一种灌注式防渗心墙土石坝的构筑方法及其结构
技术领域
本发明涉及一种灌注式防渗心墙土石坝的构筑方法及其结构，属于水利水电工程技术领域。
背景技术
土石坝作为一种最为古老的坝型，在水利水电工程中广泛应用。随着经济社会的发展，生态环境保护显得日益重要，传统土石坝结构凸显出下述问题：
首先，传统土石坝坝体填筑以压实度(粘性土)、相对密度(砂砾)或孔隙率(堆石)为唯一的设计控制指标，对坝料要求较高，且用粘性土料较多，需寻找储量巨大的料场并设置弃渣场，占用大量耕地、林地等，对当地生态环境产生较大影响。
其次，土石坝施工一般需设置上下游围堰形成基坑，挖除覆盖层，进行坝基处理及度汛体填筑，然后进行大坝主体施工。在围堰填筑及坝基处理上往往耗费较多时间，留给度汛体填筑的时间较少，施工组织难度较大，一般需安排较长的施工工期。
再者，土石坝在防渗体的选择上，一般是采用黏土、沥青混凝土等型式。
如现有技术中，由中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司的公开号为CN106368177A的发明专利公开了复合式高土石坝。该复合式高土石坝，包括沥青心墙，及顺水流方向依次设置在沥青心墙上游侧的上游堆石区、上游过渡层、上游反滤层和上游土质心墙，以及顺水流方向依次设置在沥青心墙下游侧的下游土质心墙、下游反滤层、下游过渡层和下游堆石区。该方案通过在沥青心墙上下游侧分别设置上游土质心墙和下游土质心墙形成复合式心墙结构，在保证坝体稳定安全的前提下，可减少防渗土料和沥青材料的用量。
又如，中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院申请的公开号为CN1807763的发明专利公开了一种土石坝振捣式沥青混凝土防渗心墙的施工方法，包括下列步骤：a、铺设模板：模板包括滑动模板或组装式活动模板；b、铺设耐高温无纺布；c、铺筑过渡料及过渡料碾压；d、铺筑沥青混凝土：往模板内浇注振捣式沥青混和料并使用刀板式振捣器使其振捣密实，振捣式沥青混和料原料包括：骨料、矿粉和沥青；e、滑动模板或拆除模板；f、保温养护。该方案可以不受温度条件制约，在-25℃以上的温度条件下施工。在防渗心墙施工中采用的振捣式沥青混凝土均一性、防渗性能好、受市场原材料制约较小，基本不受气温影响。
又有，浙江水利水电学院申请的公开号为CN105297683A的发明专利公开了一种土工膜心墙山塘土石坝及施工方法，土工膜心墙山塘土石坝由坝体、土工膜、残积土、坡积土、粉质黏土组成，土工膜修建在坝体中间，残积土、坡积土铺设在土工膜心墙土石坝左右幅，分层压实，粉质黏土厚度大于20cm，铺设在土工膜左右，保护土工膜在土石坝施工、运行期间不被残积土、坡积土棱角刺破，该方案公开的土工膜心墙山塘土石坝，是利用土工膜代替山区珍贵的黏土做成心墙，降低工程成本。
另外，梁军申请的公开号为CN106522170A的发明专利公开了一种采用混凝土防渗墙作为坝体防渗体的新坝型，该方案是混凝土防渗心墙在下部与坝基防渗帷幕相连，形成一道整体性的坝体防渗体系；混凝土防渗心墙的结构尺寸t1，心墙上下游两侧的过渡层的结构尺寸t2，当坝高小于60-70米时，t2宜≥(5-10)t1，而当坝高大于70m(即高坝)时，t2应大于10倍的t1。具体实施先行施工填筑各分区坝料，最后做防渗墙。
以上技术各有优点，都对土石坝的防渗心墙技术提出了一些创新方案，这些方案大多涉及黏土或沥青构成的心墙防渗体，然而黏土防渗体用量较大，若库区及坝址无合适料场，远距离调运，不仅占用大量耕地、林地等资源，还要付出较大的经济及环境代价。对于沥青混凝土防渗体，基座对地质条件要求高，且需专用沥青混凝土制拌设施，工期较长，投资较大。而土工膜则容易撕裂，所以通常用在临时工程里，适用范围较窄。而CN106522170A缺点是混凝土心墙容易变形破坏，需要周边加过渡料，造价较高。
因此，现有土石坝结构型式及施工技术，与目前社会经济发展对于生态环境及工程施工效率的需求不相适应，有待进一步优化和发展。
发明内容
为克服上述现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种灌注式防渗心墙土石坝的构筑方法及按照该方法构筑而成的新型灌注式防渗心墙土石坝结构。
本发明是这样实现的：
本发明的一种灌注式防渗心墙土石坝的构筑方法是这样的，该方法将土石坝设计为上、下两部分坝体及防渗体系，并由水下坝体填筑及坝基处理方法、灌注式防渗心墙的形成方法、坝料选择与控制方法三部分组成；所述水下坝体填筑及坝基处理方法是直接在水下抛填坝料，并对抛填体和坝基覆盖层采用振冲加密处理形成下部坝体；所述灌注式防渗心墙的形成方法是对坝体和坝基覆盖层采用脉动灌浆形成防渗心墙，基岩采用帷幕灌浆形成防渗帷幕，共同构成土石坝的防渗体系；所述坝料选择与控制方法是指上部坝体填料广泛选用库区内砂卵砾石、软岩、砾石土、风化料及建筑物开挖的石渣料，并采用试验结合计算分析、填筑指标及施工参数的综合方法进行压实控制。
本发明的技术方案中，该种新型土石坝坝体结构由上、下两部分坝体及防渗体系组成。下部坝体直接在水下抛填坝料振冲加密完成。上部坝体采用库区砂砾、软岩、砾石土、风化料及开挖渣料分层碾压完成，并采用试验结合计算分析、填筑指标及施工参数的综合方法进行压实控制。防渗体系由脉动灌浆技术在坝体及覆盖层形成的防渗心墙连接基岩帷幕组成。本发明的土石坝适用于河床水深与松散砂卵砾石覆盖层厚度之和小于50m的坝址。
本发明的详细技术方案如下：
本发明关键技术之一是水下坝体填筑及坝基处理方法。即直接在上、下游坡脚处抛填堆石形成戗堤，上、下游戗堤中间抛填一定级配的砂卵砾石或石渣料，填出水面至度汛高程，形成水上施工平台。在此平台上对所抛填的坝体及坝基采用振冲(或其他加密措施)加密，使其达到坝体及坝基所要求的密实度，实现水下筑坝。其中，前述戗堤宜布置在土石坝坝坡延伸线与坝基交界以外，戗堤可作为临时施工通道，为水下填筑坝体提供围蔽，后期形成大坝坡脚永久的压台及防护体。戗堤宜采用质量较好的石料抛填。戗堤顶宽度一般采用6m～10m，上、下游坡采用1:2～1:2.5。戗堤内侧抛填反滤料，其级配满足反滤要求。
作为一种优选方案，前述戗堤石料的饱和抗压强度不小于30MPa，软化系数不小于0.75，粒径200mm～1000mm。
作为一种优选方案，前述反滤料，水平厚度大于5m，饱和抗压强度不小于60MPa，软化系数不小于0.75。
作为一种优选方案，前述水中抛填形成下部坝体的砂卵砾石或石渣料最大粒径Dmax<200mm，有机质及杂质含量控制在5％以内。石渣料饱和抗压强度不小于30Mpa，软化系数不小于0.75。
作为一种优选方案，前述加密方式采用振冲加密时，桩一般按间距(a)为2m～3m的等边三角形布置，处理范围为戗堤间水下抛填的砂卵砾石、石渣料，以及松散的坝基覆盖层。施工前需进行现场专项试验，确定相关施工参数。
本发明关键技术之二是灌注式防渗心墙形成方法。即对坝体和坝基覆盖层采用脉动灌浆形成防渗心墙，基岩采用帷幕灌浆形成防渗帷幕，共同构成土石坝的防渗体系。进一步地讲，前述灌注式防渗心墙采用脉动灌浆技术，在坝体中部布置钻孔，排数根据坝高布置为2～5排，形成的防渗心墙有效厚度D大于H/15(H为最大挡水水头)，渗透系数小于5×10-6cm/s，弹性模量介于200～1000MPa。
作为一种优选方案，前述脉动灌浆防渗心墙可分为上、下两期工程实施，一期工程为度汛高程以下坝体及坝基，二期工程为度汛高程以上坝体；条件允许时，也可待坝体完工后在坝顶一次性实施。
作为一种优选方案，前述灌浆浆液采用粘土水泥膏状浆液，其流动度为60mm～120mm。浆液配合比(质量比)可采用水泥：黏土：外加剂：水＝100:(50～200):(2～5):(140～250)。
作为一种优选方案，前述外加剂为硫酸钠、偏铝酸钠、偏硅酸钠、纤维素、植物胶、聚丙烯酰胺中的一种或几种混合而成，优选纤维素和偏铝酸钠为主，最终根据坝体和坝基岩土性质经试验确定。
作为一种优选方案，前述粘土浆密度为1.2g/cm3～1.25g/cm3，膏状浆液比重1.5g/cm3～1.65g/cm3，初凝时间2h～6h。
作为一种优选方案，前述注浆采用专用柱塞泵，泵送频次6～12次/分，单缸每次泵送量大于5L。
作为一种优选方案，前述脉动灌浆，采用自下而上分段进行，每个灌段为0.5m～1.0m，浆液扩散半径为1.0m～1.5m。
作为一种优选方案，当坝高低于30m时，前述灌浆孔可采用2排布置，孔距为1.0m～1.5m，排距为0.8m～1.0m。灌浆宜先实施上游排，再实施下游排。第一排灌浆压力为0.6MPa～3.5MPa，第二排灌浆压力可提高约10-30％。形成的防渗心墙有效厚度大于3.0m。
作为一种优选方案，当坝高25m～60m时，前述灌浆孔可采用3排布置，孔距为1.0m～2.0m，排距为0.8m～1.2m。灌浆先实施上游与下游两排，最后实施中间排。上、下游排灌浆压力为0.6MPa～3.5MPa；中间排灌浆压力可提高约20～50％。形成的防渗心墙有效厚度大于4.5m。
作为一种优选方案，当坝高55m～90m时，前述灌浆孔可采用4排布置，必要时采用5排布置，孔距为1.0m～2.5m，排距为0.8m～1.2m。灌浆先实施上游与下游两排，最后实施中间排。上、下游排灌浆压力为0.6MPa～3.5MPa；中间排灌浆压力可提高约30～50％。形成的防渗心墙有效厚度大于6m。
本发明关键技术之三为坝料选择与控制方法。土石坝工程区范围没有防渗土料时，采用灌注式防渗心墙作为防渗体。上部坝体填料广泛选用库区内砂卵砾石、软岩、砾石土、风化料及建筑物开挖的石渣料，并采用现场试验结合计算分析、填筑指标及施工参数的综合方法进行压实控制，满足坝体填筑标准要求。解决了传统土石坝坝料填筑控制指标单一，对坝料要求高，弃料多等问题，拓展了坝料选择。
作为一种优选方案，对于风化料、砾石土，渗透系数可不作控制，仅对含砾量进行控制，一般在40％～60％之间。
作为一种优选方案，对于砂卵砾石料，可广泛选用库区内河床料，最大粒径Dmax<200mm，有机质及杂质含量控制在5％以内。
作为一种优选方案，软岩开挖渣料参照风化料、砾石土标准，根据其料性选择填筑于坝的不同区域。硬岩开挖渣料最大粒径Dmax<500mm。
进一步地，对于碾压填筑标准，在具体施工时，不以压实度、相对密度或孔隙率为唯一的设计控制指标来判定，而采用现场试验结合计算分析、填筑指标及施工参数的综合方法进行压实控制。
作为一种优选方案，前述风化料、砾石土、砂卵砾石铺填厚度不大于400mm，硬岩开挖料铺填厚度不大于800mm，坝料最大粒径不大于铺填厚度的2/3。同一层铺填尽量采用相同坝料。
作为一种优选方案，因坝料的复杂性，前述坝料碾压遍数一般需严格控制在10遍以上(静压2遍、振动8遍)。碾压机具重量一般不小于25t。
作为一种优选方案，掺水量根据坝料的不同，一般采用5％～15％。
进一步地，采用前述施工参数压实后，选取与风化料、砾石土、砂卵砾、硬岩开挖料等各自相对应的压实控制指标(压实度、相对密度或孔隙率)作为压实的综合控制标准。
采用前述方法构筑的灌注式防渗心墙土石坝结构，包括上游戗堤和下游戗堤，在上游戗堤和下游戗堤内侧分别设有抛填反滤料形成的戗堤内侧反滤体，在上下游的戗堤内侧反滤体之间设有水下抛填坝体，水下抛填坝体由砂卵砾石和石渣料抛填构成，填出水面至度汛高程；在水下抛填坝体及坝基覆盖层中设有振冲加密桩进行加密；在水下抛填坝体中部设有下部坝体防渗心墙，在下部坝体防渗心墙下方设有坝基帷幕，在下部坝体防渗心墙上方设有上部坝体防渗心墙，在前述的上部坝体防渗心墙的上下游两侧分别设有上游坝壳和下游坝壳；在前述的上游坝壳和下游坝壳坡面上分别设有上游护坡与下游排水体。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：
(1)本发明作为一种新型土石坝结构型式，拓展了土石坝适用范围。
(2)本发明直接在水下填筑，无需要设传统意义上的围堰和基坑，不挖除河床覆盖层，坝体填筑速度快，施工简单，度汛安全更加有保障。
(3)本发明坝料来源广，广泛利用工程开挖弃渣填坝，同时减少了弃渣场征地，有利于生态环境保护和水土保持。
(4)本发明采用灌注式防渗心墙，该种心墙结构在本领域中属于独创技术，该技术可以避免防渗粘土料大量开采带来的耕地、林地征用和破坏，减少环境风险。解决了粘性土料雨天无法施工问题，施工方便，且作为柔性防渗体，有利于大坝变形协调、相对提高防渗体系的耐久性。
(5)本发明可以有效缩短施工总工期，有利于提前发挥工程效益。
(6)本发明能够优化土石坝施工工艺，节省围堰填筑、堰体防渗、基坑开挖、基坑抽水，节省料场、渣场征地及相关水保、环保措施，显著节省工程投资。
附图说明
图1是本发明灌注式防渗心墙土石坝坝体结构示意图；
图2是下部坝体水下抛填示意图；
图3是下部坝体结构示意图；
图4是脉动灌浆防渗心墙布置示意图；
图5是上、下部坝体防渗心墙搭接示意图；
附图标记说明：1-上游戗堤、2-下游戗堤、3-水下抛填坝体、4-振冲加密桩、5-下部坝体防渗心墙、6-坝基帷幕、7-上游坝壳、8-下游坝壳、9-上部坝体防渗心墙、10-上游护坡、11-下游贴坡排水、12-基岩覆盖层、13-基岩、14-灌浆上游排、15-灌浆下游排、16-灌浆中间排、17-心墙搭接区、18-戗堤内侧反滤体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是这样实施的：
如图1所示，本发明的坝体结构包括上游戗堤1、下游戗堤2、水下抛填坝体3、振冲加密桩4、下部坝体防渗心墙5、坝基帷幕6、上游坝壳7、下游坝壳8、上部坝体防渗心墙9、上游护坡10、下游贴坡排水11。
如图2所示，本发明按照如下步骤进行施工：
第一步，由岸边抛填施工上游戗堤1和下游戗堤2进占河床，戗堤顶高程按度汛水位加超高确定。戗堤坡脚位于坝坡延伸线以外，顶宽根据施工需要，一般采用6m～10m，上、下游坡采用1:2～1:2.5。
第二步，分别从上下游戗堤向河床中间填料，先在上游戗堤1和下游戗堤2内侧分别抛填反滤料形成戗堤内侧反滤体18，水平宽度不小于5m。然后继续在上、下游反滤体18之间抛填有一定级配要求的砂卵砾石和石渣料，填出水面至度汛高程，形成水下抛填坝体3。
第三步，对水下抛填坝体3及坝基覆盖层12采用振冲加密桩4进行加密，使其达到坝体及坝基设计要求的密实度，并采用重力触探进行检测。
前述振冲加密桩实施时，先在水下抛填坝体3平台上布桩，按顺序采用大功率液压振冲设备造孔，至设计深度，向孔内添加沙砾或碎石料，进行振冲加密。振冲器每次提升高度应控制在1.5～2.0m，确保孔内0.5m加密桩体的加料量。
如果2、图3所示，振冲加密后，施工下部防渗心墙5及坝基帷幕6。先施工灌浆上游排14，灌注前述流动度为60mm～120mm的黏土水泥膏状浆液，待施工完成后，再实施灌浆下游排15，最后实施灌浆中间排16。下一步实施坝基帷幕6。从而形成下部坝体及坝基的防渗体。
如图4所示，对于同排灌浆孔来讲，一般孔间距A按1.0～2.5m布置，两排灌浆上游排14与灌浆下游排15的排距B，按满足设计要求的防渗心墙厚度布置，心墙有效厚度D取H/15(H为最大挡水水头)。
其中灌浆采用水泥黏土膏状浆液，浆液制备采用的配合比(重量比)为水泥:黏土:外加剂:水＝100:(50～200):(2～5):(140～250)，外加剂为硫酸钠、偏铝酸钠、偏硅酸钠、纤维素、植物胶、聚丙烯酰胺中的一种或几种混合而成，优选纤维素和偏铝酸钠为主，根据坝体和坝基岩土性质经试验确定。
前述制备的黏土浆密度为1.2g/cm3～1.25g/cm3，水泥黏土膏状浆液密度为1.5g/cm3～1.65g/cm3，初凝时间2h～6h。
如图1所示，下部坝体防渗心墙5及坝基帷幕6施工完成后，开始填筑上游坝壳7及下游坝壳8，上下游坝体同步均匀上升。待坝体填筑到顶后，实施上部坝体防渗心墙9，具体钻孔灌浆施工方式与下部坝体防渗心墙5类似。
如图5所示，上部坝体防渗心墙9施工时，灌浆孔底部深入下部坝体防渗心墙5内3m～5m，形成心墙搭接区17。
上游坝壳7与下游坝壳8，可广泛采用库区内砂卵砾石、软岩、砾石土、风化料，充分利用建筑物开挖的石渣。对于上述填坝材料，通过现场试验结合计算分析、填筑指标及施工参数的综合控制技术，以满足坝体填筑标准要求。
当采用风化料、砾石土、砂卵砾石时，铺填厚度不大于400mm。当采用硬岩开挖料时，铺填厚度不大于800mm。坝料最大粒径不大于铺填厚度的2/3。
坝料碾压遍数一般需严格控制在10遍以上(静压2遍、振动8遍)。碾压机具重量一般不小于25t。
施工时掺水量根据坝料的不同，一般采用5％～15％。
每层碾压施工完成后，需进行现场压实质量检测，选取与风化料、软岩、砾石土、砂卵砾、硬岩开挖料相对应的压实控制指标(压实度、相对密度或孔隙率)分别进行检测。检测结果满足压实标准后，开始下一层的碾压施工。
前述工序完成后，开始施工上游护坡10与下游排水体11，其施工方式为常规方式，不再详述。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
