一种加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井的制作方法

本发明属于心墙堆石坝排水固结技术领域，特别涉及一种加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井。

背景技术：

我国目前建有大坝9.8万余座，其中土石坝近9万座。土石坝泛指由当地土料、石料或混合料经抛填、碾压等方法堆筑而成的一种坝型。土石坝就地取材，降低了建材运输成本；结构简单，便于维修和加高；施工技术简单，便于机械快速施工。凭借这些优点，土石坝在未来仍有很大的应用前景。

心墙堆石坝属于土石坝的一种形式，其坝壳和坝体内部填充材料主要为透水性较好的堆石体，而心墙作为防渗体主要由低透水性的黏土组成。传统的心墙填筑过程，心墙黏土颗粒间的孔隙水是由心墙两侧排出，随着填筑高度的增加，上层土体的自重作用于下层土体上，自重应力转化为孔隙水压力和土体的有效应力，随着孔隙水被挤出心墙，超孔隙水压力转化为土体的有效应力，即为心墙固结过程。心墙固结快有利于心墙的稳定，防止水力劈裂的发生，但是孔隙水外排的渗径较长，固结过程缓慢，要达到彻底固结耗时过长，这又反过来限制了心墙的填筑，拖慢了整体的施工进程，且不利于心墙稳定。

因此，急需要一种能缩短心墙内孔隙水渗径、加速土体固结的装置。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井，可有效加速心墙排水固结。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井，所述砂井埋于心墙内部，所述砂井包括：砂石料、土工袋、排水廊道和启闭阀门，所述土工袋包裹透水性良好的砂石料，所述土工袋堆叠成砂井，所述排水廊道布置在坝基上，所述砂井底部与排水廊道由启闭阀门相连接。

优选地，所述砂井沿大坝的坝轴线以一定间距依次布置，所述间距取心墙2/3高度处心墙截面厚的1/2。

优选地，所述土工袋具有反滤特性，保证水能够进入土工袋，而黏土细颗粒和砂石颗粒不会随水一同流失。

优选地，所述砂井由土工袋包裹砂石料一层一层堆叠而成，所述砂石料相连接构成了一条从上到下的排水通道。

优选地，所述排水廊道位于坝基建基面，沿坝轴线方向延伸。

优选地，所述启闭阀门将砂井和排水廊道连接，当需要排水时阀门开启，当开始蓄水时阀门关闭。

本发明的加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井的有益之处在于：该砂井能够缩短心墙内孔隙水排出的渗径，让其既可以由心墙两侧排水，也可以由砂井排出，同时具有反滤特性的土工袋可以保证心墙中的黏土细颗粒不会随着孔隙水一同排出，从而加速了排水固结的过程，使心墙土体尽早达到进一步填筑的预期强度，缩短心墙的填筑工期。

附图说明

图1是本发明砂井的结构示意图。

图2是本发明砂井在心墙堆石坝中的结构示意图。

图3是本发明砂井的剖视图，即图2中A-A截面示意图。

图4是本发明一实施例中填筑过程线和测压管水位变化过程线的示意图。

图中，1是透水性良好的砂石料，2是具有反滤特性的土工袋，3是砂井，4是心墙，5是排水廊道，6是连接砂井和排水廊道的启闭阀门，7是填充砂井空隙的黏土。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

结合图1和图2所示，加速心墙堆石坝心墙排水固结的砂井3埋于心墙4内部，砂井3包括：砂石料1、土工袋2、排水廊道5和启闭阀门6，土工袋2包裹透水性良好的砂石料1，土工袋2堆叠成砂井3，排水廊道5布置在坝基上，砂井3底部与排水廊道5由启闭阀门6相连接，当需要排水时阀门开启，当开始蓄水时阀门关闭。

如图3所示，砂井3沿大坝的坝轴线以一定间距依次布置，间距D取心墙2/3高度处心墙截面厚L的1/2，即D＝1/2L。

土工袋2具有反滤特性，保证水能够进入土工袋2，而黏土细颗粒和砂石颗粒不会随水一同流失。砂井3由土工袋2包裹砂石料1一层一层堆叠而成，砂石料1相连接构成了一条从上到下的排水通道。排水廊道5位于坝基建基面，沿坝轴线方向延伸。

具体到施工中，其做法是：用土工袋2装上透水性良好的砂石料1，与心墙的分层填筑同步进行铺叠。如图3所示，将装有砂石料1的土工袋2沿坝轴线间隔布置，铺一层心墙黏土，与此同时土工袋2通过层层堆叠达到或略高于心墙4当前的填筑高度，以便接下来继续填筑心墙4时土工袋2能与之前铺埋的土工袋2接上。在堆叠土工袋2时应尽量使其保持竖直，如图1所示，这样可以使土工袋2之间的接触面积达到最大，从而提高排水的效率。土工袋2与心墙4之间的空隙部分，仍用黏土7填充，通过振捣压实使土工袋2稳固并与心墙4紧密结合。在整个填筑过程中，保持启闭阀门6处于开启状态，从黏土7渗入砂井3中的水向下渗流，经阀门6进入排水廊道5中。随着心墙4一层层向上填筑，土工袋2也一层层堆叠上去，最终形成了一个供水渗流的砂石料通道，即为砂井3。需要注意的是，当大坝开始蓄水的时候，要将启闭阀门6关闭。

根据工程经验，心墙4往往容易在其2/3高度处发生水力劈裂，存在安全隐患，为使得沙井3能够对该部位取到加速固结作用，所以沙井3沿坝轴线布置的间隔距离，取心墙总高度2/3处心墙厚度的一半。由上所述，砂井3由土工袋2包裹着砂石料1堆叠而成，就相当于在心墙4中钻了一个深井，里面填充砂石料1，考虑到稳定性和排水效率，实际操作时采用的是土工袋2而不是直接挖井填砂。

在本实施例计算分析中，将砂井简化为圆柱体，假设固结过程中水和气是一起流出的，即将孔隙中的水和气视为混合流体，从而建立较为单一的混合流体连续性方程。

根据有效应力原理公式：

{σ}＝{σ'}+{M}u_m (1)

平衡微分方程为：

上式(1)、(2)中，σ为总应力；σ'为土体有效应力；u_m是水压u_w和气压u_a以某一参数ω为权重的加权平均值，u_m＝(1-ω)u_a+ωu_w；{M}＝[1,1,0]^T；{f}为荷载矩阵，由于是固结阶段，已扣除初期阶段发生的有效应力；为一微分矩阵：

结合本构方程(4)和几何方程(5)：

{σ'}＝[D]{ε} (4)

可将平衡方程(2)改写为由位移和混合流体压力表示的平衡微分方程：

式(4)-(6)中：w为位移；ε为应变；[D]为弹塑性矩阵。

根据连续性原理，单元体的体积压缩量等于从单元体中排出的流体体积与残存孔隙流体压缩量之和，即：

假定流体容重γ_m和流体渗透系数K_m为常量，则(7)式可简写为：

式(7)、(8)中，ε_v为单元体体积压缩量，ε_vl为残存孔隙流体压缩量；为拉普拉斯算子。

残存混合流体的体积压缩量由流体压力变化引起，可表示为：

其中，B_m为混合流体的体积压缩模量，

将和式(9)代入式(8)，即可得到由位移和混合流体压力表示的连续性方程：

将式(6)平衡方程和式(10)连续性方程联立，可解出位移和压力。

计算结果

某心墙堆石坝位于澜沧江下游干流上，坝顶高程821.5m，心墙基础最低建基面高程560.0m，坝高261.5m，坝顶宽18m，上游坝坡坡度1:1.9，下游坝坡坡度1:1.8。

根据心墙填筑过程中测得的测压管水位监测数据，将填筑到不同高度时未安置砂井的工况下和安置了砂井的工况下的最大超孔隙水压(折算成水头)进行对比，对比结果如表1所示，填筑过程线和测压管水位变化过程线如图4所示。

表1两种工况下超孔隙水压(折成水头)单位：m

(接表1)

(接表1)

可见，填充有砂井的心墙堆石坝心墙排水固结效果明显，有砂井的测压管水位明显优于无砂井工况。