CN102912769A

CN102912769A - 拉索支墩钢构坝

Info

Publication number: CN102912769A
Application number: CN2012104228535A
Authority: CN
Inventors: 崔溦; 张社荣; 郭千里; 林喆; 谭森明
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-29
Also published as: CN102912769B

Abstract

本发明公开了一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。本发明具有枢纽布置灵活、结构简单且稳定可靠的特点，能适应于较高（>70m）挡水水头和较大泄量。在相同外部条件和功能要求下，针对70m坝高，通过与传统混凝土重力坝进行方案对比，可节省工程投资15%以上。

Description

拉索支墩钢构坝

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种钢构坝。

背景技术

钢构坝作为一种挡水建筑物，至今已有百余年历史。在最初期的钢构坝中，面板与构件间采用焊接或螺栓连接，它充分利用钢材强度高、柔性好的特点，使坝体具有非常好的整体性与柔韧性，可以更适应水体的变形要求，是一种先进的坝工新技术。美国曾于1897年10月7日建成了Ashfork steel dam，该坝总长91.4m，钢构坝部分高14m，长56m，钢构坝两端设砌石重力坝，为世界上最早的钢构坝之一。1900～1960年，在澳大利亚、英国等相继建成几座钢构坝，最大坝高在20m以上。上述所建钢构坝均为斜面坝，坝面后采用桁架支撑系统。由于对基础要求较高，且枢纽布置不灵活，加之钢结构加工和施工技术限制，此后钢构坝的发展受到了较大限制，仅针对较低水头（<20m）进行了尝试。直到1997年，在荷兰建成的梅斯兰大坝前，2道可开启式扇形浮动钢结构坝体高达22米，400多米的长度相当于一座埃菲尔铁塔，重量却是埃菲尔铁塔的2倍。2003年日本还出现一种支墩坝，坝高在36m左右，是已建的世界最高钢构坝。实质上，近期出现的这种巨型钢结构更多的类似于闸门，而与坝工结构相差较远，其不可能适应于较高水头（>40m）和较大泄量（>1000m³）情况。

在我国，目前钢构坝方面的研究和实践都还处于起步阶段，已有的有关钢构坝（或钢坝）的报道主要针对景观河道等的低水头工程，这种类型的钢构坝与钢闸门类似，主要通过支墩固定钢结构，底部则通过钢筋混凝土结构与基础相连，其应用只能局限于较低水头，泄水则是自动溢流或通过专门的泄水建筑物。魏群等对以钢结构为主的挡水建筑物进行了较多探索性研究，其提出钢构坝新形式容易实现工业化制造安装，能够加快工程进度，具有一定的技术经济性，但适应性仍局限于较低水头。

总体来看，随着挡水水头和下泄水量的增加，钢构坝在坝体设计、施工、维护等方面出现了很多新问题，目前尚没有能满足高水头（>70m）的钢构坝形式。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种拉索支墩钢构坝，克服现有钢构坝形式在挡水水头较高时难以满足坝体应力、变形控制要求，钢构坝的稳定性能突出的问题。

本发明的技术方案为：

一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。

所述支墩高度为70~120m，沿坝轴线长度为8~20m；沿水流向底宽为25~40m；支墩间距为6~10m。

所述泄水结构物采用表孔或倒虹吸形式泄洪，宽度为6~18m；支墩下游坡度在1：0.5~1:1间取值。

所述支墩上布置拉索排数在6~14排，每排2~4根，避免布置单根拉索，拉索的长度在100~400m之间。

所述挡水钢结构主要由面板、主梁、次梁、横隔板组成，次梁支撑横隔板，与主梁间隔布置，主梁、次梁、横隔板交叉形成梁格，钢结构的形式为拱形、半圆弧形或平面形式。

单坝段挡水钢结构长度为6~10m，高度为68~118m；主梁为8~16根，采用实腹式组合梁，次梁采用槽钢截面形式，布置4~8根，横隔板按1.0~2.0m等间距布置，选用钢面板厚度在20~30mm之间。

所述挡水钢结构设置斜向杆进行支撑。

所述挡水钢结构与支墩采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，槽内设止水。

所述垫座内设有基础灌浆廊道，垫座和支墩之间采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座与上部钢结构之间采用轮式支承或滑动支承进行连接。

垫座底高度为10~20m，底宽为25~40m，其上游面铅直，下游坡度比为1:0.5~1:1之间，所述基础灌浆廊道断面形状采用城门洞型，廊道的上游壁离上游侧面的距离取4~10m；基础灌浆廊道距基岩面距离取3~6m。

本发明拉索支墩钢构坝的主要特征在于通过连接在一起的拉索支墩，将钢结构面板承担的高压力水头分散传递到地基上。由于多根锚索与基础分散连接，可避免拉力集中传递引起的基础承载力不足，同时，钢筋混凝土支墩可承担绝大部分竖向压力和部分水平荷载；钢结构面板仅承担小部分向基础传力功能，可避免大变形和应力集中引起的安全问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有的钢构坝形式仅能作为低水头挡水建筑物，其功能要求（防洪、发电、航运等）受到极大限制。本发明具有枢纽布置灵活、结构简单且稳定可靠的特点，能适应于较高（>70m）挡水水头和较大泄量。支墩和垫座均可布置泄洪建筑物，可避免布设溢洪道、泄洪洞等引起的大规模开挖，枢纽布置灵活；拉索和支墩可以抵消大部分的水荷载，垫座可保证坝体与基础可靠连接，结构稳定性较好。在相同外部条件和功能要求下，针对70m坝高，通过与传统混凝土重力坝进行方案对比，可节省工程投资15%以上。

附图说明

图1为本发明拉索支墩钢构坝整体布置形式结构示意图；

图2为拉索支墩和垫座的结构示意图；

图3为挡水钢结构面板的结构示意图；

图中：1-斜拉索，2-支墩，3-垫座，4-泄水结构物，5-挡水钢结构，6-横隔板，7-灌浆廊道，8-主梁，9-水平次梁，10-斜杆，h₁~h₆为高程，L₁为拉索水平长度，b₁~b₇为拉索排距，L₂为支墩底宽，a₁为拉索锚固在支墩的水平距离，a₂为廊道距上游面水平距离，c₁~c₇为主梁间距，d₁~d₁₆为次梁间距，s₁~s₂为面板宽度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

拉索支墩钢构坝主要由两部分组成：一是支撑钢结构面板的拉索支墩，其主要作用是固定约束钢结构，将由钢结构形成的巨大水推力通过拉索和支墩传递到地基，以维持整个坝体稳定，此外，支墩结构还可以布置泄水系统，以下泄多余水量；二是主要由梁、隔板、面板等组成的钢结构面板，其主要作用是挡水。此外，还包括混凝土垫座，其主要作用是连接钢结构与基础。具体说明如下：

如图1所示，本发明拉索支墩钢构坝整体结构包括支墩2、挡水钢结构5，支墩和支墩之间的挡水钢结构5组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，各坝段长度根据基础及挡水水头高度确定，一般而言，河床中间部位坝段较短，而坝肩部位坝段较长。泄水结构物4布置在中间河床坝段的支墩2上，可根据支墩2尺寸采用表孔或倒虹吸等形式泄洪。在处理后基础上设置钢筋混凝土垫座3，垫座3高度根据坝体高度和基础情况确定，设置垫座可加强坝体对基础的荷载传递作用，同时，可在垫座3上设置底孔，进一步发挥泄洪、放空、冲沙等功能，对于有发电功能的枢纽工程，可在垫座3之后布置坝后式厂房。

图1所示的拉索支墩钢构坝坝高76m，坝轴线总长226m，共11个坝段，河床中部的单坝段宽度为16m，靠近岸坡的单坝段宽度为18m和20m，共9个支墩，其中中间5个支墩布置倒虹吸溢洪道进行泄洪，同时，支墩自上而下布置七排拉索，每排2根，以提供必要的支墩稳固力。两岸坝肩共布置4个支墩，不设置泄洪结构物，由于挡水水头较低，不布置拉索。基础上部浇筑钢筋混凝土垫座，垫座设置两个底孔。

支墩为挡水钢结构5提供约束和支撑，为钢筋混凝土墩体2，其上主要设置拉索1、泄水结构物4等，拉索1和泄水结构物4的布置根据坝体受力、稳定和功能等确定；墩体2结构尺寸主要包括高度、宽度、厚度、上下游倾角等，在设计时，都由挡水高度、基础条件、功能要求等综合确定。拉索1设计主要包括排距、间距、根数、倾角等，根据坝体稳定和受力要求沿墩体自上而下布置，一般在墩体上部间距较大，下部较小，拉索1在支墩2上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部。泄水结构物4形式可根据泄水要求和支墩尺寸综合确定，其设计包括孔口尺寸、长度、消能尺寸等诸多方面。

图2给出某钢构坝河床坝段支墩设计方案。钢筋混凝土支墩沿坝轴线长度为10m，沿水流向底宽为29m，高度为68m，间距6m。正虹吸泄水管布置在支墩内，宽8m，，采用坝后背管的型式，支墩下游坡度为1：0.58。其上布置七排拉索，每排两根，即支墩上共14根拉索。拉索的水平投影长度为50.8m，竖直方向上，距下部混凝土垫座的高度依次为4m，8m，12m，16m，24m，36m和48m。

挡水钢结构5主要起挡水作用，主要由面板、主梁8、次梁9、横隔板6等组成，钢结构的形式可以为拱形、半圆弧形或平面形式等。主梁8和次梁9的设计包括截面形式、位置、根数等，主要根据水压力大小确定，原则上每根主梁8所受水荷载大小应相等，次梁9支撑横隔板6，与主梁8间隔布置，以加强钢结构整体安全性；主梁8、次梁9、横隔板6交叉形成梁格，面板厚度主要根据水压力、梁格大小等确定。

图3给出某钢构坝挡水钢结构的形式和尺寸。单坝段钢结构形式为平面，单坝段钢结构长度根据支墩间距确定，长度为6m，高度68m，根据坝高确定，自上而下共布置8根主梁，采用实腹式组合梁，9根次梁，采用槽钢截面形式，横隔板按1.2m等间距布置，共布置5根，选用面板厚度23mm。为加强面板的稳定性，设置斜向杆10进行支撑。

垫座3的主要作用是连接基础、支墩2和钢结构5，以将部分荷载传递给基础，保持大坝整体稳定，垫座3内一般设有基础灌浆廊道7，兼作灌浆、排水和检查之用，一般为混凝土结构。垫座3的设计主要包括厚度（高度）、上下游坡度、廊道位置和尺寸等。垫座3和支墩2之间可采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座3与上部钢结构之间可采用轮式支承进行连接，在较低的挡水水头下，也可采用滑动支承。

图2给出某钢构坝垫座设计方案。混凝土垫座底高度为10m，底宽36m。其上游面铅直，下游坡度比为1:0.7。基础灌浆廊道7断面取3.0×3.5m，形状采用城门洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离取6m；基础灌浆廊道7距基岩面距离取4m。

拉索支墩钢构坝的设计应满足现行规范的规定，此外，在具体实施中，应采取如下技术手段以保证最大功能发挥：

（1）建坝的地形要求

对于L/H（宽高比）>4.5宽浅河谷适应性好。在宽高比较小的情况下，由于支墩布置存在较大难度，其与拱坝相比的技术经济性能不突出。

（2）建坝的地质要求

适宜于修建于岩基上，对于风化、节理、裂隙等缺陷，应采取针对性的处置措施，包括防渗、提高岩体强度和整体性。

（3）拉索与支墩及基础的连接

选择拉索与支墩之间的锚固方式时要考虑以下几个因素：确保连接可靠；能简捷地把索力传递到全截面；应具有足够的操作空间；要有防锈蚀能力和避免拉索产生颤震应力腐蚀；便于拉索养护和更换。一般可采用夹片群锚，其对锚具的疲劳性能要求较低。

拉索与基础之间宜采用锚碇进行连接。通常采用重力式锚碇，其依靠巨大的自重和嵌固力来抵抗主缆的垂直分力，水平分力则由锚碇与地基直接的摩阻力或嵌固力来承担。

（4）钢结构与支墩的连接

为了安全和运用方便，挡水钢结构与支墩宜采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部应适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，防止应力集中。槽内应设止水。

（5）钢结构防腐处理

挡水钢面板的防腐主要采用涂层的方法，涂层材料可选用聚脲等，并预留一定的腐蚀厚度。钢拉索防腐多采用涂层和阴极保护联合应用的方法，外涂层主要材料有：熔结环氧涂层、聚乙烯涂层、煤焦油瓷漆涂层、复合涂层和煤焦油环氧涂层等。选择涂层时，必须考虑涂层所要服务的具体环境，如拉索直径、水温、施工方法以及相配合使用的阴极保护系统。

尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。

Claims

1.一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，其特征在于，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。

2.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述支墩高度为70~120m，沿坝轴线长度为8~20m；沿水流向底宽为25~40m；支墩间距为6~10m。

3.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述泄水结构物宽度为6~18m；采用坝后背管的型式，支墩下游坡度在1：0.5~1:1间取值。

4.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述支墩上布置拉索排数在6~14排，每排2~4根，避免布置单根拉索，拉索的长度在100~400m之间。

5.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构主要由面板、主梁、次梁、横隔板组成，次梁支撑横隔板，与主梁间隔布置，主梁、次梁、横隔板交叉形成梁格，钢结构的形式为拱形、半圆弧形或平面形式。

6.根据权利要求5所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，单坝段挡水钢结构长度为6~10m，高度为68~118m；主梁为8~16根，采用实腹式组合梁，次梁采用槽钢截面形式，布置4~8根，横隔板按1.0~2.0m等间距布置，选用钢面板厚度在20~30mm之间。

7.根据权利要求5所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构设置斜向杆进行支撑。

8.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构与支墩采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，槽内设止水。

9.根据权利要求1所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述垫座内设有基础灌浆廊道，垫座和支墩之间采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座与上部钢结构之间采用轮式支承或滑动支承进行连接。

10.根据权利要求9所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，垫座底高度为10~20m，底宽为25~40m，其上游面铅直，下游坡度比为1:0.5~1:1之间，所述基础灌浆廊道断面形状采用城门洞型，廊道的上游壁离上游侧面的距离取4~10m；基础灌浆廊道距基岩面距离取3~6m。