CN111472326A - 一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法及其结构，该方法包括坝基加固、坝基防渗及消能防冲。其中，坝基加固是采用振冲加固技术来实现深厚砂卵砾石坝基加固处理；坝基防渗是采用基于防渗墙与坝体柔性连接的坝基防渗技术；消能防冲是采用在消力池尾坎底板下部设垂直防冲墙以解决下游河床深厚砂砾石层不断被掏刷的问题。与现有技术相比，本发明有效解决深厚砂卵砾石层上重力坝坝基存在的承载力不足、变形过大、渗透性强、易淘刷破坏等关键问题，有利于减少弃渣场征地和水保措施，有利于节省工程投资、保护生态环境。

Description

一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法及其结构

技术领域

本发明涉及一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法及其结构，属于水利水电工程技术领域。

背景技术

重力坝是国内外水利水电工程中广泛应用的坝型，通常建在新鲜完整的弱风化～微风化岩基上，坝体越高，对地基的要求越高。多数坝基河床都有第四纪砂卵砾石冲积层分布，对于覆盖层厚度不大的情况，一般将覆盖层挖除，清除表面风化破碎基岩，然后将重力坝建在新鲜、完整的基岩上。但在实际工程中，经常遇到坝基河床分布深厚覆盖层情况，如将覆盖层完全挖除，导致深基坑支护及排水难度大，工期较长，工程投资大，且大量弃渣对环境保护非常不利；如选用土石坝，在河谷狭窄的河道上，则可能存在泄洪建筑物布置难度太大等问题。

国内外在深厚覆盖层上修筑重力坝的工程实例较少，目前规程规范尚无覆盖层上修筑重力坝的设计标准。在覆盖层上修筑重力坝主要存在以下工程难点：

一是相对于岩基，砂卵砾石覆盖层一般较为松散，允许不均匀系数和承载力较小，抗剪强度较低，坝基存在承载力低、变形大及抗滑稳定性差等问题。

二是砂卵砾石渗透性较强，坝基防渗体系成功与否不仅会影响水库的蓄水效益，更直接关系到坝体和水库的安全运用。

三是砂卵砾石结构松散，物理力学性质均匀性差，可靠的下游消能防冲设施尤为重要，处理不当将导致地基冲刷破坏，进而威胁大坝和整个枢纽安全。

在现有技术中，涉及在深厚覆盖层上修筑大坝的专利文献主要有：由长江勘测规划设计研究有限责任公司申请的发明专利(公开号为:CN102852121A)公开了一种深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，它包括基岩(1)，位于基岩(1)上的覆盖层(2)，反滤层(4)的外侧为过滤层(5)，过滤层(5)的外侧为堆石(6)，所述的堆石(6)、过滤层(5)、反滤层(4)、心墙(3)组成坝体，所述的覆盖层(2)厚度大于50米，在所述的覆盖层(2)内有混凝土盖板(7)，所述的坝体高度大于150米。该申请可以避免覆盖层全挖方案带来的开挖工程量大、导流工程规模增加、弃渣场规模增大、工程施工工期延长、工程投资增加等不足。该方案采用在混凝土盖板廊道内进行防渗墙施工和覆盖层的加固灌浆施工，坝体填筑施工可同步进行，有效缩短了施工工期。

又有，由中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司申请的发明专利(公开号为：CN105089012A)公开了一种深厚覆盖层上建重力坝的方法及拱上混凝土重力坝结构，它先对深厚覆盖层(3)进行强夯处理和固结灌浆处理，然后在处理后的深厚覆盖层(3)上设置拱型混凝土底座(1)，拱型混凝土底座(1)的拱端布置在两岸基岩(4)上，然后在拱型混凝土底座(1)上设置重力坝(2)，使重力坝(2)与拱型混凝土底座(1)整体浇筑，且不设置结构缝。该方案主要是利用拱形混凝土底座的两拱端支撑在两岸的基岩上，使该结构应力由拱跨支撑至两端基岩，拱座及上部坝体连成整体，依靠两端建基面及底部拱端提供的抗力满足抗滑稳定要求。

然而以上现有技术都未能考虑到以下问题：重力坝坝基应力较大，而深厚砂卵砾石覆盖层一般承载力低，渗透性强，不满足重力坝建坝需要，处理不好将影响大坝稳定安全。其次由于因河谷较窄，消力池下游河道流速较高，而河床砂砾石覆盖层较厚，水流可能引起溯源冲刷从而破坏消力池的稳定性，严重危及泄水闸(坝)的安全。另外，由于混凝土重力坝刚度较大，且存在一定的沉降变形，而砂卵砾石地基中的混凝土防渗墙是相对柔性的，如果两者间的连接处理不好会造成导致坝基防渗系统失效，进而危及大坝的安全。

发明内容

为克服上述现有技术的不足之处，本发明提供一种深厚砂卵砾石覆盖层上修筑重力坝的方法及其结构，以解决深厚砂卵砾石层上重力坝坝基存在的变形不均匀、承载力不足、渗透性强、易淘刷破坏等工程难点。

本发明是这样实现的：

首先，本发明提出了一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，该方法包括坝基加固、坝基防渗及消能防冲；其中，坝基加固是采用振冲加固技术来实现深厚砂卵砾石坝基加固处理；坝基防渗是采用基于防渗墙与坝体柔性连接的坝基防渗技术；消能防冲是采用在消力池尾坎底板下部设垂直防冲墙以解决下游河床深厚砂砾石层不断被掏刷的问题。

采用该方法构建的深厚覆盖层上修筑重力坝的结构，包括混凝土结构的重力坝，在重力坝上游设有水平盖板和垂直向下设置的防渗墙，防渗墙顶部与重力坝的坝底相接，防渗墙底部穿透覆盖层至基岩；在所述重力坝的下游依次设有消力池、消力池尾坎和下游护坦；在消力池尾坎底板下部设有垂直向下设置的防冲墙，防冲墙顶部与消力池尾坎底板连接，防冲墙底部穿透覆盖层至基岩；在覆盖层上方设有振冲桩，在振冲桩之间形成加密土体。

本发明关键技术之一是采用振冲加固技术来实现深厚砂卵砾石坝基加固处理，提高坝基砂卵砾石密实度，减小坝基不均匀性，提高坝基承载力，相应提高坝基抗滑稳定。本发明不开挖深厚砂卵砾石覆盖层，简单清基清表后在覆盖层上布置振冲桩，通过振冲桩加密上层松散的砂卵砾石坝基。

作为一种优选方案，前述振冲桩一般按边长(a)为2m～3m的等边三角形布置，处理范围为建筑物基础再向外扩展5m～10m，桩底穿透上层松散的砂卵砾石覆盖层，深度不小于最大坝高的1/2。在施工中可根据实际情况对振冲桩布置做适当调整以达到要求的振冲加密效果。振冲桩施工须采用大功率液压振冲设备，油压、水压、留振时间等参数根据现场试验确定。

本发明关键技术之二是基于防渗墙与坝体柔性连接的坝基防渗技术。即坝踵下部设置垂直防渗墙，防渗墙顶部与坝底相接，墙底穿透覆盖层层至基岩，基岩下部再进行帷幕灌浆。该技术的关键措施为防渗墙与坝体之间采用柔性连接，止水采用变形性能较好的材料及型式，以此可以更好地解决坝体与基础的变形协调问题。混凝土坝刚度较大，且存在一定的沉降变形，而砂卵砾石地基中的混凝土防渗墙是相对柔性的，如果两者间的连接处理不好会造成导致坝基防渗系统失效，进而危及大坝的安全。该技术可以解决以上问题。

作为一种优选方案，前述防渗墙采用钢筋混凝土结构型式，厚度0.6～1.2m，从下到上分两次浇筑。先浇筑下部墙体，待混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶0.5m，设置键槽，再浇筑上部墙体至设计高程。

作为一种优选方案，前述防渗墙与坝底之间缝面采用柔性连接，接触缝面设置为弧形，以满足细微变形需要，并在上游面及顶部各设置一道橡胶止水，预埋在防渗墙与坝底混凝土内，其余缝隙面采用沥青麻丝等填缝材料填充密实。

本发明关键技术之三为砂卵砾石河床上的消能防冲技术。因河谷较窄，消力池下游河道流速较高，而河床砂砾石覆盖层较厚，水流可能引起溯源冲刷从而破坏消力池的稳定性，严重危及泄水闸(坝)的安全。本发明采用在消力池尾坎底板下部设垂直防冲墙，以解决下游河床深厚砂砾石层不断被掏刷，掏空后影响消力池基础安全，进而威胁整个枢纽安全的问题。

作为一种优选方案，前述防冲墙采用钢筋混凝土结构，厚0.6～1.0m，墙顶与消力池底板嵌套连接，墙底穿透砂卵砾石层至基岩。防冲墙浇筑至消力池底高程以上约1.5m，待墙身混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶0.5m，修整形成接头与消力池底板进行嵌套连接，墙顶与消力池底板之间缝隙采用沥青麻丝填充。

与现有技术相比，本发明有效解决深厚砂卵砾石层上重力坝坝基存在的承载力不足、变形过大、渗透性强、易淘刷破坏等关键问题，具有如下有益效果：

(1)大坝坝基只进行清表，不开挖深厚覆盖层，避免强透水地基的深基坑开挖、支护及排水。

(2)大大减少工程开挖弃渣，减少混凝土用量，有效解决弃渣场征地和水土保持等问题，有利于保护生态环境。

(3)坝体浇筑上升高度速度快，度汛安全更加有保障。

(4)有效缩短工期，节省工程投资。

附图说明

图1是本发明重力坝及基础纵剖面图；

图2是防渗墙与坝底柔性连接大样图；

图3是防冲墙与消力池底板连接大样图；

图4是振冲桩平面布置大样图；

附图标记说明：1-防渗墙、2-水平盖板、3-重力坝、4-消力池、5-消力池尾坎、6-防冲墙、7-振冲桩、8-覆盖层、9-基岩、10-橡胶止水一、11-沥青麻丝一、12-橡胶止水二，13-凿毛键槽、14-现浇墙体、15-凿除端头、16-沥青麻丝二、17-下游护坦、18-加密土体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明是这样实施的：

如图1所示，本发明的重力坝顺水流向布置为：从上游至下游依次为水平盖板2、防渗墙1、重力坝3、消力池4及消力池尾坎5、下游护坦18、振冲桩7、防冲墙6。重力坝3的坝体结构与一般重力坝相同，在此不再赘述。

如图1、图4所示，本发明的实施过程包括如下步骤：第一步，先清理原河床坝基范围内的朽木、杂物等，清除岸坡上表层草皮和植物根系、生活及工业垃圾等。第二步，在河床覆盖层坝基上放样布置桩点，采用振冲器造孔振冲桩7，振冲器造孔至设计深度时，向孔内添加石料送至孔底，然后开始振冲加密施工；为保证孔内有0.5m加密桩体的加料量，每次提升振冲器应在1.5～2.0m左右。

单个桩采用连续填料制桩工艺。制桩时应连续施工，加密从孔底开始，逐段向上，中间不得漏振。当达到规定的加密油压和留振时间后，将振冲器上提继续进行下一段加密，每段加密长度应符合要求。重复该步骤，自下而上，直至加密到设计要求桩顶标高，然后进行下一桩施工。

如图1所示，为节省工程投资，对于坝基覆盖层8，振冲加密深度h1按不低于坝高h0的一半控制，即h1≥0.5h0，剩余覆盖层厚度h2若小于5m，则将覆盖层8全部振冲加密，即振冲桩7桩底延伸至基岩9。具体振冲加密深度根据地质情况及振冲试验检测成果适当调整。

如图1、图2所示，施工防渗墙1时，采用钢筋混凝土结构型式，从下到上分两次浇筑。先浇筑下部墙体至坝底高程以下1m，待混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶0.5m，设置凿毛键槽13，再浇筑上部墙体至设计高程。

如图2所示，防渗墙1的现浇墙体14与重力坝3底板之间缝面采用柔性连接，接触面为弧形以适应轻微变形需要，上游面布置一道橡胶止水一10，顶部布置一道橡胶止水二12，橡胶止水一10与橡胶止水二12需预埋在防渗墙1的现浇墙体14与重力坝3底板混凝土之内，其余缝隙采用沥青麻丝一11作为填缝材料填充密实。

如图3所示，施工防冲墙6与消力池尾坎5底板的接头时，先浇筑防冲墙6至消力池4底高程以上约1.5m，待墙身混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶的凿除端头15，修整形成接头与消力池4底板进行嵌套连接，再浇筑消力池尾坎5混凝土，墙顶与消力池4底板混凝土之间采用沥青麻丝二16填充。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：包括坝基加固、坝基防渗及消能防冲的方法；所述坝基加固是采用振冲加固技术来实现深厚砂卵砾石坝基加固处理；所述坝基防渗是采用基于防渗墙(1)与坝体柔性连接的坝基防渗技术；所述消能防冲是采用在消力池尾坎(5)底板下部设垂直防冲墙(6)以解决下游河床深厚砂砾石层不断被掏刷的问题。

2.根据权利要求1所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：所述振冲加固技术是不开挖深厚砂卵砾石覆盖层(8)，简单清基清表后在覆盖层(8)上布置振冲桩(7)，通过振冲桩(7)加密上层松散的砂卵砾石坝基。

3.根据权利要求1所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：所述基于防渗墙与坝体柔性连接的坝基防渗技术是在坝踵下部设置垂直防渗墙(1)，防渗墙(1)顶部与坝底相接，墙底穿透覆盖层(8)至基岩(9)，基岩(9)下部再进行帷幕灌浆；防渗墙(1)与坝体之间采用柔性连接，并采用变形性能好的止水材料。

4.根据权利要求3所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：所述防渗墙(1)采用钢筋混凝土结构型式，厚度0.6～1.2m，从下到上分两次浇筑；先浇筑下部墙体，待混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶0.5m，设置凿毛键槽(13)，再浇筑上部墙体至设计高程。

5.根据权利要求3所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：防渗墙(1)与坝底之间缝面采用柔性连接，接触缝面设置为弧形，以满足细微变形需要，并在上游面及顶部各设置一道橡胶止水，橡胶止水预埋在防渗墙与坝底混凝土内，其余缝隙面采用沥青麻丝一(11)作为填缝材料填充密实。

6.根据权利要求1所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的方法，其特征在于：所述垂直防冲墙(6)采用钢筋混凝土结构，厚0.6～1.0m，墙顶与消力池(4)底板嵌套连接，墙底穿透砂卵砾石层至基岩(9)；所述垂直防冲墙(6)浇筑至消力池(4)底高程以上约1.5m，待墙身混凝土强度达到80％以上后，凿除墙顶0.5m的凿除端头(15)，修整形成接头与消力池(4)底板进行嵌套连接，墙顶与消力池(4)底板之间缝隙采用沥青麻丝二(16)填充。

7.一种采用权利要求1-6中任意一项所述方法的深厚覆盖层上修筑重力坝的结构，其特征在于：包括混凝土结构的重力坝(3)，在重力坝(3)上游设有水平盖板(2)和垂直向下设置的防渗墙(1)，防渗墙(1)顶部与所述重力坝(3)的坝底相接，防渗墙(1)底部穿透覆盖层(8)至基岩(9)；在所述重力坝(3)的下游依次设有消力池(4)、消力池尾坎(5)和下游护坦(17)；在所述消力池尾坎(5)底板下部设有垂直向下设置的防冲墙(6)，防冲墙(6)顶部与所述消力池尾坎(5)底板连接，防冲墙(6)底部穿透覆盖层(8)至基岩(9)；在覆盖层(8)上方设有振冲桩(7)，在振冲桩(7)之间形成加密土体(8)。

8.根据权利要求7所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的结构，其特征在于：所述基岩(9)下部设有灌浆帷幕。

9.根据权利要求7所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的结构，其特征在于：所述防渗墙(1)采用现浇墙体(14)，现浇墙体(14)与重力坝(3)底板之间缝面采用柔性连接，接触面为弧形，上游面布置一道橡胶止水一(10)，顶部布置一道橡胶止水二(12)，橡胶止水一(10)与橡胶止水二(12)预埋在现浇墙体(14)与重力坝(3)底板混凝土之内，其余缝隙采用沥青麻丝一(11)填缝材料填充密实。

10.根据权利要求7所述的深厚覆盖层上修筑重力坝的结构，其特征在于：所述防冲墙(6)的墙顶与消力池(4)底板混凝土之间采用沥青麻丝二(16)填充。

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