CN109537531A - 一种坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法，包括沿坝体轴线方向依次布设的若干个独立坝段；每个独立坝段均包括支墩、堆石体、防渗体和缺陷渗漏监测系统；各独立坝段上游面呈倾向上游的拱形，且上游坝坡比为1:0.2；防渗体包括土工席垫、复合土工膜和现浇混凝土保护层；缺陷渗漏监测系统包括多组排水管组和流量计。本发明解决了制约土工膜防渗堆石坝发展的两个关键技术问题：（1）复合土工膜分坝段铺设于拱形坝面上能有效避免土工膜在坝面受拉变形及周边锚固处产生夹具效应。（2）利用分坝段分区域设置的缺陷渗漏监测系统，能快速准确定位复合土工膜的缺陷渗漏，解决了现有土石坝防渗土工膜缺陷难以准确定位的问题。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，特别是一种坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法。
背景技术
土工膜是一种柔性薄膜防渗材料，已不断应用于土石坝等各类防渗工程。根据国际大坝委员会（ICOLD）2010年的统计资料，全球已有167座大型土石坝采用土工膜防渗。据不完全统计，我国已有40余座新建堆石坝和土石围堰采用土工膜防渗，例如浙江省的小岭头堆石坝、四川省的仁宗海堆石坝、青海省的温泉堆石坝、白鹤滩上游土石围堰等，均在上游坝面采用土工膜防渗。
与堆石坝常用防渗体混凝土面板和黏土心墙相比，土工膜具有防渗性能好、适应变形能力强、施工速度快和工程造价低等优点。但近几十年来，国内土工膜防渗土石坝发展滞后，其主要原因为：
（1）常见的坝面土工膜防渗土石坝蓄水后，在水压力作用下，土工膜跟随坝体向下游侧发生垂直于坝面的变形，原来平整的坝面变成凹向下游的锅底形状，坝面土工膜随之变形，使得土工膜处于坝坡向和坝轴线向的双向受力状态，一旦超过土工膜的抗拉强度，土工膜就会被拉坏。此外，在坝面周边土工膜锚固处附近区域，土工膜受夹具效应作用明显，易发生拉伸破坏，形成孔状或缝状缺陷，导致土工膜防渗失效，对工程安全造成威胁。
（2）用于土石坝防渗的土工膜厚度很薄，一般为0.5~1.5mm，因此土工膜在生产、施工和运行等环节容易产生破损，大坝蓄水后，库水会直接通过土工膜破损处产生缺陷渗漏，渗漏水进入膜后坝体，对大坝防渗安全造成隐患。但是，目前在技术上尚无有效方法快速发现和准确定位大坝中防渗土工膜的一些潜在缺陷。
因此，为了避免土工膜在坝面及周边锚固处发生拉伸破坏，准确定位坝面土工膜的缺陷渗漏位置，解决制约土工膜在较高土石坝防渗工程中应用的问题，有必要提供一种坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法，该坝面土工膜防渗堆石坝、施工方法和缺陷定位方法解决了制约土工膜防渗堆石坝发展的两个关键技术问题：（1）将复合土工膜分坝段铺设于拱形坝面上，能有效避免复合土工膜在坝面受拉变形及周边锚固处产生夹具效应。（2）利用分坝段分区域设置的缺陷渗漏监测系统，能快速准确定位复合土工膜的缺陷渗漏，解决了现有土石坝防渗土工膜缺陷难以准确定位的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种坝面土工膜防渗堆石坝，包括沿坝体轴线方向依次布设的若干个独立坝段，每个独立坝段均具有唯一编号。
每个独立坝段均包括支墩、堆石体、防渗体和缺陷渗漏监测系统。
支墩位于堆石体两侧，相邻两个独立坝段共用一个支墩，支墩均采用钢筋混凝土浇筑形成。
堆石体位于相邻支墩间，采用堆石料或砂砾石料填筑而成；堆石体的上游坝坡比为1:0.2，堆石体上游面为迎水面，采用干砌块石砌筑，形成向上游拱起的拱形的干砌块石支护层。
防渗体包括依次铺设在干砌块石支护层表面的土工席垫、复合土工膜和现浇混凝土保护层。
缺陷渗漏监测系统包括多组排水管组和多个流量计；每组排水管组均具有唯一编号，每组排水管组均包括倾斜排水管和水平排水管。
倾斜排水管等间距埋设在干砌块石支护层后的堆石体内，倾斜排水管的圆周面上布设有若干个排水孔。
水平排水管水平埋设在堆石体的底部，每根水平排水管的上游端均与对应的倾斜排水管的底端相连接，水平排水管的下游端均从堆石体下游面伸出并连接一个流量计。
相邻支墩间距为15~20m，排水管组间距2~4m。
复合土工膜包括土工膜和位于土工膜两侧的针刺织物；土工膜厚度为0.6~1.5mm，两侧针刺织物每平米克重为200~400g/m2。
每根倾斜排水管的外壁均包裹透水土工布。
每个独立坝段中的复合土工膜两端均锚固于对应堆石体两侧的支墩内，使得各独立坝段均具有相互独立的由堆石体上游面复合土工膜和两侧支墩构成的封闭防渗体系。
一种坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，包括如下步骤。
步骤1，坝基的处理：原地面线开挖后，进行凿毛冲洗。
步骤2，支墩的浇筑： 按照设置的支墩间距，在处理后的坝基上进行支墩的浇筑。
步骤3，堆石体的填筑和干砌块石支护层施工：堆石体分层填筑，堆石体上游面干砌块石支护层的砌筑与各层堆石体的填筑同步进行。
步骤4，缺陷渗漏监测系统的布设：在独立坝段中堆石体填筑的同时，沿坝轴线方向在干砌块石支护层后的堆石体中等间距预埋排水管组，排水管组依次编号；每组排水管组均包括倾斜排水管和水平排水管；倾斜排水管布置于干砌块石支护层后，且与上游坝面平行；水平排水管水平埋设于堆石体底部，上游端与倾斜排水管连接，下游端从下游坝坡伸出，在水平排水管出口处安装流量计。
步骤5，防渗体的施工，包括如下步骤：
步骤51，土工席垫的铺设：在干砌块石支护层上游面铺设2cm厚土工席垫，并将土工席垫锚固在干砌块石支护层上。
步骤52，复合土工膜的铺设：在土工席垫上铺设复合土工膜。
步骤53，复合土工膜的锚固：复合土工膜两端通过锚固构件固定在堆石体两侧的支墩上，各独立坝段形成了堆石体上游复合土工膜面和两侧支墩面的封闭防渗体。
步骤54，现浇混凝土保护层的浇筑：在复合土工膜上现浇10cm厚C20混凝土保护层。
步骤6，重复步骤2至步骤5，进行下一个独立坝段的施工，直至完成整个大坝的施工。
步骤2中，支墩的浇筑方法，包括如下步骤。
步骤21，支墩设计：按照上下游坝坡比设计支墩，支墩厚度为100~200cm，绘制支墩施工图。
步骤22，支墩钢筋及模板架设：在支墩基础位置上架设支墩钢筋，并按支墩施工图进行测量放样安装混凝土浇筑模板。
步骤23，支墩浇筑：在步骤22放样完成的混凝土浇筑模板内浇筑混凝土，并及时进行混凝土的养护。
步骤24，养护完成后，拆除混凝土浇筑模板，支墩浇筑完成。
步骤3中，堆石体的分层填筑方法为：在相邻支墩间分层填筑堆石料或砂砾石料，沿平行坝轴线摊铺平整，每填筑一层堆石体均放线检查超填或欠填情况，进行人工层面补齐、修坡和碾压；干砌块石支护层施工时，干砌块石砌缝的宽度不应大于2.5cm。
步骤52中，复合土工膜采取由上而下翻滚铺设；相邻复合土工膜纵横搭接时应避免“十”字缝，相邻复合土工膜搭接长度15cm，并用热楔焊机焊接。
一种坝面土工膜防渗堆石坝的缺陷定位方法，包括如下步骤。
步骤1，确定发生渗漏的独立坝段：大坝正常蓄水运行后，定期监测各个独立坝段中水平排水管出口的出流情况；若产生出流，说明该独立坝段的复合土工膜发生了缺陷渗漏，需要定位复合土工膜的缺陷位置，并记录发生渗漏的独立坝段的编号；若未产生出流，说明该独立坝段中复合土工膜防渗性能完好，无破损。
步骤2，定位复合土工膜缺陷渗漏的位置：利用流量计监测记录步骤1中发生渗漏独立坝段的各水平排水管的出水量；比较同一独立坝段中各水平排水管的出水量，当观察到某一水平排水管的出水量异常增大时，说明与该水平排水管连接的倾斜排水管附近的复合土工膜上存在破损，产生了缺陷渗漏；根据该排水管组的编号能快速定位复合土工膜缺陷位置，进而修补复合土工膜缺陷，保证防渗体的完整性。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明的每个独立坝段上游坝面均呈倾向上游的拱形，土工席垫和复合土工膜依次铺设在拱形坝面上。在水压力的作用下，凸向上游的坝面复合土工膜能够自由适应坝面向下游的变形，能有效避免复合土工膜在坝面出现受拉状态及在周边锚固处产生夹具效应，防止复合土工膜拉伸破坏。
2.本发明的每个独立坝段内均设置有缺陷渗漏监测系统，该缺陷渗漏监测系统利用排水管组将渗漏水排出坝体，并通过流量计监测各水平排水管的出水量。当观察到某一水平排水管的出水量异常增大时，说明与该水平排水管连接的倾斜排水管附近的复合土工膜上存在破损，产生了缺陷渗漏。根据该排水管组的编号可快速准确定位复合土工膜的缺陷渗漏，解决了现有土石坝防渗土工膜缺陷难以准确定位的问题。
3.本发明的堆石坝沿坝轴线方向由若干个独立坝段连接组合而成，具有较强的适应坝基变形能力及良好的抗震性能。每个独立坝段的防渗复合土工膜两端锚固于堆石体两侧的支墩内，使得各独立坝段均具有相互独立的由堆石体上游面复合土工膜和两侧支墩构成的封闭防渗体系。一旦发现某一独立坝段复合土工膜出现缺陷渗漏，仅需对该独立坝段复合土工膜进行防渗修复，大大提高了破损复合土工膜的修复效率，降低防渗工程修复造价。
4.本发明的上游坝坡面采用干砌块石支护层，因此上游坝坡比可达到1:0.2，远陡于传统堆石坝的上游坝坡，可大幅减小堆石体填筑工程量，降低工程造价。
附图说明
图1显示了本发明一种坝面土工膜防渗堆石坝的结构示意图。
图2显示了本发明一种坝面土工膜防渗堆石坝的典型断面图。
图3显示了本发明中复合土工膜和支墩的锚固示意图。
图4显示了本发明独立坝段中缺陷渗漏监测系统的布置示意图。
图5显示了本发明中倾斜排水管的断面图。
其中有：1、独立坝段，2、支墩，3、干砌块石支护层，4、土工席垫，5、复合土工膜，6、现浇混凝土保护层，7、堆石体，8、倾斜排水管，9、水平排水管，10、排水孔，11、透水土工布，12、流量计，13、锚固构件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种坝面土工膜防渗堆石坝，包括沿坝体轴线方向（也即长度方向）依次布设的若干个独立坝段1，每个独立坝段均具有唯一编号。
每个独立坝段均包括支墩2、堆石体7、防渗体和缺陷渗漏监测系统。
支墩位于堆石体两侧，相邻两个独立坝段共用一个支墩，支墩均采用钢筋混凝土浇筑形成，相邻支墩间距为15~20m。
堆石体位于相邻支墩间，采用堆石料或砂砾石料填筑而成；堆石体的上游坝坡比为1:0.2，下游坝坡比采用常规堆石坝下游坝坡比。
堆石体上游面为迎水面，优选采用40cm厚的干砌块石砌筑，形成向上游拱起的拱形的干砌块石支护层3，如图3所示。
防渗体设置在堆石体上游面，如图2和图3所示，防渗体包括依次铺设在干砌块石支护层表面的土工席垫4、复合土工膜5和现浇混凝土保护层6。
复合土工膜包括土工膜和位于土工膜两侧的针刺织物；土工膜厚度优选为1.2mm，两侧针刺织物每平米克重优选为400g/m2。
本发明中，在复合土工膜下侧布置土工席垫，代替传统的土石垫层料铺设于干砌块石支护层上游面，从而解决了较陡倾斜面（支护层上游面坡比为1:0.2）上土石垫层料难以施工的问题。
如图3所示，每个独立坝段的防渗复合土工膜两端均优选通过锚固构件13固定在堆石体两侧的支墩内，使得各独立坝段均具有相互独立的由堆石体上游面复合土工膜和两侧支墩构成的封闭防渗体系。
如图4所示，缺陷渗漏监测系统包括多组排水管组和多个流量计12。其中，排水管组的间距宜为2~4m，并依次编号，使得每组排水管组均具有唯一编号，每组排水管组均包括倾斜排水管8和水平排水管9。
倾斜排水管等间距埋设在干砌块石支护层后的堆石体内，如图5所示，倾斜排水管的圆周面上布设有若干个排水孔10，复合土工膜缺陷渗漏水通过排水孔流入倾斜排水管；每根倾斜排水管的外壁均优选包裹有透水土工布11，透水土工布可以过滤堆石体中的细颗粒，防止堵塞排水管的排水孔。
倾斜排水管布置于干砌块石支护层后的堆石体内，与上游坝面平行。
水平排水管水平埋设在堆石体的底部，每根水平排水管的上游端均与对应的倾斜排水管的底端相连接，水平排水管的下游端均从堆石体下游面伸出并连接一个流量计。
复合土工膜产生缺陷渗漏后，渗漏水按照就近原则流于复合土工膜缺陷附近的倾斜排水管内，再汇入水平排水管后流出坝体。
一种坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，包括如下步骤。
步骤1，坝基的处理：原地面线开挖后，进行凿毛冲洗。
步骤2，支墩的浇筑：按照设置的支墩间距，在处理后的坝基上进行支墩的浇筑。
上述支墩的浇筑方法，优选包括如下步骤。
步骤21，支墩设计：按照上下游坝坡比设计支墩，支墩厚度为100~200cm，绘制支墩施工图。
步骤22，支墩钢筋及模板架设：在支墩基础位置上架设支墩钢筋，并按支墩施工图进行测量放样安装混凝土浇筑模板。
步骤23，支墩浇筑：在步骤22放样完成的混凝土浇筑模板内浇筑混凝土，并及时进行混凝土的养护。
步骤24，养护完成后，拆除混凝土浇筑模板，支墩浇筑完成。
步骤3，堆石体的填筑和干砌块石支护层施工：堆石体分层填筑，堆石体上游面干砌块石支护层的砌筑与各层堆石体的填筑同步进行。
上述堆石体的分层填筑方法优选为：在相邻支墩间分层填筑堆石料或砂砾石料，沿平行坝轴线摊铺平整，每填筑一层堆石体均放线检查超填或欠填情况，进行人工层面补齐、修坡和碾压；干砌块石支护层施工时，干砌块石砌缝的宽度不应大于2.5cm。
步骤4，缺陷渗漏监测系统的布设。
在独立坝段中堆石体填筑的同时，沿坝轴线方向在干砌块石支护层后的堆石体中等间距预埋排水管组，排水管组的间距宜为2~4m，并依次编号；每组排水管组均包括倾斜排水管和水平排水管；倾斜排水管布置于干砌块石支护层后，且与上游坝面平行；水平排水管水平埋设于堆石体底部，上游端与倾斜排水管连接，下游端从下游坝坡伸出，在水平排水管出口处安装流量计。
步骤5，防渗体的施工，包括如下步骤。
步骤51，土工席垫的铺设：在干砌块石支护层上游面优选铺设厚度为2cm的土工席垫，并将土工席垫锚固在干砌块石支护层上。
步骤52，复合土工膜的铺设：在土工席垫上铺设复合土工膜。
复合土工膜铺设方法优选为：采取由上而下翻滚铺设；相邻复合土工膜纵横搭接时应避免“十”字缝，相邻复合土工膜搭接长度15cm，并用热楔焊机焊接。
步骤53，复合土工膜的锚固：复合土工膜两端通过锚固构件固定在堆石体两侧的支墩上，各独立坝段形成了堆石体上游复合土工膜面和两侧支墩面的封闭防渗体。
步骤54，现浇混凝土保护层的浇筑：在复合土工膜上优选现浇10cm厚C20的混凝土保护层。
步骤6，重复步骤2至步骤5，进行下一个独立坝段的施工，直至完成整个大坝的施工。
一种坝面土工膜防渗堆石坝的缺陷定位方法，包括如下步骤。
步骤1，确定发生渗漏的独立坝段：大坝正常蓄水运行后，定期监测各个独立坝段中水平排水管出口的出流情况；若产生出流，说明该独立坝段的复合土工膜发生了缺陷渗漏，需要定位复合土工膜的缺陷位置，并记录发生渗漏的独立坝段的编号；若未产生出流，说明该独立坝段中复合土工膜防渗性能完好，无破损。
步骤2，定位复合土工膜缺陷渗漏的位置：利用流量计监测记录步骤1中发生渗漏独立坝段的各水平排水管的出水量；比较同一独立坝段中各水平排水管的出水量，当观察到某一水平排水管的出水量异常增大时，说明与该水平排水管连接的倾斜排水管附近的复合土工膜上存在破损，产生了缺陷渗漏；根据该排水管组的编号能快速定位复合土工膜缺陷位置，进而修补复合土工膜缺陷，保证防渗体的完整性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种坝面土工膜防渗堆石坝，其特征在于：包括沿坝体轴线方向依次布设的若干个独立坝段，每个独立坝段均具有唯一编号；
每个独立坝段均包括支墩、堆石体、防渗体和缺陷渗漏监测系统；
支墩位于堆石体两侧，相邻两个独立坝段共用一个支墩，支墩均采用钢筋混凝土浇筑形成；
堆石体位于相邻支墩间，采用堆石料或砂砾石料填筑而成；堆石体的上游坝坡比为1:0.2，堆石体上游面为迎水面，采用干砌块石砌筑，形成向上游拱起的拱形的干砌块石支护层；
防渗体包括依次铺设在干砌块石支护层表面的土工席垫、复合土工膜和现浇混凝土保护层；
缺陷渗漏监测系统包括多组排水管组和多个流量计；每组排水管组均具有唯一编号，每组排水管组均包括倾斜排水管和水平排水管；
倾斜排水管等间距埋设在干砌块石支护层后的堆石体内，倾斜排水管的圆周面上布设有若干个排水孔；
水平排水管水平埋设在堆石体的底部，每根水平排水管的上游端均与对应的倾斜排水管的底端相连接，水平排水管的下游端均从堆石体下游面伸出并连接一个流量计。
2.根据权利要求1所述的坝面土工膜防渗堆石坝，其特征在于：相邻支墩间距为15~20m，排水管组间距2~4m。
3.根据权利要求1所述的坝面土工膜防渗堆石坝，其特征在于：复合土工膜包括土工膜和位于土工膜两侧的针刺织物；土工膜厚度为0.6~1.5mm，两侧针刺织物每平米克重为200~400g/m2。
4.根据权利要求1所述的坝面土工膜防渗堆石坝，其特征在于：每根倾斜排水管的外壁均包裹透水土工布。
5.根据权利要求1所述的坝面土工膜防渗堆石坝，其特征在于：每个独立坝段中的复合土工膜两端均锚固于对应堆石体两侧的支墩内，使得各独立坝段均具有相互独立的由堆石体上游面复合土工膜和两侧支墩构成的封闭防渗体系。
6.一种坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，坝基的处理：原地面线开挖后，进行凿毛冲洗；
步骤2，支墩的浇筑：按照设置的支墩间距，在处理后的坝基上进行支墩的浇筑；
步骤3，堆石体的填筑和干砌块石支护层施工：堆石体分层填筑，堆石体上游面干砌块石支护层的砌筑与各层堆石体的填筑同步进行；
步骤4，缺陷渗漏监测系统的布设：在独立坝段中堆石体填筑的同时，沿坝轴线方向在干砌块石支护层后的堆石体中等间距预埋排水管组，排水管组依次编号；每组排水管组均包括倾斜排水管和水平排水管；倾斜排水管布置于干砌块石支护层后，且与上游坝面平行；水平排水管水平埋设于堆石体底部，上游端与倾斜排水管连接，下游端从下游坝坡伸出，在水平排水管出口处安装流量计；
步骤5，防渗体的施工，包括如下步骤：
步骤51，土工席垫的铺设：在干砌块石支护层上游面铺设2cm厚土工席垫，并将土工席垫锚固在干砌块石支护层上；
步骤52，复合土工膜的铺设：在土工席垫上铺设复合土工膜；
步骤53，复合土工膜的锚固：复合土工膜两端通过锚固构件固定在堆石体两侧的支墩上，各独立坝段形成了堆石体上游复合土工膜面和两侧支墩面的封闭防渗体；
步骤54，现浇混凝土保护层的浇筑：在复合土工膜上现浇10cm厚C20混凝土保护层；
步骤6，重复步骤2至步骤5，进行下一个独立坝段的施工，直至完成整个大坝的施工。
7.根据权利要求6所述的坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，其特征在于：步骤2中，支墩的浇筑方法，包括如下步骤：
步骤21，支墩设计：按照上下游坝坡比设计支墩，支墩厚度为100~200cm，绘制支墩施工图；
步骤22，支墩钢筋及模板架设：在支墩基础位置上架设支墩钢筋，并按支墩施工图进行测量放样安装混凝土浇筑模板；
步骤23，支墩浇筑：在步骤22放样完成的混凝土浇筑模板内浇筑混凝土，并及时进行混凝土的养护；
步骤24，养护完成后，拆除混凝土浇筑模板，支墩浇筑完成。
8.根据权利要求6所述的坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，其特征在于：步骤3中，堆石体的分层填筑方法为：在相邻支墩间分层填筑堆石料或砂砾石料，沿平行坝轴线摊铺平整，每填筑一层堆石体均放线检查超填或欠填情况，进行人工层面补齐、修坡和碾压；干砌块石支护层施工时，干砌块石砌缝的宽度不应大于2.5cm。
9.根据权利要求6所述的坝面土工膜防渗堆石坝的施工方法，其特征在于：步骤52中，复合土工膜采取由上而下翻滚铺设；相邻复合土工膜纵横搭接时应避免“十”字缝，相邻复合土工膜搭接长度15cm，并用热楔焊机焊接。
10.一种坝面土工膜防渗堆石坝的缺陷定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，确定发生渗漏的独立坝段：大坝正常蓄水运行后，定期监测各个独立坝段中水平排水管出口的出流情况；若产生出流，说明该独立坝段的复合土工膜发生了缺陷渗漏，需要定位复合土工膜的缺陷位置，并记录发生渗漏的独立坝段的编号；若未产生出流，说明该独立坝段中复合土工膜防渗性能完好，无破损；
步骤2，定位复合土工膜缺陷渗漏的位置：利用流量计监测记录步骤1中发生渗漏独立坝段的各水平排水管的出水量；比较同一独立坝段中各水平排水管的出水量，当观察到某一水平排水管的出水量异常增大时，说明与该水平排水管连接的倾斜排水管附近的复合土工膜上存在破损，产生了缺陷渗漏；根据该排水管组的编号能快速定位复合土工膜缺陷位置，进而修补复合土工膜缺陷，保证防渗体的完整性。
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