一种拱齿式反拱水垫塘及施工方法与流程

本发明提供一种拱齿式反拱水垫塘及施工方法，属于水利水电工程技术领域，适用于反拱水垫塘的设计与施工。

背景技术：

随着我国水利水电事业的发展，拱坝已成为主要坝型之一，高拱坝枢纽两岸地形一般为高山深谷，很多高拱坝不适宜布置坝外泄洪建筑物，只能通过坝身宣泄大量洪水。拱坝采用坝身泄洪时，由于水舌射程距坝址较近而下游河床水深较浅，为避免过大冲刷影响坝基安全及两岸岸坡的稳定，通常在坝后预挖冲刷坑并设置二道坝以抬高尾水位形成消能水垫塘。水垫塘是拱坝坝身泄洪消能的主要措施，是目前高拱坝泄洪消能布置的一种较为成功的工程措施。拱坝下泄水流的大部分能量是在水垫塘内消耗的，水垫塘内产生的强紊动水流会导致基岩发生冲刷破坏。因此，水垫塘必须全面衬砌，根据水垫塘衬砌结构形式，水垫塘可分为两种：一种是平底水垫塘，一种是反拱水垫塘。

平底水垫塘底板块稳定主要依靠底板自重和锚固钢筋来保持底板稳定，是以独立底板块的升浮作为控制条件的，而反拱水垫塘利用河床基岩的天然形状把底板做成拱形，利用拱形结构的力学特性将射流冲击荷载传递到拱座或两岸山体，可以充分发挥混凝土的抗压特性和拱结构的超载能力，将单个底板块在荷载作用下稳定变成了反拱拱圈及拱座的整体稳定，大大提高了底板的整体稳定性。与平底水垫塘相比，反拱水垫塘因其拱结构的整体受力特点，适应动水荷载沿程变化规律，具有锚固量少、截面小、力学结构性能好、超载能力强、结构稳定性好和适应地形能力强、开挖量少、利于山体稳定性等优点，在大型项目高拱坝中得到越来越多的应用。但是，对于常规反拱水垫塘，为减小底板的扬压力，通常底板按照一定距离设置竖直排水管，排水管底部由于反滤层设置不合理以及施工过程中受地下渗水影响，容易导致排水管堵塞，达不到设计目的。另外，高坝的水垫塘结构尺寸往往较大，水垫塘均需设置横缝以避免温度应力的破坏，反拱水垫塘底板在射流冲击荷载作用下，由于荷载的随机性，使其具有不能形成整体拱的条件，在某一时刻，作用于某单个板块的上举力出现较大值时，就形成了“随机拱"，常规的反拱水垫塘横缝常采用直缝型式，不利于反拱底板块与块之间联合受力，在重复荷载作用下，严重时甚至会出现底板块飞出座穴，拱圈失稳的现象。同时，当反拱底板形成拱效应整体受力时，底板上举力以轴力的形式传递到拱端，拱端受力，产生了较大的拱端推力，对拱座结构混凝土及山体地质条件要求较高，未充分利用底板基岩的承载力，工程中通常在底板设置锚筋对底板进行加固，并采用增大拱座的结构尺寸并采用锚筋或者锚索的方式来保证两端拱座的稳定，但底板相应锚固措施往往不能与拱座形成整体结构同时受力，而且不便于施工，增加了工程投资。

技术实现要素：

针对常规反拱水垫塘结构基础竖向排水管易失效、横缝结构联合受力不合理、拱座末端受力不利于充分利用底板基岩承载力导致拱座受力较大的缺点，本发明的目的在于提供一种拱齿式反拱水垫塘及施工方法，以克服以上问题。

本发明是这样实现的：

一种拱齿式反拱水垫塘，包括反拱底板，在该反拱底板底部设置透水混凝土作为垫层；并在反拱底板上设置竖向排水管，竖向排水管底部伸入透水混凝土内；反拱底板按距离设置结构横缝，结构横缝采用嵌槽结构，相邻块通过嵌槽相互咬合在一起形成拱形结构整体受力；结构横缝上部和下部各设置有一道紫铜止水，结构横缝处设置居中布置的穿缝插筋；反拱底板底部设置拱齿，反拱底板与拱齿均按结构受力配置钢筋，并在拱齿位置设置基础锚筋束。

该反拱水垫塘于底板底层设置了透水混凝土，底板竖向排水管底部伸入其中，透水混凝土既能对基础补缺找平方便上部底板结构混凝土施工，又能对竖向排水管形成过滤层避免其堵塞失效以达到降低底板扬压力的目的，同时，底板横缝采用嵌槽结构形式，改变常规的直缝结构，横缝间设置有限制径向移动的穿缝插筋，保证底板块与块之间联合整体受力，另外，该反拱水垫塘于底板设置了拱齿，取消了末端拱座结构，反拱底板与拱齿共同受力，最终将荷载沿程分散传递到基础基岩上，改变了常规反拱水垫塘结构末端拱座受力的受力形式，有利于充分利用底板基岩的承载力，解决了常规反拱水垫塘对拱座基岩承载力及拱座结构锚固要求过高的问题。

该齿式反拱水垫塘的施工方法包括如下步骤：

s1，两侧边坡按设计位置及坡比开挖支护完成后，根据设计反弧体型开挖反拱底板基础，并按设计开挖拱齿基础；

s2，在拱齿位置对基础基岩钻孔，安装基础锚筋束，基础锚筋束外露一定长度的自由段，并对基础锚筋束进行灌浆施工，保证其与基础基岩粘结牢固；

s3，浇筑反拱底板底层透水混凝土，并将竖向排水管按照设计间排距设置，竖向排水管伸入透水混凝土内部，并于其内填塞塑料盲管；

s4，反拱底板及拱齿结构钢筋制作、安装，并将基础锚筋束外露自由段与反拱底板表层结构钢筋焊接牢固；

s5，在反拱底板的结构横缝位置安装紫铜止水，并在穿缝处沿拱圈方向设置穿缝插筋，并在穿缝插筋外套塑料套管，塑料套管两端采用沥青封闭；

s6，浇筑反拱底板及拱齿结构混凝土，保证反拱底板上表面曲面结构的平整性，并按规定进行混凝土养护。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的核心创新点在于反拱水垫塘独特的体型结构，改变了常规反拱水垫塘的结构及受力形式，在反拱底板下部设置了透水混凝土，横缝采用嵌槽结构并设置穿缝插筋，反拱底板设置拱齿，并对拱齿设置基础锚筋束加固，取消常规反拱水垫塘的拱座结构，使本发明具有以下效果：

(1)反拱底板底层设置了一层透水混凝土，将底板竖向排水管底部伸入其中，透水混凝土层既能对基础补缺找平方便上部反拱底板结构混凝土施工，又能对竖向排水管形成过滤层避免其堵塞失效以达到降低底板扬压力的目的。

(2)反拱底板横缝改变常规的直缝结构，采用嵌槽结构形式相邻块体相互咬合，且横缝间设置有限制相邻块体径向移动的穿缝插筋，保证底板块与块之间联合整体受力，形成整体的拱结构，避免“随机拱”结构的出现，保证反拱底板整体的稳定性和安全性。

(3)反拱底板上设置了拱齿，并在拱齿上设置了基础锚筋束，反拱底板与拱齿、基础锚筋束共同受力，利用拱结构将径向荷载转变为切向荷载，反拱底板整体轴向受力并通过拱齿及基础锚筋束转变为对基岩的压力，多个拱齿及基础锚筋束的设置，最终将荷载沿程分散传递至整个基岩基础，充分利用底板基岩的承载力，避免应力集中，保证反拱底板结构的整体稳定。

(4)取消了常规反拱底板两侧的拱座结构，避免了常规反拱水垫塘对拱座基岩承载力及拱座结构锚固要求过高的问题，并降低了对底板基岩承载力的要求，降低反拱底板及两岸护坡基础开挖深度，减少开挖、支护及结构工程量，减少工程投资，加快施工进度。

附图说明

图1为本发明典型剖面图；

图2为大样a细部结构图。

附图中的标记为：1-反拱底板；2-透水混凝土；3-竖向排水管；4-结构横缝；5-紫铜止水；6-穿缝插筋；7-拱齿；8-基础锚筋束；9-护坡。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明的主要结构特点如下：

反拱水垫塘两侧与岸坡护坡9相接，反拱底板1为弧形曲面结构，厚度可通过受力计算确定，反拱底板1底部设置透水混凝土2垫层，透水混凝土2厚度20～30cm，并在反拱底板1上设置竖向排水管3，竖向排水管3底部伸入透水混凝土2内。竖向排水管3采用φ76排水管，长度3～5m，间排距4～6m，竖向排水管3内置φ60塑料盲管。

反拱底板1根据结构尺寸按照15～20m的距离设置一道结构横缝4，结构横缝4改变了常规直缝结构形式，采用嵌槽结构，相邻块可以通过嵌槽相互咬合在一起形成拱形结构整体受力。

结构横缝4上部和下部各设置有一道紫铜止水5，避免高速水流自结构横缝4进入反拱底板1底部，对反拱底板1造成较大的扬压力及脉动压力。

结构横缝4处设置居中布置的穿缝插筋6，穿缝插筋6直径可根据工程需要适当增大并且不低于25mm，长度3～5m，穿缝插筋6外套塑料套管，塑料套管两端采用沥青封闭，避免混凝土浆液进入，反拱底板1产生温度应力及受到扬压力及脉动压力等荷载时块与块之间沿切向产生变形，限制相邻板块的径向位移，保证板块间的拱效应，避免某块底板在重复荷载作用下径向过大导致止水破坏，恶化反拱底板1受力形态，造成某块底板出现飞出座穴的情况。

反拱底板1底部设置拱齿7，每块板设置拱齿7的数量不低于1个，当板块结构尺寸较大时，可适当增多。反拱底板1与拱齿7均按结构受力配置钢筋，并在拱齿7位置设置基础锚筋束8，基础锚筋束8采用3根钢筋(单根直径不低于25mm，长度6～9m)焊接而成，基础锚筋束8上部与反拱底板1钢筋搭接焊，底部深入基础基岩内，并对基岩钻孔采用m30砂浆灌注。

本发明的拱齿式反拱水垫塘的受力机理为：每块底板均为弧形板块，通过结构横缝4嵌槽、穿缝插筋6以及设置有基础锚筋束8的拱齿7连接成整体反拱底板1拱结构，利用拱结构将径向荷载转变为切向荷载，反拱底板1整体轴向受力并通过拱齿7及基础锚筋束8转变为对基岩的压力，多个拱齿7及基础锚筋束8的设置，最终将荷载沿程分散传递至整个基岩基础，充分利用底板基岩的承载力，避免应力集中，保证反拱底板1结构的整体稳定。

本发明的施工步骤如下：

s1，两侧边坡按设计位置及坡比开挖支护完成后，根据设计反弧体型开挖反拱底板1基础，并按设计开挖拱齿7基础；

s2，在拱齿7位置对基础基岩钻孔，安装基础锚筋束8，基础锚筋束8外露一定长度的自由段，以便后期与反拱底板1结构钢筋焊接，并对基础锚筋束8进行灌浆施工，保证其与基础基岩粘结牢固；

s3，浇筑反拱底板1底层透水混凝土2，并将竖向排水管3按照设计间排距设置，竖向排水管3伸入透水混凝土2内部，并于其内填塞塑料盲管。

s4，反拱底板1及拱齿7结构钢筋制作、安装，并将基础锚筋束8外露自由段与反拱底板1表层结构钢筋焊接牢固；

s5，在反拱底板1的结构横缝4位置安装紫铜止水5，并在穿缝处沿拱圈方向设置穿缝插筋6，并在穿缝插筋6外套塑料套管，塑料套管两端采用沥青封闭，避免混凝土浆液进入；

s1，浇筑反拱底板1及拱齿7结构混凝土，保证反拱底板1上表面曲面结构的平整性，并按规定进行混凝土养护。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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