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      王英水庫大壩防滲墻施工中產(chǎn)生壩頂裂縫原因分析和處理措施

      2021-07-15 12:23:14
      中國水能及電氣化 2021年6期
      關(guān)鍵詞:王英槽孔槽段

      褚 敏 周 純

      (湖北省王英水庫管理局,湖北 咸寧 437000)

      1 工程概況

      王英水庫位于湖北省陽新縣王英鎮(zhèn),攔截富水支流三溪河主支王英河,距陽新縣城關(guān)30km,距三溪鎮(zhèn)5km。壩址控制流域面積243km2,多年平均降雨量1424mm,多年平均徑流深866mm,多年平均徑流總量為2.49億m3,水庫控制流域面積287.7km2,設(shè)計洪水標準為100年一遇,校核洪水標準為2000年一遇,王英水庫正常蓄水位為70.00m,設(shè)計洪水位為71.91m,校核洪水位為73.37m;樞紐工程于1970年動工興建,1971年基本建成,同年汛期攔洪蓄水,1977年全部完工。水庫樞紐由王英水庫、蔡賢水庫及輸水隧洞組成,主要建筑物由大壩、副壩、泄洪隧洞、壩下埋管、水電站等組成; 大壩為碾壓式黏土心墻代料組合壩,壩頂高程為75.00m,最大壩高為53.6m,頂寬8.0m,壩長225.0m;大壩上游坡比分別為1∶2.25、1∶2.75、1∶3,下游坡比分別為1∶2、1∶4.5、1∶5.1??値烊?.228億m3。該水庫是一座以灌溉、供水、防洪為主,兼有滅螺、發(fā)電、旅游等綜合效益的大(2)型水利工程。

      2 大壩運行監(jiān)測情況

      2.1 大壩心墻情況

      從2010年以來的大壩測壓管觀測資料來看,當(dāng)庫水位在66.42m(黃海68.5m)以下時,各測壓管的水位均低于庫水位,變化趨勢也基本一致,工況較好,大壩經(jīng)過帷幕灌漿和心墻充填灌漿后,管水位呈下降趨勢,說明大壩運行狀況正常。當(dāng)庫水位在68.50m以上時,在壩頂軸線樁號0+095處的測壓管水位出現(xiàn)突然升高,比相鄰斷面樁號0+120的浸潤線測壓管同比高1.5~2.0m,初步分析在該區(qū)域存在滲漏隱患。而且根據(jù)地勘資料,大壩心墻高程48.00~73.00m范圍滲透系數(shù)為4.27×10-4~2×10-3cm/s,不滿足規(guī)范要求,心墻存在隱患。

      2.2 壩坡及壩肩情況

      在2001—2009年的王英水庫樞紐除險加固工程中,只對上游64.00m高程以上壩坡進行了混凝土護坡,下游壩坡均未處理。2010年王英水庫管理局對58.00~75.00m的下游壩坡進行了干砌塊石護坡,但下游壩坡58.00m以下的壩坡未進行整治,反濾壩塊石護坡呈變形狀態(tài),下游壩坡總體形象較差。

      王英大壩右壩肩山體坡度過陡,巖體因裂隙切割,曾發(fā)生過小規(guī)模坍塌現(xiàn)象,危及大壩安全,大壩下游無滲流量觀測設(shè)施。

      3 防滲墻設(shè)計

      王英大壩塑性混凝土防滲墻設(shè)計軸線長度為197m(樁號0+022~0+219),沿壩軸線布置。防滲墻軸線位于大壩黏土心墻軸線位置(距上游防浪墻內(nèi)側(cè)2.7m處),設(shè)計墻頂高程為74.50m,墻體底部深入強風(fēng)化基巖不小于1m(透水率為1Lu≤q≤5Lu),墻體深度范圍為10.48~57.41m,基巖以下部分為原帷幕灌漿部位。塑性混凝土防滲墻最小厚度為80cm,墻體混凝土28天抗壓強度不小于5MPa,彈性模量為2000MPa,墻體允許水力坡降不小于80,滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s。

      按照設(shè)計要求,工程施工順序為先澆筑混凝土防滲墻,再對防滲墻底部和原帷幕灌漿接觸帶進行灌漿。防滲墻施工導(dǎo)向墻為L形,導(dǎo)墻凈寬0.8m,深度為1m。防滲墻設(shè)計槽段長6.6m,共分為30個槽段,分兩序進行施工。

      4 裂縫產(chǎn)生過程

      按照合同約定,大壩防滲墻成槽施工采用純抓法。純抓法成槽施工是采用液壓抓斗成槽機成槽,不同于傳統(tǒng)的沖擊鉆成槽設(shè)備,液壓抓斗成槽機具有施工功效高的特點,但同時因為機械體系較大,需要占用較大的空間范圍。王英大壩壩頂寬度為8m,防滲墻沿大壩軸線布置,除去防滲墻和導(dǎo)墻的寬度,剩下的單側(cè)路面寬度不足3m,不能滿足液壓抓斗成槽機的布置范圍要求。為滿足液壓抓斗成槽機的施工場地要求,施工單位在成槽施工前利用袋裝土對下游側(cè)壩頂路面進行了拓寬,使得單側(cè)壩頂路面寬度達到8m,滿足了液壓抓斗成槽機施工場地要求。

      在防滲墻造孔施工時,各槽段均不同程度地出現(xiàn)了漏漿情況。在對第一個開挖槽段FSQ-1造孔施工時,孔深9m位置遇到漏漿情況;對槽段FSQ-21和FSQ-25進行成槽施工時,施工過程中也遇到漏漿情況。甚至在槽段FSQ-25澆筑過程中,大壩上游(樁號0+143~0+186)范圍內(nèi)的水面以下壩體及馬道排水孔出現(xiàn)排漿現(xiàn)象,排漿位置共有四處,兩處在馬道排水孔、一處上游混凝土蓋板伸縮縫、一處水面以下。在槽段FSQ-29澆筑至14m時,上游馬道樁號0+180排水管下側(cè)出現(xiàn)排漿現(xiàn)象,當(dāng)槽孔澆筑至9m位置處時,停止排漿。在槽段FSQ-27澆筑至17m時,上游馬道排水管下側(cè)又出現(xiàn)排漿現(xiàn)象,直至該槽孔澆筑至12m時才停止排漿。

      由于多個槽段出現(xiàn)漏漿的問題,施工單位為解決這一問題,保證成槽質(zhì)量,采用了增加泥漿比重及黏度(采用Na基膨潤土)、調(diào)整施工工藝、改變槽孔施工順序、增加成槽機具——沖擊鉆等措施。經(jīng)反復(fù)試驗,最終采用的施工方式為:槽孔施工順序由一、二期跳抓成槽改為“趕羊”法施工,即造孔時先利用沖擊鉆(平底鉆頭)對槽孔上部5~10m夯實造孔,然后以抓斗邊夯邊抓的方法進行造孔。雖降低了功效,但取得了明顯效果,漏漿情況得到有效控制。

      但是在槽段FSQ-10槽孔施工過程中,Ⅰ抓開挖至孔深28m時出現(xiàn)漏漿情況,回填至孔深3m停止漏漿,經(jīng)夯實沉淀3h后,漏漿情況得到控制,繼續(xù)造孔,在后續(xù)造孔過程中未出現(xiàn)漏漿及塌孔情況。隨后對槽段FSQ-10槽孔進行澆筑。在槽段FSQ-10澆筑至孔深27m時開始出現(xiàn)漏漿,澆筑過程中回漿量持續(xù)減少,與此同時在樁號0+88.8~101.4范圍內(nèi)的下游導(dǎo)墻與已成墻的槽段FSQ-11、FSQ-12之間,以及樁號0+88~0+132.06范圍內(nèi)的原路緣石與路面接觸部位出現(xiàn)裂縫,且裂縫持續(xù)發(fā)展變寬,裂縫平行于壩軸線方向。

      通過12h的觀察,墻體與導(dǎo)墻側(cè)裂縫趨于穩(wěn)定,寬度維持在9.5~10cm,路緣石內(nèi)側(cè)裂縫寬度穩(wěn)定在10cm。壩頂路緣石上游至下游導(dǎo)墻范圍內(nèi)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象,通過觀測發(fā)現(xiàn)總體下沉約14cm。

      5 原因分析

      為審慎研究解決王英大壩裂縫問題,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查、初步分析后,勘測單位對初設(shè)成果進行了復(fù)核,特別是裂縫段鉆孔揭示的土層情況和土工試驗成果,對裂縫段進行了統(tǒng)計整理。同時布置了5個鉆孔(孔深35~45m)和3條高密度電法剖面(連續(xù)墻上、下游),通過技術(shù)手段揭示前后心墻和代料填土性狀的變化(物探剖面見圖1)。

      圖1 物探剖面

      5.1 物探結(jié)果

      物探結(jié)果表明:心墻填土上下段存在電阻差,物探剖面1在地下20~65m、點號90~130點存在電阻率低的區(qū)域異常,該區(qū)域為1號物探異常區(qū)。物探剖面2在地下30~65m、點號70~90點及點號120~150點兩段分別存在低電阻率2號異常區(qū)和低電阻率1號異常區(qū)。物探剖面3點號60~80點及點號130~160點兩段分別存在低電阻率2號異常區(qū)和低電阻率1號異常區(qū)。低電阻率說明異常區(qū)土體含水量相對較高,初步判斷為滲漏影響區(qū)。各剖面物探異常對應(yīng)關(guān)系明顯,表明滲漏影響區(qū)域是連通的。同時結(jié)合施工時漏漿情況分析,物探剖面1和2,兩處異常區(qū)與施工時漿液滲漏存在較為直接的對應(yīng)關(guān)系。

      5.2 裂縫原因分析

      5.2.1 原壩體土填筑原因

      王英水庫大壩修建于20世紀70年代,地勘揭示:心墻第二層素填土干重度12.2~16.2kN/m3。在50組取樣中,有22組未達到壓實度0.96的基本要求,最低僅0.80,不合格率為44.0%;填土天然含水量平均值30.0%,高于最優(yōu)含水量上限控制值。第二層素填土上部(48.08m 高程以上):鉆孔注水試驗測得填土水平向滲透系數(shù)在1.02×10-3~6.11×10-5cm/s。鉆探揭示該段心墻局部夾雜20%~30%碎石,鑒于夾雜碎石部分填土與素填土滲透性迥異,壩體主要以填土為主,填土滲透系數(shù)大于5.00×10-5cm/s,心墻上部存在滲漏。

      第二層素填土底部(48.08m 高程以下),鉆孔注水試驗測得填土水平向滲透系數(shù)6.94×10-7~6.30×10-5cm/s,地質(zhì)建議滲透系數(shù)3.50×10-5cm/s,不滿足規(guī)范要求。代料碎石土天然重度23.0kN/m3,干重度17.0kN/m3,飽和重度25.0kN/m3。根據(jù)原位測試成果,動力觸探N63.5在18~22之間,平均為19,屬中密狀態(tài),達不到0.75的基本要求,代料土欠密實。

      由此可以看出,心墻局部碎石含量較高,土體潮濕,多呈可塑狀,干重度指標顯示,其碾壓質(zhì)量未達到設(shè)計要求,由于壩體碾壓質(zhì)量較差,致使密實度不佳,造成土體孔隙發(fā)育,壓縮性較大,槽孔開挖到一定深度后,槽段周邊的應(yīng)力發(fā)生重新分布,一定程度產(chǎn)生蠕變。同時,造孔過程中所滲漏泥漿進入土體孔隙使土體強度變低,從而在造孔施工中產(chǎn)生的應(yīng)力在釋放過程至使其出現(xiàn)了劈裂、沉降等現(xiàn)象。

      5.2.2 河床段壩段滲漏穩(wěn)定較差

      該段壩基處于河床段,其底部土體(或巖體)透水性本身就強于其他部位,容易引起滲漏及滲漏穩(wěn)定問題。水庫蓄水后,壩基土層(或巖層)的水動力條件發(fā)生變化,實際水力坡降大于允許坡降,從而造成一系列滲透破壞,進而影響到壩體的穩(wěn)定,致使該段壩基容易產(chǎn)生沉降、裂縫等問題,而在成槽施工過程中對其產(chǎn)生的外力擾動誘發(fā)了這些現(xiàn)象的產(chǎn)生。

      5.2.3 流態(tài)混凝土側(cè)壓力作用較大

      槽段FSQ-10理論方量296.21m3,總澆筑方量為460m3,擴孔系數(shù)為1.55,超澆方量達163.79m3,坍落度18~22cm,擴散度34~40cm。塑性混凝土流動性大,初凝時間長,入倉后對槽孔側(cè)壁會形成巨大的側(cè)壓力,對裂縫加大趨勢產(chǎn)生影響。

      5.2.4 袋裝土幫壩加大壩頂外荷載作用

      為滿足液壓抓斗成槽機施工平臺寬度的要求,施工單位在壩頂利用袋裝土幫壩,增加了壩頂?shù)暮奢d,也是壩頂裂縫產(chǎn)生的一個直接原因。

      6 預(yù)防及處理措施

      6.1 清除壩頂袋裝土等不利荷載

      要求施工方清除壩頂袋裝土及棄土,針對路面寬度不能滿足液壓抓斗成槽機施工范圍要求的問題,可將剩余槽段的成槽施工由液壓抓斗成槽改為沖擊鉆成槽。

      6.2 加大槽段間隔,縮短槽段長度

      對剩余樁號0+101.2~0+133.2范圍內(nèi)的槽孔重新進行槽段劃分,縮短槽段長度,由6.6m變?yōu)?.6m,沖擊鉆成槽。施工槽段之間應(yīng)保持一定間隔, 避免大面積鋪開。盡可能縮短從成槽到混凝土澆筑的時間,并控制澆筑速度。

      6.3 改變泥漿性能

      改變泥漿性能,提高泥漿黏度,對已成槽段內(nèi)的泥漿適時進行擾動,避免出現(xiàn)泥漿離析改變性能現(xiàn)象。

      6.4 對防滲墻兩側(cè)的心墻部位進行充填灌漿處理

      在上下游側(cè)各設(shè)兩排充填灌漿孔,平面樁號范圍為:上游側(cè)0+022~0+219,長197m;下游側(cè)0+063~0+143,長80m。充填灌漿的排距為1m,孔距1.5m,灌漿底部高程為48.00m,孔深25m。

      6.5 采用合適的泥漿護壁

      泥漿中的土顆粒進入土體中的孔隙后,對孔隙起封閉作用,減緩了孔隙水壓力的上升速度,有利于減少裂縫的產(chǎn)生,因此,在施工中應(yīng)避免采用清水護壁。泥漿濃度也不宜太大,否則作用在槽壁上的土壓力會增大,對壩坡穩(wěn)定不利。

      6.6 嚴控孔隙水壓力升高

      在成槽施工過程中,已發(fā)生的縱向裂縫甚至槽孔內(nèi)液面急劇下降時,迅速在孔內(nèi)回填干土或水泥干土混合物,中斷滲流水進人,避免孔隙水壓力升高,這樣能有效防止縱向裂縫的延伸和加寬。

      6.7 縮短從成槽到混凝土澆筑的時間

      槽孔內(nèi)的水是慢慢滲入土體的,時間越長,滲入的水量越多,孔隙水壓力上升幅度也越大,容易產(chǎn)生裂縫。因此,防滲墻施工時應(yīng)盡可能減少從成槽到混凝土澆筑的時間,防滲墻成槽施工過程中,槽段之間的間隔應(yīng)盡可能長,這樣會延長滲流水的滲徑,不易產(chǎn)生裂縫。

      6 結(jié) 語

      通過分析,得出以下結(jié)論:防滲墻成槽施工過程中,進入槽段兩側(cè)的滲流水引起孔隙水壓力上升是造成縱向裂縫的主要原因。

      布置在壩頂位置的混凝土防滲墻在施工期容易產(chǎn)生縱向裂縫,應(yīng)采用重度合適的泥漿進行護壁,避免清水護璧;施工槽段之間應(yīng)保持一定間隔,避免大面積鋪開;盡可能縮短從成槽到混凝土澆筑的時間;澆筑過程中出現(xiàn)縱向裂縫或泥漿液面急劇下降現(xiàn)象時,在槽孔內(nèi)回填干土或水泥干土混合物,能有效防止裂縫的延伸和加寬。

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