專利名稱：一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及水利工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的 丁壩，IPC國際專利分類號為E02B 3/10。
技術(shù)背景黃河下游現(xiàn)有壩垛，主要結(jié)構(gòu)為砌石壩、扣石壩和亂石壩。其中新修丁壩一般采用 柳石摟廂水中進(jìn)占結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)具有修筑速度快，能就地取材等優(yōu)點。因此，黃河下游 險工、控導(dǎo)工程建設(shè)一直沿用該結(jié)構(gòu)形式。但根據(jù)多年使用情況分析，也存有以下缺點一 是占體體積較大，用柳(秸料)較多，且全為手工操作，所用人工多，勞動強度大，功效低， 施工組織比較困難；二是用柳石摟廂占體修筑的壩垛，對河床沖淤變化適應(yīng)性較差，小險不 宜發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)增加了出現(xiàn)猛墩、猛蟄出大險的可能性，搶護(hù)較困難；三是柳石占體長期在水 下，容易腐爛變質(zhì)，運用期易引起蟄裂、滑塌等嚴(yán)重的險情，這樣工程搶險不僅耗費較多的 人力、物力、財力，還會給度汛造成很大被動局面，甚至?xí)霈F(xiàn)跨壩事故；四是近年來柳料采 集較難，摟廂體積單價較高，有的地方已超過石料單價，經(jīng)濟(jì)效益降低，而且對環(huán)境造成一 定的影響。鑒于以上原因，菏澤市黃河河務(wù)局在修建楊集上延之際，立項對土工格柵堆石進(jìn) 占筑壩技術(shù)進(jìn)行研究。立項研究的目的是以黃河下游新修丁壩為研究對象，改變以往傳統(tǒng) 的柳石摟廂水中進(jìn)占筑壩型式，將土工格柵、土工布、土工布袋等土工合成材料用于筑壩， 希望通過試驗探索出一條新的水中進(jìn)占筑壩途徑，得到一種具有新的水中進(jìn)占體的丁壩結(jié) 構(gòu)，使用該結(jié)構(gòu)用于堵截洪水串溝、臨黃順提行洪的防護(hù)等防汛搶險工程中。為此，菏澤黃 河河務(wù)局成立了課題研究小組，組織專家和實際工作者對課題進(jìn)行研究。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩。為實現(xiàn)本實 用新型的目的所采取的技術(shù)方案如下一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩，所述土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)設(shè)置于丁壩 迎水面及與丁壩迎水面連接的丁壩圓頭的前2/3部分，所述土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)包括土 工格柵鋪底、土袋占體和塊石占體，其中，所述塊石占體包覆在所述土袋占體的迎水面及上 部；丁壩的土壩基的坡面及坡頂鋪設(shè)有土工布，所述土工布的上部設(shè)有墊層。本實用新型提供的具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩，利用土工格柵的隔離及抗 拉增阻作用，將河床與塊石隔離開，增加河床承載力，減少塊石塌陷走失，避免了大險情、突 發(fā)險情的出現(xiàn)，大大減少了壩岸的出險機率，對確保黃河防洪安全具有重要意義。另外，采 用土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)，改善了因采用柳石進(jìn)占結(jié)構(gòu)而砍伐樹木對周圍環(huán)境產(chǎn)生的破 壞，維護(hù)了局部生態(tài)平衡；另外，本實用新型的丁壩施工程序簡易、速度快，施工場占用地 少，工程造價降低，其社會和經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。


圖1 本實用新型的丁壩的平面示意圖圖2 本實用新型的丁壩的A-A剖面圖圖中，1為土工格柵鋪底，2為土袋占體，3為塊石占體，4為土壩基，5為土工布，6 為墊層，7和8為亂石護(hù)坡，9為9#壩，10為10#壩。
具體實施例菏澤市黃河河務(wù)局在修建楊集上延之際，選擇9#和10#壩作為實驗壩，采用土工格 柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)修建丁壩。下面從斷面設(shè)計、材料設(shè)計、施工方法三個方面，對本實用新型 的丁壩的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。一、斷面設(shè)計1、壩的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1.1壩頂高程控導(dǎo)工程頂部高時，影響排洪，低時漫溢沖垮機遇多，修復(fù)工程量大。本工程按設(shè) 計中水流量相應(yīng)水位加超高確定工程頂部高程。即H = HO+ΔH式中Η-工程頂部高程(m)。HO-當(dāng)年當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)5000m3/s流量的設(shè)計水位Δ H-超高(m) Δ H = h+a式中h-彎道橫比降壅高(m)。a-波浪壅高(m)。h = Bv2/gR式中ν-水流流速取2. 5m/sg-重力加速度(m/s2)R-彎道平徑半徑(取3B)B-彎道河寬(經(jīng)分析計算該河段應(yīng)取544m為宜)a-波浪壅高按B. A培什金公式計算a=0.23Ah\fI /m4n式中λ-波長與波高的比值，在河流條件下，取λ = 10m-邊坡系數(shù)取1.3η-邊坡糙率系數(shù)，按塊石護(hù)坡取η = 0. 045Ah-波浪爬高(m)Ah = O. 37D1/2式中D-波浪吹程(km)，按整治河寬計算，并假定風(fēng)向與工程交角為 450 (544mX 1. 414 = 770m)，楊集險工上延工程波浪壅高為 _ 0.23A/zVX /m4n d- ‘(1) Ah = 0. 37D1/2 = 0. 37X0. 771/2 = 0. 32m0.23 χ O·32 x^ = 0.57
(2) a=1.3 χ Vo.045[0036](3)彎道橫比降壅高-.h C2.二 =0-2m
9.8 χ 3 χ 544(4)壩頂超高Δ H = h+a = 0. 57+0. 2 = 0. 77m,與黃委會規(guī)定超高1. Om比較接近。(5)壩頂高程根據(jù)黃委會黃河務(wù)[1996] 50號文件精神，壩頂高程取當(dāng)年當(dāng)?shù)卮蠛恿髁?000m3/S 相應(yīng)水位超高1. Om,經(jīng)分析楊集險工上延工程2000年5000m3/S相應(yīng)水位為51. 32m(黃海， 下同)，即H = Η0+ΔΗ = 51.32+1.0 = 52. 32m，取52. 32m。因此，9 10#壩設(shè)計壩頂高程 為 52. 32m。1. 2施工水位根據(jù)對今年汛后黃河來水來沙情況的預(yù)測，考慮小浪底水庫蓄水運用等因素，確 定施工流量按高村500m3/S，孫口 400m3/S考慮。推算出楊集險工上延工程9 10#壩的施 工流量為420m7s，施工水位為48. 54m。1. 3施工期水深選用1 4#壩施工期占體前實測平均水深6. 0m，壩前最大沖刷坑水深選用常用丁 壩壩前沖刷坑計算公式
η ” 2.2F02 χ Sin2aH = Ha+ ——g-——
0 l + m2式中H、HO分別為壩前沖刷坑水深和行進(jìn)水深，HO = 3. Om, VO為壩前行進(jìn)流速， 取3.0m/s ；m為丁壩邊坡系數(shù)，取1.3，α為水流方向與丁壩軸線的夾角，取600。根據(jù)計算結(jié)果及黃河下游實踐經(jīng)驗對比認(rèn)為本河段壩前最大沖刷坑水深取13m 是安全的，施工期取6. Om，能夠滿足施工要求。2、壩的工程結(jié)構(gòu)2. 1結(jié)構(gòu)型式9#、10#試驗壩為水中進(jìn)占圓頭丁壩，其水中進(jìn)占結(jié)構(gòu)采用土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu) 替代傳統(tǒng)的柳石進(jìn)占結(jié)構(gòu)，用土工布代替?zhèn)鹘y(tǒng)的粘土壩胎。其余護(hù)坡為亂石，土壩基壤土填
Λ-Λ·鞏。2. 2進(jìn)占結(jié)構(gòu)設(shè)計由于設(shè)計的楊集險工上延9#、10#壩施工時全部水中進(jìn)占，考慮上游來水的不確定 性，設(shè)計采用土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)，設(shè)置于丁壩迎水面及與丁壩迎水面連接的丁壩圓頭 的前2/3部分，土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)包括土工格柵鋪底1、塊石占體3和土袋占體2，其 中，所述塊石占體3包覆在所述土袋占體2的迎水面及上部；土工格柵鋪底1的鋪設(shè)長度根 據(jù)丁壩不同部位可能形成的最大沖刷坑確定。土工格柵鋪底1的主要作用是利用隔離及抗 拉增阻作用將河床與塊石隔離開，增加河床承載力，以減少塊石塌陷走失，提高進(jìn)占結(jié)構(gòu)的 整體性和穩(wěn)定性。進(jìn)占結(jié)構(gòu)水深5m，流速為1 1. 5m/s，河床土質(zhì)為沙土。為滿足施工場地 要求，進(jìn)占結(jié)構(gòu)頂寬取3. 5m，高出施工水位0. 5m，進(jìn)占結(jié)構(gòu)迎水面邊坡按黃河下游丁壩根 石穩(wěn)定要求取1 1.3，背水面邊坡按土袋自然穩(wěn)定邊坡1 1考慮，最大占高5.5m。由于 壩后沖刷較輕，壩圓頭后1/3部分及背水面不修進(jìn)占結(jié)構(gòu)。為了有效地保護(hù)土壩基4，坦石 后鋪設(shè)土工布5作為反濾隔離層，為保護(hù)土工布5，在土體和坦石之間鋪設(shè)砂石材料。為防 止超標(biāo)準(zhǔn)洪水漫壩造成土壩基的沖刷破壞，將土工布5沿壩頂鋪放至后壩肩，并加蓋墊層6保護(hù)。2. 3 土壩基設(shè)計根據(jù)黃河下游河道整治工程暫行規(guī)定，土壩基4的壩頂寬度為15m，頂部高程 52. 32m(黃?；c)，土壩基4非裹護(hù)部分迎、背水面邊坡水上部分均為1 2，水下部分均 為1 4。聯(lián)壩頂寬10m，水上部邊坡為1 2，水下部分為1 4。2. 4護(hù)坡設(shè)計采用亂石護(hù)坡7和8，外坡從進(jìn)占結(jié)構(gòu)背水坡頂部起坡至壩頂，外坡為1 1.5，內(nèi) 坡為1 1.3，坦石頂寬1111。二、材料設(shè)計1、土工合成材料根據(jù)土工合成材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和我國有關(guān)規(guī)范，目前土工合成材料可分為土工 織物、土工膜、土工復(fù)合材料和土工特種材料等四大類，該工程結(jié)合實際選用了土工織物和 土工特種材料。1. 1 土工織物近代高分子化學(xué)工業(yè)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)出各種不同特性的合成纖維，如滌綸、錦 綸、丙綸等，為產(chǎn)業(yè)用土工織物的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。化纖的性能優(yōu)于植物纖維，具有高 強度、高模量、耐酸、耐堿、抗腐蝕等優(yōu)良性能，因此在該工程應(yīng)用土工布、袋進(jìn)行土壩抗沖 防護(hù)和護(hù)坡。1) 土工布、袋防護(hù)工程具有以下特點(1)施工速度快、工效高、工期短；(2)可以直接在水下施工，無需修筑圍堰和施工排水，因此可明顯降低成本；(3) 土工布、袋的柔性好，能適應(yīng)地形變化和地基變形；(4) 土工布、袋土護(hù)坡整體性好，抗風(fēng)浪沖擊能力強；(5)施工機械化程度高，可大量減少勞動力和減小勞動強度；(6)材料用量比塊石護(hù)坡少得多(僅1/3)，大大減少材料運輸量和節(jié)省堆料場 地；(7)維修費用，使用壽命長；2) 土工布、袋的種類根據(jù)布、袋的材質(zhì)和加工工藝不同，可將布、袋分為機織布、袋和簡易布袋兩大類。 機織布袋是由特殊紡織工藝織成的雙層織物布、袋，其材質(zhì)有丙綸、錦綸、錦丙等。機織布袋 又分矩形型、絞鏈型、啞鈴型、梅花型和框格型等五種。簡易布、袋是采用價格比較便宜的聚丙烯編織布手工縫制，其充填料一般為土料 和水泥砂漿，在布袋下面也可另設(shè)無紡布濾層，以保證地基穩(wěn)定。1. 2 土工格柵土工格柵為土工特種材料的一種，是繼土工織物后發(fā)展起來的新型土工合成材 料。其制造是在高密度聚乙烯(HDPE)或聚丙烯(PP)板材上沖孔，然后加熱進(jìn)行單向或雙 向拉伸(前者在拉伸方向上具有較強的強度，后者在兩個拉伸方向上皆有較高的強度)，使 其且有條格形式或方形格柵狀的抗拉材料，稱為土工格柵(geogrid)。土工格柵分為單向拉伸SR和雙向拉伸SS兩大系列。單向土工格柵采用聚乙烯生產(chǎn)，而雙向土工格柵采用聚丙烯生產(chǎn)。這樣做的主要原因是(1)高密度聚乙烯是直線型結(jié) 構(gòu)，支鏈少、結(jié)晶度高(75 90%)，所以，它具有優(yōu)良的機械強度、較高的剛性和韌性、較高 的表面硬度和使用溫度(80度)、良好的耐溶劑性、耐酸堿性、以及較好的尺寸穩(wěn)定性和耐 環(huán)境應(yīng)力開裂性，缺點是拉伸延伸率較大，一般為12%左右；(2)聚丙烯是有側(cè)甲基的直線 結(jié)構(gòu)，它具有比聚乙烯更加良好的機械強度和耐沖擊強度、較高的剛性和耐撓曲性、較高的 耐熱溫度和良好的耐化學(xué)腐蝕性，缺點是低溫易脆、易老化。土工格柵拉伸后，強度一般提高5 10倍，接近優(yōu)質(zhì)低碳鋼的抗拉強度。單向拉 伸格柵只沿板材長度方向拉伸制成；雙向拉伸格柵則是繼續(xù)將單向拉伸的格柵再在與其長 度的方向拉伸制成。該項工程采用的是雙向拉伸的土工格柵。土工格柵及土工布物理力學(xué)特性見表1、表2。表1 土工格柵物理力學(xué)特性表
項目單位指標(biāo)備注幅寬m2. 5格孔尺寸mm74X74肋厚mm5. 9格重kg/m20. 55最大拉伸力kg/m6. 4最大荷載時變形率%18. 610%變形相應(yīng)荷載kg/m5. 7450%最大荷載相應(yīng)變形率%4. 4表2 土工布物理性能指標(biāo)
權(quán)利要求一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩，所述土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)設(shè)置于丁壩迎水面及與丁壩迎水面連接的丁壩圓頭的前2/3部分，所述土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)包括土工格柵鋪底(1)、土袋占體(2)和塊石占體(3)，其中，所述塊石占體(3)包覆在所述土袋占體(2)的迎水面及上部；丁壩的土壩基(4)的坡面及坡頂鋪設(shè)有土工布(5)，所述土工布(5)的上部設(shè)有墊層(6)。
專利摘要本實用新型涉及一種具有土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)的丁壩，IPC國際專利分類號為E02B3/06。本實用新型的丁壩，所述土工格柵堆石進(jìn)占結(jié)構(gòu)設(shè)置于丁壩迎水面及與丁壩迎水面連接的丁壩圓頭的前2/3部分，包括土工格柵鋪底、土袋占體和塊石占體，其中，所述塊石占體包覆在所述土袋占體的迎水面及上部；丁壩的土壩體的坡面及坡頂鋪設(shè)有土工布，所述土工布的上部設(shè)有土墊層。本實用新型利用土工格柵的隔離及抗拉增阻作用，將河床與塊石隔離開，增加河床承載力，減少塊石塌陷走失，避免了大險情、突發(fā)險情的出現(xiàn)，大大減少了壩岸的出險幾率，對確保黃河防洪安全具有重要意義。
文檔編號E02B3/06GK201695378SQ20102024689
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者于文堂, 付幫勤, 劉榮厚, 王勤修, 申君榮, 董海釗, 邊一飛, 鄭軍, 鐘傳利, 龔西城 申請人:付幫勤