岑樹高
淺談砌石拱壩防滲加固方案比選和應(yīng)用
岑樹高
(貴州省黔南州水利水電勘測設(shè)計研究院,貴州都勻558000)
對不同情況下砌石拱壩病險情況的處理方案進(jìn)行分析,以水打橋水庫為例,對壩體存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定隱患的處理方案進(jìn)行了比選,分析了兩種處理方案的差異性;又以馬巖水庫為例,對壩體僅存在滲漏問題的處理措施進(jìn)行了探討。兩個工程已經(jīng)蓄水運(yùn)行發(fā)揮效益多年,所采用的具體方案對設(shè)計與施工具有一定借鑒價值。
病險水庫;防滲;加固;砌石拱壩;方案設(shè)計
對壩體存在的結(jié)構(gòu)應(yīng)力不滿足規(guī)范要求的問題,主要從兩個方向考慮:(1)不改變原壩體體型,增加輔助設(shè)施改善原壩體應(yīng)力(A人為抬高壩體的下游水位抵消部分上游水壓力,以減小壩體最大應(yīng)力值;B降低正常高水位,減小壩體應(yīng)力,即降低原壩體高度或控制冬季上游水位來減小壩體拉應(yīng)力);(2)對壩體進(jìn)行加厚處理(上游壩面加厚和下游壩面加厚)。顯然前者對灌溉效益不利,且投資也不經(jīng)濟(jì)。本文主要分析后一種方案的具體措施。
1.1 概況
水打橋水庫位于惠水縣城東北20 km大壩鄉(xiāng)境內(nèi),所在河流屬珠江流域紅水河水系上游漣江的二級支流,壩址以上集雨面積為6.37 km2。水庫屬?。?)型工程,工程等別為Ⅳ等,主要建筑物為4級。原大壩壩型為漿砌石雙曲拱壩,壩頂弧長為93.5 m,壩頂寬為1.91 m,壩底寬為4.0 m,最大壩高為27.5 m;溢流段位于拱壩中部,凈寬為23.5 m。該大壩于上世紀(jì)70年代動工興建,期間三次停工復(fù)建,至1984年才完工投入蓄水運(yùn)行。運(yùn)行中壩體多處出現(xiàn)射流,兩壩肩有貫穿性裂縫。由于壩身較薄,汛期宣泄洪水時感覺壩身有震動現(xiàn)象。2010年對該水庫進(jìn)行除險加固設(shè)計時選定了上游變厚拱端加厚方案[1-2]。
1.2 加固方案
鑒于該工程多次停工復(fù)建,壩體砌筑材料復(fù)雜(第一期:上下游采用M10水泥砂漿砌塊石,上游在砌石后設(shè)置0.5 m厚C15砼防滲墻,砌筑材料為M10砌毛石。第二期:采用C15砼澆筑,澆筑高度4.16 m。第三期:上下游面采用砼預(yù)制塊砌筑,上游面有預(yù)制塊后設(shè)置0.5 m厚C15砼防滲墻,中間填M10水泥砂漿毛石),用傳統(tǒng)的多拱梁法難以合理分析計算,經(jīng)有限元分析方法計算各種工況下的應(yīng)力變形(見表1),分析新老壩體接觸面的結(jié)合狀況,對加厚后拱壩的整體狀態(tài)進(jìn)行評價,并提出新老接觸面處理的工程措施。
圖1 大壩上游加厚設(shè)計剖面圖
通過分析計算,上游壩體加厚后變形很小,壩頂部的變形相對較大,向壩肩和壩底逐漸減小。在正常蓄水位溫降工況,順河向變形極值為8.0 mm,出現(xiàn)在溢流堰頂拱冠部位上游側(cè)。在設(shè)計洪水位工況和校核洪水位工況,向下游變形的極值僅為2.0 mm左右。壩體應(yīng)力水平較低,主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力。
表1 兩種加固方案新老壩體交接面應(yīng)力比較表單位:MPa
在各工況下,壩體應(yīng)力均符合設(shè)計規(guī)范要求,最大主拉應(yīng)力值出現(xiàn)在正常蓄水位溫降工況,為1.48 MPa,小于規(guī)范要求的1.50 MPa;最大主壓應(yīng)力值出現(xiàn)在校核洪水位工況,為1.98 MPa,遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的容許壓應(yīng)力值。
鑒于該工程的壩肩穩(wěn)定還不滿足規(guī)范要求,所以考慮增大壩肩嵌深即延長壩體長度或增加壩肩厚度。綜合考慮增大壩肩厚度,增加壩肩嵌深,使壩肩應(yīng)力滿足規(guī)范要求。同時確保在各種工況下,大壩整體穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。
考慮大壩整體協(xié)調(diào)性,新老壩體結(jié)合情況是直接影響因素,法向拉應(yīng)力可能導(dǎo)致脫開現(xiàn)象。因此在實(shí)際工程施工中,結(jié)合面一般鋪一層砂漿并插連接錨筋,還經(jīng)過灌漿處理,避免局部法向拉應(yīng)力及剪應(yīng)力對新老壩體良好結(jié)合造成影響。該工程已于2011年4月完工并蓄水運(yùn)行,至今正常發(fā)揮效益。
1.3 加固處理方案的差異性分析
如采用在大壩上游面整體加厚(見圖1),可以滿足應(yīng)力、穩(wěn)定需要,方便布置壩體砼防滲墻。工程加固處理效果好。但需要放空抽干水庫,壩前清淤及壩基(肩)開挖難度較大。存在施工度汛安全的問題。
而采用在大壩下游面加厚,容易滿足應(yīng)力、穩(wěn)定需要,但厚度較大。若壩肩存在穩(wěn)定問題需做重力拱壩或重力墩形式。壩體防滲可以在上游面抹面防滲??梢岳美蠅螕跛_挖,壩前不用清淤、施工難度較小。但工程投資較大,上游壩面需要重新處理,壩體防滲效果不顯著。
以福泉市馬巖水庫為例。該水庫位于谷汪鄉(xiāng)馬巖寨下游0.5 km。水庫壩址距牛場鎮(zhèn)10 km,距市區(qū)43 km。有鄉(xiāng)村公路穿過壩區(qū)及右岸,交通較為方便。水庫所在河流位于長江流域沅江干流清水江的一級支流重安江上游。水庫壩址以上流域面積為12 km2,壩址河床高程1213 m,壩址以上主河長度5.2 km,加權(quán)平均坡降28.4‰。大壩為砌石雙曲拱壩。工程于1977年冬興建,1980年緩建,完成壩高9 m。1985年續(xù)建,1989年6月建成蓄水。壩頂高程1248.5m,最大壩高37m,正常蓄水位1246.5m,總庫容557.4萬m3。設(shè)計灌溉面積1.25萬畝,屬于小(1)型工程。
大壩無防滲心墻,壩身較單薄,投入運(yùn)行后壩體下游面庫水位以下浸潤線明顯,壩體滲漏較為嚴(yán)重,高水位時局部出現(xiàn)射流。左右壩肩滲漏較為嚴(yán)重,當(dāng)水庫蓄水到1233.0 m高程時,左岸有三處漏水,單點(diǎn)流量達(dá)1.5 L/s。水庫蓄水位常年限蓄在1241 m以下,水庫不能發(fā)揮應(yīng)有灌溉效益。經(jīng)采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行復(fù)核,大壩應(yīng)力及穩(wěn)定滿規(guī)范要求,僅存在滲流問題。根據(jù)勘察鉆孔揭露,壩體材料為漿砌石,凝結(jié)較差,漿砌石段的透水率都在10 Lu以上,局部達(dá)到100 Lu。若在上游加防滲墻方案,需考慮圍堰、導(dǎo)流及清淤。而水庫已建成28年,水庫淤積量較嚴(yán)重,臨時工程量較大。故在壩頂沿壩軸線布置鉆孔進(jìn)行水泥灌漿[3],對出現(xiàn)射流部位布置鉆孔時采取包圍加密的方式進(jìn)行反壓充填灌漿。先用反壓灌漿在砌體內(nèi)填充空隙,視灌水泥漿的效果后考慮是否再進(jìn)行化學(xué)灌漿。最后實(shí)施壩體補(bǔ)強(qiáng)灌漿,可減少漿液外滲造成不必要浪費(fèi)。
反壓灌漿即在下游壩面主要漏水部位、射水及大面積浸潤部位采用風(fēng)鉆鉆孔,然后預(yù)埋有砂眼的灌漿管進(jìn)行灌漿處理,用低壓灌入水泥漿填充砌體內(nèi)空隙。鉆孔為水平方向朝上游,具體孔位與壩頂補(bǔ)強(qiáng)灌漿鉆孔錯開??讖溅?3mm~38mm,孔深1.5m~3.5m不等(進(jìn)入壩體大于1.5m)。按梅花狀布置,水平方向間距一般為3m,垂直方向1.5m~2.0m不等。鉆孔完成后預(yù)埋有砂眼的灌漿管,埋入壩體的部分為花管。所有埋管外露部分不能低于30cm,管口設(shè)閘閥,且密封良好。埋管孔口用高強(qiáng)砂漿固定,待凝后再實(shí)施灌漿。灌漿按先低位后高位順序,同一高程分II序次先稀后密叉開進(jìn)行。灌漿壓力初定為0.2MPa,最大壓力為0.3 MPa,灌漿濃度為2∶1、1∶1、0.6∶1三個比級,當(dāng)注入率不大于0.4 L/min,持續(xù)20 min;或縫面漏出濃漿持續(xù)2 min即可結(jié)束,待個孔口閘閥關(guān)閉后再停機(jī),閉漿時間不低于8h。經(jīng)蓄水運(yùn)行,大壩下游滲漏狀況基本消失,效果非常明顯。
但在一些浸潤面較大沒有明顯射流的砌石壩中,采用聚合物乳液砂漿在上游壩面進(jìn)行抹面的防滲措施[4],施工方案工藝簡單,工期短,投資省。但聚合物水泥漿和砂漿不能大量配制,壩面要求無浮塵、雜物、油污等,保持表面潮濕,壩體粘結(jié)面需一次性打底抹、壓平、清光,不平整部位需分層多次摸薄漿。對下部壩體因部分水庫無法清淤或放空存水有一定局限性。
(1)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,使用有限元方法能較全面分析拱壩加厚后新老壩體的應(yīng)力變形和結(jié)合面狀況,便于存在結(jié)構(gòu)性問題的大壩進(jìn)行加固設(shè)計,同時對細(xì)部結(jié)構(gòu)采用針對性的措施具有重要作用。
(2)對僅存在滲漏隱患的砌石體采用鉆孔灌漿并結(jié)合下游面集中滲漏點(diǎn)埋管反灌的方案簡單可行,也有些工程采用聚合物乳液砂漿在上游壩面進(jìn)行抹面防滲方案工藝簡單,工期短。兩方案各有優(yōu)劣,均具有明顯的效果,后者投資省,但對壩面的平整性和空庫條件有一定限制。
[1]混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范(SL282—2003)[S].北京:中國水利水電出版社,2003.
[2]貴州省水利廳,湖南水利水電勘測設(shè)計研究總院,福建水利水電勘測設(shè)計研究院,等.砌石壩設(shè)計規(guī)范(SL25—2006)[S].北京:中國水利水電出版社,2006.
[3]楊月林.朱均超,水工建筑物水泥灌槳施工技術(shù)[M].長江出版社,2004年9月出版.
[4]王長樂.劉國建等,小型砌石壩的防滲措施[J].河南水利,2002年05期.
TV642.4
B
1673-9000(2017)02-0139-02
2016-11-30
岑樹高(1968-),男,貴州獨(dú)山人,高級工程師,主要從事水利水電工程勘察設(shè)計及項目管理工作。