CN111364301A - 一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法 - Google Patents

一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,是在大风气候条件下,坝体填筑时利用自身填筑区快慢产生一定高差。坝壳料的铺筑超前于沥青混凝土心墙与过渡料,使上、下游坝壳料铺筑高度高于过渡料和沥青混凝土心墙的铺筑高度,坝顶施工断面由平面改为凹面,使沥青混凝土心墙在凹面底部施工,大坝填筑高度和沥青心墙填筑同步上升,形成临时挡风墙结构。本发明自主研发坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工技术,提高了大风条件下沥青混凝土心墙的防风功效,加快施工进度。

Description

一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法
技术领域
本发明涉及一种工程防风结构的应用,具体而言是一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法。
背景技术
现今铁路、公路等路基防风工程,主要应用的防风措施是挡风墙。挡风墙的防风机理是在路基迎风侧设置相当于风场障碍物的挡风墙,改变墙后一定区域内的风场状况,根据挡风墙结构和参数的选取,产生相应的防风功效。经半个多世纪防风建设的经验积累和探索,我国已总结出先进的防风工程修建经验,探索建成了应对风沙灾害的防风“三大法宝”,即路基挡风墙、桥梁挡风屏和防风明洞。这些防风不仅保障了客运的正常运行,更为世界防风建设提供了参考。
目前路基防风工程普遍采用挡风墙的形式主要有:“L”形柱板式挡风墙、对拉式挡风墙、土堤式挡风墙。土堤式挡风墙由人工填土筑成梯形后,为防止风蚀,在表面铺盖预制混凝土板或干砌片石防护。其施工简便,但其占地大,随着路堤增高,帮宽填方以每米10m3递增,当路堤高度高于3.0m时,其造价相对较高。对拉式挡风墙是在两侧用钢筋对拉的十字型混凝土预制板中间填加土体而成。对拉式挡风墙结构简单、施工方便,其构件预制,可拆除重新组合利用,便于挡墙高度调整及后期维护。当路堤高度大于3.0m时,其造价相对土堤式挡风墙较低。柱板式挡风墙是先修筑H形钢筋混凝土柱,然后在柱间插入预制钢筋混凝土板。板柱式挡风墙不仅美观,而且占用路肩少,出露在地面上的部分体积小,可就地灌注,也可预制拼装。但造价相对较高。土堤式和对拉式挡风墙,结构左右对称,不论风向如何变化,其抗风倾覆稳定性都很好。透风式挡风墙和L形挡风墙为不对称结构,其抵御反方向风力的能力相对较弱。以上几种形式的永久性实体挡风墙的结构形式和设计参数确定了各自适用的工况,通常挡风墙高度为3m-3.5m,且邻近道路。
以上挡风墙各有优缺点,适应不同工况,且铁路、公路等路基防风工程设计的挡风墙多为永久性挡风建筑物。然而,大坝过渡料和心墙的现场施工时两侧需预留一定充足的空间,大概两侧各10m左右以满足施工机械运行畅通。若采用现有的路基防风工程中的实体形永久性挡风墙,为了达到相应的防风功效,挡风墙设置距离改变时,挡风墙设计高度需改变;另一方面,路基防风工程中挡风墙高度设置参数是固定的,随着坝体填筑高度上升,原有挡风墙的防风效果降低,当防风效果不满足防风要求时需拆除原有挡风墙另行修建,施工较为繁琐。可见,现有挡风墙技术在大坝现场施工中受到各种现场条件的限制,无法满足沥青混凝土心墙施工的防风需要。
碾压式沥青混凝土心墙的施工大多数都是在正常气候条件下,其中要求施工时风力宜小于4级。但有时为保证坝体来年汛期的度汛安全、大坝工期等要求时,碾压式沥青混凝土心墙就需要在特殊气候条件下进行施工。大风气候条件下,风的表面降温作用强,严重影响沥青混合料入仓后温度均匀性。沥青混合料在运输过程中温度散失加快,入仓后的混合料几乎没有时间排气,碾压后沥青混凝土内部气孔明显增多,影响施工质量。同时,由于表面温度降低过快,在沥青混合料表面容易形成一个硬壳层,一方面会影响当前层的碾压效果,另一方面由于表层碾压质量不好还会影响与下一层的结合。此特殊气候条件给碾压式沥青混凝土心墙的施工会带来较大困难,也会影响施工质量。
针对强风环境对碾压式沥青混凝土心墙连续施工的影响,对碾压式沥青混凝土心墙连续施工技术主要提出以下两方面的要求:减小各施工环节沥青混合料温度损失,加强各施工环节的温度控制和保温措施;加强施工组织管理,使各工序紧密衔接,加强施工全过程的质量控制,保证施工质量。
沥青混凝土心墙施工时采用连续分层碾压,沥青混凝土心墙摊铺厚度一般取200mm~300mm,沥青混凝土心墙及过渡料与坝壳料填筑同步上升。因此,随着坝体填筑层数不断增加而有了新的防风需要,需要重新修建挡风墙,但现有挡风墙施工较繁琐、成本过高,且不利于沥青混凝土心墙的连续施工。目前尚无防风结构物在碾压式沥青混凝土心墙施工的相关研究公开,如何为大坝沥青混凝土心墙施工提供有效的防风结构物或减风措施,已成为亟待解决的技术问题。
发明内容
发明目的:针对现有路基防风工程设计的挡风墙对大坝施工情况应用的不足之处,本发明自主研发坝体与心墙填筑高差的防风施工技术,研究主要模拟大坝在此防风措施下风场的风速消减情况,为强风环境下沥青混凝土心墙的有效防风功提供解决方案。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,在大风气候条件下,沥青混凝土心墙坝施工时利用坝体自身填筑,将上游坝壳料与下游坝壳料超前于心墙与过渡料的铺筑,使坝壳料铺筑高度高于过渡料和心墙的铺筑高度,坝体与心墙产生的填筑高差在心墙施工断面形成凹槽,在心墙施工区两侧作为防风结构,用于改变背风侧的风场状况。
此防风结构虽与土堤式挡风墙外形相似,但两者总体上相差较大。土堤式挡风墙相比占地小、高度低,且顶部和表面有预制混凝土板或干砌片石防护风蚀,是为防风需要而专门修建的永久性建筑物。而上述防风结构仅是对坝体填筑施工工序进行调整的防风施工技术的产物,施工时坝壳料填筑层数超前过渡料和心墙而形成一个临时性防风结构物,本身仍能作为后续坝体填筑的利用,比土堤式挡风墙填方量大。而且可根据施工中实际风速,灵活调整防风结构设置距离和填筑高差,以达到沥青混凝土心墙施工风速的要求。
使用时,沥青混凝土心墙坝施工时利用坝体自身填筑,把上、下游坝壳料的铺筑超前心墙与过渡料,使坝壳料铺筑高度高于过渡料和心墙的铺筑高度,在心墙施工断面形成凹槽;坝体与心墙产生的填筑高差相当于在心墙施工区两侧设置风场障碍物的“土堤式挡风墙”(以下称为防风结构),改变了背风侧凹槽内的风场状况。大坝填筑高度和沥青心墙填筑同步上升,形成临时挡风墙结构
在以上基础上对大坝风场进行数值模拟,在满足施工要求的前提下调整防风结构高度和设置距离,使防风结构背风侧心墙施工区近地表处风速消减,从而达到相应的防风功效,使心墙在凹面底部施工时风力满足施工要求。
作为优选,在利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法时,当设置距离为10m,高差选用最小高差,在4-10级风力下,从小到大对应整级数所述风力,最小高差分别为1.3m、4.1m、6.2m、8m、9.2m、10.2m和11.1m。
作为优选,在利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法中,设置距离为10m,高差为10m。
有益效果:本发明自主研发的坝体与心墙填筑高差的防风施工技术,可达到一定的防风功效,指导大坝现场施工,为沥青混凝土心墙连续施工提供了便利。
利用坝体自身填筑的防风技术,可就地利用填筑坝体的砂砾料,无需另行修建挡风建筑物,降低了施工成本。
通过本发明创造技术,可减少能耗,降低施工成本;延长大风环境施工作业工期,总体上缩短建设周期;使工程提前完工并发挥经济和社会效益。
除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。
附图说明
图1是本发明实施例中大风气候条件下大坝填筑结构示意图;
图2是挡风墙背风侧流场示意图;
图3是现场防风试验测点布置简图;
图4是风级和防风有效最小高差的关系曲线;
图5是风速和防风有效最小高差的关系曲线。
附图标记:坝壳料1、过渡料2、沥青混凝土心墙3、迎风侧坝壳料4、自动气象站5、心墙风速仪6、高差a、设置距离b。
具体实施方式
实施例:
结合某工程,本实施例的大风气候条件下大坝填筑结构如图1所示,在大风气候条件,坝体填筑时利用自身填筑区快慢产生一定高差a。坝壳料1的铺筑超前于沥青混凝土心墙3与过渡料2,使上、下游坝壳料1铺筑高度高于过渡料2和沥青混凝土心墙3的铺筑高度,坝顶施工断面由平面改为凹面,使沥青混凝土心墙3在凹面底部施工,大坝填筑高度和沥青心墙3填筑同步上升,形成类似的临时挡风墙结构
如图2所示,挡风墙迎风侧与背风侧,风场发生较大改变,在背风侧形成扰流,如图5。在以上基础上对大坝风场进行数值模拟,在满足施工要求的前提下调整挡风墙高度和挡风墙距心墙的合理位置,挡风墙背风侧的扰流形状越来越大,表明扰流影响范围越大,扰流形状越大,其对风能的耗散越强,从而达到相应的防风功效,使心墙在凹面底部施工时风力满足施工要求。
为测试心墙施工区的风力消减情况,现场进行了三种防风结构的防风试验,模拟大风气候条件下大坝在有效防风措施下的风场,并在局部测点进行了全面的风速观测。其中,防风结构一:填筑高差为4.4m,设置距离为13.8m;防风结构二:填筑高差为4.4m,设置距离为9.08m;防风结构三:填筑高差为7m,设置距离为9.08m;自动气象站5测点距坝壳料坝肩18.82m,心墙风速仪6测点距心墙中心距离1m,测点布置如图3所示。
以工程现场坝体填筑断面为模型做坝体风场的数值模拟计算,其中,大坝风场数值模拟为大气边界层中的定常绕流,计算时流动可按不可压缩处理,计算结果主要关注心墙施工区的风力消减情况。整理有效的数据资源,将现场防风试验结果和数值计算结果进行比较。试验结果分别见表1、表2、表3。
表1防风结构一风速比较
Figure BDA0002413587040000051
表2防风结构二风速比较
Figure BDA0002413587040000052
表3防风结构三风速比较
Figure BDA0002413587040000061
以上显示,防风结构一中的心墙风速实测值和计算值最小相对误差为4.5%,最大相对误差为9.7%;防风结构二中最小相对误差为3.1%,最大相对误差为5.6%;防风结构三中最小相对误差为1.9%,最大相对误差为4.8%。三个断面心墙各测点风速的实测值与相应计算值相对误差均小于10%,认为二者相对误差在容许范围之内。由于数值模拟计算结果和现场实测结果有较好的一致性,确认数值模型准确可靠。
在数值模型可靠的基础上,可进一步对模型进行优化。坝体填筑时,考虑心墙施工区机械交叉作业对运行空间的需求,设置距离不宜太小,否则限制施工作业的开展,取防风结构设置距离10m;考虑坝体填筑的施工效率,防风结构高差不能过高,否则不利于坝壳料与心墙的连续施工,取防风结构高差10m。计算横风作用下防风结构对背风侧心墙施工区的防风功效,风力等级取4~10级,横风风速取各风级的风速上限进行计算。各级风速取值见表4所示。
表4风速取值表
Figure BDA0002413587040000062
为研究以上不同工况防风结构对心墙施工区的防风功效,以遮蔽效应系数作为防风作用的评价指标,反映背风侧心墙施工区风速消减情况。以有效遮蔽效应系数作为防风有效的评价指标,直观的表示心墙施工区防风要求。
Figure BDA0002413587040000063
Figure BDA0002413587040000071
式中:v入口为流场入口平均风速(m/s);v测点为流场中任意测点处风速(m/s);v允许为施工允许风速(m/s)。取v允许=5.4m/s(3级风力风速上限),则有效遮蔽效应系数为0.32、0.5、0.61、0.68、0.74、0.78和0.81(对应4~10级)。
结合现场心墙摊铺的施工情况,取流场模型心墙施工区近地面水平方向1m高处风速,计算相应的遮蔽效应系数,遮蔽效应系数越大,防风功效越好,若遮蔽效应系数大于有效遮蔽效应系数,则防风效果达到施工要求。现将风力4~10级下,防风结构心墙施工区近地表处遮蔽效应情况列入表5。
表5不同风级心墙施工区近地表处遮蔽效应系数
Figure BDA0002413587040000072
注:心墙中心为坐标原点。设置距离为10m时,心墙施工区横坐标范围为-10~10m。
由表5可以看出,随着风级的增大,心墙施工区近地面相同位置处的遮蔽效应系数在减小,但整体减幅甚小。说明防风结构一定高差和设置距离下,风级对防风功效的影响很小。因为,入口风速增大的同时,心墙施工区风速也相应增大,导致计算后各级风力相同位置处遮蔽效应系数相差无几。
但此时需要注意的是,有效遮蔽效应系数是反映心墙施工区近地表处达到施工要求所需的防风效果,不同风级的有效遮蔽效应系数不相同。以上仅有风力等级为9级和10级的不能达到要求的防风效果,而风力等级为4~8级的背风侧各坐标位置遮蔽效应系数均大于有效遮蔽效应系数,满足防风要求。随着风级的增大,有效遮蔽系数取值越大,且其和遮蔽效应系数差值越小。说明防风结构高差和设置距离一定时,风力等级越大,心墙施工区风速消减情况越不易满足施工防风要求。
以心墙施工区近地表1米高处达到有效遮蔽效应系数为前提,进一步确定风级和防风有效最小高差之间的关系。由计算得出防风结构设置距离取10m时,不同风级条件防风有效的最少高差,结果列于表6。
表6不同风级的防风有效最小高差
Figure BDA0002413587040000081
对表6中防风结构设置距离10m时,风级和防风有效最小高差之间的关系进行拟合,得到拟合曲线及相应的函数关系见图4。从图中可以看出,风级和防风有效最小高差之间呈二次多项式关系,拟合方程为y=-0.1929x2+4.2929x-12.671,式中x为风级,y为防风有效最小高差。
由风级和风速对应关系,可拟合处风速和防风有效最小高差之间的关系,拟合曲线及相应的函数关系见图5。从图中可以看出,风速和防风有效最小高差之间呈二次多项式关系,拟合方程为y=-0.0206x2+1.2047x-6.669,式中x为风速,y为防风有效最小高差。此拟合函数可插值取得风速7.9-28.4m/s范围内相对应的防风有效最小高差。
本发明通过对填筑施工工序进行调整,为碾压式沥青混凝土心墙就需要在大风气候条件下进行施工提供了解决方案,减少了能耗,降低施工成本;延长大风环境施工作业工期,总体上缩短建设周期;使工程提前完工并发挥经济和社会效益;指导大风气候条件下沥青混凝土心墙坝现场施工。

Claims (7)

1.一种利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于:在大风气候条件下,沥青混凝土心墙坝施工时利用坝体自身填筑,将上游坝壳料与下游坝壳料超前于心墙与过渡料的铺筑,使坝壳料铺筑高度高于过渡料和心墙的铺筑高度,坝体与心墙产生的填筑高差在心墙施工断面形成凹槽,在心墙施工区两侧作为防风结构,用于改变背风侧的风场状况。
2.根据权利要求1所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于:所述防风结构的高差是坝壳料与心墙填筑的高差,所述防风结构的设置距离是防风结构背风侧坡脚距心墙中心的距离。
3.根据权利要求1所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于:所述防风结构是坝体填筑施工时调整施工工序,坝壳料填筑层数超前过渡料和心墙而形成的临时性防风结构物,所述临时性防风结构物的填筑料在后续坝体填筑时重新利用。
4.根据权利要求3所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于:根据施工中实际风速,灵活调整防风结构设置距离和填筑高差,以达到沥青混凝土心墙施工风速的要求。
5.根据权利要求3所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于:对大坝风场进行数值模拟,在满足施工要求的前提下调整防风结构高度和设置距离,使防风结构背风侧心墙施工区近地表处风速消减,从而达到相应的防风功效,使心墙在凹面底部施工时风力满足施工要求。
6.根据权利要求2所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于,所述设置距离为10m,所述高差选用最小高差,在4-10级风力下,从小到大对应整级数所述风力,所述最小高差分别为1.3m、4.1m、6.2m、8m、9.2m、10.2m和11.1m。
7.根据权利要求2所述的利用坝体与心墙填筑高差防风沙的沥青混凝土施工方法,其特征在于,所述设置距离为10m,所述高差为10m。
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