CN107724350B - 水电站尾水管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水电站尾水管结构，属于水电站厂房建筑结构领域，提供一种可适应大流量水力发电厂房的尾水管结构。可减薄尾水管内底板的厚度，减少开挖工程量和混凝土工程量，简化施工，同时避免底板在浇注过程中的温度应力导致的开裂问题，所述尾水管结构包括墩墙和底板；在所述底板与墩墙之间设置有结构缝。本发明通过在底板与墩墙之间设置的结构缝，可实现底板与墩墙之间的分离，不再由底板分散墩墙所受集中荷载，因此可减薄底板厚度，减少开挖工程量和混凝土工程量；同时可避免底板在混凝土施工过程中因温度应力导致的开裂情况；另外还可便于底板与墩墙的分开施工，降低施工难度以及后期对底板的检修、维护和更换等工作。
Description
技术领域
本发明涉及水电站厂房建筑结构领域，尤其涉及水电站中的尾水管结构。
背景技术
尾水管是水力发电厂房重要的组成结构之一。尾水管为紧接反击式水轮机转轮出口的导水流道结构，引导从水轮机转轮流出的水流与下游尾水相连接，并回收从转轮流出水流的一部分动能。通常，沿水流方向，尾水管一般分为锥管段、肘管段、扩散段等部分。尾水管的结构设计，常常影响到整个发电厂房的功能使用。
目前的尾水管结构如附图5中所示，其通常为由顶板、底板以及墩墙等混凝土浇筑而成一体的管道结构。其中，底板的主要作用是将墩墙承受的厂房荷载比较均匀地传到下方地基岩体上，从而减少地基单位面积上的压力，但对于比较坚硬的岩石地基来说，尾水管传下的最大压力远远小于地基的容许承载能力。根据计算，当地基岩石完整、坚硬时，地基的弹性模量较大，由墩墙传给下方底板的集中荷载并不能通过底板有效地、均匀地传给下方地基，因此由墩墙集中荷载产生的地基反力仍主要集中于墩墙底部的传力点周围，因此底板对分散荷载的作用不大。
另外，对于大流量的水力发电厂房，因机组引用流量较大，需要较大的尾水管流道结构，特别是尾水管需要把水流流速限制在较低水平，通常需要限制尾水管内的水流流速小于5m/s，以减少水流的动能损失，因此需要较大的尾水管尺寸，以减小水流速度。经对实际工程资料进行统计，一般而言，当单机引用流量达到500m3/s以上时，尾水管的底板厚度一般需要超过5m，而当单机引用流量达到800m3/s时，尾水管的底板厚度一般超过7m，才能保证底板有足够的刚度和强度承受建基面的扬压力和地基反力。
综上，现有的尾水管结构主要存在如下缺陷：
1.尾水管尺寸较大，常常导致尾水管底板厚度较大，增加了底板开挖工程量和混凝土工程量；
2.较厚的底板在施工期混凝土温度应力过大，同时受到地基的强约束，常常导致底板混凝土开裂，影响尾水管的正常使用；
3.墩墙集中荷载产生的地基反力仍主要集中于墩墙底部的传力点周围，底板分散荷载的作用不大。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种可适应大流量水力发电厂房的尾水管结构，可减薄尾水管的底板厚度，减少开挖工程量和混凝土工程量，简化施工，同时避免底板在浇筑过程中的温度应力导致的开裂问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：水电站尾水管结构，尾水管结构包括墩墙和底板，底板与墩墙之间设置结构缝。
进一步的是：底板设置有贯穿的排水孔。
进一步的是：底板还布置锚固结构，锚固结构将底板与底板下方的岩体锚固连接。
进一步的是：锚固结构为锚杆，锚杆的一端固定于底板上，锚杆的另一端伸入底板下方的岩体内。
进一步的是：锚杆在底板呈正方形间隔分布，单根锚杆的横截面面积为A，有A＝kqS2/f；
其中：
k为锚杆抗拉安全系数；
q为底板承受的荷载，即扬压力减去底板自重；
S为锚杆间距，即相邻两根锚杆之间的间距；
f为锚杆抗拉强度设计值。
进一步的是：水电站尾水管结构还包括顶板，顶板和墩墙由混凝土一体浇筑成型而成，底板由混凝土浇筑而成。
进一步的是：沿尾水管内的水流方向，尾水管结构包括扩散区和管段区，管段区包括多条管道，多条管道相互并列地与扩散区相连；底板包括位于扩散区的底板和位于管段区的底板；墩墙包括位于扩散区的墩墙和位于管段区的墩墙。
进一步的是：位于扩散区的底板与位于管段区的底板之间设置有结构缝。
进一步的是：尾水管出口端的底部设置有帷幕灌浆。
进一步的是：底板的底部呈中部上拱的弧形结构，墩墙的底部设置有扩大部，并且扩大部与底板的上表面齐平；底板两侧伸入岩体的深度与对应侧墩墙的底部深度一致。
本发明的有益效果是：本发明在底板与墩墙之间设置结构缝，实现底板与墩墙之间的分离，不再由底板分散墩墙所受集中荷载，因此可减薄底板厚度，减少开挖工程量和混凝土工程量；同时避免底板在混凝土施工过程中因温度应力导致的开裂情况；另外还可便于底板与墩墙的分开施工，降低施工难度以及便于后期对底板的检修、维护和更换等工作。另外，本发明通过设置排水孔，可进一步降低底板承受的扬压力。另外，通过设置锚固结构，进一步提高对底板的固定作用。另外，通过设置帷幕灌浆，阻断尾水管底板地基内的地下水，减少底板承受的扬压力。另外，通过将底板的底部设置为上拱的弧形结构，一方面便于底板和墩墙的底部平顺连接，减小开挖难度，另一方面又能避免岩体需要开挖尖角的情况，避免岩体应力集中。
附图说明
图1为本发明水电站尾水管结构的俯视图。
图2为图1中A-A截面的剖面示意图。
图3为图2中局部区域I的放大示意图。
图4为本发明水电站尾水管结构的主视图。
图5为现有技术中常规尾水管结构的剖面示意图。
图中标记为：墩墙1、结构缝2、底板3、排水孔4、岩体5、锚固结构6、帷幕灌浆7、顶板8、扩散区9、管段区10、管道11、弧形结构12、扩大部13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1至图4所示，本发明水电站尾水管结构，是指紧接反击式水轮机转轮出口的导水流道结构，引导从水轮机转轮流出的水流与下游尾水相连接。本发明水电站尾水管结构包括墩墙1和底板3，底板3与墩墙1之间设置结构缝2。结构缝2的作用是用于将底板3与墩墙1分开，这样可不再由底板3对墩墙1所受的集中载荷进行分散，进而可降低底板3内部应力，降低其所需厚度，减少对岩体5的开挖量以及混凝土用量。
具体的，本发明对结构缝2的缝隙宽度等没有严格限制，一般根据实际情况在浇筑混凝土时预留相应宽度的结构缝2即可，如可取结构缝2的宽度为1mm至1cm。
另外，本发明还可在底板3设置贯穿的排水孔4，即排水孔4从竖向贯穿底板3，这样可降低底板3所承受的扬压力，降低底板3的受力，确保其稳定。
另外，为了进一步提高底板3与其下方岩体5之间的连接稳定性，本发明可在底板3上布置锚固结构6，锚固结构6将底板3与底板3下方的岩体5锚固连接。具体的，锚固结构6采用为锚杆，锚杆的一端固定于底板3，锚杆的另一端伸入底板3下方的岩体5内一定深度。锚杆伸入岩体5的深度可根据具体情况进行设置，只要确保锚杆具有有效的锚固作用即可。
另外，在上述设置锚杆作为锚固结构6时，本发明可将锚杆在底板3呈正方形地均匀间隔分布，并且对于锚杆的选取可采用如下方式，如单根锚杆的横截面面积为A，有A＝kqS2/f；
其中：
k为锚杆抗拉安全系数，具体到设计计算过程中，一般取k＝2即可；
q为底板承受的荷载，即扬压力减去底板自重；
S为锚杆间距，即相邻两根锚杆之间的间距；
f为锚杆抗拉强度设计值。
当然，不失一般性，对于锚杆在底板3的分布，也可采用其它类似的分布方式间隔分布。
另外，不失一般性，本发明水电站尾水管结构还包括顶板8，如附图2所示，顶板8可与墩墙1由混凝土一体浇筑成型而成，底板3由混凝土浇筑而成。
另外，不失一般性，参照附图1，沿尾水管内的水流方向，尾水管结构为包括扩散区9和管段区10的结构，管段区10内包括多条管道11，例如附图1中设置三条管道11；并将多条管道11相互并列地与扩散区9相连。在上述结构中，底板3包括位于扩散区9的底板位于管段区10的底板，墩墙1包括位于扩散区9的墩墙和位于管段区10的墩墙；即位于扩散区9和位于管段区10的底板，只要与位于扩散区9和位于管段区10的墩墙有接触的部位，就分别设置结构缝2；例如参照附图1设置结构缝2。
更具体的，在上述结构中，还可进一步将位于扩散区9的底板与位于管段区10的底板之间分别设置结构缝2，如附图1所示。
另外，本发明还在尾水管出口端的底部设置帷幕灌浆7，即通过向位于尾水管出口端的底部的岩体5内灌浆，然后形成帷幕灌浆7结构，阻断尾水管底板3地基内的地下水，减少底板3承受的扬压力。
另外，本发明由于将底板3和墩墙1分开，因此墩墙1承受的压力集中到其底部，再作用于下方的岩体5。为了适当降低墩墙1底部的应力，参照附图3所示，本发明在墩墙1的底部设置扩大部13，即将墩墙1的底部扩宽，增加墩墙1底部与岩体5的接触面积，进而起到一定的分散受力的作用，以改善受力条件。当然，在墩墙1的底部设置扩大部13时，相应的结构缝2则设置在扩大部13与对应的底板3之间。另外，在墩墙1的底部设置扩大部13时，可将扩大部13与底板3的上表面齐平，如附图3中所示。
另外，由于本发明无需由底板3分散墩墙1所受集中荷载，因此底板3可设置为相对较薄的结构，具体如附图3所示，底板3的底部呈中部上拱的弧形结构12；并且底板3两侧伸入岩体5的深度与对应侧墩墙1的底部深度一致，这样可以使底板3相应的边沿与墩墙1平顺连接，可减小开挖难度，并避免在岩体5开挖尖角，避免岩体5应力集中。
Claims (6)
1.水电站尾水管结构，包括墩墙(1)、底板(3)和顶板(8)，顶板(8)和墩墙(1)由混凝土一体浇筑成型而成，底板(3)由混凝土浇筑而成；其特征在于：底板(3)与墩墙(1)之间设置将底板(3)与墩墙(1)分开的结构缝(2)，底板(3)设置有竖向贯穿底板(3)的排水孔(4)，底板(3)还布置锚固结构(6)，锚固结构(6)将底板(3)与底板(3)下方的岩体(5)锚固连接；尾水管出口端的底部设置有帷幕灌浆(7)。
2.如权利要求1所述的水电站尾水管结构，其特征在于：锚固结构(6)为锚杆，锚杆的一端固定于底板(3)，锚杆的另一端伸入底板(3)下方的岩体(5)内。
3.如权利要求2所述的水电站尾水管结构，其特征在于：锚杆在底板(3)呈正方形间隔分布，单根锚杆的横截面面积为A，有A＝kqS2/f；其中：
k为锚杆抗拉安全系数；
q为底板承受的荷载，即扬压力减去底板自重；
S为锚杆间距，即相邻两根锚杆之间的间距；
f为锚杆抗拉强度设计值。
4.如权利要求1所述的水电站尾水管结构，其特征在于：沿尾水管内的水流方向，尾水管结构包括扩散区(9)和管段区(10)，管段区(10)包括多条管道(11)，多条管道(11)相互并列地与扩散区(9)相连；底板(3)包括位于扩散区(9)的底板和位于管段区(10)的底板；墩墙(1)包括位于扩散区(9)的墩墙和位于管段区(10)的墩墙。
5.如权利要求4所述的水电站尾水管结构，其特征在于：位于扩散区(9)的底板与位于管段区(10)的底板之间设置有结构缝(2)。
6.如权利要求1至5任意一项所述的水电站尾水管结构，其特征在于：底板(3)的底部呈中部上拱的弧形结构(12)，墩墙(1)的底部设置有扩大部(13)，并且扩大部(13)与底板(3)的上表面齐平；底板(3)两侧伸入岩体(5)的深度与对应侧墩墙(1)的底部深度一致。
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