水利工程除险加固设计技术探讨

杨朋朋 王婷婷 李良信

摘 要:本文基于多年从事水利工程设计的相关工作经验,以水库除险加固设计为研究对象,论文首先分析了水库建筑中主要出现的问题,进而探讨了除险加固设计思路,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行有所裨益。

关键词:水库除险加固设计

中图分类号:TV5 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0080-02

1工程概况

水库的总库能容纳1.25亿m3,主要用于地方的灌溉与防洪,并利用水能进行发电的综合大型水库。水库的库区主要建筑物有括主、副两个坝、发电站、溢洪道等。水库投放运行至今,在发电、灌溉、养殖、防洪等方面发挥了它的经济效益与社会价值。

2水库建筑中主要出现的问题

主坝采用粘土实心墙的砂壳土坝,该坝顶宽3m,底宽25m,由于建坝过程中财力的限制加上施工技术的薄弱、建筑材料的不足,使坝体建筑存在很多遗留的问题,再由于水库的运行时间比较长因此出现的问题更加突出直接危机到主坝的安全,影响了水库的正常安全的运行。

2.1 不能满足主坝坝体的规范要求

(1)主坝心墙和壳体填筑压实度不满足。为查清主坝坝体的填筑现状,采用探井、钻孔、物探等多种方法在2009年对主坝采取地质勘察。坝体填筑土压实度平均值心墙为0.86、坝壳土为0.91,均未满足规范要求。同时坝体土均匀性差、局部压实度严重不足而引起坝体塌陷,心墙土和坝壳土均为中等透水性和压缩性,阻水性差,水库运行期间主坝心墙渗透比大于允许渗透的比降,由于渗透导致变形的安全隐患存在。

(2)近坝库岸不稳定。老虎头水库近坝库岸边坡为花岗岩残坡积和全风化土质边坡,土体厚度一般大于5m,花岗岩残坡积或全风化土在库水的浸泡作用下强度降大,边坡岩性条件差;坝体建于山丘间低垭处,近坝岸坡基本呈凸状三面临水,库岸地形条件不利于岸坡的稳定。

2.2 主坝坝基和坝肩清基不彻底

坝基岩土体主要为弱风化黑云长花岗岩,局部清基不彻底存在河流冲积形成的粗砂粘土透镜体;左坝肩顶部表层覆盖薄层花岗岩残坡积形成的含砂粘土,中部和下部表层为花岗岩全风化土和强风化层;右坝肩表层为花岗岩残坡积形成的含砂粘土,局部存在有松散耕植土往下主花岗岩全风土和强风化层。花岗岩残坡积形成的含砂粘土呈可塑～硬塑状态,中等压缩性;花岗岩全风化土和强风化层为一般裂隙很发育,岩体破碎、属碎块状结构。通过现场压水试验,该层的透水率亦比较大,多数段大于40Lu。由此可见,坝基和坝肩清基不彻底,存在严重渗漏,严重不利于大坝的稳定和安全。

3除险加固设计

主要包含三个方面,如图1所示。

3.1 主坝加固设计

风化的岩层中的造孔非常困难,右坝的坝基的风化岩石厚度采用5m～20m的帷幕进行灌浆的处理。混凝土塑性防渗墙坝轴线的中心线与中轴粘土心墙,粘土心墙在防渗墙施工的之后不能破坏。塑性混凝土全长360m防渗墙、高程为71.31m的墙顶、水位高于70.81m,主河床墙底为33.21m的高程、38.1m的墙高。风化岩石的厚度比较小左坝段是主河床段,混凝土防渗墙塑性在弱风化岩石层为0.5m,风化岩石右坝段厚度为5m～20m,风化岩石为1.0m的塑性混凝土防渗墙,帷幕灌浆处理主要采用对墙底风化岩石层并且为单排孔的2m孔距,弱风化岩层为5m的灌浆孔深入岩石,设计水头防渗墙设计为37m,防渗墙深度与现有的施工机械性能必须要考虑到,很多年在国内建设的类似工程防渗墙基础上有效的厚度是0.8m左右。塑性混凝土防渗墙主要性能指标为:弹性模量小于800MPa～1,000MPa,28d抗压强度不低于10.0MPa,防渗墙渗透系数小于1×10-7cm/s,允许渗透比降[J]为60～80。

(1)计算防渗墙的结构。

防渗墙的结构在计算中运用假定:①防渗墙和坝体土之间采取文克尔的假定,受荷载作用防渗墙主要直接支撑坝体土上,防渗墙与坝体土之间的变位必须要协调的处理,该点的变位与各点墙上的反力成正比,反力系数坝体土随着深度直线的变化随不同的地层进行变化。②外荷载在土坝坝体自重与水压力都在作用墙上,由于水库运行时间非常久,基本完成对主坝体的变形,因此墙体两侧的变形摩擦力产生小,防渗墙的主要工作条件的水平荷载的情况要多加注意。③取单宽等厚度墙作为计算简图,顶端视为自由端,底部视为铰接,采用有限差分法进行计算。

(2)施工工艺的主要防渗墙设计。

防渗墙的塑性混凝土建筑的施工主要采取膨润土浆液固壁、两钻法的造孔、混凝土泵送浇注。首先在施工过程中在槽段的两端来冲击钻主孔,冲击钻入岩0.5m～1.0m到达基岩。在造孔的过程中,槽内浆液面必须保持导向槽顶面下面的30cm～50cm,当浆液出现泄露的时候要采用堵漏与补浆的方法。

（3）施工工艺的主要帷幕灌浆设计。

右坝段防渗墙的底部出现风化的岩石主要采用帷幕灌浆处理方法，帷幕灌浆与上部混凝土不产生分叉从而连成在一体，在混凝土的防渗墙里面的钢管通过预埋钢管的底部产生风化岩层来进行灌浆的处理。10cm的预埋钢管的管径处在防渗墙的中间，其中的间距之间与孔距一样为2m。钢管预埋主要在清孔、造孔完成混凝土浇筑之前进行，采取定位的安装架进行固定。直径为20mm的定位架由钢筋连接而成，垂直方向上间距定位架在是10m。钢管安装固定之后主要对槽孔进行混凝土的浇注，浇筑强度达到设计强度的80%采用钻孔灌浆。

3.2 灌溉发电隧洞的建筑加固设计

洞壁剥落的混凝土受到环境的程度进行破坏由于周围受到疏松、侵蚀混凝土存在缺陷没有得到彻底的清除,清理的过程中要根据实际情况适当的加大;当外露的钢筋出现破损情况加大的实际情况;外露钢筋的锈蚀性比较严重因此对钢筋要予以进行清除,对新的钢筋进行焊接补漏,防锈处理那些锈蚀不严重的钢筋;当对混凝土的清理与锈蚀钢筋进行清理之后,用环氧砂浆进行坚固处理和找平;隧洞的出口锈蚀的衬砌钢板处进行粘贴环氧玻璃丝布的方法修补来进行加固。

(1)施工工艺的环氧砂浆建筑设计。

保证环氧砂浆与混凝土以及露筋部位加固粘结力,应该对基底的混凝土露筋表面进行施工处理,将混凝土表面乳皮清除,外露出新鲜糙率面,不能产生扰动,无污物、露筋无锈。在施工中采用凿毛机对该修补的位置进行凿毛,用钢丝刷反复进行清晰在露筋上锈斑和污物。用棉纱浸渍丙酮对基面进行擦试,等待丙酮进行挥发使混凝土变白在涂刷部分基液。将拌制好的基液运用毛刷进行均匀的涂刷基面上,约0.5mm的厚度。根据气温与环境情况的变化,刷后的基液需要静停10min～30min后进行涂抹环氧砂浆。

(2)施工工艺的环氧玻璃丝布建筑设计。

清理隧洞出口锈蚀的钢板,清除钢板表面锈斑及污物并进行凿毛,按照环氧砂浆进行施工工艺涂抹一层10mm的厚环氧砂浆进行找平。在环氧砂浆面上用环氧粘结剂粘贴玻璃丝布,玻璃丝布采用0.25mm厚无碱平纹布,使用前用皂液法脱腊处理。粘贴四层玻璃丝布,不小于1mm的厚度。粘贴面要求无油,无污,平整,干净采用丙酮进行擦洗。在粘贴面的部位涂刷环氧基液,越薄越好保证每个部位有完完全全的涂刷基液,然后粘玻璃丝布,残留在布中的气泡进行赶除与压实。

3.3 溢洪道加固设计

溢洪道位于六副坝与七副坝之间,为正槽溢洪道,由进水渠、宽顶堰、泄槽、消力池组成,由于现状溢洪道陡坡段和消力池结构布置存在不合理,水流流态混乱,加地基渗漏扬压力的作用,导致结构出现安全隐患。

(1)进水段。

溢洪道进水渠段总长28.0m,宽47.6m,两侧采用直立式导墙。前段18m导流设置为下潜式;后段接控制段的导墙长10m,顶部高程为71.6m;两侧导墙均采用C20埋石砼,导墙顶宽0.8m,墙背坡比为1∶0.5。进水渠底板为现浇C20钢筋砼,底板高程为65.1m,厚0.5m。底板设置有纵横缝。

(2)控制段。

溢洪道控制段长35.0m,宽47.6m,溢流堰堰型为宽顶堰,宽顶堰坎高1.0m,斜坡式进口,堰顶高程66.1m。两侧边墙为C20埋石砼重力式挡墙,顶高程71.6m,顶宽0.8m,墙背坡比1∶0.5,导墙迎水面层布钢筋网。堰底板为现浇C20砼钢筋砼,厚1.0m。底设置有纵横缝及纵横排设施。

(3)泄水段。

泄槽段采用矩形断面,长100.00m,宽为47.6m,纵坡i=0.196,泄槽边墙为C20埋石砼重力式挡墙,顶宽0.8m,墙背坡比为1∶0.5。泄槽中段边墙高3.5m,边墙上端接控制段边墙,下端接消力池边墙,底板为现浇C20钢筋砼,厚1.0m。底设置有纵横缝及纵横排设施。

(4)消力池。

消能防冲设施型式为底流消能,经水力计算,结合现状、地质条件确定消力池长度为41m,深度为3.8m。底板为现浇C20钢筋砼,底板面高程为46.5m,厚1.2m,迎水面层布钢筋网。底板纵横分缝和设置排水设施,缝间设置止水。消力池两侧墙挡墙采用C20埋石砼衡重式挡土墙,墙顶高程式55.7m,顶宽1.8m,台宽1.8m,底宽4.3m,底部采用桩基础。消力池尾坎顶宽4.0m,底宽4.0m,高3.8m。

(5)出水渠。

结合现状,出水渠断面采用梯形断面。在消力池后由矩形断面渐变为梯形断面,渐变段长度为28.0m,出水渠总长220.0m,底宽30.0m,纵坡i=1/200,边墙高5.4m,边坡坡比为1∶2.0。渠道底接消力池尾坎,顶高程50.3m,底板为现浇C20钢筋砼,厚1.0m,迎水面层布钢筋网。底板纵向每隔15m分一条缝,横向设置3条缝分为2块,缝间设置止水。底板设置有纵横排水设施。

4结语

(1)这个水库维修建立在20世纪60年代，由于在建库时候不可改变的条件限制,粘土心墙为主坝的建设,在经过40多年的运行与使用中粘土心墙根本不能满足现在很多主坝的防渗要求,因此成为了很多水库中最大的安全隐患。(2)水库除险加固的建筑工程完成之后,主坝可以彻底灌溉发电隧洞、溢洪道等等建筑物存在的主要安全隐患来保证水库的正常运行与运作更大的发挥水库在社会上的经济效益最大化。

参考文献

[1] 刘武,李晓强.小型水库除险加固处理方案与水库利用探讨[J].陕西水利,2009(1).

[2] 孟凡宇,杨凤云,张维滨.小型水库除险加固问题探讨[J].黑龙江科技信息,2009(16).

[3] 贾永超.小型水库除险加固问题探讨[J].河南水利与南水北调,2009(4).