大江洞水库坝体塑性混凝土墙防渗加固设计探讨
2010-03-15黄检
黄检
(岳阳市水利水电勘测设计院 岳阳市 414000)
1 工程概况
大江洞水库位于平江县南江镇凤阳村,距平江县城57km,水库控制集雨面积19.79km2(另有外引集雨面积12.6km2),坝址以上干流长度 5.37km,干流平均坡降56.9‰。水库正常蓄水位377.20m,相应正常库容3040.0万m3,设计洪水位378.45m,相应库容3260.6万m3,校核洪水位378.96m,相应总库容3440万m3,设计灌溉面积0.186万hm2(2.8万亩),该水库是一座以防洪、灌溉为主,兼有发电、养殖等综合效益的中型水利工程。
工程始建于1975年冬,1979年4月建成蓄水。大坝为心墙坝,最大坝高61.7m,坝顶高程381.7m,坝顶宽8 m,坝顶轴线长170m;心墙顶部高程为373.2m,顶部宽度为10m,底部最大宽度为30m。
水库大坝存在的主要问题有:坝基清基不彻底、坝体心墙土体质量较差、心墙中部顶高程低于正常蓄水位,坝基、坝体渗漏严重,大坝下游左端一级至三级平台之间坝坡塌陷严重。近几年来,该水库蓄水量控制均在2500万m3(相应水位374.10m)或以下运行,以保证水库的运行安全。
2008年,水利部大坝安全管理中心核定大坝为三类坝,枢纽工程需进行除险加固。
2 防渗加固方案选择
根据地质勘察,大坝心墙及坝壳料均为砾质壤土,坝址位置弱风化层顶埋深较大,除大坝中部部分坝基清基至弱风化层外,其他部分均只清基至强风化基岩层,且坝基面起伏大,局部坡度达49°,两坝肩基岩透水率达(28.5~12.6)Lu。
经现状渗流、稳定计算,现大坝坝体下游浸润线较高、下游最大逸出坡降及坝坡稳定安全系数不满足规范要求。
鉴于大坝目前存在的实际问题及大坝现状渗流、稳定计算结果,设计采用了三种方案进行技术、经济比较,并择优选取较佳方案作为本次大坝防渗的除险加固设计方案。
方案一:坝体塑性混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆方案。
方案二:坝体为塑性混凝土墙(坝高高于35m的部位)+高压旋喷桩(坝高小于35m的部位)防渗墙,坝基帷幕灌浆。
方案三:大坝上游坝坡355.00m高程以上的采用复合式土工膜进行防渗,高程355.0m平台以下坝坡采用在355.00m平台处进行高压旋喷注浆进行防渗,坝基及两岸坝坡进行帷幕灌浆进行防渗。
方案一技术先进,坝体、坝基、坝肩防渗体系结构安全可靠,工序较少,施工方法单一,但投资稍大;方案二技术先进,投资小,但施工工序多,防渗体系结构安全可靠性较方案一稍差;方案三因本大坝为心墙坝不适宜采用土工膜铺砌方案,且根据《土石坝养护修理规程》的要求,铺设土工膜时坝坡的坡度不得陡于1∶2.5,本次大坝上游一级坝坡陡于1∶2.5,不适宜铺砌土工膜,该方案予以否定。
原设计推荐采用方案二,但考虑到大江洞水库大坝轴线不长、坝身较高、防渗要求高等特点,经专家评审后予以否定,因此推荐采用塑性混凝土防渗墙方案。
3 塑性混凝土防渗墙设计
3.1 防渗墙布置
大江洞水库大坝心墙顶宽10m,两侧为厚3.0m的砂砾石过渡带,考虑到混凝土防渗墙轴线如布置在砂砾石过渡带会给施工带来困难,本次将混凝土防渗墙布置在大坝坝顶沿坝轴线偏上游2.0m处,混凝土防渗墙轴线与大坝轴线平行,混凝土防渗墙从大坝左坝肩至右坝肩全范围布置,布置轴线长度为170m。根据大坝水文地质剖面图,大坝中部54m长坝底为弱风化基岩,防渗墙底缘深入至坝底弱风化基岩面0.3m;大坝其他部分坝底为强风化基岩,防渗墙底缘深入至坝底强风化基岩面0.8m。根据地质钻孔资料分析计算,防渗墙最大深度61.2m。防渗墙底部均接坝基帷幕灌浆。
3.2 防渗墙厚度确定
根据工程地质勘察大坝下游最低水位水320.5m,水库校核洪水位为379.42m。经渗流计算,防渗墙上下游水位最大水头差为38.10m。
防渗墙厚度δ=△Hmax/Jp
式中 △Hmax——作用在防渗墙上的最大水头(m);
Jp——塑性混凝土防渗墙允许水力梯度,根据国内外已建工程统计,计算厚度时允许水力梯度建议采用Jp= 50~60,本工程取Jp=50。
则δ=38.10/50=0.762m。
受造孔机具限制,参考国内同类工程经验,取混凝土防渗墙厚度0.8m。
3.3 防渗墙渗流计算
(1)计算工况。
渗流分析计算根据规范要求按以下工况进行:
①上游正常蓄水位,下游无水;②上游设计洪水位,下游相应水位;③上游校核洪水位,下游相应水位;④上游1/3坝高库水位,下游无水。⑤上游校核洪水位速降至死水位,下游相应水位。
(2)计算方法及计算参数。
大坝加固后坝体渗流分析计算,采用北京理正软件设计研究所的《渗流分析软件》有限元法计算。
大坝各渗透区材料的水平垂直渗透系数采用地质报告中的推荐值,混凝土防渗墙区渗透系数取1.0×10-7cm/s。
(3)计算成果。
加固后大坝在上述运行工况下,下游坝脚垫褥式排水前端渗流逸出处最大渗流坡降Jman为0.46,上游坡面渗流逸出处最大渗流坡降Jman为0.07,渗流稳定均满足要求,同时加固后坝体下游侧浸润线下降明显,可明显提高下游坝坡稳定安全。
3.4 防渗墙混凝土主要设计指标
本工程选用长江山峡二期土石围堰防渗墙材料的设计配合比为参考类型,采用工程类比法确定塑性混凝土防渗墙的配合比。塑性混凝土防渗墙混凝土的主要技术指标为:
(1)混凝土入孔坍落度(l8~22)cm,扩散度(34~40)cm,坍落度保持在15cm以上的时间不小于1.5h
(2)初凝时间不小于6h,终凝时间不大于24h
(3)抗压强度R28=(4.0~5.0)MPa,墙高大于40m,R28以5.0MPa控制
(4)抗折强度T28≥1.5MPa
(5)弹性模量:初始模量E0=(500~700)MPa、E28≤1500MPa
(6)渗透系数K20≤1.0×10-7cm/s;允许渗透比降J>50;最大骨料粒径不大于40mm。防渗墙头墙采用C20混凝土。
4 塑性混凝土防渗墙施工设计
4.1 施工方法
根据本工程为坝顶塑性混凝土防渗墙施工,场地狭小,槽孔较深(最大槽孔深61.2m)的特点,防渗墙的成槽施工采用钻抓法成槽法施工。
4.2 槽段划分
工程共按两期槽段分期施工法,先施工Ⅰ期槽,后施工Ⅱ期槽。槽段长度根据墙体深度、厚度、地质水文情况、泥浆护壁能力及混凝土浇筑速度等确定为(6.0~8.0)m。混凝土防渗墙轴线170m,共划分为28个槽段,单序号为Ⅰ期槽段,双序号为Ⅱ期槽段,其中1号槽段长8.0m,其余槽段长6.0m。在同一槽内又分为7~9个孔,单序号为主孔,双序号为副孔。
4.3 主要施工工艺
混凝土防渗墙主要施工工艺:测量、放样→开挖施工平台→修筑导墙→钻机钻孔成槽→槽形验收→清孔→验孔→预埋灌浆钢管→下设浇筑导管→水下混凝土浇筑。
4.4 塑性混凝土防渗墙施工
(1)测量、放样。
根据设计图纸确定出防渗墙施工轴线。大江洞坝体塑性混凝土防渗墙是在窄粘土心墙中施工,施工部门应根据投入的设备重量、设备安装、导墙布置,固壁泥浆比重等因素核实开挖槽段坝体结构稳定和渗透稳定。
(2)开挖施工平台、修筑导墙。
施工平台包括钻机平台、倒渣平台和排浆沟,要求平台坚固、平整,适合重型设备和车辆行走(吊车、铲车),宽度要能满足施工需要,本大坝原坝顶面宽仅8.0m,不能满足施工布置要求,本次在混凝土墙施工前,削低坝顶1.2m,防渗墙施工工作面高程为380.50m,施工工作面宽为13.16m,可以满足施工要求。钻机行走平台布置在防渗墙轴线两侧,平台上均匀铺设枕木,枕木上架设道轨,便于钻槽机移动,轨道间距根据钻机底座轮距确定。本次施工槽段长(6~8)m,采用铁钉在枕木上标记出每个槽段的主孔、副孔位置。防渗墙轴线下游侧钻机行走平台外侧布置倒碴平台和排浆沟及施工通道。
(3)修筑导墙。
为满足冲击钻施工,防止槽口跨塌,在防渗墙顶部临时修建施工导墙,施工导墙选用C20钢筋混凝土结构,墙顶高程380.50m.为矩形断面,导墙埋深1.0m,厚0.5m,导槽中心轴线与防渗墙轴线重合,内侧净间距90cm。
(4)钻机、钢绳抓斗钻抓成槽。
根据工程的地质条件及进度要求,拟投入4台冲击钻机及2台国产GSD-80钢绳抓斗完成所有槽段坝体填土层、基岩层和混凝土接头孔的成槽任务,施工按照先主孔后副孔的“两钻一抓”顺序进行,根据划分的槽段长度、抓斗宽度,确定主孔数量、位置和副孔的抓取长度。
冲击钻机的型号为CZ-30A,由钻头、机架、卷扬机3部分组成,钻头由卷扬机牵引提升,钢丝绳自由悬挂,无动力下放,为使槽孔垂直,下钻应使吊索保持一定张力,引导钻头垂直成槽,下钻速度应取决于泥碴排出能力及土质的软硬程度,抓斗型号为国产GSD-80型钢绳抓斗,掘削的钻渣用抽砂筒和抓斗排出槽外。
主孔开孔前,孔口预填粘土加以固化,为副孔施工作好准备工作。坝体填土层中主孔钻进时,槽段做好防漏、防塌工作。冲击钻钻入基岩后,要及时抽取岩样并参照地质勘察资料鉴定岩层界面及风化程度,以确定单孔终孔深度。副孔采用抓斗抓取,副孔底部基岩采用冲击钻进行钻进。形成槽孔后,用钻机上下拉动槽头刷清理槽壁至符合设计及规范要求。成槽必须做到槽形规范、槽宽合格、槽底和槽壁没有探头石和小墙。
大坝坝体两端槽孔较浅的槽段,一次性单孔钻至槽底,坝体中部槽段较深,采用每10m为一阶层,分阶层钻抓进行。每个槽段先充钻主孔1、3、5、7,再用抓斗抓取副孔2、4、6、8。冲钻过程中,如跨槽,则停止冲钻,马上回填粘土,边回填边冲钻,挤压密实。
(5)护壁泥浆制备。
在大坝右坝肩处,建造一个粘土制浆站,长20m,宽10m。制浆站主要由制浆平台、制浆池、供浆池组成。制浆平台安设1台ZJ-400型高速搅拌机,制浆能力为175m3/d,制浆池、供浆池容积均为75.0m3,池深1.6m。在坝肩公路旁分布有粘土贮存库,面积约200m2,贮存库可存放(80~100)t制浆材料,以满足施工高峰期需要。粘土贮存库和搅拌机建在同一个高程处,以利于制浆,在临近防渗墙轴线下游侧坝肩修建沉淀池。施工产生的废浆、废水,采用自流方式直接流入沉淀池内。沉淀池内的沉碴,定期用反铲挖掘机和拉碴车清理,以维护周围环境。浆站采用集中供浆方式,供浆点至施工现场间铺设管路,把浆液通过供浆管路采用自流方式输送至槽孔口。浆液密度控制在(1.1~1.2)g/cm3之间。在成槽过程中要不断向槽内补充新浆液,使其充满整个槽段。泥浆应应保持在导墙顶面以下(0.3~0.5)m。
(6)槽形验收。
检验指标为槽宽、槽深、垂直度。槽宽、垂直度的检验可采用仪器测量法或探笼法,要求槽孔斜率不得大于0.4%,接头套节孔的两次孔位中心在任一深度的偏差值不得大于设计墙厚的1/3;槽深的检验采用用测绳进行量测,同时还要由有经验的技术人员根据抽取的岩样与地质勘察资料对比,确定是否已深入至弱风化岩层面0.3m或深入强风化层0.8m以上,并会同工程有关各方进行研究确定。
以上槽宽、槽深、垂直度均符合要求,且轴线偏差不超标(孔位偏差不大于3cm),方可进行下一道工序施工。
(7)清孔换浆。
槽孔孔形验收结束后,必须及时进行清孔换浆,清除槽内浆液中悬浮的钻碴和槽底的沉碴,亦防止槽孔内浆液静置时间过长,引起槽壁塌坍。清孔换浆采用抽筒进行清孔换浆,及时用新鲜优质浆液补充,将槽内浮碴和槽底沉碴带出槽外清出,直至浆中无明显粒状碎屑。
Ⅱ期槽段在清孔换浆前,必须用专用刷具认真将一期槽段混凝土侧壁所附泥皮及残留物清刷干净。
清孔换浆结束后1h,应达到下列指标:①孔底淤积厚度不大于10cm,②孔内浆液密度不大于1.3g/cm3,粘度不大于30s,含砂量不大于10%。清孔检验合格后,应在4h内开始浇筑塑性混凝土,进入浇筑塑性混凝土工序。
(8)预埋灌浆钢管。
为有利于塑性混凝土防渗墙施工完毕后,坝基、坝肩基础帷幕灌浆,在塑性混凝土防渗墙体中预埋Φ114mm的钢管。预埋管间距根据帷幕孔布置间距定为2.5m,每个槽段预埋3根钢管,钢管管底割成锯齿状,防止在基岩面上滑动,中间每10m套一个固定支架,控制管身往两端偏移,管口用“井”字架焊在轨道上固定。
(9)设置浇筑导管。
槽段内混凝土浇筑质量好与坏、浇筑成功与否,与浇筑导管质量密切相关,故在导管下设前,必须作好浇筑导管的配制和检查工作。
每槽段内根据需要下设2~3套导管,两导管间距不大于3.5m,每根导管间距离槽头Ⅰ期槽段不大于1.5m,Ⅰ1期槽段不大于1.0m,当槽底高差大于25cm时,导管应布置在其控制范围的最低处。本工程导管管径选用Φ250 mm,导管分节长度:底节为(2500~4000)mm,中间节(1000~2000)mm,漏斗下导管长度为1000mm。每根导管均置于槽宽的1/2处,距槽底(20~25)cm,导管采用钻机配合下设、起吊。
(10)塑性混凝土浇筑。
本工程浇筑混凝土选用泵送混凝土,一个槽段混凝土的首次灌入量,按导管埋入混凝土内的深度不小于1.0 m计算,开始浇筑时,同时拉开储料斗活门,混凝土料连续进入漏斗并冲开漏斗活板,顺导管冲入孔底,全部储料进入槽孔后,连续进行混凝土浇筑作业,混凝土上升速度不小于2m/h。
漏斗的容量应满足混凝土封底并达1.0m以上的要求,漏斗容量如不满足开浇量要求,则需增设储料斗。
导管在混凝土中埋的深浅一般应控制在(2.5~4)m的埋深,在混凝土坍落和扩散稳定的情况下,当混凝土浇筑面距地面较深时以3.0m为宜,这时混凝土入导管冲击力大,扩散力强,当混凝土浇筑面靠近大坝顶部时(距坝顶面距离小于8m),由于混凝土面上淤积的泥浆浓度加大,重量增加,混凝土的冲击力逐渐减小,出导管扩散仅有翻升的力量,这时导管埋深应控制在4.0m,便于混凝土在压力下的扩散掺合上升,不致形成凹状,夹裹泥浆。
混凝土开浇后,应立即测量槽内混凝土顶面高程,核对计算混凝土量与实际上升高度是否吻合,随时掌握混凝土浇筑成墙的质量。同时浇筑过程中应及时抽取试样,制作混凝土试块,每单元槽孔取一组作抗压试验,按槽孔数量的8%~10%作抗渗试验。混凝土面各处上升高差控制在50cm左右,通过吊铅球来跟踪测量,调节相邻导管注入量来控制。
塑性混凝土终浇顶面应高于设计高程50cm。
(11)槽段连接成墙。
Ⅱ期槽段连接时,必须校正轴线,保证套接端的最小墙厚满足规范和设计要求。本工程槽段连接,采用“钻凿法”方式施工。利用冲击钻机在Ⅰ期槽端孔位置重新钻凿已浇筑混凝土,形成2个Ⅱ期槽端孔,在进行Ⅱ期槽混凝土浇筑前,对两端孔必须采用钢丝刷进行清洗且达到规范要求,以确保Ⅰ、Ⅱ期槽段连接质量。
塑性混凝土防渗墙施工完成28天后,塑性混凝土防渗墙顶高程379.420m以上采用坝壳料回填至原坝顶381.70m。
1 王清友,等.塑性混凝土防渗墙[M].北京:中国水利水电出版社,2008 .
2 袁光裕.水利工程施工[M].北京:水利水电出版社,1999 .