某水库大坝除险加固措施探讨

2011-12-31詹廷辉

城市建设理论研究 2011年28期

詹廷辉

摘要:本文结合工程实例对水库大坝渗漏严重和坝坡不稳定等问题，探讨和验证水库大坝除险加固措施。通过技术、经济等方面的比较，灵活选取防渗方案。

关键词:水库大坝除险加固防渗设计方案比较

1 工程概况

该水库总库容为23．1万m3，大坝为均质土坝，现状最大坝高13．5m，大坝坝顶两端高、中间低，最高点高程1921m，中间最低点高程为1 919．94，最大坝高13．5m，坝轴线长160m，坝顶宽3m，坝顶高低不平。坝坡不规整，平均坡比为1:3．5，坝坡起伏不平，无防浪石护坡。下游坝坡不规整，平均坡比为1:3，坝坡起伏不平。是一座以灌溉为主兼顾防洪、人畜饮水水库工程。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL 252—2000工程为小(II)型水库，主要枢纽建筑物有大坝、输水涵洞、溢洪道。

2 大坝存在的主要问题

(1) 现场调查: 大坝纵、横向无裂缝，上游不平整，无防浪护坡措施。下游坝坡不规整，杂草丛生，现状水位1919．2m，下游坝坡右侧出现集中渗水，并形成面积约200m2 的浸润区。

(2) 坝体填筑前，仅对河床进行平整，未清除冲洪积层。大坝坝基第四系冲洪积层厚约2．5～3．6m，岩性为粉质黏土、含砾粉砂质黏土等，坝基具中等压缩，中等透水性，属松散软岩类地基。冲洪积层渗透系数为4．36×10－4～9．31×10－4cm/s，属中等透水性。下覆基岩估计存在较大的裂隙，钻孔ZK02进入强风化岩层中15．1m～21．1m时，透水率约为700Lu，岩芯采取率极低，下覆基岩估计存在较大的裂隙。

(3) 据钻孔注水试验成果，坝土渗透系数为1．27×10－3～3．92×10－4cm/s，属中等透水层。

3 渗流稳定复核

3．1 基本参数

计算程序为河海大学岩土所编制的Autobank5．6，计算断面采用大坝最大横断面，按透水地基上的均质土坝进行计算。

坝体填筑料及坝基的计算渗透系数采用钻孔内压注水试验成果的加权平均值，根据钻孔注水试验成果分析，坝土渗透系数为1．09×10－4～4．87×10－4cm/s，分布于河床坝基部位的冲洪积层渗透系数为1．09×10－3～3．24×10－4cm/s，属中等透水性; 下覆基岩中等透水层透水率为13．3～33．53Lu，弱透水层透水率为9．73～4．1 Lu。

计算结果表明，大坝在正常蓄水位1982．2m时，渗透单宽流量1．86 m3/(d·m) 。

3．2 大坝稳定渗流复核

计算程序为河海大学岩土所编制的Autobank5．6，计算断面采用大坝最大横断面，按透水地基上的均质土坝进行计算。

根据坝土粒径分布曲线，由不均匀系数公式Cu=d60/d10 与曲率系数公式Cc=(d30)2/d60d10，计算得Cu＞5，Cc=0．22即坝土为不良级配土。

由坝土粒径分布曲线可得，坝土的细粒平均含量Pc=39．8%＞35%，根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287—99) 附录M土的渗透变形判别，坝土的渗透变形类型为流土。

由流土型临界水力比降计算公式: Jcr=(GS－1)×(1－n)。

式中: Jcr—土的临界水力比降;

GS—土的颗粒密度与水的密度之比;

n—土的孔隙率(%)。

计算得Jcr = 0．7547。

浸润线逸出点出逸坡降为0．32，则相应容许坡降为［J=Jcr/2 = 0．38，由于J≤［J］，浸润线逸出点不存在渗透破坏，大坝渗流稳定安全。

4 大坝防渗处理

4．1 大坝防渗设计

4．1．1 基础资料

(1)《碾压土石坝设计规范》，

(2)《碾压式土石坝设计手册》，

(3)水利行业强制性条文规范。

4．1．2 方案比较

针对该水库的工程规模及病险情况，拟对坝体、坝基及两坝肩进行帷幕灌浆防渗处理( 下称方案一); 坝体铺设复合土工膜防渗、坝基及坝肩灌浆(下称方案二); 两种防渗方案进行比较。

(1) 帷幕灌浆防渗(方案一)

鉴于原坝轴线处坝顶高程低于设计洪水位，故防渗帷幕不宜布置在原坝轴线，将防渗轴线沿设计坝轴线布置，设计防渗帷幕轴线总长195m，防渗帷幕为单排孔，分三序布沿，孔距1．5m，造孔总进尺2887．5m，灌浆总进尺2852．5m。坝体帷幕灌浆采用水泥黏土混合浆，坝基及两坝肩帷幕灌浆材料为纯水泥浆。

(2) 坝体铺设复合土工膜防渗、坝基及坝肩帷幕灌浆( 方案二)

坝体上游坝坡铺设复合土工膜防渗，上游坝脚设截水槽兼作灌浆平台，坝基、坝肩进行帷幕灌浆。截水槽截穿砂砾石层，进入基岩。土工膜总铺设面积5128 m2，帷幕灌浆孔距1．5m，按三序孔设计，灌浆材料为纯水泥浆，造孔总进尺1172．4m，灌浆总进尺1095．1m。

从施工质量控制、防渗效果等方面综合考虑，结合该水库大坝渗漏主要为结合部位和基础渗漏的现状，坝体及基础防渗推荐采用方案一。

4．1．3 防渗设计

(1) 帷幕轴线和边界确定

帷幕灌浆轴线沿设计坝轴线布置，帷幕灌浆采用单排孔布置，孔距1．5m，灌浆轴线长195m。帷幕灌浆的底界防渗标准确定为q≤10Lu，帷幕轴线与大坝轴线相同，左、右坝肩灌浆界限以正常水位与地下水位交点，向左坝肩延伸11．9m，向右坝肩延伸20．6m，坝体及两坝肩帷幕顶高程与设计洪水位相同，为1920．61m。

帷幕灌浆造孔总进尺2852．5m，其中: 坝土钻孔进尺1467．8m，基岩钻孔进尺1419．7m; 灌浆总进尺2852．5m，其中: 坝土灌浆进尺1229．3m，基岩灌浆进尺1138．2m，坝土和基础结合部灌浆进尺485 m。要求坝体灌浆后渗透系数K≤10－5cm/s，基岩透水率q≤10Lu。

(2) 灌浆参数和工艺

坝体上游采用灌注水泥黏土混合浆，坝土采用灌浆工艺，以1:3水泥黏土浆用底孔灌浆全孔灌注的方法分三序进行，结合部采用1:1水泥黏土浆用底孔灌浆全孔灌注。灌浆浆液浓度先稀后浓，开始采用稀浆，经过3～5min 后加大浆液浓度，主要以浓浆灌注为主。在灌浆过程中，应先对第一序孔轮灌，采用“少灌多复的方法”，待第一序孔灌浆结束后，再进行第二序孔灌浆，灌浆压力初定为0．05～0．15MPa。

坝基帷幕灌浆材料为纯水泥浆，灌浆压力可按P=P0+mD计算，初定为0．15～0．3MPa，灌浆水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0．8∶1、0．6∶1、0．5∶1等比级，灌浆时由稀到浓，逐渐变级，开浆水灰比采用5∶1。

4．2 大坝加固处理

4．2．1坝顶

现状坝顶高程1919．94m，宽3．0m，经水库调洪演算和坝顶高程复核，复核拦河坝坝顶高程为1921．614m，坝顶高程不满足规范要求，因此需加高坝顶，以满足防洪要求，加高后坝顶高程1921．80m，大坝加高后坝轴线向下游偏移4．6m。坝面路面自上游至下游按1% 坡度放坡，以利于坝面排水。

4．2．2坝坡

根据大坝现状，上游坝坡按设计的大坝横断面自坝顶1921．8m至1916．8m以下按1∶3．25进行削坡，在高程1916．8m布置马道，便于以后大坝巡查，大坝宽1．5m，;1916．8m至上游坝脚基座1 910．5m按1∶3．25进行削坡。整个坝坡自下而上铺15cm砂、15cm碎石后用预制混凝土块进行护坡。坝脚设C15 混凝土基座以防止混凝土预制块位移变形，混凝土基座高1．0m，宽1．0m，长128m，

顶高程为1 910．5m。

混凝土预制块厚度根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001) 中的护坡公式计算，混凝土预制块采用六边形，各边长25 cm，计算公式如下:

t=0．07ηhp(Lm/b)1/3［ρw/(ρc－ρw)×［(m2+1)1/2/m。

式中:

η—系数，对整体式大块护面板取1．0，对装配式护面板取1．1;

hp—累积频率为1%的波高，查表得0．34m;

Lm—平均波长，8．3m;

b—沿坝坡板长，0．43m;

ρ—水的密度，1．0t/m3;

ρc—混凝土的密度，2．3t/m3;

m—上游坝坡坡比。

经计算混凝土厚度t=6．32 cm，取8cm，混凝土预制块单块重约30kg。