一种高土石坝复合抗震结构及其施工方法
阅读说明：本技术 一种高土石坝复合抗震结构及其施工方法 (High earth-rock dam composite anti-seismic structure and construction method thereof ) 是由 刘平 王依林 李钟� 毛海英 孟雷 刘岩 于 2021-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高土石坝复合抗震结构及其施工方法,属于水利工程技术领域。包括由自下而上填筑的堆石构成的堆石结构,堆石结构纵剖面呈梯形,每4-6米堆石之间水平铺设有钢筋网,整个钢筋网表面均被中性玻璃胶层覆盖,自堆石结构中轴线至堆石结构外圆周区域内设有多个高聚物堆石复合桩,高聚物堆石复合桩与堆石粘连为一体,每个高聚物堆石复合桩靠近钢筋网的位置处均设有扩展桩,扩展桩的外径大于高聚物堆石复合桩,且扩展桩、高聚物堆石复合桩、钢筋网相互粘连为一体。本发明采用柔性立体加固,能较好地适应坝体变形,减少地震作用下坝顶区堆石的松动、滑移,抑制浅层滑坡的形成,从而达到提高高土石坝抗震性能。(The invention relates to a composite anti-seismic structure of a high earth-rock dam and a construction method thereof, belonging to the technical field of hydraulic engineering. The rockfill structure comprises a rockfill structure formed by rockfill filled from bottom to top, wherein the longitudinal section of the rockfill structure is trapezoidal, a reinforcing mesh is horizontally laid between every 4-6 m of rockfill, the surface of the whole reinforcing mesh is covered by a neutral glass glue layer, a plurality of high polymer rockfill composite piles are arranged from the central axis of the rockfill structure to the outer circumference of the rockfill structure, the high polymer rockfill composite piles are adhered with the rockfill into a whole, extension piles are arranged at the positions, close to the reinforcing mesh, of the high polymer rockfill composite piles, the outer diameters of the extension piles are larger than those of the high polymer rockfill composite piles, and the extension piles, the high polymer rockfill composite piles and the reinforcing mesh are adhered into a whole. The invention adopts flexible three-dimensional reinforcement, can better adapt to the deformation of the dam body, reduces the looseness and slippage of rockfill at the top area of the dam under the action of earthquake, and inhibits the formation of shallow landslide, thereby achieving the purpose of improving the anti-seismic performance of the high earth-rock dam.)
技术领域
本发明涉及一种高土石坝复合抗震结构及其施工方法，属于水利工程技术领域。
背景技术
我国西部地区水能资源丰富，但开发利用不足，根据水能资源分布特点和开发现状，我国全面推荐西部地区大型水电能源基地建设。土石坝具有就地取材、施工方便、对地质地形条件要求低适应性好等优点。我国在西部地区已建、在建和拟建一系列高土石坝，如位于大渡河上游的双江口高心墙堆石坝（坝高314m）、位于雅砻江干流上的两河口高心墙堆石坝（坝高295m）和位于澜沧江下游的糯扎渡高心墙堆石坝（坝高261.5m）等。我国西部地区地震活动频繁，地震烈度高，近代我国发生的近80%的强震分布在西部地区。由于高土石坝库容大，一旦发生地震破坏，其后果将是灾难性的。地震作用下高土石坝上部1/4~1/5坝高范围内地震反映最强烈，坝顶区堆石易发生松动、滚落，甚至是浅层滑坡，导致坝体产生较大的水平变形和竖向沉降，影响坝体的正常使用，因此该区域是高土石坝抗震加固的重点部位。
现有的高土石坝的抗震结构主要存在以下不足之处：
1、在高土石坝坝顶区抗震加固，例如在坝顶区水平铺设土工格栅或钢筋网、对坝顶区堆石进行高聚物注浆加固等，其中，铺设土工格栅、钢筋网等属于平面加固，对治理堆石的滚落、滑移和浅层滑坡等效果不佳，并且土工格栅易老化、耐久性差。
2、在高土石坝的坝顶区范围内，采用钻机成孔，并实时跟进注浆套管进行钻孔维护或者预埋水平带孔的注浆套管，通过注浆管向注浆套管内注射高聚物，使高聚物与堆石料胶结在一起形成柔性复合加筋体，从而达到提高坝体的抗震性能。此方法中注浆套管在重型机械碾压堆石时易被破坏，影响注浆质量；
3、在高土石坝的上、下游堆石中水平铺设土工格栅和注浆管，高聚物通过注浆管填充到堆石中，高聚物、土工格栅和堆石共同形成复合加筋体，从而提高坝体的抗震性能。由于土工格栅、注浆管等在碾压堆石时易被破坏，从而影响抗震性能。
4、在高土石坝的上、下游堆石中铺设空心混凝土柱、钢筋、现浇混凝土块和高聚物构成的复合加筋体，该方法需现场焊接钢筋和浇筑混凝土，影响施工进度。
因此，亟待出现一种能解决上述技术问题的高土石坝复合抗震结构及其施工方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中施工复杂、耐久性差等缺陷，提供一种结构简单、施工便捷、能有效提高坝顶区堆石料抗震性能的高土石坝复合抗震加固措施及其施工方法，该方法属于柔性立体加固，能较好地适应坝体变形，减少地震作用下坝顶区堆石的松动、滑移，抑制浅层滑坡的形成，从而达到提高高土石坝抗震性能的目的。
本发明的一种高土石坝复合抗震结构，设于坝顶区1/4~1/5坝高范围内，其特殊之处在于包括由自下而上填筑的堆石2构成的堆石结构，堆石结构纵剖面呈梯形，每4-6米堆石2之间水平铺设有钢筋网3，整个钢筋网3表面均被中性玻璃胶7覆盖，自堆石结构中轴线至堆石结构外圆周区域内设有多个高聚物堆石复合桩4，高聚物堆石复合桩4自上而下垂直设置，高聚物堆石复合桩4与堆石2粘连为一体，每个高聚物堆石复合桩4靠近钢筋网3的位置处均设有扩展桩5，扩展桩5的外径大于高聚物堆石复合桩4，且扩展桩5、高聚物堆石复合桩4、钢筋网3相互粘连为一体；
所述高土石坝中间设有心墙1，堆石结构环绕心墙1设置，钢筋网3一端延伸至坝体表面，另一端顺河向水平向心墙1方向延伸，钢筋网3顺河向水平延伸长度不小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，若小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，则钢筋网3水平延伸至心墙1表面；
所述高土石坝的迎水面设有面板6，钢筋网3一端铺设至面板6并与面板面6相固定，另一端顺河向铺设长度不小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，若该位置上游或下游堆石沿顺河向厚度小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，则钢筋网铺设时贯通上、下游堆石；
所述高聚物堆石复合桩4上至堆石结构表面，向下穿过三层水平钢筋网3后垂直向下延伸3m；
所述高聚物堆石复合桩4的直径为0.6~1m，高聚物堆石复合桩4与钢筋网3交界处形成扩展桩5的直径为高聚物堆石复合桩直径的2~3倍。
一种高土石坝复合抗震结构的施工方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
1、在高土石坝坝顶1/4~1/5坝高范围内进行加固；
2、当高土石坝填筑至需要加固的高程时，铺设第一层钢筋网3，钢筋网3表面喷射中性玻璃胶，后续堆石2每填筑4~6m再次铺设钢筋网3，同样在钢筋网表面喷射中性玻璃胶，直至填筑至坝顶设计高程；
3、在加固区域的上、下游坝面的不同位置垂直钻设多个孔；
所述多个孔呈梅花形布置；
4、在孔内进行高聚物注浆，注浆后高聚物体积迅速膨胀并填充到周围堆石2的孔隙中，与堆石2一起形成高聚物堆石复合桩4；在高聚物堆石复合桩体4与钢筋网3交界处，增大注浆压力和注浆时间，使高聚物在堆石2孔隙间的扩散范围增大，形成扩展桩5，在扩展桩5范围内，高聚物将堆石2和钢筋网3粘结在一起形成刚性结点，水平钢筋网3、高聚物堆石复合桩4与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构。
所述步骤2中，所述钢筋网3一端延伸至坝体表面，另一端顺河向水平向心墙1方向延伸，钢筋网3顺河向水平延伸长度不小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，若小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，则钢筋网3水平延伸至心墙1表面；
所述高土石坝的迎水面设有面板6，钢筋网3一端铺设至面板6并与面板6相固定，另一端顺河向铺设长度不小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，若该位置上游或下游堆石沿顺河向厚度小于（2×钢筋网竖向间距/坝坡比+3）m，则钢筋网铺设时贯通上、下游堆石；
所述高聚物堆石复合桩4上至堆石结构表面，向下穿过三层水平钢筋网3后垂直向下延伸3m；
所述高聚物堆石复合桩4的直径为0.6~1m，高聚物堆石复合桩4与钢筋网3交界处形成扩展桩5的直径为高聚物堆石复合桩直径的2~3倍。
本发明的高土石坝复合抗震结构及其施工方法结构设计巧妙，有益效果分析如下：
（1）抗震性能好。在高聚物堆石复合桩和钢筋网交界处形成扩展桩，在扩展桩范围内，高聚物将堆石和钢筋网黏结在一起形成刚性结点，水平钢筋网、竖向高聚物堆石复合桩与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构，多层水平钢筋网、多排竖向高聚物堆石复合桩和刚性结点三者互为约束，有效减小了地震作用下坝顶区堆石的松动和滑移，抑制了浅层滑坡的形成，减小地震产生的竖向沉降和侧向变形，提高土石坝抗震性能。在钢筋网表面喷射中性玻璃胶，玻璃胶为柔性材料，可减少筑坝碾压过程中钢筋周围堆石因与钢筋摩擦而产生的颗粒破碎，还可以消耗地震能量以减少地震过程中堆石的颗粒破碎，从而减小地震永久变形。
（2）变形协调。与水泥加固等刚性加固相比较，水平钢筋网、竖向高聚物堆石复合桩、刚性结点共同形成的柔性-刚性相结合的三维立体加固结构对变形的适应性好，能适应地震作用下堆石产生的侧向变形和不均匀沉降，不会产生变形不协调现象。
（3）结构性好。钢筋网分层水平铺设，有效减少堆石的松动和滑移，除了坝顶层钢筋网外，每层钢筋网与三排高聚物堆石复合桩通过刚性结点连接在一起，有效减小了地震作用下坝体的侧向变形和不均匀沉降。竖向高聚物堆石复合桩与三层水平钢筋网通过刚性结点连接在一起，有效抑制了堆石浅层滑坡的形成。多层水平钢筋网、多排竖向高聚物堆石复合桩与刚性结点三者互为约束，形成结构可靠的复合抗震结构，使高聚物堆石复合桩和钢筋网均能发挥更好的抗震效果。
（4）施工方便快捷，施工质量好。与其它土石坝抗震结构相比较，本发明仅需在预定高程处铺设钢筋网，无需浇筑混凝土、预埋管件等，钻孔和高聚物注浆可与堆石的填筑同时进行，高聚物的固化时间很短，不需要养护，因此本发明施工便捷不影响工期。与土工格栅加固相比较，钢筋网强度较高，在碾压时不易破坏。钢筋网表面喷射中性玻璃胶起到防锈作用。本发明不需预埋件，不会因预埋件在填筑过程中破坏而影响施工质量。
（5）钻孔间距大，水平钢筋网、竖向高聚物堆石复合桩与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构，无需对坝顶区上、下游堆石进行全面注浆加固，沿坝轴线方向钻孔间距为15~20m，钻孔间距大，有效节省材料，经济性好。
附图说明
图1为本发明高土石坝加固后的结构示意图；
图2为本发明实施例1高土石坝复合抗震结构的结构示意图；
图3为本发明实施例2高土石坝复合抗震结构的结构示意图；
图4为图2中沿A-A线的剖面图；
图5为图4中B位置局部放大图；
图中：1 心墙，2 堆石，3 钢筋网，4 高聚物堆石复合桩，5扩展桩，6 面板，7 中性玻璃胶。
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。
实施例1
本实施例一种高土石坝复合抗震结构及其施工方法，参考附图1-2，4-5，上、下游坝坡比为1:2.0，在填筑至坝顶区1/4坝高时，在心墙1两侧上、下游堆石内水平铺设第一层钢筋网3，在钢筋网3上自下而上填筑堆石2，构成的堆石结构，堆石结构环绕心墙1设置且纵剖面呈梯形，每5米堆石2之间水平铺设有钢筋网3，即钢筋网竖向间距为5m，整个钢筋网3表面均被中性玻璃胶7覆盖，自堆石结构中轴线至堆石结构外圆周区域内设有多个高聚物堆石复合桩4，高聚物堆石复合桩4自上而下垂直设置，高聚物堆石复合桩4与堆石2粘连为一体，每个高聚物堆石复合桩4靠近钢筋网3的位置处均设有扩展桩5，扩展桩5的外径大于高聚物堆石复合桩4，且扩展桩5、高聚物堆石复合桩4、钢筋网3相互粘连为一体；
钢筋网3一端铺设至坝体表面，钢筋网3顺河向铺设长度为23m，若小于23m，则钢筋网3铺设至心墙1表面，钢筋网表面喷射中性玻璃胶7；
土石坝填筑完成后，对坝顶区上、下游堆石进行竖向钻孔注浆；
钻孔位置在顺河向距离钢筋网3与坝体交点向坝体内部的2m处，上至坝体表面，向下穿过三层钢筋网后继续钻孔3m，在上、下游坝面上钻孔位置呈梅花形布置；高聚物注浆，高聚物在周围堆石孔隙中扩散，填充堆石孔隙，并将堆石颗粒黏结在一起，形成高聚物堆石复合桩，桩的直径为0.8m。在高聚物堆石复合桩和钢筋网交界处，增大注浆压力和注浆时间，使高聚物在堆石中扩散范围增大，形成扩展桩5，扩展桩5的直径为高聚物堆石复合桩4直径的2~3倍，在扩展桩段范围内，高聚物将堆石和钢筋网黏结在一起形成刚性结点。高聚物堆石复合桩4沿坝轴线方向的间距为16m。多层水平钢筋网3、多排竖向高聚物堆石复合桩4与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构。
本实施例的一种高土石坝复合抗震结构的施工方法，包括以下步骤：
（1）根据高土石坝抗震设计结果确定加固位置，一般选坝顶区1/4~1/5坝高范围内进行加固；
（2）当土石坝填筑至需要加固的高程时，铺设第一层钢筋网3，钢筋网3一端伸至坝面，钢筋网表面喷射中性玻璃胶7；后续堆石每填筑5m再次铺设钢筋网3，直至填筑至坝顶设计高程；
（3）在加固区域的上、下游坝面的不同位置垂直钻设多个孔，多个孔呈梅花形布置；
（4）进行高聚物注浆，注浆后高聚物体积迅速膨胀并填充到周围堆石的孔隙中，与堆石一起形成高聚物堆石复合桩4；在高聚物堆石复合桩4与钢筋网3交界处，增大注浆压力和注浆时间，使高聚物在堆石孔隙间的扩散范围增大，形成扩展桩5，在扩展桩5范围内，高聚物将堆石2和钢筋网3黏结在一起形成刚性结点；水平刚筋网3、竖向高聚物堆石复合桩4与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构，多层水平钢筋网3、多排竖向高聚物堆石复合桩4与刚性结点三者互为约束，形成结构可靠的复合抗震结构，使高聚物堆石复合桩和钢筋网均能发挥更好的抗震效果。
（5）高聚物注浆成桩可在坝体填筑完成后再施工进行，也可与坝体施工同时进行。
实施例2
本实施例的高土石坝复合抗震结构，参考附图3-5所示，上、下游坝坡比为1:2.0，本实施例与实施例1的区别在于：未设置心墙1，在高土石坝的迎水面设有面板6。
在填筑至坝顶区1/4坝高时，在上、下游堆石内水平铺设第一层钢筋网3，后续每填筑6m铺设一层钢筋网3；
钢筋网3一端铺设至面板6并与面板6钢筋焊接为一体，另一端顺河向铺设长度不小于27m，若该位置上游或下游堆石沿顺河向厚度小于27m，则钢筋网铺设时贯通上、下游堆石；
钢筋网3表面喷射中性玻璃胶7；
土石坝填筑完成后，对坝顶区上、下游堆石进行竖向钻孔注浆；
钻孔位置在顺河向距离钢筋网与坝体交点向坝体内部的2m处，上至坝体表面，向下穿过三层钢筋网后继续钻孔3m，在上、下游坝面上钻孔位置呈梅花形布置；
高聚物注浆，高聚物在周围堆石孔隙中扩散，填充堆石孔隙，并将堆石颗粒黏结在一起，形成高聚物堆石复合桩，桩的直径为0.9m。在高聚物堆石复合桩和钢筋网交界处，增大注浆压力和注浆时间，使高聚物在堆石中扩散范围增大，形成扩展桩段，扩展段的直径为高聚物堆石复合桩直径的2~3倍，在扩展桩段范围内，高聚物将堆石和钢筋网黏结在一起形成刚性结点。高聚物堆石复合桩沿坝轴线方向的间距为20m。水平钢筋网、竖向高聚物堆石复合桩与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构。
本实施例的一种高土石坝复合抗震结构的施工方法，包括以下步骤：
（1）根据高土石坝抗震设计结果确定加固位置，一般选坝顶区1/4~1/5坝高范围内进行加固；
（2）当土石坝填筑至需要加固的高程时，铺设第一层钢筋网3，钢筋网3一端伸至坝面，钢筋网3表面喷射中性玻璃胶7，上游钢筋网3外端与面板6的钢筋焊接在一起；后续堆石2每填筑6m再次铺设钢筋网3，直至填筑至坝顶设计高程；
（3）在加固区域的上、下游坝面的不同位置垂直钻设多个孔，多个孔呈梅花形布置；
（4）进行高聚物注浆，注浆后高聚物体积迅速膨胀并填充到周围堆石的孔隙中，与堆石一起形成高聚物堆石复合桩体；在桩体与钢筋网交界处，增大注浆压力和注浆时间，使高聚物在堆石孔隙间的扩散范围增大，形成扩展桩段，在扩展桩段范围内高聚物将堆石和钢筋网黏结在一起形成刚性结点；水平钢筋网、竖向高聚物堆石复合桩与刚性结点共同形成柔性-刚性相结合的三维立体加固结构。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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