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摘要：文章结合云霄水库大坝存在的渗漏病险隐患，通过对该工程特点的分析，通过采用坝基帷幕灌浆和坝体劈裂灌浆对大坝进行防渗处理，结果表明,该防渗加固方案有效地解决了大坝渗漏问题，,对类似工程的补强加固有重要的借鉴作用。
关键词:土石坝；除险加固；渗漏；设计
1、工程概况
云霄水库集雨面积2.69km2,水库总库容为18.60万m3,是一座以灌溉为主,结合生活、生产用水的小（2）型水库。水库枢纽包括拦水坝、溢洪道和放水涵洞等建筑物。拦水坝为均质土石坝,坝顶长83m,宽度5.0m,坝顶高程50.00m,最大坝高12.90m。正常蓄水位46.90m,相应库容为14.3万m3;校核洪水位49.65m,总库容18.60万m3。在大坝左岸布置开敞式溢洪道。
水库于1960年11月动工兴建,1961年春建成,因当时未开溢洪道,同年冬洪水漫顶冲垮坝身长25m,于冬季开始修复,至1962年11月竣工。该水库建成蓄水后曾进行三次加固处理,第一次于1982年对溢洪道进行加宽加固;第二次对坝体局部采用套井回填粘土防渗墙加固处理,于1999年年底开工至2000年4月竣工;第三次在大坝上游面增设粘土防渗斜墙、涵洞翻挖渗漏处理和溢洪道加固处理等,于2002年10月开工至2003年8月竣工。
2、工程运行存在的问题与原因分析
水库大坝虽多次防渗加固处理,但经蓄水运行后,当库水位高于45.60m高程时,发现小股水流从下游坝脚逸出。
经钻探、现场水文地质试验和室内土工试验所揭露的情况表明,水库坝体原填土土质总体上均质性較差,夹有较多碎石,e=0.632～0.990,土样中少部分土呈高压缩性(av≥0.5),绝大多数呈中等压缩性(0.1≤av≤0.5)。局部含水量较高,最大可达38%,干密度ρd=1.27～1.66g/cm3。坝体填土属极微透水至微透水,渗透系数Kh=4.42×10-7～8.09×10-5cm/s,KV=1.8×10-7～1.06×10-6cm/s,填土的渗透系数K值≤10-4cm/s,满足《土石坝设计规范》规定的坝体填土防渗性要求。大坝基础下伏砂卵石层,含水量高,强度低,由注水试验测量得其渗透系数K=8.75×10-4～2.72×10-3cm/s,属中等强透水层性,为坝基的主要透水层。左坝肩部分置于坡积土上和部分置于中风化岩基上,右坝肩表层裸露基岩以强中风化为主,其左右岸存在绕坝渗漏与接触渗漏问题。同时在地质勘察钻孔当中发现库内水沿着坝体与坝肩接触带及破碎带漏至坝基,再由坝基向坝体外漏出。
通过引用地质勘察报告的参数值,采用渗流量公式计算:
其计算成果可知,坝体K取钻探室内土工试验值时坝体单宽渗流量小于K取规范值时坝体单宽渗流量,说明坝体渗流量能满足规范要求;坝基K取钻探室内土工试验值时坝基单宽渗流量大于K取规范值时坝基单宽渗流量,说明坝基渗流量不能满足规范要求。同时结合现场检查和地质勘察资料分析可知,两岸坝底和坝基存在渗漏水现象。
3、大坝防渗处理方案的比选
根据水库大坝存在的渗漏问题,在选择防渗处理方案时,不但要求技术上的可行性,还需考虑对已做的加固工程尽可能保持其原貌,不产生太大的破坏和拆除重建,以减少在社会上的负面影响,同时还必须做到节省投资,并能在较短时间内解决水库的渗漏问题。经防渗加固方案分析比较,最后确定由劈裂灌浆、倒挂井混凝土防渗墙和高压喷射灌浆3个方案,进行方案比选。
3.1劈裂灌浆方案
劈裂灌浆防渗是用一定的泥浆压力人为地劈开坝体,灌注泥浆,利用浆坝互压,
泥浆析水固结和坝体湿陷密实等作用,使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、砂层等隐患得到充填,挤压密实,形成竖直连续的浆体防渗墙。同时,由于灌浆压力在坝体内部所产生的应力再分配,也能改善坝体的应力状态,促进变形稳定。随着劈裂灌浆技术的推广应用,其加固机理更趋成熟。该技术具有机理明确,设备工艺简单,投资省,效果好等优点。这项工艺技术已在众多座水库除险加固中得到应用,并取得了较好的技术效果和经济效益。
3.2高压喷射灌浆方案
高压喷射灌浆是利用置于钻孔中的喷射装置射出高压水束冲击破坏被灌地层结构,同时将浆液灌入,形成按设计方向、深度、厚度和结构形式,与地基紧密结合,构成连续的防渗帷幕体。高压喷射灌浆具有适用范围较广,施工简单,固结体形成可以控制,有较好的耐久性,相对压力灌浆其浆液不易扩散流失,环境污染较小,价格适中等优点。
3.3倒挂井混凝土防渗墙方案
倒挂井混凝土防渗墙方案是20世纪70年代中期,在大搞农田基本建设中,开创了人工开挖连锁井,浇筑混凝土井圈,井内填筑混凝土,用于除坝渗漏处理。采用单井,自上而下开挖,分层浇筑混凝土井圈,先挖主井,后挖副井,互相搭接,井内回填混凝土,构成整体混凝土防渗墙。它的优点是单井施工,土拱作用,土压力小,施工安全。同时,单井施工,工程量小,不需要大型或专用设备;对基础处理比较彻底,保证质量,不留隐患。缺点是由于井圈接逢多,副井开挖后,浇筑混凝土圈墙时,要凿除主井部分表面混凝土,施工困难,影响进度,也不易保证质量。
3.4方案的选择
根据3个方案的比较后认为:劈裂灌浆机理明确,设备工艺简单、操作方便、工期短,且造价低,故确定大坝防渗加固采用坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆方案。灌浆顺序为先进行坝基帷幕灌浆,后进行坝体劈裂灌浆。
4、防渗加固设计
4.1坝基帷幕灌浆
本工程坝基防渗采用悬挂式帷幕,其具体灌浆的技术要求如下：
(1)灌浆孔轴线。帷幕灌浆孔布置在距离上游路肩0.50m处。(2)灌浆布置二排,排距2.0m,孔距2.0m,以梅花形布孔,机钻钻孔,孔径≥90mm。灌浆材料砂砾石层选用水泥粘土浆,其中水泥粘土浆的水泥含量为35%,水与干料的比例为1∶1。(3)灌浆采用循环钻灌法,先导孔后进行压水试验。(4)灌浆分三序进行,第一序孔距8.0m,第二序孔距4.0m,第三序孔距2.0m。帷幕灌浆三序孔孔深相同,采用全孔一次灌浆法。(5)灌浆孔深度采用莱恩统计法计算确定帷幕深度为8.0m。(6)灌浆压力:压力控制在0.2～0.4MPa。(7)灌浆施工除满足本设计要求外,还必须严格执行《水工建筑物灌浆施工技术规范》(SL62-94)的有关规定。
4.2坝体劈裂灌浆
坝体劈裂灌浆的技术要求如下。
(1)灌浆孔轴线。劈灌孔布置在与帷幕灌浆在同一轴线上。(2)第一序孔,孔距为4m;第二序孔,孔距为2m;第三序孔,孔距为1m。坝体灌浆和基础帷幕灌浆相结合,先对坝体的第一、二序孔进行灌浆,两灌浆孔相重合处即坝体第三序孔,先进行帷幕灌浆,再进行坝体灌浆。(3)坝体灌浆孔为一排,孔距1.0m,钻孔干法造孔,孔径70mm,钻至坝基面,灌浆材料采用粘土浆。其组成成分粘粒∶粉粒∶砂粒为4∶5∶1,浆液浓度应先稀后浓,泥浆密度一般为(1.2～1.7)g/cm3。开始用稀浆灌注,待坝体被劈裂开后,改为浓浆,密度达到(1.2～1.7)g/cm3,封孔时大于1.7g/cm3。浆液具体数值由试验确定。(4)灌浆采用由下至上,全孔灌注法。造孔灌浆分三序施工,第一序孔距4.0m,第二序孔距2.0m,第三序孔距1.0m。造一序孔灌一序孔,灌完一序孔,再灌下一序孔。在灌浆中,应对第一序孔轮灌,采用少灌多复的方法,每米孔深每次灌浆量应控制在(0.3～0.5)m3,每孔灌浆次数6次,复灌每次间隔5天。施工单位在灌浆过程中应做好灌浆记录。(5)灌浆压力:灌浆压力应通过灌浆试验确定,孔口压力控制在50KPa,在施工过程中根据实际情况调整确定,灌至大坝上半部分压力应减少。(6)灌浆结束标准:在规定的压力下,注入浆液升至孔口,经连续复灌3次不再吃紧,即可结束灌浆。封孔方法用泥球封孔法。施工单位在灌浆结束后,应进行质量检查,并提供质量检查报告。(7)对于吃浆量过大的钻孔,每次灌浆量每米孔深不超过1m,间隔5天后再复灌,浆液浓度1.6g/cm3。(8)灌浆施工除满足本设计要求外,还必须严格执行《土坝坝体灌浆技术规范》(SD266-88)的有关规定。
5、大坝防渗加固效果
水库大坝经防渗处理后,已经多次高蓄水位的运行考验,大坝背水坡原渗水点基本消失,达到了预期的防渗效果。
6、结语
通过对水库大坝防渗处理的工程实践,认为坝基帷幕灌浆和坝体劈裂灌浆联合起来使用能够有效地解决大坝的渗漏问题,该方法也可用于类似于该工程条件的大坝防渗加固。实践证明,该方案不但技术上可行,而且经济效益也显著。
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关键词:土石坝；除险加固；渗漏；设计
1、工程概况
云霄水库集雨面积2.69km2,水库总库容为18.60万m3,是一座以灌溉为主,结合生活、生产用水的小（2）型水库。水库枢纽包括拦水坝、溢洪道和放水涵洞等建筑物。拦水坝为均质土石坝,坝顶长83m,宽度5.0m,坝顶高程50.00m,最大坝高12.90m。正常蓄水位46.90m,相应库容为14.3万m3;校核洪水位49.65m,总库容18.60万m3。在大坝左岸布置开敞式溢洪道。
水库于1960年11月动工兴建,1961年春建成,因当时未开溢洪道,同年冬洪水漫顶冲垮坝身长25m,于冬季开始修复,至1962年11月竣工。该水库建成蓄水后曾进行三次加固处理,第一次于1982年对溢洪道进行加宽加固;第二次对坝体局部采用套井回填粘土防渗墙加固处理,于1999年年底开工至2000年4月竣工;第三次在大坝上游面增设粘土防渗斜墙、涵洞翻挖渗漏处理和溢洪道加固处理等,于2002年10月开工至2003年8月竣工。
2、工程运行存在的问题与原因分析
水库大坝虽多次防渗加固处理,但经蓄水运行后,当库水位高于45.60m高程时,发现小股水流从下游坝脚逸出。
经钻探、现场水文地质试验和室内土工试验所揭露的情况表明,水库坝体原填土土质总体上均质性較差,夹有较多碎石,e=0.632～0.990,土样中少部分土呈高压缩性(av≥0.5),绝大多数呈中等压缩性(0.1≤av≤0.5)。局部含水量较高,最大可达38%,干密度ρd=1.27～1.66g/cm3。坝体填土属极微透水至微透水,渗透系数Kh=4.42×10-7～8.09×10-5cm/s,KV=1.8×10-7～1.06×10-6cm/s,填土的渗透系数K值≤10-4cm/s,满足《土石坝设计规范》规定的坝体填土防渗性要求。大坝基础下伏砂卵石层,含水量高,强度低,由注水试验测量得其渗透系数K=8.75×10-4～2.72×10-3cm/s,属中等强透水层性,为坝基的主要透水层。左坝肩部分置于坡积土上和部分置于中风化岩基上,右坝肩表层裸露基岩以强中风化为主,其左右岸存在绕坝渗漏与接触渗漏问题。同时在地质勘察钻孔当中发现库内水沿着坝体与坝肩接触带及破碎带漏至坝基,再由坝基向坝体外漏出。
通过引用地质勘察报告的参数值,采用渗流量公式计算:
其计算成果可知,坝体K取钻探室内土工试验值时坝体单宽渗流量小于K取规范值时坝体单宽渗流量,说明坝体渗流量能满足规范要求;坝基K取钻探室内土工试验值时坝基单宽渗流量大于K取规范值时坝基单宽渗流量,说明坝基渗流量不能满足规范要求。同时结合现场检查和地质勘察资料分析可知,两岸坝底和坝基存在渗漏水现象。
3、大坝防渗处理方案的比选
根据水库大坝存在的渗漏问题,在选择防渗处理方案时,不但要求技术上的可行性,还需考虑对已做的加固工程尽可能保持其原貌,不产生太大的破坏和拆除重建,以减少在社会上的负面影响,同时还必须做到节省投资,并能在较短时间内解决水库的渗漏问题。经防渗加固方案分析比较,最后确定由劈裂灌浆、倒挂井混凝土防渗墙和高压喷射灌浆3个方案,进行方案比选。
3.1劈裂灌浆方案
劈裂灌浆防渗是用一定的泥浆压力人为地劈开坝体,灌注泥浆,利用浆坝互压,
泥浆析水固结和坝体湿陷密实等作用,使所有与浆脉连通的裂缝、洞穴、砂层等隐患得到充填,挤压密实,形成竖直连续的浆体防渗墙。同时,由于灌浆压力在坝体内部所产生的应力再分配,也能改善坝体的应力状态,促进变形稳定。随着劈裂灌浆技术的推广应用,其加固机理更趋成熟。该技术具有机理明确,设备工艺简单,投资省,效果好等优点。这项工艺技术已在众多座水库除险加固中得到应用,并取得了较好的技术效果和经济效益。
3.2高压喷射灌浆方案
高压喷射灌浆是利用置于钻孔中的喷射装置射出高压水束冲击破坏被灌地层结构,同时将浆液灌入,形成按设计方向、深度、厚度和结构形式,与地基紧密结合,构成连续的防渗帷幕体。高压喷射灌浆具有适用范围较广,施工简单,固结体形成可以控制,有较好的耐久性,相对压力灌浆其浆液不易扩散流失,环境污染较小,价格适中等优点。
3.3倒挂井混凝土防渗墙方案
倒挂井混凝土防渗墙方案是20世纪70年代中期,在大搞农田基本建设中,开创了人工开挖连锁井,浇筑混凝土井圈,井内填筑混凝土,用于除坝渗漏处理。采用单井,自上而下开挖,分层浇筑混凝土井圈,先挖主井,后挖副井,互相搭接,井内回填混凝土,构成整体混凝土防渗墙。它的优点是单井施工,土拱作用,土压力小,施工安全。同时,单井施工,工程量小,不需要大型或专用设备;对基础处理比较彻底,保证质量,不留隐患。缺点是由于井圈接逢多,副井开挖后,浇筑混凝土圈墙时,要凿除主井部分表面混凝土,施工困难,影响进度,也不易保证质量。
3.4方案的选择
根据3个方案的比较后认为:劈裂灌浆机理明确,设备工艺简单、操作方便、工期短,且造价低,故确定大坝防渗加固采用坝体劈裂灌浆和坝基帷幕灌浆方案。灌浆顺序为先进行坝基帷幕灌浆,后进行坝体劈裂灌浆。
4、防渗加固设计
4.1坝基帷幕灌浆
本工程坝基防渗采用悬挂式帷幕,其具体灌浆的技术要求如下：
(1)灌浆孔轴线。帷幕灌浆孔布置在距离上游路肩0.50m处。(2)灌浆布置二排,排距2.0m,孔距2.0m,以梅花形布孔,机钻钻孔,孔径≥90mm。灌浆材料砂砾石层选用水泥粘土浆,其中水泥粘土浆的水泥含量为35%,水与干料的比例为1∶1。(3)灌浆采用循环钻灌法,先导孔后进行压水试验。(4)灌浆分三序进行,第一序孔距8.0m,第二序孔距4.0m,第三序孔距2.0m。帷幕灌浆三序孔孔深相同,采用全孔一次灌浆法。(5)灌浆孔深度采用莱恩统计法计算确定帷幕深度为8.0m。(6)灌浆压力:压力控制在0.2～0.4MPa。(7)灌浆施工除满足本设计要求外,还必须严格执行《水工建筑物灌浆施工技术规范》(SL62-94)的有关规定。
4.2坝体劈裂灌浆
坝体劈裂灌浆的技术要求如下。
(1)灌浆孔轴线。劈灌孔布置在与帷幕灌浆在同一轴线上。(2)第一序孔,孔距为4m;第二序孔,孔距为2m;第三序孔,孔距为1m。坝体灌浆和基础帷幕灌浆相结合,先对坝体的第一、二序孔进行灌浆,两灌浆孔相重合处即坝体第三序孔,先进行帷幕灌浆,再进行坝体灌浆。(3)坝体灌浆孔为一排,孔距1.0m,钻孔干法造孔,孔径70mm,钻至坝基面,灌浆材料采用粘土浆。其组成成分粘粒∶粉粒∶砂粒为4∶5∶1,浆液浓度应先稀后浓,泥浆密度一般为(1.2～1.7)g/cm3。开始用稀浆灌注,待坝体被劈裂开后,改为浓浆,密度达到(1.2～1.7)g/cm3,封孔时大于1.7g/cm3。浆液具体数值由试验确定。(4)灌浆采用由下至上,全孔灌注法。造孔灌浆分三序施工,第一序孔距4.0m,第二序孔距2.0m,第三序孔距1.0m。造一序孔灌一序孔,灌完一序孔,再灌下一序孔。在灌浆中,应对第一序孔轮灌,采用少灌多复的方法,每米孔深每次灌浆量应控制在(0.3～0.5)m3,每孔灌浆次数6次,复灌每次间隔5天。施工单位在灌浆过程中应做好灌浆记录。(5)灌浆压力:灌浆压力应通过灌浆试验确定,孔口压力控制在50KPa,在施工过程中根据实际情况调整确定,灌至大坝上半部分压力应减少。(6)灌浆结束标准:在规定的压力下,注入浆液升至孔口,经连续复灌3次不再吃紧,即可结束灌浆。封孔方法用泥球封孔法。施工单位在灌浆结束后,应进行质量检查,并提供质量检查报告。(7)对于吃浆量过大的钻孔,每次灌浆量每米孔深不超过1m,间隔5天后再复灌,浆液浓度1.6g/cm3。(8)灌浆施工除满足本设计要求外,还必须严格执行《土坝坝体灌浆技术规范》(SD266-88)的有关规定。
5、大坝防渗加固效果
水库大坝经防渗处理后,已经多次高蓄水位的运行考验,大坝背水坡原渗水点基本消失,达到了预期的防渗效果。
6、结语
通过对水库大坝防渗处理的工程实践,认为坝基帷幕灌浆和坝体劈裂灌浆联合起来使用能够有效地解决大坝的渗漏问题,该方法也可用于类似于该工程条件的大坝防渗加固。实践证明,该方案不但技术上可行,而且经济效益也显著。
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