岳城水庫大副壩下游排水問題的處理

岳城水庫大副壩下游排水問題的處理

岳城水庫位于河北省磁縣。這是張河的控制工程，總面積為13.0億3m。水庫自1961年投入運(yùn)行以來,在防洪、灌溉和供水方面發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。大副壩位于主壩和溢洪道左側(cè),全長(zhǎng)1439m,最大壩高32.5m,原為均質(zhì)土壩。自1963年至本次處理前,當(dāng)庫水位超過140.0m時(shí),大副壩下游便出現(xiàn)涌沙。1977年以后,多次在下游采取增挖排水溝,用反濾料封堵檢查井等工程措施,雖然取得一定效果,但是險(xiǎn)情未得到根本治理。1996年汛后,在壩體中段橫向排水管出口及排水明溝底部多處出現(xiàn)涌沙并伴有渾水流出。經(jīng)水利部批準(zhǔn),擬在上游壩坡建造一道塑性混凝土防滲墻,從上游截?cái)鄩位鶟B流通道,改變壩體和壩基滲流場(chǎng)。1水庫的地理位置1.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件大副壩壩基除地表分布1～3m的第四系黃土狀亞粘土外,主要坐落在新第三系(N2)地層上,較老的基巖埋藏在100～120m以下。新第三系地層自下而上分為三大層:第一層(N2-1):以粗、中砂礫石為主,部分鈣質(zhì)膠結(jié)成巖,夾亞砂土、亞粘土薄層,總厚度40～50m,不整合沉積于三迭系砂頁巖上。砂、礫膠結(jié)程度不均,在砂與砂礫之間夾有較穩(wěn)定的亞砂土、亞粘土層,因而形成局部地下水承壓現(xiàn)象。第二層(N2-2):主要為粘土、亞粘土及其互層,偶夾中細(xì)砂,亞砂土互層。粘性土較為堅(jiān)硬、密實(shí),局部含塑性粘土;土層間有綠色斑點(diǎn)及鈣質(zhì)結(jié)核。本層厚度較穩(wěn)定,一般5～10m,構(gòu)成大副壩較穩(wěn)定的隔水層。該層是防滲墻的主要基底層。第三層(N2-3):巖性及顆粒組成變化較大,以中、細(xì)砂為主,夾有砂礫、粘土、亞粘土薄層透鏡體。部分地段砂與砂礫鈣質(zhì)膠結(jié)成巖。總厚度在壩基范圍內(nèi)為20～55m。由于夾有粘性土,局部地段地下水具有承壓性。本層為大副壩主要持力層和壩基滲透層。大副壩壩基下的粘土、亞粘土、亞砂土、砂及第四系黃土狀亞粘土,物理力學(xué)參數(shù)及水理性質(zhì)如表1。鈣質(zhì)膠結(jié)成巖的砂巖、砂礫巖的強(qiáng)度達(dá)20～30MPa。1.2第三系水質(zhì)、承壓水水質(zhì)特點(diǎn)據(jù)地下水埋藏條件,壩區(qū)地下水可分為潛水和承壓水兩種。潛水分布在第三系、第四系表部巖層中,屬孔隙潛水。第四系潛水埋藏于河床及階地底部砂礫石中,第三系潛水賦存于新第三系N2-3層頂部砂、砂礫石及砂礫巖中,兩者互相連通。大壩興建前分布高程與原地形基本相符,約119m,水庫蓄水后與庫水位同幅變化。承壓水均埋藏在新第三系巖層中,多以層間承壓水或?qū)娱g水出現(xiàn)。建庫前新第三系N2-3層在N2-2層的隔水作用下,地下水位在111.0m左右,均未超過潛水高程;水庫蓄水后承壓水位隨庫水位變化十分靈敏。當(dāng)N2-3地層中有較厚且延伸面較寬的粘性土層時(shí),庫內(nèi)地段地下水均表現(xiàn)承壓性。2壩下縱向排水暗溝鑒于大副壩壩基新第三系砂(N2-3)比較密實(shí),滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s,因此建庫時(shí),上游未采取防滲措施。但大副壩右段緊靠溢洪道進(jìn)口,基于溢洪道進(jìn)口閘的穩(wěn)定需要,閘室上游做了一定長(zhǎng)度的鋪蓋。其中人工碾壓鋪蓋的上游邊界大致相當(dāng)于大副壩樁號(hào)0+270,天然黃土鋪蓋上游邊界大致相當(dāng)于大副壩樁號(hào)0+350。溢洪道進(jìn)口鋪蓋對(duì)減小大副壩右端繞滲有一定的作用。大副壩下游設(shè)有厚度2～4m的砂礫褥墊及縱向排水暗溝,以控制壩體浸潤線及壩基滲水。排水暗溝距壩軸線約67m,排水溝從原地面挖深4～6m,最深達(dá)6.4m,底寬3.5m。樁號(hào)0+030～1+305,共長(zhǎng)1275m,溝內(nèi)設(shè)有排水管。樁號(hào)0+400～1+200,每100m設(shè)一檢查井。由于壩基地形兩端高、中間低,故縱向排水暗溝(管)的滲水均向中間(樁號(hào)0+850)匯集,由樁號(hào)0+850橫向排水管排入香水河。1977年在壩下公路下游側(cè)從樁號(hào)0+550～1+200新挖一條縱向排水明溝,為將滲水分段導(dǎo)入明溝,在樁號(hào)0+600,0+700,0+800,0+940,1+000,1+100增設(shè)了6條橫向排水暗管。由于大副壩上游無防滲措施,使壩內(nèi)縱向排水暗管和壩基坡腳部位出逸比降偏大。實(shí)際觀測(cè)資料表明,庫水位148.0m時(shí),樁號(hào)1+000排水暗管處的平均比降達(dá)0.484,遠(yuǎn)大于砂礫料的允許比降0.07～0.1,也大于新第三系砂的允許比降0.4。滲流計(jì)算結(jié)果表明,新第三系砂的最大滲透比降發(fā)生在砂層與暗溝底部的上游交點(diǎn)處,庫水位157.4m(設(shè)計(jì)水位)時(shí)為1.066,庫水位149.0m時(shí)為0.79。加之排水暗管周圍反濾料偏粗,施工質(zhì)量不良,橫向排水暗管破損,故當(dāng)庫水位超過140.0m時(shí),橫向排水管即出現(xiàn)涌沙現(xiàn)象。3防滲墻滲流方案分析初步設(shè)計(jì)曾比較了“上游增設(shè)防滲墻,下游改建排水系統(tǒng)”及“下游重建排水系統(tǒng)”兩個(gè)處理方案,在技術(shù)上都是可行的。后一方案施工排水較為困難,水下填筑反濾料施工質(zhì)量難以保證,而前一方案可從根本上截?cái)鄩位鶟B流,改善壩體和壩基滲流場(chǎng),對(duì)保護(hù)壩基新第三紀(jì)砂的滲透穩(wěn)定更為有利。工程投資方面,雖然防滲墻方案土建費(fèi)用較多,但該方案施工期基本不影響水庫的正常蓄水運(yùn)用,且相應(yīng)配套的下游排水系統(tǒng)改建已在1997年汛前完成。而重建下游排水系統(tǒng)方案,施工期庫水位需降得很低,水量損失較多。綜合比較后,設(shè)計(jì)推薦采用上游增建塑性混凝土防滲墻,下游改建排水系統(tǒng)的方案。3.1壩體防滲結(jié)構(gòu)滲流分析防滲墻平面布置曾比較了在上游壩坡上建墻和在壩頂中心線處建墻兩個(gè)方案。上游壩坡上建墻造孔面積及深度可減少,投資較省,工期較短,但施工時(shí)需建臨時(shí)施工平臺(tái),同時(shí)施工期存在度汛安全問題。在壩頂中心線處建墻可避免上述問題,但增加了造孔深度及樁頭處理工程量,同時(shí)也需加寬壩頂公路寬度形成施工平臺(tái)。比較結(jié)果認(rèn)為在上游壩坡建墻較為有利。此外,防滲墻軸線布置還考慮了墻體插入壩體長(zhǎng)度、墻頂防滲土體厚度、施工平臺(tái)布置等多種因素。防滲墻軸線右端起始樁號(hào)0+250,左端終止樁號(hào)1+220,軸線在平面上為折線,軸線長(zhǎng)度992m。右端樁號(hào)的確定主要是因右壩端上游可借助溢洪道進(jìn)口鋪蓋的防滲作用。水利部大壩安全監(jiān)測(cè)中心1991年7月提出的《岳城水庫主、副壩滲流觀測(cè)資料分析與應(yīng)用》報(bào)告中,繪制了1982年10月15日庫水位148.32m時(shí)大副壩壩基等水位線圖,從圖中可看出右壩頭滲流主要入滲范圍在樁號(hào)0+250以左,滲流的一部分流向排水暗溝及排水明溝。右壩肩樁號(hào)1+000以左等水位線向下游彎曲,滲流中一部分流向排水暗溝及排水明溝。排水明溝左端終止樁號(hào)1+200,再往左,壩基地形抬高,壩高僅14.5m左右。經(jīng)三維滲流計(jì)算,防滲墻左端終止樁號(hào)為1+220時(shí)已能滿足防止壩基發(fā)生滲透變形的要求。防滲墻的立面布置曾比較了全封閉式與懸掛式兩個(gè)方案。全封閉式即將防滲墻伸入新第三系粘土或亞粘土層1.0m,依靠防滲墻與相對(duì)隔水層N2-2完全截?cái)鄩位杆畬?。滲流計(jì)算結(jié)果表明,墻后剩余水頭不足10%,排水暗溝上游側(cè)新第三系砂及砂礫料處的滲透比降遠(yuǎn)小于允許滲透比降。懸掛式防滲墻則將墻底插入到新第三系砂層N2-3的2/3深度處。計(jì)算結(jié)果表明,懸掛式防滲墻的防滲效果不好,墻后剩余水頭達(dá)60%～70%,排水暗溝上游側(cè)新第三系砂及砂礫料接觸處的滲透比降仍遠(yuǎn)大于允許比降。因此,確定采用全封閉式防滲墻方案,如圖1所示。3.2墻體拉應(yīng)力及耐久性分析根據(jù)我國工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),防滲墻墻體材料在設(shè)計(jì)初期仍選用C10混凝土,彈模為18000MPa。采用鄧肯—張模型用有限元進(jìn)行墻體結(jié)構(gòu)計(jì)算,發(fā)現(xiàn)墻體有拉應(yīng)力區(qū),壓應(yīng)力超過混凝土允許值,墻體需配置鋼筋。為改善墻體應(yīng)力狀態(tài),擬采用塑性混凝土。有限元計(jì)算結(jié)果表明,隨墻體材料彈模的降低,墻體拉應(yīng)力減小直至消失,壓應(yīng)力減小且分布趨向均勻,但水平位移有所增加。為尋找墻的最佳受力狀態(tài),同時(shí)又保證墻體有足夠的耐久性,比較了彈模1000～5000MPa幾種情況。結(jié)果表明,當(dāng)彈模為1000～2000MPa時(shí),應(yīng)力降幅明顯,而位移值增加不多,因此,選定材料的彈模范圍為1000～1500MPa。根據(jù)試驗(yàn)室配比試驗(yàn),此時(shí)塑性混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到6.0MPa以上,大于墻體計(jì)算應(yīng)力值。考慮到塑性混凝土后期強(qiáng)度增漲幅度較大,特別是有圍壓的情況下,σ1的允許值增幅較大,故在留有足夠裕度后,選定R28≥5.5MPa,強(qiáng)度保證率為90%。這樣既保證了墻體強(qiáng)度的需要,又使墻體有一定的剛度,可確保墻體的耐久性?？紤]到結(jié)構(gòu)計(jì)算成果可能存在的誤差,為保證墻體不被拉壞或剪壞,對(duì)墻體材料的抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗剪強(qiáng)度等提出了要求。為確保防滲墻成墻后滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,要求墻體材料的滲透系數(shù)小于10-8cm/s。3.3滲透比降的確定防滲墻的厚度一方面要控制其滲透比降,另一方面要方便施工。當(dāng)防滲墻的厚度為0.8m時(shí),其計(jì)算滲透比降為41.7,此值在塑性混凝土防滲墻允許比降之內(nèi)。從我國關(guān)于塑性混凝土防滲墻耐久性的研究資料可知,塑性混凝土防滲墻的耐久性與滲透量有關(guān),因此,嚴(yán)格控制滲透比降是必要的。當(dāng)防滲墻厚度為0.8m時(shí),大多數(shù)施工單位及施工設(shè)備均能施工,也有利于保證防滲墻施工質(zhì)量。4排水系統(tǒng)的改善岳城水庫大副壩涌沙問題