CN111663501A - 一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构及其施工方法，该水闸下游消能结构包括消力池，所述消力池由下到上依次包括垫层、绿化混凝土反滤层和钢筋混凝土消力池底板，所述钢筋混凝土消力池底板设置有排水孔。所述排水孔内浇筑绿化混凝土。本发明将绿化混凝土设置在钢筋混凝土消力池底板和垫层之间，利用绿化混凝土内部丰富的连通孔隙排出底板下的承压水；同时由于孔隙曲折且孔隙大小较沙砾石更细小，使沙砾石无法通过，可以起到反滤作用，防止沙砾石沉陷、移位，而且与土工布相比，绿化混凝土反滤层的孔隙更大，不容易淤堵。

Description

一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构及其施工方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构及其施工方法。

背景技术

在水闸闸门开启瞬间，闸前水流在高水头的作用下，高速下泄，具有巨大的动能，对下游护坦和海漫产生剧烈的冲刷和扰动，导致破坏，为了消除下泄水流的动能，促使在泄水建筑物下游产生底流式水跃，必须在闸室后护坦前布置消力池。

为了降低水闸前后水头差对消力池底板产生的巨大扬压力，消力池底板必须布置一定数量的排水孔。排水孔在排出消力池底板下承压水、消解扬压力的过程中，压力水也会将消力池底板下的泥沙带出，导致底板地基被淘空，消力池底板破坏。因此，底板下通常会采用“铺筑砂砾石层+土工布”的方式进行反滤，避免泥沙被带出造成的底板地基被淘空。传统的消力池底板构造五层组成，由下往上依次“碎石垫层+反滤土工布+砂砾石层+混凝土垫层+钢筋混凝土底板”。经过较长一段时间的运行后，砂砾石由于是散体结构，容易因水流影响和地基变形而产生沉陷、移位，导致反滤功能降低而失效；土工布因老化、尖锐物刺破、地基沉陷变形，也会导致反滤功能降低而失效；同时土工布由于孔隙细小致密，在低水头时，容易被淤泥堵住，导致高水头时，承压水不能顺利排出，导致淤堵失效，土工布淤堵也会导致排水孔淤堵，加重了反滤失效的程度，加快了反滤失效的进程，最终导致功能完全丧失。消力池底板反滤功能降低和丧失导致了大量的工程事故，造成了巨大的损失。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，具有优异的反滤功能且不容易发生淤堵。

本发明的第二个目的是提供一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构的施工方法。

绿化混凝土具有大量的曲折的连通孔隙，发明人发现，利用绿化混凝土可以排出消力池底板下的承压水，且由于绿化混凝土的孔隙尺寸较普通沙砾更小、曲折迂回，沙砾不能通过，因此可以起到反滤作用，防止沙砾流失；同时绿化混凝土的孔隙尺寸较传统的土工布的孔隙更大，不容易发生淤堵。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，包括消力池，所述消力池由下到上依次包括垫层、绿化混凝土反滤层和钢筋混凝土消力池底板，所述钢筋混凝土消力池底板设置有排水孔。

相对于现有技术，本发明在钢筋混凝土消力池底板和垫层之间设置绿化混凝土反滤层，利用绿化混凝土内部丰富的连通孔隙排出钢筋混凝土底板下的承压水；同时由于孔隙曲折且孔隙大小较沙砾石更细小，使沙砾石无法通过，可以起到反滤作用，防止垫层中的沙砾石沉陷、移位。而且，与土工布相比，绿化混凝土反滤层的孔隙更大，不容易淤堵；绿化混凝土反滤层相较土工布不会被刺破损坏，且刚度更大，整体性好，不容易随地基砂石沉陷；与碎石反滤层相比，绿化混凝土反滤层整体性好，不会产生沉陷、移位失效，不会导致消力池底板塌陷。

所述排水孔内浇筑绿化混凝土。通过在钢筋混凝土消力池底板的排水孔中浇筑绿化混凝土，不仅可以起到反滤作用，也可以避免排水孔被水流中的砾石堵住导致失效。

所述消力池的钢筋混凝土消力池底板上设置有消力池壁；所述水闸下游消能结构还包括消力墩，所述消力墩设置在所述钢筋混凝土消力池壁上。通过在钢筋混凝土底板上设置消力池壁，形成消力池，蓄积水分，使水闸上游下泄的高速水流产生潜流消能；通过在消力池壁上设置消力墩，利用水流在消力墩上发生的冲击可将水流变成多股不同流向、不同流速的水流，不同流向、不同流速的水流再相互交织，有利于消散水流动能。

所述水闸下游消能结构还包括钢筋石笼海漫，所述钢筋石笼海漫设置在所述消力墩下游。通过沿水流方向在消力墩下游设置钢筋石笼海漫，可保护下游河床，防止水流冲刷。而且采用钢筋石笼制成海漫，与砌石海漫相比，整体性好，不会局部坍陷、损坏；与混凝土海漫相比，排水性好，不会产生局部管涌破坏；基底扬压力小，不会产生底板翻起；整体柔性，可随地基整体变形，不会产生脱空。

所述绿化混凝土反滤层与钢筋混凝土消力池底板之间还设置有土工布。通过设置土工布可加强反滤作用。

所述垫层厚度为80～300mm。

所述绿化混凝土反滤层厚度为150～300mm。

所述钢筋混凝土消力池底板厚度为50～150cm。

所述排水孔直径为80～150mm。

所述排水孔数量为两个或两个以上，相邻两个所述排水孔间距1000～3000mm。

一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构的施工方法，包括如下步骤：

1)在地基上铺筑级配碎石或砂砾石，形成垫层；

2)在垫层上浇筑绿化混凝土，形成绿化混凝土反滤层；

3)在绿化混凝土反滤层上浇筑钢筋混凝土，在浇筑过程中预留排水孔，形成设有排水孔的钢筋混凝土消力池底板。

步骤3)后还包括步骤：在排水孔内浇筑绿化混凝土。

步骤3)后还包括步骤：在所述钢筋混凝土底板上浇筑消力池壁；在消力池壁上浇筑消力墩。

步骤3)后还包括步骤：在消力墩下游铺装内部填充有石料的钢筋石笼，将相邻的钢筋石笼相互连接成为整体，形成钢筋石笼海漫。

所述级配碎石粒径级配规格为5～20mm、16～31.5mm、20～40mm、5～25mm、5～31.5mm、5～40mm中的任意一种或任意几种的任意比例组合。当使用级配碎石铺筑垫层时，所形成的碎石垫层厚度为80～200mm。

所述砂砾石压碎值不大于10％，针片状颗粒含量(按质量计)不大于10％、含泥量(按质量计)不大于0.8％、表观密度不小于2500kg/m³、紧装堆积密度不小于1350kg/m³、空隙率不大于45％。当使用砂砾石铺筑垫层时，所述形成的砂砾石垫层厚度为100～300mm。

所述绿化混凝土的配合比参数为：粗集料用量为1350～1600kg/m³；无砂；胶凝材料用量为180～350kg/m³；单位用水量80～120kg/m³；水胶比0.25～0.35；矿渣粉掺量为胶凝材料质量的0～50％；硅灰掺量为胶凝材料质量的0～12％；粉煤灰掺量为胶凝材料质量的0～25％；减水剂掺量为胶凝材料质量的0.6％～2.5％；引气剂掺量为胶凝材料质量的0～0.1％。所述粗集料级配为5～20mm、5～31.5mm中的任意一种或两种的任意组合。

或者，所述绿化混凝土的配合比参数为：粗集料用量为1350～1600kg/m³；无砂；胶凝材料用量为180～350kg/m³；单位用水量80～120kg/m³；水胶比0.25～0.35；硅灰掺量为胶凝材料质量的0～15％；矿渣粉掺量为胶凝材料质量的0～50％；粉煤灰掺量为胶凝材料质量的0～25％；减水剂掺量为胶凝材料质量的0.6％～2.5％；有机纤维0.2～0.9kg/m³。所述粗集料级配为5～20mm、5～31.5mm中的任意一种或两种的任意组合。

本发明采用特定配比的原料制成绿化混凝土，原料中不使用砂，使绿化混凝土内部产生大量迂回的连通孔隙，并采用粒径为5～20mm、5～31.5mm的级配粗集料控制绿化混凝土内部连通孔隙的尺寸和曲折迂回程度，硬化后的绿化混凝土孔隙率达到25％～38％，孔隙大小分布在2～10mm之间。

所述绿化混凝土所用的水泥为普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的任意一种或多种；水泥强度等级为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R的任意一种或多种。

所述硅灰总碱量不大于1.5％、二氧化硅含量不小于85％、氯含量不大于0.1％、含水量(粉料)不大于3.0％、含固量(液料)生产控制值的±2.0％、烧失量不大于4.0％、需水量比不大于125％、比表面积(BET法)不小于15m²/kg、活性指数(7天快速法)不小于105％、抑制碱骨料反应性14天膨胀率降低值不小于35％、抗氯离子渗透性28天电通量之比不大于40％。

所述粉煤灰为Ⅰ级和/或Ⅱ级粉煤灰。

所述矿渣粉为S95和/或S105级矿渣粉。

所述减水剂为木质素磺酸盐类减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂，脂肪酸系减水剂、聚羧酸系减水剂中的任意一种或多种。

所述引气剂选自松香衍生物及磺酸盐。

所述水为天然水、自来水、中水中的任意一种或多种。

所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维中的任意一种或几种。

所述钢筋混凝土强度等级为C25～C50，配筋率0.5％～1.5％。

所述消力池壁及消力墩由强度等级C25～C60，配筋率0.5％～1.5％的钢筋混凝土浇筑而成。

所述钢筋石笼长度为500～1500mm，高度为300～1000mm，宽度为300～1000mm。

填充于所述钢筋石笼内的石料的软化系数不小于0.7，饱和抗压强度不小于50MPa；块体密度不小于2400kg/m³，最大吸水率不大于10％；所述石料中值粒径宜介于1.5D～2.0D之间(D为钢筋石笼网孔尺寸)，粒径大于1.0D的石料占比在85％以上。所述石料可采用新鲜或微风化或弱风化的石料。

所述石料填充至所述钢筋石笼后，空隙率不小于35％。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)能够有效排出钢筋混凝土底板下的承压水，减小水流对钢筋混凝土的冲击力。

(2)避免砂石流失，防止内陷、移位现象。

(3)防淤堵。

(4)工艺简单，材料易得，工期短，养护简单，维护方便，成本低

附图说明

图1为实施例1的水闸下游消能结构的结构示意图；

图2为实施例2的水闸下游消能结构的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

参看图1，本实施例提供一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，所述水闸下游消能结构包括消力池。所述消力池建在水闸下游的夯实的地基10上，由下到上依次包括沙砾石垫层11、绿化混凝土反滤层12、土工布13、钢筋混凝土消力池底板14。所述钢筋混凝土消力池底板14设置有若干个排水孔15，所述排水孔内浇筑绿化混凝土(图1中未示出)；所述钢筋混凝土消力池底板14上设有消力池壁(图1中未示出)，所述消力池壁与钢筋混凝土消力池底板14形成池子的结构。

其中砂砾石垫层厚度为100～300mm，绿化混凝土反滤层厚度为150～300mm，钢筋混凝土底板厚度为500mm～150cm。排水孔直径为80～150mm，相邻两个所述排水孔间距1000～3000mm。

本实施例的水闸下游消能结构的施工方法包括如下步骤：

1)地基加固、整平；

2)在地基上铺筑砂砾石，形成砂砾石垫层；

3)在砂砾石垫层上浇筑绿化混凝土，形成绿化混凝土反滤层；

4)在绿化混凝土反滤层上铺设土工布，然后在土工布上浇筑钢筋混凝土，在浇筑过程中预留排水孔，形成设有排水孔的钢筋混凝土消力池底板；

5)在排水孔内浇筑绿化混凝土；

6)在钢筋混凝土消力池底板上浇筑消力池壁。

所述砂砾石压碎值不大于10％，针片状颗粒含量(按质量计)不大于10％、含泥量(按质量计)不大于0.8％、表观密度不小于2500kg/m³、紧装堆积密度不小于1350kg/m³、空隙率不大于45％。

所述绿化混凝土的配合比参数为：粗集料用量为1350～1600kg/m³；无砂；胶凝材料用量为180～350kg/m³；单位用水量60～120kg/m³；水胶比0.25～0.35；硅灰掺量为胶凝材料质量的0～15％；矿渣粉掺量为胶凝材料质量的0～50％；粉煤灰掺量为胶凝材料质量的0～25％；高效减水剂掺量为胶凝材料质量的0.6％～2.5％；有机纤维0.2～0.9kg/m³。所述粗集料级配为5～20mm、5～31.5mm中的任意一种或两种的任意组合。

所述绿化混凝土所用的水泥为普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的任意一种或多种；水泥强度等级为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R的任意一种或多种。

所述粉煤灰为Ⅰ级和/或Ⅱ级粉煤灰。

所述矿渣粉为S95和/或S105级矿渣粉。

所述减水剂为木质素磺酸盐类减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂，脂肪酸系减水剂、聚羧酸系减水剂中的任意一种或多种。

所述引气剂选自松香衍生物及磺酸盐。

所述水为天然水、自来水、中水中的任意一种或多种。

所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇纤维、芳纶纤维中的任意一种或几种。

所述钢筋混凝土强度等级为C25～C50，配筋率0.5％～1.5％。

采用不同配比参数和不同原料所制备得到的绿化混凝土如下表所示：

表1.绿化混凝土原料配比及性能

(注：表1中粗集料级配为5～31.5mm；水泥为52.5等级的普通硅酸盐水泥；水为天然水；硅灰总碱量不大于1.5％、二氧化硅含量不小于85％、氯含量不大于0.1％、含水量(粉料)不大于3.0％、含固量(液料)生产控制值的±2.0％、烧失量不大于4.0％、需水量比不大于125％、比表面积(BET法)不小于15m²/kg、活性指数(7天快速法)不小于105％、抑制碱骨料反应性14天膨胀率降低值不小于35％、抗氯离子渗透性28天电通量之比不大于40％；矿渣粉为S95级矿渣粉；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰；减水剂采用聚羧酸系减水剂；引气剂为磺酸盐；有机纤维为聚丙烯纤维。)

表1绿化混凝土的性能说明，绿化混凝土层内部具有丰富的连通孔隙，能够排出钢筋混凝土底板下的承压水；同时由于孔隙曲折且孔隙大小较沙砾石更细小，使沙砾石无法通过，可以起到反滤作用，防止沙砾石沉陷、移位。与土工布相比(土工布孔隙小于0.1mm)，绿化混凝土反滤层的孔隙更大，不容易淤堵；同时，绿化混凝土反滤层相较土工布不会被刺破损坏，且刚度更大，整体性好，不容易随地基砂石沉陷。

实施例2

参看图2，本实施例提供一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，建在水闸下游夯实的地基20上。所述水闸下游消能结构沿水流方向依次包括消力池21、若干个消力墩22、钢筋石笼海漫23。

所述消力池21由下而上依次包括碎石垫层211、绿化混凝土反滤层212和土工布213，所述土工布213上设置有钢筋混凝土消力池底板214，所述钢筋混凝土消力池底板214设置有若干个排水孔215，且所述钢筋混凝土消力池底板214上设置有消力池壁216，所述消力池壁216与钢筋混凝土消力池底板214形成池子的结构。

所述若干个消力墩22间隔地设置在所述消力池壁216上。

所述钢筋石笼海漫23设置在所述消力墩26下游。其中，碎石垫层度为80～200mm；绿化混凝土反滤层厚度为150～300mm；钢筋混凝土消力池底板厚度为500mm～150cm；排水孔直径为80～150mm，相邻两个所述排水孔间距1000～3000mm；钢筋石笼海漫高度为300～1000mm；消力池壁高度0.5～1.5m；消力墩高度为0.3～0.8m。

本实施例的水闸下游消能结构的施工方法包括如下步骤：

1)地基加固、整平；

2)在地基上铺筑级配碎石，形成碎石垫层；

3)在碎石层上浇筑绿化混凝土，形成绿化混凝土反滤层；

4)在绿化混凝土反滤层上铺设土工布，然后在土工布上浇筑钢筋混凝土，在浇筑过程中预留排水孔，形成设有排水孔的钢筋混凝土消力池底板；

5)在排水孔内浇筑绿化混凝土；

6)在钢筋混凝土底板上浇筑消力池壁，形成消力池；

7)在消力池壁上间隔地浇筑消力墩；

8)在消力墩下游的地基上铺设钢筋石笼，在钢筋石笼内填充石料，然后将钢筋石笼封盖，并将相邻的钢筋石笼相互连接成为整体，形成钢筋石笼海漫。

所述级配碎石粒径规格为5～20mm、16～31.5mm、20～40mm、5～25mm、5～31.5mm、5～40mm中的任意一种或多种。

所述消力池壁及消力墩由强度等级C25～C60，配筋率0.5％～1.5％的钢筋混凝土浇筑而成。

所述钢筋石笼长度为500～1500mm，高度为300～1000mm，宽度为300～1000mm。用于制作所述钢筋石笼的框体的钢筋选自带肋钢筋、光圆钢筋、圆盘条、镀锌钢筋、镀锌钢丝中的一种，所述钢筋直径为6～25mm。

填充于所述钢筋石笼内的石料的软化系数不小于0.7，饱和抗压强度不小于50MPa；块体密度不小于2400kg/m³，最大吸水率不大于10％；所述石料中值粒径宜介于1.5D～2.0D之间(D为钢筋石笼网孔尺寸)，粒径大于1.0D的石料占比在85％以上。所述石料可采用新鲜或微风化或弱风化的石料。所述石料填充至所述钢筋石笼后，空隙率不小于35％。石料应垒砌稳固、密实，上表面最高处突出5cm左右，盖上封盖，与侧面笼体连接牢固。

其他材料与实施例1相同。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：包括消力池，所述消力池由下到上依次包括垫层、绿化混凝土反滤层和钢筋混凝土消力池底板，所述钢筋混凝土消力池底板设置有排水孔。

2.根据权利要求1所述具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：所述排水孔内浇筑绿化混凝土。

3.根据权利要求1所述具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：所述钢筋混凝土消力池底板上设置有消力池壁；所述水闸下游消能结构还包括消力墩，所述的消力墩设置在所述消力池壁上。

4.根据权利要求3所述具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：所述水闸下游消能结构还包括钢筋石笼海漫，所述钢筋石笼海漫设置在所述消力墩下游。

5.根据权利要求1所述具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：所述绿化混凝土反滤层与钢筋混凝土消力池底板之间还设置有土工布。

6.根据权利要求1～5任意一项所述具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构，其特征在于：所述绿化混凝土反滤层厚度为150～300mm。

7.一种具有防淤堵反滤功能的水闸下游消能结构的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在地基上铺筑级配碎石或砂砾石形成垫层；

2)在垫层上浇筑绿化混凝土，形成绿化混凝土反滤层；

3)在绿化混凝土反滤层上浇筑钢筋混凝土，在浇筑过程中预留排水孔，形成设有排水孔的钢筋混凝土消力池底板。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：步骤3)后还包括步骤：在排水孔内浇筑绿化混凝土。

9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于：步骤3)后还包括步骤：在所述钢筋混凝土消力池底板上浇筑消力池壁；在消力池壁上浇筑消力墩。

10.根据权利要求9所述的施工方法，其特征在于：骤3)后还包括步骤：在所述消力墩下游铺装内部填充有石料的钢筋石笼，将相邻的钢筋石笼相互连接成为整体，形成钢筋石笼海漫。

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