CN111501659A - 一种寒区水库大坝防冻结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种寒区水库大坝防冻结构及其施工方法，属于水库大坝防冻技术领域。大坝防冻结构包括坝体和多个重力热管。坝体具有迎水面，多个重力热管沿坝体的沿岸间隔布置于坝体。重力热管包括位于下部的蒸发段和位于上部的冷凝段。通过重力热管的高效传热特性能够在冷季将库水下部坝体及库水热量传递至坝体上部，有效防止坝体的冻结，保障了寒区水库大坝安全运营，延长了坝体的使用寿命。

Description

一种寒区水库大坝防冻结构及其施工方法

技术领域

本申请涉及水库大坝防冻技术领域，具体而言，涉及一种寒区水库大坝防冻结构及其施工方法。

背景技术

土石坝由于筑坝材料丰富、施工速度快、结构相对简单、造价低等优点得到了广泛的应用，土石坝多为混凝土面板坝。但是，在寒区由于复杂气候的影响下，水库大坝冻害问题十分突出，对寒区水库大坝安全运营产生极大的威胁，留下安全隐患。

寒区水库大坝冻害防治技术研究是保障水库大坝安全、稳定运营必须解决的关键技术问题。现有寒区水库大坝冻害防治技术中保温防冻是在水库大坝修建中采用的，保温材料随时间增长强度的劣化会对水库安全运营埋下隐患。

发明内容

本申请实施例提供一种寒区水库大坝防冻结构及其施工方法，以改善采用保温防冻方式存在安全隐患的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种寒区水库大坝防冻结构，包括：

坝体，所述坝体具有迎水面，以及

沿所述坝体的沿岸间隔布置于所述坝体内的多个重力热管，所述重力热管包括位于下部的蒸发段和位于上部的冷凝段。

上述技术方案中，重力热管是一种高效传热元件，其主要依靠内部工质的气、液相变和重力回流传输热量。在冷季，当重力热管下部的蒸发段附近的土体温度高于上部的冷凝段附近土体的温度时，重力热管中的工质在蒸发段受热后蒸发为蒸汽，在压差作用下蒸汽向上流动上升至冷凝段，在冷凝段放热冷凝变成液体，在重力作用下回流至蒸发段，完成一个工作循环。通过工质的不断汽化吸热-冷凝放热，从而源源不断地将重力热管下部的蒸发段附近坝体和库水的热量传递至库水位以上的坝体中，有效防止坝体的冻结，保障了水库大坝安全运营，延长了坝体的使用寿命。在暖季，当重力热管下部的蒸发段附近的土体温度不高于上部的冷凝段附近土体温度时，重力热管便停止工作。

另外，本申请实施例的寒区水库大坝防冻结构还具有如下附加的技术特征：

在本申请的一些实施例中，所述重力热管沿所述迎水面的倾斜方向布置于所述坝体内。

上述技术方案中，重力热管沿迎水面的倾斜方向布置于坝体内，即重力热管的倾斜角度与坝体的迎水面的倾斜角度一致，使得重力热管平行于坝体的迎水面，重力热管的蒸发段能够很好地吸收蒸发段附近坝体和库水的热量，重力热管的冷凝段能够很好地向冷凝段附近坝体释放热量。

在本申请的一些实施例中，所述冷凝段设有散热片。

上述技术方案中，冷凝段设置散热片，可提高冷凝段的冷凝散热能力。

在本申请的一些实施例中，所述坝体包括：

坝本体，所述坝本体具有坡面，所述重力热管布置于所述坝本体内；

设于所述坡面的防渗透层，以及

设于所述防渗透层的上表面的加固层。

上述技术方案中，防渗透层具有防渗透能力，防止库水渗透至坝本体中；加固层对坝本体可起到加固作用，提高整个坝体的防渗能力和抗冻能力。

在本申请的一些实施例中，所述防渗透层为土工膜。

上述技术方案中，防渗透层采用土工膜，土工膜成本低，具有很好的防渗能力。

在本申请的一些实施例中，所述加固层包括浇筑于所述防渗透层的上表面的多个混凝土面板，每相邻的两个混凝土面板之间存在间隙。

上述技术方案中，每相邻的两个混凝土面板之间存在间隙，可有效避免因热胀冷缩而造成加固层开裂的现象。

在本申请的一些实施例中，所述间隙内填充有嵌缝材料。

上述技术方案中，两个混凝土面板之间的间隙内填充嵌缝材料，可有效避免库水从两个混凝土面板之间的间隙向内渗透。

在本申请的一些实施例中，所述坡面上设有容纳槽，所述重力热管设于所述容纳槽内，所述容纳槽内填充有土石料。

上述技术方案中，容纳槽内填充的土石料对重力热管起到固定作用，重力热管的冷凝段所释放的热量可通过土石料向库水位以上的坝体传递。

第二方面，本申请实施例提供一种寒区水库大坝防冻结构的施工方法，所述方法包括：

将重力热管铺设于坝本体的坡面以下；

在坡面上铺设防渗透层；

在防渗透层的上表面浇筑加固层。

上述技术方案中，重力热管铺设于坝体的坡面以下，坡面上的防渗透层可起到防渗透作用，防渗透层的上表面浇筑的加固层可起到加固作用。通过重力热管内工质的不断汽化吸热-冷凝放热，从而源源不断地将重力热管下部的蒸发段附近坝体和库水的热量传递至库水位以上的坝体中，以达到防冻目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的寒区水库大坝防冻结构的结构示意图；

图2为图1所示的重力热管的铺设示意图；

图3为本申请实施例提供的寒区水库大坝防冻结构重力热管的铺设示意图；

图4为图3所示的a-a断面温度场分布图；

图5为图3所示的b-b断面温度场分布图。

图标：100-寒区水库大坝防冻结构；10-坝体；11-迎水面；12-坝本体；121-坡面；1211-容纳槽；13-防渗透层；14-加固层；141-混凝土面板；142-嵌缝材料；20-重力热管；21-蒸发段；22-冷凝段；30-保温板；A-库水位。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

实施例

本申请实施例提供一种寒区水库大坝防冻结构100，利用重力热管20可有效的将库水位以下坝体10和库水的热量传递至库水位以上的坝体10中，以防止坝体10冻结。以下结合附图对寒区水库大坝防冻结构100进行详细阐述。

如图1所示，寒区水库大坝防冻结构100包括坝体10和多个重力热管20。坝体10具有迎水面11，多个重力热管20沿坝体10的沿岸间隔布置于坝体10内，重力热管20临近于迎水面11。

重力热管20包括位于下部的蒸发段21和位于上部的冷凝段22，即蒸发段21所在的位置低于冷凝段22所在的位置。

重力热管20为一种高效传热元件，其依靠内部工质的气、液相变和重力回流传输热量。重力热管20的蒸发段21用于蒸发吸热，蒸发段21位于库水位A以下，重力热管20的冷凝段22用于冷凝放热，冷凝段22位于库水位A以上。重力热管20临近于迎水面11，保证重力热管20的蒸发段21能够很好地吸收到库水位以下坝体10和库水的热量，并保证重力热管20的冷凝段22能够很好地将热量传递给库水位以上的坝体。

在冷季，水库下部的库水为正温，重力热管20下部蒸发段21附近的土体温度高于上部冷凝段22附近土体的温度，重力热管20中的工质在蒸发段21受热后蒸发为蒸汽，在压差作用下蒸汽向上流动上升至冷凝段22，在冷凝段22放热冷凝变成液体，在重力作用下回流至蒸发段21，完成一个工作循环。通过工质的不断汽化吸热-冷凝放热，从而源源不断地将重力热管20下部蒸发段21附近坝体10和库水的热量传递至库水位以上的坝体10中，有效防止坝体10的冻结，保障了水库大坝安全运营，延长了坝体10的使用寿命。

在暖季，重力热管20下部蒸发段21附近的土体温度不高于上部冷凝段22附近土体的温度，重力热管20不工作。

重力热管20为直管，重力热管20的长度、内部的介质、充液量以及热光20直径等参数可根据坝体10的迎水面11长度以及当地的冷季气温等进行定制。重力热管20的密闭真空腔体中可注入沸点低且环保的工质，比如液氨等。

示例性的，重力热管20的直径不大于10cm。

此外，根据当地冷季气温变化情况可在重力热管20的冷凝段22设置散热片，以提高冷凝段22的冷凝散热能力。

本实施例中，重力热管20沿坝体10的迎水面11的倾斜方向布置于坝体10内，即重力热管20的倾斜角度与坝体10的迎水面11的倾斜角度一致，使得重力热管20平行于坝体10的迎水面11，重力热管20的蒸发段21能够很好地吸收蒸发段21附近坝体10和库水的热量，重力热管20的冷凝段22能够很好地向冷凝段22附近坝体10释放热量。在其他实施例中，重力热管20与迎水面11也可以呈小角度设置。

进一步地，坝体10包括坝本体12、防渗透层13和加固层14。坝本体12具有坡面121，重力热管20布置于坝本体12内并位于坡面121以下；防渗透层13设于坡面121，表面加固层14设于防渗透层13的上表面。

防渗透层13具有很好的防渗透能力，防止库水渗透至坝本体12中；加固层14对坝本体12可起到加固作用，提高整个坝体10的防渗能力和抗冻能力。加固层14的上表面即为坝体10的迎水面11。

示例性的，重力热管20所在位置距迎水面11的距离不大于200cm。

其中，坝本体12为坝体10的基础，其为土石料结构。土石料采用冷胀非敏感土体。

可选地，防渗透层13为土工膜，土工膜具有成本底、防渗能力强的优点。示例性的，土工膜采用两布一膜结构。

进一步地，加固层14包括浇筑于防渗透层13的上表面的多个混凝土面板141，每相邻的两个混凝土面板141之间存在间隙。这种结构可有效地避免因热胀冷缩而造成加固层14开裂的现象。

在实际施工过程中，可通过浇筑混凝土的方式在防渗透层13的上表面形成多个混凝土面板141。示例性的，混凝土面板141的强度等级为C20-C30。

为增强混凝土面板141的抗冻性能，可在混凝土浇筑时添加玄武岩纤维等外加材料以及引气剂等外加剂。

此外，每相邻的两个混凝土面板141之间的间隙内设有嵌缝材料142，可有效避免库水从两个混凝土面板141之间的间隙向内渗透。此外，嵌缝材料可以释放由于混凝土面板141由于热胀冷缩产生的热应力。示例性的，嵌缝材料为填缝剂，具有很好的粘结性能，高温不流淌，低温不硬化，同时能够抵抗水体的长期浸泡、低温和冻融循环等引起的劣化。

如图2所示，坡面121上设有容纳槽1211，重力热管20设置于容纳槽1211内，容纳槽1211内填充有土石料。

容纳槽1211内填充的土石料对重力热管20起到固定作用，重力热管20的冷凝段22所释放的热量可通过土石料向库水位以上的坝体10传递。

在实际施工中，在对坝本体12碾压使其形成平整的坡面121后，可在坡面121上开设长条状容纳槽1211，将重力热管20埋设至容纳槽1211内后，再用土石料将容纳槽1211填满并压实。

此外，本实施例还提供一种寒区水库大坝防冻结构的施工方法，包括：

步骤S100：将重力热管20铺设于坝本体12的坡面121以下。

对坝本体12进行碾实，在坝本体12的坡面121上开设容纳槽1211，将重力热管20埋设至容纳槽1211内，并用土石料将容纳槽1211填满并压实。

步骤S200：在坡面121上铺设渗透层。

将土工膜铺设至坡面121上，使得重力热管20位于土工膜下侧。

步骤S300：在防渗透层13的上表面浇筑加固层14。

在防渗透层13的上表面进行浇筑形成多个混凝土面板141，在每相邻的两个混凝土面板141之间的间隙填充嵌缝材料142。

此外，发明人通过建立试验模型并在冻库中进行试验证明了这种寒区水库大坝防冻结构100具有很好的防冻能力。以下结合具体的试验模型进行详细阐述。

模型坝体10的尺寸为3.9m×2.0m×0.9m(长×宽×高)。混凝土面板141与坝本体12之间铺设土工膜，混凝土面板141采用强度等级为C30的混凝土浇筑，每块面板尺寸为65cm×60cm×6cm(长×宽×厚)，面板之间的缝隙通过嵌缝材料142填充。坝体10迎水面11和背水面坡度均为1:2。在坝体10库水底部布设有恒温加热设备，当水温低于4℃时，加热设备自动开启进行加热，当水温高于4℃时，加热设备停止工作，目的是使库水下部水温不低于4℃(模拟冷季水库的库水下部水温)。

如图3所示，模型的坝体10通过保温板30分隔为两部分，在保温板30的左侧布设两根长度为1.525m的重力热管20，重力热管20的直径为0.051m，壁厚为0.004m，两根重力热管20的间距为0.47m。重力热管20与保温板30的距离为0.24m。保温板30以左的坝体模拟本申请实施例提供的寒区水库大坝防冻结构100，保温板30以右的坝体模拟现有技术中的水库大坝结构。

为了展示防冻效果，以水位42cm的试验为例进行分析。图4为图3所示的a-a断面(本申请技术)温度场分布图(水位为42cm，T＝0℃，t＝106h)，图5为图3所示的b-b断面(现有技术)温度场分布图(水位为42cm，T＝0℃，t＝106h)。对比图4和图5可知，当环境温度低于库水温度时，a-a断面坝体10内土体的温度高于b-b断面。同时，a-a断面迎水面11坝体10的坡向冻结深度和长度远远小于b-b断面，这主要是因为热管可以源源不断地将库水位A以下坝体10和库水的热量传递至库水位A以上的坝体10中，防止了坝体10的冻结。

通过以上分析可以看出，本申请实施例提供的寒区水库大坝防冻结构100能够通过热管内工质的自身循环将库区水位下部坝体10及库水热量带至库水位A以上的坝体10中，有效地防止水库大坝迎水面11坝体10的冻结，减小坝体10迎水面11的冻结深度和长度，保障了寒区水库大坝安全运营，可以很好地应用于寒区水库大坝的冻害防治中。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，包括：

坝体，所述坝体具有迎水面，以及

沿所述坝体的沿岸间隔布置于所述坝体内的多个重力热管，所述重力热管包括位于下部的蒸发段和位于上部的冷凝段。

2.根据权利要求1所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述重力热管沿所述迎水面的倾斜方向布置于所述坝体内。

3.根据权利要求1所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述冷凝段设有散热片。

4.根据权利要求1所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述坝体包括：

坝本体，所述坝本体具有坡面，所述重力热管布置于所述坝本体内；

设于所述坡面的防渗透层，以及

设于所述防渗透层的上表面的加固层。

5.根据权利要求4所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述防渗透层为土工膜。

6.根据权利要求4所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述加固层包括浇筑于所述防渗透层的上表面的多个混凝土面板，每相邻的两个混凝土面板之间存在间隙。

7.根据权利要求6所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述混凝土面板之间的间隙内填充有嵌缝材料。

8.根据权利要求4所述的寒区水库大坝防冻结构，其特征在于，所述坡面上设有容纳槽，所述重力热管设于所述容纳槽内，所述容纳槽内填充有土石料。

9.一种寒区水库大坝防冻结构的施工方法，其特征在于，所述方法包括：

将重力热管铺设于坝本体的坡面以下；

在坡面上铺设防渗透层；

在防渗透层的上表面浇筑加固层。

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