CN102373693A - 大块石护坦消能防冲结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大块石护坦消能防冲结构及其施工方法。本发明的目的是提供一种大块石护坦消能防冲结构及其施工方法，保护河床不受冲刷，达到消能防冲的目的。本发明的技术方案是：大块石护坦消能防冲结构，包括建造于闸坝基础上的混凝土闸坝，该闸坝下游侧浇筑混凝土护坦，其特征在于：所述混凝土护坦下游侧沿水流方向依次铺设一级大块石护坦和二级大块石护坦；所述一级大块石护坦中底层块石均分为三个部分，顶层块石均分为四个部分，且各部分均沿河道宽度方向并排布置；所述二级大块石护坦均分为三个部分，且各部分沿河道宽度方向并排布置。本发明适用于水利水电枢纽工程，特别是山区低水头的水利水电枢纽工程。

Description

大块石护坦消能防冲结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种大块石护坦消能防冲结构及其施工方法，主要适用于水利水电枢纽工程，特别是山区低水头的水利水电枢纽工程。

背景技术

在水利水电工程中，泄水建筑物是保障水库安全和充分发挥工程效益的关键。消能结构是泄水建筑物的有机组成部分，担负着消散部分或大部分水流动能的任务，并能使消能工泄放的水流与下游河道原有水流获得妥善衔接。设计时，需要考虑下泄水流可能产生的空蚀、脉动、振动、磨损、冲刷等破坏作用。

当泄水建筑物泄放的集中急流沿平底或带斜坡的渠槽流动时，如果遇到足够深度的缓流尾水顶托，会突然转变为缓流流态，即常称的水跃现象。水跃发生时，表面横轴漩辊与接触面的强烈紊动剪切和横轴漩辊的紊动是消能的主要作用，底部主流沿程扩散时所受固体边壁的摩擦以及设有辅助消能工时所遭遇的阻力，也起一定的消能作用。因此，水跃既是流态转变的过程，同时也是有效消能的过程。

水跃消能可适用于高中低水头、大中小流量的各类泄水建筑物，这种消能方式对地质条件要求低，对尾水变幅适应性好，因而得到广泛应用。但水跃消能一般需要修建消力池，对下游水深有一定要求，为了满足产生淹没水跃的条件，有时需要通过开挖或修建尾坎增加下游水深，开挖量较大，而且护坦一般为钢筋混凝土结构，施工时间长，费用较高；当水头较高时，护坦前部承受较高的流速，易于发生空蚀及磨损，动水作用力及脉动荷载等问题较突出，运行维护也不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构简单、施工方便、消能效果好、适应性强的大块石护坦消能防冲结构及其施工方法，保护河床不受冲刷，达到消能防冲的目的，同时节省工程投资，缩短工期，运行维护方便，且有利于保证工程安全。

本发明所采用的技术方案是：大块石护坦消能防冲结构，包括建造于闸坝基础上的混凝土闸坝，该闸坝下游侧浇筑混凝土护坦，其特征在于：所述混凝土护坦下游侧沿水流方向依次铺设一级大块石护坦和二级大块石护坦；所述一级大块石护坦中底层块石均分为三个部分，顶层块石均分为四个部分，且各部分均沿河道宽度方向并排布置；所述二级大块石护坦均分为三个部分，且各部分沿河道宽度方向并排布置。

两级大块石护坦的总长度L＝6(h″-h′)，式中h″表示跃后共轭水深，h′表示跃前共轭水深；形成一级大块石护坦和二级大块石护坦的块石的粒径均由以下公式计算得到，对于水平底坡，d＝0.0382v²，对于倾斜底坡，d＝0.0215v²，式中v为水流流过各级大块石护坦时的流速，d为块石的粒径；各级大块石护坦的厚度为形成相应大块石护坦所需块石粒径d的3倍。

大块石护坦消能防冲结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

a、进行闸坝基础的开挖，并预留下游混凝土护坦的基础开挖面；

b、浇筑混凝土闸坝；

c、清理平整混凝土护坦的开挖面形成稳定基础面，并预留下游大块石护坦开挖面；

d、浇筑混凝土护坦；

e、清理平整一级大块石护坦的开挖面形成稳定基础面，并预留二级大块石护坦开挖面；

f、按三个部分错台堆放一级大块石护坦中的底层块石，然后在底层块石上方，按四个部分错台堆放一级大块石护坦中的顶层块石；

g、清理平整二级大块石护坦的开挖面形成稳定基础面，按三个部分错台堆放块石形成二级大块石护坦，并与下游河床平顺衔接。

本发明的有益效果是：1、采用大块石护坦代替混凝土护坦，利用大块石护坦糙率较大的特点，降低了下泄水流的流速；同时因水面壅高而抬高了下游水位，在护坦范围内形成淹没水跃消能；并通过水流和大块石之间的摩擦以及摩擦引起的紊动，更充分消散能量，其消能率大大高于混凝土护坦。2、利用大块石抗冲耐磨的工程特性，能有效的保护河床免受冲刷，并且由于大块石强度远高于混凝土强度，可适应多泥沙河流的消能防冲，从而提高了低水头枢纽工程坝下水跃消能的适应性。3、采用大块石护坦，壅高下游水位，避免或减少了河床开挖，缩短了护坦长度，降低了对地基的要求，同时其适应地基变形能力强。4、大块石护坦施工灵活简便，工艺要求低，而且可以根据实际冲刷情况及时进行维护修复，因而有效地保证了坝下消能防冲建筑物的运行可靠性，从而确保了枢纽工程安全。5、较之混凝土护坦的施工，大块石护坦施工工艺更加简单、工期更短、工程量更少，还可就地取材，经济效益显著。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是图1的A-A向剖视图。

图3是图1的B-B向剖视图。

图4是图2的C-C向剖视图。

图5是图1的D-D向剖视图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本实施例适用于大块石丰富的山区低水头水利水电枢纽工程中，该条件下泄水建筑物下泄水流流速相对较低，下游水深较小，使大块石利用重力作用保证自身稳定成为可能，因此本例中采用大块石护坦代替现有消能防冲结构中的混凝土护坦；其结构包括闸坝基础5，以及建造于闸坝基础上的混凝土闸坝1，该闸坝下游侧沿水流方向依次布置混凝土护坦2、一级大块石护坦3和二级大块石护坦4。

整个大块石护坦(包括一级大块石护坦和二级大块石护坦)的长度L＝6(h″-h′)，式中h″表示跃后共轭水深，h′表示跃前共轭水深，单位均为m。各级大块石护坦中块石的粒径不同，但均由以下公式计算得到，对于水平底坡，d＝0.0382v²，对于倾斜底坡，d＝0.0215v²，式中v为水流流过各级大块石护坦时的流速，单位为m/s，d为块石的粒径，单位为m；由于流过一级大块石护坦3的水流速度大于流过二级大块石护坦4的水流速度，因此一级大块石护坦3中块石的粒径大于二级大块石护坦4中块石的粒径，本例中取单体5t重大块石作为一级大块石护坦3的基本组成单位，取单体3t重大块石作为二级大块石护坦4的基本组成单位。各级大块石护坦的厚度与组成相应护坦的大块石的粒径有关，根据一般工程经验，取3倍的块石粒径d作为护坦厚度(即一级大块石护坦的厚度为形成一级大块石护坦所需块石粒径的3倍，二级大块石护坦的厚度为形成二级大块石护坦所需块石粒径的3倍)；本例中由于一级大块石护坦3中块石的粒径大于二级大块石护坦4中块石的粒径，因此一级大块石护坦3的厚度大于二级大块石护坦4的厚度。

大块石护坦较厚且面积较大时可分层分块实施，本例中一级大块石护坦3中底层块石均分为三个部分分序施工，且各部分沿河道宽度方向并排布置；顶层块石均分为四个部分分序施工，且各部分沿河道宽度方向并排布置；二级大块石护坦4均分为三个部分分序施工，且各部分沿河道宽度方向并排布置。

在实际操作中，通过计算分析，经验判断及模型试验等方法，拟定合理的大块石护坦长度、厚度及块石粒径。首先根据计算分析初拟大块石护坦(包括一级大块石护坦和二级大块石护坦)长度L，一般为跃后共轭水深h″与跃前共轭水深h′之差的6倍，即L＝6(h″-h′)。然后通过水工模型试验验证初拟长度的合理性，适当修正后确定最终大块石护坦的长度。

然后确定大块石的粒径d，根据水力计算手册，块石在一般条件下保持稳定的折算直径可按下式计算：

$d=\frac{v^2}{c^2\×2g\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}}$

$d{=\left(\frac{6V}{\mathrm{\π}}\right)}^{\frac{1}{3}}=1.24\sqrt[3]{V}$

式中d——块石折算直径，m；

V——石块体积，m³；

v——水流流速，m/s；

γ_s——石块的重度，可取γ_s＝2.65kN/m³；

γ——水的重度，可取γ＝1kN/m³；

g——重力加速度，9.81m/s²；

c——石块的稳定系数，水平底坡c＝0.9，倾斜底坡c＝1.2，也可由实验确定。

由此计算得：

水平底坡：d＝0.0382v²，

倾斜底坡：d＝0.0215v²，利用上述公式分别计算得到一级大块石护坦3中块石的粒径和二级大块石护坦4中块石的粒径，并通过水工模型试验对所得粒径大小合理性进行验证。

在块石粒径d的大小确定后，结合工程经验取3d作为块石护坦厚度，再根据模型试验揭示的水力学坝下冲坑深度特性，验证其块石护坦厚度的合理性。

上述各参数确定后，进行消能护坦结构的施工，其步骤如下：

a、进行闸坝基础5的开挖，并预留下游混凝土护坦2的基础开挖面；

b、浇筑混凝土闸坝1；

c、清理平整混凝土护坦2的开挖面形成稳定基础面，并预留下游一级大块石护坦3的开挖面；

d、浇筑混凝土护坦2；

e、清理平整一级大块石护坦3的开挖面形成稳定基础面，并预留二级大块石护坦4开挖面；

f、分层分块吊运堆放大块石(单体重5t)形成一级大块石护坦3，即先按顺序错台堆放底层3-1a部分块石、3-1b部分块石、3-1c部分块石，再按顺序错台堆放顶层3-2a部分块石、3-2b部分块石、3-2c部分块石、3-2d部分块石，直到满足一级大块石护坦3的厚度要求；

g、清理平整二级大块石护坦4的开挖面形成稳定基础面，然后分层分块吊运堆放大块石(单体重3t)形成二级大块石护坦4，即按顺序错台堆放4a部分块石、4b部分块石、4c部分块石，直到满足二级大块石护坦4的厚度要求，并与下游河床平顺衔接即可。

本发明适用于大块石较丰富的山区低水头工程，坝下采用大块石护坦消能防冲结构，消能效果好，施工要求低，运行维护方便，适应性强，技术经济指标优越。

Claims (3)

1.一种大块石护坦消能防冲结构，包括建造于闸坝基础(5)上的混凝土闸坝(1)，该闸坝下游侧浇筑混凝土护坦(2)，其特征在于：所述混凝土护坦(2)下游侧沿水流方向依次铺设一级大块石护坦(3)和二级大块石护坦(4)；所述一级大块石护坦(3)中底层块石均分为三个部分，顶层块石均分为四个部分，且各部分均沿河道宽度方向并排布置；所述二级大块石护坦(4)均分为三个部分，且各部分沿河道宽度方向并排布置。

2.根据权利要求1所述的大块石护坦消能防冲结构，其特征在于：两级大块石护坦的总长度L＝6(h″-h′)，式中h″表示跃后共轭水深，h′表示跃前共轭水深；形成一级大块石护坦(3)和二级大块石护坦(4)的块石的粒径均由以下公式计算得到，对于水平底坡，d＝0.0382v²，对于倾斜底坡，d＝0.0215v²，式中v为水流流过各级大块石护坦时的流速，d为块石的粒径；各级大块石护坦的厚度为形成相应大块石护坦所需块石粒径d的3倍。

3.一种权利要求1所述的大块石护坦消能防冲结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

a、进行闸坝基础(5)的开挖，并预留下游混凝土护坦(2)的基础开挖面；

b、浇筑混凝土闸坝(1)；

c、清理平整混凝土护坦(2)的开挖面形成稳定基础面，并预留下游一级大块石护坦(3)的开挖面；

d、浇筑混凝土护坦(2)；

e、清理平整一级大块石护坦(3)的开挖面形成稳定基础面，并预留二级大块石护坦(4)开挖面；

f、按三个部分错台堆放一级大块石护坦(3)中的底层块石，然后在底层块石上方，按四个部分错台堆放一级大块石护坦(3)中的顶层块石；

g、清理平整二级大块石护坦(4)的开挖面形成稳定基础面，按三个部分错台堆放块石形成二级大块石护坦(4)，并与下游河床平顺衔接。

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