安徽省小型水庫砌石拱壩主要病害及加固措施研究

龐牧華，李瑞忠 ，梁建

（1.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100）

1 引言

安徽省地處中緯度，為亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)，受季風(fēng)影響，降水年內(nèi)年際變化大，洪澇、干旱等自然災(zāi)害頻發(fā)。建國(guó)以來省內(nèi)已建成大量防洪、除澇和灌溉等水利設(shè)施。截至2020年10月，安徽省在冊(cè)小型水庫中共有拱壩168座，其中砌石拱壩160座，混凝土拱壩8座，集中分布在皖南及皖西山區(qū)。這些拱壩多興建于20世紀(jì)70至90年代，投入運(yùn)行以來，充分發(fā)揮了防洪和興利效益。受建設(shè)年代條件限制，水庫大壩普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、筑壩材料控制不嚴(yán)、防滲體系不完善和工程老化等工程質(zhì)量缺陷和安全隱患。

文章選取安徽省79座小型水庫砌石拱壩為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)砌石拱壩病害及相應(yīng)加固措施，總結(jié)規(guī)律，旨在為小型水庫砌石拱壩除險(xiǎn)加固中科學(xué)合理地選取加固措施提供幫助。

2 主要病害統(tǒng)計(jì)分析

抽取的樣本水庫中，砌石拱壩的病害問題主要有防洪能力不足、壩體滲漏、壩基滲漏及消能設(shè)施損毀等，如圖1所示。

圖1 安徽省小型水庫砌石拱壩的病害問題占比圖

由圖1可知，小型水庫砌石拱壩病害中壩體滲漏占比72.2%，防洪能力不足占比44.3%，消能設(shè)施損毀占比30.4%，壩基滲漏占比29%，壩肩滲漏占比19%，砌縫砂漿脫落占比19%，溢流段裂縫占比29%，拱圈應(yīng)力超標(biāo)占比16.5%。

2.1 防洪能力不足

受建設(shè)年代的限制，水庫建設(shè)時(shí)水文資料短缺，防洪標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，另外水庫建設(shè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)條件，限制了工程投資，也影響到防洪標(biāo)準(zhǔn)的確定。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，下游防護(hù)等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化，原有的防洪標(biāo)準(zhǔn)不能滿足生產(chǎn)生活要求，使得目前水庫防洪能力出現(xiàn)不足。

2.2 壩體病害

由于設(shè)計(jì)不合理、填筑材料不佳、接縫處理差，運(yùn)行期出現(xiàn)壩體裂縫、沉降變形、混凝土材料的老化脫落等因素，導(dǎo)致壩體出現(xiàn)諸多病害。抽取的樣本顯示，安徽省內(nèi)小型水庫砌石拱壩壩體病害多表現(xiàn)為壩體滲漏、砌縫砂漿脫落及拱圈應(yīng)力超標(biāo)。

分析研究壩體滲漏發(fā)現(xiàn)，樣本水庫壩體迎水面砌體內(nèi)雖設(shè)置混凝土防滲墻，但施工縫處理不規(guī)范，經(jīng)多年運(yùn)行，防滲墻混凝土老化現(xiàn)象嚴(yán)重，局部失效，裂縫較多，加之壩體砌縫砂漿脫落，增加了壩體滲漏的概率。大壩運(yùn)行中長(zhǎng)期處于滲漏狀態(tài)，施工中引起的死縫和大壩多年運(yùn)行中疲勞徐變引起的活縫時(shí)張時(shí)閉，并向縱深發(fā)展最終貫穿壩體，帶來混凝土的溶蝕、凍脹，進(jìn)一步危及大壩安全。

砌縫砂漿脫落多因水庫建設(shè)年代的條件和技術(shù)引起。壩體建設(shè)時(shí)采用人工砌筑施工，施工質(zhì)量難以控制，砌石砂漿填充不飽滿，砂漿標(biāo)號(hào)普遍不高，砂漿本身干縮產(chǎn)生裂縫，后期運(yùn)行中受水流沖刷、滲透及凍融作用極易產(chǎn)生壩體砌縫砂漿脫落。

拱壩相對(duì)于其他壩型，由于壩體較薄，使得在同樣的地形地質(zhì)及水位條件下，壩體的應(yīng)力水平較高。抽取的樣本顯示，抽樣水庫砌石拱壩壩體體型較薄、厚高比較小、壩體剛度偏小等因素的存在，導(dǎo)致壩體局部拉應(yīng)力較大，有些部位甚至出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。

2.3 壩基、壩肩滲漏

拱壩中，壩基滲漏改變了壩基滲流條件，直接影響到壩體揚(yáng)壓力的大小，關(guān)系到壩體抗滑穩(wěn)定和受力安全；壩肩滲漏改變兩岸地下水位，影響到壩肩滲透壓力大小，對(duì)壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定安全產(chǎn)生不利影響，危害壩體安全。大壩的滲流問題，在水庫大壩的整體安全中占有重要地位。

樣本水庫中壩基滲漏占29%，壩肩滲漏占19%。受限于建設(shè)期設(shè)計(jì)、施工條件，部分砌石拱壩未作防滲處理或經(jīng)多年運(yùn)行原設(shè)置的防滲設(shè)施老化，出現(xiàn)局部失效。部分大壩施工前未進(jìn)行詳細(xì)的地勘工作，施工中壩體與基礎(chǔ)接觸不夠緊密，基礎(chǔ)面處理不好，清基不徹底，齒槽設(shè)置不當(dāng)?shù)仁箟位?、壩肩出現(xiàn)滲漏通道。正常運(yùn)行中，維修養(yǎng)護(hù)不到位，壩體隱患得不到及時(shí)處理，也加大了滲漏危害的出現(xiàn)和擴(kuò)大概率。

2.4 溢流段裂縫、消能設(shè)施損毀

溢流段裂縫多由綜合因素造成，主要包括溫度變化、砌體干縮、地基不均勻沉降或變形、施工質(zhì)量問題和超載運(yùn)行等，砌石壩體本身的塊間和層間弱面也是應(yīng)力集中的重要區(qū)域。溢流段裂縫得不到及時(shí)處理，更加劇了水流沖刷及沖蝕破壞的危害，抽取樣本也顯示出溢流段裂縫的存在，使得壩體過流面存在嚴(yán)重的沖蝕破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，部分水庫經(jīng)多年運(yùn)行，消能建筑物沖刷損壞嚴(yán)重，挑流消能沖刷坑較深，消能設(shè)施損毀后并未能得到及時(shí)修復(fù)，使得汛期泄洪時(shí)大壩面臨下泄水流淘刷壩腳的威脅，嚴(yán)重影響大壩安全和水庫正常運(yùn)行。

3 加固措施

在對(duì)本次樣本水庫加固措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，文章總結(jié)出省內(nèi)砌石拱壩病害除險(xiǎn)加固措施主要有新建防滲面板、帷幕灌漿、新建防浪墻、溢流面襯砌等，如圖2所示。

圖2 安徽省小型水庫砌石拱壩各部位除險(xiǎn)加固措施占比圖

由圖2可知，安徽省內(nèi)小型水庫砌石拱壩除險(xiǎn)加固措施如下：防洪能力方面，新建防浪墻及加高壩頂措施；壩體維修方面，采用上游新建防滲面板措施應(yīng)用廣泛，占比56%，壩體裂縫灌漿占比16%，改善應(yīng)力則采用加厚壩體的措施；壩基、壩肩滲漏主要采取帷幕灌漿措施，占比各為27%和19%；泄洪設(shè)施除險(xiǎn)加固措施以溢流面襯砌和整修下游護(hù)坦為主。

3.1 防洪能力提高措施

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)現(xiàn)有水庫大壩防洪能力不足問題，由于現(xiàn)狀砌石拱壩采用壩身泄洪，泄洪設(shè)施拓寬難度較大，因此，在水庫除險(xiǎn)加固中采用增加非泄洪段壩頂高程措施，壩頂高程不宜改變時(shí)，則多采用壩頂增設(shè)防浪墻的措施。這種措施投資少、施工難度小，施工中保證新建部位與壩體連成整體，兩端則應(yīng)與壩肩基巖相接。

3.2 壩體維修加固措施

壩體滲漏，一般是對(duì)壩體上游面進(jìn)行防滲處理。本次抽取樣本顯示56%的砌石拱壩采用壩體上游新建防滲面板，該方法明處施工，質(zhì)量易于保證且方便維修，防滲效果可靠，因而被廣泛應(yīng)用。施工中新老混凝土接觸部位處理尤為重要，為進(jìn)一步提高混凝土防滲面板與混凝土預(yù)制塊的粘結(jié)強(qiáng)度，可設(shè)置錨筋，預(yù)留灌漿孔，進(jìn)行接觸灌漿。新建防滲面板施工工期較長(zhǎng)，投資較大。

寬度較小的壩體裂縫，采用壩體灌漿處理較為便捷，灌漿一般選用環(huán)氧樹脂類、甲基丙烯酸酯類、鉻木質(zhì)素類、聚氨酯類等多種化學(xué)漿材。施工時(shí)對(duì)裂縫表面去污、去塵處理后埋設(shè)管嘴注漿，最后用密封材料進(jìn)行密封。壩體灌漿投資較少，施工方便快捷，工期較短，但對(duì)施工人員要求高，灌漿時(shí)應(yīng)控制好灌漿壓力，防止對(duì)壩體產(chǎn)生不利影響。

結(jié)合壩體防滲加固處理措施，對(duì)壩體砂漿脫落、砂漿填充不飽滿及壩體空洞處采用水泥砂漿勾縫處理，截?cái)酀B漏通道、增強(qiáng)壩體整體性。

工程實(shí)踐證明，壩肩和壩底常是壩體最大應(yīng)力分布區(qū)，拉應(yīng)力過大容易引發(fā)壩肩失穩(wěn)甚至潰壩。加厚壩體使得拉應(yīng)力有了顯著的降低，研究結(jié)果表明加厚壩體，壩內(nèi)最大拉應(yīng)力減小了30%左右，因而加厚壩體能在降低壩體拉應(yīng)力上效果十分明顯。

3.3 壩基、壩肩處理措施

抽取的樣本顯示，壩基、壩肩防滲處理中帷幕灌漿措施占比較高。帷幕灌漿以其明顯降低壩底滲流壓力，有效防止壩基內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)管涌，減少壩基滲流量等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有效的基礎(chǔ)防滲處理方法并被廣泛應(yīng)用。灌漿處理前應(yīng)查清工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)，確定最佳漿液成份及灌漿壓力等技術(shù)參數(shù)。位于透水性較小基巖的水庫，灌漿帷幕后設(shè)置壩基排水孔，進(jìn)一步降低壩底面的揚(yáng)壓力。

部分樣本水庫，基礎(chǔ)位于節(jié)理裂隙較發(fā)育的基巖上，對(duì)基礎(chǔ)采用固結(jié)灌漿能提高基巖的整體性和強(qiáng)度，降低地基的透水性。另外基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿后，可提高帷幕灌漿的壓力，增強(qiáng)壩基的防滲性能。壩基、壩肩灌漿處理漿液選取需慎重，優(yōu)先選用環(huán)保、無污染的漿液，防止對(duì)地下水質(zhì)產(chǎn)生污染。

3.4 泄洪設(shè)施加固措施

抽取的樣本顯示，泄洪設(shè)施病險(xiǎn)多為溢流面裂縫和消能設(shè)施損毀。為保證安全泄洪，除險(xiǎn)加固中不改變?cè)行购樵O(shè)施布局，對(duì)裂縫處采取鑿除修補(bǔ)的方法。挑流段需將銹蝕鋼筋一并鑿除，重新布設(shè)鋼筋，再回填修復(fù)。泄洪設(shè)施表面修復(fù)應(yīng)不改變?cè)腕w尺寸，修復(fù)后平整度滿足規(guī)范要求。流速大、沖刷嚴(yán)重部位宜加錨筋，保證新設(shè)面層與原壩體為一整體。

下游護(hù)坦破壞多因下游巖石完整性較差，抗沖能力弱所致，除險(xiǎn)加固中常采用混凝土回填沖坑，部分沖刷嚴(yán)重水庫，可在壩腳設(shè)置混凝土護(hù)腳，增強(qiáng)壩基穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

砌石拱壩是山區(qū)水庫常見的壩型之一，省內(nèi)砌石拱壩建設(shè)年代多數(shù)較為久遠(yuǎn)，經(jīng)多年運(yùn)行壩體出現(xiàn)諸多問題，不僅影響水庫效益的發(fā)揮，也存在較大的安全隱患。通過對(duì)安徽省近年來小型水庫除險(xiǎn)加固中砌石拱壩病害形式及除險(xiǎn)加固措施的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)大壩防洪能力不足、滲漏及消能設(shè)施損毀現(xiàn)象較為嚴(yán)重，采用的新建防浪墻、新建防滲面板、壩肩壩基帷幕灌漿、護(hù)坦整修等加固措施效果顯著。在今后的小型水庫除險(xiǎn)加固中，可根據(jù)砌石拱壩具體病險(xiǎn)問題，針對(duì)性地選取工程中普遍適用的加固措施。