石雞山水庫應(yīng)急除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)

薛期穎

（漳州市長(zhǎng)泰區(qū)農(nóng)田建設(shè)站,福建 漳州 363000）

0 引言

石雞山水庫位于福建省長(zhǎng)泰亭下國有林場(chǎng),馬洋溪黃土支流上游。建于1957年12月,集水面積1.95 km2,壩長(zhǎng)69 m,最大壩高18.1 m,設(shè)計(jì)庫容59.10 萬m3,灌溉農(nóng)田1 千多畝,受益1 千余人,為群眾生產(chǎn)生活發(fā)揮了重要作用。但工程已運(yùn)行60 多年,受限于建設(shè)年代的時(shí)代背景、工程施工及質(zhì)量控制等技術(shù)水平限制,2014年03月經(jīng)對(duì)水庫的安全檢查結(jié)果顯示,石雞山水庫的壩體和放水涵洞兩大重要建筑物已出現(xiàn)一定的安全問題,已影響到水庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行,需進(jìn)行應(yīng)急除險(xiǎn)加固。經(jīng)綜合比較投資金額、施工難易、工期長(zhǎng)短、運(yùn)行管理等方面因素后,提出了該水庫應(yīng)急除險(xiǎn)加固方案。

1 壩體防滲加固設(shè)計(jì)

1.1 壩體存在的問題

大壩為均質(zhì)土壩,因壩體填筑土壓實(shí)度較低,防滲性能不能滿足規(guī)范要求,壩體存在滲水現(xiàn)象,已威脅到工程安全運(yùn)行。

1.2 防滲加固方案比選

土石壩防滲加固主要可采取充填式灌漿、劈裂式灌漿、迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜、射水法混凝土防滲墻、振動(dòng)沉模防滲墻、單管高壓旋噴防滲墻等方案[1]。根據(jù)石雞山水庫大壩的實(shí)際情況,考慮充填式灌漿前期可以取得一定的防滲效果,后期防滲效果得不到保障；劈裂式灌漿因劈裂壩體,會(huì)對(duì)壩體產(chǎn)生較大擾動(dòng),可能影響壩體的整體穩(wěn)定性,防滲效果較差；射水法施工工藝要求高,防滲墻之間連接不夠可靠；迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜,土工膜埋深較淺,容易被外力破壞,且該方案無法解決壩身蟻洞所造成的滲漏通道問題,可靠性較差。因此,本工程加固不考慮充填式灌漿、劈裂式灌漿、射水法混凝土防滲墻、迎水坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜等方案。壩體防滲主要考慮單管高壓旋噴防滲墻、振動(dòng)沉模（需結(jié)合單管高壓旋噴）兩方案進(jìn)行比選。兩種方案對(duì)照見表1、表2。

表1 壩體防滲方案對(duì)照表

表2 壩體防滲加固方案投資對(duì)照表

經(jīng)以上兩方案比較可知,單管高壓旋噴防滲墻方案比振動(dòng)沉模防滲墻方案綜合投資低。振動(dòng)沉模防滲墻成墻質(zhì)量雖較好,但現(xiàn)有市場(chǎng)的施工設(shè)備稀缺,且設(shè)備故障率高,無法滿足本工程的場(chǎng)地和施工進(jìn)度要求。高壓旋噴防滲墻造價(jià)較經(jīng)濟(jì),且成墻效果較好,施工工藝成熟,現(xiàn)有的施工設(shè)備較多,可以滿足工程的場(chǎng)地和施工進(jìn)度要求。所以本工程推薦采用單管高壓旋噴垂直防滲墻加固方案。

1.3 施工方案

本方案即在壩頂上沿壩軸線布孔灌漿,使壩體內(nèi)部在校核洪水位以下壩基隔水層以上部分形成一道由高壓旋噴樁體相交組合成的連排垂直防滲墻（見圖1）。

圖1 高壓旋噴防滲墻平面布置圖

1.3.1 高噴樁設(shè)計(jì)

（1）防滲墻最小厚度計(jì)算：

式中：hw為上游水頭,本工程為67.2-51.6=15.6 m；J 為允許滲透比降,取80。

計(jì)算成墻最小厚度為0.195 m。

（2）高噴樁距樁徑計(jì)算：

對(duì)于旋噴樁來說,墻體的最小厚度就是兩個(gè)樁體連接部位的交圈厚度,交圈厚度由樁體的直徑和孔距確定。

式中：e 為旋噴樁的交圈厚度,m；De為旋噴樁樁體直徑,m；l 為孔距,m。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)樁徑為0.6 m,孔距0.45 時(shí),交圈厚度0.397 m＞0.195 m,滿足要求。

設(shè)計(jì)旋噴樁直徑D=0.6 m,布設(shè)單排孔,孔距0.45 m,旋噴樁穿過壩體伸入相對(duì)隔水層以下2.0 m,灌漿采用單管法,分兩序施灌,每序孔距為0.45 m×2=0.9 m。漿液噴射壓力不低于25 MPa 且不高于40 MPa。施工前做好先導(dǎo)孔,間距10 m。因水庫涵洞埋于洞內(nèi),同時(shí)壩內(nèi)存在一處大孤石,旋噴在壩頂鉆孔的孔位布置需精確,盡量避開鉆到涵洞?；蛘咴阢@至涵洞附近采用加大鉆孔間距、增大灌漿壓力的方 式進(jìn)行旋噴灌漿[2]。全壩段共應(yīng)布置178 個(gè)孔,布鉆孔總進(jìn)尺1878 m,灌漿總進(jìn)尺1487 m。

1.3.2 施工方法：

（1）造孔：按設(shè)計(jì)孔位在壩頂安裝旋噴鉆機(jī)。對(duì)鉆機(jī)底座進(jìn)行縱橫向整平、對(duì)中。鉆孔中心距為0.45 m。為防止串孔干擾,采用二序法施工。

（2）安放灌漿管：用提升三角架,連接鉆桿并逐節(jié)安裝,把帶合金鋼片的噴頭體鉆穿壩體至設(shè)計(jì)孔深,邊下鉆邊注入低壓水沖洗防堵。同時(shí)注意機(jī)械振動(dòng)和及時(shí)測(cè)量調(diào)整校正垂直度,鉆桿偏差≤1%。

（3）注漿施工：注漿材料使用32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。注漿方式為壓入式上行法,自下而上。旋噴管下至設(shè)計(jì)深度注漿開始時(shí)應(yīng)先試噴,待注漿壓力達(dá)到20 MPa 時(shí)才提升注漿管進(jìn)行旋噴,旋噴主要技術(shù)參數(shù)為：①漿液噴射壓力25 MPa～40 MPa；②漿液流量70 L/min～100 L/min,漿液密度1.4 g/cm3～1.5 g/cm3,回漿密度≥1.3 g/cm3；③提升速度10 cm/min～15 cm/min；④旋轉(zhuǎn)速度10 r/min～15 r/min；⑤孔斜≤0.5%；⑥旋噴樁設(shè)計(jì)樁徑≥0.6 m,孔距0.45 m；⑦28 d 抗壓強(qiáng)度＞2 MPa,28 d 滲透系數(shù)＜i×10-6cm/s,允許滲透坡降J ≥60。

（4）具體參數(shù)應(yīng)按規(guī)定在施工前開展試樁后選定,施工完后應(yīng)進(jìn)行鉆孔取芯和壓水試驗(yàn),測(cè)定防滲墻的抗?jié)B和強(qiáng)度指標(biāo)。

1.4 運(yùn)行檢查

壩體加固后,在投入使用及運(yùn)營過程中應(yīng)做到定期巡查,滲透觀測(cè)項(xiàng)目有：浸潤線、滲流量、繞壩滲流、壩基滲透壓力和滲透水和透明度等。

滲流量的觀測(cè),在壩體排水設(shè)備的下游適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)將滲流集中,根據(jù)滲流量的大小,選用容積法、量水堰法或測(cè)流速法來測(cè)量滲流量。如發(fā)現(xiàn)突然增大時(shí),應(yīng)注意有無管涌現(xiàn)象發(fā)生。

2 放水涵洞加固設(shè)計(jì)

2.1 放水涵洞存在的問題

本項(xiàng)目放水涵洞位于大壩中部,為0.7 m×0.7 m 的漿砌條石涵洞。經(jīng)人工進(jìn)洞探查及結(jié)果分析顯示,受當(dāng)年工藝技術(shù)限制,加之經(jīng)60 多年的運(yùn)行、砌筑砂漿老化、基礎(chǔ)不均勻沉降、洞頂含水土體壓力過大、部分條石承壓性不夠等因素,已使洞身出現(xiàn)橫向通縫斷裂1 道,頂蓋條石斷裂2 處,勾縫砂漿已全線脫落,洞周砌縫漏水點(diǎn)密集,漏水量大,越靠近進(jìn)口越嚴(yán)重。已無法滿足安全運(yùn)行要求,存在較大的安全隱患。

2.2 涵洞加固方案比選

根據(jù)涵洞滲漏情況,我們提出三個(gè)除險(xiǎn)加固方案。方案一,通過開挖大壩翻修加固原放水涵洞；方案二,采用頂管法新建放水涵洞；方案三,在涵洞內(nèi)安放PE 塑料管道并對(duì)空隙處灌漿密實(shí)處理。優(yōu)劣勢(shì)分析綜合對(duì)比見表3,方案三的涵洞內(nèi)襯套管施工方式由于其具有抗變形能力強(qiáng)、施工技術(shù)簡(jiǎn)單、工期短、投資少等優(yōu)點(diǎn)[3],首先推薦選擇。

表3 放水涵洞加固方案優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比表

2.3 施工方案

2.3.1 PE 管管徑選擇

石雞山水庫放水涵洞位于大壩中部,采用壩內(nèi)埋涵型式。涵體斷面尺寸為0.7 m×0.7 m（寬×高）,洞長(zhǎng)48 m,采用漿砌條石砌成,比降i=0.02（見圖2）,放水孔直徑0.15 m,設(shè)計(jì)最大放水流量為0.07 m3/s。

圖2 放水涵洞加固斷面圖

圖2 玉龍水庫壩后電站受水區(qū)不同達(dá)產(chǎn)率電量、利用小時(shí)數(shù)圖

涵洞套管即在原輸水涵洞內(nèi)套入輸水管材,并通過充填水泥砂漿和灌注水泥漿將套管外壁充填密實(shí)。內(nèi)套PE 管管徑采用多大的規(guī)格,需結(jié)合原涵管的洞口尺寸及設(shè)計(jì)過水流量,通過計(jì)算確定。通常新套管與原涵管之間要保持間隙不小于30 mm。新PE 管其壁厚度確定不但要滿足強(qiáng)度指標(biāo),還要滿足穩(wěn)定性指標(biāo)。

根據(jù)石雞山水庫現(xiàn)有的涵洞尺寸及下游所需的灌溉任務(wù),出口為自由出流,根據(jù)規(guī)范采用短管公式計(jì)算,管道水力計(jì)算公式：

式中:V 為管內(nèi)平均流速,PE 管的允許最大流速為2 m/s,經(jīng)濟(jì)流速為0.8 m/s～1.2 m/s。

經(jīng)計(jì)算得管徑D=0.33 m,結(jié)合現(xiàn)有涵洞尺寸（0.7 m×0.7 m）及規(guī)范,最終選用PE 管管直徑為D=0.5 m,壁厚為23.9 mm,承壓0.6 MPa。

2.3.2 PE 管的焊接及安裝

經(jīng)過計(jì)算并結(jié)合材料性質(zhì)要求,本工程采用壁厚23.9 mm,直徑500 mm 的PE80 級(jí)SDR21 系列給水管材。為保證管道的抗?jié)B性,本工程所有的PE 管接口連接均在現(xiàn)場(chǎng)洞外完成熱熔焊接。PE 管通過臨時(shí)架設(shè)的導(dǎo)軌,一根一根從下游進(jìn)管,上游由卷揚(yáng)機(jī)牽引,管頭加裝錐形頭；下游輔以鏟車（正鏟）緩慢頂推,逐節(jié)熔接逐節(jié)入洞,直至全線貫通。

2.3.3 新套PE 管與舊涵洞之間充填灌漿

套管安裝時(shí)需將DN50 鍍鋅鋼管灌漿管和DN100 PVC充填管固定在PE 主管外壁上同步入洞,每隔1.5 m 布設(shè)一個(gè)噴漿口。PE 管安裝固定穩(wěn)定后,先將管道密封充水加壓至0.2 MPa。再采用M10 微腫脹水泥砂漿通過充填灌漿管將PE 管與原涵洞間的縫隙充填密實(shí),灌漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa。灌漿作業(yè)應(yīng)安排在現(xiàn)場(chǎng)大氣溫處于常年最低溫時(shí)段,以減少混凝土收縮對(duì)洞身密封性所造成的影響,并確保漿液能夠?qū)⑻坠芩闹芡獗诔涮蠲軐?shí)。

2.4 運(yùn)行檢查

放水涵洞加固后,在投入使用及運(yùn)營過程中應(yīng)做到定期巡查,做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理。可重點(diǎn)查看出口處管壁外及舊涵周邊的漏水情況；進(jìn)出口處的沖刷、洞身變形、周邊的塌陷、斷裂；設(shè)備的正常啟閉情況等問題。

3 結(jié)語

高壓旋噴垂直防滲技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單普遍,場(chǎng)地適應(yīng)性好,工期短、工效高,工藝成熟可靠,能保證施工進(jìn)度；樁體強(qiáng)度大,孔斜好控制,容易成樁,耐久性好,質(zhì)量穩(wěn)定、防滲效果好,且能處理壩基接觸帶的滲流等優(yōu)點(diǎn),很適宜在小型土石壩水庫除險(xiǎn)加固工程中應(yīng)用。而涵洞加套PE 管的加固方法,因其具有柔性好、耐扭曲、耐沖擊、耐腐蝕、抗變形,施工簡(jiǎn)便快速,埋地使用壽命長(zhǎng)環(huán)保安全,投資少、施工期短等優(yōu)勢(shì),不失為眾多老庫病涵的修復(fù)處理首選。本應(yīng)急除險(xiǎn)加固方案的實(shí)施,不僅消除了工程隱患,也為進(jìn)一步提升該水庫的綜合效益提供了安全保障。