淺談砌石拱壩防滲加固方案比選和應(yīng)用

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(jì)研究院，貴州都勻558000）

對不同情況下砌石拱壩病險(xiǎn)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(gè)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(jì)與施工具有一定借鑒價(jià)值。

病險(xiǎn)水庫；防滲；加固；砌石拱壩；方案設(shè)計(jì)

1 基于壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定隱患的處理方案

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(gè)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(shí)感覺壩身有震動現(xiàn)象。2010年對該水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)算，經(jīng)有限元分析方法計(jì)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(jià)，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(jì)剖面圖

通過分析計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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。可以利用老壩擋水開挖，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。

2 壩體僅存在滲漏問題的處理方案

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(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)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(shí)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(cuò)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(gè)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(gè)孔口閘閥關(guān)閉后再停機(jī)，閉漿時(shí)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。

3 結(jié)論

（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(jì)，同時(shí)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(jì)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(jì)研究總院，福建水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，等.砌石壩設(shè)計(jì)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

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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(jì)及項(xiàng)目管理工作。