CN103362103A

CN103362103A - 一种钢膜台阶式溢流坝

Info

Publication number: CN103362103A
Application number: CN2013102938695A
Authority: CN
Inventors: 练继建; 齐春风; 刘昉
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103362103B

Abstract

本发明公开了一种钢膜台阶式溢流坝，该溢流坝的坝体包括从上至下依次设置的堰面段、台阶段和反弧段，其特征在于，台阶段坝体的混凝土台阶面上附着有表面平整的钢膜台阶，所述钢膜台阶的顶部设有嵌固在堰面段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的底部设有嵌固在反弧段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的两侧各设有一嵌固在非溢流段坝体内的延伸段。本发明能够提高台阶坝面的平整度和强度，避免混凝土台阶遭受空蚀破坏。

Description

一种钢膜台阶式溢流坝

技术领域

本发明涉及一种水利工程领域的台阶式溢流坝的结构型式，是将钢膜与混凝土阶梯紧密结合以代替传统混凝土台阶的一种新型的台阶溢流坝型式。

背景技术

近年来，随着碾压混凝土（RCC）筑坝技术在大、中型水电工程中的运用和发展，台阶式溢流坝作为一种新型的、适应碾压混凝土坝施工的溢流坝型，已在我国福建水东、广西百色、湖北丹江口、云南大朝山和阿海等较多的水利水电工程中施建。由于台阶式溢流坝坝面台阶的存在，使下泄水流在台阶之间形成横轴旋滚，并与坝面主流发生强烈的掺混作用，使水流紊动加剧、掺气增强，消散了部分能量，大大减小了下泄水流的能量，改善了坝趾处的水力条件，使坝下游的消能设施得以简化，同时还可节省工程投资。

但是，随着溢流坝的高度增加，坝面流速加大，尤其是单宽流量过大时，易使台阶坝面产生空蚀破坏。国外在研究使用阶梯式消能工时，其单宽流量都不大，基本上是45～75m³/(s·m)，而我国泄水建筑物往往流量很大，从传统的40m³/(s·m)已经发展到200m³/(s·m)以上。如我国丹江口水电站，其14～17号坝段原为台阶溢流坝面，但在1974年10月宣泄大洪水时，其过坝单宽流量达120m³/(s·m)，在台阶溢流坝段的台阶面上出现了大面积的空蚀坑，最深达1.2m。由此可见，常规的台阶溢流坝在一定的流量范围内具有较好的消能效果。但是，在下泄单宽流量较大时，其消能效果降低，且易引起坝面发生空蚀破坏，台阶溢流坝消能方式的运用在一定程度上受到了限制。

宽尾墩与台阶面的联合使用，可用于台阶面大单宽过流的问题。当下泄流量较大时，宽尾墩将下泄水流竖向拉起，使部分水流直接跌入下游消力池，相应减小了台阶坝面所经受的下泄流量，同时宽尾墩后的无水区又有利于台阶坝面的通气，在一定程度上减小了坝面发生空化空蚀的危害。但是在实际工程中，由于混凝土施工质量较差、掺气不充分等原因，台阶面依然有破坏。如金沙江阿海工程，其中左岸五孔溢流表孔的溢流面采用台阶面形式，在2012年汛期6月末泄洪总流量始达4000m³/s、表孔单宽泄量60m³/(s·m)时，台阶即出现了破坏，但由于泄洪流量的不断增加，台阶还必须加大流量运行，到10月底的时候，表孔后溢流面已经出现了很深的冲刷坑，破坏规模比较大。宽尾墩与台阶面联合泄流的方式，依然不能完全解决台阶面的破坏问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种钢膜台阶式溢流坝，该溢流坝能够提高台阶坝面的平整度和强度，避免混凝土台阶遭受空蚀破坏。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种钢膜台阶式溢流坝，该溢流坝的坝体包括从上至下依次设置的堰面段、台阶段和反弧段，其特征在于，台阶段坝体的混凝土台阶面上附着有表面平整的钢膜台阶，所述钢膜台阶的顶部设有嵌固在堰面段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的底部设有嵌固在反弧段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的两侧各设有一嵌固在非溢流段坝体内的延伸段。

所述钢膜台阶由从左至右依次设置的多块台阶型钢板形成，相邻两块所述台阶型钢板通过一纵向台阶型连接钢板Ⅱ连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ与所述台阶型钢板通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述钢膜台阶的底部设有与反弧段坝体连接的横向连接钢板，所述横向连接钢板的上端与所述台阶型钢板的下端通过焊缝连接，所述横向连接钢板的下端部嵌固在反弧段坝体内，所述横向连接钢板的纵向中部设有横向弧形凹槽；所述钢膜台阶的两侧各设有一纵向台阶型连接钢板Ⅰ，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的内侧与所述台阶型钢板的外侧通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的外侧部嵌固在非溢流坝体内，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ上的纵向弧形凹槽、所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ上的纵向弧形凹槽和所述横向连接钢板上的横向弧形凹槽均位于坝体施工缝的正上方。

所述钢膜台阶通过设置在所述台阶段坝体内的连接钢筋固定在所述台阶段坝体的混凝土台阶面上，所述钢膜台阶与所述连接钢筋通过管板焊接。

所述台阶段坝体内设有与所述钢膜台阶通过管板焊接的纵向肋板。

所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ与所述非溢流段坝体内的配筋和／或与设置在所述非溢流段坝体内的连接钢筋通过管板焊接；所述横向连接钢板与所述反弧段坝体内的配筋和／或与设置在所述反弧段坝体内的连接钢筋通过管板焊接。

所述钢膜台阶上的所有焊缝上均喷涂有聚脲弹性体材料层，所述钢膜台阶的表面喷涂有防腐材料层。

本发明具有的优点和积极效果是：

一）采用钢膜作为台阶面与水流直接接触的结构，钢膜表面平整度高，即使高速水流下泄时，在台阶内部形成负压区，钢膜表面也不会出现类似混凝土台阶面的空蚀现象。采用抗空蚀性能较好的钢材，可以有效地避免台阶面因大单宽过流、掺气不充分造成的空蚀破坏，极大地拓展了台阶溢流坝面消能方式的适用范围。

二）通过钢板之间的焊接及其与非溢流坝段及下游结构之间的连接，使得钢膜台阶成为一个整体，变原来的单个台阶受力为钢膜台阶整体受力，有效地提高了台阶段坝体的整体稳定性。此外，钢板容易加工，运输、安装方便，钢膜台阶还可以作为混凝土台阶面施工的模板。总体上，能够节省施工材料，降低工程投资，具有较好的工程经济实用性。

三）通过在相邻台阶型钢板之间设置带弧形凹槽的纵向台阶型连接钢板Ⅱ，并喷涂聚脲弹性体材料以保证焊缝的防渗性能，钢膜台阶与其他结构的连接部位也通过焊接连接为整体，避免了坝体施工缝及止水设施等可能出现的损坏问题，有效地提高了台阶溢流坝面的防渗能力。

四）通过采用钢板使台阶面自身的抗拉强度和延展性有了很大的提高，通过自身重力、水流冲击力和施工措施使其像“膜”一样紧贴于混凝土表面，能够很好地适应施工或运行过程中混凝土变形或外界因素对台阶面的影响和作用，减少台阶面开裂及损坏的可能性。

综上所述，本发明采用钢板作为台阶面直接承受水流冲击力及空蚀压力的结构，钢材抗空蚀性能好、表面比较平整，能够有效地减轻磨蚀、降低对过流面可能造成的不利影响，不会形成类似于混凝土台阶的空蚀。而且钢材方便加工，易于连接为一个整体，变单个台阶受力为整体受力，作为整体受力情况较好，可以提高台阶面的抗冲击能力，提高台阶面强度。分块钢制膜板采用台阶面钢板搭配带弧面凹槽的纵向台阶型连接钢板衔接的设计方案，板块间通过焊接方式连接起来，同时通过混凝土结构内的配筋将钢膜台阶与混凝土坝体紧密地连为一体，有效地提高了台阶段坝体的整体稳定性。

附图说明

图1为本发明的剖示图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明钢膜台阶与坝体内竖向配筋连接的示意图；

图4为本发明钢膜台阶与坝体内横向配筋连接的示意图；

图5为本发明钢膜台阶与堰面段坝体连接的示意图；

图6为本发明钢膜台阶与反弧段坝体连接的示意图；

图7为本发明钢膜台阶与非溢流段坝体连接的剖面图；

图8为本发明钢膜台阶与非溢流段坝体连接的平面图；

图9为本发明相邻两块台阶型钢板连接的剖面图。

图中：1堰面段坝体，2台阶段坝体，3反弧段坝体，4钢膜台阶，4-1台阶型钢板，4-2纵向台阶型连接钢板Ⅱ，4-3横向连接钢板，4-4纵向台阶型连接钢板Ⅰ，5非溢流坝体，6纵向肋板，7弧形闸门，8X型宽尾墩，9通气孔，10消力池，11连接钢筋，12混凝土，13焊缝。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图8，一种钢膜台阶式溢流坝，该溢流坝的坝体包括从上至下依次设置的堰面段、台阶段和反弧段，台阶段坝体2的混凝土台阶面上附着有表面平整的钢膜台阶4，所述钢膜台阶4的顶部设有嵌固在堰面段坝体1内的延伸段，所述钢膜台阶4的底部设有嵌固在反弧段坝体3内的延伸段，所述钢膜台阶4的两侧各设有一嵌固在非溢流段坝体5内的延伸段。

在本实施例中，所述钢膜台阶4由从左至右依次设置的多块台阶型钢板4-1形成，相邻两块所述台阶型钢板4-1通过一纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2与所述台阶型钢板4-1通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述钢膜台阶4的底部设有与反弧段坝体3连接的横向连接钢板4-3，所述横向连接钢板4-3的上端与所述台阶型钢板4-1的下端通过焊缝连接，所述横向连接钢带4-3的下端部嵌固在反弧段坝体3内，所述横向连接钢板4-3的纵向中部设有横向弧形凹槽；所述钢膜台阶4的两侧各设有一纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4的内侧与所述台阶型钢板4-1的外侧通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4的外侧部嵌固在非溢流坝体5内，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2上的纵向弧形凹槽、所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4上的纵向弧形凹槽和所述横向连接钢板4-3上的横向弧形凹槽均位于坝体施工缝的正上方。

所述钢膜台阶4通过设置在所述台阶段坝体2内的连接钢筋11固定在所述台阶段坝体2的混凝土台阶面上，所述钢膜台阶4与连接钢筋11通过管板焊接。

为了进一步加强所述钢膜台阶4与所述台阶段坝体2的连接结构，在所述台阶段坝体2内设有与所述钢膜台阶4通过管板焊接的纵向肋板6。

为了进一步加强所述钢膜台阶4与相邻结构的连接结构，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4与所述非溢流段坝体内的配筋和／或与设置在所述非溢流段坝体内的连接钢筋通过管板焊接；所述横向连接钢板4-3与所述反弧段坝体内的配筋和／或与设置在所述反弧段坝体内的连接钢筋通过管板焊接。

所述钢膜台阶4上的所有焊缝上均喷涂有聚脲弹性体材料层，所述钢膜台阶4的表面喷涂有防腐材料层。

上述钢膜台阶4作为主要的与水流接触的结构，承受较大的水流冲击压力，且一旦钢膜台阶面与水流之间产生负压区、钢膜台阶面还要承受较大的空泡溃灭冲击力，所以选用抗拉强度、焊接性及延展性能较好且厚度较大的优质钢材，钢板厚度采用30mm左右。结合坝面施工方案，可提前在形成钢膜台阶4的钢板上预留钢筋孔洞，待混凝土12浇筑完成之后，通过焊接形式将钢膜台阶4与连接钢筋11连接，从而保证钢膜台阶4与混凝土结构的紧密相连。此外，为加强钢膜台阶4与混凝土结构的连接以及防止温度变形引起钢膜台阶4与混凝土结构脱开，还可以在形成钢膜台阶4的钢板上设置纵向连接肋板6。形成钢膜台阶4的台阶型钢板之间的连接，采用纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2，从型式上取代了台阶坝面的施工缝，在材料上可以选用柔性、抗拉强度、焊接性和延展性更好的钢材来预制生产。在钢膜台阶溢流坝段与非溢流坝体的连接位置设置纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4，在钢膜台阶4与反弧段坝体3的连接位置设置横向连接钢板4-3，保证了它们之间的有效连接，从而浇筑为整体。施工中包括钢膜台阶在内的所有钢制结构、连接钢筋11、焊接缝13等结构或位置均需要进行严格的防腐处理。

在现有技术中，在台阶溢流坝面施工时，一般台阶高度与混凝土的升层是不对应的，而且由于台阶面及侧墙都配有钢筋，无法采用预制块做模板。本发明在钢膜台阶溢流坝面结构施工时，依设计提前预制的钢膜台阶4即可作为台阶模板，随碾压混凝土的升层直接扎立钢筋，下部采用钢材支撑，一次浇筑成型，提高了施工效率。分块钢膜台阶的连接采用焊接方式，为了保证更好的防渗效果还可以在焊接缝的表面上喷涂聚脲弹性体材料。同时，钢膜台阶表面需要喷涂防腐材料，并在运行期内设置日常维护工作。

请参见图1，采用本发明的某工程溢流坝段结构布置，枢纽主要由挡水大坝、左岸溢流表孔及消力池、左岸泄洪（冲沙）底孔、右岸排沙底口、坝后主副厂房等组成。挡水建筑物为碾压混凝土重力坝，坝顶高程1510m，最大坝高138m，坝顶长482m。泄洪冲沙建筑物由左岸5孔溢流表孔、1个泄洪冲沙底孔和右岸1个冲沙底孔组成。溢流表孔采用X型宽尾墩8＋台阶面＋消力池10联合泄洪消能的方案，堰顶高程1484m，孔口尺寸为13m×20m，工作闸门采用弧形闸门7，在宽尾墩边墙上设置通气孔9，堰面曲线为WES堰型，后接1：0.75斜坡段和反弧段坝体3，反弧段坝体3的表面底部与消力池底板相连，台阶尺寸高×宽为1.2m×0.9m。钢膜厚度为30mm，分块台阶型钢板4-1的数量根据溢流段坝体段数确定。预制分块台阶型钢板采用焊接型式加工而成，相邻板块间设置小型的起到衔接作用的纵向台阶型连接钢板Ⅱ4-2，凹槽边缘向外延伸为较短的台阶式钢板并通过焊接方式与整块的台阶面钢板连接，凹槽宽度与深度均为0.2m。在本实施例中连接钢筋11选用HRB335级，直径25mm，钢筋与台阶面之间采用管板焊接形式，每根钢筋长度结合台阶面尺寸选为1.8m，深入坝体内部。

上述溢流坝体的具体施工过程：1）预制钢膜台阶4、连接钢筋11及其他结构配筋，制备施工浇筑使用的混凝土12；2）对包括钢膜台阶4与连接钢筋11在内的所有的钢制结构进行相应的防腐处理；3）按结构设计，安装钢膜台阶，做好接缝处理，并作为混凝土台阶施工的模板；4）将用于混凝土台阶浇筑的支撑模板立于钢膜台阶4之上，保证钢膜台阶4与支撑模板件的紧密贴合，以避免在浇筑混凝土时钢膜台阶发生屈曲变形或出现表面凹凸不平的情形；5）在钢膜台阶4底部钢板与下游消能结构的接触位置设置横向连接钢板4-3；6）随碾压混凝土升层扎立连接钢筋11，下部采用钢材支撑；7）在完成前面的基础准备工作之后，开始浇筑台阶部分的混凝土，通过振捣，保证填充混凝土的密实，及其与钢膜台阶的紧密贴合；8）位于钢膜台阶4顶部的钢膜需要通过焊接将钢板与堰面内部的配筋连接，并设置一定长度的与溢流面紧密贴合的外伸长度，并嵌入混凝土中；9）在钢膜台阶溢流坝段与非溢流体的结合处设置纵向台阶型连接钢板Ⅰ4-4，在钢板与非溢流坝面接触的一侧的板边上设置连接钢筋11，或者直接将非溢流坝内的配筋与钢板通过焊接连接在一起；10）在台阶段坝体混凝土浇筑完之后，对钢膜台阶表面接缝和焊接部位及其他在施工过程中导致的不光滑部位进行打磨，做表面光滑处理，并对打磨部位进行防腐处理，确保台阶面在运行期不会腐蚀损坏，以保证钢膜台阶4的安全稳定性。

Claims

1.一种钢膜台阶式溢流坝，该溢流坝的坝体包括从上至下依次设置的堰面段、台阶段和反弧段，其特征在于，台阶段坝体的混凝土台阶面上附着有表面平整的钢膜台阶，所述钢膜台阶的顶部设有嵌固在堰面段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的底部设有嵌固在反弧段坝体内的延伸段，所述钢膜台阶的两侧各设有一嵌固在非溢流段坝体内的延伸段。

2.根据权利要求1所述的钢膜台阶式溢流坝，其特征在于，所述钢膜台阶由从左至右依次设置的多块台阶型钢板形成，相邻两块所述台阶型钢板通过一纵向台阶型连接钢板Ⅱ连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ与所述台阶型钢板通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述钢膜台阶的底部设有与反弧段坝体连接的横向连接钢板，所述横向连接钢板的上端与所述台阶型钢板的下端通过焊缝连接，所述横向连接钢板的下端部嵌固在反弧段坝体内，所述横向连接钢板的纵向中部设有横向弧形凹槽；所述钢膜台阶的两侧各设有一纵向台阶型连接钢板Ⅰ，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的内侧与所述台阶型钢板的外侧通过焊缝连接，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的外侧部嵌固在非溢流坝体内，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ的横向中部设有纵向弧形凹槽；所述纵向台阶型连接钢板Ⅱ上的纵向弧形凹槽、所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ上的纵向弧形凹槽和所述横向连接钢板上的横向弧形凹槽均位于坝体施工缝的正上方。

3.根据权利要求1所述的钢膜台阶式溢流坝，其特征在于，所述钢膜台阶通过设置在所述台阶段坝体内的连接钢筋固定在所述台阶段坝体的混凝土台阶面上，所述钢膜台阶与所述连接钢筋通过管板焊接。

4.根据权利要求3所述的钢膜台阶式溢流坝，其特征在于，所述台阶段坝体内设有与所述钢膜台阶通过管板焊接的纵向肋板。

5.根据权利要求2所述的钢膜台阶式溢流坝，其特征在于，所述纵向台阶型连接钢板Ⅰ与所述非溢流段坝体内的配筋和／或与设置在所述非溢流段坝体内的连接钢筋通过管板焊接；所述横向连接钢板与所述反弧段坝体内的配筋和／或与设置在所述反弧段坝体内的连接钢筋通过管板焊接。

6.根据权利要求2所述的钢膜台阶式溢流坝，其特征在于，所述钢膜台阶上的所有焊缝上均喷涂有聚脲弹性体材料层，所述钢膜台阶的表面喷涂有防腐材料层。