黄岩区秀岭水库大坝防渗加固

包启安,林晨峰,冯济缘

(1.台州市水利水电勘测设计院,浙江 台州 318000;2.台州市黄岩区佛岭水库管理处,浙江 黄岩 318020)

1 工程概况

秀岭水库位于黄岩区院桥镇秀岭溪下游,是一座以防洪为主,结合灌溉、供水等综合利用的中型水库,坝址以上集雨面积13.9 km2。1956年动工,1957年6月完成一期工程并蓄水,后通过续建、加固等阶段建设,至1974年达到设计规模。水库设计洪水标准100 a一遇,校核洪水标准2 000 a一遇,水库总库容1 749万m3,正常库容为1 278万m3;正常蓄水位18.95m,100 a一遇设计洪水位为20.49m,2 000 a一遇校核洪水位为21.18 m。

大坝为均质土坝,坝顶长430.00 m,顶宽4.00 m,坝顶高程22.10 m,最大坝高17.72 m,坝顶设浆砌块石防浪墙,墙顶高程23.10 m。大坝迎水坡为干砌块石护坡,自上而下坡比分别为1∶2.50、1∶3.20和 1∶5.00。大坝背水坡高程13.40m以上采用干砌块石护坡,其余坡面未护砌,坡比自上而下为 1∶2.07、 1∶3.41 和 1∶4.53。

2 坝体及坝基地质简况

2.1 坝体填筑土

坝体填筑土主要为含砂砾黏土,土质不均匀,压实度为82%～100%,大部分土样压实度小于96%,不能满足规范要求;室内渗透试验值中有16.7%土样渗透系数大于1×10-4cm/s,现场注水试验值中有84.2%土样渗透系数大于1×10-4cm/s,不满足规范要求。

2.2 坝基地质条件

河床段坝基为黏土和淤泥质黏土,属弱透水性,且沉降已基本稳定。坝体与坝基接触部位属于弱透水性,不存在渗透问题。

大坝两岸坝基为强风化岩石,基岩透水率都小于5 Lu,属弱透水性;坝体与基岩接触部位属于弱透水性,不存在渗透问题。

3 大坝存在的渗流安全问题

大坝浸润线及逸出点位置较高,最大逸出坡降大于坝体土允许渗透坡降,大坝存在渗流安全隐患。具体表现在以下几个方面:

(1)大坝运行过程中,曾在右坝端约140.00 m范围内发生多处湿坡现象,高程在10.00 m以上,曾采用导渗沟处理。

(2)下游坡高程13.40 m以下茅草生长旺盛,局部坡面湿润,主要分布在右坝端。

(3)坝体填筑土现场注水试验表明:渗透系数为3.13×10-3～4.77×10-5cm/s,属中等～弱透水性;特别是右坝端坝顶位置的钻孔全段及坝上游坡的钻孔的上部注水试验段,其渗透系数接近1.00×10-3cm/s,呈中等透水性。

(4)存在白蚁危害:大坝运行过程中曾多次捕捉白蚁,1995—1997年曾捕获蚁王蚁后35对,2005—2006年曾捕获数对蚁王蚁后;现场检查发现局部湿润区。

4 大坝防渗加固方案

针对大坝存在的渗流安全问题,需要对大坝进行防渗处理,降低坝体浸润线。根据秀岭水库坝体及坝基特性,从保障供水、工程投资、施工安全、防渗效果等方面综合考虑,坝体防渗采用套井回填方案。

套井回填是土体置换成墙的一种处理方法,利用冲抓钻机造孔,然后进行黏土回填。为保障防渗效果,对大坝右坝端150.00 m范围采用2排套井防渗,其余坝段为1排套井,套孔在坝顶沿现状坝轴线布置,1排套孔孔距0.80 m,有效厚度为0.76 m;2排套孔处孔距为0.86 m,排距0.80 m,有效防渗厚度为1.48m[1];套井最大孔深21.50m,套孔伸入坝基黏土层1.50 m,套井底部2.00 m采用水泥土夯填。坝下涵管处另采用倒挂井处理。

套井回填要求黏土渗透系数不大于1.00×10-5cm/s,水溶盐含量小于3%,有机质含量小于1%,水泥土水泥含量为15%(质量百分比),黏土回填压实度不小于96%(见 图1～ 3)。

图1 套井平面图

图2 套井纵断面图

图3 大坝加固横断面图

5 施工技术

套井回填开工前,必须先进行试验井施工。试验井的试验项目主要有3项:第1项是造孔试验,主要确定库水位在造孔过程中对井壁稳定的影响;第2项是回填夯实试验,主要确定夯锤重量、落锤高度、夯击次数等;第3项是下井人员安全防护设施试验,主要确定护筒型式。试验时库水位按11.50,10.00,7.50 m三级控制。

5.1 造孔试验

(1)造孔试验。造孔过程中密切观察井壁渗水及稳定情况,并做好记录。如井壁稳定,则造孔至设计深度,观测30 min后,按套井回填的夯填要求,分层夯填至坝顶;若造孔过程中发生大量渗水,造成塌壁现象,严重影响安全时,则立即分层回填夯实黏土,填至库水位以上0.50 m,再将库水位下调一级后,重新进行试验。

(2)造孔采用冲抓钻造孔。孔位中心采用带有十字准星的圆环进行定位,孔位误差不超过±2 cm。造孔倾斜率不超过0.4%,造孔过程中应加强观测,及时纠偏。每孔造孔时,至少下井检查检测2次,并做好记录,如有异常情况,便增加次数。检查内容包括井壁渗漏水和稳定情况,井底土质、渗漏水和稳定情况等。检测内容包括套井搭接厚度、孔的倾斜度等。

(3)清孔。河床段要把井底浮土、碎石清理干净,并保持井内无积水。岸坡段坝体与基岩接触面采用人工清孔,清除接触面原坝体土和强风化岩层[2]。

5.2 回填夯实试验

根据土工试验提出的黏土最优含水率指标和最大干密度指标,在回填夯实试验井中测试夯锤重量、落锤高度、夯击次数等施工参数,作为施工现场的控制指标。

(1)填土。填土含水率控制在最优含水率的-2%～+3%范围内。填土时分层铺填,每次倒入井内土料厚度控制在30～40 cm,然后再夯实[3]。

(2)夯实。压实度不小于96%。每孔随机取样,至少2组,一般3组,由业主组织人员抽检。

5.3 护筒试验

护筒试验主要包括进口防护措施、下井人员安全防护措施等。要确保下井人员与地面指挥人员联络畅通,并确保吊筒有足够的强度和刚度,还要确保井底通气和采光。

6 试验井施工成果

(1)工期水库水位控制。秀岭水库承担下游灌溉和供水任务,水库不能放空。库水位控制在11.50 m时,当造孔至高程10.00m以下各试验井均有不同程度的塌孔现象;库水位控制在9.00 m时,仅在右坝端试验井造孔至高程6.00 m以下时有少量塌孔现象;当库水位控制在7.50 m时,试验井均顺利实施。为确保套井回填施工顺利进行,故要求施工期水库控制在7.50 m左右,不得高于9.00 m。水库水位超过9.00 m时,则停止施工,待库水位回落至9.00 m以下时继续施工。

(2)回填夯实试验成果。试验初期夯锤底部为平面,夯击时不能使土向孔四周挤压,压实效果不理想。经整改,夯锤底部改造成半球面,夯击时夯锤周边与套井壁保持约10 cm的空隙,以保证夯锤落地时产生的气浪冲击波不影响坝体结构,同时可使土向四周挤紧,压实效果较好。夯锤重量为500 kg,夯距为2.50 m,夯击次数8～10次,土料松铺厚度30～40 cm。

(3)塌孔现象及处理措施。右坝端高程10.00 m以上填筑质量较差,试验井施工过程中出现井壁坍塌现象。针对井壁坍塌问题,采用复套方法进行处理:当井壁发生坍塌影响井壁稳定,不能进一步施工时,立即用黏土进行回填并夯实至塌落坑以上2.00 m处,套井回填施工可对周边土体起到挤压作用,可保证再次往下造孔时井壁稳定。

7 结 语

套井回填具有机械设备简单、施工方便、防渗效果较好和投资相对较少的特点,施工质量容易控制,在黏土回填的同时,对井壁土层进行挤压,使井孔周围土体密实,能较好地解决原坝体土防渗系数不满足要求的状况,对均质坝能有效降低浸润线;但施工时受库水位影响较大,容易出现塌孔等现象;因此,一般要求施工时水库必须放空。秀岭水库在库水位未完全放空的情况下 (控制水位与套井底部高差约7.50 m)顺利实施套井回填,为今后类似工程中实施套井回填获取了一些经验。

秀岭水库除险加固工程已于2010年6月完工,大坝采用套井回填防渗较好地排除了坝体渗漏安全隐患。经坝体渗流安全观测,套井回填形成的防渗体对大坝下游侧浸润线下降作用明显。该工程于2010年10月完成蓄水验收。

[1]张启岳.土石坝加固技术 [M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[2]王国海.冲抓套井回填黏土防渗墙的设计和施工[J].浙江水利科技,2007(3):69-70.

[3]邹杰,孙锋,谭舒燕.冲抓套井回填黏土防渗墙的应用[J].治淮,2008(12):38-39.