深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基及施工方法

2023-05-11 21:41:36

專利名稱：深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基及施工方法
技術領域：
本發明屬於水利水電工程技術領域，更具體地說它是一種在深厚覆蓋層(厚度大於50m)上修建粘土 (心牆)堆石壩的人工複合地基，本發明還涉及在這種深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩人工複合地基的施工方法。
背景技術：
粘土心牆堆石壩(包括礫石土心牆堆石壩)是國內外水利水電工程中應用相當廣泛的壩型，隨著我國水能資源豐富的西南地區水電工程的開發，涉及到在深厚覆蓋層上修建高粘土心牆堆石壩的水電工程越來越多，規模也越來越大。對河床深厚覆蓋層的利用與處理，關係到工程的安全與經濟，同時對壩址、壩型選擇，樞紐布置方案，工程安全及造價等均有重大影響，已成為工程建設的關鍵技術問題之一。
目前此類工程修築粘土心牆堆石壩時，對深厚覆蓋層基礎一般採用以下方案(I)將心牆下面的覆蓋層全挖除處理，心牆直接修建在基巖上；(2)保留覆蓋層，心牆置於覆蓋層上，用混凝土防滲牆對覆蓋層進行防滲處理，如圖3所示。採用方案(I)將深厚覆蓋層全部挖除往往會帶來諸多不利的影響，如基坑開挖邊坡過高影響圍堰及基坑邊坡穩定，導流工程標準提高、規模加大、布置困難，覆蓋層開挖工程量大，棄渣場規模大、布置困難，工程投資增加，施工工期延長等。採用方案(2)保留深厚覆蓋層、用混凝土防滲牆進行防滲處理，其技術的可靠性還有待提高，在深厚覆蓋層上建造粘土心牆堆石壩面臨的問題比在基巖上建壩更為複雜，在壩體填築荷載和水壓力作用下覆蓋層會產生較大的沉降和不均勻沉降，隨著覆蓋層深度和壩體規模的增加，心牆與壩殼之間變形不協調、心牆與防滲牆之間變形不協調、防滲牆應力變形性狀差、心牆與防滲牆連接處集中滲漏等問題更加突出，容易出現心牆裂開、防滲牆斷裂、心牆與防滲牆接頭脫開等現象，甚至壩體和覆蓋層產生滲透破壞，影響大壩的安全運行，如圖3所示。

發明內容
本發明的第一目的在於克服上述現有背景技術的不足之處，而提供一種深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基；本發明在確保工程安全的同時，有效的減少了工程投資，縮短了工程工期，使在覆蓋層上直接建造高粘土心牆堆石壩技術達到新的高度。本發明的第二目的在於提供這種在深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩的人工複合地基的施工方法。本發明的第一目的是通過如下措施來達到的深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩的人工複合地基，基巖，位於基巖上的覆蓋層，位於覆蓋層上的心牆，在心牆的兩邊為反濾層，反濾層的外側為過濾層，過濾層的外側為堆石，所述的堆石、過濾層、反濾層、心牆組成壩體，其特徵在於所述的覆蓋層厚度大於50米，在所述的覆蓋層頂部有混凝土蓋板，所述的混凝土蓋板的下方為灌漿加固區，在混凝土蓋板的上方有心牆、反濾層、過濾層及部分堆石，在所述的混凝土蓋板內有防滲牆施工廊道，在防滲牆施工廊道有穿過灌漿加固區和覆蓋層後達基巖的混凝土防滲牆，所述的心牆為粘土心牆或礫石土心牆，所述的壩體高度大於150米。在上述技術方案中，所述的混凝土蓋板內還布置有灌漿廊道，所述的灌漿廊道位於防滲牆施工廊道的兩側。在上述技術方案中，所述的混凝土蓋板為低強度等級碾壓混凝土，在混凝土蓋板上有結構縫，在結構縫的縫面設有止水。在上述技術方案中，所述的混凝土蓋板壩基混凝土防滲牆處的厚度為15米，混凝土蓋板其餘部位的厚度為10米。在上述技術方案中，所述的防滲牆施工廊道為寬6米X高7米的城門洞型，在施 工廊道底板設有槽口 ；所述的灌漿廊道為寬3. O米X高3. 5米的城門洞型。在上述技術方案中，所述的防滲牆施工廊道為二個；所述的灌漿廊道呈網格狀布置。本發明的第二目的是通過如下措施來達到的深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩人工複合地基的施工方法，其特徵在於它包括如下步驟①在幹地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，並進行修整使其頂面平整順滑；②在其上部採用低強度等級碾壓混凝土澆築混凝土蓋板，蓋板內預留覆蓋層灌漿廊道和防滲牆施工廊道；③待蓋板達到相應齡期後，在上部進行心牆堆石壩壩體填築的同時於廊道內進行防滲牆施工和覆蓋層灌漿；④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內防滲牆組成的人工複合地基。本發明不對壩基覆蓋層進行全部挖除，避免了覆蓋層全挖方案帶來的開挖工程量大、導流工程規模增加、棄渣場規模增大、工程施工工期延長、工程投資增加等不足。本發明採用人工複合地基，有效改善深厚覆蓋層直接建高粘土心牆堆石壩存在的壩體變形協調性、防滲牆應力變形性狀，減小了心牆開裂、防滲牆斷裂、心牆與防滲牆接頭脫開導致防滲體系破壞的工程安全風險。本發明採用在混凝土蓋板廊道內進行防滲牆施工和覆蓋層的加固灌漿施工，壩體填築施工可同步進行，有效縮短了施工工期。採用本發明技術方案，對某水電站心牆堆石壩方案進行了測試和研究，該工程覆蓋層最厚處約IOOm，不計覆蓋層壩高約238m，具有在深厚覆蓋層上修建高心牆堆石壩的代表性，分析採用河海大學自主開發的SDAS程序計算，該軟體已經成功應用於國內數座堆石壩的計算分析。通過研究分析本發明技術方案其優點及積極效果如下(I)混凝土蓋板對上覆壩體的頂託作用可起到協調蓋板範圍內壩體變形的效果，使得變形更加均勻(如圖4所示)。(2)覆蓋層加固灌漿後對壩體沉降，尤其是心牆部位沉降分布具有明顯效果(如圖4所示)。(3)混凝土蓋板和覆蓋層加固灌漿可明顯改善堆石壩體各分區尤其是心牆與壩殼之間的變形協調，從而減小心牆的拱效應、降低心牆與壩殼接觸處的應力水平。
(4)覆蓋層加固灌漿對減小防滲牆運行及竣工期的水平位移具有顯著效果，並可以減小防滲牆應力(如圖5、圖6所示)。(5)本發明通過混凝土蓋板內部預留廊道進行防滲牆及覆蓋層灌漿施工，壩體填築施工同步進行，有效縮短了施工工期。廊道在壩體運行期間可用於觀測、檢查、維護等用途。(6)本發明避免了對覆蓋層的全部挖除，從而消除了開挖工程量大、導流工程規模增加、棄渣場規模增大、工程施工工期延長等一系列不利影響。(7)壩體變形協調、防滲牆應力位移等是深覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩的關鍵技術問題，本技術方案的人工複合地基所具有的減小與協調壩體變形、降低防滲牆應力與水平位移的工程效果，有助於現有建壩水平的提高。


圖I為在深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩的人工複合地基斷面示意圖。圖2為人工複合地基中混凝土蓋板、灌漿加固區和混凝土防滲牆的結構示意圖。圖3為現有在深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩的斷面示意圖。圖4為覆蓋層變形模量提高不同倍數情況下，1/2壩高處壩體沉降分布圖。圖5為防滲牆水平位移沿高程分布圖。圖6為防滲牆大主應力沿高程分布圖。圖中I.基巖，2.覆蓋層，3.心牆，4.反濾層，5.過濾層，6.堆石，7.混凝土蓋板，8.灌漿加固區，9.防滲牆施工廊道(或稱施工廊道)，10.混凝土防滲牆，11.灌漿廊道，12.結構縫，13.槽口。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的實施情況，但它們並不構成對本發明的限定，僅作舉例而已。同時通過說明本發明的優點將變得更加清楚和容易理解。參閱附圖可知本發明深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，基巖1，位於基巖I上的覆蓋層2，位於覆蓋層2上的心牆3，在心牆3的兩邊為反濾層4，反濾層4的外側為過濾層5，過濾層5的外側為堆石6，所述的堆石6、過濾層5、反濾層4、心牆3組成壩體，其特徵在於所述的覆蓋層2厚度大於50米，在所述的覆蓋層2頂部有混凝土蓋板7，所述的混凝土蓋板7的下方為灌漿加固區8，在混凝土蓋板7的上方有心牆3、反濾層4、過濾層5及部分堆石6，在所述的混凝土蓋板7內有防滲牆施工廊道9，在防滲牆施工廊道9有穿過灌漿加固區8和覆蓋層2後達基巖I的混凝土防滲牆10，所述的心牆3為粘土心牆或礫石土心牆，所述的壩體高度大於150米。所述的混凝土蓋板7內還布置有灌漿廊道11，所述的灌漿廊道11位於防滲牆施工廊道9的兩側。所述的混凝土蓋板7為低強度等級碾壓混凝土，在混凝土蓋板7上有結構縫12，在結構縫12的縫面設有止水。所述的混凝土蓋板7在壩基混凝土防滲牆10處的厚度為15米，混凝土蓋板7其餘部位的厚度為10米。所述的防滲牆施工廊道9為寬6米X高7米的城門洞型，在防滲牆施工廊道9底板設有槽口13 ;所述的灌漿廊道11為寬3. O米X高3. 5米的城門洞型。所述的防滲牆施工廊道9為二個；所述的灌漿廊道11呈網格狀布置(如圖I、圖2所示)。
本發明是一種覆蓋層上建高粘土心牆堆石壩的新技術，即在壩基面處清理和挖除表層覆蓋層，澆築混凝土蓋板，在蓋板內部對下方覆蓋層進行灌漿加固和防滲牆施工，形成一種人工複合地基，同時上部填築壩體。本技術方案主要包括混凝土蓋板(內設防滲牆施工廊道和灌漿施工廊道)、蓋板下部覆蓋層加固灌漿等結構和措施。①混凝土蓋板布置於心牆和反濾層及過渡層的覆蓋層地基之上，並向上下遊延伸一定距離。蓋板採用低強度等級碾壓混凝土，設置結構縫對蓋板分塊，並在縫面設置止水。寬度結合壩體高度及覆蓋層厚度根據加固範圍的需要通過有限元分析計算確定，厚度滿足內部設置廊道的要求，一般情況下蓋板厚度可取IOm (壩基防滲牆部位取15m)。蓋板內網格狀布置廊道，用於覆蓋層灌漿施工和防滲牆施工，運行期作為觀測、檢查廊道。②蓋板內廊道防滲牆施工廊道，斷面尺寸滿足防滲牆施工需要，可採用6mX7m(寬X高)的城門洞型，在廊道底板沿防滲牆軸線預留槽口，作為防滲牆施工之用，槽口寬度根據防滲牆厚度和牆身與蓋板連接的構造要求確定。灌漿廊道，布置滿足覆蓋層灌漿處理的需要，其斷面尺寸應根據鑽灌機具尺寸及工作要求確定，取3. OmX 3. 5m (寬X高)左右。 ③覆蓋層灌漿加固處理主要目的是提高覆蓋層變形模量，從而降低壩體沉降及流變位移、改善防滲牆的應力及變形，加固範圍主要為粘土心牆下部的覆蓋層。本發明技術方案採用人工複合地基改善壩體及防滲牆工作狀態的同時，由於採用在廊道內進行防滲牆和灌漿施工，上部填築壩體可同時進行，避免了防滲牆和覆蓋層灌漿施工對壩體施工的影響，節約了工程施工工期。本發明深厚覆蓋層上修建粘土心牆堆石壩人工複合地基的施工方法，其特徵在於它包括如下步驟①在幹地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，並進行修整使其頂面平整順滑；②在其上部採用低強度等級碾壓混凝土澆築混凝土蓋板，蓋板內預留覆蓋層灌漿廊道和防滲牆施工廊道；③待蓋板達到相應齡期後，在上部進行心牆堆石壩壩體填築的同時於廊道內進行防滲牆施工和覆蓋層灌漿；④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內防滲牆組成的人工複合地基。參閱圖4可知覆蓋層變形模量提高不同倍數情況下，1/2壩高處沉降均呈現中間大，兩邊小，人工複合地基方案比全挖方案小。隨著模量提高倍數越高，沉降量也隨之降低，且沉降分布更為均勻。參閱圖5可知蓄水期，防滲牆由於受到水壓力作用，出現向下遊側的位移，防滲牆底部深入基巖，相當於固定端，隨著防滲牆高程的增加，水平位移越來越大。由於1824m高程以下覆蓋層未進行處理，此部位防滲牆的水平位移未受到覆蓋層加固灌漿的影響，故四種變形模量情況下該段水平位移基本沒有變化，1824m高程以上防滲牆隨著覆蓋層加固灌漿模量的提高，水平位移變小，當覆蓋層模量提高三倍後，防滲牆水平位移最大值約為不處理情況的一半，可見加固灌漿對改善防滲牆蓄水期水平位移效果明顯。參閱圖6可知覆蓋層進行灌漿加固後，變形模量提高，減小覆蓋層與防滲牆之間的相對位移，改善防滲牆的受力條件，且覆蓋層模量提高越高，這種改善效果越明顯，大主應力的分布也會越均勻。·
權利要求
1.深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，基巖(I)，位於基巖(I)上的覆蓋層(2)，位於覆蓋層(2)上的心牆(3)，在心牆(3)的兩邊為反濾層(4)，反濾層(4)的外側為過濾層(5)，過濾層(5)的外側為堆石(6)，所述的堆石(6)、過濾層(5)、反濾層(4)、心牆(3)組成壩體，其特徵在於所述的覆蓋層(2)厚度大於50米，在所述的覆蓋層(2)內有混凝土蓋板(7)，所述的混凝土蓋板(7)的下方為灌漿加固區(8)，在混凝土蓋板(7)的上方有心牆(3)、反濾層(4)、過濾層(5)及部分堆石(6)，在所述的混凝土蓋板(7)內有施工廊道(9)，在施工廊道(9)有穿過灌漿加固區(8)和覆蓋層(2)後達基巖(I)的混凝土防滲牆(10)，所述的心牆(3)為粘土心牆或礫石土心牆，所述的壩體高度大於150米。
2.根據權利要求I所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，其特徵在於所述的混凝土蓋板(7)內還布置有灌漿廊道(11)，所述的灌漿廊道(11)位於施工廊道(9)的兩側。
3.根據權利要求I或2所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，其特徵在於所述的混凝土蓋板(7)為低強度等級碾壓混凝土，在混凝土蓋板(7)上有結構縫(12)，在結構縫(12)的縫面設有止水。
4.根據權利要求3所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，其特徵在於所述的混凝土蓋板(7)壩基混凝土防滲牆(10)處的厚度為(15)米，混凝土蓋板(7)其餘部位的厚度為10米。
5.根據權利要求3所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，其特徵在於所述的施工廊道(9)為寬6米X高7米的城門洞型，在施工廊道(9)底板設有槽口(13)；所述的灌漿廊道(11)為寬3. O米X高3. 5米的城門洞型。
6.根據權利要求5所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，其特徵在於所述的施工廊道(9)為二個；所述的灌漿廊道(11)呈網格狀布置。
7.深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩人工複合地基的施工方法，其特徵在於它包括如下步驟 ①在幹地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，並進行修整使其頂面平整順滑； ②在其上部採用低強度等級碾壓混凝土澆築混凝土蓋板，蓋板內預留覆蓋層灌漿廊道和防滲牆施工廊道； ③待蓋板達到相應齡期後，在上部進行心牆堆石壩壩體填築的同時於廊道內進行防滲牆施工和覆蓋層灌漿； ④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內防滲牆、蓋板與防滲牆接頭、蓋板內觀測檢查設施組成的人工複合地基。
全文摘要
深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工複合地基，基巖(1)，位於基巖(1)上的覆蓋層(2)，反濾層(4)的外側為過濾層(5)，過濾層(5)的外側為堆石(6)，所述的堆石(6)、過濾層(5)、反濾層(4)、心牆(3)組成壩體，所述的覆蓋層(2)厚度大於50米，在所述的覆蓋層(2)內有混凝土蓋板(7)，所述的壩體高度大於150米。本發明避免了覆蓋層全挖方案帶來的開挖工程量大、導流工程規模增加、棄渣場規模增大、工程施工工期延長、工程投資增加等不足。本發明採用在混凝土蓋板廊道內進行防滲牆施工和覆蓋層的加固灌漿施工，壩體填築施工可同步進行，有效縮短了施工工期。本發明還同時公開了這種人工複合地基的施工方法。
文檔編號E02B7/06GK102852121SQ20121035918
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者鄭守仁, 鈕新強, 劉斯宏, 夏仲平, 翁永紅, 顏家軍, 徐唐錦 申請人:長江勘測規劃設計研究有限責任公司