王树坤
(汉中市水利水电建筑勘测设计院 陕西 汉中 723000)
洋县党河水库位于汉江一级支流党水河上,以灌溉为主,兼具发电、防洪、水产养殖、旅游、城市供水等综合效益的全国重点中型水库。坝体为均质粘土坝,最大坝高51m,坝顶高程538m,坝顶长300m,坝顶宽5m,正常蓄水位529m,坝底宽329.9m,迎水坡比为1∶4.5~1∶2.5,背水坡比为1∶3.5~1∶2,坝基设三道截渗槽,坝后设棱柱和褥垫混合式排水体。大坝于1966年10月动工修建,1970年3月建成蓄水,总库容4190 万 m3。
1975年水库拦洪蓄水时,右坝肩下游数处漏水,经分析,因绕坝渗漏所致。为保证大坝安全,对该段进行了防渗帷幕灌浆。设计帷幕长度64m,幕深35.2m~48.6m,幕厚2.0m,一排帷幕钻孔,孔距2.0m。但施工中由于资金、材料困难,只灌了设计工程量的39%左右,绕坝渗漏依然存在。通过灌浆数据分析:①帷幕孔距较大,帷幕线只有一排,幕体抗渗能力较差,需要继续加密。②幕体右端没有与相对不透水层相连,应继续采取防渗处理措施。
1980年10月15日,大坝迎水坡主河槽段发生滑坡,滑坡高程为519m,直至1988年10月在原位置上又先后发生五次滑坡。滑坡裂缝呈圆弧形,左右两端弧尾均触及两岸山坡,弧顶高程为519m,最大滑坡裂缝弧长117m,弦长74m,最大裂缝宽度0.4m。1987年~1990年除险加固时对该滑坡进行了重点处理,对滑坡体部位进行重新夯实,滑坡体河床部位采用抛石镇脚,大坝内坡原滑动部位全采用干砌石体处理。目前该滑坡体已趋稳定,观测数据未见明显异常现象。
1993年~1994年,因坝体渗漏大坝背水坡出现渗湿带,曾对坝体进行过一排、两序共29孔劈裂灌浆,累计灌入干土725t。1995年经开挖探井检查并取样分析,坝体土干密度由灌前的1.562g/m3提高到1.623g/m3,坝内孔洞堵死,测压管水位普遍降低,降幅0.2m~3m,坝体土渗透系数由灌浆前的10-4cm/s~10-5cm/s减小到10-6cm/s~10-8cm/s,背水坡渗湿带明显减小。
下面,重点分析坝址主要工程地质条件及本次砼防渗墙在党河水库坝体防渗处理中的应用。
坝址区河谷呈不对称“V”型,坝址区河段流向近东西向。大坝枢纽呈N21°E横亘于党水河,南与基岩山坡衔接,北与阶地台塬平缓坡地相连。大坝右岸为基岩岸坡,谷坡陡峻,坡度40°~50°,局部为近于直立的峭壁;左岸上部副坝段坝基为阶地台塬,阶地面平缓开阔,坡度一般<10°。
坝址区基岩为石炭系绢云母绿泥石石英片岩与石英片岩,主要分布于坝基右岸坡、河床及左岸坡中下部位。河床覆盖层为砂卵石,厚1.0m~1.5m,其下为基岩。左岸坡在高程510m以下为基岩,以上为三级阶地堆积层,地表为棕黄色粘土层,厚4m~6m,其下为砂卵石层,厚1.5m~3m。
坝址区位于风火山背斜南翼,总体为单斜构造,片理产状N55°W~EW,倾SW,倾角45°~55°。局部受断裂构造影响变化较大,片理走向转为NE,倾向SE,倾角变陡,甚至直立。
构造主要为断层与裂隙。坝址区小断层较发育,尤其是右岸坡,断层主要有5条,为中高倾角,倾角41°~87°,破碎带一般4cm~10cm,断层夹泥一般4mm~10mm。主要裂隙有二组:一组走向N80°~60°W,倾角45°~70°,延伸较远,局部张开。另一组走向N55°~65°E,倾角60°~70°。
坝址区地下水主要为基岩裂隙水。岩体透水性的主要控制因素是岩体的性质、断层、裂隙切割程度及岩体风化程度等。钻孔压水试验表明,浅部岩体风化较强,岩体破碎,裂隙发育,透水性强,而深部岩体风化较弱,完整性好,透水性亦较弱,基岩透水性一般随深度的增加而逐渐变小。个别孔段由于构造面贯通造成裂隙切割较深,存在相对隔水层以下透水率增大的现象。坝址基岩以石炭系下统略阳组绢云母绿泥石石英片岩为主,夹石英片岩,该岩体抗风化能力较差,所以坝址岩体风化较强烈。坝址右岸为基岩谷坡,地势陡峻。左岸下部陡峭,上部为阶地台塬,两岸透水性存在明显差异。
右岸坡上部全、强风化带深度15m~25m,裂隙发育,形成强透水带,下部弱~微透水带埋深36m~50m。河床段岩体为中~微透水,透水率0.6Lu~18Lu。左岸上部砂卵石层形成强~中等透水,厚度2.1m~3.1m。砂卵石层以下基岩透水性主要受风化的控制,垂直分带特征明显,顶部为一分布连续的中等透水带,透水带最大厚度约18m,透水率10.6Lu~24Lu,中部为弱透水带,透水率1.4Lu~6.5Lu,底部岩体为微透水。
图1 坝轴线工程地质剖面图
其坝址主要工程地质条件可参见图1。
通过钻孔、探井、多期工程地质勘察,依据坝体土样物理力学性质试验成果统计资料可看出:
(1)坝体土样的液限在36.6%~40.6%之间,塑性指数在12.7~24.3之间变化,作为防渗体填筑料可满足要求。坝体土以低液限粘土为主,且含有低液限粘土质砂,说明筑坝时对土料质量控制不严。
(2)坝体土样的含水率16.32%~27.61%,平均含水率23.02%,平均饱和度94%,说明大坝土样基本上处于饱和状态。
(3)坝体土样的最大干密度为1.63g/cm3,最小干密度为1.45g/cm3,平均干密度为1.54g/cm3,坝体土干密度差异较大,约60%的坝体土样压实度不满足规范要求值(96%)。坝体填筑密实度不均匀,层间密度相差较大,坝体碾压层分层处结合不好,碾压质量较差,坝体存在密实程度较低的部位。
(4)大坝土样饱和固结不排水三轴抗剪强度总应力指标 C、φ值最小值分别为10kPa、14.0°,最大值分别为 50kPa、21.4°,平均值分别为29kPa、18.4°,小值平均值分别为 19kPa、16.5°;有效应力指标 C'、φ'最小值分别为10kPa、16.7°,最大值分别为40kPa、26.6°,平均值分别为 27kPa、22.0°,小值平均值分别为18kPa、19.6°。表明坝体土抗剪强度指标值变异较大,土样密实度及结构不均匀。
综合地勘资料,依《碾压式土石坝设计规范》,结合土工试验成果,其有关地质参数分别建议为:
(1)坝体土:土粒比重 Gs=2.73,含水率ω=23.0%,孔隙比e=0.761,天然密度ρ=1.90g/cm3,干密度 ρd=1.55g/cm3,固结不排水三轴剪切抗剪强度总应力指标C=22kPa,φ=16°,有效应力指标 C'=20kPa,φ'=18°,垂直渗透系数Kv=3.31×10-7cm/s,水平渗透系数Kh=9.38×10-7cm/s。粘土破坏形式为流土,建议允许水力坡降为0.48。
(2)坝前淤泥质土层:土粒比重Gs=2.68,含水率ω=46.3%,孔隙比e=1.25,天然密度ρ=1.74g/cm3,干密度 ρd=1.19g/cm3,建议固结不排水三轴剪切抗剪强度总应力指标C=9kPa,φ=4°,渗透系数为 k=2.18×10-8cm/s。
(3)坝基基岩:比重Gs=2.74,干密度ρd=2.69g/cm3,天然密度 ρ=2.72g/cm3,孔隙率=1.8%,吸水率=1.24%;抗剪断强度c=29kPa,φ=30°,透水率 q=18Lu(透水层厚度 6.0m)。
近年来,水库处于高水位时大坝背水坡右侧523m~527m高程之间有一条渗湿带,宽5m~10m,长约 38m,渗湿面积约300m2,该带长期渗湿。B3-8观察孔附近的观测井内可见明显渗水,对坝坡稳定不利。经勘察取样分析,系坝体土碾压密实程度较低,结构不均匀所致。
本次对坝体防渗加固处理时经过3种方案比较,最终采用素砼防渗墙方案。砼防渗墙的类型为槽孔型,砼防渗墙为全坝段布设,长308m,墙底部深入坝基强风化基岩1.0m,砼墙最大深度49.4m。砼墙主要设计指标分别为:墙体计算厚度0.48m~0.8m,采用厚度0.6m。容重≥2.2t/m3,抗压强度 3MPa≤R28d≤5MPa,弹性模量 300MPa≤E28d≤1000MPa,抗渗标号≥W6。
防渗墙槽孔分两期施工,一期槽孔砼浇筑完毕24小时,再施工二期槽孔,一、二期槽段长均为7.0m。采用“两钻一抓法”成槽,冲击钻机配合液压抓斗施工成槽,粘土泥浆护壁,用HBT60型泵输送砼,泥浆下直升导管法浇筑砼,再采用“接头管”法进行槽段连接。
所谓“两钻一抓法”成槽,即用钻机在槽孔两端头先钻导孔,再利用液压抓斗抓取副孔。这种方法能充分发挥两种机械的优势,冲击钻机的凿岩能力较强,可钻进不同的地层,先钻主导孔,为抓斗开路,抓斗在抓取副孔时效率较高,所形成的孔壁平整,且主导孔导向作用能有效地防止抓斗造孔时发生偏斜。
防渗墙连接部位采用“接头管”法,指在浇筑一期槽孔前,在槽孔两端下设接头管,可避免重新钻凿接头孔所造成的工时和材料浪费,具有接触面光滑,接缝紧密,孔斜易控制,搭接厚度有保证等优点。
大坝左岸副坝段基础本身因砂卵石层构成中等透水带,再加之其坝前滩涂地带人为开挖精养鱼塘,加剧了渗漏通道,导致坝后阶地台塬520m~524m高程出现沼泽化,左岸坡中下部基岩因存在中等透水带而产生渗漏明流。河床段钻孔压水试验成果表明,河床段基岩亦存在中等透水带。右岸坡基岩因存在中等透水带不但产生渗漏明流,且存在绕坝渗漏。
对右坝肩存在绕渗的问题,本次除险加固时采用了帷幕灌浆方案。右岸坝肩绕渗区帷幕灌浆段起始高程高出正常蓄水位3m,帷幕底部深入相对不透水层3m,孔距2m,单排三序,自上而下施灌。经过处理后,坝肩绕坝渗漏问题基本消除,渗漏明流基本断流。
坝基渗漏问题,本次除险加固中对基岩坝基采取了砼防渗墙与帷幕灌浆的综合措施。砼防渗墙底深入基岩1m,灌浆帷幕顶部自砼防渗墙底部起灌,帷幕底部深入相对不透水层5m,帷幕孔距2m、单排、自上而下施灌。左岸砂卵石层坝基采用砼防渗墙截渗方案,砼墙体厚度0.6m,墙底深入基岩1.0m。
大坝经过砼防渗墙及帷幕灌浆处理后,对比观测资料,各测压管内水位下降2m~3m,渗湿带基本消失,坝后渗漏明流基本断流。坝后电站厂房集水井内渗水显著减少,坝基渗漏问题得到明显改善。
(1)工程区内分布的粘土为高塑性粘土,遇水自稳性、直立性差,具有一定胀缩性及崩解性,透水性弱(渗透系数一般为i×10-6cm/s~10-8cm/s),遇水易于饱和且不能短时疏干。粘性土的抗剪强度以内聚力为主,内聚力随着含水率的增高而降低。对均质粘土坝坝体而言,在库水位频繁变动的情况下,易诱发流土和滑坡,应充分做好大坝坡面砌护、放缓坝坡及坝后综合排水等工作。
(2)对均质粘土坝而言,其大坝填筑土体的渗流及渗透稳定问题一般都能够满足规范要求。对于坝体浸润线偏高或坝脚出现渗漏明流的问题,应该重点分析坝肩绕渗、坝基渗漏及过坝、穿坝建筑物这些可能的主要因素,从而尽量地增加大坝除险加固工作的针对性和有效性。
(3)据以往粘土坝劈裂灌浆实践,经试验,当浆液容重达1.4t/m3才可满足灌浆相关标准,达到1.45t/m3时浆液流动性较差,施工困难,且浆液的充填及扩散作用较差,影响灌浆效果。
坝内粘土浆液析水固结时间长。1年后探井检查时浆脉仍处于软塑态,若等到泥浆完全固结则时间更长。为缩短浆液析水固结时间,经试验,灌浆时可加6%~10%的水泥,但须注意施工工艺。泥浆制作时加入水泥,浆液容重不能提高,若强制提高浆液容重,则浆液会呈“凉粉状”,造成施工困难,且会大减土料的灌入量。经摸索,可用纯粘土浆与纯水泥浆交替施灌,可有效保证灌浆质量和效果。陕西水利