桩基溢流坝与铅丝石笼护坦的制作方法

本发明专利属于七大传统技术领域中的土木工程领域，涉及分类号是e02水利工程。本发明专利申请的是一种新的方案设计“桩基溢流坝与铅丝石笼护坦”。

本发明技术方案是针对一些流域河流暴雨突发性强、强度大、历时短，洪水陡涨陡落、冲击破坏力强的特点，设计出一种新的实用坝型，使工程设计做到安全适用、经济合理、技术先进、质量保证。

经过工作实践中的不断探索、方案比选、研究计算后发现一种新的方案设计“桩基溢流坝与铅丝石笼护坦”：即将混凝土灌注桩与wes实用堰结合作为基本坝型，坝后采用挑流消能方式，同时采用防洪工程中常用的铅丝石笼，作为防冲坑的铺垫材料护底，并在设计中控制好过坝单宽流量，能够很好的解决实际问题并且减小工程投资，满足水利工程建设任务的需要。在水利枢纽工程中可节省工程投资30%左右，目前还没有其他技术方案能够在规范要求的四个方面（安全适用、经济合理、技术先进、质量保证），达到本发明技术方案的同等水平。

背景技术：

最相近的现有技术方案（宽顶堰方案）

（1）宽顶堰方案的设计

拦河溢流坝采用宽顶堰方案。宽顶堰顶宽（顺水流方向）7.0m，堰顶末端接30°下倾角斜坡段。根据宽顶堰轴线长度（垂直水流方向），每隔24m设置一道伸缩缝，堰厚度2.3m，堰上游齿墙深4.1m，齿墙底宽0.5m，齿墙内边坡1:0.5。堰下游斜坡段齿墙深0.43m，齿墙底宽1.0m，齿墙内坡垂直。底板下设10cm素混凝土垫层及30cm砂砾石垫层。

消力池布置：宽顶堰下游接挖深式消力池，采用底流消能消减过堰水流的能量。消力池顺水流方向长度15.0m，消力池垂直水流方向长度504m；消力池底板设置伸缩缝，每块宽度均为24m。宽顶堰顶宽（顺水流方向）7.0m，接30°下倾角斜坡段，然后接14.5m水平段，消力池坎深为1m，消力池尾部上面设0.5米宽尾坎。消力池底板厚度0.5m上游齿墙底宽0.5齿墙深1.0m，齿墙内边坡1:1。消力池底板下游齿墙底宽0.5齿墙深1.0m。消力池底板下设10cm素混凝土垫层及30cm砂砾石垫层。

消力池下游设20.0m海漫。海漫坡度1:15，由50cm厚铅丝石笼和其下的20砾石cm垫层组成。防冲槽上下边坡均为1:1，底部设20cm砂砾石垫层，防冲槽由厚度80cm至2m的铅丝石笼填充，以抵抗水流冲刷。防冲槽下接河道。

（2）宽顶堰方案存在的问题及缺点。

与景观河道不同，在宽浅式天然河道上建拦河溢流坝，首先要考虑抵挡洪水的冲击，一般是采用混凝土重力坝坝型，即靠坝体自重以及基地的摩擦力来维持稳定，宽顶堰是常用的一种坝型。宽顶堰下游接挖深式消力池，采用底流消能消减过堰水流的动能。消力池下游设海漫及防冲槽。

宽顶堰方案存在的问题及缺点，首先是工程量大、开挖量大，工程投资较大，影响工程整体效益的发挥。其次是该方案对于宽度较宽（如百米以上）的天然河道，地基持力层岩性发生变化时，宽顶堰基底高程不在一个建基面上，另外增加工程变更资金投入，且影响工期进度。第三是工程建成后消力池的运行维护成本较高。

技术实现要素：

一、新方案的设计

（1）桩基溢流堰设计

拦河溢流坝采用桩基溢流堰方案设计，桩基溢流堰采用wes-i型实用堰，钢筋混凝土结构，堰体内空心部分回填浆砌石。堰体分段长度24m，堰高3.95m。堰基底设两排桩基，桩直径1.2m，桩长8.0m。

溢流实用堰表孔由上游曲线段、堰面曲线段、直线段以及反弧段组成。堰顶上游堰头为三圆弧曲线，堰顶下游堰面采用wes幂曲线，wes幂曲线方程为：

上、下游曲线详细参数见下表。直线段的坡度为1:1.3，反弧段采用圆弧曲线，圆弧半径为3m。

溢流实用堰下游铅丝石笼护底，采用挑流消能，反弧挑射角为25度，水流通过鼻坎挑出，进入下游河沟主槽。溢流实用堰下游不设消力池。

(2)桩基设计

根据新建溢流坝长度，每隔24m设置一道伸缩缝，即每段堰长度（垂直主流方向）24m。基本布置如下：每块堰体底部设两排桩基，共6根，桩基直径1.2m，深8m。

桩类型：挖（钻）孔摩擦桩，设计直径d=1.2m

桩排数n=2，列数m=3

桩排间距ln=4.45m，桩列间距wm=8.00m

冲刷线以下桩长h=8.00m，冲刷线以上桩长h0=0.00m

（3）堰后防冲刷加固措施

a冲刷坑深度的估算

实用堰冲刷计算，根据武汉大学水利水电学院《水力计算手册》第二版公式计算，冲刷坑最大深度的估算和安全挑距。

河床冲刷坑深度t的计算，我国目前较普遍采用的计算公式为

式中：t——冲刷坑深度，m；

q——单宽流量，m³/(s·m)

z——上、下游水位差，m;

hi——下游水深，m；

k——抗冲系数，它主要与河床的地质条件有关。

b许可的冲刷坑最大后坡

冲刷坑后坡定义为i=t/l1，t为冲刷坑深度，l1为总挑距。i值愈大对坝身的安全愈不利。许可的冲刷坑最大后坡ik值的确定，涉及工程地质条件，较为复杂。规范根据我国已建工程的实测资料提出：“冲坑上游侧影响范围，应按地质条件进行估计，根据经验，其数值约为2.5～5倍坑深”。亦即许可的最大后坡ik=1/2.5~1/5,当冲刷坑后坡i＜ik时，就认为冲刷坑不会危及坝身的安全。

c冲刷计算

经计算后，实用堰挑流的冲刷坑深度取1.m，挑距取14m。本次设计在溢流堰下游处布置14m长的铅丝石笼（厚度80cm）及砾石垫层（厚度20cm）防止冲刷。实用堰冲刷坑深度计算示意图见图2。

二、本发明的优点及有益效果

（1）桩基础与溢流堰的结合，较大幅度的减小了溢流堰横剖面面积，减小了工程量，

可降低工程造价。

（2）采用桩基础可以适应地基持力层岩性变化，使溢流堰基底高程建在一个基面上，减少工程变更的资金投入。

（3）挑流消能与铅丝石笼护坦的结合，使得水流在空中充分扩散后，跌落到远离坝脚的铅丝石笼护坦上冲击冲刷后，水流能量有一定的损耗，动能减小，流速减缓，因此对于坝后为天然河道（沟）的情况，则不必要再设消力池，这样不但工程运行维护通畅方便，而且可以较大幅度的减小工程投资。

（4）通过方案比较可知，拦河溢流坝采用“桩基溢流堰”设计，在水利枢纽工程中可节省工程投资30%。由于溢流堰在灌溉、防洪、引（供）水、生态景观等工程中广泛应用，故而能够产生良好的社会和经济效益。

附图说明

图1是桩基溢流坝与铅丝石笼护坦剖面图。

图2是实用堰冲刷坑深度计算示意图。