一种基于微型横桩的混合坝防渗接头区加固设计及施工方法

本发明属于抽水蓄能电站建筑，涉及一种基于微型横桩的混合坝防渗接头区加固设计及施工方法。

背景技术：

1、水电能是一种可以进行大规模开发的安全、稳定、经济、清洁可再生新能源。抽水蓄能电站通过电能与水的势能相互转化，实现电能的储存和释放，能够促进能源结构的优化调整和清洁能源、可再生能源的发展。

2、随着文登抽水蓄能电站(装机量180万千瓦)、蟠龙抽水蓄能电站(装机量120万千瓦)等的投产与丰宁抽水蓄能电站(装机量360万千瓦)、哇让抽水蓄能电站(装机量280万千瓦)等的开工表明总装机量超百万千瓦的超大型抽水蓄能电站建设成为主流趋势。与此同时，抽水蓄能电站上、下水库大坝的建设规模也随之增大，为工程建设提出了新的挑战，其中以混合坝为主要坝型的防渗接头部位变形与损伤诱发的渗漏风险等问题日益突出，已成为制约抽水蓄能电站工程建设的技术瓶颈，是工程科研人员主攻的重点难题。

3、某抽水蓄能电站上水库混合坝数值分析表明：水库达到满蓄状态后，堆石体与混凝土结构沉降不均匀，使得防渗接头区沥青面板和堆石体将沿混凝土搭接台发生滑移错动，同时沥青面板顶部出现沿水平向数值较大的拉应变，这可能会导致防渗面板出现开裂造成触发渗漏的危险。如何对接头部位进行加固设计，降低接头部位界面错动量的同时减小防渗面板拉应变是增强防渗体系控渗防漏性能是保障工程安全运营的关键，对提升我国超大型抽水蓄能电站水库大坝建设技术具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明旨在针对混合坝刚柔混合分区不均匀变形诱发防渗接头区滑移破损的潜在风险，提出一种基于刚性结构改善回填土持力层的微型横桩设计方法；通过不同工况下防渗接头区变形模式，针对性制定了两种设计形式：小范围加固的“微型短桩”设计和大范围的“长短组合桩”方案，联合相应结构优化措施，从多个维度提高混合坝防渗体系控渗防漏的综合能力。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于微型横桩的混合坝防渗接头区加固设计及施工方法，在传统混合坝基础上进行以下改进，提出两种方案：

4、第一种：提出一种基于刚性结构改善回填土持力层的微型横桩设计方法，根据不同工况下防渗接头区变形模式，采用小范围加固的“微型短桩”设计，其中“微型短桩”能够在静力工况下(如混合坝蓄水高度较高等)更好的增强混合坝防渗接头抗渗安全裕度。

5、所述的“微型短桩”的加固形式为：在传统混合坝的刚性结构6和回填土体4中，添加多排水平布置的微型横桩7，微型横桩7发挥群桩协同承载作用以减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险，“微型短桩”形式中各桩体长度相同。具体如下：

6、多个尺寸相同的微型横桩7组成微型群桩，从上至下水平等间隔布置，每个微型横桩7的一端沿水平方向嵌入刚性结构6中，另一端嵌入回填土体4中，其中，安装微型横桩7的刚性结构6和回填土体4的边缘相交。此处定义最下层桩体为第一排桩体，从下至上依次放置微型横桩7，且从下至上微型横桩7嵌入回填土体4中的长度相同。相邻微型横桩7深入回填土体4的端部通过长方形框架8进行连接，通过长方形框架8有效限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调。即“微型短桩”形式由微型横桩群桩和长方形框架8发挥协同承载作用。

7、具体施工过程如下：

8、在地基分层填筑过程中，对接头部位下方的刚性结构(c20混凝土重力坝)6进行打孔处理，沿水平方向将微型横桩7放置在孔中，同时将长方形框架8固定在第一排微型横桩7上(最下层桩体为第一排桩体)，固定位置位于与第二排微型横桩7顶部(未放置在刚性结构中的一端为桩顶部)同一水平位置，继续填筑重复上述过程至桩体安置完成，长方形框架8用于控制各排桩体的受力变形协调。在回填土体(4)中的桩体端部设置有长方形框架(8)，用于限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调。

9、所述微型横桩7发挥群桩协同承载作用以减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险；同时，长方形框架结构(8)与微型横桩7布控设计，有效限制微型横桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调，可实现防渗接头抗渗性能的双向增强，显著提升了混合坝防渗体系控渗防漏的安全性能。

10、第二种：提出一种基于刚性结构改善回填土持力层的微型横桩设计方法，根据不同工况下防渗接头区变形模式，采用大范围的“长短组合桩”方案，其中“长短组合桩”能够在动力工况下(如混合坝抗震设计等级高等)更好的增强混合坝防渗接头抗渗安全裕度。

11、所述的“长短组合桩”的加固形式为：在传统混合坝的刚性结构6和回填土体4中，添加多排水平布置的微型横桩7，微型横桩7发挥群桩协同承载作用以减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险，“长短组合桩”形式中第一排桩体长度最长，其余桩体长度依次减小。具体如下：

12、多个尺寸不同的微型横桩7组成长短组合桩群，从上至下水平等间隔布置，每个微型横桩7的一端沿水平方向嵌入刚性结构6中，另一端嵌入回填土体4中，其中，安装微型横桩7的刚性结构6和回填土体4的边缘相交。此处定义最下层桩体为第一排桩体，从下至上依次放置微型横桩7，从下至上微型横桩7的长度依次递减；嵌入刚性结构6中的微型横桩7保持纵向微型群桩对齐，且刚性结构6中微型横桩7的周向布置环形垫块9，环形垫块用于减小土体与刚性结构交界处桩身应力，降低地震荷载震动对刚性结构6与微型横桩7造成的损伤；嵌入回填土体4中的微型横桩7桩长从下至上依次递减。相邻微型横桩7嵌入回填土体4的端部通过长方形框架8进行连接，通过长方形框架8有效限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调。即“长短组合桩”由微型横桩(7)群桩、长方形框架(8)桩和环形垫块(9)发挥协同承载作用。在回填土体(4)中的桩体端部设置有长方形框架(8)，用于限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调。

13、具体施工过程如下：

14、在地基分层填筑过程中，对防渗面板搭接部位下方的刚性结构(c20混凝土重力坝)6进行打孔处理，沿水平方向首先将环形垫块9放入孔中，其次将微型横桩7放置在环形垫块9中，环形垫块9可以降低回填土体4与刚性结构6交界处桩体7的桩身应力，同时使刚性结构6为桩体7提供的抗力更均匀的分布在桩身，通过上述设计增强防渗接头抗渗安全裕度。最后将长方形框架8固定在第一排微型横桩上(最下层桩体为第一排桩体)，固定位置位于与第二排微型横桩顶部(未放置在刚性结构中的一端为桩顶部)同一水平位置，继续填筑重复上述过程至桩体安装完成，环形垫块9用于降低地震荷载震动下由于桩体长度增加导致的土体与刚性结构交界处桩体的桩身应力增大结构易于发生损伤的问题，长方形框架8用于控制各排桩体的受力变形协调。

15、所述微型横桩(7)发挥群桩协同承载作用以减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险；同时，长方形框架结构(8)与环形垫块(9)布控设计，有效限制微型横桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调，可实现防渗接头抗渗性能的双向增强，显著提升了混合坝防渗体系控渗防漏的安全性能。

16、本发明提出的微型短桩与长短组合桩主要区别是位于土体4内的桩体长度，微型短桩位于土体4内的长度相同，长短组合桩位于土体4内的长度从下到上依次递减。对于位于刚性结构6中的桩体长度，微型短桩一般采用位于土体4内的桩体长度的2倍，由于受静力荷载，对结构受力没有太多其他要求，总长度固定，位于土体，位于刚性的长度固定即可。对于长短组合桩形式，由于受地震荷载震动影响，通过增加长短组合桩下部桩体长度，在强震作用下更好的发挥加固效果，理论上，下部桩体位于刚性结构6内的长度需要更长，但由于刚性结构6与土体4交界面一般都是弧形的，保持刚性结构6中纵向微型群桩对齐时，最下部桩体位于刚性结构6中的长度是最长的。对刚性结构6中桩体长度进行简化，即保持纵向微型群桩对齐。

17、各关键部件的尺寸设计要求为：

18、第一种：所述的“微型短桩”的加固形式为：在传统混合坝的刚性结构6和回填土体4中，添加多排水平布置的微型横桩7，微型横桩7布置高度低于防渗面板5，长方形框架8位于回填土体4中相邻两排微型横桩7的端部。

19、1)所述的“微型短桩”形式中微型横桩7长度l3相同，建议值为2.4m-3.6m，其中回填土4中每根桩体的长度l1建议取值为0.8-1.2m，刚性结构中桩体的长度l2为l1的2倍，建议值为1.6m-2.4m，保证了刚性结构6提供的支撑力更均匀的作用在桩身上；每根桩体桩径r1相同，建议值为0.1m-0.15m；桩体数量一般取4～6根，优选为5根，过多时底部桩体无法发挥效果，太少则不能提供足够的加固效果；桩体间距d1、d2、d3、d4取值相同，为1-1.5倍桩径r1，建议值为0.1m-0.225m；最顶层桩体距离面板5的间距h1建议值为0.3m-0.4m；桩体材料弹性模量一般为30-40gpa。

20、2)所述的“微型短桩”形式中长方形框架8长度l8等于桩间距d4、2倍桩径r1与2倍l9之和，建议值为0.4m-0.65m，长方形框架的宽度l4建议取值为0.1m，高度d5建议取值为0.2m；

21、第二种：所述的“长短组合桩”的加固形式为：在传统混合坝的刚性结构6和回填土体4中，添加多排水平布置的微型横桩7，微型横桩7布置高度低于防渗面板5，长方形框架8位于回填土体4中相邻两排微型横桩7的端部，环形垫块9位于刚性结构6与微型横桩7的之间。

22、1)所述的“长短组合桩”型中由顶部到底部的微型横桩7长度l13逐渐增大，第一排桩比第二排在长度增大l16，第二排桩比第三排在长度增大l15，第三排桩比第四排在长度增大l15，其中l14、l15、l16数值相同，建议值为0.3m；回填土体4中最上层微型横桩7的长度l11建议取值为0.8-1.2m，刚性结构中桩体的长度l12为l11的2倍，建议值为1.6m-2.4m，保证了刚性结构6提供的支撑力更均匀的作用在桩身上；每根桩体桩径r11相同，建议值为0.1m-0.15m；桩体数量取3～5根，优选为4根；桩体间距d11、d12、d13取值相同，为1-1.5倍桩径r11，建议值为0.1m-0.225m；最顶层桩体距离面板5的间距h11建议值为0.3m-0.4m；桩体材料弹性模量一般为20-30gpa。

23、2)“长短组合桩”形式中长方形框架8长度l17等于桩间距d11、2倍桩径r11与2倍l21之和，建议值为0.6m-0.8m，长方形框架的宽度l4建议取值为0.1m，高度d16建议取值为0.2m。

24、3)所述的环形垫块9长度为刚性结构6内状体的长度l12与垫块厚度d14之和，建议值为1.6m-3.4m，垫块9的厚度d14、d15建议取值为0.025m，垫块材料可以选择聚氨酯类高聚物等材料，材料的弹性模量一般为10gpa。

25、本发明“微型短桩”与“长短组合桩”发挥群桩协同承载作用以减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险；长方形框架与环形垫块布控设计，有效限制微型横桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调，可实现防渗接头抗渗性能的双向增强，显著提升了混合坝防渗体系控渗防漏的安全性能。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、(1)针对混合坝刚柔混合分区不均匀变形诱发防渗接头区滑移破损的潜在风险，提出一种基于刚性结构改善回填土持力层的微型横桩设计方法；通过不同工况下防渗接头区变形模式，针对性制定了2种设计形式：小范围加固的“微型短桩”设计和大范围的“长短组合桩”方案；

28、(2)“微型短桩”与“长短组合桩”发挥群桩协同承载作用于减小水压力与地震荷载造成防渗面板接头部位拉应变与错动量，有效降低防渗面板接头部位受拉开裂的风险，显著提升了混合坝防渗体系控渗防漏的安全性能；

29、(3)长方形框架可以有效限制微型桩顶位移并减小桩身弯矩，控制各排桩体的受力变形协调，增强群桩协同承载作用；环形垫块可以降低地震荷载震动下由于桩体长度增加导致的土体与刚性结构交界处桩体的桩身应力增大结构易于发生损伤的问题，同时使刚性结构为桩体提供的抗力更均匀的分布在桩身，提高桩体承载性能。