反拱水垫塘设计

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反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝工程中的应用及研究成果综述

ｎｓ，ｓａｉｔｃａｉｍ，ａｌｒｃａｉｍ，ｂａｉｇｃｐｃｔ，ａｃｏｍｉｇｃｎｉｏｓｕｌｅｓｒｃｕｅａｄｆｒａｉｎｈｓａｐｉｉｍｔｌｍｅｈｎｓｆｉｅｍｅｈｎｓｂｉｙｕｅｒａａｉｎｙｒｈｆｒｎｏｄｔｎ，ｏｔｎｔｔｒｎｍｔ．Ｔｕｐｌｉｉｕｏｏ－
是没有同类工程应用先例；是对这种消能水垫塘二
应用中诸如适应条件、拱条件、来，别是近几年来，着中国西部地区特随特高拱坝的兴建，科研单位和高等院校对反拱水众垫塘开展了大量的试验分析研究工作，得了较丰取富的成果，反拱水垫塘在实际工程中的应用仅有但
西北水电・０１２０年・第１期
文章编号：０６６０２１）１０２＿０１０１２１（０００ — ｏ３．５
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反拱水垫塘在拉西瓦特高拱坝枢纽中
的应用及研究成果综述
姚栓喜，亚杜生宗，友科王娥，张
ｖｒｐｕｇｏｌａｅｎｏｅａｉｇｎｒｌｈｏｇｏｔａｆｅｒｃｎｉｕｕｐｒｔｎａｄｓｔｆｄｔｅｄｓｇｅｕｒｍｅｔ．ｅｌｎｅｐｏｓｂｅｐｒｔｏｍａｌｔｒｕｈｕｌａｏｔｏｓｏｅａｉｎａｉｉｈｅｉｎｒｑｉｅｎｓｔｈｎｙｈｙｎｏｓｅ

水垫塘底板稳定分析

成若干个反拱圈；直于水流方向，圈用径向垂反拱
两岸山体、超载能力强等优点，是高拱坝坝身泄洪消能的合理选择。但关键问题是这种新型消能结构在动水荷载作用下的稳定性。反拱水垫塘底板
块上举力荷载与其稳定性密切相关。因此，一这研究对于反拱水垫塘的设计和应用具有理论和实
试验结果可知：在相同条件下，反拱水垫塘的稳定性优于平底水垫塘，但反拱水垫塘底板的稳定性最终归结为拱座的稳
定性，一旦拱座失稳，将会导致整个拱圈失事。【关键词】水垫塘底板稳定分析
随着对超高坝泄洪消能关键技术的深入研究，逐渐揭示出反拱水垫塘具有开挖量小、易稳定
际意义。
伸缩缝（工缝）施分为若干块，固在基岩上，锚拱端支撑在两岸山体上，支撑端称为拱座。反拱水
垫塘底板的工作原理，以通过反拱圈底板块在可
力荷载作用下的变位趋势加以分析。作用在反拱圈上的力荷载有：底板与河床基岩的锚固力，底板
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透压力一起形成缝隙动水压。如果水垫塘下游抽排、上游帷幕灌浆发挥作用，隙动水压力主要缝由底板表面贯人的动水压力形成，数量级和底其板表面动水压力相当。当两者瞬时相位相反时，缝隙中的动水压力会大于底板表面的动水压力，
１
原填筑区后滑出１１０．２坝下滑出

反拱水垫塘单底板块振动特性的理论分析与试验研究

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｂｙｍａｎｈｅｅｉａｎｌｉｈｂｒｔｏｎｃｒｃｅｉｔｃｌｂｓｔｉｒｈｒｎｋｉｇｔｏｒｔｃｌａａｙｓｓｏｆｔｅｖｉａｉｈａａｔｒｓｉｓｏｆａｓａｅｎａｃｉｇ，ａｆｒｕｌｎｉｓｍａｘｍｕｍｒｅｄｉｐｌｃｍｅｔ，ａｄｖｓｏｆｓａｉａｉｎａｕｉｉｆｆｏｏｍａｏｔｉｆｅｓａｅｎｉｉｉｎｏｌｂｖｂｒｔｏｎｄａｓｂｄｖｄｅｏｌｗｆｅｄｎｅｒｔｌａｅｐｒｏｓｄＥｑｕｔｏｆｄａｉｓｏｌｂｉｔｌｅｎｂｔｙｐｓｏｆｃｓｏｎｉｌａｈｅｗａｌｒｏｐｅ．ａｉｎｓｏｙｎｍｃｆａｓａｎｓａｌｄｉｏｈｔｅｕｈｉｐｏｌａｅａａｙｅｎｄｃｍｐｒｄｔｒｉｅａｃｃｕｉｎｔｔｄａｉｒｅｔｅｆｓａｎｔｎｏｒｎｌｚｄａｏａｅｏａｒｖｏｎｌｓｏｈａｙｎｍｃｐｏｐｒｉｓｏｌｂｉｈｅｉ — ｖｒｅｒｈｒｎＳｓｐｅｉＯｔｓｈｌｔｂｔｏｅｔｄａｃｉｇｉｕｒｏｒｔｈｏｅｏｆｔｅｆａｏｔｍ．Ｓｔｙｏｎｔｅｖｂｒｔｏｓａｅｎｔｏｕｄｈｉａｉｎｄｉｐｌｃｍｅｆａｓｎｇｅｓａｅｎａｉｖｅｔｄａｃｉｇｉａｒｅｔｔｏｏｓｖｓｏｎｏｆｖｂｒｔｏｌｇｗａｅｉｌｌｂｓｔｉｎｒｅｒｈｒｎｓｃｒｉｄｏｕｏｐｒｐｅａｄｉｉｉｉａｉｎａｏｎｔｒｆｏｎｌｗｉｇ，ｔｔｉｈａｓ，ｔｅｔｏｎｂｒｔｏｎａｅｓａｗｏｗｅｋｏｓｎｖｈｅｖｂｒｔｏｎｐｒｐｅ — ｈｒｅｓｒｇｖｉａｉｒａｎｄｔａｎｅ，ａｄｇｉｅｔｉａｉｏｒｔｅｎｄｈｅｉｔｉｉｎａｈｅｅｙｉｎｉｉａｔｏｒｅｉｓａｔｄｓｒｂｕｔｏｌｗｓｏｆｃａａｔｒｓｉａｉｂｌｓｃｌｂｖｒｓｇｆｃｎｆｒ — ｓａｃｎｔｓａｌｔｅｈａｉｍｎｅｔｄａｃｌｂｅｒｈｏｈｅｕｎｔｂｉｉｙｍｃｎｓｏｆｉｖｒｅｒｈｓａ．Ｋｅｒｙｗｏｄｓ：ｉｅｔｄａｃｏ；ｓａｂｒｔｏｎ；ｃａａｔｒｓｉａｉｂｅｎｖｒｅ — ｒｈｐｏｌｌｂｖｉａｉｈｒｃｅｉｔｃｖｒａｌｓ

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用

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正向荷载作用下，各荷载工况、基岩条件下，拱端推力、底板表#
模型编号模型特征底板单独承载底板 /(,0 ’ 基岩底板 / 基岩基岩
有限元模型及计算工况
荷载工况 & $% ・ ’)(
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反向荷载作用下，反拱形底板已不能发挥拱效应，设计工况时底板位移、应力如表 " 所列 ! 在反向荷载 )(*# $% & ’( 作用下，跨中位移为 #,#5* ’’ ，拱考虑与基岩共同作用，拱端位移为 #,#52 ’’! 底板两端自由时，端最大压应力 #,00 .34 ，跨中最大压应力 #,(1 .34 ，均小于混凝土的抗压强度 !
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包括水垫塘流速和底板上动水荷载 !
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水垫塘流速岸边流速均小于 "#$% & ’ ( ，对岸边的冲刷影响不大 ! 水舌
冲击区的底流速随着下泄量的增大而增大，位置随水舌落点位置的不同而变化，实测水垫塘中最大底流速为 )"#*+ & ’ (! 桩号
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王继敏等 ! 长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用
图!
反拱形水垫塘平面布置（+ ’ 宽）值，变位、应力如表 ( 所列 ! 表中拱端推力为单位宽度拉应力为正，压应力为负；位移指垂直分量 ! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，跨中最大位移为 0,#*( 设计工况时跨中最大 ’’! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，位移为 1,22* ’’! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，拱端推力值为 ( -(+ 设计工况时推力值 $% & ’! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，为 - 1"" $% & ’! 考虑底板下 (,0 ’ 基岩的共同作用，拱端最大压应力跨中最大压应力 (,+51 .34 ，均远小于混凝土的抗 *,0"1 .34 ，压强度；拱端最大拉应力 #,+5( .34 ，跨中最大拉应力 #,##2 设计工况时拱端最 .34! 若止水失效或底板与基岩裂缝贯通，大压应力 ++,(0 .34 ，跨中最大压应力 0,(25 .34 ，均小于混凝小于混凝土的抗土的抗压强度；拱端最大拉应力 #,"5# .34 ，拉强度! 反向荷载

特高拱坝水垫塘反拱型底板开挖施工技术

特高拱坝水垫塘反拱型底板开挖施工技术白鹤滩水电站水垫塘全长约360.00m，采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。

水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，反拱底板预留保护层，保护层厚度为2～5m。

水垫塘基础为柱状节理玄武岩、角砾熔岩及隐晶质玄武岩，根据水垫塘施工条件及开挖体型特点，水垫塘高程603.00～559.00m之间边坡采用自上而下分层梯段预裂爆破开挖，高程559.00m以下水垫塘反拱底板基础采用水平预裂爆破和复合消能爆破相结合的方式开挖，既保证了建基面开挖质量，也极大的缩短了反拱底板开挖的施工工期，为实现了水垫塘混凝土如期开浇提供了保障。

标签：圆弧反拱底板；预留保护层；柱状节理玄武岩；水平预裂爆破；复合消能爆破1工程概况1.1枢纽介绍白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站。

电站的开发任务以发电为主，兼顾防洪，并有拦沙、发展库区航运和改善下游通航条件等综合效益，是西电东送骨干电源点之一。

水库总库容206.27亿m3，正常蓄水位825.00m，电站装机容量16000MW，多年平均发电量625.21亿kW？h。

本工程为Ⅰ等大（1）型工程，枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。

拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834.00m，最大坝高289.00m，坝下设水垫塘和二道坝。

地下厂房对称布置在左、右两岸，厂房内各安装8台单机容量为1000MW水轮发电机组。

电站建成后，将仅次于三峡水电站成为世界第二大水电站。

1.2 水垫塘体型及地质条件白鹤滩水电站大坝下游水垫塘采用圆弧反拱底板接复式梯形断面。

水垫塘反拱底板圆弧半径111.02m，圆心角26.73°，弦长51.27m，圆弧底板弧底开挖高程556.00m，拱端开挖高程559.00m，矢高3m，反拱底板预留保护层，保护层顶面高程561.00m，保护层厚度为2～5m。

高拱坝水垫塘反拱底板衬砌结构的非线性静力分析.

高拱坝水垫塘反拱底板衬砌结构的非线性静力分析(1)摘要：本文利用Ansys程序对高拱坝水垫塘衬砌结构进行了全过程计算。

在止水结构未破坏以前，衬砌块结构可以看作是作用在弹性地基上的板，利用点线接触单元模拟水垫塘衬砌块结构之间的接缝以及衬砌与基岩的接触，并对衬砌块与拱端支座的连接形式进行了研究；在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的结构可看作是一种“反吊拱”。

本文利用弹簧单元模拟衬砌块与基岩之间的钢筋进行计算，得到一些用于指导水垫塘设计的结果。

关键词：水垫塘衬砌接触元弹簧元弹性地基梁(板)峡谷地段修建的高拱坝，其泄洪消能布置往往要设置水垫塘，水垫塘衬砌的底板有平底板和反拱底板两种，平底板的稳定问题，现在已研究得比较清楚，反拱底板在近几年得到广泛应用，主要是因为底板拱结构抵抗破坏的能力强，稳定性要优于平底板。

但是由于反拱底板面积比较大，在施工过程中要设置温度缝和施工缝，因此反拱底板被分成一系列相互独立又相互联系的板块，其受力过程表现为一种高度的非线性，特别是在止水破坏后，各板块相互撞击、滑动表现为典型的接触行为，计算相当复杂。

崔广涛等从理论分析和模型实验两方面论证了反拱型底板的受力条件好，其稳定性优于平底板；刘沛清等也对反拱型底板的稳定性进行了研究，并提出了相应的稳定计算模式。

但是他们只是把衬砌块作为刚体，把块间连接看作“铰”(其实是一种机构)，或者把整个水垫塘结构看作一个三铰拱或无铰拱，和实际的块间结构有很大的区别，本文利用接触单元来模拟相邻板块间的接触，接触单元可以模拟块间的接触、咬合、摩擦、分离、撞击等不同状况，特别是在止水结构破坏后，衬砌块结构下部受到方向向上的脉动压力和时均压力，拱的作用表现出来，并且衬砌块与基岩之间的锚固钢筋开始作用，这时的反拱底板整体可以看作是一个“反吊拱”。

利用弹簧单元来模拟锚固到基岩中的钢筋，进行有限元计算，得到比较理想的结果。

反拱形水垫塘底板上举力特性的试验研究

中图分类号：Ｔ３Ｖ２文献标识码：Ａ
水垫塘是高拱坝下游新型的消能防冲结构形式，其底板承受巨大的水流冲击荷载。在水舌射入水垫塘的水体通过水流的强烈紊动进行消能的同时，水垫使
塘的底部及侧墙产生比较剧烈的紊流动水压强脉动，
荷载综合作用。存在的问题有：是脉动压力点 —— 一面转换系数多大，需专门研究；二是上举力试验模型如
何布置，还应讨论。本文阐述了板块上举力的成因，采
用自制的传感器直接测量了上举力并分析了其频谱特性，给出了上举力与水力条件的经验关系。
１板块上举力的成因
图１给出了水垫塘射流水 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ及其冲击荷载在底板上下表面产生的时均压力分布。在冲击点的上下游均
有一个区域底板下表面的压力大于上表面，因而Ａ区和Ｃ区是失稳区，Ｂ区是稳定区。这是所有研究者得出的一致结论。不论是平底板还是反拱形底板，价评单个板块的稳定性，可用抗浮安全指标来计算。都
组成测力机构，图２见。在静水中将二次仪表置零，模
型中所测值即为板块所受的上举力。
称。本图实际上给出了射流冲击荷载产生上举力的范围，不在此范围的板块所受上举力可以忽略。本图大致给出了水垫塘底板的防护区域。

反拱水垫塘加强截排水措施的应用与研究

周边廊道打固结灌浆孔和排水孔，采取的截排水措施，减小了基岩渗漏压力和扬压力，确保了反拱水
垫塘底板结构稳定和运行安全。关键词：反拱水垫塘；强截排水措施；用；究加应研
中图分类号：Ｖｌ文献标识码：文章编号：０４５１（０２０－０２－０Ｔ３Ａ１０－７６２１）６０５３
至２１．ｍ高程。反拱水垫塘底板以中心线２７．ｍ２２Ｏ２５０高程点为圆心，内半径６．ｍ，０５圆心夹角６．４０，１６７。水平宽６ｍ，２２．４ｍ高程与拱座相接，２在２３０６反拱底板高程为２１．０底板厚度为２５．ｍ。反拱水垫塘２４５ｍ，．～３０左右岸拱座２２．ｍ高程对称布置２ＯＯ２１Ｏ．ｍＸ３ｍ纵向．排水廊道，反拱水垫塘中心线底板以下布置２Ｏ．ｍＸ２５Ａ．ｍＳ向廊道，坝下Ｏ５．ｍ桩号布置上游横向排＋０２Ｏ水廊道，二道坝坝下Ｏ６．ｍ布置横向排水廊道，＋２３０并与２０．ｍ高程塘中排水廊道相连通。反拱水垫塘从２９０坝下Ｏ５．０＋２００桩号，１４６＋０５４～Ｏ４．ｍ长８．ｍ。二道坝底宽３ｍ，宽７坝顶高程仍为２４．０坝高０顶ｍ，２３５ｍ，３ｍ。护坦长３ｍ，３１０厚ｍ。反拱水垫塘底板垂直水流向分段缝和顺水流向分块缝下，设双层ＨＭＦ５埋１５型塑料排水盲沟，水盲沟在底板结构分缝底部跨缝居中排

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用

长潭岗水电站反拱形水垫塘研究及应用
王继敏;王珮璜;杨清生;李延农;朱小飞;史祖林
【期刊名称】《水利水电技术》
【年(卷),期】2002(033)007
【摘要】介绍了长潭岗水电站反拱形水垫塘的布置型式和结构构造,用有限元的方法计算了动水荷载作用下的底板应力和位移,通过水工模型试验,测试了底板上的动水压强.本工程已经建成,并埋设了结构和水力学原型观测仪器.长潭岗拱坝反拱形水垫塘的应用研究,可为大型水电站拱坝水垫塘型式选择提供借鉴.
【总页数】3页(P10-12)
【作者】王继敏;王珮璜;杨清生;李延农;朱小飞;史祖林
【作者单位】天津大学水利水电工程系,天津,300072；国家电力公司中南勘测设计研究院,湖南长沙,410014;湘西自治州水电设计院,湖南吉首,416200;国家电力公司中南勘测设计研究院,湖南长沙,410014;国家电力公司中南勘测设计研究院,湖南长沙,410014;国家电力公司中南勘测设计研究院,湖南长沙,410014;湘西自治州水电设计院,湖南吉首,416200
【正文语种】中文
【中图分类】TV653(264)
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1.反拱形水垫塘结构在拉西瓦水电站上的研究与应用 [J], 陈亮;卢亮;张莹
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4.长潭岗反拱形水垫塘衬砌结构的非线性静动力分析 [J], 符晓;杨敏;王继敏
5.长潭岗水电站绿色小水电创建效果评价 [J], 田军;彭易
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“扣模抹面”施工技术在水电站反拱水垫塘中运用

“扣模抹面”施工技术在水电站反拱水垫塘中的运用摘要：详细介绍拉西瓦水电站反拱水垫塘的“扣模抹面”工艺施工运用，工艺的改进成功地解决了反拱混凝土施工中的“顽症”，满足了设计和运行需要。

关键词：拉西瓦水电站水垫塘混凝土施工反拱扣模一概述拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的大中型水电站中紧接龙羊峡水电站的第二个梯级电站。

该工程由混凝土双曲拱坝（坝高250m）、坝后反拱水垫塘及二道坝、坝身泄洪表孔深孔及右岸地下厂房主变开关室组成。

大坝建成后将形成10.79亿m3的水库，地下电站装机容量4200mw（6×700mw）。

其中消能区采用反拱水垫塘型式集中消能，反拱水垫塘全长184.6m，等宽布置，反拱中心角61.647°，内半径60.5m，拱圈最低点高程2214.5m，底板衬砌混凝土厚度分为2.5m和3.0m两种；在顺水流方向分为13个拱圈，每个拱圈长14.2m，拱圈沿反拱底板横向分成5块，每块过流面平均弧长13.0m。

反拱底板两端设混凝土拱座，拱座底面为水平面，宽6.46～6.72m，高11m，靠山体为铅直面，过流面与拱圈上端以1：0.73的斜坡相接。

底板及两岸边坡el2265.0m高程以下均采用钢筋混凝土衬砌。

二扣模工艺的提出由于反拱的切线与水平面的夹角较大，我们考虑必须立模，但是这当中有一个问题，就是浇筑过程中排气困难，由于混凝土浇筑时，反弧部分汽泡难以排出，聚积吸附在模板表面，浇筑成型后的混凝土表面有着大量的气孔、疤痕和错台等质量缺陷，脱模后在混凝土表面出现大量的水汽泡、麻面，极大地影响了混凝土表面质量，容易引起过流面气蚀破坏。

为此必须采取相应的对策，以往工程的一般做法是加强振捣，尽量把气泡排除，浇筑成型后待达到设计龄期，将混凝土表面有缺陷的部位凿毛后用修补材料修补抹光，这样做容易造成过振，使混凝土的匀质性变差，而且后期处理费工费时，质量也不易保证，为了提高反拱混凝土施工外观质量，我们提出了扣模抹面施工工艺。

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反拱型水垫塘设计关键技术研究”项目验收会在北京召开
来源： 2009-9-8
2009年9月1日，中国水电工程顾问集团公司在北京主持召开了“反拱型水垫塘设计关键技术研究”科技项目验收会。

参加会议的有水电水利规划设计总院，中国水利水电科学研究院，北京工业大学，天津大学，长江水利委员会长江科学研究院，中国水电顾问集团北京院、华东院、中南院、成都院、贵阳院、西北院等单位的专家和代表。

该项目由中国水电顾问集团西北院承担，依托拉西瓦水电站工程，针对反拱型水垫塘设计关键技术进行了大量研究工作，取得了丰富的研究成果：
1、采用多种模型试验技术、包括流形元在内的先进仿真计算方法，首次全面系统地研究了反拱型水垫塘适应条件、作用荷载、工作机理、稳定机理、破坏机理、承载能力、成拱条件、体形结构与构造等反拱型水垫塘设计中的关键技术问题，提出了明确的结论和解决问题的技术措施，在反拱型水垫塘这一新型消能结构形式设计技术方面取得了突破性的进展。

2、拱圈按需分区锚固、锚筋和过缝钢筋设置自由段等措施为我国自主创新，国际上尚无先例，在工程中真正实现了拱圈和锚筋的合理联合作用，保证了反拱型水垫塘结构合理，具有设计新颖、运行安全可靠的特点。

3、反拱型水垫塘冲击动水压力控制值突破了惯用的15m水柱限制，可提高至30m水柱，为简化坝体泄洪消能工和反拱型水垫塘体形设计提供了依据。

4、首次提出了反拱型水垫塘设计原则和稳定设计的关键要素以及体形参数指标，如拱圈中心角一般为45°～85°，圆弧半径宜为0.74倍～1.3倍的水平弦长，底板最小厚度2.0m左右等，对其他工程反拱型水垫塘设计具有借鉴作用。

5、经过约160m水头、最大泄量约1200m3/s工况下近6个月的连续泄水运行，反拱型水垫塘底板渗透压力、板块间缝隙宽度变化，底板与基岩面的间隙、锚筋的变形、应力等初步监测分析表明，反拱型水垫塘运行正常，满足设计要求。

6、反拱型水垫塘具有承载能力高、超载能力强，安全可靠性好,对狭窄河谷适应性强等优点。

实践表明，施工难度不是制约因素。

该项研究成果在拉西瓦水电站工程的成功应用，为窄河谷高水头大泄量高混凝土坝坝后反拱型水垫塘应用提供了成功的工程实例，取得了显著的经济效益，具有很好的推广应用价值。

会议期间，与会专家认真听取了承担单位关于项目研究情况的汇报，并就研究成果的合理性和准确性进行了认真的讨论和审议，充分肯定了成果结论的实用性和先进性，一致同意该项目通过验收。