（水利工程专业论文）高山拦河闸坝枢纽及其建筑物的设计理论与实践.pdf

摘要 本文根据数学、力学的理论和方法，应用坝工知识对水利枢纽及其水工建筑物的 设计理论和方法进行了系统的分析，并应用于茂名市高山拦河闸坝枢纽工程及其建筑 物的设计，得到了一些有意义的结论。其主要内容如下： 1 、根据高山拦河闸坝枢纽工程的水文和地质条件以及工程的任务和规模，对主要 建筑物的结构选型和布置进行分析与研究，完成建筑物结构选型和布置的任务。 2 、对高山拦河闸坝的地下轮廓线进行初步拟定，并运用渗流分析理论对闸基渗流 进行分析与研究，同时完成闸基排水设计的任务。 3 、对加筋挡土墙的设计理论和施工工艺进行分析和研究，结合本地情况对加筋挡 土墙新技术在高山拦河闸坝枢纽中的应用进行探讨。 4 、结合我国堤坝防渗技术的现状与发展趋势，从施工的角度分析深层搅拌法防渗 墙技术、振冲防渗板墙技术以及垂直铺膜防渗技术的防渗原理、技术特点、施工工艺、 质量检测等，并对以上各项技术的发展趋势进行初步探讨。 5 、针对现在水利工程施工期长的特点，本文最后一部分，对现行水利项目管理体 制的基本框架进行初步探讨，从施工管理的角度讨论水利工程快速施工方法，并分析 新材料在加快水利工程施工中的重要作用。 关键词：高山拦河闸坝枢纽结构选型渗流分析 加筋挡土墙 堤坝防渗深层搅拌振冲防渗垂直铺膜快速施工 a b s t r a c t a c c o r d h a gt ot h et h e o r i e sa n dm e t h o d so fm a t h e m a t i c sa n dm e c h a n i c s ，t h ed e s i g n i n gt h e o r i e sa n d m e t h o d sf o rh y d r o j u n c t i o na n d h y d r a u l i cs u u c t u r ea r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e db yu s eo f t h ek w l e d g e o f d a m e n g i n e e d n g s o m ev a l u a b l er e s u l t sa m o b t a i n e db y u s i n g i tf o rt h e d e s i g no f g a n s h a n - g a m - d a m i l l m a o m i n gc i t y t h ep r i m a r yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so fh y d r o l o g ya n dg e o l o g y , t h et a s k sa n ds i i a so ft h ep r o j e c t , t h e l e e t o t y p ea n dl a y o u tf o rt h eb u i l d i n g s a r es t u d i e d 2 t h e u n d e r g r o u n dp r o f i l ei sd e f i n e da n dt h e ni sa n a l y z e db yu s i n gt h et h e o r yo f s e e p a g e 3 b a s e do nt h es t u d yo ft h ed e s i g nt h e o r i e sa n dc o n s t r u c t i o na r t s , t h en e w t e c h n o l o g yo f r a i n f o r c e d r e t a l n i n gw a l 】i sd i s c u s s e dj nt h i sd i s s e r t a t i o n 4 c o m b i n i n gt h ea c t u a l i t ya n dt r e n di nd e v e l o p m e n to ft h ea n t i s e c p a g et e c h n o l o g i e sf o rd a mi no u r c o u o u y , t h et e c h n o l o g yo fr e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l l ，v b r o f l o t a f i o na n t i s e e p a g ea n dv e r t i c a l e x t e n d i n gg e o t e x t i l ea r ea n a l y z e df r o m t h e a n g l eo f c o n s t r u c t i o na n d 廿l et r e n d i nd e v e l o p m e n t 5 i nl a s tp a r to ft h ep a p e r , t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h em a n a g e m e n ts y s t e mf o rt h ep r e s e n tw a t e r c o n s e r v a n c yi t e m s i s p r e l i m i n a r i l y r e s e a r c h e d , t h eq u i c kc o n s t r u c t i o nm e t h o df o rt h ew a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c to nt h eb a s i so fc o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n ti sd i s c u s s e da n dt h ei m p o r t a n c eo f t h en e wm a t e r i a l sa p p l i e do nq u i c k e n i n gt h ec o n s t r u c t i o no f t h ew a t e r c o n s e r v a n c yp r o j c c t si sa l s o a n a l y z e d k e yw o r d s ：g a o s h a n - g a t e - d a mh y d r o j u n c t i o n s t r u c t u r el e c t o t y p e s e e p a g ea n a l y s i s r e i n f o r c e dr e t a i n i n gw a l l d y k ea n d s e c p a g ed e e p l ys t i r r i n g v i b r o f l o t a t i o na n t i s e e p a g e v e r t i c a le x t e n d i n gg e o t e x t i l e q u i c kc o n s t r u c t i o n t 前言 解放以来，在党和政府的正确领导下，我国的水利事业蓬勃发展，经过5 0 多年 的努力，全国已兴建水库8 6 0 0 0 多座，整修和兴建堤防2 6 万余k m ，普遍疏浚整洁 了排水河道；面积1 0 万亩以上的灌区2 5 0 0 多处；水电站装机容量从1 9 4 9 年的3 6 万k w 发展到现在的6 4 5 0 万k w ：兴建各种水闸3 0 0 0 万座。这些水利工程建设的成 功，标志着我国水利建设的技术已达到国际水平，某些技术已达到国际先进水平， 它使主要江河的洪水得到初步控制，黄河保持了多年未决口( 2 0 0 1 年1 2 月2 2 日黄 河因凌汛决口) ，长江、淮河、海河、辽河、松花江、珠江等也多次战胜洪水威 胁，农田水利的发展为农业增产创造了条件，水力发电为工农业生产和人民生活提 供电能以及其它综合利用效益，但同时我们也看到：由于水利工程工作条件的复杂 性和设计造型的独特性，以及随着科学技们对水的要求的提高，现有的工程和建筑 技术不满足现代水利的要求，必须研究新技术、新材料和新工艺。 茂名市城区防洪排涝工程位于鉴江二级支流小东江茂名市区河段。小东江上游 属山区，地势较陡，中、下游地势平坦，河床坡降较缓，河道弯曲，河涌交错，淤 积严重，一遇大雨，洪水泛滥成灾。现有的城区防洪工程是1 9 7 6 年洪水决堤淹浸市 区后逐年兴建的，但只有部分石堤，没有形成整体闭合的防洪工程体系，相当部分 堤段还是低矮土堤，险段、险闸隐患多，只能防御1 0 2 0 年一遇洪水。为了保证市 区的防洪安全，有效整治小东江市区河段，改善市区环境条件，做到雨、污分流， 还小东江市区河段本来清洁面目，决定兴建该工程。 作为茂名市城区防洪排涝工程的重要组成部分，结合市区市容景观整治，拟在 高山桥下游修筑高山拦河闸坝，设计水位8 3 米抬高市区河道水位2 米，建成市区 1 0 0 0 亩水面的人工湖。 本文主要应用改进阻力系数法的渗流分析理论对高山拦河闸坝的闸基防渗排水进 行研究设计，使得工程达到很好的防渗效果，进一步推广了改进阻力系数法的应 用。本文还结合我国堤坝防渗技术的现状与发展趋势，综述混凝土防渗墙在水利工 程中的应用，并着重从旌工的角度分析深层搅拌法防渗墙技术、振冲防渗板墙技术 以及垂直铺膜防渗技术的防渗原理、技术特点、旆i i 艺、质量检测等，并对以上 各项技术的发展趋势进行初步探讨。在加快旌工进度方面有所创新，得出一套高效 的施工管理经验。 土工合成材料作为一种新型的建筑工程材料，已经显示其独特的优越性和强大 的生命力。随着我国国民经济的发展和高分子聚合物生产工业及纺织工业技术进一 步提高，将会在更多的工程领域内，更大规模地予以使用。土工合成材料所具有的 强度高，重量轻；防渗、反滤、隔离、排水、加筋、防护性能可靠；施工简易，速 度快，节省劳力，便于运输，与传统的砂、石材料梗比可以大大减少运输量( 这在 缺少砂石料的平原地区，优点更为突出) ；耐腐蚀、耐久性好，使用寿命较长和能 够大幅度降低工程造价等优点也将迸一步得到发挥。 为了减少填土对挡土墙的压力，利用土工合成材料在填土内加筋，组成加筋挡 土墙。加筋挡土墙是一种新型的挡土墙结构，由于加筋土挡墙的结构是柔性的，较 之传统的如混凝土等的刚性结构能更好地适应地基变形，对地基的要求比重力式要 低，抗震性较好，在不良地基处采用尤能显示其优越性。而且，一般加筋土挡墙的 工程造价也比较低廉。因此这种结构型式具有广阔的发展前景。 从目前国内外加筋土挡墙的应用情况来看，据不完全统计目前已有3 7 个国家修 建了5 0 0 0 多座加筋土挡墙，8 0 年代初，合成材料制成的高强度土工格栅的研制成 功，为加筋土提供了较为理想的筋材，使得加筋土挡墙的发展前景更为广阔。国内 西安包头国道2 1 0 线的1 6 7 k + 2 5 0 ，挡墙建成后已经过多年大交通量的考验，使用 状况良好。国外，日本曾利用合成纤维作为砂土的加筋，修筑一座1 0 r n 高的挡土 墙，经过强烈地震的考验，未发生破坏现象。 本文对加筋挡土墙新技术在高山拦河闸坝枢纽中的应用进行探讨。论述土工合 成材料的应用领域、优缺点和经济性，并对加筋挡土墙的设计理论和施工工艺进行 分析和研究。由于加筋土挡墙的优越性以及高山水利枢纽特殊的防洪作用和地形地 质条件，采用加筋土挡墙结构作为新建河堤，从技术上和经济上来讲，都是可行。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：鱼牟臼阻 2 。3 年9月 8日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。 论文作者c 签名，：三! l 王阻2 。3 年9 月8 日 第一章绪论 第一章绪论 1 i 我国闸坝工程建设的成就 在水利工程中，作为工程建筑来说，除堤防外，要算闸坝工程发展最早了。最早 的闸坝工程是安徽淮河上的芍陂坝，建于公元前5 9 8 5 9 1 年，水库规模较大，并设有 5 个取水口，史载水库周长约5 0 1 5 0 余公里。我国战国时期记载西门豹兴建漳水十二 渠，即是梯级开发筑有十二个堰，分为十二流的渠首都有闸门控制。继而秦代兴建了 著名的水利工程都江堰和郑国渠，都是修筑堰的水利工程。早期著名的水闸有六门堰 ( 建于公元前3 4 年) ，位于河南南阳，共有六座石闸引永灌溉三江闸位于浙江绍兴 三江海口，又名应宿闸，1 5 3 7 年修建，坝长1 0 8 米，已接近当今的水闸。 由引水灌溉工程发展起来的无坝引水到有坝引水，在透水地萋河床上修建滚水坝 ( 堰) ，迄今，我国很多河流上还遗留这古代用竹笼河卵石或块石堆砌的拦河或分水的 低滚水坝。早期的水闸一般规模较小，主要用于农业水剩多凭经验设计。近代钢箭 混凝土水闸是在1 9 2 4 年英国制造水泥成功后逐渐发展起来的。我国开始修建混凝土结 构的闸坝工程，可能要算李仪址先生于3 0 年代初在陕西省规划建造的“关中八惠”灌 溉枢纽工程了。以后随着建闸技术的提高和建筑材料新品种的出现，水闸建设也日益 增多。我国在1 9 5 0 年以后兴建了大量水闸，润河闸、三河闸、荆江分洪闸、蚌埠闸及 海河闸等都在这一时期建成，并积累了丰富的经验，水闸设计理论逐步建立和发展， 建闸技术达到相当的水平。黄河上泄放冰凌的水闸单孔宽达3 0 m ，葛洲坝二江泄水闸 的最大泄量达8 9 0 0 0 m 3 s ，已经过多次洪水考验，运行情况良好。我国上海苏州河挡潮 闸，单孔跨度也将近6 0 m 。随着建闸理论和技术的完善和提高，施工方法的改进，水 闸正朝着型式多样化、结构轻型化、旄工预制装配仡和管理运用自动化的方向发展。 随着材料结构，特别是钢材水泥和设计施工技术的发展，原来以冲积平原上灌溉 为主的闸坝工程，不但建造得更加普遍和日益高大。而且进入了以防l 洪、发电、灌溉、 航运等综合利用水资源的阶段，并向山区更高的闸坝发展。对于高坝来说，开始是在 好的岩基上修建高混凝土坝，美国、前苏联等修建了一大批混凝土坝。我国从5 0 年代 开始在治淮工程中也首先在好的岩基上修建了佛子岭水库和梅山水库，大坝为高7 4 m 和8 8 m 的混凝土连拱坝；接着又在黄河上于6 0 年代建成了高l o o m 的三门峡重力坝和 高1 4 7 m 的刘家峡重力坝；7 0 年代建成了高9 7 m 的丹江口重力坝，以及在台湾省兴建 了高1 8 1 m 的达见双曲拱坝。随后由于好岩基的水库坝址逐渐减少就不得不在较差的 地基上寻求建造高土石坝的方案。我国水资源开发较迟，好的岩基坝址仍较多，因此， 在高坝建设中，虽然目前仍以就地取材的土坝和土石混合坝占绝对多数，但混凝土坝 并没有相对减少的趋势，以后又兴建了高17 5 m 的龙羊峡重力拱坝和高1 6 5 m 的乌江渡 拱形重力坝，以及葛洲坝水利枢纽工程、紧水滩拱坝、隔河岩拱坝、东江拱坝等。黄 河海大学硕士学位 幺文 河小浪底工程和长江三峡工程的兴建更标志着我国的水利建设已达到前所未有的水 平。对于水闸来说，我国各地区也因地制宜创造性地设计出了许多新的结构型式：如 华北地区采用的管柱闸；华东地区采用的反拱底板闸：华南地区采用的浮运闸；以及 翻板式闸、浮体闸、橡胶坝等等，这些新的闸型都经历了运行的考验，取得了成功的 经验。在地基处理与基础形式上也是多种多样的，有换砂、换土、强夯、顶压、砂桩、 桩基、筏基、空箱基础、沉井等等。在闸门与启闭机方面，有钢筋混凝土波形门，折 板门、扁壳闸门、圆拱门、油压启闭等。 据统计，在1 9 5 0 2 0 0 0 年的2 0 年间，己建成或将投入运行的大型水电站和高坝、 大库工程，遍布全国各大江、大河。这些大型水电站，坝高一般都在1 0 0 m 以上，坝高 超过1 5 0 m 以上有9 座；总库容一般都在2 5 亿3 0 亿m 3 ，最大的达3 9 1 亿m 3 ( 三峡) ， 起到有效的水库调节作用，具有发电、防洪、航运、灌溉、供水等显著的综合利用效 益。我国在闸坝建设的科技发展上达到较高水平，引起世界水利界的瞩目。 1 2 闸坝工程设计理论方法的现状和发展 筑坝蓄水、灌溉农田已有几千年的历史，用于发电耐仅有1 0 0 多年的历史。而坝 工建设的迅速发展是2 0 世纪才开始的。根据坝工技术历史发展的进程，可将水坝分为 三类：1 9 世纪中斯以前的称为古代坝：1 9 世纪中期至2 0 世纪初期的称为近代坝；2 0 世纪初期以后的称为现代坝。古代坝无论是重力坝、拱坝还是土石坝都是凭经验建造 的，人仃】在长期的经验摸索中缓慢前进，积累了一些建坝经验。1 9 世纪以来，在水文 学方面发展了量测技术和统计理论；在水力学方面发现了水流连续方程、水流能量方 程、动量方程和渗流方程，获得了水头损失的大量试验资料：在工程力学方面，发展 了强度理论，杆件体系结构力学和块体弹性力学；在土力学方面，发展了土的固结理 论、抗剪强度理论和土压力理论；在工程结构和材料方面，开发了水泥、混凝土等新 材料，发展了钢筋混凝土和钢木结构设计理论。随着这些基础学科和工程地质学、机 械、电工、电子等有关学科的发展，以及工程实践经验的积累。用这些理论、知识和 经验等科学地规划、设计水工建筑物的学科水工建筑学等逐步建立起来。近代重 力坝和拱坝的设计开始有了理论的指导，此时土石坝的设计仍主要依靠经验。坝的设 计理论与几千年的筑坝经验相结合使得坝工技术发生巨大变革。现代坝的基本特征是 重力坝和拱坝设计理论进一步完善和提高，土石坝设计理论在2 0 世纪2 0 年代开始形 成。2 0 世纪中期以后。新的水文分析理论农水文预报，遥控遥测技术。计算水力学、 实验水力学和多相流水力学，环境水文学和水力学，计算力学、实验力学、粘弹塑性 力学、断裂力学和岩土力学等的进一步发展，特别是有艰元分析和电子计算机的兴起， 结构优化、可靠度理论的出现使设计理论充实了新的内容，获得了新的研究手段。新 材料新技术和大型旖工机械的出现，使得坝工技术得以飞速发展。 第一章绪论 水闸结构设计的主要任务是对初选布置的闸室连同地基在各种作用组合工况下进 行抗滑稳定和整体稳定验算，并对组成闸室的底板、闸墩、胸墙等进行应力分析和强 度校核，以便最终确定结构尺寸以及钢筋配置。全部结构计算涉及材料力学、结构力 学、弹性力学以及土力学的有关理论；又因作为重要作用荷载之一的渗透压力必须先 行确定，所以还涉及渗流分析理论。 闸基渗流分析一般视作有压渗流的平面问题进行分析，假定渗流运动符合达西定 律，渗压水头满足拉普拉斯方程。常用方法有流网法、电拟试验法、改进阻力系数法 和有限单元法等。闸室结构计算采用常用的材料力学方法，闸底板结构计算采用弹性 地基梁法、倒置梁法和反力直线分布法等，不同方法有不同的使用范围和使用条件。 水闸其他结构的计算基本上均采用较为简单的材料力学法。在地基条件较为复杂或结 构复杂的情况下，采用有限单元法。 连接结构的防渗设计。水闸挡水后，不仅闸基，而且两岸也会产生渗流。绕流渗 透是一个三维的无压渗流问题，可用电拟试验求得精确的解答。若两岸墙后土层的渗 透系数小于地基渗透系数，侧向渗透压力可近似地采用相对应部位的闸基扬压力计算 值；对于两岸土质均一且下面有不透水层的绕流渗透，可近似地认为同一铅垂线上各 点的渗流速度相同，从而可将三维问题简化为二维问题计算求解。 从上我们可以看出，水闸的选型和布置尤为重要，它既需要应用各门力学知识， 更需要各种知识的综合应用。合理的选型、布置加上精确的计算方法和技术，以及电 子计算机的应用，使得水闸这一既能挡水又能泄水的水工建筑物应用更为广泛。 1 3 本文主要的研究工作 本文结合高山拦河闸坝枢纽论述水工设计理论在具体工程中的应用，做了如下主 要研究工作： ( 1 ) 根据高山拦河闸坝枢纽工程的水文和地质条件以及工程的任务和规模，按照 规范之规定，对主要建筑物的结构选型和布置进行分析与研究，完成建筑物结构选型 和布置的任务。 ( 2 ) 对高山拦河闸坝的闸基防渗排水设计进行研究。在完成上一步工作的前提下， 对高山拦河闸坝的地下轮廓线进行初步拟定，使之满足工程要求，并在此基础上运用 渗流分析理论对闸基渗流进行分析与研究，同时完成闸基排水设计的任务。 ( 3 ) 对加筋挡土墙新技术在高山拦河闸坝枢纽中的应用进行探讨。论述土工合成 材料的应用领域、优缺点和经济性，结合本地情况阐述采用加筋挡土墙技术的可行性 和经济合理性。并对加筋挡土墙的设计理论和施工工艺进行分析和研究。 ( 4 ) 结合我国堤坝防渗技术的现状与发展趋势，综述混凝土防渗墙在水利工程中 的应用，并着重从施工的角度分析深层搅拌法防渗墙技术、振冲防渗板墙技术以及垂 河海大学硕士学位论文 直铺膜防渗技术的防渗原理、技术特点、施工工艺、质量检测等，并对以上各项技术 的发展趋势进行初步探讨。 ( 5 ) 根据本人的工作经验，对现行水利项目管理体制的基本框架进行初步探讨， 在此基础上，着重从施工管理的角度讨论水利工程快速施工方法，并分析新材料在加 快水利工程施工中的重要作用。 第二章高山枢纽建筑物结构造型与布置 第二章高山枢纽建筑物结构选型与布置 2 1 枢纽任务、规模及组成建筑物 茂名市城区防洪排涝工程位于鉴江二级支流小东江茂名市区河段。小东江上游属 山区，地势较陡，中、下游地势平坦，河床坡降较缓，河道弯曲，河涌交错，淤积严 重，一遇大雨，洪水泛滥成灾。现有的城区防洪工程是1 9 7 6 年洪水决堤淹浸市区后逐 年兴建的，但只有部分石堤，没有形成整体闭合的防洪工程体系，相当部分堤段还是 低矮土堤，险段、险闸隐患多，只能防御1 0 2 0 年一遇洪水。为了保证市区的防洪安 全，有效整治小东江市区河段，改善市区环境条件，做到雨、污分流，还小东江市区 河段本来清洁面目，决定兴建该工程。 茂名市城区防洪排涝工程总体布置的总体要求：沿河筑堤，清理杂物，疏浚河床， 整治河道，砌石护岸，分区排水和建闸壅水，以改善市区河段生态环境和景观，改变 市区市容面貌，从而进一步促进茂名市经济的发展，保护茂名市人民生命财产安全， 保护生态，优化美化环境，搞好精神文明建设。 作为茂名市城区防洪排涝工程的重要组成部分，结合市区市容景观整治，拟在高 山桥下游修筑高山拦河闸坝，设计水位8 3 米，抬高市区河道水位2 米，建成市区1 0 0 0 亩水面的人工湖。 高山拦河闸坝工程属中型工程，工程等级为三级，主要建筑物按三级建筑物设计， 次要建筑物按四级建筑物设计，临时建筑物按五级建筑物设计，拦河闸工程设计洪水 标准五十年一遇，百年一遇洪水校核，水闸下游消能舫冲按三十年一遇设计，五十年 一遇校核。七级地震设防。 该枢纽工程由两岸堤防和闸坝部分所组成。其中闸坝部分由闸室、上游连接段和 下游连接段三部分组成。图见附录一。 闸室是水闸挡水和控制过闸水流的主体部分，包括底板、闸墩、闸门、胸墙、工 作桥和交通桥等。 上游连接段包括上游翼墙、混凝土铺盖等。 下游连接段包括下游翼墙、护坦、海漫、下游防冲槽等。 2 2 主要建筑物的型式选择与布置 水闸作为既能挡水又能泄水的建筑物，兼有挡水建筑物和泄水建筑物的工作特点。 因此。其布置应根据闸址地形、地质、水流等条件以及该枢纽中各建筑物的功能、特 点、运用要求等确定，做到紧凑合理、协调美观，组成整体效益最大的有机联合体。 2 2 1 阋址选择 河海大学硕士学位论文 闸址的选择应主要根据地质、地形和水流条件经过方案比较和综合分析加以确定。 茂名市区位于华南褶皱系粤西隆起的东部边缘，属白垩纪南盛盆地的东南部。燕 山运动期间，形成南盛段断陷构造盆地，到喜马拉雅山运动旱期，高棚岭等断裂相继 复活，使南盛盆地的东北侧发生下陷，形成茂名构造盆地。根据地质勘测结果，坝基 为全新统残积( 粉质土) ，土质分布欠均匀，软坚硬，现场标准贯入试验n 6 35 修正后 击数为n - 击，层承载力标准值f k = 1 6 9 k p a 。其下伏为强风化石英砂岩，层承载力标 准值f k = 2 5 0 k p a ，地质条件较好，对基础的稳定较为有利，但建筑物河漫部分的护坦距 离较短，护坦外可熊受洪水冲刷，其粘性土易冲深而造成淘空，对建筑物产生安全影 响，应延伸下游护坦的铺设。 勘查场地地势较平坦，河流冲积平原为主，细分为一、二、三级阶地，局部为剥 蚀台地地貌，河流两岸地面高程4 7 1 6 5 米，由于河流弯曲，河流冲蚀现象随处可见， 时会发生边岸崩塌等不良地质现象。 由于市区主要景观在高山桥至钟鼓桥之间，高山拦河闸坝布置在高山桥下游，根 据地形地质条件，坝轴线与河流轴线夹角1 2 0 ，施工导流进口距坝轴线8 0 米，坝下游 出流顺直，具有较好的水流条件。 2 2 2 闸室 拦河闸为开敞式平底宽顶堰，堰顶高程( 闸槛高程) 4 5 米采用分离式基础，在 平底板两侧分离，缝距7 7 米，每孔净宽9 米，共1 2 孔，中墩厚1 3 米，边墩厚0 9 米，闸室总净宽1 4 6 米，闸室长1 2 2 3 米，底板厚1 2 米，闸门采用9 6 5 4 m 的平板 钢闸门，墩上游设事故检修闸门槽，门槽宽0 4 米，深o 3 8 米。闸墩正常挡水高程8 - 3 米，百年一遇校核洪水位闸墩商程1 4 5 米，1 4 5 米至l s 8 米寓程是工作桥支架，支架 断面为6 0 4 0 c m ，上部是工作桥和启闭室，工作桥为钢筋砼t 型梁板结构，桥面宽 5 , 6 米，工作桥面高程2 0 米，启闭室净宽3 8 米，高3 米，工作闸门采用一机一门，启 闭力1 2 t ，选用q p q 2 1 2 t 卷扬机1 2 台，卷扬机固定在启闭室的工作桥上。 闸室上设单车道公路桥，挡水闸墩9 , 3 米高程是钢筋砼支架，支架顶上是钢筋砼t 型梁结构车道。桥面宽5 米。桥面高程为1 5 3 米。图见附录。 2 2 3 地下轮廓线布置 在闸室上游设置1 5 米钢筋砼铺盖，厚度0 4 米，面层配m 1 4 2 0 x 2 0 c m 钢筋，铺 盖下设c ，。混凝土7 c m 厚垫层。铺盖顺水流方向每隔一定距离设置永久缝，缝内设止水， 以适应地基沉降和伸缩变形。铺盖上下游侧做成齿墙，在闸室进口齿墙与铺盖连接处 设粘土齿墙防渗，厚度l 米，上游齿墙有效消耗渗透水头，降低铺盖和闸室底部的扬 压力，下游齿墙与底板连接处设置止水设施，既增大了与底板的接触面积，又增加了 渗径。同时，上下游齿墙的设置还增强了闸室的抗滑稳定性。 根据高山闸坝枢纽的地基条件，地基承载力较大，设计申采用分离式底板，在闸 室底板两侧分缝，缝距7 7 米，形成大小底板，以减小工程量。底板顺水流方向的长 度，要满足闹墩、胸墙、闸门、工作桥和交通桥等上部结构布置的需要，既便于水闸 第二章高山枢纽建筑物结构造型与布置 的运用管理，又要有利于闸室的安全稳定。设计中底板长度与闸墩的长度相同，采用 1 4 6 米，底板厚1 2 米。闸室底板铺盖和墩垂直缝均采用塑料止水带和p t 胶泥填缝 止水。 2 2 4 消能防冲 闸室后段为底流消能，池长1 4 米( 包括斜坡段长4 米) ，池深0 8 米。池底板厚 0 9 o 5 米，面高程3 5 米。闸室末端和消力池设置三捧反滤巾1 0 泄水孔，降低闸基渗 透压力。消力池后设海漫，海漫长2 5 米，面高程4 3 米，1 4 4 米干砌石以l ：2 的斜坡 与防冲槽连接，防冲槽底宽1 2 米，顶宽7 2 米，深1 4 米，底高程1 6 米，面高程3 米。图见附录。 2 2 5 两岸连接建筑物 水闸两端与河岸或堤坝连接时，必须设置连接结构，包括上下游翼墙和边墩( 或 岸墙) ，有时还设有防渗刺墙。两岸连接结构的工程量较大，造价可占总造价的1 5 - 4 0 ， 闸孔愈小，所占比重愈大。此外，连接结构的布置是否得当，还会对水闸的安全运用 产生很大影响。 ( 1 ) 岸墙的布置 当地基较好，闸身高度不大时，可用边闸墩直接与河岸连接，此时边墩迎水面承 受水压力，背水面承受土压力。对于孔数较少、闸室不分缝的水闸，还可在闸室中设 置横撑，以改善边墩及底板的受力条件。 在闸身较高、地基软弱的情况下，如仍采用边墩直接与河岸连接，则由于两岸填 土与闸室荷载相差悬殊，可能产生过大的不均匀沉陷，影响闸门启闭，在底板内引起 较大的应力，甚至造成底板断裂。此时可设置轻型岸墙( 空心岸墙或连拱空箱式岸墙) 与河岸连接。岸墙与闸墩平行布置，上下游方向的长度一般与闸墩相同。当闸室在闸 墩上分缝时，则岸墙紧紧靠闸室的边墩布置，中间用沉陷缝分开，这时边墩仅起支承 闸门及上部结构的作用，而土压力全部由岸墙承担；当闸室在底板上分缝时，常以岸 墙兼作闸室边墩，这时宜把闸室边孔作为分缝孔，使岸墙不致影响或少影响其他闸孔。 空箱式岸墙上可以开孔与上游或下游相通，利用空箱的充水或放水调节岸墙的地基反 力，使之在任何情况下都与闸室的地基反力相接近。 当地基承载能力过低、压缩性较大时，可以采用边墩不挡土、而河底与岸顶以斜 坡连接的形式。这时翼墙后面也不填土，翼墙仅起导水作用，墙身设有通水孔，使墙 前后的水压力互相平衡抵消，以减少翼墙工程量。边墩后面需用刺墙挡水刺墙端部 应嵌入岸坡一定深度，以满足绕渗渗径要求，刺墙上游应设计防渗铺盖，必要时，下 游也应设置防渗设施。 ( 2 ) 翼墙的布置 翼墙的作用是挡土、导流和防止侧向绕渗。翼墙的布置应根据具体的地基条件， 以满足上述三个要求来进行。 上游翼墙一般采用圆弧式，顺水流方向的投影长度应大于或等于铺盖长度，铺盖 河海大学硕士学位论文 前端设有垂直防渗设施时，应将垂直防渗设施沿翼墙底延伸到翼墙上游端。上游翼墙 顶高程至少应高出最高壅水位0 5 1 0 m ，以保证有效地阻止侧向绕渗。当泄浃过闸落 差较大时，则应超出最高洪水位，以充分发挥泄洪时的导流作用；当泄洪过闸落差很 小，流速不大对，可允许墙项淹没在水下，以减小翼墙工程量。 下游翼墙一般采用变曲率的曲线式( 即直线与圆弧组合式或折线式) ，顺水流方 向的投影长度应大于或等于消力池长度，平均扩散角每侧宜采用7 - 1 2 。，以免墙前出 现回流旋涡等不利流态。下游翼墙墙顶一般要高出最高泄洪水位，当泄洪落差很小， 且闸室总宽度与下游水面宽度相差不大对，也可以低于泄洪水位。下游翼墙一般没有 阻止侧向绕渗的要求，墙上可以设置排水孔，或在墙后底部设置摔水暗沟，将渗水导 向下游。 常用的翼墙平面布置形式有以下几种： 反翼墙翼墙自闸室向上、下游延伸一定距离，然后转9 0 插入堤岸内，转弯 半径约为2 3 m 这种布置水流条件和防渗效果好，但工程量大，一般用于大中型水闸。 对于小型水闸，翼墙可自闸室上下游端直接转弯9 0 。插入河岸，通常称为一字墙式， 其最大优点是工程量小，但水流条件差。 扭曲面式翼墙这种翼墙的迎水面在靠闸室处为铅直面，随着翼墙向上、下游 延伸，墙面逐渐倾斜，直至与相连的河岸( 或渠道) 坡度相同为止。其优点是进、出 闸水流平顺，工程量省。但施工较麻烦，且只适宜建在坚硬的粘性土地基上，否则旌 工不易成型，容易因不均匀沉陷而断裂。在渠系工程中应用较广。 斜降式翼墙这种翼墙在平面上多呈八字形，随着翼墙向上、下游延伸，其高 度逐渐降低，直至与河底相平。优点是工程量小，施工方便，但在闸孔附近易出现立 轴旋涡，影响迸流和出流，冲刷河岸或坝坡，且墙后渗径较短，有时需设刺墙。一般 用于小型水闸。 圆弧形翼墙这种布置是从闸室开始向上、下游用圆弧形的铅直翼墙与河岸连 接。由于水流条件好，故可用于上下游水位差及单宽流量均较大的大中型水闸。 斜坡式无翼墙连接这种方式采用河床式闸室布置，靠近岸边的闸底板高程与 河床断面相适应逐步提高，这种布置不需要设置翼墙岸墙高度小，闸室与上下游的连 接也较好。但岸边闸孔的底板是倾斜的，有横向滑动的问题：底板可能落在不同的土 层上，相邻闸墩高度不同，作用于底板的荷载亦不同，闸室的不均沉陷问题依然存在。 由于底板高程不同，过闸单宽流量分布不均，会在下游引起巨大的回流，过闸水流不 仅不能逐渐扩散，反而向中间集中而引起下游冲刷。为克服上述缺点，可采用桩基或 井柱基础，并在闸室下游设置导流培，把岸边和中间闸孔的水流隔开。 两岸连接结构属次要建筑，其级别通常较闸室结构低一、二级。连接结构的计算 与闸室结构一样，包括抗滑稳定计算、地基承载力验算、地基整体稳定计算和自身强 度计算等。抗滑稳定安全系数应满足要求：基底压力应不大于地基允许承载力，且最 大、最小基底压力之比n 应在允许范围内：地基整体稳定可用圆弧滑动法进行计算； 第二章高山枢纽建筑物结构选型与布置 自身强度计算与一般挡土墙类同。 两岸连接结构实际上就是一种有挡水要求的挡土墙。常用的形式有重力式、悬臂 式、扶壁式、空箱式及连拱式等。 ( 一) 重力式 重力式挡土墙依靠自身重量维持稳定，常用混凝土或浆砌块石建造。墙身顶宽 0 3 0 5 ，片石砌体应不小于o 5 m 。临水面垂直，背水面倾斜，坡度约为1 ：0 2 5 1 ： 0 5 。为了改善基底压力分布状态，常将基础底部面积扩大。浆砌块石挡土墙的基础采 用混凝土建造，厚约0 和0 8 m ，前后两端各悬出0 3 o 5 m 。混凝土挡土墙可将前趾外 伸，使合力作用点尽可能通过底面中心，以使基底压力分布均匀。 重力式挡土培结构简单，施工方便，但耗用材料较多，当墙高超过5 - - 6 m 时，往 往不经济。 ( 二) 悬臂式 悬臂式挡土墙由直墙和底板组成，一般为钢筋混凝土结构。直墙和底板均可按悬 臂板计算。调整后趾长度可以改善稳定条件；调整前趾长度可以改善基底压力分布。 悬臂式挡土墙厚度小、自重轻，其适宜高度为6 一- l o m 。 ( 三) 扶壁式挡土墙是在悬臂式挡土墙的基础上加设扶壁而成的，若墙高大于 9 - l o m 时，采用钢筋混凝土结构较经济，墙高在6 5 m 以内时，可用浆砌块石砌筑。 11 扶壁式挡土墙的底板宽度b 可取( o 8 o 9 ) h ，( h 为墙高) ，前趾长度约为( ) j) 11 b ，底板厚度为( 圭圭) h ，且一般不小于4 0 c m 。对于钢筋混凝土结构，扶壁间距不 1 01 2 宜小于3 0 m ，一般为3 o 4 5 m 。扶壁厚度多为3 0 - - - 4 0 c m ，直墙顶厚一般不宜小于2 0 c m 。 1t 对于浆砌石结构，扶壁间距一般为( 三) h ，扶壁厚度6 0 7 0 c m ，直墙顶厚6 0 c m 左 23 右。为了适应不均匀沉陷，一般每隔3 6 跨设一沉陷缝，有防渗要求时，缝内需设止 水。 直墙计算分上下两部分。在离底板顶面1 5 k ( k 为扶壁净距) 以下，按三边固 定、一边自由的双向板计算：以上部分则按以扶壁为支座的单向连续板计算。 底板计算分前趾和后趾两部分。前趾按悬臂板计算。后趾板分两种情况：当l - k 1 5 时，按三边固定一边自由的双向板计算；若l l 。 1 5 时，则自直墙起1 5 l 0 范围内，按在边固定一边自由的双向板计算，以外的部分按单向连续板计算。 计算扶壁时，可把扶壁与直墙作为整体结构，取出一个单元按固支在底板上的t 形截面悬臂梁计算。为了加强扶壁与直墙的连接，可在连接处将扶壁适当加宽。 ( 四) 空箱式 空箱式挡土墙由底板、前墙、后墙、扶壁、顶板和隔墙等部分组成。 空箱底板宽度与墙的总高之比多为0 8 - 1 2 ，前趾伸出长度很小，当与边墩连接 河海丈学硬士学位论文 时则不伸出。考虑到与项板的连接要求，前后墙的厚度般不宜小于2 5 - 3 0 c m 隔培主 要受压，其厚度可比扶壁薄些，但也不宜小于2 0 c m 。 顶板和底板按双向板或单向板计算。前后墙可按连续板计算，或选取水平截面将 前墙、后墙及隔墙一起视为固定框架进行计算。一般情况下，扶壁、隔墙及前墙均按 构造配筋。 空箱式挡土墙可莉用空箱充水或填土来调整地基应力，具有重量轻、基底压力分 布均匀等优点，但结构复杂、模板钢筋用量大，故仅在某些地基松软的大型水闸中应 用。 闸室与两岸的连接方式很多，设计中可根据闸身高度和地基的具体情况，及减轻 填土对底板应力和水闸运用的影响，来分析确定合理的连接方式，在高山拦河闸坝枢 纽工程中水闸边墩、闸进口段侧墙、消力池侧墙高度均超过1 0 米，经过方案比较，采 用钢筋砼扶壁式边墩、翼墙比较经济，翼墙为圆弧形。边墩采用钢筋砼扶壁式，扶壁 间距取4 2 米，扶壁厚5 0 c m ，主板厚9 0 c m ，底板宽8 9 米。闸进口段侧墙高1 1 0 米 采用钢筋砼扶壁式，底板厚0 8 米，长8 ，5 米，立板厚o 7 米，扶壁厚o 5 米，间距4 9 米。消力池侧墙高1 1 8 米，采用钢筋砼扶壁式，底板厚0 8 米，长8 8 米，立板厚0 7 米，扶壁厚0 5 米，间距4 5 米。图见附录二。 2 2 6 闸基处理 闸基不能满足稳定验算和沉陷校核要求时，必须采取必要的工程措施。首先应从 改进闸室结构方面设法，使之与天然地基相适应，如采用整体性强、剐性大的轻型结 构：适当增加底板长度和砌置深度：结构布置要匀称；相邻分部工程基底压力差要小 等。如采取结构措旅仍不熊充分保证安全，则需考虑对软弱地基进行处理。关于软基 处理的方法，国内、外资料很多，特别是近年来随着科学技术的发展，新的处理方法 不断出现，如旋喷法、真空预压法、以及其他化学加固方法等，但有些方法用于大面 积的水闸地基处理尚有困难，有些则因造价太高，显得很不经济。常用的处理方法有 换土垫层，桩基础，沉井基础，振冲砂( 碎石) 桩。 ( 1 ) 换土垫层 当软土位于地基表层附近且厚度较薄时，可将其全部挖除；如软土层较厚，则可 将基础下表层软土挖除一部分，然后代之以级配良好的中、租砂或中壤土，而将水闸 建在新换的土基上。 换土垫位是工程上应用最广泛的种地基处理方法，在改善地基应力分布、提高 地基稳定性( 特别是减少基础两端地基土的塑性变形) 方面作用显著，而在减少地基 沉陷( 特别是软土不太深厚时) 方面也有一定作用。软秸土上的砂垫层，还有利于加 速软土地基的固结。 垫层设计主要是确定垫层的厚度、宽度、材料及质量控制标准。垫层厚度可根据 垫层底面的平均压应力不大于地基允许承载力的原则确定，计算时假定垫层为基础的 一部分，建筑物基底压力在垫层中的扩教角，中壤土及畲砾粘土取2 0 z 5 0 ，中、粗砂 第二章高山枢纽建筑物结构选型与布置 可取3 0 - - 3 5 0 。一般垫层厚度为1 艮3 o m ，太小不起作用，太厚由基坑开挖困难。考虑 到扩散角度值选用不准和垫层边缘部位施工质量不易保证等因素，垫层实际宽度通常 取建筑基底压力扩散至垫层底面的宽度再加2 3 m 。换土垫层材料的选用应根据就地取 材的原则，为方便施工，以采用粘性土中的中壤土类为宜。此外，含砾粘土容易破碎 和疏干，级配方好的中、粗砂较易振动密实，均可用作垫层材料。关于垫层的压实标 准，秸性土垫层压实度( 控制干容重最大干容重) 不应小于0 9 6 ，砂料的相对密度( 砂 料最大孔隙比与控制孔隙比之差砂料最大孔隙比与最小孔隙比之差) 不应小于0 7 5 ， 在强地震区，要求相对密度对适当提高。 ( 2 ) 桩基础 桩基础是一种比较古老的地基处理方法，有较多的实践经验，适用于各种松软地 基，尤其是上部为松软土层、下部为硬土层的她基。桩基不仅可以大大提高地基承载 力和减小地基沉陷量，而且其上的闸室可采用分离式底板，从而减小上部结构的工程 量。 水闸的桩基础，最常用的是钢筋混凝土预制和灌注桩。根据桩的工作特点，可分 为支承桩和摩擦桩两种，前者桩尖深达坚硬的岩石或密实的土层，桩土荷载全部由岩 石或密实土层承担；后者主要依靠桩身表面与周围基土问的摩擦阻力来承受。水闸桩 基一般采用摩擦桩，因为支承桩基础以上的作用荷载，几乎全部由桩承担并直接传给 下卧硬层，地基沉陷会使底板与基土“脱空”而造成集中渗流通道，引起渗透破坏而 危及闸身安全。对于有承压水层的闸基，当基桩需进入承压水层时，不宜采用灌注桩， 否则，由于承压水的作用，不仅质量难以保证，有时甚至难以浇筑成桩。 ( 3 ) 沉井基础 沉井基础也是工程上常用的一种地基处理方法。其作用除增加地承载力，减小沉 陷量和提高抗滑稳定性外，还对防渗和开挖流砂层有利。适用于上部为软土层或流砂 层、下部为硬土层或岩层的地基，松软土层厚一般在8 l o m ，下卧土层或岩层层面要求 较为平整。 沉井的平面布置应简单对称。长边不宜大于3 0 m ，长宽以不宜大于3 0 ，尺寸过 大，施工不便；尺寸过小。则接缝止水麻烦。沉并分节浇筑高度根据地基条件和控制 下沉速度等因素确定。为保证沉井能顺利沉到设计标高( 沉至下卧硬层) ，沉井应有 1 1 5 1 2 5 的下沉系数( 沉并自重与井壁摩阻力之比) 。由于沉井开挖较深，地下水影 响较大，所以应尽量采用不封底沉井，以减少施工困难，但当下卧层基土允许承载力 不足时，则必须采用封底沉井。不封底沉井内的回填，应选用与井底土层渗透系数 相近的土料，并须分层夯实，以防止渗透变形和过大的沉陷，造成闸底与回填土脱开。 ( 4 ) 振冲砂( 碎石) 桩 振冲砂桩或碎石桩是近期发展起来的一种较好的地基处理方法。是利用一根类似 混凝土振捣棒的振冲器，在软土内作垂直孔，孔内回填砂或碎石，在振冲器作用下压 实而形成砂桩或碎石桩。振冲砂桩或碎石桩可提高地基强度，减少沉陷量，适用于松 河海大学硕士学位论文 砂或软弱的壤土和粘土地基，具有施工方便、工效高和就地取材等优点，但地基密实 的均匀性和防渗条件较差。 高山拦河闸坝底板高程3 3 米，左岸底板落在强风化棕红色砂岩，承载力达到 2 5 k p a ，满足要求，右岸底板落在棕红色粉质土，承载力为1 6 ，9 k p a ，离强风化棕红色 砂