碾压混凝土的重力坝设计大纲例范本.docx
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碾压混凝土的重力坝设计大纲例范本
FJD31150FJD
水利水电工程技术设计阶段
碾压混凝土重力坝设计大纲范本
(中小型)
水利水电勘测设计标准化信息网
1999年3月
工程技术设计阶段
碾压混凝土重力坝设计大纲
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枢纽及坝体布置7
5.坝体断面设计8
6.坝基处理设计12
7.坝体构造15
8.坝体观测设计17
9.专题研究17
10.工程量计算18
11.设计成果18
1引言
工程位于省市(县)境内;是河(江)支流河(江)上第级水电站(水库)。
本工程是以为主,等综合利用的水利水电枢纽工程。
挡水建筑物为碾压混凝土重力坝,最大坝高m,水库正常蓄水位m,总库容亿m3,其中防洪库容亿m3。
灌溉面积万亩,供水流量m3/s。
电站安装台机组,总容量MW,保证出力MW,多年平均发电量亿kW·h。
本工程初步设计于年月审查通过,选定坝址,采用坝轴线。
2设计依据文件和规范
2.1工程有关的文件
(1)工程初步设计报告。
(2)关于工程初步设计报告的批复,文号。
(3)关于工程初步设计报告的审查意见。
(4)其他文件。
2.2主要设计规范
(1)GB50201-94防洪标准;
(2)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)(试行)及补充规定;
(3)SDJ21-78混凝土重力坝设计规范(试行)及补充规定;
(4)DL/T5005-92碾压混凝土坝设计导则;
(5)SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范(试行);
(6)SL53-94水工碾压混凝土施工规范;
(7)SL48-94水工碾压混凝土试验规范;
(8)SDJ336-89混凝土大坝安全监测技术规范。
3基本资料
3.1工程等别及建筑物级别
(1)工程等别
本工程的拦河坝坝高m,水库总库容亿m3。
工程建成后具有使下游km的城市防洪能力达到年一遇的设防标准,保证农田面积万亩,设计灌溉面积万亩,水电站总装机容量MW等效益。
根据SDJ12-78及补充规定,本工程属等工程。
(2)建筑物级别
根据SDJ12-78的规定,确定碾压混凝土重力坝为级建筑物。
3.2地震烈度
(1)基本烈度
工程区地震基本烈度为度。
(2)设防烈度
大坝设防烈度为度。
3.3洪水标准
(1)设计洪水
重现期为a;
相应流量Q=m3/s。
(2)校核洪水
重现期为a;
相应流量Q=m3/s。
(3)施工设计洪水
重现期为a;
相应流量Q=m3/s。
3.4水库特征水位
(1)校核洪水位m;
(2)设计洪水位m;
(3)正常蓄水位m;
(4)防洪高水位m;
(5)防洪限制水位m;
(6)死水位m。
3.5下泄流量及相应下游水位
(1)设计洪水时最大泄量m3/s;
相应下游水位m。
(2)校核洪水时最大泄量m3/s;
相应下游水位m。
(3)调节流量m3/s;
相应下游水位m。
(4)最小流量m3/s;
相应下游水位m。
3.6泥沙
(1)年水库泥沙淤积高程m;
(2)泥沙的内摩擦角=°;
(3)泥沙的浮容重γn=t/m3。
3.7气温
(1)平均气温
表1气温单位:
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
多年月平均气温
多年最低月平均气温℃;多年最高月平均气温℃。
(2)极端气温
极端最高气温℃;
极端最低气温℃。
3.8水温
表2水温单位:
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
年平均
月平均水温
3.9风向与风速
(1)风向:
。
(2)风速:
多年平均最大风速V=m/s;
多年实测最大风速V=m/s;
多年平均风速V=m/s。
3.10地形资料
坝区地形图(1/500~1/1000)。
3.11地质资料
(1)坝区工程地质报告。
(2)坝区地质平、剖面图(1/500~1/1000)。
(3)坝区的地质构造,断层破碎带、软弱层、节理、裂隙的分布及产状。
(4)坝区基岩与常规混凝土(或改性混凝土)之间的抗剪(断)参数:
新鲜基岩:
f′=,C′=kPa;
微风化基岩:
f′=,C′=kPa;
弱风化基岩:
f′=,C′=kPa;
强风化中下部基岩:
f′=,C′=kPa;
混凝土与基岩间抗剪摩擦系数f=。
提示:
对于坝高70m以下的碾压混凝土重力坝的基础,可建在微风化至强风化中下部基岩上。
(5)碾压混凝土层间薄弱面的抗剪断参数f′=,C′=kPa。
提示:
为便于应力计算及优选建基面,地质资料应提出有关基岩的强度、弹模等具体数据。
(6)水文地质资料。
(7)料场资料。
3.12材料
(1)水泥采用生产的水泥。
提示:
国内水工碾压混凝土多数使用425#~525#普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥,另掺混合材料。
(2)粉煤灰采用,掺量%。
提示:
(1)粉煤灰品质必须遵循GBJ146-90的规定。
掺量一般在50%~70%之间,由试验确定。
(2)亦可采用火山灰等其它掺合料,但必须遵循有关规程、规范并通过试验确定。
(3)粗骨料:
粗骨料采用,岩性为,最大骨料粒径应小于80mm。
提示:
用于碾压混凝土的粗细骨料可以是天然的河砂、砾石,也可以是机制的人工砂、碎石。
在价格相近的条件下,宜优先采用石粉含量较高的人工骨料。
粗骨料必须洁净、质地坚硬,具有合适的粒形和良好的级配,如含有活性物质须通过试验决定;细骨料应清洁,不含过多有机杂质和有害物,细度模数以2.2~3.0较为适宜。
(4)细骨料:
细骨料采用,细度模数为。
3.13碾压混凝土设计配合比
提示:
碾压混凝土设计配合比主要是为了控制水泥及粉煤灰用量,以满足设计的温度控制及有关热、力学指标要求。
4枢纽及坝体布置
4.1布置方案依据
经初步设计审定,工程坝型选用碾压混凝土重力坝,坝轴线位置选在。
根据初步设计报告审查意见,并研究了有关专家咨询意见,同时结合新提供的工程地质资料等,需要在初步设计基础上进一步优化,以确定本设计阶段较优的坝枢纽及坝体布置方案。
4.2枢纽建筑物布置
提示:
对组成坝枢纽的相关建筑物作简要描述。
4.3坝轴线复核
在设计所选择的坝轴线位置基础上,经进一步优化,研究决定坝轴线位置选定在。
提示:
(1)在满足枢纽布置总的要求的前提下,坝轴线位置要为简化枢纽总布置,减少坝体工程量及各建筑物间相互干扰,特别注意要为碾压混凝土机械化、快速施工创造条件。
(2)尽量使坝基选在基岩较完整、岩层单一的部位,避开不利的工程地质条件,减少基础开挖处理工程量。
(3)如非整体坝,宜尽量避开坝基高边坡开挖,以减免坝轴向的侧向稳定问题。
4.4泄洪建筑物布置
提示:
(1)坝枢纽布置应尽量将碾压混凝土坝与引(输)水建筑物分开,优先采用隧洞引(输)水。
(2)当采用坝后式厂房时,引(输)水管道应优先采用坝后背管式,穿坝内的管道应水平并宜尽量布置在常态混凝土区域内。
(3)坝内引(输)水管道的进水口建筑物应布置在坝体上游部分,以尽量减少对碾压混凝土施工的干扰。
提示:
(1)在碾压混凝土坝上布置泄洪建筑物时,为便于施工,应尽可能采用表面式溢流孔,避免采用大断面的中孔和深孔。
小型坝宜优先选用无闸门控制的溢流泄洪方式。
(2)坝体溢流段的长度、孔数、孔口型式,尺寸和堰顶高程,应根据SDJ21-78和SDJ341-89,并结合碾压混凝土坝的特点,经综合比较确定。
(3)泄洪建筑物应尽量通过模型试验比较验证。
4.5引(输)水建筑物布置
提示:
(1)为适应碾压混凝土的施工特点,应优先采用隧洞导流方式,其次是明渠和利用碾压混凝土坝的缺口等导流方式。
(2)当坝址上游流域面积不大,导流流量较小时,可采用底孔导流。
当在碾压混凝土坝段内设置施工导流底孔时,应考虑后期封堵的施工条件,并应布置在常态混凝土之中。
4.6施工导流建筑物布置
5坝体断面设计
5.1设计原则
(1)碾压混凝土重力坝的断面设计在体型上应力求简单,便于施工,上游坝面宜采用铅直面。
(2)在断面设计中,应根据工程等级、结构布置、施工工艺和运行要求等因素注意做好防渗和排水设计。
(3)断面设计应注意对碾压混凝土层间薄弱面的复核。
5.2非溢流坝段设计
提示:
碾压混凝土重力坝的非溢流坝段断面,一般可按上游面铅直,下游坝坡1∶0.65~1∶0.8初拟,然后通过稳定分析、应力分析及总体布置作适当调整。
当采用整体重力坝时,通过专题论证,下游坝坡可适当陡些。
5.3溢流坝段设计
5.3.1溢流坝段断面设计
提示:
(1)溢流坝段宜为开敞式,溢流面曲线按下式(幂曲线)计算:
Xn=kHsn-1y
当上游坝坡为铅直时,可取k=2.0,n=1.85。
式中Hs为定型设计水头,取Hs=(75~90%)HZmax(HZmax为堰顶最大作用水头,m)。
具体取值需保证常遇洪水位闸门全开时不得出现负压;正常蓄水位或常遇洪水位闸门局部开启时可允许有不大的负压值,其值应在设计中经论证确定;校核洪水位闸门全开时出现的负压不得超过0.03MPa~0.06MPa。
最大负压值PB(MPa)按下式计算:
PB=0.02HS(1-HS/HZmax)
(2)堰面曲线原点上游可采用三半径曲线或椭圆曲线。
5.3.2溢流坝消能设计
提示:
(1)溢流坝段的下游必须采用适当的消能和保护设施,使过坝水流能按设计要求平顺进入下游河道,并尽量减少对下游电站厂房枢纽等的不良影响。
(2)选用的消能方式应与碾压混凝土坝的特点相适应。
(3)当采用挑流消能时,其水舌归河槽后,余能不致破坏下游永久建筑物并减少雾化区对下游建筑物和设备的正常运行的影响。
当采用面流或消力戽消能时,下游宜设置一段导墙,隔断回流,使流态稳定。
(4)溢流坝消能方式和上、下游流态设计应尽量结合整体水工模型试验进行优化。
(5)窄缝、宽尾墩、跌坎等消能形式,均可根据具体条件用于碾压混凝土坝。
5.4荷载
5.4.1基本荷载
(1)坝体自重及其上永久设备自重;
提示:
坝体容重应根据料源、施工条件等由试验确定(取几何尺寸的平均容重)。
(2)正常蓄水位或设计洪水位时的静水压力;
(3)相应于正常蓄水位或设计洪水位时的扬压力(包括渗透压力和浮托力,下同);
提示:
扬压力计算按SDJ21-78第四章有关规定确定。
(4)泥沙压力:
淤沙高程m,淤沙浮容重t/m3,淤沙内摩擦角°;
(5)相应于正常蓄水位或设计洪水位时的浪压力;
(6)冰压力;
(7)土压力:
填土高程m;土容重t/m3;内摩擦角°;
(8)相应于设计洪水位时的动水压力;
(9)其它出现机遇较多的荷载。
5.4.2特殊荷载
(10)校核洪水位时的静水压力;
(11)相应于校核洪水位时的扬压力;
(12)相应于校核洪水位时的浪压力;
(13)相应于校核洪水位时的动水压力;
(14)地震荷载:
地震设防烈度;
(15)其它出现机遇特殊的荷载。
5.4.3荷载组合
荷载组合按表3规定进行。
表3荷载组合
荷载组合
主要考虑情况
荷载
附注
自重
静水压力
扬压力
泥沙压力
浪压力
冰压力
地震荷载
动水压力
土压力
基本组合
(1)正常蓄水位情况
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
-
-
-
(7)
土压力根据坝体外是否填有土石而定(下同)
(2)设计洪水位情况
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
-
-
(8)
(7)
(3)冰冻情况
(1)
(2)
(3)
(4)
-
(6)
-
-
(7)
静水压力及扬压力按相应冬季库水位计算
特殊组合
(1)校核洪水位情况
(1)
(10)
(11)
(4)
(12)
-
-
(13)
(7)
(2)地震情况
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
-
(14)
-
(7)
静水压力、扬压力和浪压力按正常蓄水位计算,有论证时可另作规定
提示:
荷载组合可根据工程的实际情况,依据规范要求确定。
5.5坝体抗滑稳定计算
提示:
坝体抗滑稳定计算内容包括:
沿坝基面和基础深层以及坝体层间的抗滑稳定。
当坝体不设置横缝时,计算整体稳定。
5.5.1分缝坝抗滑稳定计算
(1)抗剪强度公式
(1)
式中:
K——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数,按表4采用:
表4抗滑稳定安全系数K
荷载组合
坝的级别
1
2
3
基本组合
1.10
1.05
1.05
特殊组合
(1)
1.05
1.00
1.00
(2)
1.00
1.00
1.00
f——坝体混凝土与坝基接触面的抗剪摩擦系数;
∑W——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的法向分值(包括扬压力),t;
∑P——作用于坝体上全部荷载对滑动平面的切向分值(包括扬压力),t。
(2)抗剪断强度公式
(2)
式中:
K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数。
K′值,基本组合采用3.0,特殊组合
(1)采用2.5,特殊组合
(2)不小于2.3;
f′、c′——分别为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断摩擦系数和抗剪断凝聚力,t/m3;
A——坝基接触面截面积,m2。
提示:
(1)碾压混凝土重力坝抗滑稳定计算,应按规范规定采用抗剪断强度公式计算。
当无条件进行野外及室内试验时,也允许按抗剪强度公式计算。
一般只需满足一种公式计算要求。
(2)碾压混凝土重力坝还必须按抗剪断公式计算沿最不利层面的抗滑稳定安全系数,此时,f′、c′应是碾压混凝土与混凝土或碾压混凝土之间的抗剪断强度值。
(3)深层抗滑稳定
提示:
当坝基存在软弱夹层,尤其遇到倾向下游的缓倾角软弱夹层时,应进行深层抗滑稳定验算。
坝基深层抗滑稳定,一般采用等安全系数法计算。
5.5.2整体坝抗滑稳定计算
(1)抗剪强度公式
(3)
式中:
KZ——按整体坝抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数,取值同分缝坝;
∑fi·Wi——各坝块混凝土与坝基接触面抗剪摩擦系数与作用于坝块上的荷载对滑动平面的法向分值(包括扬压力)乘积的总和,kN;
∑Pi——作用于各坝块上的全部荷载对滑动平面的切向分值(包括扬压力),kN。
(2)抗剪断强度公式
(4)
式中:
K′Z——按整体坝抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数,K′Z取值同分缝坝;
∑f′i·Wi——各坝块混凝土与坝基接触面抗剪断摩擦系数与作用于坝块上的荷载对滑动平面的法向分值(包括扬压力)乘积的总和,kN;
∑C′i·Ai——各坝块与坝基接触面的抗剪断凝聚力与坝基面截面积乘积的总和。
提示:
计算整体坝的抗滑稳定时,为便于计算,可根据基本数据的差异,人为地将坝体分块,然后累加计算。
分块越细,计算精度越高。
5.5.3坝体层间抗滑稳定计算
提示:
碾压混凝土坝由于是分层填筑分层碾压的,突出地存在层间结合问题,因此应进行层间抗滑稳定计算,其计算方法和公式同前,但其C′、f′的取值一般应通过现场试验确定。
对于小型或较次要的工程,也可类比参照已建工程取值。
5.6应力计算
碾压混凝土重力坝应力计算的主要内容包括:
(1)坝体选定截面(包括坝基面、折坡处的截面等)的应力;
(2)坝体有廊道、孔洞等部位和其它个别部位(如闸墩、导墙等)的坝体应力和局部应力分析和结构设计;
(3)碾压混凝土层间薄弱面对坝体可能的削弱造成的坝体应力影响的分析。
当采用整体坝设计方案时,需通过专项途径进行应力分析;
(4)地质条件复杂时应对可能存在的坝基深层抗滑稳定和坝基内部的应力进行分析。
提示:
分缝坝应力计算按材料力学法,详细计算可按SDJ21-78附录三有关方法进行;对整体式碾压混凝土重力坝,应根据工程规模、地形地质条件及布置情况,采用分载法计算坝体应力,并用有限元法进行校核。
6坝基处理设计
6.1一般规定
6.1.1碾压混凝土重力坝通过基础处理应达到下列要求
(1)具有足够的强度,以承受坝体的应力;
(2)具有足够的整体性和均匀性,以满足坝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;
(4)具有足够的耐久性,以防止岩体性质在水压的长期作用下发生恶化。
6.1.2坝基处理措施
根据坝基处理要求,结合本工程地质条件,坝基处理措施有:
坝基开挖、固结灌浆、防渗帷幕、坝基排水、断层破碎带与软弱夹层的处理等。
6.2坝基开挖
6.2.1坝基开挖深度
碾压混凝土重力坝的坝基开挖深度,应根据坝基应力、岩石强度及其完整性,结合上部结构对基础的要求研究确定。
提示:
对于坝高在70m以下的中低坝,宜挖至强风化中下部以下的基岩。
两岸地形较高部位的坝段,对坝基要求可比河床部位适当放宽。
6.2.2坝基开挖形状
碾压混凝土重力坝的坝基形状,应根据地形、地质条件及上部结构的要求确定。
提示:
(1)坝段的基础面上下游高差不宜过大,并尽可能略向上游倾斜,若基础面高差过大或向下游倾斜时,宜开挖成大台阶状。
(2)边部设有横缝的两岸岸坡坝段基础的形状,在平行坝轴线方向应尽量开挖成有足够宽度的台阶状,或采取其它结构措施,确保坝体侧向稳定。
6.2.3坝基开挖的爆破方式
提示:
坝基开挖的爆破方式,可根据坝基岩性特征、施工条件、对坝基开挖的具体要求确定。
采取的爆破方式应能保证坝基不致受到破坏或产生不良的后果。
对易风化、泥化的岩石,应提出相应保护和处理措施。
6.3基础固结灌浆
6.3.1基础固结灌浆范围和孔深
提示:
基础岩石张开裂隙发育或有松散充填物,且具有可灌性时,应根据坝高在坝基范围内进行固结灌浆,并应根据坝基应力及地质条件,向坝基外上下游适当扩大处理范围。
同时,防渗围幕上游的坝基宜进行固结灌浆;断层破碎带及其两侧影响带部位应适当加强固结灌浆。
固结灌浆孔的孔深应根据坝高和地质条件确定,一般取3m~8m。
6.3.2基础固结灌浆的孔距、排距和孔向
提示:
基础灌浆的孔距和排距,应根据岩体发育程度确定,一般为3m~4m,布置成梅花形或方格形。
孔向应根据主要裂隙产状,结合施工条件确定,尽量做到多穿过裂隙。
在坝高较低,基岩较完整时,可部分或全部取消固结灌浆。
6.3.3基础固结灌浆压力
提示:
对开挖坡度大于50°~60°的陡壁面,为提高坝基接触面上的抗剪强度和抗压强度,防止沿基础接触面渗漏,应进行接触灌浆。
为保证接触灌浆效果,灌浆时间的选定宜结合温控设计考虑。
提示:
固结灌浆压力宜通过灌浆试验确定,在不掀动基础岩石的原则下,应尽量取较大值。
一般无混凝土盖重时取0.2MPa~0.4MPa;有盖重时取0.3MPa~0.6MPa。
对缓倾角节理或裂隙较发育的基岩,灌浆压力应适当降低。
6.3.4开挖大坡度陡壁面处理
6.4坝基防渗与排水
6.4.1坝基防渗
碾压混凝土重力坝的坝基防渗措施主要采用防渗帷幕。
提示:
(1)防渗帷幕线的位置,一般应靠近坝的上游侧,并尽可能靠近上游坝面。
(2)帷幕线伸入岸坡内的长度一般是:
帷幕延伸至正常蓄水位与相对隔水层相交处,伸入两岸的帷幕线与河床部位的帷幕线保持连续。
(3)帷幕灌浆可在基础廊道内或坝顶进行,两岸山坡的帷幕灌浆可在两岸岩体中设置的灌浆平洞内进行。
(1)坝基防渗帷幕线布置
(2)坝基防渗帷幕深度
提示:
(1)防渗帷幕的排数、排距和孔距,应根据工程地质条件、水文地质条件、作用水头以及灌浆试验资料确定。
帷幕排数:
对中、低坝一般采用一排孔,对地质条件较差的地段局部可适当增加帷幕排数。
帷幕孔距:
一般取1.5m~4m。
(2)帷幕钻孔方向可为垂直向,必要时也可有一定的倾斜度,使钻孔尽量穿过岩体的主要裂隙和层理。
提示:
防渗帷幕深度应根据坝高、坝区工程地质、水文地质条件确定。
一般情况下,防渗帷幕应伸入到相对隔水层内3m~5m。
当坝基下相对隔水层埋藏较深或分布无规律时,帷幕深度可在0.3~0.7倍坝高范围内选择。
相对隔水层标准:
对于70m以下的中坝,透水率q=1Lu~3Lu。
(3)坝基防渗帷幕的排数、排距和孔距
提示:
帷幕灌浆必须在浇筑一定厚度的坝体混凝土作为盖重后进行。
灌浆压力应通过试验确定,通常在帷幕表层段不宜小于1~1.5倍坝前静水头,在孔底段不宜小于2~3倍坝前静水头。
(4)灌浆压力
6.4.2坝基排水
(1)坝基排水布置
提示:
(1)主排水孔的孔距一般为2m~3m,辅助排水孔的孔距一般为3m~5m。
(2)主排水孔的孔深不小于10m;辅助排水孔的孔深比主排水孔略浅,一般取6m~8m。
(3)当基础内有裂隙承压水层,较大的深层透水区以及存在有滑动面时,除加强防渗措施外,排水孔宜穿过这些部位。
提示:
(1)坝基排水一般设置一排主排水孔;必要时可设置辅助排水孔1~2排;当基础中存在有相对隔水层或缓倾角岩层时,应根据其分布情况合理布置。
(2)主排水孔的位置,一般设置在基础灌浆廊道内防渗帷幕的下游,在坝基面上排水孔与帷幕孔的距离不宜小于2m。
(2)坝基排水孔的孔距和孔深
6.5地基的特殊处理
地基的特殊处理主要包括断层破碎带和软弱夹层处理。
提示:
(1)断层破碎带组成物质主要为坚硬的构造岩,对基础的强度和压缩变形影响不大时,可采用挖除风化破碎岩石的处理方式。
(2)断层破碎带组成物质为软弱的构造岩,对基础的强度和压缩变形有较大影响时,可将断层破碎带部份挖除后用混凝土塞加固。
塞的深度一般为1~1.5倍断层破碎带宽度。
6.5.1陡倾角断层破碎带处理
6.5.2缓倾角断层破碎带及软弱夹层处理
提示:
对埋藏较浅的部位,应予以挖除;
对埋藏较深的部位,可采用深层固结灌浆等处理方式。
6.5.3断层破碎带或软弱夹层的防渗处理
提示:
对伸入水库区内的断层破碎带或软弱夹层,有可能造成渗漏通道并使地质条件恶化时,应进行专门的防渗处理。
7坝体构造
7.1坝顶布置
7.1.1坝顶高程
提示:
坝顶高程可按照SDJ21-78第119条规定计算确定。
7.1.2坝顶宽度
提示:
坝顶宽度根据断面设计,同时满足运行和交通要求外,还要满足碾压混凝土施工要求,一般坝顶最小宽度为5m。
7.1.3坝顶构造
提示:
(1)根据碾压混凝土坝的特点,廊道布置应予