桐庐县肖岭水库大坝防渗加固及效果分析

章春风,顾正中

(桐庐县水利水电局,浙江 桐庐 311500)

1 工程概况

肖岭水库位于浙江省桐庐县凤川镇肖岭村,坝址以上集雨面积107.59 km2,总库容1 650万m3,设计洪水重现期为100 a一遇,设计洪峰流量为1 266 m3/s,校核洪水重现期为2 000 a一遇,校核洪峰流量2074m3/s。该水库是一座以灌溉为主、结合防洪、发电等综合利用的中型水库,灌溉桐君、凤川和江南3个乡镇、街道0.21万hm2的农田,保护下游23个村庄1.5万人口和600 hm2农田的安全,以及下游柴雅线、七常线、320国道和杭千高速等交通线的防洪安全。水库枢纽主体工程由拦河坝、溢洪道、新输水隧洞、原输水隧洞、发电厂和升压站等建筑物组成。

水库大坝坝型为黏土心墙砂壳坝,最大坝高34.85 m,坝顶高程132.0 m,坝顶长234 m,宽8 m。大坝上、下游各设置2级马道,上游马道高程分别为116.15,102.15 m,下游马道高程分别为116.15,101.15 m。大坝上游坡比自上而下分别为1:2.25、1:2.5、1:2.1。大坝下游坡比分别为1:1.9、1:2、1:2。水库于 1958年8月动工兴建,1960年1月5日大坝合龙,同年8月大坝建至119.68 m高程,开始蓄水,大坝右岸山岙设临时溢洪道,1963年4月大坝基本建成。1978年测得在正常蓄水位时,24 h总渗漏量达1 702 m3,并有加大趋势,且坝坡过陡。1983年1月21日开始进行坝体套井回填加固处理,同年4月18日第1阶段施工结束,坝体经套井回填处理后,渗漏问题得到明显改善,但处理仍不够彻底,2008年鉴定为三类坝,2009年对大坝坝体与坝基进行低弹模混凝土防渗墙加固处理。拦河坝原典型断面见图1。

图1 拦河坝原典型断面图

2 混凝土防渗墙加固前大坝存在的渗流问题

(1)大坝坝基砂(砾)卵石层厚度10 m以内,采用明挖回填黏土截水槽垂直防渗,部分地段清基不彻底,存在中等透水的砂卵石层;清至基岩的,也未能清至弱风化岩。左坝肩心墙与基岩接触带、河床部位心墙与基岩接触带均为中等透水,存在接触渗漏问题。河床及两坝肩基岩为中等透水性,相对不透水层界限 (q≤5 Lu)为基岩面以下12 m,存在坝基渗漏及绕坝渗漏问题。

(2)心墙防渗体综合渗透系数为1.9×10-4cm/s,套井回填土防渗体综合渗透系数为1.5×10-5cm/s。但套井回填土厚度仅0.6m且大部分坝段未能到基岩,套井未能截断渗流通道。

(3)部分坝段齿槽未能清除至基岩,在心墙齿槽与基岩之间还有一砂卵石层。砂卵石层的允许比降较小,存在渗流稳定问题。

(4)心墙下游与坝壳砂卵石之间,以及坝基齿槽下游侧与坝基砂砾石层之间未设反滤层,存在渗漏薄弱环节。

(5)心墙土均匀性差,含石较多,含水率较高,还存在弹簧土、冻土、杂草土等,局部存在渗漏薄弱带。套井回填土把部分心墙渗漏薄弱带截断,但由于套井回填土有效厚度仅0.6 m,且大部分坝段未到基岩,未能彻底解决大坝渗流问题。

3 大坝防渗加固措施

肖岭水库防渗加固,采用心墙部位设置低弹模混凝土防渗墙结合帷幕灌浆截渗处理。防渗墙墙顶高程为130.00 m,墙底河床部分嵌入微风化内2 m,其余嵌入基岩内1 m,最大墙深42.0m,墙体厚度0.80 m。防渗墙轴线长232 m,分为31个槽段施工。防渗墙施工完成后,在施工平台以下、防渗墙上下游侧各挖1个深1.00 m,底宽3.00 m的槽,开挖边坡为1∶1,同时对防渗墙顶部以下0.5 m全部凿除,新建C20混凝土头墙,用头墙将墙顶接至131.5 m高程并与 “L” 墙相接。

为了使防渗墙、岸墙与两岸山体形成封闭防渗体,对大坝两岸坝头连接部位岩体、防渗墙基础以及岸墙基础进行帷幕灌浆处理。帷幕灌浆孔孔距2.0 m,灌浆压力为0.5～1.0 MPa,孔深深入相对隔水层 (ω≤5 Lu)以下5.0 m,左、右岸帷幕延伸到正常蓄水位与相对隔水层线相交处。

4 防渗加固施工

4.1 低弹模混凝土防渗墙施工

4.1.1 施工要点

肖岭水库低弹模防渗墙共划分为31个槽段,施工采用冲击钻机造孔成槽,先施工一期槽段,后施工二期槽段,造孔在坝体心墙内进行,利用原心墙黏土造浆固壁,浆液面按不低于导向槽顶以下50 cm控制。

控制槽孔孔位中心偏差不超过3 cm。采用CZ-30型冲击钻机造孔,先打主孔,再钻副孔、钻劈成槽。

造孔结束后开始清孔换浆,采用抽筒捞渣,从浅至深进行清孔换浆。二期槽孔清孔换浆结束前,用刷子钻头分段洗刷一期槽孔端头的泥皮和残留物,以刷子钻头上基本不带泥屑、孔底淤积不再增加为合格标准。

混凝土浇筑采用“直升导管法”在泥浆下浇筑混凝土。开浇时每组导管均放置隔离胶球,采用压球法排除导管内泥浆,防止混凝土与导管内泥浆混合。当槽底各孔岩面高差大于25 cm时,依据从低至高的顺序,逐根导管先后开浇。

混凝土浇筑过程中,按规范要求定时定点测量槽内混凝土面高差和导管埋深,保证混凝土均匀上升,高差不超过50 cm,防止混凝土混浆和夹泥。

4.1.2 特殊情况处理

(1)试验槽段钻孔时,由于槽孔内土质不均匀 (轴线上游侧土层较松,下游侧经原套井处理较密实),导致上部8 m出现孔斜偏差,通过对钻头加箍稳定,在孔口用方木强制纠偏,放缓钻进速度,每钻进1.0 m左右测量一侧孔斜,合格后再继续钻进的方法进行纠偏,最终成孔孔斜率为0.25%,满足规范要求。

(2)27号槽段混凝土浇筑至25 m高度时 (平均孔深35 m),由于停电,导致浇筑中断,采取重新造孔浇筑进行处理,以保证防渗墙施工质量。

(3)河床部位槽段施工至卵石层出现不同程度的漏浆现象,23,15号槽段漏浆量较大,施工时根据漏浆的程度,在漏浆部位回填黄土、水泥、锯末混合物,同时用钻头不断搅动,加大泥浆的比重,静置一定时间后继续钻进,使造孔成功。

4.2 帷幕灌浆施工

帷幕孔采用150型地质钻机金刚石钻头钻进,孔径75 mm,造孔168孔(包括检查孔15只),总进尺6 839.2 m,其中混凝土进尺3 875.2m,基岩进尺2 964m。采用LJTBA型灌浆设备循环式灌浆,按三序加密的原则进行,灌浆孔的基岩段长5 m左右,选用自上而下分段灌浆法。原先已进行过灌浆的特别破碎部位,采用了接触灌浆,接触段深1.5～2.0 m,灌浆压力取0.3 MPa,完成后待凝12 h以上,接触段单独进行,灌浆压力尽快达到设计值,其他山体部位灌浆不做接触灌浆。帷幕灌浆首段灌浆压力取0.3 MPa,以下按0.025 MPa/m递增,最大压力一般在0.5 MPa。开灌水灰比采用5∶1,当灌浆压力保持不变,注入率持续减小时,或注入率保持不变而灌浆压力持续升高时,不改变水灰比。浆液水灰比采用 5∶1、 3∶1、 2∶1、 1∶1、 0.8∶1、0.5∶1六个比级。

5 防渗加固效果分析

5.1 渗流监测设施

为监测大坝防渗加固的处理效果及坝体渗流状态,工程在大坝0+104.00 m和0+136.00 m断面各布置4支测压管进行坝体浸润线观测,顺河流向桩号分别为坝上0+002.00m,坝下0+000.40 m,坝下0+020.00 m和坝下0+036.50m。同时为了观测坝基渗流状况,在坝下0+081.00 m和坝下0+093.00 m各布置4支测压管,共8支测压管,坝轴向桩号分别为坝0+076.00,0+104.00,0+136.00,0+168.00m。测压管内放入渗压计,以实现坝体渗流压力的自动化观测。坝体渗流观测项目典型断面布置见图2。另外,在大坝两岸分别设置了3根测压管,共6根测压管,管内布置渗压计,用以绕坝渗流观测。

图2 拦河坝典型观测断面图 (坝0+104.00 m)

5.2 坝体渗流监测资料分析

除险加固后至2011年5月的实测坝体、坝后测压管水位及库水位绘制成过程线分别见图3、4。除险加固前,坝体中也在套井上游侧(坝上0+003.50 m)与套井下游侧(坝下0+004.50 m)布置了测压管,取同一水位124.49 m时,加固前后实测测压管水位进行对比见表1。

图3 坝体测压管实测水位过程线图

图4 坝后测压管实测水位过程线图

表1 除险加固前后测压管实测水位对比表 m

(1)由图3可知,受黏土心墙中残余孔隙水压力的影响,防渗墙前的测压管UP1前期水位高于库水位,随着库水位的升高,实测水位也不断上升,与库水位呈正相关性,且滞后于库水位的变化。位于防渗墙后的测压管UP2、UP3、UP4测值明显减小,且测值变化幅度很小,与库水位基本无相关性。表明大坝防渗加固效果明显。

(2)从除险加固前后测压管实测水位对比可见,加固后下游侧压管水位降落非常明显,实测降落7.39 m,占总水头的23.2%。考虑到加固前后测压管位置不同,实际降落效果应更大。

(3)实测混凝土防渗墙前后水头差为18.67 m,占总水头的58.7%,大大降低了心墙黏土及坝基砂卵石层的渗透比降,明显改善了心墙与坝基的渗透稳定性。

(4)由图4可知,坝后基础测压管水位变化平稳,两测点水位基本一致,主要反映坝后地下水,表明坝基渗透比降很小。

5.3 绕坝渗流压力分析

将除险加固后至2011年5月的实测绕坝渗流测压管水位及库水位绘制成过程线(见图5),从图5中可见:

(1)左岸绕坝测压管RC1～RC3实测水位与地势情况相对应,其中RC1实测水位高于库水位,主要受山体水的影响,与库水位基本无相关性;RC2和RC3在水库水位上升后略有升高,水位变化较稳定。

图5 绕坝渗流测压管实测过程线图

(2)右岸绕坝测压管RC4～RC6受山体水的影响明显,其中测孔RC5在库水位较低时要高于库水位,主要受右岸山体裂隙水影响。

(3)右岸绕坝测压管RC4与库水位的相关性较好,需加强观测。

(4)总体看,两岸采用帷幕灌浆加固处理后,绕坝渗流现象不明显,加固处理达到预期效果。

6 结 语

(1)从监测数据分析来看,防渗墙前后测压管水位跌落较明显,防渗墙防渗效果较好,与加固前相比,大坝坝体与坝基渗流状态有明显改善。通过帷幕灌浆处理,两岸绕坝渗流现象不明显,处理达到预期效果;肖岭水库大坝采用低弹模混凝土防渗墙及基础灌浆处理后,坝体与坝基渗流问题得到彻底解决,大坝渗漏得到有效控制,为水库大坝的安全运行打下坚实基础。

(2)低弹模混凝土防渗墙处理在土石坝防渗加固中被广泛应用,它具有施工简便、速度快、防渗效果好、质量易控制等优点,特别是处理大坝防渗体存在水平渗漏通道或坝基为透水地基的渗流安全问题效果尤为明显。低弹模混凝土防渗墙在肖岭水库大坝防渗处理中取得了很好的效果,是防渗加固的一个成功实例。