土壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核及套井回填粘土防滲技術(shù)應(yīng)用

史天波，陳文斌

(1.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核及套井回填粘土防滲技術(shù)應(yīng)用

史天波1，陳文斌2

(1.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

團(tuán)結(jié)水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差和運(yùn)行維護(hù)落實(shí)不到位等，在高水位蓄水運(yùn)行中，存在壩頂高程不滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)、壩體滲漏和壩基壩肩接觸段滲漏等問(wèn)題，且呈加劇趨勢(shì).為消除水庫(kù)安全隱患，經(jīng)實(shí)地踏勘和鉆芯取樣，結(jié)合大壩安全復(fù)核結(jié)果，優(yōu)選壩頂培厚增高與套井回填粘土防滲相結(jié)合的除險(xiǎn)加固修復(fù)方案.防滲加固處理后，大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)、壩體滲流和抗滑穩(wěn)定性等特性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，大壩滲漏問(wèn)題得到有效控制.

壩體滲漏；套井回填；滲透比降；防滲加固

土壩具有就地取材節(jié)省“三材”、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于加高擴(kuò)建、施工技術(shù)工序少便于組合機(jī)械快速施工、壩身變形適應(yīng)性強(qiáng)對(duì)地基要求低等優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程中得到廣泛推廣與應(yīng)用.土壩作為地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性均較優(yōu)越的主流壩型，在深厚覆蓋層、較差地基條件、寬闊河谷等流域中，起到較好的應(yīng)用成果和研究進(jìn)展，尤其在結(jié)構(gòu)造型、技術(shù)指標(biāo)、施工工藝等方面出現(xiàn)較多創(chuàng)新和突破[1].但由于當(dāng)時(shí)歷史背景的制約，許多大壩屬于典型“群眾運(yùn)動(dòng)、土法上馬”工程，在幾十年運(yùn)行中，工程老化、退化嚴(yán)重，壩體滲漏、接觸帶滲漏甚至壩坡崩塌失穩(wěn)等，直接影響到大壩安全穩(wěn)定運(yùn)行[2].本文結(jié)合大壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核成果，采取合理防滲修復(fù)工程措施，以便安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)地解決工程隱患.

1 工程概況

團(tuán)結(jié)水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼顧防洪、引水發(fā)電和生態(tài)養(yǎng)殖等綜合利用的小(1)型水庫(kù)工程.該水庫(kù)于1968年12月動(dòng)工修建，1975年02月竣工,水庫(kù)壩址以上集水面積為0.52 km2，引水面積2.73 km2，河道長(zhǎng)度1.08 km，比降為2.35%.水庫(kù)正常蓄水位657.50 m，正常庫(kù)容378.50×104m3，死庫(kù)容66×104m3，興利庫(kù)容302.50×104m3，總庫(kù)容423.50×104m3.水庫(kù)大壩樞紐由均質(zhì)土壩、右岸開(kāi)敞式溢洪道和右岸壩下引水涵管等組成，壩長(zhǎng)115 m，頂寬4.8～5.2 m，防浪墻高0.8 m.

2 大壩滲漏現(xiàn)狀及原因分析

大壩填筑材料為均質(zhì)土，現(xiàn)狀壩頂高程661.20～661.50 m，最大壩高25 m，壩頂長(zhǎng)115 m.上游壩坡為塊石護(hù)腳，坡比1 ∶2.8，壩坡面不平整；下游壩坡被上壩公路分為兩級(jí)，上、下半部坡比1 ∶2.5，并設(shè)置墊褥式棱形排水反濾體.下游壩腳未設(shè)置排水，雜草叢生，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)下游壩坡后存在大面積潮濕至沼澤化區(qū)域，多處存在管涌、砂沸滲透變形等問(wèn)題.

大壩壩體雖歷經(jīng)1998年、2007年和2011年3次修復(fù)加固，但也只是拆除部分原反濾體，培厚減緩下游壩坡等簡(jiǎn)單工程措施，沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)加固修復(fù)處理.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘并結(jié)合設(shè)計(jì)文件和竣工檔案資料進(jìn)行綜合分析，大壩壩體主要存在以下病險(xiǎn)問(wèn)題：(1)上、下游壩坡面平整度較差，表面雜草叢生，且未設(shè)置排水和反濾設(shè)施，下游壩腳存在大面積潮濕至沼澤化區(qū)域.(2)下游壩面及壩腳存在明顯漏水點(diǎn)，有的甚至呈現(xiàn)射流和管涌狀態(tài)，滲漏量高達(dá)32 L/s.(3)大壩壩基和壩肩處地質(zhì)條件較差，以第四系殘坡積層為主，庫(kù)水沿壩體與壩基和兩壩肩基巖接觸帶間存在滲漏通道，滲透系數(shù)不能達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范要求指標(biāo).

由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，人工挑抬填筑技術(shù)水平差，盲目追求施工進(jìn)度，后期檢修養(yǎng)護(hù)措施落實(shí)不到位等諸多因素的影響，壩基清淤不徹底、未設(shè)置截水、止水結(jié)構(gòu)、工程填筑質(zhì)量差壩體密實(shí)度低、壩體缺土或存在雜物等，導(dǎo)致大壩存在地基處理不好、填筑質(zhì)量差沉陷裂縫、壩坡崩塌滑坡等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅到大壩運(yùn)行的安全穩(wěn)定性[3-4].因此，急需對(duì)壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面系統(tǒng)的安全復(fù)核，并優(yōu)選技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等均較優(yōu)越的防滲除險(xiǎn)加固措施，有效解決大壩滲漏病害.

3 壩體結(jié)構(gòu)安全復(fù)核及除險(xiǎn)加固防滲處理

3.1 壩體加固前安全復(fù)核結(jié)論

穩(wěn)定計(jì)算按《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL258—2000)和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—22001或DL—2T5395—22007)等相關(guān)規(guī)范要求選擇荷載組合[5]，采用“STAB2008土質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算程序”，不考慮滲透壓力，按簡(jiǎn)化Bishop法對(duì)壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行復(fù)核.復(fù)核結(jié)果表明：(1)防洪標(biāo)準(zhǔn)低.按照設(shè)計(jì)50年一遇，校核200年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，大壩結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，為“C”級(jí)三類壩.(2)滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求.大壩存在嚴(yán)重壩體滲漏和基巖接觸滲漏問(wèn)題，滲透系數(shù)指標(biāo)不滿足規(guī)范要求.(3)滲漏面積大，但結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定.壩腳存在大面積潮濕至沼澤化區(qū)域，存在滲漏通道，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)滿足規(guī)范指標(biāo)要求.

3.2 均質(zhì)土壩除險(xiǎn)加固防滲處理

3.2.1 壩頂高程確定

水庫(kù)正常蓄水位657.50 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容378.50×104m3.經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位(P=2%)為658.45m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容396.50×104m3；水庫(kù)校核洪水位(P=0.5%)為659.15 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容402.50×104m3.多年平均年最大風(fēng)速W=12.6 m/s，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度D=620 m.根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)推薦公式，計(jì)算得壩頂高程復(fù)核成果(見(jiàn)表1).

表1 壩頂高程計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算：正常運(yùn)用(50年一遇設(shè)計(jì)洪水位)條件下，大壩安全超高Y=1.97 m，計(jì)算得壩頂安全高程為663.47 m；非常運(yùn)用(200年一遇校核洪水位)條件下，大壩安全超高Y=1.42 m，計(jì)算得壩頂安全高程為662.92 m.為確保大壩滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)，最終確定大壩高程為663.50 m.

3.2.2 壩體除險(xiǎn)加固防滲處理

根據(jù)大壩安全鑒定結(jié)果，大壩存在壩頂高程不滿足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)、壩體滲漏和壩基壩肩接觸帶滲漏等問(wèn)題.除險(xiǎn)加固防滲原則是通過(guò)加高培厚大壩和采取合理防滲措施，截?cái)鄩误w滲漏通道，確保大壩滿足防洪及抗?jié)B安全穩(wěn)定性要求.

(1)壩頂結(jié)構(gòu)加高培厚設(shè)計(jì)

由于壩頂現(xiàn)狀高程661.20～661.50 m不能滿足現(xiàn)行規(guī)范條件下的防洪標(biāo)準(zhǔn)，需在現(xiàn)狀壩頂高程增加1.97 m超高，計(jì)算確定實(shí)際增加2.0 m，相應(yīng)壩頂高程663.50 m.經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合比較，決定利用壩體土將壩頂增高培厚到663.50 m高程，壩頂從4.6～4.9 m加寬至5.2 m，加固后壩頂與上游壩坡通過(guò)1 ∶2.8；下游壩坡通過(guò)1 ∶2.5坡比進(jìn)行連接.

(2)大壩防滲處理

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，水庫(kù)壩址區(qū)主要以第四系殘坡積層為主，覆蓋層較厚，采用粘土斜墻防滲方案，存在開(kāi)挖量大、開(kāi)挖堆土占地面積大、回填粘土需求量大、綜合投資較高、施工工期較長(zhǎng)等缺點(diǎn).而套井回填粘土防滲方案，通過(guò)在壩體滲漏部位造井分層回填粘土夯實(shí)，以形成連續(xù)粘土防滲墻，堵截壩體內(nèi)部存在的滲流通道，起到防滲加固修復(fù)目的.同時(shí)，此防滲方案無(wú)需大體量開(kāi)挖，施工工程量小、施工工藝技術(shù)較為成熟、施工工效高且造價(jià)低，實(shí)際應(yīng)用防滲效果非常好[7].綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工條件等方面的因素進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)選與工程滲漏特性及除險(xiǎn)加固實(shí)際相匹配的套井回填防滲加固修復(fù)方案.

3.3 大壩套井回填防滲加固后結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

3.3.1 大壩防滲加固后滲流分析

經(jīng)對(duì)壩體典型斷面壩體填筑材料物理特性分析后，獲得壩體各部位滲透系數(shù)指標(biāo).①壩體水平位置：壩體土2.42×10-4cm/s，壩基土2.31×10-4cm/s；②壩體垂直位置：壩體土3.87×10-4cm/s，壩基土1.49×10-4cm/s.從分析結(jié)果表明，壩基土由于填筑施工前壩基清淤處理不徹底，壩體土由于施工碾壓夯實(shí)質(zhì)量較差，導(dǎo)致壩基土和壩體土整體滲透系數(shù)較大，不滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)要求的“防滲土料滲透系數(shù)≤1.0×10-4cm/s”的技術(shù)指標(biāo)，綜合防滲性能較差[8].為了提高大壩壩基土和壩體土整體防滲性能，套井粘土施工中采用的粘土材料，要求其滲透系數(shù)≤0.1×10-4cm/s.

按照SL274—2001或DL—T5395—2007推薦計(jì)算組合條件，結(jié)合工程特性，選擇2種運(yùn)行工況進(jìn)行滲流計(jì)算分析.①正常運(yùn)行工況:正常蓄水位657.50 m+穩(wěn)定滲流期，設(shè)計(jì)洪水位658.45 m+穩(wěn)定滲流期；②非常運(yùn)行工況：校核洪水位659.15 m+穩(wěn)定滲流期.采用理正滲流分析軟件，計(jì)算得各工況條件下流網(wǎng)圖和滲流分析結(jié)果(見(jiàn)圖1和表2).

從表2可以看出，大壩采取整體加高培厚和套井回填防滲加固修復(fù)后，大壩最大滲透比降出現(xiàn)在非常運(yùn)用條件(校核洪水位+穩(wěn)定滲流期)的套井部位，滲透比降為2.26，滲流量為0.46 m3/d，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274—2001)要求的砂壤土最大滲透比降≤[3]的技術(shù)指標(biāo).大壩防滲加固修復(fù)后，整體滲流穩(wěn)定性較好.

3.3.2 大壩防滲加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

大壩防滲加固修復(fù)后，按圓弧滑動(dòng)進(jìn)行壩坡滑動(dòng)穩(wěn)定性分析，結(jié)果(見(jiàn)表3).

圖1 各工況條件下流網(wǎng)圖

運(yùn)用條件(穩(wěn)定滲流期)上游水位/m下游水位/m最大滲透比降滲流量/(m3/d)正常運(yùn)用工況正常蓄水位657．50638．501．870．36設(shè)計(jì)洪水位658．45638．501．950．38非常運(yùn)用工況校核洪水位659．15638．502．260．46

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

從表3可知，大壩防滲加固處理后整體穩(wěn)定性較好，正常運(yùn)用工況下最小安全系數(shù)為1.68；非常運(yùn)用工況下最小安全系數(shù)為1.39，均大于規(guī)范 [K≥1.25]和[K′≥1.15]的技術(shù)指標(biāo).

4 結(jié) 論

團(tuán)結(jié)水庫(kù)均質(zhì)土壩因受設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工技術(shù)不足、建設(shè)資金和施工進(jìn)度緊張、后期運(yùn)維體系不健全等諸多因素影響，尤其是地基清理不徹底、壩體土夯實(shí)不充分、養(yǎng)護(hù)維護(hù)措施不到位等，造成大壩出現(xiàn)壩體滲漏、壩基及壩肩接觸帶滲漏、壩體浸潤(rùn)線偏高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到大壩的安全穩(wěn)定運(yùn)行，急需進(jìn)行全面安全復(fù)核和采取合理防滲加固修復(fù)措施，有效提高大壩運(yùn)行的安全穩(wěn)定性.

(1)大壩安全鑒定結(jié)果表明，壩頂高程防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，壩體和壩基存在嚴(yán)重滲漏問(wèn)題，急需采取有效工程措施提高大壩防洪和抗?jié)B綜合性能.

(2)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)的綜合比較，優(yōu)選壩頂增高培厚與套井回填粘土防滲相結(jié)合的除險(xiǎn)加固方案.修復(fù)處理后，壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，加固后大壩各特性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，防滲加固修復(fù)效果明顯.

(3)加固工程竣工后，選擇10個(gè)抽樣鉆孔進(jìn)行注水試驗(yàn)，結(jié)果表明大壩整體滲透系數(shù)降低到0.28×10-4cm/s，滿足規(guī)范≤1.0×10-4cm/s的技術(shù)指標(biāo)，防滲合格率100%，且歷經(jīng)多次高水位蓄水運(yùn)行和汛期大流量考驗(yàn)，壩體滲漏和壩基壩肩接觸滲漏問(wèn)題得到有效處理.

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SafetyReviewandApplicationofCasingWellBackfillClayAnti-seepageControlTechnologyforEarth-fillDamReinforcement

SHI Tian-bo1, CHEN Wen-bin2

(1. Guizhou Zhongshui Construction Management Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2.College of Water Resource and Architecture Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

The problems of the crest elevation cannot meet the flood control standard, and the leakage exists both in the dam body and the contact belt at dam foundation and abutment and in increasing trend in the dam of Tuanjie Reservoir, which were caused by low design standard, poor construction quality, unplaced operation and poor maintenance measures and other reasons. In order to eliminate the leakage problems of the reservoir, combined with the dam safety review results, the field surveying and drill core sampling are conducted, the anti-seepage reinforcement scheme with increasing crest’s height and thickness as well as casing well backfill clay anti-seepage has been adopted. After dam reinforcement treatments, the flood control standards, dam seepage characteristics and anti-sliding stability and other indicators can meet the regulatory requirements, and the dam leakage problems have been successfully processed.

dam leakage; casing well backfill; seepage gradient; anti-seepage and reinforcement

10.3969/j.issn.2095-7092.2017.04.007

TV641.2

A

1008-536X(2017)04-0036-05

2017-02-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015SXC21P35)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(37809506)

史天波(1967-)，男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)與管理工作.