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论文知识案例-水子冲水库混凝土重力坝设计

2021-06-24 12:09:48

论文案例分享-水子冲水库混凝土重力坝设计

  本次设计内容为水子冲水库水利枢纽,坝型选择为混凝土重力坝,整座重力坝共分53个坝段,主要有非溢流挡水坝段、溢流表孔坝段、溢流底孔坝段和电站厂房坝段。其中非溢流挡水坝段每坝段宽15米,分布于大坝两端;厂房坝段每段宽16米,布置在靠近右岸的主河床上,装机3台机组;底孔坝段每段宽22米,布置在厂房坝段左侧的主河床上;溢流坝段每段宽18米,布置在水子冲主河床上。

  挡水坝段最大断面的底面高程为128米,坝顶高程为228米,防浪墙高1.2米,最大坝高为101.2m,属高坝类型。坝顶宽12米,最优断面的上游坝坡坡率为1:0.2,上游折坡点高程为181米,下游坝坡坡率为1:0.7,下游折坡点高程688.98英尺,挡水坝剖面图溢流坝段最大断面的底面高程为126米,堰顶高程210米,溢流堰采用WES曲线设计,直线段坡率为1:0.7,反弧段半径取25.0米,鼻坎高程取159米,上游坝坡坡率取1:0.2,折坡点高程为181米,上游坝面与WES曲面用1/4椭圆相连。

  本枢纽溢流堰采用挑流方式消能,挑角取250。止水采用两道紫铜中间加沥青井的形式。坝基防渗处理(主要依据上堵下排的原则),上游帷幕灌浆(两道),下游侧设置排水管。以非溢流挡水坝段为计算选择断面,进行了抗滑稳定分析和应力分析,分别采用抗剪断计算法和材料力学法计算法进行计算,最终验算满足抗滑稳定,上游坝踵没有出现拉应力,设计剖面合理可行。

  1.1工程概况

  本项目以水子冲水库为例设计混凝土重力坝。水子冲水库位于云南省盐津县,坝址位于迁西县洒河桥上游十公里扬查子村的栾河干流上。盐津县水子冲水库为新建小一型水利工程,水库径流面积3.29km2,多年平均径流量234万m3。总库容223.5万m3,正常库容164.8万m3。大坝为混凝土面板堆石坝,坝顶长147.132m,设计坝高18.6m,最大坝底宽59.62m,坝顶顶宽5.4m。溢洪道靠右坝肩布置,溢洪道全长113.848m,宽4m。输水隧洞为无压,洞身断面为1.5m×1.8m圆拱直墙城门洞型。引洪取水坝为重力式潜坝,顶长22m,坝高4.5m,溢流坝长16.5m。引洪明渠长420m。引洪隧洞为1.5m×1.8m圆拱直墙城门洞型无压隧洞,长570m。,要求:尽可能使其工程提前受益,尽早建成。根据水库的工程规模及其在国民经济中的作用,枢纽定为一等工程,主坝为Ⅰ级建筑物,其它均按Ⅱ级建筑物考虑。

  1.2设计的基本工作内容

  设计任务和基本要求:

  (一)设计任务:

  1、根据地质、地形条件和枢纽建筑物的作用进行坝线、坝型的选择,枢纽布置方案比较通过初步分析确定。绘制枢纽平面布置及下游立视图。

  2、进行溢流坝的剖面设计,内容包括:拟定断面,水力计算稳定应力分析等,并绘制设计图纸。(采用可靠度理论法、编程序计算)

  3、进行非溢流坝的剖面设计,内容包括:拟定挡水坝剖面,稳定应力分析等,并绘制设计图。(采用可靠度理论法、编程序计算)

  4、进行细部构造设计和地基处理设计,包括:混凝土标号分区、分缝、止水、廓道、排水以及开挖、清理、灌浆、断层处理等,并绘制有关设计图。

  5、设计绘图要求结构合理、工艺性好、表达完整清晰,符合GB规定,体现CAD绘图能力。

  对于潘家口水库的地址与环境考察与调研:

  1、库区地质:水子冲水库水库、库区属于中高山区,河谷大都为峡谷地形,

  只有西北方向一带较为宽阔,沿河两岸阶地狭窄,断续出现且不对称,区域内无严重的坍岸及渗漏问题。

  2、坝址地质:

  (1)地貌:坝址为低谷丘陵地区,两岸相对高差不大,河谷开阔,宽约600m上下游两公里范围内,河道顺直主河槽位于右岸,河床高程137m左右。枯水期河床宽约100m,由于受河流侧向侵蚀两岸地形不对称。右岸坡度较陡约60°左右,左岸较缓约20°,河床中除漫滩外,左岸还有三级阶地发育,一、二级阶地高程自140m—160m。三级阶地与缓坡相接直达山顶。覆盖层厚度为7—12m的砂砾卵石冲积层。

  (2)岩性:坝区主要岩性为太古界拉马沟片麻岩,其次为第四纪松散堆积物,以及不同时期的侵入岩脉,坝区范围内片麻岩依其岩性变化情况可分为六大层,其中第一、四、六层岩性较好,但第一、六层因受地形限制建坝工程很大。第四大岩层(ArI4)为角闪斜长片麻岩。具粗粒至中间细粒纤状花岗变晶结构,主要矿物为斜长石、石英及角闪石,本层岩体呈厚层块状、质地均一、岩性坚硬、抗风化力强、工程地质条件较好,总厚度185m左右。

  3、构造:坝址处虽然断层、裂隙较多,但大部分规模较小对工程影响不大,其中F2、F5、F11、f26、f27、f28断层对坝体有一定影响,以上各断层的特性由下表1.1所示。所在部分参见构造分析图。

  表1.1各断层的特性表

  4、水文地质:坝基的透水性总的看来不大,但不均一,主要决定断裂发育程度和性质,在平面上,一级阶地基岩透水性大于其它地貌单元。从垂向上看河谷内单位吸水量小于0.01公升/分的顶板在83m—105m高程其间之透水层厚度为40—50m,若除去开挖部分厚度将更薄一些,两岸透水层应以天然地下水位为下限,一般都大于50m,具体参见地质剖面图。

  5、岩石物理力学性质:岩石容重为2.68—2.70t/m3,饱和抗压强度,弱风化和微分化岩石均在650kg/cm2以上,有的可达1100 kg/cm2,混凝土与岩石的磨擦系数微分化及弱风化化下部,可取f=1.10、c=7.5kg/cm2。

  2、坝轴线、坝型选择和枢纽布置方案比较

  2.1坝轴线选择

  坝址、坝型选择和枢纽布置是水利枢纽设计的重要内容,三者相互联系。在选择坝址/坝型和枢纽布置时,不仅要研究枢纽附近的自然条件,而且需要考虑枢纽的施工条件,运行条件,综合效益,投资指标以及远景规划等,这是水利枢纽设计中贯穿在各个阶段的一个十分重要的问题。不同的坝址适用于不同的坝型和枢纽布置,所以选择坝址、坝型要同时做出枢纽布置。针对不同坝址做出不同坝型的各种枢纽布置方案,进行技术经济比较,最后选定较为理想的坝轴线位置及相应的坝型和枢纽布置。根据地质构造图对坝轴线有以下要求:

  (1)坝基应全部座落在第四大岩层(Ar14),第四大岩层为角闪斜长石,石英及角闪石,本岩体成厚层块状,质地均一,岩性坚硬,抗风化能力强,工程地质条件好,总厚度185米左右,适宜建坝。

  (2)坝线应避开大的节理和断层,并保持一定距离,由坝址河谷段构造分析图,河谷上游有一大的断层破碎带F2,走向北东850~西北275°,倾向及倾角为南70~80°,宽度2.5~12.5m,为压扭性断层,对基础岩石力学强度及坝基完整均一性有影响,坝体应避开,坝轴线可向下游移动。

  (3)河岸右岸有不稳定岩体,坝线布置应避开,保证右坝肩稳定,因此右岸坝线应向上游移动。

  (4)河谷左岸有第3大岩层分布,其岩性比较软弱,应避开,所以左岸坝线应向上游移动。

  (5)因受以上条件限制,坝线如果采用直线,将不能通过两岸山头,若要满足挡水要求,工程量将很大,材料用量多,为此,将坝轴线两岸段用弯折线或圆弧与两岸山头相连,即左岸向下游折向,右岸向上游圆弧状弯折伸向山体。结论:可见给定坝轴线满足以上要求,坝轴线选择是合理的。

  坝址和轴线的选择是根据地形、地质、河流走势等条件综合考虑决定的。就地形而言,坝址一般以选在狭窄河谷处,节省工程量;但对于一个具体的枢纽来说,必须从各个方面综合考虑:是否便于布置泄洪、发电建筑物,是否便于施工导流,技术可行,经济合理等综合衡量。坝址地质条件是水利枢纽设计的重要依据之一,对坝型的选择和枢纽的布置起着决定性作用。坝址最好的地质条件是强度高、透水性小、不易风化、没有构造缺陷的岩基但理想的天然地基很少,因而在选择坝址时应从实际出发,针对不同的情况采取不同的地基处理方式,来满足工程需要。亦可通过选择不同的坝型或将坝轴线转折以适应地质条件,同时应考虑两岸的地质因素,使库区及两岸边坡有足够的稳定性,以防止因蓄水而引起的滑坡现象。就河势来说,坝址要选在河流顺直段,靠近坝址上、下游河流如有急湾最不利,应予避免;枢纽两岸坝肩的山体要较雄厚,并尽可能离上下游两岸的冲沟远一些;水库周缘应没有难处理的缺口。

  2.2坝型选择

  坝型选择应根据当地地质、地形条件,施工条件,建筑材料,综合效益,宣泄洪水能力,以及抗震性等特点,通过定性分析,初步选择两种坝型进行较详细的技术比较,选取既满足工程要求,又比较经济的坝型,经济比较只要求对坝体的砼方量及三材用量作粗略的计算和比较。以下分别就各种坝型进行比较分析。

  坝型选择方案:方案设计选择重力坝方案:重力坝坝身可以过水,对地形地质条件适应性强,枢纽泄洪问题容易解决,可以大型机械化施工,施工速度快,故本枢纽选择重力坝坝型。重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。重力坝坝身可以过水,对地形地质条件适应性强,枢纽泄洪问题容易解决,可以大型机械化施工,施工速度快,故本枢纽选择重力坝坝型。重力坝又分为宽缝重力坝、空腹重力坝、实体重力坝。需对三种坝型进行比较做出结论:需对三种坝型进行比较做出结论:

  (1)宽缝重力坝优缺点:

  宽缝重力坝,坝体设置宽缝后,坝基的渗透水可自宽缝排出,减小了渗透压力,但宽缝坝增加了模板用量,立模也较复杂,分期导流不便,而且由资料可知当地无霜期较短(90~180天)冰冻期较长(120~200天),对宽缝坝需要采取保温措施,工程造价大大增加且不能大型机械化施工,2工期较长,因此不宜选用宽缝重力坝。

  (2)空腹重力坝优缺点:空腹坝与实体坝相比具有以下优点:

  1)由于空腹下部设底板,减小了坝底面上的扬压力,可节省坝体砼方量20%左右;

  2)减小了坝基开挖量;

  3)坝体前后腿嵌固于岩体内,有利于坝体的抗滑稳定;

  4)前后腿应力分布均匀,坝踵压应力较大;

  5)便于砼散热;

  6)坝体施工可不设纵缝;

  7)便于监测和维修;

  8)空腹内可以布置水电站厂房。

  缺点有:

  1)施工复杂;

  2)钢筋用量大;

  3)如在空腹内布置水电站厂房,施工干扰大,基于以上缺点,将难以进行大型机械化施工,不能实现机械化程度较高的快速施工,选此坝型不够经济合理。因此不适宜建空腹重力坝。

  (3)结论:实体重力坝由于结构简单,安全可靠,对地形、地质条件适应性强,枢纽泄洪问题容易解决,便于施工导流,可以大型机械化施工,施工方便且速度快,结构作用明确,适合建高坝。基于以上各种坝型的比较分析,本水库采用重力坝较为合理。

  2.3枢纽布置方案

  2.3.1枢纽布置遵循原则

  (1)坝址、坝段及其他主要建筑物的形式选择和枢纽布置要做到施工方便,工期短,造价低。

  (2)枢纽布置应当满足各个建筑物在布置上的要求,各建筑物之间能协调、无干扰地工作,保证其他任何工作条件下都能正常工作,满足枢纽运用管理的要求。

  (3)在满足建筑物强度和稳定的条件下,降低枢纽总造价和年运转费用。

  (4)枢纽中各建筑物紧凑,尽量将同一工种的建筑物布置在一起,以减少联结建筑。

  (5)尽可能使枢纽中的部分建筑早期投产,提前发挥效益(如提前蓄水,早期发电或灌溉)。

  (6)枢纽的外观应与周围环境相协调,在可能条件下注意美观。

  2.3.2设计物枢纽布置要求

  (1)挡水坝:拦截水流,形成水库,将其布置在河岸的两边。通常布置成直线,这样坝轴线较短,坝身体积小,对建筑物的受力状态有利,并便于与相邻建筑物的联结。但有时受地质和地形条件的限制,可将坝轴线布置成折线,本枢纽即是如此。

  (2)溢流坝:溢流坝起泄洪作用,前缘应正对上游来水的河流主流方向,下游出口方向最好与主河槽水流方向一致。溢流坝应坐落在坚硬结实的岩基上,减少下泄水流对其建筑物的影响,以解决下游消能防冲问题。为减少下泄水流对其它建筑物的影响,有时常在溢流坝和这些建筑物之间布置导墙。本枢纽中,溢流坝的尺寸大概如下:由资料可得万年一遇洪水流量为59200m2/s,假设单宽泄水流量为200m 2/s,需净宽约300m的溢流孔,每孔尺寸宽约15m,共需20孔,假如泄洪时,底孔开启辅助泄洪,可代替一个溢流孔还需19孔。中墩和边墩厚取3m。横缝设在每个溢流孔中间。故每个溢流段的宽为18m。总溢流段宽为18×19+3=345m。

  (3)泄洪底孔坝:段泄洪底孔进口高程常接近水库死水位,或靠近河床,随时可以放水。其作用有:预泄库水,增大水库的调蓄能力;放空水库以便检修大坝;排放泥沙,减少水库淤积;随时向下游放水,满足航运或灌溉要求;也起施工导流、洪水期泄洪、人防作用。根据本枢纽基本资料,拟利用泄洪底孔作为二期导流通道,参照已建工程孔口尺寸定为5 m宽×7 m高,共设四孔,每两孔口为一个坝段,其中两个底孔坝段中间隔墩厚4 m。所以每个底孔坝段的宽度为2×5+3×4=22 m,泄洪底孔的总宽为2×22=44m。

  2.3.3泄水方式选择

  泄水方式的选择:溢流重力坝既要挡水又要泄水,不仅要满足稳定和强度要求还要满足泄水要求。因此需要有足够的孔口尺寸、较好体型的堰型,以满足泄水的要求,且使水流平顺,不产生空蚀破坏。溢流坝的泄水方式主要有以下两种:

  (1)开敞溢流式:除泄洪外,它还可排除冰凌或其它漂浮物如图3.1所示。堰顶可设置闸门也可不设。不设闸门时堰顶高程等于水库的正常高水位泄洪时库水位雍高,从而加大了淹没损失但结构简单管理,方便适用于泄洪量不大、淹没损失小的中小型工程;设置闸门的溢流坝,闸门顶高程大致与正常高水位齐平堰顶高程较低,可利用闸门的开启高度调节库水位和下泄流量,适用于大型工程及重要的中型工程。

  (2)孔口溢流式:为了降低堰顶闸门的高度,增大泄流可采用带有胸墙的溢流堰如图3.2所示。这种型式的溢流孔可按洪水预报提前放水。从而腾出较大库容蓄纳洪水,提高水库的调洪能力。为使水库具有较大的泄洪潜力。宜优先考虑开敞式溢流孔。

  图3.1开敞溢流堰图3.2孔口溢流堰

  3、挡水坝工剖面设计

  3.1挡水坝剖面设计介绍

  剖面设计是重力坝设计的重要环节,主要任务是选择一个既要满足稳定和强度的要求,又使得坝体工程量最小,外形轮廓简单,施工方便,运行可靠的剖面,影响剖面设计的因素很多,如荷载、地形、地质、运用要求、筑坝材料、施工条件等。本次设计首先考虑坝体的主要荷载,按照安全和经济的要求拟定基本剖面,然后根据剖面的设计原则,进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算,校核坝体强度和抗滑稳定性能,反复修改,最后确定经济合理的坝体剖面。

  重力坝剖面的设计原则是:①满足稳定和强度要求,保证大坝安全;②工程量小;③运用方便;④便于施工。

  3.2挡水坝剖面设计步骤

  重力坝剖面设计包括的主要工作有:

  (1)拟定剖面尺寸参照已建成的条件相近的工程,检验和设计工程的坝体要求,或通过简化计算初步拟定剖面尺寸。

  (2)稳定分析在持久状况和偶然状况下进行承载能力极限状态稳定计算,保证坝体不至沿坝基面或地基中的软弱结构面产生滑动。

  (3)应力分析使坝体应力在承载能力和正常使用极限状态下满足设计要求,保证坝体和地基不产生强度破坏。

  (4)确定设计剖面在满足设计原则条件下的经济剖面确定为设计剖面。

  (5)构造设计根据施工和运用要求确定坝体的构造,如廊道系统、排水系统、分缝、止水等。

  (6)地基处理包括地基防渗、排水、断层破碎带的处理等。重力坝的基本剖面是指在自重、静水压力(水位与坝顶齐平)和扬压力三项主要荷载作用下,满足稳定和强度要求,并使工程量最小的三角形剖面,如图3.1,在已知坝高H、水压力P、抗剪强度参数f、c和扬压力U的条件下,根据抗滑稳定和强度要求,可以求得工程量最小的三角形剖面尺寸。对于完整、坚硬的基岩,f、c值较大,剖面尺寸主要由上游面不出现拉应力的条件控制,上游坝坡较陡,甚至可做成倒坡(n<0),但倒坡对施工不利,立模浇筑砼存在一定难度,在空库时坝址易出现拉应力。对于完整性较差、较软弱的岩基,f、c值较小,需要将上游坝坡放缓,以便借助上游坝面上的水重帮助坝体维持稳定。但当n太大时,在满库情况下,合力可能超出底边三分点,坝踵易出现拉应力。根据工程经验,一般情况下,上游坝坡坡率n=0~0.2,取n=0.2,常做成铅直或上部铅直下部倾向上游的;下游坝坡坡率m=0.6~0.8,取m=0.7;底宽约为坝高的0.7~0.9倍。

  图3.1重力坝的基本剖面图

  3.3挡水坝稳定计算

  重力坝的基础经处理应满足下列要求,然后进行稳定计算:

  (1)具有足够的强度,以承受坝体的压力;

  (2)具有足够的整体性和均匀性,以满足坝基抗滑稳定和减少不均匀沉陷;

  (3)具有足够的抗渗性,以满足渗透稳定,控制渗流量;

  (4)具有足够的耐久性,以防止岩体性质在水的长期作用下发生恶化

  坝顶高程计算:根据以上两种水位时Δh计算结果,得出两种状况下坝顶高程。

  (1)正常蓄水位时的坝顶高程:

  ▽坝顶=正常蓄水位+Δh=224.7+4.31=229.01m

  (2)校核洪水位时的坝顶高程:▽坝顶=校核洪水位+Δh=227.2+1.95=229.15 m为保证大坝的安全运行,▽应该选用其中的较大值坝顶=229.15m,当坝顶设置有与坝体连成整体的防浪墙(取1.2m)时,可降低坝顶的高程,所以取坝顶高程为▽228m。建基面最低开挖高程为126m,则最大坝高为102m,属于高坝。

  坝顶宽度拟定:坝顶宽度应根据设备布置、运行、检修施工和交通等需要确定并应满足抗震,特大洪水时维护等要求。在严寒地区,当冰压力很大时,还要核算段面的强度。非溢流坝段的坝顶宽度可根据要求确定,必要时可在坝的上、下游面加做悬臂结构,增加坝顶宽度,常态混凝土坝顶最小宽度为3m,为了满足施工要求,大中型工程不低于10~15m(旧规范取1%坝高),本工程取坝顶宽度为12m。扣除上游防浪墙厚度、下游侧护栏和排水沟槽,坝顶路面宽度为10m。因为两岸没有交通要求,10m宽路面能满足大坝维修作业通行需要。

  流曲线由顶部曲线段、中间直线段和底部反弧段三部分组成。设计要求:

  (1)有较高的流量系数,泄流能力大;

  (2)水流平顺,不产生不利的负压和空蚀破坏;

  (3)体形简单,造价低,便于施工。

  1、坝顶曲线段

  溢流坝顶顶部曲线是控制流量的关键部位。顶部曲线的形式常用的有克-奥曲线和WES曲线,由于WES坝顶面曲线的流量系数较大且剖面较瘦,工程量较省施工方便,所以设计采用WES曲线。原点上游用椭圆曲线,其方程式为:

  X2/(aHs)2+(bHs-y)2/(bHs)2=1式中:aHs和bHs分别为椭圆曲线的长轴和短轴Hs—定型设计水头,按堰顶最大作用水头的75~95%计:a—取0.28~0.30,在此取a=0.29,a/b—取0.87+3a,则b=0.17。WES实用堰面曲线图示如下图3.2所示,扬压力是一种难以准确计算的荷载,而且形成稳定的扬压力值常需很长时间。在进行坝体应力分析时,重力坝荷载计算示意图如下图3.3所示。

  图3.2 WES实用堰面曲线图示

  图3.2重力坝荷载计算示意图

  4、细部构造设计

  4.1坝顶构造

  坝顶路面应具有2~3%的横向坡度,并设置砼排水沟(30×30cm)以排出坝顶雨水,坝顶上游的防浪墙(宽50cm,高120cm)要承受波浪和漂浮物的作用,因此墙身应有足够的刚度、强度和稳定性,宜采用与坝体连成整体的钢筋砼结构,而下游侧则可设防护栏,为满足运用要求和交通要求,在坝顶上布置照明设施,即在上游墙处每隔25m设一对照明灯,一只朝向坝顶路面方向,一只朝向水库方向。根据大坝正常运行需要,在坝顶还要设置通向坝体内部各层廊道、电站的电梯井,便于观测和维修人员快速进出。在大坝电站坝段、泄洪底孔坝段和溢流坝段,为方便开启闸门,维修或更换闸门或其它设备,在坝顶设置启闭机轨道,并安装启闭机。

  4.2分缝止水

  分缝的作用:

  1、横缝:减小温度应力,适应地基不均匀变形和满足施工要求;

  2、纵缝:适应砼的浇筑能力和减小施工期的温度应力,在平行坝轴线方向设置。一般情况下横缝为永久缝,也有临时缝,垂直坝轴线,用于将坝体分成为若干独立的坝段;纵缝为临时缝,可分为铅直纵缝、斜缝和错缝三种,纵缝缝面应设水平向键槽,键槽呈斜三角形,槽面大致沿主应力方向,在缝面上布置灌浆系统进行接缝灌浆,为了灌浆时不使浆液从峰内流出,必须在缝的四周设止浆片。

  3、水平施工缝:是上、下层浇筑块之间的接合面。浇筑块厚度一般为1.5~4.0m;在靠近基岩面附近用0.75~1.0m的薄层浇筑,以利于散热,减少温升,防止开裂。

  横缝内需设止水,止水材料有金属片、橡胶、塑料及沥青等,对于高

  坝应采用两道止水片,中间设沥青井,金属片止水一般采用1.0~1.6mm后的紫铜片,第一道止水治上游面的距离应有利于改善坝体头部应力,一般为0.5~2.0m(本设计采用1.0m),每侧埋入砼的长度约为20~25cm(本设计采用25cm),在止水片的安装时要注意保证施工质量,沥青井为方形或圆形(本设计采用方形),其一侧可用预制砼块,预制块长1.0~1.5m,厚5~10cm(本设计采用1m×10cm),沥青井尺寸大致为15cm~15cm至25cm~25cm(本设计采用20cm×20cm),井内灌注的填料由二号或三号是由沥青,水泥和石棉粒组成,井内设加热设备(通常采用电加热的方法),将钢筋埋入井中,并以绝缘体固定,从底部一直通到坝顶,在井底设置沥青排出管,以便排除老化的沥青,重填新料,管径可为15~20cm。止水片及沥青井需伸入岩基一定深度,约30~50cm,井内填满沥青砂,止水片必须延伸到最高水位以上,沥青井需延伸到坝顶。止水设计图如下4.1所示:

  图4.1止水设计图

  1—第一道止水铜片;2—沥青井;3—第二道止水铜片;4—预制块;5—横缝6—沥青油毡;7—加热电极

  4.3混凝土标号分区

  重力坝的坝体材料主要是砼,重力坝出要求材料有足够的强度外,以及低热性。(1)强度:砼的强度等级应由用标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件,在28d龄期用标准实验方法测得的具有95%保证率的抗压强度标准确定,用标号C表示。对于大坝的大体积砼,立方体抗压强度则是在90d龄期用标准方法测得的具有80%保证率抗压强度,砼强度随龄期增长,坝体砼的抗压设计龄期一般可取为90d,抗拉设计龄期采用28d,一般不采用后期强度。

  (2)砼的耐久性:砼的耐久性包括抗渗,抗冻,抗冲,耐磨,抗侵蚀性,

  a.抗渗性是指砼抵抗水压力渗透作用的能力,抗渗性可用抗渗等级表示,抗渗等级是用28天龄期的标准试件测定的,分为w2,w4,w6,w8,w10和w12六级,重力坝所采用的抗渗等级应根据所在的部位和水力坡降进行选择,对于水受侵蚀的水工建筑物,其抗渗等级应进行专门的试验研究,担不得低于w4,坝体内部砼如无特殊要求时,抗渗等级定为w2.

  b.抗冻性是表示砼在饱和状态下不能够承受100次冻融循环而不破坏,同时也不严重降低强度的性能,砼抗冻性用抗冻等级表示.抗冻等级用28d龄期的试件采用快冻试验测定的,分为F50,F100,F150,F200,F300三级,抗冻性好的砼,其抗温度变化和干湿度的能力也较强,因此在温暖地区为了使砼具有抗风化能力,也应提出一定的抗冻性要求.

  c.抗冲耐磨性指抗高速水流或泥沙水流的冲刷,摩擦的性能,根据经验采用高标号砼不低于c25.

  图4.2坝体混凝土分区

  表4.1坝体混凝土分区表

  5、地基处理

  5.1地基开挖工程

  地基开挖与清理的目的是石坝体坐落在稳定、坚固的地基上。开挖深度应根据坝基应力、岩石强度及完整性,结合上部结构对地基的要求和地基加固处理的效果、工期和费用等研究确定根据《混凝土重力坝设计规范》(DL5108-1999)要求:砼重力坝的建基应根据大坝稳定、坝基应力、岩体物理力学质、岩土类别、基础变形和稳定性,上部结构对基础的要求、基础加固处理效果及施工工艺、工期和费用等经技术经济比较确定,原则上应考虑技术加固处理后,在满足坝的强度和稳定的基础上,减少开挖。坝高超过100m时,可建在新鲜、微风化或弱风化下部的基岩上。

  5.2防渗措施

  防渗帷幕的深度根据作用水头和基岩的工程地质、水文地质情况确定。当地质内的不透水层厚度不大时,帷幕可穿过透水层深入相对隔水层3~5m。当相对隔水层埋藏较深,则帷幕深度可根据防渗要去确定,通常采用坝高的0.3~0.7倍。帷幕深入两岸的部分,原则上也应达到上述标准,并与河床部位的帷幕保持连续,形成连续的不透水的防渗墙。当相对隔水层距地面不远时,帷幕应深入岸坡与该层相衔接。当相对隔水层埋藏较深时,可深到原地下水位线与最高枯水位的交点B处,如图5.1,在BC‘以上设置排水,以降低水库蓄水后库岸的地下水位。

  图5.1防渗帷幕沿坝轴线的布置

  1—灌浆廊道;2—山坡钻进;3—坝顶钻进;4—灌浆平洞;5—排水孔;6—最高库水位;7—原河水位;8—防渗帷幕底线;9—原地下水位线;10—蓄水后地下水位线

  5.3断层破碎带的处理

  倾角较陡的走向近于顺河流流向的破碎带,可采用开挖回填混凝土的措施,做成混凝土塞,其高度可取断层厚度的1~1.5倍,且不小于1.0m,见图。如破碎带延伸至坝体上、下游边界线以外,则混凝土塞也应向外延伸,延伸长度取为1.5~2.0倍混凝土塞的高度。在选择坝址时,应尽量避开走向近于垂直河流流向的陡倾角断层破碎带,因为它将导致坝基渗透压力或把体位移增大。如难以避开,也可用混凝土塞,但其开挖深度要比近于顺河流流向的大,约为1/10~1/4坝底宽度,如图5.1(a)。

  图5.1陡倾角断层破碎带的处理

  1—坝段;2—伸缩缝;3—断层破碎带;4—混凝土塞;5—基岩面;6—坝体;7—灌浆帷幕;8—排水孔幕

  对走向近于顺河流流向的缓倾角断层破碎带,埋藏较浅的应予挖出;埋藏较深的,除应在顶面作混凝土塞外,还要考虑深埋部分对坝体稳定的影响。必要时可在破碎带内开挖若干斜井和平洞,回填混凝土,形成有混凝土塞和水平塞组成的刚性骨架,封闭该范围内的破碎物,以阻止其产生积压变形和减少地下水产生的有害的作用,见图5.1(b)。在选择坝址时,应尽量避开走向近于垂直河流流向的缓倾角断层破碎带。如不可避免,也可采用上述方法进行处理。