某混凝土面板堆石壩大壩的輪廓尺寸及防浪墻設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17405某混凝土面板堆石壩大壩的輪廓尺寸及防浪墻設(shè)計(jì)計(jì)算案例 1201881.1壩頂高程和壩頂寬度 1314281.2壩體分區(qū) 1226381.3壩坡與馬道 216631.4防浪墻設(shè)計(jì) 31.1壩頂高程和壩頂寬度L型擋墻頂高程280m，根據(jù)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范可知L型擋墻頂端要高出壩頂1~1.2m，且L型擋墻底高程一般要求要高于正常蓄水位。取L型擋墻高于壩頂1.2m，則壩頂高程=280-1.2=278.8m。壩頂寬度一般由壩的高度、壩頂結(jié)構(gòu)、防汛管理、交通要求和施工場(chǎng)地要求等綜合因素確定，規(guī)范要求低于100m的面板堆石壩壩頂寬度可取5~8m，且以過(guò)往的工程實(shí)例中以8m居多，如考慮運(yùn)行期防汛管理的要求，也不宜小于8m為妥，因此本堆石壩壩頂高寬度取為8m。1.2壩體分區(qū)混凝土面板堆石壩的主體材料是堆石，包括硬巖和軟巖。堆石壩體是維持混凝土面板堆石壩穩(wěn)定的主體結(jié)構(gòu)，它體積大，用料多，施工周期長(zhǎng)。堆石材料應(yīng)以充分使用樞紐附近的各種材料為準(zhǔn)則。典型的面板堆石壩分區(qū)從上游向下游宜分為墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、主堆石區(qū)（上游堆石區(qū)）、下游堆石區(qū)；在周邊縫下游側(cè)設(shè)置特殊墊層區(qū)；SL-228—2013和DL/T5016—2011對(duì)用硬巖石料堆筑的壩體給了建議分區(qū)設(shè)計(jì)，同時(shí)規(guī)范規(guī)定“壩體材料分區(qū)可通過(guò)工程類比確定”。在本工程中，將壩體區(qū)域分為：1）防滲土料和任意料區(qū)，該區(qū)位于上游壩踵，主要作用是提高防滲能力，維持壩體穩(wěn)定和保護(hù)趾板的作用，其中任意料不必人為鋪填，多為河流的泥沙沉積，對(duì)壩體的防滲有利。2）為墊層料，是堆石壩主要承擔(dān)防滲作用的部位之一，也是對(duì)鋼筋混凝土面板起支撐作用的部位，因此在施工時(shí)對(duì)該區(qū)的碾壓和沉降要重視。3）為壩體主要的填筑料，其中3A區(qū)為墊層和主堆石區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)，由于堆石區(qū)的堆石料往往比較大空隙較大，而墊層相對(duì)顆粒較小，為滿足這兩區(qū)域的差異，因此要布置一定厚度的過(guò)渡料來(lái)滿足防滲需求。此外堆石料也分為3B和3C兩區(qū)，分別為主堆石區(qū)和次堆石區(qū)，由于此堆石區(qū)一般不受滲透壓力，主要對(duì)壩體起支撐作用，因此相對(duì)主堆石區(qū)來(lái)說(shuō)，次堆石用料可稍微降低要求。其中主堆石區(qū)與次堆石區(qū)界面角度應(yīng)由壩料特性和壩高確定，本工程中的堆石料主要為微新千枚巖和弱風(fēng)化千枚巖，其中弱風(fēng)化千枚巖飽和抗壓強(qiáng)度>25MPa，其強(qiáng)度屬于硬巖和軟巖的臨界區(qū)，因此在在分區(qū)時(shí)考慮到壩體穩(wěn)定的因素，次堆石區(qū)體量不宜過(guò)大，但考慮壩料使用的經(jīng)濟(jì)利益因素，次堆石區(qū)域不宜過(guò)小，因而考慮了洪家渡和水布埡面板堆石壩主次堆石區(qū)交界面的工程經(jīng)驗(yàn)，取交界面坡度為1:0.3向下游傾斜。具體分區(qū)情況見(jiàn)下圖6-1。圖6-1堆石分區(qū)圖1A-防滲土料1B-任意料2-墊層3A-過(guò)渡層3B-主堆石區(qū)3C次堆石區(qū)1.3壩坡與馬道由于堆石料有較高的抗剪強(qiáng)度，特別是考慮非線性強(qiáng)度理論時(shí)，地應(yīng)力區(qū)的強(qiáng)度指標(biāo)更高，這對(duì)淺層滑動(dòng)的穩(wěn)定性有利?？紤]到本工程的堆石料為微新和弱風(fēng)化的千枚巖，均屬硬巖，且本工程壩高不高。因此通過(guò)工程類比，上游壩坡采用1:1.3的坡度，下游壩坡采用1:1.4的坡度。壩坡穩(wěn)定分析詳見(jiàn)1.4.2。面板壩上游壩面通常均不變坡，也不設(shè)馬道，而是一坡到底。除了高山峽谷地區(qū)和有特殊要求的情況下，下游壩坡一般也不設(shè)馬道?？紤]到本工程處于丘陵地區(qū)也無(wú)特殊要求，上下壩坡均不設(shè)馬道。1.4防浪墻設(shè)計(jì)1.4.1防浪墻尺寸選擇在面板堆石壩中，一般都在壩頂上游邊緣處設(shè)置鋼筋混凝土防浪墻，用以降低壩頂高度，減少堆石體的工程量，而混凝土的用量則增加不多，這樣可以降低工程量和造價(jià)，加快施工進(jìn)度。防浪墻一般為懸臂式結(jié)構(gòu)，在浪壓力作用下必須滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力要求。擋墻延伸到兩岸與壩頭基巖或結(jié)構(gòu)物相連接，形成完整的防滲體系。因此，它是壩體防滲結(jié)構(gòu)的一個(gè)組成部分。壩頂上游設(shè)置L型防浪墻，根據(jù)防浪墻底部高程宜高于正常蓄水位的要求，取防浪墻底高程為271.5+0.1=271.6m，則墻高為280-271.6=3.4m。壩頂上游側(cè)底部設(shè)0.8m寬的檢修走道。L型擋墻尺寸見(jiàn)圖6-2（尺寸單位mm）圖6-2L型防浪墻尺寸1.4.2L型擋墻的荷載計(jì)算根據(jù)SL-3792007防浪墻應(yīng)考慮到的荷載組合如下表6-1所示：表6-1防浪墻應(yīng)考慮荷載組合防浪墻荷載組合計(jì)算情況荷載自重附加荷載土壓力水重靜水壓力風(fēng)浪壓力基本組合完建情況√√√√√/正常水位√√√√√√設(shè)計(jì)水位√√√√√√特殊組合校核水位√√√√√√但考慮到SL-3792007考慮的是擋土墻，在此作為防浪墻考慮，為特殊情況，且該地區(qū)處6度地震區(qū)，因而可不考慮地震特殊組合，實(shí)際上存在荷載組合應(yīng)如下表1.2所示：表1.2防浪墻實(shí)際荷載組合防浪墻荷載組合計(jì)算情況荷載自重附加荷載土壓力水重靜水壓力風(fēng)浪壓力基本組合完建情況√√√///正常水位√√√///設(shè)計(jì)水位√√√√√√特殊組合校核水位√√√√√√由荷載組合可得到各種組合下的L型擋墻荷載圖，由于完建情況和正常水位時(shí)均無(wú)水壓力，二者受力情況相同，因而按一個(gè)工況進(jìn)行荷載分析。圖1.3從左到右依次為正常工況、設(shè)計(jì)工況、校核工況擋墻荷載圖由荷載圖，可進(jìn)行如下荷載計(jì)算，以下計(jì)算全部取單寬1m。永久荷載：（1）自重：（6-1）式中：—鋼筋混凝土容重，在此取25kN/m3；—鋼筋混凝土計(jì)算體積。（2）附加荷載（土重）：（6-2）式中：—堆石容重，在此取21kN/m3；—擋土墻上方堆石體積。（3）土壓力：土壓力采用朗肯土壓力理論計(jì)算，取單寬1m。（6-3）式中：—土壓力；—土的容重，此處取為21kN/m3；—土體厚度；—土壓力系數(shù)。1）主動(dòng)土壓力系數(shù)：（6-4）式中：—內(nèi)摩擦角，由于擋墻后壩頂路面，采用和過(guò)渡料相同的細(xì)石料，為微新千枚巖，故選擇A組實(shí)驗(yàn)參數(shù)，=38.58°；2）被動(dòng)土壓力系數(shù)：被動(dòng)土壓力的情況在該工程中不會(huì)出現(xiàn)，因此在此不作討論。3）靜止土壓力系數(shù)：（6-5）式中：為墻后填土的泊松比，取為0.25?？勺兒奢d：（1）水重：（6-6）式中：—水的容重；—擋墻上的水的體積。（2）靜水壓力：（6-7）式中：—擋墻上水的高度；—水的計(jì)算寬度，此處取1m。注：靜水壓力在校核工況屬于偶然荷載，不同于設(shè)計(jì)工況下的可變荷載。（3）風(fēng)浪壓力：（6-8）式中：—波浪平均波長(zhǎng)；—累計(jì)頻率為1%的波高；—波浪中心線高出計(jì)算靜水位。注：該式只是垂直面受波浪壓力的理論算法，但實(shí)際上其受力并沒(méi)有擋墻以下的那部分，因此采用圖解法，利用CAD進(jìn)行的面積和作用點(diǎn)的計(jì)算。工況一：正常蓄水位由于擋墻高程在正常蓄水位以上，雖然浪壓力會(huì)對(duì)擋墻產(chǎn)生作用，但較小，因此在此忽略，只考慮作用在擋墻后的填土壓力，且擋墻前端無(wú)遮擋，有向前運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，因此采用主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得墻身截面處以上的土壓力Ea1=7.89kN，其產(chǎn)生的彎矩M1=4.732kN·m（逆時(shí)針），底板截面以上的土壓力Ea1=9.64kN。工況二：設(shè)計(jì)洪水位雖然設(shè)計(jì)洪水位在擋墻底板以上，但實(shí)際上只有很小一部分水，對(duì)擋墻的影響很小，因此在此處忽略擋墻前的水壓力和水重，只考慮浪壓力和土壓力。墻身截面以上：經(jīng)計(jì)算得，浪壓力=15.35kN，土壓力為靜止土壓力=14.58kN其產(chǎn)生的彎矩=13.17kN·m（順時(shí)針?lè)较颍?。底板截面以上：?jīng)計(jì)算得，浪壓力=19.98kN，土壓力為靜止土壓力=17.82kN，自重=60kN，土重=68.04kN。所受彎矩=30.79kN·m（順時(shí)針?lè)较颍?。工況三：校核洪水位墻身截面以上：經(jīng)計(jì)算得，浪壓力=12.2kN，土壓力為靜止土壓力=14.58kN其產(chǎn)生的彎矩為=8.674kN·m（順時(shí)針?lè)较颍５装褰孛嬉陨希航?jīng)計(jì)算得，浪壓力=13.32kN，土壓力為靜止土壓力=17.82kN，自重=60kN，土重=68.04kN，靜水壓力=20.81kN，水重=13.12kN。求得其彎矩=32.24kN·m。1.4.3L型擋水墻的抗滑穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應(yīng)按公式（6-9）進(jìn)行計(jì)算：（6-9）式中：—沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本組合為1.25，特殊組合為1.1；—摩擦系數(shù)，=0.5~0.6，取=0.5；—作用在擋墻上全部垂直于基底面的荷載；—作用在擋墻上全部平行于基底面的荷載。工況一：正常蓄水位主動(dòng)土壓力：=9.64kN土重：=68.04kN擋墻自重：=60kN則求得抗滑穩(wěn)定系數(shù)=1.64≥=1.25，滿足要求。工況二：設(shè)計(jì)洪水位靜止土壓力：=17.82kN浪壓力：=15.35kN土重：=68.04kN擋墻自重：=60kN則求得抗滑穩(wěn)定系數(shù)=25.9≥=1.25，滿足要求。工況三：校核洪水位靜止土壓力：=17.82kN浪壓力：=13.32kN自重=60kN土重=68.04kN靜水壓力=20.81kN水重=13.12kN。則求得抗滑穩(wěn)定系數(shù)=3.93≥=1.25，滿足要求。1.4.4L型擋墻的基底應(yīng)力計(jì)算根據(jù)《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》擋土墻基底應(yīng)力應(yīng)按公式（6-10）進(jìn)行計(jì)算：（6-10）式中：為擋墻基底應(yīng)力的最大值或最小值；為作用在當(dāng)墻上全部垂直于基底面的荷載；為作用在當(dāng)墻上的全部荷載對(duì)于擋板底板部中點(diǎn)的力矩之和；為擋墻基地面的面積，此處取為3m2；為擋墻基底面對(duì)于基底面中點(diǎn)平行前墻方向的截面矩，此處為1.5m3工況一：正常蓄水位經(jīng)計(jì)算得=128.04kN（順時(shí)針）計(jì)算得：<25MPa工況二：校核洪水位=141.16kN（順時(shí)針）計(jì)算得：<25MPa兩種工況下?lián)鯄ζ骄讘?yīng)力均小于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍；且擋墻基底應(yīng)力的最大值與最小值之比為1.8小于規(guī)范允許的2.5。所以基底應(yīng)力滿足要求。1.4.5L型擋墻抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算根據(jù)《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，土質(zhì)地基上的擋土墻，在同時(shí)滿足以下2個(gè)規(guī)定的要求時(shí)，可不進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算：（1）在各種計(jì)算情況下，擋土墻平均基底應(yīng)力不大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍；（2）擋土墻基底應(yīng)力的最大值與最小值之比不大于2.5。本設(shè)計(jì)擋土墻同時(shí)滿足以上2個(gè)規(guī)定，故不進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算。1.4.6L型擋墻配筋計(jì)算（1）墻身配筋計(jì)算最危險(xiǎn)工況判定：工況一：正常蓄水位墻身底截面上只受到主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的彎矩。其產(chǎn)生的彎矩=4.73kN·m（逆時(shí)針）工況二：設(shè)計(jì)洪水位以靜止土壓力和浪壓力產(chǎn)生的彎矩為主。其合彎矩為=2.15kN·m（順時(shí)針）工況三：校核洪水位主要由靜止土壓力、靜水壓力、浪壓力產(chǎn)生的彎矩為主。其合彎矩=11.32kN·m（順時(shí)針）。故最危險(xiǎn)工況為工況三——校核洪水位配筋計(jì)算：(6-11)式中：—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)，=1.0；—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，=1.0；、為永久、可變荷載分項(xiàng)系數(shù)，其中浪壓力取1.2，土壓力取1.2，靜水壓力取1.0。通過(guò)計(jì)算得=14.68kN·m根據(jù)《SL379-2007水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，墻身配筋可按固支在底板上的懸臂板受彎構(gòu)件計(jì)算：由于防浪墻處于水位變動(dòng)區(qū)，故環(huán)境類級(jí)為三類，混凝土保護(hù)層厚度=30mm，=35mm，取單位寬度1m進(jìn)行計(jì)算，混凝土采用C20，則軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值=10.0N/mm2。鋼筋采用HRB300熱軋鋼筋，=270N/mm2。截面抵抗矩系數(shù)：（6-12）式中：—結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值為1.2；—截面有效高度，365mm；求得=0.016。（6-13）算得=0.016<=0.544，屬于適筋破壞。鋼筋面積：（6-14）算得=211.3mm2配筋率：（6-15）算得=0.059%<=0.15%因此采用最小配筋率配筋：（6-16）算得=547.5mm2因此選配7A10（=550mm2），分布鋼筋采用4A10。在下游側(cè)采用構(gòu)造對(duì)稱配筋，選配7A10，分布鋼筋采用4A10。配筋圖詳見(jiàn)細(xì)部構(gòu)造圖。（2）底板配筋計(jì)算：最危險(xiǎn)工況判定：底板截面主要承受自重，基底反力和蓋土重作用，在三種工況下自重和蓋土重一樣，而校核洪水位工況下的基底反力大于正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水位這兩種工況的基底反力，故最危險(xiǎn)工況應(yīng)為校核洪水位工況。配筋計(jì)算：根據(jù)《SL379-2007水工擋土墻