水库砌石拱坝坝体渗漏问题研究设计方案分析

宋　强

(朝阳县水务局,辽宁 朝阳 122000)

水库砌石拱坝坝体渗漏问题研究设计方案分析

宋强

(朝阳县水务局,辽宁 朝阳 122000)

摘要：本文结合工程实例，在分析某水库砌石拱坝坝体渗漏、应力不满足规范要求问题的基础上，提出以挂网喷射混凝土解决坝体渗漏、应力不足问题，对原坝面附着物进行彻底清理，使原砌体露出。在坝面上按200 cm×200 cm方格角点布设充填补强灌浆孔，以原坝体厚度的50%作为孔深，以0.2～0.25 MPa的压力压入细磨水泥浆。以帷幕灌浆解决坝体与坝肩接触渗漏及坝肩绕坝渗漏问题，采用单排灌浆的设计方案。

关键词：水库；砌石拱坝；除险加固；设计

我国在20世纪70年代曾修建了一大批砌石拱坝，受当时技术条件薄弱、思想观念保守等主客观因素的影响，这些工程大多采用了“边勘测、边设计、边施工”、“群众运动、土法上马”的建设方法。以现在的眼光看，这些砌石拱坝无论在工程设计方面还是在施工质量方面，都存在着一些先天缺陷，而在运行30余年后，部分工程的先天缺陷逐步转化为渗漏、裂缝、失稳等安全隐患，既不利于工程使用效益的充分发挥，又会对下游地区供水安全乃至人民群众生命财产安全形成威胁。本文结合工程实例，对某水库砌石拱坝除险加固设计进行分析和讨论，期望能够为同类工程提供思路上的参考与方法上的借鉴。

1工程概况

某水库枢纽工程位于高寒地区的深峡谷中，是一座兼顾灌溉、防洪等功能的中型水利工程，总库容1945.5万m3，有效库容1794.6万m3，控制灌溉面积19 800 hm2。工程所在区域属大陆性气候，夏季炎热少雨、冬季干燥寒冷，坝址多年平均气温5.6 ℃，冰冻期120～150 d。水库大坝高78 m，为浆砌石拱坝，坝顶宽度4 m、坝底宽度12 m(1735 m高程处)，宽高比和厚高比分别为1.32、0.24。下部28 m为窄深河谷(高程1707～1735 m)，以浆砌石回填；上部50 m为浆砌石拱坝(高程1735～1785 m)。拱坝内设有C20素混凝土防渗心墙，顶和底厚度分别为0.6 m、3 m，距上游坝面1.5 m。

该水库于70年代中期建成，运行至今已有40余年，就目前的实际情况来看，水库大坝主要存在以下两方面问题：①渗漏;②坝体应力超允许值。

高寒地区、深峡谷中具有冻融破坏强、温度变化大的特点，受地形因素的影响，施工场地也比较狭窄，因此与一般拱坝相比，本次除险加固工程的设计难度较高[1]。

2除险加固设计

2.1坝体渗漏与坝体应力超允许值问题的整治

检查结果显示，1735 m高程以上坝体存在多处漏水点。渗漏问题的存在一方面减少了水库水量，另一方面也会在反复冻融、冻胀的影响下引起更为严重的破坏，最终造成坝体材料强度的不断下降。为了解坝体材料的实际情况，技术人员钻取并测量了3组试件的强度，其中，最高值为30 MPa，最低值为20 MPa。可以看出，坝体强度不足的问题非常明显，水库大坝的安全运行也因此受到了严重影响[2]。

应力分析结果显示，坝体拉应力在部分工况下会超过允许值，不符合现行标准和规范的要求。

结合实际情况，本次除险加固工程将渗漏问题的处理作为重点，以此为水库大坝的安全、稳定运行提供根本性保障。另外，就是要适当增加坝体厚度，使大坝应力状况得到进一步改善。为实现上述目标，设计选定以下两种方案[3]。

方案一：增设混凝土面板

于大坝上游增设防渗抗冻面层，在避免渗透冻融对坝体材料产生破坏的同时增加坝体厚度、降低拉应力。分析结果表明，在防渗面板顶部厚度40 cm(高程1785 m)、底部厚度160 cm(高程1735 m)时，坝体最大拉应力可减少至规范要求的水平。需要注意的一点是，面层浇筑前应对原坝面上的各类附着物进行彻底清理，使原砌体露出，以此保证面层混凝土与原坝体的充分结合。第二步，充填补强灌浆。在坝面上按100 cm×100 cm方格角点布设充填补强灌浆孔，以原坝体厚度的50%作为孔深。随后，以0.2～0.25 MPa的压力压入水泥浆，并在初凝前插入Φ28钢筋。将防渗面板厚度作为钢筋深入坝体的长度，将“深入长度减10 cm”作为钢筋伸出长度。最后，于钢筋前端挂设钢筋网(20 cm×20 cm，以Φ12钢筋焊成)，钢筋网外部设置混凝土保护层(厚度10 cm)。

在前文的叙述中我们提到，水库大坝高78 m，上部50 m为浆砌石拱坝(高程1735～1785 m)；下部28 m为窄深河谷(高程1707～1735 m)，在大坝建设之初以浆砌石回填，形成垫座，上部坝体布置于垫座上游边缘。方案一需要在大坝上游设置混凝土面板，若采用直接置于深切河谷底部基岩的做法，就会面临水库泥沙淤积较多、难以形成干燥基坑等问题；若于原垫座上游靠近垫座处、垂直水流方向浇筑钢筋混凝土拱，就会面临施工复杂(竖向与顺水流方向均有曲率)、施工时间较长(高寒地区施工时间有限)、爆破开挖难度较大(坝体两岸均为花岗岩，爆破开挖将对原坝体产生不利影响)等问题。由于难以操作，最终放弃方案一。

方案二：挂网喷混凝土

上游坝面挂网(10 cm×10 cm，以Φ12钢筋焊成)3层，喷厚度为20 cm的防渗抗冻细石混凝土，以此提高上游坝面的防渗抗冻性能。第二步，充填补强灌浆。首先，对原坝面附着物进行彻底清理，使原砌体露出。其次，在坝面上按200 cm×200 cm方格角点布设充填补强灌浆孔，以原坝体厚度的50%作为孔深，以0.2～0.25 MPa的压力压入细磨水泥浆。第三，按100 cm×100 cm方格角点布设插筋，在水泥浆初凝前插入Φ28钢筋(间隔布置)，钢筋深入坝体长度分为70 cm(25 d)、112 cm(40 d)两类，伸出长度均为18 cm。最后，于插筋前端挂网，随后喷射厚度为20 cm的细石混凝土。挂网、细石混凝土喷射分3次完成。与方案一相比，方案二的改善效果略差，但施工简易、相对方案一可实行性较高。

通过对方案一、二的讨论分析我们可以看出，若砌石拱坝修建时能够使垫座厚度超出上部坝体厚度，则方案一的可行性就会因为支撑困难问题的消失而大幅度提升。所以在今后同类工程的设计、建设过程中，相关人员应注意对垫座厚度问题给予应有关注。

方案二的采用使施工难度大幅降低，虽然“坝体上游(1735 m高程以上)挂网喷混凝土”的要求增加了些许工作量，但仍具有较高的可行性。值得一提的是，设计人员在对灌溉放水设施进行分析的过程中发现，冲砂洞(高程1715 m)已深埋于18 m左右的淤沙中，询问水库管理人员后得知，这主要是因为冲砂洞建成后从未使用。由于淤沙过厚，冲砂洞使用功能的恢复将非常困难，尽管这部分不在“挂网喷混凝土”的范围内，但仍提示水库管理人员应注意定期开启冲砂洞，以免给日后的维修工作带来不必要的困难。

2.2坝体与坝肩接触渗漏及坝肩绕坝渗漏问题的整治

坝体与坝肩接触渗漏：在水库大坝的建设阶段采用了直接爆破至建基面的做法，虽然这种处理方式并没有什么不妥，但问题在于，施工人员在没有彻底清理松动石块且没有做固结灌浆的情况下直接进行坝体砌筑。随着时间的推移，沿拱坝周边的松动渗漏带逐渐形成，实测结果也显示，拱坝周边岩石抗剪抗压强度严重不足，变模远低于深部岩体，不利于大坝的安全运行。在本次除险加固工程中，设计人员最终确定了帷幕灌浆的处理办法，具体措施包括：按照与拱坝上游边缘2 m的距离布设一排(共38孔)灌浆孔，孔间距2 m；依据帷幕灌浆相关标准和规范的要求，于建基面以下压入水泥浆。灌浆深度：进入弱透水岩层不少于2 m。防渗标准5 Lu。坝体内部回填：钻孔、低压压入水泥浆[4]。

左坝肩绕坝渗漏：采用大范围帷幕灌浆方案，要求截断F2断层，以此解决绕坝渗漏问题。帷幕灌浆于灌浆廊道(长66 m)内进行，单排灌浆；灌浆孔交叉穿过断层渗漏带，孔距2 m，F2断层附近增设一排灌浆孔(5孔)，共38孔。灌浆深度：以岩体透水率<5Lu或>50%坝高控制(F2断层处适当增加)。

右坝肩绕坝渗漏：实测结果显示，大坝右坝肩存在厚度为20 m的弱风化岩体，为透水层。结合“坝体与坝肩接触渗漏”的处理方案，设计人员在这一部分同样采取了帷幕灌浆的做法，以便形成一个完整的防渗体系,单排灌浆，孔距2 m，总计16孔。灌浆深度：以岩体透水率<5Lu或>50%坝高控制[5]。

3结论

在多年运行后，砌石拱坝坝体出现渗漏、裂缝是一种比较普遍的现象，本次整治的砌石拱坝位于高寒地区、深峡谷中，年温差较大、冻融破坏较强、施工场地较为狭窄，相对于一般拱坝而言，除险加固设计和施工的难度较高。结合本次除险加固设计思路，我们可以得出以下结论：(1)反复冻融、冻胀现象的存在使高寒地区的砌石拱坝更容易出现渗漏问题，不仅不利于水库水量的保持，还会大幅降低坝体材料的强度。所以，在此类工程的除险加固设计中，应将防止水库入渗作为整治重点，消除或最大程度减少冻融循环重复的现象。另外，就是要适当增加坝体厚度，以此改善大坝的应力状况。(2)做到对充填灌浆方法的针对性选择，尽可能将已成裂隙、充填砌体内孔隙进行粘合，提高砌体抗冻、抗渗能力，避免砌石强度继续因为冻胀而发生下降。设计人员依据砌石拱坝的实际情况，通过“大坝上游挂网喷混凝土+坝体充填补强灌浆”来处理坝体渗漏与坝体应力超允许值的问题，通过帷幕灌浆来处理坝体与坝肩接触渗漏、坝肩绕坝渗漏的问题，获得了比较理想的效果。(3)砌石拱坝发生渗漏、裂缝的可能性较高，为此，在项目建设之初应将垫座做的厚大一些，且垫座厚度应大于上部坝体厚度，从而为后续的运行维护以及整治工程的顺利开展提供方便。

参考文献：

[1]王贵明.平桥砌石拱坝防渗加固设计研究[J].水利技术监督，2015 (2):71-73.

[2]陈孝炼.观山水库小型砌石拱坝除险加固设计[J].水利科技，2015 (1):31-33.

[3]熊育祥.高车水库混凝土砌石拱坝基础优化设计[J].小水电，2015 (4):27-28.

[4]付典龙，刘芸华.砌石拱坝防渗处理措施探讨[J].浙江水利科技，2015 (3):87-88.

[5]王廷志，徐国勇.浆砌石拱坝裂缝的预防和处理初探[J].水利科技，2008(4):51-52.

作者简介：宋强(1966-)，男，高级工程师，主要从事水利管理工作。

中图分类号：TV698；TV697.3+2

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2016)04-0074-03