提高水庫除險(xiǎn)加固措施 確保水庫安全運(yùn)行

馮光

摘要:通過分析某水庫工程主要樞紐建筑物存在的一些工程安全隱患,從而提出相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施，確保水庫安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:水庫；主壩；除險(xiǎn)加固；溢洪道；泄水發(fā)電隧洞

中圖分類號(hào)：TV62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1 工程概況

某水庫總庫容1.25 億m3，是一座以防洪、灌溉為主，并兼發(fā)電等綜合利用的大型水庫。其庫區(qū)主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道和發(fā)電站等。水庫建成運(yùn)行以來，在防洪、灌溉、發(fā)電和水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面發(fā)揮了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，保證了下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)田、人口的安全。但是由于受當(dāng)時(shí)建庫條件限制和多年的運(yùn)行使用，目前水庫主壩防滲墻、泄洪發(fā)電隧洞、溢洪道等都存在許多安全隱患，極大影響水庫的安全運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的除險(xiǎn)加固措施以消除隱患。

2 存在的主要問題

2.1 主壩存在的問題

主壩為粘土實(shí)心墻砂殼土壩，粘土心墻頂寬3m，底寬25m，壩基設(shè)有一道截水槽，共同構(gòu)成主壩防滲體，在水庫安全運(yùn)行中起著非常重要的作用。由于當(dāng)時(shí)工程技術(shù)薄弱，財(cái)力有限，以及建材缺乏，致使壩體建設(shè)遺留問題較多，再加上水庫運(yùn)行年限已久，存在的問題更為突出，嚴(yán)重的危及到主壩的安全，成為影響水庫安全運(yùn)行的主要工程隱患。

2.1.1主壩壩體不滿足規(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，2006年采用鉆孔、探井、物探和土工試驗(yàn)等多種方法對(duì)主壩進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察?？辈旖Y(jié)果：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，致使水庫運(yùn)行過程中主壩心墻的滲透比降一直大于其允許滲透比降，滲透變形破壞的隱患一直存在。經(jīng)滲流分析計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水位69.51m 工況下，粘土心墻的計(jì)算滲透比降為9.6%。根據(jù)粘土心墻室內(nèi)滲透變形實(shí)驗(yàn)成果，粘土心墻的允許滲透坡降為2.0 左右，其臨界滲透比降達(dá)10%左右，心墻滲透比降遠(yuǎn)大于其允許滲透比降，滲透穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。由此可見，心墻和殼體填筑壓實(shí)度不滿足，壩體滲漏嚴(yán)重，另外，下游壩腳反濾排水體被堵塞失效，導(dǎo)至壩體浸潤(rùn)線明顯抬高，在設(shè)計(jì)洪水、校核洪水工況下，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求。

(2)近壩庫岸不穩(wěn)定。某水庫近壩庫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，庫岸地形條件不利于岸坡的穩(wěn)定。在水庫運(yùn)行過程中常有發(fā)生庫岸崩塌現(xiàn)象，尤其在臺(tái)風(fēng)多發(fā)的夏季更甚，可見近庫岸的穩(wěn)定性差，不但造成庫岸崩塌和水庫淤積，而且還危及壩體的安全。由于壩肩強(qiáng)風(fēng)化層透水性較大，局部存在松散耕植土層未清掉和局部存在較厚呈中等透水性的全風(fēng)化層，造成壩肩嚴(yán)重滲漏，對(duì)壩肩的穩(wěn)定不利；

2.1.2 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?；◢弾r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40 Lu。由此可見，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。

2.2 灌溉發(fā)電隧洞存在的問題

灌溉發(fā)電隧洞主要存在以下問題：①隧洞洞身存在多處混凝土剝落、鋼筋外露，外露鋼筋銹蝕嚴(yán)重；②出口處鋼板襯砌銹蝕嚴(yán)重，部分鋼板與混凝土脫落分離；③放水塔及其閘門、啟閉設(shè)備老化，部分銹蝕，已不滿足水庫運(yùn)行要求。

2.3 溢洪道存在的問題

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。存在的問題：①進(jìn)水渠邊墻高度不滿要求，且出現(xiàn)裂縫，堰上跨溢洪道拱橋出現(xiàn)不同程度的裂縫，存在安全隱患，如出現(xiàn)倒塌，嚴(yán)重影響水庫正常溢洪。②溢洪道基礎(chǔ)抗沖性能極差，泄槽陡坡段覆蓋層與基巖接觸帶的粉土受地下水的浸泡軟化，形成相對(duì)軟弱的結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生不均勻沉陷；泄槽邊墻及底板均出現(xiàn)裂縫；陡坡段和消力池水流流態(tài)很差，消能效果不好。③消力池鋼筋砼面層混凝土剝落，鋼筋外露；消力底板發(fā)生不均勻沉降，邊墻及底板出現(xiàn)裂縫；地下水從底板裂縫處滲出；消力池底厚度不滿抗沖要求。據(jù)此，2006年安全鑒定溢洪道結(jié)構(gòu)安全性為C級(jí)，不具備大量泄洪能力，如強(qiáng)行泄洪將對(duì)下游鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成嚴(yán)重危害。

3 除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

3.1 主壩加固設(shè)計(jì)

由于主壩心墻和殼體填筑壓實(shí)度不足，壩體滲漏嚴(yán)重，滲透變形破壞的隱患一直存在，上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)不到規(guī)范要求，壩基和壩肩清基不徹底，下游壩腳反濾排水體被堵塞失效，近壩庫岸不穩(wěn)定等原因，導(dǎo)至壩體不安全，同時(shí)考慮水庫在防洪等方面的重要性，主壩必須增設(shè)新的防滲體。加固設(shè)計(jì)進(jìn)行了塑性混凝土防滲墻和高壓旋噴防滲墻兩個(gè)方案的比較，最終采用主壩全壩線增設(shè)塑性混凝土防滲墻方案。由于風(fēng)化巖層中造孔較困難，故右壩肩壩基5～20m厚風(fēng)化巖石層采用帷幕灌漿處理。塑性混凝土防滲墻平行壩軸線，中心線位于原粘土心墻中軸，防滲墻施工過程中不應(yīng)破壞原有粘土心墻。塑性混凝土防滲墻全長(zhǎng)360m，墻頂高程71.31m，高于校核洪水位70.81m，主河床墻底高程33.21m，最大墻高38.1m。左壩段及主河床段（樁號(hào)0+000～0+200）風(fēng)化巖石厚度很小，塑性混凝土防滲墻應(yīng)進(jìn)入弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石層(相對(duì)不透水層)0.5m。右壩段（樁號(hào)0+200～0+360）風(fēng)化巖石較厚(5～20m)，塑性混凝土防滲墻應(yīng)進(jìn)入風(fēng)化巖石1.0m，墻底部風(fēng)化巖石層采用帷幕灌漿處理，帷幕灌漿采用單排孔，孔距2m，灌漿孔深入巖石弱風(fēng)化巖層5m，灌漿后風(fēng)化巖石的單位吸水率小于5Lu。防滲墻設(shè)計(jì)水頭在37m，取[J]=60（根據(jù)國(guó)內(nèi)已建的類似工程經(jīng)驗(yàn)，塑性混凝土防滲墻允許滲透坡降為60～80），考慮到防滲墻深度和現(xiàn)有的施工機(jī)械性能，在參照近年來國(guó)內(nèi)已建的類似工程防滲墻基礎(chǔ)上，確定防滲墻有效厚度為0.8m。塑性混凝土防滲墻主要性能指標(biāo)為:彈性模量小于800～1000MPa，28天抗壓強(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。

3.1.1 防滲墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

防滲墻結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用以下假定: ①防滲墻與壩體土的關(guān)系采用文克爾假定，防滲墻受荷載作用后，直接支撐在壩體土上，防滲墻和壩體土之間變位相互協(xié)調(diào)，墻上各點(diǎn)的反力與在該點(diǎn)的變位成正比，壩體土反力系數(shù)隨深度直線變化并隨不同地層變化。②土壩壩體自重和水壓力均視為作用在墻上的外荷載，考慮到該水庫運(yùn)行年限已久，主壩體變形基本完成，因此建墻后墻體兩側(cè)因變形產(chǎn)生的摩擦力很小，所以防滲墻的工作條件是典型的以水平荷載為主的情況。另外，除考慮水平水壓力外，還考慮豎向垂直壓力作用的影響。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。根據(jù)上述假定，選取最大墻身，對(duì)防滲墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明， 防滲墻在設(shè)計(jì)洪水工況下， 下游最大壓應(yīng)力為1.255MPa，小于塑性混凝土抗壓強(qiáng)度，上游未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最小應(yīng)力1.7kPa。

3.1.2 防滲墻主要施工工藝

塑性混凝土防滲墻施工采用兩鉆一抓法造孔、膨潤(rùn)土漿液固壁、泵送混凝土澆注。施工時(shí)首先在槽段兩端用沖擊鉆鉆主孔，抓斗成槽機(jī)抓副孔，到達(dá)基巖面后改用沖擊鉆入巖0.5~1.0m。造孔過程中，槽內(nèi)漿液面要始終保持在導(dǎo)向槽頂面以下30～50cm，漿液泄露時(shí)，及時(shí)采取堵漏和補(bǔ)漿措施?？紤]到造孔是在主壩中進(jìn)行，施工時(shí)水庫不能放空，同時(shí)防滲墻施工要跨一個(gè)汛期，如發(fā)生較大塌孔將影響大壩安全，因此槽孔不能過長(zhǎng)。施工中一期槽孔長(zhǎng)6m，墻段連接采用鉆鑿法，兩端接頭二期槽孔長(zhǎng)7.2m。主河床段防滲墻高37m，為防止主河床段造孔中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，施工單位應(yīng)在主河床段縮短槽段長(zhǎng)度，保證膨潤(rùn)土漿液質(zhì)量以確保主河床段不出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

3.1.3 帷幕灌漿主要施工工藝

右壩段防滲墻底部的風(fēng)化巖石層采用帷幕灌漿處理，為保證帷幕灌漿與上部的混凝土不發(fā)生分叉，連成一整體，要求在混凝土防滲墻內(nèi)預(yù)埋鋼管，通過預(yù)埋的鋼管對(duì)底部的風(fēng)化巖層進(jìn)行灌漿。預(yù)埋鋼管管徑10cm，位于防滲墻中間，間距與帷幕灌漿孔的孔距相同，為2m。鋼管預(yù)埋應(yīng)在造孔、清孔完成后混凝土澆筑前進(jìn)行，采用定位架安裝固定。定位架由直徑為20mm的鋼筋焊接而成，定位架在垂直方向上間距為10m。鋼管安裝固定后進(jìn)行槽孔混凝土澆注，當(dāng)澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后，進(jìn)行鉆孔灌漿。

3.2 灌溉發(fā)電隧洞加固設(shè)計(jì)

由于常年受到庫水的侵蝕、氧化，以及泄洪、發(fā)電時(shí)高速水流沖刷的影響，灌溉發(fā)電隧洞原襯砌混凝土不斷發(fā)生碳化、脫落，洞壁鋼筋外露銹蝕，出口襯砌鋼板也受到不同程度的銹蝕，因此必須采取相應(yīng)的措施對(duì)隧洞進(jìn)行修補(bǔ)加固。加固措施主要有：對(duì)于洞壁剝落的混凝土，首先將破壞部位及其周圍受侵蝕、疏松，或較薄弱、存在缺陷的混凝土徹底清除，清理范圍應(yīng)根據(jù)實(shí)際破損情況適當(dāng)加大；外露鋼筋且銹蝕嚴(yán)重的鋼筋予以清除，再用新鋼筋進(jìn)行焊補(bǔ)，銹蝕不嚴(yán)重鋼筋進(jìn)行除銹處理；混凝土鑿除、清理及銹蝕鋼筋清理之后，用環(huán)氧砂漿補(bǔ)強(qiáng)、找平；隧洞出口銹蝕的襯砌鋼板處采用粘貼環(huán)氧玻璃絲布方法進(jìn)行修補(bǔ)加固。

3.2.1 環(huán)氧砂漿施工工藝

為保證環(huán)氧砂漿與混凝土及露筋有牢固的粘結(jié)力，須對(duì)基底混凝土及露筋表面進(jìn)行處理，將混凝土表面乳皮清除，外露出新鮮糙率面，但不得產(chǎn)生擾動(dòng)，露筋無銹、無污物。施工中采用鑿毛機(jī)對(duì)修補(bǔ)部位進(jìn)行鑿毛，用鋼絲刷反復(fù)清理露筋上銹斑及污物。用棉紗浸漬丙酮將基礎(chǔ)面擦試一遍，待丙酮揮發(fā)混凝土變白，方可涂刷基液。將拌制好的基液，用毛刷均勻地涂刷于基面上，厚度約0.5mm。根據(jù)環(huán)境氣溫情況，基液刷后靜停10～30min(手觸有拉絲現(xiàn)象)后，開始涂抹環(huán)氧砂漿。將拌制好的環(huán)氧砂漿用抹刀按照要求的厚度涂抹于已刷好基液的基面上，邊涂抹，邊壓實(shí)，以保證密實(shí)度和平整度。由于環(huán)氧砂漿強(qiáng)度的發(fā)展受溫度的影響甚大，因此環(huán)氧砂漿的養(yǎng)護(hù)期在15～25℃時(shí)為28d。溫度為25℃以上時(shí)，養(yǎng)護(hù)期為7d。

3.2.2 環(huán)氧玻璃絲布施工工藝

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，然后按環(huán)氧砂漿的施工工藝抹一層10mm 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厚無堿平紋布，使用前用皂液法脫臘處理。粘貼玻璃絲布共4 層，厚度不小于1mm。粘貼面要求平整，干凈，無污，無油，必要時(shí)可用丙酮擦洗。在粘貼面上涂刷環(huán)氧基液不宜厚，越薄越好，但必須保證使每個(gè)部位都有基液，然后粘玻璃絲布，將殘留在布中的氣泡趕除、壓實(shí);待漿液透過玻璃絲布并溢出后再進(jìn)行第二層涂敷;反復(fù)粘貼直到設(shè)計(jì)厚度。

4 結(jié)語

（1）該水庫受建庫時(shí)條件限制，主壩采用粘土心墻，經(jīng)多年運(yùn)行，粘土心墻已不能滿足主壩的防滲要求，成為水庫的一個(gè)重大安全隱患。經(jīng)水庫大壩安全鑒定綜合評(píng)價(jià)，將該水庫主壩歸入三類壩，必須進(jìn)行加固。

（2）水庫除險(xiǎn)加固工程完成后，可徹底消除主壩、灌溉發(fā)電隧洞、溢洪道等主要建筑物存在的安全隱患，確保水庫正常運(yùn)行，發(fā)揮更大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。