水庫(kù)砌石拱壩壩體滲漏問題研究設(shè)計(jì)方案分析

宋　強(qiáng)

(朝陽(yáng)縣水務(wù)局,遼寧 朝陽(yáng) 122000)

水庫(kù)砌石拱壩壩體滲漏問題研究設(shè)計(jì)方案分析

宋強(qiáng)

(朝陽(yáng)縣水務(wù)局,遼寧 朝陽(yáng) 122000)

摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，在分析某水庫(kù)砌石拱壩壩體滲漏、應(yīng)力不滿足規(guī)范要求問題的基礎(chǔ)上，提出以掛網(wǎng)噴射混凝土解決壩體滲漏、應(yīng)力不足問題，對(duì)原壩面附著物進(jìn)行徹底清理，使原砌體露出。在壩面上按200 cm×200 cm方格角點(diǎn)布設(shè)充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入細(xì)磨水泥漿。以帷幕灌漿解決壩體與壩肩接觸滲漏及壩肩繞壩滲漏問題，采用單排灌漿的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)；砌石拱壩；除險(xiǎn)加固；設(shè)計(jì)

我國(guó)在20世紀(jì)70年代曾修建了一大批砌石拱壩，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件薄弱、思想觀念保守等主客觀因素的影響，這些工程大多采用了“邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)、邊施工”、“群眾運(yùn)動(dòng)、土法上馬”的建設(shè)方法。以現(xiàn)在的眼光看，這些砌石拱壩無(wú)論在工程設(shè)計(jì)方面還是在施工質(zhì)量方面，都存在著一些先天缺陷，而在運(yùn)行30余年后，部分工程的先天缺陷逐步轉(zhuǎn)化為滲漏、裂縫、失穩(wěn)等安全隱患，既不利于工程使用效益的充分發(fā)揮，又會(huì)對(duì)下游地區(qū)供水安全乃至人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全形成威脅。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某水庫(kù)砌石拱壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論，期望能夠?yàn)橥惞こ烫峁┧悸飞系膮⒖寂c方法上的借鑒。

1工程概況

某水庫(kù)樞紐工程位于高寒地區(qū)的深峽谷中，是一座兼顧灌溉、防洪等功能的中型水利工程，總庫(kù)容1945.5萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1794.6萬(wàn)m3，控制灌溉面積19 800 hm2。工程所在區(qū)域?qū)俅箨懶詺夂颍募狙谉嵘儆?、冬季干燥寒冷，壩址多年平均氣?.6 ℃，冰凍期120～150 d。水庫(kù)大壩高78 m，為漿砌石拱壩，壩頂寬度4 m、壩底寬度12 m(1735 m高程處)，寬高比和厚高比分別為1.32、0.24。下部28 m為窄深河谷(高程1707～1735 m)，以漿砌石回填；上部50 m為漿砌石拱壩(高程1735～1785 m)。拱壩內(nèi)設(shè)有C20素混凝土防滲心墻，頂和底厚度分別為0.6 m、3 m，距上游壩面1.5 m。

該水庫(kù)于70年代中期建成，運(yùn)行至今已有40余年，就目前的實(shí)際情況來(lái)看，水庫(kù)大壩主要存在以下兩方面問題：①滲漏;②壩體應(yīng)力超允許值。

高寒地區(qū)、深峽谷中具有凍融破壞強(qiáng)、溫度變化大的特點(diǎn)，受地形因素的影響，施工場(chǎng)地也比較狹窄，因此與一般拱壩相比，本次除險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)難度較高[1]。

2除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)

2.1壩體滲漏與壩體應(yīng)力超允許值問題的整治

檢查結(jié)果顯示，1735 m高程以上壩體存在多處漏水點(diǎn)。滲漏問題的存在一方面減少了水庫(kù)水量，另一方面也會(huì)在反復(fù)凍融、凍脹的影響下引起更為嚴(yán)重的破壞，最終造成壩體材料強(qiáng)度的不斷下降。為了解壩體材料的實(shí)際情況，技術(shù)人員鉆取并測(cè)量了3組試件的強(qiáng)度，其中，最高值為30 MPa，最低值為20 MPa。可以看出，壩體強(qiáng)度不足的問題非常明顯，水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行也因此受到了嚴(yán)重影響[2]。

應(yīng)力分析結(jié)果顯示，壩體拉應(yīng)力在部分工況下會(huì)超過允許值，不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。

結(jié)合實(shí)際情況，本次除險(xiǎn)加固工程將滲漏問題的處理作為重點(diǎn)，以此為水庫(kù)大壩的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供根本性保障。另外，就是要適當(dāng)增加壩體厚度，使大壩應(yīng)力狀況得到進(jìn)一步改善。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，設(shè)計(jì)選定以下兩種方案[3]。

方案一：增設(shè)混凝土面板

于大壩上游增設(shè)防滲抗凍面層，在避免滲透凍融對(duì)壩體材料產(chǎn)生破壞的同時(shí)增加壩體厚度、降低拉應(yīng)力。分析結(jié)果表明，在防滲面板頂部厚度40 cm(高程1785 m)、底部厚度160 cm(高程1735 m)時(shí)，壩體最大拉應(yīng)力可減少至規(guī)范要求的水平。需要注意的一點(diǎn)是，面層澆筑前應(yīng)對(duì)原壩面上的各類附著物進(jìn)行徹底清理，使原砌體露出，以此保證面層混凝土與原壩體的充分結(jié)合。第二步，充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿。在壩面上按100 cm×100 cm方格角點(diǎn)布設(shè)充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深。隨后，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入水泥漿，并在初凝前插入Φ28鋼筋。將防滲面板厚度作為鋼筋深入壩體的長(zhǎng)度，將“深入長(zhǎng)度減10 cm”作為鋼筋伸出長(zhǎng)度。最后，于鋼筋前端掛設(shè)鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm，以Φ12鋼筋焊成)，鋼筋網(wǎng)外部設(shè)置混凝土保護(hù)層(厚度10 cm)。

在前文的敘述中我們提到，水庫(kù)大壩高78 m，上部50 m為漿砌石拱壩(高程1735～1785 m)；下部28 m為窄深河谷(高程1707～1735 m)，在大壩建設(shè)之初以漿砌石回填，形成墊座，上部壩體布置于墊座上游邊緣。方案一需要在大壩上游設(shè)置混凝土面板，若采用直接置于深切河谷底部基巖的做法，就會(huì)面臨水庫(kù)泥沙淤積較多、難以形成干燥基坑等問題；若于原墊座上游靠近墊座處、垂直水流方向澆筑鋼筋混凝土拱，就會(huì)面臨施工復(fù)雜(豎向與順?biāo)鞣较蚓星?、施工時(shí)間較長(zhǎng)(高寒地區(qū)施工時(shí)間有限)、爆破開挖難度較大(壩體兩岸均為花崗巖，爆破開挖將對(duì)原壩體產(chǎn)生不利影響)等問題。由于難以操作，最終放棄方案一。

方案二：掛網(wǎng)噴混凝土

上游壩面掛網(wǎng)(10 cm×10 cm，以Φ12鋼筋焊成)3層，噴厚度為20 cm的防滲抗凍細(xì)石混凝土，以此提高上游壩面的防滲抗凍性能。第二步，充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿。首先，對(duì)原壩面附著物進(jìn)行徹底清理，使原砌體露出。其次，在壩面上按200 cm×200 cm方格角點(diǎn)布設(shè)充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入細(xì)磨水泥漿。第三，按100 cm×100 cm方格角點(diǎn)布設(shè)插筋，在水泥漿初凝前插入Φ28鋼筋(間隔布置)，鋼筋深入壩體長(zhǎng)度分為70 cm(25 d)、112 cm(40 d)兩類，伸出長(zhǎng)度均為18 cm。最后，于插筋前端掛網(wǎng)，隨后噴射厚度為20 cm的細(xì)石混凝土。掛網(wǎng)、細(xì)石混凝土噴射分3次完成。與方案一相比，方案二的改善效果略差，但施工簡(jiǎn)易、相對(duì)方案一可實(shí)行性較高。

通過對(duì)方案一、二的討論分析我們可以看出，若砌石拱壩修建時(shí)能夠使墊座厚度超出上部壩體厚度，則方案一的可行性就會(huì)因?yàn)橹卫щy問題的消失而大幅度提升。所以在今后同類工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中，相關(guān)人員應(yīng)注意對(duì)墊座厚度問題給予應(yīng)有關(guān)注。

方案二的采用使施工難度大幅降低，雖然“壩體上游(1735 m高程以上)掛網(wǎng)噴混凝土”的要求增加了些許工作量，但仍具有較高的可行性。值得一提的是，設(shè)計(jì)人員在對(duì)灌溉放水設(shè)施進(jìn)行分析的過程中發(fā)現(xiàn)，沖砂洞(高程1715 m)已深埋于18 m左右的淤沙中，詢問水庫(kù)管理人員后得知，這主要是因?yàn)闆_砂洞建成后從未使用。由于淤沙過厚，沖砂洞使用功能的恢復(fù)將非常困難，盡管這部分不在“掛網(wǎng)噴混凝土”的范圍內(nèi)，但仍提示水庫(kù)管理人員應(yīng)注意定期開啟沖砂洞，以免給日后的維修工作帶來(lái)不必要的困難。

2.2壩體與壩肩接觸滲漏及壩肩繞壩滲漏問題的整治

壩體與壩肩接觸滲漏：在水庫(kù)大壩的建設(shè)階段采用了直接爆破至建基面的做法，雖然這種處理方式并沒有什么不妥，但問題在于，施工人員在沒有徹底清理松動(dòng)石塊且沒有做固結(jié)灌漿的情況下直接進(jìn)行壩體砌筑。隨著時(shí)間的推移，沿拱壩周邊的松動(dòng)滲漏帶逐漸形成，實(shí)測(cè)結(jié)果也顯示，拱壩周邊巖石抗剪抗壓強(qiáng)度嚴(yán)重不足，變模遠(yuǎn)低于深部巖體，不利于大壩的安全運(yùn)行。在本次除險(xiǎn)加固工程中，設(shè)計(jì)人員最終確定了帷幕灌漿的處理辦法，具體措施包括：按照與拱壩上游邊緣2 m的距離布設(shè)一排(共38孔)灌漿孔，孔間距2 m；依據(jù)帷幕灌漿相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，于建基面以下壓入水泥漿。灌漿深度：進(jìn)入弱透水巖層不少于2 m。防滲標(biāo)準(zhǔn)5 Lu。壩體內(nèi)部回填：鉆孔、低壓壓入水泥漿[4]。

左壩肩繞壩滲漏：采用大范圍帷幕灌漿方案，要求截?cái)郌2斷層，以此解決繞壩滲漏問題。帷幕灌漿于灌漿廊道(長(zhǎng)66 m)內(nèi)進(jìn)行，單排灌漿；灌漿孔交叉穿過斷層滲漏帶，孔距2 m，F(xiàn)2斷層附近增設(shè)一排灌漿孔(5孔)，共38孔。灌漿深度：以巖體透水率<5Lu或>50%壩高控制(F2斷層處適當(dāng)增加)。

右壩肩繞壩滲漏：實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，大壩右壩肩存在厚度為20 m的弱風(fēng)化巖體，為透水層。結(jié)合“壩體與壩肩接觸滲漏”的處理方案，設(shè)計(jì)人員在這一部分同樣采取了帷幕灌漿的做法，以便形成一個(gè)完整的防滲體系,單排灌漿，孔距2 m，總計(jì)16孔。灌漿深度：以巖體透水率<5Lu或>50%壩高控制[5]。

3結(jié)論

在多年運(yùn)行后，砌石拱壩壩體出現(xiàn)滲漏、裂縫是一種比較普遍的現(xiàn)象，本次整治的砌石拱壩位于高寒地區(qū)、深峽谷中，年溫差較大、凍融破壞較強(qiáng)、施工場(chǎng)地較為狹窄，相對(duì)于一般拱壩而言，除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)和施工的難度較高。結(jié)合本次除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)思路，我們可以得出以下結(jié)論：(1)反復(fù)凍融、凍脹現(xiàn)象的存在使高寒地區(qū)的砌石拱壩更容易出現(xiàn)滲漏問題，不僅不利于水庫(kù)水量的保持，還會(huì)大幅降低壩體材料的強(qiáng)度。所以，在此類工程的除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中，應(yīng)將防止水庫(kù)入滲作為整治重點(diǎn)，消除或最大程度減少凍融循環(huán)重復(fù)的現(xiàn)象。另外，就是要適當(dāng)增加壩體厚度，以此改善大壩的應(yīng)力狀況。(2)做到對(duì)充填灌漿方法的針對(duì)性選擇，盡可能將已成裂隙、充填砌體內(nèi)孔隙進(jìn)行粘合，提高砌體抗凍、抗?jié)B能力，避免砌石強(qiáng)度繼續(xù)因?yàn)閮雒浂l(fā)生下降。設(shè)計(jì)人員依據(jù)砌石拱壩的實(shí)際情況，通過“大壩上游掛網(wǎng)噴混凝土+壩體充填補(bǔ)強(qiáng)灌漿”來(lái)處理壩體滲漏與壩體應(yīng)力超允許值的問題，通過帷幕灌漿來(lái)處理壩體與壩肩接觸滲漏、壩肩繞壩滲漏的問題，獲得了比較理想的效果。(3)砌石拱壩發(fā)生滲漏、裂縫的可能性較高，為此，在項(xiàng)目建設(shè)之初應(yīng)將墊座做的厚大一些，且墊座厚度應(yīng)大于上部壩體厚度，從而為后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)以及整治工程的順利開展提供方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]王貴明.平橋砌石拱壩防滲加固設(shè)計(jì)研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2015 (2):71-73.

[2]陳孝煉.觀山水庫(kù)小型砌石拱壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)[J].水利科技，2015 (1):31-33.

[3]熊育祥.高車水庫(kù)混凝土砌石拱壩基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].小水電，2015 (4):27-28.

[4]付典龍，劉蕓華.砌石拱壩防滲處理措施探討[J].浙江水利科技，2015 (3):87-88.

[5]王廷志，徐國(guó)勇.漿砌石拱壩裂縫的預(yù)防和處理初探[J].水利科技，2008(4):51-52.

作者簡(jiǎn)介：宋強(qiáng)(1966-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水利管理工作。

中圖分類號(hào)：TV698；TV697.3+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)04-0074-03