本發(fā)明屬于心墻堆石壩排水固結(jié)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種加速心墻堆石壩心墻排水固結(jié)的砂井。

背景技術(shù)：

我國目前建有大壩9.8萬余座，其中土石壩近9萬座。土石壩泛指由當(dāng)?shù)赝亮?、石料或混合料?jīng)拋填、碾壓等方法堆筑而成的一種壩型。土石壩就地取材，降低了建材運輸成本；結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和加高；施工技術(shù)簡單，便于機械快速施工。憑借這些優(yōu)點，土石壩在未來仍有很大的應(yīng)用前景。

心墻堆石壩屬于土石壩的一種形式，其壩殼和壩體內(nèi)部填充材料主要為透水性較好的堆石體，而心墻作為防滲體主要由低透水性的黏土組成。傳統(tǒng)的心墻填筑過程，心墻黏土顆粒間的孔隙水是由心墻兩側(cè)排出，隨著填筑高度的增加，上層土體的自重作用于下層土體上，自重應(yīng)力轉(zhuǎn)化為孔隙水壓力和土體的有效應(yīng)力，隨著孔隙水被擠出心墻，超孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力，即為心墻固結(jié)過程。心墻固結(jié)快有利于心墻的穩(wěn)定，防止水力劈裂的發(fā)生，但是孔隙水外排的滲徑較長，固結(jié)過程緩慢，要達(dá)到徹底固結(jié)耗時過長，這又反過來限制了心墻的填筑，拖慢了整體的施工進(jìn)程，且不利于心墻穩(wěn)定。

因此，急需要一種能縮短心墻內(nèi)孔隙水滲徑、加速土體固結(jié)的裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種加速心墻堆石壩心墻排水固結(jié)的砂井，可有效加速心墻排水固結(jié)。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種加速心墻堆石壩心墻排水固結(jié)的砂井，所述砂井埋于心墻內(nèi)部，所述砂井包括：砂石料、土工袋、排水廊道和啟閉閥門，所述土工袋包裹透水性良好的砂石料，所述土工袋堆疊成砂井，所述排水廊道布置在壩基上，所述砂井底部與排水廊道由啟閉閥門相連接。

優(yōu)選地，所述砂井沿大壩的壩軸線以一定間距依次布置，所述間距取心墻2/3高度處心墻截面厚的1/2。

優(yōu)選地，所述土工袋具有反濾特性，保證水能夠進(jìn)入土工袋，而黏土細(xì)顆粒和砂石顆粒不會隨水一同流失。

優(yōu)選地，所述砂井由土工袋包裹砂石料一層一層堆疊而成，所述砂石料相連接構(gòu)成了一條從上到下的排水通道。

優(yōu)選地，所述排水廊道位于壩基建基面，沿壩軸線方向延伸。

優(yōu)選地，所述啟閉閥門將砂井和排水廊道連接，當(dāng)需要排水時閥門開啟，當(dāng)開始蓄水時閥門關(guān)閉。

本發(fā)明的加速心墻堆石壩心墻排水固結(jié)的砂井的有益之處在于：該砂井能夠縮短心墻內(nèi)孔隙水排出的滲徑，讓其既可以由心墻兩側(cè)排水，也可以由砂井排出，同時具有反濾特性的土工袋可以保證心墻中的黏土細(xì)顆粒不會隨著孔隙水一同排出，從而加速了排水固結(jié)的過程，使心墻土體盡早達(dá)到進(jìn)一步填筑的預(yù)期強度，縮短心墻的填筑工期。

附圖說明

圖1是本發(fā)明砂井的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明砂井在心墻堆石壩中的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明砂井的剖視圖，即圖2中A-A截面示意圖。

圖4是本發(fā)明一實施例中填筑過程線和測壓管水位變化過程線的示意圖。

圖中，1是透水性良好的砂石料，2是具有反濾特性的土工袋，3是砂井，4是心墻，5是排水廊道，6是連接砂井和排水廊道的啟閉閥門，7是填充砂井空隙的黏土。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

結(jié)合圖1和圖2所示，加速心墻堆石壩心墻排水固結(jié)的砂井3埋于心墻4內(nèi)部，砂井3包括：砂石料1、土工袋2、排水廊道5和啟閉閥門6，土工袋2包裹透水性良好的砂石料1，土工袋2堆疊成砂井3，排水廊道5布置在壩基上，砂井3底部與排水廊道5由啟閉閥門6相連接，當(dāng)需要排水時閥門開啟，當(dāng)開始蓄水時閥門關(guān)閉。

如圖3所示，砂井3沿大壩的壩軸線以一定間距依次布置，間距D取心墻2/3高度處心墻截面厚L的1/2，即D＝1/2L。

土工袋2具有反濾特性，保證水能夠進(jìn)入土工袋2，而黏土細(xì)顆粒和砂石顆粒不會隨水一同流失。砂井3由土工袋2包裹砂石料1一層一層堆疊而成，砂石料1相連接構(gòu)成了一條從上到下的排水通道。排水廊道5位于壩基建基面，沿壩軸線方向延伸。

具體到施工中，其做法是：用土工袋2裝上透水性良好的砂石料1，與心墻的分層填筑同步進(jìn)行鋪疊。如圖3所示，將裝有砂石料1的土工袋2沿壩軸線間隔布置，鋪一層心墻黏土，與此同時土工袋2通過層層堆疊達(dá)到或略高于心墻4當(dāng)前的填筑高度，以便接下來繼續(xù)填筑心墻4時土工袋2能與之前鋪埋的土工袋2接上。在堆疊土工袋2時應(yīng)盡量使其保持豎直，如圖1所示，這樣可以使土工袋2之間的接觸面積達(dá)到最大，從而提高排水的效率。土工袋2與心墻4之間的空隙部分，仍用黏土7填充，通過振搗壓實使土工袋2穩(wěn)固并與心墻4緊密結(jié)合。在整個填筑過程中，保持啟閉閥門6處于開啟狀態(tài)，從黏土7滲入砂井3中的水向下滲流，經(jīng)閥門6進(jìn)入排水廊道5中。隨著心墻4一層層向上填筑，土工袋2也一層層堆疊上去，最終形成了一個供水滲流的砂石料通道，即為砂井3。需要注意的是，當(dāng)大壩開始蓄水的時候，要將啟閉閥門6關(guān)閉。

根據(jù)工程經(jīng)驗，心墻4往往容易在其2/3高度處發(fā)生水力劈裂，存在安全隱患，為使得沙井3能夠?qū)υ摬课蝗〉郊铀俟探Y(jié)作用，所以沙井3沿壩軸線布置的間隔距離，取心墻總高度2/3處心墻厚度的一半。由上所述，砂井3由土工袋2包裹著砂石料1堆疊而成，就相當(dāng)于在心墻4中鉆了一個深井，里面填充砂石料1，考慮到穩(wěn)定性和排水效率，實際操作時采用的是土工袋2而不是直接挖井填砂。

在本實施例計算分析中，將砂井簡化為圓柱體，假設(shè)固結(jié)過程中水和氣是一起流出的，即將孔隙中的水和氣視為混合流體，從而建立較為單一的混合流體連續(xù)性方程。

根據(jù)有效應(yīng)力原理公式：

{σ}＝{σ'}+{M}u_m (1)

平衡微分方程為：

上式(1)、(2)中，σ為總應(yīng)力；σ'為土體有效應(yīng)力；u_m是水壓u_w和氣壓u_a以某一參數(shù)ω為權(quán)重的加權(quán)平均值，u_m＝(1-ω)u_a+ωu_w；{M}＝[1,1,0]^T；{f}為荷載矩陣，由于是固結(jié)階段，已扣除初期階段發(fā)生的有效應(yīng)力；為一微分矩陣：

結(jié)合本構(gòu)方程(4)和幾何方程(5)：

{σ'}＝[D]{ε} (4)

可將平衡方程(2)改寫為由位移和混合流體壓力表示的平衡微分方程：

式(4)-(6)中：w為位移；ε為應(yīng)變；[D]為彈塑性矩陣。

根據(jù)連續(xù)性原理，單元體的體積壓縮量等于從單元體中排出的流體體積與殘存孔隙流體壓縮量之和，即：

假定流體容重γ_m和流體滲透系數(shù)K_m為常量，則(7)式可簡寫為：

式(7)、(8)中，ε_v為單元體體積壓縮量，ε_vl為殘存孔隙流體壓縮量；為拉普拉斯算子。

殘存混合流體的體積壓縮量由流體壓力變化引起，可表示為：

其中，B_m為混合流體的體積壓縮模量，

將和式(9)代入式(8)，即可得到由位移和混合流體壓力表示的連續(xù)性方程：

將式(6)平衡方程和式(10)連續(xù)性方程聯(lián)立，可解出位移和壓力。

計算結(jié)果

某心墻堆石壩位于瀾滄江下游干流上，壩頂高程821.5m，心墻基礎(chǔ)最低建基面高程560.0m，壩高261.5m，壩頂寬18m，上游壩坡坡度1:1.9，下游壩坡坡度1:1.8。

根據(jù)心墻填筑過程中測得的測壓管水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，將填筑到不同高度時未安置砂井的工況下和安置了砂井的工況下的最大超孔隙水壓(折算成水頭)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示，填筑過程線和測壓管水位變化過程線如圖4所示。

表1兩種工況下超孔隙水壓(折成水頭)單位：m

(接表1)

(接表1)

可見，填充有砂井的心墻堆石壩心墻排水固結(jié)效果明顯，有砂井的測壓管水位明顯優(yōu)于無砂井工況。