委内瑞拉图里密夸尔混凝土面板堆石坝的水下修复

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1 概 述

面板受损是CFRD经常出现的问题，导致这一问题发生的主要原因有气候因素(如混凝土的冻融作用)、施工质量(例如冲水或压实不足、浇筑缺陷和止水片埋置问题)，以及坝体中应力超过混凝土面板阻力而发生沉降和不均匀变形。这种现象在建于狭谷的高坝中尤为突出。另一个渗漏易发区域是混凝土面板与趾板之间的接缝，止水埋置困难常使接缝易张开，从而引起明显的渗漏。这些问题的存在可能会导致损坏的面板处或接缝处产生渗漏。

早在20世纪50年代后期，合成预制土工膜就已应用在大坝设计中，用于土石坝防渗，或当原有防渗帷幕遭到破坏时作为一种防渗修复措施。合成土工膜的延展性能够抵抗可能引起混凝土面板开裂的不均匀变形，因此在CFRD修复中得到了越来越广泛的应用。若制作方法得当，厚度均匀(>2.5 mm), 合成土工膜暴露在紫外线下可以保证其耐久性和长期稳定性。特别是PVC土工膜的使用，有许多成功实例可以证明，无论是整个上游坝面的全面整修，还是大裂隙分布区或失稳接缝等的局部修复，这一技术不仅可以保证修复的长期有效，并且在跨越张开度大的裂隙时能适应进一步的变形。本文介绍的PVC土工膜护面技术的另一个优点是在水上和水下都能施工。

2 大坝修复前状况

委内瑞拉拉斯喀纳里塔斯(Las Canalitas)CFRD坝，又名图里密夸尔(Turimiquire)坝，坝高113 m，业主为电力部环境委员会，坝顶高程335 m，最高水位328 m。大坝调节着内维里(Neverí)河18 m3/s的流量，保证东北部地区持续供水到2025年，是约100万人口的唯一饮用水源。

大坝建于1976～1983年间，是一座随机用料的堆石坝，石料压实层厚度2 m。上游侧有5 m厚的粗粒区(粒径分级为6.5 mm到180 mm)，单次填筑厚度0.5 m。上游坝面坡比为1V∶1.4H，由33块钢筋混凝土面板构成。大多数面板宽15 m，高12.15 m，坝顶处面板厚度30 cm，往下逐渐变厚，到坝基处达到100 cm。对施工缝进行了加固，并埋置了止水条。

1988年第1次蓄水以来，大坝经历了几次大的渗漏，并采取了各种修复措施。大坝初次蓄水1 a之后就观测到了渗漏，1989年7月渗漏量达300 L/s，随后降低库水位，采用在上游面填筑黏土材料的方法进行修复，渗漏量降低到60 L/s。1994年，渗漏量再次增加，达到2 500 L/s，采用两种不同规格的材料填充裂缝的方法进行了第2次修复，渗漏量降低到了674 L/s，但随即又增加到3 173 L/s。1996年发生的一次滑坡进行了自然修复，渗漏量降低到1 255 L/s。1999年9月，渗漏量又升至6 500 L/s，随后进行了第4次修复，采用4种不同规格的材料填充裂缝。2000年采用粗颗粒材料加XR5型不透水土工膜进行了第5次修复，修复面积超过450 m2，这次修复结果不理想，渗漏量达到了9 800 L/s。

采用多波束扫描声纳探测，发现损坏已经加重。存在两个集中渗漏点，一个在24号面板下，渗坑面积4.1 m2；另一个在高程270 m处的9号面板下。

用遥控车(ROV)对陷坑和裂缝做了进一步探测，结果发现存在一个裂隙密集分布区域，裂隙发育方向杂乱无章，长度可达7 m。分析认为裂隙是由底部面板沉降所引起的。多处出现混凝土剥落、胶凝材料流失，呈现蜂窝状结构。除了高程275～285 m处面板受损外，在2000年铺设的土工膜下还存在一个透水区。

由于锚固不牢，之前铺设的土工膜已经发生局部移动并形成大的起伏和皱褶，部分周边锚固区域也已发生移动。在高程+260 m和+280 m间，距坝趾6 m处，分布有连续的沉积物和泥沙。2008年夏进行的测深表明，趾板上的沉积物厚2～6 m，而在上游坝趾处沉积物厚度超过5 m，左坝肩处尤甚，估计右坝肩24/25面板和28/29面板处的沉积物较薄。

3 设计方案

检测和分析表明，面板已损坏，且之前实施的所有修复措施效果均不理想。

3.1 防渗设计

鉴于过去进行的所有修复措施都不专业，业主选择了一种已被证实且具有成功先例的土工膜技术。根据设计，会在施工便利区域进行土工膜铺设，不需要清理沉积物。根据受损程度和轻重缓急，防渗作业分几个阶段进行，首先在1～6区敷设土工膜，总面积为14 930 m2，按照合同要求，高程+304～+245，要求渗漏量控制在≤3 000 L/s。7区和8区，渗漏不太严重，暂不处理，另签合同。

由于水库的主要目的是供水，因此水位可以降低，但必须要保证满足人们的用水需求。业主决定在最关键的区域施工，保持最高库水位295 m，因此许多修复作业需在水下进行。

2、4和6区的土工膜铺设工作在水上进行，通过悬吊移动式平台作业；1、3和5区通过潜水员在水下作业。最终设计开发了一种方法，用来在混凝土面板和趾板的纵缝间进行衬砌，在第2个阶段业主会清除沉积物。PVC土工膜(等同于土工合成材料)一直铺设到距沉积物边缘2 m处，这一距离是在清除沉积物时保护土工膜不受疏竣设备产生的吸力影响而必须的。1～6区底部周围预留的PVC土工合成材料，其宽度应超出周边密封缝，使之与沉积物清除后铺设的PVC土工合成材料进行密封连接。沿1～6区周边都采用相同的方法，以便与7区和8区的防渗系统相连。

3.2 表面处理设计

为减少土工膜铺设的准备工作，采用了各种土工合成材料。在混凝土面板表面设置土工格栅，其抗拉性能可为陷坑上铺设的土工合成材料提供必需的支撑力，并防止土工合成材料在陷坑内发生撕裂。在土工格栅上部的整个表面区域设置由2 000 g/m2聚酯土工布构成的防穿刺层。这种构造在之前的修复中已得到成功应用。

3.3 防渗土工合成材料

防渗衬垫为一种SIBELON®CNT4600的土工合成材料，将3 mm厚的土工膜压合到700 g/m2无纺土工布制造而成。由于要承受较高的水压，选择了一种强力土工合成材料。按照ISO9001认证，土工合成材料由Carpi公司生产，成品为2.10 m宽的布匹状。水下铺设时，先将4个标准幅面的土工合成材料预先焊接成8 m宽的预制片，尽量减少水下作业。为了检测双轨焊接的强度和连续性，按照GRI GM6 方法进行了现场试验，即在两条焊缝之间注入气压为2巴(bar)的气体，并持续5 min。

3.4 锚固设计

在水上和水下铺设土工合成材料，锚固方式不同。水上铺设采用Carpi专利生产的张拉设备进行锚固，该设备已应用于世界许多工程中，并得到了国际大坝委员会的认可。使用该张拉设备主要是在张拉开的土工合成材料上焊接PVC土工膜条，保证其密封性。由于水下焊接不可行，水下铺设土工合成材料前要在水上焊接。橡胶垫确保即使整个土工合成材料处于受压状态也能形成一道结实的、防水的焊接线，与洛斯特克里克(Lost Creek)坝中采用的相似。

竖向缝合线的间距为吸力因子的函数，通过计算确定，因此在水上和水下是不同的。设计假定在水下锚固(在1，3和5区中)由于有水的覆盖，不受风力影响，因此缝合线间距可稍大，为7.4 m，而水上缝合线间距为3.7 m。这也使得在水下铺设土工合成材料变得更简单、更快捷、更经济。间距选择还要保证水上和水下部分的过渡简单有效。

3.5 周边密封设计

PVC土工合成材料周边锚固采用机械密封法，防止在水压作用下发生漏水，将规格为80 mm×8 mm的不锈钢片压合到PVC土工合成材料上。水上周边密封采用间距0.15 m的化学锚固定在大坝表面。针对水下周边密封，根据工作环境的不同，采用等间距的机械锚固定在大坝表面，混凝土表面铺一层环氧砂浆作为过渡层。在现场198 m水头下完成周边密封已有成功的先例，在试验室240 m水头下可以完成周边密封。这种方法已应用于其他工程，如普拉塔诺夫利斯(Platanovryssi)工程。

4 施工计划和进展

2008年10月同Carpi公司签订了施工合同。2009年5～9月完成了水上和水下施工设备的进场、材料制作和运输工作。

由于大坝位于偏远地区，进场交通十分不便，有必要在大坝附近建造一个可容纳70人的营地。现场作业于2009年6月开始。

2009年12月，随着潜水员进场，开始水下施工。潜水员从3区开始作业，其水位高程306 m(最大潜水深度61 m)。最初确定的水上和水下安装分界线为高程295 m(最大潜水深度50 m)，于2010年6月和7月达到。2010年2月，基于已有的库水位数据制定了工作计划。以2009年历史水位线作为基准数据，并假定水上作业时间约为150 d。

库水位具有不可预测性。2010年特大降雨造成库水位提前突然上涨，与作为项目工序分析的基准数据(2009年水位线)并不一致，事实上水上作业只能进行58 d(即从2010年4月到2010年6月)。

这种异常情况对工作计划的实施产生了不利影响。

总之，库水位异常上涨对施工造成的影响可总结为以下几点：

(1) 水上施工无法继续进行(2区和6区);

(2) 水深的明显加大，使水下作业时间大为增加;

(3) 水下作业效率降低(潜水时间);

(4) 合同时间延长;

(5) 需提供完成新增水平周边密封所需要的特殊终端设备和材料。

根据最初制定的计划，政府部门调整了思路，打算继续施工。2010年7月27日决定将库水位维持在305 m(最大潜水深度为60 m)直至8月。但遗憾的是，强降雨使得该计划无法实施，不得不再次进行调整。

比较了最高库水位为295 m条件下最初的设计方案和最高库水位为325 m条件下的最终修改设计方案。分析发现，差异就在于施工最低点的变化。在原设计方案中，2区和6区位于最高库水位之上，应是水上施工，但结果变成了水下施工，所以取消了这两个区。由于沉积物比预期的厚，缩小了5区的范围。由于潜水深度的增加，1区的范围也有所减小，底部周边密封上移到高程273.7 m处。在库水位允许的情况下，将完成1区无衬砌的塌陷坑处的防渗作业，堵住主要的渗漏通道。

合成土工膜铺设完成后，如果需要，还可以在其上重叠铺设一层合成土工膜。

尽管缩小了处理区域的范围，渗漏测量结果仍非常令人满意。随着施工的开始，渗漏量逐渐减少，在一个关键区铺设应急土工膜之后，渗漏量出现第1次突降。但由于为临时性措施，渗漏量又有所回升，第2次突降的出现与陷坑的处理同步。随后随着土工膜铺设的推进，渗漏量稳步下降。

2011年6月，施工接近尾声时的总渗漏量为2 300 L/s，远低于设定的允许渗漏量3 000 L/s，达到了有效减少渗漏的目的。

5 结 语

工程于2011年6月30日完工。截止到2013年8月，图里密夸尔坝的水下修复工作非常理想，合成PVC土工膜的机械锚固和张拉延伸到了水下50 m，有些点达到了65 m。水下铺设约8 760 m2，水上铺设1 345 m2，总铺设面积占上游坝面总面积(52 000 m2)的20%。目前来看，总渗漏量约为2 300 L/s，远低于规定的最大渗漏量3 000 L/s。土工膜的柔韧特性不仅可以克服极端气候条件导致库水位提前升高带来的问题，也可以解决混凝土面板严重受损引起的问题。

实践证明，PVC土工膜护面是减少CFRD渗漏有效的永久措施。水下铺设也取得了良好效果。签于其成功应用，环境部正在筹资，以将这一技术用于图里密夸尔CFRD更大范围的防渗处理，进一步降低渗漏量。