李梅華,邵 蔚

(1.黃河水利職業(yè)技術學院,河南 開封 475001;2.河南省南陽市水利勘測設計院,河南 南陽 473062)

1 工程概況

皮溝水庫位于唐河縣王集鄉(xiāng)皮溝村以南,長江流域唐白河水系泌陽河支流上。控制流域面積2.5 km2,壩址以上干流長度1.4 km。水庫于1968年10月動工興建,1970年6月建成蓄水,是一座以防洪、灌溉為主,兼顧水產(chǎn)養(yǎng)殖的小(2)型水庫。皮溝水庫樞紐主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水洞。工程為Ⅴ等,總庫容 98×104m3,大壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程150.20 m,壩頂長520m,壩頂寬4.0m,最大壩高8.6m。

該水庫自運行以來,險情不斷,現(xiàn)有防洪能力不足10 a一遇。高水位運行時,壩體及兩壩肩均有滲漏現(xiàn)象,壩后常年有滲水,致使壩下游大面積沼澤化,存在滲漏隱患。經(jīng)過專項復核,皮溝水庫為三類壩,存在嚴重安全隱患,屬病險水庫,亟待除險加固。

2 大壩滲漏形成的原因分析

2.1 壩體與壩基接觸面處理不善

對壩基鉆探,壩址區(qū)的地層較單一,主要為第四系上、中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土。①第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土:分布于兩壩肩,黃褐色,可塑～硬塑狀態(tài),含鐵錳結核及鈣質(zhì)結核,裂隙發(fā)育,具弱膨脹性。土質(zhì)物理力學指標為:含水率 w=20.12%,天然孔隙比 e=0.691,干密度 ρd=1.600 g/cm3,比重Gs=2.705,壓縮系數(shù) av1-2=0.12MPa-1,壓縮模量 Es1-2=14.1MPa,飽 和快 剪 c=43 kPa,φ=12.5°,滲透 系數(shù)2.19×10-6cm/s。②第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土:分布于崗間洼地及河槽段,黃褐色,可塑～硬塑狀態(tài),含鐵錳結核,具弱膨脹性。土體物理力學指標:含水率w=18.77%,天然孔隙比 e=0.701,干密度 ρd=1.590 g/cm3,比重 Gs=2.705,壓縮系數(shù)av1-2=0.13MPa-1,壓縮模量 Es1-2=13.1MPa,飽和快剪 c=40 kPa,φ=12°,滲透系數(shù) 3.48×10-6cm/s。

經(jīng)鉆探資料分析表明,左、右臺地段(0+230～0+415及0+445～0+485):壩基巖性上部為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土,弱透水;下部為第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土,微透水,工程地質(zhì)條件較好。左臺地段壩腳滲水呈明流,說明施工期清基不徹底,壩體與壩基的接觸面存在接觸滲漏問題。河槽段(0+415～0+445):壩基巖性為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土,弱透水,壩體與壩基接觸處無防滲處理,存在接觸滲漏問題。

2.2 大壩壩體單薄,無排水設施

大壩壩型為均質(zhì)土壩,原設計壩頂高程150.20 m,壩頂長520 m,壩頂寬4.0m,最大壩高8.6m。原上游壩坡1∶2.5,為混凝土護坡;下游壩坡為1∶3.0,為草皮護坡。大壩現(xiàn)狀壩頂高程149.15 m～150.30 m,壩頂寬2.4 m～4.2m,迎水坡坡比為 1∶1.9～ 1∶3.1,背水坡坡比為 1∶2.3～ 1∶3.4。 無坡面排水系統(tǒng),無壩后排水體。

大壩現(xiàn)狀存在局部壩坡比較陡,壩體單薄,并且無壩后排水設施[1～2]。大壩在樁號0+050處有出水口滲水嚴重,導致背水坡150 m2塌陷。

2.3 管理不善

水庫無正規(guī)管理機構,管理設施不完善,觀測設施不完善。無管理房、防汛倉庫、防汛公路等。

2.4 壩體施工質(zhì)量差

對大壩壩體填筑材料取樣,通過擊實試驗得知:最優(yōu)含水率為17.60%,最大干密度為 1.732 g/cm3。根據(jù)土工試驗資料,壩體填土物理力學指標平均值為:w=19.45%,ρd=1.480 g/cm3,e=0.833,Gs=2.713,WL=36.85%,WP=18.43%,IP=18.42,IL=0.055,壓縮系數(shù) av1-2=0.33MPa,壓縮模量Es1-2=5.6MPa,飽和固結快剪平均值 c=18.8 kPa,φ=20°,小值平均值 c=15 kPa,φ=20°。 填料為粉質(zhì)粘土,滲透系數(shù)9.77×10-6cm/s。

擊實試驗得出的壩體土料最優(yōu)含水率為17.60%,最大干密度為1.732 g/cm3。當壓實度為95%時,干密度為1.645 g/cm3,壩體填土干密度平均值1.480 g/cm3,所以壩體填筑質(zhì)量差,不能滿足要求。

經(jīng)以上分析,造成皮溝水庫大壩滲漏的主要原因是壩體與壩基接觸處處理不善、壩體單薄、壩體施工質(zhì)量差等方面。

3 大壩滲漏的防治對策

3.1 培厚壩體,增設排水設施

針對大壩的具體情況,使工程在滿足規(guī)范要求的前提下,盡量減少工程量,培厚整修上、下游壩坡[3]。經(jīng)穩(wěn)定分析計算,大壩下游坡坡度采用 1∶2.5,上游坡坡度采用 1∶2.8。根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》SL189-96的規(guī)定,壩頂寬度取3 m～6 m。綜合考慮大壩抗滑穩(wěn)定及運行要求,培厚壩體與壩體穩(wěn)定統(tǒng)籌考慮。壩頂寬度取4.0 m,同時拆除上游已經(jīng)塌陷的混凝土護坡,設置漿砌石護坡。下游壩坡設置15cm厚的碎石護坡,并在下游坡面上設置縱橫向排水溝。在下游坡坡腳新建貼坡式排水體。排水體堆石粒徑為18cm～30cm,反濾層采用碎石墊層30cm和粗砂墊層30cm。壩體除險加固處理設計圖如圖1。

圖1 壩體防滲處理設計圖

壩體培厚按照設計壩坡線分層回填夯實,回填時由下至上分層回填夯實,壓實度不小于0.95～0.97。施工時要求徹底清除樹根雜草,坡面修整平順、密實,然后沿壩坡每隔5 m～10 m挖防滑溝一道,溝深1.0 m,溝底寬0.5m?；靥顣r,應將開挖坑槽時的階梯逐層削成斜坡,做好新老土的結合。

3.2 觀測設施

在壩體上,增設變形觀測設施。布置3排,共9個測點。工作基點和校核基點布置在壩右端穩(wěn)定山坡上,共計2處。

增設壩體浸潤線觀測設施。在大壩樁號0+250斷面、0+281斷面、0+375斷面處設置壩體浸潤線觀測管。每個斷面設置3個觀測管,共計9個。埋設上、下游水位觀測標尺,滲流量及滲水混濁度觀測采用量水堰,在壩腳排水溝出口處,設置三角形量水堰1座,配備YL型量水堰流量計。

3.3 防滲處理方案

3.3.1 方案選擇

大壩壩基座于粉質(zhì)粘土層上,由于施工時壩基清理不徹底,導致下游大面積沼澤化;壩體及兩壩肩高水位時存在滲流問題。針對上述問題,初步考慮以下方案:

(1)混凝土防滲墻法:結合該工程的工程質(zhì)量問題分析,該壩體系均質(zhì)土壩,且安全鑒定認為壩基、壩體均有滲流異?，F(xiàn)象,采用混凝土防滲墻處理滲漏,可以將壩體、壩基的滲漏進行統(tǒng)一治理,施工時可以一次開槽直至壩基相對不透水層,連續(xù)澆筑一次成墻,施工方便,治理效果好[4]。

(2)裂隙灌漿:適用于充填人工和天然孔洞、節(jié)理和孔隙,空隙系統(tǒng)結構有顯著改變。本工程的壩體滲漏主要表現(xiàn)在高水位運行時,壩體及兩壩肩均有滲流異常現(xiàn)象,滲漏部位較多,多有連續(xù)性[5～6]。充填灌漿可以解決壩體填筑質(zhì)量差的問題,對提高壩體強度,處理壩體裂縫和散浸現(xiàn)象有較好的效果,但由于充填壓力及土料的各向異性,會留下壩體形成二次裂縫的隱患,故本工程不考慮采用此處理方案。

(3)壓密灌漿:適用于充填導管周圍人工產(chǎn)生的孔洞,通過導管灌漿材料進入周圍土體。壓密灌漿可以明顯提高土體的持力能力。工程中使用較多的是劈裂灌漿。劈裂灌漿適用于壩體質(zhì)量普遍不好,壩后坡有大面積散浸或多處明漏的隱患,防滲效果較好,同時起到加固壩基的作用。劈裂灌漿具有設備簡單,操作容易,能夠就地取材,防滲效果好,工程造價低等優(yōu)點。但本工程的壩體由粘壤土及風化料填筑,劈裂灌漿時壩體小主應力面難以控制,灌漿時漿液流動性大,施工質(zhì)量難以保證[2]。另外,劈裂灌漿壓力若控制不好,達不到預期效果,還可能對壩體某些結構,甚至對壩體造成破壞。因此,未采用劈裂灌漿的方案。

(4)旋噴灌漿:主要用于封閉和加固巖土。該方法使松散土體的基礎局部受高達60MPa壓力的噴射水或灌漿漿液的沖蝕作用。由此產(chǎn)生的空隙,隨后由灌漿材料和被疏松土的混合物所充填。它并不是通常意義上的灌漿,而是一種土體原位混合改良方法[6]。工程中常用的是水泥土(灰土)攪拌樁處理方案,由于該方案造價高,本工程不考慮使用。

經(jīng)過論證,決定采用混凝土防滲墻方案,既可以解決壩體與壩基的接觸滲漏問題,又可以解決因壩體質(zhì)量填筑不均勻引起的壩后滲流異?，F(xiàn)象。

3.3.2 混凝土防滲墻方案實施[7]

本方案擬將防滲墻開槽設置在壩頂。混凝土防滲墻施工時,施工場地寬度應不小于8 m,防滲墻布置在壩頂,大壩壩頂寬度現(xiàn)狀為2.4 m～4.2 m,需將壩頂寬度拓寬至8 m。本工程在壩頂臨時搭建8 m寬施工平臺,采用沖擊鉆和液壓開槽機開槽,墻體應深入壩基相對不透水層以下1 m,墻厚0.3 m。

3.3.2.1 防滲墻厚度確定

防滲墻厚度應根據(jù)抗?jié)B和抗溶蝕要求計算,經(jīng)計算d=0.08 m,同時考慮施工機具因素以及孔斜因素,孔斜率不大于 0.4%,取 d=0.3 m。

3.3.2.2 混凝土防滲墻施工場地

混凝土防滲墻施工,場地寬度應不小于8 m,因此需將壩頂削至149.60 m,其上建造施工臨時平臺寬8 m,邊坡1∶1.5。為確保邊坡穩(wěn)定,外側設置50cm厚的編織袋裝土護坡進行混凝土防滲墻施工。

3.3.2.3 造槽及導墻

混凝土防滲墻施工采用液壓抓斗機造槽,造槽前應先修導墻,設計導墻高度為1.2 m,厚0.2 m,導墻的內(nèi)間距0.35 m,高出地面0.1 m,采用C20鋼筋混凝土結構。

3.3.2.4 混凝土防滲墻材料

混凝土防滲墻設計厚度0.3 m,墻體材料采用C20混凝土,混凝土防滲標號均采用S4。

3.3.2.5 其他要求

為滿足滲透穩(wěn)定需求,混凝土防滲墻底部應插入下部相對不透水層1.0 m?；炷练罎B墻澆筑后,應及時恢復壩坡原貌,拆除臨時施工道路及其他設施,恢復150.00 m壩頂設施等。

3.4 防滲處理效果

皮溝水庫大壩的滲漏采用混凝土防滲墻處理,防滲墻厚0.30m,混凝土防滲墻底部插入相對不透水層1.0 m。大壩經(jīng)過處理以后,消除了壩下游的沼澤現(xiàn)象,滲漏量減少90%,防滲效果達到了預期的目的。

4 結 語

皮溝水庫大壩經(jīng)過培厚壩體、增設壩體滲流觀測設施、采用混凝土防滲墻等幾種方法聯(lián)合處理,壩體滲漏量得到了有效控制,從根本上消除了壩后的沼澤現(xiàn)象。由于觀測設施的布設,為以后大壩的滲流觀測提供方便?？梢詴r時觀測、分析大壩的滲流情況,掌控大壩的運行,進而從根本上消除滲透破壞。

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