混凝土围堰设计大纲.docx
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混凝土围堰设计大纲
FCD71070FCD
初步设计阶段水电建设项目
混凝土围堰设计大纲范本
水利水电勘测设计标准化信息网
1995年2月
水电站工程
混凝土围堰设计大纲
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.基本资料4
4.设计的主要任务及工作内容8
5.设计原则与假定8
6.围堰布置9
7.围堰断面设计10
8.堰体构造12
9.基础处理13
10.混凝土围堰施工14
11.围堰布置15
12.工程量计算16
13.专题研究16
14.设计成果16
附录A.围堰抗滑稳定计算17
1引言
工程位于,是以为主,、等综合利用的水利水电枢纽工程,正常蓄水位m,最大坝高m,总库容
108m3,电站总装机容量MW,年发电量104kW·h,灌溉面积104km2。
通航t级船队（舶）。
本工程可行性研究报告于年月审查通过,选定坝址为。
主要工程量:
土方开挖104m3,石方开挖104m3,混凝土浇筑104m3。
工程总投资亿元,施工总工期年。
2设计依据文件和规范
2.1有关本工程文件
（1）工程可行性研究报告；
（2）工程可行性研究报告审批文件；
（3）初步设计任务书；
（4）可行性研究阶段中间报告及审批文件；
（5）专题报告
2.2主要设计规范
（1）水利水电工程初步设计报告编制规程（DL5021—93）；
（2）水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（SDJ12—78）及（SDJ217—87）（试行）及补充规定；
（3）水利水电工程施工组织设计规范（SDJ338—89）（试行）；
（4）混凝土重力坝设计规范（SDJ21—78）（试行）及补充规定；
（5）混凝土拱坝设计规范（SD145—85）（试行）；
（6）碾压混凝土坝设计导则（DL/T5005—92）；
（7）水利水电工程施工导流设计导则：
（8）水利水电工程围堰设计导则;
（9）水利水电工程设计工程量计算规定（修改稿）;
（10）水工碾压混凝土施工技术规范（SL53—94）；
（11）内河通航标准（GBJ139—90）。
3基本资料
3.1坝址及坝线
可行性研究阶段选定的坝址为,坝线为。
3.2工程等级及建筑物级别
（1）根据本枢纽工程的规模,在可行性研究报告的审批意见和初步设计报告任务书中已审定,本工程为等工程；
（2）根据SDJ338—89（试行）表2.2.1确定围堰建筑物级别为级建筑物。
3.3导流方式及设计洪水标准
导流方式；导流时段;导流程序。
围堰型式。
围堰设计洪水重现期为年，相应洪峰流量m3/s，相应上游水位为m,下游水位为m,纵向堰前水位m。
3.4水文、气象资料
3.4.1坝址全年洪水和枯水时段洪水频率～流量关系,如表1。
表1坝址洪水频率～流量关系单位:
m3/s
时段
重现期年
20
10
5
3
2
全年
枯水期:
月日～月日
月日～月日
月日～月日
月日～月日
3.4.2坝址逐月流量特征，见表2。
表2坝址逐月流量特征表单位:
m3/s
（年至年）
项目
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
历年最大流量
历年最小流量
多年平均流量
历年最大平均流量
3.4.3历年典型年的洪水过程线。
3.4.4坝址水位～流量关系曲线。
3.4.5导流建筑物的水位～流量关系曲线。
3.4.6泥沙资料:
堰前泥沙设计淤积高程m,淤沙浮容重kN/m3，内摩擦角度。
3.4.7坝址气温和水温,如表3。
表3坝址气温和水温单位:
℃
（年至年）
项目
月份
多年
平均
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均气温
月平均水温
日平均气温15℃天数
日平均气温5℃天数
多年平均气温℃；极端最高气温℃；极端最低气温℃，气温骤降幅度℃，次数次。
3.4.8降雨量及冰冻期资料
表4气象站年降雨资料统计单位:
mm
项目
月份
多年
平均
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均雨量
最大雨量
最小雨量
5mm/h雨日d
最大日降雨量
多年平均降雨量mm;年最大降雨量mm;最大降雨强度mm/d;平均降雨天数d。
冰冻期为月；结冰厚度m;流冰持续时间d。
3.4.9坝址风速
相应于洪水期多年平均最大风速为m/s;风向为;吹程km。
提示:
设计工况采用相应洪水期多年平均最大风速的1.5倍设计。
3.5坝址区地形、地质资料
3.5.1坝址区地形图（1/2000～1/500）。
3.5.2坝址区地质平、剖面图（1/1000～1/500）。
3.5.3围堰轴线地质纵、横剖面图（1/1000～1/500）。
3.5.4堰基岩石与混凝土的物理力学指标：
（1）堰基岩石为岩石,混凝土设计标号为；基岩容重kN/m3，混凝土容重kN/m3。
（2）允许抗压强度:
基岩MPa;混凝土MPa。
（3）风化岩石变形模量MPa,弹性模量MPa,泊桑比；混凝土弹性模量MPa,泊桑比。
（4）堰基岩石单位吸水量L（min.m.m）;渗透系数m/d。
（5）基岩及混凝土抗剪强度指标,如表5。
表5混凝土及基岩抗剪强度指标
计算面
抗剪指标
抗剪强度
抗剪断强度
混凝土面
f=
f=,c=MPa
建基面
强风化岩石
f=
f=,c=MPa
弱风化岩石
f=
f=,c=MPa
基岩节理面
强风化岩石
f=
f=,c=MPa
弱风化岩石
f=
f=,c=MPa
软弱结构面
f=
f=,c=MPa
提示:
（1）如采用拱式围堰,应提供两岸坝肩结构面的力学指标及抗剪指标。
（2）若为碾压混凝土围堰,应提供碾压混凝土层间面的抗剪强度指标。
3.5.5本工程地震烈度为度。
3.6水工建筑物设计资料
（1）枢纽总平面布置图（1/1000～1.2000）。
（2）各单项建筑物设计图及分项工程量统计数量。
（3）溢流坝泄流能力曲线以及与导流有关的各孔、洞、缺口的泄流能力曲线。
3.7其它与围堰设计有关和对围堰有要求的资料
（1）砂、石料系数投产期为年月;生产能力t/h。
（2）混凝土系统投产期为年月;生产能力m3/h。
（3）可能提供的施工机械设备的技术性能和数量。
（4）围堰保护的永久建筑物型式、布置、施工程序和施工进度要求。
（5）施工总进度及对围堰的施工期要求。
（6）对施工期的通航、过木、水库淹没、移民等要求。
（7）建筑材料及混凝土配合比试验成果资料。
（8）水泥及混凝土等材料的热力学指标。
4设计的主要任务及工作内容
4.1主要任务
本设计大纲的主要任务是在导流设计已完成,导流方案和导流建筑物,包括挡水建筑物和泄水建筑物已经通过技术经济比较,同时已选定导流挡水建筑物为混凝土围堰或部分为混凝土围堰，在此基础上对混凝土围堰设计作原则性的指导。
4.2设计主要工作内容
（1）设计原则与假定;
（2）混凝土围堰布置;
（3）混凝土围堰结构设计;
（4）混凝土围堰基础处理设计;
（5）混凝土围堰施工;
（6）混凝土围堰观测与拆除。
5设计原则与假定
5.1设计原则
5.1.1混凝土围堰设计除执行本《大纲》外,还应符合有关规程、规范、标准的规定和要求。
5.1.2围堰系围护水利水电枢纽工程永久建筑物施工的临时性挡水建筑物,应充分考虑其运行时间短的特殊条件。
5.1.3设计前应注重调查研究,深入现场,认真收集和分析研究有关水文、泥沙、地形地貌、地质、施工条件等设计资料。
提示:
碾压混凝土围堰具有节省水泥、造价低、施工工艺简便、施工进度快等
优点，因此,混凝土围堰应优先考虑采用碾压混凝土围堰。
但对其骨料
及掺和料的品质及来源要进行分析研究。
5.2设计假定
5.2.1混凝土围堰断面设计一般情况按平面问题考虑,并应以建基面的抗滑稳定及应力条件确定。
如围堰深层基础有影响围堰稳定的软弱结构面,应予复核其深层抗滑稳定性。
5.2.2堰体断面一般由正常情况荷载组合控制。
但要考虑采取防洪抢险措施后的围堰安全度。
5.2.3混凝土围堰的抗滑稳定按刚体极限平衡法抗剪断强度或抗剪强度公式计算。
断面应力按材料力学方法计算,对于大型工程辅以有限元方法进行分析。
6围堰布置
6.1围堰布置原则
6.1.1围堰布置应根据枢纽布置、围堰型式、施工导流方案、施工总进度及地形、地质条件综合考虑。
6.1.2围堰布置应满足被围护永久建筑物的施工要求；
（1）基础开挖和混凝土浇筑施工机械及施工道路布置的要求；
（2）基坑抽水站布置及运行的要求；
（3）上下游围堰背水坡距永久建筑物施工边线一般不宜小于10m;纵向围堰不宜小于3m。
6.1.3围堰布置应考虑与左、右岸或其它建筑物连接的要求。
提示:
分期围堰布置,一期纵向围堰对河床束窄程度一般宜控制在40%～60%,同时应考虑枢纽布置、施工期通航流速及河床和上、下游土石围堰的防冲要求。
6.1.4上、下游横向围堰通常呈直线布置（除拱式围堰外）,但若为围护永久建筑物施工的需要,也可呈折线布置。
全线围堰的上、下游围堰轴线通常与河道水流方向垂直。
6.1.5围堰布置应考虑水力条件。
提示:
（1）纵向和横向围堰及其连接处的布置,应使水流平顺,避免紊乱水流流态对围堰及基础产生不利的影响。
同时纵向围堰与横向围堰的防渗体应形成封闭接头。
横向围堰轴线与纵向围堰轴线的交角宜控制在60～90之间。
（2）过水围堰布置应考虑基坑提前充水、堰顶过流水力条件和合理确定消能型式。
（3）纵向围堰布置应满足施工期通航过木和永久建筑物过流条件的要求。
（4）上、下游围堰距导流泄水建筑物的进、出口距离不宜小于10m,其交角分别为:
上游一般为45～60；下游一般为60～90。
（5）围堰布置应进行水工模型试验证和修改,其成果作为围堰设计的主要依据。
6.1.6围堰布置应避开两岸沟溪进入基坑,并防止两岸沟溪水流对围堰坡脚的冲刷。
6.1.7围堰布置应考虑交通条件,尽量利用或兼顾两岸交通道路和满足施工期通航布置的要求。
6.1.8围堰布置应考虑施工条件,方便施工和拆除,尽可能利用现有施工道路和施工设施。
6.1.9围堰布置应考虑运用条件,以便遇到超设计洪水时采取防洪抢险措施、基坑充水以及洪峰过后基坑排水平压。
6.1.10围堰布置应符合工程量少、投资省的原则：
（1）尽可能与永久工程挡水或泄水建筑物相结合；
（2）围堰轴线应尽量短,并应选择在覆盖层薄、基岩条件较好、地质构造简单的地段。
6.1.11混凝土围堰常用作纵向围堰和过水围堰。
过水围堰的布置及断面型式应同时满足挡水和过水的运行要求。
6.2围堰设计方案比较
6.2.1围堰布置应进行多方案技术经济比较,以选定最优方案为设计方案。
6.2.2围堰设计应进行堰址和堰轴线方案比较,以选定技术指标优、经济合理的方案。
6.2.3混凝土围堰设计应进行断面结构型式方案比较,以选定安全可靠、经济合理的方案。
提示:
碾压混凝土具有造价低,工期短,工艺简单,有条件应优先采用;混凝土围堰一般采用重力式。
当堰址河谷狭窄且堰基和两岸地质条件良好时,可用混凝土拱围堰。
7围堰断面设计
7.1荷载及其计算
7.1.1作用在混凝土围堰的荷载
（1）堰体混凝土重。
混凝土容重r=kN/m3;
（2）挡设计水位时的静水压力及水重。
水容重r0=kN/m3;
（3）淤沙压力或土压力。
淤沙高程m;淤沙浮容重kN/m3;淤沙内摩擦角n=度。
（4）浪压力。
计算风速m/s;吹程km。
（5）冰压力
（6）扬压力。
计算断面排水孔距上游面距离L=m;河床堰段扬压力折减系数1=;岸坡堰段2=。
扬压力计算图形如下:
提示:
（1）对于洪围堰,尚应考虑温度荷载,温度荷载应按运行期间堰体混凝土温度与封拱温度的差值确定。
（2）对于过水围堰要考虑动力压力。
7.1.2荷载的计算,应按《混凝土重力坝设计规范》SDJ21—78（试行）、《混凝土拱坝设计规范》SD145—85（试行）等有关规程、规范和专著计算。
7.2荷载组合
7.2.1围堰设计的荷载组合,只考虑正常情况荷载组合,即基本组合。
7.2.2荷载组合,见表6。
表6荷载组合表
荷载组合
正常情况荷载
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
基本
组合
（1）挡设计洪水
*
*
*
*
*
（2）冬天冰冻期
*
*
*
*
*
（3）围堰过水
*
*
*
*
*
*
注:
（1）表中有*者为三种堰型均应考虑组合的项目；
（2）荷载（7）示为仅适用于混凝土拱围堰的项目；第（8）栏仅适用于过水围堰；
7.3围堰抗滑稳定计算
7.3.1混凝土重力式围堰沿堰基面的抗滑稳定计算,应取代表性坝段或单宽进行计算。
提示:
碾压式混凝土围堰亦应进行堰基面的抗滑稳定计算。
7.3.2常态混凝土重力式围堰沿堰基面的抗滑稳定计算,应按抗剪断强度公式计算，主要核算建基面的抗滑稳定。
计算公式如下：
K=（f·W+C·A）/P
（1）
式中:
K—按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数;
W—作用于堰体上全部荷载对滑动面的法向分值,kN（包括扬压力）;
P—作用于堰体上全部荷载对滑动面的切向分值,kN（包括扬压力）;
f—混凝土与基岩面的抗剪断摩擦系数;f=。
C—混凝土与基岩面的凝聚力,MPa;C=MPa。
A—堰基面截面积,m2;A=m2。
提示:
（1）抗剪断强度指标f和C宜经野外及室内试验测定,并根据SDJ21—78第81条及其补充规定选用。
7.4围堰应力计算
7.4.1混凝土重力式围堰（包括碾压混凝土围堰）的应力计算,一般应包括堰基面、折坡处截面及堰体削弱部位的应力。
7.4.2重力式围堰的应力计算,采用材料力学方法计算,并作为控制指标和设计断面。
提示:
计算公式参照《混凝土重力坝设计规范》SDJ21—78（试行）附录三采用。
7.4.3重力式围堰在挡设计洪水及施工期情况下,堰基面及堰体应力应符合下列要求：
（1）堰基面最大垂直正应力max应小于堰基容许压应力;围堰在设计洪水时,迎水面允许有0.1～0.15MPa以下的主拉应力,堰体允许出现0.2MPa以下的主拉应力。
（2）在施工期间,下游堰趾垂直正应力允许有不大于0.1MPa拉应力,堰面可允许有不大于0.2MPa主拉应力。
提示:
混凝土拱围堰的应力计算,采用拱冠梁法或多拱梁法进行计算,对于重要的拱围堰可采用有限元法进行应力分析,并应满足以下应力控制指标：
（1）容许压应力的安全系数:
正常情况3.5。
（2）容许拉应力,正常情况混凝土的容许拉应力不得大于1.2MPa。
7.4.4围堰应力计算除正向挡水工况外,还需复核反向挡水工况。
提示:
反向挡水可能会成为围堰应力的控制条件,因此,在围堰设计中,要考虑采用可靠的排水平压措施加以控制。
7.5围堰断面体形设计
7.5.1围堰断面体形设计应能满足规定的各种用途,达到安全、经济,便于施工,特别是快速施工和便于拆除的目的。
7.5.2围堰断面设计应力求体形简单,堰体洞室尽量少,迎水坡堰面尽可能采用直立面,背水坡10.6～0.75。
对于拱式围堰,以采用单曲拱型为宜。
不设纵缝,尽量少设或不设横缝,以便于施工和加快施工进度。
8堰体构造
8.1堰顶高程
8.1.1堰顶高程应根据水力计算成果、施工、防洪、通航、发电等要求,综合各种因素通盘考虑,重要工程还应通过水工模型试验对比分析确定。
8.1.2不过水围堰按水力计算确定的堰顶高程,按下列公式计算：
（1）上游堰顶高程
Huc=Hu+h+
（2）
式中:
Huc—上游堰顶高程,m；
Hu—上游设计洪水静水位,m；
h—波浪高度,m;按SDJ21—78（试行）附录二公式计算。
—安全超高,m；
（2）下游堰顶高程
Hbc=Hd+（3）
式中:
Hbc—下游堰顶高程,m;
Hd—下游设计洪水位,m;
—安全超高,m。
安全超高值,4、5级围堰采用0.3m。
提示:
（1）对于沿海台风影响很大或在下游有梯级水库的下游围堰,亦应考虑波浪高度h项,而对于不符合上述情况或小型工程可不考虑h项。
（2）对于严寒地区堰顶高程的确定还应考虑冰寒、冰坝造成的壅高高度。
8.1.3过水围堰按水力计算确定的堰顶高程,按下列公式计算:
（1）上游堰顶高程
Huc=Hu+h（4）
（2）下游堰顶高程
Hdc=Hd（5）
上两式符号意义同式（4）、（5）。
提示:
过水围堰对波浪高度h的考虑因素与第8.1.2条提示相同。
8.2堰体构造
8.2.1堰顶宽度应满足防洪抢险和机械施工的要求,一般不宜小于3m。
8.2.2围堰体内的廊道应尽量少设,但为了基础帷幕灌浆和排水之需,一般仍需设置基础灌浆、排水廊道。
提示:
考虑采用混凝土预制廊道,可以加快施工进度,廊道尺寸应根据灌浆机械和交通要求确定。
8.2.3混凝土围堰应根据地形和地质条件的不同设置横缝（伸缩缝）,以适应堰体温度变化和不均匀沉陷的要求,但不宜设置纵缝。
横缝须设止水。
提示:
如遇地质条件良好,基岩强度高且均一性好的碾压混凝土围堰,可考虑不设置纵、横缝。
如岩滩上、下游碾压混凝土围堰,长度分别为278.23和260.18m,均不设纵、横缝。
8.2.4为保证围堰和基坑的安全,根据洪水预报情况,在围堰过水前一般应进行基坑充水,使基坑形成一定水垫,设计应考虑预充水设施。
8.2.5根据其受力和应力情况选用,围堰混凝土标号。
提示:
（1）一般情况下,重力式围堰基础混凝土不低于150#,堰体不低于100#。
拱式围堰混凝土不低于150#。
混凝土龄期应根据工程施工及运用情况确定。
抗渗标号不宜低于S4。
不考虑分区。
当围堰与永久工程结合时,其混凝土标号应满足永久工程的要求。
（2）堰体混凝土应尽量采用同一种水泥品种,应加适当的掺合料和外加剂,以降低水泥用量和改善混凝土性能。
同时,应进行混凝土配合比试验,并以其作材料用量计算的依据。
9基础处理
9.1基础处理的一般原则和要求
9.1.1作为混凝土围堰的基础必须符合下列要求：
（1）具有足够的强度,以承受堰体压力;
（2）具有足够的整体性和均匀性,以满足堰基抗滑稳定要求和减少不均匀沉陷；
（3）具有足够的抗渗性,以满足渗透稳定的要求。
9.1.2混凝土围堰建基面高程,应根据堰基应力及基岩的物理力学特性综合考虑确定。
提示:
一般情况下,高围堰（50m或以上）宜开挖到弱风化下部岩石,中围堰（30～50m）开挖到弱风化上部岩石。
9.1.3围堰基础面的上、下游高差不宜过大,并尽可能向挡水侧倾斜。
若基础面高差过大或向背水侧倾斜,宜开挖成大台阶状。
9.1.4基础中若存在局部的工程地质缺陷,如埋藏不深的溶洞、溶蚀面、断面破碎带、夹泥裂隙等应予挖除。
如埋藏较深挖除困难或工程量太大时,应进行专门研究采取有效的处理措施。
9.2基础防渗灌浆及排水设计
堰基的固结灌浆、防渗帷幕灌浆及排水设计,应根据基础的工程地质和水文地质条件,并结合围堰的高度和工程的重要性决定。
设计应尽量简化。
提示:
一般情况下,对于高度等于或大于50m的重要围堰,渗透性较大（0.1L/
（min.m.）的堰基,宜考虑设一排防渗帷幕,其深度建议达到相对隔水层的
单位吸水量=0.1L/（min.m.m）。
若基岩的<0.1L/（min.m.m）,则可不
设防渗帷幕。
为降低堰基的渗透压力和排除渗水,基础排水宜设1～2排排水孔。
帷幕孔和排水孔孔距宜根据基础渗透情况和类似工程拟定,一般为2～5m。
9.3基础固结灌浆及断层破碎带和软弱夹层的处理
提示:
基础岩石固结灌浆及断层破碎带和软弱夹层的处理,应根据工程具体情况,参考SDJ21—78有关内容和方法进行处理。
10混凝土围堰施工
10.1围堰施工进度应满足工程施工总进度要求,在保证围堰施工质量的前提下,尽量加快施工进度,为永久建筑物提前施工创造条件。
10.2围堰施工设计需研究围堰的施工程序、施工方法、施工机械设备、劳动力、施工布置、施工进度以及先进施工技术的应用等问题。
10.3统筹考虑纵向围堰与上、下游围堰的施工程序及施工进度,为提前进行基坑排水创造条件,以加快永久建筑物施工。
10.4混凝土围堰通常是在土石或草土围堰的围护下干地施工,需研究分析土石（或草）围堰施工、基坑排水、混凝土围堰基础开挖和混凝土浇筑施工工期及控制性进度,并采取措施在汛期将混凝土围堰浇筑至枯水位以上,以满足渡汛要求。
10.5混凝土围堰施工宜采用起重机起吊混
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