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【橡胶坝设计】橡胶坝设计论文

发布时间:2020-09-26 00:09:50 影响了:

橡胶坝设计 第一章 绪论 橡胶坝是用高强合成纤维织物做受力骨架,内外涂敷合成橡胶作粘结保护层,加工成胶布,按要求的尺寸,锚固在基础底板上,用水或气的压力充胀起来,形成挡水坝。不需要挡水时,泄空坝内的水或气,恢复原有河渠的过流断面。

橡胶坝主要适用于低水头、大跨度的闸坝工程,如用于水库溢洪道上作为闸门或活动溢流堰,以增加水库库容及发电水头;
用于河道上作为低水头、大跨度的滚水坝或溢流堰,可以不用常规闸的启闭机、工作桥等;
用于渠系上作为进水闸、分水闸、节制闸,能够方便地 蓄水和调节水位和流量;
用于沿海岸作防浪堤或挡潮闸,由于不受海水浸蚀和海生生物的影 响,比金属闸门效果好;
用于跨度较大的孔口船闸的上、下游闸门;
用于施工围堰或活动围 堰,橡胶活动围堰高度可升可降,并且可从堰顶溢流,不需取土筑堰可保持河道清洁,节省 劳力并缩短工期;
用于城区园林工程,采用彩色坝袋,造型优美,线条流畅,可为城市建设 增添一道优美的风景。

第二章 工程设计 2.1工程规划 柴关橡胶坝工程是拟建于北沙河上的一处集农田灌溉、水产养殖于一体的综合利用水利工程,工程建成以后,不仅能有利的促进当地农村经济发展,而且对自然、生态、社会环境的改善产生了积极的影响。柴关橡胶坝工程建成后可使柴关灌区农田的灌溉保证率由60%提高到95%。

2.1.1基本资料 (1)流域概况 北沙河发源于山西省灵丘县境内,从行唐县入境,汇支流曲河、郜河后横穿新乐县全境,向东入保定市定州。是大清河南支主要来水支流之一。干流在曲阳县建有大型水库王快水库,支流郜河、曲河分别建有大型水库口头水库和中型水库红领巾水库,隶属于大清河水系。大清河水系位于海河流域中部,发源于西部太行山区,经独流减河及海河干流入海,跨山西、河北、北京、天津4省市。河北省面积34683 km2,人口1607万人,耕地143.4万hm2。

(2)水文气象 本区的地下水主要为第四系覆盖层中的孔隙水和基岩裂隙水两种,皆直接或间接补给自大气降水。由于本区降水量多集中在6~7月,且蒸发量大于降水量。同时汇流面积较小,因此地下水含量不大。根据水化学特性分析,地下水属于重碳酸钙镁型水,不含侵蚀性。PH植为7.3~9.0,具碱性,总硬度为8.4~7.8,属软水,判别河水对混凝土无侵蚀性。

根据当地水资源调查与水利区划综合报告,该区属温带半干旱大陆性季风气候,四季分明:冬季受西伯利亚大陆性气团控制,寒冷少雨雪;
春季北风盛行,较冷蒸发大;
夏季受海洋性气团和太行山地形影响,降鱼集中;
秋季一般秋高气爽,降雨稀少。多年平均气温为平原13.2℃丘陵12.2℃、山区42.7℃、极端最低气温-21.4℃。无霜期为平原206天、丘陵197天、山区176天。平均降水量为:平原538.2mm、丘陵525.7mm、山区756.7mm;
一般年份77%的降水集中在夏季,多雨年一般相差1~2倍,最大为4倍;
降水强度较大,一般情况下在西部山区一次暴雨量即超过300mm。年均蒸发量为水面1000mm,陆面350mm,最大风速为18m/s,最大冻土深度54cm。

(3)工程地质 本区主要是地层岩性为三叠系上统和侏罗系下统砂页岩,上伏第四系地层。坝址车为坚硬粉质黏土,各项参数指标为:凝聚力=60.0 kpa;
内摩擦角=19;
天然孔隙比=0.69;
天然容重=20.3。河床4.0~6.0m以下均为基岩,基岩仅在局部地段出露。本区地层平缓,构造简单,是华北陆台上较稳定的部位,新构造运动差异性小,以大面积缓慢抬升为主,地震基本烈度为6度。

区内地层中粗砂岩产状为:走向0~25 º。倾向W 或NW,倾角2~8º。断裂构造不发育,仅有小规模的断层分布,节理裂隙呈“棋盘格式”状发育,走向NW64 º 及NE40 º,陡倾角。节理张开宽度大小不均,一般约为0.2~0.6cm,最大可达2~3m。

(4)地形地貌 柴关橡胶坝工程处于太行山东麓,河道左岸多为山体,右岸以河滩地为主,前期河道治理已在部分河段修建了堤防,主河槽为U型断面,坝址处上下游经前期治理,河道断面近似为梯形,底宽为92m,边坡为1:2.5,两岸堤防高程为80.3m。

(6)工程等级及设计标准 根据中华人民共和国行业标准SL252-2000《水利水电工程等别划分及洪水标准》、SL265-2001《水闸设计规范》,本橡胶坝工程定为四等工程,橡胶坝、控制室分别为4级建筑物。

根据国家《防洪标准》(GB50201-94),本河段设计防洪标准为20年一遇,校核洪水标准为50年一遇。橡胶坝采用同标准,即设计标准为20年一遇洪水,校核标准为50年一遇,坝址处设计洪峰流量为QP=5%=442m3/s,校核洪峰流量为QP=2%=1190m3/s。

(6)施工条件 坝址紧邻省道,对外交通方便 。工程所用的水泥、砂、石子等材料以当地材料供应为主,所用的块石,可在附近的山谷中采集。两岸的山体多为震旦系石英砂岩,致密坚硬,力学强度高,储量丰富,完全可满足本工程所需。施工用水用电可就近从柴槽或阳关接10KV高压线至施工现场。

2.1.2坝址选择 橡胶坝坝址的选择应根据橡胶坝的特点及运用方式要求综合考虑地形.地质.水文.气象.泥沙.管理和其它因素,经过技术经济比较后确定。

(1) 坝址应选择在坚硬紧密的天然土基上,虽然橡胶坝重量比其它闸坝轻,且地基受力均匀,但坝址仍然尽量选在坚硬紧密的天然土基上。如果必须做人工处理地基时,其坚硬密实程度也应达到设计要求,否则将影响坝体安全。

(2)坝址应选择在水流平顺及河岸岸坡稳定的河段,不应选在河流水流条件发生突然变化的河段。这不仅避免发生波状水跃和折冲水流,防止有害的冲刷和淤积,而且使过坝水流平稳,减轻坝袋振动及磨损延长坝袋使用寿命。据调查和实际工程观测在河道弯道附近的橡胶坝,过坝水流很不平稳,坝袋易发生振动,加剧坝袋磨损,影响坝袋使用寿命。

如果在河床岸坡不稳定的河段建坝,将增加维护费用。由于坝址选点不当而被拆除的坝袋已有不少。运用实践表明,水流条件是影响坝袋振动的主要诱因,振动又是使坝袋磨损破坏的主要原因。因此,橡胶坝应建于平直河段处,即在坝址选择时,必须在坝址上下游均有一定长度的平直段,以保证过坝水流平稳,防止坝袋产生强烈振动。同时,要充分考虑到河床或河岸的变化特点,要估计建坝后对于原有河道可能产生的影响。

(3)对于多泥沙河流,坝址不应选在纵坡突然变缓的河段,以减少淤积。如一定要在这样的河道上建坝时,应将基础地板适当抬高,并在底板高程以下修排沙泄流闸孔。

(4)坝址选择还应考虑施工导流.交通运输.基坑排水.施工供水及电源条件.。

(5)坝址选择应考虑便于坝袋检修维护及工程管理运用。坝址选择时要考虑建坝后是否具备检修条件,因橡胶坝的特点之一是跨度大,一般不设检修闸门,应尽量选在不筑堰的情况下,能够进行维修的地点。

基础底板不宜低于河床,防止在坍坝泄洪时,坝袋被泥沙覆盖,造成管理维修困难。在满足泄洪断面的情况下,将基础底板适当抬高,使橡胶坝高于枯水季节下游河流水位,便于检测和维修。同时,底板抬高后水流过坝后有一陡坡段,还有利于上游和下游水流的衔接,易于泥沙排泄,减轻坝袋溢流振动,避免回流和漩涡将卵石和泥沙等杂物带到下游侧锚固线外的底板上,引起坝袋磨损。

(6)坝址选择应考虑枢纽建筑物的合理布置。重要工程应有水工模型实验论证。

由设计资料可知本区在主要地层岩性为三叠系上统和侏罗系下统砂页岩,第四地层。坝址处为坚硬粉质粘土,符合建坝基础条件。

前期提出两处建坝地址,一处在上游柴槽处,一处在下游阳关处。由坝址选择示意图可知柴槽处在河流转弯段,水流不平稳,对河床冲刷作用明显,不宜修建橡胶坝。所以橡胶坝选在阳关附近的河道上,此处水流平顺,坝址上下游均有一定长度的平直,河床4—6米以下均为基岩。河道左岸多为山体,右岸以河滩为主,部分河段修建了堤防,河床及岸坡稳定。阳关紧邻省道,对外交通方便。工程所用水泥、沙、石子等材料以当地材料供应为主。所用块石可在附近山谷中采集。两岸山体多为震旦系石英砂岩致密坚硬,力学强度高,可满足本工程所需。施工用水用电可就近从附近阳关接10KV高压线到施工现场.。

2.1.3 坝型选择 橡胶坝与常规水闸比较,橡胶坝的优点是:①坝袋制造工厂化、安装简单、工期短;
②造价低廉、节省钢材、木材、水泥;
③不阻水、能保持河道泄流断面;
④操作灵活、管理方便;
⑤有较好的抗冲击性能。缺点是:坝袋易老化、耐久性较差。

橡胶坝主要适用于低水头大跨度的闸坝工程。坝高一般不超过5米。由设计资料知河流的设计水深为2.9米,河道底宽为92米,属于大跨度低水头大坝工程,所以适宜采用橡胶坝。

橡胶坝在实际运用中基本上以充水式和充气式为主,采用水气混合的很少。世界上橡胶把发展和建设主要以日本和我国为代表。我国和日本几乎同时研究和建设橡胶坝,但日后两国采用的橡胶坝型式却不同。日本的橡胶把多为充气式,至目前已建3000余座;
而我国的橡胶坝多为冲水式,至今已建成约千余座。

充气式橡胶坝对于坝袋强度制造工艺要求高,安装要求比充水式高,运行管理水平要求高。充水式橡胶坝对于坝袋制造、安装、强度及运行管理要求较低,为节省钢材,我国还发明了混凝土楔块锚固法。在充水橡胶坝方面,我国已形成了具有自己特色的橡胶坝设计制造运行管理技术,满足我国发展橡胶坝的需求。

但相比之冲水式橡胶坝,充气式橡胶坝的主要优点有:
一.运行管理相对方便,不受季节变化的影响。这一点主要体现在冬季,由于气体不存在结冰问题,运行管理模式四季相当,没有明显的季节变化。而水在零度就会结冰,要使充水橡胶坝在冰寒期仍然有效运行,解决好冰冻问题是不可回避的。

二.充气式坝袋塌坝相对充分,不会造成阻水。而充水橡胶坝塌坝后不仅需要占压一定面积的土地,且在塌坝后还会造成一定的阻水问题,大约阻水50厘米之多。当然,这主要是由于充水橡胶坝的现行结构所致,如想克服此问题也许只能是通过修改现行的有关标准。

三.充胀介质易于提取,充胀简便。充气式橡胶坝的充胀介质为气体,可以说是无时不有、无处不在,来源十分充沛,且可满足于随时足量取用,没有时间、地点的制约。而充水橡胶坝则要考虑充水介质的取水水源问题。以一座高5米的橡胶坝为例,每延米橡胶坝就需要46立方米的水量来予以填充,跨度为100米宽的橡胶坝就需要4600立方米的水量。现在橡胶坝的宽度动辄数百米、上千米,作为充胀介质的水源问题已成为必须考虑的问题之一。

四.充气式坝袋塌坝迅速及时,可满足汛期防汛抢险的快速反应。

五.充水式橡胶坝只宜布置在水平底板上,以便坍坝时能排空坝袋内的水。充气式坝袋既可布置在水平底板上,也可在曲线形实用堰顶上,应用范围较广。

六.满足充气橡胶坝运行要求的占地面积比充水橡胶坝占地面积节约15%到35%;
从而大量的节约工程资金;
比如坝高为2米的充水橡胶坝,按标准要求,坝基础顺水流宽度为6.3米,而同等规格的充气橡胶坝坝基础顺水流宽度为4.2米,节约基础投资为33%;
坝高为1.5米的充水橡胶坝,按标准要求基础地板顺水流宽度为4.6米,而充气橡胶坝仅要求为3.7米,节约基础投资20%;
坝高为1米的充水橡胶坝,按标准要求基础地板顺水流宽度为3.3米,而充气橡胶坝仅要求为2.8米,节约基础投资15%;

七.充气橡胶坝的运输、安装较为便利,这为山区小水电橡胶坝建设提供极大的便利。

充气橡胶坝的种种优点,导致充气式橡胶坝在当今国际市场上所占的市场份额呈攀升之势。,特别是考虑到橡胶坝的运行管理和维修等条件,在柴关橡胶坝采用充气式橡胶坝。

2.1.4 工程等级及枢纽布置 (1)工程规模。

工程规模应根据水文水利计算研究确定,具体可参照SL278-2002,《水利水电工程水文计算规范》和SL104-95《水利工程水利计算规范》的规定进行。

橡胶坝工程的规模主要是指坝的高度和长度。

a.设计坝高. 设计坝高是指坝袋内压为设计内压,坝上游水位计算水位,坝下游水位为零时的坝袋挡水高度。确定坝高时应考虑坝袋坍肩和褶皱处溢流的影响。

河床高程为75.6米,底板高程比河床高0.2~0.4m,取75.8m; 设计水位为78.5米,坝顶应比正常水位高0.1~0.2m,取78.7m; 坝高 H=75.8-78.7=2.9米 根据建坝用途,运行中坝高可以随时调节,以满足需要。因坝袋袋体为薄壁柔性结构,由于橡胶坝内压变化和坝上下游水位变化等原因,易引起坝袋变形,坝高将下降,要掌握溢流量就要了解与各个时刻上下游水位相应的坝高变化值。

我国水利行业标准SL287-98,《橡胶坝技术规范》规定橡胶坝的适用范围是坝高5m及其以下的袋式橡胶坝工程,坝高超过5m或特殊用途时应进行专门的技术论证和实验研究。

b.坝长设计。

坝长是指两岸端墙之间的坝袋的距离。如为直墙连接则是直墙之间的距离;
两岸为斜坡连接,则坝袋到达设计坝高时沿坝顶轴线上口的长度。单跨橡胶坝的边墙若为直墙,则跨长为边墩内侧之间的净距。

本橡胶坝设计为单跨充气式,边墩为直墙式。

则坝长米 橡胶坝经常在宽河流上使用,除经济效益明显,管理方便外,景观优美,壮观雄伟,也是一大优点。但单个坝袋过长会带来一系列问题,如加工不便,运输安装困难,充坝时间长,不利于检修,运行管理难度大等。为此,规范SL227-98 中2.3.3条规定,“坝长应与河(渠)宽度相适应,坍坝时应能满足河道设计行洪要求,单跨坝长度应满足坝袋制造运输、安装、检修以及管理要求” 。规范对此条文的解释是:“坝长的确定,应满足校核流量时上游水位不超过防洪限制水位,下游单宽泄流量不超过允许单宽泄流量”。考虑坝袋运输、安装、检修方便以及运行管理要求,单跨最大坝长在100m以内为宜。对于冰凌等漂浮物较多的河段,单跨在20-30m为宜。本工程所处地区四级分明,冬季寒冷少雪,取坝长92m符合要求。

(2)等级标准 水利水电工程等级划分,即关系到工程自身的安全,由关系到其下游人民生命财产、工况企业和设施的安全,还对工程效益的正常发挥,工程造价和建设速度有直接的影响。因此,应根据自然规律和经济规律,体现国家经济政策和技术政策,根据我国社会经济发展水平来确定工程等级。

水利水电工程是根据其规模效益及在国民经济中的重要性划分等。水利水电工程中的永久建筑物一般根据工程等别及其在工程中的重要性分级;
临时建筑物根据被保护建筑物的级别本身的规模使用年限及重要性分级。工程等级划分除执行国家统一标准外,允许根据不同地区不同情况制定相应的地方标准。

 据中华人民共和国行业标准《水利水电工程等别划分及洪水标准》《水闸设计规范》。本橡胶坝定为四等工程,橡胶坝控制室为4级建筑物。

(3)工程结构 橡胶坝整个工程结构主要由三部分组成:
a.基础土建部分 包括基础底板、边墩、上下游翼墙、上下游护坡、上游防渗铺盖、下游护坦、海漫、防冲槽等。这部分的作用是将上游水流平顺而均匀的引入并通过橡胶坝,并保证水流过坝后不产生淘刷。固定橡胶坝的基础地板要能抵抗通过锚固系统传递到底板的压力,使坝体得到稳定。

b.挡水坝体。

即橡胶坝袋和锚固结构,用水将坝袋充胀后即可调节水位和控制流量。

c.控制及观测系统。

包括充胀坝体的充排设备、安全及观测装置等。如空压机、压力表、水封管、水位计等。

(4)工程总体布置特点 柴关橡胶坝是建于平原河道上的橡胶坝。水流较平稳,河流断面较宽,能充分发挥橡胶坝的跨度大过水阻力小的特点。由于河床属于软土地基,岩层埋藏较深,所以设计时应控制渗流和冲刷,保证坝基稳定。

第三章 单跨充气式橡胶坝的坝袋设计 3.1坝袋结构型式设计 3.1.1坝袋结构型式的选择: 坝袋的结构,从外形上可分为袋式,帆式和混合式。袋式分为单袋式和多袋式。单袋式是按照设计坝高安装一个袋囊,达到挡水高度,多用于坝高较低的工程,是目前国内外通常采用的坝型。

柴关橡胶坝的设计坝高为2.9米属于坝高较低的工程,单跨充气式坝型,采用单坝袋。

3.1.2坝袋的内外压比 坝袋的设计内外压比是指坝袋的内压高度与坝袋设计高度的比。当坝高一定时,坝袋的外形尺寸主要受坝袋内压水头的影响。内压水头与坝袋的有效周长成反比,与坝袋的拉力成正比。

根据调查充气式橡胶坝采用的设计内外压比范围是0.75~1.10之间。从运用角度出发,没有特别要求时,内压比无需选择太大。从强度角度讲,坝高较小时,强度的选择基本不受材料限制,内压比选择幅度很大,为节省坝袋材料,可选取较大值。而高坝的强度选择受材料限制很大,宜选取较小值。在内压比选择幅度较大时,内外压比的选择应经技术经济比较后确定。

橡胶坝的坝袋的设计内外压比取为1.0。

3.1.3坝袋强度设计的安全系数 坝袋强度设计安全系数定义为坝袋抗拉强度与坝袋设计计算强度之比,这是一种不论建筑物等级而采用的单一安全系数法。在制定<<橡胶坝技术规范>>时规定 “坝袋强度设计安全系数充水坝应不小于6.0,充气坝应不小于8.0”。充气坝强度设计安全系数下限定为8.0,这是调查国内已建的橡胶坝坝袋强度设计安全系数的选取情况。

在具体计算坝袋强度安全系数时,直接采用坝袋胶布名义强度值计算时,应扣除15%-25%的胶布强度损失。

3.2.坝袋设计计算 橡胶坝的设计坝高H=2.9m 坝袋的设计内外压比 查橡胶坝技术规范表2.2-1充水式橡胶坝坝袋设计参数表可得: 由计算可得: 坝袋径向计算强度 上游坝面曲线段长度 下游坝面曲线段长度 坝袋贴地段长度 坝袋有效周长 、 坝袋单宽容积 坝袋横断面曲线坐标,坐标选取如图. 上游坝面曲线坐标: 查<橡胶坝工程技术指南>附表1-2,充水式橡胶坝椭圆曲线坐标表由可列下表 一 0.000 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.00 0.2189 0.3030 0.3628 0.4095 0.4471 0.4781 0.5037 0.5249 二 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.5425 0.5568 0.5684 0.5776 0.5847 0.5901 0.5939 0.5946 0.5979 三 0.90 0.95 1.00 0.5987 0.5990 0.5991 把代入表格可得下游坝面曲线点坐标 一 y 0.000 0.145 0.29 0.435 0.580 0.725 0.870 1.015 1.160 x 0.000 0.6348 0.8787 1.0521 1.1875 1.2966 1.3865 1.4607 1.5222 二 y 1.305 1.450 1.595 1.740 1.885 2.030 2.175 2.320 2.465 x 1.5732 1.6147 1.6484 1.6750 1.6956 1.7113 1.7223 1.7296 1.7339 三 y 2.610 2.755 2.900 x 1.7362 1.7371 1.7374 下游坝面曲线坐标: 3.3.坝袋胶布结构设计 3.3.1坝袋胶布结构 坝袋胶布的主要材料是橡胶和帆布.橡胶在坝袋中起胶合密封和保护受力的作用。对橡胶材料的基本要求是:耐大气老化,耐水性,耐侵蚀,耐磨损,和有足够的抗拉强度.抗撕裂性能.柔性好.耐挠曲.耐久性能好,以及适宜橡胶加工工艺。

由坝袋拉力和坝高H=2.9m,选用坝袋型号JBD3.0-220-2,坝袋胶布型号为J220110-2。

坝袋为一布两胶,胶布层数为两层,外层胶厚为4.50mm内层胶厚为4.00mm。坝袋胶布的径向强度为360KN/m,考虑25%胶布强度损失后胶布强度为330KN/m。

坝袋强度安全系数>8.0故满足设计要求。

3.3.2坝袋展开图 根据橡胶坝的多跨布置,在岸边采用直墙边墩,在中墩处采用直墙式连接。

图中a为锚固长度,本设计定a=0.2m , 则坝袋长度: ;

经查表已计算出: 坝袋宽度的计算: 根据《橡胶坝设计指南》充气坝采用穿孔式钢压板锚固,锚固长度为35cm,即=0.35m 第四章 单跨充水式橡胶坝锚固系统结构设计 橡胶坝是将坝袋锚固在基础底板和边墩上,充气将坝袋充胀,构成可升高挡水和降低泄流的工程。锚固是橡胶坝工程的关键组成部分,锚固系统结构设计包括锚固线的布置、锚固结构形式的选择、锚固构件设计制造和锚固结构强度实验研究。

4.1锚固线的布置 锚固线的布置可分为单锚固线和双锚固线两种。单锚固线是将坝袋胶布安装锚固在基础底板上,只有底板上游一条锚固线,其锚固线短,锚固件少,安装简便,密封和防漏性能好。但坝袋周长较长(包括坝袋底部的贴地长度),多费坝袋胶布。由于单锚固线仅在上游锚固,坝袋可动范围大,对坝袋防震防磨不利,尤其是当坝顶溢流时,在下游坝脚处产生负压,将泥沙吸进坝袋底部,造成坝袋磨损。双锚固线是两条锚固线将坝袋胶布分别锚固于四周,锚固线长,锚固件多,安装工作量大,相应处理密封的工作量也大,但坝袋四周被锚固,坝袋可动范围小,对坝袋防振防磨有利,由于在上下游锚固线件的贴地段可用纯胶片代替坝袋胶布防渗,从而节省坝袋胶布约三分之一,可降低坝袋的造价,在实际工程中普遍采用。

规范中说明充气坝宜优先采用单锚固线锚固。所以本工程橡胶坝采用单锚固线进行坝袋锚固。

4.1.1基础底板锚固线布置 单锚固线布置时,锚固线的位置是在离上游底板(顺水流方向)的长度为0.5-1.0m处,是为了安装坝袋检查维修所需设的交通道的宽度。

4.1.2边墩锚固线布置 边墩锚固线布置,应满足坍坝时坝袋平整不阻水,充坝时坝袋褶皱较少,不会因坝袋褶皱产生水头损失,坝体挺拔美观。

边墩为直墙形式采用矩形孔口的锚线型式。若锚线直接往上爬坡,坝袋产生褶皱较多,则上游锚固线往下游向上倾斜布置,褶皱可以减少 4.2.锚固构件计算 橡胶坝的锚固结构型式多种多样,按锚固坝袋的方式可分为穿孔锚固和不穿孔锚固两种。按锚固构件材料,分为螺栓压板式锚固和胶囊充水式锚固。在已建的橡胶坝工程中,常用的锚固结构型式是螺栓压板式锚固。本橡胶坝采用穿孔锚固的方法和螺栓压板式锚固。

螺栓压板式锚固的构件由螺栓压板及垫板组成。橡胶坝设计坝高为2.9m,为了增强压板单位面积的压强,在压板底面边缘焊两条直径为15mm的钢筋,以增加压板与胶布的摩擦力,压板截面型式采用曲线性。锚栓和刚压板材质可采用Q235刚制成,锚栓为粗制,螺纹为粗牙. 4.2.1锚固螺栓压板式锚固设计主要是通过计算确定螺栓直径、间距、长度及压板的断面尺寸。螺栓间距用压板刚度和螺栓直径进行计算确定,螺栓间距宜采取为饿0.2-0.3m。。

4.2.2 锚固构件螺栓的设计 锚固力的计算:  ---安全系数,一般取为3-4,本设计取4 —坝袋环向拉力,按设计时径向拉力计算 设1米厂锚固线上布置4个螺栓,则螺栓间距为25cm 每根螺栓承受的荷载计算如下: K---拧紧力和转力影响系数,取为1.75 n ---1米长内螺栓根数 螺栓直径的计算; 螺栓材质选用Q235钢,则其值 选用直径的钢栓,其规格型号为,适用于坝高2.5-3.0m的坝。

螺栓长度计算: 按经验螺栓长度可取为20d--25d,本设计取 末端弯钩长度,取为100 mm。

4.2.3压板设计 压板采用规格M300,长度为996mm,宽度为130mm,厚度为48mm 由T产生的弯矩: L ---力臂,螺栓中心至压板边缘的距离 ---安全系数,一般取为3.0 压板强度: 4.2.4垫板的设计 垫板采用与之相应的规格M300。

具体尺寸:长度为999mm,宽度为150mm,厚度为8mm 第五章 单跨充气式橡胶坝的控制系统设计 控制系统起调节橡胶坝高度的作用,它包括坝袋的充胀、排空,充气式坝袋的超压排气以及坝袋内压和上、下游水位观测等,它们是橡胶坝工程中不可缺少的重要组成部分。

5.1充排方式 橡胶坝袋的充排方式,有动力式和混合式两种。

本橡胶坝采用动力式,用空压机将压缩空气充进储气罐,然后打开进气阀,空气经管道充进坝袋,带充气至设计坝高时关闭进气阀。打开排气阀排气即可调节坝高。

5.1.1动力设备设计 动力设备设计要考虑工程规模、运行管理的可靠性、操作方便等因素,合理地选用空压机的容量及台数。对于重要的橡胶坝工程,还应配置备用动力设备。空压机的选型应根据坝袋的容积、设计内外压比及充坝时间计算确定空压机的额定生产率。空压机的工作压力根据橡胶坝的额定充气压力确定,工作压力应大于额定充气压力。

坝袋内压 坝袋内压数值上等于坝高水头产生的静水压力。

水平 垂直 换算成压强为37.4Kp 本工程充气时间无特殊要求故按照经验取排气时间为2小时,则排气量为:
选择鼓风机型号为:
L型系列罗茨鼓风机L23LD n=2900r/min 轴功率6.46kW 5.1.5 管路设计计算 管道直径:: Q---管段内的最大计算流量, V---管道采用的计算流速在10-20 m/s之间,取为15m/s 管道直径选择D=100mm 5.1.6管路布置 冲胀和排空管路采用合并布置形式,充气管路从起源开始,经边墩穿过地板进入坝内,合并布置是冲排气管路应各自设闸阀控制,且排气关口要布置在坝袋最高处,以利排气。

管路布置按充气橡胶坝一般原则设计,并根据以上计算和橡胶坝工程的运行要求,结合地形情况进行管路布置。充气式橡胶坝的管道均采用无缝钢管,为节省管道,进气和排气管路可采用一条主供、排气管。管与管之间尽可能用法兰连接,坝袋内支管与坝袋内总管连接采用三通或弯头。排气管道上设置安全阀,当主供气管内压力超过设计压力时开始动作,以防坝袋超压破坏。另外要在管道上设置压力表,以监测坝袋内压力,总管与支管均设阀门控制,且管口设在坝袋最高处。

5.2 控制室的设计 5.2.1安全设备 安全装置施工与安装必须符合设计(精度)要求,确保施工安装质量,运用灵活可靠。

  (1)安全系统由超压溢流孔、安全阀、压力表、排气孔等组成,该系统的施工要求严密,不得有漏气现象。

  (2)密封性高的设备都要在安装前进行调试,符合设计要求方能安装使用。

  (3)安全装置应设置在控制室内或控制室旁,以利随时控制。

  (4)超压管的设置,其超压排气能力应大于或等于进坝的供气量。

5.2.2观测设备 观测系统由压力表、内压检测、上下游水位观测装置等组成,其设计和施工应注意以下几点:
(1)施工安装时一定要掌握仪器精度,要保证其灵活性、可靠性和安全性。

   (2)坝袋内压的观测要求独立管理,直接从坝内引管观测,上、下游水位观测要求独立埋管引水,取水点尽量离上下游远点。

   (3)坝袋的经纬向拉力观测,要求厂家提供坝袋胶布的伸长率曲线。

第六章 坝基土建工程设计 橡胶坝的土建工程包括基础底板、边墩(岸墙)、中墩、上下游翼墙、上下游护坡、上游防渗铺盖或截渗墙、下游消力池或护坦、海漫、防冲槽等。本设计为单跨橡胶坝,除不设中墩外,其它设施均与橡胶坝土建工程要求相同。

6.1底板的设计 橡胶坝的基础底板是承受其上部自重、水重及荷载,并向地基传递的结构, 同时它又是地下轮廓线的主要组成部分,限制通过地基的渗透水流,减小地基渗透变形的可能性,并保护地基免受泄水水流的冲刷。因此,坝底板必须具有足够的坚固性、整体性、抗渗性和耐久性。坝底板常采用钢筋混凝土结构。

6.1.1底板顺水流方向的长度 底板顺水流方向的长度即底板宽度应满足坝袋坍落线的宽度要求,并在上下游应留有足够的安装检修的交通道。底板宽度等于坝袋坍落宽度与上下有坝袋的安装检查维修所需要的交通要道之和,一般交通要道上游与下游各取0.5-1.0m(包括坝袋残余变形值所需贴地长度在内),本工程上游取0.5m,下游取1.0m。基础底板长度的计算公式如下。

对于单锚固的橡胶坝 式中 L0----坝袋的有效周长 L1---上游交通道长度,取为0.5m L2---下游交通道长度,取为1.0m 取 L=10.0m 6.1.2底板厚度的确定 底板厚度应根据地基土质作用荷载等因素确定,在满足基础抗滑稳定底板强度和刚度的条件下来确定。SL227-98《橡胶坝技术规范》建议,坝底厚度常采0.5-0.8m,应满足管路布置和结构需要,对有防冻和特殊要求的工程可适当加厚。

本设计底板厚度取为0.6m。

6.1.3底板高程 橡胶坝基础底板高程的选定不仅与坝高坝袋周长及工程造价有直接关系,还与运用要求及坝袋检修关系密切。坝底板高程定的低一些,可以加大下泄流量,但坝袋高度增加,坝袋周长加长,坝袋检修条件差。因此,在不影响泄流的情况下,坝底板高程比上游河床地形平均高程适当抬高0.2-0.4m,这不但可使整个高程造价降低,检修条件改善和便于观测,而且可防止过坝推移质泥沙随水流卷入坝袋底部,从而减轻坝袋的磨损。

坝底板高程比上游河床地形平均高程适当抬高0.2-0.4m,取为0.2m 6.1.4底板型式 基础底板形式有平底板、低堰底板、折线底板和反拱底板等。充气坝不受底板形状影响,它可适应曲面形状底板,由于橡胶坝多采用平底板,且平底板施工方便,本设计采用平底板。

采用堵头形式的橡胶坝,充坝时和边墩的结合部位出现坍肩现象,引起局部溢流,影响橡胶坝的正常运行。在工程上采取将边墩与坝袋接触部位的混凝土表面做得尽量光滑、部底板局部抬高等方法来消除影响。

6.1.5底板分缝 为了防止和减少由于地基不均匀沉降温度变化和混凝土干缩引起的裂缝,必须沿垂直于水流向对底板进行分段,即设置若干道顺水流向的永久缝,分段长度不宜过大,亦不宜过小。由于基础地基为土基,钢筋混凝土底板顺水流向的永久缝的缝距不宜大于35m。

本工程底板上永久缝的构造形式采用铅直贯通缝,缝宽取3cm,缝距取30m。

6.1.6底板地下轮廓的形状和尺寸 根据地基的地质条件、坝上下游的水头差,并结合考虑坝袋锚固槽(深度和位置)的需要来选定坝底板地下轮廓的形状和尺寸。

在坝底板的上、游端,通常设有0.5-1.5m的齿墙,既能增加渗径长度,降低坝基底部渗透压力,减小渗透水流的出逸坡降,又能增加坝基的抗滑稳定性。但齿墙深度不宜超过2.0m,否则施工 有困难。

采用钢筋混凝土平底板,在上下游端设置深度为1.0m 的齿墙,齿墙上部宽度为0.6m,下部宽度为0.3m。

6.2底板应力和稳定计算 6.2.1荷载计算及组合 (1)坝袋及坝底板自重 按其几何尺寸及材料重度计算确定。在橡胶坝结构使用的建筑材料,主要有混凝土和钢筋混凝土。混凝土的重度可采用23.5-24.0,钢筋混凝土的重度采用24.5-25.0,坝袋胶布的重度可采用12.0 坝袋重: 底板重: (2)坝内气体压力 坝袋内压数值上等于坝高水头产生的静水压力。

水平 垂直 (3)静水压力 。

应根据橡胶坝不同运用情况时最不利的上下游水位组合条件确定。

坝袋充满水后挡水部分为曲面,静水压力可分为水平分力和垂直分力。

水平分力:
垂直分力:
式中hc坝袋上游水体形心点位置及水体体积由CAD图形得出。

(4)风压力 忽略不计 (5) 浪压力的计算:
作用在橡胶坝上的浪压力应根据坝前风向、风速、风区长度、风区内的平均水深以及坝前实际波态的判别等确定。浪压力计算公式可按照GB50286-98<<堤防工程设计规范>>或SL265-2001推荐的公式。关于计算风速的取值,采用DL5077-1997的有关公式。

a.平均波高和平均波周期可按蒲田公式计算 式中:---- 平均波高 ---- 计算风速,参与荷载基本组合时用重现期为50年的年最大风速取为18m/s D ---- 风区长度取河道宽度的5倍,为532.5m ----风区内平均水深,为2.9m ----平均波周期 代入上式:
b.由建筑物的级别为四级,查《水闸设计规范》SL265—2001表E.0.1-1得波列累积频率P=10%。

由 查表E.0.1-2 求得 c. 查表E.0.1-3得 d.临界水深 因为 ,并且 浪压力按如下公式计算:
式中:----闸墩底面处的剩余浪压力强度 ----作用于坝面迎水面上的浪压力 ----波浪中心线超出计算水位的高度 带入计算:
(6)土压力的计算 作用在橡胶坝上的土压力应根据填土性质、挡土高度、填土地下水位、填土顶面坡脚及超荷载等计算确定。参照国家现行的DL5077-1997<<水工建筑物荷载设计规范>>确定土压力的形式。土压力的计算可参照SL265-2001<<水闸设计规范>>附录D或DL5077-1997进行。

边墩挡土部分为直立面,其后填土产生的土压力为静止土压力。

静止土压力系数 作用在挡土结构上的静止土压力:
(7)扬压力的计算 计算坝基础地面扬压力(即浮托力与渗透压力之和)的水位计算条件,应和计算静水压力的水位组合条件相对应。

坝基内未设水泥帷幕灌浆和排水孔,最不利工况挡水时下游无水不设浮托力。

扬压力为: 6.2.2坝基底应力的计算 橡胶坝在施工和运用期间,其工作条件是经常变化的,这时坝底板的作用力也随之改变。因此,在进行坝底板稳定计算时,首先应分析在施工和运用过程中可能出现的工作状态,并选出其中起控制作用的情况,作为稳定计算的条件。

本区地震烈度为6度,根据我国《水工建筑物抗震设计规范》SDJ10—78设计烈度在6度以下时除对重要工程采取抗震结构和工程措施外可不做抗震设计。故不考虑地震影响,按完建和正常运用两种工况计算。

(1)完建期: 这时坝上下游无水,坝底边无扬压力,只有坝及底板自身的重量,坝底板对地基的压力较大。取为1米作为计算单元 a荷载及弯矩的计算 荷载 坝袋重:
气体压力:
底板重:
弯矩 坝袋重量对底板形心产生的弯矩:
坝袋内气体对底板形心产生的弯矩:
底板重对底板形心产生的弯矩为0 b坝基应力计算 基底面积 坝基底面对垂直水流向形心轴的截面矩 c地基反力的平均系数 满足设计要求 (2)正常运用期 橡胶坝建成后,一般上游水位与坝顶齐平,下游无水。最不利条件是上下游水位差最大的情况。取1米长坝段作为计算单元 a荷载及弯矩的计算 荷载 坝袋及气体重:
底板重:
静水压力:
土压力:
扬压力:
浪压力:
作用在坝底板上的垂直力之和 弯矩 作用在底板上的力对垂直于水流方向底板中心轴产生的力矩:
产生的弯矩:
垂直水压力产生的弯矩:
扬压力产生的弯矩:
F产生的弯矩:
浪压力产生的弯矩:
----计算水位 ,取2.9m 水平水压力产生的弯矩:
则:地基上的作用力对基底中心产生的弯矩之和 b基底应力的计算 基底面积 坝基底面对于垂直水流向形心轴的截面矩 c地基反力的平均系数 6.2.3地基底板稳定计算 基础底板的抗滑稳定计算 由于底板下设有齿墙,所以底板的滑动不是沿底板的下表面和地基土壤表面而是沿上下游齿墙最低点的连线的土体中滑动。

抗滑稳定安全系数计算采用:
式中:
----比例系数 查《橡胶坝工程技术指南》表4-7 —土壤摩擦角,,则 ----作用于底板上的垂直荷载 B----垂直水流方向上的计算宽度,取1.0 m L----两齿墙之间的长度,近似可取底板宽为7.0m ----地基土的粘着力,查《橡胶坝工程技术指南》取,本设计取0.2C,则 ----所有水平作用力之和 ----本建筑为四级建筑物,查SL265—2001<<水闸设计规范>>,基本组合取1.20, (1)正常运用期抗滑稳定计算 垂直力之和:
水平力之和:
抗滑稳定安全系数:
(2)底板抗倾覆稳定安全计算 绕底板下游齿墙最低点的抗倾覆力矩:
绕底板下游齿墙最低点的倾覆力矩:
则:安全系数 满足要求 6.3边墩设计 边墩是橡胶坝在左、右岸进行锚固和充胀坝袋成密封状的重要部分。边墩的设计高度应首先满足坝袋锚固布置的需要,同时高于坝顶溢流时最大溢流水位。边墩有斜坡式和直墙式,其计算与底板基本相同。各种情况下的平均基底压力应不大于地基允许承载力:基底压力的最大值与最小值之比以及抗滑安全系数都不应小于规定的允许值。

坝袋与两岸连接布置,应使过坝水流平顺。上、下游翼墙与边墩两端应平顺连接,其顺水流方向的长度应根据水流和地质条件确定。边墩和翼墙是广泛使用于水利工程中的水工挡土墙。

6.3.1边墩的设计 在天然河道渠道中建橡胶坝,为适应上下有原有边缘状况,节省工程量,使水流顺畅,基本上保持原有过水断面,通常采用斜坡式的边墩连接形式,迎水面坡度与两岸坡度相同,这样既可以消除橡胶坝锚固时出现的褶皱,又便于施工和安装。但本工程设计为单跨,橡胶坝长度不应大于100m。坝址出主河槽为U型断面,坝址处上下游经前期治理,河道断面近似为梯形,底宽为92m,边坡为1:2.5,可知水面宽106.5m,为适应工程需要边墩采用直墙型式,采用重力式岸墙。顶部宽度取为0.5m,墙高为4m,底部宽度为4.5m,背水面坡度为1:0.8,边墩长度和底板同长,取为7.0m。

(1)边墩应力计算:(取B=1m作为计算单元) a.水压力:
b.边墩自重:
c.土体自重:
d.静止土压力 静止土压力系数 作用在挡土结构上的静止土压力:
作用在土基上的全部竖向荷载:
(2)对基地中心产生的弯矩:
水压力产生的弯矩:
边墩自重产生的弯矩:
土体自重产生的弯矩:
土压力产生的弯矩:
地基上的力对地基中心产生的弯矩之和:
(3)地基上的应力 基地面积: 截面惯性矩: (4)地基反力不均匀系数 (5)抗滑稳定计算:
水平力之和: 6.3.3翼墙的设计 (1)上游翼墙 上游翼墙采用圆弧式反翼墙,圆弧半径取2-5m,设计圆弧半径为4m,高度略高于上游最高水位,取为4m。

(2)下游翼墙 下游翼墙采用八字形翼墙,扩散角取,延伸与消力池长度取齐,高度应高出最高洪水位。

6.3.4护坡 为了保护岸坡不受水流冲刷,在橡胶坝一定长度内,需要进行护坡。护坡采用浆砌石结构,适宜建在坚硬的粘性土基上。护坡的高度应在可能达到的高水位以上。上游护坡布置到铺盖末端,下游护坡长度应超过海漫2m,以抵抗水面波动。

6.4防渗排水设计 橡胶坝的坝基防渗排水应根据基础地质条件和坝址上、下游水位差等因素,并结合消能和两岸布置综合考虑,以构成完整的防渗排水系统。坝基的防渗长度即铺盖或板桩等防渗设施及底板与地基接触线的长度,是坝基渗流的第一条流线长度。要经济、合理的设计地下轮廓以及与之相应的防渗排水设施。

橡胶坝底板下土基渗透计算方法主要有:渗径系数法、流网法、改进阻力发和电模拟试验法或数值计算方法。本橡胶坝采用SL256—2001《水闸设计规范》中规定的闸基防渗长度计算公式进行渗透计算。

6.4.1渗径长度的计算: 式中:
----坝基渗径长度m,即坝基轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和。

----上下游水位差,2.9m C ----允许渗径系数值,2.0(在规范中查得有滤层的粘土地基允许渗径系数为3~2,取2.0) 代入计算 地基防渗长度为7m > L = 5.8m,设计安全。

6.4.2渗透压力的计算 因为是坚硬粘土地基不设水泥灌浆帷幕,底板上游端未设排水孔,按梯形分布计算。底板下面上游端的渗透压力作用水头为,下游端水头为。

作用与坝基底面上的渗透压力:
式中:
----坝底板面上的渗透压力 H----上游挡水高度 L----坝底板面的水平长度,7米 ----下游无水为零 代入公式计算如下: 6.4.3抗渗稳定计算 简化地下轮廓线。铺盖、底板用其平均厚度代替,其下齿墙用板桩代替并移至两端,如图。计算时先不算铺盖长度。

(1)透水层计算深度T ,则 、------地下轮廓线分别在水平及垂直面上的投影长度,m 比较与地基透水层的实际深度,取二者中的小者即为地基透水层计算深度T. 地基透水层实际深度根据资料为4~6m,T取6m,取T1=6m ,T2=5.5m,T3=6m (2)分区并计算各区阻力系数 对简化后的地下轮廓线分区,分为7个区段,1区为进口段,2、5区为水平段,3、4、6区为垂直板桩段,7区为出口段。按其边界条件的异同,有可分成三种典型流段:进出口段,内部水平段和内部垂直段。其阻力系数用相应公式求出。

进出口段:
= =0.543 进口段和出口段相同 内部垂直段:
=0.176 内部垂直段4区和六区相同 内部水平段:
2.38 水平渗透坡降 H----坝前水头 T----地基透水层深度,根据资料深度为4~6m ----阻力系数, 计算得 出口段水头损失的渗流坡降由下式计算:
J出 式中 ---修正后水头损失 ---底板与板桩在粘性土内的埋深。取=1m。

出口段损失即为7区的水头损失 式中 ----7区的阻力系数;

修正后出口水头损失的减小量为:
式中 ----出口水头损失,求得=0.23,==0.91m, ----阻力修正系数,当时,取 式中 ----底板与板桩在粘性土内的埋深即出口渗径长度,=1m;

----板桩上游侧地基透水层深度(自底板底部算起)=5.2m;

----板桩下游侧地基透水深度(自反滤层底部算起)=6.0m。

带入式(6-18)得, 代入得:
J出= [ J出] = 满足安全要求,故可以不设铺盖。

6.4.6分缝及止水 为防止地基因温度变化产生变形和产生不均匀沉降,对闸底板进行分缝,顺水流方向设2条永久缝,缝距30m,缝宽2cm,采用橡胶止水带止水。

6.4.7防渗排水设施 橡胶坝虽属小型工程但也存在基础防渗问题。底板的地下轮廓布置均应按照防渗与排水相结合的原则。在橡胶坝上游布置防渗设施,设置防渗铺盖,用来延长渗径,减少底板渗透压力,降低坝基平均渗透坡降。在下游设置排水设施,布置排水孔和反滤层,使渗透水流尽快的安全排走。

经计算渗透坡降满足渗透稳定要求,不设铺盖。

排水设施:排水形式采用平铺式排水,用直径不同的卵石、砾石、碎石等平铺在海缦首端上,厚度取为0.4m。排水设施和地基土壤接触处易发生渗透破坏因设置反滤层。

6.4.4反滤层设计 按照规范,取反滤层每层厚度取为0.2-0.3米,有三层组成,粒径沿渗流方向逐渐加大,细粒层厚度为20cm,中砂厚度为10cm,粗砂厚度为10cm。

6.5消能防冲设计 平原地区橡胶坝,由于水头低且河床抗冲能力差,难以采用挑流消能,加上下游水位边幅往往较大,也无法采用面流消能。据调查资料统计,我国已建大、中型水闸工程基本上均采用底流式水跃消能。橡胶坝水头低而流量大,下游尾水深,下泄水流接近临界水流,但不能产生完全水跃,而形成一系列急流在表面成为波状水跃。在泄量相同条件下,橡胶坝单宽流量比常规水闸小,跃后水深也比常规水闸小,底流消能可适应较大范围内的变动过坝流量和下游水位,同时在平面上也易扩散。故本橡胶坝底流式采用水跃式消能。

6.5.1泄洪能力的计算 橡胶坝的泄洪能力,可按堰流基本公式计算: 式中 Q----过坝流量, B---溢流断面的平均宽度,m,取90m ----计入行进流速的堰顶水头,m,取2.9m m ---流量系数,视为宽顶堰 ,取0.35 ----淹没系数,宽顶堰淹没条件 ,则,查《水力学 上》表8.2得=1.00 ----堰流侧收缩系数,与边界条件无关,取1 求得 6.5.2消能设计计算 橡胶坝泄流一般有以下三种流态:① 橡胶坝全部坍落,袋面行洪,水流比较平稳,流速与原河床流速相近。②橡胶坝全部充起,坝顶部类似实用堰。当坝顶开始溢流时,下游水深很浅甚至无水,水流连接条件不利,随着溢流量的增加,下游水深逐渐提高,形成水跃。水跃有一定程度的淹没,对消能有力;
但当坝下游护坦与底板高程齐平时 ,下游坝脚处易产生局部负压区,使坝袋振动。③橡胶坝未充到设计高度,或在坍落过程中,坝型类似于宽顶堰,坝顶溢流时,水流具有两个自由表面的跌差:一个在上游面的顶端,一个在下游面的顶尾。全部塌落与原河床水流条件近似,故只进行全部冲起和塌落过程的水利计算。

(1)橡胶坝的基本流态:
坝袋运用时外形的变化:橡胶坝坝袋在充胀的过程中内压逐渐增大,坝顶宽度逐渐减小,此时坝袋外形接近实用堰;
坍坝过程中内压逐渐减小,其坝顶宽度逐渐增大,此时坝袋外形逐渐接近宽顶堰;
当坝袋内压比等于零时 ,坝袋完全泄空,袋囊平坍于河床上,恢复原有河床过水断面。

溢流时水流衔接状态:在泄洪时,橡胶坝是均匀缓慢的坍落。溢流开始时,水位差最大,随着坝袋坍落,单宽流量逐渐增加,下游水深相应增加,水位差减小,当坝袋坍平后,水位差接近于零。

当坝高充至设计高度,坝顶溢流时,流速加大,冲刷力强。特别是过坝水流紧靠坝袋的下游锚固处,容易造成坝袋振动和将砂石等杂物卷进坝袋底部而磨损坝袋。因此,在下游应设护坦保护坝体。护坦的设置范围,要考虑溢流水深、流量上下游水位差下游水深流速等因素。为此,首先要判断水流的衔接流态,这可用下游水深与收缩断面水深的共轭水深来进行比较判断。

按照橡胶坝坝顶溢流高度为0.3米,来计算过坝流量。

m取实用堰情况,为0.40 = =26.2 橡胶坝基本流态的判定:
P=2.9m > 1.33=0.40,故不记行进流速。

单宽流量 查附图1可得:
则跃后水深:
查橡胶坝关系曲线,查得下游水深<0.5 由可知,为远驱式水跃。

(2)消力池的设计 据橡胶坝的特点采用底流式消能。底流式消能应根据橡胶坝的泄流条件进行水力计算,确定消力池的深度长度及底板厚度。

当橡胶坝溢流高度超过0.3m时,开始坍坝泄水。泄水时,上游按正常水深H=2.9m计算,每坍落0.3m进行一次水力计算。

过坝流量按如下公式计算:
式中:
B ---溢流断面的平均宽度,90.0m ----堰顶全水头,不计入行进流速 ----淹没系数,自由出流淹没系数为1.0 m---流量系数,对于堰顶进口为圆角的按如下公式计算; 当 时, 式中:
----堰顶水头 ----运行时的坝高 当时,采用常数m=0.36 ----侧向收缩系数,按如下公式计算 式中:
----考虑墩头及堰顶入口的形状系数,边墩头部为矩形,则 b----溢流断面宽度为90m B----河流的平均断面宽度为107m 求得= 坝袋坍落不同高度下泄流计算表 坝高(m) 堰顶水头(m) 流量系数 侧向收缩系数 流量Q () 单宽流量q() 下游水深 (m) 2.6 0.3 0.360 0.986 23.22 0.258 0.23 2.3 0.6 0.360 0.982 65.43 0.727 0.54 2.0 0.9 0.362 0.978 120.42 1.338 0.90 1.7 1.2 0.365 0.975 186.39 2.071 1.12 1.4 1.5 0.368 0.972 261.81 2.909 1.38 1.1 1.8 0.371 0.969 345.87 3.843 1.65 0.8 2.1 0.375 0.965 438.75 4.875 1.82 0.5 2.4 0.378 0.961 538.11 5.979 2.20 0.0 2.9 0.385 0.950 719.67 7.996 2.55 由消力池的系数, ,, .查水力学下册附图1可得 消力池计算表 q 0.258 0.189 15.34 0.205 3.00 0.038 0.567 0.529 0.337 0.727 0.377 7.69 0.290 2.40 0.109 0.905 0.796 0.365 1.338 0.567 5.11 0.362 2.12 0.205 1.202 0.997 0.302 2.071 0.759 3.82 0.42 1.90 0.319 1.4421 1.123 0.322 2.909 0.952 3.046 0.52 1.70 0.495 1.1684 1.123 0.238 3.843 1.146 2.53 0.602 1.50 0.690 1.719 1.029 0.069 4.875 1.344 2.16 0.63 1.43 0.847 1.922 1.075 0.102 5.979 1.539 1.88 0.71 1.30 1.093 2.000 0.907 -0.200 7.996 1.869 1.55 0.79 1.16 1.477 2.168 0.691 池深计算 由计算表中可见最大时的单宽流量,所以消力池深度的设计流量为. 估算池深: 设池深 . 则, 查水力学下册附录1可得,则可计算出 则 接近与,所以消力池深度定为0.4m。

池长的设计 由表中数据可知,池长设计流量时,水跃长度最长。

水跃长度:
池长:
----消力池斜坡段水平投影 ----水跃校正系数,根据规范取值0.7~0.8,本设计取0.8 消力池池长取为8.0m。

底板厚度的设计:
对于抗冲:
式中 ----泄水时的上下游水位差,m;

----消力池底板计算系数,可采用0.15~0.20,取=0.20;

求得 :
对于抗浮:
式中 ----消力池底板安全系数,可采用1.10~1.30,取=1.30;

----作用在消力池底板的扬压力,kpa;

----排水孔中心线与底板底面上游端的水平距离;

----渗透压力强度系数,采用0.25;

----消力池底板的水平长度。

----作用在消力池底板顶面的水重,KPa;

----作用在消力池底板上的脉动压力,其值可以取跃前收缩断面流速水头值的5%;

----消力池底板的饱和容重,。

求得:
故消力池底板厚度计算为0.42m,取t = 0.45m。

6.5.3消力池的结构 (1)为了防止在水舌下形成局部真空产生负压,使过坝砂石能顺利排到下游,消力池与底板间常用斜坡连接,消力池进口斜坡段坡度不应陡于1:3,一般采用1:4或更大些,应根据水流流态确定。设计采用坡度为1:4。

(2)消力池与基础底板,翼墙及海漫间均用缝相互分开,以适应伸缩及不均匀沉陷。

(3)消力池底板分缝:顺水流方向的纵缝与基础底板的纵缝错开,一般不设垂直水流方向的横缝。缝距以不大于20~30m为宜,缝宽填以沥青油毛毡以及沥青木板等。如消力池的缝兼有防渗作用,则缝内须设置橡胶止水片,塑料止水片或止水铜片等。本设计消力池缝宽2cm,缝距20cm,缝内填沥青油毛毡。

(4)为减少消力池底板上的扬压力,在池底板的后半部分设置排水孔,孔径一般为5~8cm,间距为1.0~1.5m,呈梅花形排列,并在该部位的整个底板下面铺设反滤层。本设计孔径取5cm,间距1.0cm。

(5)消力池前后端底板应设齿墙,以增大底板的抗滑稳定性。齿墙的深度一般为0.8~1.5m,厚度为0.6~0.8m。如果消力池前后端的水位差较大,齿槽深度应适当加大。本设计持墙深1.0cm,厚度0.6cm。

6.5.5海漫设计 水流经过护坦(消力池)后,若流速尚能冲刷自然河床时,为了保护底板护坦及防止河床冲刷应设置海漫。海漫的作用是保护后面的河床免受高速水流的冲刷,消除消力池消能后所剩余的多余能量,进一步扩散水流和调整水流。出池后的水流,底部流速过大,脉动强度也较强烈,对下游无保护的河床仍具有较大的冲刷能力,所以消力池以下的河床除非是较好的基岩外,一般都要建造海漫作为护面。

海漫一般用抛石砌石铅丝石笼或混凝土块铺筑。海漫厚度为0.4米。为了减小渗透压力,浆砌石海漫内设排水孔,干砌石和铅丝石笼下设反滤层。

(1)海漫的长度 对于一般土质的河床,影响海漫长度的主要因素是消力池尾部的单宽流量与上下游的水位差。初步估算海漫长度的公式可采用:
式中 ----海漫长度 ----消力池末端的单宽流量,拟经过消力池q不变,拟取2.909/s ----坝泄水时的上下游水位差,=2.9-0.495=2.405m ----海漫长度计算系数,查橡胶坝工程技术指南表4-3得,=8.0 代入计算:
海漫长度取为 (2)海漫的布置 a.在地形条件允许的情况下,海漫应顺水流方向做成斜坡。其目的是使海漫末端增加水流深度,使水流在平面上扩散的同时也在铅直方向扩散。根据经验,适宜的倾斜坡度为1:6—1:10,设计采用坡度为1:10。

b.对海漫护面材料的要求。应具有一定的柔性、透水性和粗糙的表面,其构造和抗冲能力应与水流流速相适应。

c.海漫护面下面必须设置10-20cm的砂砾和碎石垫层各一层,以防止底流冲刷河床和渗流带出土粒。本设计为15cm的砂砾和碎石垫层各一层。

d.海漫的护面型式。设计采用堆石海漫,表层一块石的粒径为30cm,当粒径为30-40cm 时,容许流速约为2.5m/s左右。

6.5.6防冲槽 在海漫末端水流仍具有较小的冲刷能力,当下游河床冲深后,势将危机及海漫的安全。如果要求河床完全消除冲刷,则海漫做得很长,既不经济也无必要,解决的办法是在海漫末端设置下游防冲槽,当下游河床形成最终冲刷状态时,确保海漫不致破坏。

海漫末端常常降低,用堆石等柔性结构做成防冲槽,一方面水深增加了。可以减缓海漫末端的水流流速调整流速分布。另一方面防冲槽的堆石可以适应河床的变形,起保护河床防止冲刷坑向上游不断扩大的作用。

防冲槽是在海漫末端开挖土槽中堆放石块而成,槽顶与海漫末端齐平,槽底高程取决于堆石数量,并考虑施工开挖条件的限制,应尽可能集中堆放,堆放厚度一般不宜小于1.5-2.0m,堆石粒径为30-50m。

海漫末端下游防冲槽的深度取决于海漫末段的的冲刷深度,而海漫末端的冲刷深度应根据河床土质海漫末端的单宽流量和下游水深的条件计算求得。海漫末端的河床冲刷深度可按照下式计算:
式中 ----海漫末端河床冲刷深度 ----海漫末端的单宽流量 ----河床土质允许不冲流速,0.85m/s,根据《水力学 上》表5.4-二 查得。

----海漫末端的河床水深 防冲槽深度取为 防冲槽顶部与海漫末端齐平,堆放厚度为2.0m,堆石粒径30-50cm,底部宽度为5.0m。

附图一 坝址下游河道水深与流量的关系曲线 附图二:柴关橡胶坝坝址选择示意图

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