面向水庫土石壩的除險(xiǎn)加固技術(shù)研究

唐波華　唐丹柔

摘 要：該文針對(duì)我國土石壩數(shù)量較多且病險(xiǎn)較為突出的現(xiàn)狀，在調(diào)閱國內(nèi)典型土石壩水庫病險(xiǎn)案例的基礎(chǔ)上，對(duì)土石壩水庫的病險(xiǎn)情況進(jìn)行了分類整理，得出水庫土石壩存在的7個(gè)方面的險(xiǎn)情，進(jìn)而結(jié)合該研究者工作實(shí)踐，基于目前國內(nèi)一些成熟的除險(xiǎn)加固方法，凝練了4個(gè)土石壩水庫除險(xiǎn)加固的技術(shù)方法，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：水庫 土石壩 除險(xiǎn) 加固 技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（c）-0045-02

1 土石壩病險(xiǎn)情況分析

土石壩是由土料、石料或者混合材料，經(jīng)過拋填、碾壓等方法堆筑而成的擋水壩，是我國現(xiàn)存的壩型中最古老的一種，其建設(shè)歷史超過了2500年。到現(xiàn)在，土石壩以其發(fā)展快、應(yīng)用廣等特點(diǎn)成為了世界壩工建設(shè)中一種重要的壩型。

土石壩大多就地取材，因此成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上又有較好的抗震性，壽命較長，所以在我國廣泛應(yīng)用。

我國水庫應(yīng)用廣泛，土石壩就地取材、造價(jià)低廉，又有較好的抗震性，使用壽命較長，不拘泥于地質(zhì)條件。在我國土石壩水庫的比例大于95%。而因?yàn)樵O(shè)計(jì)不周、勘測滯后、施工超前的原因，超過三分之一的水庫土石壩已經(jīng)出現(xiàn)病險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致潰壩。其病險(xiǎn)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

1.1 水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足規(guī)范要求

主要表現(xiàn)為大壩壩頂高程不夠或泄水建筑物泄洪能力不足。主要原因：①隨著水文資料系列的延長，設(shè)計(jì)洪水洪量、洪峰和洪水過程發(fā)生較大改變；②原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)本身偏低，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；③泄水建筑物因過流斷面偏小或淤塞等原因，泄洪能力不足；④泄水建筑物存在安全隱患，不能正常泄洪；⑤因經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，泄水建筑物下游無行洪通道，無法泄洪等。

1.2 水庫大壩穩(wěn)定和強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求

主要表現(xiàn)為土壩壩體滑坡。主要原因：①土石壩壩坡偏陡；②土石壩壩體填筑質(zhì)量差，壩體填料抗剪強(qiáng)度偏低，影響壩體抗滑穩(wěn)定。

1.3 水庫大壩滲漏嚴(yán)重，影響大壩安全

主要表現(xiàn)為土石壩壩體長期存在滲漏、管涌、散浸、流土，甚至有的壩腳呈現(xiàn)沼澤；主要原因：①土石壩土質(zhì)防滲體滲透性不滿足規(guī)范要求；②土石壩下游無排水棱體或已失效；③壩下涵管管壁與壩體接觸部位由于設(shè)計(jì)或施工等原因發(fā)生沖刷；④土石壩壩基、壩肩清基不徹底，壩基基巖未采取滲控措施或防滲措施設(shè)計(jì)不合理。

1.4 泄水、輸水建筑物強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求

主要表現(xiàn)為溢流壩閘墩結(jié)構(gòu)裂縫、變形，泄槽出現(xiàn)沖蝕破壞，下游沖刷破壞嚴(yán)重，輸水隧洞襯砌出現(xiàn)裂縫、沖蝕、漏水，涵管出現(xiàn)漏水、裂縫甚至斷裂。主要原因：①溢流壩閘墩結(jié)構(gòu)單薄，混凝土強(qiáng)度低；泄槽未襯砌或襯砌質(zhì)量差；泄槽底板基礎(chǔ)變形，混凝土產(chǎn)生裂縫甚至坍陷；消能工未完建或無行洪通道。②輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量差，強(qiáng)度低或設(shè)計(jì)不完善。③涵管基礎(chǔ)差，不均勻變形嚴(yán)重，涵管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低等。

1.5 抗震標(biāo)準(zhǔn)不夠

主要表現(xiàn)為大壩等建筑物抗震安全性低，安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求。遭遇地震時(shí)，壩體出現(xiàn)裂縫、沉陷、變形和滑塌，土石壩中細(xì)砂或黏性土存在液化可能，降低壩坡抗滑穩(wěn)定性。主要原因：①在水庫大壩建設(shè)時(shí)期，對(duì)地震設(shè)防認(rèn)識(shí)不足或根本沒有考慮地震設(shè)防安全措施；②地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)低，不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，遇地震易產(chǎn)生縱、橫向裂縫或震陷。

1.6 閘門、啟閉機(jī)設(shè)備老化，銹蝕嚴(yán)重

主要表現(xiàn)為部分閘門高度不滿足擋水要求，閘門變形，啟閉機(jī)不能正常啟閉。主要原因：①部分水庫在建壩時(shí)，水文資料缺乏或變化，現(xiàn)復(fù)核閘門高度不滿足要求，或水庫調(diào)度的改變，造成閘門高度不夠；②閘門因長期運(yùn)行老化，銹損嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面積減小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性降低，承載力下降，構(gòu)件產(chǎn)生變形；③啟閉設(shè)備老化，啟閉力不足，閘門的行車輪、導(dǎo)向輪銹死或不靈活，影響閘門正常啟閉。

1.7 管理與監(jiān)測設(shè)施陳舊落后或不完善

主要表現(xiàn)為：①水庫缺少防洪和興利調(diào)度運(yùn)用規(guī)程或未按審批的防洪和興利調(diào)度運(yùn)用規(guī)程進(jìn)行水庫調(diào)度；②管理制度不完善；③水庫的水文測報(bào)、大壩觀測系統(tǒng)不完善，或監(jiān)測設(shè)施陳舊、失效、損壞嚴(yán)重，甚至沒有水文測報(bào)及觀測設(shè)施；④運(yùn)行管理人員素質(zhì)差，責(zé)任心不強(qiáng)，管理監(jiān)測手段落后。

2 病險(xiǎn)土石壩水庫除險(xiǎn)加固技術(shù)概述

2.1 提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的加固技術(shù)

提高水庫土石壩防洪標(biāo)準(zhǔn)的加固措施主要有兩種：①加設(shè)防浪墻。在無防浪墻的大壩壩頂上游加設(shè)防浪墻，防浪墻高度一般為 1.0～1.2 m。②加高大壩壩體。加高分為3種方式：a.在原大壩下游培厚并加高壩頂。這種方式不影響水庫蓄水，也不受水庫蓄水限制。丹江口水利樞紐工程左岸土石壩加高就是采用下游培厚加高的方式。 b.在原大壩上游面培厚大壩并加高壩頂。這種方式適用于大壩上游壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求或下游壩坡地形、地物不容許培厚加高的條件。在水庫大壩上游坡培厚加高需降低庫水位或放空水庫，在設(shè)計(jì)中應(yīng)研究合適的施工期控制庫水位方式。c.戴帽加高。在土石壩壩體加高高度相對(duì)不大且原壩體的填筑質(zhì)量較好、壩坡抗滑穩(wěn)定有一定安全裕度時(shí)，可采用在壩頂戴帽加固的方式。

2.2 防滲加固技術(shù)

土石壩防滲加固措施可分為水平防滲和垂直防滲兩大類，原則是上堵下排，使其滲透坡降不超過允許坡降，保持土體的滲透穩(wěn)定。

①混凝土防滲墻。混凝土防滲墻加固土石壩，主要是采用鉆鑿、抓斗等方法在壩體或地基中建造槽形孔后，澆筑成連續(xù)的混凝土墻，達(dá)到防滲的目的?；炷练罎B墻適用性廣，實(shí)用性強(qiáng)，施工條件要求較寬，耐久性好，防滲可靠性高，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于我國病險(xiǎn)水庫土石壩防滲加固中，如江西軍民水庫、濱田水庫，湖北陸水水庫、青山水庫，安徽盧村水庫、釣魚臺(tái)水庫等，均采用混凝土防滲墻防滲加固，取得很好的防滲效果。

②高壓噴射灌漿。高壓噴射灌漿適用于淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、礫石、卵（碎）石等松散透水地基或填筑體內(nèi)的防滲工程，具有可灌性好、可控性好、適應(yīng)性廣、設(shè)備簡單及對(duì)施工場地要求不高等特點(diǎn)。目前國內(nèi)病險(xiǎn)土石壩防滲加固采用此法的工程較多，如廣西客蘭水庫、布見水庫、三利水庫等。但應(yīng)注意的是，高壓噴射灌漿防滲效果受地層條件、施工工藝及技術(shù)參數(shù)等影響較大，需要通過現(xiàn)場高噴試驗(yàn)確定其施工技術(shù)參數(shù)，對(duì)施工隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)要求較高，含有較多漂石或塊石的地層應(yīng)慎重使用。

③劈裂灌漿。壩體劈裂灌漿是在土壩沿壩軸線布置豎向鉆孔，采取一定壓力灌漿將壩體沿壩軸線方向（小主應(yīng)力面）劈開，灌注適宜的壓力泥漿形成豎直連續(xù)的漿體防滲泥墻，從而達(dá)到防滲加固的目的。該加固方法技術(shù)機(jī)理明確，施工簡便，工效高，費(fèi)用低，目前已應(yīng)用于部分省市病險(xiǎn)水庫土壩和險(xiǎn)堤工程。但一般只適用于壩高 50m 以下的均質(zhì)壩和寬心墻壩，且要求在低水位下進(jìn)行施工；灌漿壓力不易控制，灌漿過程中壩體易出現(xiàn)失穩(wěn)、滑坡；灌入壩體中的泥漿固結(jié)時(shí)間較長，耐久性較差；對(duì)施工隊(duì)伍的經(jīng)驗(yàn)要求較高。

④土工膜。土工膜是一種由高聚合物制成的透水性極小的土工合成材料，具有很好的防滲性、彈性和適應(yīng)變形的能力，能承受不同施工條件下的工作應(yīng)力，廣泛應(yīng)用于水庫大壩和堤防的防滲工程中。我國先后在云南省李家菁水庫和福建省犁壁橋水庫土壩采用土工膜進(jìn)行防滲加固，取得了良好的防滲效果。

⑤其他防滲方式。沖抓套井回填黏土防滲墻是利用沖抓式打井機(jī)具，在土壩或堤防滲漏范圍中造孔，用黏性土料分層回填夯實(shí)，形成連續(xù)的黏土防滲墻，截?cái)酀B流通道。該法具有機(jī)械設(shè)備簡單、施工方便、工藝易掌握、工程量小、工效高、造價(jià)低、防滲效果較好等優(yōu)點(diǎn)，中小型水庫土壩使用較多；缺點(diǎn)是造孔深一般不超過25m，否則易發(fā)生偏斜，對(duì)處理壩基滲漏和地下水水位以下部位較難，雨季不適宜施工；倒掛井防滲墻即在土石壩防滲體中用人工開挖井孔，在井口澆筑鎖口梁后由上向下逐段開挖，逐段澆筑鋼筋混凝土襯砌，開挖到位后回填混凝土或黏性土，該方法具有施工安全度高、工程量小、相應(yīng)設(shè)備易制作等優(yōu)點(diǎn)，但處理深度一般不超過20 m。目前，采用倒掛井防滲墻主要用于壩體局部防滲處理，尤其適用于土石壩壩體內(nèi)輸水涵管部位的防滲處理。陜西石頭河水庫土石壩、丹江口水庫左岸土石壩加固均成功采用倒掛井防滲墻施工，防滲效果良好。

2.3 壩坡穩(wěn)定加固

土石壩壩坡穩(wěn)定加固處理原則是設(shè)法減少滑動(dòng)力與增加抗滑力，加固處理措施可概括為“上部減載，下部壓重”。土石壩壩坡加固一般采取以下措施：①削坡放緩，壩體局部壩坡抗滑穩(wěn)定不滿足要求，且壩頂較寬，可適當(dāng)削坡放緩壩坡。②培坡放緩：壩坡較陡引起壩體失穩(wěn)的，可采取培厚放緩壩坡以滿足穩(wěn)定要求。③增設(shè)防滲、排水設(shè)施。④置換筑壩材料，壩體填筑材料性能較差，局部穩(wěn)定不滿足要求時(shí)，可挖除原壩坡筑壩材料，換填性能較好、透水性大的材料，從而提高穩(wěn)定性。⑤加密壩體，對(duì)于壩體填筑密實(shí)度較差的砂性土壩，壩坡穩(wěn)定不滿足要求時(shí)，可采用振沖或擠密砂樁等方法提高壩坡填筑材料的密實(shí)度，從而增大填筑材料的強(qiáng)度，使壩坡穩(wěn)定滿足要求。

2.4 抗震加固

砂基或采用砂土填筑的土石壩，在地震作用下可能產(chǎn)生液化破壞或抗震安全度不夠，對(duì)其抗震加固可采取置換、人工加密、拋石壓重以及設(shè)置排水減壓井等方法。置換是將液化區(qū)砂土挖除，填筑塊石石渣等抗液化性能好的材料；人工加密可采取振沖、強(qiáng)夯等措施提高砂土的密實(shí)度，使砂土達(dá)到抗液化的能力；拋石壓重是在砂土表面加壓，提高砂土的有效應(yīng)力，從而使其能夠抵抗地震液化；排水減壓井是在砂層內(nèi)設(shè)置礫石或碎石井，消散地震荷載產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力。

2.5 護(hù)坡加固改造

護(hù)坡是土石壩壩體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由于長期受風(fēng)浪、水浸、凍融、壩體變形等影響，容易發(fā)生破壞。護(hù)坡加固時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際及損壞情況采取局部翻砌維修、細(xì)石混凝土或砂漿灌注加固、拆除重建等工程措施。上游護(hù)坡可采用塊石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡及預(yù)制混凝土塊護(hù)坡；下游護(hù)坡可采用草皮護(hù)坡、格構(gòu)草皮護(hù)坡、塊石護(hù)坡、現(xiàn)澆混凝土護(hù)坡及預(yù)制混凝土塊護(hù)坡等。對(duì)于具有旅游、生態(tài)功能的水庫，加固時(shí)上下游壩坡應(yīng)選用具有美化、生態(tài)功能的護(hù)坡形式。

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