加楞预制混凝土连锁块在鸭河口水库中的应用.pdf

第 3 2卷第 1 l 期 2 0 1 0年 1 1月 人民黄河 YELL OW Rl VI _= R V o 1 3 2， No 1 1 NO V ， 2 01 0 【 水利水 电工程 】 加楞预制混凝土连锁块在鸭河 口水库中的应用 李西平 ( 河南省水利勘测设计研 究有 限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 1 6 ) 摘要： 采用加楞预制混凝土连锁块护坡技术， 通过护块两边相互咬合和适 -3的开孔率， 使护块厚度大为减薄， 降低了施 工难度。预制连锁块护坡结构的设计 目前尚无规范， 在鸭河 口水库的应用中， 通过模型试验对其进行了科学验证， 高程 1 6 8 01 7 5 0 m采用不加楞 预制混凝土连锁块 ， 高程 1 7 5 0 m 以上 波浪主要作 用区采用加楞预制混凝土连锁块 ， 加快 了 施工进度 ， 节约 了混凝土用量 ， 消浪作用并未降低。 关键词 ：混凝土连锁块 ；大坝护坡 ；理论计算；模型试验 ；优化设计 ；鸭河 1：2 水库 中图分类号：T V 1 3 1 6 1 ； T V 6 9 8 2 文献标识码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 0 1 1 0 4 2 1 概述 鸭河口水库位于河南南阳， 控制流域面积为 3 0 3 0 k m ， 总 库容为 l 3 3 9亿 m ， 是一座以防洪 、 灌溉为 主， 兼顾发 电、 养 殖 、 城市供水等综合利用的大( I ) 型水利枢纽工程。水库于 1 9 5 9 年建成并投入运行。枢纽工程由大坝、 溢洪道等组成 ， 其中主 坝长 1 7 0 0 m， 最大坝高3 4 m。 鸭河口水库运行 5 0 a 来 ， 对防洪和当地经济发展发挥了重 要作用。但受当时经济、 技术条件的制约， 工程存在先天不足， 影响了工程安全运行。经安全鉴定， 水库坝高不满足要求； 下 游坝坡不稳定， 上游坝坡干砌石厚度不满足要求， 反滤层受到 破坏 ； 溢洪道结构不 满足规范要求 ； 电气 、 金属结构设备 陈旧老 化 ， 超期服役。2 0 0 7年水利部大坝安全管理 中心核查确定 该水 库大坝为3类坝， 并列入 了 全 国病险水库除险加固专项规 划 。 2 护坡方案比选 2 1 块石护坡 按 碾压式土石坝设计规范( S L 2 7 4 -2 0 0 1 ) 对上游坝坡 护砌进行计算 。砌石 护坡 在最 大局 部波浪 应力作 用下所 需 的 换算球形直径、 质量、 厚度汁算公式如下： D =0 8 5 D 5 o f 1 ) Q ：0 8 5 Q 5 o=0 5 2 5 p k D ( 2 ) 当 h 1 5时 t = D一 = - 当 1 5时 ： Dt D = ：_ 式中： D为石块的换算球形直径 ； Q为石块质量； D 。为石块平 9 6 均粒径； Q 。为石块平均质量； f 为石块厚度； 为随坡率变化的 系数， 取 K =1 3 5 ； p 为块石密度； p 为水的密度； 为累计频 率为5 的波高； 为平均波长； m为坡度系数。 经计算， 上游护坡块石计算厚度受设计工况控制， 理论厚 度为 0 4 8 m， 现状块石厚度为 0 4 m。 块石护坡的主要特点： 块石护坡是传统的护坡形式， 对 施： 1 二 人员技术要求相对较低 ； 块石开采受季节影响较小， 开 采设 备相对 简易； 只需要堆 石场， 施 工现场不 需很大； 0 4 8 m 厚块石体积较大， 成材率低 ； 当地石材较贫乏， 且开 辟石料场将造成水土流失、 对环境影响较大； 干砌石人工费 用市场价增 长很快 ， 实 际操作 时对 护坡达 到紧 、 稳 、 平 、 实 的要 求难以控制， 施工有一定难度。 2 2浇混凝土板护坡 根据 碾压式土石坝设计规范， 对于具有明缝的混凝土护 坡板， 在浮力作用下稳定的面板厚度可按下式计算 ： 3 r _r ： 0 0 7 r h ( 3 ) V O P c Pw ， 式中： r 为系数， 对于整体式大块护面板取 1 0 ， 对于装配式护 面板取 1 1 ； 为累计频率为 1 的波高； b 为沿坝坡向板长； p 为板的容重。 现浇混凝土板的厚度受板边长影响， 根据工程实际， 当板 边长为 3 m 3 m时 ， 需要混凝土板厚 0 3 m。 该方案的主要特点 ： 现浇混凝土板与块石比较， 板厚减 小， 可降低工程材料成本； 现浇混凝土板是一次成型安装的， 损耗小 ； 坡面糙率降低， 需要增加坝顶防浪墙高度； 不易实 施防冻措施 ， 不适于冬季施工； 对坝体变形适应能力差； 运 行维修困难。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 - 2 7 作者简介 ： 李西平( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 河南巩 艾人 ， 高级 工程 师， 注册 咨询 工程师( 投 资) ， 主要从事水利工程设计工作 E ma i l ： h1 wl x p h ns 1 g o v t ? n 人 民 黄 河2 0 1 0年第 1 1 期 2 3 加楞预制混凝土连锁块护坡 加楞预制混凝土连锁块是在传统混凝土块的基础上， 经科 学研究而产生 的新型护坡材料 。其厚 度计算 目前 尚没有 规范 ， 因此计算时只能采用如下经验公式 ： 一 y H j W= _ 一 K 3 m 加楞混凝土预制连锁块是传统的块石护坡和混凝土护坡 的有机结合 ， 具有近代混凝土结构坚固耐久、 整体性强、 抗冲能 力强 、 易于施工的特点， 又有块石适宜变形的特点， 刚柔相济， 相得益 彰。 ( 4 )4 模型试验 式 中： 为混凝土连锁块 的质量 ； 为无量 纲稳定 系数 ， 由试 验确定； 。 为设计波高； y 为连锁块的容重； K 为相对容重， ( T 一1 )=1 3 ； y 为水的容重。 连锁块厚度的表达式为 D= 式中： 为波浪形态参数， 取值为 t 5 8 9 ； b为波浪与护面材料之 问的相互作用系数； 为强度系数， c o s a=3 01 1 。 考虑到施工方便 、 运输便捷 ， 连锁 块尺寸 拟为 0 4 1 13 0 5 m， 开孑 L 率为7 ， 经计算混凝土连锁块厚度为 0 2 4 I l l 。 所加楞越高， 防浪效果越好， 但对其断面要求越大， 同时 断面太大时， 施： 运输过程中损坏的几率相应增大 ， 因此采用 楞高 5 c m的梯形结构， 上部宽6 c m， 下部宽 1 0 c m。 该方案是块石护坡和现浇混凝土板护坡的有机结合 ， 吸收 了两者的优点。主要特点 ： 由过去单一的砌块， 通过砌块间 的咬合形成连续的、 不可分割的、 具有一定柔性的整体防护体 系 ； 通过突起 的陡坎 子 棱 ， 增加 了坡面糙率 ， 克服 了现浇 混凝土板因糙率降低而带来 的不利影响； 施工效率高、 施工 质量易保证； 外表整齐美观， 铺筑速度快； 当局部发生损坏 时， 较易维护； 预制过程可采用工厂化、 标准化生产； 预制 场地较小 ， 冬季预制时 ， 可采取蒸汽养 护技术 ， 砌筑施工 受季节 影响较小； 模板制作难度大， 对模具要求较高。 经过分析 ， 决 定采 用加楞混凝土预制块护坡方案 。 3 工作原理 加楞混凝土预制护块结构的三维图见图 1 。 图 1 加楞 混凝土预 制护块结构 由图 1 可知： 该护坡形式两边凸凹相应 ， 砌筑后相互咬合， 从而使护块上下游相互连接， 加强了护块整体性能， 减小了单 块质量 ； 通 过护块 中间的孔( 7 开孔 率) 降低 了浮托力 ， 减小 了 护坡厚度 ； 为 了保 证护 坡下 垫 层在 风 浪淘 刷下 从所 开 孔 中淘 出， 开孔宽度确定为0 0 2 i n 。所加楞起到了防止风浪爬坡增大 的效果 ， 同时为以后维修施工创造了便利条件 。 加愣 预制混 凝土连 锁块属 于新材 料 、 新 产品 ， 应用 于实际 工程之前， 必须经过科学的试验加以验证， 因此委托天津大学 水力学研究所进行了护块优化试验。试验砌块的稳定标准采 用 海港水文规范 。试验表明， 鸭河口水库大坝预制混凝土连 锁块在校核水位 、 设计水位 、 兴利水位等工况下是稳定的。同 时对加楞与否分别进 行 了波浪爬 高测定 ， 结 果表 明 ， 不 加棱 时 波浪将翻越防浪墙 ， 加楞 时波浪 爬高 不会 翻越 防浪墙 ， 满足 要 求， 且测定的波浪爬高与理论计算值十分相近。 为 了优化 设计 ， 减小 护块 厚度 ， 对 0 2 2 m厚预制混凝 土连 锁块进行了稳定试验， 结果表明， 波浪爬高可以满足要求， 但稳 定 性不能满足要求 。 试验提出， 砌块下面的碎石垫层的密实度对砌块的稳定性 具有重要影响， 碎石垫层越密实砌块的整体稳定性越好。 总之， 试验表明， 设计的加楞预制混凝土连锁块满足要求， 经 济合 理。 。 5 设计优化 根据现场查勘， 鸭河 口水库大坝护坡块石松动， 反滤层淘 刷破坏等主要发生在水位变动区， 即高程 1 6 8 0 m以上 ， 因此 设计对此高程 以上进 行护坡拆 除重建 。一般情 况下 ， 护坡材料 为单一品种 ， 但考虑到加楞 昆凝土连锁块是新材料， 制作工艺 相对 复杂 。 只加 楞一 项需 要多 加 2片模 板 。为 了加 快预制 进 度 ， 考 虑波浪主要作用 区域在静 水位 + 2一一1 5附近 ， 因此结 合试验波浪的影响范围， 对设计进行了优化， 即高程 1 6 8 0 1 7 5 0 1 采用不加楞预制混凝土连锁块 ， 高程 1 7 5 0 i n以上波 浪主要作用区采用加楞预制混凝土连锁块。如此加快了施工 进度， 节约了混凝土用量 ， 消浪作用并未减弱。 6 结语 加楞预制混凝土连锁技术是一种新 型护坡技 术 ， 对其研 究 较少 ， 工程设计 尚缺 资料 。通 过经 验公 式 计 算 和模 型试 验 验 证， 针对鸭河口水库的特点， 对这种两边连锁的柔性混凝土结 构工程进行了优化设计， 填补 了因资料匮乏而使其难以设计的 空白。鸭河 口水库除险加周工程获得河南省 2 0 0 9年优秀咨询 成果一等 奖。 【 责任编辑张华岩】 9 7