某水库除险加固中枢纽建筑物改造研究

2021-07-22孙亚南

东北水利水电 2021年7期

孙亚南

（盘锦海陆土木工程有限公司，辽宁盘锦124010）

1 工程概况

某水库工程是一座防洪兼顾下游农田灌溉的小（1）型水利枢纽工程，由大坝、溢洪道和引水隧洞组成，总库容为443.52 万m3。大坝为双曲拱坝细石混凝土砌石坝，坝顶高程为151.60 m，防浪墙顶高程为152.50 m，坝高最大值为41.80 m。溢洪道堰顶高程为151.80 m，净宽70.00 m，位于大坝中部，采用混凝土实用堰及挑流消能方式，鼻坎高程为146.94 m，反弧半径R=4.00 m，挑射角为15.0°。引水隧洞位于坝体左岸，长1.76 km，引水隧洞断面采用圆形有压型式，内径大小为1.80 m，进口洞底高程为122.50 m，出口洞底高程为98.00 m。由于工程建设施工受技术、条件的影响，在工程运行中出现较多质量问题，部分工程质量已达不到规范要求，特别是大坝右岸山体较为单薄，对重力墩稳定不利，直接威胁着大坝结构稳定。水库已经运行15年，目前水库工程存在诸多的质量问题和隐患，进行水库除险加固改造，一方面能够提高工程本身结构安全、运行安全，保障人民生命财产安全；另一方面水库除险加固后更好地对下游防洪发挥作用，改善提高水库防洪、灌溉和发电等综合效益。

2 存在的问题分析

1）大坝：现场踏勘时，水库水位约为133.00 m，大坝下游左侧坝肩115.00 m 高程处岩体有渗水现象，沿裂隙面渗水，流量比较小；下游右侧坝肩117.00 m 高程处坝体施工台阶缝隙有水渗出，渗流量观测值约为1 L/min。根据水库相关工作人员定期观察，库区高水位期间，渗流点的渗流量并没有增加，可以判断库区与渗流点之间没有渗漏通道，渗流来自山体地下水溢流。检查坝顶非溢流坝段时发现3 条贯穿性裂缝，坝体右侧裂缝较大，宽2.0～3.0 mm，坝体左侧有2条裂缝，宽1.0～2.0 mm。当水库水位较高时，受库水的推力裂缝会变小，根据现场调查，大坝建成运行3～4 年后出现裂缝，裂缝出现后没有增加的迹象，目前处于稳定状态。

2）溢洪道：经现场检查，溢流面混凝土表面多处开裂且较长，下游消力池存在冲坑。

3）放水系统：冲砂孔采用内径为0.60 m 的钢管，位于坝内，放水孔底高程为114.70 m，中心高程为115.00 m，坝后连接闸阀锈蚀严重，并有小股水流出。

大坝左岸上游约50.00 m 处为引水隧洞进水口，据现场调查，由于水位波动变化区域的斜杆长期腐蚀严重，通气管尺寸较小，在闸门开启时会发生井喷。引水隧洞衬砌质量较差，表面存在孔洞和麻面，并且局部有塌落。引水洞内渗水现象较多，渗漏量大、渗水点多。隧洞出口山体边坡漏水严重，流量很大，采用三角堰量测得出库水位在130.00 m 高程时渗流量为16.563 L/s，水库水位在135.00 m 高程时渗流量为23.340 L/s，说明隧洞衬砌混凝土与岩体之间存在渗漏通道，并通过岩体流向隧洞出口。

4）观测设施：大坝无水平、位移观测设施。

3 除险加固改造措施

此次水库除险加固改造措施主要包括坝体防渗、右岸坝肩岩基帷幕灌浆、固结灌浆、坝顶加高、更换进水口通气管和冲砂孔闸阀、隧洞出口套钢管处理、大坝沉降和位移观测设施完善等。

3.1 大坝防渗加固措施

大坝防渗加固措施采用坝体迎水面边坡化学灌浆和坝肩固结帷幕灌浆，坝体迎水坡面化学灌浆设计图见图1，具体措施和方法如下：

图1 坝体迎水坡面化学灌浆设计图

3.1.1 坝体防渗设计

化学灌浆需经过钻孔→冲孔→嵌缝→压水→吹干→灌浆→清理等6 道工艺流程，其化学浆液粘度低、流动性好，灌浆后防渗效果好。此次灌浆材料选用无毒水玻璃系浆液，水泥、水玻璃浆液水灰比（水∶水泥）采用0.5∶1.0，水泥浆与水玻璃体积比为1.0∶0.5，水泥采用42.5，施工时在水泥水玻璃中掺用缓凝剂磷酸氢二钠外加剂来防止浆液凝胶时间太快。

灌浆孔布置：在迎水面边坡140.0 m高程以下坝段采用梅花形布孔。孔距为2.00 m，孔深1.50～2.00 m，共布1 020 孔，总进尺长1 530.00 m。灌浆压力控制在1.0～1.5 kg/cm2，防止砌石面抬动破坏。

3.1.2 坝肩防渗设计

右岸坝肩采用帷幕灌浆、固结灌浆处理。先对强风化岩体进行固结灌浆处理，然后用帷幕灌浆处理坝基。固结灌浆布置6 排孔，孔距、排距均为2.00 m，孔径为ϕ91 mm，梅花型排列布置。固结灌浆底高程为124.20 m，共布置63 个孔，钻孔深28.60 m，固结灌浆总进尺长2 132.00 m；帷幕灌浆底高程为124.20～136.30 m，共布置13 个孔，钻孔深28.60 m，帷幕总进尺长349.00 m。

帷幕灌浆前应先采用压力水冲洗钻孔，压力采用灌浆设计压力的80%，灌浆应分二序孔进行，孔距均为4.00 m，灌浆顺序为先一后二，灌浆采用自上而下循环式分段灌浆法：开始段（接触段）长2.00 m，以下每段长均为5.00 m，段长长度可根据工程实际地质情况进行调整。

灌浆材料主要为水泥，渗漏量较大的位置可掺入外加剂速凝剂硅酸钠(水玻璃)，通常掺入量一般为水泥重量的3%～5%。灌浆浆液水灰比采用5.0，3.0，2.0，1.0，0.8，0.6 和0.5等7个比级，浆液从稀至浓逐级变化，开灌水灰比可采用5∶1，也可根据试验进行调整。灌浆压力根据地质情况，通过公式计算或者参照灌浆经验，第一序孔采用0.30 MPa、第二序孔采用0.45 MPa，具体值可在灌浆过程中适当调整。

帷幕灌浆采用自上而下分段灌浆，在设计压力下，单位吸浆量不大于0.4 L/min 时，且延续灌注1 h 后结束灌浆。灌浆完毕后，封孔采用分段压浆法进行封孔，用灌浆泵将水灰比为0.5∶1.0 的密实水泥浆压入孔内，封孔密实后，待凝固3 d，孔上部剩余部分用粘土球封严。

3.2 坝体裂缝处理措施

根据调查，大坝有3 处竖向裂缝，裂缝1、裂缝2 分布于距左坝肩约6.00，12.00 m 处，裂缝宽1.0～2.0 mm，均横切坝上下游。裂缝1 在坝前0.70 m、坝后 2.00 m 时尖灭，裂缝 2 延伸 1.50 m 即尖灭。裂缝3 分布于距右坝肩约19.50 m 处，坝顶裂缝宽度为2.0～3.0 mm，裂缝沿坝体向下延伸，裂缝宽度逐渐减小，坝体在141.60 m 高程处裂缝宽 1.0～2.0 mm，以1.0 mm 为主，在 136.80 m 高程处裂缝宽度小于0.2 mm。当水库蓄水水位超过145.00 m 时，裂缝宽度变小，趋于闭合。低水位坝顶裂缝宽度为2.0～3.0 mm。此次对坝体裂缝处理措施：水位降至冬季最低水位时进行施工，先将裂缝冲洗干净，再将上下游缝槽进行勾缝，采用环氧乳液微膨胀水泥砂浆进行勾缝，待凝固达到要求强度后，再采用环氧树脂砂浆进行补强灌浆，灌浆压力控制在0.3～0.4 MPa，各孔自下而上进行灌浆。此次裂缝处理长度为上游17.00 m，下游18.30 m。

3.3 坝右岸山体护坡加固措施

大坝右坝肩近东西向有1 条大冲沟，致使右坝肩山体较为薄弱，经过长时间雨水冲刷，坡度较陡，岩体较破碎，水土流失严重。此次拟对大坝右岸下游高程 124.54～151.83 m 之间，长45.00 m 的岸坡采用保水、固土措施：在高程124.50 m 处新建M10 浆砌块石挡土墙，高4.00 m、顶宽1.50 m，外坡1.0∶0.5，内坡直立。墙顶至151.83 m 高程做坡，坡比为1.0∶2.0，每隔6.00 m 设置1 道马道，并在山体两侧设排水沟。

3.4 溢洪道改造措施

此次溢洪道加固设计对开裂混凝土溢流面采用开槽法修补裂缝。根据现场调查，大坝下游河床受水流冲刷已造成冲坑两处，每个冲坑宽1.50～3.00 m、深 0.60～0.80 m、长 4.00～5.00 m。此次加固采用C15 埋石混凝土回填，回填体积为18.5 m3。

3.5 防水系统改造措施

冲砂孔采用内径为0.60 m 的钢管，位于坝内，放水孔中心高程为115.00 m，底高程为114.70 m，坝后连接闸阀锈蚀严重，此次加固设计更换冲砂孔ϕ600 mm 闸阀，型号为PZ43H。

引水隧洞进水口设置斜拉闸门启闭，采用直径1 300 mm 钢管与隧洞连接，通气管采用ϕ350 mm钢管。此次加固设计方案更换直径ϕ500 mm 通气钢管、更换直径ϕ65 mm 斜拉杆。加固采用直径1.50 m 钢管衬砌，采用M10 水泥砂浆进行缝隙充填，引水隧洞洞身加固处理图见图2。

图2 引水隧洞洞身加固处理图

3.6 增加观测设施

此次除险加固对大坝左、右岸安装水平位移、沉陷观测设施。大坝位移观测标点总共设置4个，左右岸坝顶各2 个，同时设置2 个工作基点、2个后视基点、1 个起测基点和1 个水准基点。大坝布设2 条视准线，每条视准线控制2 个位移标点。各个标点设置要求如下：

1）工作基点宜选在左岸，各工作基点必须设置在较坚硬的地基上，采用现浇C15 混凝土墩，埋置经纬仪托架高1.20 m，确保观测视线通视良好。

2）后视基点设置在大坝的右岸坚硬地基上，采用强制对中底盘，底盘置于C15 混凝土墩，高度根据地形地势条件实际确定。

3）每个观测基点安装一个强制对中底盘，底座采用C15 混凝土墩，钢筋与坝顶锚固，离坝面0.30 m。

工作基点结构为C25钢筋混凝土方锥形柱体，底座尺寸为50 cm×50 cm，顶部尺寸为30 cm×30 cm，安装托架，柱体高2.35 m，基础埋深1.30 m。后视基点结构也为C25 钢筋混凝土方锥形柱体，底座尺寸为36 cm×36 cm，顶部尺寸为30 cm×30 cm，柱体高1.20 m，基础埋深0.90 m。为便于观测配备1 套观测设施：1 台水准仪、1 台经纬仪和变形观测专用铟钢尺（2.00 m）1 付，并配置1 套固定觇标和1 套活动觇标。