大壩除險護(hù)坡防滲及黏土固化漿液防滲心墻設(shè)計

車傳迎，姜曉勇

(臨沂市水利工程處，山東 臨沂 276000)

1 工程概況

土山頭水庫位于臨沂市蘭山區(qū)汪溝鎮(zhèn)土山頭村西，水庫控制流域面積0.44km2，流域形狀為扇形，干流長1.05km，河道平均坡降0.035，水庫設(shè)計灌溉面積53.33hm2。土山頭水庫于1977年6月建成蓄水，是一座以防洪為主，兼顧灌溉、生態(tài)功能等綜合效益于一體的小(2)型水庫。經(jīng)過40多年運行，目前水庫大壩存在護(hù)坡腐蝕破壞嚴(yán)重，黏土斜心墻(防滲性、高度等)不滿足使用要求等問題，需要進(jìn)行針對性的除險加固工作。

2 大壩護(hù)坡防滲加固設(shè)計

土山頭水庫大壩為一座土石壩，原護(hù)坡結(jié)構(gòu)完整性已被破壞，本次設(shè)計除了將上下游護(hù)坡進(jìn)行重新翻修外，還要在上游護(hù)坡之下添加一層反濾層，以增加護(hù)坡防滲性。

2.1 上下游護(hù)坡加固設(shè)計

2.1.1 上游護(hù)坡加固設(shè)計

根據(jù)“就地取材、節(jié)約投資”的原則，本項目結(jié)合其他工程經(jīng)驗，共設(shè)計出兩個上游護(hù)坡加固方案：干砌塊石護(hù)坡和預(yù)制混凝土塊護(hù)坡，這兩種方案的具體設(shè)計如下[1]：

1)干砌塊石護(hù)坡厚度計算

干砌塊石護(hù)坡厚度t的計算公式見(1)(2)，經(jīng)過統(tǒng)計水流變化情況，確定土山頭水庫適合(2)，因此計算得本項目中t=0.325，最終取值0.3m。

當(dāng)

(1)

當(dāng)

(2)

式中：Lm為河流的平均波長，m；hp為累計頻率為5%的波高，m；K為隨坡率變化系數(shù)，取值1.4；D為石塊換算球形直徑，取值0.25m。

2)預(yù)制混凝土塊護(hù)坡厚度計算

預(yù)制混凝土塊尺寸為0.5×0.4m(長×寬)，護(hù)坡厚度t計算公式見(2-3)，經(jīng)計算t=0.12m?？紤]到土山頭水庫在興利水位下其變化劇烈，水流容易對護(hù)坡產(chǎn)生淘刷，時間久了容易使護(hù)坡產(chǎn)生不均勻沉降問題，而且干砌石相對于預(yù)制混凝土塊更為經(jīng)濟(jì)，因此本項目上游最終選擇干砌塊石護(hù)坡方案[1-3]。

(3)

式子：η為 相關(guān)系數(shù)，取值1.1；hp為累計頻率為1%的波高，m；ρw為水的容重，t/m3；ρc為混凝土板密度，t/m3；m為上游坡度的余切值。

2.1.2 下游護(hù)坡加固設(shè)計

下游壩坡設(shè)計的加固形式為草皮護(hù)坡，具體步驟如下：①首先將原壩坡平整清基，厚度不低于0.3m，然后按照1∶2.25進(jìn)行填充或削減；②覆蓋一層0.5m厚壤土，壓實度不低于0.9，最后播撒草籽；③沿下游壩坡每50m設(shè)一道豎向排水溝，壩腳處貼坡排水，壩腳設(shè)M10漿砌石擋墻。壩頂路面采用C25混凝土路面，路面凈寬4m。

2.2 上游反濾層設(shè)計

本項目設(shè)計在上壩坡與黏土斜心墻接觸面，設(shè)計一反濾層，以保證黏土心墻有一定的自愈能力(位置如下圖1所示)。結(jié)合其他工程經(jīng)驗，本項目反濾層設(shè)計厚度為1.0m。反濾層的設(shè)計重點是土料，其最大粒徑D15要求見(4)[4]。

4d15≤D15≤9d85(D15≥0.1mm)

(4)

式中：D15為反濾料粒徑小于該粒徑的土重占總重的15%；d15為黏土料粒徑，小于該粒徑土重占總土重的15%，取值0.004mm；d85為被保護(hù)土粒徑，小于該粒徑土重占總土重的85%，取值0.05mm。

經(jīng)過計算，D15最大值為0.45mm，計算出的最小值為0.016mm，小于規(guī)范要求底限值，因此最小值設(shè)計為0.01mm。最終兩者之比為4.5，<5.0，因此反濾料不會出現(xiàn)間斷級配情況，符合相關(guān)設(shè)計要求。土山頭水庫大壩除險加固后結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 大壩剖面結(jié)構(gòu)示意圖

3 黏土固化漿液防滲心墻設(shè)計

黏土固化劑防滲灌漿技術(shù)是一種針對小型水庫壩體防滲加固的新技術(shù)和新材料，能夠顯著減少水泥使用量，便于就地取材，在符合防滲要求的前提下可使綜合成本降低15%-20%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.1 黏土固化劑原理分析

黏土固化劑主要由黏土(占比80%-90%)、水泥(占比15%-20%)組成，具有較好的流動性、膠凝性、固化穩(wěn)定性等[5]。黏土固化劑與水?dāng)嚢杈鶆蚝?，會生成大量諸如水化硅酸鈣、鋁酸鈣等，硬化后與周圍土料形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，部分化學(xué)反應(yīng)式見(5)。

3(CaO·SiO2)+nH2O→3CaO·2SiO2·
nH2O(膠體)+Ca(OH)2(晶體)

(5)

3.2 黏土固化劑相關(guān)設(shè)計分析

3.2.1 漿液配置設(shè)計

本項目通過試驗室和現(xiàn)場試驗，確定了漿液中黏土(本地采挖、研磨、篩選，粒徑<0.005mm)占比80%，水泥(32.5以上硅酸鹽水泥)占比20%，固化劑(粉煤灰)摻合量為水泥用量的15%[6]。漿液由臨時配漿站統(tǒng)一制備和管理，配置好后要過2mm方孔篩進(jìn)行一次篩選，最后通過管道運至施工地點。根據(jù)灌注位置和作用的不同，漿液水料比級別設(shè)計如表1所示。

表1 漿液水料比級別和作用

3.2.2 鉆孔設(shè)計

黏土固化漿液防滲技術(shù)的灌漿孔排數(shù)由壩體土料和透水性等因素決定，若采用單排孔，孔距一般控制在1.0-1.5m，雙排孔孔距一般為1.2m，排距為0.6m。本項目是在原斜心墻基礎(chǔ)上進(jìn)行鉆孔灌漿，因此設(shè)計為單排孔，孔距1.0m，孔徑設(shè)計1.5m，有效固結(jié)體厚度不低于0.6m，為避免灌漿時串漿，將鉆孔共編為3個序孔，示意圖如圖2所示。

3.3 灌漿施工要點設(shè)計

3.3.1 灌漿方式及壓力控制

1)本項目采用“循環(huán)式+純壓式”相結(jié)合的灌漿方法，其中當(dāng)壩基基巖段灌漿深度大于5.0m時，設(shè)計采用“自下而上分段注漿”方式，不足5.0m時采用一次注漿即可。

2)本項目設(shè)計壩基注漿壓力控制在0.15-0.5MPa，壩體注漿壓力控制在0.1-0.15MPa。如果在注漿過程中發(fā)現(xiàn)注漿壓力過小、回漿量小等現(xiàn)象，要改為間歇注漿，間隔不低于30min，若之后這些問題還沒有改善，則要求將間隔時間延長至24h以上[7]。

3.3.2 注漿順序及封孔設(shè)計

1)本項目注漿順序按照“Ⅰ序→Ⅱ序→Ⅲ序”進(jìn)行，設(shè)計間隔時間不低于2.0h，通過現(xiàn)場試驗確定漿液擴(kuò)散半徑約為1.5m，通過疊加方式可以使固結(jié)體厚度達(dá)到0.6-0.8m。

2)當(dāng)注漿壓力達(dá)到規(guī)定值后，且注漿量<2.0L/min時，繼續(xù)灌注20min。由于本項目壩頂為公路，路基為20cm厚碎石層，注漿前需開挖至土層20cm以下，利用纖維袋扎緊套管并用壓漿板覆蓋，防止?jié){液進(jìn)入公路碎石層。

4 結(jié) 語

土山頭水庫大壩經(jīng)過本次除險加固后，與加固前相比滲漏量減小了80%，降低至2.25m3/d，完全滿足相關(guān)規(guī)范要求。黏土固化注漿防滲技術(shù)可以顯著減少水庫大壩防滲加固成本，較好地兼顧了經(jīng)濟(jì)性和實用性，特別適合小型水利工程使用。該技術(shù)的核心點就在于漿液的合理配比，要遵循“理論+現(xiàn)場實踐”原則，不可照搬其他工程經(jīng)驗，而且需要根據(jù)現(xiàn)場變化進(jìn)行靈活調(diào)整，對灌注技術(shù)要求較高。