水利水电工程技术设计阶段沥青混凝土面板堆石坝设计大纲范本FJD31080a.docx
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水利水电工程技术设计阶段沥青混凝土面板堆石坝设计大纲范本FJD31080a
FJD31080FJD
水利水电工程技术设计阶段
沥青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
1997年11月
水电站技术设计阶段
沥青混凝土面板堆石坝技术设计大纲
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.设计基本资料4
4.坝体布置9
5.坝体设计9
6.坝的计算12
7.碾压式沥青混凝土面板设计13
8.面板与岸坡、基础及刚性建筑物的连接17
9.基础处理18
10.原形观测19
11.技术专题研究（含试验）20
12.工程量计算21
13.设计成果22
1引言
工程系建在河（江）游，距市（县）km。
水库总库容亿m3，是以、为主和、的综合利用水库。
本工程主（副）坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝高m，坝顶长m。
属等工程。
工程初步设计报告于年月经审查通过，并以文进行了批复。
2.设计依据文件和规范
2.1有关本工程或本专业的文件
（1）工程初步设计报告；
（2）工程初步设计报告的审批文件；
（3）工程专题研究报告；
（4）工程有关文件或会议纪要。
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）和补充规定（试行）；
（2）SDJ218-84碾压式土石坝设计规范及修改和补充规定；
（3）SLJ01-88土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则；
（4）SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范（试行）；
（5）SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；
（6）SDJ14-78水利水电工程地质勘察规范（试行）；
（7）SL52-93水利水电工程施工测量规范；
（8）SL47-94水工建筑物岩石基础开挖工程施工技术规范；
（9）SDJ207-82水工混凝土施工规范；
（10）SDJ213-83碾压式土石坝施工技术规范；
（11）SD220-87土石坝碾压式沥青混凝土防渗墙施工规范；
（12）SL62-94水工建筑物水泥灌浆施工技术规范。
3.设计基本资料
3.1工程等级
3.1.1根据审批文件，本工程为等工程，沥青混凝土面板堆石坝按级建筑物设计。
3.1.2根据文件，本工程地震基本烈度为度，由SDJ10-78规范规定，沥青混凝土面板堆石坝按度地震烈度设防。
3.2测量基准与地形图
3.2.1测量基准
高程控制为级，平面控制为级。
3.2.2地形图
（1）坝址地形图（比例1200～11000）；
（2）沥青混凝土面板与岸坡和坝基连接部位地形图（比例1500～1200）；
（3）库区地形图（比例11000～150000）。
3.3坝址工程地质与水文地质
3.3.1工程地质
（1）工程地质报告；
（2）1200～11000地质平面图；
（3）1200～1500主要地质构造和建筑物基础地质剖面图；
（4）1200～1500沥青混凝土面板与岸边和坝基连接部位局部地质平面图和剖面图；
（5）1200～11000基岩等高线图；
（6）坝基覆盖层与基岩的物理力学性质和地质构造特性。
①岩石物理力学性质如表1所列：
表1岩石物理力学性质表
项目
比重
干容重
kN/m3
吸水率
%
变形模量
MPa
泊桑比
干抗压强度
MPa
湿抗压强度
MPa
软化系统
kg/cm3
新鲜岩石
弱风化岩
强风化岩
断层带
夹层或夹泥
破碎带
②对建筑物产生重大影响的地质构造的主要参数见表2所列：
表2坝基地质构造参数表
构造或构造面
构造面性质
结构产状
构造带宽度
m
影响高程
m
力学指标
f
c,MPa
断层fi
裂隙或裂隙组合
破碎带
断层裂隙组合面
③坝基覆盖层
提示：
覆盖层的厚度、分层、有无软弱夹泥层，各层的颗粒组成、渗透系数、特殊夹层的渗透坡降、干容重、内摩擦角等参数。
3.3.2水文地质
（1）地下水位m；
（2）基岩单位吸水率：
=L/（minmm）；
（3）相对不透水层单位吸水率=L（minmm），高程m；
（4）可能形成渗漏通道的地质问题说明。
提示：
库区的单簿分水岭；灰岩地区喀斯特；坝肩构造裂隙可能产生的绕坝渗漏；以及地层、地质构造可能形成的漏水通道等。
3.4水库特性
3.4.1水库
（1）总库容亿m3；
（2）正常蓄水位以下库容亿m3;
（3）调洪库容亿m3；
（4）防洪库容亿m3；
（5）调节库容亿m3；
（6）死库容亿m3。
3.4.2水位
（1）校核洪水位m；
（2）设计洪水位m；
（3）正常蓄水位m；
（4）汛前限制水位m；
（5）死水位m；
（6）工作深度m；
（7）水位骤降速度m/s；
（8）设计淤砂高程m，淤砂饱和容重kN/m3；淤积年限a。
3.5水文气象
3.5.1气温
（1）多年月气温见表3所列：
表3多年月气温统计表单位：
℃
项目
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
多年月平均气温
多年月最高气温
多年月最低气温
（2）年日平均气温低于5℃时的多年平均天数；
（3）日最低气温低于0℃时的多年平均天数；
（4）出现年极限最低气温时（降温速度快，低温持续时间长），48h有代表性的典型降温过程线。
3.5.2坝址以上控制流域面积的降雨
（1）多年平均降雨mm；
（2）汛期占全年降雨%；
（3）历年最大降雨量mm；
（4）历年最小降雨量mm；
（5）历年一次最大暴雨过程线
（6）多年平均降雨天数。
3.5.3风速、风向
（1）多年平均风速m/s；
（2）多年平均最大风速m/s；
（3）历年瞬时最大风速m/s；
（4）风向m；
（5）风区长度m。
3.5.4冻土深度
（1）多年平均冻土深度m；
（2）历年最大冻土深度m。
3.6建筑材料
3.6.1堆石料的物理力学性质
提示：
根据初设阶段已选定的料场及补充料场的各类堆石料均需进行全面试验的大三轴试验、大型压缩试验、大型渗透试验等。
（1）物理力学性质见表4：
表4堆石料的物理力学性质表
石料
物理指标
抗剪强度
变形指标
单块抗压强度
MPa
软
化
系
数
直剪
大三轴
变形模量Ei
波
比重
干容重
摩擦角
凝聚力
摩擦角
凝聚力
干
饱和
松
干抗压
饱和抗压
kg/cm3
kg/cm3
（）
MPa
（）
MPa
MPa
MPa
比
新鲜石料
弱风化石料
强风化石料
掺入破碎带的碎石混合料
断层破碎带的碎石和夹泥
（2）用非线性有限元法计算坝体应力、应变时，各堆石料的试验参数（列表）。
（3）级配曲线（包括不均匀系数、曲率系数）；0.1mm以下的颗粒含量所占百分数；设计干容重时的渗透系数。
3.6.2用做过渡料和反滤料的砂砾石、粗砂、细砂的性能试验成果
3.6.3沥青混凝土骨料
3.6.3.1新鲜或微风化碱性岩石（如白云岩、灰岩）的基本性能
（1）比重kg/cm3、抗压强度MPa、含泥量%；
（2）破碎好的骨料级配曲线（包括2.5mm以下的级配情况）。
提示：
没有碱性岩石时，也可用其他石料（如花岗岩、流纹岩），但应改善与沥青的粘附力，如加入消石灰或硅酸盐水泥。
应进行试验并经专门论证。
3.6.3.2粒径为2.5mm～0.074mm的细骨料
（1）应优先采用碱性岩石加工粗骨料时的筛余石屑，或用碱性岩石加工的人工砂；
（2）使用河砂时，应选用未风化的料，并限制含泥量。
4.坝体布置
4.1核实初步设计报告审批确定的布置方案并进行优化
提示：
在初步设计报告审批确定的布置方案的基础上，结合补充资料的变化情况及其它要求，充分考虑技术经济因素，对坝轴线位置、坝顶高程、上、下游坝坡……等布置，进一步优化。
4.2核实各主要建筑物的合理布局
提示：
（1）泄洪建筑物与引水建筑物的进口附近的沥青混凝土面板和坝坡的防护措施设计，应满足防冲要求。
（2）电站尾水出口、泄洪建筑物的消能设施与下游坝坡脚应有足够的安全距离，避免水流和回流淘刷。
（3）尽可能不采用坝下埋管形式，如必须采用坝下埋管引水或泄洪时，应对其防渗、变形、稳定进一步分析论证，特别是埋管与防渗面板交叉部位应格外注意。
4.3沥青混凝土面板与岸坡和坝基岩石的连接
提示：
在进一步详细勘探的基础上，必要时可适当调整坝线，使沥青混凝土防渗面板与岸坡和坝基的接头尽量做到基岩上，并使防渗墙或防渗帷幕线最短、且薄。
5.坝体设计
5.1坝料规划
提示：
（1）根据料场基本资料，结合各个料场的开采条件和运距，综合分析规划坝体断面的分区。
（2）优先考虑利用能满足填筑要求的洞挖石碴、溢洪道的开挖石料等。
（3）应充分利用坝址附近的各种可上坝料，以期降低造价。
软岩堆石料压实后应具有较低的压缩性和一定的抗剪强度，可用于下游堆石区的水上部位或坝体内部填料。
5.2坝断面分区设计
5.2.1碎石排水垫层
提示：
（1）施工如与坝体平起，为便于机械操作，应采用3m～5m的水平宽度。
（2）垫层的排水能力应满足下式要求：
式中：
Kf沥青混凝土面板防渗层的渗透系数，一般为10-7cm/s～10-9
cm/s；
H计算点处的作用水头；
沥青混凝土面板防渗层厚度；
面板与水平线夹角；
KP排水垫层的渗透系数，一般取10-2cm/s左右；
D垂直于面板方向的排水垫层的有效厚度。
（3）排水垫层的填筑料应新鲜坚硬，不风化，抗压强度不低于80MPa，软化系数不小于0.8，最大粒径应小于150mm，小于5mm的含量不大于20%，小于0.1mm的含量不大于5%，并有良好的级配。
（4）为便于与主堆石区结合，一般铺筑厚度应为主堆石区铺筑厚度的1/2，
压实后孔隙率应为20%左右。
（5）排水垫层应与上游排水廊道或坝基的褥垫排水相连通。
5.2.2过渡层
提示：
（1）过渡层宽3m～5m，位于碎石排水垫层和主堆石区之间，起反滤过渡作用.过渡层料的最大粒径应小于300mm,小于5mm的含量不大于20%，小于0.1mm的含量不大于5%，要求级配良好。
（2）石料应采用新鲜或弱风化岩石，抗压强度不低于50MPa，软化系数大于0.6。
（3）铺料厚度与排水垫层相同，孔隙率应小于25%。
5.2.3主堆石区
提示：
（1）堆石料应是质地坚硬，有一定的抗水、抗风化能力，具有较高的抗剪强度，填筑后有较强的透水性。
（2）堆石料一般要求抗压强度应大于25MPa，最大粒径取80cm～60cm，且不大于摊铺层厚度。
应优先考虑利用开挖料和坝址附近的石料。
对于填筑时可能被压成细料的软岩，只要选择切实的压实参数，断面设计合理，宜充分利用。
（3）为保证能自由排水，小于5mm的颗粒数量应低于30%，小于0.1mm的颗粒含量不大于5%，渗透系数应大于1×10-3cm/s，如这一要求不满足，则应做好坝基褥垫排水，并做好反滤使浸润线降低到可满足水库运行要求的程度。
（4）坝肩与两岸坡接触带，用最大粒径小于300mm的堆石料或满足过渡层要求的石料填筑，宽度为2m～3m，以防岸坡部位出现架空现象。
（5）堆石料应充分碾压，孔隙率应低于25%。
5.2.4主堆石区的分区
提示：
按常规大体上分位于坝轴线上游部分和坝轴线下游部分。
位于坝轴线上游部分，其沉降变形、特别是蠕变变形，直接影响面板的可靠性，要求坝轴线上游部分优选低压缩性、级配良好的坝料填筑，并要碾压到足够的密实度。
坝轴线下游部分远离面板，不受水荷载，只起稳定边坡作用，称次堆石区，根据料源情况，可用软岩或一般的开挖石料，特别是本部分浸润线以上可选任意料填筑。
5.2.5碾压试验
按坝体分区和不同分区料，分别进行碾压试验，以确定填筑标准和压实参数。
经试验确定的参数见表5。
表5填筑标准和碾压参数表
分区
振动碾
型号
行车速度
km/h
铺料厚度
cm
碾压遍数
n
加水量
%
干容重g/cm3
孔隙率%
试验
设计
试验
设计
主堆石区
过渡层
排水层
斜坡面
5.3坝的细部设计
5.3.1确定坝顶超高
提示：
坝顶在水库静水位以上的超高应根据建筑物级别、水库特性、运行条件等确定，详见SDJ218-84第四章第四节。
5.3.2坝顶结构设计
（1）确定坝顶宽度
提示：
坝顶宽度，要满足沥青混凝土面板施工时的卷扬台车和沥青混合料运输汽车同时停放在同一个坝断面上或行走的要求，一般取10m～15m。
为减少坝壳填筑量，同时满足面板施工的坝顶宽度，可在坝体填筑低于坝顶高程2m～3m时进行，剩下的防渗面板可用简单的机械结合人工施工，或将防浪墙向下垂直延伸，与沥青混凝土防渗面板相接。
（2）防浪墙设计
提示：
防浪墙必须坚固不透水，应经强度和稳定核算，并设置伸缩缝。
其与面板的接头应慎重对待并做好止水设施，特别是防浪墙向下延伸时，接头处对不均匀沉陷的适应能力更要注意。
（3）坝顶排水设计
提示：
坝顶宜做沥青混凝土路面，路面向一侧或两侧倾斜，坡度2%～3%，同时路两侧应做好排水，以防雨水进入上游碎石排水垫层及沥青混凝土面板复式断面的排水层。
5.3.3坝体排水
提示：
（1）对于I、II级坝，结合坝基帷幕灌浆，宜在面板与坝基联接部位做排水廊道，并用D=10cm～15cm的排水管与碎石排水垫层及复式断面的面板排水层相连。
排水廊道至少设两个进出口，以供排水、通气、检查和交通之用。
（2）当主堆石区的渗透系数小于1×10-3cm/s时，坝基应设褥垫排水。
褥垫排水的渗透系数应大于1×10-2cm/s，其顶部应做好反滤。
为减少工程量，也可做成网状排水带或排水管，但必须进行计算和论证。
5.3.4护坡和坝面排水
提示：
（1）护坡应用新鲜坚硬的块石干砌，粒径不小于20cm，厚度为30cm～60cm。
（2）下游坝面与岸坡连接处必须设置排水沟，排除坝顶及两岸坡的汇集水。
（3）下游面的石料较完整时可不设护坡。
6.坝的计算
提示：
用具有良好级配，且小于0.1mm的颗粒含量不大于5%的硬岩石填筑的坝，或软岩但具有排水廊道或坝基褥垫排水，坝体有充分的自由排水能力，则坝体按干坡计算，即不计孔隙水压力。
容重按实际湿容重计。
6.1稳定计算
提示：
（1）计算工况确定、计算工作条件的划分，按SDJ218-84第1.0.4条和修改补充的规定进行。
（2）筑坝材料力学指标确定；筑坝材料的抗剪强度，对I、II级高坝，用三轴仪或直剪仪确定；低坝可用直剪仪或工程类比确定。
施工期应通过碾压试验且在填筑过程中应取样进行验证试验，以便设计作必要的修正。
6.1.1施工期的稳定分析
坝体填筑后，尚无沥青混凝土面板时，要进行施工期坝体挡水和坝体内过水情况的稳定渗流计算，并按各种情况计算坝坡稳定。
6.1.2运行期应分别按正常和非常条件计算以下情况
（1）岩基存在软弱夹层或构造面；
（2）以砂砾石为坝基特别是含有夹泥层；
（3）最大坝高断面、或坝体用软岩填筑和使用了代替料的有代表性的坝体断面。
6.1.3静力稳定计算采用刚体极限平衡法
提示：
计算宜采用滑楔法或圆弧法，对I、II级高坝计算时应计及条块间的作用力。
其最小安全系数应满足SDJ218-84第7.3.8条、第7.3.9条的规定。
6.2应力和变形计算
提示：
通过计算估计坝体在自重及其他外荷载作用下的应力和变形。
（1）确定竣工时坝顶应预留的超高；
（2）预估坝体各部位的不均匀沉降量，以判断坝体和沥青混凝土面板发生裂缝的可能性；
（3）分析沥青混凝土面板，在岸坡和坝基垂直防渗体的连接部位及与其他建筑物的连接部位，是否因应力或不均匀沉陷产生剪力破坏；
（4）面板在水荷载和各种不同工作条件下，因坝体应变可能产生的开裂和渗漏；
提示：
对于I、II级高坝，宜采用非线性有限元法进行应力、应变分析。
除静力计算外，还要进行在地震荷载作用下的动力分析。
（5）用粘弹性理论分析沥青混凝土面板的应力。
提示：
沥青混凝土面板，因温度收缩（特别是北方寒冷地区），可能产生开裂，应用粘弹性理论分析面板的应力。
计算参数应考虑到实际可能出现的低温和外荷载的作用速度，并通过严格的试验确定。
7.碾压式沥青混凝土面板设计
7.1确定面板的坡度
提示：
（1）面板的坡度，应根据施工水平、面板铺筑机械施工要求、施工人员的交通等条件确定，一般宜不陡于11.7.
（2）坝面力求平整，不设马道，如需变坡应采用半径不小于30m的曲线连接。
7.2排水垫层设计
提示：
排水垫层设在沥青混凝土面板与填筑体或基础之间，作用是整平、支承、排水、防冻胀，并使摊铺机具能正常行走。
根据建筑材料和工程条件有：
（1）碎石（或卵石）排水垫层，若直接铺筑到基础上，垂直于坡面的厚度应不小于50cm，对石料的要求及计算已在5.2.1中详述。
（2）无砂水泥混凝土排水垫层，其最小厚度为10cm，标号应根据计算确定，
抗压强度一般不低于10MPa。
（3）干砌块石排水垫层，最小厚度30cm，砌筑应力求平整，块石之间的缝
隙应用小碎石填平，避免因坝体沉陷或摊铺机行走引起块石之间的错动.
7.3沥青混凝土面板断面选择
提示：
沥青混凝土面板，分复式断面和筒式断面。
复式断面由上到下为封闭层、上防渗层、排水层、下防渗层、整平胶结层；筒式断面只有一个防渗层，无排水层，其他同复式断面。
断面选择需经技术经济比较确定。
同一坝面可选择不同型式的断面。
（1）筒式断面，因层数少，较经济，可缩短工期。
一般均可满足防渗要求。
（2）当地下水位高、坝体或基础排水条件差，以及坝基渗水可能对坝体稳定起不良影响时，宜采用复式断面。
复式断面防渗的可靠性大，因排水层分区，如出现漏水，较易查出漏水部位及漏水量。
7.4面板各层作用和要求
提示：
（1）封闭层厚度为2mm左右，起封闭上防渗层缺陷，延缓沥青混凝土老化，提高防渗能力。
使用材料为沥青胶、橡胶沥青胶。
（2）上防渗层厚度8cm～15cm，分2～3层铺压。
铺筑时层间喷涂1kg/m2的乳化沥青或稀释沥青结合层，以提高其防渗和整体性。
（3）排水层厚度6cm～10cm，汇集上防渗层渗水，并将水导入排水廊道或排水管。
沿坝轴线每隔10m～15m设一隔水带，将排水层分区。
（4）下防渗层厚度5cm～8cm，起隔断排水层和面板后的渗水的作用。
可一层铺压。
（5）整平胶结层为防渗层摊铺创造平整的条件，厚度5cm～10cm，可用两层不同配合比的开级配沥青混凝土铺筑。
（6）在变坡和坝周线为曲线时，应参考有关工程资料，采取加强措施，并慎重对待。
7.5沥青混凝土材料选择
7.5.1矿料（为粗骨料、细骨料、填料的总称）
（1）填料（即矿粉）
提示：
（1）矿粉应采用石灰岩或白云岩粉，亦可用滑石粉或普通硅酸盐水泥。
（2）矿粉细度要求见下表。
矿粉的细度要求
筛孔尺寸mm0.60.150.074
通过率%100>90>70
（3）矿粉的亲水系数应小于1，含水率小于0.5%，不含泥土，不结块，不含有机物和杂质。
（2）细骨料
提示：
细骨料可用粒径小于2.5mm，比重大于2.5kg/cm3的天然砂、石灰岩或白云岩加工成的人工砂，要求质地坚硬、不风化、不因加热引起性质变化、级配良好、含泥量小于2%（检验方法与混凝土骨料相同）、不含有机质和其他杂质、耐久性好、用硫酸纳法干湿循环5次重量损失小于15%、水稳定等级不低于四级。
（3）粗骨料
提示：
粗骨料宜采用碱性岩石，其要求：
（1）质地坚硬、新鲜、比重大于2.5kg/cm3、软化系数大于0.8，不因加热引起性质变化、吸水率不大于3%。
（2）级配良好、含泥量小于0.5%、针片状颗粒含量不大于10%（检验方法与混凝土骨料相同）
（3）耐久性好，用硫酸纳法干湿循环5次，重量损失小于12%。
（4）粘附性能良好，与沥青的粘附力应达四级以上。
（5）若使用非碱性岩做粗骨料，需掺用防剥离剂（如消石灰），并经试验和专门论证。
（6）骨料最大粒径，指总通过率大于或等于95%的筛孔尺寸。
防渗层最大粒径应小于一次铺压层厚的1/3，整平胶结层最大粒径应小于一次铺压厚度的1/2。
水工沥青混凝土拌和骨料，一般分5级：
即（25）20mm～15mm，15mm～10mm，10mm～5mm，5mm～2.5mm，2.5nn以下。
当以超、逊径筛检验时，超径率应为零，逊径率应小于10%；当以原孔筛检验时，超径率应小于5%，逊径率应小于10%。
7.5.2掺料
提示：
掺料的作用，是改善沥青混凝土的物理力学性质。
如掺消石灰提高沥青混凝土的水稳定性；掺石棉改善沥青混凝土的热稳定性；掺橡胶或其他高分子材料提高沥青混凝土的低温抗裂性能。
所有掺料必须经严格的试验，并有有效的掺配工艺和施工方法。
7.5.3沥青
提示：
（1）应严格按
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