張遠(yuǎn)坤,魯麗霞,楊 蘭
(1.貴州眾誠天河水利工程有限公司,貴州 貴陽 550003;2.畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院, 貴州 畢節(jié) 551700;3.西安理工大學(xué) 水電學(xué)院,陜西 西安 710048)
楊灣橋水庫均質(zhì)土壩除險(xiǎn)加固防滲處理
張遠(yuǎn)坤1,魯麗霞2,楊 蘭3
(1.貴州眾誠天河水利工程有限公司,貴州 貴陽 550003;2.畢節(jié)市勘測設(shè)計(jì)研究院, 貴州 畢節(jié) 551700;3.西安理工大學(xué) 水電學(xué)院,陜西 西安 710048)
楊灣橋水庫存在壩體和壩基、壩肩滲漏及壩體塌坑等問題.經(jīng)壩體質(zhì)量評價(jià)和滲漏鉆孔注水試驗(yàn)分析,結(jié)合水庫工程地質(zhì)水文條件,設(shè)計(jì)采取水泥土攪拌樁防滲墻+帷幕灌漿+壩體塌坑及周邊充填灌漿處理相結(jié)合的綜合防滲方案.大壩防滲加固修復(fù)工程實(shí)施后,水庫各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均良好,防滲效果良好,且歷經(jīng)高水位和汛期大流量蓄水等特殊運(yùn)行工況考驗(yàn),水庫滲漏問題得到有效處理.
大壩滲漏;地質(zhì)條件;水泥土攪拌樁;帷幕防滲
楊灣橋水庫位于貴州省威寧縣縣城以西14 km的草海鎮(zhèn)和雙龍鄉(xiāng)交界處的卯關(guān)村.水庫所在河流屬長江流域金沙江水系洛澤河支流白水河的源頭,壩址以上集雨面積為97.4 km2.水庫正常蓄水位為2 188.00 m,總庫容1 892萬m3,興利庫容1 434萬m3,死庫容311萬m3,校核洪水位2 188.34 m,設(shè)計(jì)洪水位2 188.00 m.水庫樞紐工程建筑物主要由均質(zhì)土壩、溢洪道、放水設(shè)施等組成.壩頂高程2 191.80 m,最大壩高13.6 m,壩頂長375 m,壩頂寬5.0 m,壩底寬62.4 m,上、下游壩坡坡比分別為1 ∶ 2.13、1 ∶ 2.1.大壩迎水面采用現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡;背水面設(shè)置縱、橫排水溝.壩坡采用草皮護(hù)坡,壩腳為干砌塊石反濾體.
壩址位于庫區(qū)東北部,壩址地貌為高原丘陵淺切河谷,壩基河床高程2 180.0~2 181.0 m,南西高,北東低,區(qū)域地形最高點(diǎn)位于壩址西面的陸家大營,高程為2 853.7 m.壩址左岸出露地層為石炭系下統(tǒng)大塘組上司段(C1d2),巖性為厚層塊狀灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀傾向?yàn)镹72°W,傾角為15°;壩址右岸出露地層為石炭系中統(tǒng)黃龍群(C2hn),巖性為厚層灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀傾向?yàn)镾68°W,傾角為10°.壩址處有兩條斷層構(gòu)造通過,均為區(qū)域性次級小斷層,兩條斷層均呈NNW展布;F2斷層通過水庫及大壩中部偏右岸,F(xiàn)3斷層從左壩肩通過,根據(jù)調(diào)查及查詢水庫前期資料,兩條斷層影響帶深度均在100 m以上,斷層帶巖石破碎,伴生節(jié)理發(fā)育,但斷裂破碎帶均呈閉合狀態(tài),斷層對水庫滲漏影響較小.壩區(qū)巖溶較發(fā)育,巖溶形態(tài)有溶槽、溶洞、溶溝、溶蝕裂隙等.楊灣橋水庫滲漏主要與淺層基巖的強(qiáng)風(fēng)化帶有關(guān),其壩基滲漏及右壩肩繞壩滲漏均為淺層基巖的風(fēng)化裂隙性滲漏.
通過勘探成果可知,楊灣橋水庫大壩為均質(zhì)土壩,壩體填筑材料為粘土、含少量碎石,填筑質(zhì)量較差,其含水率為42.6%,遠(yuǎn)大于最優(yōu)含水率25.6%;干密度為1.25,遠(yuǎn)小于最大干密度1.45;其密實(shí)度為0.86,低于《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中低壩密實(shí)度0.96的限值要求[1-2].壩體滲漏主要集中于大壩背坡右側(cè),呈面狀浸潤,面積達(dá)600 m2.1987年對壩體作過劈裂灌漿處理,由于水庫多年蓄水位均未達(dá)到正常高水位,運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)壩體有滲漏及浸潤現(xiàn)象.設(shè)計(jì)鉆探注水試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)成果表明:壩體存在嚴(yán)重滲漏問題,壩軸線上游壩體滲透系數(shù)1.2×10-4~6.89×10-4cm/s之間,壩軸線下游壩體滲透系數(shù)較大,>8.7×10-4cm/s.
壩基殘坡積含碎石粘土呈可塑狀,結(jié)構(gòu)較致密,含少量碎石.據(jù)鉆探及相關(guān)部位取樣資料,壩基殘坡積含碎石粘土滲透系數(shù)為10-5cm/s≤K<10-4cm/s,巖土滲透性分級屬弱透水層,粘性較好,可滿足防滲要求.但因壩基巖石上部透水率較大,壩基殘坡積含碎石粘土作為壩基巖石與大壩填筑土的接觸帶.為處理好壩基上部巖石滲漏問題,需將壩基殘坡積含碎石粘土3.0 m與壩基巖石1.0 m,共約4.0 m作為特殊段進(jìn)行灌漿處理.
壩體土料為均質(zhì)粘土,因筑壩質(zhì)量差存在滲漏,主要集中于大壩背坡右側(cè),呈面狀浸潤,面積達(dá)600 m2.1987年對壩體作過劈裂灌漿處理,其灌漿孔布置于壩體中部,但水庫一直未能蓄水到正常水位,故劈裂灌漿效果未經(jīng)蓄水檢驗(yàn).鉆探孔布置于原劈裂灌漿幕墻上游,經(jīng)鉆孔注水試驗(yàn),壩體仍存在滲漏現(xiàn)象,其滲透系數(shù)1.2×10-4~6.89×10-4cm/s,壩體屬中等透水層,壩體防滲不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求.壩體現(xiàn)有排水棱體局部損壞,且沒有修建完整,起不到完全保護(hù).因此,壩體滲流性態(tài)不安全,在排水棱體損壞處可能會發(fā)生管涌或流土.
壩址左岸出露地層為石炭系下統(tǒng)大塘組下段上司段(C1d2),巖性為厚層塊狀灰?guī)r;壩址右岸出露地層為石炭系中統(tǒng)黃龍群(C2hn),巖性為厚層灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r.地層產(chǎn)狀為傾向S20°W,傾角10°~20°.F2、F3均為區(qū)域性次級小斷層,兩條斷層均呈NNW展布;F2斷層從左壩肩通過,F(xiàn)3斷層通過水庫及大壩中部偏右岸.大壩平面布置及F2、F3斷層和滲漏帶位置(見圖1).
圖1 大壩平面布置及斷層和滲漏帶位置
從圖1可知,斷裂破碎帶均呈閉合狀態(tài),對大壩蓄水及安全影響較小,壩址地質(zhì)條件能滿足建土壩要求.壩基淺層基巖透水率為30.6~59Lu,巖體為中等透水,存在淺層基巖滲漏,需進(jìn)行防滲帷幕處理.
1987年防滲灌漿處理前,壩基滲漏集中于壩右岸下游10 m處S1泉流出,當(dāng)庫水位在2 183.71 m時(shí),滲流量約10.0 L/S,壩基滲漏主要是通過淺層基巖的強(qiáng)風(fēng)化帶產(chǎn)生滲漏.右壩肩繞壩滲漏集中于坡腳60~80 m處,以泉群流出,當(dāng)庫水位在2 183.71 m時(shí),滲流量約10.0 L/s,右壩肩繞壩滲漏也是通過淺層基巖的強(qiáng)風(fēng)化帶產(chǎn)生滲漏.1987年對壩體作過劈裂灌漿處理,對壩基接觸帶及右壩肩滲漏嚴(yán)重部位作過帷幕灌漿,其大壩部位帷幕線及劈裂灌漿孔布置于壩體中部,右岸帷幕經(jīng)溢洪道沿公路至管理所,在溢流堰修建完成后,對溢流堰部位作過防滲帷幕處理.經(jīng)過1987年的防滲灌漿處理,右岸至今未發(fā)現(xiàn)庫外集中漏水現(xiàn)象,說明右岸繞壩滲漏防滲處理效果較好.但由于當(dāng)時(shí)資金問題,工程未按設(shè)計(jì)方案施工建設(shè)完,同時(shí)基巖與土體接觸帶帷幕老化,故出現(xiàn)基巖與土體接觸帶滲透系數(shù)較大,產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象.壩基、肩滲漏對大壩的安全影響較大,需對壩基和壩肩作防滲處理.
2011年7月11日,大壩下游右岸壩坡發(fā)生塌坑,塌坑位置距溢洪道左邊墻16.1 m,緊靠壩頂下游邊緣.塌坑為不規(guī)則圓柱形,φ3.4 m,深3.6 m.塌陷時(shí)水庫水位為2 184.85 m,低于汛限水位2 185.00 m.根據(jù)現(xiàn)場勘察,塌坑形成原因主要是放水涵管周邊多處破裂,且塌坑部位經(jīng)多年潛蝕,壩體土填筑質(zhì)量較差,同時(shí)由于當(dāng)天的強(qiáng)降雨致使壩面產(chǎn)生塌坑.為準(zhǔn)確查出析事故原因,在塌坑四周布孔6個(gè),另外在新建引水隧洞部位、壩腳堆石棱體處及左壩肩各布置一個(gè)鉆孔,共計(jì)10個(gè)鉆孔.對每孔壩體填筑土進(jìn)行注水試驗(yàn),基巖進(jìn)行壓水試驗(yàn),共完成進(jìn)尺349.4 m,注水試驗(yàn)6次,壓水試驗(yàn)44段.根據(jù)《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL345—2007)進(jìn)行注水試驗(yàn)[3-5],計(jì)算成果(見表1).
表1 鉆孔注水試驗(yàn)成果表
根據(jù)鉆孔揭示,ZKB2鉆孔12.5~12.7 m為裂隙,當(dāng)鉆進(jìn)至裂隙以下基巖時(shí),放水涵管下游壩腳先出現(xiàn)渾水,繼續(xù)鉆進(jìn)該部位出現(xiàn)含巖粉的渾水,停鉆10~20 min后渾水變清;在ZKB2鉆孔施工幾天時(shí)間里,放水涵管下游壩腳漏水點(diǎn)均出現(xiàn)間歇性渾水,故推斷塌坑部位土粒是經(jīng)過壩基以下巖體裂隙性通道帶走,是長期水流潛蝕造成該部位土粒的接觸流失,當(dāng)該部位土體承載力不能滿足上部土體荷載,加上強(qiáng)降雨滲入進(jìn)一步影響該部位土體的力學(xué)指標(biāo),從而導(dǎo)致塌坑產(chǎn)生[6].塌坑對大壩安全運(yùn)行影響很大,需要對塌坑采取有效工程處理.
針對水庫存在的滲漏問題,結(jié)合工程水文地質(zhì)和施工條件,大壩壩體、壩肩除險(xiǎn)加固防滲設(shè)計(jì)方案為:壩基、壩肩帷幕灌漿+壩體水泥土攪拌樁防滲墻+壩體塌坑及周邊充填灌漿.
(1)壩基、肩帷幕灌漿防滲處理
灌漿帷幕線從左岸開始沿壩軸線布置,對壩基(肩)進(jìn)行帷幕灌漿防滲.根據(jù)外業(yè)勘察資料、鉆孔資料和水庫原始設(shè)計(jì)資料,確定帷幕灌漿底限為深入基巖弱風(fēng)化層透水率低于10Lu以下一段(每段長約5 m).帷幕邊界為兩壩肩帷幕線與10Lu滲透控制線相交并高出正常蓄水位2 188.00 m,并依據(jù)10Lu滲透控制線和地形作適當(dāng)抬升.施工中根據(jù)先導(dǎo)孔情況調(diào)整帷幕灌漿底限高程,防滲標(biāo)準(zhǔn)為巖石透水率≤10Lu.據(jù)大壩下游壩面產(chǎn)生塌坑的情況,為進(jìn)一步消除大壩明顯隱患,在塌坑影響采用充填灌漿處理壩體及接觸帶滲漏.
帷幕線接水泥土攪拌樁防滲墻向兩岸延伸,防滲帷幕線長580 m,按一排布置,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三序孔施工,孔為2 m;由于F2及F3斷層巖體較破碎,為避免庫水經(jīng)該部位滲漏,在該部位對灌漿孔進(jìn)行加深,共布帷幕灌漿孔290個(gè),左壩肩起灌高程正常蓄水位高程2 188.00 m,大壩部位起灌高程為基巖以上3 m,溢流堰部位起灌高程為堰頂高程,右壩肩起灌高程為正常蓄水位高程2 188.00 m.防滲工程量:帷幕造孔進(jìn)尺9 890 m,其中無效進(jìn)尺3 688 m(土體進(jìn)尺2 760 m,基巖進(jìn)尺928 m),灌漿進(jìn)尺6 202 m(土體進(jìn)尺617 m,基巖進(jìn)尺5 585 m).
(2)壩體水泥土攪拌樁防滲墻處理
設(shè)計(jì)鉆探注水試驗(yàn)表明壩體存在嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象,壩軸線上游壩體滲透系數(shù)1.2×10-4~6.89×10-4cm/s之間,壩軸線下游壩體滲透系數(shù)>8.7×10-4cm/s.根據(jù)大壩壩體滲透系數(shù)較大及下游壩面產(chǎn)生塌坑的情況,為進(jìn)一步消除大壩明顯隱患,防滲處理設(shè)計(jì)方案采用水泥土攪拌樁與帷幕灌漿相結(jié)合的組合防滲方案.水泥土攪拌樁防滲墻,布置平行于壩軸線的壩頂上游面,距壩軸線0.5 m,左岸以大壩與岸坡接觸部位起,右岸以溢洪道左邊墻止,墻體下部接基巖面.墻頂高程為校核洪水位高程加上安全超高后為2 189 m.水泥土攪拌樁防滲墻頂長375.0 m,最大墻深16 m,阻水面積5 350 m2.對大壩壩體沿平行壩軸線上游0.5 m(與壩基帷幕線布置一致)作水泥土攪拌樁防滲墻進(jìn)行防滲(見圖2).
圖2 大壩水泥土攪拌樁防滲剖面
防滲墻樁孔位于平行壩軸線上游0.5 m處,墻底部嵌入壩基巖石頂部,成墻厚度0.3 m.施工按三序樁成墻方法,用多頭小直徑深層攪拌截滲樁基就位、調(diào)平,通過主機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)推動(dòng)鉆頭向土層中下層沉刨設(shè)計(jì)深度,然后再提升攪拌機(jī)至孔口.同時(shí),水泥漿由高壓輸送管輸進(jìn)鉆桿,經(jīng)過鉆頭噴入土體中,在鉆進(jìn)與提升的過程中,水泥漿和原土充分拌和,此過程一次成樁3根,稱為一序,然后鉆機(jī)沿軸線前移,進(jìn)行下一序施工,多次重復(fù)上述過程形成一截滲墻.樁徑0.50 m,墻體有效厚度0.3 m,墻體密度1.85 g/cm3,內(nèi)聚力50 kPa,內(nèi)摩擦角16°,滲透系數(shù)≤5×10-6cm/s,抗壓強(qiáng)度R≥0.3 MPa,水泥摻入量為12%~20%.
水泥攪拌樁φ500 mm,單排,攪拌樁中心間距為400 mm,防滲墻有效厚度300 mm.水泥攪拌樁水泥摻入比15%,水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥,水灰比需控制在0.8~0.5.樁位允許偏差50 mm,垂直度偏差1%,樁徑允許偏差4%,相鄰樁施工間隔時(shí)間≤24 h.采用“二噴四攪”施工工藝,按噴漿法(濕法)施工,控制提升速度≤1.0 m/min.水泥攪樁防滲墻滲透系數(shù)須<1.0×10-6cm/s.樁身90 d設(shè)計(jì)強(qiáng)度>1.0 MPa,允許滲透比降J>150[7].水泥土室內(nèi)試驗(yàn)試塊中,試塊在28 d內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度須>0.5 MPa.
(3)壩體塌坑及周邊壩體充填灌漿處滲處理
塌坑部位采取原狀粘土壓實(shí)回填,回填采用機(jī)械方式作業(yè),回填前須夯實(shí)塌坑內(nèi)的松散土體,回填土料應(yīng)與壩體土料性質(zhì)相近,并嚴(yán)格控制其含水率,采用分層鋪填,逐層夯實(shí),分層厚度控制在30 cm.施工過程中必須采取相應(yīng)的安全措施,塌坑附近的高壓線應(yīng)停電,確保施工安全[3].塌坑部位位于大壩右壩端靠近壩頂,距放水涵洞約4 m,塌坑頂面高程為2 189.9~2 191.5 m,塌陷φ3.40 m左右,塌陷深度約為3.60 m.現(xiàn)已采用與壩體同類土體回填,并夯實(shí).塌坑處基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍群(C2hn),巖性為灰色至淺灰色厚層塊狀白云質(zhì)灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀為傾向S68°W,傾角10°~20°.塌陷部位距F3斷層約83 m.
處理方案為:對壩體及壩基采用充填灌漿,灌漿下限進(jìn)入基巖10.0 m.布13排孔,每排布11個(gè)孔,共布143個(gè)灌漿孔.孔距、排距均為2.0 m.總灌漿進(jìn)尺為3 161.6 m,其中壩體填筑土及壩基土體進(jìn)尺為1 588.6 m,基巖進(jìn)尺為1 573.0 m.
該水庫防滲處理單元工程于2015年11月完成,根據(jù)大壩帷幕孔數(shù)并組合灌漿施工具體情況,共布置30個(gè)檢查孔對壩基、肩巖石透水率進(jìn)行檢測,以評估帷幕防滲灌漿效果.檢測結(jié)果表明:30個(gè)檢查孔透水率試驗(yàn)值范圍為0.32~7.57Lu(大部分檢查孔巖透水率<5Lu),所有試驗(yàn)段透水率均控制在規(guī)范要求的10Lu范圍內(nèi),合格率100%,從檢查孔中鉆取巖芯樣本分析,巖芯整體較均勻多呈長柱狀,漿液充填密實(shí),壩基、肩巖石裂隙得到有效充填,防滲效果較顯著.壩體塌坑及周邊充填灌漿經(jīng)壩體內(nèi)部注水試驗(yàn)檢測,其滲透系數(shù)滿足規(guī)范要求,同時(shí)經(jīng)沉降觀測,塌坑及周邊壩體無沉降現(xiàn)象.由此說明壩體塌坑及周邊充填灌漿處理整體效果較好.水泥土攪拌樁防滲墻施工完成后,經(jīng)觸探法進(jìn)行樁身質(zhì)量檢驗(yàn),其樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求,鉆孔取芯樣,芯樣完整性好.經(jīng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)其樁身強(qiáng)度灌足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)經(jīng)注水試驗(yàn)檢測該攪拌樁防滲墻為不透水~弱透水,其防滲效果良好,并經(jīng)開挖兩上樁頭進(jìn)行外觀檢查,無縮頸和回陷現(xiàn)象,成樁效果好[8].
楊灣橋水庫防滲工程整體施工質(zhì)及效果良好,該防滲處理單元工程被評為優(yōu)良工程.水庫通過防滲處理修復(fù)處理后,在高水位和汛期大流量蓄水運(yùn)行過程中,大壩各方面運(yùn)行工況良好,至今也未發(fā)現(xiàn)滲水點(diǎn),壩體和壩基、肩滲漏問題得到有效處理.
楊灣橋水庫是一座集灌溉、供水、防洪等功能于一體的綜合性水庫.因受當(dāng)時(shí)建設(shè)投資資金少、施工技術(shù)水平低和后期養(yǎng)護(hù)與維護(hù)措施不到位等因素影響,水庫存在壩體、壩基和壩肩滲漏現(xiàn)象,且出現(xiàn)壩體塌坑等問題,同時(shí)壩體干密度及滲透系數(shù)不滿足設(shè)計(jì)要求,壩體滲流性態(tài)不安全.為確保水庫安全可靠運(yùn)行,需要求壩體、壩基及壩肩作防滲處理.結(jié)合目前防滲處理工程實(shí)例,對壩體采取壩基、肩帷幕灌漿防滲+水泥土攪拌樁防滲墻+壩體塌坑及周邊充填灌漿的組合防滲處理.
(1)水泥攪拌樁通過特制深層攪拌機(jī)械,利用水泥、水灰等材料作為固化劑與原狀土進(jìn)行強(qiáng)制攪拌混合而形成的柱狀體,利用水泥膠結(jié)與土之間產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng),使松散土或軟弱土結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)墻體.
(2)通過對壩基壩肩巖體進(jìn)行帷幕灌漿,漿液能有效充填于巖石中裂隙之內(nèi),從而達(dá)到防滲目的,使該水庫發(fā)揮更大的效益.
(3)塌坑產(chǎn)生的主要原因是壩基淺層巖石存在溶蝕現(xiàn)象造成.通過對壩基巖石灌漿補(bǔ)強(qiáng)后能較好充填巖石中的裂隙、溶槽等,從而避免塌坑的再次產(chǎn)生,并對塌坑周邊壩體進(jìn)行充填灌漿加固處理.
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ResearchofReinforcementandAnti-seepageTreatmentforHomogeoursEarthDamofYangwanqiaoReservoir
ZHANG Yuan-kun1, LU Li-xia2, YANG Lan3
(1.Guizhou Zhongcheng Tianhe Water Conservancy Engineering Co., Ltd., Guiyang 550003, China; 2.Bijie Survey and Design Institute, Bijie 551700, China; 3. College of Water and Electricity, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)
The problems, such as leakage at dam body, dam foundation and abutment, collapse at dam body and other places have existed in Yangwanqiao Reservoir caused by geological defects at the dam site and low construction quality and technology. After the dam quality evaluation and the leakage test of borehole water injection, combined with the geological and hydrological conditions of the reservoir engineering, the integrated anti-seepage program with cement-soil mixing pile impervious wall + curtain grouting + dam collapse and surrounding filling grouting in dam collapse and surrounding has been adopted. After dam reinforcement treatments, the reservoir operating indicators are good, which can meet the regulatory requirements without any water seepage point. The special operating conditions tests under high water level or large flow water storage during flood season prove that the dam leakage problems have been successfully processed.
dam leakage; geological conditions; cement soil mixing pile; curtain seepage
2017-06-19
國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2016SL32719);陜西省水利廳科研項(xiàng)目(SX20150822)
張遠(yuǎn)坤(1985-),男,貴州黔西人,工程師,研究方向?yàn)樗姽こ痰刭|(zhì)勘察設(shè)計(jì)工作.
10.3969/j.issn.2095-7092.2017.05.012
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1008-536X(2017)05-0050-05