于桥水库坝基加固设计施工回顾与体会

张 奕 尧

于桥水库位于天津市蓟县城东蓟运河支流州河上,控制流域面积2 060 km2,1960年建成,总库容15.59×108m3,正常蓄水库容4.21×108m3,是开发利用州河水资源,解决天津市工农业用水及城市居民用水的骨干工程,并具有重要的防洪任务,同时兼有发电、养殖等综合效益。1983年引滦入津通水后,该库成为引滦入津工程中十分重要的控制性调节枢纽。

于桥水库大坝于1959年12月开始施工,由于当时的施工和设备条件比较落后,工期紧迫加之冬季施工,未对坝基进行彻底处理,致使大坝建成投入使用后出现了坝基渗透破坏等问题。

针对大坝基础存在的问题,自1976年起先后实施了3次坝基加固工程,取得了相当效果,但仍有部分坝段的坝基渗压水头较高,坝肩仍有非正常渗水,坝基渗漏稳定问题仍未彻底解决。

1 大坝原设计概述

于桥水库于1959年由河北省设计、施工,1960年基本建成,其中土坝设计概要如下。

根据当地建筑材料条件,坝型采用均质土坝,考虑施工技术与设备等供应条件,决定0+000—0+760为重碾压,0+760—0+900为轻碾压,0+900—1+500为水中倒土,1+500—1+800为轻碾压,1+800—1+935为重碾压,副坝(长280 m)采用人工夯实。其中主坝全长为1 935 m,最大坝高为22.75 m,副坝全长为280 m,最大坝高3.5 m。

1.1 设计基本数据

(1)建筑物等级:按照标准定为2级,以100年一遇设计,1 000年一遇校核,安全系数采用如下:

正常运用情况 1.25

校核运用情况 1.10

(2)水位条件

水位条件见表1。

表1 水位条件表 m

(3)风:最大风力9级,风速20 m/s。

(4)冰冻:最大冰冻深度1.0 m。

(5)地震设计烈度:6～7度,结构计算以7度计。

(6)土料基本指标:

1)物理指标,筑坝土料以重粉质壤土为主,填筑土方量169.6万m3。

2)干容重与含水量指标,根据不同筑坝方法,考虑冬季施工技术等条件,以及土料自然含水量较高情况下选择如下指标。

碾压坝:工地控制干容重16 kN/m3,含水量18%～20%,设计干容重16 kN/m3,含水量19%。

水中倒土坝:工地控制起始干容重14 kN/m3。起始含水量26%左右,设计最终干容重15.3 kN/m3,含水量22%。

3)力学性质指标:根据土壤试验与工地填筑试验提供的资料,碾压坝选用苏庄、山北头、西山北头土区,水中倒土坝选用七里峰等土区。

1.2 结构布置

1.2.1 坝顶高程、坝顶宽度

根据结构计算,坝顶高程采用27.5 m。

根据土坝设计规范规定和考虑行车要求坝顶宽采用6.0 m。

1.2.2 坝坡

水中倒土坝段内坡迎水面设计为1∶5、1∶6,外坡为1∶4、1∶5；重碾压坝段内坡设计为1∶3、1∶3.5,外坡为1∶3；轻碾压坝段内坡设计为1∶4、1∶5, 外坡 1∶4。

1.2.3 坝顶护面与坝坡保护

坝顶护面考虑砂、石料供应困难,厚度采用0.5 m,其中砂垫层0.2 m,路面以上碎石压实厚0.3 m。

坝坡保护根据土坝设计规范规定与反滤计算结果,考虑水库运用与冻结等条件以及砂石料供应困难,坝坡保护如下。

上游护坡保护:自坝顶以下至13.5 m(死水位以下1.5 m,护坡厚1.0 m),其中块石0.4 m,砂、碎石、砾卵石各0.2 m,副坝部分采用石渣厚1.0 m。

下游护坡保护:苏庄部分(0+000—0+292.5)采用碎石、石渣厚0.3 m,其中加0.1 m厚砂层,副坝部分以厚0.3 m石渣护面。

1.2.4 排水设备

根据不同地质和施工条件,并考虑当地实际情况与反滤排水计算结果布置如下。

副坝部分:因地面高程较高,坝较低,正常蓄水位不能达到,故不设排水设备。

古河道主坝部分:坝基覆盖表土平均厚3.0 m以上,其下为淤泥质重壤土与含泥细砂,以下为基岩,故坝基透水性较弱,选择带有贴坡的褥垫式排水。长度为249 m,采用0.5 m厚砾卵石垫层,为考虑节省砂石料需用量,褥垫式排水铺垫高程为11.3～22.0 m,岸坡改用管式排水衔接。

1.2.5 防渗措施

铺盖长度:采用200 m。

铺盖厚度:采用4.0 m,前端厚度1.0 m。

2 大坝运行初期坝基渗水问题及处理措施回顾

据记载,1960年8月底于桥水库开始蓄水,蓄水后即在桩号0+900—1+320坝段,于桥村往南,村西天然沟以东的区域出现沼泽化,并于坝脚排水沟内普遍有管涌、砂沸现象。至10月底蓄水位达16 m左右时,沼泽化地区地面普遍产生径流,管涌现象有增无减,其中以1+100附近较为严重,由坝脚向下游70 m范围内,普遍有管涌现象,许多孔冒浑水和黑色细砂,时断时续,其中有一较大的冒砂孔,孔径达5～6 cm。1961年4月初,水库蓄水位达17 m左右时,发现在1+500—1+700坝段亦开始沼泽化和管涌,在1+610处距离坝脚45 m位置有1口水井,井水位距地面不到0.3 m,蓄水后在库内坝脚处冒水泡,周围水面冬季皆封冻,而冒泡部位不结冰。4月25日,库水位达17.35 m时,水库开始放水,至5月底放空,放空后发现,库内坝脚蓄水后冒水泡处有呈漏斗形状孔洞,说明土层已被击穿,为集中渗漏的入渗点。经过坝前人工铺盖处理,坝后0+920—1+280、1+550—1+700增加2条减压沟后,自1969年开始拦洪蓄水并达到正常蓄水位18.65 m,上述沼泽、管涌现象没有再次发生。

3 第1次加固设计、施工及效果概述

于桥水库坝基第1次加固工程自1976年开始,至1983年完成施工,共对1 430m的坝基进行了加固。

主要针对问题:①主河床南岸残丘绕坝渗漏问题；②主河槽坝段渗漏问题。

坝基加固设计方案如下。

(1)回填坝后渗水池(池底铺反滤层)并加压重(伐高程22 m)。

(2)在1+280—1+850坝趾下游新建减压沟,并在1+280—1+340新建7个减压井(Φ=0.8 m)。

(3)在 0+500—0+700,0+700—0+830,0+830—1+930等坝段的坝基分别采取帷幕灌浆,混凝土防渗墙与接触灌浆进行加固处理。

帷幕灌浆实际范围从桩号0+500—0+704.5(大坝残丘段),总长204.5 m。此段岩层破碎,裂隙发育,溶蚀现象普遍,其间充填红色粘土、碎石、圆砾、卵石和砂等,透水性强,单位透水率一般为0.5～1.0 L/(min◦m◦m)。为减少渗流量,降低下游渗透压力,加强坝体土层与岩石的结合,避免产生接触冲刷,采用灌浆处理。由于该段相对不透水岩石层埋深较深,帷幕采用悬挂式,设计幕深为1倍水头,灌浆终止高程在+6.0 m,帷幕轴线位于坝顶中心线的上游侧18 m处,钻孔起始高程在24.0 m,帷幕的设计防渗标准为单位透水率不大于0.05 L/(min◦m◦m),灌浆材料采用400#硅酸盐水泥。钻孔采用3排孔形式,排距1.5 m,孔距1.5 m。总钻孔进尺为5 191 m,其中坝体进尺1 132 m,覆盖层进尺1 198 m。

混凝土防渗墙设置在原主河床段,桩号为0+700—0+830,总长130 m,防渗墙的轴线位于坝轴线上游13.5 m处,墙顶高程22.5 m。为防止南山包残丘绕坝渗流,防渗墙伸入基岩1.0 m。墙体厚度按墙允许水力坡度和强度考虑为0.8 m,混凝土强度采用C8～C10,造墙总面积约2 700 m2。

接触灌浆坝段桩号为0+830—1+930(坝体与坝基结合面)。钻孔布置采用单排孔,孔距为2.0 m,中心线位于坝轴线下游5.5 m处,钻孔起始高程为26.8m,桩号1+400—1+580段钻孔终于+6.0 m,灌浆范围在高程+8.0～+18.0 m之间,从桩号1+250往南至0+960与1+400—1+580相同。为与防渗墙相连接,在0+960处垂直灌浆轴线灌1排孔并与防渗轴线(坝上游侧距坝中心线18 m)相交,灌浆范围在高程+6.0～+16.0 m之间。为防止防渗墙端部接触冲刷,在防渗墙轴线上0+950—0+960段,灌浆范围定在高程-6.0～+16.0 m之间,灌浆材料采用400#硅酸盐水泥。全部工程量总钻孔进尺为8 374m,其中坝体部分为5 189 m,坝基壤土部分2 269m,砂及砂卵石部分916 m。

经检测,上述采用帷幕灌浆,混凝土防渗墙处理的坝段均取得了明显效果,坝基测压管水位降低了0.8～1.5 m,最多达2 m,但接触灌浆坝段处理效果甚微。

4 第2次加固设计、施工及效果概述

为继续分析0+830—1+930坝段的坝基存在的问题,1991年进一步补充勘探与土工试验,查明两个重要情况。

(1)砂砾石层的产状特征(厚度)是沿渗流方向急剧收缩,从坝基前沿厚度3～5.5 m至坝趾处收缩为0.6～1.0m,导致渗流出逸受阻,溢出渗压剩余水头较高,测压管水位在库水位20～21 m时,即已达到或超过下游地面高程。

(2)砂砾石透水层的颗粒不均匀系数远超常值(一般＜100)而达200,甚至高达1 000,为渗透稳定的又一不利条件。

在取得上述勘探及试验成果的基础上,设计部门1993年9月提出采用以高喷防渗为主要截渗措施,优先集中处理1+250—1+750(长500 m)坝段。高喷防渗墙轴线设置在距坝轴线上游13.5 m处,高度8.5～14.5 m,厚度25 cm,防渗墙面积5 570 m2。与此同时对其余坝段的有关部位采取一定的压重及反滤措施。

加固工程于1995年9月26日开工,1996年6月25日竣工。通过现场观测数据显示,第2次加固工程有一定减压效果但还是不明显,主要表现为:1+400—1+500坝段,坝基测压管水位仅下降0.16～0.37 m。在 1+600坝基测压管水位下降0.75 m,在1+700坝基测压管水位下降1.1～2.04 m,但其3#管水位反而升高1.3 m。坝基渗流总量减少约30%。

5 第3次加固设计、施工及效果概述

2001年于桥水库完成了第3次加固工程,对主河槽以北,采用垂直防渗墙与原有垂直防渗墙衔接。

(1)0+050—0+250段(苏庄大坑):1996年汛期,于桥水库持续高水位,该坝段下游坑中有渗流现象。据史料记载,该段筑坝时,清基不彻底,且覆盖层与基岩接触面存在渗漏通道,加固措施为接触灌浆,长度200 m,孔距1.5 m,平均孔深14 m,接触带上下各2 m范围内进行灌浆,灌浆面积880 m2。后该段在施工过程中,发现0+100处附近坝基接触带下漏浆量非常大,估计有新的渗漏通道,经做补充地质勘察,发现在0+027—0+250段坝基接触带下存在1条0～2.0 m厚的砂卵石渗漏带,治理方案变更为帷幕灌浆处理。

(2)0+830—1+250段:浅层坝基处理过,效果不明显,此次加固措施为构筑混凝土防渗墙并与已实施的0+700—0+830段混凝土防渗墙相衔接,长度420 m,中心线距坝顶中心线13.5～14.7 m,设计墙厚0.6 m,设计标号C10,设计墙顶高程为16.0 m(插入坝体2～3 m),底部深入基岩1.5 m,高程16.0～24.0 m之间槽内回填粘土水泥。最大墙深50 m,最小墙深25 m,平均墙深37.5 m,处理面积为17 610 m2。

(3)1+250—1+400段:长150 m,加固措施为3排帷幕灌浆,排距1.5 m,孔距3 m,灌浆孔采用梅花型布置,施工中心线距坝顶中心线15.20 m,设计帷幕顶高程5.0 m(与上部的高喷防渗墙衔接),底部深入基岩1.5 m,帷幕最大深度30 m,最小深度19 m,平均深度24.5 m,处理面积5 280 m2。

(4)在1+400—1+500段:长100 m,浅层坝基处理过,效果不明显,需进行补喷加固,为与已实施工程相一致,施工中心线距坝顶中心线15.7 m,采用微摆折线设计型式,摆角20°,设计厚度0.25 m,孔距1.2 m,防渗体顶高程16.0 m,防渗体底高程5.0 m,处理面积1 375 m2。

(5)1+750—1+870段(1+870为施工轴线向库内前移后的轴线端部桩号),长120 m,观测资料表明,该段存在绕渗问题。加固措施为高压喷射灌浆,采用微摆折线型式,为与其它段的防渗体相衔接,施工中心线距坝顶中心线14.7m,摆角20°,设计厚度0.25 m,孔距1.2 m,防渗体顶高程17.5 m,底高程11.0 m,处理面积608 m2。

加固工程于2001年完工。经观测,仍有部分坝段渗压剩余水头较高(见表2),尚需作进一步处理。

表2 第3次加固效果表(坝基测压管水位) m

6 目前水库坝基尚存在的问题

6.1 坝基测压管水位仍偏高

随着坝基加固的逐步实施,1+300以南的坝段坝基渗流控制已取得一定的效果,而在其以北的坝段(特别是1+300—1+700坝段),虽已完成高喷防渗墙的施工(含其中1+400—1+500的补喷),但其坝基测压管水位与加固前对照无明显下降,1+300以北的4个观测断面的测压管水位平均下降仅0.68 m,且在1+700断面的3#管水位反而回升1.2m(可能为坝基加固后产生的一定范围的坝肩绕渗所致)。

6.2 1+500—1+650坝肩存在非正常渗水

自建库以来,在1+500—1+650坝基一直存在非正常渗水——坝肩渗水。虽经坝基高喷灌浆处理(1995—1996年),迄今仍然存在渗水现象,且随库水位升高而升高。该处坝基系覆盖在一个山丘之上(即坝肩下覆山丘,而致坝趾在平面上呈弧形)。

渗水出露高程一般为15～17.5 m(随库水位变动)。第2期坝基加固措施实施后,渗流量有所减少,但第3期工程实施后,渗流量并未进一步减少,迄今位于 “坝肩”的坝趾沟内仍然有渗水出露,而该段坝体以及与山丘的连接的施工详情已历经近半个世纪而无从查考。

7 几点体会

回顾于桥水库大坝坝基历经的几次加固处理的设计、施工及效果,并结合现阶段水库坝基尚存在的问题,有如下几点心得与体会。

(1)该项工程实践说明,坝基地形、地质条件与坝基渗透稳定性紧密相关。原坝基下覆的几个山丘及其侧面(坝肩)均出现了严重的渗水与渗透破坏现象,说明在设计施工中要特别关注大坝与山丘的联接部位的截渗设计。

(2)对大坝蓄水后坝基及其下游出现渗水情况的部位,形态的分析是发现渗透稳定性薄弱地段的重要方法。

(3)靠天然的河滩表土覆盖层作为大坝的防渗结构,要特别慎重,即应对其有效厚度结构特征及渗透性,要极其认真地分析是否应作为大坝的防渗结构。

(4)坝基强透水层的产状结构变化对坝基渗透稳定有显著的影响。如1+300—1+700坝段,砂砾透水层厚度沿渗流流程缩小是形成坝基渗流逸出段渗压偏高的重要原因。

(5)砂卵砾石透水层的不均匀系数超常是该坝坝基渗透稳定性薄弱的又一重要原因。

(6)实践证明,在卵砾石粒径较大的强透水层中采用高喷防渗墙虽有一定防渗效果,但从降低坝基渗压的实际效果看,还是不够理想的,是值得进一步在设计施工中逐步改进的。

鉴于本工程的重要性,以及多年来积累的很多宝贵经验和设计理论与施工技术的长足发展,彻底有效解决于桥大坝坝基渗流控制问题,保障大坝安全运用是可以实现的。