（水利工程专业论文）山东西苇水库安全评价及其除险加固设计研究.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ：堡耋塞少口锌弓月，乡日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 量叠煎如辞弓月亨日 摘要 新中国成立以来，我国己兴建各型水库近8 5 万余座，造福于人类的同时也出现了许 多的病险情况，有的甚至发生溃坝，给人民生命财产带来严重的损失。为了充分发挥工程 效益，总结和推广土石坝加固技术显得_ 分必要。 本文结合西苇水库工程，对主要建筑物存在的主要病情病因加以分析、研究，在大坝 加固设计中，针对西苇水库大坝轴线长、坝体结构复杂等特点，按照因地制宜的原则，对 坝体和坝基拟定了多种防渗处理方案，分别从技术可行、经济合理、旋工方便等方面进行 了分析、比较和评价，根据不同坝段不同部位选定了基岩帷幕灌浆、砼防渗墙和水泥土搅 拌桩等多种综合防渗处理措施。本文还对西苇水库放水洞进行了安全复核及加固方案研 究，穿坝建筑物极易导致接触冲刷破坏，危及坝体安全。经综合比较，按经济合理，技术 可行，方便施工，运行可靠，有利丁水库长远供水发展的原则，确定采用拆除重建的加固 方案。 该工程于2 0 0 5 年汛前竣工验收，通过蓄水运行和质量检查，大坝防渗效果良好，达到 了预期效果。西苇水库工程所采取除险加固技术的成功运用，不仅对其它病险水库加固处 理具有借鉴作用，而且也为病险水库处理技术研究积累了经验。 关键词：西苇水库，大坝防渗墙，除险加固，放水洞，优化设计 a b s t r a c t s i n c en e wc h i n ah a db e e ne s t a b l i s h e d n e a r l y8 5 0 0 0r e s e r v o i r sh a v eb e e nc o n s t r u c t e dl u o u rc o u n t r y d u r i n gt h e ys e r v eo u rc o u n t r y sp e o p l e ，m a n yd a n g e r o u ss i t u a t i o n sa l s oa p p e a r s o m eo ft h ed a m se v e nf a i l e d t h el i f ea n dp r o p e r t yo fo u rp e o p l es u f f e rt h es e r i o u sl o s s i n o r d e rt od e v e l o pt h ep r o j e 吐b e n e f i tf u l l y i ti sv e r ye s s e n t i a lt os u n l n l a r i z ea n dg e n e r a l i z et h e r e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo f e a r t hr o c k f i l ld a m s i nt h i sa r t i c l e ，t h ei m p o r t a n td a n g e r sa b o u tt h em a i nb u i l d i n g so fx i w e ir e s e r v o i rp r o j e c t h a v eb e e na n a l y z e d i nt h ed a mr e m e d i a t i o nd e s i g n ，a n t is e e p a g ei sp r o c e s s e dt ot h ed a m a p p l y i n gt h ea n t is e e p a g ew a l li nt h ee a r t hr o c k f i l ld a mr e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt o t h el o n gd a ma x i a la n dc o m p l i c a t e dd a ms t r u c t i l r e w ea l s or e s e a r c ht h ed e s i g ns c h e m eo ft h e a n t is e e p a g ew a l l ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dt h er e i n f o r c e m e n te f f e c ts y s t e m a t i c a l l ya n d c h o o s et h em e a s u r e so f r o c kc u r t a i ng r o u t i n g ，c o n c r e t ea n t is e e p a g ew a l la n dc e m e n te a r t hm i x e d p i l ea te v e r yd a ms e g m e n t c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o na b o v e ，w et a k et h ec o m p a r i s o na b o u t s e v e r a la n t is e e p a g ew a l ls c h e m e sf r o mt e c h n o l o g y ，c o s t ，c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o na n dc h o o s et h e d i f f e r e n ta n t i s e e p a g e w a l ls c h e m e sa c c o r d i n gt oe a c hd a ms e g m e n t s a f l yc h e c ka n d r e m e d i a t i o nd e s i g no fo f f i e to fx i w e ir e s e r v o i ra r er e s e a r c h e d t h eb u i l d i n gc r o s s e dd a mi s e a s i l yf a i l e da n dd a n g e r o u s a f t e rc o m p a r i s o n ，a c c o r d i n gt oe c o n o m y , t e c h n o l o g y ，c o n s t r u c t i o n a n dt h ep r i n c i p l et h a tb e n e f i tt ot h er e s e r v o i r sd e v e l o p m e n t ，w ed e t e r m i n et h er e i n f o r c e m e n t s c h e m eo f t h eo f f l e t t h i sp r o j e c ti sf i n i s h e db e f o r ef l o o ds e a s o na t2 0 0 5 ，t h ed a m sb e h a v i o ra n dq u a l i t yc h e c k s h o wt h a tt h ed a mm e e t sw i t ha n t i s e e p a g er e q u i r e m e n t t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o n s o f r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yi nx i w e ir e s e r v o i rp r o j o c tc a l lb ea p p l i e dt oo t h e rr e s e r v o i r s r e m e d i a t i o na n dg e tm a n ye x p e r i e n c e sf o rt h er e s e r v o i r sd a n g e rs i t u a t i o nr e s e a r c h k e y w o r d ：x i w e ir e s e r v o i r ，d a mr e m e d i m i o n ，a n t is e e p a g ew a l l ，o f f i e t ，o p t i m u md e s i g n 河海大学工程硕士专业学位论文 1 1 我国土石坝运行现状 第一章绪论 我国大部分地区处于北温带季风气候区，年内和年际降水量不均匀，历史上江河多次 泛滥，旱涝洪灾交替频繁发生，给人民生命财产造成巨大灾难。中华人民共和国成立后， 为战胜自然灾害，党和政府对水利事业给予了高度重视，领导全国人民进行了大规模的水 利水电工程建设。经过5 0 多年的发展，我国的水库大坝建设在规模、质量、技术等各方 面取得了举世瞩目的成就。 水库安全事关防洪保安的大局，历来为我国各级政府和水利部门所重视。水库还是最 重要的水源工程，据统计，全国有1 0 0 多座大中城市，主要或全部依靠水库供水，水库 每年为城市供水达2 0 0 亿m 3 ，全国由水库提供水源的灌溉面积约2 4 亿亩，占灌溉总面积的 1 3 ，而且随着下游河道水质污染日趋严重，地下水限量开采，水库在我国水资源优化配置 中的作用将日益重要，许多水库己成为城市供水的优质水源，对减少地下水开采过量，保 护水环境发挥着重要作用。但由于历史原因，许多水库建设标准偏低、管理体制不顺、维 修养护经费短缺、老化失修严重，病险水库大量存在。在我国已建大坝中9 0 以上为土石 坝，且多建成于二十世纪五、六十年代。随着运行时间的增长，这些土石坝存在着不同程 度的渗流破坏、滑坡、防洪标准低、地震液化等问题，因而出现了许多病险库，使工程不 能充分发挥效益，甚至发生溃决，给人民生命和财产带来严重的损失和灾难。新中国成立 以来，我国已建成各类水库8 5 万余座【2 1 ，水库总库容近6 0 0 0 亿m 3 ，城市供水约2 0 0 亿 m 3 , 灌溉耕地约2 4 亿h m 2 ，水电装机达到1 亿k w ，占电力装机容量的2 5 。对保障防洪 和供水安全，起了十分重要的作用。但目前全国的病险水库约3 万余座，接近水库总数的 4 0 ，大大削弱了水库的拦蓄、调控能力，使水库效益严重衰减，制约着经济社会的可持 续发展，同时，病险水库给下游城镇、交通干线和工矿区等设方赶造成严重威胁，一旦失事， 可能造成毁灭性的灾害，给社会稳定和国民经济的发展、全面建设小康社会目标的实现带 来很大的负面影响。故近几年来，水库的除险加固加快了步伐。 1 2 土石坝病害的处理技术综述 1 2 1 土石坝病害 河海大学j ：程硕士专业学位论文 由于土石坝取材方便，结构简单，对地质条件要求较低，能适应地基的变形，施工简 单等优点而在世界上得到了广泛的应用，我国的土石坝之多居世界之最。 由于种种原因，我国病险水库存在的病险问题多种多样，有些问题的处理难度较大， 经调查分析【3 4 】，综合来看，主要有以下几种情况： l 、水库防洪标准低。我国有很多大型及重点中型水库的防洪标准低达不到规范要求 的洪水标准。 2 、地震震害与液化的破坏【甜。地震液化是饱和土体在地震作用下，由于严重丧失抗剪 强度而由固体状态向液体状态的转化现象，其实质上是由于土体中孔隙水压力上升，使土 雷架的有效应力降低以至完全消失所造成的。地震液化严重影响土石坝的安全【2 6 1 ，对土石 坝造成了最严重的破坏。我国目前很多水库抗震标准低。 3 、大坝稳定性差。许多水库存在大坝坝体断面不足、坝体旋工质量差、抗剪强度低、 坝坡或坝体抗滑不稳定、坝体裂缝等问题。 4 、坝体、坝基渗漏严重。由于坝基清理不彻底，存在坝基渗漏、绕坝渗漏、接触冲 刷破坏、散浸、沼泽化、流土、管涌等问题，危及大坝安全。 5 、输、泄洪建筑物老化、破坏较为普遍。随着使用年限的增加，许多水库的输、泄 洪建筑物老化、建筑物裂缝、断裂、露筋、剥离、冲蚀、漏水，严重影响建筑物结构的接 体性和安全性，特别是遇到坝下埋管时，极易导致接触冲刷破坏；有时也存在溢流面和泄 槽未衬砌或质量差、冲蚀，无消能工或消能工不完善，基础淘刷等，以上情况均危及坝体 安全。山东省西苇水库的放水洞在除险加固前就出现洞底接触渗漏；洞上游坝体滑坡，下 游出现渗透变形，己严重危及坝体安全。 6 、金属结构和机电设备不能正常运行。金属结构和机电设备老化、锈蚀严重、止水 失效，严重影响水库安全及正常使用。 7 、工程管理落后。管理设旌、观测设备不完善。水库的水文测报、大坝观测系统不 完善，许多水库的管理设施陈旧落后，甚至没有防汛道路，工程管理不便。 此外，还有水库淤积、山体滑坡、南方白蚁破坏 1 3 , 1 4 】等，均需引起高度重视。综上所 述，全国病险水库数量较大，问题复杂，除险加固任务十分艰巨。 1 2 2 土石坝防渗技术综述 土石坝质量问题主要具体表现在：渗漏，滑坡和裂缝，我们一般处理渗漏的原则是“上 堵下排”。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。下排的措施有：在坝体背水坡脚附近开挖 导渗沟、减压井等。 河海大学工程硕士专业学位论文 上游水平防渗措施一般有水平粘土铺盖和铺土工膜等。它可以增加渗径、降低渗透坡 降，减少渗漏量，但不能完全截断渗流。防渗铺盖的优点是造价低、施工简单，但当长度 超过一定限度后，防渗效果并不能显著增加。其中水平粘土铺盖分利用天然粘土和人工填 筑粘土两种，但应注意几点1 6 ： 1 、利用天然土要慎重，必须了解土的分布情况，厚度、干容重以及粘土下面覆盖层 的厚度、粒径组成和透水性等； 2 、人工填筑粘土铺盖长度与坝前设计水头比，一般有7 8 倍，最大也有超过1 0 倍； 3 、铺盖粘土渗透系数应小于1 0 0 0 倍地基的渗透系数； 4 、粘土铺盖要避免与河床覆盖层渗透系数k 1 0 。c m s 透水层接触； 5 、铺盖粘土要封闭大坝两侧岸坡，避免绕渗。 垂直防渗方案一般有粘土截水槽、帷幕灌浆、高压喷射灌浆、混凝土防渗墙、劈裂灌 浆防渗、冲抓套井回填粘土防渗、土工合成材料防渗、射水造孔混凝土防渗等。与水平防 渗相比，垂直防渗能够可靠、有效的截断渗流，在不完全封闭透水地基的情况下防渗效率 也比水平防渗高。在技术可行、经济合理的前提下，应优先采用垂直防渗方案。 垂直防渗方案中粘土截水槽通常适合用于深度小于1 5 m 的透水地基。该方案造价低， 旌工简单，稳妥可靠，只要深度可以施工，经常被采用。但当深度大于1 5 m 时，粘土截水 槽施工难度加大，就需要帷幕灌浆、高压喷射灌浆、混凝土防渗墙等方案。在险坝防渗加 固时，是采用垂直防渗还是水平防渗与排水减压相结合，应按照技术可靠，经济合理的原 则，根据防渗条件和要求，结合当地具体的地质和水文情况，通过方案比较，慎重研究决 定。 近几年，防渗墙技术在病险水库的除险加固工程中应用较广泛，它施工简便、速度快、 消耗少，在处理坝基渗漏、坝后“流土”、“管涌”等渗透变形隐患问题上效果较好。根据旋 工工艺的不同，防渗墙可分为槽段式、桩柱式和预制拼装式。特别是射水、锯槽、多头搅 拌桩、插板、垂直塑膜等薄墙方法可较为经济有效地适用于堤防的垂直防渗。 总之，垂直防渗处理可以比较彻底地解决坝基和坝体渗漏问题，水平防渗结合下游排 水减压导渗，虽然可以做到渗透稳定，但仍有一定渗漏水量损失。 1 2 2 1 混凝土防渗墙 混凝土防渗墙是在松散透水地基或是土石坝坝体中连续造孔成槽，以泥浆固壁，并利 用高压泵将泥浆压入孔底，携带岩渣，再从孔底回流到地面，然后采用直升导管，向槽孔 内浇筑混凝土，形成连续的混凝土墙，起到防渗的目的。这种防渗墙可以适应各种不同材 河海大学工程硕士专业学位论文 料的坝体和复杂的地基水文和工程地质条件。墙的两端能与岸坡防渗设施或岸边基岩相连 接，墙的底部可嵌入弱风化基岩内一定深度，在施工中只要严格控制施工质量，可以达到 彻底截断渗透水流。 地下连续墙技术起源于欧洲【6 l ，它是综合了水井、石油钻井以及水下浇筑混凝土技术 而发展起来的。1 9 5 0 年前后开始在意大利和法国等国应用，因为意大利米兰和法国巴黎的 地基是由砂砾石和石灰岩构成的，不便采用打桩或打板桩的办法进行基础施工，特别是临 近建筑的部位更加困难，在这种情况下首先出现了由板桩排列形成的防渗墙，1 9 5 1 1 9 5 2 年在巴舍斯的导流围堰下修建了连锁桩型防渗墙。1 9 5 4 1 9 5 5 年在玛利亚奥拉哥坝深 4 2 m 、厚o 8 m 的围堰防渗墙，并迅速向其他建筑领域扩展。随后各国相继引进和推广，我 国也开始对混凝土防渗墙的研究和试用。5 0 多年来，国内外都有了飞速的发展，在应用范 围和墙体材料种类方面有了新的进展。国外土石坝混凝土防渗墙最大墙深是加拿大坝高 1 0 7 m 的m a n i c 的防渗墙达1 3 1 4 r r l , 截水面积最大的墙是意大利z e e c o l o 防渗墙达 3 3 1 0 0 m 2 【1 0 , 1 1 , 1 2 。我国于1 9 5 8 年首先在崂山水库试验成功后，相继在密云白河大坝、小浪 底、长江三峡工程上游围堰、山东省的高崖水库等坝使用，都获得了成功。在应用范围方 面，开始用在水工建筑物基础上，现已推广到险坝的处理，城市建筑物的基础和海港码头 等工程。 在墙体材料种类方面，近些年发展很快，主要有以下原因f 1 】：砼防渗墙弹性模量大， 不适应坝体变形，大多土石坝填筑在松教的覆盖层，在水库蓄水后，会产生较大变形，防 渗墙难以抵抗这种变位，由于混凝士的弹性模量偏高，一般在1 0 0 0 0 m p 以上，比周围地基 高出几百甚至上千倍。在上部荷载的作用下， 顶部和周围地层的沉降差和变形差往往很大， 由于砼防渗墙随着坝体变位的加大，防渗墙 使防渗墙受到额外的巨大垂直压力和巨大的 侧摩阻力，致使墙体内部的实际应力有时会大大超过混凝土允许抗压强度，实际应变也超 过混凝土的极限应变。这样就导致刚性混凝土内部产生裂缝甚至被压碎，防渗效果大为降 低。这样就迫使研究塑性混凝土，降低材料的弹性模量，使之与地基的弹性模量接近，提 高墙的抗拉强度，适应地基较大的变形。塑性混凝土等塑性材料较普通混凝土材料的变形 模量更接近于围土材料的变形模量，所以塑性材料的防渗墙在其受力后的变形能更好的与 周围土层相协调，因而能大大的改善防渗墙的应力状态，从而提高防渗墙的耐久性，它还 可以弥补常规混凝土为满足设计受力要求，原材料用量大，工程造价高的缺陷。所以近年 来塑性混凝土防渗墙得到迅速的推广，我国三峡二期围堰的塑性混凝土防渗墙达到了国际 领先的水平就是最好的例证。 河海大学工程硕士专业学位论文 混凝土防渗墙在目前使用的各种防渗措施中，单价比较高在一定程度上也限制了它的 发展如果使用塑性混凝土，在刚性混凝土中掺入一定粉煤灰、粘土或膨润上等，就会降低 它的强度和弹性模量，而且减少水泥用量，降低墙的成本。同时仍具有一定强度和较好的 抗渗性能，就可促使更大范围的发展。 塑性混凝土防渗墙十余年来在国内外工程应用中不断得到发展与改进，尤其9 8 洪水 之后在全国堤防加固水利建设中，推广应用，如u 6 ：1 9 9 9 年广东英德市城区防护体系在国 内首次采用超薄型塑性混凝土防渗墙解决防洪堤坝基渗漏问题，取得了良好的效果。超薄 型塑性混凝土防渗墙的设计原理是：利用塑性混凝土作为防渗材料，可充分利用其弹性模 量小，允许变形大，对基础变形适应性强的特点，在满足基础防渗和坝体受力变形要求的 条件下，大幅度削减防渗墙厚度成为超薄型墙体，以减少工程量，节约投资近6 0 7 0 ， 并可通过改进施工设备及施工工艺加快工程进度，具有常规混凝土无法比拟的优越性。为 适应塑性混凝土防渗墙的这种发展趋势，国内己成功开发出用于超薄型防渗墙施工使用的 悬臂式链条开槽机，液压抓斗机、振动沉模等施工机械，实践证明其性能良好。 在混凝土防渗墙施工中，必须确保施工的质量，尤其应该注意两槽孔混凝土墙问连接 问题，是保证防渗的关键，在连接部位，从孔口至孔底的任一高度连接的墙厚必须达到设 计厚度，而且混凝土墙间必须连接紧密，不能有夹泥层，以防渗透破坏。 1 2 2 2 高压喷射灌浆防渗i l 】 高压喷射灌浆防渗的机理是：按设计布孔，利用钻机钻孔，将喷管置于孔内( 内含水 管、水泥管和风管) ，由喷射出高压射流冲切破坏土体，同时随喷射流导入水泥浆液与被 冲切土体掺搅，喷嘴上提，浆液凝固，在地基中按设计的方向、深度、厚度及结构形式于 地基结合成紧密的凝结体，起到防渗的作用。2 0 世纪7 0 年代，由日本引进高压旋喷灌浆 法，8 0 年代初由山东水科院研究试验将旋喷改为定向喷射灌浆，用于险库坝基防渗，取得 较好的效果，迅速得到推广。8 0 年代后，湖南、辽宁、吉宁等省在山东省已有经验的基础 上，继续深入地结合实际工程进行研究，进一步提高施工工艺、专用设备、喷射形式、设 计计算及相应的技术参数。在施工监控手段上研制了自动监测控制簏工采用技术参数，从 人工记录到电脑自记，自动报警，基本上杜绝了人为因素，提高了旌工质量。在设备方面， 也在不断更新改进。原有设备较为笨重性能单一，使用不便。现研究出井口传动由液压代 替机械，性能机动可调，喷射设备由原来三管同轴改为独立的三管输送装置，减少了事故 的发生，喷嘴设各改造与原喷嘴设相比，在具有同等喷射流量的条件下，高压泵压力可降 低2 5 左右。由于新技术的发展，在应用领域也不断扩大，从已建水利水电工程到新建水 河海大学工程硕士专业学位论文 利工程，从新建临时l 重l 堰工程到新建永久坝基防渗工程，从水利水电工程防渗到冶金矿坑 维护和工民建、地铁基坑防渗，从单一防渗到防渗加固直至建筑物的纠偏。目前，该项技 术在我国多项工程中都有应用，但也有不足之处，喷射机理有待进一步研究，各地施工随 意性较大，应及早制定设计、施工和管理规范，以便在实践中有规可循。也有个别工程地 质、水文地质了解不够，旌工质量控制不严，未能彻底解决防渗问题，我们应予以高度重 视。 高压喷浆的优点是施工简单、速度快；缺点是地层敏感性强、缺少快速可靠的检查方 法，造价高。所谓敏感性高是指高压喷射灌浆对于土层的性质适应性较窄，对于壤土层、 中密状态的沙土层，只要孔距适当、参数合理，便可获得均匀连续的防渗墙体；对于黏性 土，致密的沙层则喷射直径受到影响，尤其是地层中存在有较多大粒径p l o o m m l 的卵石、 漂石时，帷幕体的连续不易保证。虽然通过增加孔数或排数的办法可以保证墙体的连续性， 但这种办法，其造价比混凝土防渗墙可能还要高。 当采用围井或上下游注水孔的方式检查高喷质量和防渗效果时，如围井或注水孔数量 较少，则代表性不好。采用超声波物探方法目前也不成熟。如有条件开挖检查是最好的方 法；当采用旋喷墙时，取芯注水检查也比较可靠，但这两种方法费时，且成本较高。 高压喷射灌浆对地层的适用范围和检查方法，目前国内看法不完全统一。在复杂地层 中采用时，应作现场试验，对其经济合理性和技术可行性应进行论证。 1 2 2 3 劈裂灌浆防渗 2 0 世纪7 0 年代末f l j ，山东省水利科学研究所研究人员大胆试验，在过去重力灌浆的 基础上，在土坝中采取劈裂灌浆，使用一定压力，将坝体沿坝轴线小主应力面劈开，灌注 泥浆，并使浆坝互压，最后形成l o 5 0 c m 厚的连续泥墙，可以起到防渗的目的。同时， 泥浆使坝体液化，增加坝体的密实度。这项技术不仅起到防渗作用，也加固了坝体。它的 优点，可以就的取材，施工简便，投资省，工效高，较快地得到推广。在广泛开展的基础 上，在研究人员的努力下，在技术上有了一些新的进展，主要是：在应用范围上越来越广， 由过去规范规定坝高5 0 m 以下的均质坝，和宽心墙坝，并要求在低水位进行。近年来逐渐 推广到5 0 m ，不仅低水位能进行，高水位也进行了；不仅可以劈裂坝体，也可以劈裂堤坝 基础；不仅可以在宽心墙坝进行，在窄心墙坝也可以进行。同时，也应用到湿陷性黄土宽 顶坝、沙坝等。例如1 9 9 0 年山东省水科所在江西省永丰夫坑水库( 中型) 窄心墙坝，当 水库水位较高时，进行劈裂灌浆，也获得成功，并将坝高突破了5 0 m ，达5 0 4 m 。大量研究 试验的结果，认为在堤坝地基附加应力场影响范围以内，沿坝轴线也有一个铅直的小主应 6 河海大学工程硕士专业学位论文 力面，只要沿堤坝轴线布i l 进行压力灌浆，是可以实现定向劈裂。例如，1 9 8 5 年山东省大 沽河2 0 0 k m 的堤防进行劈裂灌浆，形成堤身5 m ，堤基3 4 m 的深度竖直连续的防渗泥墙， 较好的解决了堤身和堤基的渗漏问题。 劈裂灌浆处理后，在堤坝内形成了竖直密实的连续的防渗体，并提高堤坝密实度，增 强坝体抗渗能力，改善堤坝渗透稳定和变形，从而达到除险加固的目的，效果是显著的。 但它的缺点是压力不好控制，劈裂灌浆遇基岩和刚性建筑物接触处防止接触冲刷，与基础 防渗墙、高压定喷墙结合的问题，有待进一步研究解决。 劈裂灌浆的优点是设备简单、施工方便、造价低廉。坝体劈裂灌浆主要适用于坝高小 于3 0 m 的心墙坝和均质坝中，当坝体存在碾压不实、漏水、渗透变形等问题时采用。坝基 劈裂灌浆主要适用于粉土层或粉砂层地基的防渗，深度耍小于坝基附加应力场的影响范 围。 一般认为w ，当5 m 1 5 时，是采用水泥灌浆效果比较 好的地层。水泥渗透灌浆的特点是可达到很大的深度，几乎是解决基岩渗漏唯一的办法， 但造价较高。 1 2 2 4 土工合成材料防渗 土工合成材料从水力特性可分为不透水的土工膜或土工复合膜和透水的土工织物。前 者可以代替防渗体，起到截渗隔水的作用，后者可以代替砂砾石，反滤料，起到排水和反 滤的作用。它的重量轻，运输量小，铺设方便，重叠部位可以粘结或焊接，比粘土防渗和 砂砾石料排渗节省造价，缩短工期，容易保证施工质量。近年来，由于材料品种不断更新， 应用领域逐渐扩大，施工工艺越来越先进，已经从低坝向高坝发展。 自5 0 年代以来，土工合成材料相继在欧美国家的许多工程中成功应用 1 9 】，1 9 2 6 年美 国南卡罗来纳州公路局将棉织帆布用于补强土体2 0 1 ，至1 9 7 0 年法国伐尔克鲁斯( v 甜c r o s ) 土坝的上游面垫层和下游排水体，都采用非机织布土工织物取代传统的砂砾料垫层【2 1 】【2 2 】。 随着土工合成材料的发展，在8 0 年代中期，我国先后在云南省李家菁和福建省犁壁桥水 库土坝均采用土工膜代替原来的防渗性能差的粘土心墙，李家菁土坝还采用土工织物代替 坝下游反滤体。李家菁水库( 中型) 位于云南省寻甸县，坝高3 5 m ，由于筑坝土料混杂， 河海大学工程硕士专业学位论文 碾压质量差、坝体渗漏较为严重，下游排水体失效，致使浸润线抬高，存在滑坡和渗透破 坏的可能，危及大坝安全。1 9 8 7 年开始，上游坝面铺设土工复台膜1 7 8 0 0 m 2 ，下游坝坡铺设 土工织物2 8 0 0 m 2 ，1 9 8 8 年完成。复合膜造价为粘土方案防渗造价的7 4 ，1 。后经过5 年运 行。其中，2 年放水后坝面检查，土料干涸，膜面除个别黄色珠状斑点外，均为鲜白，原 带病运行土坝下游坡面渗水和集中渗漏水点已全部停止，确保了大坝的安全。犁壁桥水库 ( 中型) 位于福建省福清县，土坝坝高3 8 3 m ，背水坡存在大面积湿润现象，曾经采用过 修建粘土斜墙和灌浆等措施进行防渗，但运行一段时间后，背水坡仍然出现大面积湿润现 象。1 9 8 8 年采用土工复合膜在土坝迎水坡作防渗层，铺设面积1 8 4 5 m 2 ，包括坝体护坡石 拆砌在内，整个工期仅3 0 天，单位造价1 6 元m 2 ，只相当于采用粘土斜墙方案投资的l ，3 ， 特别是旌工简便，设备少，易于操作，而且这种材料柔性好，能适应坝体变形，耐腐蚀， 不怕鼠、獾、白蚁破坏等优点。处理后，经过3 年汛期超过正常水位，持续时间长达9 8 天的考验，土坝背水坡未发现湿润现象，防渗效果显著，达到预期目的。 土工膜与坝基、岸坡的连接。沿迎水坡坝面与坝基、岸坡接触边线开挖梯形固埋沟槽。 然后埋入土工膜，用粘土回填。土工膜与坝内输水管道连接，一般在涵管与土坝迎水坡相 接段，增加一个混凝土制成的节水环，其迎水坡面是倾斜的，平行于土坝的迎水坡，将土 工膜用沥青粘在斜面上，然后回填保护层土料。土工膜与坝基、岸坡、涵洞的连接以及土 工膜本身的接缝处理是整体防渗效果的关键，应精心施工，严格检查，确保质量。 确定土石坝加固方法，应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、 施工和理性进行比较，选择技术上可行、经济上合理、又能满足施工要求，通过分析、比 较，最后确定出切实可行的一种或几种方法组成的综合加固方法。 1 3 本文研究的主要内容 在我国防洪减灾工程中，病险水库的整治是一项重要的工程，本文在总结前人和其他 工程实践的基础上，就正在建设中的西苇水库除险加固工程，研究内容主要包括以下凡个 方面： l 、目前土石坝渗漏的各种加固措旎研究。 2 、研究西苇水库除险加固的必要性。 3 、在坝轴线比较长的西苇水库大坝除险加固中，针对西苇水库大坝轴线长、坝体结 构复杂等特点，按照因地制宜的原则，对坝体和坝基拟定了多种防渗处理方案，分别从技 术可行、经济合理、施工方便等方面进行了分析、比较和评价，根据不同坝段不同部位选 8 河海大学工程硕士专业学位论文 定了基岩帷幕灌浆、砼防渗墙和水泥土搅拌桩等多种综合防渗处理措施。 4 、对极易导致接触冲刷破坏、危及坝体安全的坝下埋管( 放水洞) 除险加固方案进 行研究。 河海大学工程硕士专业学位论文 第二章西苇水库加固前运行状况及安全复核 2 1 工程概况 2 1 1 工程概况 西苇水库位于淮河流域南四湖水系白马河支流大沙河中游，属淮河流域南四湖水系， 在邹城市城区东3 k m 处。水库总库客为1 0 7 亿m 3 ，兴利库容为0 4 1 1 l 亿m 3 ，控制流域面积为 1 1 3 6 k m 2 。该水库是一座以防洪、灌溉为主，兼顾工业供水、水产养殖等综合利用的大( 2 ) 型水利枢纽工程。 水库坝址区基本地震烈度为度。水库控制流域面积1 1 3 6 k i n 2 。流域多年平均降雨量 6 9 9 7 m m 鉴于该水库地理位置的重要性，确定该水库核定本库万年遇洪水校核，相应 水位1 1 1 0 3 m ，百年一遇洪水设计，相应水位1 0 8 7 8 m ，兴利水位1 0 6 0 6 m ，死水位9 8 3 2 m 。 水库总库容1 0 7 亿m 3 ，兴利库容0 4 1 1 1 4 l m 3 ，死库容0 0 7 6 5 4 l m 3 。水库保护着下游3 k m 处的 邹城市城区，5 k m 处的1 0 4 国道，7 k m 处的京沪铁路、1 2 k m 处的邹县发电厂、1 5 公里处为兖 州矿业集团公司九座大中型煤矿，4 7 3 万人，3 9 1 万亩耕地，地理位置极为重要。西苇水 库工程位置见图2 1 1 。 西苇水库枢纽工程主要有主坝、副坝、溢洪道、放水洞等组成。 主坝长26 5 0 m ( 0 + 0 0 0 2 + 6 5 0 ) ，坝项高程1 1 1 8 2 m ，防浪墙顶高程1 1 2 6 2 m ，坝顶宽6 m ， 最大坝高2 2 3 m ，其中o + 7 5 0 1 + 1 0 0 段为粘土心墙砂壳坝，l + l o o 1 + 1 5 0 段为上游粘土下游 砂壳坝的分区填料坝，其余为均质坝。 副坝长33 6 0 m ( 2 + 6 5 0 6 + 0 1 0 ) ，坝顶高程1 1 0 8 7 1 1 1 3 2 m ，坝顶宽5 m , 最大坝高 1 1 5 8 m ，全坝段为均质坝。 溢洪道位于左岸，全长5 0 0 m ，原溢洪道为开敞式无闸控制。进口底高程1 0 6 0 6 m ，底 宽4 8 m ，两岸及基础为全风化花岗片麻岩，未做消簏防冲工程。 放水洞分南北两座，南放水洞位于主坝1 + 5 0 0 桩号处，与水库大坝同时兴建，与浆砌 石廊道内衬钢筋混凝土压力管，洞长9 1 5 m ，内径1 3 4 m ，进i ：1 底高程9 5 8 2 m ，设计流量6 6 5 m 3 s ，设有2 l o t 手摇双吊点螺杆式启闭机。北放水洞位于副坝3 + 9 0 0 桩号处，1 9 7 4 年汛前 建成，为浆砌石廊道内衬钢筋混凝土压力管，洞长8 0 3 m ，内径1 2 0 m ，进口底高程9 5 8 2 m ， 设计流量4 2 5 m 3 s ，设有2 1 2 5 吨双吊点卷扬式启闭机。 1 0 河海大学工程硕士专业学位论文 2 1 2 工程除险加固的缘由 该水库于1 9 5 9 年1 0 月动工兴建，1 9 6 0 年6 月基本竣工。设计防洪标准：百年一遇洪水 设计，万年一遇洪水校核。工程枢纽主要包括大坝、溢洪道、南放水洞、北放水洞等工程。 水库运行4 0 年来，发挥了重大效益，但在运行过程中，大坝渗漏严重、下游坝脚渗透变形、 滑坡、坝坡塌陷、坝后沼泽等险情曾多次发生；溢洪道无闸门控制，不能利用水库防洪库 容有效调节中小洪水；放水洞的闸门及启闭机超期服役，严重锈蚀，闸门漏水，不能正常 使用。 鉴于该水库存在的诸多不安全因素，2 0 0 0 年1 1 月2 4 h 山东省水利厅依据水利部颁布的 水库大坝安全鉴定办法的规定，组织了西苇水库安全鉴定，专家组的主要鉴定结论“ 大坝不满足抗滑稳定要求，大坝坝顶高程不满足防洪要求；在地震设防7 度时，上游砂 壳和坝基存在液化可能；主、副坝渗漏严重；南放水洞内衬混凝土压力管与竖井的强 度皆不满足要求；主、副坝块石护坡和垫层质量差，不满足规范要求等。鉴于水库防洪 能力低、大坝、溢洪道、输水洞均存在诸多严重质量问题，不能安全运行，因此评定为险 库，属三类坝。” 该水库地理位置重要，下游保护面积4 5 2 3k m 2 ，4 7 3 万人，3 9 1 万卣农田，紧接水库 为3 0 余万人口的邹城市区并有国家重点文物保护单位“孟府、孟庙”等，5 7 公里处为京 沪铁路和1 0 4 国道，1 2 k m 处为全国最大的发电厂一邹县发电厂以及国家级特大型兖州煤田、 6 k a n 处为里彦电厂、1 5 k m 处为九个大型煤矿等，水库校核洪水位高于城区3 0 m ，该水库所 处的地理位置非常险要，水库一旦发生险情，损失将不可估量。随着邹城市经济社会的迅 速发展，该水库将在防洪、发电和城市供水等方面发挥更加重要的作用。为保证水库下游 人民生命财产安全和经济社会的可持续发展，对水库除险加固是非常必要和迫切的。 2 1 3 水文气象 2 1 3 1 流域概况 西苇水库位于白马河支流大沙河中段，属淮河流域南四湖水系。水库流域面积1 1 3 6 k m 2 ，其中山区占1 0 ，丘陵占9 0 。流域形状为扇形，坝址以上千流长度为1 6 4 4 k m ，干 流平均坡度为0 0 0 4 9 6 m m 。地势东高西低，植被稀少，水土流失严重。西苇水库上游建有 小( 一) 型水库两座，小( 二) 型水库十一座，控制流域面积1 9 6k m 2 ，兴利库容3 3 2 3 万r n 3 。 2 1 _ 3 2 气象 邹城市为北温带季风型大陆性气候，四季分明。根据气象站观测资料统计，多年平均 1 l 河海大学工程硕士专业学位论文 气温摄氏1 4 1 度，最高极值达3 9 3 度，最低极值达零下1 8 3 度；最大风速1 7 m s 。流域 内多年平均降雨量为6 9 9 7 m m ，年最大降雨量为1 0 7 6 7 m m ，最小降雨量为2 9 3 8 m m 。汛期 降雨量占全年降雨量的7 4 。 河海大学工程硕士专业学位论文 图2 1 1西苇水库工程位置图 河海大学_ i = 程硕士专业学位论文 2 。2 库区地质 2 2 1 地质概况 2 2 1 1 地形地貌 库区地处鲁中南山地西部，尼山穹窿西南边缘，属低山丘陵区，地势东高西低，地面 高程9 0 2 8 0 m 。区内主要河流为白马河支流大沙河，河床宽约2 0 0 3 0 0 m 。本区按地 貌形态总体可分为两个地貌单元：低山丘陵区：位于库区东南部，至高点位于库区东南 的吉米山，高程2 8 3 5 m 。岩性主要由泰山期花岗闪长岩组成，由于风化剥蚀强烈，多呈残 丘状，丘顶浑圆，冲沟较发育。构造剥蚀残丘区：是坝址区的主要地貌类型，地势相对 平缓，主要由冲积、冲洪积、和坡洪积物组成。岩性以砾质粗砂、壤土、砂质壤土、粘土 夹姜石为主。 2 2 1 2 地层岩性 库区分布地层主要为太古界泰山期侵入岩和第四系松散堆积层。侵入岩岩性为花岗闪 长岩，在整个库区广泛分布；第四系地层以砾质粗砂、壤土、砂质壤土、粘土夹姜石为主， 分布于河床及阶地，成因主要为为冲积、冲洪积、坡洪积和残积堆积。 2 2 1 3 地质构造及地震 库区在构造上位于鲁西中台隆( 1 1 2 ) 鲁西拱断束( 8 ) 尼山穹断束( i v 2 7 ) 的西 缘，峄山断裂在其西部约1 0 k m 处穿过，区内地质构造简单，节理裂隙较发育，其走向为 n e 6 6 。8 8 。，倾r 句s e l l 5 。1 2 0 。，多形成共轭x 型剪节理，基本上与构造线一致，主 要有三组：以北西向( 2 9 5 。左右) 最为发育，其次北西向( 3 5 0 。左右) 、北东向( 4 9 。 左右) 亦较发育。 峄山断裂：北起肥城，经代阳、罡城、曲阜、齐河、官桥至微山湖，长1 8 0 k m 。总体 走向为3 5 0 。，走向不稳定，呈锯齿状分布，摆动范围 a n w 3 3 0 。至n e 2 5 。，倾向w ，倾角 7 6 8 6 。控制了中、新生界地层，断层性质为张性，略具左移扭动特征。据有关资料， 该断裂燕山运动前就存在，燕山期和新生代均有活动。 据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，库区地震动峰值加速度为o 0 5 9 ，地 震动反应谱特征周期为0 4 0 s ，相应地震基本烈度度。 2 2 1 4 水文地质条件 库区地下水主要为潜水和承压水两种类型，潜水又分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙 水。 4 河海大学工程硕士专业学位论文 孔隙潜水主要分布于河流的松散沉积层中，该水库主要埋藏于大坝主河床段砾质粗 砂层中，厚7 7 l o 7 m ，地下埋深0 8 1 0 m ，透水能力强。 承压水主要分布于坝址区坝基的砾质粗砂、基岩风化层中。大坝i 级阶地有两层砂质 粗砂，下层较厚，厚度2 4 m ，上层厚度仅为0 5 m ，渗透系数k 值为1 8 0 3 1 1 2 m d ，属强透 水层。上履壤土虽发育大孔隙结构，但渗透系数k 值为0 0 2 2 m d ，属弱透水层，可视为相 对隔水层。地下水位埋深0 7 m ，受库水补给。 地下水化学类型一般为重碳酸钙型，矿化度一般小于o 5 9 l ，弱碱性，重碳酸钙型水， 不具腐蚀性，水质良好。大气降水为其主要补给来源，向下游排泄和蒸发为其主要排泄途 径。 2 2 1 5 库区主要工程地质问题 库区大部位于剥蚀准平原区，地质构造相对简单，岩石多裸露，植被不发育，岩性以 风化强烈的花岗闪长岩为主，局部见有极易风化的基性及超基性侵入岩脉。库区左侧丘顶 多呈浑圆状。库区可能存在的主要工程地质问题主要有库区渗漏、浸没、库岸再造、淤积、 诱发地震等，现分析评价如下： 1 、库区渗漏 库区大部被第四系地层覆盖，南部花岗闪长岩多裸露地表，节理裂隙较发育，但一般 为压扭性、呈闭合状、延展性差，冲沟较发育，一般呈近南北向、东西向及北东向，延伸 仅1 0 0 4 0 0 m ，下切较浅：库区分水岭山体较宽厚( 一般超过4 k i n ) ，高出水库最高蓄水位 约2 0 m ，邻谷相对下切深度较浅，水库与邻谷问的距离较远，无大的构造带形成渗漏通道， 综合分析，库区山体宽厚，周围分水岭岩石为花岗闪长岩，透水性差，地下水分水岭高于 库区回水线，且没有大规模导水性断裂通向库外，因此，不存在库区渗漏问题。 2 、浸没 库区岩石及第四系覆盖层透水性较弱，库区东南部丘陵区地面高程一般高出水库最高 蓄水位，库岸多为岩质边坡，第四系地层多为很薄的岩石风化碎屑，透水性大，地下水主 要受大气降水补给，地表水排泄畅通，不存在浸没问题：而库区北部、东北部库区上游剥 蚀准平原区，由于地势低平，当水库高水位运行时，库区东北部京福高速公路以西地区可 能发生淹没或浸没。 3 、库岸再造 库区大部位于剥蚀准平原区，地势平缓，库区南部丘陵区，由于岩石风化剧烈，邻水 边库岸原始坡度较平缓，边坡高度一般小于1 5 m ，边坡坡度一般1 0 。3 0 。，按中小型 河海大学： 程硕士专业学位论文 水利水电工程地质勘察规范( s l5 5 9 3 ) 附录a 分类属岩土混合斜陡中低边坡，组成库 岸的地层岩性：基岩主要为花岗闪长岩，第四系松散层主要为厚度较薄的含砂质壤土、含 砂质粘土，围绕在山体坡脚呈裙状。综合分析，因水库已运行四十余年，目前库岸己基本 稳定，除险加固完成后，库水位的抬高亦不会产生大规模的库岸再造。 4 、淤积 库区南部山体植被稀少，冲沟较发育，基岩多裸露，且易于风化，表层全风化层剥落 后形成中粗砂、砾