高地应力窄河谷反拱水垫塘及设计方法.pdf

本发明属于水电站坝后集中泄洪消能结构，特别是一种高地应力窄河谷反拱水垫塘及设计方法，其结构特征是：包括底板(1)、拱座(2)及锚筋桩(3)，底板(1)整体为拱型混凝土结构，拱型混凝土底板(1)两端与拱座(2)连接为一体；锚筋桩(3)在拱型混凝土底板(1)下端间隔排布，每根锚筋桩(3)与底板(1)下端保持垂直；两端的拱座(2)处在两端的护坡(9)下端。其设计方法分5个步骤完成，充分利用天然“锅底”型河床，避免梯形开挖而触及河谷底部地应力集中区，并采用反拱形结构将大部分荷载通过拱座最终传递给岩体，而不是全部由河床来承担，改善河谷底部的应力集中现象。

1、  高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：包括底板(1)、拱座(2)及锚筋桩(3)，底板(1)整体为拱型混凝土结构，拱型混凝土底板(1)两端与拱座(2)连接为一体；锚筋桩(3)在拱型混凝土底板(1)下端间隔排布，每根锚筋桩(3)与底板(1)下端保持垂直；两端的拱座(2)处在两端的护坡(9)下端。

2、  根据权利要求1所述的高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：所述的拱型混凝土底板(1)是由多个圆弧形板块连接构成拱型结构。

3、  根据权利要求1所述的高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：所述的拱型混凝土底板(1)的相邻板块间通过键槽(4)结构连接，底板(1)上下表面有过缝钢筋(5)，过缝钢筋(5)在连接过缝处设塑料套管(6)，便于板块间因温度变化沿切向产生变形，限制相邻板块的径向位移。

4、  根据权利要求3所述的高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：所述的相邻板块过缝间有止水(7)和插筋(8)，插筋(8)过缝处设塑料套管(6)。

5、  根据权利要求1所述的高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：所述的锚筋桩(3)是通过多个钢筋及灌注水泥砂浆深入岩体内形成，与底板(1)的结合面处设套管形成自由段，便于伸缩。

6、  根据权利要求1所述的高地应力窄河谷反拱水垫塘：其特征是：所述的锚筋桩(3)自由段的长度大于过缝钢筋(5)及插筋(8)的长度，通常以2m～4m；过缝钢筋(5)自由段在20cm～40cm之间。

7、  高地应力窄河谷反拱水垫塘的设计方法，步骤为：
(1)开挖及锚固施工，在边坡开挖锚固完成后，根据设计体形开挖拱座和底板，底板可开挖成圆弧，也可开挖成若干直接段，然后在岩石中打孔、安装锚筋桩，并完成锚筋桩灌浆；
(2)锚筋桩自由段设置，在锚筋桩施工完成后，在深入岩体与外露混凝土的结合面处设套管，根据组成锚筋桩的钢筋直径选用合适的PVC管，PVC管端头用丝麻绳扎紧以防混凝土浆液流入；同时焊接一根钢筋至反拱底板上表面钢筋位置，并与上表面钢筋焊接；
(3)钢筋安装，根据设计要求的上下表面钢筋直径及间距进行钢筋制作和安装，并在跨缝处沿拱圈方向设置套管；
(4)根据设计图纸及施工安排，在已浇筑混凝土的反拱底板块分缝处安装止水及插筋；
(5)浇筑混凝土，可以先浇拱座，也可以先浇底板，底板过流表面如果有抗冲耐磨混凝土，应同仓号浇注，反拱底板的上表面平整。

高地应力窄河谷反拱水垫塘及设计方法
技术领域
本发明属于水电站坝后集中泄洪消能结构，特别是一种高地应力窄河谷反拱水垫塘及设计方法。
背景技术
泄水建筑物的下游必须采取适当的消能防冲设施，避免过坝水流冲刷下游河床危及枢纽建筑物和岸坡的安全。水垫塘是拱坝特别是高拱坝常用的消能防冲设施之一，水垫塘与两岸护坡及下游的二道坝结合，形成足够的水垫宽度、深度和长度，确保各级流量下泄时水流能形成淹没水跃，从而保证枢纽及两岸建筑物不受高速水流的冲刷。
目前水利水电工程高拱坝坝后水垫塘均采用平底梯形断面，即梯形水垫塘，为了保证运行及检修工况下底板的抗浮稳定，往往要加大底板厚度，加设地基锚筋和渗漏排水系统。即使这样，水垫塘仍经常被冲坏、砸坏或抬动。对于坝址天然河道为“V”型的地形，两岸边坡陡峻，河道狭窄，谷底处于较高的地应力环境场中，平底水垫塘梯形会开挖坡脚，影响高边坡稳定，触及河谷底部地应力集中区，同时难以保证结构的安全性和耐久性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可有效降低高地应力窄河谷地区的底部地应力集中，并且能满足峡谷地区通过坝身泄洪消能的高地应力窄河谷反拱水垫塘及设计方法。
本发明的目的是这样实现的，设计一种高地应力窄河谷反拱水垫塘：包括底板、拱座及锚筋桩，底板整体为拱型混凝土结构，拱型混凝土底板两端与拱座连接为一体；锚筋桩在拱型混凝土底板下端间隔排布，每根锚筋桩与底板下端保持垂直；两端的拱座处在两端的护坡下端。
所述的拱型混凝土底板是由多个圆弧形板块连接构成拱型结构。
所述的拱型混凝土底板的相邻板块间通过键槽结构连接，底板上下表面有过缝钢筋，过缝钢筋在连接过缝处设塑料套管，便于板块间因温度变化沿切向产生变形，限制相邻板块的径向位移。
所述的相邻板块过缝间有止水和插筋，插筋过缝处设塑料套管。
所述的锚筋桩是通过多个钢筋及灌注水泥砂浆深入岩体内形成，与底板的结合面处设套管形成自由段，便于伸缩。
所述的锚筋桩自由段的长度大于过缝钢筋及插筋的长度，通常以2m～4m；过缝钢筋自由段在20cm～40cm之间。
高地应力窄河谷反拱水垫塘的设计方法，步骤为：
(1)开挖及锚固施工，在边坡开挖锚固完成后，根据设计体形开挖拱座和底板，底板可开挖成圆弧，也可开挖成若干直接段，然后在岩石中打孔、安装锚筋桩，并完成锚筋桩3灌浆；
(2)锚筋桩自由段设置，在锚筋桩施工完成后，在深入岩体与外露混凝土的结合面处设套管，根据组成锚筋桩的钢筋直径选用合适的PVC管，PVC管端头用丝麻绳扎紧以防混凝土浆液流入；同时焊接一根钢筋至反拱底板上表面钢筋位置，并与上表面钢筋焊接；
(3)钢筋安装，根据设计要求的上下表面钢筋直径及间距进行钢筋制作和安装，并在跨缝处沿拱圈方向设置套管；
(4)根据设计图纸及施工安排，在已浇筑混凝土的反拱底板块分缝处安装止水7及插筋8；
(5)浇筑混凝土，可以先浇拱座，也可以先浇底板，底板过流表面如果有抗冲耐磨混凝土，应同仓号浇注，反拱底板的上表面平整。
本发明所述的反拱型水垫塘结构，充分利用天然“锅底”型河床，避免梯形开挖而触及河谷底部地应力集中区，并采用反拱形结构将大部分荷载通过拱座最终传递给岩体，而不是全部由河床来承担，改善河谷底部的应力集中现象。
本发明的有益效果是，通过底板板块之间分缝、缝内设键槽(必要时进行灌浆)，缝面设止水和过缝插筋，满足施工过程中的温控要求及拱圈各板块之间尽早形成拱结构的要求。底板锚固设计和施工与平底梯形水垫塘基本相同，不同之处是在锚杆深入岩体与外露混凝土的结合面处设自由段(钢筋外设套管)，防止反拱底板上抬，降低锚杆由于变形或单独受力过大而发生破坏的可能。
同等条件下反拱水垫塘具有较强的超载能力，平均受载能力为平底梯形水垫塘的2.5倍，即反拱水垫塘的安全系数比平底梯形水垫塘提高2.5倍。由于施工中反拱底板为圆弧形，外半径较大，实施方法简单，施工方便。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明做进一步说明：
图1是反拱型水垫塘结构标准横剖面示意图；
图2是反拱型水垫塘结构分缝构造示意图。
图中：1.底板；2.拱座；3.锚筋桩；4.键槽；5.过缝钢筋；6.塑料套管；7.止水；8.插筋；9.护坡。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的反拱型水垫塘结构包括底板1、拱座2及锚筋桩3，底板1整体为拱型混凝土结构，拱型混凝土底板1两端与拱座2连接为一体；锚筋桩3在拱型混凝土底板1下端间隔排布，每根锚筋桩3与底板1下端保持垂直。两端的拱座2处在两端的护坡9下端。
拱型混凝土底板1是由多个圆弧形板块连接构成拱型结构，通过板块间分缝处的结构措施实现传力。整体结构对称为一体。这样通过底板1对拱座2产生推力，并传递给两岸护坡9和岩体。
如图2中，拱型混凝土底板1的相邻板块间设键槽4以增加接触面，底板1上下表面均设过缝钢筋5，钢筋过缝处设塑料套管6，便于板块间因温度变化沿切向产生变形，限制相邻板块的径向位移。过缝间设止水7和插筋8，插筋8过缝处设塑料套管6。岩面开挖完成后，岩石中打孔并配置钢筋及灌注水泥砂浆形成锚筋桩3，其深入岩体与外露混凝土的结合面处设套管形成自由段，便于伸缩。锚筋桩3自由段的长度大于过缝钢筋5及插筋8的长度，通常以2m～4m为宜，而过缝钢筋5自由段一般为20cm～40cm左右。
本实施例所述的反拱型水垫塘结构，通过底板1板块之间分缝、缝内设键槽4(必要时进行灌浆)，缝面设止水7和插筋8，满足施工过程中的温控要求及拱圈各板块之间尽早形成拱结构的要求。底板1锚固设计和施工与平底梯形水垫塘基本相同，不同之处是在锚杆深入岩体与外露混凝土的结合面处设自由段(钢筋外设套管)，防止反拱底板上抬，降低锚杆由于变形或单独受力过大而发生破坏的可能。
本实施例的安装施工步骤为：
(1)开挖及锚固施工，在边坡开挖锚固完成后，根据设计体形开挖拱座2和底板1，底板可开挖成圆弧，也可开挖成若干直接段，然后在岩石中打孔、安装锚筋桩3，并完成锚筋桩灌浆；
(2)锚筋桩3自由段设置，在锚筋桩3施工完成后，在深入岩体与外露混凝土的结合面处设套管，根据组成锚筋桩3的钢筋直径选用合适的PVC管，PVC管端头用丝麻绳扎紧以防混凝土浆液流入；同时焊接一根钢筋至反拱底板上表面钢筋位置，并与上表面钢筋焊接；
(3)钢筋安装。根据设计要求的上下表面钢筋直径及间距进行钢筋制作和安装，并在跨缝处沿拱圈方向设置套管，要求同锚筋桩3。
(4)结构缝设施安装。根据设计图纸及施工安排，在已浇筑混凝土的反拱底板块分缝处安装止水7及插筋8。安装时注意止水7位置与钢筋的间距，同时键槽4缝的模板必须满足规范要求。
(5)浇筑混凝土。可以先浇拱座2，也可以先浇底板1，跳仓浇筑。振捣混凝土时注意不能破坏结构面的设施，底板1过流表面如果有抗冲耐磨混凝土，应同仓号浇注，反拱底板的上表面的平整度必须满足规范要求。
(6)其它。如果拱座2需要设置锚固措施，在开挖面完成后与底板锚固同时进行；如果结构缝间需要灌浆，在混凝土浇筑前应预埋灌浆管，灌浆需在混凝土浇筑完成并经过一个冬季的温度变化后进行。
本实施例中的拱结构主要承受轴力，作用机理表现为：利用拱结构将径向荷载变为切向荷载，最终将拱端推力传递给拱座，通过拱座将大部分荷载传递给岩石，依靠拱座和岩体保持拱结构的稳定。当拱座不能满足稳定性要求时，在反拱底板和拱座增加锚固措施改善底板的作用荷载。其作用机理表现为：当反拱底板结构受到上举力的作用，底板首先克服其自身重量上抬，随着上举力的继续增大，当底板向上移动使得板块之间缝隙完全闭合时，拱结构形成，底板上举力通过拱结构传至拱座，最后传递至岩石。
拱座支撑是在反拱圆弧底板两侧，基础坐落在岩石上并紧邻开挖边坡，依靠自重及岩石面的接触或锚固措施维持反拱底板稳定的混凝土块体。上举力为反拱底板上下表面水荷载的合力，并规定向上为正向荷载。拱端推力是反拱底板由于向上的上举力作用产生的对拱座的推力。锚固措施是在反拱底板或拱座开挖完成后，在岩石中打孔并配置钢筋及灌注水泥砂浆形成的锚筋桩等。