一种适用水利水电工程的超高堆石坝结构及其施工方法与流程

本发明涉及水利水电工程材料、结构及施工技术领域，具体是一种适用水利水电工程的超高堆石坝结构及其施工方法。

背景技术：
混凝土面板堆石坝是目前坝工建设中最富竞争力和最具发展前景的坝型之一。该坝型具有造价低、安全性高和适应性强等诸多优点，因而受到坝工界的普遍重视，具有极好的应用前景，是许多工程的首选坝型，目前我国已建和在建的面板堆石坝以超过150多座,其中100m以上的37座。现代混凝土堆石坝的发展趋势是坝越建越高、工程规模越来越大，我国通过天生桥一级(最大坝高178m)、水布垭(最大坝高233m)等工程的建设实践，筑坝技术相对成熟，为300m级超高面板堆石坝的发展奠定了一定的技术基础。随着我国西南水电开发进度的加快，在交通不便经济欠发达地区如金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布江等，有许多适宜建设高面板堆石坝的河谷地形地质条件，如古水、马吉等水电站，坝高都在250～300m左右，因不能把握300m级高面板堆石坝的工程特性、关键技术和运行特点，不能直接选择面板堆石坝方案，而选用外来运输量大、造价高的混凝土坝方案或体积大且占用耕地多对环境和水土保持易造成不利影响的土心墙堆石坝方案，有的工程在近坝区甚至没有可用的防渗土料，这使得水电站经济指标竞争力降低。因此，工程建设各方迫切希望在300m级高面板堆石坝筑技术上所有突破。然而，面临300m级甚至更高的超高块石坝的建设目标，仍存在多个关键技术难题，例如超高堆石坝的合理分区、筑坝材料特性对大坝变形特性的影响、超高堆石坝的变形特性及安全性、抗震安全性及工程措施等，尤其是在深厚覆盖层基础上筑坝，难以突破坝高的局限性,这些成为发展超高面板堆石坝的技术瓶颈。

技术实现要素：
本发明根据现有技术的不足提供一种适用水利水电工程的超高堆石坝结构及施工方法，该超高堆石坝结构的混凝土基座采用碾压块石混凝土结构，从材料、结构及施工方式等角度，解决深厚覆盖层基础上筑坝难题，突破坝体高度局限性，实现超高面板堆石坝的建设目标。本发明提供的技术方案：所述一种适用水利水电工程的超高堆石坝结构，其特征在于：所述堆石坝包括碾压块石混凝土底座、堆石坝体和混凝土防渗面板，所述碾压块石混凝土底座是由多层碾压块石混凝土层通过振动碾压形成的高度为90m-110m的底座，每层碾压块石混凝土层是由下层混凝土、中层块石和上层混凝土通过振动碾压形成，所述混凝土防渗面板是在堆砌好的碾压块石混凝土底座与堆石坝体上游采用混凝土浇筑形成的防渗面板。本发明较优的技术方案：所述每层碾压块石混凝土层的高度为0.5m～1.0m。本发明较优的技术方案：所述每层碾压块石混凝土层的下层混凝土采用二级配混凝土，混凝土坍落度在70mm～150mm；所述上层混凝土采用一级配碾压混凝土，混凝土VC值在1s～5s；所述中层块石为施工现场挖的直径为40mm以上的块石或卵石。本发明较优的技术方案：所述上层混凝土的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm和5～20mm的砂石料；下层混凝土的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm、5～20mm、20～40mm的砂石料；所述中层块石为施工现场挖的直径为40mm～300mm的块石或卵石。本发明较优的技术方案：所述堆石坝体采用面板堆石坝。本发明提供进一步的技术方案：一种适用水电水利工程的超高堆石坝结构的施工方法，其特征在于具体步骤如下：(1)施工前期的工作，按照面板堆石坝的相关技术要求，处理坝基与岸坡；(2)待步骤(1)完成之后，在处理好的坝基上采用二级配混凝土浇筑下层混凝土，下层混凝土的坍落度在70mm～150mm，厚度为200mm-300mm；(3)在下层混凝土未初凝前，选取颗粒粒径40mm以上的块石或卵石在下层混凝土上堆砌中层块石；(4)待中层块石堆砌好之后，将其整理平整后再在中层块石上浇筑上层混凝土，直至上层混凝土填充中层块石的石块空隙，并高出中层块石100mm-200mm高，上层混凝土采用VC值在1s～5s的一级配碾压混凝土；(5)上层混凝土平仓后，且在未初凝前，采用振动压路机在上层混凝土上振动碾压直至表面均匀泛浆，待上层混凝土凝固后形成碾压块石混凝土层，其振动频率20Hz-40Hz，激振力200kN-400kN，振动碾行走速度在1.0km/h-1.5km/h；(6)重复步骤(2)至(5)，实现碾压块石混凝土底座的分层施工，直至90m-110m的高度，形成碾压块石混凝土底座；(8)在碾压块石混凝土底座上采用常规面板堆石坝的施工方法继续施工200m-300m高的堆石坝体，堆石坝体从上游向下游依次分为垫层区、过渡区、主堆石区及下游堆石区；(9)待步骤(8)中的堆石坝体施工完成之后，在碾压块石混凝土底座和堆石坝体的上游分期浇筑混凝土防渗面板。在步骤(5)所述的振动压路机采用全液压单钢轮振动压路机，每层碾压块石混凝土层碾压遍数0-15遍，碾压完成后每层碾压块石混凝土层高度为0.5m～1.0m。所述上层混凝土的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm和5～20mm的砂石料；下层混凝土的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm、5～20mm、20～40mm的砂石料；所述中层块石为施工现场挖的直径为40mm以上的块石或卵石。本发明具体是施工仓面先浇筑下层混凝土，然后在混凝土上堆砌现场开挖料，开挖料上再浇筑上层混凝土，最后通过振动碾碾压仓面，增加结构的整体均匀性，最终形成稳固的碾压块石混凝土结构。每层碾压块石混凝土层厚0.5m～1.0m，逐层连续施工，最终高度达到100m左右，作为超高面板堆石坝的基座结构。本发明中下层混凝土为二级配混凝土。均采用所在工程的混凝土用原材料，包括水、水泥、矿物掺和料、砂石料和外加剂拌制组成。所述的中层块石为表面清洁的当地水电水利工程开挖块石或卵石。所述的上层混凝土为一级配碾压混凝土。均采用所在工程的混凝土用原材料，包括水、水泥、矿物掺和料、砂石料和外加剂拌制组成。混凝土VC值在1s～5s为宜，可根据施工条件、现场气候环境等影响因素适当调整。本发明的有益效果：(1)本发明中混凝土层中的砂石以及中层块石均为表面清洁的当地水电水利工程开挖块石或卵石，开挖料根据粒径大致分0～5mm、5～20mm、20～40mm及40～300mm，甚至更大粒径，其中，在碾压块石混凝土中，0～5mm和5～20mm的砂石料用于拌制上层混凝土，0～5mm、5～20mm、20～40mm的砂石料用于拌制下层混凝土，40～300mm甚至更大粒径的砂石料用于中间堆石体，充分利用当地开挖料，基本做到无弃料，节能环保。(2)本发明的性能优良，满足超高面板堆石坝基座的技术要求。力学性能适中、水化温升小、良好的体积稳定性、层间抗剪能力强。作为超高面板堆石坝的基座结构，有利于减少坝体大变形，降低整体沉降，保障结构稳定性及抗震安全性，尤其是在深厚覆盖层基础上筑坝，采用碾压块石混凝土新技术，有望突破面板堆石坝坝高的局限性,消除300m级超高面板堆石坝的技术发展瓶颈。(3)本发明可以节约工程成本。无需设置砂石弃料的料场，砂石料仅需简单筛分，便可利用，对比常规的大坝混凝土，碾压块石混凝土中砂石料比例高、水泥用量少、当地矿物掺和料掺量高，显著节约原材料成本；还减少了混凝土坝方案通常采用的温控措施，提高工效、缩短工期。(4)本发明具有广阔的工程应用前景。碾压块石混凝土坝工程成本低，整体性能良好，更适用于超高堆石坝的工程建设,或其他可适用的建筑结构部位，有望在大型工程中推广应用。说明书附图图1是本发明所述的堆石坝结构示意图；图2是本发明中碾压块石混凝土层未碾压时的结构示意图；图3是本发明中碾压块石混凝土层碾压后的结构示意图。具体实施例下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1所示的一种适用水电水利工程的超高堆石坝结构，其特征在于：所述堆石坝包括碾压块石混凝土底座1、堆石坝体2和混凝土防渗面板3，所述堆石坝体2采用面板堆石坝，所述碾压块石混凝土底座1是由多层碾压块石混凝土层通过振动碾压形成的高度为90m-110m的底座，每层碾压块石混凝土层是由下层混凝土1-1、中层块石1-2和上层混凝土1-3通过振动碾压形成，所述上层混凝土1-1的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm和5～20mm的砂石料；下层混凝土1-3的砂石料采用施工现场挖的直径为0～5mm、5～20mm、20～40mm的砂石料；所述中层块石1-2为施工现场挖的直径为40mm以上的块石或卵石。所述混凝土防渗面板3是在堆砌好的碾压块石混凝土底座1与堆石坝体2上游采用混凝土浇筑形成的防渗面板。所述每层碾压块石混凝土层的高度为0.5m～1.0m。所述每层碾压块石混凝土层的下层混凝土1-1采用二级配混凝土，混凝土坍落度在70mm～150mm；所述上层混凝土1-3采用一级配碾压混凝土，混凝土VC值在1s～5s。为了满足水利水电工程超高堆石坝的建设需求,从材料、结构及施工方式等角度，提出碾压块石混凝土的设计理念，并通过室内试验对本发明作进一步说明，具体试验步骤如下：(1)浇筑下层混凝土室内试验的模具为450mm×450mm×450mm，混凝土拌制与浇筑按照DL/T5151《水工混凝土试验规程》规定进行，采用常规的水工混凝土原材料及配合比，拌制并浇筑下层混凝土，本试验原材料包括水泥、粉煤灰、人工砂、碎石和减水剂、引气剂，拌和水采用自来水，二级配混凝土坍落度为110mm，共浇筑69.3kg，厚约250mm；(2)中层堆石选取颗粒粒径为80～150mm的碎石，堆砌在下层混凝土上，共使用79.1kg；(3)浇筑上层混凝土混凝土拌制与浇筑按照DL/T5433《水工碾压混凝土试验规程》规定进行。采用常规的水工碾压混凝土原材料及配合比，拌制并浇筑上层混凝土，本试验原材料包括水泥、粉煤灰、人工砂、碎石和减水剂、引气剂，拌和水采用自来水，一级配混凝土VC值为2s，共浇筑38.3kg，层厚150mm，度约80mm；(4)振动碾压采用室内试验用振动器，在上层混凝土上进行振动碾压，并脱模硬化后形成碾压块石混凝土。结果表明，本试验中碾压块石混凝土总厚度380mm，容重达2478kg/m3，结构均匀稳固，效果良好，验证了碾压块石混凝土结构从技术上是可行的。实施例：使用本发明所述的方法来施工某水电水利工程的超高堆石坝结，其特征在于具体步骤如下：(1)按照混凝土面板堆石坝的施工规范和相关技术要求，处理该水电水利工程的坝基与岸坡；处理步骤和要求均与现有的面板堆石坝的处理步骤和要求相同；(2)将施工现场开挖的石料根据粒径大致分0～5mm、5～20mm、20～40mm及40～300mm，甚至更大粒径；(3)在施工现场采用原材料配制二级配混凝土，二级配混凝土采用所在工程的混凝土用原材料：水、水泥、矿物掺和料、外加剂和步骤(2)中粒径为0～5mm、5～20mm、20～40mm的砂石料搅拌制成，在处理好的坝基上采用配制好的二级配混凝土浇筑下层混凝土，下层混凝土的坍落度在70mm～150mm，厚度为200mm-300mm；(4)在下层混凝土未初凝前，选取步骤(2)中颗粒粒径40mm以上块石或卵石在下层混凝土上堆砌中层块石；(5)在施工现场采用原材料配制一级配碾压混凝土，一级配碾压混凝土采用所在工程的混凝土用原材料：水、水泥、矿物掺和料、外加剂和步骤(2)中粒径为0～5mm和5～20mm的砂石料搅拌制成，待中层块石堆砌好之后，将其整理平整后再在中层块石上采用配制好的一级配碾压混凝土浇筑上层混凝土，直至混凝土填充中层块石的所有石块空隙，并高出中层块石100mm-200mm高，上层混凝土的VC值在1s～5s；(6)待步骤(5)中上层混凝土平仓后，且在未初凝前，采用全液压单钢轮振动压路机在上层混凝土上振动碾压直至表面均匀泛浆，待上层混凝土凝固后形成厚度为0.5m-1m的碾压块石混凝土层，其振动频率20Hz-40Hz，激振力200kN-400kN，振动碾行走速度在1.0km/h-1.5km/h；(7)重复步骤(2)至(6)，实现碾压块石混凝土底座的分层施工，直至90m-110m的高度，形成碾压块石混凝土底座；(8)在碾压块石混凝土底座上采用常规混凝土面板堆石坝的施工方法继续施工200-300m高的堆石坝体，堆石坝体从上游向下游依次分为垫层区、过渡区、主堆石区及下游堆石区；(9)待步骤(8)中的堆石坝体施工完成之后，在碾压块石混凝土底座和堆石坝体的上游靠近水的一侧分期浇筑混凝土防渗面板。