專利名稱：深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基及施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說它是一種在深厚覆蓋層(厚度大于50m)上修建粘土 (心墻)堆石壩的人工復(fù)合地基，本發(fā)明還涉及在這種深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩人工復(fù)合地基的施工方法。
背景技術(shù)：
粘土心墻堆石壩(包括礫石土心墻堆石壩)是國(guó)內(nèi)外水利水電工程中應(yīng)用相當(dāng)廣泛的壩型，隨著我國(guó)水能資源豐富的西南地區(qū)水電工程的開發(fā)，涉及到在深厚覆蓋層上修建高粘土心墻堆石壩的水電工程越來越多，規(guī)模也越來越大。對(duì)河床深厚覆蓋層的利用與處理，關(guān)系到工程的安全與經(jīng)濟(jì)，同時(shí)對(duì)壩址、壩型選擇，樞紐布置方案，工程安全及造價(jià)等均有重大影響，已成為工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。
目前此類工程修筑粘土心墻堆石壩時(shí)，對(duì)深厚覆蓋層基礎(chǔ)一般采用以下方案(I)將心墻下面的覆蓋層全挖除處理，心墻直接修建在基巖上；(2)保留覆蓋層，心墻置于覆蓋層上，用混凝土防滲墻對(duì)覆蓋層進(jìn)行防滲處理，如圖3所示。采用方案(I)將深厚覆蓋層全部挖除往往會(huì)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(wěn)定，導(dǎo)流工程標(biāo)準(zhǔn)提高、規(guī)模加大、布置困難，覆蓋層開挖工程量大，棄渣場(chǎng)規(guī)模大、布置困難，工程投資增加，施工工期延長(zhǎng)等。采用方案(2)保留深厚覆蓋層、用混凝土防滲墻進(jìn)行防滲處理，其技術(shù)的可靠性還有待提高，在深厚覆蓋層上建造粘土心墻堆石壩面臨的問題比在基巖上建壩更為復(fù)雜，在壩體填筑荷載和水壓力作用下覆蓋層會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降，隨著覆蓋層深度和壩體規(guī)模的增加，心墻與壩殼之間變形不協(xié)調(diào)、心墻與防滲墻之間變形不協(xié)調(diào)、防滲墻應(yīng)力變形性狀差、心墻與防滲墻連接處集中滲漏等問題更加突出，容易出現(xiàn)心墻裂開、防滲墻斷裂、心墻與防滲墻接頭脫開等現(xiàn)象，甚至壩體和覆蓋層產(chǎn)生滲透破壞，影響大壩的安全運(yùn)行，如圖3所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于克服上述現(xiàn)有背景技術(shù)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復(fù)合地基；本發(fā)明在確保工程安全的同時(shí)，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墻堆石壩技術(shù)達(dá)到新的高度。本發(fā)明的第二目的在于提供這種在深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩的人工復(fù)合地基的施工方法。本發(fā)明的第一目的是通過如下措施來達(dá)到的深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩的人工復(fù)合地基，基巖，位于基巖上的覆蓋層，位于覆蓋層上的心墻，在心墻的兩邊為反濾層，反濾層的外側(cè)為過濾層，過濾層的外側(cè)為堆石，所述的堆石、過濾層、反濾層、心墻組成壩體，其特征在于所述的覆蓋層厚度大于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(qū)，在混凝土蓋板的上方有心墻、反濾層、過濾層及部分堆石，在所述的混凝土蓋板內(nèi)有防滲墻施工廊道，在防滲墻施工廊道有穿過灌漿加固區(qū)和覆蓋層后達(dá)基巖的混凝土防滲墻，所述的心墻為粘土心墻或礫石土心墻，所述的壩體高度大于150米。在上述技術(shù)方案中，所述的混凝土蓋板內(nèi)還布置有灌漿廊道，所述的灌漿廊道位于防滲墻施工廊道的兩側(cè)。在上述技術(shù)方案中，所述的混凝土蓋板為低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土，在混凝土蓋板上有結(jié)構(gòu)縫，在結(jié)構(gòu)縫的縫面設(shè)有止水。在上述技術(shù)方案中，所述的混凝土蓋板壩基混凝土防滲墻處的厚度為15米，混凝土蓋板其余部位的厚度為10米。在上述技術(shù)方案中，所述的防滲墻施工廊道為寬6米X高7米的城門洞型，在施 工廊道底板設(shè)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(shù)方案中，所述的防滲墻施工廊道為二個(gè)；所述的灌漿廊道呈網(wǎng)格狀布置。本發(fā)明的第二目的是通過如下措施來達(dá)到的深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩人工復(fù)合地基的施工方法，其特征在于它包括如下步驟①在干地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，并進(jìn)行修整使其頂面平整順滑；②在其上部采用低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土澆筑混凝土蓋板，蓋板內(nèi)預(yù)留覆蓋層灌漿廊道和防滲墻施工廊道；③待蓋板達(dá)到相應(yīng)齡期后，在上部進(jìn)行心墻堆石壩壩體填筑的同時(shí)于廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻施工和覆蓋層灌漿；④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經(jīng)灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內(nèi)防滲墻組成的人工復(fù)合地基。本發(fā)明不對(duì)壩基覆蓋層進(jìn)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(dǎo)流工程規(guī)模增加、棄渣場(chǎng)規(guī)模增大、工程施工工期延長(zhǎng)、工程投資增加等不足。本發(fā)明采用人工復(fù)合地基，有效改善深厚覆蓋層直接建高粘土心墻堆石壩存在的壩體變形協(xié)調(diào)性、防滲墻應(yīng)力變形性狀，減小了心墻開裂、防滲墻斷裂、心墻與防滲墻接頭脫開導(dǎo)致防滲體系破壞的工程安全風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明采用在混凝土蓋板廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻施工和覆蓋層的加固灌漿施工，壩體填筑施工可同步進(jìn)行，有效縮短了施工工期。采用本發(fā)明技術(shù)方案，對(duì)某水電站心墻堆石壩方案進(jìn)行了測(cè)試和研究，該工程覆蓋層最厚處約IOOm，不計(jì)覆蓋層壩高約238m，具有在深厚覆蓋層上修建高心墻堆石壩的代表性，分析采用河海大學(xué)自主開發(fā)的SDAS程序計(jì)算，該軟件已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)數(shù)座堆石壩的計(jì)算分析。通過研究分析本發(fā)明技術(shù)方案其優(yōu)點(diǎn)及積極效果如下(I)混凝土蓋板對(duì)上覆壩體的頂托作用可起到協(xié)調(diào)蓋板范圍內(nèi)壩體變形的效果，使得變形更加均勻(如圖4所示)。(2)覆蓋層加固灌漿后對(duì)壩體沉降，尤其是心墻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(qū)尤其是心墻與壩殼之間的變形協(xié)調(diào)，從而減小心墻的拱效應(yīng)、降低心墻與壩殼接觸處的應(yīng)力水平。
(4)覆蓋層加固灌漿對(duì)減小防滲墻運(yùn)行及竣工期的水平位移具有顯著效果，并可以減小防滲墻應(yīng)力(如圖5、圖6所示)。(5)本發(fā)明通過混凝土蓋板內(nèi)部預(yù)留廊道進(jìn)行防滲墻及覆蓋層灌漿施工，壩體填筑施工同步進(jìn)行，有效縮短了施工工期。廊道在壩體運(yùn)行期間可用于觀測(cè)、檢查、維護(hù)等用途。(6)本發(fā)明避免了對(duì)覆蓋層的全部挖除，從而消除了開挖工程量大、導(dǎo)流工程規(guī)模增加、棄渣場(chǎng)規(guī)模增大、工程施工工期延長(zhǎng)等一系列不利影響。(7)壩體變形協(xié)調(diào)、防滲墻應(yīng)力位移等是深覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩的關(guān)鍵技術(shù)問題，本技術(shù)方案的人工復(fù)合地基所具有的減小與協(xié)調(diào)壩體變形、降低防滲墻應(yīng)力與水平位移的工程效果，有助于現(xiàn)有建壩水平的提高。


圖I為在深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩的人工復(fù)合地基斷面示意圖。圖2為人工復(fù)合地基中混凝土蓋板、灌漿加固區(qū)和混凝土防滲墻的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為現(xiàn)有在深厚覆蓋層上修建粘土心墻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(shù)情況下，1/2壩高處壩體沉降分布圖。圖5為防滲墻水平位移沿高程分布圖。圖6為防滲墻大主應(yīng)力沿高程分布圖。圖中I.基巖，2.覆蓋層，3.心墻，4.反濾層，5.過濾層，6.堆石，7.混凝土蓋板，8.灌漿加固區(qū)，9.防滲墻施工廊道(或稱施工廊道)，10.混凝土防滲墻，11.灌漿廊道，12.結(jié)構(gòu)縫，13.槽口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，僅作舉例而已。同時(shí)通過說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和容易理解。參閱附圖可知本發(fā)明深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，基巖1，位于基巖I上的覆蓋層2，位于覆蓋層2上的心墻3，在心墻3的兩邊為反濾層4，反濾層4的外側(cè)為過濾層5，過濾層5的外側(cè)為堆石6，所述的堆石6、過濾層5、反濾層4、心墻3組成壩體，其特征在于所述的覆蓋層2厚度大于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(qū)8，在混凝土蓋板7的上方有心墻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(nèi)有防滲墻施工廊道9，在防滲墻施工廊道9有穿過灌漿加固區(qū)8和覆蓋層2后達(dá)基巖I的混凝土防滲墻10，所述的心墻3為粘土心墻或礫石土心墻，所述的壩體高度大于150米。所述的混凝土蓋板7內(nèi)還布置有灌漿廊道11，所述的灌漿廊道11位于防滲墻施工廊道9的兩側(cè)。所述的混凝土蓋板7為低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土，在混凝土蓋板7上有結(jié)構(gòu)縫12，在結(jié)構(gòu)縫12的縫面設(shè)有止水。所述的混凝土蓋板7在壩基混凝土防滲墻10處的厚度為15米，混凝土蓋板7其余部位的厚度為10米。所述的防滲墻施工廊道9為寬6米X高7米的城門洞型，在防滲墻施工廊道9底板設(shè)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。所述的防滲墻施工廊道9為二個(gè)；所述的灌漿廊道11呈網(wǎng)格狀布置(如圖I、圖2所示)。
本發(fā)明是一種覆蓋層上建高粘土心墻堆石壩的新技術(shù)，即在壩基面處清理和挖除表層覆蓋層，澆筑混凝土蓋板，在蓋板內(nèi)部對(duì)下方覆蓋層進(jìn)行灌漿加固和防滲墻施工，形成一種人工復(fù)合地基，同時(shí)上部填筑壩體。本技術(shù)方案主要包括混凝土蓋板(內(nèi)設(shè)防滲墻施工廊道和灌漿施工廊道)、蓋板下部覆蓋層加固灌漿等結(jié)構(gòu)和措施。①混凝土蓋板布置于心墻和反濾層及過渡層的覆蓋層地基之上，并向上下游延伸一定距離。蓋板采用低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土，設(shè)置結(jié)構(gòu)縫對(duì)蓋板分塊，并在縫面設(shè)置止水。寬度結(jié)合壩體高度及覆蓋層厚度根據(jù)加固范圍的需要通過有限元分析計(jì)算確定，厚度滿足內(nèi)部設(shè)置廊道的要求，一般情況下蓋板厚度可取IOm (壩基防滲墻部位取15m)。蓋板內(nèi)網(wǎng)格狀布置廊道，用于覆蓋層灌漿施工和防滲墻施工，運(yùn)行期作為觀測(cè)、檢查廊道。②蓋板內(nèi)廊道防滲墻施工廊道，斷面尺寸滿足防滲墻施工需要，可采用6mX7m(寬X高)的城門洞型，在廊道底板沿防滲墻軸線預(yù)留槽口，作為防滲墻施工之用，槽口寬度根據(jù)防滲墻厚度和墻身與蓋板連接的構(gòu)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(yīng)根據(jù)鉆灌機(jī)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、改善防滲墻的應(yīng)力及變形，加固范圍主要為粘土心墻下部的覆蓋層。本發(fā)明技術(shù)方案采用人工復(fù)合地基改善壩體及防滲墻工作狀態(tài)的同時(shí)，由于采用在廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻和灌漿施工，上部填筑壩體可同時(shí)進(jìn)行，避免了防滲墻和覆蓋層灌漿施工對(duì)壩體施工的影響，節(jié)約了工程施工工期。本發(fā)明深厚覆蓋層上修建粘土心墻堆石壩人工復(fù)合地基的施工方法，其特征在于它包括如下步驟①在干地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，并進(jìn)行修整使其頂面平整順滑；②在其上部采用低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土澆筑混凝土蓋板，蓋板內(nèi)預(yù)留覆蓋層灌漿廊道和防滲墻施工廊道；③待蓋板達(dá)到相應(yīng)齡期后，在上部進(jìn)行心墻堆石壩壩體填筑的同時(shí)于廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻施工和覆蓋層灌漿；④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經(jīng)灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內(nèi)防滲墻組成的人工復(fù)合地基。參閱圖4可知覆蓋層變形模量提高不同倍數(shù)情況下，1/2壩高處沉降均呈現(xiàn)中間大，兩邊小，人工復(fù)合地基方案比全挖方案小。隨著模量提高倍數(shù)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，防滲墻由于受到水壓力作用，出現(xiàn)向下游側(cè)的位移，防滲墻底部深入基巖，相當(dāng)于固定端，隨著防滲墻高程的增加，水平位移越來越大。由于1824m高程以下覆蓋層未進(jìn)行處理，此部位防滲墻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高程以上防滲墻隨著覆蓋層加固灌漿模量的提高，水平位移變小，當(dāng)覆蓋層模量提高三倍后，防滲墻水平位移最大值約為不處理情況的一半，可見加固灌漿對(duì)改善防滲墻蓄水期水平位移效果明顯。參閱圖6可知覆蓋層進(jìn)行灌漿加固后，變形模量提高，減小覆蓋層與防滲墻之間的相對(duì)位移，改善防滲墻的受力條件，且覆蓋層模量提高越高，這種改善效果越明顯，大主應(yīng)力的分布也會(huì)越均勻?！?br> 權(quán)利要求
1.深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，基巖(I)，位于基巖(I)上的覆蓋層(2)，位于覆蓋層(2)上的心墻(3)，在心墻(3)的兩邊為反濾層(4)，反濾層(4)的外側(cè)為過濾層(5)，過濾層(5)的外側(cè)為堆石(6)，所述的堆石(6)、過濾層(5)、反濾層(4)、心墻(3)組成壩體，其特征在于所述的覆蓋層(2)厚度大于50米，在所述的覆蓋層(2)內(nèi)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(qū)(8)，在混凝土蓋板(7)的上方有心墻(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(nèi)有施工廊道(9)，在施工廊道(9)有穿過灌漿加固區(qū)(8)和覆蓋層(2)后達(dá)基巖(I)的混凝土防滲墻(10)，所述的心墻(3)為粘土心墻或礫石土心墻，所述的壩體高度大于150米。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，其特征在于所述的混凝土蓋板(7)內(nèi)還布置有灌漿廊道(11)，所述的灌漿廊道(11)位于施工廊道(9)的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)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復(fù)合地基，其特征在于所述的混凝土蓋板(7)為低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土，在混凝土蓋板(7)上有結(jié)構(gòu)縫(12)，在結(jié)構(gòu)縫(12)的縫面設(shè)有止水。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，其特征在于所述的混凝土蓋板(7)壩基混凝土防滲墻(10)處的厚度為(15)米，混凝土蓋板(7)其余部位的厚度為10米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，其特征在于所述的施工廊道(9)為寬6米X高7米的城門洞型，在施工廊道(9)底板設(shè)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(jù)權(quán)利要求5所述的深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，其特征在于所述的施工廊道(9)為二個(gè)；所述的灌漿廊道(11)呈網(wǎng)格狀布置。
7.深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩人工復(fù)合地基的施工方法，其特征在于它包括如下步驟 ①在干地施工條件下，清除混凝土蓋板部位覆蓋層的表層，并進(jìn)行修整使其頂面平整順滑； ②在其上部采用低強(qiáng)度等級(jí)碾壓混凝土澆筑混凝土蓋板，蓋板內(nèi)預(yù)留覆蓋層灌漿廊道和防滲墻施工廊道； ③待蓋板達(dá)到相應(yīng)齡期后，在上部進(jìn)行心墻堆石壩壩體填筑的同時(shí)于廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻施工和覆蓋層灌漿； ④在深厚覆蓋層上形成由混凝土蓋板、蓋板下部經(jīng)灌漿加固的覆蓋層、覆蓋層內(nèi)防滲墻、蓋板與防滲墻接頭、蓋板內(nèi)觀測(cè)檢查設(shè)施組成的人工復(fù)合地基。
全文摘要
深厚覆蓋層上修建粘土堆石壩的人工復(fù)合地基，基巖(1)，位于基巖(1)上的覆蓋層(2)，反濾層(4)的外側(cè)為過濾層(5)，過濾層(5)的外側(cè)為堆石(6)，所述的堆石(6)、過濾層(5)、反濾層(4)、心墻(3)組成壩體，所述的覆蓋層(2)厚度大于50米，在所述的覆蓋層(2)內(nèi)有混凝土蓋板(7)，所述的壩體高度大于150米。本發(fā)明避免了覆蓋層全挖方案帶來的開挖工程量大、導(dǎo)流工程規(guī)模增加、棄渣場(chǎng)規(guī)模增大、工程施工工期延長(zhǎng)、工程投資增加等不足。本發(fā)明采用在混凝土蓋板廊道內(nèi)進(jìn)行防滲墻施工和覆蓋層的加固灌漿施工，壩體填筑施工可同步進(jìn)行，有效縮短了施工工期。本發(fā)明還同時(shí)公開了這種人工復(fù)合地基的施工方法。
文檔編號(hào)E02B7/06GK102852121SQ20121035918
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者鄭守仁, 鈕新強(qiáng), 劉斯宏, 夏仲平, 翁永紅, 顏家軍, 徐唐錦 申請(qǐng)人:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司