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水库砌石混凝土大坝渗漏原因分析

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《吉林水利》2017年第8期

[摘要]为消除大坝高水位蓄水运行工况下,坝体中部和右岸坝肩局部渗漏安全隐患,确保大坝综合利用效益正常发挥。根据大坝渗漏现状和钻芯取样分析资料,结合大坝结构应力和拱座整体稳定性复核结果,采取集外包结构混凝土、增设混凝土防渗面板和增补帷幕灌浆等为一体的防渗补强除险加固方案。施工后经高水位蓄水运行和汛期大流量防汛检验,渗漏补强工程质量合格率达100%,大坝渗漏问题得到有效处理。

[关键词]砌石重力拱坝;水泥砂浆;充填灌浆;水电站

1工程概况

某水库是一座以农业灌溉为主,兼顾防洪、引水发电、城市供水和生态旅游等功能的年调节水库。坝址以上集雨面积2.358km2,主河流长3.56km,平均河床比降为3.19%。水库正常蓄水位876.58m,相应库容508.56×104m3,总库容639.75×104m3,属小(I)Ⅳ等水利工程。水库最大设计坝高45m,坝顶高程881.58,坝顶拱弧长135m,坝顶宽5m,防浪墙高程882.58,上游坡比1:3。首部枢纽主要由砌石拱坝、输水涵管和溢流坝等组成。工程于1997年03月开工,2001年10月建成交付使用。大坝建成投运后,各部位运行状况良好。

2大坝渗漏原因分析

2009年5月初,为了为汛期做准备,对水库进行高水位蓄水试验时,在正常蓄水位876.58高程以下,大坝整体运行良好。但当蓄水位超过正常蓄水位0.5m时,发现右岸848.50m高程以上坝体及坝肩处存在局部渗漏问题,初步量算漏水量约76.2L/s;左岸坝基及847.50m高程坝体存在局部渗漏问题,漏水量约81.3L/s。当蓄水位不断升高时,渗漏部位的渗水量不断增加,为了确保水库大坝安全,决定降低水位全时段监视运行。2010年10月枯水期,结合工程运行状况采取帷幕灌浆补强加固处理,共在水库846m高程及右岸坝肩处设置12个帷幕灌浆孔进行防渗处理。经处理后,坝体局部渗漏问题得到控制,但依然存在局部渗漏问题,由于渗漏量少,大坝虽未得到全面处理,但不影响大坝运行安全,决定大坝处理后继续监视运行。2013年汛期,大坝渗漏量突然急剧增大,尤其是正常水位876.58以上运行时,渗漏问题越来越严重,渗漏量达到267.5L/s,呈现射流状、孔流渗水等问题,已严重威胁到大坝的与运行安全,除险加固安全评定为三类坝。

根据水库历史档案资料、运行管理资料、现场地质勘探和坝体钻芯分析,水库大坝渗漏主要表现为坝体散浸现象,施工材料质量达不到设计标准、坝体填筑质量较差等是导致大坝渗漏的主要原因。筑坝铺土过厚、砌石整体不均匀、碾压不实,尤其是分期分块填筑存在少压、漏压等问题,加上后期运行的风化侵蚀和白蚁蚁害,坝体内部隐裂隙高度发育、蚁道相互串通导致坝体有效防渗厚度和截面减少,部分砌石材料透水率远超规范5Lu防渗限值,串孔、漏水等问题不断加剧[1]。水库运行至今近15年里,在诸多因素的共同作用下,坝体和坝肩渗漏问题不断加剧,虽采取过工程措施进行防渗加固,但受资金、养护技术等因素的制约,工程仍存在较大安全隐患。在大坝除险加固中,对大坝整体安全稳定性进行全面复核,并结合复核成果采取合理的工程措施进行防渗处理,确保水库大坝综合利用效益的安全稳定、高效优质发挥尤为必要。

3大坝稳定性安全复核

由于水库坝体和坝肩渗漏问题没有得到彻底处理,高水位蓄水运行条件较差,长期处于带病运行工况,大面积渗漏和湿软问题严重影响到水库效益的正常发挥。尤其是水库蓄水位从未达到设计校核洪水位,大坝是否安全稳定不确定。为准确评估大坝结构整体安全稳定性,在大坝除险加固过程中,对大坝结构应力和抗滑稳定性进行全面计算复核,为除险加固方案的合理确定提供详细技术参数指标[2]。

3.1工程基本特性

从竣工资料可知拱坝拱圈中心角为118°,拱半径54.5m,坝顶拱弧长135m。拱坝为浆砌石填筑结构,坝体内部设一层厚1.0m素混凝土防渗心墙。根据钻芯勘探结果,确定大坝坝基岩体为Ⅲ2类―Ⅳ类玄武岩,浆砌石干密度为2.72g/cm3,砂浆标号为125号(M12.5),砌体块石饱和抗压强度为39―47MPa,坝体内部防渗心墙混凝土强度为C15。根据《水工建筑物荷载设计规范》(SL744-2016)中的推荐荷载组合[3],选取基本组合(正常蓄水位876.58m+温降作用)和特殊组合(校核洪水位877.88m+温降作用+地震荷载),两种荷载组合工况对大坝结构应力和抗滑稳定性进行计算复核。

3.2坝体结构应力复核坝体结构应力分析

采用《ADSC-CK拱坝多拱梁应力分析程序》,将整个拱坝看成由水平拱圈和垂直悬臂梁两种主要结构体系组成,分载网格采用“7拱15梁”拱梁网格布置。

3.3拱座稳定分析

大坝右岸含有裂隙的岩体,根据地质分析成果表明:拱座渗水部位存在的潜在滑裂面其摩擦系数f=0.75,粘聚力C=0.61MPa。岩体容重按23kN/m3,拱座扬压力折减系数按α=0.36。采取刚体极限平衡法进行计算,得出存在渗水问题的拱座抗滑稳定安全系数成果。

4大坝防渗补强加固处理

4.1大坝除险加固措施

大坝坝体结构应力和右岸拱座抗滑稳定分析成果表明,大坝结构整体安全稳定性较好。但由于坝体中部和右岸坝肩存在渗流问题,尤其是在高水位蓄水运行条件下,渗漏量增大给大坝安全稳定运行埋下巨大安全隐患[5]。因此,针对大坝坝体渗漏问题,结合大坝渗漏主要是由于施工质量差、砌石密实度低等原因引起等分析结果,主要采取以下措施对大坝进行防渗除险加固处理,即:

(1)外包混凝土增加坝体防渗性能:在坝体坝基、左岸坝肩和右岸坝肩三边布置外包混凝土,其中坝基处最高可达16.0m,厚度在坝冠处为0.8―1.8m,坝端处为3.0―4.0m。基座底部混凝土深入坝基岩石内部约1.5m。通过外包混凝土,让坝体下部所受荷载应力向坝肩岩体传导,可以有效增加坝体和坝基防渗帷幕结构的整体抗滑稳定性。

(2)增设钢筋混凝土面板:坝体原采用混凝土防渗心墙防渗,但由于施工质量较差,坝体在高水位蓄水运行时渗漏较严重,在坝体上游表面增设钢筋混凝土防渗面板,可以有效增加坝体整体防渗性能。防渗面板顶部至校核洪水位877.88m以上0.5m,底部坝基与新建的外包混凝土连接。根据大坝整体结构和上游防渗指标要求,混凝土防渗面板厚约40―65cm,即顶部宽40cm,底部宽65cm,与左、右岸坝肩连接部位防渗板厚约2m。

(3)增补帷幕灌浆:在坝基和两岸坝肩增补帷幕灌浆,沿坝基座延伸到左右岸坝肩岩体内部,形成连续、完整的防渗帷幕体,有效增强坝体和坝肩防渗性能和降低渗透压力,有效防治坝体渗漏问题。灌浆孔按照单排布置,孔距2.0m,最大孔深达35m。

4.2大坝防渗补强应用效果分析

(1)坝体透水率检测:经防渗加固处理后的混凝土砌石拱坝,坝体整体得到有效加长、加厚,使坝体结构原有应力重新分布,安全稳定性得到有效增强。为检测防渗结果,根据坝体整体结构,共选择24个试验段(右岸12个、左岸6个和坝基6个)进行测试分析,结果表明:24个试验段砌体透水率为0.79―4.28Lu,均满足规范要求的5Lu指标,防渗合格率为100%,大坝坝体和坝肩渗漏问题得到有效处理。

(2)运行效果:2014年11月01日,大坝防渗除险加固工程竣工投运,历经2015年和2016年高位蓄水运行和汛期考验,坝体及两岸坝肩渗漏量监测值均为零,也未发现局部湿软问题。增设防渗面板及增补帷幕灌浆,大坝整体防渗效果良好,渗漏问题得到有效处理。

参考文献:

[1]吴建廉.文子水库大坝渗漏原因分析及处理[J].广东水利水电,2011,(10):48-50.

[2]朱伯方.拱坝设计与研究[M].北京:中国水利水电出版社,2002:310-315.

[3]刘华丽,彭辉.基于多拱梁分载法的高拱坝应力分析[J].云南水力发电,2009,25(03):26-29.

[4]张永祥,张林洪,于国荣,等.某水库大坝除险加固措施的设计及验证[J].科学技术与工程,2011,(26):6482-6485.

[5]潘永,徐生有.小型砌石拱坝坝体漏水处理方案探讨[J].小水电,2010,(01):15-17.

作者:丁勇杰 单位:新疆阜康市水利管理总站

吉林水利杂志责任编辑:张雨    阅读:人次