CN106351183A - 高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构 - Google Patents

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    • E02B7/02—Fixed barrages
    • E02B7/04—Dams across valleys
    • E02B7/06—Earth-fill dams; Rock-fill dams

Abstract

本发明公开了一种高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，涉及水利水电工程领域，解决基岩上高心墙堆石坝坝底廊道难免出现开裂、漏水，影响大坝安全的问题，采用的技术方案是：高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，包括心墙底部的廊道，廊道的顶部向上凸起与廊道结合形成微拱形结构，利用拱形结构改变结构的传力路径；与平顶型廊道结构相比，增加的混凝土量不多，但能显著地减小廊道顶角区域的剪应力，同时在廊道顶部剪应力区和底部剪应力区设置抗剪钢筋结构，明显地改善廊道结构的受力特性，降低廊道顶部的剪应力破坏产生裂缝出现渗透破坏的风险，解决基岩上高心墙堆石坝坝底廊道开裂、漏水的问题，提高大坝运行的安全性，也使工程的经济性显著改善。

Description

高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构
技术领域
本发明涉及一种水利水电工程中基岩上心墙堆石坝坝底廊道结构，尤其是坝高200m级、300m级的基岩上高心墙堆石坝的坝底微拱型廊道结构。
背景技术
目前，在基岩上建造的心墙堆石坝坝底廊道，多采用平顶式廊道结构，两侧与心墙混凝土盖板之间不设缝，刚性连接，其主要优点是施工简单方便。这种结构对于低坝(坝高100m以下)而言，由于顶部承受的土压力小，廊道四个角区的剪应力不太明显，一般都在混凝土的抗剪强度范围以内，工程往往也不会出现太大的问题。但是，近年来我国堆石坝跨越式的发展，一大批坝高200m级、300m级的高心墙堆石坝相继建成或开始建造，坝底廊道出现开裂和漏水的风险增大，一旦出现开裂和漏水，对大坝的安全运行将产生重要影响。
通过查阅资料和调查研究，发现现有设计方法对大体积混凝土结构的抗剪不够重视，对大体积混凝土的开裂问题多归因于温度荷载影响。实际上，通过对长河坝、糯扎渡及瀑布沟等现有在建和已建工程实测资料的分析，发现实际的高坝工程心墙的拱效应其实并不明显，底部(即廊道顶部)的应力方向以竖直向为主，底部(即廊道顶部)的压应力约等于竖直方向的土石柱重量。
对于坝高200m级、300m级的高心墙堆石坝而言，底部的压应力高达4MPa～6MPa，在廊道顶部及廊道底部四个角区，存在较大的剪应力区，剪应力通常都远超过混凝土的抗剪切强度，这可能是造成高心墙堆石坝坝底廊道开裂、进而漏水的重要原因之一。
发明内容
本发明提供一种高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，解决现有高心墙堆石坝坝底廊道难免出现开裂、漏水的现象，影响大坝安全运行的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，包括心墙底部的廊道，所述廊道的下方为混凝土的垫板，廊道的顶部向上凸起与廊道结合形成微拱形结构，廊道和微拱形结构均以坝轴线为中心，微拱形结构的两侧分别为水平设置的盖板，微拱形结构和盖板之间设置结构缝；廊道顶部坝轴线两侧形成的两个顶部剪应力区，以及廊道底部坝轴线两侧形成的两个底部剪应力区均布置抗剪钢筋结构；
微拱形结构的起拱范围按以下方法确定：在高心墙堆石坝的剖面上，廊道一侧的基础开挖线标记为AB，与AB同侧的廊道的直墙与顶部圆弧交界点标记为D，过D点作AB的平行线，两平行线分别与过盖板顶部的水平线相交于FC两点，FC区域和FC区域关于坝轴线轴对称的区域即为起拱范围。
上述微拱形结构是指顶部凸起部分弧线的曲率介于0.01～0.1，矢高小于1.2m的拱形结构。
进一步的是：所述微拱形结构的起拱位置通过有限元优化计算分析确定。
进一步的是：所述廊道一侧的基础开挖线的最高处标记为A，过A的竖直直线交FC于E，当微拱形结构的拱脚位于EC区域，所述结构缝为竖直结构缝；当微拱形结构的拱脚位于EF区域，所述结构缝为斜结构缝。
进一步的是：所述抗剪钢筋结构的布置方式为钢筋网式或者钢筋笼式。
进一步的是：所述微拱形结构顶部凸起部分的矢高为0.8m～1.2m。
进一步的是：所述廊道下方的垫板的垫板厚度大于或等于2.0m。
本发明的有益效果是：廊道的顶部微凸与廊道结合形成微拱形结构，充分利用拱形结构的传力特点，改变结构的传力路径。与平顶型廊道结构相比，微拱型廊道结构仅顶部微凸，结构虽变化不大，却具有独特的优势：能极大地减小廊道顶角区域的剪应力；加之在廊道的顶部剪应力区和底部剪应力区按抗剪设计布置适当形式的抗剪钢筋，即设置抗剪钢筋结构，从结构上显著地改善廊道结构的受力特性，降低了廊道顶部因剪应力破坏产生裂缝进而引起大坝出现渗透破坏的风险，解决了基岩上高心墙堆石坝坝底廊道无不开裂、无不漏水的问题，对基岩上高心墙堆石坝坝底廊道出现开裂、漏水现象的成因的认识更进了一步。微拱型廊道结构可广泛应用于基岩上高心墙堆石坝坝底廊道及类似的岩土工程的廊道中。
附图说明
图1是本发明高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构的剖面示意图。
图2是廊道的抗剪钢筋结构为钢筋网式的布置示意图。
图3是廊道的抗剪钢筋结构为钢筋笼式的布置示意图。
图中零部件、部位及编号：廊道1、微拱形结构11、垫板12、顶部剪应力区13、底部剪应力区14、盖板2、结构缝3、心墙4、基岩5、坝轴线6、钢筋网式7、钢筋笼式8、顶部凸起部分的矢高h1、垫板厚度h2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，包括心墙4的底部的廊道1，廊道1的下方为混凝土的垫板12，为保证安全要求，垫板12的垫板厚度h2应大于或等于2.0m。垫板12下方即为基岩5，基岩5的开挖线，即开挖边界线，呈倒等腰梯形。廊道1的顶部向上凸起与廊道结合形成微拱形结构11，微拱形结构11的顶部凸起部分的矢高h1宜为0.8m～1.2m。廊道1和微拱形结构11均以坝轴线6为中心，且整个高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构在剖面图上均关于坝轴线6轴对称。微拱形结构11的两侧分别为水平设置的盖板2，盖板2和微拱形结构11之间设置结构缝3。
廊道1顶部坝轴线6两侧形成两个顶部剪应力区13，相应地，廊道1底部坝轴线6两侧形成两个底部剪应力区14。廊道1的顶部的凸起与廊道结合形成微拱形结构11，微拱形结构11改变了传力路径，相对平顶型廊道结构，显著地减小了廊道顶部上下游角区的剪应力，即减小了顶部剪应力区13的剪应力。廊道1的顶部剪应力区13和底部剪应力区14按抗剪设计布置适当形式的抗剪钢筋，即设置抗剪钢筋结构，从结构上有效地改善廊道结构的受力特性，降低了廊道1顶部因剪应力破坏产生裂缝进而引起大坝出现渗透破坏的风险，解决了基岩上高心墙4堆石坝坝底廊道1出现开裂、漏水的问题。
微拱形结构11的起拱范围按以下方法确定：如图1，廊道1左侧的基础开挖线标记为AB，其中A点为基础开挖线的最高处，B点为基础开挖线的最低处，廊道1左侧的直墙与顶部圆弧交界点标记为D，过D点作AB的平行线，该平行线和AB分别与过盖板2顶部的水平线相交于FC两点，FC区域和FC区域关于坝轴线6轴对称的区域即为起拱范围，即图1中的b区域。
微拱形结构11的最优起拱位置通过有限元优化计算分析确定。盖板2和微拱形结构11之间设置结构缝3，可根据微拱形结构11在起拱范围的不同位置设置相应的结构缝。如图1，过A的竖直直线交FC于E，当微拱形结构11的拱脚位于EC区域，即图1中的a区域，那么结构缝3为竖直结构缝。当微拱形结构11的拱脚位于EF区域，那么结构缝3为斜结构缝。
与平顶廊道相比，微拱形廊道结构11改变了传力路径，廊道1的顶部剪应力区13和底部剪应力区14按抗剪设计布置抗剪钢筋结构。如图2和图3所示，抗剪钢筋结构宜为钢筋网式7或者钢筋笼式8。由于图2和图3中的微拱形结构11的EC区域的C点，所以盖板2和拱形结构11之间设置竖直结构缝。
例如，某高心墙堆石坝，坝高303m，坝基为基岩，心墙高度295m，廊道顶部承受竖向均布荷载约为6MPa。根据有限元计算成果，采用平顶型廊道结构，廊道顶部最大剪应力为7.15MPa。采用上述本发明的微拱型廊道结构，廊道顶部最大剪应力减小到5.80MPa，减小幅度约20％。从廊道的顶部剪应力区抗剪钢筋的配筋量来看，采用平顶型廊道结构时，每延米需配筋面积为11027mm2，采用上述本发明的微拱型廊道结构后，每延米需配筋面积为5122mm2，降低了53％。从安全性和经济性来看，都有极大的提高。

Claims (6)

1.高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，包括心墙(4)底部的廊道(1)，所述廊道(1)的下方为混凝土的垫板(12)，其特征在于：廊道(1)的顶部向上凸起与廊道(1)结合形成微拱形结构(11)，廊道(1)和微拱形结构(11)均以坝轴线(6)为中心，微拱形结构(11)的两侧分别为水平设置的盖板(2)，微拱形结构(11)和盖板(2)之间设置结构缝(3)；廊道(1)顶部坝轴线(6)两侧形成的两个顶部剪应力区(13)，以及廊道(1)底部坝轴线(6)两侧形成的两个底部剪应力区(14)均布置抗剪钢筋结构；
微拱形结构(11)的起拱范围按以下方法确定：在高心墙堆石坝的剖面上，廊道(1)一侧的基础开挖线标记为AB，与AB同侧的廊道(1)的直墙与顶部圆弧交界点标记为D，过D点作AB的平行线，两平行线分别与过盖板(2)顶部的水平线相交于FC两点，FC区域和FC区域关于坝轴线(6)轴对称的区域即为起拱范围。
2.如权利要求1所述的高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，其特征在于：所述微拱形结构(11)的起拱位置通过有限元优化计算分析确定。
3.如权利要求1所述的高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，其特征在于：所述廊道(1)一侧的基础开挖线的最高处标记为A，过A的竖直直线交FC于E，当微拱形结构(11)的拱脚位于EC区域，所述结构缝(3)为竖直结构缝；当微拱形结构(11)的拱脚位于EF区域，所述结构缝(3)为斜结构缝。
4.如权利要求1所述的高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，其特征在于：所述抗剪钢筋结构的布置方式为钢筋网式(7)或者钢筋笼式(8)。
5.如权利要求1所述的高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，其特征在于：所述微拱形结构(11)顶部凸起部分的矢高(h1)为0.8m～1.2m。
6.如权利要求1所述的高心墙堆石坝坝底微拱型廊道结构，其特征在于：所述廊道(1)下方的垫板(12)的垫板厚度(h2)大于或等于2.0m。
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