一种水垫塘结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种水垫塘结构及其施工方法，属于水利水电工程结构设计领域。

背景技术：

水垫塘一般通过在下游修筑二道坝而形成深厚的水垫，从而保护消力池底板不受高水头水流的冲刷破坏，属于新型的消能工。主流的动能通过紊动剪切和扩散作用不断地传递给紊流脉动和塘内的大尺度旋涡区的滚动，同时在这种能量的传递、再分配过程中伴随因时均剪切作用引起的粘性耗散，这是一种安全经济的消能方式。

现有的水垫塘一般采用钢筋混凝土结构，为保证消力池抗浮稳定，常常采取布置大量基础插筋以增加地基有效锚固重或增加消力池厚度等措施，对于下游水深较大的工程，还在消力池四周布置帷幕灌浆系统、排水系统和抽排设施来降低消力池底板扬压力，另外，钢筋混凝土消力池在运行期还面临着枯期检修维护问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种水垫塘结构及其施工方法，该水垫塘结构及其施工方法是在大坝下游水垫塘内根据挑距范围和冲刷坑深度预先挖出一定平面范围和深度的坑塘，不布置钢筋混凝土消力池底板，不布置消力池帷幕灌浆系统和排水系统，降低了工程投资，缩短了消力池工期。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种水垫塘结构，包括大坝；所述大坝的一侧设有水舌，水舌位于地面线上，在水舌的下方设有混凝土护脚、水垫塘开挖边线，混凝土护脚、水垫塘开挖边线位于地面线下；所述混凝土护脚的一侧与水舌相连，混凝土护脚的另一侧与大坝的坝脚相连；所述水垫塘的一侧与水舌相连，水垫塘、混凝土护脚处于同一水平位置，互不相连；所述混凝土护脚两侧边坡分别设有护坡。

所述大坝、水舌、混凝土护脚形成一体。

所述大坝、水垫塘为四边形。

所述混凝土护脚为钢筋混凝土材质。

基于一种水垫塘的施工方法，所述水垫塘的施工步骤如下：

①确定水垫塘的位置：根据泄洪系统布置确定水垫塘的宽度，根据水力学计算或水工模型试验成果确定水舌的最小挑距和最大挑距，从而确定水垫塘的长度及平面布置，进行水垫塘开挖边线的开挖；

②计算水垫塘的深度：通过冲坑深度计算确定水垫塘的深度；

③开挖水垫塘：根据上述计算确定水垫塘的结构尺寸，进行开挖；

④对水垫塘预充水：水垫塘开挖完成后，对其进行预充水。

所述水力学的计算公式为：

所述式中l为水舌抛距，v1为坎顶水面流速，h1为坎顶垂直方向水深，h2为坎顶至河床面高差，θ为鼻坎挑角。

所述所述v1的计算公式为：

其中，φ为堰面流速系数，h0为水库水位至顶坎的落差。

本发明的有益效果在于：通过水力学计算确定各工况下泄洪水流的挑距和冲坑深度，然后通过水工模型试验等方法验证水舌落点范围和冲刷情况，在大坝下游水垫塘内根据上述方法确定的挑距范围和冲刷坑深度预先挖出一定平面范围和深度的坑塘，不设置钢筋混凝土消力池底板，解决了抗浮稳定的问题，不设置帷幕灌浆系统、排水系统、抽排系统以及监测系统，减少了混凝土、基础插筋、钢筋、固结灌浆、帷幕灌浆、排水孔等工程量，降低了工程投资，缩短了消力池工期，降低施工期安全风险，有效避免了运行期的消力池检修的问题，适用于高水头、大流量、采用坝身泄洪系统的重力坝工程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本方面的剖面示意图；

图中：1-大坝，2-水舌，3-水垫塘，4-混凝土护脚，5-地面线，6-水垫塘开挖边线，7-护坡。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1和图2所示，一种水垫塘结构，包括大坝1；所述大坝1的一侧设有水舌2，水舌2位于地面线5上，在水舌2的下方设有混凝土护脚4、水垫塘开挖边线6，混凝土护脚4、水垫塘开挖边线6位于地面线5下；所述混凝土护脚4的一侧与水舌2相连，混凝土护脚4的另一侧与大坝1的坝脚相连；所述水垫塘3的一侧与水舌2相连，水垫塘3、混凝土护脚4处于同一水平位置，互不相连，且水垫塘3不设置钢筋混凝土底板，解决了抗浮稳定的问题，不布置帷幕灌浆系统和排水系统，减少了混凝土、基础插筋、钢筋、固结灌浆、帷幕灌浆、排水孔等工程量，有效避免了运行期的消力池检修的问题，在水垫塘3与坝脚之间应设有一定的混凝土底板，保护坝脚不受小流量(常遇洪水)的冲刷；所述混凝土护脚4两侧边坡分别设有护坡7。

其中，所述大坝1、水舌2、混凝土护脚4形成一体，便于维护；所述大坝1、水垫塘3为四边形；所述混凝土护脚4为钢筋混凝土材质，紧固护脚，加强其使用寿命。

基于一种水垫塘的施工方法，所述水垫塘3的施工步骤如下：

①确定水垫塘3的位置：根据泄洪系统布置确定水垫塘3的宽度，根据水力学计算或水工模型试验成果确定水舌2的最小挑距(库水位为常遇洪水时的挑距，常遇洪水根据建筑物级别确定)和最大挑距(库水位为校核洪水位时的挑距)，从而确定水垫塘3的长度及平面布置，进行水垫塘开挖边线6的开挖，水垫塘3距离坝脚的距离应满足各设计工况下的冲刷后坡要求，以确保坝基稳定；

②计算水垫塘3的深度：通过冲坑深度计算确定水垫塘3的深度，更加精确，减小误差，保证效果；

③开挖水垫塘3：根据上述计算确定水垫塘3的结构尺寸，进行开挖；

④修筑混凝土护脚4和护坡7：在大坝1坝脚与水垫塘3之间修筑浇筑钢筋混凝土混凝土护脚4，水垫塘3两岸边坡修筑护坡7，以满足抗冲刷要求；

⑤对水垫塘3预充水：水垫塘3开挖完成后，对其进行预充水，以确保水垫形成。

其中，所述水力学的计算公式为：其中，l为水舌抛距，如有水流向心集中影响者，则抛距还应乘以0.90～0.95的折减系数，v1为坎顶水面流速，按鼻坎处平均流速的1.1倍计算，h1为坎顶垂直方向水深，h2为坎顶至河床面高差，若冲坑已形成，可算至坑底，θ为鼻坎挑角；所述所述v1的计算公式为：其中，φ为堰面流速系数，h0为水库水位至顶坎的落差，使用公式算出来的水垫塘3的各个参数更加适应各种不同的环境和状态，满足不同的需求，使其修筑更加方便快捷，且水垫塘3产生的效果最佳。