横锦水库大坝防渗加固效果分析

张永泰,杨相球,戴春华

(1.东阳市横锦水库管理局,浙江 东阳 322100;2.仙居里林水电管理处,浙江 仙居 317300;3.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概况

横锦水库位于东阳市东阳江镇横锦村之东,钱塘江流域金华江水系东阳江上游,坝址以上流域面积378 km2,总库容2.74亿m3,电站总装机11 500 kW。水库直接保护下游东阳江沿岸的8 400 hm2(12.6万亩)农田、55万人口、乡村、工厂、东阳市吴宁镇及义嵊公路;间接保护义乌市稠城镇、佛堂镇及浙赣铁路,是一座以灌溉、防洪为主,结合供水、发电综合利用的大 (2)型水利工程。该工程枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、放空洞、输水洞、电站等组成。

水库大坝坝型为黏土心墙坝,设计坝高62.5 m,坝顶高程174.5 m,坝顶长280.0 m。迎水坡自上而下坡比为1∶2.25、 1∶2.50、1∶5.00, 背水坡自上而下坡比为 1∶2.00、 1∶2.20、1∶2.46,在变坡处设2.0 m宽马道。大坝坝体、基础防渗主要靠原黏土心墙。

工程于1958年9月动工兴建,1964年底大坝主体工程基本建成。1977年8月开始进行保坝工程施工,1984年9月竣工。水库建成蓄水后,经过20 a的运行,大坝坝体渗漏情况严重,左岸坝肩存在绕坝渗流,2004年10月省水利厅专家对大坝进行安全鉴定,认为大坝存在严重安全隐患,必需进行除险加固。2005年9月经省水利厅批准,大坝除险加固正式开始施工。

2 大坝防渗设计及监测仪器布置

本次大坝基础及坝体防渗设计,主要是在原有的黏土心墙中再设1道80 cm厚的塑性混凝土防渗墙,防渗墙底部深入弱风化基岩0.5 m,最大墙深59.0 m,防渗墙长280.0 m,并对大坝两岸坝头岩体进行帷幕灌浆,以与防渗墙形成封闭的大坝防渗系统。

根据设计要求,在防渗墙内选取0+131 m和0+194 m共2个观测断面,每个断面分别埋设18支应变计、5支无应力计和20支应变计、5支无应力计,以监测防渗墙的应变情况,墙体内仪器埋设见图1;分别在2个断面防渗墙上下游侧及下游坝坡适当位置埋设8支渗压计,监测坝体的渗流状况;距2个观测断面1 m的位置,在防渗墙内布置19个固定式测斜仪探头监测墙体的变形。左右岸山体各布置6支绕坝渗压计监测绕坝渗流情况。大坝加固标准断面见图2。

图1 防渗墙应变观测仪器布置图

3 监测仪器资料分析

3.1 防渗墙应变监测资料分析

横锦水库防渗墙应变监测仪器采用VWS-15型振弦式应变计,其工作原理为:当被测结构物发生变化时将引起应变计的变形,变形通过前后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率,频率信号由电缆传输至读数装置,即可测出引起结构物变化的应变量。同时可同步测出埋设点的温度。而在测点附近埋设无应力计,以观测混凝土的非应力变形 (在温度、湿度及化学作用下的变形),并从混凝土的总变形中扣除非应力变形,即可求得应力应变。

一般计算公式:

上式中:ε为被测结构物的应变量,单位为10-6;K为应变计的最小读数,单位为10-6/kHz2;Δ F为应变计实时测量的频率模数相对于基准值的变化量,单位为kHz2;b为应变计的温度修正系数,单位为10-6/℃;α为混凝土的线胀系数,单位为10-6/℃;Δ T应变计实时测量的温度相对于基准值的变化量,单位为℃;

图2 大坝加固标准断面图

水库于2007年5月底开始蓄水,将仪器埋设后至2009年12月底这段时间测得的数据根据(1)式进行计算,各断面计算的微应变最大、最小值如表1所示,防渗墙的最大拉应变 (S2-2)为85.98×10-6,最大压应变(S2-15)为370.25×10-6,根据试验得出的弹性模量2 800 MPa,计算得最大拉应力为0.24 MPa,最大压应力为1.03 MPa,均小于试样的平均抗拉及抗压强度,这说明防渗墙的受力处于正常状态,墙体内没有出现裂缝。同时对各仪器微应变随时间变化过程线进行分析,在仪器安装后的1个月时间里,数据波动较大,这是由于水泥水化热的作用、混凝土强度逐渐增加及防渗墙相邻槽段施工等原因引起的。在库水位逐渐升高时,0+131.00 m断面各测点微应变均与库水位有一定的相关性,0+194.40 m断面墙顶部测点应变计曲线与库水位的相关性很小,其余测点微应变与库水位有一定相关性,在2个断面的中部,应变计 (S1-6～S1-14、S2-6～S2-14)反映的混凝土应变过程线与水位相关性更大,当库水位上升时应变值上升,水位下降时应变值下降,这种情形主要缘于库水压力的作用。同时,虽然水位上升过程中,墙体中部仍然处于受压状态,但库水位的升高使墙体受拉,导致了压应变变小;在库水位较低时,各应变计曲线与库水位的相关性不明显。在水库运行过程中,防渗墙绝大部分测点微应变均为负,处于受压状态,少数测点微应变为正,处于受拉状态,但拉应变在允许范围内。

表1 各断面计算的应变计最大、最小微应变表

3.2 防渗墙变形监测资料分析

该工程防渗墙变形监测仪器选用美国基康公司生产的振弦式GK6300型固定式测斜仪。由图3知,一般的计算式为:

其中θ=G(f02-f12)/1 000

式中:θ为计算角度,单位为°;G为线性修正系数,单位为°/(kHz2/1 000);f0为仪器的初始频率,单位为kHz;f1为某时刻仪器频率,单位为kHz;正负号规定:测斜仪以向上游方向偏转为“-”,以向下游方向偏转为“+”。

图3 固定式测斜仪安装图

固定式测斜仪分别安装在0+130 m和0+193.4 m 2个断面,编号为CX1-1～CX1-9、CX2-1～CX2-10,均于2008年6月6日安装。对位移随时间变化过程线分析,由于受到库水压力的作用,测斜仪各测点的位移量随时间逐渐增大,同一断面自底部至顶部的位移量也逐渐增大,在2009年9月份后位移逐渐趋于稳定;0+193.4 m断面顶部测点位移在2009年2月份达到最大后又逐渐减小,其余测点曲线变化平稳。各测点的位移量均在正常范围内,位移特征值见表2。

表2 固定式测斜仪实测特征值表

续表2

3.3 坝体渗压计监测资料分析

该工程选用GK4500s型渗压计,它是通过实测振弦的频率换算得到渗流压力。通过实测坝体内的渗流压力水头再加上渗压计的埋设高程可以得到渗压水位。由于原黏土心墙的作用,埋设在防渗墙上游侧的G1-2～G1-3、G2-2～G2-3渗压计水位相比库水位有小幅度的削减,但与库水位的相关性较好,G1-1、G2-1两渗压计埋设位置较高,在大部分时间测不到渗流压力;位于坝体下游坡一、二级马道处的渗压计G1-7、G1-8、G2-7、G2-8因远离坝体上游面且在防渗墙的下游,其孔隙水压力变化过程线不受库水位变动的影响,主要受下游地下水位的影响,符合实际情况。

防渗墙下游侧G1-4～G1-6、G2-4～G2-6渗压计水位过程线见图4、5,各测点与库水位的相关性较小,典型日期2007年10月11日(库水位为163.05 m)统计各测点的实测水头及位势见表3、4,由表可知防渗体下游的位势较上游位势均有明显的削减,同时经过3 a多时间的运行,目前各测点随时间变化过程线比较平稳,表明防渗墙防渗效果较好。

图4 G1-4～G1-6渗压计水位变化过程线

图5 G2-4～G2-6渗压计水位变化过程线

表3 0+131.00 m断面各测点位势特征值表m

表4 0+194.40 m断面各测点位势特征值表m

3.4 绕坝渗压计观测资料分析

右岸绕坝测压管中的R2～R5与库水位的相关性非常小,其水位变化主要是由于地下水位的变化引起的。R6位于下游坡脚附近,其水位波动主要是由于下游坝脚的地下水位变动引起。R1与库水位的相关性最大,且水头削减很少,经查证,该测压管位于水库右岸放空洞附近,而放空洞工作闸门位于下游出口附近,放空洞周围围岩存在裂隙,导致R1测压管与放空洞中的水位密切相关,水库将放空洞闸门打开,排干洞内水流后,R1测压管中的水位随之下降,这也证实R1与放空洞内的水位密切相关。

左岸L1测压管在库水位较高时,测得的水位与库水位相差约3.0m,当库水位下降时,L1管的水位与库水位逐渐接近,2009年2月下旬库水位在152.80 m左右的低水位运行时,L1管的水位反而高于库水位,这表明,在库水位较高时,L1测压管水位与库水位相关性明显,且水头削减不大,因此存在绕渗的可能。在库水位较低时,L1管主要受山体地下水位控制。L2管水位与库水位差值一般稳定在6 m左右,但当降雨量大时,地下水位对其影响较大;L3～L6管与库水位相关性很小,且水头削减均较大。总体来说左坝肩存在绕坝渗漏的可能。

根据绕坝观测资料的分析结果,设计在坝顶左岸增加了7支帷幕灌浆孔,并对右岸放空洞周围围岩裂隙进行灌浆处理,目前处理效果较好。

4 结 语

从埋设后防渗墙应变计的实测结果来看,其最大拉应变和最大压应变经换算后对应的应力值均小于防渗墙混凝土的强度试验指标,在水库运行过程中,防渗墙绝大部分测点微应变均为负,处于受压状态,少数测点微应变为正,处于受拉状态,但拉应变在允许范围内,从防渗墙实测应变变化趋势来看,经过一段时间后,各应变值变化趋势是平稳的,没有突变的情况。固定式测斜仪各测点位移量较小,墙体变形在允许范围内。在高水位条件下,渗水通过大坝防渗体后的水头位势均有明显的削减,同时经过3年多时间的运行,目前各测点随时间变化过程线比较平稳,坝体渗流符合实际情况,说明大坝防渗体运行情况正常。对左、右岸两坝肩经过帷幕灌浆处理后,绕坝渗流状况有所改善。

综上对各监测仪器资料分析,防渗墙墙体所受拉、压应力均小于防渗墙混凝土的强度指标。实测防渗墙应变变化趋势平稳,大坝整个防渗体系运行情况正常,该处理方案可供类似工程作参考。