CN104480911B - 一种柔性地基消能工结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性地基消能工结构，解决了现有技术中底流消能工程量大、成本高、消力池泄洪不安全以及挑流消能泄洪雾化大的技术问题。它包括用于围成消力池的底板、边墙、溢流坝段和二道坝，溢流坝设于底板的上游，二道坝设于底板的下游，边墙在底板的左右两侧分别设有一个，两边墙向外倾斜设置；底板和边墙的下表面分别通过预应力锚索连接有减振层。本发明设置减振层构成柔性地基，利用柔性地基的减振消能特性，促进高速水流的冲击压力和脉动压力的消耗，在达到同等消力效果的情况下，可显著减少消力池的体积，从而减少工程量，节约工程造价；在高水头、大流量泄洪中有利于推进底流消能工取代挑流消能工，避免泄洪雾化带来的危害。

Description

一种柔性地基消能工结构

技术领域

本发明涉及一种消能工结构，特别设计一种柔性地基消能工结构，属于水电工程技术领域。

背景技术

所谓消能，即：泄水建筑物把含约9.8QH千瓦（Q为流量,H为落差,分别以m3/s和m计）动能的水流送往下游，其中，一部分转化成位能；一部分通过摩擦、旋滚、扩散、撞击、变成热能耗散。下游防护设施的内容、范围和形式，取决于水文、地质、地形、枢纽布置和消能工形式等条件。

目前传统的消能工方式主要有：挑流、底流、面流三大消能方式。

底流消能作为消能工形式之一具有流态稳定、消能效果好、对地质条件和尾水水位变化适应性较强的优势。但目前挑流消能在大型高坝水电工程中所占的份额仍远远高于底流消能，究其原因，主要有经济和技术两方面因素：一方面，底流消能需要修建造价昂贵的底流消力池，工程投资较大；另一方面，由于高坝工程工作水头高，致使消力池临底流速很高，难于保证消力池自身的泄洪安全。

挑流消能工程量较小、施工也比较简单，是最适合高坝的，因此目前大部分在建与待建的大型水电站，如三峡水利枢纽、小湾、龙滩、白鹤滩等均采用了以挑流消能为主体的泄洪消能方案。然而，挑流消能却也存在着较大的缺陷：挑流消能泄洪雾化现象严重，高速水流在泄洪时都将产生雾化降雨，这种非自然降雨对坝区交通、下游岸坡稳定、电厂输变线路的安全、下游正常的工农业生产以及附近居民的日常生活等常构成一定的威胁与影响。尤其是高水头、大流量的水电工程，其泄洪雾化的规模与危害十分惊人。另外，随着人们环保意识的增强，泄洪雾化对环境的影响越来越受到广泛关注。

近年来，我国学者结合向家坝水电站，针对高水头、大流量条件下底流消能技术进行了深入研究，提出了一种新型的跌坎式底流消能工。研究表明，该新型消能工能够有效降低消力池临底流速和脉动压强，保证消力池的运行安全，满足高水头、大单宽流量泄洪水流的消能要求，为底流消能方式应用于高坝建设提供了参考和借鉴。在向家坝水电站相关研究成果的基础上，我国的官地、金安桥等水电站等也相继采用了跌坎型底流消能工的布置形式。但是，研究表明，跌坎高度越大，消力池临底流速和脉动压强越小，水流流态越接近于面流，消能效果相对较差；跌坎高度越小，消力池内水流流态越接近于常规的水跃消能的底流流态，消能效果好，但消力池临底流速较大，容易对底板造成破坏，因此选择合适的跌坎高度成为技术难题，为了改善消能效果往往联合其他复杂结构进行消能，如官地水电站采用了宽尾墩+跌坎+底流消能的布置型式。

因此，如何寻找一种成本低、结构简单、施工方便、环境友好，同时适用于较大流量、中高水头的底流消能工结构具有显著的现实意义和工程价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中不足，提供一种成本低、结构简单、施工方便、环境友好，同时适用于较大流量、中高水头的柔性地基消能工结构，解决现有技术中底流消能工程量大、成本高、消力池泄洪不安全以及挑流消能泄洪雾化大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种柔性地基消能工结构，包括用于围成消力池的底板、边墙、溢流坝段和二道坝，所述溢流坝设于底板的上游，所述二道坝设于底板的下游，所述边墙在底板的左右两侧分别设有一个，两所述边墙向外倾斜设置；所述底板和边墙的下表面分别通过预应力锚索连接有减振层。

作为本发明的优选方案，所述减振层包括若干并列设置的减振柱和填置于相邻减振柱之间的砂石料，所述减振柱由若干上下叠放的减振片组成，所述减振片套设在预应力锚索的外围。

作为本发明的优选方案，所述减振片为内部填置有砂石料的废旧轮胎。

作为本发明的另一优选方案，所述减振层为若干并列排放的叠层橡胶支座，叠层橡胶支座之间填置有砂石料。

作为本发明的另一优选方案，所述减振层为土工格室加筋橡胶土结构。

作为本发明的进一步改进，所述底板和设于底板下部的减振层的厚度沿水流方向逐渐减小，底板末端厚度为底板首端厚度的一半，设于底板下方的减振层的厚度为对应上层的底板厚度的3～5倍。泄洪时，随着水流流向冲击压力和脉动压力逐渐减少，底板和减振层厚度随之减小，不仅可以使适应较大的冲击压力和脉动压力，防止底板损毁，而且能够进一步减少工程量、节约工程造价。

作为本发明的进一步改进，所述边墙和底板上分别设有若干分缝，所述分缝内填置有止水条。在边墙和底板上设置分缝主要用于防止地基不均匀沉降导致裂缝，止水条浸水膨胀能够有效止漏。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：1、设置减振层，构成柔性地基，利用柔性地基的减振消能特性，促进高速水流的冲击压力和脉动压力的消耗，在达到同等消力效果的情况下，可显著减少消力池的体积，从而减少了工程量，节约了工程造价；2、采用柔性地基设计思想，减小了消力池底板和边墙的振动，在高水头、大流量泄洪中有利于推进底流消能工取代挑流消能工，减少泄洪雾化现象对岸坡植被、下游生活、生产的影响，且有利于消力池的整体稳定；3、减振层可利用成本较低的废旧轮胎、叠层橡胶支座、橡胶土等材料，缓解“黑色污染”问题的同时，更进一步降低工程造价。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A-A结构示意图。

图中：1、边墙；2、底板；3、溢流坝段；4、二道坝；5、预应力锚索；6、减振层；7、废旧轮胎。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1、图2所示，底板2、溢流坝段3、二道坝4和设于底板2两侧的边墙1一起围成消力池，边墙1的底侧与底板2自然过渡连接，边墙1的上侧向外倾斜设置。溢流坝段3设置于底板2的上游，二道坝4设置于底板2的下游，泄流时，水流漫过溢流坝段3流至消力池，经消力池和二道坝4消能流向下游。

底板2和边墙1的下表面分别通过预应力锚索5连接有减振层6，预应力锚索5主要用于锚固，在较大的冲击压力和脉动压力下使减振层6与边墙1、底板2变形协调并保持相对静止，避免减振层6发生错位。为防止地基不均匀沉降导致裂缝，边墙1和底板2上分别设有若干分缝，分缝内填置有止水条(图中未示出)，止水条浸水膨胀能够有效止漏，防止水流冲刷河床、岸坡。

泄洪时，冲击压力和脉动压力会随着水流流向逐渐减少，因此，底板2和设于底板2下部的减振层6的厚度也沿水流方向逐渐减小，此设计结构不仅可以使适应较大的冲击压力和脉动压力，防止底板2损毁，而且能够进一步减少工程量、节约工程造价。如图1所示，底板2、减振层6的下表面可以设置成台阶面向下的台阶状，水平方向上，距离溢流坝段3越近，则台阶高度越高。通常低水头、小流量情况下，底板2的首端厚度范围为0.5 m～1.5m，具体厚度值可根据实际的水头及下泄流量，综合考虑底板抗冲和抗浮要求进行计算得到，末端厚度一般取首端厚度的一半。设于底板2下方的减振层6的厚度范围一般取对应上层的底板2厚度的3～5倍。

减振层6可以由废旧轮胎7和砂石料组成，具体结构是：废旧轮胎7套设于预应力锚索5的外围，废旧轮胎7内部填置有砂石料，若干填置了砂石料的废旧轮胎7上下叠放构成减振柱，各减振柱紧密排列，相邻减振柱之间填置砂石料。此设计结构使得废旧轮胎7得以资源再利用，减少了黑色污染，同时可以节约工程造价。

减振层6也可以选用若干并列排放的叠层橡胶支座，叠层橡胶支座之间也选用砂石料进行填置。

减振层6也可以选用土工格室加筋橡胶土结构，即将土或砂石与橡胶颗粒的混合物压实填入土工格室内形成减振层。

本发明在高速水流下泄时，除了利用常规的水流内部紊动摩擦消能以及和边界的摩擦消能外，还充分利用减振层6的减振特性，消耗了一大部分的冲击脉动能，依靠消力池外部水流作用消能的比例将减少，从而减小了消力池的体积，降低工程量，节约了工程造价，在高水头、大流量泄洪中，本发明可取代挑流消能工，显著减少泄洪雾化，避免对岸坡植被及下游生活、生产造成影响，降低底板2的振动响应，保证了消力池的泄洪安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种柔性地基消能工结构，其特征在于，包括用于围成消力池的底板、边墙、溢流坝段和二道坝，所述溢流坝设于底板的上游，所述二道坝设于底板的下游，所述边墙在底板的左右两侧分别设有一个，两所述边墙向外倾斜设置；所述底板和边墙的下表面分别通过预应力锚索连接有减振层。

2.根据权利要求1所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述减振层包括若干并列设置的减振柱和填置于相邻减振柱之间的砂石料，所述减振柱由若干上下叠放的减振片组成，所述减振片套设在预应力锚索的外围。

3.根据权利要求2所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述减振片为内部填置有砂石料的废旧轮胎。

4.根据权利要求1所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述减振层为若干并列排放的叠层橡胶支座，叠层橡胶支座之间填置有砂石料。

5.根据权利要求1所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述减振层为土工格室加筋橡胶土结构。

6.根据权利要求1所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述底板和设于底板下部的减振层的厚度沿水流方向逐渐减小，底板末端厚度为底板首端厚度的一半，设于底板下方的减振层的厚度为对应上层的底板厚度的3～5倍。

7.根据权利要求1所述的柔性地基消能工结构，其特征在于，所述边墙和底板上分别设有若干分缝，所述分缝内填置有止水条。