顶山水库大坝除险加固中大坝防渗技术方案研究

2020-08-14张辉

陕西水利 2020年7期

张辉

（新疆生产建设兵团第十师水利工程建设管理处，新疆北屯 836099）

1 工程概况

顶山水库位于阿勒泰地区福海县境内，是一座以灌溉为主的中型水库，拟规划建设为饮用水水源地，属师级管理水库，水库由主坝、副坝、进水建筑物和放水建筑物组成，大坝为粘土心墙土石混合坝，现状坝顶高程525.0 m，防浪墙顶高程525.7 m，大坝最大坝高为32.7 m，坝顶宽6 m，主坝顶长2008 m。大坝迎水坡及背水坡为堆石体、表层干砌块石护坡，背水坡坝脚为干砌块石排水棱体。工程始建于1975年，于1982年和1993年分别两次扩建。在除险加固前根据现场踏勘了解及安全性复核，该水库大坝存在的问题主要有：（1）上、下游坝坡面不平整，坝体存在渗水；（2）防渗坝区土料密实度不足0.90，压实不均匀且难以满足要求，在高程499 m～506 m段及坝基接触段水平向的渗漏难以满足要求；（3）大坝迎、背水坡局部杂草丛生。本文主要根据现状大坝渗漏情况和现场地质勘察资料，对大坝进行防渗方案比选，选择出安全可靠，经济实惠的防渗技术来进行大坝防渗加固。

2 坝体防渗加固方案比选

2.1 坝体防渗加固方案比较

坝体防渗加固主要可采取充填式灌浆、劈裂式灌浆、振动沉模混凝土防渗墙、高喷防渗板墙、射水法防渗墙、迎水坡铺设复合土工膜和铺复合土工膜等方案[2]。根据该水库大坝的实际情况，若采用充填式灌浆方案在前期有一定的防渗效果，后期防渗效果较差；劈裂式灌浆方案会对坝体产生较大扰动，影响坝体的整体稳定性；水库大坝属于心墙堆石坝，若采用复合土工膜防渗则需要全面拆除迎水坡堆石体，另外，复合土工膜与两岸连接段的接头较难处理，处理不好，则防渗效果得不到保障；因此本次加固主要从单管高压旋喷防渗墙、射水法防渗墙+高喷防渗墙和振动沉模混凝土防渗墙+高喷防渗墙三种方案进行比选。

（1）方案一：单管高压旋喷防渗墙

根据地质钻探资料，结合高压旋喷防渗墙的基本原理[3]，坝体主要材料为填筑土Ⅱ，坝基主要为全风化、强风化、弱风化花岗岩。高压旋喷灌浆能适用于上述坝体土质及全、强风化地层的防渗。

本方案大坝及两岸岸坡防渗均采用单管高压旋喷防渗墙。

单管高压旋喷防渗墙布置在原坝中轴线处，全坝段布置，深入强风化花岗岩层2.0 m或至弱风化花岗岩顶，桩径600 mm，孔距0.40 m，行距0.45 m。范围长159.47 m，高程513.35 m以下布置双排，梅花型布置，其余为单排布置。共布设旋喷孔889孔，钻孔总进尺约21324 m，（其中强风化花岗岩层钻孔总长1114 m，全风化花岗岩钻孔总长4410 m，填筑土钻孔总长15800 m），单管高喷灌浆总进尺15525 m。

（2）方案二：振动沉模混凝土防渗墙+单管高压旋喷防渗墙

该方案是利用强力振动将空腹钢模板沉入土中，向空腹内注满混凝土，浆液留于槽孔中形成单块板墙，将单板连接起来而形成连续的防渗板墙帷幕。该方案设计在大坝高程505.35 m以上采用振动沉模法建防渗墙，防渗墙顶高程523.10 m。防渗墙中心线沿坝轴线布设，桩号坝0+018～0+152.70为振动沉模混凝土防渗墙，墙厚0.15 m，最大墙深20.0 m，振动沉模混凝土防渗墙面积2346 m2。单管高压旋喷防渗墙，桩号0+031.30～0+114.54双排，梅花型布置，其余部分单排。直径600 mm，孔距0.45 m。顶端与振动板墙底部间搭接长度不小于1.0 m，底端进入深入强风化花岗岩层2.0 m或弱风化花岗岩顶。共布设旋喷孔513孔，钻孔总进尺约13769 m，（其中强风化花岗岩层钻孔总长495 m，全风化花岗岩钻孔总长2128 m，填筑土钻孔总长11146 m），单管高喷灌浆总进尺5522 m。

（3）方案三：射水造孔成墙法+单管高压旋喷防渗墙

射水法是利用高速泥浆水流来切割破坏土层结构，同时利用机具进一步破坏土层并切割修整孔壁形成具有一定规格尺寸的槽孔，然后浇筑混凝土连续墙的一种置换成墙工法[4]。该方案设计对大坝高程500.35 m以上采用射水法建混凝土防渗墙，防渗墙厚度0.25 m；坝基以下采用单管高压旋喷桩。射水法与高喷法两种防渗墙搭接长度1.0 m。方案总形成射水法混凝土防渗墙2928 m2；同时共布设旋喷孔513孔，钻孔总进尺约13769 m，（其中强风化花岗岩层钻孔总长495 m，全风化花岗岩钻孔总长2128 m，填筑土钻孔总长11146 m），单管高喷灌浆总进尺4047 m。

表1 大坝坝体防渗方案对照表

经深入分析并参考类似工程经验，各方案的优缺点见表1。

2.2 坝体防渗加固方案选择

三种方案中，方案一单管高压旋喷防渗墙方案，施工时振动小、施工工艺简单，施工进度不受库水位变化影响，施工机械较小型，道路通过性好，但桩与桩之间搭接质量要求严格，工程造价较高。方案二振动沉模+单管高压旋喷方案，投资相对较低，振动沉模形成的防渗板墙垂直连续，无接缝、无纵横向开叉等缺陷，墙面平整，厚度均匀，防渗效果好，其缺点是施工工艺较复杂，施工机械数量少，施工时容易损坏维修占用工期，施工机械较大型，对施工道路要求高；水库上坝防汛抢险通道长且曲折，宽度仅2.0 m，转弯半径小，且边坡较陡，拓宽成本高，振动沉模机械无法到达。方案三射水造孔+单管高压旋喷方案，施工机械较大型，对施工道路、场地要求较高，施工机械数量有限。综合以上各因素考虑，本次除险加固推荐方案一，即方案一单管高压旋喷防渗墙方案。

3 加固后渗流安全及稳定复核

3.1 渗流计算指标

本次渗流复核采用的渗透系数是根据对大坝坝体进行地质钻探后的试验值而选用的。

表2 大坝各土层分区渗透系数表

根据钻探提供的地质勘察资料，土的允许水力比降[J允]＝0.335。

3.2 计算断面和计算方法

水库大坝为粘土心墙土石混合坝，本文渗流稳定分析选用最大坝高断面和背水坡最大断面两个计算断面进行计算，渗流计算依据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001），并采用“水工结构有限元分析系统（AutoBank 6.13）”计算程序进行有限元法计算分析[5]。由于坝体施工时代替料和心墙为同种土料，本次渗流稳定计算建模时将心墙和代替料合为一体，参数取值也相同，篇幅所限，仅列举最大坝高断面计算分析，大坝分区断面见图1，有限元计算网格划分见图2。