改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝的制作方法

本实用新型涉及水利工程技术领域，具体涉及一种改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝。

背景技术：

混凝土面板堆石坝是我国高坝建设的主力坝型之一。随着水电能源开发的深入，我国堆石坝建设逐步从坝高200m级向300m级发展，越来越多的高堆石坝正在规划或建设中。作为水电枢纽的挡水建筑物，混凝土面板堆石坝上游侧的混凝土面板是其主要的防渗结构，堆石体为混凝土面板的支撑结构。

由于混凝土面板和坝体填筑料的力学变形特性相差很大，为保证面板防渗结构不被破坏，面板和坝体间的变形应相互协调，也即面板应能适应坝体的变形，坝体变形应尽可能的小。经过几十年不断的实践研究发展，目前混凝土面板堆石坝在设计、施工阶段，主要从坝体分区、料源选取、填筑时序、止水结构等方面开展研究，提出了多种减小坝体变形、改善面板受力变形状态的工程措施以及适应大变形的面板止水结构。

现有研究表明，200m级的高混凝土面板堆石坝的坝体变形主要发生在坝体填筑和水库蓄水过程中，之后，沉降逐渐趋于收敛。由于筑坝料自身的力学特性，在面板浇筑完成后，水库初期蓄水过程中，在水荷载的作用下坝体不可避免的又会发生较明显的变形，尤以坝体上游区域为甚；此外，随着高程增加，坝体中上部宽度变窄，其整体变形也易受蓄水的影响。以上由蓄水引起的变形不利于面板的受力，会造成面板破损，严重时则会导致渗漏发生；对于300m级超高混凝土面板堆石坝，仅水头就提升100m，这一问题将变得更加突出。然而，现有的工程措施无法有效的解决面板堆石坝填筑完成后由于蓄水引起的坝体变形及其对混凝土面板应力变形的不利影响。

技术实现要素：

为解决以上问题，本实用新型提供一种可以降低蓄水对坝体变形影响，进而改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝。

本实用新型采用的技术方案是：一种改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝，其特征在于：包括由上游至下游依次设置的混凝土面板、垫层、过渡层、增模主堆石区、主堆石区、次堆石区、下游护坡和排水棱体，所述增模主堆石区的上游侧边界与过渡层的下游侧边界重合；

所述增模主堆石区的下游侧边界包括坝轴线上游侧部分和坝轴线下游侧部分，所述坝轴线上游侧部分平行于上游坝坡，所述坝轴线下游侧部分水平设置并延伸至下游护坡的内侧。

作为优选，所述坝轴线上游侧部分与过渡层下游侧边界之间的水平宽度为0.15～0.40倍的坝高。

进一步的，所述主堆石区上游侧边界与增模主堆石区的下游侧边界重合，所述主堆石区下游侧边界包括水平边界和倾向下游边界。

更进一步的，所述水平边界的高程为0.4～0.6倍的坝高。

更进一步的，所述水平边界延伸至下游护坡。

更进一步的，所述倾向下游边界的坡比为1:0.1～1:0.3，所述倾向下游边界的起点距离坝轴线的水平距离小于倾向下游边界的终点距离坝轴线的水平距离。

更进一步的，所述倾向下游边界的起点距离坝轴线的水平距离为0～0.2倍坝高。

更进一步的，所述倾向下游边界的终点为倾向下游边界延伸至基岩处的交点。

作为优选，还包括上游铺盖区、盖重区和底部特殊垫层区，所述上游铺盖区位于堆石坝上游侧底部，并紧贴混凝土面板布置；所述上游铺盖区包括倾斜部分和水平部分，倾斜部分的上游侧坡比与坝坡相同，水平部分向上游延伸1～2倍混凝土趾板宽度；所述盖重区紧贴布置在上游铺盖区的上游侧，所述盖重区顶部高程与上游铺盖区一致，所述盖重区的上游侧坡比较上游坝坡坡比缓；所述特殊垫层区位于混凝土面板下游侧底部。

作为优选，所述下游护坡紧贴坝体下游侧轮廓。

作为优选，还包括位于混凝土面板下游侧的底部特殊垫层区。

本实用新型取得的有益效果是：

(1)、通过在过渡层和主堆石区之间设置增模主堆石区，增模主堆石区抵抗变形能力更强，有效的降低了蓄水对坝体上游侧变形的影响；

(2)通过在0.5倍坝高高程以上部位设置主堆石区和增模主堆石区，有效的减弱了坝体中上部变形受蓄水的影响程度，并且能有效降低坝体中上部的后期变形量；

(3)本实用新型避免或减弱了由蓄水引起的坝体变形所导致的混凝土面板的不利应力变形状态，降低了混凝土面板发生脱空、塌陷、挤压破坏等问题的可能性，提升了混凝土面板堆石坝的安全度，有利于推进高或超高混凝土面板堆石坝的建设，能为我国西南地区水电深入开发提供助益。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1的a处的放大图；

附图标记：1、混凝土面板；2、垫层；3、过渡层；4、增模主堆石区；41、坝轴线上游侧部分；42、坝轴线下游侧部分；5、主堆石区；51、水平边界；52、倾向下游边界；521、起点；522、终点；6、次堆石区；7、下游护坡；8、排水棱体；9、上游铺盖区；91、倾斜部分；92、水平部分10、盖重区；11、混凝土趾板；12、特殊垫层区；13、坝轴线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。

如图1-2所示，本实用新型的一种改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝，包括由上游s至下游x依次设置的混凝土面板1、垫层2、过渡层3、增模主堆石区4、主堆石区5、次堆石区6、下游护坡7和排水棱体8。

混凝土面板1、垫层2和过渡层3均设置在坝轴线13上游侧，平行于上游坝坡，上部延伸到坝顶，下部与基岩j之间设有混凝土趾板11和特殊垫层区12。

增模主堆石区4设置在过渡层3和主堆石区5之间，增模主堆石区4的堆石料抵抗变形的能力强于主堆石区5的堆石料抵抗变形的能力，可以通过对增模主堆石区4堆石料增加碾压遍数或提升碾压机械吨位或采取定量灌注黏性浆液等方式实现。增模主堆石区4抵抗变形能力更强，有效的降低了蓄水对坝体上游侧变形的影响。

增模主堆石区4的上游侧边界与过渡层3下游侧边界重合，可完全处于坝轴线13上游侧；增模主堆石区4的下游侧边界包括坝轴线上游侧部分41和坝轴线下游侧部分42，坝轴线上游侧部分41平行于上游坝坡，坝轴线下游侧部分42水平设置并延伸至下游护坡7，坝轴线上游侧部分41与过渡层3下游侧边界之间的水平宽度为0.15～0.40倍的坝高，水平宽度过小则增模主堆石区4抵抗变形的作用不明显，水平宽度过大则筑坝经济成本过高。水平宽度为0.15～0.4倍坝高时，一方面可以提升大坝抵抗变形能力，另一方面能合理控制筑坝经济成本，本实施例中，选用0.25倍坝高。

主堆石区5上游侧边界与增模主堆石区4的下游侧边界重合，完全处于坝轴线13下游侧；主堆石区5下游侧边界包括水平边界51和倾向下游边界52，水平边界51的高程为0.4～0.6倍的坝高，水平边界51的高程过小则主堆石区5的范围增大，筑坝经济成本增加；水平边界51的高程过高主堆石区5的范围变小，坝体中上部变形受蓄水的影响程度减弱的效果不佳。本实施例中，选用0.5倍坝高。

水平边界51延伸至下游护坡7侧。倾向下游边界52的坡比为1:0.1～1:0.3，坡比过大则次主堆石区6与主堆石区5的交界面过陡，易发生变形不协调问题，坡比过小则主堆石区5的范围增大，筑坝经济成本增加，本实施例中，倾向下游边界52坡比选用1:0.2；倾向下游边界52的起点521距离坝轴线13的水平距离小于倾向下游边界52的终点522距离坝轴线13的水平距离(即倾向下游侧)。

倾向下游边界52的起点521距离坝轴线13的水平距离为0～0.2倍坝高，起点521距离坝轴线13的水平距离过大则主堆石区5的范围增大，筑坝经济成本增加；起点521若设置在坝轴线13上游侧则次堆石区6范围增大，会导致坝体沉降增大；本实施例中，选用0.1倍坝高；倾向下游边界52的终点522为倾向下游边界52延伸至基岩处的交点。

下游护坡7紧贴坝体下游侧轮廓。

本实用新型的一种改善面板应力变形状态的混凝土面板堆石坝，还包括上游铺盖区9、盖重区10和特殊垫层区12，上游铺盖区9位于堆石坝上游侧底部，并紧贴混凝土面板1布置；上游铺盖区9包括倾斜部分91和水平部分92，倾斜部分91的上游侧坡比与坝坡相同，水平部分92向上游延伸1～2倍混凝土趾板11宽度；盖重区10紧贴布置在上游铺盖区9的上游侧，盖重区10的顶部高程与上游铺盖区9的一致；盖重区10的上游侧坡比较上游坝坡坡比缓；特殊垫层区12位于混凝土面板1下游侧底部。

在实际工程应用中，混凝土面板1的混凝土强度等级不低于c25，抗渗等级不低于w8，并满足响应的抗冻等级；混凝土面板1厚度由顶部向底部线性增加，顶部厚度不小于0.3m，底部厚度为0.3+0.0035h，h为计算出距离混凝土面板1顶部的垂直距离。

垫层2、过渡层3、增模主堆石区4、主堆石区5、次堆石区6、下游护坡7和排水棱体8的填筑材料应充分利用当地开挖料，且满足相关试验指标和设计要求。

垫层2的水平宽度不小于3m，采用的垫层料为连续级配，最大粒径为80～100mm，压实后内部渗漏应稳定。

过渡层3的水平宽度不小于3m，且不小于垫层2的水平宽度，采用的过渡料为连续级配，最大粒径不超过300mm，压实后具有自由排水性能。

增模主堆石区4的堆石料为硬岩，最大粒径不超过压实层厚度，具体的，不超过800～1000mm；碾压时通过增加碾压遍数、提升碾压机械吨位、定量灌注黏性浆液等方式提高增模主堆石区4堆石料的变形抵抗能力。

主堆石区5的堆石料为硬岩，最大粒径不超过压实层厚度，具体的，不超过800～1000mm，小于5mm颗粒含量不超过20％。

次堆石区6的堆石料可采用硬岩，也可采用强度稍低的软岩，最大粒径不超过800～1000mm，小于5mm颗粒含量不超过20％。

针对某坝高为270m的面板堆石坝，采用室内试验获得的堆石料e-b本构模型参数开展二维有限元计算，得到相同满蓄工况时原分区方案与本专利优选方案成果和达到的有益效果如表1所示。坝体最大沉降减小7.3％，坝体向下游位移最大值减小9.6％，面板挠度降低10.6％，面板顺坡向压应力降低12.5％，面板顺坡向拉应力降低17.1％。坝体变形值降低，面板应力变形得到有效改善。

表1有限元计算成果

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要结构特征。本实用新型不受上述实例的限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。