严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构的制作方法

1.本发明涉及水利水电工程当地材料坝坝体，尤其涉及一种严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构。


背景技术：

2.近年来，在严寒地区兴建的抽水蓄能电站越来越多，像呼和浩特、蒲石河、敦化、丰宁、清原、芝瑞等。对于地处严寒地区的抽水蓄能电站，具有水库冬季气温低、低温时间长、水位变化频繁、水位变幅大等特点，特别是对于采用砂砾石料填筑的大坝，易出现渗透稳定破坏及冻胀破坏，对大坝和水库的安全影响较大。
3.国内在建的敦化抽水蓄能电站,是我国首次在严寒地区采用沥青混凝土心墙堆石坝的抽水蓄能电站工程，大坝填筑料采用硬岩堆石料。堆石料抗压强度高、软化系数大、耐风化，经爆破开采的堆石料的级配是连续的，细粒含量少，能自由排水,水库蓄水坝料饱和后的性质变化较小，渗透稳定安全和冻胀破坏问题不突出。
4.与爆破堆石料相比，砂砾石广泛分布于河床和岸坡滩地，开采成本低，施工方便，压实后具有较高的强度和变形模量，而且高压力下强度衰减小，变形稳定时间短，是填筑大坝的良好材料。但天然级配的砂砾石料具有级配的离散性、间断性和碾压施工时粗细颗粒的易分离性，抗渗透破坏和抗冲蚀能力差。因此，砂砾石料的渗透稳定性是大坝设计的重点。
5.常规水电站工程中，采用砂砾石料筑坝的工程较多。但常规水电站运行水位较为稳定，多为周(月)调节或年调节水库，水位起幅变化小且周期长，砂砾石坝渗透稳定问题不突出。抽水蓄能电站为满足正常运行要求，在一日内一般有两个负荷高峰，一是早高峰，另一个是晚间高峰，日发电抽水循环次数最高可达2次，水库水位变化频繁且存在急剧变化的运行工况，砂砾石坝的渗透稳定性直接影响大坝坝体安全，继而影响水库的安全运行。另外，对于严寒地区抽水蓄能电站工程，冬季运行期间气温较低，库水位下降后，若砂砾石坝壳料渗透性能差，坝体内渗水得不到充分排出，坝壳料存在冻胀破坏的风险，继而影响坝体安全；同时，坝体上游护坡位于表面，存在冰拔、冰推破坏的风险。
6.现有技术的沥青混凝土心墙砂砾石坝多用于常规水电站，国内尚无抽水蓄能电站工程使用该坝型。常规水电站该坝型坝体分区结构如图1所示，从上游至下游通常依次为上游抛石护坡31、碎石垫层35、上游填筑区32、上游过渡ii区38、上游过渡i区37、沥青混凝土心墙30、下游过渡i区47、下游过渡ii区48、下游填筑区33、下游干砌石护坡39，下游过渡ii区48为“l”形延伸至下游填筑区33与下游坝基之间形成下游水平过渡ii区43，在下游坝基与下游水平过渡ii区43之间还设置有下游坝基反滤层44。上述分区结构如果用在严寒地区的抽水蓄能电站工程中，坝体存在渗透稳定破坏和冻胀破坏风险，坝基存在渗透稳定破坏风险，坝体迎水面存在冰拔、冰推破坏的风险。
7.因此，严寒地区的抽水蓄能电站工程，砂砾石坝的渗流控制是非常重要课题，国内
外许多破坏甚至溃决的工程，多数都是由于渗流控制设计和施工方面存在不足和缺陷造成的。特别是我国青海沟后砂砾石面板坝曾发生溃决(1993年8月27日)，因此对于以砂砾石为主体的大坝需要非常重视渗控设计，以保证坝体的渗透稳定安全。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题是，本发明在充分考虑严寒地区抽水蓄能电站水库冬季气温低、低温时间长、水位变化频繁、水位变幅大等运行条件基础上，因地制宜的利用工程当地河床砂砾石料筑坝，提供了一种施工简单、经济合理、安全有效的坝体分区结构，防止坝体出现渗透稳定破坏和冻胀破坏，确保大坝安全。
9.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构，依次包括上游抛石护坡、碎石垫层、上游填筑区、上游过渡ii区、上游过渡i区、沥青混凝土心墙、下游过渡i区、下游过渡ii区、下游填筑区和下游干砌石护坡，下游过渡ii区为“l”形延伸至下游填筑区与下游坝基之间，形成下游水平过渡ii区，在下游坝基与下游水平过渡ii区之间还设置有下游坝基反滤层，在上游抛石护坡和碎石垫层之间设置有堆石护坡，在碎石垫层和上游填筑区之间设置有坝坡反滤层，上游过渡ii区为“l”形延伸至上游填筑区与上游坝基之间，形成上游水平过渡ii区，在上游坝基与上游水平过渡ii区之间还设置有上游坝基反滤层。
10.所述上游填筑区和下游填筑区采用工程当地河床开挖的天然砂砾石料，渗透系数数量级为10-4
cm/s。
11.所述上游抛石护坡水平向宽不小于3.0m，采用粒径0.4m～1m大颗粒块石，整体坡面平顺；所述下游干砌石护坡垂直坡面厚度不小于0.5m，采用经人工挑拣的新鲜坚硬的块石料。
12.所述上游抛石护坡下设的堆石护坡水平向宽不小于3.0m，采用最大粒径0.3m的级配堆石，渗透系数数量级为10-1
cm/s。
13.所述堆石护坡下设的碎石垫层垂直坡面厚度不小于0.5m，渗透系数数量级为10-2
cm/s，碎石垫层对坝坡反滤层具有反滤保护性能；所述坝坡反滤层垂直坡面厚度不小于0.5m，渗透系数数量级为10-3
cm/s,坝坡反滤层对上游填筑区具有反滤保护性能。
14.所述上游过渡ii区和下游过渡ii区水平厚度均不小于1.5m,渗透系数数量级为10-2
cm/s,上游过渡ii区对上游过渡i区具有反滤保护性能，下游过渡ii区对下游过渡i区具有反滤保护性能，上游过渡ii区对上游填筑区具有反滤保护性能，下游过渡ii区对下游填筑区具有反滤保护性能。
15.所述上游坝基反滤层和下游坝基反滤层厚度不小于1.0m,渗透系数数量级为10-3
cm/s,上游坝基反滤层对上游天然坝基具有反滤保护性能，下游坝基反滤层对下游天然坝基具有反滤保护性能。
16.所述上游水平过渡ii区和下游水平过渡ii区厚度不小于1.0m,渗透系数数量级为10-2
cm/s,上游水平过渡ii区对上游坝基反滤层、上游填筑区分别具有反滤保护性能，下游水平过渡ii区对下游坝基反滤层、下游填筑区分别具有反滤保护性能。
17.所述上游过渡i区和下游过渡i区水平厚度均不小于1.5m,渗透系数数量级为10-4
cm/s。
18.具有反滤保护性能满足d
20
/dk＜7且d
20
/d
20
＞4或经反滤保护试验验证被保护料的临界坡降在保护料的反滤保护下提高不小于1倍；其中d
20
为保护料的某一粒径，小于该粒径的重量占总重的20％，单位mm；dk为被保护料的某一粒径，该粒径与渗透稳定性有直接关系,单位mm；d
20
为被保护料的某一粒径，小于该粒径的重量占总重的20％。
19.本发明的有益效果是：能够充分利用当地材料筑坝，施工简单、经济合理、安全有效；大坝能够很好地适用于严寒地区抽水蓄能电站水库冬季气温低、低温时间长、水位变化频繁、水位变幅大等运行条件，节省了工程投资，确保了大坝安全。为类似工程坝体分区提供了设计新思路。
附图说明
20.图1为现有技术的沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构示意图；
21.图2为发明的严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构示意图。
22.图中，1-上游抛石护坡；2-上游填筑区；3-下游填筑区；4-堆石护坡；5-碎石垫层；6-坝坡反滤层；7-上游过渡i区；8-上游过渡ii区；9-下游干砌石护坡；10-沥青混凝土心墙；11-上游水平过渡ii区；12-上游坝基反滤层；13-下游水平过渡ii区；14-下游坝基反滤层；17-下游过渡i区；18-下游过渡ii区。
具体实施方式
23.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。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.如图2所示，本发明的严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体分区结构，依次包括上游抛石护坡1、碎石垫层5、上游填筑区2、上游过渡ii区8、上游过渡i区7、沥青混凝土心墙10、下游过渡i区17、下游过渡ii区18、下游填筑区3和下游干砌石护坡9，下游过渡ii区18为“l”形延伸至下游填筑区3与下游坝基之间，形成下游水平过渡ii区13，在下游坝基与下游水平过渡ii区13之间还设置有下游坝基反滤层14，在上游抛石护坡1和碎石垫层5之间设置有堆石护坡4，在碎石垫层5和上游填筑区2之间设置有坝坡反滤层6，上游
过渡ii区8为“l”形延伸至上游填筑区2与上游坝基之间，形成上游水平过渡ii区11，在上游坝基与上游水平过渡ii区11之间还设置有上游坝基反滤层12。
27.所述上游填筑区2和下游填筑区3采用工程当地河床开挖的天然砂砾石料，渗透系数数量级为10-4
cm/s。
28.所述上游抛石护坡1水平向宽不小于3.0m，采用粒径0.4m～1m大颗粒块石，整体坡面平顺；所述下游干砌石护坡9垂直坡面厚度不小于0.5m，采用经人工挑拣的新鲜坚硬的块石料。
29.所述上游抛石护坡1下设的堆石护坡4水平向宽不小于3.0m，采用最大粒径0.3m的级配堆石，渗透系数数量级为10-1
cm/s。
30.所述堆石护坡4下设的碎石垫层5垂直坡面厚度不小于0.5m，渗透系数数量级为10-2
cm/s，碎石垫层5对坝坡反滤层6具有反滤保护性能；所述坝坡反滤层6垂直坡面厚度不小于0.5m，渗透系数数量级为10-3
cm/s,坝坡反滤层6对上游填筑区2具有反滤保护性能。
31.所述上游过渡ii区8和下游过渡ii区18水平厚度均不小于1.5m,渗透系数数量级为10-2
cm/s,上游过渡ii区8对上游过渡i区7具有反滤保护性能，下游过渡ii区18对下游过渡i区17具有反滤保护性能，上游过渡ii区8对上游填筑区2具有反滤保护性能，下游过渡ii区18对下游填筑区3具有反滤保护性能。
32.所述上游坝基反滤层12和下游坝基反滤层14厚度不小于1.0m,渗透系数数量级为10-3
cm/s,上游坝基反滤层12对上游天然坝基具有反滤保护性能，下游坝基反滤层14对下游天然坝基具有反滤保护性能。
33.所述上游水平过渡ii区11和下游水平过渡ii区13厚度不小于1.0m,渗透系数数量级为10-2
cm/s,上游水平过渡ii区11对上游坝基反滤层12、上游填筑区2分别具有反滤保护性能，下游水平过渡ii区13对下游坝基反滤层14、下游填筑区3分别具有反滤保护性能。
34.所述上游过渡i区7和下游过渡i区17水平厚度均不小于1.5m,渗透系数数量级为10-4
cm/s。
35.具有反滤保护性能满足d
20
/dk＜7且d
20
/d
20
＞4或经反滤保护试验验证被保护料的临界坡降在保护料的反滤保护下提高不小于1倍；其中d
20
为保护料的某一粒径，小于该粒径的重量占总重的20％，单位mm；dk为被保护料的某一粒径，该粒径与渗透稳定性有直接关系,单位mm；d
20
为被保护料的某一粒径，小于该粒径的重量占总重的20％。
36.具体地说，本发明的严寒地区抽水蓄能电站沥青混凝土心墙砂砾石坝坝体用上游抛石护坡1和堆石护坡4对坝体迎水面进行联合防护，并兼顾坝体表面排水功能；坝体反滤保护采用碎石垫层5、坝坡反滤层6联合进行反滤保护；坝基反滤保护采用上游坝基反滤层12和下游坝基反滤层14进行反滤保护；坝体内部上游采用上游过渡ii区8、上游水平过渡ii区11联合排水；坝体内部下游采用下游过渡ii区18、下游水平过渡ii区13联合排水。
37.电站冬季运行时，尤其是库水位骤降工况下，由于上游填筑区2排水不畅，坝内浸润面跌落速度远低于库水位下降速度，存在明显的滞后现象，在外界低温环境下，易导致坝体表面存在冻胀风险，在上游抛石护坡1下设不小于水平向宽3.0m的堆石护坡4，厚度大于当地最大冻土深度，同时要求具有良好的排水性能和渗透稳定性能。
38.为防止库水位骤降工况下，上游填筑区2细颗粒被带出导致坝体出现渗透稳定破坏，在坝体上游填筑区2外侧设坝坡反滤层6和碎石垫层5，垂直坡面厚度均不小于0.5m，对
上游填筑区2进行反滤保护，同时兼顾一定的排水性能。
39.为防止库水位骤降工况下坝基水压力消散不及时、坝体正常运行期防渗墙施工缺陷造成渗透引起坝基渗透稳定破坏，在坝基顶部设置上游坝基滤层12和下游坝基反滤层14,厚度不小于1.0m。
40.上游过渡i区7和下游过渡i区17位于沥青混凝土心墙10两侧，呈竖向对称布置,水平厚度均不小于1.5m；上游过渡ii区8位于上游过渡i区7上游，厚度采用1.5m，要求上游过渡ii区8对上游过渡i区7具有反滤保护功能，同时要求满足沥青混凝土心墙与上游填筑区2之间变形的过渡要求；下游过渡ii区18位于下游过渡i区17下游，厚度不小于1.5m，要求满足沥青混凝土心墙与下游填筑区3之间变形的过渡要求。
41.为防止雨水等对坝坡的破坏，下游坝坡设厚度不小于0.5m的干砌石护坡，采用经人工挑拣的新鲜坚硬的块石料。砌石料要求质地坚硬、不易风化、抗水性和抗冻性好。
42.本发明能够充分利用当地材料筑坝，通过提供一种施工简单、经济合理、安全有效的坝体分区设计方案，大坝能够很好的适用于严寒地区抽水蓄能电站水库冬季气温低、低温时间长、水位变化频繁、水位变幅大等运行条件，节省了工程投资，确保了大坝安全。为类似工程坝体分区设计提供了设计思路及参考，具有借鉴意义。本发明要解决的技术问题是解决该问题的技术方案是：大坝采取排水、防冻胀和反滤保护相结合的坝体分设计方案。通过在坝体迎水侧采用抛石护坡和堆石护坡的联合防护型式，防止坝壳料冻胀及确保坝体表面排水通畅。通过设置坝坡碎石垫层和反滤层，一方面可有效阻止坝壳料中细颗粒的流出，另一方面可以提高渗流出口处抵抗渗透变形的能力，从而有效保证和提高了砂砾石坝的渗透稳定安全。
43.下面以采用了本发明技术方案的某工程拦河坝为例，结合附图进一步说明：
44.如图2所示，某严寒地区抽水蓄能电站工程，下水库极端最低气温-36.7℃，最冷月平均气温-16.6℃，工程区属严寒地区。下水库拦河坝采用沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝顶高程为1133.00m，坝顶宽10.0m，坝顶长407.71m，最大坝高34.0m。上、下游坝坡均为1:2.0。坝壳料采用下水库库内开挖的天然砂砾石料，天然砂砾石料细粒含量偏大，渗透系数数量级为10-4
cm/s，渗透稳定性较差。正常运行条件下，水库水位下降后，坝壳内的浸润面随库水位下降而下降，不过由于砂砾石料渗透性能差，浸润面存在明显的滞后现象，坝体内部浸润面降落速度远低于库水位的下降速度，导致坝体存在渗透稳定破坏问题及冻胀破坏问题。
45.针对以上问题，拦河坝坝体分区主要为：
46.1)沥青混凝土心墙上、下游:过渡i区(水平宽1.5m)、过渡ii区水平宽1.5m；
47.2)上、下游填筑区；
48.3)坝体上游：抛石护坡(水平宽3.0m)、堆石护坡(水平宽3.0m)、碎石垫层(厚0.5m)、坝坡反滤层(厚0.5m)；
49.4)坝体下游：干砌石护坡(厚0.5m)；
50.5)坝基：过渡ii区(厚1.0m)、坝基反滤层(厚1.0m)。
51.以上各分区主要设计指标如下：
52.①
上游填筑区
53.上游填筑区位于坝体上游，采用库内开挖的天然砂砾石料。最大粒径600mm，粒径小于5mm的含量控制在10％～40％以内，粒径小于0.075mm的含量≤5％。不均匀系数宜大于
10。设计压实指标：相对密度不小于0.82，渗透系数大于10-4
cm/s。
54.②
下游填筑区
55.下游填筑区位于坝体下游，采用库内开挖的天然砂砾石料。最大粒径600mm，粒径小于5mm的含量控制在10％～40％以内，粒径小于0.075mm的含量≤5％。不均匀系数宜大于10。设计压实指标：相对密度不小于0.82，渗透系数大于10-4
cm/s。
56.③
过渡i区
57.过渡i区位于沥青混凝土心墙两侧，厚1.5m。质密、坚硬、抗风化、耐侵蚀，颗粒级配连续，采用库内开挖砂砾石料经筛分系统加工后上坝填筑。最大粒径80mm，粒径小于5mm的含量控制在25％～50％以内，粒径小于0.075mm的含量≤5％。曲率系数宜在1～3之间，不均匀系数宜大于15。设计压实指标：相对密度不小于0.82，渗透系数大于10-4
cm/s。
58.④
过渡ii区
59.过渡ii区一部分位于过渡i区外侧，厚1.5m，另一部分位于坝基反滤层以上，厚1m。质密、坚硬、抗风化、耐侵蚀，颗粒级配连续，采用库内开挖砂砾石料经筛分系统加工后上坝填筑。最大粒径≤200mm，粒径小于5mm的含量控制在10％～25％以内，粒径小于0.075mm的含量≤5％。不均匀系数宜大于10。设计压实指标：相对密度不小于0.82，渗透系数大于10-2
cm/s。
60.⑤
反滤层
61.为防止上、下游填筑区、坝基覆盖层基础产生渗透破坏，在坝体上游填筑区外侧设一层反滤层(厚度0.5m)、过渡ii区和坝壳底部设一层反滤层(厚度1.0m)，采用库内开挖砂砾石料经筛分系统加工后上坝填筑。最大粒径80mm，粒径小于5mm的含量为20％～40％，粒径小于0.075mm的含量应≤5.0％。曲率系数宜在1～3之间，不均匀系数宜大于7。设计压实指标：相对密度不小于0.85，透系数大于10-3
cm/s。
62.⑥
碎石垫层
63.采用库内开挖砂砾石料经筛分系统加工后上坝填筑，厚度为50cm，最大粒径≤200mm，粒径小于5mm的含量控制在10％～25％以内，粒径小于0.075mm的含量≤5％。不均匀系数宜大于10。设计压实指标：相对密度不小于0.82，渗透系数大于10-2
cm/s。
64.⑦
堆石护坡
65.为防止坝体填筑料冻胀破坏，利用堆石护坡对下游坝坡进行坡面防护，水平宽3m，采用下水库石方明挖或洞挖弱风化可利用料，最大粒径≤300mm，小于5mm的颗粒含量≤20％，小于0.075mm的含量≤5％，曲率系数宜在1～3之间，不均匀系数宜大于12，压实后的孔隙率≤25％，透系数大于10-1
cm/s。
66.⑧
抛石护坡
67.为防止坝体表面遭受冰冻破坏，利用抛石对上、下游坝坡进行坡面防护，水平宽3m，采用下水库石方明挖弱风化可利用料，粒径要求0.4m～1m，级配良好，要求整体坡面平顺。
68.⑨
干砌石护坡
69.为防止雨水等对坝坡的破坏，下游坝坡设置护坡，其厚度50cm，采用下库石方明挖开采经人工挑拣的新鲜坚硬的块石料。砌石料要求质地坚硬、不易风化、抗水性和抗冻性好。石料无风化剥落层或裂纹，石材表面无污垢、水锈等杂质，用于表面的石材，应色泽均
匀。
70.⑩
各分区反滤保护功能验证
71.为确保大坝满足渗透稳定要求，根据以上各分区设计级配，需对有反滤保护要求的坝体分区进行反滤功能理论验算，当理论验算不满足d
20
/dk＜7且d
20
/d
20
＞4时，可结合反滤保护试验进一步验证。表1给出了某工程拦河坝坝体各分区反滤关系验算过程。
72.表1某工程拦河坝坝体各分区反滤关系验算过程
[0073][0074]
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。