专利名称：堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝及其设计与施工方法
技术领域：
本发明属于一种重力坝技术领域，特别涉及一种重力坝新坝型，具体的说是堆石 混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝及其设计与施工方法。
背景技术：
为了简化施工工序，降低工程造价，在普通混凝土重力坝的基础上，逐渐发展提出 了碾压混凝土坝、堆石混凝土坝，胶凝砂砾石坝等新型材料重力坝。堆石混凝土坝是指筑坝材料为堆石混凝土，即将不经筛分或初步筛分的堆石料直 接入仓，然后浇筑专用自密实混凝土，充填堆石料空隙，形成堆石混凝土坝体。该坝型采用 堆石作为骨料，减少水泥用量，节省成本，施工速度快，可有效降低混凝土的水化热，具有工 艺简单，施工环节少等优点。但这种坝型与普通重力坝类似，坝体材料强度得不到充分发 挥。胶凝砂砾石坝是在坝址附近易于得到的河床砂砾石或开挖弃渣等材料中加入水 和胶凝材料，然后用简易的设备进行拌和，振捣碾压得到的一种低强度筑坝材料(CSG材 料)，然后在大坝坝体上用这种CSG材料，按土石坝施工工艺进行薄层碾压填筑。该坝型 具有胶凝材料用量少，造价低，水化热温升低；充分利用开挖弃渣、河床砂砾石，简化制备工 序，降低成本，减小对环境的负面影响；施工简便快速等优点。但由于CSG材料抗渗性能较 差，在坝体上、下游面还需采取额外的防渗处理措施；坝体剖面为对称的梯形断面，坝体与 基岩接触面大，相应地基开挖处理工程量增大。
发明内容
为了克服RFC和CSG这两种筑坝材料的缺点，充分利用它们的优点，本发明提供一 种堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝及其设计与施工方法。本发明的方法为采用堆石混 凝土(Rock-Fill Concrete,RFC)与胶凝砂砾石(Cemented Sand and Gravel,CSG)联合筑 坝的新型重力坝，在坝体上游侧采用RFC材料，而在下游侧采用CSG材料，同时发挥两种材 料的优点。一种堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝，其特征是该复合材料坝坝体由堆石 混凝土部分和胶凝砂砾石部分组成，复合材料坝上游侧坝体为所述堆石混凝土部分，下游 侧坝体为所述胶凝砂砾石部分。所述堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料浇筑。所述胶凝砂砾石部分采用胶凝砂砾石材料浇筑。上述堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝的设计与施工方法，其特征是该方法 包括(1)设计复合材料坝上游坝坡、下游坝坡和两种材料交界面坡度；根据混凝土重力坝设计规范相关要求，运用刚体极限平衡法与材料力学法计算不 同上下游坝坡及交界面坡度情况下，坝体抗滑稳定及应力水平，设计满足稳定和应力要求
3的复合材料坝坝型；由于坝体横截面两种材料弹性模量相差较大，需根据浆砌石坝设计规范的坝体分 层异弹模方法计算坝体应力；具体方法如下在原来垂直正应力σ ,直线变化的基础上，用 类似于钢筋面积折算法的方法，将堆石混凝土部分虚拟扩大E。/Es倍，以体现两者的弹性模 量变化，然后根据交界面上的变形协调条件，用弹性理论推得扩大后的堆石混凝土材料端 垂直正应力Qy，再乘以一个应力放大系数E。/Es，即为实际的堆石混凝土材料端的应力；所 述E。/Es中，Ε。为堆石混凝土材料弹性模量，Es为胶凝砂砾石材料弹性模量；同时，由于胶凝砂砾石材料具有一定的散粒体特性，为保证大坝施工安全，还需将 胶凝砂砾石部分视为填土，堆石混凝土部分视为挡土墙，参照水工挡土墙设计规范进行挡 土墙稳定性分析；根据上述方法，计算满足稳定和应力要求的复合材料坝上游坝坡、下游坝坡和两 种材料交界面坡度；(2)按照步骤(1)的设计，复合材料坝上游侧堆石混凝土部分按堆石混凝土大坝 施工方法进行施工，下游侧胶凝砂砾石部分按胶凝砂砾石大坝施工方法进行施工。在坝体上游侧采用RFC材料浇筑，可按堆石混凝土大坝施工方法进行施工，RFC部 分兼具挡水和防渗功效，可省去坝体上游面的防渗处理措施；而在下游侧采用CSG材料，可 按CSG大坝施工方法进行施工，CSG材料强度较低，减免了采用高强度材料造成的材料强度 得不到充分发挥的现象，材料运用更科学。由于复合材料坝RFC部分剖面尺寸较小，而CSG 部分水化热温升低，因此不需要采取温度控制措施。开挖弃渣、河床砂砾石中大粒径的块石 或卵石作为RFC材料的堆石；其余可加入水和水泥用简易设备进行拌和，振捣碾压用来制 备CSG材料，从而有效利用当地材料，减小对环境的负面影响。本发明的有益效果是能同时发挥RFC和CSG两种材料的优点，由于坝体上游侧采 用堆石混凝土浇筑，可省去上游面布置防渗面板的工序，简化施工，缩短工期，减少坝体工 程量；河床砂砾石、开挖弃渣可用来制备RFC和CSG材料，因此更能充分利用开挖料，降低工 程造价，大幅减小对环境的负面影响，具有良好的社会、经济和环境生态效益。
图1为堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝的断面示意图。图中标号1代表坝体上游侧堆石混凝土(RFC)部分，2代表坝体下游侧胶凝砂砾 石(CSG)部分；上游坝坡为1 m，下游坝坡为1 k，材料交界面坡度为1 η。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明在图1中，该复合材料坝坝体由堆石混凝土部分1和胶凝砂砾石部分2组成，复合 材料坝上游侧坝体为所述堆石混凝土部分1，下游侧坝体为所述胶凝砂砾石部分2。坝体上 游侧采用堆石混凝土材料浇筑，可按堆石混凝土大坝施工方法进行施工；而在下游侧采用 胶凝砂砾石材料浇筑，可按胶凝砂砾石大坝施工方法进行施工。根据混凝土重力坝设计规范相关要求，运用刚体极限平衡法与材料力学法计算不 同上下游坝坡及交界面坡度下，坝体抗滑稳定及应力水平，设计满足稳定和应力要求的复合材料坝坝型。由于RFC材料和CSG材料弹性模量相差较大，根据浆砌石坝设计规范相应 的坝体分层异弹模特性下坝体应力计算方法，进行应力计算。具体方法如下在原来垂直 正应力ο y直线变化的基础上，用类似于钢筋面积折算法的方法，将RFC材料部分虚拟扩大 EcZEs倍，以体现两者的弹性模量变化，然后根据交界面上的变形协调条件，用弹性理论推得 扩大后的RFC材料端垂直正应力σ y，再乘以一个应力放大系数E。/Es，即为实际的RFC材料 端的应力，上述E。/Es中，Ε。为RFC材料弹性模量，Es为CSG材料弹性模量。此外，由于CSG 材料具有一定的散粒体特性，为保证大坝施工安全，还应将CSG部分视为填土，坝体RFC部 分视为挡土墙，参照水工挡土墙设计规范进行挡土墙稳定性分析。根据上述方法，计算满足稳定和应力要求的复合材料坝上、下游坝坡和两种材料 交界面坡度。以某重力坝工程为例，最大坝高52. Im,顶宽度7. Om0设计洪水水头47. 5m,设计洪 水尾水水头22. 6m ；正常蓄水水头44m，正常蓄水尾水水头19m ；校核洪水水头50. lm，校核 洪水尾水水头24. 9m。水库淤沙高度36. 7m ；淤沙浮容重为7. 5kN/m3,内摩擦角Φ为10°。 地基承载力3. 5MPa。最后计算得到满足稳定和应力要求的复合材料坝坝型为上游坝面铅 直，交界面坡度1 0.2，下游坝坡1 0.98。
权利要求
一种堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝，其特征是该复合材料坝坝体由堆石混凝土部分和胶凝砂砾石部分组成，复合材料坝上游侧坝体为所述堆石混凝土部分，下游侧坝体为所述胶凝砂砾石部分。
2.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝，其特征是所述 堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料浇筑。
3.根据权利要求1所述的一种堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝，其特征是所述 胶凝砂砾石部分采用胶凝砂砾石材料浇筑。
4.权利要求1所述的堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝的设计与施工方法，其特征 是该方法包括(1)设计复合材料坝上游坝坡、下游坝坡和两种材料交界面坡度；根据混凝土重力坝设计规范相关要求，运用刚体极限平衡法与材料力学法计算不同上 下游坝坡及交界面坡度情况下，坝体的抗滑稳定及应力水平，设计满足稳定和应力要求的 复合材料坝坝型；由于坝体横截面两种材料弹性模量相差较大，需根据浆砌石坝设计规范的坝体分层异 弹模方法计算坝体应力；同时，还需将胶凝砂砾石部分视为填土，堆石混凝土部分视为挡土墙，参照水工挡土墙 设计规范进行挡土墙稳定性分析；根据上述方法，计算满足稳定和应力要求的复合材料坝上游坝坡、下游坝坡和两种材 料交界面坡度；(2)按照步骤(1)的设计，复合材料坝上游侧堆石混凝土部分按堆石混凝土大坝施工 方法进行施工，下游侧胶凝砂砾石部分按胶凝砂砾石大坝施工方法进行施工。
5.根据权利要求4所述的堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝的设计与施工方法，其 特征是坝体应力的计算方法如下在原来垂直正应力Qy直线变化的基础上，用类似于钢 筋面积折算法的方法，将堆石混凝土材料部分虚拟扩大E。/Es倍，以体现两者的弹性模量变 化，然后根据交界面上的变形协调条件，用弹性理论推得扩大后的堆石混凝土材料端垂直 正应力，再乘以一个应力放大系数E。/Es，即为实际的堆石混凝土材料端的应力；所述E。/ Es中，E。为堆石混凝土材料弹性模量，Es为胶凝砂砾石材料弹性模量。
全文摘要
本发明属于一种重力坝技术领域的堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝及其设计与施工方法。该复合材料坝坝体由堆石混凝土部分和胶凝砂砾石部分组成，复合材料坝上游侧坝体为所述堆石混凝土部分，下游侧坝体为所述胶凝砂砾石部分。堆石混凝土部分采用堆石混凝土材料(RFC)浇筑。胶凝砂砾石部分采用胶凝砂砾石材料(CSG)浇筑。能同时发挥RFC和CSG两种材料的优点，由于坝体上游侧采用堆石混凝土浇筑，可省去上游面布置防渗面板的工序，简化施工，缩短工期，减少坝体工程量；河床砂砾石、开挖弃渣可用来制备RFC和CSG材料，因此更能充分利用开挖料，降低工程造价，大幅减小对环境的负面影响，具有良好的社会、经济和环境生态效益。
文档编号E02B7/10GK101935995SQ20101025666
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者余文杰, 周虎, 安雪晖, 王进廷, 金峰 申请人:清华大学