水库大坝险情与防渗加固处理技术应用分析

2024-01-05熊明亮

黑龙江水利科技 2023年12期

关键词：棱体坝坡防渗墙

熊明亮

（丰城市丰东水资源开发利用中心，江西丰城 331100）

0 引言

防渗加固处理技术的应用目的是科学处理工程内部的渗流，将坝身与坝基中的渗流控制在标准范围中，应用原则多为保护渗流出口、前堵后排。要全面了解水库大坝遇到的险情并加以解决，增强水库大坝应用的可持续性、安全性。

1 水库大坝工程概况

潘桥水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大（2）型水库，水库工程由大坝、泄洪洞、灌溉泄洪洞、节制闸及电站等建筑物组成。大坝为黏土斜墙坝，坝顶长180m、宽9.6 m，坝顶高程76.87m，最大坝高30.0m。大坝坝顶为泥结石路面，上游为干砌石护坡，下游为草皮护坡，高程57.95m 以下为排水棱体，排水棱体表面坡度为1 ∶ 2.0。该水库于1958 年9 月动工兴建，1964 年4 月基本建成，后经多次改建或加固达到现有规模。1960 年中旬时，大坝填筑的高程已达到74.48m，在1964 年5 月由于大坝下游坝坡渗水严重，在上游坝坡增加2～4m 的黏土斜墙。1978 年按PMP 洪水校核，坝顶高程由此前的74.48m 增加到76.87m，并将大坝上游黏土斜墙加厚4m，整修下游坝坡和排水棱体。1979 年5 月，由于坝下混凝土输水涵管出现多处环向裂缝，漏水严重，影响坝体安全，对其进行了封堵。1988 年3 月至1992 年12 月针对大坝上游坝坡护坡块石风化严重、灌溉泄洪洞裂缝、渗漏，对水库大坝进行了除险加固。2007 年6 月江西省水利厅组织专家组对潘桥水库大坝进行了安全鉴定，提出了《潘桥大坝安全鉴定报告书》，水利部大坝安全管理中心随后对其进行了核查，核定潘桥水库大坝为三类坝，需进行除险加固。2009 年10 月8 日至2010 年9 月20 日潘桥水库进行了除险加固。

2 水库大坝存在的主要问题

分析水库大坝多年运行管理资料和现场实际情况，结合安全鉴定结论，发现大坝的上游护坡、下游排水棱体与坝体防渗状态均不满足规范要求，存在安全隐患，问题如下：

1）大坝清基不彻底，坝基（肩）岩体具中等透水性，坝基、坝肩存在渗漏问题。库水位高于66.00m时，大坝下游坝脚存在大片渗漏和散浸现象，两岸坝体与基岩接触部位也可见明显渗漏现象，渗漏水流顺排水沟向下游引排。

2）上游护坡块石质量差，风化严重，块径小，呈碎块、散片状，未设垫层，厚度不满足设计要求。

3）下游排水棱体未设置反滤层，降低了排水性能，块石风化强烈，产生了严重的淤堵现象。坝脚常年积水，使排水棱体较难顺畅排水[1]。

4）大坝坝体与斜墙填土碾压不密实、施工质量差。借助斜墙填土施工现场的渗透试验可知，其渗透系数值在3.74×10-4cm/s，坝体表面首段的渗透系数在3.63×10-3cm/s，均不满足大坝的防渗需求。斜墙填土的压实度在84.7%左右，坝体表面首段86.2%，均不满足土坝压实度的要求。在了解到水库大坝的实际问题后，需采取科学先进的防渗技术进行除险加固。

3 防渗加固处理技术在水库大坝中的实际运用

3.1 复核大坝渗流

在开展大坝渗流的复核工作时，要详细考量坝体与坝基内部的土质情况，明确该类土质的渗透系数，再将该类系数与此前的渗透标准进行全面比较，探索出大坝渗流的具体状态。比如，在当前项目的坝基中，其存在强风化岩体，该类渗透系数为5.30×10-4cm/s。在完成坝基内部土质渗透系数的探索后，再对坝体中排水棱体、粉质黏土与含砂性质粉质黏土的渗透系数进行全面计算，其对应的系数值分别为6.30×10-4cm/s、3.74×10-4cm/s、5.30×10-4cm/s，渗流计算时坝体土层的渗透系数均采用本次初步设计工程地质勘察的建议值。经观察，当前坝体与坝基中的渗透系数都未能达到相应的数值标准，严重影响水库大坝的蓄水性。表1 展现了大坝渗流的计算中，各个工况的数据统计情况，要对上游水位、下游水位进行合理规划。在了解到大坝上游下游的渗流设计值后，要对其形成的渗漏状态进行科学计算，通过对渗漏量的合理规划，有效改善大坝渗流效果，增强对大坝渗流的整体控制。

表1 上游与下游水位中的大坝渗流表

3.2 复核坝坡稳定度

表2 展现出坝体中排水棱体、上游斜墙土与原坝体填土的应力指标与容重状态，要利用对该项数值的整体规划，强化各个土层各项参数的应用质量。

表2 坝体中的有效应力指标与容重表

完成坝体内物理力学的数值探究后，操作人员还观察到坝基基岩中的有效应力指标与容重，无论是内摩擦角、凝聚力还是饱和度、湿度都要超出坝体内部标准，其数值分别为40°、50kPa、23.5kN/m3与23.1kN/m3。操作人员在了解了坝体与坝基的基础情况后，要对上游坝坡与下游坝坡进行科学性设计，即严格控制正常蓄水位、设计洪水位与校正洪水位中的洪水频率、水库水位、下游水位、安全系数等，利用对该项数值的合理设计，可适时检查出坝坡抗滑稳定性，若该类数值未达到相应标准，则要将具体的安全标准投放到工况内部系数设计中，加强对坝坡稳定性的设计与改进。

3.3 防渗加固大坝坝身

在了解到当前水库大坝坝身的具体情况后，要对大坝坝身进行防渗加固处理。进行水库大坝的渗流与坝坡稳定度复核以后，发现大坝内部存有较大的安全隐患，最大出逸比没能达到项目规范性要求，对大坝水库产生较大破坏力，因而要对大坝坝身进行针对性处理，使此后的大坝渗流变得更为稳定[2]。设计大坝加固防渗的处理方案时，要适时明确大坝内部的具体构造，比如，该类大坝坝体的填筑材料较差，采用了多种不同类型的填料，当前坝体内部的填筑料为成分复杂的含砾石粉质黏土，且上游斜墙中的施工材料为粉质黏土，在两种填料相互混杂的情况下，给填料质量改善带来了些许问题。为提升大坝坝身的质量改造效果，操作人员适时考察了不同填料的渗透系数与物理学性质，并在坝身轴线位置处安设全新垂直防渗体，采取了2 种防渗加固处理方案。

1）高压喷射灌浆形式。使用高压喷射灌浆方式时，要借助钻机完成钻孔工作，将灌浆管深埋到土层中，明确预埋深度，借助高压将水或浆液喷射到土层表面，对土体表面实行不同程度地切割。切割后部分土体颗粒将涌出孔口，剩余与浆液完成搅拌混合，使土体成为全新的凝结体，该类凝结体在抗渗性、强度与密度上都超出原有地层土体，全面增强防渗效果[3]。操作人员要在坝体坝身中设计高压喷射类防渗体，将该防渗体的中间连接坝基，左右两侧连接坝肩。开展高压喷射灌浆行为时，要采取摆喷形式，即科学设置灌浆孔，在当前土体中要布置2 排，且2 排间的距离为1m，水泥黏土浆为当前试验中的主要浆液，墙体的防渗系数1×10-5cm/s、墙体的厚度分别为80cm。28d 后，其整体的抗压强度要达到6MPa 左右，高压喷射时的灌浆孔孔距要保持在1.5m 左右。

2）混凝土防渗墙。布置混凝土防渗墙前，要适时确认防渗墙施工的具体宽度，即该宽度要保持在12～14m，而现状坝顶宽度为9.6m，不能满足施工要求。操作人员将坝顶开挖至高程76.0m，相应坝顶宽可达13.68m，将部分开挖料放置到下游坡面中，并将防渗墙操作平台的宽度增加到14m，增强施工建设的基础需求。坝体内部在建设防渗墙时，采取两钻一抓形式，利用冲击钻设备击穿主孔，满足主孔的深度要求。防渗加固墙体运用混凝土材料，进行专业的现场拌制后，借助导管形式完成混凝土的浇筑工作，当泥浆循环出渣以后，要科学清理砂石泵内部浆液，再利用混凝土泵车将混凝土浇筑成加固防渗墙[4]。防渗墙顶高程高于校核水位0.5m，为高程72.50m，防渗墙及现浇混凝土墙施工完毕后，坝顶填土恢复原状，并恢复上下游护坡和坝顶道路，防渗墙厚度60cm，最大深度34m。完成2 种施工操作的计划后，操作人员可发现第2 种方式受内外部环境的因素较少，可将混凝土防渗墙应用到坝身的加固防渗施工中。表3 为当前混凝土防渗墙施工操作时，水泥浆液的配制比例表。

表3 水泥砂浆标准配制比例表

完成大坝坝身的整体改造后，项目管理层要适时检测各个土层的防渗性能，表4 展现了加固防渗举措后，大坝坝身的内部性能指标。

表4 加固以后大坝坝身渗透稳定程度表

3.4 改造上游坝坡

在进行上游坝坡的改造时，要适时发现该类坝坡的具体情况。依照此前的地质报告可知，大坝上游坝坡坡面的内部护坡砌石出现严重的破损现象，护坡块石属砂砾岩、变质岩性质，带有强风化形式，不仅抗风化能力较弱，还带有一定的松散、破裂情况，块石粒度多保持在20～30cm 之间。此前的理想护坡厚度为35cm，而在实际施工后，真正的厚度仅有20cm，难以达到项目应用标准。开展护坡加固设计的过程中，不会拆除大坝上游此前存在的砌石，而是要利用粗砂来填补缝隙，并增设15cm 的粗砂垫层。实际的加固防渗处理中，施工人员要以当前大坝上游护坡的砌石为基础，在砌石表层铺设混凝土块，其整体厚度可维持在15cm 左右，再利用水泥砂浆完成勾缝，该预制块的整体形态为正六边形，各边长度为30cm，并在中间安插不同形式的排水孔，护坡高程在54.88m。在混凝土块的下部适当安置抛石护脚，该类石块的厚度在1m 左右。完成上游坝坡的整体修复设计，提升水库大坝的应用安全。

3.5 修复下游坝坡

在修复下游坝坡中的排水系统时，要全面规划下游坝坡的具体形态。首先，根据现场考察结合安全鉴定结论，发现大坝下游的排水沟中出现较为严重的淤堵现象，排水棱体的表面为块石，下部为碎石夹黏土，碎石为强风化砂岩、千枚岩，粒径1～10cm，石料质地疏散，强度低，抗风化能力差。排水棱体未设置反滤层，且石料级配差，多有风化碎屑充填于碎石之间，黏土含量在15%～20%左右，排水不畅、透水性较差，在了解到下游坝坡的具体情况后，要对坝坡内部的排水棱体进行针对性修复，科学控制坝坡内部的更多系数。其次，进行下游坝坡的整体设计时，操作人员利用了抽槽的方法，即部分更换原排水棱体，并将棱体面层的碎石全部更换，填筑了质量更佳的块石材料，并在下游坝坡附近设置了截水沟与草皮护坡，在该项举措的影响下，全面提升下游坝坡护坡质量。最后，设计草皮护坡与截水沟时，还要及时关注截水沟的建设形态与内部构成，截水沟的断面形式与此前的断面形态相同，使用M7.5 类的含有水泥砂浆的砌块石。在完成下游坝体的整体修复后，要适时查看其使用状态，操作人员发现下游坝坡的排水问题得到极大缓解，切实改善下游坝坡的整体建设质量。