蘇只水電站消力池底板排水管滲水帶泥原因分析及處理設(shè)計(jì)

王思德,巴金福,張昱峰 ,張 博,呂 琦,韓 勇

(1.青海黃河中型水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,西寧 810001;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

蘇只水電站消力池底板排水管滲水帶泥原因分析及處理設(shè)計(jì)

王思德1,巴金福1,張昱峰1,張 博2,呂 琦2,韓 勇1

(1.青海黃河中型水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,西寧 810001;2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

針對(duì)蘇只水電站消力池底板基礎(chǔ)排水管滲水帶泥問(wèn)題，從設(shè)計(jì)、運(yùn)行角度分析了消力池可能的破壞原因，并采用綜合示蹤法進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)試分析，基本確定了滲漏原因和通道。處理時(shí)對(duì)消力池進(jìn)行放空清淤檢查，印證了分析結(jié)論：滲水帶泥是由于消力池底板表面混凝土及結(jié)構(gòu)縫止水破壞引起的。提出了相應(yīng)的修復(fù)處理方案，處理措施取得了良好的效果。

消力池底板；混凝土管；滲水；綜合示蹤法；流場(chǎng)測(cè)試；處理設(shè)計(jì)

1 工程概況

黃河蘇只水電站工程以發(fā)電為主，樞紐由電站廠房、泄洪閘、堆石壩、兩岸副壩及灌溉管等建筑物組成。泄洪閘布置在河床中部，左鄰電站廠房、右鄰?fù)凉つし罎B堆石壩。泄洪閘由攔沙坎、閘室段、消力池段、尾渠段、海漫段組成，建筑物基巖為上第三系上新統(tǒng)臨夏組(N2l)粉砂質(zhì)黏土巖和黏土巖。消力池為泄洪閘3孔共用，消力池段長(zhǎng)84.0 m，凈寬59.5 m。消力池底板厚2.5 m，在底板基礎(chǔ)設(shè)置錨桿以保證消力池抗浮穩(wěn)定，錨桿采用?25砂漿錨桿，間排距1.5 m×1.5 m，深入基巖3.5 m。消力池底板設(shè)置縱橫向結(jié)構(gòu)縫，縫面設(shè)鍵槽，縫表面設(shè)橡膠止水帶和止水條。為降低消力池底板揚(yáng)壓力，滿足底板抗浮穩(wěn)定要求，在底板結(jié)構(gòu)縫下設(shè)置縱橫向無(wú)砂混凝土排水管排水系統(tǒng)，并用鋼管使無(wú)砂混凝土排水系統(tǒng)與導(dǎo)墻內(nèi)排水廊道相通，將消力池滲水通過(guò)廊道集中抽排。

泄洪閘平面布置見(jiàn)圖1, 消力池排水管網(wǎng)布置見(jiàn)圖2。

圖1 泄洪閘平面布置圖 單位：高程，m；其他，cm

圖2 消力池排水管網(wǎng)示意圖 單位：高程，m；其他，cm

2 消力池滲水帶泥現(xiàn)象

根據(jù)近幾年泄洪閘消力池運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)：消力池廊道內(nèi)排水管管口有滲水現(xiàn)象及泥質(zhì)析出，考慮到蘇只水電站為黏土巖地基，需要分析滲水的原因及泥質(zhì)來(lái)源，若滲水帶出的泥質(zhì)為基礎(chǔ)黏土巖，則長(zhǎng)期滲水析泥，消力池底板基礎(chǔ)可能會(huì)發(fā)生滲透破壞，影響建筑物運(yùn)行安全。

消力池廊道內(nèi)無(wú)砂管排水帶泥主要表象為：1號(hào)無(wú)砂排水管管口有泥質(zhì)隨管口滲水排出(見(jiàn)圖3)，2、6號(hào)無(wú)砂管大部分時(shí)間都有滲水出流；3、4、5號(hào)無(wú)砂混凝土管間歇性有水出流；7、8號(hào)無(wú)砂混凝土管測(cè)量周期內(nèi)的前期有少量滲水，大部分時(shí)間無(wú)滲水，在基礎(chǔ)廊道內(nèi)，P-85下排水管有滲水流出，其余排水管無(wú)水。

3 設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況分析

3.1 防空蝕設(shè)計(jì)

蘇只水電站泄水建筑物的初始空化數(shù)σj按DL/T 5207-2005《水工建筑物抗沖磨空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》，計(jì)算初始空化系數(shù)σj為0.5，沿程最大水流空化數(shù)計(jì)算工況按30年一遇洪水計(jì)，計(jì)算位置取消能收縮斷面區(qū)，計(jì)算水流空化系數(shù)σ為0.87，大于初始空化系數(shù)σj，消力池底板不會(huì)發(fā)生空蝕破壞。

3.2 滲流控制設(shè)計(jì)

蘇只水電站泄洪閘基礎(chǔ)為黏土巖，黏土巖內(nèi)間夾有隨機(jī)分布的礫巖透鏡體，其透水性較大，抗?jié)B能力稍差。根據(jù)規(guī)范要求以及黏土巖工程特性，泄洪閘室設(shè)1排灌漿帷幕及1排排水孔，帷幕深度為10.0 m、孔距為2.0 m，排水孔深度7 m、孔距3 m。泄洪閘閘室灌漿帷幕及排水幕與相鄰建筑物灌漿帷幕及排水幕相連，形成封閉的防滲排水系統(tǒng)。

圖3 消力池廊道內(nèi)1號(hào)無(wú)砂排水管管口涌水帶泥現(xiàn)象圖

考慮到泄洪閘消力池底板的穩(wěn)定，原設(shè)計(jì)時(shí)除在底板下部設(shè)置排水系統(tǒng)外，在消力池四周廊道內(nèi)設(shè)排水幕，并對(duì)消力池四周的導(dǎo)墻、閘室、尾坎基礎(chǔ)進(jìn)行了固結(jié)灌漿，可以對(duì)消力池四周起到防滲作用。

3.3 泄洪閘泄洪情況

對(duì)泄洪閘在2007—2013年期間的運(yùn)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中左孔閘門泄水時(shí)的開(kāi)度在0.2～4.0 m之間、流速在7.32～12.61 m/s之間、流量在30～618 m3/s之間，開(kāi)啟次數(shù)約109次，閘門開(kāi)啟高度在0.5～2.0 m的開(kāi)啟次數(shù)約占總開(kāi)啟次數(shù)的88%；中孔閘門泄水時(shí)的開(kāi)度在0.28～3.5 m之間、流速在10.20～13.60 m/s之間、流量在40～634 m3/s之間，開(kāi)啟次數(shù)約313次，閘門開(kāi)啟高度在0.5～2.0 m的開(kāi)啟次數(shù)約占總開(kāi)啟次數(shù)的82%；右孔閘門泄水時(shí)的開(kāi)度在0.1～4.0 m之間、流速在7.32～13.52 m/s之間、流量在15～634 m3/s之間，開(kāi)啟次數(shù)約119次，閘門開(kāi)啟高度在0.5～2.0 m的開(kāi)啟次數(shù)約占總開(kāi)啟次數(shù)的87%。從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，中間孔泄洪時(shí)使用頻率最高，其次是右側(cè)孔，靠近廠房一側(cè)的左邊孔使用頻率較低。

3.4 消力池排水管滲水情況

對(duì)2012年1月—2014年2月消力池底板無(wú)砂混凝土管排水監(jiān)測(cè)資料成果分析，可得如下結(jié)論：

(1) 1號(hào)無(wú)砂混凝土管在監(jiān)測(cè)期內(nèi)均有滲水流出；2、6號(hào)無(wú)砂管大部分時(shí)間有滲水流出；3、4、5號(hào)無(wú)砂混凝土管間歇性有水流出；7、8號(hào)無(wú)砂混凝土管測(cè)量前期有少量滲水，后期無(wú)滲水。

(2) 從監(jiān)測(cè)成果來(lái)看，每年的6—10月，各無(wú)砂管滲水量明顯減少或者無(wú)水，11月—次年5月滲水方量增大。究其原因可以認(rèn)為：夏季(高溫季節(jié))混凝土熱漲，永久縫(或者裂縫)閉合，滲水減少；冬季(低溫季節(jié))混凝土收縮，永久縫(或者裂縫)張開(kāi)，滲水量增大。各無(wú)砂混凝土管滲水的季節(jié)性十分明顯。

(3) 從滲水帶泥角度來(lái)看，監(jiān)測(cè)期內(nèi)，1、2號(hào)無(wú)砂管隨著滲水量的變化有明顯的泥質(zhì)物析出，其余各管滲水較清。

3.5 消力池可能的破壞原因分析

通過(guò)對(duì)泄洪閘泄洪運(yùn)行情況初步分析認(rèn)為：

(1) 由于泄洪閘下泄的水流攜帶大量泥沙，尤其是發(fā)電初期，壩前上游施工棄碴進(jìn)入消力池，對(duì)消力池底板產(chǎn)生了沖磨，并從局部較薄弱的混凝土首先發(fā)生破壞產(chǎn)生麻面，逐漸發(fā)展為沖坑[1]。

(2) 近年來(lái)泄洪閘閘門的開(kāi)啟運(yùn)行頻繁，閘門局開(kāi)高度大多數(shù)在0.5～2 m之間，閘門小開(kāi)度運(yùn)行對(duì)消力池底板產(chǎn)生不利的沖蝕破壞。

(4) 施工期混凝土澆筑或結(jié)構(gòu)縫止水存在缺陷等因素，引起滲水量加大并隨季節(jié)性變化。

(5) 泄洪建筑物水流空化數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算值較大，水流空化系數(shù)大于初始空化系數(shù)，消力池內(nèi)發(fā)生空蝕破壞的可能性較小。

4 人工示蹤法分析滲水通道及泥質(zhì)來(lái)源

為了探明消力池排水管滲水帶泥來(lái)源，采用示蹤法在消力池各處的水面灑食鹽進(jìn)行流場(chǎng)示蹤測(cè)試，24 h后，對(duì)消力池表面水體的電導(dǎo)值進(jìn)行量測(cè)，獲得消力池內(nèi)水體人工示蹤流場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值軟件處理，得到消力池表面水體的人工示蹤流場(chǎng)，即電導(dǎo)率場(chǎng)[2]。圖4為消力池表面水體的電導(dǎo)等值線圖。

通過(guò)電導(dǎo)測(cè)定，可以分析消力池內(nèi)表面不同位置水的電導(dǎo)率變化規(guī)律。一般情況下如果消力池底板伸縮縫或混凝土施工裂縫處存在滲漏通道，則水體在裂縫附近水流速度會(huì)相應(yīng)加快，食鹽示蹤劑則將隨水流下滲而快速流失，這樣就導(dǎo)致在裂縫附近位置的電導(dǎo)值發(fā)生畸變，即電導(dǎo)值明顯有所下降。所以電導(dǎo)畸變處即為發(fā)生滲漏的大致位置[3-4]。

從圖4可以清晰地看到橢圓區(qū)域，即以樁號(hào)壩右0+046.50 m、壩下0+062 m位置為中心的大約10 m范圍內(nèi)，存在明顯的電導(dǎo)畸變。而1號(hào)無(wú)砂管恰位于壩右0+063.5 m、壩下0+056.5 m，緊鄰電導(dǎo)畸變區(qū)域。對(duì)比消力池?zé)o砂管分布圖與消力池水面電導(dǎo)值等值線圖，壩右0+046.50 m、壩下0+062 m恰位于1號(hào)無(wú)砂管緊挨著的縱橫無(wú)砂管交匯處。另外，圖4左上方黑色區(qū)域，同樣為電導(dǎo)畸變處，中心位置為壩右0+019.50 m、壩下0+114.9 m，正好緊鄰P-85排水管，樁號(hào)壩右0+019.50 m、壩下0+116.75 m。

圖4 消力池表面水體電導(dǎo)等值線圖 單位：μS/m

圖5為消力池表面水體電導(dǎo)率矢量圖，圖中2個(gè)橢圓所示的箭頭集中交匯處，對(duì)應(yīng)上述的2個(gè)電導(dǎo)畸變區(qū)域，形象地說(shuō)明了電導(dǎo)突變區(qū)域存在著明顯有別于周邊區(qū)域的水流，為伸縮縫等滲漏位置。

5 滲水與周邊環(huán)境相關(guān)性分析

5.1 滲水與上、下游水位的相關(guān)性

為進(jìn)一步證明測(cè)試結(jié)論的可靠性，對(duì)滲水與上游庫(kù)水、下游尾水變化的相關(guān)性進(jìn)行了分析。通過(guò)定期連續(xù)的測(cè)定泄洪閘上游庫(kù)水、廠房尾水(消力池左側(cè))、消力池、出滲點(diǎn)處滲漏水溫度、電導(dǎo)，并與鉆孔中測(cè)得的數(shù)據(jù)相對(duì)比，并定期取樣觀察，同時(shí)對(duì)每天的天氣作詳細(xì)記錄。測(cè)試分析認(rèn)為：滲漏水的電導(dǎo)即隨著天氣的變化而發(fā)生著規(guī)律性的變化。一般情況下，雨后庫(kù)水變渾，消力池水體隨之變渾，其電導(dǎo)也相應(yīng)增加。滲水的渾濁度隨天氣呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，電導(dǎo)也有著同樣的變化規(guī)律。隨著天氣的變化，泄洪閘上游庫(kù)水、廠房尾水(消力池左側(cè))、消力池水的渾濁度發(fā)生變化，其相應(yīng)的溫度、電導(dǎo)發(fā)生規(guī)律性的變化，1號(hào)無(wú)砂管及P-85下排管口水的溫度、電導(dǎo)也隨之改變，相互之間的相關(guān)性十分明顯。

圖5 消力池表面水體電導(dǎo)率矢量圖 單位：μS/m

5.2 滲水與溫度的相關(guān)性

由大壩監(jiān)測(cè)資料得，滲水量隨溫度呈周期性變化，隨著溫度降低，排水量逐步增大，每年2月份排水量達(dá)到最大值，然后隨著天氣逐步轉(zhuǎn)暖，排水量也逐步減小，到5月份各排水孔排水量很小或無(wú)流水。

消力池底板混凝土伸縮縫等相關(guān)裂縫張開(kāi)度受溫度變化影響明顯，熱脹冷縮，即高溫時(shí)底板混凝土膨脹，裂縫開(kāi)度減小，故而導(dǎo)致消力池內(nèi)的泥水難以經(jīng)無(wú)砂管下滲至排水廊道內(nèi)；低溫時(shí)混凝土收縮，裂縫寬度明顯有所增加，消力池內(nèi)的水及泥質(zhì)就很容易隨著伸縮縫等裂縫下滲到泄洪閘消力池排水廊道內(nèi)，導(dǎo)致無(wú)砂管排水量加大，出泥量也相應(yīng)增加。這也很好地證明了無(wú)砂管滲水帶泥是從消力池底板混凝土沿裂縫等薄弱部位下滲而來(lái)。

5.3 滲漏水與底板下部基巖的相關(guān)性

泄洪閘閘室及消力池建基面是弱風(fēng)化黏土巖，總體看來(lái)消力池段巖體完整性較好，透水性弱。若滲漏水通過(guò)消力池底板下部排水管或巖體裂隙進(jìn)入無(wú)砂混凝土管，將會(huì)形成一個(gè)固定通道，滲漏水不會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化。而事實(shí)上現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的結(jié)果是：冬季混凝土收縮結(jié)構(gòu)縫張大，夾泥量就多，夏季混凝土膨脹結(jié)構(gòu)縫收縮，夾泥就少。再者，若滲漏水來(lái)自消力池底板下部，由于下排管深度相同，根據(jù)有壓水流動(dòng)原理，滲漏水通道(即下排管出水)將不止一處，會(huì)同時(shí)在附近的幾個(gè)排水管同時(shí)排水并形成排水系統(tǒng)。而事實(shí)上僅有P-85下排管有水排出。通過(guò)以上分析，認(rèn)為滲漏水與消力池底板下部黏土巖無(wú)直接的相關(guān)性。

5.4 結(jié) 論

通過(guò)理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)示蹤測(cè)試，其成果均表明：消力池?zé)o砂管及P-85下排管排水帶泥來(lái)源于消力池底板頂面的泥，即由消力池混凝土底板結(jié)構(gòu)縫等裂縫至底板下部排水系統(tǒng)形成通道，消力池底板頂面的淤積泥質(zhì)由此通道進(jìn)入無(wú)砂排水管，隨涌水在無(wú)砂管管口排出。泄洪閘消力池底板混凝土裂縫位置在樁號(hào)壩右0+046.50 m、壩下0+062.00 m，壩右0+019.50 m、壩下0+114.9 m附近。

6 消力池清淤檢查及修復(fù)處理設(shè)計(jì)

6.1 消力池現(xiàn)場(chǎng)排水清淤檢查情況

通過(guò)消力池現(xiàn)場(chǎng)底板排水清淤后檢查發(fā)現(xiàn)：

(1) 從消力池底板混凝土鉆孔取芯情況來(lái)看，混凝土芯樣完整，無(wú)掉鉆、卡鉆現(xiàn)象出現(xiàn)，表明原消力池底板基礎(chǔ)完整性較好(見(jiàn)圖6)。

(2) 泄洪閘泄洪時(shí)，主要以中孔和右邊孔為主，泄洪水流的不對(duì)稱等因素容易在消力池內(nèi)形成折沖水流，同時(shí)夾帶粗顆粒泥沙，對(duì)消力池底板的磨蝕破壞較為嚴(yán)重。從圖7，可以看出，消力池底板在靠近消力池上游，中孔和右孔附近磨蝕最為嚴(yán)重，混凝土破壞最深處達(dá)到50 cm，止水帶及鋼筋裸露，部分鋼筋已經(jīng)被沖走。而該部位最接近1號(hào)無(wú)砂管。

(3) 對(duì)消力池清淤后，目前僅有1號(hào)無(wú)砂管仍在滲水(清水)，其余各無(wú)砂管無(wú)滲水。消力池只有右邊墩有下滲水流入消力池內(nèi)。因此可以推斷，1號(hào)無(wú)砂管的排水即來(lái)自消力池底板頂面。

(4) 從消力池底板現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，底板表面幾乎無(wú)明顯裂縫，在消力池中孔和右邊孔處混凝土磨蝕嚴(yán)重，部分分縫處止水破壞，滲漏水透過(guò)止水破壞的結(jié)構(gòu)縫滲入1號(hào)無(wú)砂混凝土管。

(5) 以上分析充分驗(yàn)證：消力池?zé)o砂管及P-85排水管滲水帶泥來(lái)源于消力池底板頂面，即由消力池混凝土底板結(jié)構(gòu)縫等裂縫至底板下部排水系統(tǒng)形成通道，消力池底板頂面的淤積泥質(zhì)由此通道進(jìn)入無(wú)砂排水管，隨滲水在無(wú)砂管管口排出。

圖6 消力池底板混凝土鉆孔取樣圖

圖7 消力池底板混凝土破壞現(xiàn)狀圖

6.2 修復(fù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)消力池實(shí)際破損情況，采取如下修復(fù)設(shè)計(jì)方案[5]：

(1) 對(duì)表面混凝土已經(jīng)剝蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)行清理，如原鋼筋出露,應(yīng)采用除銹劑除銹,銹蝕變形嚴(yán)重或者鋼筋遺失時(shí)應(yīng)割除并采用?22@20 cm×20 cm的鋼筋網(wǎng)焊接修補(bǔ)；

(2) 為確保修復(fù)效果，底板混凝土采用全部加厚15 cm，修復(fù)均采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35F100W8的硅粉抗沖耐磨混凝土；

(3) 新澆的高強(qiáng)混凝土表面布置鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)片為?8@10 cm×10 cm，老混凝土內(nèi)布置?22插筋，深入老混凝土40 cm；

(4) 對(duì)原消力池底板破損的止水進(jìn)行清理，將該處混凝土面鑿除平順，采用2～3 mm聚氨脂密封膠及SK手刮聚脲(厚度3～4 mm)修復(fù)[6]。對(duì)于破損止水切除后剩下的老止水，將其30 cm長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行表面打磨(1～2 mm),后采用SK手刮聚脲(厚度3～4 mm)與修復(fù)部分連接，形成完整、封閉的止水系統(tǒng)。修復(fù)方案詳見(jiàn)圖8～9。

圖9 消力池永久縫處理簡(jiǎn)圖 單位：cm

7 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)蘇只水電站泄洪閘消力池?zé)o砂排水管滲水帶泥的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)、運(yùn)行角度分析了消力池可能的破壞原因，通過(guò)綜合示蹤法進(jìn)行測(cè)試分析，基本確定了滲漏原因和通道。為了進(jìn)一步論證分析結(jié)論的可靠性，從消力池滲水與周邊環(huán)境的相關(guān)性角度再次進(jìn)行了分析論證。對(duì)消力池進(jìn)行放空檢查發(fā)現(xiàn)，底板磨蝕部位主要集中在右邊孔和中孔下游消力池底板處，且臨近1號(hào)無(wú)砂混凝土排水管，消力池?zé)o砂混凝土排水管滲水帶泥來(lái)源于消力池底板頂面由結(jié)構(gòu)永久縫止水破壞引起。針對(duì)消力池破壞情況，采取了相應(yīng)的修復(fù)處理，處理后消力池運(yùn)行正常，經(jīng)檢查排水管沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滲水流出。蘇只水電站消力池?zé)o砂混凝土管排水帶泥原因分析及工程處理取得了良好的效果。

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Cause Analysis and Handling Design of Seepage with Mud from Drainage Pipe in Base Slab of Stilling Basin, Suzhi Hydropower Project

WANG Si-de1, BA Jin-fu1, ZHANG Yu-feng1, ZHANG Bo2, LYU Qi2, HAN Yong1

(1.Huanghe Hydropower Development Co., Ltd, Xining 810001,China;2. POWERCHINA Xibei Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065,China)

Aiming at seepage with mud from drainage pipe in base slab of stilling basin, Suzhi Hydropower Project, possible failure causes of the stilling basin are analyzed in terms of design and operation. Furthermore, the general tracking method is applied to analyze the flow field test. Finally, seepage cause and passage are determined basically. The stilling basin is inspected by emptying and sludge removal while handling is performed. The analysis conclusion is verified. Namely, seepage with mud is from the failures of waterstops of the surface concrete and structure joints of the base slab of the stilling basin. Corresponding repair scheme is proposed. The handling measures achieve excellent effect.

base slab of stilling basin; concrete pipe; seepage; general tracking method; flow field test; design of handling

1006—2610(2015)02—0031—06

2014-11-15

王思德(1965- )，男，青海省湟中縣人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)管理工作.

TV653.1

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.009