CN113882331B - 一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架 - Google Patents

Abstract

本发明属于重力坝震动安全和消波吸能技术领域，具体涉及一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架,结构新颖，设置了消波吸能层对坝体的表面进行防护，消波吸能层作为一种缓冲层，可以有效地减小横波的波峰与纵波的疏密程度，作用之后的横、纵波对重力坝造成的烈度等级将会减小，进而在重力坝中能够起到更加合理的抗震结构，能更好的保护重力坝的坝踵的基岩与胶结面的重合，减少出现滑裂面的概率，间接的提高重力坝的抗滑稳定性，同时利用漂浮消能机构对上游水体的水平面处进一步防护，有效解决上游库水所带来的横、纵波对大坝造成的坝体震动的问题，减少水体冲击带来的振动对坝体的影响，提高了坝体的稳定性。

Description

一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架

技术领域

本发明属于重力坝震动安全和消波吸能技术领域，具体涉及一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架。

背景技术

目前国内在夏季出现洪水灾害的频繁，由此人们意识到水工建筑物的重要性，主要选用的都是常态和碾压混凝土等材料进行修筑，借助自身的重力来满足稳定和强度要求，但在水工建筑物的抗震防震的工作上远远不够。人们在选混凝土时，主要考虑的方向是强度、抗渗、抗冻、抗冲刷，但许多设计工程仅局限性的满足抗震要求，并没有减震工程中的具体措施，由此对于减震方面可以考虑，从填筑重力坝的材料和具体的减震结构入手。为保证混凝土重力坝能够长时间的正常挡水、泄洪等，这几点是主要考虑的方向，但是大多数重力坝的坝面所选的混凝土材料都未能起到消波吸能的效果，也没有具体的结构来抵消水面的冲击力的结构，因此在大坝的抗震减震工程措施上存在不足之处。

现如今混凝土重力坝的工程量都是特别大，建坝技术越来越熟练，大坝给社会带来的经济效益是巨大的，但混凝土重力坝在面对由上游库水所带来的横波、纵波和地震波而造成的能量，使得混凝土重力坝造成的震动。这一系列的震动可能会对混凝土重力坝薄弱部位出现裂缝，进一步使得大坝发生破坏。

目前，重力坝建设工程中大多都选用常态混凝土，主要是根据混凝土的性能进行选择，但是常态混凝土在消波吸能方面的性能较差，同时在重力坝的上游区域，会有波浪长时间对重力坝的表面冲击，并将冲击动能作用在重力坝上，消能效果差，基于此，研究一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架是必要的。

发明内容

针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，结构作用明确、设计简单、减震效果明显、施工方便，有效的解决了现状重力坝在正常运行的情况下因上游库水带来的冲击波和地震带来的地震波对重力坝所造成的震动，使得大坝在坝体最薄弱的地方出现裂缝和扩展延伸，危害了大坝在安全稳定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，包括消波吸能层和漂浮消能机构；在坝体表面和地基处覆盖且连续设置有消波吸能层；所述漂浮消能机构包括导引钢丝、固定锚杆、固定座、漂浮框和消能栅板；所述固定锚杆锚固在地基上，固定座固定在坝体的上部，所述导引钢丝的上下两端分别固定在固定座和固定锚杆上；所述漂浮框的后侧设置有导向套，所述导向套套装导引钢丝上，所述漂浮框漂浮在水面上，能随着水位升降沿导引钢丝上下移动；所述漂浮框的上下两侧设置有安装板，所述消能栅板的上下两侧中部位置设置有转轴，并通过转轴转动设置在安装板上。

进一步的，所述安装板设置有对应的轴孔，轴孔内套左右轴套，转轴通过扭簧安装在轴套内。

进一步的，所述漂浮框呈U形状结构，所述安装板设置在开口处，在漂浮框的后侧壁上设置有导引座，所述导引座位于两转轴的中垂线上。

进一步的，所述漂浮框并排设置有多组，每组漂浮框的后侧均设置有两根导引钢丝；相邻的漂浮框之间存在间隙或者通过侧板固定连接在一起。

进一步的，所述转轴凸出与安装板，并位于同一水平线上，转轴的末端固定有连杆，连杆的两端铰接有同步杆，所述同步杆与转轴连线平行，形成了平行四边形的同步驱动结构，使各转轴通过所述同步驱动结构联动。

进一步的，所述消能栅板在扭簧初始状态下，各消能栅板分别处于不同的倾斜角度。

进一步的，所述同步驱动结构的四个端点上设置有弹簧，弹簧的外端固定在固定板上，且对角的两个弹簧弹性系数相同。

进一步的，所述消波吸能层为现浇泡沫混凝土、橡胶混凝土、钢钎维混凝土和塑料混凝土的任一种。

进一步的，所述坝体包括溢流坝段和挡水坝段，挡水坝段分为五个分区、溢流坝段分为四个分区，挡水坝段前四个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸为0.5m-1m，第V分区选用碾压混凝土；溢流坝段前三个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸的范围是0.5m-1m。

进一步的，所述坝体的两边还包含边墩和挡墙；边墩和挡墙设置有消波吸能层，并形成连续的表面抗震结构。

本发明的有益效果：本发明在大坝周围增设了一层消波吸能层，消波吸能层主要起到作用就是减小上游库水带来的冲击波和地震带来的地震波对重力坝而造成的震动影响，消波吸能层具有良好的低弹减震性、抗压性、耐久性、耐水性等，借助这层消波吸能的材料可以有效地抵消冲击波和地震波对大坝造成的能量，此外在固结灌浆中，可以先用稀浆，再用消波吸能的浆液，灌浆完毕后使得重力坝形成一个完整的整体。

同时本发明在坝体的上游区域，设置了漂浮消能机构，漂浮消能机构利用固定锚杆与地基固定，固定座与坝体上部固定，并在固定锚杆和固定座之间安装导引钢丝形成底部深入水下，上部伸出水位以上的导引结构，且该导引结构设置多组，并将其作为固定基础设置了漂浮框，漂浮框可以设置自身漂浮系数和负重，使漂浮框能够在水体内漂浮，并随着水位的升高和下降在导引钢丝上上下移动，且漂浮框部分位于水位以上，部分位于水位以下，从而使漂浮框能够始终与水平面位置适配，针对水平面附近冲击力的位置，在漂浮框内设置了消能栅板，由消能栅板接收水体是带来的动能，并利用消能栅板的转动消耗该部分动能。

在消能部分，本发明在转轴处设置了扭簧，利用扭簧对水体的初期动能进行吸收并蓄能，然后复位时将动能释放，特别适配于波浪状震动，同时在设置消能栅板时，将栅板设置了不同角度，使每个消能栅板能够对漂浮框主体施加不同振幅的振动。

同时本发明还可以在转轴上设置了平行四边形的同步驱动结构，使各转轴通过所述同步驱动结构联动，消能栅板在接收冲击时，每一个消能栅板所受到的作用力是不同的，将其通过连杆和同步杆联动设置，能够使各消能栅板的动能相互抵消，达到内部消能；并进一步的针对此类消能结构，在平行四边形的同步驱动结构的四个端点处设置了弹簧，且对角的两个弹簧弹性系数相同，使两对角弹簧同步伸缩，根据消能栅板的位置，两对角的弹簧为一个顶簧一个拉簧；其中顶簧被压缩，拉簧被挤压，从而增加了整体的消能效果，同时弹性系数相同，整体结构对称，结构稳定，确保漂浮框的稳定。

由此，本发明结构新颖，设置了消波吸能层对坝体的表面进行防护，消波吸能层作为一种缓冲层，可以有效地减小横波的波峰与纵波的疏密程度，作用之后的横、纵波对重力坝造成的烈度等级将会减小，进而在重力坝中能够起到更加合理的抗震结构，能更好的保护重力坝的坝踵的基岩与胶结面的重合，减少出现滑裂面的概率，间接的提高重力坝的抗滑稳定性，同时利用漂浮消能机构对上游水体的水平面处进一步防护，有效解决上游库水所带来的横、纵波对大坝造成的坝体震动的问题，减少水体冲击带来的振动对坝体的影响，提高了坝体的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为漂浮框的一种实施方式结构示意图。

图3为漂浮框的另一种实施方式结构示意图

图4为漂浮消能机构的正视结构示意图。

图5为漂浮消能机构的俯视结构示意图。

图6为消能栅板的一种设置方式。

图7为同步驱动结构的示意图。

图8为同步驱动结构的俯视图。

图9为同步驱动结构的进一步实施方式结构示意图。

图10为图9的另一动作图。

图11为下游坝段结构示意图。

图12为上游坝段结构示意图。

图13为消波吸能层的消波结构示意图。

图中的标号为：1为坝体，2为消波吸能层，3为固定锚杆，4为固定座，5为导引钢丝，6为漂浮框，7为导向套，8为侧板，9为消能栅板，10为轴套，11为转轴，12为安装板，13为导引座，14为连杆，15为同步杆，16为拉簧，17为顶簧，18为固定板，19为初始横波，20为经过消波吸能材料后的横波，21为初始纵波，22为经过消波吸能材料后的纵波。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：本实施例旨在提供一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，主要用于重力坝的消波吸能，针对现状重力坝在正常运行的情况下因上游库水带来的冲击波和地震带来的地震波对重力坝所造成的震动，使得大坝在坝体最薄弱的地方出现裂缝和扩展延伸，危害了大坝在安全稳定的问题，本实施例提供了一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架。

如图1中所示，本实施例提供了一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，包括消波吸能层2和漂浮消能机构，其中消波吸能层2设置在重力坝1的表层，具体的在坝体表面和地基处覆盖且连续设置有消波吸能层2；消波吸能层为现浇泡沫混凝土、橡胶混凝土、钢钎维混凝土和塑料混凝土的任一种.

本实施例在混凝土重力坝的周围加上一层消波吸能的材料（现浇泡沫混凝土、橡胶混凝土、钢钎维混凝土、塑料混凝土等）；对于重力坝的地基处也需要设置一层消波吸能的材料；在防渗帷幕施工时，先采取固结灌浆，再进行帷幕灌浆。在固结灌浆中先使用稀浆，而后逐步加大浆液的稠度的同时，加入消波吸能的浆液，最后采取帷幕灌浆。

本实施例将混凝土重力坝将其分为两个坝段：1-6号和8-10号坝段为挡水坝段，7号坝段为溢流坝段。重力坝在正常工作时，大坝坝体的不同部位所对应的要求是不相同的，因此在不同部位以及不同工作条件的情况下，对消波吸能的材料的要求也是不同的。用消波吸能的材料将混凝土重力坝进行全方面包裹，再将挡水坝段分为五个分区、溢流坝段分为四个分区，这些分区内要进行浇筑不同混凝土，这些混凝土要在强度、抗渗、抗冻、抗冲刷的性能方面都与实际情况适配，根据施工现场做出一定的调整，在溢流坝段中，通过上下游的立式图可以看出来，整个坝段的两边还包含边墩和挡墙两部分，边墩和挡墙设置有消波吸能层，并形成连续的表面抗震结构。

坝体包括溢流坝段和挡水坝段，挡水坝段前四个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸为0.5m-1m，第V分区选用碾压混凝土；溢流坝段前三个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸的范围是0.5m-1m；溢流坝段所选取的溢流面大部分都是不规则的，此处选用的是WES型剖面曲线，所以顶端的厚度尽量取整。

从图1中可以看出，混凝土的分区以及混凝土浇筑的厚度，在填筑整个重力坝时，先从坝踵的基岩面开始，用消波吸能的材料与岩层相接触，这层浇筑的消波吸能的材料的混凝土可以减小地震波对重力坝的震动造成的影响，然后再往上浇筑，由于上游冲刷能力强，大部分的冲击能量和波都来自上游，因此借助这种消波吸能的材料，来减小对大坝造成震动的影响，而下游坝面受到波的影响较小，和上游坝面相比较，下游坝面浇筑的消波吸能的材料的厚度较小，再填筑重力坝坝顶，以上所需要浇筑的混凝土的厚度的尺寸，根据规范得出范围是0.5m-1m，而溢流坝段还包含挡墙和边墩，这两块也是需要用消波吸能的材料进行填筑，最后在防渗帷幕中需要加入消波吸能的浆液，与传统的固结灌浆相比较不同，其第一步都是灌入稀浆，更好的在地基的节理裂缝和断层破碎带渗透进入，更好提高了基岩的整体性，下一步在灌入消波吸能的浆液，借助这层材料，有效的降低地震波对大坝整体的危害，并且还能降低地基的透水性，而后逐步加大浆液的稠度，最后再进行帷幕灌浆，以达到降低坝基的渗流量。

灌浆结束之后，整个消波吸能的材料就会在重力坝周围形成一个密封的整体，在面对上游库水对重力坝的横、纵波和地震带来的地震波时，都能起到相应的保护措施；如图13所示，当横、纵波作用在消波吸能的材料上时，传递出来的横、纵波的波峰将会减小，由此因波而给重力坝带来的震动将会降低，因地震带来的地震波在作用到防渗帷幕和坝基面时，消波吸能的材料也能达到相同的效果，借助消波吸能的材料会减小由波和其他因素而引发重力坝震动的影响，会减轻重力坝的维护加固的任务，进而增强了重力坝的安全。

漂浮消能机构包括导引钢丝5、固定锚杆3、固定座4、漂浮框6和消能栅板9；固定锚杆3和固定座4起到固定支撑作用，其中固定锚杆3锚固在地基上，固定座4固定在坝体1的上部，导引钢丝5的上下两端分别固定在固定座和固定锚杆上。

固定座通过调节座固定在坝体的上部，所述调节座包括调节架、调节筒、调节杆和调节丝，调节架固定在坝体的上部，调节架的上下设置有对应的调节筒，其中上调节筒固定在调节架的上部，下调节筒的外部为方管结构，且套装在调节架上，并能沿调节架滑动，内部设置有内螺纹，上调节筒和下调节筒内设置有螺纹方向相反的内螺纹，调节杆的上下侧设置有对应且螺纹方向相反的螺纹段，调节丝固定在调节杆的中部，导引钢丝的上下两端分别固定在下调节筒的和固定锚杆上，能够对导引钢丝的张紧程度进行调节。

漂浮框6的后侧设置有导向套7，导向套7套装导引钢丝5上，漂浮框6漂浮在水面上，能随着水位升降沿导引钢丝上下移动；利用此结构能够使漂浮框始终在水平面处，具体实施时，本实例利用固定锚杆与地基固定，固定座与坝体上部固定，并在固定锚杆和固定座之间安装导引钢丝形成底部深入水下，上部伸出水位以上的导引结构，且该导引结构设置多组，并将其作为固定基础设置了漂浮框。

漂浮框6的上下两侧设置有安装板12，消能栅板9的上下两侧中部位置设置有转轴11，并通过转轴11转动设置在安装板12上；漂浮框6可以设置自身漂浮系数和负重，使漂浮框能够在水体内漂浮，并随着水位的升高和下降在导引钢丝上上下移动，且漂浮框部分位于水位以上，部分位于水位以下，从而使漂浮框能够始终与水平面位置适配，针对水平面附近冲击力的位置，在漂浮框内设置了消能栅板9，由消能栅板9接收水体是带来的动能，并利用消能栅板9的转动消耗该部分动能。

本实施例设置了消波吸能层对坝体的表面进行防护，消波吸能层作为一种缓冲层，可以有效地减小横波的波峰与纵波的疏密程度，作用之后的横、纵波对重力坝造成的烈度等级将会减小，进而在重力坝中能够起到更加合理的抗震结构，能更好的保护重力坝的坝踵的基岩与胶结面的重合，减少出现滑裂面的概率，间接的提高重力坝的抗滑稳定性，同时利用漂浮消能机构对上游水体的水平面处进一步防护，有效解决上游库水所带来的横、纵波对大坝造成的坝体震动的问题，减少水体冲击带来的振动对坝体的影响，提高了坝体的稳定性。

实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例在转轴处设置了扭簧。

本实施例中安装板设置有对应的轴孔，轴孔内套左右轴套10，转轴通过扭簧安装在轴套10内。

本实施例在消能部分，在转轴处设置了扭簧，利用扭簧对水体的初期动能进行吸收并蓄能，然后复位时将动能释放，特别适配于波浪状震动，扭簧的两端固定在转轴和轴套内，在初始状态下，设置消能栅板的倾斜角度，使水体波动时，能对消能栅板进行冲击，该冲击造成消能栅板定向转动，并克服扭簧扭力做功消耗水体动能。

并在进一步实施时，消能栅板9在扭簧初始状态下，各消能栅板9分别处于不同的倾斜角度，使每个消能栅板9能够对漂浮框主体施加不同振幅的振动。

实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对在漂浮框6内设置了导引座13。

如图5中所示，漂浮框6呈U形状结构，安装板12设置在开口处，在漂浮框的后侧壁上设置有导引座13，导引座13位于两转轴的中垂线上。

本实施例中水流冲击消能栅板9，并从两消能栅板9之间的缝隙进入漂浮框内，并作用在导引座13上，利用导引座13使水流向两侧流动，具有引流功能，使进入的水流与排出的水流交汇，消减动能。

实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例对漂浮框的结构进一步说明。

漂浮框6并排设置有多组，每组漂浮框的后侧均设置有两根导引钢丝；相邻的漂浮框之间存在间隙或者通过侧板8固定连接在一起。

本实施例中，漂浮框6之间存在间隙或者并排连接，针对不同的水位特点，可以针对性设置，根据现场环境进行设定。

实施例5：本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：本实施例设置了同步驱动结构。

如图7-10中所示，转轴11凸出与安装板12，并位于同一水平线上，转轴11的末端固定有连杆14，连杆14的两端铰接有同步杆15，同步杆15与转轴连线平行，形成了平行四边形的同步驱动结构，使各转轴通过所述同步驱动结构联动。

本实施例在转轴上设置了平行四边形的同步驱动结构，使各转轴通过同步驱动结构联动，消能栅板在接收冲击时，每一个消能栅板所受到的作用力是不同的，将其通过连杆和同步杆联动设置，能够使各消能栅板的动能相互抵消，达到内部消能。

进一步实施时，同步驱动结构的四个端点上设置有弹簧，弹簧的外端固定在固定板上，且对角的两个弹簧弹性系数相同，在平行四边形的同步驱动结构的四个端点处设置了弹簧，且对角的两个弹簧弹性系数相同，使两对角弹簧同步伸缩，根据消能栅板的位置，两对角的弹簧为一组顶簧17，另一组为拉簧18；在进行消能时，顶簧被压缩，拉簧被挤压，从而增加了整体的消能效果，同时弹性系数相同，整体结构对称，结构稳定，确保漂浮框的稳定。

Claims (8)

1.一种提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：包括消波吸能层和漂浮消能机构；在坝体表面和地基处覆盖且连续设置有消波吸能层；所述漂浮消能机构包括导引钢丝、固定锚杆、固定座、漂浮框和消能栅板；所述固定锚杆锚固在地基上，固定座固定在坝体的上部，所述导引钢丝的上下两端分别固定在固定座和固定锚杆上；所述漂浮框的后侧设置有导向套，所述导向套套装导引钢丝上，所述漂浮框漂浮在水面上，能随着水位升降沿导引钢丝上下移动；所述漂浮框的上下两侧设置有安装板，多个所述消能栅板的上下两侧中部位置设置有转轴，多个所述消能栅板通过转轴转动设置在安装板上，所述转轴凸出于安装板，并位于同一水平线上，转轴的末端固定有连杆，所有连杆的两端均分别铰接于同一同步杆，所述同步杆与转轴连线平行，形成了平行四边形的同步驱动结构，使各转轴通过所述同步驱动结构联动，所述坝体包括溢流坝段和挡水坝段，挡水坝段分为五个分区、溢流坝段分为四个分区，挡水坝段前四个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸为0 .5m-1m，第V分区选用碾压混凝土；溢流坝段前三个坝体混凝土分区为消波吸能层，其浇筑的厚度尺寸的范围是0 .5m-1m。

2.根据权利要求1所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述安装板设置有对应的轴孔，轴孔内套左右轴套，转轴通过扭簧安装在轴套内。

3.根据权利要求2所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述漂浮框呈U形状结构，所述安装板设置在开口处，在漂浮框的后侧壁上设置有导引座，所述导引座位于相邻两转轴的中垂线上。

4.根据权利要求1或2所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述漂浮框并排设置有多组，每组漂浮框的后侧均设置有两根导引钢丝；相邻的漂浮框之间存在间隙或者通过侧板固定连接在一起。

5.根据权利要求1或2所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述消能栅板在扭簧初始状态下，各消能栅板分别处于不同的倾斜角度。

6.根据权利要求1所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述同步驱动结构的四个端点上设置有弹簧，弹簧的外端固定在固定板上，且对角的两个弹簧弹性系数相同。

7.根据权利要求1所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述消波吸能层为现浇泡沫混凝土、橡胶混凝土、钢纤维混凝土和塑料混凝土的任一种。

8.根据权利要求1所述的提高混凝土大坝抗震性能的消波吸能防护构架，其特征在于：所述坝体的两边还包含边墩和挡墙；边墩和挡墙设置有消波吸能层，并形成连续的表面抗震结构。

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