专利名称：拉索支墩钢构坝的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种钢构坝。
背景技术：
钢构坝作为一种挡水建筑物，至今已有百余年历史。在最初期的钢构坝中，面板与构件间采用焊接或螺栓连接，它充分利用钢材强度高、柔性好的特点，使坝体具有非常好的整体性与柔韧性，可以更适应水体的变形要求，是一种先进的坝工新技术。美国曾于1897年10月7日建成了 Ashfork steel dam,该坝总长91. 4m,钢构坝部分高14m,长56m,钢构坝两端设砌石重力坝，为世界上最早的钢构坝之一。1900 1960年，在澳大利亚、英国等相继建成几座钢构坝，最大坝高在20m以上。上述所建钢构坝均为斜面坝，坝面后采用桁架支撑系统。由于对基础要求较高，且枢纽布置不灵活，加之钢结构加工和施工技术限制，此后 钢构坝的发展受到了较大限制，仅针对较低水头(<20m)进行了尝试。直到1997年，在荷兰建成的梅斯兰大坝前，2道可开启式扇形浮动钢结构坝体高达22米，400多米的长度相当于一座埃菲尔铁塔，重量却是埃菲尔铁塔的2倍。2003年日本还出现一种支墩坝，坝高在36m左右，是已建的世界最高钢构坝。实质上，近期出现的这种巨型钢结构更多的类似于闸门，而与坝工结构相差较远，其不可能适应于较高水头(MOm)和较大泄量OlOOOm3)情况。在我国，目前钢构坝方面的研究和实践都还处于起步阶段，已有的有关钢构坝(或钢坝)的报道主要针对景观河道等的低水头工程，这种类型的钢构坝与钢闸门类似，主要通过支墩固定钢结构，底部则通过钢筋混凝土结构与基础相连，其应用只能局限于较低水头，泄水则是自动溢流或通过专门的泄水建筑物。魏群等对以钢结构为主的挡水建筑物进行了较多探索性研究，其提出钢构坝新形式容易实现工业化制造安装，能够加快工程进度，具有一定的技术经济性，但适应性仍局限于较低水头。总体来看，随着挡水水头和下泄水量的增加，钢构坝在坝体设计、施工、维护等方面出现了很多新问题，目前尚没有能满足高水头(>70m)的钢构坝形式。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种拉索支墩钢构坝，克服现有钢构坝形式在挡水水头较高时难以满足坝体应力、变形控制要求，钢构坝的稳定性能突出的问题。本发明的技术方案为一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。所述支墩高度为7(Tl20m，沿坝轴线长度为8 20m ;沿水流向底宽为25 40m ;支墩间距为6 10m。
所述泄水结构物采用表孔或倒虹吸形式泄洪，宽度为6 18m ;支墩下游坡度在I :
O.5^1:1间取值。所述支墩上布置拉索排数在6 14排，每排2 4根，避免布置单根拉索，拉索的长度在10(T400m之间。所述挡水钢结构主要由面板、主梁、次梁、横隔板组成，次梁支撑横隔板，与主梁间隔布置，主梁、次梁、横隔板交叉形成梁格，钢结构的形式为拱形、半圆弧形或平面形式。单坝段挡水钢结构长度为6 10m，高度为68 118m ;主梁为8 16根，采用实腹式组合梁，次梁采用槽钢截面形式，布置Γ8根，横隔板按I. (Γ2. Om等间距布置，选用钢面板厚度在2(T30mm之间。所述挡水钢结构设置斜向杆进行支撑。 所述挡水钢结构与支墩采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，槽内设止水。所述垫座内设有基础灌浆廊道，垫座和支墩之间采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座与上部钢结构之间采用轮式支承或滑动支承进行连接。垫座底高度为l(T20m，底宽为25 40m，其上游面铅直，下游坡度比为I: O. 5 I: I之间，所述基础灌浆廊道断面形状采用城门洞型，廊道的上游壁离上游侧面的距离取ΓΙΟπι ；基础灌浆廊道距基岩面距离取3飞m。本发明拉索支墩钢构坝的主要特征在于通过连接在一起的拉索支墩，将钢结构面板承担的高压力水头分散传递到地基上。由于多根锚索与基础分散连接，可避免拉力集中传递引起的基础承载力不足，同时，钢筋混凝土支墩可承担绝大部分竖向压力和部分水平荷载；钢结构面板仅承担小部分向基础传力功能，可避免大变形和应力集中引起的安全问题。与现有技术相比，本发明的有益效果是现有的钢构坝形式仅能作为低水头挡水建筑物，其功能要求(防洪、发电、航运等)受到极大限制。本发明具有枢纽布置灵活、结构简单且稳定可靠的特点，能适应于较高(>70m)挡水水头和较大泄量。支墩和垫座均可布置泄洪建筑物，可避免布设溢洪道、泄洪洞等引起的大规模开挖，枢纽布置灵活；拉索和支墩可以抵消大部分的水荷载，垫座可保证坝体与基础可靠连接，结构稳定性较好。在相同外部条件和功能要求下，针对70m坝高，通过与传统混凝土重力坝进行方案对比，可节省工程投资15%以上。
图I为本发明拉索支墩钢构坝整体布置形式结构示意图；图2为拉索支壤和塾座的结构不意图；图3为挡水钢结构面板的结构示意图；图中I-斜拉索，2-支墩，3-垫座，4-泄水结构物，5-挡水钢结构，6_横隔板，7_灌浆廊道，8-主梁，9-水平次梁，10-斜杆，Ii1Ii6为高程，L1为拉索水平长度，brb7为拉索排距，L2为支墩底宽，B1为拉索锚固在支墩的水平距离，a2为廊道距上游面水平距离，οΓο7为主梁间距，drd16为次梁间距，srs2为面板宽度。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细说明。拉索支墩钢构坝主要由两部分组成一是支撑钢结构面板的拉索支墩，其主要作用是固定约束钢结构，将由钢结构形成的巨大水推力通过拉索和支墩传递到地基，以维持整个坝体稳定，此外，支墩结构还可以布置泄水系统，以下泄多余水量；二是主要由梁、隔板、面板等组成的钢结构面板，其主要作用是挡水。此外，还包括混凝土垫座，其主要作用是连接钢结构与基础。具体说明如下如图I所示，本发明拉索支墩钢构坝整体结构包括支墩2、挡水钢结构5，支墩和支墩之间的挡水钢结构5组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，各坝段长度根据基础及挡水水头高度确定，一般而言，河床中间部位坝段较短，而坝肩部位坝段较长。泄水结构物4布置在中间河床坝段的支墩2上，可根据支墩2尺寸采用表孔或倒虹吸等形式泄洪。在处理后基础上设置钢筋混凝土垫座3，垫座3高度根据坝体高度和基础情况确定，设置垫座可加强坝体对基础的荷载传递作用，同时，可在垫座3上设置底孔，进一步发 挥泄洪、放空、冲沙等功能，对于有发电功能的枢纽工程，可在垫座3之后布置坝后式厂房。图I所示的拉索支墩钢构坝坝高76m，坝轴线总长226m，共11个坝段，河床中部的单坝段宽度为16m，靠近岸坡的单坝段宽度为18m和20m，共9个支墩，其中中间5个支墩布置倒虹吸溢洪道进行泄洪，同时，支墩自上而下布置七排拉索，每排2根，以提供必要的支墩稳固力。两岸坝肩共布置4个支墩，不设置泄洪结构物，由于挡水水头较低，不布置拉索。基础上部浇筑钢筋混凝土垫座，垫座设置两个底孔。支墩为挡水钢结构5提供约束和支撑，为钢筋混凝土墩体2，其上主要设置拉索I、泄水结构物4等，拉索I和泄水结构物4的布置根据坝体受力、稳定和功能等确定；墩体2结构尺寸主要包括高度、宽度、厚度、上下游倾角等，在设计时，都由挡水高度、基础条件、功能要求等综合确定。拉索I设计主要包括排距、间距、根数、倾角等，根据坝体稳定和受力要求沿墩体自上而下布置，一般在墩体上部间距较大，下部较小，拉索I在支墩2上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部。泄水结构物4形式可根据泄水要求和支墩尺寸综合确定，其设计包括孔口尺寸、长度、消能尺寸等诸多方面。图2给出某钢构坝河床坝段支墩设计方案。钢筋混凝土支墩沿坝轴线长度为10m，沿水流向底宽为29m,高度为68m,间距6m。正虹吸泄水管布置在支墩内，宽8m,,采用坝后背管的型式，支墩下游坡度为I :0. 58。其上布置七排拉索，每排两根，即支墩上共14根拉索。拉索的水平投影长度为50. 8m，竖直方向上，距下部混凝土垫座的高度依次为4m，8m，12m,16m,24m,36m 和 48m。挡水钢结构5主要起挡水作用，主要由面板、主梁8、次梁9、横隔板6等组成，钢结构的形式可以为拱形、半圆弧形或平面形式等。主梁8和次梁9的设计包括截面形式、位置、根数等，主要根据水压力大小确定，原则上每根主梁8所受水荷载大小应相等，次梁9支撑横隔板6，与主梁8间隔布置，以加强钢结构整体安全性；主梁8、次梁9、横隔板6交叉形成梁格，面板厚度主要根据水压力、梁格大小等确定。图3给出某钢构坝挡水钢结构的形式和尺寸。单坝段钢结构形式为平面，单坝段钢结构长度根据支墩间距确定，长度为6m,高度68m,根据坝高确定，自上而下共布置8根主梁，采用实腹式组合梁，9根次梁，采用槽钢截面形式，横隔板按I. 2m等间距布置，共布置5根，选用面板厚度23mm。为加强面板的稳定性，设置斜向杆10进行支撑。垫座3的主要作用是连接基础、支墩2和钢结构5，以将部分荷载传递给基础，保持大坝整体稳定，垫座3内一般设有基础灌浆廊道7，兼作灌浆、排水和检查之用，一般为混凝土结构。垫座3的设计主要包括厚度(高度)、上下游坡度、廊道位置和尺寸等。垫座3和支墩2之间可采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座3与上部钢结构之间可采用轮式支承进行连接，在较低的挡水水头下，也可采用滑动支承。图2给出某钢构坝垫座设计方案。混凝土垫座底高度为10m，底宽36m。其上游面铅直，下游坡度比为1:0. 7。基础灌浆廊道7断面取3. 0X3. 5m，形状采用城门洞型。廊道的上游壁离上游侧面的距离取6m ;基础灌浆廊道7距基岩面距离取4m。拉索支墩钢构坝的设计应满足现行规范的规定，此外，在具体实施中，应采取如下技术手段以保证最大功能发挥·
( I)建坝的地形要求对于L/H (宽高比)>4. 5宽浅河谷适应性好。在宽高比较小的情况下，由于支墩布置存在较大难度，其与拱坝相比的技术经济性能不突出。(2)建坝的地质要求适宜于修建于岩基上，对于风化、节理、裂隙等缺陷，应采取针对性的处置措施，包括防渗、提高岩体强度和整体性。(3)拉索与支墩及基础的连接选择拉索与支墩之间的锚固方式时要考虑以下几个因素确保连接可靠；能简捷地把索力传递到全截面；应具有足够的操作空间；要有防锈蚀能力和避免拉索产生颤震应力腐蚀；便于拉索养护和更换。一般可采用夹片群锚，其对锚具的疲劳性能要求较低。拉索与基础之间宜采用锚碇进行连接。通常采用重力式锚碇，其依靠巨大的自重和嵌固力来抵抗主缆的垂直分力，水平分力则由锚碇与地基直接的摩阻力或嵌固力来承担。(4)钢结构与支墩的连接为了安全和运用方便，挡水钢结构与支墩宜采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部应适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，防止应力集中。槽内应设止水。(5)钢结构防腐处理挡水钢面板的防腐主要采用涂层的方法，涂层材料可选用聚脲等，并预留一定的腐蚀厚度。钢拉索防腐多采用涂层和阴极保护联合应用的方法，外涂层主要材料有熔结环氧涂层、聚乙烯涂层、煤焦油瓷漆涂层、复合涂层和煤焦油环氧涂层等。选择涂层时，必须考虑涂层所要服务的具体环境，如拉索直径、水温、施工方法以及相配合使用的阴极保护系统。尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。
权利要求
1.一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，其特征在于，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。
2.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述支墩高度为7(Tl20m，沿坝轴线长度为8 20m ;沿水流向底宽为25 40m ;支墩间距为6 10m。
3.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述泄水结构物宽度为6 18m；采用坝后背管的型式，支墩下游坡度在I :0. 5 1:1间取值。
4.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述支墩上布置拉索排数在6 14排，每排2 4根，避免布置单根拉索，拉索的长度在10(T400m之间。
5.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构主要由面板、主梁、次梁、横隔板组成，次梁支撑横隔板，与主梁间隔布置，主梁、次梁、横隔板交叉形成梁格，钢结构的形式为拱形、半圆弧形或平面形式。
6.根据权利要求5所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，单坝段挡水钢结构长度为6 10m，高度为68 118m;主梁为8 16根，采用实腹式组合梁，次梁采用槽钢截面形式，布置4^8根，横隔板按I. (Γ2. Om等间距布置，选用钢面板厚度在2(T30mm之间。
7.根据权利要求5所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构设置斜向杆进行支撑。
8.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述挡水钢结构与支墩采用铰接的方式，采用类似闸门槽的形式，在钢结构端部适当加大截面面积，并在门槽附近加强配筋，槽内设止水。
9.根据权利要求I所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，所述垫座内设有基础灌浆廊道，垫座和支墩之间采用整体浇筑，并采用钢筋进行贯通连接；垫座与上部钢结构之间采用轮式支承或滑动支承进行连接。
10.根据权利要求9所述拉索支墩钢构坝，其特征在于，垫座底高度为l(T20m，底宽为25 40m，其上游面铅直，下游坡度比为1:0. 5 1:1之间，所述基础灌浆廊道断面形状采用城门洞型，廊道的上游壁离上游侧面的距离取ΓΙΟπι ;基础灌浆廊道距基岩面距离取3飞m。
全文摘要
本发明公开了一种拉索支墩钢构坝，包括支墩、挡水钢结构以及垫座，支墩和支墩之间的钢结构面板组成一个坝段，钢构坝由多个坝段组成，坝段之间设缝，所述支墩包括钢筋混凝土墩体、拉索、泄水结构物，拉索在支墩上游面布置，利用锚固结构锚固在支墩内部，泄水结构物布置在中间河床坝段的支墩上，所述钢筋混凝土垫座设置在基础上，垫座上设置底孔。本发明具有枢纽布置灵活、结构简单且稳定可靠的特点，能适应于较高(>70m)挡水水头和较大泄量。在相同外部条件和功能要求下，针对70m坝高，通过与传统混凝土重力坝进行方案对比，可节省工程投资15%以上。
文档编号E02B8/00GK102912769SQ20121042285
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者崔溦, 张社荣, 郭千里, 林喆, 谭森明 申请人:天津大学