狭窄河谷地形高面板堆石坝

摘要

本发明提供一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，在堆石区的上游侧沿坡面设有过渡区，过渡区上游侧沿坡面设有垫层区，垫层区上设有混凝土面板；在混凝土面板底部端头设有趾板，趾板与过渡区之间设有特殊垫层区；在混凝土面板下段的位置的表面还设有铺盖区，铺盖区之上设有盖重区；堆石区的下游侧沿坡面设有护坡。通过采用上述的方案，能够避免堆石区对混凝土面板应力、变形形态的影响。采用的铺盖区的盖重区结构，能够控制混凝土面板的变形，并辅助提高大坝的防渗性能。

权利要求

1.一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，其特征是：在堆石区（6）的上游侧沿坡面设有过渡区（5），过渡区（5）上游侧沿坡面设有垫层区（3），垫层区（3）上设有混凝土面板（8）；

在混凝土面板（8）底部端头设有趾板（9），趾板（9）与过渡区（5）之间设有特殊垫层区（4）；

所述的垫层区（3）的垫层料采用弱风化或新鲜的灰岩料人工轧制料；石料应呈粒状颗粒，避免采用软弱、片状、针状颗粒，饱和抗压强度应大于60Mpa，软化系数应大于0.8；

垫层料的最大粒径为80mm，小于5mm颗粒的含量控制在35％～50％，小于0.075mm颗粒-3 -4的含量控制在4％～8％；渗透系数控制在1×（10 ～10 ）cm/s；设计孔隙率不大于17％，相应干密度不小于2.34g/cm3，相对密度Dr不小于0.90；

所述的过渡区（5）的过渡料采用弱风化或新鲜的灰岩洞渣料，避免采用软弱、片状、针状颗粒，石料的饱和抗压强度大于60Mpa，软化系数大于0.8；

过渡料的最大粒径为300mm，小于5mm颗粒的含量控制在10％～30％，小于0.075mm颗粒的含量不超过5％；

过渡料的渗透系数控制在1×10-2cm/s，设计孔隙率不大于18％，相应干密度不小于

2.31g/cm3，相对密度Dr不小于0.90；

所述的特殊垫层区（4）的特殊垫层料采用垫层料剔除大于40mm以上颗粒后剩余的部分，最大粒径40mm，小于5mm颗粒的含量为46％～62.5％，小于0.075mm颗粒的含量为5％～

10％，级配连续；

设计孔隙率不大于16.5％，相应干密度不小于2.35g/cm3，相对密度Dr不小于0.90；

垫层区（3）设置在混凝土面板（8）、特殊垫层区（4）、防渗板（16）和过渡区（5）之间；

在混凝土面板（8）下段的位置的表面还设有铺盖区（1），铺盖区（1）之上设有盖重区（2）；

铺盖区（1）靠近混凝土面板（8）底部采用粉煤灰铺盖区（10），铺盖区（1）靠近混凝土面板（8）顶部采用石粉铺盖区（11）；

铺盖区（1）与混凝土面板（8）之间设有防水层（13）；

靠近混凝土面板（8）底部的一段采用聚氨酯防水层而靠近混凝土面板（8）顶部的一段采用改性纳米有机硅类防水层，聚氨酯防水层位于最低水位线之下，改性纳米有机硅类防水层位于最低水位线之上包括消落带和裸露面板表面，在改性纳米有机硅类防水层的表面还包覆有砂浆；

所述的改性纳米有机硅类防水层组分包括按重量份记的：高沸硅醇钠2 3份、有机无机~杂化纳米树脂4 5份、纳米级二氧化硅溶胶1 3份、超疏水性二氧化硅0.1 0.6份、异丙醇0.5~ ~ ~

1份、聚乙烯醇0.1 0.3份、抗老剂0.01 0.2份；

~ ~ ~

堆石区（6）的下游侧沿坡面设有护坡（7）；

趾板（9）置于基岩上；

趾板（9）靠近下游的一端设有向下方基岩的突出结构，突出结构的下游端与大坝底部的防渗板（16）连接，突出结构与防渗板（16）之间设有垂直缝止水；

趾板（9）的下游端上侧与混凝土面板（8）连接，趾板（9）与混凝土面板（8）之间设有周边缝止水；

所述堆石区（6）的堆石料采用弱风化或新鲜灰岩或流纹岩，流纹岩中绢云母片岩含量应小于10%，堆石料的饱和抗压强度应大于55MPa，软化系数大于0.75；

堆石料最大粒径800mm，小于5mm粒径的颗粒含量不超过20％，小于0.075mm粒径的颗粒含量小于5％，不均匀系数Cu大于5，曲率系数Cc介于1和3之间，级配连续；

堆石料设计孔隙率不大于19％，干密度不小于2.18g/cm3；

所述的铺盖区（1）的铺盖料设置石粉及砾石土两层，级配需满足自愈及辅助防渗功能要求；砾石土铺盖采用泥洛堆积体的开挖料，砾石土要求渗透系数不大于1×10-5cm/s，大于

5mm颗粒含量不大于50%，小于0.075mm颗粒含量应大于15%，最大粒径不大于100mm；

盖重区（2）为覆盖在铺盖区（1）上的石碴盖重体，以保护砾石土铺盖料，防止砾石土铺盖失稳和细粒流失；石碴采用枢纽区开挖弃碴填筑，石碴最大粒径不大于600mm，压实后孔隙率不大于24%。

说明书

狭窄河谷地形高面板堆石坝

技术领域

[0001] 本发明涉及水利水电工程的堆石坝结构领域，特别是一种狭窄河谷地形高面板堆石坝。

背景技术

[0002] 我国规范在总结国外现代碾压面板堆石坝四十多年工程经验、Cooke 和Sherard的建议和我国二十多年面板堆石坝工程经验的基础上，提出了坝体分区的设计原则。规范对于用硬岩堆石料填筑的坝体建议分区设计见图4。图4中，坝体中心部位主堆石区与下游堆石区界面14之间的区域9为坝体的“死区”。根据以往工程实践，我国的面板堆石坝设计中，一般取“死区”下游侧的边界作为上游堆石区和下游堆石区的分界，但国外的一些工程却倾向于将下游堆石的区域扩大至“死区”的上游侧以扩大软岩或任意料的利用率，降低工程成本，美国的Palmi 则根据莱索托Mohale工程的施工和运行情况，提出将上游堆石、下游堆石的分界线改为倾向上游方向，而适当降低下游堆石区的顶部高程，且将下游堆石区顶部位置向下游方向移动的方案。因此，国内外在合理确定上游堆石、下游堆石区分界线位置等问题上还存在着一定的争议。

[0003] 在面板堆石坝断面分区设计中，坝体下游的下游堆石区12是作为主堆石体的辅助支撑部分，起稳定边坡的作用。一般认为，这一部分的堆石材料的材料特性和填筑标准较上游堆石区可以适当降低。但数值计算分析的结果和工程实际的运行实践均表明，尽管在通常情况下下游堆石区对坝体上游面的面板影响相对较小，但如果上、下游堆石区的材料性质相差过大，下游堆石区的变形也将会严重影响面板的应力、变形形态，尤其是对高面板堆石坝来说，由于坝高的增加，下游堆石区的影响也会随之凸显。

[0004] 趾板作为防渗体系的重要组成部分，分布在防渗面的四周，在整个防渗体系中起到承上启下的作用。因此趾板结构型式成为面板堆石坝的关键结构之一。受狭窄河谷地形影响，用于该地形的面板堆石坝趾板结构的宽度较为狭窄，抗滑能力较弱。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，能够克服现有技术中堆石区变形对坝体面板的影响，能够满足高面板堆石坝对防渗性能和抗滑移性能的要求。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，在堆石区的上游侧沿坡面设有过渡区，过渡区上游侧沿坡面设有垫层区，垫层区上设有混凝土面板；

[0007] 在混凝土面板底部端头设有趾板，趾板与过渡区之间设有特殊垫层区；

[0008] 在混凝土面板下段的位置的表面还设有铺盖区，铺盖区之上设有盖重区；

[0009] 堆石区的下游侧沿坡面设有护坡。

[0010] 优选的方案中，趾板置于基岩上；

[0011] 趾板靠近下游的一端设有向下方基岩的突出结构，突出结构的下游端与大坝底部的防渗板连接，突出结构与防渗板之间设有垂直缝止水。

[0012] 趾板的下游端上侧与混凝土面板连接，趾板与混凝土面板之间设有周边缝止水；

[0013] 垫层区设置在混凝土面板、特殊垫层区、防渗板和过渡区之间。

[0014] 优选的方案中，铺盖区靠近混凝土面板底部采用粉煤灰铺盖区，铺盖区靠近混凝土面板顶部采用石粉铺盖区。

[0015] 优选的方案中，铺盖区与混凝土面板之间设有防水层。

[0016] 优选的方案中，所述的防水层包括聚氨酯防水层或改性纳米有机硅类防水层，或者靠近混凝土面板底部的一段采用聚氨酯防水层而靠近混凝土面板顶部的一段采用改性纳米有机硅类防水层，在改性纳米有机硅类防水层的表面还包覆有砂浆。

[0017] 所述的改性纳米有机硅类防水层组分包括按重量份记的：高沸硅醇钠2 3份、有机~无机杂化纳米树脂4 5份、纳米级二氧化硅溶胶1 3份、超疏水性二氧化硅0.1 0.6份、异丙~ ~ ~
醇0.5 1份、聚乙烯醇0.1 0.3份、抗老剂0.01 0.2份。
~ ~ ~

[0018] 优选的方案中，所述堆石区的堆石料采用弱风化或新鲜灰岩或流纹岩，流纹岩中绢云母片岩含量应小于10%，堆石料的饱和抗压强度应大于55MPa，软化系数大于0.75；

[0019] 堆石料最大粒径800mm，小于5mm粒径的颗粒含量不超过20％，小于0.075mm粒径的颗粒含量小于5％，不均匀系数Cu大于5，曲率系数Cc介于1和3之间，级配连续；

[0020] 堆石料设计孔隙率不大于19％，干密度不小于2.18g/cm3。

[0021] 优选的方案中，所述的过渡区的过渡料采用弱风化或新鲜的灰岩洞渣料，避免采用软弱、片状、针状颗粒，石料的饱和抗压强度大于60Mpa，软化系数大于0.8；

[0022] 过渡料的最大粒径采用300mm，小于5mm颗粒的含量控制在10％～30％，小于0.075mm颗粒的含量不超过5％；

[0023] 过渡料的渗透系数控制在1×10-2cm/s，设计孔隙率不大于18％，相应干密度不小于2.31g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。

[0024] 优选的方案中，所述的垫层区的垫层料采用弱风化或新鲜的灰岩料人工轧制料；石料应呈粒状颗粒，避免采用软弱、片状、针状颗粒，饱和抗压强度应大于60Mpa，软化系数应大于0.8；

[0025] 垫层料的最大粒径采用80mm，小于5mm颗粒的含量控制在35％～50％，小于0.075mm颗粒的含量控制在4％～8％；渗透系数控制在1×cm/s；设计孔隙率不大于17％，相应干密度不小于2.34g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。

[0026] 优选的方案中，所述的特殊垫层区的特殊垫层料采用垫层料剔除大于40mm以上颗粒后剩余的部分，最大粒径40mm，小于5mm颗粒的含量为46％～62.5％，小于0.075mm颗粒的含量为5％～10％，级配连续；

[0027] 设计孔隙率不大于16.5％，相应干密度不小于2.35g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。

[0028] 优选的方案中，所述的铺盖区的铺盖料设置石粉及砾石土两层，级配需满足自愈及辅助防渗功能要求；砾石土铺盖采用泥洛堆积体的开挖料，砾石土要求渗透系数不大于1×10-5cm/s，大于5mm颗粒含量不大于50%，小于0.075mm颗粒含量应大于15%，最大粒径不大于100mm；

[0029] 盖重区为覆盖在铺盖区上的石碴盖重体，以保护砾石土铺盖料，防止砾石土铺盖失稳和细粒流失；石碴采用枢纽区开挖弃碴填筑，石碴最大粒径不大于600mm，压实后孔隙率不大于24%。

[0030] 本发明提供的一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，通过采用上述的方案，能够避免堆石区对混凝土面板应力、变形形态的影响。采用的铺盖区的盖重区结构，能够控制混凝土面板的变形，并辅助提高大坝的防渗性能。设置的防水层，尤其是聚氨酯防水层与改性纳米有机硅类防水层的复合防水层结构，在提高防渗效果的同时，还能够透气，避免混凝土面板的腐蚀，延长大坝使用寿命。采用向下突起的趾板结构，克服了狭窄河谷地形趾板宽度较窄条件下抗滑能力不足的问题。

附图说明

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

[0032] 图1为本发明的上游-下游剖面示意图。

[0033] 图2为本发明中河谷地形的主视示意图。

[0034] 图3为本发明中趾板位置的局部剖面示意图。

[0035] 图4为现有技术中面板堆石坝的上游-下游剖面示意图。

[0036] 图5为本发明中堆石料的级配曲线。

[0037] 图6为本发明中过渡料的级配曲线。

[0038] 图7为本发明中垫层料的级配曲线。

[0039] 图8为本发明中特殊垫层料的级配曲线。

[0040] 图中：铺盖区1，盖重区2，垫层区3，特殊垫层区4，过渡区5，堆石区6，护坡7，混凝土面板8，趾板9，粉煤灰铺盖区10，石粉铺盖区11，下游堆石区12，防水层13，主堆石区与下游堆石区界面14，主堆石区15，防渗板16。

具体实施方式

[0041] 本发明中的狭窄河谷地形中，坝体宽度B与高度之比为1:1.13，道路布置困难。而且在河谷中覆盖了较厚的淤泥质覆盖层，最深处达到85米。坝体最高高度达到220多米。施工难度高。

[0042] 如图1 3中，一种狭窄河谷地形高面板堆石坝，在堆石区6的上游侧沿坡面设有过~渡区5，过渡区5上游侧沿坡面设有垫层区3，垫层区3上设有混凝土面板8；

[0043] 在混凝土面板8底部端头设有趾板9，趾板9与过渡区5之间设有特殊垫层区4；

[0044] 在混凝土面板8下段的位置的表面还设有铺盖区1，铺盖区1之上设有盖重区2；

[0045] 堆石区6的下游侧沿坡面设有护坡7。由此结构，提高堆石坝坝体的抗变形能力，尤其是混凝土面板的抗变形能力，并能够辅助提高防渗性能。

[0046] 护坡7的下游砌块石料采用微风化或新鲜的灰岩，石料的饱和抗压强度应大于60MPa，粒径为400 600mm，块石重量应大于40kg。砌石护坡应采用人工干砌而成，坡面平整。
~

[0047] 优选的方案中，在陡岸坡或岸边建筑物连接部位，为避免变形性质差异过大，可采取较薄的铺层厚度、较多碾压遍数的施工方式设置高压实密度增模区。由于坝内左岸大部、右岸局部存在坡度等于或陡于1:0.5的陡坡带，为此，在坝轴线上游左岸整个坝内陡坡带及右岸部分陡坡带设特别碾压料区，即增模碾压区，其密实度与过渡区5的过渡料相同，以此减小陡边坡对坝体变形的不利影响，从而减小陡岸坝体堆石变形梯度。

[0048] 优选的方案如图3中，趾板9置于基岩上；

[0049] 趾板9靠近下游的一端设有向下方基岩的突出结构，突出结构的下游端与大坝底部的防渗板16连接，突出结构与防渗板16之间设有垂直缝止水。由此结构，提高趾板9的抗滑性能，并能够减少趾板9的浇筑量，降低施工成本。

[0050] 趾板9的下游端上侧与混凝土面板8连接，趾板9与混凝土面板8之间设有周边缝止水；

[0051] 特殊垫层区4设置在混凝土面板8、防渗板16和过渡区5之间。

[0052] 优选的方案中，铺盖区1靠近混凝土面板8底部采用粉煤灰铺盖区10，铺盖区1靠近混凝土面板8顶部采用石粉铺盖区11。设置的石粉铺盖区11能够利用基坑开挖中获得的石粉，大幅减少粉煤灰的运输量，降低施工成本。粉煤灰铺盖区10和石粉铺盖区11的粉煤灰和石粉在混凝土面板出现裂缝的时候，能够进入到裂缝中形成封堵。粉煤灰铺盖区10和石粉铺盖区11的厚度为0.5 1米，砾石铺盖层11的厚度为3 5米，砾石铺盖层11用于压住粉煤灰~ ~和石粉，防止被水流冲刷而流失。

[0053] 优选的方案中，铺盖区1与混凝土面板8之间设有防水层13。

[0054] 优选的方案中，所述的防水层13包括聚氨酯防水层或改性纳米有机硅类防水层，或者靠近混凝土面板8底部的一段采用聚氨酯防水层而靠近混凝土面板8顶部的一段采用改性纳米有机硅类防水层。与聚氨酯防水层不同的，改性纳米有机硅类防水层在防水的同时还能够透气，避免水气堆积在交界面并在冷热交替作用下生成酸腐蚀混凝土，延长了混凝土面板8的使用寿命。改性纳米有机硅类防水材料为市售的产品。

[0055] 另一优选的方案如图3中，所述的防水层13在混凝土面板8的下段为聚氨酯防水层，上段为改性纳米有机硅类防水层，改性纳米有机硅类防水层喷涂在混凝土面板8的表面，在改性纳米有机硅类防水层的表面还包覆有砂浆；砂浆能够避免水流对改性纳米有机硅类防水层的直接冲刷。

[0056] 其中聚氨酯防水层位于最低水位线之下，改性纳米有机硅类防水层位于最低水位线之上包括消落带和裸露面板表面。由此方案，由于水位线之下的温度较为恒定，采用聚氨酯防水层效果较佳，而最低水位线之上尤其是消落带的位置，温差变化较大，采用改性纳米有机硅类防水层，抗老化性、抗变形性能均较佳，能够，避免水气堆积在交界面并在冷热交替作用下生成酸腐蚀混凝土，延长了混凝土面板8的使用寿命。聚氨酯防水层与改性纳米有机硅类防水层搭接。

[0057] 优选的方案中，所述的聚氨酯防水层为多层，底层为柔性，用于与混凝土结合，中层硬度高于底层，用于防水，顶层为抗老和耐腐蚀性层。由此多层结构，底层柔性聚氨酯能够渗透到混凝土面板8中，与混凝土紧密结合，起到防水、填漏和附着的效果。中层聚氨酯则用于提供弹性和连接层间结构。顶层则主要用于抗紫外线，抗老化以及提供耐腐蚀性能。通过多层结构，大幅延长聚氨酯防水层的使用寿命。其中柔性聚氨酯、弹性聚氨酯和抗老化聚氨酯均为市售的产品。

[0058] 优选的方案中，所述的改性纳米有机硅类防水层组分包括按重量份记的：高沸硅醇钠2 3份、有机无机杂化纳米树脂4 5份、纳米级二氧化硅溶胶1 3份、超疏水性二氧化硅~ ~ ~0.1 0.6份、异丙醇0.5 1份、聚乙烯醇0.1 0.3份、抗老剂0.01 0.2份。由此结构，纳米二氧~ ~ ~ ~
化硅构成微观的三维结构，在提供防水效果的同时，还提供透气性能。尤其是本发明中的改性纳米有机硅类防水层为水基材料，采用直接喷涂，然后喷涂表面砂浆的施工方案即可，后继修补和维护均非常方便。

[0059] 优选的方案如图1中，所述堆石区6的堆石料采用弱风化或新鲜灰岩或流纹岩，流纹岩中绢云母片岩含量应小于10%，堆石料的饱和抗压强度应大于55MPa，软化系数大于0.75；

[0060] 堆石料最大粒径800mm，小于5mm粒径的颗粒含量不超过20％，小于0.075mm粒径的颗粒含量小于5％，不均匀系数Cu大于5，曲率系数Cc介于1和3之间，级配连续；堆石料的渗透系数宜为i×10-1 i×100cm/s。~

[0061] 堆石料设计孔隙率不大于19％，干密度不小于2.18g/cm3。本发明的堆石区6采用相同材质的堆石料，取消了下游堆石区12的结构，相应的也不再存在主堆石区与下游堆石区界面14，有效控制了高面板条件下的混凝土面板8的变形。堆石料的级配曲线参见图5。

[0062] 优选的方案中，所述的过渡区5的过渡料采用弱风化或新鲜的灰岩洞渣料，避免采用软弱、片状、针状颗粒，石料的饱和抗压强度大于60Mpa，软化系数大于0.8；

[0063] 过渡料的最大粒径为300mm，小于5mm颗粒的含量控制在10％～30％，小于0.075mm含量不超过5％；

[0064] 过渡料的渗透系数控制在i×10-2cm/s，设计孔隙率不大于18％，相应干密度不小于2.31g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。

[0065] 过渡料的级配曲线参见图6。

[0066] 优选的方案中，所述的垫层区3的垫层料采用弱风化或新鲜的灰岩料人工轧制料；石料应呈粒状颗粒，避免采用软弱、片状、针状颗粒，饱和抗压强度应大于60Mpa，软化系数应大于0.8；

[0067] 垫层料的最大粒径为80mm，小于5mm颗粒的含量控制在35％～50％，小于0.075mm含量确定为4％～8％；渗透系数控制在i×10-3～10-4cm/s；设计孔隙率不大于17％，相应干密度不小于2.34g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。垫层料的级配曲线参见图7。

[0068] 优选的方案中，所述的特殊垫层区4的特殊垫层料采用垫层料剔除大于40mm以上颗粒后剩余的部分，最大粒径40mm，小于5mm颗粒的含量为46％～62.5％，小于0.075mm颗粒的含量为5％～10％，级配连续；

[0069] 设计孔隙率不大于16.5％，相应干密度不小于2.35g/cm3，相对密度Dr不小于0.90。特殊垫层料的级配曲线参见图8。

[0070] 优选的方案中，所述的铺盖区1的铺盖料设置石粉及砾石土两层，级配需满足自愈及辅助防渗功能要求；砾石土铺盖采用泥洛堆积体的开挖料，砾石土要求渗透系数不大于i×10-5cm/s，大于5mm颗粒含量不大于50%，小于0.075mm颗粒含量应大于15%，最大粒径不大于100mm；

[0071] 盖重区2为覆盖在铺盖区1上的石碴盖重体，以保护砾石土铺盖料，防止砾石土铺盖失稳和细粒流失；石碴采用枢纽区开挖弃碴填筑，石碴最大粒径不大于600mm，压实后孔隙率不大于24%。

[0072] 上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明中记载的技术特征，在不冲突的前提下，能够互相组合使用，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。