CN104652372A - 一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，包括坝体、坝体顶层和坝体垫层，所述坝体面向上游设置有防渗抗裂保护层，防渗抗裂保护层与坝体之间设置有过渡结合层；坝体内每1/3高程处分别设置有排水廊道，坝体垫层的上部设置有坝体反滤层；在靠近坝体的上游一侧设置有多个纵向排水管，纵向排水管与排水廊道为直通式连接；最下层排水廊道沿水平方向设置有横向排水管。渗透水量经纵向排水管进入排水廊道后再经由横向排水管自流或用水泵排向下游。本发明具有抗渗和抗裂性能好，耐久性强，保证了结构的实用性和耐久性。

Description

一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝
技术领域
本发明是关于水利水电工程的，尤其涉及一种面向上游具有功能梯度结构的防渗抗裂的碾压混凝土重力坝。
背景技术
目前国内外已建的碾压混凝土坝470多座，在建设运行中有些碾压混凝土坝出现了较为严重的工程问题。例如，美国柳溪碾压混凝土重力坝(1982年，56m)建成后渗漏严重；巴西卡马拉碾压混凝土重力坝(2002年，50m)蓄水两年后溃坝；我国福建溪柄碾压混凝土拱坝(1995，63.5m)层间渗漏严重。导致这些问题的关键因素在于碾压混凝土材料与坝体结构。碾压混凝土是一种低水泥用量干硬性的混合材料，使用硅酸盐水泥、火山灰质掺和料、水、外加剂、砂和分级控制的粗骨料拌制成无塌落度的干硬性混凝土，和易性相对较差，有别于常态混凝土。碾压混凝土材料自身的物理力学性能指标是良好的，碾压混凝土坝本体的透水性较弱和常态混凝土相差不大，而层缝面的透水性较大，无论从抗渗能力，还是从结构强度上看，层缝面都是坝体中的薄弱面，往往会成为坝体渗透水流的主要通道。当大坝挡水运行后，在高水头作用下水进入裂缝形成劈缝力，使裂缝扩展为规模较大的劈头裂缝，严重影响大坝的耐久性和安全性，对碾压混凝土重力坝防渗结构提出了特殊要求。
为了提高碾压混凝土坝体的防渗性能，减少渗透水量，降低坝体层面上的扬压力，降低排水幕上游面混凝土中和防渗结构中的水力比降，防止发生水力击穿等渗透破坏现象，需要专门进行防渗设计。常见的碾压混凝土坝防渗结构包括“金包银”防渗、薄层防渗、薄膜防渗、沥青混合料防渗、以碾压混凝土自身防渗为基础的联合防渗、钢筋混凝土面板防渗和变态混凝土防渗结构等。例如，日本常在碾压混凝土坝的上游面现浇2～3m厚常规混凝土作防渗体；原苏联布列亚碾压混凝土坝，浇筑这样的防渗体厚达14m，加上基础部位和下游坝坡，以及坝顶部位的现浇混凝土(金包银式)，常态混凝土方量约占40％，增加了施工中的干扰，外部现浇常规混凝土的水泥用量多，干缩大，反而易出现裂缝；美国RCC法在初期大坝断面全部采用碾压混凝土，但渗漏严重，后来改进而在上游坝面设置常态混凝土防渗层(厚度约为1m)或止水薄膜；墨西哥Trigomil坝(100m高)和澳大利亚Copperfild坝(40m高)则是在上游坝坡粘贴聚氯乙烯薄膜；我国坑口坝是在上游面铺一层6cm的沥青砂浆。
传统碾压混凝土重力坝的断面设计和结构设计主要是按照常态混凝土坝的应力和稳定要求进行的。骨料和胶凝材料用量决定了碾压混凝土材料特性，结合施工工艺考虑，进而决定了不同的坝体结构设计。功能梯度设计思想是在材料的制备过程中，连续地控制各组分含量的分布，使材料宏观特性在空间位置上呈现梯度变化，从而满足结构不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。引入功能梯度的思想，在坝体不同区域应用不同弹性模量的混凝土材料，使其具有功能梯度的特性，进而可以改善重力坝坝体应力分布情况，从而达到减小坝踵附近拉应力和坝趾附近压应力的目的，适应高碾压混凝土坝更高的性能要求。
发明内容
本发明的目的，是为进一步提高碾压混凝土坝体的防渗抗裂性能，提供一种可降低坝体层面上的扬压力，减少渗透水量，降低防渗结构和排水幕上游面混凝土中的水力比降的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝功能梯度结构。该结构具有方便施工、抗渗和抗裂性能好、耐久性强的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，包括坝体3、坝体顶层1、坝体垫层2，其特征在于，所述坝体3面向上游设置有防渗抗裂保护层4，防渗抗裂保护层4与坝体3之间设置有过渡结合层5；坝体3内每1/3高程在与过渡结合层5边界处分别设置有排水廊道7，在坝体3的下部、临近坝体垫层2的部位设置有坝体反滤层6；在靠近坝体3的上游一侧设置有多个纵向排水管8，纵向排水管8为预制多孔混凝土管，以汇集渗透水量；纵向排水管8与各个排水廊道7为直通式连接；最下层排水廊道7沿水平方向设置有横向排水管9，渗透水量经纵向排水管8进入排水廊道7后再经由横向排水管9自流或用水泵排向下游。
所述的防渗抗裂保护层4为掺加高效减水剂和膨胀剂的无细观界面过渡区水泥基材料的高流动性抗渗混凝土。
该碾压混凝土重力坝的高度为100～200m；坝体顶层1的宽度为20～30m，厚度为10～20m；坝体垫层2的宽度为80～150m，厚度为3～5m；下游坝体的坡度为50～70°。
防渗抗裂保护层4的宽度为0.5m～1.5m；过渡结合层5的宽度为3m～5m。
排水廊道7为3m×2.5m方圆形廊道。
纵向排水管8至上游面的距离不小于坝前水深的1/10～1/12，且≥2m，其内径为15～25cm，间距为2～3m。
所述坝体垫层2与坝体顶层1均为三级配高抗渗抗冻等级常态混凝土，其抗渗等级不小于W8，抗冻等级不小于F100。
所述过渡结合层5为二级配碾压混凝土防渗层，其抗渗等级不小于W10，抗冻等级不小于F150。
所述坝体3为低抗渗抗冻等级贫胶凝三级配碾压混凝土，抗渗等级不小于W6，抗冻等级不小于F100。
所述防渗抗裂保护层4所掺加的高效减水剂为ASP类氨基磺酸减水剂，其起泡高度不超过2cm、吸附量小于10mg/g，所掺加的膨胀剂为低碱UEA牌硫铝酸钙类膨胀剂。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的具有功能梯度结构的碾压混凝土重力坝具有抗渗和抗裂性能好，耐久性强，保证了结构的实用性和耐久性。
(2)高流动性混凝土在免振或轻微振捣的条件下即可对钢筋密集、空间狭窄、形状复杂的结构进行施工，施工方便。
(3)高流动性混凝土在掺加具有引气、保坍、缓凝、抗裂作用的复合高效减水剂后，其既具有较高的流动性和抗离析性，硬化后又具有较高的强度，抗渗性能提高150％；无细观界面过渡区水泥基材料有效阻断了裂缝连接通道，增加了整体结构密实度，抗渗性能得到大幅度改善，增加了结构服役寿命。(4)该结构梯度功能自上游水流方向依次为防渗防裂保护层、过渡结合层两个功能层，实现碾压混凝土重力坝上游防渗抗裂、内部结构稳定的功能-结构一体化设计。
附图说明
图1是本发明的碾压混凝土重力坝的结构示意图；
图2是图1的纵向排水管与排水廊道的直通式连接示意图。
附图标记如下：
1———坝体顶层            2———坝体垫层
3———坝体                4———防渗抗裂保护层
5———过度结合层          6———坝体反滤层
7———排水廊道            8———纵向排水管
9———横向排水管
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
某水利水电工程枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪建筑物、左岸地下引水发电系统等水工建筑物组成，碾压混凝土重力坝的结构设计是该工程的核心。如图1所示，该大坝非溢流坝段拟采用本发明的技术方案，上游坝坡上部直立，下部坡度为1:0.2，下游坝坡度为1:0.6。重力坝的高度为184m；坝体顶层1的宽度为22m，厚度为12m；坝体垫层2的宽度为144m，厚度为4.5m；
坝体3面向上游设置有防渗抗裂保护层4，其宽度为0.8m；防渗抗裂保护层4与坝体3之间设置有过渡结合层5，其宽度为3m；过渡结合层5与坝体3的三分点连接处设置有排水廊道7，为3m×2.5m方圆形廊道；在坝体3的下部、临近坝体垫层2的部位设置有坝体反滤层6，在靠近坝体3的上游一侧设置有10个纵向排水管8，纵向排水管8为预制多孔混凝土管，以汇集渗透水量；纵向排水管8至上游面的距离为6m，其内径为25cm，间距为2.5m，管径不宜过小，否则易被堵塞。纵向排水管8与各个排水廊道7为直通式连接(如图2所示)；最下层排水廊道7沿水平方向设置有10个横向排水管9，渗透水量经纵向排水管8进入排水廊道7后再经由横向排水管9自流或用水泵排向下游；
坝体3混凝土精细分区的分布情况如下：
坝体顶层1，采用C9020W8F100三级配常态混凝土；
坝体3内部按高程平均分为上部、中部和下部，上部1/3高程间采用C9015W6F100三级配碾压混凝土，中部1/3高程间采用C9020W6F100三级配碾压混凝土，下部1/3高程间采用C9025W8F100三级配碾压混凝土；
坝体垫层2采用C2820W10F100三级配常态混凝土；
坝体垫层2的厚度为4.5m；
坝体外部的防渗抗裂保护层4的宽度为0.8m，采用高流动性混凝土；掺加有ASP类氨基磺酸减水剂，其起泡高度不超过2cm、吸附量小于10mg/g，还掺加有低碱的UEA牌硫铝酸钙类膨胀剂。
过渡结合层5的宽度为3.0m，采用二级配碾压混凝土；其中，过度结合层5的下部1/2高程采用C9025W12F150二级配碾压混凝土，上部1/2高程采用C9020W10F150二级配碾压混凝土；
在坝体3的下部、临近坝体垫层2的上方设置有坝体反滤层6，坝体反滤层6多采用级配不良砂卵石料，机械施工厚度不小于2.5m。在坝体垫层2底部设置坝体排水孔10，孔距为2-3m，直径76-102mm。
不同分区的常态混凝土、高流动防渗混凝土随相应高程碾压混凝土同时分层浇筑，保温保湿材料根据温控要求及时跟仓施工。
上述实施例的碾压混凝土重力坝通过采用本发明的技术方案，得到了如下有益效果：
(1)按照“前堵后排”的方式，上游设置双层混凝土防渗结构，坝体布置反滤层、排水管和排水廊道来承担防渗、排水任务；后部坝体不承担防渗任务，仅承担坝体稳定和对防渗结构的支撑作用；这样就把碾压混凝土从防渗中解脱出来，层间结合主要满足抗滑稳定要求。
(2)高流动性混凝土具有良好的抗材料分离性、间隙通过性和抗堵塞性等，可限制渗透水流的影响，防止高水头作用下水进入裂缝形成劈缝力，裂缝扩展为规模较大的劈头裂缝。
(3)高流动性混凝土与二级配碾压混凝土组合方案在结构上最为简单，施工干扰少，且完全溶入于坝体，为挡水坝体的一部分，建成后的可靠性和耐久性好。
(4)该结构上游面梯度功能自上游水流方向依次为防渗防裂保护层4、过渡结合层5两个功能层，实现碾压混凝土重力坝上游防渗抗裂、内部结构稳定的功能-结构一体化设计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，包括坝体(3)、坝体顶层(1)、坝体垫层(2)，其特征在于，所述坝体(3)面向上游设置有防渗抗裂保护层(4)，防渗抗裂保护层(4)与坝体(3)之间设置有过渡结合层(5)；坝体(3)内每1/3高程在与过渡结合层(5)边界处分别设置有排水廊道(7)，在坝体(3)的下部、临近坝体垫层(2)的部位设置有坝体反滤层(6)；在靠近坝体(3)的上游一侧设置有多个纵向排水管(8)，纵向排水管(8)为预制多孔混凝土管，以汇集渗透水量；纵向排水管(8)与各个排水廊道(7)为直通式连接；最下层排水廊道(7)沿水平方向设置有横向排水管(9)，渗透水量经纵向排水管(8)进入排水廊道(7)后再经由横向排水管(9)自流或用水泵排向下游。
所述的防渗抗裂保护层(4)为掺加高效减水剂和膨胀剂的无细观界面过渡区水泥基材料的高流动性抗渗混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，该碾压混凝土重力坝的高度为100～200m；坝体顶层(1)的宽度为20～30m，厚度为10～20m；坝体垫层(2)的宽度为80～150m，厚度为3～5m；下游坝体的坡度为50～70°。
3.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，防渗抗裂保护层(4)的宽度为0.5m～1.5m；过渡结合层(5)的宽度为3m～5m。
4.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，排水廊道(7)为3m×2.5m方圆形廊道。
5.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，纵向排水管(8)至上游面的距离不小于坝前水深的1/10～1/12，且≥2m，其内径为15～25cm，间距为2～3m。
6.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，所述坝体垫层(2)与坝体顶层(1)均为三级配高抗渗抗冻等级常态混凝土，其抗渗等级不小于W8，抗冻等级不小于F100。
7.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，所述过渡结合层(5)为二级配碾压混凝土防渗层，其抗渗等级不小于W10，抗冻等级不小于F150。
8.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，所述坝体(3)为低抗渗抗冻等级贫胶凝三级配碾压混凝土，抗渗等级不小于W6，抗冻等级不小于F100。
9.根据权利要求1所述的一种面向上游防渗抗裂的碾压混凝土重力坝，其特征在于，所述防渗抗裂保护层(4)所掺加的高效减水剂为ASP类氨基磺酸减水剂，其起泡高度不超过2cm、吸附量小于10mg/g，所掺加的膨胀剂为低碱UEA牌硫铝酸钙类膨胀剂。
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