專利名稱：組合連拱式鋼構壩的制作方法
技術領域：
本發明涉及水利水電工程的壩結構改進技術，特別涉及一種組合連拱式鋼構壩。
背景技術：
目前，水利水電工程中的主要擋水建筑物有重力壩、土石壩和拱壩。各種壩型的主 要特點如下重力壩的工作原理是依靠壩體自重產生的抗滑力來滿足壩體穩定要求，并依靠壩 體自重產生的壓應力來抵消由于水壓力所引起的拉應力。重力壩的壩體剖面尺寸大，材料 用量大，壩體應力較低，材料強度不能充分發揮。而且，壩體與地基接觸面積大，導致壩底揚 壓力大，對壩體自身穩定不利。土石壩是利用當地材料筑成的壩，壩體要有足夠的斷面才能保持穩定。而土石壩 的邊坡和壩基穩定是土石壩安全的基本保證。因此，壩體構造必須設置良好的防滲和排水 設施以控制滲流；保證壩體、壩基的穩定。土石壩的壩身不宜過流，需要設置專門的泄洪設 施，才能保證工程安全運行。拱壩主要依靠兩岸拱端的反力作用維持壩身的穩定。因此拱壩對壩址的地形、地 質條件要求較高，對地基的要求也較嚴格。而且，拱壩剖面較薄，壩體幾何形狀復雜，因此， 對施工質量、筑壩材料強度和防滲要求都要比重力壩高。

發明內容
為了克服重力壩、土石壩的斷面尺寸大，材料強度不能充分發揮，施工期長，投資 大的不足；彌補拱壩對地基的適應性不強的不足，發明了一種新的壩型——組合連拱式鋼 構壩。技術方案一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底鋼筋混凝土承臺及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝 土結構筑成的邊墩及預埋固定件，根據鋼構壩主體設計的整體實際形狀、壩底寬度、壩體高 度、壩主體拱度和設計要求對壩底承臺和兩側邊墩進行規范化設計，鋼構壩主體包括一個 箱式拱形支撐主體和固定在該拱形支撐主體的凸面迎水面上有η個小跨度拱形支撐面板， 所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為η個小拱形支撐體的組合體，每個小拱形支撐體的徑 向截面為直角梯形，其中斜邊靠近迎水面、直角邊為背水面，將該直角梯形的斜邊m等分， 沿斜邊的各等分點和斜邊最上端頂點共m個點在小拱形支撐體內腔分別做水平分割面和 豎向分割面，從而小拱形支撐體被分成一定數量的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角 截面小拱形單元體B ；組成小拱形支撐體的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截 面小拱形單元體B的相鄰側邊固定在一起，形成雙層公共相鄰邊，相鄰的小拱形支撐體對 接固定即相鄰處的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B分別對 接固定；鋼構壩主體最底層的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B 與壩底鋼筋混凝土承臺中預埋固定件固定，鋼構壩主體兩端的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與鋼筋混凝土邊墩中預埋固定件固定，其中m和η為大于 1的自然數。所述小跨度拱形支撐面板與壩底水平面夾角為40° 55°。在矩截面小拱形單元體A的側面開口端還固定有斜支撐桿。在壩體主體上端還固定有與壩體輪廓匹配的上端板。相鄰兩個小拱形支撐體對接的公共邊上設有凹槽，相鄰兩個小跨度拱形支撐面板 的相鄰側邊匹配固定于所述凹槽內。最外側的小拱形支撐體的側邊上設有邊凹槽，最外側 的小跨度拱形支撐板的外側壁匹配固定于所述邊凹槽內。所述凹槽可以為普通的矩形凹 槽，也可以為燕尾形凹槽。小拱形支撐體的側邊設有與凹槽匹配的翻邊。所述箱式拱形支撐主體為拋物線拱，或者為橢圓拱，或者為弓形拱，或者為半圓形
iit Jz、ο所述壩底混凝土承臺和兩側混凝土邊墩的下部分別通過錨桿固定在基巖深處。壩主體后端的相互連通的各矩截面小拱形單元體A內設有發電廠房設施、電梯 井、檢修廊道，在庫區地形合適處設置泄洪通道。根據實際需要，鋼構壩主體的上端面和底面可以向背水面一側適當加寬，這樣鋼 構壩主體的最后側的單元體A的寬度將可能大于其他單元體A的寬度。當然也可以在鋼構 壩主體最后側再增加一層由單元體A組成的附加層，以便加厚壩體只需。一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底鋼筋混凝土承臺及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝 土結構筑成的邊墩及預埋固定件，根據鋼構壩主體設計的整體實際形狀、壩底寬度、壩體高 度、壩主體拱度和設計要求對壩底承臺和兩側邊墩進行規范化設計，鋼構壩主體包括一個 箱式拱形支撐主體和固定在該拱形支撐主體的凸面迎水面上有η個小跨度拱形支撐面板， 所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為η個小拱形支撐體的組合體，每個小拱形支撐體的徑 向截面為直角梯形，其中斜邊靠近迎水面、直角邊為背水面，將該直角梯形的斜邊m等分， 沿斜邊的各等分點和斜邊最上端頂點共m個點在小拱形支撐體內腔分別做水平分割面和 豎向分割面，從而小拱形支撐體被分成一定數量的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角 截面小拱形單元體B ；組成小拱形支撐體的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截 面小拱形單元體B的相鄰側邊為單層公共相鄰邊，相鄰的小拱形支撐體對接固定即相鄰處 的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B分別對接固定；鋼構壩 主體最底層的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與壩底鋼筋混凝 土承臺中預埋固定件固定，鋼構壩主體兩端的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面 小拱形單元體B與鋼筋混凝土邊墩中預埋固定件固定，其中m和η為大于1的自然數。所述小跨度拱形支撐面板與壩底水平面夾角為40° 55°。在矩截面小拱形單元體A的側面開口端還固定有斜支撐桿。在壩體主體上端還固定有與壩體輪廓匹配的上端板。相鄰兩個小拱形支撐體對接的公共邊上設有公共凹槽，相鄰兩個小跨度拱形支撐 面板的相鄰側邊匹配固定于所述公共凹槽內。最外側的小拱形支撐體的側邊上設有邊凹 槽，最外側的小跨度拱形支撐板的外側壁匹配固定于所述邊凹槽內。所述凹槽可以為普通 的矩形凹槽，也可以為燕尾形凹槽。小拱形支撐體的側邊設有與凹槽匹配的翻邊。所述箱式拱形支撐主體為拋物線拱，或者為橢圓拱，或者為弓形拱，或者為半圓形拱ο所述壩底混凝土承臺和兩側混凝土邊墩的下部分別通過錨桿固定在基巖深處。壩主體后端的相互連通的各矩截面小拱形單元體A內設有發電廠房設施、電梯 井、檢修廊道，在庫區地形合適處設置泄洪通道。根據實際需要，鋼構壩主體的上端面和底面可以向背水面一側適當加寬，這樣鋼 構壩主體的最后側的單元體A的寬度將可能大于其他單元體A的寬度。當然也可以在鋼構 壩主體最后側再增加一層由單元體A組成的附加層，以便加厚壩體只需。本發明的有益效果(1)穩定特點壩體的穩定主要依靠兩岸拱端的反力作用，不像重力壩那樣依靠自重維持穩定。 迎水面的若干個連續布置的小跨度的拱圈，能夠使壩體承受的荷載通過小跨度的拱圈作用 均勻地傳遞到面板后的箱梁結構的拱形支撐主體上，再由拱形支撐主體(主拱圈)傳遞到 兩岸和地基，這樣使得壩體荷載分布比單曲拱壩或多曲拱壩的荷載分布更為合理。面板與 水平面呈40°飛5°的夾角，充分利用面板承受的豎直向的水重，來增強組合連拱式鋼構 壩壩體的穩定。使得壩主體通過若干個連續拱圈和箱梁支撐拱圈的聯合作用，共同完成壩 體、庫水、地基三者的協調。(2)結構特點鋼構壩是整體空間結構，壩體輕韌，彈性好，抗震能力強。拱是一種主要承受軸向 壓力的推力結構，拱內彎矩小，應力分布較為均勻，有利于發揮鋼結構材料的強度。本壩型 具有壩體斷面尺寸小、強度高、剛度大、材料塑性、韌性好、可有較大變形，能承受動力荷載、 筑壩材料綠色環保、可重復使用，容易實現工業化制造安裝，能夠加快工程進度。(3)應用特點鋼構壩不僅可以安全溢流，而且可以在壩身設置單層或多層大孔口泄水。能夠保 證洪水的安全宣泄，并能夠滿足工業、農業、城市用水以及壩體、庫區的檢修、排空、排砂的 要求。
四

圖1是本發明的組合連拱式鋼構壩主體的立體結構示意圖之
圖1-1是圖1的鋼構壩主體的拆分狀態示意圖1-2是圖1或圖1-1的拱形支撐主體的拆分狀態示意圖2是本發明的組合連拱式鋼構壩迎水面方向結構示意圖3是圖2的俯視結構示意圖4是圖2的A-A剖面(縱截面)結構示意圖5是圖3的B-B剖面結構示意圖6是圖4的C部放大結構示意圖7是圖4的D部放大結構示意圖8是圖5的E部放大結構示意圖9是圖6的F向結構示意圖10是圖8的G-G剖面結構示意圖11是本發明的組合連拱式鋼構壩主體的立體結構示意圖之二 ；圖11-1是圖11的三角截面小拱形單元體B結構示意圖；圖11-2是圖11的管式拱形單元體A結構示意圖；圖11-2-1是圖11-2的拆分狀態示意圖之一； 圖11-2-2是圖11-2的拆分狀態示意圖之二。圖中，編號1為小拱形支撐主體，2為小跨度拱形支撐面板，3為上端板，4為矩截面 小拱形單元體A，5為三角截面小拱形單元體B，6為斜支撐桿，7為矩形框，8為弧形側板，8’ 為作為公共邊的弧形側壁，9為帶弧形邊的平面端板，9’為作為公共邊的帶弧形邊的平面端 板，10為傾斜的弧形側板(位于迎水面側)，11為壩底鋼筋混凝土承臺，12為兩側岸上固定 的鋼筋混凝土邊墩，13為小拱形支撐主體的側邊，14為預埋固定件，15為連接底面或連接 腳，16為錨桿。五、具體實施方案帶弧形邊的平面端板，實施例一參見圖1、圖1-1、圖1-2、圖3-圖10，一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底 鋼筋混凝土承臺11及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝土結構筑成的邊墩12及預埋固定件。壩 底鋼筋混凝土承臺11和兩岸鋼筋混凝土邊墩12的形狀主要取決于鋼構壩主體形狀。從圖 3可以看出，壩底鋼筋混凝土承臺11和兩岸鋼筋混凝土邊墩12的寬度都適當大于鋼構壩主 體底部或側部寬度。在構筑鋼構壩是，首先根據鋼構壩主體設計的整體實際形狀、壩底寬度、壩體高 度、壩主體拱度和設計要求對壩底承臺和兩側邊墩進行規范化設計。從圖1可以看出，鋼構壩主體包括一個箱式拱形支撐主體，在該箱式拱形支撐主 體是橫跨河道的板梁拱結構，其凸面迎水面上固定有η個小跨度拱形支撐面板2，在壩體主 體上端還固定有與壩體輪廓匹配的上端板3。所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為η個小拱形支撐主體1的組合體，參見圖 1-1，每個小拱形支撐主體1是有多個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單 元體B疊砌并固定組成。每個小拱形支撐主體1的徑向截面為直角梯形，其中斜邊靠近迎 水面、直角邊為背水面。為了更清楚地描述每個小拱形支撐主體與各個箱式矩截面小拱形單元體A和箱 式三角截面小拱形單元體B之間的關系，可以將該直角梯形的斜邊m等分，沿斜邊的各等分 點和斜邊最上端頂點共m個點在小拱形支撐主體內腔分別做水平分割面和豎向分割面，從 而小拱形支撐主體被分成一定數量的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形 單元體B。在本實施例中，組成小拱形乃至箱式拱形支撐主體的基本單元就是箱式矩截面小 拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B，各個單元體安裝上述結構關系疊砌固定在 一起，組成小拱形支撐主體的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元 體B的相鄰側邊固定在一起，形成雙層公共相鄰邊。相鄰的小拱形支撐主體對接固定即相 鄰處的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B分別對接固定。實 際上，各個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B是通過事先外加工 而成的標準單元體，在構筑現場僅需將各個單元體A和單元體B安裝對應關系固定在一起， 從而在各相鄰單元體之間存在雙層公共邊。這種構筑方式具有施工速度快、精度高、穩定性
7強的優點。另外，根據實際需要，鋼構壩主體的上端面和底面可以向背水面一側適當加寬，這 樣鋼構壩主體的最后側的單元體A的寬度將可能大于其他單元體A的寬度。當然也可以在 鋼構壩主體最后側再增加一層由單元體A組成的附加層，以便加厚壩體只需。圖1-2表示該小拱形支撐主體1的拆分結構示意；鋼構壩主體最底層的箱式矩截 面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與壩底鋼筋混凝土承臺中預埋固定件固 定，也可以在鋼構壩主體的底部增加一層固定鋼板或者連接腳，然后在與各個預埋固定件 固定。鋼構壩主體兩端的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與鋼 筋混凝土邊墩中預埋固定件固定，也可以在鋼構壩主體的底部增加一層固定鋼板或者連接 腳，然后在與各個預埋固定件固定。所述小跨度拱形支撐面板與壩底水平面夾角為40° 55°。在矩截面小拱形單元體A的側面開口端還固定有斜支撐桿。在本實施例中的m和η均為大于1的自然數。小跨度拱形支撐面板與靠近迎水面一側的小拱形支撐主體的斜邊之間存在固定 關系。一般來說，每個小拱形支撐主體對應固定一個小跨度拱形支撐面板，即每個小跨度 拱形支撐面板的兩側邊固定在對應小拱形支撐主體的兩側邊上。其固定方式多樣，可以采 用直接焊接的方式固定，也可以采用嵌入凹槽的固定方式。例如相鄰兩個小拱形支撐主體 對接的公共邊上設有凹槽，相鄰兩個小跨度拱形支撐面板的相鄰側邊匹配固定于所述凹槽 內。最外側的小拱形支撐主體的側邊上設有邊凹槽，最外側的小跨度拱形支撐板的外側壁 匹配固定于所述邊凹槽內。所述凹槽可以為普通的矩形凹槽，也可以為燕尾形凹槽。小拱 形支撐主體的側邊設有與凹槽匹配的翻邊。本實施例中，所述箱式拱形支撐主體為拋物線拱，或者為橢圓拱，或者為弓形拱， 或者為半圓形拱。所述壩底混凝土承臺和兩側混凝土邊墩的下部分別通過錨桿固定在基巖深處。壩主體后端的相互連通的各矩截面小拱形單元體A內設有發電廠房設施、電梯 井、檢修廊道，在庫區地形合適處設置泄洪通道。在本實施例中，箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B相鄰 側壁的固定關系均采用焊接方式進行固定。實施例二 附圖未畫，內容與實施例一基本相同，相同之處不重述，不同的是在 本實施例中，箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B相鄰側邊的固定 關系是通過螺栓固定，例如在相鄰的雙層公共側壁上分別設有匹配的固定孔，在相應各安 裝固定孔內采用高強螺栓及螺母、墊片固定，不詳述。實施例三參見圖11、圖11-1、圖11-2、圖11-2-1，另一種組合連拱式鋼構壩，主要 內容與實施例一相同，相同之處不重述，不同的是組成小拱形支撐主體的每個箱式矩截面 小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B的相鄰側邊為單層公共相鄰邊。在本實施例中，構成箱式拱形支撐主體的各個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式 三角截面小拱形單元體B分別是現場焊接固定或通過其他方式固定組成。可以分別參見如 圖11、圖11-1、圖11-2、圖11-2-1，構成箱式矩截面小拱形單元體A是由弧形側板8和帶弧 形邊的平面端板9以及斜連桿6通過現場焊接固定而成。構成箱式三角截面小拱形單元體B是由弧形側板8和傾斜的弧形側板10通過現場焊接固定而成。其中標號8’為作為公共 邊的弧形側壁，9’為作為公共邊的帶弧形邊的平面端板。從而組成小拱形支撐主體1的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小 拱形單元體B的相鄰側邊為單層公共相鄰邊。實施例四參見圖11、圖11-1、圖11-2、圖11-2-2，內容與實施例三基本相同，相同 之處不重述，不同的是構成箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B的 兩端分別設有矩形或直角三角形框架，各固定側板或端板固定在該矩形或直角三角形框架 對應側邊上。
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權利要求
一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底鋼筋混凝土承臺及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝土結構筑成的邊墩及預埋固定件，其特征是根據鋼構壩主體設計的整體實際形狀、壩底寬度、壩體高度、壩主體拱度和設計要求對壩底承臺和兩側邊墩進行規范化設計，鋼構壩主體包括一個箱式拱形支撐主體和固定在該拱形支撐主體的凸面迎水面上有n個小跨度拱形支撐面板，所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為n個小拱形支撐體的組合體，每個小拱形支撐體的徑向截面為直角梯形，其中斜邊靠近迎水面、直角邊為背水面，將該直角梯形的斜邊m等分，沿斜邊的各等分點和斜邊最上端頂點共m個點在小拱形支撐體內腔分別做水平分割面和豎向分割面，從而小拱形支撐體被分成一定數量的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B；組成小拱形支撐體的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B的相鄰側邊固定在一起，形成雙層公共相鄰邊，相鄰的小拱形支撐體對接固定即相鄰處的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B分別對接固定；鋼構壩主體最底層的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與壩底鋼筋混凝土承臺中預埋固定件固定，鋼構壩主體兩端的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與鋼筋混凝土邊墩中預埋固定件固定，其中m和n為大于1的自然數。
2.根據權利要求1所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是所述小跨度拱形支撐面板與 壩底水平面夾角為40° 55°。
3.根據權利要求1所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是在矩截面小拱形單元體A的 側面開口端還固定有斜支撐桿。
4.根據權利要求1所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是所述箱式拱形支撐主體為拋 物線拱，或者為橢圓拱，或者為弓形拱，或者為半圓形拱。
5.根據權利要求1-4任一項所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是相鄰兩個小拱形支 撐體對接的公共邊上設有凹槽，相鄰兩個小跨度拱形支撐面板的相鄰側邊匹配固定于所述 凹槽內。
6.一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底鋼筋混凝土承臺及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝土 結構筑成的邊墩及預埋固定件，其特征是根據鋼構壩主體設計的整體實際形狀、壩底寬 度、壩體高度、壩主體拱度和設計要求對壩底承臺和兩側邊墩進行規范化設計，鋼構壩主體 包括一個箱式拱形支撐主體和固定在該拱形支撐主體的凸面迎水面上有η個小跨度拱形 支撐面板，所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為η個小拱形支撐體的組合體，每個小拱形 支撐體的徑向截面為直角梯形，其中斜邊靠近迎水面、直角邊為背水面，將該直角梯形的斜 邊m等分，沿斜邊的各等分點和斜邊最上端頂點共m個點在小拱形支撐體內腔分別做水平 分割面和豎向分割面，從而小拱形支撐體被分成一定數量的箱式矩截面小拱形單元體A和 箱式三角截面小拱形單元體B ；組成小拱形支撐體的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱 式三角截面小拱形單元體B的相鄰側邊為單層公共相鄰邊，相鄰的小拱形支撐體對接固定 即相鄰處的每個箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B分別對接固 定；鋼構壩主體最底層的箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B與壩 底鋼筋混凝土承臺中預埋固定件固定，鋼構壩主體兩端的箱式矩截面小拱形單元體A和箱 式三角截面小拱形單元體B與鋼筋混凝土邊墩中預埋固定件固定，其中m和η為大于1的 自然數。
7.根據權利要求5所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是所述小跨度拱形支撐面板與 壩底水平面夾角為40° 55°。
8.根據權利要求5所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是在矩截面小拱形單元體A的 側面開口端還固定有斜支撐桿。
9.根據權利要求5所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是在壩體主體上端還固定有與 壩體輪廓匹配的上端板。
10.根據權利要求6-9任一項所述的組合連拱式鋼構壩，其特征是相鄰兩個小拱形支 撐體對接的公共邊上設有凹槽，相鄰兩個小跨度拱形支撐面板的相鄰側邊匹配固定于所述 凹槽內。
全文摘要
本發明涉及一種組合連拱式鋼構壩，含有壩底鋼筋混凝土承臺及預埋固定件、兩岸鋼筋混凝土結構筑成的邊墩及預埋固定件，鋼構壩主體包括一個箱式拱形支撐主體和固定在該拱形支撐主體的凸面迎水面上有n個小跨度拱形支撐面板，所述拱形支撐主體是沿徑向被分割為n個小拱形支撐體的組合體，小拱形支撐體被由箱式矩截面小拱形單元體A和箱式三角截面小拱形單元體B固定組成。本發明鋼構壩的穩定主要依靠兩岸拱端的反力作用，迎水面的若干個連續布置的小跨度的拱圈，能夠使壩體承受的荷載均勻地傳遞到面板后的箱梁結構的拱形支撐主體上，再傳遞到兩岸和地基，這樣荷載分布更為合理。壩體輕韌，彈性好，抗震能力強。筑壩材料綠色環保、可重復使用，容易實現工業化制造安裝，能夠加快工程進度。
文檔編號E02B8/00GK101881016SQ20101018187
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者劉尚蔚, 尹偉波, 張國新, 楊小薈, 魏群, 魏魯雙 申請人:華北水利水電學院