李 焱 ,吳曉彬 ,高江林 ,簡鴻福
(1.江西省水利科學(xué)研究院,江西 南昌 330029;2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330029)
近幾年江西省對數(shù)百座土石壩進(jìn)行了加固,并重新設(shè)計(jì)建造了大壩的防滲體系[1]。對于除險(xiǎn)加固中壩體和壩基防滲的特殊問題,尤其是壩體防滲墻與基礎(chǔ)帷幕灌漿銜接問題,如何選用合適的防滲方案,以達(dá)到理想的防滲效果并在經(jīng)濟(jì)上最優(yōu),目前還沒有系統(tǒng)的研究[2~5]。因此,對我省土壩基礎(chǔ)防滲方案進(jìn)行及時(shí)總結(jié)和分析,對指導(dǎo)我省今后的大壩基礎(chǔ)防滲工程實(shí)施,具有重要意義。
本文對全省土壩基礎(chǔ)防滲實(shí)施情況進(jìn)行了調(diào)研,總結(jié)了我省應(yīng)用較多的防滲方案;在調(diào)研的基礎(chǔ)上,選用典型工程,對幾種防滲方案進(jìn)行現(xiàn)場壓水試驗(yàn),比較了各方案的防滲效果;對各防滲方案進(jìn)行了有限元分析計(jì)算,和現(xiàn)場試驗(yàn)資料互相驗(yàn)證;對各防滲方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),通過單價(jià)分析并結(jié)合施工工序分析,給出了合理的技術(shù)方案。
目前,在江西省水庫土石壩的除險(xiǎn)加固中,主要采用以下4種方案進(jìn)行壩基防滲:
方案一:防滲墻和帷幕灌漿綜合應(yīng)用,防滲墻和帷幕灌漿布置在同一軸線上。在混凝土防滲墻施工時(shí),預(yù)埋灌漿鋼管,待墻體凝固具有一定強(qiáng)度后,在預(yù)留的灌漿管內(nèi)鉆孔進(jìn)行帷幕灌漿。
方案二:防滲墻和帷幕灌漿綜合應(yīng)用,防滲墻和帷幕灌漿布置在同一軸線上,待防滲墻具有一定強(qiáng)度后進(jìn)行鉆孔灌漿。這種方法從本質(zhì)上講,和第一種灌漿方法是一樣的,只是灌漿孔的成孔方法不同。
方案三:防滲墻、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿綜合應(yīng)用,墻前布置“壓漿板”。帷幕灌漿軸線一般布置在防滲墻軸線前30 cm左右。在基巖帷幕灌漿施工前,在基巖上方利用高壓噴射灌漿形成一道“壓漿板”,以利于基巖帷幕灌漿。
方案四:防滲墻、帷幕灌漿綜合應(yīng)用,墻前未布置壓漿板。帷幕灌漿軸線一般布置在防滲墻軸線前30 cm左右。
分別針對壩體防滲墻和壩基帷幕灌漿的研究已經(jīng)很多[5],本文不再贅述。本文主要針對防滲墻和帷幕灌漿的銜接段進(jìn)行了研究,各方案的防滲效果也主要根據(jù)施工后銜接段的壓水試驗(yàn)透水率結(jié)果來進(jìn)行判定。各試驗(yàn)孔均布置在帷幕軸線上、相鄰兩個(gè)灌漿孔的中點(diǎn),壓水試驗(yàn)的方法采用單點(diǎn)法。
給出各方案的現(xiàn)場壓水試驗(yàn)結(jié)果,如表1~表4。
表1 方案一壓水試驗(yàn)成果匯總表
表2 方案二壓水試驗(yàn)成果匯總表
表3 方案三壓水試驗(yàn)成果匯總表
表4 方案四壓水試驗(yàn)成果匯總表
各水庫在加固前,各銜接段透水率均在15~40 Lu范圍內(nèi)。通過以上實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,無論是采用哪種防滲方案,其銜接段的透水率較處理前均有較大降低,說明近幾年我省采用的壩體和壩基防滲方案是可靠、有效的。而從實(shí)測的數(shù)據(jù),特別是加固后的透水率來看,各種防滲方式在銜接段的防滲效果差別并不明顯。
本文利用GEO-Studio有限元軟件,對4種壩基處理方案進(jìn)行滲流分析。
選用的典型工程為宜春市某中型水庫。該水庫壩址以上控制流域面積30 km2,水庫總庫容1745萬m3,設(shè)計(jì)正常高水位 112.30 m,壩頂高程 116.60 m,最大壩高26.60 m,壩頂寬6.00 m。上游坡比自上而下分別為1∶3.00、1∶3.16,下游坡比為 1∶2.50。
由于本文主要是探討防滲方案的效果,因此選擇壩體材料能夠反映整個(gè)大壩情況的斷面作為計(jì)算斷面。大壩的主要斷面材料有:壩體填土、排水棱體、壩基礫質(zhì)土層、壩基風(fēng)化基巖、壩基未風(fēng)化基巖(見圖1)。各分區(qū)材料滲透系數(shù)(由該工程的勘察單位提供)如表5。滲流分析采用的水位為正常蓄水位,即112.30 m。
加固前某水庫大壩的滲流場如圖2所示;圖3、圖4、圖5分別表示采用帷幕與防滲墻同軸線灌漿(包括預(yù)留鋼管灌漿和墻體鉆孔灌漿)、墻前壓漿板灌漿、墻前未設(shè)置壓漿板等四種方案進(jìn)行滲流分析的滲流場。
圖1 滲流計(jì)算斷面圖
圖2 某水庫大壩加固前滲流等勢線 (單位:kPa)
圖3 帷幕與防滲墻同軸線灌漿滲流等勢線 (單位:kPa)
圖4 墻前壓漿板方案灌漿滲流等勢線 (單位:kPa)
圖5 墻前未設(shè)置壓漿板方案滲流等勢線 (單位:kPa)
從圖2可以看出,在某水庫大壩加固前,其浸潤線較高,不利于壩體穩(wěn)定。從圖3~圖5可以看出,利用四種防滲方案對大壩進(jìn)行防滲處理后,壩體內(nèi)浸潤線明顯降低,壩體浸潤線下游壩坡出逸點(diǎn)均有大幅度降低,出逸點(diǎn)均在反濾設(shè)施以內(nèi),防滲效果較好。
各防滲方案下,某水庫大壩的單寬滲流量見表6。
從圖3、圖4、圖5和表6也可以看出,4種防滲方案的滲流場分析圖區(qū)別較小,浸潤線及溢出點(diǎn)基本保持一致,其單寬流量也差別不大。說明在理論上施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下,不論采用何種防滲方案,都可以達(dá)到理想的防滲效果。
表5 某水庫滲流分析有限元模型材料滲透系數(shù)表
表6 各防滲方案下大壩滲流量
對各防滲方案進(jìn)行效益分析時(shí),選用實(shí)際工程仍為上述水庫。該水庫4種防滲方案的工程量及造價(jià)見表7。
通過對4種防滲方案進(jìn)行工程量和造價(jià)比較,經(jīng)簡單分析后可以發(fā)現(xiàn):
方案一施工工序較少,由于預(yù)埋了灌漿管,可減少后期帷幕灌漿的鉆孔工作量。缺點(diǎn)是如果施工水平較差,則在防滲墻施工時(shí)很容易造成預(yù)留的鋼管傾斜甚至變形、封堵,這就需要在防滲墻內(nèi)重新鉆孔。由于不能在原位鉆孔,會(huì)使個(gè)別灌漿孔孔距加大,可能影響灌漿效果。
方案二具有造價(jià)低、施工簡單的特點(diǎn),但在防滲墻內(nèi)鉆孔進(jìn)度稍慢,且容易產(chǎn)生偏孔的可能。
方案三在工程施工時(shí),需投入高壓噴射灌漿設(shè)備。由于高壓噴射的工藝要求和造價(jià)較高,在4種方法中,投資最多、成本最大、工序最復(fù)雜。
方案四不足之處是對銜接段質(zhì)量控制的要求較高,但其投資最少,施工工序也較簡單。通過現(xiàn)場壓水試驗(yàn),此方案在防滲效果上可以達(dá)到與另外兩種防滲方案相同的水平。該方案可以節(jié)省資金、縮短工期,是比較經(jīng)濟(jì)合理的壩基防滲方案,具有推廣價(jià)值。
表7 某水庫各防滲方案工程量及造價(jià)表 萬元
(1)近幾年在我省主要采用的土壩防滲方案主要有:防滲墻預(yù)留鋼管灌漿、防滲墻鉆孔灌漿、墻前布置壓漿板灌漿、墻前未布置壓漿板灌漿4種。
(2)對4種防滲方案的現(xiàn)場壓水試驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用上述4種防滲方案進(jìn)行處理后,壩基透水率均有大幅下降,說明應(yīng)用在我省較多的幾種防滲方案,是可靠、有效的,4種防滲方案的防滲效果差別不明顯。
(3)對4種防滲方案的有限元分析表明:4種防滲方案在理論施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況下,不論采用何種防滲方案,都可以達(dá)到理想的防滲效果。
(4)對4種防滲方案的工程量及費(fèi)用分析結(jié)果表明,施工工序較少、相對節(jié)省資金的兩種防滲方案是:在防滲墻中鉆孔灌漿,或在防滲墻前不設(shè)置壓漿板灌漿。這兩種方案比較,后一種方案在保證銜接段灌漿質(zhì)量的前提下,可以節(jié)省資金、縮短工期。
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