胜利水库大坝除险加固安全复核及防渗处理实践

2019-08-23

水利建设与管理 2019年8期

(辽宁省本溪市水库移民管理局，辽宁本溪 117100)

土石坝坝型以就地取材、结构简单、施工方便、坝身变形适应性强和工程投资经济性好等特点，在已建或在建大坝工程中占据非常重要的地位[1]。土石坝工程普遍存在防洪设计标准偏低、施工技术差、土石材料不均匀等问题，加上长时间运行，许多水库出现老化退化严重、坝体和坝基(肩)渗漏、局部坍塌等病险问题[2]。土石坝工程相对于混凝土坝等其他坝型经济性较高，但其风险也最高，中国已发生的溃坝98%以上为土石坝。土石坝病险问题，会严重影响到大坝运行安全，急需结合工程特性和《水库大坝安全鉴定办法》，通过分析大坝渗漏原因，结合勘测和安全复核结果，采用合理的除险加固措施解决工程隐患，以确保大坝拦蓄水和防洪功能正常稳定发挥。

1 工程概况

胜利水库于1977年9月动工修建，1980年5月下闸蓄水，是一座以农业灌溉为主的Ⅳ等小(1)型工程。水库灌溉面积24km2，坝址以上控制流域面积2.56km2，引水面积4.88km2，主河道长度2.36km，平均比降为2.89%。水库正常蓄水位882.00m，总库容401.80万m3，有效库容351.20万m3。水库大坝为均质土坝，最大坝高27.5m，坝顶高程884.30m，顶宽5.0m。

2 坝体渗漏病险分析

大坝于1980年5月初次下闸蓄水，当蓄水位到876.20m(蓄水深19.40m)时，大坝中下部及右岸背水坡局部存在渗漏，漏水点有4处，平均漏水量1.2L/s。为确保大坝安全，将水位降低至873.00m带病运行，渗漏问题得到缓解。大坝从1982年至2006年虽多次进行帷幕灌浆、堵截岩溶通道等加固修复处理，但仅是对局部渗漏进行防渗堵截，并未进行系统的踏勘分析和防渗设计，渗漏问题未得到有效解决，且呈逐年恶化趋势，下游坝坡存在大面积沼泽化区域、坝体局部冒水翻沙渗漏和右岸坝肩渗漏等问题。

钻芯取样试验分析表明：坝体填筑土除塑性指标基本能满足规范要求外，其余物理力学指标均低于规范限值，存在填土碾压不足、填筑质量差、密实度不均匀等问题。查阅工程档案资料及咨询水库管理人员可得知，大坝建设初期由于地质勘探不充分、坝基清淤不彻底、填筑材料就地取材未进行系统筛分等，大量树根、草木等杂物填筑到坝体中，随着逐年腐烂变质，导致坝体土孔隙率逐年增大，土体抗结强度随之不断降低，渗漏点、面不断扩大，严重威胁到大坝结构运行的安全稳定性。在大坝渗漏典型部位钻8个孔进行22段注水试验，其渗透系数为5.65×10-5～2.03×10-4，属于弱-中渗透性土。现场观测，渗水点主要位于大坝下游中下部及两岸坡脚处，其渗流量为1.05～3.16L/s。

3 大坝安全复核及防渗处理

3.1 加固处理前安全复核

为准确掌握在不同荷载条件下坝体整体稳定性，为胜利水库大坝除险加固防渗方案选择提供翔实数据依据，运用毕肖普法对坝体稳定性进行全面安全复核[3]。根据《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2017)、《水库大坝安全鉴定办法》和《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)、《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)等相关规范进行安全复核。分析成果表明：

a.防洪标准低。胜利水库为Ⅳ等小(1)型水库工程，设计按30年一遇设计和300年一遇校核标准设防，大坝现状坝顶结构不能满足防洪要求。

b.渗流稳定分析。大坝坝体存在较为严重的渗漏问题，22段注水段其渗透系数为5.65×10-5～2.03×10-4，大坝现状土为弱-中渗透性土。

c.结构稳定性较差。坝体下游坝坡不仅存在大面积沼泽化区域和冒水翻沙渗漏问题，同时坝坡抗滑稳定安全系数也略低于正常运用条件1.25和非常运用条件1.15的规范限值指标，结构整体安全稳定性较差。

3.2 大坝防渗加固处理方案

3.2.1 坝顶高程复核

胜利水库正常蓄水位882.00m，设计洪水位882.95m(P=3.33%)，校核洪水位883.75m(P=0.33%)。多年平均年最大风速9.7m/s(正常运用条件采用多年平均年最大风速的1.5倍，即14.55m/s；非常运用条件采用多年平均年最大风速)，计算吹程950m。大坝为4级建筑物，坝顶高程计算结果见表1。

表1 胜利水库坝顶高程安全复核结果

由表1可知，正常运用条件下(设计洪水位)，安全超高1.34m；非常运用条件下(校核洪水位)，安全超高0.83m。为确保大坝满足防洪标准，坝顶高程由校核洪水位情况控制，最终安全复核确定大坝高程为885.00m。

3.2.2 大坝防渗加固处理

根据钻芯取样试验分析及安全鉴定结果，胜利水库大坝现存主要问题如下：

a.大坝坝顶高程不满足现行防洪标准，洪水设防标准偏低。

b.坝体均质土渗透系数不满足规范要求，下游坝坡存在大面积沼泽化区域和冒水翻沙渗漏点，且结构稳定性略低于规范指标。

按照“上堵下排”的防渗原则，结合工程实际，设计采用坝顶加高培厚0.7m与在坝体设置垂直防渗体截断渗漏通道相结合的处理措施进行防渗加固，提高大坝防洪标准同时堵截内部渗漏通道[3]。

3.2.2.1 整体加高培厚

胜利水库大坝坝顶现状高程884.10～884.30m，不能满足现行防洪标准要求。经安全复核计算需加高培厚0.28m，设计确定实际增高0.7m，对应坝顶高程885.00m。坝顶从4.8～5.0m加宽至5.5m，培厚后坝顶与上坝马道以上坝坡按1∶2.8衔接，与下游坝坡按1∶2.5 衔接。

3.2.2.2 坝体防渗加固

综合考虑大坝渗漏主要在下游坝坡及大坝结构体型，坝身防渗工程中常用的处理措施为高压喷射灌浆、劈裂灌浆、套井回填黏土及土工膜防渗等。由于劈裂灌浆和土工膜防渗在耐久性和可靠性等方面相比其他防渗措施略差，结合胜利水库坝址区地形地质条件，设计优选套井回填黏土和高压喷射灌浆两种防渗方案进行比选。

a.高压喷射灌浆防渗方案：利用钻机按单排灌浆、孔距1.5m钻孔后，通过下放灌浆管利用高压水气流冲击切割土体，并灌注浆液通过强制性掺搅混凝，冷凝后形成具有较强防渗性能的凝结体或结石。高喷灌浆总进尺6528m。

b.套井回填黏土防渗方案：利用冲抓钻头打井，将黏土利用套井不断充填入坝体内部，并分层夯实形成一连续套接黏土防渗墙[4]。双排套井，孔径110cm，孔距0.8m，排拒0.9cm，黏土层防渗厚度1m。冲抓套井回填黏土总深度7556m。坝体防渗方案主要性能指标对比见表2。

表2 坝体防渗方案性能指标对比

由表2可知，高压喷射灌浆对坝基渗漏防渗效果好，而胜利水库大坝主要渗漏位于坝体，相比下套井回填黏土防渗效果较好。经地质勘查揭露，坝址区主要以人工堆积网纹状黏土为主，采用套井回填黏土适用性较好，且工程投资较高压喷射灌浆少313万。结合胜利水库大坝地质条件、现存主要渗漏状况及除险加固工程投资，优选冲抓套井回填黏土防渗墙方案。

3.3 坝体防渗处理后安全复核

3.3.1 加固后渗流稳定分析

沿大坝坝顶中轴线和偏上游0.9m处，双排布孔，孔距1.1m。先打上游排井后打下游排井，从大坝左岸向右岸逐步延伸。同一排井，采用主、套井相间布置，先打主井，回填夯实后，套井回填夯实，一主一套相连成防渗黏土墙，井孔深入坝基淤泥质黏土1.0m。施工时，按规范要求回填黏土选用渗透系数不大于1×10-5cm/s黏土材料，含水量控制在22%～25%，黏土黏粒含量控制在35%～50%，小粒径石子含量不大于10%，设计干容重不小于1.5g/cm3。回填土料干密度和含水量均需现场试验，待指标均控制在允许范围内方可投入施工。

按照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL189—2013)推荐计算组合条件[5]，结合胜利水库坝体结构体型，采用渗流分析计算系统，选择正常蓄水位882.00m和设计洪水位882.95m作为正常运行条件，校核洪水位883.75m为非常运行条件，进行渗流稳定分析。渗流软件计算得的胜利水库均质土坝采用冲抓套井回填黏土防渗加固后，各工况条件下坝体渗流等势线分布及渗流分析结果，见图1和表3。