面板堆石壩施工期反滲水問題及處理措施研究

宿 生，李曉偉

(海南蓄能發(fā)電有限公司，海南 海口 570311)

混凝土面板堆石壩由于良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用。我國自20世紀(jì)80年代采用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩以來，相繼建成了天生橋一級、公伯峽、水布埡等一批代表性工程，取得了筑壩技術(shù)的重大進(jìn)步。

在面板堆石壩施工過程中，由于壩體結(jié)構(gòu)、施工組織等方面的原因，施工期反滲水問題往往難以避免，對壩體施工質(zhì)量及大壩安全有較大影響，必須予以妥善處理。

1 施工期反滲水問題產(chǎn)生的原因

1.1 壩體結(jié)構(gòu)方面

面板堆石壩的壩體分區(qū)設(shè)計一般考慮壩料的滲透穩(wěn)定，即上游壩料滲透性小于下游壩料。但這種壩料分區(qū)設(shè)計必然造成壩體承受反向水滲水壓力的能力較弱。天生橋一級面板堆石壩試驗表明，3m寬墊層在約4.0m反向水壓力情況下即可能出現(xiàn)管涌型滲透破壞，珊溪面板堆石壩2m寬墊層在約3.0m反向水壓力情況下即可能產(chǎn)生管涌和流土過渡性破壞[1]。

國內(nèi)學(xué)者計算分析表明，混凝土面板承受反向滲水壓力能力極為有限。劉永開假設(shè)混凝土面板為板式梁、底部周邊縫處約束為鉸支座，推導(dǎo)出支座破壞前后不同反向滲水壓力下板式梁的最大彎矩及出現(xiàn)的位置，計算表明50cm厚、雙向配φ22@200鋼筋的混凝土面板在5.78m反向水壓力下即達(dá)到其抗彎承載力[2]。

1.2 地形方面

由于面板堆石壩趾板對基礎(chǔ)要求較高，一般要求開挖至弱風(fēng)化基巖，必然造成趾板建基面低于下游堆石區(qū)建基面，形成壩址區(qū)高程最低的凹坑，具備水流匯集條件。

壩基集雨面積內(nèi)的降雨徑流、圍堰及兩岸基巖滲水、各類施工用水則為反向滲水的形成提供了水源條件。

1.3 施工組織方面

統(tǒng)計已建和在建的面板堆石壩工程，其下游圍堰一般不做專門防滲處理，導(dǎo)致施工期通過下游匯入壩體內(nèi)的水量較大，特別是趾板下挖較深的工程，施工期反滲水更易對壩體產(chǎn)生危害[3]。

圍堰擋水后，壩體內(nèi)滲水量受地下水位影響將有所增加。受圍堰度汛標(biāo)準(zhǔn)限制，汛期一旦洪水翻過圍堰，淹沒趾板基坑，則后續(xù)抽水過程中上游墊層坡面或面板也面臨反向滲水壓力的威脅。

2 施工期反滲水的危害

2.1 表現(xiàn)形式

(1)在大壩填筑過程中，如反滲水聚集在趾板下游側(cè)不能及時引排，則將造成該區(qū)域墊層料、小區(qū)料等含水率過高，從而在碾壓過程中不易壓實，形成所謂的“彈簧土”[4]，影響填筑質(zhì)量及進(jìn)度。

(2)反滲水壓力超過墊層料臨界水力比降后，將從上游面逸出并造成墊層料的滲透破壞。墊層料(含小區(qū)料)一旦破壞，修復(fù)施工非常困難，且回填壩料的壓實難以保證，特別是周邊縫區(qū)域如壩料空隙率過大，則極有可能在運行期發(fā)生較大變形，造成止水系統(tǒng)破壞。

(3)混凝土面板及止水體系施工完成(或部分完成)后，如反滲水壓力超過面板承載能力，將造成面板表面開裂，甚至出現(xiàn)抬動破壞。面板一旦抬動將嚴(yán)重破壞面板及止水體系，使其無法正常工作，其中周邊縫止水將撕裂或從趾板混凝土中拔出，面板將折斷鼓出且下部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)脫空。面板抬動破壞后的檢測及修復(fù)補強施工極為復(fù)雜、困難，代價高昂，并給壩體后期正常運行留下隱患。

(4)如壩體上游墊層料采用擠壓邊墻護(hù)坡，則反滲水壓力可能造成擠壓邊墻脫坡坍塌，其原理與面板抬動破壞類似。

2.2 部分工程反滲水破壞情況

根據(jù)文獻(xiàn)報道情況，國外塔斯馬尼亞水電局[5]在初期面板堆石壩施工中，曾發(fā)生過反滲水損壞面板的事故，國內(nèi)也有多座面板堆石壩在施工期受反滲水破壞，見表1。

3 施工期反滲水處理措施

國內(nèi)面板堆石壩工程在實踐中積累了較為成熟的施工期反滲水處理經(jīng)驗。總體而言，反滲水處理方案應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、氣候及現(xiàn)場施工布置等因素，采取截排結(jié)合、以排為主的方法。具體來說，就是通過圍堰、截水溝等措施避免外水進(jìn)入基坑，同時在壩體內(nèi)布置排水管、集水井等對內(nèi)水進(jìn)行抽排。

本文主要對施工期反滲排水措施的布置進(jìn)行討論。

3.1 施工期反滲排水方案

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報道情況，面板堆石壩施工期反滲水的處理一般采用預(yù)埋反向排水管自流后在趾板上游集中抽排及設(shè)壩內(nèi)集水井抽排的方法，其中珊溪、白溪、灘坑、三板溪、柴石灘、龍馬、引子渡、柏葉口、開茂、巴貢(馬來西亞)等工程采用了預(yù)埋反向排水管方案，天生橋一級、公伯峽、水布埡、吉林臺一級、斜卡等工程采用了反向排水管結(jié)合壩體集水井的方案，并均獲得了成功[11- 12]。

可見采用反向排水管進(jìn)行壩內(nèi)反滲排水方案已獲壩工界認(rèn)可，并取得了廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，在壩內(nèi)布置反滲集水井可提高反滲排水的保證率，并能靈活應(yīng)對各種情況下的反向排水管堵塞失效事故，也可為后期反向排水封堵提供便利。但布置集水井對壩體填筑及面板混凝土澆筑有一定的干擾，且增加了后期集水井回填、封堵工作量。

表1 國內(nèi)部分面板堆石壩反滲水破壞情況[6- 10]

實際工程建設(shè)過程中，應(yīng)結(jié)合工程實際情況，在確保工程安全的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)、適用的反滲排水方案。

3.2 施工期反滲排水設(shè)計

3.2.1反滲水量的確定[13]

需進(jìn)行引排處理的壩體總滲水量一般包括以下部分：集雨面積內(nèi)的降雨匯水、地下滲水、施工用水等。

集雨面積內(nèi)的降雨取值可考慮選取代表時段的平均降雨量，并根據(jù)壩基周邊截排水設(shè)施布置對總匯水量進(jìn)行折減取值；地下滲水包括圍堰、壩基及邊坡滲水等，可在圍堰防滲、壩基開挖完成后實測確定；施工用水來源包括壩料加水、壩面灑水、灌漿等，可結(jié)合施工方案取值。

壩體總滲水量(一般以m3/h為單位)確定后，可進(jìn)一步確定反向排水管數(shù)量、管徑及抽水需要的水泵參數(shù)。

3.2.2 反向排水管的布置

綜合各工程情況，反向排水的布置基本類似，區(qū)別僅在于反向排水管的數(shù)量、管徑、材質(zhì)、外露長度、壩體內(nèi)花管段排水體設(shè)置等。一般的布置原則為：

(1)反向排水管與壩內(nèi)橫向碎石排水體形成縱橫聯(lián)系的排水系統(tǒng)，確保壩內(nèi)積水能順利自流排出。

(2)反向排水管一般布置在河床段高程較低部位，壩外伸出趾板頂部，壩內(nèi)深入主堆石區(qū)一定范圍，并設(shè)一定長度的花管段，外包不銹鋼濾網(wǎng)，接碎石排水體。

(3)排水管橫向布置應(yīng)考慮趾板分塊及地形等因素，并應(yīng)注意保證滲水量較大區(qū)域的排水能力。

圖1為某工程施工采用的反向排水管布置型式，河床趾板處設(shè)置3根φ200反向排水管，間距均勻分布6m，出口外露5cm，內(nèi)部伸向堆石區(qū)1m，在堆石區(qū)2.0m范圍內(nèi)設(shè)置排水體；伸進(jìn)排水體內(nèi)鋼管采用花管，排水孔口包2層不銹鋼濾網(wǎng)。

3.2.3 壩內(nèi)集水井的布置

壩內(nèi)集水井的布置一般與反向排水管相結(jié)合，且以自流排水為主，集水井抽排為輔。其具體布置也宜結(jié)合壩體內(nèi)滲水情況、施工度汛要求等綜合考慮。如水布埡工程壩內(nèi)集水井的布置情況[13]，在距離趾板后部25m的堆石區(qū)設(shè)置2個集水井(直徑2.0m)，排水井由2層圓形鋼筋網(wǎng)圍成，之間填充級配碎石凈料，鋼筋網(wǎng)外填1m厚的過渡料；在河床段共設(shè)6根排水鋼管(直徑20cm)與排水井聯(lián)合工作。

3.2.4 反向排水的封堵

反向排水的封堵施工關(guān)系到混凝土面板防滲系統(tǒng)的安全，對封孔時間、封孔順序、面板上游鋪蓋回填速度、面板下游水位上升速度、面板承受的反向水壓力等均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析和研究。

圖1 某工程反向排水管布置典型剖面圖

封堵施工應(yīng)待面板及止水施工完成，選擇在枯水期晴好天氣時進(jìn)行，盡可能抽干基坑內(nèi)積水，并停止壩區(qū)內(nèi)施工用水。

根據(jù)壩體總反滲水量及面板后壩體性狀、壩料空隙率等，可以求得反向排水封堵后壩內(nèi)水位上升高度與時間的近似關(guān)系。一般而言，根據(jù)面板下游側(cè)水位上升速度，并考慮一定富裕度的情況下，上游鋪蓋填筑強度較高，一般是難以達(dá)到的。

為穩(wěn)妥起見，反向排水管的封堵宜分批進(jìn)行，先封堵出水量較小的排水管，再結(jié)合壩前鋪蓋填筑情況陸續(xù)封堵剩余排水管，最后封堵的排水管附近可結(jié)合面板壓重設(shè)置擋土墻對排水管出口進(jìn)行保護(hù)，形成集水井對滲水進(jìn)行抽排。待排水井以外的區(qū)域鋪蓋足以抵消下游反向水壓力時，立即進(jìn)行最后1根反向排水管的封堵。

(1)用竹竿裹紗布清洗排水管內(nèi)壁，然后塞30cm白麻至排水管深處，再填筑30cmSR塑性填料。

(2)采用自流方式進(jìn)行灌注預(yù)縮砂漿，灌注至孔口后采用鋼筋對砂漿進(jìn)行振搗密實。

(3)在孔口5cm填筑SR塑性填料。

(4)孔口周圍50cm×50cm范圍內(nèi)基面清理干凈，采用SR塑性填料找平，用50cm×50cm(長×寬)的6mm氯丁橡膠片和2cm厚鋼板進(jìn)行孔口封閉，鋼板采用膨脹螺絲固定。

(5)鋼板外側(cè)澆筑C30混凝土保護(hù)墩，混凝土結(jié)合面鑿毛處理。

圖2 某工程反向排水管封堵布置圖

3.3 其他需注意的問題

(1)為減少匯入壩體內(nèi)的水量，應(yīng)在基坑外側(cè)及左右壩肩適當(dāng)位置設(shè)置臨時截水溝，對地表水引排。同時，應(yīng)盡可能避免其他作業(yè)面施工用水排入壩體基坑區(qū)域。

(2)在壩體下游可考慮布置排水井將下游積水抽出圍堰外，減輕上游排水負(fù)擔(dān)。

(3)做好反向排水管的日常檢查、維護(hù)，發(fā)現(xiàn)堵塞及時進(jìn)行疏通。汛前應(yīng)將趾板基坑及邊坡上的雜物等清理干凈，避免隨雨水流入基坑。

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4 特殊情況的處理

4.1 汛期洪水淹沒基坑后的抽排水

汛期洪水淹沒基坑造成反向排水堵塞失效是多個工程面板抬動破壞的直接原因。由于洪水?dāng)y帶的大量泥沙可能淤積并堵塞反向排水管出口，洪水過后基坑抽水可能對上游坡面或面板產(chǎn)生反向水壓力，因此抽水過程應(yīng)十分小心，尤其應(yīng)重視以下方面：

(1)抽水速度應(yīng)盡可能慢(下降速度0.5～1.0m/d)，必要時通過監(jiān)測儀器及時監(jiān)控壩內(nèi)水位，確保不出現(xiàn)反向水壓力；關(guān)注面板鋼筋計、三向測縫計等的測值變化情況，掌握面板工作狀態(tài)。

(2)抽水過程中發(fā)現(xiàn)面板表面鼓出、錯位，或鋼筋計、三向測縫計測值異常等情況時，應(yīng)立即停止抽水并向基坑反抽水平壓。

(3)如分析確認(rèn)反向排水管已失效，則后續(xù)抽水過程中應(yīng)在面板上隨水位下降同步打孔降壓。

如果壩內(nèi)未布置內(nèi)水位監(jiān)測儀器，或儀器失效、不能準(zhǔn)確監(jiān)測壩內(nèi)水位，也可考慮在面板上試驗性開孔排水減壓輔助抽水，以策安全。

排水孔排距采用1.0～2.0m，孔徑以小于100mm為宜，并在孔口充填過濾材料，防止墊層區(qū)細(xì)料掏空。

(4)抽水完成后，及時對基坑進(jìn)行清理，并對反向排水管進(jìn)行疏通，直到排水通暢。

4.2 寒冷地區(qū)面板堆石壩越冬期反向排水保護(hù)

國內(nèi)高緯度地區(qū)修建的面板堆石壩，則面臨冬季反向排水管因水體結(jié)冰而堵塞失效的風(fēng)險，必須采取可靠措施，保證壩體內(nèi)積水不凍結(jié)，主要措施包括：

(1)保證排水通暢，確保壩體內(nèi)的滲水處于流動狀態(tài)。必要時采用電極對壩體反向排水管進(jìn)行加熱。

(2)做好面板的冬季表面保溫，如具備條件可在越冬前進(jìn)行蓋重填筑。

4.3 面板抬動后的處理

一旦出現(xiàn)反滲水壓力引起的面板抬動，須采取穩(wěn)妥的處理措施，并注意以下方面：

(1)盡快疏通反向排水管，或在趾板、面板等部位布置足夠的排水孔，降低壩內(nèi)水壓力，避免破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2)全面檢查面板、趾板及止水系統(tǒng)破壞情況，為后續(xù)補強修復(fù)施工提供決策依據(jù)，包括周邊縫、垂直縫止水破壞范圍，面板裂縫性狀、脫空范圍，趾板混凝土破損情況，墊層料細(xì)顆粒流失情況等。

(3)視破壞范圍和程度，采取的補強修復(fù)措施主要包括鑿除受損區(qū)域并重新澆筑、止水修復(fù)、脫空區(qū)域回填灌漿、面板表面裂縫處理及加強施工縫表面止水處理等。鑿除受損面板的修復(fù)施工還需注意剩余面板沿坡面的抗滑穩(wěn)定。

面板抬動破壞的修復(fù)施工應(yīng)力求穩(wěn)妥，消除隱患，具體做法可參考國內(nèi)相關(guān)工程案例。

5 結(jié)語

分析國內(nèi)面板堆石壩反滲水破壞的工程案例可以發(fā)現(xiàn)，一些工程認(rèn)識到了反向滲水危害，也采取了相應(yīng)的工程措施，但施工中仍因疏忽大意或各種突發(fā)情況，出現(xiàn)反滲水壓力造成面板抬動的事故。可見面板堆石壩反滲水處理是一個十分復(fù)雜的問題，必須因地制宜，采取針對性的措施。結(jié)合目前國內(nèi)工程建設(shè)情況，建議做好以下方面：

(1)在設(shè)計階段即統(tǒng)籌考慮發(fā)生反滲水破壞的可能性，制定合理、可行的反滲水處理方案，明確相關(guān)技術(shù)要求，更好地指導(dǎo)施工。

(2)反滲水處理方面應(yīng)適當(dāng)留有余地，提前制訂特殊情況下的應(yīng)對措施，做到未雨綢繆。

(3)加強施工期壩內(nèi)水位、周邊縫位移、面板鋼筋受力等的監(jiān)測，尤其是洪水淹沒基坑后抽水等突發(fā)情況下的安全監(jiān)測，為施工提供決策依據(jù)。