老舊水庫(kù)大壩工程的防滲加固施工技術(shù)

余榮貴

(修水縣紅旗水庫(kù)服務(wù)中心，江西 九江 332400)

老舊水庫(kù)大壩工程隨著使用年限的增加，不可避免會(huì)出現(xiàn)一些嚴(yán)重的安全問(wèn)題和質(zhì)量問(wèn)題，不但會(huì)導(dǎo)致大量水資源浪費(fèi)，而且存在安全隱患，危機(jī)下游居民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。常用的斜墻防滲加固施工技術(shù)，工程量大，成本大，而且對(duì)周圍環(huán)境造成的影響大，難以滿足實(shí)際需求[1]。而混凝土心墻+帷幕灌漿防滲加固施工技術(shù)，在成本、效果、穩(wěn)定性等方面都有顯著優(yōu)勢(shì)，可在較少擾動(dòng)既有壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，完成對(duì)大壩工程的防滲加固處理。

1 工程概述

紅旗水庫(kù)位于修水縣四都鎮(zhèn)堝頭村境內(nèi)，水系為修河支流彭姑河上游，大壩中心點(diǎn)坐標(biāo)為E114°32′，N29°07′。壩址以上控制流域面積10.9km2(其中包括2.5 km2的引流面積)，約占彭姑河總流域面積的24.3%。紅旗水庫(kù)大壩于1972年大壩主體工程竣工，后在施工過(guò)程中擴(kuò)建成中型水庫(kù)。1976-1998年多次進(jìn)行除險(xiǎn)加固及配套工程。根據(jù)地勘結(jié)果，評(píng)定大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程為155.68m(黃海高程系統(tǒng)，下同)，最大壩高32.80m,最大壩長(zhǎng)145.0m，壩寬6.0m。壩坡：上游坡142.7m高程處設(shè)1.5m寬的平臺(tái)，平臺(tái)以下為1∶3.75，以上為1∶3.0；下游坡145.68m高程處設(shè)1.5m寬平臺(tái)，平臺(tái)以下至排水體頂平臺(tái)為1∶3.5，以上為1∶3.0，排水體頂平臺(tái)至壩腳1∶1.5，大壩內(nèi)外坡均用塊石護(hù)砌。水庫(kù)以灌溉為主，兼發(fā)電、防洪、養(yǎng)殖等綜合利用效益。屬中型水庫(kù)。本次設(shè)計(jì)，經(jīng)防洪復(fù)核確定水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位154.01m，校核洪水位154.86m，正常高水位152.68m，死水位128.68m，總庫(kù)容1231萬(wàn)m3，興利庫(kù)容1029萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、壩下涵管、輸水隧洞和一級(jí)電站組成。

2 水庫(kù)大壩工程現(xiàn)狀分析

紅旗水庫(kù)建成于1972年，在1992年曾進(jìn)行過(guò)一次加固，但隨著使用年限的增加，自然損壞嚴(yán)重，運(yùn)行到目前存在很多問(wèn)題，嚴(yán)重影響著水庫(kù)大壩的正常運(yùn)行，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1)紅旗水庫(kù)大壩按照50a一遇洪水設(shè)計(jì)，1000a一洪水校核。運(yùn)行到現(xiàn)狀，水庫(kù)大壩壩頂高程欠高0.26m，而且溢洪道左側(cè)存在埡口問(wèn)題，難以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。溢洪道下游泄洪道斷面狹小，灌溉渡槽橫跨泄洪渠，阻水嚴(yán)重，洪水難以安全下泄。

2)防滲斜墻、心墻的防滲功能都難以滿足規(guī)范要求，滲漏問(wèn)題嚴(yán)重，影響大壩滲流的安全性。

3)大壩壩體浸潤(rùn)線出逸坡降值都超過(guò)允許值，排水體缺乏反濾層，尤其是滲流出口存在嚴(yán)重的滲透破壞隱患。即便是正常蓄水水位降低到死水水位以下，也難以滿足整體抗滑穩(wěn)定性的需求。

3 老舊水庫(kù)大壩工程的防滲加固施工方案比選

結(jié)合目前紅旗水庫(kù)大壩工程的運(yùn)行現(xiàn)狀，防滲加固是目前亟待解決的問(wèn)題，為提升壩體的穩(wěn)定性和安全性，有兩種防滲加固方案可供選擇，一種截滲，另一種導(dǎo)滲。但紅旗水庫(kù)大壩壩基和壩肩滲漏尤為嚴(yán)重，雖然在下游壩腳位置進(jìn)行了壓中反濾排水處理，但防滲效果有限。因此，僅僅選擇排水措施，并不能很好的解決紅旗水庫(kù)大壩滲流安全問(wèn)題，需要采取截滲方案來(lái)根治壩體滲漏問(wèn)題?？蛇x擇的截滲方案有三種，包括斜墻、高噴心墻、混凝土心墻[2]。

1)斜墻方案：在大壩上游面清除護(hù)坡砌體及淤泥，重新加鋪防滲黏土斜墻。在斜墻和原坡面相互接觸的位置，設(shè)置過(guò)渡保護(hù)層，底部設(shè)置黏土截水槽，截水槽底部設(shè)置帷幕灌漿防滲墻。

2)高噴心墻方案：在壩體軸線上進(jìn)行造孔，布設(shè)灌漿管，通過(guò)噴嘴的高壓水流，沖擊破壞土體，促使水泥漿液和土體充分混合后形成水泥土防滲體，壩基位置則采取帷幕灌漿法進(jìn)行防滲處理[3]。

3)混凝土心墻方案：在壩體軸線上進(jìn)行機(jī)械成槽，泥漿固壁，成槽之后再澆筑混凝土，形成連續(xù)的防滲墻。壩基采取帷幕灌漿法進(jìn)行防滲處理。

三種防滲加固方案的防滲效果、施工條件、工程造價(jià)等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比情況，大壩防滲方案比較表，見(jiàn)表1。

表1 大壩防滲方案比較表

從表1中可以看出，斜墻方案施工條件較差，圍堰排水工程量大，且對(duì)大壩滲流及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，因此不宜采用。在心墻方案中，混凝土心墻方案與高噴方案造價(jià)相近，但混凝土心墻方案具有施工方便、工期短、質(zhì)量可靠、檢測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，防滲效果能得到可靠保證，因此本階段設(shè)計(jì)推薦采用混凝土心墻+帷幕灌漿方案作為紅旗水庫(kù)大壩防滲處理方案[4]。

4 混凝土心墻及帷幕灌漿施工要點(diǎn)

4.1 混凝土心墻施工

在混凝土心墻施工中，采取沖擊鉆成槽，反循環(huán)出渣的施工方法，能夠很好的適應(yīng)各種地層，具體施工過(guò)程為：清理場(chǎng)地、架設(shè)機(jī)具、制備漿液、挖槽、下接頭管、澆筑混凝土、拔出接頭管、下一槽段施工。為控制水化熱和裂縫，水泥最好選擇32.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，卵石粒徑控制在10～20mm之間，砂可選擇中粗砂。造漿黏土的塑性指數(shù)要控制在20以上，粒徑<0.005mm的黏粒含量要控制在50%以上。固壁泥漿比重控制在1.2～1.3之間，黏度控制在20～30s之間，確保槽內(nèi)泥漿面始終高于地下水位1.8m以上，孔口高程≥0.1m[5]。大壩混凝土心墻防滲示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 大壩混凝土心墻防滲示意圖

4.2 坡式排水施工

壩體采取垂直防滲處理后浸潤(rùn)線將會(huì)得到有效降低，出口坡降也會(huì)隨之降低，此時(shí)需要在坡腳出口位置設(shè)置貼坡式排水體，頂部設(shè)置排水溝，在坡腳位置設(shè)置水堰，為混凝土心墻施工營(yíng)造一個(gè)良好的條件。貼坡排水分為三層，從里向外分別為30cm砂卵石、30cm碎石、60cm干砌塊石，其中砂卵石及碎石的粒徑及級(jí)配根據(jù)充填砂的粒徑按有關(guān)規(guī)范通過(guò)計(jì)算確定。

4.3 大壩壩基及壩肩帷幕灌漿

因壩基及兩壩肩溶洞發(fā)育，透水性大，為減少滲漏，本設(shè)計(jì)采用帷幕灌漿進(jìn)行防滲處理。本工程所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，為提升阻水效果，在帷幕施工中，需要保證帷幕能夠和壩體內(nèi)的防滲體緊密相連。在本次防滲加固施工中，將灌漿帷幕布置在壩內(nèi)混凝土心墻的軸線上，在混凝土墻內(nèi)部預(yù)埋鋼管和鋼筋籠，促使壩基防滲體和壩體防滲體相互連接，形成一個(gè)完整的防滲體系。壩基帷幕的總長(zhǎng)度為245m，兩壩肩從壩頭開(kāi)始逐步向兩岸延伸，其中左壩肩穿過(guò)了溢洪道，帷幕長(zhǎng)度為70m，右壩肩帷幕長(zhǎng)度為30m。 帷幕灌漿應(yīng)在相應(yīng)施工段混凝土心墻澆筑完成后一個(gè)月后進(jìn)行。

灌漿帷幕的深度要進(jìn)入到炭質(zhì)巖巖層中，主要以填充溶洞為主，按照地質(zhì)勘察資料結(jié)果，當(dāng)帷幕底部伸到105m高程時(shí)，才能安全封閉溶洞通道[6]?？拙鄀主要根據(jù)灌漿孔的水泥漿擴(kuò)散范圍，考慮到紅旗水庫(kù)巖溶發(fā)育的特殊地質(zhì)條件，灌漿孔宜采用較小孔距，注漿孔距控制在1.5m左右，采用一排灌漿孔，對(duì)溶洞特別發(fā)育的基礎(chǔ)，也可采用雙排灌漿，排距為1m，兩排孔交替布置。注漿壓力控制在0.2MPa左右。對(duì)溶洞發(fā)育的地段，如吃漿量特別大，可灌水泥砂漿甚至純砂先進(jìn)行充填，充填密實(shí)后再進(jìn)行水泥灌漿，直至達(dá)到防滲要求、透水率≤10Lu為止。因溶洞的灌漿工藝較一般巖層復(fù)雜，耗漿量也比一般巖層大，為此耗漿量取定額的上限計(jì)算。

4.4 大壩加固后滲流及壩坡穩(wěn)定計(jì)算

4.4.1 加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算

紅旗水庫(kù)采取混凝土心墻聯(lián)合帷幕注漿防滲加固技術(shù)處理后，心墻和帷幕的滲透系數(shù)取值為1×10-6，心墻厚度為0.5m,加固后大壩計(jì)算斷面較原斷面增加了混凝土心墻、帷幕和風(fēng)化料填土，因此增加兩個(gè)分區(qū)，加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面，見(jiàn)圖2。

圖2 加固后大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面圖

加固后原土層的允許滲透坡降不變，混凝土心墻的允許滲透坡降根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可取60。對(duì)于符合達(dá)西定律的二向均質(zhì)、各向同性土體的滲流，當(dāng)土體已完全固結(jié)時(shí)其水頭函數(shù)符合拉普拉斯方程式：

(1)

與之相應(yīng)的定解條件為：初始條件：

h1=0=h(x,z,0)

(2)

邊界條件：水頭邊界是：

h1=t1=h(x,z,t)

(3)

流量邊界:

(4)

本次滲流計(jì)算用土石壩二維滲流計(jì)算程序滲流分析軟件4.01版(北京理正研究院編制)，適用于不規(guī)則邊界的各向異性滲流場(chǎng)，能有效地解決土石壩、閘壩地基等復(fù)雜滲流狀況的滲流分析問(wèn)題，又可用來(lái)研究庫(kù)水位上升、下降情況下的非穩(wěn)定滲流狀態(tài)滲流計(jì)算結(jié)果，大壩加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表，見(jiàn)表2。

表2 大壩加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由上表可知，大壩加固后下游壩腳地面出逸坡降及滲流量都大為降低，浸潤(rùn)線也大幅降低,有效控制大壩的滲流穩(wěn)定及下游壩坡抗滑穩(wěn)定，且心墻滲透坡降小于允許值。

4.4.2 加固后壩坡穩(wěn)定計(jì)算

為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，采用考慮條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法進(jìn)行計(jì)算?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)在計(jì)算下游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)采用有效應(yīng)力參數(shù)；在計(jì)算上游坡的抗滑穩(wěn)定時(shí)分別采用有效應(yīng)力和總應(yīng)力參數(shù)。大壩加固后邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表，見(jiàn)表3。

表3 大壩加固后邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由上表可知，大壩加固后的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求, 所以加固后的斷面滿足壩坡穩(wěn)定要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合紅旗水庫(kù)實(shí)際情況，分析了老舊水庫(kù)大壩工程的防滲加固施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)，分析結(jié)果表明，不同區(qū)域水庫(kù)大壩的地質(zhì)條件和現(xiàn)狀都存在較大的差別。為提升防滲加固的有效性，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取有針對(duì)性防滲加固技術(shù)。就紅旗水庫(kù)而言，采取混凝土心墻+帷幕灌漿方案，防滲加固效果比較好，加固之后對(duì)壩體的穩(wěn)定性，滲流安全問(wèn)題得到了有效處理，并得以有效驗(yàn)證，為類似工程施工積累了可靠經(jīng)驗(yàn)。