專利名稱：堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩及其設計與施工方法
技術領域：
本發明屬于一種重力壩技術領域，特別涉及一種重力壩新壩型，具體的說是堆石 混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩及其設計與施工方法。
背景技術：
為了簡化施工工序，降低工程造價，在普通混凝土重力壩的基礎上，逐漸發展提出 了碾壓混凝土壩、堆石混凝土壩，膠凝砂礫石壩等新型材料重力壩。堆石混凝土壩是指筑壩材料為堆石混凝土，即將不經篩分或初步篩分的堆石料直 接入倉，然后澆筑專用自密實混凝土，充填堆石料空隙，形成堆石混凝土壩體。該壩型采用 堆石作為骨料，減少水泥用量，節省成本，施工速度快，可有效降低混凝土的水化熱，具有工 藝簡單，施工環節少等優點。但這種壩型與普通重力壩類似，壩體材料強度得不到充分發 揮。膠凝砂礫石壩是在壩址附近易于得到的河床砂礫石或開挖棄渣等材料中加入水 和膠凝材料，然后用簡易的設備進行拌和，振搗碾壓得到的一種低強度筑壩材料(CSG材 料)，然后在大壩壩體上用這種CSG材料，按土石壩施工工藝進行薄層碾壓填筑。該壩型 具有膠凝材料用量少，造價低，水化熱溫升低；充分利用開挖棄渣、河床砂礫石，簡化制備工 序，降低成本，減小對環境的負面影響；施工簡便快速等優點。但由于CSG材料抗滲性能較 差，在壩體上、下游面還需采取額外的防滲處理措施；壩體剖面為對稱的梯形斷面，壩體與 基巖接觸面大，相應地基開挖處理工程量增大。
發明內容
為了克服RFC和CSG這兩種筑壩材料的缺點，充分利用它們的優點，本發明提供一 種堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩及其設計與施工方法。本發明的方法為采用堆石混 凝土(Rock-Fill Concrete,RFC)與膠凝砂礫石(Cemented Sand and Gravel,CSG)聯合筑 壩的新型重力壩，在壩體上游側采用RFC材料，而在下游側采用CSG材料，同時發揮兩種材 料的優點。一種堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩，其特征是該復合材料壩壩體由堆石 混凝土部分和膠凝砂礫石部分組成，復合材料壩上游側壩體為所述堆石混凝土部分，下游 側壩體為所述膠凝砂礫石部分。所述堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料澆筑。所述膠凝砂礫石部分采用膠凝砂礫石材料澆筑。上述堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩的設計與施工方法，其特征是該方法 包括(1)設計復合材料壩上游壩坡、下游壩坡和兩種材料交界面坡度；根據混凝土重力壩設計規范相關要求，運用剛體極限平衡法與材料力學法計算不 同上下游壩坡及交界面坡度情況下，壩體抗滑穩定及應力水平，設計滿足穩定和應力要求
3的復合材料壩壩型；由于壩體橫截面兩種材料彈性模量相差較大，需根據漿砌石壩設計規范的壩體分 層異彈模方法計算壩體應力；具體方法如下在原來垂直正應力σ ,直線變化的基礎上，用 類似于鋼筋面積折算法的方法，將堆石混凝土部分虛擬擴大E。/Es倍，以體現兩者的彈性模 量變化，然后根據交界面上的變形協調條件，用彈性理論推得擴大后的堆石混凝土材料端 垂直正應力Qy，再乘以一個應力放大系數E。/Es，即為實際的堆石混凝土材料端的應力；所 述E。/Es中，Ε。為堆石混凝土材料彈性模量，Es為膠凝砂礫石材料彈性模量；同時，由于膠凝砂礫石材料具有一定的散粒體特性，為保證大壩施工安全，還需將 膠凝砂礫石部分視為填土，堆石混凝土部分視為擋土墻，參照水工擋土墻設計規范進行擋 土墻穩定性分析；根據上述方法，計算滿足穩定和應力要求的復合材料壩上游壩坡、下游壩坡和兩 種材料交界面坡度；(2)按照步驟(1)的設計，復合材料壩上游側堆石混凝土部分按堆石混凝土大壩 施工方法進行施工，下游側膠凝砂礫石部分按膠凝砂礫石大壩施工方法進行施工。在壩體上游側采用RFC材料澆筑，可按堆石混凝土大壩施工方法進行施工，RFC部 分兼具擋水和防滲功效，可省去壩體上游面的防滲處理措施；而在下游側采用CSG材料，可 按CSG大壩施工方法進行施工，CSG材料強度較低，減免了采用高強度材料造成的材料強度 得不到充分發揮的現象，材料運用更科學。由于復合材料壩RFC部分剖面尺寸較小，而CSG 部分水化熱溫升低，因此不需要采取溫度控制措施。開挖棄渣、河床砂礫石中大粒徑的塊石 或卵石作為RFC材料的堆石；其余可加入水和水泥用簡易設備進行拌和，振搗碾壓用來制 備CSG材料，從而有效利用當地材料，減小對環境的負面影響。本發明的有益效果是能同時發揮RFC和CSG兩種材料的優點，由于壩體上游側采 用堆石混凝土澆筑，可省去上游面布置防滲面板的工序，簡化施工，縮短工期，減少壩體工 程量；河床砂礫石、開挖棄渣可用來制備RFC和CSG材料，因此更能充分利用開挖料，降低工 程造價，大幅減小對環境的負面影響，具有良好的社會、經濟和環境生態效益。
圖1為堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩的斷面示意圖。圖中標號1代表壩體上游側堆石混凝土(RFC)部分，2代表壩體下游側膠凝砂礫 石(CSG)部分；上游壩坡為1 m，下游壩坡為1 k，材料交界面坡度為1 η。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明在圖1中，該復合材料壩壩體由堆石混凝土部分1和膠凝砂礫石部分2組成，復合 材料壩上游側壩體為所述堆石混凝土部分1，下游側壩體為所述膠凝砂礫石部分2。壩體上 游側采用堆石混凝土材料澆筑，可按堆石混凝土大壩施工方法進行施工；而在下游側采用 膠凝砂礫石材料澆筑，可按膠凝砂礫石大壩施工方法進行施工。根據混凝土重力壩設計規范相關要求，運用剛體極限平衡法與材料力學法計算不 同上下游壩坡及交界面坡度下，壩體抗滑穩定及應力水平，設計滿足穩定和應力要求的復合材料壩壩型。由于RFC材料和CSG材料彈性模量相差較大，根據漿砌石壩設計規范相應 的壩體分層異彈模特性下壩體應力計算方法，進行應力計算。具體方法如下在原來垂直 正應力ο y直線變化的基礎上，用類似于鋼筋面積折算法的方法，將RFC材料部分虛擬擴大 EcZEs倍，以體現兩者的彈性模量變化，然后根據交界面上的變形協調條件，用彈性理論推得 擴大后的RFC材料端垂直正應力σ y，再乘以一個應力放大系數E。/Es，即為實際的RFC材料 端的應力，上述E。/Es中，Ε。為RFC材料彈性模量，Es為CSG材料彈性模量。此外，由于CSG 材料具有一定的散粒體特性，為保證大壩施工安全，還應將CSG部分視為填土，壩體RFC部 分視為擋土墻，參照水工擋土墻設計規范進行擋土墻穩定性分析。根據上述方法，計算滿足穩定和應力要求的復合材料壩上、下游壩坡和兩種材料 交界面坡度。以某重力壩工程為例，最大壩高52. Im,頂寬度7. Om0設計洪水水頭47. 5m,設計洪 水尾水水頭22. 6m ；正常蓄水水頭44m，正常蓄水尾水水頭19m ；校核洪水水頭50. lm，校核 洪水尾水水頭24. 9m。水庫淤沙高度36. 7m ；淤沙浮容重為7. 5kN/m3,內摩擦角Φ為10°。 地基承載力3. 5MPa。最后計算得到滿足穩定和應力要求的復合材料壩壩型為上游壩面鉛 直，交界面坡度1 0.2，下游壩坡1 0.98。
權利要求
一種堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩，其特征是該復合材料壩壩體由堆石混凝土部分和膠凝砂礫石部分組成，復合材料壩上游側壩體為所述堆石混凝土部分，下游側壩體為所述膠凝砂礫石部分。
2.根據權利要求1所述的一種堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩，其特征是所述 堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料澆筑。
3.根據權利要求1所述的一種堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩，其特征是所述 膠凝砂礫石部分采用膠凝砂礫石材料澆筑。
4.權利要求1所述的堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩的設計與施工方法，其特征 是該方法包括(1)設計復合材料壩上游壩坡、下游壩坡和兩種材料交界面坡度；根據混凝土重力壩設計規范相關要求，運用剛體極限平衡法與材料力學法計算不同上 下游壩坡及交界面坡度情況下，壩體的抗滑穩定及應力水平，設計滿足穩定和應力要求的 復合材料壩壩型；由于壩體橫截面兩種材料彈性模量相差較大，需根據漿砌石壩設計規范的壩體分層異 彈模方法計算壩體應力；同時，還需將膠凝砂礫石部分視為填土，堆石混凝土部分視為擋土墻，參照水工擋土墻 設計規范進行擋土墻穩定性分析；根據上述方法，計算滿足穩定和應力要求的復合材料壩上游壩坡、下游壩坡和兩種材 料交界面坡度；(2)按照步驟(1)的設計，復合材料壩上游側堆石混凝土部分按堆石混凝土大壩施工 方法進行施工，下游側膠凝砂礫石部分按膠凝砂礫石大壩施工方法進行施工。
5.根據權利要求4所述的堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩的設計與施工方法，其 特征是壩體應力的計算方法如下在原來垂直正應力Qy直線變化的基礎上，用類似于鋼 筋面積折算法的方法，將堆石混凝土材料部分虛擬擴大E。/Es倍，以體現兩者的彈性模量變 化，然后根據交界面上的變形協調條件，用彈性理論推得擴大后的堆石混凝土材料端垂直 正應力，再乘以一個應力放大系數E。/Es，即為實際的堆石混凝土材料端的應力；所述E。/ Es中，E。為堆石混凝土材料彈性模量，Es為膠凝砂礫石材料彈性模量。
全文摘要
本發明屬于一種重力壩技術領域的堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩及其設計與施工方法。該復合材料壩壩體由堆石混凝土部分和膠凝砂礫石部分組成，復合材料壩上游側壩體為所述堆石混凝土部分，下游側壩體為所述膠凝砂礫石部分。堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料(RFC)澆筑。膠凝砂礫石部分采用膠凝砂礫石材料(CSG)澆筑。能同時發揮RFC和CSG兩種材料的優點，由于壩體上游側采用堆石混凝土澆筑，可省去上游面布置防滲面板的工序，簡化施工，縮短工期，減少壩體工程量；河床砂礫石、開挖棄渣可用來制備RFC和CSG材料，因此更能充分利用開挖料，降低工程造價，大幅減小對環境的負面影響，具有良好的社會、經濟和環境生態效益。
文檔編號E02B7/10GK101935995SQ20101025666
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月18日 優先權日2010年8月18日
發明者余文杰, 周虎, 安雪暉, 王進廷, 金峰 申請人:清華大學