本发明涉及一种水利工程
技术领域：
，尤其是一种新型复合面板砂砾石坝的结构设计及施工方法。
背景技术：
：砂砾石料广泛分布在河床和岸坡滩地，开采施工成本低，是构筑高坝的良好的天然材料。砂砾石料具有压缩性低、抗剪强度和变形模量高、施工易压实等优点。但是天然砂砾料由于级配的离散型、间断性和施工易分离性，抗渗和抗冲刷能力较差。在我国西部地区，这种材料更是随处可见。我国现在已经建成的乌鲁瓦提(131.8m)和黑泉(123.5m)两座面板砂砾石坝。从我国沟后面板砂砾石坝溃坝分析，最主要的原因就是面板和防浪墙底止水失效且防浪墙发生较大变形，坝顶高程处存在强透水层，渗流高溢出，砂砾石料发生渗透破坏，下游坝坡局部失稳、滑动，面板悬空，折断，洪水漫顶，形成一种渐进破坏的模式，造成了巨大的人民财产和经济损失。从此以后面板砂砾石坝的设计，防浪墙的底板高程均高于正常蓄水位，甚至高于设计洪水位，且坝内设置排水棱体。目的是避免库水经常浸没防浪墙，防止由于防浪墙接缝止水不良或者坝顶变形量过大而产生止水破坏而漏水。但是防浪墙的设置可以有效的节省填筑量，有时设置较高的防浪墙，会更经济。从沟后坝失事后的防浪墙的设计来看，防浪墙在正常工况下不起到挡水的作用。坝内排水棱体的设置可以有效降低坝体内的浸润线，但是大大增加了坝体施工的难度，降低了施工的效率。胶凝砂砾石坝是在近几十年总结传统面板堆石坝与碾压混凝土坝优点基础上发展起来的一种新坝型，它具有水泥用料省，施工导流方便，温控简单，施工速度快，适应软弱地基以及抗震性好等特点。胶凝砂砾石坝坝体体型介于堆石坝和混凝土重力坝之间。胶凝砂砾石的强度和变形模量低于混凝土，但高于砂砾石料，是处于混凝土和砂砾石料之间的过渡材料。一般来讲，未掺外加剂的胶凝砂砾石抗渗等级可达到s8，掺外加剂后抗渗等级可以达到s12。由于现阶段胶凝砂砾石的性能的研究还不够完善，国内投入运行的最高的我胶凝砂砾石坝是守口堡水库大坝，坝高64.6m。为保障大坝长期运行，需要在坝体上游迎水面选择适宜的防渗措施实现挡水功能，砂砾石坝的防渗层材料一般采用常规混凝土、碾压混凝土。坝工界对高胶凝砂砾石坝的安全性存在以下担心：(1)胶凝砂砾石料的耐久性研究目前仅停留在渗透溶蚀、抗渗及抗冻方面的一些影响规律探讨，不够系统深入，未能量化；(2)胶凝砂砾石料细观层面下的定量分析极少，无法准确预测该坝型的使用寿命，故国内还没有超过百米高的胶凝砂砾石坝。在地震作用下，0.65h(h为坝高)附近面板顺坡向拉应力最大，该部位首先出现损伤，同时由于鞭鞘效应，面板在0.85h处也出现损伤破坏。在某一渗流坡降作用下，管涌发生后,是否会扩展到管涌破坏，与渗径长度有很大关系，渗径愈长，就愈难扩展到破坏。并且只有当渗流坡降上升到某一定高度时，管涌才会扩展到上游，使上、下连通，形成通道，即发生管涌破坏。技术实现要素：本发明的目的是提供一种结构简单，可充分发挥防浪墙作用，减少坝体填筑量，减轻震后面板破坏程度，提高坝体抗渗强度的新型复合面板砂砾石坝的结构设计及施工方法。本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种新型复合面板砂砾石坝的结构设计方法，包括由主堆石区和位于主堆石区的下游坡面处的下游堆石区组成的砂砾石坝体，砂砾石坝体的上游坡面上设有垫层及平行于垫层的面板层，砂砾石坝体的顶端设有防浪墙；面板层的底部设有混凝土趾板，混凝土趾板的下方设有灌浆帷幕，所述垫层包括富浆胶凝砂砾石垫层和胶凝砂砾石垫层，胶凝砂砾石垫层铺设于1/2坝高以下的砂砾石坝体的垫层处；富浆胶凝砂砾石垫层铺设于1/2坝高以上的砂砾石坝体的垫层处；所述富浆胶凝砂砾石垫层与防浪墙底板之间以及面板层与垫层之间的缝隙处灌注有沥青混凝土砂浆层；位于坝体顶端以下的a米高度范围内的主堆石区为采用胶凝砂砾石填筑而成的坝体胶凝砂砾石区；a的计算方法为：a＝(b-l)/(m+n)，其中，b＝(h校核-h)/j，h校核为校核洪水位距坝底的高度，h为防浪墙的底板高程，j为砂砾石抗渗允许坡降，m为上游坡度，n为分区坡度，l为坝顶宽度，b为坝体胶凝砂砾石区的底部长度；在富浆胶凝砂砾石垫层和胶凝砂砾石垫层内设有平行于面板层且相互连通的排水盲管，在砂砾石坝体的坝基处设有排水廊道，所述排水盲管的底端与排水廊道连通。所述主堆石区的下游坡面的坡比为1:n，n为分区坡度，n的值通过有限元稳定计算确定。0.5≤n≤0.7。所述下游堆石区的比主堆石区高度低a米。所述垫层的水平宽度为6米。所述主堆石区采用河床砂砾料填筑而成；下游堆石区采用砂砾石和开挖石渣填筑而成。所述胶凝砂砾石垫层、富浆胶凝砂砾石垫层、主堆石区及下游堆石区均采用三层铺料，每层铺料厚度为25cm。一种新型复合面板砂砾石坝的施工方法，包括以下步骤：s1、参数预算：根据面板堆石坝设计规范，确定复合面板砂砾石坝的上游坡度、坝顶宽度、砂砾石坝体材料的抗渗强度、校核洪水位距坝底的高度h校核、上游坡度m，分区坡度n、利用有限元稳定计算方法确定砂砾石抗渗允许坡降j、确定防浪墙的底板高程h；根据公式：a＝(b-l)/(m+n)，确定a的值，其中，b＝(h校核-h)/j，h校核为校核洪水位距坝底的高度，h为防浪墙的底板高程，j为砂砾石抗渗允许坡降，m为上游坡度，n为分区坡度，0.5≤n≤0.7，l为坝顶宽度，b为坝体胶凝砂砾石区的底部长度；s2、石料选取：采用格筛将砾石料中直径大于150mm的砾石进行剔除，将筛好的砾石料中填入天然砂砾料或开挖石渣料并加入胶凝材料拌合后，使用土石方运输机械上坝；s3、在1/2坝体的以下的砂砾石坝坝体的垫层上铺设三层胶凝砂砾石垫层，并使每层胶凝砂砾石垫层的厚度为25cm；在铺设胶凝砂砾石垫层的过程中埋设透水管作为排水盲管；所述透水管的间距为3m，并进行碾压；每层胶凝砂砾石垫层的层间面铺设一层15mm水泥砂浆；在胶凝砂砾石垫层与主堆石区过渡的区域内，在碾压过程中保证垫层的厚度不小于设计厚度即可。s4、在1/2坝高以上的砂砾石坝体的垫层上铺设三层富浆胶凝砂砾石垫层，每层富浆胶凝砂砾石垫层的厚度为25cm,在胶凝砂砾石垫层中添加灰浆，然后进行振捣直至泛浆。并在铺设富浆胶凝砂砾石垫层的过程中埋设透水管作为排水盲管，透水管的间距为3m；s5、当坝体填筑到距防浪墙的底板高程为a米的坝体高度时，采用胶凝砂砾石填筑坝体；s6、当坝体沉降基本稳定后进行防浪墙的施工，在富浆胶凝砂砾石垫层和防浪墙间的间隙以及面板层与垫层之间的缝隙处浇灌沥青混凝土砂浆以形成厚度为10mm的沥青混凝土砂浆层。s7、进行面板层的施工。本发明的有益效果在于：本发明设计出的沙砾石坝结构简单，利用胶凝砂砾石的弹模处于混凝土和砂砾石之间，可以有效的保护面板，减小面板和防浪墙的变形。无需像传统的面板坝一样设置垫层区，过渡区和排水棱体。通过在1/2坝高以上的垫层(宽6m)部分使用富浆胶凝砂砾石，可以有效的防止该处的坝料发生渗透破坏。考虑到现行混凝土面板堆石坝规范吸收借鉴了沟后面板砂砾石坝溃坝教训，规定正常蓄水位要低于防浪墙底板高程，主要是避免库水经常浸没防浪墙，防止由于防浪墙接缝止水不良或者坝顶变形量过大而产生止水破坏而漏水，本发明允许正常蓄水位位于防浪墙高程底板高程之上，且主堆石区的下游坡面的坡比大于下游堆石区下游破面的坡比，故可以有效减小上部坝体的填筑工程量，减少投资。防浪墙是位于a(m)厚的胶凝砂砾石上，并且在两者之间灌注了沥青混凝土砂浆，防浪墙不会发生旋转变形，最多也只是沉降变形，能有效的防止防浪墙底板处接缝止水的破坏。主堆石区的下游坡面的坡比为1:n，使a(m)厚的胶凝砂砾石完全坐落在主堆石区上，主堆石区筑坝材料较好，对a(m)厚的胶凝砂砾石的变形控制是十分有利的。坝体只分两区，筑坝材料从料场开采后，不需要繁琐的筛选，即可上坝填筑，对填筑的坝料的要求低，便于施工。由于胶凝砂砾石相比砂砾石具有一定的粘聚力，故上下游坝坡的稳定性得到了极大的提高,及时下游坝坡发生滑动，滑动范围也是在胶凝砂砾石以下坝坡，对坝体整体稳定性影响很小。上游垫层可以起到汛期临时挡水的作用。在上游垫层内设置排水盲管，最终渗水都汇集于排水廊道中，不需要在坝内设置其它排水通道和排水棱体，大大节约了施工时间，简化了施工工艺。附图说明图1是本发明设计的复合面板砂砾石坝的坝体结构示意图。图2是本发明坝顶的结构示意图。图3是本发明坝基处的结构示意图。图中：1-防浪墙、2-富浆胶凝砂砾石垫层、3-坝体胶凝砂砾石区、4-排水盲管、5-胶凝砂砾石垫层、6-面板层、7-主堆石区、8-混凝土趾板、9-沥青混凝土砂浆层、10-混凝土垫层、11-排水廊道、12-下游堆石区。具体实施方式以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：图1是本发明设计的复合面板砂砾石坝的坝体结构示意图。一种新型复合面板砂砾石坝的结构设计方法，包括由主堆石区7和位于主堆石区7的下游坡面处的下游堆石区12组成的砂砾石坝体，其中，主堆石区7采用河床砂砾料填筑而成；下游堆石区12采用砂砾石和开挖石渣填筑而成。下游堆石区12的比主堆石区7高度低a米，砂砾石坝体的上游坡面上设有垫层及平行于垫层的面板层6，砂砾石坝体的顶端设有防浪墙1；面板层6的底部设有混凝土趾板8，混凝土趾板8的下方设有灌浆帷幕，垫层包括富浆胶凝砂砾石垫层2和胶凝砂砾石垫层5，胶凝砂砾石垫层5铺设于1/2坝高以下的砂砾石坝体的垫层处；富浆胶凝砂砾石垫层2铺设于1/2坝高以上的砂砾石坝体的垫层处；富浆胶凝砂砾石垫层2与防浪墙1底板之间以及面板层6与垫层(富浆胶凝砂砾石垫层2及胶凝砂砾石垫层5)之间的缝隙处灌注有沥青混凝土砂浆层9；富浆胶凝砂砾石垫层2及胶凝砂砾石垫层5的水平宽度均为6米。如图2所示，位于坝体顶端以下的a米高度范围内的主堆石区7为采用胶凝砂砾石填筑而成的坝体胶凝砂砾石区3；如图3所示：在富浆胶凝砂砾石垫层2和胶凝砂砾石垫层5内设有平行于面板层6且相互连通的排水盲管4，在砂砾石坝体的坝基处设有排水廊道11，排水盲管4的底端与排水廊道11连通，优选在排水廊道11的底部设有混凝土垫层10。a的计算方法为：a＝(b-l)/(m+n)，其中，b＝(h校核-h)/j,h校核为校核洪水位距坝底的高度，h为防浪墙1的底板高程，j为砂砾石抗渗允许坡降，m为上游坡度，n为分区坡度，l为坝顶宽度。b实际上计算的是坝体胶凝砂砾石区3的底部长度(如图1所示)。主堆石区7的下游坡面的坡比为1:n,n为分区坡度，n值要通过有限元稳定计算确定。一般来说，0.5≤n≤0.7。胶凝砂砾石垫层5、富浆胶凝砂砾石垫层2、主堆石区7及下游堆石区12均采用三层铺料，每层铺料厚度为25cm。一种新型复合面板砂砾石坝的施工方法，包括以下步骤：s1、参数预算：根据面板堆石坝设计规范，确定复合面板砂砾石坝的上游坡度、坝顶宽度、砂砾石坝体材料的抗渗强度、校核洪水位距坝底的高度h校核、上游坡度m，分区坡度n、利用有限元稳定计算方法确定砂砾石抗渗允许坡降j、确定防浪墙的底板高程h；根据公式：a＝(b-l)/(m+n)，确定a的值，其中，b＝(h校核-h)/j，h校核为校核洪水位距坝底的高度，h为防浪墙的底板高程，j为砂砾石抗渗允许坡降，m为上游坡度，n为分区坡度，0.5≤n≤0.7，l为坝顶宽度。b即为坝体胶凝砂砾石区的底部长度。假如防浪墙的底板高程以上有4m水深，坝体砂砾石的最大允许水力坡降为0.1，坝顶宽10m，上游坡度m＝1.4，分区坡度n＝0.6，考虑到防浪墙的底板止水发生破坏，则水在砂砾石坝体内最短渗径为b＝4/0.1＝40m，a＝(40-10)/(1.4+0.6)＝15m。其中分区坡比n，根据胶凝砂砾石坝设计准则,需要通过有限元稳定计算确定，从而得到上部坝体胶凝砂砾石区的最优配比。主堆石区的下游坡面的坡比1:n的范围为1:0.5-1:0.7。s2、石料选取：采用格筛将砾石料中直径大于150mm的砾石进行剔除，将筛好的砾石料中填入天然砂砾料或开挖石渣料并加入胶凝材料拌合后，使用土石方运输机械上坝。s3、在1/2坝体的以下的砂砾石坝坝体的垫层上铺设三层胶凝砂砾石垫层，并使每层胶凝砂砾石垫层的厚度为25cm,并在铺设胶凝砂砾石垫层的过程中埋设透水管作为排水盲管，透水管的间距为3m。并进行碾压；每层胶凝砂砾石垫层的层间面铺设一层15mm水泥砂浆。胶凝砂砾石垫层与主堆石区过渡的区域在碾压过程中保证垫层的厚度不小于设计厚度即可。s4、在1/2坝高以上的砂砾石坝体的垫层上铺设三层富浆胶凝砂砾石垫层，每层富浆胶凝砂砾石垫层的厚度为25cm,在胶凝砂砾石垫层中添加一定比例(根据规范和设计要求确定)的灰浆，然后进行振捣直至泛浆。并在铺设富浆胶凝砂砾石垫层的过程中埋设透水管作为排水盲管，透水管的间距为3m。s5、当坝体填筑到距防浪墙的底板高程a米的坝体高度时，采用胶凝砂砾石填筑坝体。s6、当坝体沉降基本稳定后进行防浪墙的施工，在富浆胶凝砂砾石垫层和防浪墙间的间隙间以及面板层与垫层之间的缝隙处浇灌沥青混凝土砂浆以形成厚度为10mm的沥青混凝土砂浆层。s7、进行面板层的滑模施工。表(1)和表(2)为本发明与现有技术的效果对比表：表(1)本发明技术和面板砂砾石坝的效果对比表表(2)本发明技术和胶凝砂砾石坝的效果对比表百米级坝高可行性费用耐久性本发明技术可行少高胶凝砂砾石坝不可行相同坝高条件下，水泥用量多，造价高不确定以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。当前第1页12