美國克利爾沃特壩壩基滲漏處理

[美國] R.V.克利夫 等

美國克利爾沃特壩壩基滲漏處理

[美國] R.V.克利夫 等

克利爾沃特壩為粘土斜心墻土石壩，從大壩最初設(shè)計(jì)到施工，巖溶的發(fā)展與大壩左壩肩嚴(yán)重的滲漏破壞始終受到關(guān)注，并于1972年與1978年布設(shè)了地下排水系統(tǒng)，以減輕揚(yáng)壓力及防止沿大壩下游左壩肩所形成的地下滲流。2003年1月，在壩坡上游發(fā)現(xiàn)一處巖溶?？八_斯州地質(zhì)調(diào)查局利用表面地球物理研究方法劃定巖溶的地下范圍，確定地質(zhì)條件；同時(shí)美國墾務(wù)局進(jìn)行了跨孔層析成像研究，美國陸軍工程師團(tuán)(USACE)研究和發(fā)展中心(ERDC)進(jìn)行了自電位、電磁的導(dǎo)電性以及電阻率的研究。聘請(qǐng)巖土力學(xué)、滲流力學(xué)專家協(xié)助工作。在此基礎(chǔ)上,決定在巖溶的下游進(jìn)行局部灌漿以及修建防滲墻。經(jīng)儀器檢測及數(shù)據(jù)分析，灌漿與防滲墻的修建減少了滲漏，并提高了大壩的安全性。

壩基滲漏;滲漏處理;灌漿;防滲墻;克利爾沃特壩;美國

克利爾沃特(Clearwater)水庫位于美國阿肯色州和密蘇里州的懷特河流域，是以防洪為主兼顧其他的綜合性工程，并為大壩下游布萊克河附近的土地提供保護(hù)。該工程大壩位于密蘇里州東南部的布萊克河上。盡管該水庫是用于防洪，但是壩前區(qū)域的永久性水庫部分最大深度約12.2 m，表面面積約為659 hm2,主要是用于休閑娛樂、保護(hù)魚類以及野生動(dòng)物。在目前條件下，每年平均防洪效益約為680萬美元。對(duì)于休閑娛樂，在30 km的湖中，每年約有40萬人次游覽，游客消費(fèi)約510萬美元。

1 工程概況

在水庫正常蓄水位為150.5 m處時(shí)，克利爾沃特水庫庫容為27×106m3，正常蓄水位與防洪高水位175.5 m之間的防洪庫容為483×106m3。

開敞式溢洪道位于右壩肩366m以上。溢洪道是通過開挖右壩肩巖石和殘積土建造而成。

有閘出水口位于右壩肩，由具有控制塔的進(jìn)水建筑物、管道、消力池以及排水渠道構(gòu)成。管道的內(nèi)徑為7 m，長為358 m。消力池最大寬度為23 m，長為58 m。

大壩為碾壓填土防滲斜心墻壩，心墻兩側(cè)為透水殼體結(jié)構(gòu)。圖1為一個(gè)土石壩防滲墻施工的典型斷面。

最初，設(shè)計(jì)師估計(jì)可能會(huì)發(fā)生地下滲流，因此在粘土心墻底部增加了帷幕灌漿。這并不是為了完全消除壩基滲流，而是為了限制滲流范圍。原設(shè)計(jì)師和顧問們認(rèn)為，滲流路徑被限制在現(xiàn)有的基巖和上覆剩余材料中，大壩仍會(huì)是安全的。同時(shí)還認(rèn)為，由于是巖溶地基，如果要消除一切理論上的滲流路徑，則成本會(huì)很高昂。施工只是為了避免將來在該地區(qū)可能會(huì)形成的大量滲流。

2 背 景

2.1 基礎(chǔ)地質(zhì)狀況

基礎(chǔ)地質(zhì)由上寒武統(tǒng)白云巖組成，包含薄層硅質(zhì)巖。白云巖的化學(xué)風(fēng)化(分解)明顯，在壩址區(qū)較嚴(yán)重，特別是在壩肩。不蝕變基巖與上覆巖土之間的隔層為表層巖溶，出現(xiàn)在壩肩，且由強(qiáng)風(fēng)化白云巖、漂石、粘土填充物及巖石頂尖風(fēng)化組成。強(qiáng)烈的風(fēng)化過程會(huì)導(dǎo)致巖石表面產(chǎn)生巨大變化，而且這種高分解的巖石會(huì)形成溶蝕通道。

2.2 建設(shè)歷程與主要問題

1939～1940年，首先開始土石壩、溢洪道及出水口的設(shè)計(jì)。在1940年5月，第一階段的施工開始于出水口工程，并于1942年3月完成。土石壩和溢洪道的施工開始于1941年7月，由于第二次世界大戰(zhàn)，在1942年8月停工。在1946年4月恢復(fù)施工，于1948年12月完成壩體工程和溢洪道的建設(shè)。1951年，在溢洪道修建混凝土控制結(jié)構(gòu)。

最初的設(shè)計(jì)包括整座水電站可能的配置。然而，經(jīng)過對(duì)勘察狀況進(jìn)行復(fù)審，顧問委員會(huì)與工程師團(tuán)(USACE)認(rèn)為由于壩肩和水庫邊緣出現(xiàn)滲漏，壩址已不適合修建水電站。在大壩的建設(shè)過程中，對(duì)一個(gè)試驗(yàn)段中較深的巖溶裂縫區(qū)域?qū)嵤┝斯酀{，該巖溶區(qū)深度不到73 m，從樁號(hào)51+00到52+00之間約30.4 m的大壩斷面卻消耗了934.5 m3的漿體。這表明實(shí)施深層防滲不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)設(shè)計(jì)為淺層的不連續(xù)的帷幕灌漿以對(duì)基巖12 m以上、河谷段與右壩肩防滲槽以下的滲流進(jìn)行控制。沿上游壩坡底部設(shè)計(jì)一個(gè)防滲鋪蓋代替左壩肩脊的正截水槽與灌漿帷幕，其大部分在左壩肩底部修建。防滲鋪蓋可對(duì)左壩肩可能透水與透水的硅質(zhì)巖區(qū)提供雙重防滲的作用。對(duì)于穩(wěn)定性，它為平緩上游左壩肩脊高程170 m處的坡度提供了一種有效的方法，其坡比僅為1∶3.5。上游左壩肩防滲鋪蓋不與大壩的防滲心墻、帷幕灌漿連接，因此，滲流控制不連續(xù)。

2.3 主要維修記錄

從大壩最初設(shè)計(jì)到施工，巖溶的發(fā)展與滲漏破壞始終受到關(guān)注。1941年隧道施工期間，在右壩肩的大直徑管道出口處，由于隧洞開挖，移除了現(xiàn)場的支護(hù)結(jié)構(gòu)，致使一個(gè)大型空腔坍塌，并形成了一個(gè)大凹陷，之后得到修復(fù)填充。有趣的是，通過鉆孔、各種地下調(diào)查檢測以及分析數(shù)據(jù)，右壩肩(自蓄水以來，認(rèn)為右壩肩是不透水區(qū)域，且在過去的60 a，沒有觀察到滲透)存在一個(gè)相當(dāng)大的空腔，而左壩肩(顯然是一個(gè)滲漏嚴(yán)重的區(qū)域)卻沒有出現(xiàn)巖溶或檢測到大空腔。然而，在最近的灌漿工程中，左壩肩卻存在大量的巖溶。在1948年7月，庫水位達(dá)到152 m，即大壩建成前的5個(gè)月，第1次使用防洪庫容。在這個(gè)時(shí)段，沒有出現(xiàn)滲漏；竣工階段，庫水位被降低到正常蓄水位150.5 m。

大壩于1948年12月建成。在1948年1～4月春季多雨期間，庫水位上升到164 m。在這期間，最初安裝的10個(gè)滲壓計(jì)顯示有明顯的地下水位波動(dòng)，這是因?yàn)閺?qiáng)降雨和正常庫水位浸潤線剛形成的影響，但在地面上只有輕微的滲漏發(fā)生。在1949年期間，隨著庫水位對(duì)地下水系已形成的影響，檢測到水庫表面有滲透并且在1950年逐漸變得更為明顯。更重要的是，已確定在下游左壩肩區(qū)域形成的滲流模式及其位置。不過，這些初步的模式在出口位置沒有發(fā)生變化或沒有任何較大程度的擴(kuò)張。

根據(jù)相關(guān)資料推斷，滲漏的確切起始時(shí)間應(yīng)該是1972年，且波動(dòng)范圍是在庫水位150.5 m處，以每分鐘幾升的量滲漏，在庫水位168 m處，最大滲漏可達(dá)18.9 L/s。該滲漏量被認(rèn)為僅是通過左壩肩滲漏總量的一部分。

1949年大壩建成后不久，安裝了10個(gè)測壓計(jì)，以監(jiān)測地下水水位和水庫的滲漏狀況。由于滲流增強(qiáng)，在1972年至1979年之間，再安裝了63個(gè)測壓計(jì)。

2.3.1 地下滲流排水系統(tǒng)(1972～1981年)

自克利爾沃特大壩修建以來，已安裝了2套地下排水系統(tǒng)。這些系統(tǒng)分別是在1972年和1980年安裝，以減輕揚(yáng)壓力并防止沿大壩下游左壩肩以及河路公園建基面以上所形成的地下滲流。

(1) 1972年布設(shè)的排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由填滿礫石的橫向溝槽組成，周圍有一個(gè)多孔管，這是非穿孔，將水流傳輸?shù)街骶€。在前3個(gè)孔安裝V形切口測堰，以進(jìn)行流量的測量。該系統(tǒng)對(duì)地面以上、160～161 m的較低庫水位的滲漏有效；然而，在1979年高庫水位期間，當(dāng)達(dá)到167.8 m時(shí)，即使系統(tǒng)的總流量達(dá)18.9 L/s，也不能滿足排水要求。

(2) 1980年布設(shè)的排水系統(tǒng)。在1979年庫水位較高期間，發(fā)現(xiàn)在沿下游左壩肩的壩趾處，出現(xiàn)了相當(dāng)大的滲流。因此，布設(shè)了第2套地下排水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)多孔管組成，沿下游左壩肩的壩趾開挖巖石而形成礫石填充的溝槽。系統(tǒng)的一部分沿公路HH延伸以攔截地下道路填充的滲流，并排除附近一個(gè)公園內(nèi)的積水。

從1980年到1981年，進(jìn)行了大量的研究以調(diào)查持續(xù)的滲流問題。

2.3.2 大壩安全保證修復(fù)措施(1988～1990年)

通過在左壩肩和壩下修建土堤以控制滲流。

1987年10月開始施工， 1988年12月完建。該項(xiàng)目包括沿大壩上游全長建設(shè)土質(zhì)防滲護(hù)堤。這項(xiàng)工作也包括對(duì)右壩肩的基礎(chǔ)實(shí)施灌漿,以控制該區(qū)域的滲漏,以及沿壩頂修建防浪墻以控制風(fēng)浪作用。

3 主要修復(fù)工程

3.1 巖溶的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)急響應(yīng)

2003年1月，在壩坡上游樁40+37處，距心墻溝槽中心線上游約9 m、高程174 m處，發(fā)現(xiàn)有巖溶。巖溶被開挖到7.6 m深，證實(shí)了它有一個(gè)垂直的通道，于是對(duì)其回填碾壓高塑性粘土。2003年2月，由堪薩斯地質(zhì)調(diào)查局(Kansas Geological Survey)開展了包括面波和P波地震反射的表面地球物理研究，根據(jù)研究結(jié)果，劃定了巖溶的地下范圍。其次是利用聲波鉆6個(gè)15.2 m的孔直至基巖，較好地確定了地下條件。同時(shí)墾務(wù)局進(jìn)行了跨孔層析成像研究，美國陸軍工程師團(tuán)與研究和發(fā)展中心進(jìn)行了自電位(SP)、電磁(EM)的導(dǎo)電性和電阻率(ER)的研究，聘請(qǐng)巖土力學(xué)、滲流力學(xué)專家協(xié)助研究工作。研究結(jié)果表明，必須立即在巖溶的下游設(shè)置一個(gè)短的局部帷幕灌漿,以觀察基巖并試圖阻止通過這一地區(qū)的滲流。

對(duì)于巖溶的研究與灌漿工程包括防滲心墻研究與灌漿合同的制定與簽署，在2003年11月，與先進(jìn)施工技術(shù)有限公司(ACT)簽下了該合同。2004年4月，灌漿作業(yè)從樁號(hào)38 + 90到樁號(hào)40 + 70心墻溝槽中心線展開，于2005年4月完成。在溶蝕通道附近發(fā)現(xiàn)了大量水泥漿，且在樁號(hào)40 + 20處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)大溶蝕，在基巖頂部以下大約7.6 m處。通過隨后的鉆探工作，確定溶蝕范圍大約高35 m， 寬6 m。在這個(gè)時(shí)候，決定嘗試以低流動(dòng)性漿液(LMG)填充溶蝕，在上游鉆孔1.5 m，下游心墻溝槽中心線(主漿線)鉆孔1.5 m。在每條LMG線上鉆7個(gè)孔，間距為1.5 m，目的是在中心線的上下游建立隔墻，以防止上下游滲流；然后在兩堵隔墻之間灌入額外的LMG和高流動(dòng)性的水泥漿(HMG)。從2條LMG線對(duì)溶蝕地質(zhì)注入了311.5 m3的LMG。

綜上所述，可以得出結(jié)論，即必需修建更密集的防滲墻，并繼續(xù)研究沿全長預(yù)注漿工程計(jì)劃和技術(shù)條件(一期和一期二段)，以確保在防滲墻施工過程中(第二階段)壩體的整體性。

3.2 鉆孔研究及預(yù)注漿

預(yù)注漿的目的是尋找額外的大型地下解決方案。這可能會(huì)對(duì)防滲墻開挖設(shè)備不利，且在開挖過程中，可能會(huì)引起基巖和表層巖溶灌漿溝槽坍塌。

一期主要修復(fù)工程已于2006年1月被委托給了ACT，包括沿大壩壩長從樁號(hào)13+20 到樁號(hào)55+00的勘測鉆和兩行寬帷幕灌漿的施工。A線上的鉆孔距上游防滲墻1.5 m，B線上的鉆孔距防滲墻下游1.5 m。所有的帷幕灌漿孔被布置在一個(gè)角度。主鉆孔中心長為6 m，次孔為3 m。在完成鉆探并沿灌漿線開始鉆井工作之前，很明顯，基礎(chǔ)巖石灌漿比想象中的難度大，致使后續(xù)灌漿在較大深度上無法實(shí)現(xiàn)。因此，決定采取一種更密集的、階段灌漿方案。

在2007年8月，將一期二段的工程施工委托給了ACT，該合同方案旨在構(gòu)建一道復(fù)合防滲墻，包括直至基巖的33.5 m灌漿，12.2 m的混凝土防滲墻灌漿。在巖溶地區(qū)，從樁號(hào)9 + 50到樁號(hào)1 + 50，帷幕灌漿的灌入高程達(dá)76.2 m，到基巖心墻溝槽以下約58 m，這樣做的目的是為防滲墻通過大型溶蝕地帶的施工提供額外的保護(hù)。在2009年，完成了該階段的施工。

完成的巖溶灌漿工程包括：

(1) 覆蓋層鉆孔34 099 m；

(2) 巖石鉆探37 191 m；

(3) 高流動(dòng)性漿液(HMG)33 678 m3；

(4) 介質(zhì)流動(dòng)灌漿(MMG)476.3 m3；

(5) 低流動(dòng)性漿液(LMG)308.5 m3；

(6) 灌漿作業(yè)歷時(shí)57 500 h；

(7) 壓力測試歷時(shí)4 981 h。

壩下嚴(yán)重破碎基巖注入大量的水泥漿以進(jìn)行固結(jié)處理。雖然鉆孔與灌漿中出現(xiàn)了許多空腔(<1.5 m)，但除了樁號(hào)40+20處的巖溶有所發(fā)展外，沒有發(fā)現(xiàn)非常大的溶蝕。

3.3 高水位期間的地球物理測試

在該階段，應(yīng)用了相當(dāng)新的地球物理方法對(duì)大壩中的潛在的滲流路徑展開研究。2008年4～5月,在高水位期間，維羅爾斯迪克(Willowstick)技術(shù)有限責(zé)任公司進(jìn)行了電流測量(ECF)，并使用Aqua Track技術(shù)進(jìn)行追蹤研究，以確定高孔帶的位置和通過大壩左壩肩優(yōu)先的滲流路徑。結(jié)果表明，滲流發(fā)生在壩基而不是通過防滲墻和填筑材料。在樁號(hào)20 + 00與樁號(hào)33 + 00之間的區(qū)域允許壩下有顯著的滲流。

據(jù)分析，幾乎沒有任何滲漏發(fā)生在樁號(hào)35 + 00的西南方向，樁號(hào)18 + 00東北方向也沒發(fā)現(xiàn)任何滲漏。與樁號(hào)24 + 00至樁號(hào)34 + 00區(qū)段相比，樁號(hào)21 + 00下的滲流路徑似乎更集中并受到限制。因?yàn)樵谡Ｐ钏粭l件下，這些滲流途徑只有在高水位期間活躍，水位達(dá)不到左壩肩。這項(xiàng)調(diào)查證實(shí)了以前對(duì)左壩肩滲流的研究結(jié)果，同時(shí)也表明，必須對(duì)整個(gè)區(qū)域樁號(hào)18 + 00和樁號(hào)35 + 00之間進(jìn)行仔細(xì)地修復(fù)，以確保阻斷大壩下的所有滲流。

3.4 二期防滲墻施工

2008年9月，二期工程施工由Bencor與Recon兩家公司合資建設(shè)。本期施工項(xiàng)目包括修建一個(gè)更大的工作平臺(tái)以容納大型開挖施工設(shè)備，從樁號(hào)13 + 70到樁號(hào)54 + 50(后來延長到樁號(hào)55 + 02)，深入到基巖至少有12.2 m長的混凝土防滲墻，以及過濾、不透水粘土、防滲鋪蓋從防滲墻頂部高程175.5 m，延伸至大壩頂部高程185 m。

防滲墻位于粘土心墻溝槽的中心線，通過大壩的橫河斷面(樁號(hào)34+00至樁號(hào)55+02)和粘土心墻的上游過左壩肩(樁號(hào)13+70至樁號(hào)34+00)，由277塊板塊構(gòu)成。防滲墻的施工是利用抓斗和膨潤土泥漿注漿管，這樣可以防止溝槽塌方并可清除溝槽中的巖屑。利用中小板塊的施工方法開挖面板。對(duì)主面板(大約寬7.3 m)包括3個(gè)注漿管孔，是采用水下混凝土回填。附屬面板包括一個(gè)單一的孔口(約寬2.7 m)，由主板切割而成，兩側(cè)約為22.8 cm,用水下混凝土回填形成一個(gè)連續(xù)的不透水屏障或防滲墻。

在防滲溝槽的開挖過程中，顯然，因?yàn)闆]有明顯的漿料損失，預(yù)注漿的效果在處理壩基方面已經(jīng)非常成功。在2011年12月，最后的面板施工成功地得以完成。通過在已完成的混凝土墻上鉆取許多驗(yàn)證孔，以保證混凝土的質(zhì)量與面板接縫的完整性。

3.5 儀 器

在整個(gè)灌漿與防滲墻施工過程中，密切監(jiān)控測壓計(jì)的測量及下游排水測堰的測量。其整個(gè)生命周期中，在克利爾沃特大壩內(nèi)部及周邊已經(jīng)埋設(shè)超過140個(gè)測壓計(jì)。必須對(duì)這些儀器進(jìn)行常規(guī)檢查，以驗(yàn)證潛水位波動(dòng)與水頭和尾水變化的關(guān)系?？偟膩碚f，即使在2011年12月最終完成了防滲墻的施工，其最顯著的測壓差發(fā)生在防滲墻和帷幕灌漿附近,然而，在1972～1980年期間，對(duì)排水集成系統(tǒng)的流量進(jìn)行了測量，觀察到一個(gè)引人注目的變化;在2002、2008年和2011年期間，測堰測量時(shí)出現(xiàn)了高水位記錄。

4 結(jié) 語

綜上所述，可以得出結(jié)論，即由于近期完成了主要的修復(fù)工程，克利爾沃特大壩減少了預(yù)期的災(zāi)洪損失，使密蘇里東南部的百姓受益。在上游壩面出現(xiàn)巖溶之前，大壩有較長時(shí)間的地下滲流的歷史。由一個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)和承包商合作設(shè)計(jì)的合理方案，有效解決了由滲流所導(dǎo)致的巖溶發(fā)展。這種合作成本相對(duì)較高，且在防滲墻開挖之前面臨的關(guān)鍵問題是需要大量的預(yù)灌漿(上游和下游)。此外，在分期施工過程中，承包商對(duì)防滲墻使用的設(shè)備和專業(yè)技術(shù)保證了項(xiàng)目在預(yù)算內(nèi)提前完成。

由于灌漿與修建的防滲墻發(fā)揮了重要作用，所以在下游排水系統(tǒng)中觀察到流量已大幅度減少。將繼續(xù)評(píng)估這些流量的排放及克利爾沃特大壩的整體性態(tài)。然而，可以肯定的是，修復(fù)工程在減少滲漏和增加大壩安全方面是比較成功的。

(黃麗瑾 許 俊 編譯)

2014-12-05

設(shè)計(jì)與施工

1006-0081(2015)02-0014-04

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