深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基及施工方法

摘要

深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，它包括位于覆盖层（5）上的主堆石区（1）和次堆石区（2），在所述的主堆石区（1）的下方有混凝土盖板（4），有灌浆加固区（7）位于混凝土盖板（4）和基岩（6）之间，在所述的混凝土盖板（4）内有防渗墙施工廊道（9）和灌浆廊道（10），在防渗墙施工廊道（9）的下方有混凝土防渗墙（8），所述的混凝土防渗墙（8）穿过覆盖层（5）到达基岩（6）处，所述的覆盖层（5）的厚度大于50米。本发明技术方案避免了对覆盖层的全部挖除，从而消除了开挖工程量大、导流工程规模增加、弃渣场规模增大、工程施工工期延长等一系列不利影响。本发明还同时公开了这种人工复合地基的施工方法。

权利要求

1.深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，它包括位于覆盖层(5)上的主堆石区(1)和次堆石区(2)，主堆石区(1)和次堆石区(2)沿坝体轴线(15)分布，覆盖层(5)的下方为基岩(6)，在主堆石区(1)的斜面上有混凝土面板(3)，其特征在于在所述的主堆石区(1)的下方有混凝土盖板(4)，有灌浆加固区(7)位于混凝土盖板(4)和基岩(6)之间，在所述的混凝土盖板(4)内有防渗墙施工廊道(9)和灌浆廊道(10)，在防渗墙施工廊道(9)的下方有混凝土防渗墙(8)，所述的混凝土防渗墙(8)穿过覆盖层(5)到达基岩(6)处，所述的覆盖层(5)的厚度大于50米。

2.根据权利要求1所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的防渗墙施工廊道(9)位于混凝土盖板(4)内的上游端，位于防渗墙施工廊道(9)处的混凝土盖板(4)的上端为盖板扩大端(13)。

3.根据权利要求2所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的盖板扩大端(13)为梯形结构，梯形结构的左侧和右侧为顺坡(12)，盖板扩大端(13)的右侧与混凝土面板(3)的下端连接。

4.根据权利要求3所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的左侧顺坡的坡度为1：1，右侧顺坡的坡度为1：1.4。

5.根据权利要求1或2或3所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(4)上设置有分缝(11)，所述的分缝(11)内设置有止水。

6.根据权利要求1或2或3所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(4)的下游侧底部接有反坡(14)。

7.根据权利要求6所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的反坡(14)的坡度为1：2。

8.根据权利要求7所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的反坡(14)位于次堆石区的下方。

9.根据权利要求1或2或3所述的深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(4)的厚度为10m,防渗墙施工廊道(9)宽6米、高7米，灌浆廊道(10)宽2.5-3.0米、高3.0-3.5米。

10.深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基施工方法，其特征在于它包括如下步骤：①在干地施工条件下，清除混凝土盖板部位的部分表层覆盖层，随后采用低强度等级碾压混凝土在覆盖层上部浇筑混凝土盖板；②根据需要在混凝土盖板浇筑过程中在盖板内预留防渗墙施工廊道和覆盖层灌浆廊道，廊道采用预制结构或现浇结构，待盖板达到设计龄期后，在其上继续施工面板堆石坝的坝体填筑，③在廊道内进行防渗墙和覆盖层灌浆；④最终在深厚覆盖层上形成满足修建高混凝土面板堆石坝，包括混凝土盖板、盖板内防渗墙施工廊道、盖板内灌浆廊道、覆盖层内防渗墙、盖板下部覆盖层加固灌浆结构和措施的人工复合地基。

说明书

深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基及施工方法

技术领域

[0001] 本发明属于水利水电工程面板堆石坝筑坝技术领域，更具体地说它是一种深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，涉及到面板堆石坝地基深厚覆盖层(坝基覆盖层厚度超过50m)的处理。本发明还涉及这种人工复合地基的施工方法。

背景技术

[0002] 混凝土面板堆石坝是国内外水利水电工程中应用相当广泛的坝型，随着我国水能资源丰富的西南地区水电工程的开发，涉及到在深厚覆盖层上修建高面板堆石坝的水电工程越来越多，规模也越来越大。对河床深厚覆盖层(坝基覆盖层厚度超过50m)的利用与处理，关系到工程的安全与经济，同时对坝址、坝型选择、枢纽布置方案、工程安全及造价等均有重大影响，已成为工程建设的关键技术问题之一。目前此类工程修筑面板堆石坝时，对趾板及主堆石区深厚覆盖层地基一般采用以下方案：(1)采取覆盖层全挖除处理，将趾板修建在基岩上；(2)保留覆盖层，在覆盖层上直接建坝，将趾板置于覆盖层上，采用混凝土防渗墙进行防渗处理，防渗墙施工在覆盖层表面进行。

[0003] 但是当坝基覆盖层深厚时，两种措施都存在一定的问题和缺点。方案1(如图12所示)，采用覆盖层全挖除方案往往会带来诸多不利的影响，如覆盖层开挖引起基坑边坡过高，从而影响上游围堰背水侧边坡与基坑边坡的整体稳定性；由于覆盖层开挖工程量大，开挖工期长，对一些工程围堰由枯水期挡水需提高到全年挡水标准，导流工程规模加大；由于覆盖层开挖，围堰位置需向上游调整，对上游有溪沟的地形条件，可能会与溪沟冲突，造成围堰布置困难；覆盖层开挖工程量大、弃料多，弃渣场规模相应增大，在高山峡谷地区使弃渣场布置更加困难；覆盖层开挖深度大，下基坑的道路受纵坡影响，布置困难；开挖及其影响到的各项工程规模增大，相应工程量增加，工程投资增加。

[0004] 方案2(如图13所示)，在覆盖层上直接建坝方案，其技术可靠性还有待提高，坝高受到现有技术水平的限制，《混凝土面板堆石坝设计规范》(DL/T5016-1999)规定“中低坝的趾板可置于砂砾石地基上，高坝应经专门论证”，《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL228—98)指出：“在覆盖层上采用防渗墙对地基进行防渗处理的高面板堆石坝，其技术还有待进一步提高和发展”。目前在覆盖层上直接建坝的高面板堆石坝基本处于一百米级水平，如：
1999年智利在113m深的覆盖层上修建了83m高的普克那罗(Puclam)坝，2008年中国在
47m深的覆盖层上建成了坝高107.6m的察汗乌苏水电站等。在深厚覆盖层上建造混凝土面板堆石坝面临的问题比在基岩上建坝更为复杂，在坝体填筑荷载和水压力作用下覆盖层会产生较大的沉降和不均匀沉降，随着覆盖层深度和坝体规模的增加，坝体变形不协调、面板与坝体之间变形不协调、防渗墙应力变形性状差等问题更加突出，容易导致坝体变形过大、面板脱空、面板裂缝、止水失效等，甚至导致面板、防渗墙、连接板断裂及大量漏水和坝基渗水，对坝体和坝基产生渗透破坏，影响大坝的安全运行。

发明内容

[0005] 本发明的第一目的在于克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，

[0006] 本发明的第二目的涉及深厚覆盖层上修建面板堆石坝人工复合地基的施工方法。

[0007] 本发明的第一目的是通过如下措施来达到的：深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，它包括位于覆盖层上的主堆石区和次堆石区，主堆石区和次堆石区沿坝体轴线分布，覆盖层的下方为基岩，在主堆石区的斜面上有混凝土面板，其特征在于在所述的主堆石区的下方有混凝土盖板，有灌浆加固区位于混凝土盖板和基岩之间，在所述的混凝土盖板内有防渗墙施工廊道和灌浆廊道，在防渗墙施工廊道的下方有混凝土防渗墙，所述的混凝土防渗墙穿过覆盖层到达基岩处，所述的覆盖层的厚度大于50米。

[0008] 在上述技术方案中，所述的防渗墙施工廊道位于混凝土盖板内的上游端，位于防渗墙施工廊道处的混凝土盖板的上端为盖板扩大端。

[0009] 在上述技术方案中，所述的盖板扩大端为梯形结构，梯形结构的左侧和右侧为顺坡，盖板扩大端的右侧与混凝土面板的下端连接。

[0010] 在上述技术方案中，所述的左侧顺坡的坡度为1：1，右侧顺坡的坡度为1：1.4。

[0011] 在上述技术方案中，所述的混凝土盖板上设置有分缝，所述的分缝内设置有止水。

[0012] 在上述技术方案中，所述的混凝土盖板的下游侧底部接有反坡。

[0013] 在上述技术方案中，所述的反坡的坡度为1：2。

[0014] 在上述技术方案中，所述的反坡位于次堆石区的下方。

[0015] 在上述技术方案中，所述的混凝土盖板的厚度为10m,防渗墙施工廊道宽6米、高7米，灌浆廊道宽2.5-3.0米、高3.0-3.5米。

[0016] 本发明的第二目的是通过如下措施来达到的：深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基施工方法，其特征在于它包括如下步骤：①在干地施工条件下，清除混凝土盖板部位的部分表层覆盖层，随后采用低强度等级碾压混凝土在覆盖层上部浇筑混凝土盖板；②根据需要在混凝土盖板浇筑过程中在盖板内预留防渗墙施工廊道和覆盖层灌浆廊道，廊道采用预制结构或现浇结构，待盖板达到设计龄期后，在其上继续施工面板堆石坝的坝体填筑，③在廊道内进行防渗墙施工和覆盖层灌浆；④最终在深厚覆盖层上形成满足修建高混凝土面板堆石坝，包括混凝土盖板、盖板内防渗墙施工廊道、盖板内灌浆廊道、覆盖层内防渗墙、盖板下部覆盖层加固灌浆结构和措施的人工复合地基。

[0017] 采用本发明对某水电站面板堆石坝方案进行了技术研究和测试，该工程覆盖层厚约100m，不计覆盖层坝高约235m，具有在深厚覆盖层上修建高面板堆石坝的代表性，分析采用河海大学自主开发的SDAS程序计算，该软件已经成功应用于国内数座面板堆石坝的计算分析。通过研究分析本发明技术方案其优点及积极效果如下：

[0018] (1)本技术方案避免了对覆盖层的全部挖除，从而消除了开挖工程量大、导流工程规模增加、弃渣场规模增大、工程施工工期延长等一系列不利影响。对于某水电站减少覆盖层开挖工程量达2000多万m3，缩短施工工期约1年。

[0019] (2)混凝土盖板对上覆坝体有一定的顶托作用，可有效减小上覆堆石体的沉降，起到协调盖板范围内坝体变形的效果，使得变形更加均匀。随着盖板宽度范围增加，沉降分布越均匀，改善效果越好。

[0020] (3)覆盖层加固灌浆后对坝体沉降，尤其是建基面盖板部位沉降分布具有明显效果，随着模量提高得越高，改善效果越好。

[0021] (4)混凝土盖板和覆盖层加固灌浆可明显改善堆石体各区的变形协调、堆石坝体变形与面板变形的协调，减小面板垫层料的亏坡值，减小面板顺坡向挤压力，改善面板所处的应力状态，从而避免面板脱空、面板裂缝、止水失效等问题出现。

[0022] (5)覆盖层加固灌浆可以改善防渗墙应力，对防渗墙穿过的黏土层段的灌浆加固尤为重要；加固灌浆对降低防渗墙运行及竣工期的水平位移具有显著效果，且模量提高越高，效果越明显。

[0023] (6)本发明通过混凝土盖板内部预留廊道形成施工平台，在平台内进行防渗墙及覆盖层灌浆施工，平台上部坝体填筑施工同步进行，避免了现有技术方案在覆盖层表面进行防渗墙施工对坝体填筑施工的影响，有效节约了工程施工工期。廊道不仅用于施工期，在坝体运行期间还可用于安全观测等用途，并为后期坝基或防渗系统加固补遗留下施工平台。

[0024] (7)本发明所关注的坝体变形协调、防渗墙应力位移等是混凝土面板堆石坝建坝的核心技术问题，深厚覆盖层上修建混凝土面板堆石坝的人工复合地基所具有的减小与协调坝体变形、降低防渗墙应力与水平位移的工程效果，有益于现有建坝水平的发展，超越现有在深厚覆盖层上直接建高面板堆石坝的一百米级技术水平。

附图说明

[0025] 图1-1、图1-2为沉降梯度随着盖板宽度变化关系图；

[0026] 图2-1、图2-2为沉降梯度随着覆盖层模量提高的变化图；

[0027] 图3-1、图3-2为是坝体建基面高程沉降随模量变化关系图。

[0028] 图4-1、图4-2为1/2坝高高程沉降随模量变化关系图；

[0029] 图5为垫层料最大亏坡值与盖板宽度和变形模量改变的关系图；

[0030] 图6为面板顺坡向应力与盖板宽度和变形模量改变的关系图；

[0031] 图7-1、图7-2为防渗墙大主应力沿高程分布图；

[0032] 图8-1、图8-2为防渗墙水平位移沿高程分布关系图；

[0033] 图9为本发明人工复合地基断面示意图；

[0034] 图10为本发明人工复合地基剖面图(A-A)；

[0035] 图11为本发明人工复合地基平面图(B-B)；

[0036] 图12为现有的方案1覆盖层挖除方案断面示意图；

[0037] 图13为现有的方案2覆盖层直接建坝方案断面示意图。

[0038] 图中1.主堆石区,2.次堆石区,3.混凝土面板,4.混凝土盖板,5.覆盖层,6.基岩,7.灌浆加固区,8.混凝土防渗墙,9.防渗墙施工廊道(或称施工廊道),10.灌浆廊道,11.分缝,12.顺坡,13.盖板扩大端,14.反坡,15.坝体轴线,16.槽口。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图详细说明本发明的的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

[0040] 如图1-1、图1-2所示：分析计算时假设人工复合地基方案的覆盖层模量均提高3倍，盖板宽度考虑为无盖板、0.5倍、1倍和1.5倍Bz(坝脚至坝轴线的水平距离)的不同情况，计算结果以沉降梯度(有限元网格中坝脚处与盖板下游边缘同一高程上每两个节点的沉降在顺河方向上变化梯度的平均值)来表示，沉降梯度越大表明该区域内堆石体的沉降越不均匀，变形差异越大。图1为沉降梯度随着盖板宽度变化关系，竣工期在距坡脚0.5倍的Bz处，无盖板方案下沉降梯度为0.013，盖板宽度增加到1.5倍的Bz时，沉降梯度减至0.054；在距坝脚1.0倍的Bz处，无盖板方案下沉降梯度为0.010，盖板宽度为1.0倍的Bz时，沉降梯度为0.006。蓄水期也有类似的结果。计算结果表明，随着盖板宽度增加，沉降梯度逐渐减小。

[0041] 如图2-1、图2-2所示，分析计算盖板宽度按1.0倍Bz考虑，覆盖层变形模量考虑不提高、提高1倍、提高2倍、提高3倍不同方案。距离坝脚0.5Bz位置不提高时沉降梯度为0.013，提高至3倍时沉降梯度减小至0.005。距离坝脚1.0Bz位置沉降梯度从不提高时的0.010减小至模量提高三倍时的0.006。在距离坝脚1.5Bz位置范围内，沉降梯度随着模量的提高而稍有增加，主要是因为堆石体的沉降在盖板范围以外基本无变化。计算结果表明，沉降梯度平均值随着覆盖层模量的提高而减小。

[0042] 如图3-1、图3-2所示，盖板不处理方案沉降最大，模量提高后的盖板范围，沉降明显减小，且模量提高越高，盖板部位沉降越小，当模量提高到三倍后，沉降最大值约为2.9m左右，而不处理方案约为3.5m。不论是竣工期还是蓄水期，本发明技术方案在覆盖层加固灌浆后可以明显改善盖板部位沉降量，两者最大相差1.4m左右。

[0043] 如图4-1、图4-2所示，1/2坝高高程沉降随模量变化的分布情况，与建基面沉降分布图比较，1/2坝高处不同模量提高倍数直接沉降的差别变小，说明覆盖层灌浆加固对坝体部分的影响随着坝高的上升会减弱(蓄水期和竣工期情况基本相同)。

[0044] 如图5所示：做了盖板后各种方案下垫层料最大亏坡值变化范围为24cm-52m，而将坝体直接建基在覆盖层上最大亏坡值为53cm。因此对于垫层料的最大亏坡值，各种盖板方案均比直接建基在覆盖层上方案改善明显。计算结果表明覆盖层变形模量改变对垫层料最大亏坡值影响不大，盖板宽度对垫层料最大亏坡值影响较大、敏感性较高。总体来说，盖板宽度越宽，覆盖层变形模量提高越高，垫层料最大亏坡值越小。

[0045] 说明：垫层料的亏坡值可在一定程度上反映堆石坝体变形与面板变形的协调，亏坡是指在堆石坝体填筑过程中由于不均匀沉降导致坝坡面产生凹向坝体内部的变形，亏坡值就是在面板铺设前原有坝坡面与现有坝坡面法向变形的差值。

[0046] 图6是面板顺坡向应力与盖板宽度和变形模量改变的关系。将坝体直接建基在覆盖层上，计算得出面板顺坡向应力15.78MPa。做了盖板后，各种方案下面板顺坡向应力最小值为1.41MPa，最大值为12.53MPa，比直接建基在覆盖层上方案改善明显。在同一盖板宽度下，模量提高倍数在1.5倍以下时，面板顺坡向应力随着模量提高降低得较为明显，达到1.5倍后，模量的提高对顺坡向应力影响已很小。在同一变形模量提高倍数下，随着盖板宽度增加，顺坡向应力减小，特别是在提高1倍以后，影响更为明显。

[0047] 总体来说，顺坡向应力对覆盖层变形模量提高倍数更加敏感。盖板宽度越宽，覆盖层变形模量提高越高，顺坡向应力越小，对面板安全运行越有利。坝体在顺坡向变形远大于面板在顺坡向变形，导致坝体对面板产生摩擦力，摩擦力引起顶部面板产生顺坡向拉应力，底部面板产生顺坡向压应力，若顺坡向应力超过面板混凝土的允许强度，则产生拉裂缝或者挤压破坏。

[0048] 图7-1、图7-2为防渗墙上游侧大主应力沿深度的分布，参阅图7-1、图7-2可以看出，竣工期防渗墙的大主应力值较小，且与覆盖层模量的提高关系不大。蓄水期，防渗墙上部大主应力随着灌浆区域覆盖层弹性模量的提高而减小，特别是高程1825m-1840m段覆盖层为黏土，弹性模量较其他段(砂卵砾石)低，模量的提高能明显改善防渗墙的受力条件；1824m高程其下部分为较坚硬的砂卵砾石，且没有进行加固灌浆，故变化不大。

[0049] 图8-1、图8-2为随着模量改变防渗墙水平位移沿深度的分布。从8-1、图8-2可以看出，竣工期，防渗墙的水平位移偏向上游侧，这是因为坝体大部分重量施加在盖板上方的后缘，防渗墙上游侧承受的侧向土压力小于下游侧坝基的侧向土压力，使防渗墙出现向上游侧的水平位移。在1824m高程以上，随着模量提高水平位移明显减小，从0.7m减至0.3m；在1824m高程以下，模量并未改变，对水平位移的影响不大。蓄水期，防渗墙由于受到水压力作用，出现向下游侧的位移。由于1824m高程以下覆盖层未进行加固处理，此部位防渗墙的水平位移未受到覆盖层加固灌浆的影响，1824m高程以上防渗墙随着覆盖层加固灌浆模量的提高，水平位移变小，不处理情况下防渗墙水平位移最大值有0.9m，当覆盖层模量提高三倍后，防渗墙水平位移减小到0.7m，加固灌浆对改善防渗墙蓄水期水平位移效果明显。

[0050] 参阅图9、图10、图11所示，本发明深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基，它包括位于覆盖层5上的主堆石区1和次堆石区2，主堆石区1和次堆石区2沿坝体轴线15分布，覆盖层5的下方为基岩6，在主堆石区1的斜面上有混凝土面板3，其特征在于在所述的主堆石区1的下方有混凝土盖板4，有灌浆加固区7位于混凝土盖板4和基岩6之间，在所述的混凝土盖板4内有防渗墙施工廊道9和灌浆廊道10，在防渗墙施工廊道9的下方有混凝土防渗墙8，所述的混凝土防渗墙8穿过覆盖层5到达基岩6处，所述的覆盖层5的厚度大于50米。所述的防渗墙施工廊道9位于混凝土盖板4内的上游端，位于施工廊道9处的混凝土盖板4的上端为盖板扩大端13。所述的盖板扩大端13为梯形结构，梯形结构的左侧和右侧为顺坡12，盖板扩大端13的右侧与混凝土面板3的下端连接。所述的左侧顺坡的坡度为1：1，右侧顺坡的坡度为1：1.4。所述的混凝土盖板4上设置有分缝11，所述的分缝11内设置有止水。所述的混凝土盖板4的下游侧底部接有反坡14。所述的反坡
14的坡度为1：2。所述的反坡14位于次堆石区2的下方。所述的混凝土盖板4的厚度为
10m,施工廊道9宽6米、高7米，灌浆廊道10宽2.5-3.0米、高3.0-3.5米。

[0051] 本发明深厚覆盖层上修建面板堆石坝的人工复合地基施工方法，其特征在于它包括如下步骤：①在干地施工条件下，清除混凝土盖板部位的部分表层覆盖层，随后采用低强度等级碾压混凝土在覆盖层上部浇筑混凝土盖板；②根据需要在混凝土盖板浇筑过程中在盖板内预留防渗墙施工廊道和覆盖层灌浆廊道，廊道采用预制结构或现浇结构，待盖板达到设计龄期后，在其上继续施工面板堆石坝的坝体填筑，③在廊道内进行防渗墙和覆盖层灌浆；④最终在深厚覆盖层上形成满足修建高混凝土面板堆石坝，包括混凝土盖板、盖板内防渗墙施工廊道、盖板内灌浆廊道、覆盖层内防渗墙、盖板下部覆盖层加固灌浆结构和措施的人工复合地基。

[0052] 其它未说明的部分均为现有技术。