白云水電站混凝土面板堆石壩脫空原因分析及修復處理

柏海駿 馬超 李冠軍

摘要：白云水電站面板堆石壩最大壩高120m，大壩加固前滲漏量達到1240L/s，且有繼續(xù)增大的趨勢，水庫安全受到了嚴重威脅。在大壩除險加固過程中，針對面板存在的脫空問題，采用了地質雷達探測技術以查明面板脫空區(qū)域。根據檢測結果，對面板脫空深度大于3cm的區(qū)域進行了脫空灌漿處理。水庫加固完成后，滲漏量減小到60L/s，處理效果良好。處理方法可供類似工程借鑒。

關鍵詞：混凝土面板堆石壩;面板脫空;地質雷達探測;脫空灌漿;白云水電站

中圖法分類號：TV641.4

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0030-04

1工程概況

白云水電站位于湖南省邵陽市城步縣境內，水庫正常蓄水位540m，總庫容3.6億m³，電站裝機54MW。工程由大壩、泄洪隧洞（兼施工導流）、引水發(fā)電隧洞（兼放空）及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長198.8m，最大壩高120m，大壩上、下游坡比均為1：1.4，壩體采用灰?guī)r料填筑而成。壩基巖性為紫紅色砂巖、灰綠色砂巖、石英砂巖夾薄層頁巖，頁巖向下游傾斜，稍偏左岸。該工程于1992年3月開工，1994年4月開始填筑大壩，1998年12月下閘蓄水。白云水電站面板堆石壩是我國20世紀90年代初建設的最高混凝土面板堆石壩，也是我國建成的首座壩高超過100m的混凝土面板堆石壩，初期運行狀態(tài)總體正常，但自2008年5月開始，大壩滲漏量明顯增大，2010年10月達到800L/s，2012年9月達到1240L/s，大壩安全受到了嚴重威脅。

2面板脫空檢測

2.1檢測原理

為有效查清大壩混凝土面板的脫空情況，采用地質雷達對大壩上游混凝土面板進行探測，以探明面板下部的脫空情況。這種技術具有探測速度快、精度高、操作方便靈活、經濟實用、探測結果能以圖像方式實時顯示及對面板無損傷等優(yōu)點。

地質（或探地）雷達的探測原理（見圖1）是由發(fā)射天線T向地下介質中發(fā)射一定主頻（10～2500MHz）的電磁脈沖波，電磁脈沖波在地層介質中傳播時，遇到地下介質中的物性介面（主要指電阻率和介電常數的差異分介面）時，電磁波發(fā)生反射和透射現象。被反射的電磁波傳回地面，被接收天線R所接收。數據采集系統(tǒng)接收天線和光纜傳回的地下反射回波信息，在電腦中存儲每一測點上波形序列的振幅及波的旅行時間，沿測線等間隔移動天線，在每一觀測點上可獲得一個波形序列，對于整條測線就可形成一條雷達剖面。

不同的介質電性及幾何的差異不僅會引起電磁波的反射，且會使電磁波發(fā)生衰減和相位等特征變化，因此借助對這些信息的分析、處理與解釋，可對地下介質的結構進行描述，從而達到對目標體的探測和工程評價的目的。

常見目標雷達波圖像在介質中的一般主要參照標準特征圖譜如下。

（1）均勻無異常介質：波形均勻，無雜亂反射，該雷達圖像如圖2所示。

（2）鋼筋：有規(guī)律的連續(xù)的小月牙型強反射信號，該雷達圖像如圖3所示。

（3）脫空：界面反射信號強，呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號，該雷達圖像如圖4所示。

參照標準特征圖譜，并結合地質雷達的探測結果，確定面板脫空區(qū)域范圍及脫空深度，面板典型脫空圖像見圖5。

2.2檢測結果

通過檢測發(fā)現，高程501m以上面板大部分存在脫空，最大脫空深度大于7cm，一般在3～5cm范圍。面板下非連續(xù)性明顯脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的61.4%（大于3cm區(qū)域），見圖6～8;一般脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的19.7%（小于3cm區(qū)域），見圖9。高程460～501m區(qū)域面板脫空情況稍好，最大脫空6cm，一般在3～5cm范圍，面板下非連續(xù)性明顯脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的25.9%;一般脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的9.7%。經6個面板鉆孔驗證，地質雷達測值基本準確，相對略大。

3面板脫空原因分析

由于面板堆石壩是以支撐在堆石體上的面板作為防滲體，面板與墊層料之間出現脫空現象后，面板失去緊貼的支撐而使面板工作狀況惡化，易產生裂縫，甚至在長期高水頭作用下還會出現塌陷破壞，進而造成大壩防滲體系嚴重破壞，嚴重影響大壩安全。

鋼筋混凝土面板與堆石是兩種彈性模量相差很大的材料，當墊層料與面板不能協(xié)調變形時，即會出現面板脫空現象。面板脫空的原因大致如下。

（1）當面板澆筑后，支撐面板的堆石（包括墊層料）的變形較大，而由于面板的相對剛性，其變形并不與堆石體的變形同步，在兩者之間出現的變形差導致了面板脫空現象的發(fā)生。在堆石體碾壓質量不高的部位，脫空則會更嚴重。

（2）對分期澆筑的面板，一期面板澆筑完成后，在后續(xù)壩體填筑及蓄水的影響下，大壩仍有較大沉降，過大的沉降發(fā)生時，在上一期面板的中上部會出現面板脫空現象。

（3）大壩蓄水影響下，雖壩體及面板都向下游變形，但堆石體及墊層料變形量值較大，而面板的量值較小。對于峽谷型面板壩，由于面板與墊層的變形不能協(xié)調，容易出現面板脫空。

（4）在退水影響下，面板變形有所恢復，而壩體變形則恢復很小，從而產生面板脫空。

根據沈長松等的研究成果，面板分期澆筑高程等因素對脫空有明顯影響。當堆石體填筑高度超過面板澆筑頂高程5～10m時，對減小面板頂部的脫空有利;填筑體預沉降時間在3～6個月內的，隨著預沉降時間的增加，脫空值逐漸減小，但預沉降超過6個月后，脫空值減小的幅度較小。而白云水電站面板壩施工時，面板為分期澆筑，面板澆筑過程中，上部壩體超填僅3.5m，堆石體預留沉降時間不足2個月，導致一期面板中下部墊層變形過大和面板脫空現象的發(fā)生。

4面板脫空處理

4.1處理措施

考慮水庫放空后面板有所回彈，因此對脫空深度大于3cm的區(qū)域進行處理。但從檢測成果可見，小于3cm和大于3cm的區(qū)域相互交錯，而漿液具有流動性，為此面板脫空處理的范圍確定為高程501m以上全部面板和高程469～501m范圍L7～L13區(qū)域面板。面板脫空采用面板表面垂直孔灌漿處理，即在面板上布置灌漿孔，搭設施工平臺，用鉆機垂直面板鉆孔，穿過面板后進行灌漿。

（1）灌漿材料。根據類似工程經驗，灌漿材料選用粉煤灰水泥砂漿。材料要求漿液流動性好、穩(wěn)定性高、強度適中。

（2）灌漿孔布置。灌漿采用面板表面設垂直孔，梅花型布置，水平孔距中部面板為8m，左右岸面板為5.5～7.5m，順坡向孔距高程差為6m。鉆孔采用手風鉆，孔徑不小于50mm，孔深以穿過混凝土面板即可。當同一塊面板同一高程布有兩個孔時，為防止面板開裂，孔位高程宜錯開布置。白云水電站面板堆石壩脫空處理灌漿孔位布置見圖10。

（3）灌漿工藝參數。在現場進行了生產性試驗，根據試驗成果，對部分灌漿參數進行了調整：L7～L13面板水平孔距為8m，其他面板為7m，順坡向孔距高程差為3.5m。

灌漿結束后采用預縮砂漿封孔。預縮砂漿水灰比采用0.32，灰砂比1：2，并摻入3/100000的引氣劑。

4.2處理效果

本次面板脫空灌漿合計鉆孔160個，充填面積7367m²，灌入漿液304483L，平均充填厚度4.13cm，與面板脫空檢測成果較吻合。

對比面板脫空灌漿前后的雷達檢測結果，面板脫空灌漿效果良好。面板脫空灌漿前雷達檢測結果見圖11～12。經過滲漏治理后，大壩的滲漏量由治理前的1240L/s減小到治理后的60L/s，滲漏量顯著減小，說明滲漏治理效果明顯，面板脫空處理措施合適，處理效果好。

5結語

白云水電站面板堆石壩面板產生脫空的原因是面板和墊層料及堆石體的變形特性不同，在自重和外荷載作用下，面板無法適應壩體變形，在面板和墊層之間形成脫開。針對面板脫空問題，采用地質雷達對面板進行脫空檢測以確定脫空灌漿區(qū)域。在放空水庫的情況下，在面板表面鉆鉛直孔進行灌漿處理，處理效果較好，可供類似工程借鑒。

（編輯：唐湘茜）