CN108049370B - 胶凝砂砾石坝防渗排水系统 - Google Patents
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Abstract
一种胶凝砂砾石坝防渗排水系统，具有：上游防渗层，设于胶凝砂砾石坝的上游，贴覆覆盖整个上游坝面，该上游防渗层沿坝轴线方向，被横缝切割为若干块，横缝位置设有止水结构，该止水结构的至少一部分设于上游防渗层的表面，该上游防渗层的材质为加浆振捣胶凝砂砾石或富浆胶凝砂砾石；以及排水层，设于胶凝砂砾石坝的上游防渗层的下游侧，邻接该上游防渗层，该排水层的下游侧，沿坝轴线方向，设置有排水管，将透过上游防渗层的渗漏水排出。本发明使得胶凝砂砾石坝更加经济、环保且满足较高工程设计要求（抗压强度20MPa以上，抗冻满足F300，抗渗W10以上），施工便利快速，可有效提高坝体防渗和坝内排水效果，完善了胶凝砂砾石坝的设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种胶凝砂砾石坝防渗排水系统，尤其是水利水电工程领域中一整套用于胶凝砂砾石坝的坝体防渗和坝内排水体系。
背景技术
胶凝砂砾石筑坝技术可充分利用当地材料，根据不同的材料特性通过调整坝体结构和分区以满足筑坝的要求，具有经济、安全、施工快速、环保等优势，得到了水利水电领域的重视。当前，我国已有多座胶凝砂砾石围堰等临时工程和永久工程采用胶凝砂砾石技术。该技术具有极好的推广价值。然而推广该技术，需要解决其自身的一个弱点：与常态混凝土坝相比，胶凝砂砾石坝的胶凝材料用量少、材料强度相对较低，长期渗透溶蚀对材料强度和耐久性有一定影响，为保证安全，需要做好坝体防渗和坝内排水。
目前，胶凝砂砾石尚无专门的防渗排水技术，其防渗、横缝止水、排水设计主要参考碾压混凝土坝，在上游面采用常态混凝土层，横缝止水镶嵌在防渗层内部，采用混凝土管排水。但胶凝砂砾石强度较低，采用常态混凝土防渗层或者混凝土面板防渗，存在结合部位应力梯度大、可能脱开的问题。同时，镶嵌在防渗体内部的止水，施工不便，检修复杂，损坏时不宜发现具体位置。当然，为了避免这个问题，胶凝砂砾石坝的防渗也可借鉴堆石坝的防渗技术，采用土工膜防渗，但该种防渗技术又存在施工质量难以控制、破坏难以修复等问题。同时，采用上述的传统防渗形式的胶凝砂砾石坝存在工程成本较高、破坏环境、耐久性差、施工进度慢等缺点。
发明内容
针对上述工程问题，为了满足胶凝砂砾石坝的需要，本发明结合胶凝砂砾石坝的特点，根据试验和工程实践，提出了一种胶凝砂砾石坝防渗排水体系，尤其是一整套用于胶凝砂砾石坝坝体防渗、横缝止水和坝内排水设计的技术方法，满足胶凝砂砾石坝的防渗和排水要求，克服防渗层与胶凝砂砾石材料特性不连续的缺点，而且施工简单，可靠度高，方便管理，易于维修。完善了胶凝砂砾石坝这种新坝型的细部构造设计，弥补国内外这一领域的空白。
本发明按照坝体内部胶凝砂砾石不抗渗考虑，构建安全可靠坝体防渗、横缝止水和坝内排水体系，以保证坝体内部干燥。为达到该目的，本发明是这样实现的：
一种胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其具有：
上游防渗层，设于胶凝砂砾石坝的上游，贴覆覆盖整个上游坝面，该上游防渗层沿坝轴线方向，被横缝切割为若干块，横缝位置设有止水结构，该止水结构的至少一部分设于上游防渗层的表面，该上游防渗层的材质为加浆振捣胶凝砂砾石或富浆胶凝砂砾石；以及
排水层，设于胶凝砂砾石坝的上游防渗层的下游侧，邻接该上游防渗层，该排水层的下游侧，沿坝轴线方向，设置有排水管，将透过上游防渗层的渗漏水排出。
本发明的一个实施例中，其还具有下游防渗层，设于胶凝砂砾石坝的最下游，贴覆覆盖整个下游坝面。
本发明的一个实施例中，所述下游防渗层的整体结构与上游防渗层相同。
本发明的一个实施例中，所述下游防渗层的厚度小于上游防渗层的厚度。
本发明的一个实施例中，其上游防渗层的厚度为1.0-3.0m。
本发明的一个实施例中，所述下游防渗层的材质与上游防渗层的材质相同或不同。
本发明的一个实施例中，其还包括排水廊道，透过上游防渗层的渗漏水由排水管排入流入排水廊道。
本发明的一个实施例中，所述胶凝砂砾石坝的坝体为碾压胶凝砂砾石。
本发明的一个实施例中，所述富浆胶凝砂砾石中的胶凝材料用量为150~250Kg/m3，含气量至少达到5%，其工作性为干硬性或低流态塑性。
本发明的一个实施例中，所述加浆振捣胶凝砂砾石是在砂石中加入0.6~1.0裕度的灰浆，随后振捣至密实，使其从干硬性、碾压施工的工作性变为有塌落度、可振捣施工的工作性，其中，所述加浆振捣胶凝砂砾石中包括：
90~120份水、80~120份水泥、90~150份粉煤灰、400~700份砂和1400~1800份石子。
本发明的一个实施例中，所述富浆胶凝砂砾石中的粉煤灰掺量为30~40%（质量），水胶比为0.50~0.55。
本发明的一个实施例中，所述灰浆指的是如下配比的材料拌制而成的凝胶材料浆液：450~500份水、400~700份水泥和500~800份粉煤灰。
本发明的一个实施例中，所述加浆振捣胶凝砂砾石中还包括0.85~2.43份高效减水剂、0.034~0.216份引气剂。
本发明的一个实施例中，其横缝位置的所述止水结构为表面横缝止水形式，即其包括设于上游防渗层表面的止水材料。
本发明的一个实施例中，该止水材料胶粘在上游防渗层表面。
本发明的一个实施例中，该止水材料包括紫铜片、钢板、铝片或橡胶片，当为橡胶片时，横缝的缝口设置有支撑该橡胶片的支撑件，以防止橡胶片向缝内形变。
本发明的一个实施例中，所述排水层包括无砂混凝土排水层，其包括沿上游坝面层叠设置的若干道半透水的无砂混凝土边墙（这些无砂混凝土边墙使得无砂混凝土排水层朝向坝体内部的下游侧构成倒台阶形，并使得无砂混凝土排水层朝向坝体外部的上游侧与上游防渗层紧贴）。
本发明的一个实施例中，所述排水管设于无砂混凝土排水层的下游侧的一定距离内，平行于上游坝面沿竖向设置，该排水管包括预制无砂混凝土管或PE花管。
本发明的一个实施例中，所述无砂混凝土边墙的顶宽8~10cm，底宽70~80cm，层厚与坝体的胶凝砂砾石的碾压层厚相同，其采用的无砂混凝土材质的参数为：干密度≥2.0g/m3，渗透系数1×10-3~1×10-4cm/s，弹性模量3000~5000MPa，抗压强度3~5MPa。
本发明的一个实施例中，所述排水管于无砂混凝土排水层的下游侧的0.1~0.5m的位置布置，管距2.0~3.0m，其中，PE花管外包牛皮纸，预制无砂混凝土管的内径为0.10~0.15m，管壁厚5~7cm。
本发明通过对胶凝砂砾石坝常规防渗层模式的创新，提出了更加经济、环保且满足较高工程设计要求（抗压强度20MPa以上，抗冻满足F300，抗渗W10以上），施工便利快速的新式防渗层材料及排水措施。可以有效提高坝体防渗和坝内排水效果，完善了胶凝砂砾石坝的设计方法。
富浆胶凝砂砾石和变态胶凝砂砾石不设温度筋，可以利用工程现场便于获取的水泥、粉煤灰、水，具有良好的流变性、体积稳定性和抗离析性。浆液凝固后有较高的强度和变形性能。
本发明中应用于胶凝砂砾石坝的横缝止水结构，设置在防渗层上游面，与以往设置在防渗层内部的止水结构相比，具有施工便捷、节约成本、便于查找缺陷、检修方便等优点，极大提高了防渗的效果。
另外本发明中所使用到的富浆胶凝砂砾石、加浆振捣胶凝砂砾石、无砂混凝土、PE花管均为节能环保材料，具有施工简单，适合机械化施工，施工速度快，造价低等优点。
附图说明
图1是本发明一个实施例的胶凝砂砾石坝防渗排水系统的局部结构示意图（绘制的是垂直于坝轴线的横截面的一部分）；
图2是本发明一个实施例的胶凝砂砾石坝防渗排水系统的局部结构示意图（主要示出上游防渗层或保护层与胶凝砂砾石坝体的结合处）；
图3是本发明一个实施例的胶凝砂砾石坝防渗排水系统的局部结构示意图（主要示出上游防渗层的横缝止水结构）；
图4是本发明一个实施例的胶凝砂砾石坝防渗排水系统的整体结构示意图。
【主要元件符合说明】
10、胶凝砂砾石坝
11、上游防渗层 12、下游防渗层
13、排水层 14、排水管
15、廊道 16、碾压层
21、止水材料 22、水泥砂浆
23、高密度聚乙烯闭孔板 24胶。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图通过具体实施方式对本发明作详细描述。
本发明的主要设计思路是：
参见图1和图2，在胶凝砂砾石坝10的最上游，覆盖整个上游坝面贴覆一层上游防渗层11。这层上游防渗层11采用加浆振捣胶凝砂砾石，或富浆胶凝砂砾石。上游防渗层11沿坝轴线方向，被横缝切割，在横缝上需要设置止水结构。在胶凝砂砾石坝10的最下游侧，也设置类似于上游面的下游防渗层12，但下游侧防渗层的厚度比上游侧薄。
在胶凝砂砾石坝10的上游防渗层11的下游侧，紧挨着防渗层设置无砂混凝土排水层13。在排水层13的下游侧，沿坝轴线方向，按一定间距布置排水管14（如预制无砂混凝土管或PE花管）。透过防渗层的渗漏水通过无砂混凝土排水层13、预制无砂混凝土管或PE花管，汇集到排水廊道15、集水井等，然后集中排出坝体。
具体的，所述防渗和排水体系的制作材料或构造设计如下：
（1）防渗层
胶凝砂砾石专用防渗层，按照制作材料不同，可分为富浆胶凝砂砾石防渗层和变态胶凝砂砾石（加浆振捣胶凝砂砾石）防渗层。
①富浆胶凝砂砾石防渗：
在坝的上下游面采用富浆胶凝砂砾石作为防渗层。富浆胶凝砂砾石指的是在原有胶凝砂砾石胶凝材料用量的基础上，增加胶凝材料用量。具体的，可以将胶凝材料用量增加到150-250kg/m3，以获得满足防渗设计要求的富浆胶凝砂砾石；或者通过使用高效外加剂和改变用水量，变动配合比，根据砂砾石料中含泥量的大小，使含气量至少达到5%，获得富浆胶凝砂砾石。其工作性可以是干硬性或者是低流态塑性，以有利于现场碾压施工的连续性和便利性。最大粒径150mm，配合比设计指标为C9025W908F90200，强度保证率≥85%，水胶比0.50-0.55，粉煤灰掺量30%-40%。
富浆胶凝砂砾石制成的防渗层厚度为1.0~3.0m。
变态胶凝砂砾石（加浆振捣胶凝砂砾石）防渗：
在铺筑胶凝人工砂石过程中，在上游面厚度为1.0-3.0m内的胶凝人工砂石中加入裕度为0.6-1.1的灰浆，随后用振捣棒振捣至密实。其主要特征是将适宜的胶凝材料浆液以一定比例加入胶凝砂砾石中，使其从干硬性、碾压施工的工作性变为有塌落度、可振捣施工的工作性，充分混合的变态胶凝砂砾石可满足胶凝砂砾石坝体防渗层的设计要求。这种变态胶凝砂砾石，包括90-120份水、80-120份水泥、90-150份粉煤灰、400-700份砂、1400-1800份石子。胶材浆液配合比采用水450-500份、水泥400-700份粉煤灰500-800份，拌制浆液。为提高和易性和流动性，变态胶凝砂砾石还包括0.85-2.43份高效减水剂、0.034-0.216份引气剂。
经发明人试验研究加浆振捣胶凝砂砾石、富浆胶凝砂砾石等新型防渗材料抗渗等级为W10，抗冻为F300，强度、耐久性均满足作为坝体保护层材料要求。
（2）横缝止水结构
参见图3，采用表面横缝止水形式，止水材料21可选用紫铜片、钢板、铝片或橡胶片，止水两端用胶24粘贴在防渗层表面处。当选用橡胶止水时，因橡胶片柔性较大，在缝口易流变而破坏，因此宜在缝口处设置圆钢管或橡胶管，支撑橡胶止水片中部，防止其在水荷载作用下朝缝方向发生变位。当选用铜片时，可在横缝靠近表面一侧填充水泥砂浆22，并在靠近胶凝砂砾石坝10的一侧填充高密度聚乙烯闭孔板23。
（3）排水系统
在坝体上游防渗层的下游侧布置排水系统，主要包括以下两个部分：
无砂混凝土排水层。在上游剖面侧每一层垫层料填筑之前沿上游坡面坝轴线方向用BJY-40型挤压边墙机成型一道半透水的无砂混凝土边墙，即为无砂混凝土排水层13，每层无砂混凝土边墙顶宽8-10cm，底宽70-80cm，层厚和坝体的胶凝砂砾石的碾压层16厚度相同；待无砂混凝土凝固后在其内侧按设计要求铺填并用振动碾碾压胶凝砂砾石料，至本层胶凝砂砾石料碾压合格后再以同样的工序进行下一层施工。边墙混凝土的设计技术参数为：干密度≥2.0g/cm3，渗透系数1×10-3-1×10-4cm/s，弹性模量3000-5000MPa，抗压强度3-5MPa。
无砂混凝土排水层后设置坝内竖向排水管14，方向与上游坝面平行。排水管14为预制无砂混凝土管或PE花管外包牛皮纸。具体的，排水管14在无砂混凝土排水层13之后0.1-0.5m的位置布置，管距2.0-3.0m。其中预制无砂混凝土管的内径为0.10-0.15m，壁厚5-7cm。渗水由排水管14流入排水廊道15。
为减少施工干扰，加大施工作业面，对于中低坝（小于30m）可不设或者只设置一个廊道兼起多种用途，即只设基础灌浆廊道，兼起排水、检查及交通之用。
以下结合附图4，对本发明所提供的一种胶凝砂砾石坝防渗排水系统作详细阐述。
实例：某50.6m高胶凝砂砾砂坝的防渗、排水体系。
其包括以下几个部分：
1）坝体防渗
该大坝位于寒冷地区，考虑胶凝砂砾石坝的抗溶蚀性能和抗冻融性较差，需设置防渗和保护层，本工程只设防渗层，兼有保护层作用。按水头设计，防渗层厚度为水头的1/30～1/60，同时考虑防冻要求，上游面采用1.5m厚富浆胶凝砂砾石防渗层，水胶比0.50，粉煤灰掺量40%。
2）横缝止水
考虑到胶凝砂砾石坝缝两侧坝体的相对位移较小，采用铜片止水，止水沿坝轴线方向长度40～50cm，两侧用胶牢固粘贴在防渗体上，止水向下插入坝基内约30～50cm，向上延伸到最高水位之上。上下游横缝止水采用相同的设计原则。
3）坝内排水及廊道
为了减小坝体内扬压力，在紧邻坝体上游面防渗层后设置无砂混凝土排水层，排水层逐级施工，填筑厚度与碾压厚度一致，均为750mm。排水层后0.1m处布设无砂混凝土排水管或PE花管外包牛皮纸，至基础廊道，廊道内设置集水井，集水井安装抽水泵，定期将水排出坝外。经过对比研究，决定排水管采用PE花管外包牛皮纸，管径150mm，间距3m。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、拆分、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (11)
1.一种胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于，其具有：
上游防渗层，设于胶凝砂砾石坝的上游，贴覆覆盖整个上游坝面，该上游防渗层沿坝轴线方向，被横缝切割为若干块，横缝位置设有止水结构，该止水结构的至少一部分设于上游防渗层的表面，该上游防渗层的材质为加浆振捣胶凝砂砾石或富浆胶凝砂砾石；以及
排水层，设于胶凝砂砾石坝的上游防渗层的下游侧，邻接该上游防渗层，该排水层的下游侧，沿坝轴线方向，设置有排水管，将透过上游防渗层的渗漏水排出；
其中，所述富浆胶凝砂砾石中的胶凝材料用量为150~250Kg/m3，含气量至少达到5%，其工作性为干硬性或低流态塑性；
所述加浆振捣胶凝砂砾石是在砂石中加入0.6~1.0裕度的灰浆，随后振捣至密实，使其从干硬性、碾压施工的工作性变为有塌落度、可振捣施工的工作性；
其中，所述加浆振捣胶凝砂砾石中包括：
90~120份水、80~120份水泥、90~150份粉煤灰、400~700份砂和1400~1800份石子。
2.如权利要求1所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
还具有下游防渗层，设于胶凝砂砾石坝的最下游，贴覆覆盖整个下游坝面。
3.如权利要求2所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述下游防渗层的整体结构与上游防渗层相同。
4.如权利要求2所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述下游防渗层的厚度小于上游防渗层的厚度；
上游防渗层的厚度为1.0-3.0m。
5.如权利要求2所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述下游防渗层的材质与上游防渗层的材质相同或不同。
6.如权利要求1所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
还包括排水廊道，透过上游防渗层的渗漏水由排水管排入流入排水廊道，所述胶凝砂砾石坝的坝体为碾压胶凝砂砾石。
7.如权利要求1所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述富浆胶凝砂砾石中的粉煤灰掺量为30~40%质量，水胶比为0.50~0.55；
所述灰浆指的是如下配比的材料拌制而成的凝胶材料浆液：450~500份水、400~700份水泥和500~800份粉煤灰，所述加浆振捣胶凝砂砾石中还包括0.85~2.43份高效减水剂、0.034~0.216份引气剂。
8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
横缝位置的所述止水结构为表面横缝止水形式，即其包括设于上游防渗层表面的止水材料，该止水材料胶粘在上游防渗层表面，该止水材料包括紫铜片、钢板、铝片或橡胶片，当为橡胶片时，横缝的缝口设置有支撑该橡胶片的支撑件，以防止橡胶片向缝内形变。
9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述排水层包括无砂混凝土排水层，其包括沿上游坝面层叠设置的若干道半透水的无砂混凝土边墙，这些无砂混凝土边墙使得无砂混凝土排水层朝向坝体内部的下游侧构成倒台阶形；
所述排水管设于无砂混凝土排水层的下游侧的一定距离内，平行于上游坝面沿竖向设置，该排水管包括预制无砂混凝土管或PE花管。
10.如权利要求9所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：
所述无砂混凝土边墙的顶宽8~10cm，底宽70~80cm，层厚与坝体的胶凝砂砾石的碾压层厚相同，其采用的无砂混凝土材质的参数为：干密度≥2.0g/m3，渗透系数1×10-3~1×10- 4cm/s，弹性模量3000~5000MPa，抗压强度3~5MPa；
所述排水管于无砂混凝土排水层的下游侧的0.1~0.5m的位置布置，管距2.0~3.0m，其中，PE花管外包牛皮纸，预制无砂混凝土管的内径为0.10~0.15m，管壁厚5~7cm。
11.如权利要求9所述的胶凝砂砾石坝防渗排水系统，其特征在于：所述无砂混凝土边墙同时使无砂混凝土排水层朝向坝体外部的上游侧与上游防渗层紧贴。
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