一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构及其建造方法
阅读说明：本技术 一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构及其建造方法 (High-ductility wall-building protection underground reservoir artificial dam body structure and construction method thereof ) 是由 王振波 孙鹏 左建平 韩帅 胡煜东 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构及其建造方法,在坝体的内外两侧分别砌筑防护砌块,形成两道防护墙,所述防护砌块采用高延性水泥砂浆制备而成,且防护砌块为空芯构造,在两道防护墙的空芯内纵向和横向分别配置竖向钢筋和墙内拉结筋,并以高延性水泥砂浆填充,两道防护墙之间通过墙间拉结筋钩住两道防护墙内同层的竖向钢筋进行连接；在两道防护墙间浇筑混凝土成为混凝土夹层,从而形成人工坝体结构。本发明降低了煤矿狭小通道内的施工难度,简化了传统人工坝防渗层复杂的施工工序,解决了防渗墙与普通混凝土两种不同材料的同步施工问题,起到抗渗、加固、协调变形、提高坝体耐久性的作用。(The invention relates to a high-ductility wall-building protection underground reservoir artificial dam body structure and a construction method thereof.A protection block is respectively built on the inner side and the outer side of a dam body to form two protection walls, the protection block is prepared by high-ductility cement mortar, the protection block is of a hollow structure, vertical steel bars and in-wall tie bars are respectively arranged in the hollow of the two protection walls in the longitudinal direction and the transverse direction and are filled with the high-ductility cement mortar, and the two protection walls are connected by hooking the vertical steel bars on the same layer in the two protection walls through the inter-wall tie bars; and pouring concrete between the two protective walls to form a concrete interlayer, thereby forming an artificial dam body structure. The invention reduces the construction difficulty in the narrow passage of the coal mine, simplifies the complex construction process of the impervious layer of the traditional artificial dam, solves the synchronous construction problem of two different materials of the impervious wall and the common concrete, and plays the roles of resisting seepage, reinforcing, coordinating deformation and improving the durability of the dam body.)
技术领域
本发明涉及一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构及其建造方法，属于土木工程材料和地下工程结构领域。
背景技术
目前，我国仍为煤炭消耗大国，煤炭年开采量超30亿吨。我国煤炭资源主要集中在西部干旱及半干旱地区，而西部地表生态环境相对脆弱，由煤矿开采引起的地表下沉等问题严重破坏生态，造成水资源大量流失，其恢复成本巨大。水资源保护与煤矿开采的和谐共生问题已成为领域内关注的重点。煤矿地下水库正是解决煤矿开采过程中水资源流失问题的一种新举措，它通过煤炭开采后形成的空隙储水，利用人工坝体将安全煤柱连接形成封闭的水库坝体，辅以输水设施满足矿区的生产生活用水需求。
煤矿地下水库储水量大，人工坝体面临巨大的侧向水压、碎石侧压和顶部岩层竖向压力的耦合作用。此外，西部煤矿地下水中含有大量侵蚀性离子(如硫酸根离子、氯离子等)，加上水库水位周期性变化引起干湿循环，这些严峻的环境及荷载因素将使人工坝体结构不可避免地出现开裂、渗漏等一系列耐久性问题。人工坝体受蚀后，混凝土保护层开裂甚至剥落，有害离子进入混凝土内部加速钢筋锈蚀，将进一步缩短结构的使用寿命。
混凝土脆性开裂根源于材料本身的应变软化属性，因此，如何能够寻找一种新型材料替代现有混凝土，提高坝体抗渗性，保证地下水库的长期稳定性和耐久性，是目前一个需要解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构及其建造方法，将高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites，简称ECC)应用于煤矿地下水库人工坝体中，在提高坝体抗渗性，保证地下水库的长期稳定性和耐久性的同时，简化施工程序。
本发明的目的是这样实现的：
一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构，其中，在坝体的内外两侧分别砌筑防护砌块，形成两道防护墙，所述防护砌块采用高延性水泥砂浆制备而成，且防护砌块为空芯构造，在两道防护墙的空芯内纵向和横向分别配置竖向钢筋和墙内拉结筋，并以高延性水泥砂浆填充，两道防护墙之间通过墙间拉结筋钩住两道防护墙内同层的竖向钢筋进行连接；在两道防护墙间浇筑混凝土成为混凝土夹层，从而形成人工坝体结构。
进一步的，所述防护砌块为“土”字形带肋砌块，砌筑后形成墙体加劲肋，提高防护墙的抗侧刚度，同时加强防护墙与混凝土间的连接性能。
进一步的，所述防护砌块的横肋和纵肋上分别设置外部U型缺口和内部U 型缺口，所述外部U型缺口用于嵌入固定墙内拉结筋，所述内部U型缺口用于嵌入固定墙间拉结筋。
进一步的，所述外部U型缺口的深度不低于1.5倍的墙内拉结筋直径且不超过砌块高度的三分之一，宽度略大于墙内拉结筋的直径；所述内部U型缺口的深度不低于2.5倍的墙间拉结筋直径且不超过砌块高度的三分之一，宽度略大于墙间拉结筋的直径。
进一步的，所述墙间拉结筋和墙内拉结筋每隔两层防护砌块设置一道，以加强砌筑防护墙墙体的稳定性。与高延性水泥砂浆相配合，形成内部构造柱，提高防护墙的力学性能。
进一步的，所述防护墙的顶部中心预留混凝土泵送孔，两顶角预留混凝土溢出孔，将混凝土连续饱满地由溢出孔流出作为浇筑完成的判断标准。
进一步的，所述防护砌块的宽为140～160mm，高度140～160mm，长度 250～260mm，肋宽40～60mm，翼缘厚度为20～30mm。
进一步的，所述防护砌块、高延性水泥砂浆均采用同一标号的高延性水泥基复合材料制成，原材料包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、膨胀剂、石英砂、纤维、水、减水剂，所述水泥为普通硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥；所述纤维为聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维，亦或两种纤维混杂；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂。按照一定比例将上述原材料进行搅拌，其拌合物不应有纤维结块，以保证砌筑和填充作业的施工质量，材料强度不低于C30，极限拉应变不低于2.0％。
本发明的另一方面：
一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构的建造方法，包括以下步骤：
步骤1，在两侧煤柱和上下岩层掏槽以及煤柱锚杆支护工作完成后，在水库一侧紧贴开槽边缘用砌筑砂浆砌筑预制的防护砌块，在防护砌块形成的空芯内配置竖向钢筋，每隔两层防护砌块设置一道墙内拉结筋和一道墙间拉结筋，每砌筑 1～2m高度，将高延性水泥砂浆灌入防护砌块形成的空芯内，直至靠近水库一侧的防护墙完工；
步骤2，以步骤1相同的方法在另一侧砌筑外侧防护墙，每砌筑1～2m，养护后浇筑相应高度的混凝土夹层并振捣密实；
步骤3，外侧防护墙砌筑至离顶部岩层0.2～0.4m时，在防护墙顶部中心预留混凝土泵送孔，两顶角预留混凝土溢出孔，防护墙砌筑置顶后通过泵送孔泵送混凝土，当混凝土由两个溢出孔连续饱满流出时，即可判断整个混凝土夹层已填充完毕，随即用橡胶塞封堵泵送孔和溢出孔。
进一步的，所述砌筑砂浆由高延性水泥基复合材料制成，原材料包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、膨胀剂、石英砂、纤维、水、减水剂，所述水泥为普通硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥；所述纤维为聚乙烯醇纤维或聚乙烯纤维，亦或两种纤维混杂；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，砌筑砂浆的厚度在10～15mm之间，保证防护砌块之间的砂浆饱满，不应含有孔洞、缝隙等缺陷。所述砌筑砂浆和高延性水泥砂浆协同作用，弥补防护砌块缝隙缺陷，保证抗渗效果。
本发明的优点和有益效果是：
1)本发明首次将高延性纤维增强水泥基复合材料(Engineered CementitiousComposites，简称ECC)应用于地下水库人工坝体的施工中，ECC是一种能够克服混凝土开裂和应变软化属性的新型土木工程材料，具有拉伸应变硬化特征，宏观极限拉应变可达3％以上，并且受拉过程中形成的每条微裂纹宽度可控制在 100微米以内，显著降低了材料的渗透性。此外，ECC材料具有自愈合功能，裂纹宽度随服役时间延长进一步下降甚至闭合，有利于根治坝体材料的开裂渗漏问题；
2)所述防护墙采用高延性防护砌块砌筑，降低了煤矿狭小通道内的施工难度，简化了传统人工坝防渗层复杂的施工工序，解决了防渗墙与普通混凝土两种不同材料的同步施工问题；
3)本发明所述高延性防护砌墙代替了现有的钢模板，可兼做永久性模板，降低支模成本，墙体加劲肋可增强防护墙和混凝土之间的连接性能，防止防护墙脱层，确保人工坝结构具有可靠的保护层，两道防护墙间浇筑的混凝土以及墙内和墙间设置的拉结筋，可以提高防护墙的整体稳定性；
4)本发明所述高延性水泥基复合材料应用于人工坝覆层，其不超过100μm 的微裂纹降低了坝体结构的渗透性，有效阻止有害离子侵入；该材料在水中可以实现裂缝自愈合，使开裂防护层的裂缝宽度不断降低直至闭合，充分发挥高延性防护墙的抗渗性能；
5)本发明所述高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构具有突出的安全稳定性、耐久性以及全寿命周期内的经济性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明所述高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构的结构图；
图2是本发明所述高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构的俯视图；
图3是本发明所述防护墙的三维构造图；
图4是本发明所述防护砌块内钢筋的三维构造图。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例提供了一种高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构，在两侧煤柱1和上下岩层2掏槽以及煤柱锚杆支护工作完成后，在水库一侧紧贴开槽边缘用砌筑砂浆8砌筑预制的高延性防护砌块4，形成防护墙3。在防护砌块4形成的空芯内纵向和横向分别配置竖向钢筋11和墙内拉结筋10，每砌筑约 1m高度，将高延性水泥砂浆6灌入防护砌块的空芯内，直至靠近水库一侧的防护墙3完工(如图3所示)。水库外侧防护墙3每砌筑约1m，养护1d后浇筑相应高度的混凝土夹层5并振捣密实。砌筑至距离顶部岩层0.2-0.4m时，在防护墙的顶部中心预留混凝土泵送孔12，两顶角处预留溢出孔13，当混凝土从两个溢出孔13连续饱满流出时，可判定混凝土已充分填充整个夹层。两道防护墙之间还设置墙间拉结筋9，以加强墙体稳定性。高延性防护砌块4为“土”字形带肋砌块，砌筑后形成墙体加劲肋7，显著增强防护墙3和混凝土夹层5之间的连接性能(如图2所示)，有效防止防护层脱落。
本实施例所述高延性砌墙防护地下水库人工坝体结构的建造方法，包括以下步骤：
步骤1，在两侧煤柱1和上下岩层2掏槽(掏槽深度不低于300mm)以及煤柱锚杆支护工作完成后，在水库一侧紧贴开槽边缘用砌筑砂浆8砌筑预制的防护砌块4，砌筑砂浆的厚度约10mm，在防护砌块形成的空芯内配置竖向钢筋11，每隔两层防护砌块设置一道墙内拉结筋和一道墙间拉结筋，每砌筑1m左右高度，将高延性水泥砂浆6灌入防护砌块形成的空芯内并适当插捣，直至靠近水库一侧的防护墙3完工(如图3所示)；
步骤2，以步骤1相同的方法在另一侧砌筑外侧防护墙，每砌筑约1m，养护1d后浇筑相应高度的混凝土夹层5并振捣密实；
步骤3，外侧防护墙砌筑至离顶部岩层0.2～0.4m时，在防护墙顶部中心预留混凝土泵送孔12，两顶角预留混凝土溢出孔13，防护墙砌筑置顶后通过泵送孔泵送混凝土，当混凝土由两个溢出孔连续饱满流出时，即可判断整个混凝土夹层已填充完毕，随即用橡胶塞封堵泵送孔12和溢出孔13。
实施例二：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于高延性水泥基复合材料的细化，本实施例所述防护砌块、高延性水泥砂浆以及砌筑砂浆均采用同一标号的高延性水泥基复合材料制成，各组分的质量百分比范围如下：
普通硅酸盐水泥35％-42％，粉煤灰11％-13％、硅灰2.7-3.3％、膨胀剂 5.4％-6.6％、石英砂16％-20％、水18.5％-22.5％、聚乙烯醇纤维0.8％-1.2％，高效聚羧酸减水剂0.2％-0.7％。
该材料强度为C40，极限拉应变不低于2.0％。混凝土夹层5所用强度等级为C40。
本实施例所用高延性水泥基复合材料的28天力学参数如下：
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于防护砌块4结构的细化。如图4所示，本实施例中的防护砌块4呈“土”字形，“土”字形的最上端在砌筑后形成墙体加劲肋7，能显著增强高延性防护墙3和普通混凝土夹层5之间的连接性能(如图2所示)，有效防止防护层脱层。砖块净宽为150mm，高度为 150mm，长度为250mm，肋宽为50mm，翼缘厚度为25mm，重量约7.5kg。防护砌块4可以在工厂预制加工，也可以在煤矿就近浇筑成型并养护。
所述墙间拉结筋9、墙内拉结筋10、竖向钢筋11，统一采用HRB335，直径为10mm。整座人工坝总高度为3.2m，总宽度为3.9m，厚度为1.3m，其中防护墙3净厚0.15m，混凝土夹层厚度1m。防护墙3的墙间拉结筋9及墙内拉结筋 10沿竖向每隔两层防护砌块设置一道。考虑到砌筑砂浆8为防护墙3的薄弱部位，采用防护砌块4预留内嵌钢筋缺口的形式。如图4所示，所述防护砌块4 的横肋和纵肋上分别设置外部U型缺口14和内部U型缺口15，所述墙内拉结筋10嵌入防护砌块内部U型缺口15，墙间拉结筋9则呈S型穿过外部U型缺口14并钩住两道防护墙体3内的竖向钢筋11(如图4所示)，以加强墙体稳定性。砌块预留U型缺口宽度统一取15mm，外部U型缺口14深度约为20mm(钢筋直径10mm的2倍)，内部U型缺口15深度约为30mm(钢筋直径10mm的 3倍)。
该高延性砌墙防护地下水库混凝土人工坝体结构的覆层采用C40强度等级的高延性水泥基材料，较高的强度等级往往伴随较高的密实性，加之高延性材料能将裂纹宽度控制在100μm以内，材料在水中的自愈合性能又进一步降低了开裂防护层的裂纹宽度，以上所述都有益于增强人工坝体结构的抗渗性。良好的抗渗性还可以起到阻挡储蓄水中侵蚀性离子的作用，防止有害离子侵入混凝土内部造成钢筋锈蚀，从而提高人工坝的耐久性。
最后应说明的是，以上所述仅作为本发明利用高延性水泥基材料防护地下水库人工坝体结构的较佳实施例，在本发明基础上对高延性水泥基材料、防护砌块、防护墙、配筋形式、施工方法等作的若干变形，均在本发明的保护范围之内。
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