一种死库容双层弃渣结构及水库初期蓄水方法与流程

本发明属于水利水电工程，具体涉及一种死库容双层弃渣结构及水库初期蓄水方法。

背景技术：

1、抽水蓄能电站工程建设中，存在死库容容积偏大、天然来水量不足的工况特点。在机组调试、初期蓄水阶段，空库蓄水模式下需要蓄水的空间过大，导致库水位抬升速率慢，无法快速达到机组试运行水位，直接造成首机发电工期延误，是制约抽水蓄能电站按期投产的行业共性技术难题。

2、目前行业内解决初期蓄水不足的技术手段主要分为两类：一是增设外部补水构筑物，依靠外部水源补水加快蓄水速度；二是被动延长蓄水周期、优化上游流域调度。上述两种方式均需额外增加工程投资，或存在工期不可控、购买水权难度大、适配性差等问题，无法兼顾经济性与工期需求。同时，水库、坝基开挖施工会产生大量无用料。传统施工模式中，开挖料优先用于大坝填筑、混凝土骨料加工，剩余无用弃渣均采用外运堆放、新建弃渣场永久堆存等处理方式，存在征地成本高、土石方外运费用高、生态扰动大、弃渣资源化利用率低等问题。

3、现有库底弃渣处理技术多为简单混杂填埋，核心目的仅为消纳弃渣、实现废渣无害化处理，无功能设计、无蓄水调控机理、无适配水位波动的防护体系。混杂堆筑的弃渣体级配混乱，长期浸泡于库水中易出现细料流失、局部掏空、不均匀沉降、边坡滑塌等病害，结构稳定性差。

4、此外，水利行业长期存在固化技术偏见：普遍认为水库死库容仅具备沉沙、调沙、保障取水底高程的基础功能，属于不可占用、不可人工改造的空间，尚无通过结构化、功能化改造死库容及主动调控初期蓄水容积、解决蓄水不足难题的成熟技术方案。

5、中国专利cn1837492a公开了一种库底填埋废渣的结构，应用于水库死库容废渣填埋领域。该结构在水库大坝蓄水侧处于闲置状态的水库死库容中埋设库底填渣，将电站建设过程中产生的大量废弃土石料去除表层腐植土层后分层碾压填埋于死库容内，并在接近进出水口处将渣坡设置为斜坡状且坡度小于水下休止角，在对应进出水口的渣坡上设置挡渣坎，在水流流速较大的进出水口附近库底填渣表层设置由沥青混凝土面板、钢筋混凝土面板、土工膜或粘土等构成的保护层，以减小弃渣场占地、降低电站初期蓄水的难度，减少工程投资。

6、1、该专利与本发明同属水利工程领域，技术应用场景高度重合，均针对抽水蓄能电站等水库死库容，同样利用死库容空间消纳工程弃渣，并以降低电站初期蓄水难度、减少弃渣外运占地、节省工程投资为技术目的。然而，该专利仅将死库容作为废渣被动消纳的填埋空间，其库底填渣为单一均质混杂体，本质上属于废渣无害化处理与土地占用缩减范畴，而非死库容的功能化改造及初期蓄水主动调控；其虽客观上通过填埋占用死库容产生减容效果，但未建立通过结构化回填主动修正有效蓄水容积以精准调控初期蓄水量的技术机理，未形成的库容动态修正体系。且其未遵循“开挖料优先回用”原则对剩余弃渣按颗粒特性分级筛选，未将细颗粒全强风化料与硬质大块石渣分别适配不同结构功能层，无法形成下层隔水稳沉与上层透水泄压的功能化双层异质复合结构，无法据此实现以结构功能差异化适配蓄水工况、以可控库容占位调控蓄水效率的发明目的。

7、2、该专利与本发明同样关注水库水位作用下的填渣坡脚稳定性问题，其已认识到进出水口附近水流冲刷对填渣稳定性的影响，并设置了挡渣坎及表层保护层，具有一定的坡脚局部防护意识。然而，该专利的挡渣坎及保护层仅针对进出水口局部水流冲刷的被动式局部挡护，本质上属于单一抗冲构造，而非适配水库水位周期性涨落工况的坡脚自适应反滤稳坡系统；其渣坡及坡脚整体未设置内侧反滤挡土与外侧抗冲固坡相结合的复合防护结构，未采用透水土工膜内置式格宾石笼的一体化构造，无法同时实现透水泄压、防细料流失、抗库水往复冲刷的多重自适应功能。且该专利未对库底填渣外侧坡脚坡面进行修整平顺及消除凸起凹陷缺陷的精细化预处理，未保证土工膜全程紧密贴合填料坡面，无法解决回填体长期泡水及水位骤升骤降下的结构失稳难题，其坡脚防护的适配性和稳定性远不及本发明。

8、3、该专利与本发明同样涉及库底填渣与水库进出水口的相对位置关系，其通过将接近进出水口处的渣坡设置为斜坡状并配合挡渣坎，试图减少填渣对进出水口区域的影响。然而，该专利未建立基于输水设备安全的库区隔离布置机制，其库底填渣与进出水口之间仅为近距离的斜坡过渡，未限定库底填渣外缘与进出水口建筑物基础之间的安全距离，未主动避让进出水口拦污设备及闸门设备的布置范围，本质上仍属于以渣料消纳为核心的单一功能设计，而非兼顾输水系统安全运行的多功能协同设计；该结构无法避免回填体细料在进出水口高速水流、漩涡抽吸及水流冲刷作用下被卷吸进入输水管道，存在磨损机组及管路设备、干扰输水水流流态、改变原有输水体系的隐患。且该专利的进出水口防护仅考虑渣坡局部抗冲稳定，未形成库底结构体与输水系统长期安全运行的闭环保障机制，无法实现蓄水调控与设备安全的双重兼顾。

9、4、该专利与本发明同样利用电站建设开挖弃渣作为库底填渣，实现了弃渣的就地消纳，在资源化利用思路上具有相近性。然而，该专利采用统一去除腐植土层后的混杂分层碾压填埋方式，未构建工况适配型土石方分级利用技术体系，其填料为单一均质混杂料，未以初期蓄水工况和结构功能需求为核心对弃渣进行精准分级；未将压实性好、细颗粒含量高的全强风化料用于下层隔水稳沉基座层，未将硬度高、粒径均匀的硬质大块石渣用于上层透水稳压缓冲层，无法形成“弃渣分级—功能匹配—结构协同”的完整技术链路。且其未对下层采用限制孔隙率的密实填筑以阻断底部渗流与不均匀变形，未对上层采用限制粒径及细碎屑含量的硬质石渣自然松散堆筑以主动保留连通孔隙结构，各填筑环节相互独立且无明确的功能适配关系，无法兼顾蓄水调控、结构安全与资源利用的多重需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供：

2、一种死库容双层弃渣结构及水库初期蓄水方法，通过工况适配型土石方平衡、结构化分层回填、库容动态修正，在不改动水库主体建筑物、不占用兴利库容、不影响水库正常运行功能的前提下，实现水库快速蓄水，同时完成工程弃渣就地资源化消纳。

3、术语说明：

4、除非另有定义，否则本文所有科技术语具有的涵义与权利要求主题所属领域技术人员通常理解的涵义相同。除非另有说明，本文全文引用的所有专利、专利申请、公开材料通过引用方式整体并入本文。如果本文对术语有多个定义，以本章的定义为准。

5、应理解，上述简述和下文的详述为示例性且仅用于解释，而不对本发明的主题作任何限制。在本发明中，除非另有具体说明，否则使用单数时也包括复数。还应注意，除非另有说明，否则所用“或”、“或者”表示“和/或”。此外，所用术语“包括”以及其它形式，例如“包含”、“含”和“含有”并非限制性。

6、本文所用的术语“死库容”，指：水库正常运行条件下，为保持水库有效运行所必须维持的最低水位以下的库容，通常用于沉沙、调沙及保障取水底高程。

7、本文所用的术语“反滤”，指：在渗透水流作用下，允许水体自由通过而阻止土体细颗粒随水流流失的过滤作用。

8、本文所用的术语“全强风化料”，指：岩石在地质作用下完全风化或强烈风化后形成的细颗粒土石混合料，具有较好的压实性和较低的透水性。

9、本文所用的术语“格宾石笼”，指：由金属丝网编织而成的箱型结构，内部填充块石，用于岸坡防护、河床加固及防冲刷工程。

10、本文所用的术语“连通孔隙结构”，指：块石料自然堆筑后，石料之间未经碾压而保留的相互连通的孔隙通道，具有透水泄压功能。

11、本文所用的术语“回填体占位效应”，指：在水库死库容区域内回填工程弃渣形成库底结构体，利用该结构体占据原有死库容空间，从而减小水库初期蓄水阶段需要填充的有效蓄水容积的物理效应。

12、本文所用的术语“自由面边坡”，指：填筑体暴露于大气中、未受水体淹没或外部结构约束的坡面。

13、第一方面，本发明提供了：

14、一种死库容双层弃渣结构，设置于水库死库容区域内，包含以下技术特征：

15、下层隔水稳沉基座层，由全强风化料分层碾压密实填筑而成，压实后孔隙率为18%～22%；

16、上层透水稳压缓冲层，堆筑于所述下层隔水稳沉基座层之上，由硬质石渣自然松散堆筑而成，石料粒径为10cm～40cm，具有连通孔隙结构；

17、坡脚自适应复合防护结构，设置于所述下层隔水稳沉基座层与所述上层透水稳压缓冲层所构成结构体的外侧坡脚，包括内侧的透水土工膜和外侧的格宾石笼，用于适配水库水位周期性涨落工况，实现自适应反滤挡土、抗冲固坡及透水泄压。

18、所述死库容双层弃渣结构整体避让水库进出水口建筑物，其外缘与进出水口建筑物基础保持不小于30m的安全距离，且避开进出水口拦污设备及闸门设备的布置范围，不占用输水水流通道、不干扰流态分布；所述死库容双层弃渣结构的顶面高程低于水库死水位0.5m～1.0m。

19、所述死库容双层弃渣结构通过占位效应减小死库容有效蓄水容积，以调控水库初期蓄水。

20、基于对本发明的技术问题的进一步解决或同时解决多个技术问题，在本发明第一方面所提供的技术方案中，优选方案包括：

21、第一项优选方案：对所述下层隔水稳沉基座层的进一步限定：所述下层隔水稳沉基座层的单层摊铺采用大型振动碾匀速碾压作业，所述单层摊铺厚度为50cm～80cm。

22、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了通过精细化施工工艺保障隔水稳沉基座层密实度与整体性的技术问题。

23、第二项优选方案：对所述上层透水稳压缓冲层的进一步限定：所述上层透水稳压缓冲层的细碎屑含量≤15%，不强制碾压，主动保留石料间连通孔隙结构。

24、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了在保持高透水泄压性能的同时防止细料淤积堵塞孔隙的技术问题。

25、第三项优选方案：对所述坡脚自适应复合防护结构的进一步限定：所述透水土工膜为满足耐久性的透水土工膜，全程紧密贴合填料坡面，无褶皱、无破损、无空鼓，搭接宽度满足水利工程规范要求；所述格宾石笼为满足耐久性的格宾石笼，绑扎固定于所述透水土工膜外侧，形成内侧反滤挡土、外侧抗冲固坡的一体化复合防护体系。

26、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了坡脚防护结构在长期泡水及水位波动条件下的自适应反滤、抗冲及防掏空失稳的技术问题。

27、第四项优选方案：对所述死库容双层弃渣结构布置方式的进一步限定：所述死库容双层弃渣结构避开进出水口拦污设备及闸门设备的布置范围，不占用输水水流通道、不干扰流态分布，从而避免回填体细料被水流卷吸进入输水管道。

28、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了库底结构改造与输水系统安全运行相协调的技术问题。

29、第二方面，本发明提供了：

30、本发明提供了一种水库初期蓄水方法，用于施工形成第一方面所述的死库容双层弃渣结构，包括以下步骤：

31、s1：前期勘测与土石方分级规划：实测水库死库容边界范围及库底地形高程，核算死库容总容积及可利用回填空间；统计工程开挖量、大坝填筑用量及混凝土骨料用量，遵循开挖料优先回用原则，对剩余弃渣按颗粒特性分级筛选，将细颗粒全强风化料与硬质大块石渣单独分选、分区隔离堆存；

32、s2：库底基底预处理：基于步骤s1实测的死库容边界范围及核算的可利用回填空间，对相应的库底区域进行全方位基底清理，清除库底杂草、浮土、松散碎石及软弱夹层；对库底基面进行平整处理并轻度碾压夯实；

33、s3：下层隔水稳沉基座层施工：在步骤s2清理、平整并碾压夯实后的库底基面上，采用分区、分层摊铺碾压工艺填筑全强风化料，形成下层隔水稳沉基座层并检测施工质量；

34、s4：上层透水稳压缓冲层施工：在步骤s3形成的下层隔水稳沉基座层施工质量验收合格后，分区堆筑硬质石渣，采用自然松散堆筑工艺，不强制碾压，主动保留石料间连通孔隙结构，形成高透水、高缓冲性能的上层透水稳压缓冲层；

35、s5：坡脚自适应复合防护结构施工：对所述下层隔水稳沉基座层与所述上层透水稳压缓冲层所构成结构体的外侧坡脚坡面进行修整平顺，铺设满足耐久性的透水土工膜，保证土工膜全程紧密贴合填料坡面，无褶皱、无破损、无空鼓，搭接宽度满足水利工程规范要求；随后在土工膜外侧绑扎固定满足耐久性的格宾石笼，形成内侧反滤挡土、外侧抗冲固坡的一体化复合防护体系；

36、s6：库容修正与初期蓄水调控：基于步骤s1至s5施工形成的死库容双层弃渣结构，通过回填体占位效应修正死库容有效蓄水容积，计算初期蓄水量为死库容容积减去库底结构回填库容。

37、基于对本发明的技术问题的进一步解决或同时解决多个技术问题，在本发明第二方面所提供的技术方案中，优选方案包括：

38、第一项优选方案：对步骤s1的进一步限定：步骤s1中，所述对剩余弃渣按颗粒特性分级筛选包括彻底剔除淤泥、腐殖土、软弱杂质料，将压实性好、细颗粒含量高的全强风化料与硬度高、粒径均匀的硬质石渣分区隔离堆存，分别适配不同结构功能层。

39、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了以工况适配为导向实现弃渣精准分级与资源化利用的技术问题。

40、第二项优选方案：对步骤s3的进一步限定：步骤s3中，所述下层隔水稳沉基座层的填筑控制自由面边坡稳定，所述分区、分层摊铺碾压工艺包括单层摊铺厚度为50cm～80cm，采用大型振动碾匀速碾压作业，施工全过程同步检测压实度与孔隙率，严格控制压实后孔隙率为18%～22%，每一层检测验收合格后进行下一层摊铺填筑。

41、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了隔水稳沉基座层施工质量全过程可控的技术问题。

42、第三项优选方案：对步骤s4的进一步限定：步骤s4中，所述上层透水稳压缓冲层的填筑控制自由面边坡稳定，所述分区堆筑硬质石渣包括筛选粒径10cm～40cm的块状石料，控制细碎屑杂质含量≤15%。

43、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了上层缓冲层透水性能与结构稳定性协同保障的技术问题。

44、第四项优选方案：对步骤s5的进一步限定：步骤s5中，所述修整平顺包括消除坡面的凸起及凹陷缺陷。

45、该技术方案在解决死库容功能化改造及初期蓄水调控的基础上，进一步解决了坡脚防护结构与回填坡面紧密贴合、避免局部空鼓破损的技术问题。

46、本发明的有益效果：

47、本发明至少具有如下有益效果：

48、1、与现有技术相比，本发明无需新增补水隧洞、引水工程等构筑物，无需改造大坝、输水系统等主体建筑物，通过死库容结构化改造实现快速蓄水，彻底打破了“死库容不可占用、不可人工改造”的行业技术偏见，解决了水库初期蓄水不足、工期滞后的行业瓶颈，水位抬升速率大幅提升。

49、2、与现有技术相比，本发明采用双层异质结构，下层细料密实隔水、控沉降防渗漏，上层块石松散透水、泄压缓冲抗冲击，两层结构功能差异化、互补协同，并配合坡脚自适应复合防护结构，从根本上解决传统回填体细料流失、掏空塌陷、不均匀沉降、边坡滑塌等病害，可长期适配水库水位周期性涨落工况，结构安全稳定性极强。

50、3、与现有技术相比，本发明实现工程无用弃渣100%就地资源化消纳，取消场外弃渣场征地、土石方外运、渣场防护等巨额费用，工程经济效益突出。

51、4、与现有技术相比，本发明通过库底结构体与进出水口主动避让、安全净距分区布置机制，在实现初期蓄水调控、弃渣资源化利用的同时，彻底保障输水系统与机组设备长期安全稳定运行，运行可靠性高。

52、5、与现有技术相比，本发明大幅减少土石方外运及弃渣堆放，降低施工扬尘、生态扰动，契合绿色水利工程建设理念。

53、此外，基于本发明的情况：

54、1、基于实施例一和实施例二的技术方案描述，本发明采用技术手段“双层异质复合库底结构体+坡脚自适应反滤稳坡系统+工况适配型土石方分级利用+基于输水设备安全的库区隔离布置”的组合，取得了新的技术效果：“在不改动水库主体建筑物、不占用兴利库容、不影响水库正常运行功能的前提下，实现水库快速蓄水，同时完成工程弃渣就地资源化消纳”。组合后的技术效果比每个技术手段效果的总和更优越。

55、2、基于现有技术公开的库底弃渣填埋及死库容利用技术，现有技术公开了将弃渣回填于库底的技术方案，但缺乏从蓄水工况适配和结构功能差异化出发、综合调控初期蓄水容积并保障长期运行安全的宽范围技术教导。本技术从该宽范围中，有目的地选出以双层异质结构分别实现隔水稳沉与透水泄压、并以坡脚自适应复合防护结构保障水位波动下稳定性的技术方案，取得了预料不到的技术效果——同一库底空间兼作蓄水调控与弃渣消纳两种功能使工程投资大幅降低、以结构化占位替代外部补水使工期可控性显著提升、双层功能互补设计使结构长期稳定性远超单一混杂填埋方案。