云南麥子河水庫(kù)大壩病害分析與除險(xiǎn)加固工程

云南麥子河水庫(kù)大壩病害分析與除險(xiǎn)加固工程

1大壩防滲的新技術(shù)在中國(guó)不同時(shí)期修建的大壩大多是土石壩。特別是，由于項(xiàng)目資金、技術(shù)和施工條件的限制，大部分初期建設(shè)項(xiàng)目的變形和滲透穩(wěn)定性難以滿足規(guī)范要求，這已成為影響項(xiàng)目安全運(yùn)行和使用壽命的主要因素。病險(xiǎn)水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固防滲處理方案的選擇,影響工程的投資、施工質(zhì)量和進(jìn)度的控制、樞紐工程建筑物的安全,是工程建設(shè)中的關(guān)鍵問(wèn)題。近些年來(lái),坐落于軟弱地基上的病險(xiǎn)水庫(kù)大壩,根據(jù)不同的地質(zhì)條件、大壩病險(xiǎn)原因、防滲處理范圍所采用的施工新技術(shù)——高壓噴射灌漿防滲技術(shù)、振動(dòng)沉模防滲板墻技術(shù)、混凝土防滲墻技術(shù)、深層攪拌樁技術(shù)、劈裂帷幕灌漿技術(shù)、土工膜防滲技術(shù)和級(jí)配料灌漿技術(shù)等進(jìn)行大壩加固防滲處理的施工,均取得了良好的防滲效果。[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]本文針對(duì)麥子河水庫(kù)大壩修建于第四系湖積層(QL)基礎(chǔ)之上、副壩壩基存在液化現(xiàn)象、大壩填筑質(zhì)量差、防滲系統(tǒng)存在多種病害以及主副壩防滲處理深度不同的特點(diǎn),進(jìn)行大壩除險(xiǎn)加固防滲處理的研究,采用綜合防滲技術(shù)治理病險(xiǎn)水庫(kù)大壩,達(dá)到工程除險(xiǎn)加固的目的,為其它類似工程病害問(wèn)題的解決提供借鑒。2“s1d”巖“c3d”麥子河水庫(kù)地處云南省曲靖市陸良縣境內(nèi),距陸良縣城8km,是位于珠江流域上游南盤(pán)江一級(jí)支流麥子河上的中型水利工程,始建于1955年1月,同年8月竣工并投入運(yùn)行。水庫(kù)控制徑流面積52.3km2,總庫(kù)容1430萬(wàn)m3,是一座以灌溉為主,兼顧防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的骨干水利工程,擔(dān)負(fù)下游陸良縣城、西召高速公路和326國(guó)道的防洪任務(wù),設(shè)計(jì)灌溉面積3.6萬(wàn)畝,防洪保護(hù)面積3.0萬(wàn)畝,保護(hù)人口15萬(wàn)人。但由于水庫(kù)病險(xiǎn)因素限制蓄水,實(shí)際灌溉面積僅有2.14萬(wàn)畝。工程區(qū)位于陸良盆地南部邊緣,為平緩開(kāi)闊的湖積堆積地貌,地形較平坦,局部受小沖溝切割,地面呈凹凸起伏形狀,主河道兩岸為平緩臺(tái)地。麥子河在水庫(kù)壩址以上是由多條沖溝匯入的寬淺型河流,在壩址以下變窄,河寬不到8m,在盆地內(nèi)流長(zhǎng)約7km匯入南盤(pán)江。壩址區(qū)地層上部為第四系湖積層(QL-1)粉質(zhì)黏土及粉土、(QL-2)粉細(xì)砂、(QL-3)黏土,下部為第三系(N2)半固結(jié)粉細(xì)砂層,下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)灰?guī)r,表面溶蝕明顯,與上覆地層呈不整合接觸;主壩河床段壩基上部為不連續(xù)的第四系沖洪積層(Qapl)砂質(zhì)黏土夾卵礫石。東、西副壩地基(QL-1)粉土層、(QL-2)粉細(xì)砂層均存在不連續(xù)的點(diǎn)狀液化現(xiàn)象。主壩河床段第四系沖洪積層(Qapl)屬弱透水層,滲透系數(shù)1×10-4~1×10-5cm/s;第四系湖積層(QL-2)屬中等透水層,滲透系數(shù)3.4×10-3~7.24×10-4cm/s,厚約5~10m,其下(QL-3)層及第三系(N2)層屬微透水層,滲透系數(shù)1×10-5~1×10-6cm/s,為相對(duì)隔水層,厚10~15m;下伏(C1d)灰?guī)r屬弱~中等透水層,滲透系數(shù)3.9×10-4cm/s,不存在接觸沖刷或潛蝕破壞。左右岸地基上部第四系湖積層(QL-1~2)屬中等透水層,滲透系數(shù)1.06×10-3~2.48×10-4cm/s,厚15~20m,其下(QL-3)層及第三系(N2)層屬微弱透水層,滲透系數(shù)3.9×10-4~2.3×10-5cm/s,為相對(duì)隔水層,厚10~20m;下伏基巖(C1d)巖溶發(fā)育,接觸帶有淘空和溶蝕現(xiàn)象,存在嚴(yán)重的接觸沖刷或潛蝕破壞,埋深大于15m。東副壩地基上部第四系湖積層(QL-1~2)屬?gòu)?qiáng)~微透水層,滲透系數(shù)3.3×10-2~5.45×10-5cm/s,厚13~15m;下部(QL-3)層及第三系(N2)層為相對(duì)隔水層,滲透系數(shù)1.62×10-4~8.7×10-6cm/s,厚度5~20m;下伏基巖(C1d)埋深大于22m,透水率為30.5~170.9Lu,屬中等~強(qiáng)透水性。西副壩壩基上部第四系湖積層(QL-1~2)屬中等~弱透水層,滲透系數(shù)2.23×10-3~6.97×10-5cm/s,厚度10~13m;下部(QL-3)層及第三系(N2)層為相對(duì)隔水層,滲透系數(shù)4.84×10-5~4.64×10-6cm/s,厚度8~15m;埋深大于25m的下伏基巖(C1d)屬中等~弱透水性,透水率為10.5~0.3Lu。水庫(kù)樞紐工程由主壩和東西二座副壩、輸水低涵、溢洪道組成。主壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程1870.0m,最大壩高21.2m,壩頂長(zhǎng)670.0m,壩頂寬5.0m,上游壩坡為1∶3.0、1∶4.5、1∶6.5,下游壩坡為1∶3.0、1∶4.5、1∶5.0。東副壩位于主壩左側(cè)并與之相連接,兩壩軸線交角為130°,東副壩為均質(zhì)土壩,壩頂高程1869.17~1869.48m,最大壩高4.4m,壩頂長(zhǎng)581.0m,壩頂寬4.0m,上、下游壩坡分別為1∶3.0、1∶0.2。西副壩位于東副壩對(duì)岸,為均質(zhì)土壩,壩頂高程1869.22~1869.47m,最大壩高6.0m,壩頂長(zhǎng)440.0m,壩頂寬4.0m,上、下游壩坡分別為1∶3.0、1∶2.0。輸水低涵位于主壩右岸0+240m處,為壩內(nèi)有壓鑄鐵承插管,管徑Ф1000mm,設(shè)計(jì)流量7.35m3/s。溢洪道位于西副壩左岸,為有閘控制開(kāi)敞式溢洪道,堰寬6.0m,全長(zhǎng)170m,最大下泄流量25m3/s。3壩體防滲體系由于地質(zhì)勘探深度不夠,樞紐工程主要建筑物均座落在第四系湖積層(QL)上,且未進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)處理;上壩土料質(zhì)量不均勻,大壩填筑采用石滾碾和鑄鐵羊角碾碾壓、人工夯壓等施工方法,壩體填筑質(zhì)量差。麥子河水庫(kù)工程在投入運(yùn)行后,主壩出現(xiàn)多處裂縫,左壩肩有多處落洞,存在嚴(yán)重的壩體、壩基和繞壩滲漏,曾多次遭遇滲透破壞,下游壩腳處出現(xiàn)涌砂管涌現(xiàn)象、多處發(fā)生塌陷并出現(xiàn)沼澤化;工程自投入運(yùn)行以來(lái)的1957—1985年間,多次對(duì)主壩及輸水低涵進(jìn)行過(guò)加固處理,病險(xiǎn)的進(jìn)一步惡化有所控制,但主壩仍未形成一個(gè)整體封閉的防滲體系,滲水依然嚴(yán)重,存在砂沸現(xiàn)象。由于主壩病險(xiǎn)因素限制蓄水,東、西副壩的病險(xiǎn)問(wèn)題一直未顯現(xiàn)出來(lái),直到1985年主壩除險(xiǎn)加固工程結(jié)束,水庫(kù)開(kāi)始按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)蓄水,副壩的病險(xiǎn)問(wèn)題逐漸暴露;東、西副壩下游壩坡在高水位時(shí)出現(xiàn)大面積滲漏浸水,滲流逸出點(diǎn)高,壩腳呈沼澤化并有管涌現(xiàn)象、地面呈海棉狀隆起,壩基飽和粉土、粉細(xì)砂層在遭遇地震時(shí)易發(fā)生液化現(xiàn)象。1986年庫(kù)水位蓄至1868.5m、高于正常蓄水位1.4m時(shí),主壩下游觀測(cè)滲漏量達(dá)39.8L/s,涌砂量平均達(dá)14.6kg/h;東、西副壩下游壩坡發(fā)生大面積浸水現(xiàn)象,多處地段產(chǎn)生涌砂管涌現(xiàn)象,東副壩下游壩坡潮濕面積達(dá)1100m2、觀測(cè)滲漏量達(dá)30L/s,西副壩下游壩坡潮濕面積達(dá)900m2、觀測(cè)滲漏量達(dá)40L/s?？碧皆囼?yàn)資料表明主壩和東、西副壩壩基透水率q>10Lu;主壩壩體由黏土、砂質(zhì)土、粉土質(zhì)砂組成,局部夾粉細(xì)砂,滲透系數(shù)3.2×10-3~1.6×10-5cm/s;東、西副壩壩體由粉砂質(zhì)黏土組成,滲透系數(shù)1.4×10-3~2.2×10-4cm/s。東、西副壩壩頂?shù)陀谠O(shè)計(jì)壩頂高程0.53~0.83m,東副壩上游壩坡無(wú)護(hù)坡,西副壩上游干砌塊石護(hù)坡經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行,破壞極為嚴(yán)重,坡面極不規(guī)整;輸水低涵管身和工作閘門(mén)磨損銹蝕嚴(yán)重、啟閉設(shè)備老化,加之原溢洪道已廢棄,僅靠輸水低涵泄洪,防洪標(biāo)準(zhǔn)低于50年一遇洪水,抗洪能力遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。工程存在嚴(yán)重的安全隱患,危及水庫(kù)及其下游安全,導(dǎo)致水庫(kù)長(zhǎng)期處于低水位帶病運(yùn)行狀態(tài),極大地影響了水庫(kù)效益的正常發(fā)揮。4東壩后西壩地區(qū)固廢充填料麥子河水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程總體布置是在原工程布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部調(diào)整。對(duì)主壩、東副壩和西副壩的壩基及壩體進(jìn)行防滲加固處理,加高東、西副壩;在主壩右壩肩新建溢洪道,采用有閘控制開(kāi)敞式寬頂堰型式,堰寬8.0m,設(shè)弧形工作閘門(mén),最大下泄流量191.8m3/s(P=0.1%);封堵原輸水低涵,在主壩右岸、新建溢洪道左側(cè)采用頂管法新建輸水涵洞,為圓形無(wú)壓洞型式,洞徑1.8m,全長(zhǎng)318.4m,設(shè)計(jì)流量7.35m3/s。4.1主水庫(kù)加固設(shè)計(jì)4.1.1高壓旋噴灌漿加固防滲的應(yīng)用價(jià)值根據(jù)主壩壩體和壩基的加固防滲處理深度較深(達(dá)18~35m),壩基為第四系沖洪積層(Qapl)砂質(zhì)黏土夾卵礫石以及第四系湖積層(QL)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、黏土,填筑壩體為均質(zhì)土壩的特點(diǎn),在主壩加固防滲處理設(shè)計(jì)上重點(diǎn)進(jìn)行了高壓旋噴灌漿和高壓擺噴灌漿二種加固防滲處理方案的比較研究。高壓噴射灌漿技術(shù)是將帶有噴頭的灌漿管下至土層的預(yù)定深度,以高壓射流使固化漿液與土體結(jié)合、凝固硬化地基的施工方法。高壓噴射灌漿可灌性好,只要高壓射流能破壞的地層均可處理,尤其是夾雜于地層中的各類土,其效果比一般灌注方法更為明顯。高壓噴射灌漿除使其固結(jié)體連接成一體做防滲體外,還可用于軟基加固或松散體的整體固化,適宜處理深度較大的主壩壩體及壩基。對(duì)主壩左壩肩基礎(chǔ)存在的多處落洞和清基不徹底的河床段砂質(zhì)黏土夾卵礫石層,以各種射流機(jī)理加以繞流、位移和袱裹作用將地層顆粒間的較大孔隙、落洞空腔予以充填封堵。主壩高噴板墻與東副壩防滲體、位于主壩壩基下的新建輸水涵洞以及穿過(guò)主壩壩體的原輸水低涵、新建溢洪道等建筑物連接時(shí),高噴射流將所連接的建筑物結(jié)構(gòu)表面沖刷干凈與其凝結(jié),并牢固地連接在一起,阻斷了與其它建筑物接觸面之間的滲漏通道。高壓旋噴灌漿板墻厚度是高壓擺噴灌漿板墻的5倍,墻體的防滲效果明顯、抗老化能力較強(qiáng)。根據(jù)大壩滲流穩(wěn)定分析,采用高壓旋噴灌漿加固防滲處理方案,壩體下游坡腳壩基滲透變形安全系數(shù)滿足規(guī)范要求,不需要增設(shè)反濾排水,防滲效果明顯見(jiàn)表1。采用高壓擺噴灌漿加固防滲處理方案,下游壩腳壩基滲透變形安全系數(shù)難以滿足規(guī)范要求,需設(shè)置10m長(zhǎng)的排水體進(jìn)行反濾保護(hù),防滲效果不明顯,見(jiàn)表1。由于下游坡腳沒(méi)有布置排水體的地形,且一旦反濾排水失效將影響大壩的安全。因此主壩確定采用高壓旋噴加固防滲處理方案。4.1.2防滲線布置方案比選1985年曾對(duì)主壩右岸0+100.0~0+330.0壩段、左岸0+450.0~0+675.0壩段進(jìn)行過(guò)高壓擺噴灌漿防滲處理,高噴板墻底界下部伸入壩基相對(duì)隔水層(QL-3)黏土層、(N2)半固結(jié)粉細(xì)砂層,高噴板墻頂部高程右岸為1852.5~1864.0m、左岸為1858.0~1864.0m,低于正常蓄水位3.1~14.6m,壩體防滲范圍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,而且其它壩段壩體及壩基未采取防滲措施,仍存在滲漏管涌問(wèn)題,必須進(jìn)行加固防滲處理。通過(guò)對(duì)分段防滲處理、新老防滲體結(jié)合的防滲線路布置方案和整個(gè)壩段進(jìn)行連續(xù)的防滲線路布置方案進(jìn)行比較,后者投資僅增加207.8萬(wàn)元,占總投資的6.9%,但可消除原高噴板墻可能存在老化失效的安全隱患,避免新老防滲體搭接處理的問(wèn)題。因此選擇對(duì)主壩整個(gè)壩段進(jìn)行連續(xù)的防滲線路布置方案。防滲軸線位于主壩軸線位置,右壩肩防滲邊界至新建溢洪道軸線以外主壩里程0+000.0m處,左壩肩與東副壩防滲軸線相連,形成連續(xù)的防滲體,主壩防滲體全長(zhǎng)689m;壩基防滲底界透水率為q≤5Lu,防滲體底界伸入相對(duì)隔水層(QL-3)黏土內(nèi)2.0m。高壓旋噴防滲處理頂界為正常蓄水位1867.1m。4.1.3純水泥漿水灰比,空灰比2.通過(guò)灌漿試驗(yàn),設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化為:造孔孔距除主壩兩壩肩設(shè)計(jì)高噴深度小于20m的部分為1.2m外,其余均為1.0m,灌漿用純水泥漿水灰比1.2∶1,水壓>43.8MPa,氣壓為0.6~0.8MPa,漿壓為0.1~1.0MPa,漿流為60~80L/min,進(jìn)漿密度為16~17kN/m3,提升速度為0.1m/min。4.1.4高噴板墻防滲設(shè)計(jì)主壩高壓旋噴灌漿施工范圍與設(shè)計(jì)防滲邊界基本一致,其物理力學(xué)檢測(cè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求,壩體測(cè)壓管水位觀測(cè)數(shù)據(jù)表明高噴板墻已形成防滲體(見(jiàn)圖1)。庫(kù)水位為正常蓄水位1867.1m時(shí),主壩下游量水堰滲流量觀測(cè)值——壩前水頭18.3m,滲流量3.18L/s,防滲處理施工效果很好。4.2東水庫(kù)和西水庫(kù)的加固設(shè)計(jì)4.2.1壩體及壩坡概況東、西副壩設(shè)計(jì)壩頂高程1870.0m,壩頂寬度3.2m,上游壩坡1∶3.0,下游壩坡1∶2.0;東副壩壩頂長(zhǎng)671.8m,最大壩高5.2m,其右端與主壩連接;西副壩壩頂長(zhǎng)608m,最大壩高6.6m。東、西副壩壩頂路面采用泥結(jié)石路面,上游壩坡采用干砌塊石護(hù)坡,下游壩坡采用草皮護(hù)坡。東、西副壩進(jìn)行防滲處理前,先將壩體削至1868.1m高程,待壩體及壩基防滲處理施工完成后再上壩填筑黏土料至設(shè)計(jì)壩頂高程1870.0m。4.2.2深層攪拌和高壓擺噴灌漿結(jié)合面由于東、西副壩壩基為地下水位較高的第四系湖積層(QL)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、黏土,砂土顆粒較細(xì),填筑壩體為均質(zhì)土壩,其壩體和壩基的加固防滲處理深度較淺(12~20m),且沒(méi)有與其它建筑物交叉結(jié)合產(chǎn)生的接觸帶滲漏處理等問(wèn)題,因此對(duì)東、西副壩擬定深層攪拌樁和高壓擺噴灌漿兩種垂直防滲處理方案進(jìn)行比較。深層攪拌法是通過(guò)深層攪拌機(jī),沿鉆孔深度將固化劑與地基土就地強(qiáng)制攪拌、凝結(jié)成水泥土加固體進(jìn)行加固地基的方法,適用于處理深度小于20m的細(xì)顆粒軟土地基。根據(jù)大壩滲流穩(wěn)定分析,東、西副壩壩體及壩基采用深層攪拌樁垂直防滲處理措施后,壩基出逸處滲流穩(wěn)定,不再需要在下游壩坡腳設(shè)反濾排水設(shè)施,只設(shè)置排水溝。深攪樁板墻底部切穿易液化土層,起到部分圍封副壩液化地基的作用。經(jīng)加固防滲處理方案經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較,東、西副壩采用工程投資比高壓擺噴灌漿少近一倍、墻體較厚的防滲性能較好的深層攪拌樁防滲處理方案。4.2.3壩體防滲底界東、西副壩防滲軸線位于壩軸線位置,東副壩右壩肩防滲軸線與主壩防滲軸線相連接,左端防滲線路在0+037.4m處轉(zhuǎn)向庫(kù)內(nèi)并延伸60m,防滲體全長(zhǎng)637m;西副壩左端防滲邊界在原溢洪道左側(cè)0-073.0m處,右端防滲邊界在壩肩處向外延伸30m,防滲體全長(zhǎng)560m。壩基防滲底界透水率為q≤5Lu,防滲體底界伸入(QL-3及N2)相對(duì)隔水層內(nèi)2.0m。深攪樁防滲處理頂界為1868.1m,并與上部黏土料填筑壩體連接,形成一個(gè)整體封閉的防滲體系。4.2.4深地區(qū)深環(huán)廢水深度處理深層攪拌樁使用強(qiáng)度等級(jí)為42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥,造孔直徑0.6m,孔距0.4m,墻厚0.45m,墻體滲透系數(shù)K≤1×10-5,抗壓強(qiáng)度R28≥1.5MPa,允許滲透坡降J>50。通過(guò)深攪樁試驗(yàn)確定施工采用兩序孔,深攪用純水泥漿水灰比0.7:1,漿液比重16.4kN/m3,提升速度1.2~1.4m/min,水泥摻入比例不小于深攪墻體水泥土的12%。東、西副壩填筑黏土料黏粒含量37%,滲透系數(shù)K=8.29×10-7cm/s,最大干容重14.0kN/m3,最優(yōu)含水量31.3%,抗剪強(qiáng)度Φ=19.5°~26.1°、C=30~32.3kPa,其物理力學(xué)指標(biāo)滿足均質(zhì)土壩填筑設(shè)計(jì)要求。4.2.5高壓擺噴灌漿施工在進(jìn)行西副壩里程0+230.1~0+268.9段深攪樁施工時(shí),操作平臺(tái)以下8~9m處碰到堅(jiān)硬的褐鐵礦結(jié)核層,深攪樁機(jī)械無(wú)法繼續(xù)向下方進(jìn)占。因此該段高程186