本實(shí)用新型涉及一種水利水電工程中基巖上心墻堆石壩壩底廊道結(jié)構(gòu)，尤其是壩高200m級、300m級的基巖上高心墻堆石壩的壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

目前，在基巖上建造的心墻堆石壩壩底廊道，多采用平頂式廊道結(jié)構(gòu)，兩側(cè)與心墻混凝土蓋板之間不設(shè)縫，剛性連接，其主要優(yōu)點(diǎn)是施工簡單方便。這種結(jié)構(gòu)對于低壩(壩高100m以下)而言，由于頂部承受的土壓力小，廊道四個(gè)角區(qū)的剪應(yīng)力不太明顯，一般都在混凝土的抗剪強(qiáng)度范圍以內(nèi)，工程往往也不會出現(xiàn)太大的問題。但是，近年來我國堆石壩跨越式的發(fā)展，一大批壩高200m級、300m級的高心墻堆石壩相繼建成或開始建造，壩底廊道出現(xiàn)開裂和漏水的風(fēng)險(xiǎn)增大，一旦出現(xiàn)開裂和漏水，對大壩的安全運(yùn)行將產(chǎn)生重要影響。

通過查閱資料和調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪不夠重視，對大體積混凝土的開裂問題多歸因于溫度荷載影響。實(shí)際上，通過對長河壩、糯扎渡及瀑布溝等現(xiàn)有在建和已建工程實(shí)測資料的分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)際的高壩工程心墻的拱效應(yīng)其實(shí)并不明顯，底部(即廊道頂部)的應(yīng)力方向以豎直向?yàn)橹?，底?即廊道頂部)的壓應(yīng)力約等于豎直方向的土石柱重量。

對于壩高200m級、300m級的高心墻堆石壩而言，底部的壓應(yīng)力高達(dá)4MPa～6MPa，在廊道頂部及廊道底部四個(gè)角區(qū)，存在較大的剪應(yīng)力區(qū)，剪應(yīng)力通常都遠(yuǎn)超過混凝土的抗剪切強(qiáng)度，這可能是造成高心墻堆石壩壩底廊道開裂、進(jìn)而漏水的重要原因之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種高心墻堆石壩壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有高心墻堆石壩壩底廊道難免出現(xiàn)開裂、漏水的現(xiàn)象，影響大壩安全運(yùn)行的問題。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：高心墻堆石壩壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)，包括心墻底部的廊道，所述廊道的下方為混凝土的墊板，廊道的頂部向上凸起與廊道結(jié)合形成微拱形結(jié)構(gòu)，廊道和微拱形結(jié)構(gòu)均以壩軸線為中心，微拱形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)分別為水平設(shè)置的蓋板，微拱形結(jié)構(gòu)和蓋板之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫；廊道頂部壩軸線兩側(cè)形成的兩個(gè)頂部剪應(yīng)力區(qū)，以及廊道底部壩軸線兩側(cè)形成的兩個(gè)底部剪應(yīng)力區(qū)均布置抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)；

微拱形結(jié)構(gòu)的起拱范圍按以下方法確定：在高心墻堆石壩的剖面上，廊道一側(cè)的基礎(chǔ)開挖線標(biāo)記為AB，與AB同側(cè)的廊道的直墻與頂部圓弧交界點(diǎn)標(biāo)記為D，過D點(diǎn)作AB的平行線，兩平行線分別與過蓋板頂部的水平線相交于FC兩點(diǎn)，F(xiàn)C區(qū)域和FC區(qū)域關(guān)于壩軸線軸對稱的區(qū)域即為起拱范圍。

上述微拱形結(jié)構(gòu)是指頂部凸起部分弧線的曲率介于0.01～0.1，矢高小于1.2m的拱形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的是：所述微拱形結(jié)構(gòu)的起拱位置通過有限元優(yōu)化計(jì)算分析確定。

進(jìn)一步的是：所述廊道一側(cè)的基礎(chǔ)開挖線的最高處標(biāo)記為A，過A的豎直直線交FC于E，當(dāng)微拱形結(jié)構(gòu)的拱腳位于EC區(qū)域，所述結(jié)構(gòu)縫為豎直結(jié)構(gòu)縫；當(dāng)微拱形結(jié)構(gòu)的拱腳位于EF區(qū)域，所述結(jié)構(gòu)縫為斜結(jié)構(gòu)縫。

進(jìn)一步的是：所述抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)的布置方式為鋼筋網(wǎng)式或者鋼筋籠式。

進(jìn)一步的是：所述微拱形結(jié)構(gòu)頂部凸起部分的矢高為0.8m～1.2m。

進(jìn)一步的是：所述廊道下方的墊板的墊板厚度大于或等于2.0m。

本實(shí)用新型的有益效果是：廊道的頂部微凸與廊道結(jié)合形成微拱形結(jié)構(gòu)，充分利用拱形結(jié)構(gòu)的傳力特點(diǎn)，改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑。與平頂型廊道結(jié)構(gòu)相比，微拱型廊道結(jié)構(gòu)僅頂部微凸，結(jié)構(gòu)雖變化不大，卻具有獨(dú)特的優(yōu)勢：能極大地減小廊道頂角區(qū)域的剪應(yīng)力；加之在廊道的頂部剪應(yīng)力區(qū)和底部剪應(yīng)力區(qū)按抗剪設(shè)計(jì)布置適當(dāng)形式的抗剪鋼筋，即設(shè)置抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上顯著地改善廊道結(jié)構(gòu)的受力特性，降低了廊道頂部因剪應(yīng)力破壞產(chǎn)生裂縫進(jìn)而引起大壩出現(xiàn)滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)，解決了基巖上高心墻堆石壩壩底廊道無不開裂、無不漏水的問題，對基巖上高心墻堆石壩壩底廊道出現(xiàn)開裂、漏水現(xiàn)象的成因的認(rèn)識更進(jìn)了一步。微拱型廊道結(jié)構(gòu)可廣泛應(yīng)用于基巖上高心墻堆石壩壩底廊道及類似的巖土工程的廊道中。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型高心墻堆石壩壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。

圖2是廊道的抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)為鋼筋網(wǎng)式的布置示意圖。

圖3是廊道的抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)為鋼筋籠式的布置示意圖。

圖中零部件、部位及編號：廊道1、微拱形結(jié)構(gòu)11、墊板12、頂部剪應(yīng)力區(qū)13、底部剪應(yīng)力區(qū)14、蓋板2、結(jié)構(gòu)縫3、心墻4、基巖5、壩軸線6、鋼筋網(wǎng)式7、鋼筋籠式8、頂部凸起部分的矢高h(yuǎn)1、墊板厚度h2。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型高心墻堆石壩壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)，包括心墻4的底部的廊道1，廊道1的下方為混凝土的墊板12，為保證安全要求，墊板12的墊板厚度h2應(yīng)大于或等于2.0m。墊板12下方即為基巖5，基巖5的開挖線，即開挖邊界線，呈倒等腰梯形。廊道1的頂部向上凸起與廊道結(jié)合形成微拱形結(jié)構(gòu)11，微拱形結(jié)構(gòu)11的頂部凸起部分的矢高h(yuǎn)1宜為0.8m～1.2m。廊道1和微拱形結(jié)構(gòu)11均以壩軸線6為中心，且整個(gè)高心墻堆石壩壩底微拱型廊道結(jié)構(gòu)在剖面圖上均關(guān)于壩軸線6軸對稱。微拱形結(jié)構(gòu)11的兩側(cè)分別為水平設(shè)置的蓋板2，蓋板2和微拱形結(jié)構(gòu)11之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫3。

廊道1頂部壩軸線6兩側(cè)形成兩個(gè)頂部剪應(yīng)力區(qū)13，相應(yīng)地，廊道1底部壩軸線6兩側(cè)形成兩個(gè)底部剪應(yīng)力區(qū)14。廊道1的頂部的凸起與廊道結(jié)合形成微拱形結(jié)構(gòu)11，微拱形結(jié)構(gòu)11改變了傳力路徑，相對平頂型廊道結(jié)構(gòu)，顯著地減小了廊道頂部上下游角區(qū)的剪應(yīng)力，即減小了頂部剪應(yīng)力區(qū)13的剪應(yīng)力。廊道1的頂部剪應(yīng)力區(qū)13和底部剪應(yīng)力區(qū)14按抗剪設(shè)計(jì)布置適當(dāng)形式的抗剪鋼筋，即設(shè)置抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上有效地改善廊道結(jié)構(gòu)的受力特性，降低了廊道1頂部因剪應(yīng)力破壞產(chǎn)生裂縫進(jìn)而引起大壩出現(xiàn)滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)，解決了基巖上高心墻4堆石壩壩底廊道1出現(xiàn)開裂、漏水的問題。

微拱形結(jié)構(gòu)11的起拱范圍按以下方法確定：如圖1，廊道1左側(cè)的基礎(chǔ)開挖線標(biāo)記為AB，其中A點(diǎn)為基礎(chǔ)開挖線的最高處，B點(diǎn)為基礎(chǔ)開挖線的最低處，廊道1左側(cè)的直墻與頂部圓弧交界點(diǎn)標(biāo)記為D，過D點(diǎn)作AB的平行線，該平行線和AB分別與過蓋板2頂部的水平線相交于FC兩點(diǎn)，F(xiàn)C區(qū)域和FC區(qū)域關(guān)于壩軸線6軸對稱的區(qū)域即為起拱范圍，即圖1中的b區(qū)域。

微拱形結(jié)構(gòu)11的最優(yōu)起拱位置通過有限元優(yōu)化計(jì)算分析確定。蓋板2和微拱形結(jié)構(gòu)11之間設(shè)置結(jié)構(gòu)縫3，可根據(jù)微拱形結(jié)構(gòu)11在起拱范圍的不同位置設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)縫。如圖1，過A的豎直直線交FC于E，當(dāng)微拱形結(jié)構(gòu)11的拱腳位于EC區(qū)域，即圖1中的a區(qū)域，那么結(jié)構(gòu)縫3為豎直結(jié)構(gòu)縫。當(dāng)微拱形結(jié)構(gòu)11的拱腳位于EF區(qū)域，那么結(jié)構(gòu)縫3為斜結(jié)構(gòu)縫。

與平頂廊道相比，微拱形廊道結(jié)構(gòu)11改變了傳力路徑，廊道1的頂部剪應(yīng)力區(qū)13和底部剪應(yīng)力區(qū)14按抗剪設(shè)計(jì)布置抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)。如圖2和圖3所示，抗剪鋼筋結(jié)構(gòu)宜為鋼筋網(wǎng)式7或者鋼筋籠式8。由于圖2和圖3中的微拱形結(jié)構(gòu)11的EC區(qū)域的C點(diǎn)，所以蓋板2和拱形結(jié)構(gòu)11之間設(shè)置豎直結(jié)構(gòu)縫。

例如，某高心墻堆石壩，壩高303m，壩基為基巖，心墻高度295m，廊道頂部承受豎向均布荷載約為6MPa。根據(jù)有限元計(jì)算成果，采用平頂型廊道結(jié)構(gòu)，廊道頂部最大剪應(yīng)力為7.15MPa。采用上述本實(shí)用新型的微拱型廊道結(jié)構(gòu)，廊道頂部最大剪應(yīng)力減小到5.80MPa，減小幅度約20％。從廊道的頂部剪應(yīng)力區(qū)抗剪鋼筋的配筋量來看，采用平頂型廊道結(jié)構(gòu)時(shí)，每延米需配筋面積為11027mm²，采用上述本實(shí)用新型的微拱型廊道結(jié)構(gòu)后，每延米需配筋面積為5122mm²，降低了53％。從安全性和經(jīng)濟(jì)性來看，都有極大的提高。