专利名称：深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基及施工方法
技术领域：
本发明属于水利水电工程技术领域，更具体地说它是一种在深厚覆盖层(厚度大于50m)上修建粘土 (心墙)堆石坝的人工复合地基，本发明还涉及在这种深厚覆盖层上修建粘土心墙堆石坝人工复合地基的施工方法。
背景技术：
粘土心墙堆石坝(包括砾石土心墙堆石坝)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粘土心墙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。
目前此类工程修筑粘土心墙堆石坝时，对深厚覆盖层基础一般采用以下方案(I)将心墙下面的覆盖层全挖除处理，心墙直接修建在基岩上；(2)保留覆盖层，心墙置于覆盖层上，用混凝土防渗墙对覆盖层进行防渗处理，如图3所示。采用方案(I)将深厚覆盖层全部挖除往往会带来诸多不利的影响，如基坑开挖边坡过高影响围堰及基坑边坡稳定，导流工程标准提高、规模加大、布置困难，覆盖层开挖工程量大，弃渣场规模大、布置困难，工程投资增加，施工工期延长等。采用方案(2)保留深厚覆盖层、用混凝土防渗墙进行防渗处理，其技术的可靠性还有待提高，在深厚覆盖层上建造粘土心墙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，心墙与坝壳之间变形不协调、心墙与防渗墙之间变形不协调、防渗墙应力变形性状差、心墙与防渗墙连接处集中渗漏等问题更加突出，容易出现心墙裂开、防渗墙断裂、心墙与防渗墙接头脱开等现象，甚至坝体和覆盖层产生渗透破坏，影响大坝的安全运行，如图3所示。
发明内容
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粘土堆石坝的人工复合地基；本发明在确保工程安全的同时，有效的减少了工程投资，缩短了工程工期，使在覆盖层上直接建造高粘土心墙堆石坝技术达到新的高度。本发明的第二目的在于提供这种在深厚覆盖层上修建粘土心墙堆石坝的人工复合地基的施工方法。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粘土心墙堆石坝的人工复合地基，基岩，位于基岩上的覆盖层，位于覆盖层上的心墙，在心墙的两边为反滤层，反滤层的外侧为过滤层，过滤层的外侧为堆石，所述的堆石、过滤层、反滤层、心墙组成坝体，其特征在于所述的覆盖层厚度大于50米，在所述的覆盖层顶部有混凝土盖板，所述的混凝土盖板的下方为灌浆加固区，在混凝土盖板的上方有心墙、反滤层、过滤层及部分堆石，在所述的混凝土盖板内有防渗墙施工廊道，在防渗墙施工廊道有穿过灌浆加固区和覆盖层后达基岩的混凝土防渗墙，所述的心墙为粘土心墙或砾石土心墙，所述的坝体高度大于150米。在上述技术方案中，所述的混凝土盖板内还布置有灌浆廊道，所述的灌浆廊道位于防渗墙施工廊道的两侧。在上述技术方案中，所述的混凝土盖板为低强度等级碾压混凝土，在混凝土盖板上有结构缝，在结构缝的缝面设有止水。在上述技术方案中，所述的混凝土盖板坝基混凝土防渗墙处的厚度为15米，混凝土盖板其余部位的厚度为10米。在上述技术方案中，所述的防渗墙施工廊道为宽6米X高7米的城门洞型，在施 工廊道底板设有槽口 ；所述的灌浆廊道为宽3. O米X高3. 5米的城门洞型。在上述技术方案中，所述的防渗墙施工廊道为二个；所述的灌浆廊道呈网格状布置。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粘土心墙堆石坝人工复合地基的施工方法，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覆盖层的表层，并进行修整使其顶面平整顺滑；②在其上部采用低强度等级碾压混凝土浇筑混凝土盖板，盖板内预留覆盖层灌浆廊道和防渗墙施工廊道；③待盖板达到相应龄期后，在上部进行心墙堆石坝坝体填筑的同时于廊道内进行防渗墙施工和覆盖层灌浆；④在深厚覆盖层上形成由混凝土盖板、盖板下部经灌浆加固的覆盖层、覆盖层内防渗墙组成的人工复合地基。本发明不对坝基覆盖层进行全部挖除，避免了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。本发明采用人工复合地基，有效改善深厚覆盖层直接建高粘土心墙堆石坝存在的坝体变形协调性、防渗墙应力变形性状，减小了心墙开裂、防渗墙断裂、心墙与防渗墙接头脱开导致防渗体系破坏的工程安全风险。本发明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。采用本发明技术方案，对某水电站心墙堆石坝方案进行了测试和研究，该工程覆盖层最厚处约IOOm，不计覆盖层坝高约238m，具有在深厚覆盖层上修建高心墙堆石坝的代表性，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(I)混凝土盖板对上覆坝体的顶托作用可起到协调盖板范围内坝体变形的效果，使得变形更加均匀(如图4所示)。(2)覆盖层加固灌浆后对坝体沉降，尤其是心墙部位沉降分布具有明显效果(如图4所示)。(3)混凝土盖板和覆盖层加固灌浆可明显改善堆石坝体各分区尤其是心墙与坝壳之间的变形协调，从而减小心墙的拱效应、降低心墙与坝壳接触处的应力水平。
(4)覆盖层加固灌浆对减小防渗墙运行及竣工期的水平位移具有显著效果，并可以减小防渗墙应力(如图5、图6所示)。(5)本发明通过混凝土盖板内部预留廊道进行防渗墙及覆盖层灌浆施工，坝体填筑施工同步进行，有效缩短了施工工期。廊道在坝体运行期间可用于观测、检查、维护等用途。(6)本发明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。(7)坝体变形协调、防渗墙应力位移等是深覆盖层上修建粘土心墙堆石坝的关键技术问题，本技术方案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，有助于现有建坝水平的提高。
图I为在深厚覆盖层上修建粘土心墙堆石坝的人工复合地基断面示意图。图2为人工复合地基中混凝土盖板、灌浆加固区和混凝土防渗墙的结构示意图。图3为现有在深厚覆盖层上修建粘土心墙堆石坝的断面示意图。图4为覆盖层变形模量提高不同倍数情况下，1/2坝高处坝体沉降分布图。图5为防渗墙水平位移沿高程分布图。图6为防渗墙大主应力沿高程分布图。图中I.基岩，2.覆盖层，3.心墙，4.反滤层，5.过滤层，6.堆石，7.混凝土盖板，8.灌浆加固区，9.防渗墙施工廊道(或称施工廊道)，10.混凝土防渗墙，11.灌浆廊道，12.结构缝，13.槽口。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的实施情况，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。参阅附图可知本发明深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，基岩1，位于基岩I上的覆盖层2，位于覆盖层2上的心墙3，在心墙3的两边为反滤层4，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，其特征在于所述的覆盖层2厚度大于50米，在所述的覆盖层2顶部有混凝土盖板7，所述的混凝土盖板7的下方为灌浆加固区8，在混凝土盖板7的上方有心墙3、反滤层4、过滤层5及部分堆石6，在所述的混凝土盖板7内有防渗墙施工廊道9，在防渗墙施工廊道9有穿过灌浆加固区8和覆盖层2后达基岩I的混凝土防渗墙10，所述的心墙3为粘土心墙或砾石土心墙，所述的坝体高度大于150米。所述的混凝土盖板7内还布置有灌浆廊道11，所述的灌浆廊道11位于防渗墙施工廊道9的两侧。所述的混凝土盖板7为低强度等级碾压混凝土，在混凝土盖板7上有结构缝12，在结构缝12的缝面设有止水。所述的混凝土盖板7在坝基混凝土防渗墙10处的厚度为15米，混凝土盖板7其余部位的厚度为10米。所述的防渗墙施工廊道9为宽6米X高7米的城门洞型，在防渗墙施工廊道9底板设有槽口13 ;所述的灌浆廊道11为宽3. O米X高3. 5米的城门洞型。所述的防渗墙施工廊道9为二个；所述的灌浆廊道11呈网格状布置(如图I、图2所示)。
本发明是一种覆盖层上建高粘土心墙堆石坝的新技术，即在坝基面处清理和挖除表层覆盖层，浇筑混凝土盖板，在盖板内部对下方覆盖层进行灌浆加固和防渗墙施工，形成一种人工复合地基，同时上部填筑坝体。本技术方案主要包括混凝土盖板(内设防渗墙施工廊道和灌浆施工廊道)、盖板下部覆盖层加固灌浆等结构和措施。①混凝土盖板布置于心墙和反滤层及过渡层的覆盖层地基之上，并向上下游延伸一定距离。盖板采用低强度等级碾压混凝土，设置结构缝对盖板分块，并在缝面设置止水。宽度结合坝体高度及覆盖层厚度根据加固范围的需要通过有限元分析计算确定，厚度满足内部设置廊道的要求，一般情况下盖板厚度可取IOm (坝基防渗墙部位取15m)。盖板内网格状布置廊道，用于覆盖层灌浆施工和防渗墙施工，运行期作为观测、检查廊道。②盖板内廊道防渗墙施工廊道，断面尺寸满足防渗墙施工需要，可采用6mX7m(宽X高)的城门洞型，在廊道底板沿防渗墙轴线预留槽口，作为防渗墙施工之用，槽口宽度根据防渗墙厚度和墙身与盖板连接的构造要求确定。灌浆廊道，布置满足覆盖层灌浆处理的需要，其断面尺寸应根据钻灌机具尺寸及工作要求确定，取3. OmX 3. 5m (宽X高)左右。 ③覆盖层灌浆加固处理主要目的是提高覆盖层变形模量，从而降低坝体沉降及流变位移、改善防渗墙的应力及变形，加固范围主要为粘土心墙下部的覆盖层。本发明技术方案采用人工复合地基改善坝体及防渗墙工作状态的同时，由于采用在廊道内进行防渗墙和灌浆施工，上部填筑坝体可同时进行，避免了防渗墙和覆盖层灌浆施工对坝体施工的影响，节约了工程施工工期。本发明深厚覆盖层上修建粘土心墙堆石坝人工复合地基的施工方法，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覆盖层的表层，并进行修整使其顶面平整顺滑；②在其上部采用低强度等级碾压混凝土浇筑混凝土盖板，盖板内预留覆盖层灌浆廊道和防渗墙施工廊道；③待盖板达到相应龄期后，在上部进行心墙堆石坝坝体填筑的同时于廊道内进行防渗墙施工和覆盖层灌浆；④在深厚覆盖层上形成由混凝土盖板、盖板下部经灌浆加固的覆盖层、覆盖层内防渗墙组成的人工复合地基。参阅图4可知覆盖层变形模量提高不同倍数情况下，1/2坝高处沉降均呈现中间大，两边小，人工复合地基方案比全挖方案小。随着模量提高倍数越高，沉降量也随之降低，且沉降分布更为均匀。参阅图5可知蓄水期，防渗墙由于受到水压力作用，出现向下游侧的位移，防渗墙底部深入基岩，相当于固定端，随着防渗墙高程的增加，水平位移越来越大。由于1824m高程以下覆盖层未进行处理，此部位防渗墙的水平位移未受到覆盖层加固灌浆的影响，故四种变形模量情况下该段水平位移基本没有变化，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，当覆盖层模量提高三倍后，防渗墙水平位移最大值约为不处理情况的一半，可见加固灌浆对改善防渗墙蓄水期水平位移效果明显。参阅图6可知覆盖层进行灌浆加固后，变形模量提高，减小覆盖层与防渗墙之间的相对位移，改善防渗墙的受力条件，且覆盖层模量提高越高，这种改善效果越明显，大主应力的分布也会越均匀。·
权利要求
1.深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，基岩(I)，位于基岩(I)上的覆盖层(2)，位于覆盖层(2)上的心墙(3)，在心墙(3)的两边为反滤层(4)，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，其特征在于所述的覆盖层(2)厚度大于50米，在所述的覆盖层(2)内有混凝土盖板(7)，所述的混凝土盖板(7)的下方为灌浆加固区(8)，在混凝土盖板(7)的上方有心墙(3)、反滤层(4)、过滤层(5)及部分堆石(6)，在所述的混凝土盖板(7)内有施工廊道(9)，在施工廊道(9)有穿过灌浆加固区(8)和覆盖层(2)后达基岩(I)的混凝土防渗墙(10)，所述的心墙(3)为粘土心墙或砾石土心墙，所述的坝体高度大于150米。
2.根据权利要求I所述的深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(7)内还布置有灌浆廊道(11)，所述的灌浆廊道(11)位于施工廊道(9)的两侧。
3.根据权利要求I或2所述的深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(7)为低强度等级碾压混凝土，在混凝土盖板(7)上有结构缝(12)，在结构缝(12)的缝面设有止水。
4.根据权利要求3所述的深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的混凝土盖板(7)坝基混凝土防渗墙(10)处的厚度为(15)米，混凝土盖板(7)其余部位的厚度为10米。
5.根据权利要求3所述的深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的施工廊道(9)为宽6米X高7米的城门洞型，在施工廊道(9)底板设有槽口(13)；所述的灌浆廊道(11)为宽3. O米X高3. 5米的城门洞型。
6.根据权利要求5所述的深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，其特征在于所述的施工廊道(9)为二个；所述的灌浆廊道(11)呈网格状布置。
7.深厚覆盖层上修建粘土堆石坝人工复合地基的施工方法，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覆盖层的表层，并进行修整使其顶面平整顺滑； ②在其上部采用低强度等级碾压混凝土浇筑混凝土盖板，盖板内预留覆盖层灌浆廊道和防渗墙施工廊道； ③待盖板达到相应龄期后，在上部进行心墙堆石坝坝体填筑的同时于廊道内进行防渗墙施工和覆盖层灌浆； ④在深厚覆盖层上形成由混凝土盖板、盖板下部经灌浆加固的覆盖层、覆盖层内防渗墙、盖板与防渗墙接头、盖板内观测检查设施组成的人工复合地基。
全文摘要
深厚覆盖层上修建粘土堆石坝的人工复合地基，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。本发明避免了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。本发明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。本发明还同时公开了这种人工复合地基的施工方法。
文档编号E02B7/06GK102852121SQ20121035918
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者郑守仁, 钮新强, 刘斯宏, 夏仲平, 翁永红, 颜家军, 徐唐锦 申请人:长江勘测规划设计研究有限责任公司