石鸡山水库应急除险加固方案设计

薛期颖

（漳州市长泰区农田建设站,福建 漳州 363000）

0 引言

石鸡山水库位于福建省长泰亭下国有林场,马洋溪黄土支流上游。建于1957年12月,集水面积1.95 km2,坝长69 m,最大坝高18.1 m,设计库容59.10 万m3,灌溉农田1 千多亩,受益1 千余人,为群众生产生活发挥了重要作用。但工程已运行60 多年,受限于建设年代的时代背景、工程施工及质量控制等技术水平限制,2014年03月经对水库的安全检查结果显示,石鸡山水库的坝体和放水涵洞两大重要建筑物已出现一定的安全问题,已影响到水库的安全稳定运行,需进行应急除险加固。经综合比较投资金额、施工难易、工期长短、运行管理等方面因素后,提出了该水库应急除险加固方案。

1 坝体防渗加固设计

1.1 坝体存在的问题

大坝为均质土坝,因坝体填筑土压实度较低,防渗性能不能满足规范要求,坝体存在渗水现象,已威胁到工程安全运行。

1.2 防渗加固方案比选

土石坝防渗加固主要可采取充填式灌浆、劈裂式灌浆、迎水坡铺设复合土工膜、射水法混凝土防渗墙、振动沉模防渗墙、单管高压旋喷防渗墙等方案[1]。根据石鸡山水库大坝的实际情况,考虑充填式灌浆前期可以取得一定的防渗效果,后期防渗效果得不到保障；劈裂式灌浆因劈裂坝体,会对坝体产生较大扰动,可能影响坝体的整体稳定性,防渗效果较差；射水法施工工艺要求高,防渗墙之间连接不够可靠；迎水坡铺设复合土工膜,土工膜埋深较浅,容易被外力破坏,且该方案无法解决坝身蚁洞所造成的渗漏通道问题,可靠性较差。因此,本工程加固不考虑充填式灌浆、劈裂式灌浆、射水法混凝土防渗墙、迎水坡铺设复合土工膜等方案。坝体防渗主要考虑单管高压旋喷防渗墙、振动沉模（需结合单管高压旋喷）两方案进行比选。两种方案对照见表1、表2。

表1 坝体防渗方案对照表

表2 坝体防渗加固方案投资对照表

经以上两方案比较可知,单管高压旋喷防渗墙方案比振动沉模防渗墙方案综合投资低。振动沉模防渗墙成墙质量虽较好,但现有市场的施工设备稀缺,且设备故障率高,无法满足本工程的场地和施工进度要求。高压旋喷防渗墙造价较经济,且成墙效果较好,施工工艺成熟,现有的施工设备较多,可以满足工程的场地和施工进度要求。所以本工程推荐采用单管高压旋喷垂直防渗墙加固方案。

1.3 施工方案

本方案即在坝顶上沿坝轴线布孔灌浆,使坝体内部在校核洪水位以下坝基隔水层以上部分形成一道由高压旋喷桩体相交组合成的连排垂直防渗墙（见图1）。

图1 高压旋喷防渗墙平面布置图

1.3.1 高喷桩设计

（1）防渗墙最小厚度计算：

式中：hw为上游水头,本工程为67.2-51.6=15.6 m；J 为允许渗透比降,取80。

计算成墙最小厚度为0.195 m。

（2）高喷桩距桩径计算：

对于旋喷桩来说,墙体的最小厚度就是两个桩体连接部位的交圈厚度,交圈厚度由桩体的直径和孔距确定。

式中：e 为旋喷桩的交圈厚度,m；De为旋喷桩桩体直径,m；l 为孔距,m。

经计算当桩径为0.6 m,孔距0.45 时,交圈厚度0.397 m＞0.195 m,满足要求。

设计旋喷桩直径D=0.6 m,布设单排孔,孔距0.45 m,旋喷桩穿过坝体伸入相对隔水层以下2.0 m,灌浆采用单管法,分两序施灌,每序孔距为0.45 m×2=0.9 m。浆液喷射压力不低于25 MPa 且不高于40 MPa。施工前做好先导孔,间距10 m。因水库涵洞埋于洞内,同时坝内存在一处大孤石,旋喷在坝顶钻孔的孔位布置需精确,尽量避开钻到涵洞。或者在钻至涵洞附近采用加大钻孔间距、增大灌浆压力的方 式进行旋喷灌浆[2]。全坝段共应布置178 个孔,布钻孔总进尺1878 m,灌浆总进尺1487 m。

1.3.2 施工方法：

（1）造孔：按设计孔位在坝顶安装旋喷钻机。对钻机底座进行纵横向整平、对中。钻孔中心距为0.45 m。为防止串孔干扰,采用二序法施工。

（2）安放灌浆管：用提升三角架,连接钻杆并逐节安装,把带合金钢片的喷头体钻穿坝体至设计孔深,边下钻边注入低压水冲洗防堵。同时注意机械振动和及时测量调整校正垂直度,钻杆偏差≤1%。

（3）注浆施工：注浆材料使用32.5 级普通硅酸盐水泥。注浆方式为压入式上行法,自下而上。旋喷管下至设计深度注浆开始时应先试喷,待注浆压力达到20 MPa 时才提升注浆管进行旋喷,旋喷主要技术参数为：①浆液喷射压力25 MPa～40 MPa；②浆液流量70 L/min～100 L/min,浆液密度1.4 g/cm3～1.5 g/cm3,回浆密度≥1.3 g/cm3；③提升速度10 cm/min～15 cm/min；④旋转速度10 r/min～15 r/min；⑤孔斜≤0.5%；⑥旋喷桩设计桩径≥0.6 m,孔距0.45 m；⑦28 d 抗压强度＞2 MPa,28 d 渗透系数＜i×10-6cm/s,允许渗透坡降J ≥60。

（4）具体参数应按规定在施工前开展试桩后选定,施工完后应进行钻孔取芯和压水试验,测定防渗墙的抗渗和强度指标。

1.4 运行检查

坝体加固后,在投入使用及运营过程中应做到定期巡查,渗透观测项目有：浸润线、渗流量、绕坝渗流、坝基渗透压力和渗透水和透明度等。

渗流量的观测,在坝体排水设备的下游适当地点将渗流集中,根据渗流量的大小,选用容积法、量水堰法或测流速法来测量渗流量。如发现突然增大时,应注意有无管涌现象发生。

2 放水涵洞加固设计

2.1 放水涵洞存在的问题

本项目放水涵洞位于大坝中部,为0.7 m×0.7 m 的浆砌条石涵洞。经人工进洞探查及结果分析显示,受当年工艺技术限制,加之经60 多年的运行、砌筑砂浆老化、基础不均匀沉降、洞顶含水土体压力过大、部分条石承压性不够等因素,已使洞身出现横向通缝断裂1 道,顶盖条石断裂2 处,勾缝砂浆已全线脱落,洞周砌缝漏水点密集,漏水量大,越靠近进口越严重。已无法满足安全运行要求,存在较大的安全隐患。

2.2 涵洞加固方案比选

根据涵洞渗漏情况,我们提出三个除险加固方案。方案一,通过开挖大坝翻修加固原放水涵洞；方案二,采用顶管法新建放水涵洞；方案三,在涵洞内安放PE 塑料管道并对空隙处灌浆密实处理。优劣势分析综合对比见表3,方案三的涵洞内衬套管施工方式由于其具有抗变形能力强、施工技术简单、工期短、投资少等优点[3],首先推荐选择。

表3 放水涵洞加固方案优劣势对比表

2.3 施工方案

2.3.1 PE 管管径选择

石鸡山水库放水涵洞位于大坝中部,采用坝内埋涵型式。涵体断面尺寸为0.7 m×0.7 m（宽×高）,洞长48 m,采用浆砌条石砌成,比降i=0.02（见图2）,放水孔直径0.15 m,设计最大放水流量为0.07 m3/s。

图2 放水涵洞加固断面图

图2 玉龙水库坝后电站受水区不同达产率电量、利用小时数图

涵洞套管即在原输水涵洞内套入输水管材,并通过充填水泥砂浆和灌注水泥浆将套管外壁充填密实。内套PE 管管径采用多大的规格,需结合原涵管的洞口尺寸及设计过水流量,通过计算确定。通常新套管与原涵管之间要保持间隙不小于30 mm。新PE 管其壁厚度确定不但要满足强度指标,还要满足稳定性指标。

根据石鸡山水库现有的涵洞尺寸及下游所需的灌溉任务,出口为自由出流,根据规范采用短管公式计算,管道水力计算公式：

式中:V 为管内平均流速,PE 管的允许最大流速为2 m/s,经济流速为0.8 m/s～1.2 m/s。

经计算得管径D=0.33 m,结合现有涵洞尺寸（0.7 m×0.7 m）及规范,最终选用PE 管管直径为D=0.5 m,壁厚为23.9 mm,承压0.6 MPa。

2.3.2 PE 管的焊接及安装

经过计算并结合材料性质要求,本工程采用壁厚23.9 mm,直径500 mm 的PE80 级SDR21 系列给水管材。为保证管道的抗渗性,本工程所有的PE 管接口连接均在现场洞外完成热熔焊接。PE 管通过临时架设的导轨,一根一根从下游进管,上游由卷扬机牵引,管头加装锥形头；下游辅以铲车（正铲）缓慢顶推,逐节熔接逐节入洞,直至全线贯通。

2.3.3 新套PE 管与旧涵洞之间充填灌浆

套管安装时需将DN50 镀锌钢管灌浆管和DN100 PVC充填管固定在PE 主管外壁上同步入洞,每隔1.5 m 布设一个喷浆口。PE 管安装固定稳定后,先将管道密封充水加压至0.2 MPa。再采用M10 微肿胀水泥砂浆通过充填灌浆管将PE 管与原涵洞间的缝隙充填密实,灌浆压力为0.2 MPa～0.3 MPa。灌浆作业应安排在现场大气温处于常年最低温时段,以减少混凝土收缩对洞身密封性所造成的影响,并确保浆液能够将套管四周外壁充填密实。

2.4 运行检查

放水涵洞加固后,在投入使用及运营过程中应做到定期巡查,做到及时发现问题及时进行处理。可重点查看出口处管壁外及旧涵周边的漏水情况；进出口处的冲刷、洞身变形、周边的塌陷、断裂；设备的正常启闭情况等问题。

3 结语

高压旋喷垂直防渗技术具有设备简单普遍,场地适应性好,工期短、工效高,工艺成熟可靠,能保证施工进度；桩体强度大,孔斜好控制,容易成桩,耐久性好,质量稳定、防渗效果好,且能处理坝基接触带的渗流等优点,很适宜在小型土石坝水库除险加固工程中应用。而涵洞加套PE 管的加固方法,因其具有柔性好、耐扭曲、耐冲击、耐腐蚀、抗变形,施工简便快速,埋地使用寿命长环保安全,投资少、施工期短等优势,不失为众多老库病涵的修复处理首选。本应急除险加固方案的实施,不仅消除了工程隐患,也为进一步提升该水库的综合效益提供了安全保障。