黑龙潭水库砌石坝加固技术综述

郑月林

(山东省临沂市水利勘测设计院,山东 临沂 276001)

1 黑龙潭水库概况

黑龙潭水库位于山东省泰安市城区庞河一级支流奈河的上游,天外村附近。

奈河是泰山前城区内重要的排洪河道。它起源于泰山的南天门,总流域面积 19.75km2,全长13.97km;其中龙潭水库以上流域面积10.82km2,河长6.48km,干流平均比降0.1232。

该水库兴建于1942年,建成于1944年。水库大坝属浆砌石溢流重力坝,坝长162.3m,由中部溢流坝段和两侧非溢流坝段组成。其中,溢流坝段长56m,坝顶高程262m,最大坝高19.04m。非溢流坝段总长106.3m,坝顶高程263m,最大坝高20.07m;左侧非溢流坝长48.5m,右侧非溢流坝长57.8m。水库总库容45万m3。兴利库容36万m3,属小 (Ⅱ)型水库。

经山东省水利工程建设质量与安全检测中心站检测,黑龙潭水库砌石坝存在的老化病害问题如下。

(1)抗滑稳定安全系数小。经计算,溢流坝段和非溢流坝段在正常蓄水位工况、冰冻工况以及校核洪水位工况下的抗滑稳定安全系数均远远小于规范规定值。

(2)大坝存在拉应力。经计算,在正常蓄水位工况和设计洪水位工况下,计扬压力和不计扬压力时,大坝坝体与坝基的接触面均有主拉应力产生;有限元计算结果也表明,在正常蓄水位和设计洪水位工况下,大坝均有拉应力和主拉应力产生。

(3)防渗心墙渗透系数大。该水库大坝防渗心墙为素混凝土结构,坝腹为水泥砂浆粘结的碎石和乱石,仅坝面为水泥砂浆砌料石。素混凝土防渗心墙质量极不均匀,内含少量石块,透水率 ω=0.0025L/min◦m2,换算的渗透系数为 (2.9×10-6)cm/s,大于 《浆砌石坝设计规范》规定值(7.83×10-7)cm/s。

(4)大坝坝体、坝基渗漏严重。混凝土防渗墙体的贯穿性裂缝是坝面渗水明流的成因;坝肩基岩节理裂隙发育,存在渗水明流。渗水和漏水会使坝体与水产生物理化学反应,增加体积力,引起破坏效应,降低大坝能力,加速老化,危及大坝安全。

(5)坝体质量差。坝面料石砌筑砂浆不饱满,强度甚低,离散性甚大,尤其是溢流坝段堰顶,表层抹面砂浆严重剥蚀,局部砂浆用贯入仪测不出强度,呈溃散状,若干坝面料石已松动;坝腹用水泥砂浆粘结的碎石和乱石,块径大小悬殊极大,变化范围为1～50cm,半数以上块径小于15cm,块重小于4kg,远远不满足规范要求块重应大于25kg的要求;坝腹碎石、乱石间的空隙率大且极不均匀,变化范围为0.02～0.40,平均值0.32左右;左非溢流坝段防渗墙上游侧浆砌石保护层脱离空鼓,已呈坍塌损毁态势,是一大安全隐患。

2 黑龙潭水库砌石坝加固

由于黑龙潭水库位于泰山风景名胜区内,进行砌石坝加固时必须保持景观原貌。针对砌石坝存在的问题和其地理位置的特殊性,确定采取培厚加固、坝体灌浆和换面嵌缝的方法对黑龙潭水库砌石坝进行加固。

2.1 培厚加固

培厚加固法也称加大截面加固法,即将坝体有效断面加大或加设支撑墩或培重,使坝体的应力减小,或抗力增加。这种措施是防治应力超强,稳定性差和断裂等病害的有效措施,也是防治坝体溶蚀、潜蚀、冲蚀等病害的较好方法。在大坝上游紧贴坝面浇注变截面聚丙烯混凝土防渗板墙一道,板墙截面宽度为上部1m、下部2m,混凝土板墙深入基岩1m,板墙内设构造钢筋网。聚丙烯混凝土防渗板墙的作用主要有两方面,一方面是增加大坝的抗滑稳定性,另一方面是改善坝体内的应力分布,使大坝的各项应力指标满足规范要求。

板墙内构造钢筋网采用直径为φ 14的一级钢,纵、横向钢筋的间距均为20cm。板墙和原坝体之间设直径为φ 16的锚筋加强连结。锚筋两端设弯钩,锚筋一端从砌缝深入坝体50cm,周围用砂浆充填密实。锚筋呈梅花形布置,间距1m。板墙浇注前,上游坝面喷砂打磨。沿板墙每隔15m设伸缩缝一道 (尽量设在原坝裂缝处),缝内设紫铜片止水一道。板墙采用C20聚丙烯纤维混凝土。

砌石坝坝体是成层异弹模构造,其钻孔方式、施灌程序、浆液控制、孔位布置等都与土坝和混凝土坝不同。经多年多座砌石坝的试验实践证明,采用边钻孔边检测边灌浆的工艺较好。这种工艺要求孔距2～3m,分2～3序施灌,各孔的坝表面灌浆压力按0.2MPa控制,坝内灌浆压力按下式进行计算:

式中:P——灌浆段设计的最大灌浆压力;

R——灌浆段坝体材料的设计强度;

σ——按平面问题计算的灌浆段坝体最大应力。

2.2 坝体灌浆

向砌石坝体内灌入水泥浆及掺和料,能够治理渗水和漏水,溶蚀和潜蚀,裂缝和断裂等病害,对补强保稳也有明显的效果。

对大坝坝体进行灌浆加固时,自高程262.00m起至高程244.00m止,每隔3m设灌浆孔一排,共7排。每排内钻孔间距3m,排与排之间钻孔错开,呈梅花形布置。由于坝体内砌筑砂浆强度较低,坝体内灌浆压力不可大于0.3MPa。基岩灌浆孔布2排,第一排距上游坝面0.8m,第二排距上游坝面1.8m。排内灌浆孔间距2m,排与排的灌浆孔相错布置。砌石坝左右坝肩坝肩固结灌浆设灌浆孔两排,孔距1.5m,呈梅花形布置。孔深视具体情况而定,但不得小于2m。孔向尽量和基岩坡向垂直。

2.3 换面嵌缝

换面就是将已破碎的石块更换上完整坚硬的石块。嵌缝就是用水泥砂浆、环氧砂浆、丙凝砂浆、聚氯乙烯胶泥或沥青胶泥等胶结材料处理砌石坝灰缝受损部位的总称。这项技术包括原材料的选择和配制、砌缝的清理和冲洗、胶结材料的灌入和压实、缝面的处理和养护等多道工艺。换石嵌缝对高度20m以下的砌石坝渗水、漏水和溶蚀等病害有减渗、减漏、防溶蚀、防潜蚀的作用。换面嵌缝施工程序包括清刷破损部位、拌制干硬性预缩水泥砂浆、涂抹纯水泥浆、分层铺填捣实及养护等各道工序。该水库砌石坝换面嵌缝的做法为将已破碎的石块更换上完整坚硬的石块,将其余坝面原砌缝剔深10cm,然后用丙乳砂浆重新勾缝。

3 加固效果分析及展望

黑龙潭水库砌石坝采取坝体灌浆、培厚加固和换面嵌缝等加固措施具有技术可靠,经济合理,施工简便等优点,经过2003年的治理,水库已经过了多年洪水的考验,证明效果良好,取得了显著的经济、环境和社会效益,保证了工程的安全运行。

山东省目前已建成运行的小型砌石坝水库较多,随着砌石坝长时间的运行,工程老化病害问题日益凸现。黑龙潭水库除险加固技术成效较好,为类似工程的治理提供了工程技术经验,值得推广应用。

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[2]赵夭明.迁西县砌石坝老化问题及防治措施.2002,(31):35

[3]陈焰荣.浅析浆砌石坝灌浆治漏加固技术.广东建材,2007(9):82-83