用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构.pdf

本发明公开了一种用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，属于水工建筑物设计建造技术领域。提供一种能有效降低混凝土底板渗水状况，减轻水垫塘运行脉动压力的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构。所述的水垫塘结构包括覆设有混凝土底板的水垫塘本体，在所述混凝土底板的下方设置有排水廊道，在所述的混凝土底板上设置有结构缝，还包括排水系统和结构缝密封系统，所述的结构缝密封系统包括沿所述混凝土底板厚度方向顺序的设置在所述结构缝内的至少两层止水组件；所述的排水系统包括两端连入相邻两条排水廊道的多条排水暗沟，所述的各条排水暗沟与所述的结构缝一一对应的布置在构成混凝土底板的后浇混凝土块的下侧转角处。

1.  一种用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，包括水垫塘本体(1)， 在所述水垫塘本体(1)的底部覆设有混凝土底板(2)，在所述混凝土底板(2)的下方设置 有垂直于水流方向的排水廊道(3)，在所述的混凝土底板(2)上设置有结构缝(4)，其特征 在于：所述的水垫塘结构还包括排水系统和结构缝密封系统，所述的结构缝密封系统包括沿 所述混凝土底板(2)厚度方向顺序的设置在所述结构缝(4)内的至少两层止水组件(5)； 所述的排水系统包括设置在相邻两条所述的排水廊道(3)之间的多条排水暗沟(6)，所述的 各条排水暗沟(6)与所述的结构缝(4)一一对应的布置在构成所述混凝土底板(2)的后浇 混凝土块(7)的下侧转角处。

2.  根据权利要求1所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：所述的水垫塘结构还包括边坡，在所述的边坡上覆设有与所述混凝土底板(2)相连 的，由先浇混凝土块和所述的后浇混凝土块(7)构成的混凝土边墙(8)，在所述混凝土边墙 (8)的下方也设置有垂直于水流方向的排水廊道(3)，在所述的混凝土边墙(8)上也设置 有所述的结构缝(4)，在每一条所述的结构缝(4)中也设置有构成所述结构缝密封系统的止 水组件(5)，在每一条所述的结构缝(4)下方也设置有两端与所述排水廊道(3)连通的构 成所述排水系统的排水暗沟(6)。

3.  根据权利要求2所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：沿所述混凝土底板(2)和所述混凝土边墙(8)厚度方向顺序的设置在所述结构缝 (4)内的止水组件(5)为三层，所述的三层止水组件(5)分别为Z字型止水铜片、止水橡 胶和止水橡胶，或者分别为Z字型止水铜片、Z字型止水铜片和止水橡胶；在所述Z字型止 水铜片镶入所述混凝土底板(2)和/或所述混凝土边墙(8)内的两端上涂覆有防锈涂层，在 所述止水橡胶镶入所述混凝土底板(2)和/或所述混凝土边墙(8)内的两端上套接有密封体。

4.  根据权利要求3所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：所述的水垫塘结构还包括设置有结构缝(4)的混凝土二道坝(9)，所述的混凝土二 道坝(9)位于所述水垫塘本体(1)水流方向的尾部，在所述的混凝土二道坝(9)上也设置 有所述的结构缝密封系统和所述的排水系统。

5.  根据权利要求4所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：所述的混凝土二道坝(9)包括上游侧垂直面(10)、顶平面(11)和下游侧倾斜面 (12)，所述的上游侧垂直面(10)与所述的顶平面(11)之间，以及所述的顶平面(11)与 所述的下游侧倾斜面(12)之间均为圆弧曲线过渡连接结构连接。

6.  根据权利要求4或5所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构， 其特征在于：在所述混凝土二道坝(9)靠近所述混凝土边墙的(8)一个端部上还设置有沿 水流方向的充水槽(13)，所述充水槽(13)的底板高程比检修时滞留在所述混凝土二道坝(9) 下游侧的尾水的水位低至少0.2m。

7.  根据权利要求4或5所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构， 其特征在于：在所述混凝土底板(2)、所述混凝土边墙(8)和所述混凝土二道坝(9)的表 面上，均覆设有一层强度等级不低于C50的高强耐磨混凝土层(14)。

8.  根据权利要求7所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：构成所述混凝土底板(2)、混凝土边墙(8)和混凝土二道坝(9)的基层混凝土均 为强度不高于C40的中低强度混凝土(15)，所述的高强耐磨混凝土层(14)与下部的所述 中低强度混凝土(15)之间还布置有一层强度等级与所述的中低强混凝土层强度等级相适应 的低强施工过渡混凝土层(16)，所述的低强施工过渡混凝土层(16)与所述的高强耐磨混凝 土层(14)一体成型。

9.  根据权利要求3所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：所述混凝土底板(2)与所述混凝土边墙(8)之间为圆弧曲线过渡连接结构连接， 在所述的混凝土边墙(8)上由下往上沿水流方向分别设置有多条检修马道(17)。

10.  根据权利要求1所述的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构，其特 征在于：沿水流方向在所述的混凝土底板(2)上设置有集水斜坡(18)，在所述集水斜坡(18) 的最低处设置有收水坑(19)。

用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构
技术领域
本发明涉及一种水垫塘结构，尤其是涉及一种用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的 水垫塘结构，属于水工建筑物设计建造技术领域。
背景技术
随着国家对水电清洁能源需求的增加，为修建水利发电站修建了大量的高坝。为减少坝 身孔口如表孔、中孔、深孔等泄洪水流对坝址和两岸的淘刷，相应也修建了用于坝后泄洪消 能的结构。
高坝坝身孔口泄洪消能方式一般采用在坝后开挖河床并建水垫塘含二道坝的结构，先在 水垫塘内形成一定厚度的水垫对泄洪水流进行消能，以减少高速水流对坝址和两岸的淘刷。 二道坝为形成水垫消能在泄水拱坝下游一定距离处修建的低壅水坝。
随着水电建设的发展，深山峡谷中的高拱坝越修越高，坝身孔口泄洪流量越来越大，下 泄功率也越来越高，对水垫塘消能结构的要求也越来越高。
传统的高坝坝后水垫塘一般采用“平底板简单梯形”的水垫塘消能型式；传统的二道坝 一般为双向挡水的重力坝，布置于水垫塘末端，基本体型为上游直立面，坝顶为平顶，下游 面为斜面。通过所述二道坝围筑而成的水垫塘的体型及大小根据模型试验确定。
传统的水垫塘为“平底板简单梯形”水垫塘，当水垫塘的规模较大时，水垫塘边墙较高， 不便于水垫塘的施工和检修；水垫塘底板与边墙的交角处为折线相交，当坝身孔口泄洪功率 较大时，在长期、巨量的泄洪水流击作用，该部位混凝土易发生冲蚀破坏。
高拱坝坝后水垫塘采用平底板水垫塘消能型式具有以下缺点：当进行水垫塘排空检查时， 水垫塘中的积水不易汇聚；当进行水垫塘排空检查时，由于受水垫塘中淤泥的影响，传统的 水垫塘底板上最后10～20cm深的积水不易被抽水泵排空。
传统的水垫塘一般采用提高水垫塘混凝土的强度等级来提高水垫塘结构的抗磨能力。在 现有技术方案中，水垫塘结构均采用高强度等级混凝土，投资较大，且高强度等级混凝土易 产生温度裂缝，影响水垫塘的正常运行。
传统的减少水垫塘底板脉动压力的方案是在水垫塘底板下设置排水廊道，将渗水通过排 水廊道汇至集水井中，然后由抽水泵将水抽走，以达到减少脉动压力的目的。现有技术中， 排水廊道布置在水垫塘底板下方，当进行坝身孔口泄洪消能时，通过两岸山体及坝基底部的 渗水量较大，水垫塘底板下产生较大的脉动压力，威胁水垫塘的运行安全，特别是当泄洪流 量及泄洪功率较大时，这一现象特别严重。
传统的止水结构设置在永久缝即浇筑时留下的结构缝中，一般只有1道，形成封闭系统， 作为止水结构的材料通常采用金属片、塑料片、塑料棒、黏性与无黏性材料、反滤料等。水 垫塘底板受高速水流反复冲击及基础不均匀沉降的影响，永久结构缝会产生相对较大的变形， 这要求止水结构必须具备适应较大变形的能力，现有技术适应变形的能力较小。止水结构附 近混凝土浇筑时，如果浇筑不密实，结构缝中的止水结构附近混凝土易成为渗漏通道。
传统的二道坝一般为双向挡水的重力坝，布置于水垫塘末端。当坝身孔口进行泄洪时， 泄洪水流在水垫塘中剧烈翻滚，然后通过二道坝，对下游河床的冲刷比较严重。
传统的水垫塘排空检修时，需停止坝身孔口泄洪，先采用抽水泵将水垫塘中的积水排入 二道坝下游河道，然后对水垫塘进行检查，对破损的地方进行修补，最后，当水垫塘检修完 成后，传统的水垫塘结构又需要采用抽水泵从下游河道向水垫塘内充水，以形成设计厚度的 水垫，这一充水时间较长，水垫塘内不能迅速形成设计厚度的水垫，导致水垫塘不具备迅速 重新投入运行的能力，给大坝的泄洪带来不确定的风险。
传统的水垫塘混凝土浇筑方式一般采用分层浇筑，临时施工缝一般设在不同强度等级混 凝土的材料分界处。施工缝两侧为不同强度等级混凝土，材料性能略有不同，特别是力学指 标和变形能力不同。临时施工缝在混凝土浇筑过程中如果处理不当，易成为结构潜在的软弱 面。多因素影响，建设实践表明，受高速水流长期冲击及振动，水垫塘这一临时施工缝，同 时也是不同材料分界处往往容易发生拉裂破坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能有效的降低混凝土底板渗水状况，减轻水垫 塘运行脉动压力的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构。
为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口 的水垫塘结构，包括水垫塘本体，在所述水垫塘本体的底部覆设有混凝土底板，在所述混凝 土底板的下方设置有垂直于水流方向的排水廊道，在所述的混凝土底板上设置有结构缝，所 述的水垫塘结构还包括排水系统和结构缝密封系统，所述的结构缝密封系统包括沿所述混凝 土底板厚度方向顺序的设置在所述结构缝内的至少两层止水组件；所述的排水系统包括设置 在相邻两条所述的排水廊道之间的多条排水暗沟，所述的各条排水暗沟与所述的结构缝一一 对应的布置在构成所述混凝土底板的后浇混凝土块的下侧转角处。
本发明的有益效果是：由于在所述混凝土底板的结构缝内，沿厚度方向布置了由至少两 层止水组件构成的结构缝密封系统，从而可以有效的提高所述水垫塘混凝土底板适应较大变 形的能力，这样，在所述水垫塘的运行过程中，即使由于永久结构缝产生相对较大的变形也 不会完全破坏所述的结构缝密封系统，达到降低有效的降低混凝土底板渗水状况的目的。同 时，再在所述混凝土底板的后浇混凝土块的下侧转角处设置由多条排水暗沟构成的排水系统， 并使所述的各条排水暗沟的两端与所述的排水廊道连接，这样，便可以对每条结构缝中渗漏 的少量渗水通过所述的各条排水暗沟汇集到所述的排水廊道即时排出，这样，由于在所述混 凝土底板下方的基础中不再存在有大量的渗水，从而可以有效的降低所述混凝土底板的脉充 压力，进而达到保证所述水垫塘安全运行的目的。
进一步的是，所述的水垫塘结构还包括边坡，在所述的边坡上覆设有与所述混凝土底板 相连的，由先浇混凝土块和所述的后浇混凝土块构成的混凝土边墙，在所述混凝土边墙的下 方也设置有垂直于水流方向的排水廊道，在所述的混凝土边墙上也设置有所述的结构缝，在 每一条所述的结构缝中也设置有构成所述结构缝密封系统的止水组件，在每一条所述的结构 缝下方也设置有两端与所述排水廊道连通的构成所述排水系统的排水暗沟。
进一步的是，沿所述混凝土底板和所述混凝土边墙厚度方向顺序的设置在所述结构缝内 的止水组件为三层，所述的三层止水组件分别为Z字型止水铜片、止水橡胶和止水橡胶，或 者分别为Z字型止水铜片、Z字型止水铜片和止水橡胶；在所述Z字型止水铜片镶入所述混 凝土底板和/或所述混凝土边墙内的两端上涂覆有防锈涂层，在所述止水橡胶镶入所述混凝土 底板和/或所述混凝土边墙内的两端上套接有密封体。
进一步的是，所述的水垫塘结构还包括设置有结构缝的混凝土二道坝，所述的混凝土二 道坝位于所述水垫塘本体水流方向的尾部，在所述的混凝土二道坝上也设置有所述的结构缝 密封系统和所述的排水系统。
进一步的是，所述的混凝土二道坝包括上游侧垂直面、顶平面和下游侧倾斜面，所述的 上游侧垂直面与所述的顶平面之间，以及所述的顶平面与所述的下游侧倾斜面之间均为圆弧 曲线过渡连接结构连接。
进一步的是，在所述混凝土二道坝靠近所述混凝土边墙的一个端部上还设置有沿水流方 向的充水槽，所述充水槽的底板高程比检修时滞留在所述混凝土二道坝下游侧的尾水的水位 低至少0.2m。
进一步的是，在所述混凝土底板、所述混凝土边墙和所述混凝土二道坝的表面上，均覆 设有一层强度等级不低于C50的高强耐磨混凝土层。
进一步的是，构成所述混凝土底板、混凝土边墙和混凝土二道坝的基层混凝土均为强度 不高于C40的中低强度混凝土，所述的高强耐磨混凝土层与下部的所述中低强度混凝土之间 还布置有一层强度等级与所述的中低强混凝土层强度等级相适应的低强施工过渡混凝土层， 所述的低强施工过渡混凝土层与所述的高强耐磨混凝土层一体成型。
进一步的是，所述混凝土底板与所述混凝土边墙之间为圆弧曲线过渡结构，在所述的混 凝土边墙上由下往上沿水流方向分别设置有多条检修马道。
进一步的是，沿水流方向在所述的混凝土底板上设置有集水斜坡，在所述集水斜坡的最 低处设置有收水坑。
附图说明
图1为本发明用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构的平面布置图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
图4为图1的C-C剖视图；
图5为发明涉及到的集水坑详图A；
图6为图5的E-E剖视图；
图7为发明涉及到的充水槽详图B；
图8为本发明涉及到的低强施工过渡混凝土层与相连接混凝土层连接的示意图；
图9为本发明涉及到的止水组件在结构缝中的布置示意图。
图中标记为：水垫塘本体1、混凝土底板2、排水廊道3、结构缝4、止水组件5、排水 暗沟6、后浇混凝土块7、混凝土边墙8、混凝土二道坝9、上游侧垂直面10、顶平面11、下 游侧倾斜面12、充水槽13、高强耐磨混凝土层14、中低强度混凝土15、低强施工过渡混凝 土层16、检修马道17、集水斜坡18、收水坑19。
具体实施方式
如图1～图9所示是本发明提供的一种能有效的降低混凝土底板渗水状况，减轻水垫塘 运行脉动压力的用于高拱坝、窄峡谷、大流量泄洪孔口的水垫塘结构。所述的水垫塘结构包 括水垫塘本体1，在所述水垫塘本体1的底部覆设有混凝土底板2，在所述混凝土底板2的下 方设置有垂直于水流方向的排水廊道3，在所述的混凝土底板2上设置有结构缝4，所述的水 垫塘结构还包括排水系统和结构缝密封系统，所述的结构缝密封系统包括沿所述混凝土底板 2厚度方向顺序的设置在所述结构缝4内的至少两层止水组件5；所述的排水系统包括设置在 相邻两条所述的排水廊道3之间的多条排水暗沟6，所述的各条排水暗沟6与所述的结构缝4 一一对应的布置在构成所述混凝土底板2的后浇混凝土块7的下侧转角处。由于在所述混凝 土底板2的结构缝4内，沿厚度方向布置了由至少两层止水组件5构成的结构缝密封系统， 从而可以有效的提高所述水垫塘混凝土底板2适应较大变形的能力，这样，在所述水垫塘的 运行过程中，即使由于永久结构缝产生相对较大的变形也不会完全破坏所述的结构缝密封系 统，达到有效的降低混凝土底板2渗水状况的目的。同时，再在所述混凝土底板2的后浇混 凝土块7的下侧转角处设置由多条排水暗沟6构成的排水系统，并使所述的各条排水暗沟6 的两端与所述的排水廊道3连接，这样，便可以对每条结构缝4中渗漏的少量渗水通过所述 的各条排水暗沟6汇集到所述的排水廊道3即时排出，这样，由于在所述混凝土底板2下方 的基础中不再存在有大量的渗水，从而可以有效的降低所述混凝土底板2的脉充压力，进而 达到保证所述水垫塘安全运行的目的。
上述实施方式中，结构现有水垫塘还包括边坡，在所述的边坡上覆设有与所述混凝土底 板2相连的，由先浇混凝土块和所述的后浇混凝土块7构成的混凝土边墙8的特点，在所述 混凝土边墙8的下方也设置垂直于水流方向的排水廊道3，在所述的混凝土边墙8上也设置 所述的结构缝4，在每一条所述的结构缝4中也设置构成所述结构缝密封系统的止水组件5， 在每一条所述的结构缝4下方也设置两端与所述排水廊道3连通的构成所述排水系统的排水 暗沟6。这样，可以进一步的保证水垫塘的安全运行。
而为了简化所述结构缝密封系统的结构，同时又能很好的降低各条结构缝4的渗水量， 沿所述混凝土底板2和所述混凝土边墙8厚度方向顺序的设置在所述结构缝4内的止水组件 5为三层，所述的三层止水组件5分别为Z字型止水铜片、止水橡胶和止水橡胶，或者分别 为Z字型止水铜片、Z字型止水铜片和止水橡胶；在所述Z字型止水铜片镶入所述混凝土底 板2和/或所述混凝土边墙8内的两端上涂覆有防锈涂层，在所述止水橡胶镶入所述混凝土底 板2和/或所述混凝土边墙8内的两端上套接有密封体。再结合所述的水垫塘结构还包括设置 有结构缝4的混凝土二道坝9的结构特点，在所述的混凝土二道坝9位于所述水垫塘本体1 水流方向的尾部，在所述的混凝土二道坝9上也设置有所述的结构缝密封系统和所述的排水 系统。
进一步的，为了改善高速泄洪水流的流态，减小该高速泄洪水流对边坡、混凝土二道坝 9的冲刷，结合所述的混凝土二道坝9包括上游侧垂直面10、顶平面11和下游侧倾斜面12 的特点，将所述的上游侧垂直面10与所述的顶平面11之间，以及所述的顶平面11与所述的 下游侧倾斜面12之间均设置为圆弧曲线过渡连接结构连接；将所述混凝土底板2与所述混凝 土边墙8之间设置为圆弧曲线过渡连接结构连接。同时，为了在检修时，方便检修人员上下 到所述的水垫塘中，在所述的混凝土边墙8上由下往上沿水流方向分别设置有多条检修马道 17。
同时，为了在检修完成后，能快速的在所述水垫塘中形成可用的水垫，在所述混凝土二 道坝9靠近所述混凝土边墙的8一个端部上还设置有沿水流方向的充水槽13，所述充水槽13 的底板高程比检修时滞留在所述混凝土二道坝9下游侧的尾水的水位低至少0.2m。这样，但 需要形成水垫时，可以通过所述的充水槽13将下游的水快速的引入检修完毕的水垫塘中，形 成可能的水垫厚度。而为了解决现有技术中，在检修前无法彻底排干净底部的剩水的问题， 沿水流方向在所述的混凝土底板2上设置有集水斜坡18，在所述集水斜坡18的最低处设置 有收水坑19。这样，便可以很好的通过所述的集水斜坡18将剩水汇集到所述集水斜坡18最 低处的收水坑19中，再通过抽水泵排尽。
进一步的，为了既能降低水垫塘的建设投资，又能保证水垫塘的耐磨和抗冲击，在所述 混凝土底板2、所述混凝土边墙8和所述混凝土二道坝9的表面上，均覆设有一层强度等级 不低于C50的高强耐磨混凝土层14；并且依据构成所述混凝土底板2、混凝土边墙8和混凝 土二道坝9的基层混凝土均为强度不高于C40的中低强度混凝土15的特点，为了避免出现不 同强度等级的混凝土层由于力学性能的微小差异而出现温度裂缝，所述的高强耐磨混凝土层 14与下部的所述中低强度混凝土15之间还布置有一层强度等级与所述的中低强混凝土层强 度等级相适应的低强施工过渡混凝土层16，所述的低强施工过渡混凝土层16与所述的高强 耐磨混凝土层14一体成型。