CN110004885B - 一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，属于水利水电工程坝体领域。本发明在河床中部设置主溢流坝段，两侧为次溢流坝段；坝体上游面铅直，下游面逐级收缩，形成台阶型跌坎，引导洪水流向下游，通过竖向高强铆钉群、横向高强铆钉群及及纵向高强铆钉群将若干个中空钢质块体的六个面与其周边的中空钢质块体组合成坝体，分别用四束锚索将各单竖列中空钢质块体锚固在地基内。本发明通过中空钢质块体组合坝体，坝体下游面可全坝段溢流，利用下游面的跌坎和各单竖列中空钢质块体顶部上表面设置的消能工消耗洪水动能，降低洪水对河床的冲刷；模块化的组合工艺能有效缩短施工工期，便于拆解坝体、更换受损块体部件。

Description

一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝
技术领域
本发明涉及一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，属于水利水电工程坝体技术领域。
背景技术
重力式挡水坝和拱坝的建筑材料为混凝土。混凝土为水泥集结骨料的工程复合材料，内部存在空隙不耐冲刷，传统的挡水坝分为溢流坝段和非溢流坝段，其中只有溢流坝段可宣泄洪水，光滑的溢流堰面使得洪水顺势而下的能量非常大，造成下游坝基处的消能工常常出现磨蚀等破坏，加剧下游河床的冲刷；混凝土坝体需要分坝段分块浇筑，且需要养护一定时间才能进行后续混凝土块体浇筑，使得传统的混凝土挡水坝的施工时间非常长；混凝土的抗压性能较强而抗拉性能较小，地震容易造成局部筑坝材料开裂、压碎，由于坝体为三维实体结构，很难判明震后材料受损范围，无法有效置换受损区域混凝土；因此，需要提出一种消能效率高、可快速装配、易于更换受损部件的新型挡水坝。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，来提高坝体溢流洪水时的消能效率、加快坝体施工进度、便于更换受损部件。
本发明技术方案是：一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，在河床中部设置主溢流坝段，两侧为次溢流坝段；坝体上游面铅直，下游面逐级收缩，形成台阶型跌坎，引导洪水流向下游，其中以中空钢质块体1替代混凝土，通过竖向高强铆钉群2、横向高强铆钉群3、纵向高强铆钉群将若干个中空钢质块体1的六个面与其周边的中空钢质块体1组合成坝体，分别用四束锚索4将各单竖列中空钢质块体1锚固在地基内。
进一步地，用四束锚索4将单竖列中空钢质块体1锚固在地基内时，调整锚索4的拉力使单竖列中空钢质块体1的重量和锚索4的拉力总和等效于同体积的混凝土重量。
进一步地，各单竖列中空钢质块体1角点处的单束锚索4的拉力计算式如下：
式中，P为各单竖列中空钢质块体1的单束锚索4的拉力，(kN)；γc和γs分别为混凝土和钢材的容重，(kN/m3)，计算时取γc＝24kN/m3，γs＝78kN/m3；β为中空钢质块体1内钢材体积占块体总体积百分比；a为中空钢质块体1的纵向和竖向的边长，(m)；n为单竖列中空钢质块体1的数量；m为中空钢质块体1的横向边长与纵向边长比值，则1：m等效于传统重力坝实用剖面下游坡度，1：m的值在传统重力坝常用下游坡度1：(0.6-0.8)范围内选取；
单束锚索4的横截面积计算式如下：
式中，As为单束锚索4横截面积，(mm2)；fy为锚索4的设计抗拉强度，(N/mm2)；ks为锚索4内钢绞线横截面积安全系数，(ks＞1)；
锚索(4)的锚固长度计算式如下：
式中，la，单束锚索4的锚固长度，(m)；R，单束锚索4的等效直径，(mm)；τ为折减后的锚索4注浆与基岩的粘结应力，(N/mm2)。
进一步地，所述中空钢质块体1表面涂刷防锈保护层。
进一步地，各单竖列中空钢质块体1顶部上表面设置有消能工5，用于消减下泄洪水的动能。
进一步地，所述中空钢质块体1体型为长方体。
进一步地，坝体纵向错位组合，有利于提高坝体的整体性；竖向依次堆叠，便于竖向更换单元部件。
本发明以中空钢质块体1模块组合成挡水坝的坝体，以中空钢质块体1的重量和锚索4的拉力作为抗滑力维持坝体的抗滑稳定。可根据《混凝土重力坝设计规范(SL 319-2018)》中的抗剪断强度计算式或抗剪强度计算式校验抗滑稳定性K′或K值，用材料力学法或有限元法计算中空钢质块体1组合坝体的应力，确保抗滑稳定安全系数及坝体中的应力满足规范的限值要求。由于钢材的抗拉强度和抗压强度远高于混凝土，建议适当放宽应力限值。
本发明能增大溢流宽度减小洪水下泄单宽流量，坝体下游面的折线型跌坎及其表面的消能设施进一步耗散水体动能，中空的钢质块体可快速组装坝体、易于更换受损部件。可用于修建拦河大坝。
本发明的有益效果是：本发明通过中空钢质块体组合坝体，坝体下游面可全坝段溢流，利用下游面的跌坎和各单竖列中空钢质块体顶部上表面设置有消能工消耗洪水动能，降低洪水对河床的冲刷；模块化的组合工艺能有效缩短施工工期，便于拆解、更换受损块体部件。
附图说明
图1是本发明次溢流坝横剖面图；
图2是本发明主溢流坝横剖面图；
图3是本发明坝体下游立视图；
图4是本发明坝体表述方向示意图。
图1-4中各标号：1-中空钢质块体，2-竖向高强铆钉群，3-横向高强铆钉群，4-锚索，5-消能工，6-上游开挖面，7-下游开挖面，8-两岸坝肩的地面线，9-主溢流坝两侧的导墙，10-次溢流坝与岸坡间的导墙，11-水流方向，12-横向，13-竖向，14-纵向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-4所示，一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，在河床中部设置主溢流坝段，两侧为次溢流坝段；坝体上游面铅直，下游面逐级收缩，形成台阶型跌坎，引导洪水流向下游，其中以中空钢质块体1替代混凝土，通过竖向高强铆钉群2、横向高强铆钉群3、纵向高强铆钉群将若干个中空钢质块体1的六个面与其周边的中空钢质块体1组合成坝体，分别用四束锚索4将各单竖列中空钢质块体1锚固在地基内。
进一步地，用四束锚索4将单竖列中空钢质块体1锚固在地基内时，调整锚索4的拉力使单竖列中空钢质块体1的重量和锚索4的拉力总和等效于同体积的混凝土重量。
进一步地，各单竖列中空钢质块体1角点处的单束锚索4的拉力计算式如下：
式中，P为各单竖列中空钢质块体1的单束锚索4的拉力，(kN)；γc和γs分别为混凝土和钢材的容重，(kN/m3)，计算时取γc＝24kN/m3，γs＝78kN/m3；β为中空钢质块体1内钢材体积占块体总体积百分比；a为中空钢质块体1的纵向和竖向的边长，(m)；n为单竖列中空钢质块体1的数量；m为中空钢质块体1的横向边长与纵向边长比值，则1：m等效于传统重力坝实用剖面下游坡度，1：m的值在传统重力坝常用下游坡度1：(0.6-0.8)范围内选取；
单束锚索4的横截面积计算式如下：
式中，As为单束锚索4横截面积，(mm2)；fy为锚索4的设计抗拉强度，(N/mm2)；ks为锚索4内钢绞线横截面积安全系数，(ks＞1)；
锚索(4)的锚固长度计算式如下：
式中，la，单束锚索4的锚固长度，(m)；R，单束锚索4的等效直径，(mm)；τ为折减后的锚索4注浆与基岩的粘结应力，(N/mm2)。
进一步地，所述中空钢质块体1表面涂刷防锈保护层。
进一步地，各单竖列中空钢质块体1顶部上表面设置有消能工5，用于消减下泄洪水的动能。
进一步地，所述中空钢质块体1体型为长方体。
进一步地，坝体纵向错位组合，有利于提高坝体的整体性；竖向依次堆叠，便于竖向更换单元部件。
本发明的坝体下游面可全坝段溢流，利用下游面的跌坎和消能工消耗洪水动能，选用轻质、高强、防锈材料制作坝体组合模块，选用中空轻质钢材，钢材表面涂刷防锈保护层。在河床中部设置主溢流坝段，洪水流量较小时可引导洪水流沿水体主流方向流动，洪水流量较大时可全坝段快速泄洪。模块化的组合工艺能有效缩短施工工期，便于拆解坝体、更换受损块体部件。本发明用锚索4将坝体底部单元锚固在地基内，利用单元自重与锚索拉力的合力作为阻滑力。
实施例2：如图1所示，一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，本实施例与实施例1相同，不同之处在于，采用了如下具体的参数设计本发明：
有一待建工程，工程规模为三等，主要建筑物等别为3等，设防烈度6度，挡水坝的建基面相对高程为0m，校核洪水位为36m，基岩为Ⅰ类岩体，抗剪参数f＝0.80，建基面处锚索4的抗剪力作为安全储备不计算在阻滑力内，中空钢质块体1的钢材体积占块体总体积百分比β＝0.25，距上游坝面5m处设置排水孔帷幕，渗透压力强度系数α＝0.20，下游水深忽略不计。
1、确定中空钢质块体(1)的尺寸为5m×5m×4m(纵向×竖向×横向)，坝体高度40m，下游坡度取为1:0.8；即a＝5m，n＝8，m＝0.8；
2、建基面开挖成符合中空钢制块体(1)的尺寸要求的形状；
3、计算荷载特殊组合(校核洪水位情况)下的坝基面抗滑稳定安全系数得K＝1.9，满足规范[K]>1.0的要求。
4、锚索4采用3ФS12.9，其极限强度标准值为fptk＝1960(N/mm2),单股钢绞线的公称横截面积为84.8(mm2)，钢绞线截面积安全系数取ks＝1.4，计算得各角点处单束锚索4的横截面积As＝80.4n(mm2)，n为单竖列中空钢制块体1的数量，因此取建基面上中空钢质块体每个角点处的单束锚索为n股钢绞线；
5、单束锚索4的等效直径R＝12.9(mm)；折减后的锚索4注浆与基岩的粘结应力τ＝2(N/mm2)，计算得单束锚索4的锚固长度la＝0.7n(m)，n为单竖列中空钢制块体1的数量；
6、钢材的抗拉、抗拉强度远高于混凝土材料，在β＝0.25的情况下未出现应力不满足要求的问题。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，其特征在于：在河床中部设置主溢流坝段，两侧为次溢流坝段；坝体上游面铅直，下游面逐级收缩，形成台阶型跌坎，引导洪水流向下游，其中以中空钢质块体(1)替代混凝土，通过竖向高强铆钉群(2)、横向高强铆钉群(3)、纵向高强铆钉群将若干个中空钢质块体(1)的六个面与其周边的中空钢质块体(1)组合成坝体，分别用四束锚索(4)将各单竖列中空钢质块体(1)锚固在地基内；
用四束锚索(4)将单竖列中空钢质块体(1)锚固在地基内时，调整锚索(4)的拉力使单竖列中空钢质块体(1)的重量和锚索(4)的拉力总和等效于同体积的混凝土重量；
各单竖列中空钢质块体(1)角点处的单束锚索(4)的拉力计算式如下：
式中，P为各单竖列中空钢质块体(1)的单束锚索(4)的拉力，(kN)；γc和γs分别为混凝土和钢材的容重，(kN/m3)，计算时取γc＝24kN/m3，γs＝78kN/m3；β为中空钢质块体(1)内钢材体积占块体总体积百分比；a为中空钢质块体(1)的纵向和竖向的边长，(m)；n为单竖列中空钢质块体(1)的数量；m为中空钢质块体(1)的横向边长与纵向边长比值，则1：m等效于传统重力坝实用剖面下游坡度，1：m的值在传统重力坝常用下游坡度1：(0.6-0.8)范围内选取；
单束锚索(4)的横截面积计算式如下：
式中，As为单束锚索(4)横截面积，(mm2)；fy为锚索(4)的设计抗拉强度，(N/mm2)；ks为锚索(4)内钢绞线横截面积安全系数，ks＞1；
锚索(4)的锚固长度计算式如下：
式中，la，单束锚索(4)的锚固长度，(m)；R，单束锚索(4)的等效直径，(mm)；τ为折减后的锚索(4)注浆与基岩的粘结应力，(N/mm2)；
所述中空钢质块体(1)体型为长方体。
2.根据权利要求1所述的全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，其特征在于：所述中空钢质块体(1)表面涂刷防锈保护层。
3.根据权利要求1所述的全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，其特征在于：各单竖列中空钢质块体(1)顶部上表面设置有消能工(5)，用于消减下泄洪水的动能。
4.根据权利要求1所述的全坝段溢流、锚索固定式模块化组合挡水坝，其特征在于：坝体纵向错位组合，有利于提高坝体的整体性；竖向依次堆叠，便于竖向更换单元部件。
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