堆石混凝土心墙胶结堆石坝及其施工方法与流程

本发明属于水利工程领域，具体而言，涉及堆石混凝土心墙胶结堆石坝及其施工方法。

背景技术：

堆石坝是以堆石体作为支承，以黏土、混凝土或沥青混凝土等材料作为防渗体的一种坝型，防渗体的类型主要有面板和心墙两种方式。目前，在150m以上高度的土石坝基本以堆石坝为主，水布垭水电站大坝是世界上最高的面板堆石坝，坝高233m。堆石体主要采用碾压施工，碾压堆积的堆石料在长期高应力作用下易发生流变，同时伴随堆石颗粒破碎，导致坝体出现非均匀沉降，引起心墙开裂或面板出现裂缝。对于混凝土面板堆石坝而言，混凝土面板是堆石坝的防渗主体结构，面板上微小的裂缝也可能对大坝的安全留下巨大隐患，混凝土面板常采用钢筋混凝土材料，面板的厚度与堆石坝的高度密切相关。依据工程经验，即使面板的浇筑厚度较薄，仅为70-80cm，面板内部温升也将达到2倍的表面温升，面板内部产生较大的温度应力，引起面板开裂。对于堆石坝而言，遇到较大的洪水时，堆石坝存在漫顶溃坝的风险，需设置溢洪道，很大程度上增加工程投资。因此迫切需要一种既能保持堆石料的变形能力，又能利用最少的水泥用量，最大程度提高筑坝材料强度，减小大坝体型的新型筑坝材料，同时该材料填筑的坝体兼备一定抵抗漫顶洪水的能力。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出堆石混凝土心墙胶结堆石坝及其施工方法。本发明提出的堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝体体积小，地基适应性强，坝身非均匀沉降小且具有一定抗漫顶洪水的能力、水泥用量少和水化热低等特点。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种堆石混凝土心墙胶结堆石坝，包括：

堆石混凝土心墙和胶结堆石料坝身，所述堆石混凝土心墙位于中心位置，所述胶结堆石料坝身形成在所述堆石混凝土心墙两侧，其中，

所述堆石混凝土心墙包括：块石、第一自密实水泥基材料，所述第一自密实水泥基材料致密填充于所述块石孔隙中，通过水泥水化反应形成堆石混凝土；

所述胶结堆石料坝身包括：堆石料和第二自密实水泥基材料和砂土材料，所述堆石料和第二自密实水泥基材料形成高孔隙率胶结堆石料骨架，所述砂土材料填充在所述胶结堆石料骨架内部。

根据本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝，一方面，堆石混凝土心墙由第一自密实水泥基材料填充块石孔隙形成，不仅单位体积水泥用量低，混凝土绝热温升小，而且具有较好的密实性和较高的强度，防渗效果好；另一方面，胶结堆石料坝身由胶结堆石料骨架填充砂土材料形成，胶结堆石料骨架是采用适量自密实水泥基材料填充堆石料孔隙形成，通过水泥水化反应产生胶结物连接堆石颗粒点，形成具有一定强度、高孔隙率的骨架型胶结堆石料，待骨架达到设计强度，向骨架孔隙中填充砂土材料，形成胶结堆石料，胶结堆石料的抗剪强度和弹性模量相较堆石料得到明显提高。由此胶结堆石料坝身具有良好的抗剪强度和弹性模量、并且地基适应性强、非均匀沉降小，具有一定抗漫顶洪水的能力。此外，与现有堆石坝相比，本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝还具有坝体体积小和工程造价低的特点。

另外，根据本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述块石的粒径不低于15cm，优选15-200cm。由此，既能保证块石堆积后具有足够的孔隙率，又便于对块石进行装料和填筑。

在本发明的一些实施例中，所述堆石料的粒径为5-100cm。由此，可以保证堆石料堆积后能够具有较大的孔隙率，以实现第二自密实水泥基材料的分层表面浇筑或埋管压力灌浆。

在本发明的一些实施例中，所述块石堆积后的堆积孔隙率为30-50％，所述堆石料堆积后的堆积孔隙率为25-50％，所述胶结堆石料骨架的孔隙率为20-29％。由此，可以向块石中填充足够的第一自密实水泥基材料进而形成致密且高强度的堆石混凝土心墙，向堆石料中填充适量的第二自密实水泥基材料形成具有一定强度和高孔隙率的胶结堆石料骨架，水泥基材料将堆石料胶结成整体，以提高堆石料的抗剪强度和弹性模量，同时可向胶结堆石料骨架填充砂土材料，进一步提高胶结堆石料的抗剪强度和变形能力。

在本发明的一些实施例中，所述砂土材料的粒径不大于所述堆石料最小粒径的1/10，优选地，所述砂土材料的粒径为0.1-0.5cm。由此，可以进一步提高胶结堆石料坝身的抗剪强度和适应地基变形能力。

在本发明的一些实施例中，第一自密实水泥基材料为自密实水泥砂浆和/或自密实混凝土，优选为自密实混凝土，所述自密实混凝土的扩展度为550-800mm，v型漏斗通过时间为3-20s。由此，保证第一自密实水泥基材料在块石孔隙中自流动，实现密实填充块石体孔隙。

在本发明的一些实施例中，所述第二自密实水泥基材料选自自密实水泥净浆、自密实砂浆和自密实混凝土中的至少一种，优选自密实砂浆，所述自密实砂浆的扩展度为260-330mm，v型漏斗通过时间为1.5-4s。由此，保证第二自密实水泥基材料在堆石体孔隙中自流动，黏附在颗粒表面的浆液粘结相邻的堆石颗粒，形成的胶结堆石料骨架兼具一定的强度和高孔隙率。

在本发明的一些实施例中，所述第一自密实水泥基材料和所述第二自密实水泥基材料分别独立地采用分层表面浇筑或埋管压力灌浆的方式填充。

在本发明的一些实施例中，所述堆石混凝土心墙胶结堆石坝的上游坡比和下游坡比分别独立地为1：(0.8-1.2)，其中，所述上游坡比和所述下游坡比相同或者不同。由此，可以在使堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝身强度高、非均匀沉降小、坝基适应性强并兼有一定抵抗漫顶洪水的能力的基础上进一步减小坝型体积，同时达到有效减少水泥用量、施工速度快，工程造价低等优点。

根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种上述堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法，包括：

(1)预先设计中心为堆石混凝土心墙区域，两侧为胶结堆石料坝身区域的填筑模型，向所述堆石混凝土心墙区域堆积块石至预定厚度，向所述胶结堆石料坝身区域堆积堆石料至预定厚度；

(2)向所述堆石料中填充第二自密实水泥基材料，形成高孔隙率的胶结堆石料骨架，向所述胶结堆石料骨架内部填充砂土材料，以便形成预定厚度的胶结堆石料坝身；

(3)向所述块石中填充第一自密实水泥基材料，形成预定厚度的堆石混凝土心墙；

(4)在所述预定厚度的胶结堆石料坝身和所述预定厚度的堆石混凝土心墙的顶面上分别堆积堆石料和块石至预定厚度；

(5)重复步骤(2)-(4)直至坝体成型。

根据本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法，一方面，堆石混凝土心墙采用第一自密实水泥基材料填充块石孔隙形成，不仅可以使防渗心墙具有较好的密实性和较高的强度，还能减少单位体积水泥用量；另一方面，胶结堆石料坝身采用第二自密实水泥基材料填充堆石料形成具有一定强度和高孔隙率的胶结堆石料骨架，且向胶结堆石料骨架孔隙中填充砂土材料可以进一步提高胶结堆石料坝身材料的抗剪强度和变形能力。由此，本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法不仅具有施工工艺简单，施工环节少，施工速度快和工程造价低等优点，还可以使堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝型体积小、坝身非均匀沉降小、坝基适应性强、具有一定抵抗漫顶洪水的能力以及防渗心墙密实性好、强度高以及防渗性好等特点；此外，还能在提高坝身材料强度的基础上，有效减少水泥用量，进而有效降低混凝土水化热和混凝土绝热温升。

在本发明的一些实施例中，所述预定厚度为1-2m。由此，可以进一步提高施工效果。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述堆石料和所述块石的堆积方式相同，且均为自然堆积或碾压堆积。

在本发明的一些实施例中，步骤(2)和步骤(3)中，所述第一自密实水泥基材料和所述第二自密实水泥基材料分别独立地采用分层表面浇筑或埋管压力灌浆的方式填充。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝横截面的结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例堆石料中堆石颗粒间胶结方式示意图。

图3是根据本发明一个实施例坝高与坝坡在水平面上的投影示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种堆石混凝土心墙胶结堆石坝，如图1所示，包括：堆石混凝土心墙10和胶结堆石料坝身20，堆石混凝土心墙10位于中心位置，胶结堆石料坝身20形成在堆石混凝土心墙20两侧，其中，堆石混凝土心墙10包括：块石11、第一自密实水泥基材料12，第一自密实水泥基材料12填充于块石11孔隙中并连接块石11；胶结堆石料坝身20包括：堆石料21和第二自密实水泥基材料22和砂土材料23，堆石料21和第二自密实水泥基材料22形成胶结堆石料骨架，砂土材料23填充在胶结堆石料骨架内部。

根据本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝，一方面，堆石混凝土心墙10由第一自密实水泥基材料12密实填充块石11的孔隙形成，不仅单位体积水泥用量低，混凝土绝热温升小，而且具有较好的密实性和较高的强度，防渗效果好；另一方面，胶结堆石料坝身20由胶结堆石料骨架填充砂土材料23形成，胶结堆石料坝身20的抗剪强度和弹性模量好、地基适应性强、非均匀沉降小并具有一定抗漫顶洪水的能力。此外，现有堆石坝相比，本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝还具有坝体体积小和工程造价低的特点。

下面参考图1-3对本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝进行详细描述。

根据本发明的具体实施例，块石11的粒径可以不低于15cm。由此，当采用块石11填筑堆石混凝土心墙10区域时，可以使块石11堆积后的堆积孔隙率可以达到30-50％，进而能够采用第一自密实水泥基材料12在块石11孔隙中自由流动，实现密实填充，以形成致密且高强度的堆石混凝土心墙10，还便于对块石11进行装料和填筑。根据本发明的具体实施例，块石11的粒径可以优选为15-200cm。由此，可以进一步提高块石11的堆积的均匀性，进而能够进一步提高堆石混凝土心墙10的结构稳定性和防渗效果。

根据本发明的具体实施例，块石11的堆积方式可以为碾压堆积或自然堆积。

根据本发明的具体实施例，堆石料21的粒径可以为5-100cm。由此，可以使堆石料21堆积后的堆积孔隙率达到25-50％，进而能够向堆石料21中填充适量的第二自密实水泥基材料22，以形成具有一定强度和高孔隙率的胶结堆石料骨架，其中堆石料21中堆石颗粒间的胶结方式如图2所示。根据本发明的具体实施例，胶结堆石料骨架的孔隙率可以为20-29％，由此，可以并向胶结堆石料骨架中填充适量的砂土材料23以提高胶结堆石料坝身20的抗剪强度和变形能力，堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝型体积小，坝身非均匀沉降小，坝基适应性强并兼有一定抵抗漫顶洪水的能力。

根据本发明的具体实施例，堆石料21可以采用筛分出细粒土的堆石料，堆积方式可以为碾压堆积或自然堆积。

根据本发明的具体实施例，堆石混凝土心墙10所用的块石11和胶结堆石料坝身20所用的堆石料21可以同时采用碾压堆积方式或自然堆积方式，由此，可以防止胶结堆石料坝身20与堆石混凝土心墙10之间产生施工纵缝。

根据本发明的具体实施例，第一自密实水泥基材料12和第二自密实水泥基材料22可以分别独立地采用分层表面浇筑或埋管压力灌浆的方式填充。

根据本发明的具体实施例，分层表面浇筑或埋管压力灌浆的方式向堆石料21中填充适量的第二自密实水泥基材料22，形成高孔隙率的胶结堆石料骨架；根据工程需要，待胶结堆石料骨架达到设计强度，可向胶结堆石料骨架内部填充砂土材料23。

根据本发明的具体实施例，砂土材料23的粒径可以不大于堆石料21最小粒径的1/10，优选地，砂土材料23的粒径可以为0.1-0.5cm。由此，可以进一步提高胶结堆石料坝身20的抗剪强度和变形能力，进而进一步使堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝身非均匀沉降小，坝基适应性强并兼有一定抵抗漫顶洪水的能力等特点。

根据本发明的具体实施例，第一自密实水泥基材料12可以为自密实水泥砂浆和/或自密实混凝土。根据本发明的具体示例，优选自密实混凝土，自密实混凝土的扩展度可以为550-800mm，v型漏斗通过时间为3-20s。该自密实混凝土具有较好的流动性，进而可以保证分层表面浇筑和埋管压力灌浆下自密实混凝土在块石孔隙中的自流动能力，提高块石11空隙的填充率。由此可以使得块石11之间得到更好的胶结，提高堆石混凝土心墙10的密实性和强度，以便最终提高堆石混凝土心墙10的防渗效果

根据本发明的具体实施例，第一自密实水泥基材料12也可以采用自密实砂浆，自密实砂浆优选为扩展度为260-330mm、v型漏斗通过时间为1.5-4s的自密实砂浆。该自密实砂浆具有较好的流动性，保证分层表面浇筑和埋管压力灌浆下自密实砂浆在块石孔隙中的自流动能力，提高块石11空隙的填充率。由此可以使得块石11之间得到更好的胶结，提高堆石混凝土心墙10的密实性和强度，以便最终提高堆石混凝土心墙10的防渗效果。

根据本发明的具体实施例，第二自密实水泥基材料22可以为选用自密实水泥净浆、自密实砂浆和自密实混凝土中的至少一种，优选自密实砂浆，自密实砂浆的扩展度可以为260-330mm，v型漏斗通过时间为1.5-4s。由此，采用上述自密实砂浆流经堆石颗粒表面，粘结于堆石颗粒表面的浆液把相邻堆石颗粒粘结成整体，可以得到具有一定的强度、高孔隙率的胶结堆石料骨架，具体地胶结堆石料骨架的孔隙率可以达到20-29％。

根据本发明的具体实施例，堆石混凝土心墙胶结堆石坝的上游坡比和下游坡比可以分别独立地为1：(0.8-1.2)，其中，上游坡比和下游坡比相同或者不同。由此，可以在使堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝身强度高、非均匀沉降小、坝基适应性强并兼有一定抵抗漫顶洪水的能力的基础上进一步减小坝型体积，同时达到有效减少水泥用量、施工速度快，工程造价低等优点。需要说明的是，本发明中所述的“上游坡比”指的是堆石混凝土心墙胶结堆石坝的迎水坡坡比，“下游坡比”指的是堆石混凝土心墙胶结堆石坝的背水坡坡比。具体地，如图3所示，“上游坡比”指坝高h与上游坡面在水平面上的投影l1的比值；“下游坡比”指坝高h与下游坡面在水平面上的投影l2的比值。

根据本发明的具体实施例，堆石混凝土心墙胶结堆石坝可以为梯形结构，即堆石混凝土心墙胶结堆石坝的横向截面为梯形。当堆石混凝土心墙胶结堆石坝的上游坡比和下游坡比相同时，堆石混凝土心墙胶结堆石坝的横向截面为等腰梯形。

根据本发明实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝，其采用胶结堆石料作为筑坝材料，采用堆石混凝土作为心墙防渗体。胶结堆石料是采用适量自密实水泥基材料填充堆石料孔隙，通过水泥水化反应产生胶结物连接堆石颗粒点，形成具有一定强度、高孔隙率的骨架型胶结堆石料，待骨架达到设计强度，可向骨架孔隙中填充砂土材料，其抗剪强度和弹性模量相较堆石料会得到明显的提高。采用堆石混凝土浇筑大坝防渗心墙，可降低水泥用量，减小绝热温升，提高施工速度。胶结堆石料所用的堆石料和堆石混凝土所用的块石可以同时采用碾压填筑或自然堆积，防止胶结堆石料与堆石混凝土心墙之间产生施工纵缝。由胶结堆石料和堆石混凝土相结合的堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有地基适应性强，坝身体型小，坝身非均匀沉降小，防渗体不易产生裂缝等优点，其施工方法具有施工工艺简单，施工速度快，工程造价低等优点。

根据本发明的第二个方面，本发明还提出了一种上述堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法，包括：

(1)预先设计中心为堆石混凝土心墙10区域，两侧为胶结堆石料坝身区域的填筑模型，向堆石混凝土心墙10区域堆积块石11至预定厚度，向胶结堆石料坝身20区域堆积堆石料21至预定厚度；(2)向堆石料21中填充第二自密实水泥基材料22，形成高孔隙率的胶结堆石料骨架，向胶结堆石料骨架内部填充砂土材料23，以便形成预定厚度的胶结堆石料坝身；(3)向块石11中填充第一自密实水泥基材料12，形成预定厚度的堆石混凝土心墙；(4)在预定厚度的胶结堆石料坝身和预定厚度的堆石混凝土心墙的顶面上分别堆积堆石料和块石至预定厚度；(5)重复步骤(2)-(4)直至坝体成型。

根据本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法，一方面，堆石混凝土心墙10采用第一自密实水泥基材料12填充块石11孔隙形成，不仅可以使防渗心墙具有较好的密实性和较高的强度，还能减少单位体积水泥用量；另一方面，胶结堆石料坝身20采用第二自密实水泥基材料22填充堆石料21形成具有一定强度和高孔隙率的胶结堆石料骨架，且向胶结堆石料骨架孔隙中填充砂土材料23可以进一步提高胶结堆石料坝身20的抗剪强度和变形能力。由此，本发明上述实施例的堆石混凝土心墙胶结堆石坝的施工方法不仅具有施工工艺简单，施工环节少，施工速度快和工程造价低等优点，还可以使堆石混凝土心墙胶结堆石坝具有坝型体积小、坝身非均匀沉降小、坝基适应性强、具有一定抵抗漫顶洪水的能力以及防渗心墙密实性好、强度高以及防渗性好等特点；此外，还能在提高坝身材料强度的基础上，有效减少水泥用量，进而有效降低混凝土水化热和混凝土绝热温升。

根据本发明的具体实施例，预定厚度可以为1-2m。由此，可以保证堆石料和块石堆积密实度，同时确保第一自密实水泥基材料12和第二自密实水泥基材料22在自重作用下能够填充块石和堆石孔隙，进而可以进一步提高施工效果，确保堆石混凝土心墙胶结堆石坝的强度。

根据本发明的具体实施例，步骤(1)中，堆石料21和块石11的堆积方式可以相同，且均为自然堆积或碾压堆积，由此，可以防止胶结堆石料坝身20与堆石混凝土心墙10之间产生施工纵缝。

根据本发明的具体实施例，步骤(2)和步骤(3)中，第一自密实水泥基材料12和第二自密实水泥基材料22可以分别独立地采用分层表面浇筑或埋管压力灌浆的方式填充。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。