水利工程除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)技術(shù)探討

楊朋朋 王婷婷 李良信

摘 要:本文基于多年從事水利工程設(shè)計(jì)的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn),以水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)為研究對(duì)象,論文首先分析了水庫(kù)建筑中主要出現(xiàn)的問(wèn)題,進(jìn)而探討了除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)思路,全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華,相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有所裨益。

關(guān)鍵詞:水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(a)-0080-02

1工程概況

水庫(kù)的總庫(kù)能容納1.25億m3,主要用于地方的灌溉與防洪,并利用水能進(jìn)行發(fā)電的綜合大型水庫(kù)。水庫(kù)的庫(kù)區(qū)主要建筑物有括主、副兩個(gè)壩、發(fā)電站、溢洪道等。水庫(kù)投放運(yùn)行至今,在發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、防洪等方面發(fā)揮了它的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。

2水庫(kù)建筑中主要出現(xiàn)的問(wèn)題

主壩采用粘土實(shí)心墻的砂殼土壩,該壩頂寬3m,底寬25m,由于建壩過(guò)程中財(cái)力的限制加上施工技術(shù)的薄弱、建筑材料的不足,使壩體建筑存在很多遺留的問(wèn)題,再由于水庫(kù)的運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)因此出現(xiàn)的問(wèn)題更加突出直接危機(jī)到主壩的安全,影響了水庫(kù)的正常安全的運(yùn)行。

2.1 不能滿足主壩壩體的規(guī)范要求

(1)主壩心墻和殼體填筑壓實(shí)度不滿足。為查清主壩壩體的填筑現(xiàn)狀,采用探井、鉆孔、物探等多種方法在2009年對(duì)主壩采取地質(zhì)勘察。壩體填筑土壓實(shí)度平均值心墻為0.86、壩殼土為0.91,均未滿足規(guī)范要求。同時(shí)壩體土均勻性差、局部壓實(shí)度嚴(yán)重不足而引起壩體塌陷,心墻土和壩殼土均為中等透水性和壓縮性,阻水性差,水庫(kù)運(yùn)行期間主壩心墻滲透比大于允許滲透的比降,由于滲透導(dǎo)致變形的安全隱患存在。

(2)近壩庫(kù)岸不穩(wěn)定。老虎頭水庫(kù)近壩庫(kù)岸邊坡為花崗巖殘坡積和全風(fēng)化土質(zhì)邊坡,土體厚度一般大于5m,花崗巖殘坡積或全風(fēng)化土在庫(kù)水的浸泡作用下強(qiáng)度降大,邊坡巖性條件差;壩體建于山丘間低埡處,近壩岸坡基本呈凸?fàn)钊媾R水,庫(kù)岸地形條件不利于岸坡的穩(wěn)定。

2.2 主壩壩基和壩肩清基不徹底

壩基巖土體主要為弱風(fēng)化黑云長(zhǎng)花崗巖,局部清基不徹底存在河流沖積形成的粗砂粘土透鏡體;左壩肩頂部表層覆蓋薄層花崗巖殘坡積形成的含砂粘土,中部和下部表層為花崗巖全風(fēng)化土和強(qiáng)風(fēng)化層;右壩肩表層為花崗巖殘坡積形成的含砂粘土,局部存在有松散耕植土往下主花崗巖全風(fēng)土和強(qiáng)風(fēng)化層。花崗巖殘坡積形成的含砂粘土呈可塑～硬塑狀態(tài),中等壓縮性;花崗巖全風(fēng)化土和強(qiáng)風(fēng)化層為一般裂隙很發(fā)育,巖體破碎、屬碎塊狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn),該層的透水率亦比較大,多數(shù)段大于40Lu。由此可見(jiàn),壩基和壩肩清基不徹底,存在嚴(yán)重滲漏,嚴(yán)重不利于大壩的穩(wěn)定和安全。

3除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

主要包含三個(gè)方面,如圖1所示。

3.1 主壩加固設(shè)計(jì)

風(fēng)化的巖層中的造孔非常困難,右壩的壩基的風(fēng)化巖石厚度采用5m～20m的帷幕進(jìn)行灌漿的處理?；炷了苄苑罎B墻壩軸線的中心線與中軸粘土心墻,粘土心墻在防滲墻施工的之后不能破壞。塑性混凝土全長(zhǎng)360m防滲墻、高程為71.31m的墻頂、水位高于70.81m,主河床墻底為33.21m的高程、38.1m的墻高。風(fēng)化巖石的厚度比較小左壩段是主河床段,混凝土防滲墻塑性在弱風(fēng)化巖石層為0.5m,風(fēng)化巖石右壩段厚度為5m～20m,風(fēng)化巖石為1.0m的塑性混凝土防滲墻,帷幕灌漿處理主要采用對(duì)墻底風(fēng)化巖石層并且為單排孔的2m孔距,弱風(fēng)化巖層為5m的灌漿孔深入巖石,設(shè)計(jì)水頭防滲墻設(shè)計(jì)為37m,防滲墻深度與現(xiàn)有的施工機(jī)械性能必須要考慮到,很多年在國(guó)內(nèi)建設(shè)的類似工程防滲墻基礎(chǔ)上有效的厚度是0.8m左右。塑性混凝土防滲墻主要性能指標(biāo)為:彈性模量小于800MPa～1,000MPa,28d抗壓強(qiáng)度不低于10.0MPa,防滲墻滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s,允許滲透比降[J]為60～80。

(1)計(jì)算防滲墻的結(jié)構(gòu)。

防滲墻的結(jié)構(gòu)在計(jì)算中運(yùn)用假定:①防滲墻和壩體土之間采取文克爾的假定,受荷載作用防滲墻主要直接支撐壩體土上,防滲墻與壩體土之間的變位必須要協(xié)調(diào)的處理,該點(diǎn)的變位與各點(diǎn)墻上的反力成正比,反力系數(shù)壩體土隨著深度直線的變化隨不同的地層進(jìn)行變化。②外荷載在土壩壩體自重與水壓力都在作用墻上,由于水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間非常久,基本完成對(duì)主壩體的變形,因此墻體兩側(cè)的變形摩擦力產(chǎn)生小,防滲墻的主要工作條件的水平荷載的情況要多加注意。③取單寬等厚度墻作為計(jì)算簡(jiǎn)圖,頂端視為自由端,底部視為鉸接,采用有限差分法進(jìn)行計(jì)算。

(2)施工工藝的主要防滲墻設(shè)計(jì)。

防滲墻的塑性混凝土建筑的施工主要采取膨潤(rùn)土漿液固壁、兩鉆法的造孔、混凝土泵送澆注。首先在施工過(guò)程中在槽段的兩端來(lái)沖擊鉆主孔,沖擊鉆入巖0.5m～1.0m到達(dá)基巖。在造孔的過(guò)程中,槽內(nèi)漿液面必須保持導(dǎo)向槽頂面下面的30cm～50cm,當(dāng)漿液出現(xiàn)泄露的時(shí)候要采用堵漏與補(bǔ)漿的方法。

（3）施工工藝的主要帷幕灌漿設(shè)計(jì)。

右壩段防滲墻的底部出現(xiàn)風(fēng)化的巖石主要采用帷幕灌漿處理方法，帷幕灌漿與上部混凝土不產(chǎn)生分叉從而連成在一體，在混凝土的防滲墻里面的鋼管通過(guò)預(yù)埋鋼管的底部產(chǎn)生風(fēng)化巖層來(lái)進(jìn)行灌漿的處理。10cm的預(yù)埋鋼管的管徑處在防滲墻的中間，其中的間距之間與孔距一樣為2m。鋼管預(yù)埋主要在清孔、造孔完成混凝土澆筑之前進(jìn)行，采取定位的安裝架進(jìn)行固定。直徑為20mm的定位架由鋼筋連接而成，垂直方向上間距定位架在是10m。鋼管安裝固定之后主要對(duì)槽孔進(jìn)行混凝土的澆注，澆筑強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%采用鉆孔灌漿。

3.2 灌溉發(fā)電隧洞的建筑加固設(shè)計(jì)

洞壁剝落的混凝土受到環(huán)境的程度進(jìn)行破壞由于周圍受到疏松、侵蝕混凝土存在缺陷沒(méi)有得到徹底的清除,清理的過(guò)程中要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)募哟?當(dāng)外露的鋼筋出現(xiàn)破損情況加大的實(shí)際情況;外露鋼筋的銹蝕性比較嚴(yán)重因此對(duì)鋼筋要予以進(jìn)行清除,對(duì)新的鋼筋進(jìn)行焊接補(bǔ)漏,防銹處理那些銹蝕不嚴(yán)重的鋼筋;當(dāng)對(duì)混凝土的清理與銹蝕鋼筋進(jìn)行清理之后,用環(huán)氧砂漿進(jìn)行堅(jiān)固處理和找平;隧洞的出口銹蝕的襯砌鋼板處進(jìn)行粘貼環(huán)氧玻璃絲布的方法修補(bǔ)來(lái)進(jìn)行加固。

(1)施工工藝的環(huán)氧砂漿建筑設(shè)計(jì)。

保證環(huán)氧砂漿與混凝土以及露筋部位加固粘結(jié)力,應(yīng)該對(duì)基底的混凝土露筋表面進(jìn)行施工處理,將混凝土表面乳皮清除,外露出新鮮糙率面,不能產(chǎn)生擾動(dòng),無(wú)污物、露筋無(wú)銹。在施工中采用鑿毛機(jī)對(duì)該修補(bǔ)的位置進(jìn)行鑿毛,用鋼絲刷反復(fù)進(jìn)行清晰在露筋上銹斑和污物。用棉紗浸漬丙酮對(duì)基面進(jìn)行擦試,等待丙酮進(jìn)行揮發(fā)使混凝土變白在涂刷部分基液。將拌制好的基液運(yùn)用毛刷進(jìn)行均勻的涂刷基面上,約0.5mm的厚度。根據(jù)氣溫與環(huán)境情況的變化,刷后的基液需要靜停10min～30min后進(jìn)行涂抹環(huán)氧砂漿。

(2)施工工藝的環(huán)氧玻璃絲布建筑設(shè)計(jì)。

清理隧洞出口銹蝕的鋼板,清除鋼板表面銹斑及污物并進(jìn)行鑿毛,按照環(huán)氧砂漿進(jìn)行施工工藝涂抹一層10mm的厚環(huán)氧砂漿進(jìn)行找平。在環(huán)氧砂漿面上用環(huán)氧粘結(jié)劑粘貼玻璃絲布,玻璃絲布采用0.25mm厚無(wú)堿平紋布,使用前用皂液法脫臘處理。粘貼四層玻璃絲布,不小于1mm的厚度。粘貼面要求無(wú)油,無(wú)污,平整,干凈采用丙酮進(jìn)行擦洗。在粘貼面的部位涂刷環(huán)氧基液,越薄越好保證每個(gè)部位有完完全全的涂刷基液,然后粘玻璃絲布,殘留在布中的氣泡進(jìn)行趕除與壓實(shí)。

3.3 溢洪道加固設(shè)計(jì)

溢洪道位于六副壩與七副壩之間,為正槽溢洪道,由進(jìn)水渠、寬頂堰、泄槽、消力池組成,由于現(xiàn)狀溢洪道陡坡段和消力池結(jié)構(gòu)布置存在不合理,水流流態(tài)混亂,加地基滲漏揚(yáng)壓力的作用,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患。

(1)進(jìn)水段。

溢洪道進(jìn)水渠段總長(zhǎng)28.0m,寬47.6m,兩側(cè)采用直立式導(dǎo)墻。前段18m導(dǎo)流設(shè)置為下潛式;后段接控制段的導(dǎo)墻長(zhǎng)10m,頂部高程為71.6m;兩側(cè)導(dǎo)墻均采用C20埋石砼,導(dǎo)墻頂寬0.8m,墻背坡比為1∶0.5。進(jìn)水渠底板為現(xiàn)澆C20鋼筋砼,底板高程為65.1m,厚0.5m。底板設(shè)置有縱橫縫。

(2)控制段。

溢洪道控制段長(zhǎng)35.0m,寬47.6m,溢流堰堰型為寬頂堰,寬頂堰坎高1.0m,斜坡式進(jìn)口,堰頂高程66.1m。兩側(cè)邊墻為C20埋石砼重力式擋墻,頂高程71.6m,頂寬0.8m,墻背坡比1∶0.5,導(dǎo)墻迎水面層布鋼筋網(wǎng)。堰底板為現(xiàn)澆C20砼鋼筋砼,厚1.0m。底設(shè)置有縱橫縫及縱橫排設(shè)施。

(3)泄水段。

泄槽段采用矩形斷面,長(zhǎng)100.00m,寬為47.6m,縱坡i=0.196,泄槽邊墻為C20埋石砼重力式擋墻,頂寬0.8m,墻背坡比為1∶0.5。泄槽中段邊墻高3.5m,邊墻上端接控制段邊墻,下端接消力池邊墻,底板為現(xiàn)澆C20鋼筋砼,厚1.0m。底設(shè)置有縱橫縫及縱橫排設(shè)施。

(4)消力池。

消能防沖設(shè)施型式為底流消能,經(jīng)水力計(jì)算,結(jié)合現(xiàn)狀、地質(zhì)條件確定消力池長(zhǎng)度為41m,深度為3.8m。底板為現(xiàn)澆C20鋼筋砼,底板面高程為46.5m,厚1.2m,迎水面層布鋼筋網(wǎng)。底板縱橫分縫和設(shè)置排水設(shè)施,縫間設(shè)置止水。消力池兩側(cè)墻擋墻采用C20埋石砼衡重式擋土墻,墻頂高程式55.7m,頂寬1.8m,臺(tái)寬1.8m,底寬4.3m,底部采用樁基礎(chǔ)。消力池尾坎頂寬4.0m,底寬4.0m,高3.8m。

(5)出水渠。

結(jié)合現(xiàn)狀,出水渠斷面采用梯形斷面。在消力池后由矩形斷面漸變?yōu)樘菪螖嗝?漸變段長(zhǎng)度為28.0m,出水渠總長(zhǎng)220.0m,底寬30.0m,縱坡i=1/200,邊墻高5.4m,邊坡坡比為1∶2.0。渠道底接消力池尾坎,頂高程50.3m,底板為現(xiàn)澆C20鋼筋砼,厚1.0m,迎水面層布鋼筋網(wǎng)。底板縱向每隔15m分一條縫,橫向設(shè)置3條縫分為2塊,縫間設(shè)置止水。底板設(shè)置有縱橫排水設(shè)施。

4結(jié)語(yǔ)

(1)這個(gè)水庫(kù)維修建立在20世紀(jì)60年代，由于在建庫(kù)時(shí)候不可改變的條件限制,粘土心墻為主壩的建設(shè),在經(jīng)過(guò)40多年的運(yùn)行與使用中粘土心墻根本不能滿足現(xiàn)在很多主壩的防滲要求,因此成為了很多水庫(kù)中最大的安全隱患。(2)水庫(kù)除險(xiǎn)加固的建筑工程完成之后,主壩可以徹底灌溉發(fā)電隧洞、溢洪道等等建筑物存在的主要安全隱患來(lái)保證水庫(kù)的正常運(yùn)行與運(yùn)作更大的發(fā)揮水庫(kù)在社會(huì)上的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

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