及拱座穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)按全部計(jì)算截面積計(jì)及揚(yáng)壓力或滲透壓力荷載，其計(jì)算按本規(guī)范附錄確定壩體應(yīng)力分析時(shí)，宜考慮揚(yáng)壓力的作用對(duì)于薄拱壩可以不計(jì)揚(yáng)壓力。泥沙壓力:應(yīng)根據(jù)壩址處河流的水文泥沙特性、樞紐布置、水庫運(yùn)行方式和泥沙沖淤計(jì)算等情況，確定壩前泥沙的淤積厚度，對(duì)于多泥沙河流應(yīng)作專門研究。泥沙沖淤計(jì)算的期限，應(yīng)符合DLT5089--1999《水電水利工程泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。浪壓力：應(yīng)根據(jù)波浪要素（波高、波長）計(jì)算。對(duì)于山區(qū)峽谷水庫，按本規(guī)范附錄確定。不同的荷載組合，宜采用不同的風(fēng)速?；窘M合，可采用重現(xiàn)期為50年的年最大風(fēng)速；特殊組合，可采用多年平均年最大風(fēng)速。冰壓力：嚴(yán)寒地區(qū)水庫表面形成較厚的冰層時(shí)，應(yīng)計(jì)及冰壓力的作用。冰壓力應(yīng)包括靜冰壓力和動(dòng)冰壓力按本規(guī)范附錄確定。動(dòng)水壓力：拱壩采用壩頂或壩面溢流時(shí)，應(yīng)計(jì)及溢流段反弧面上的動(dòng)水壓力，計(jì)算按本規(guī)范附錄執(zhí)行。對(duì)溢流面的脈動(dòng)壓力和負(fù)壓力的影響可以不計(jì)。地震荷載：包括壩體地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。其計(jì)算可參照SL203—97《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。6.1分析內(nèi)容拱壩應(yīng)力分析應(yīng)包括下列內(nèi)容：各計(jì)算截面上的應(yīng)力分布（包括拱端、拱冠和其他需要計(jì)算應(yīng)力的部位）；壩體上下游面在各計(jì)算點(diǎn)上的主應(yīng)力；壩體削弱部位（孔洞、泄水管道部位等）的局部應(yīng)力；必要時(shí)尚需分析壩基內(nèi)部的應(yīng)力。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工程規(guī)模、壩的具體情況和不同的設(shè)計(jì)階段計(jì)算上述內(nèi)容的部分或全部，或另加其他內(nèi)容。6.2分析方法拱壩應(yīng)力分析應(yīng)以拱梁分載法或有限元法計(jì)算成果作為衡量強(qiáng)度安全的主要標(biāo)準(zhǔn)。1、2級(jí)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