重力坝、拱坝、土石坝三种坝体的防渗处理

重力坝 拱坝 土石坝三种不同坝体的防渗处理重力坝 拱坝 土石坝三种不同坝体的防渗处理 摘要 分析重力坝 土石坝 拱坝出现渗漏原因 采取相应措施 一 重力坝渗漏分析与防渗处理 一 重力坝渗漏分析 1 重力坝是用浆砌石 grouted rubble 或者混凝土 concrete 材料 建筑而成的挡水建筑物 其剖面一般做成上游面近于垂直的三角形 断面 主要依靠坝体的重量 在坝体和地基的接触面产生抗剪强度 或者摩擦力 来抵抗水库的水平推力 以达到稳定的要求 同时 也依靠坝体的自重产生的压应力 来抵消由于水压力所引起的坝体 上游侧的拉应力 以满足坝身强度的要求 2 由于混凝土与岩体都是透水材料 加上施工方法 施工过程存在 差异 故此渗流不可避免 二 重力坝防渗处理 地基处理时重力坝防渗处理的关键 坝基的固结灌浆和帷幕灌浆 是坝基防渗处理的主要措施 1 重力坝坝基固结灌浆 1 目的 减少坝基的渗透性减少坝基的渗透性 permeability permeability 减少渗透量 减少渗透量 提高基岩的整体性和弹性模量提高基岩的整体性和弹性模量 modulus modulus ofof elasticity elasticity 减 减 少基岩受力后的变形少基岩受力后的变形 deformation deformation 提高岩体的抗压强度和提高岩体的抗压强度和 抗剪强度 抗剪强度 在帷幕灌浆前的固结灌浆 可提高帷幕灌浆的灌浆在帷幕灌浆前的固结灌浆 可提高帷幕灌浆的灌浆 压力 压力 2 固结灌浆的设计 固结灌浆的设计 灌浆范围 依坝高和岩基裂隙分布情况而定 灌浆范围 依坝高和岩基裂隙分布情况而定 高坝或者裂隙发育 坝基全部灌浆 并适当加大范围 高坝或者裂隙发育 坝基全部灌浆 并适当加大范围 裂隙很不发育 只在坝踵或者坝趾处灌浆裂隙很不发育 只在坝踵或者坝趾处灌浆 只在坝踵处固结灌浆 以加大帷幕灌浆的压力只在坝踵处固结灌浆 以加大帷幕灌浆的压力 溶洞 溶槽部位 除回填外 应对顶部及周围进行固结灌浆 溶洞 溶槽部位 除回填外 应对顶部及周围进行固结灌浆 排孔形式 梅花形或者方格形 对较大的断层和裂隙应专门排孔形式 梅花形或者方格形 对较大的断层和裂隙应专门 布孔 布孔 间距 根据地质条件 并参照灌浆试验确定 一般为间距 根据地质条件 并参照灌浆试验确定 一般为 3 3 6m6m 孔深 一般为孔深 一般为 5 5 8m8m 局部区域及坝基应力较大的高坝基础 局部区域及坝基应力较大的高坝基础 可适当加深 帷幕灌浆区附近 与帷幕灌浆配合 可适当加深 可适当加深 帷幕灌浆区附近 与帷幕灌浆配合 可适当加深 一般为一般为 8 8 15m15m 灌浆压力 以不掀动岩石为原则 取较大值 施工时 应加灌浆压力 以不掀动岩石为原则 取较大值 施工时 应加 强监测 一般无盖重时强监测 一般无盖重时 0 20 2 0 4Mpa0 4Mpa 有盖重时 有盖重时 0 40 4 0 7Mpa0 7Mpa 2 2 重力坝坝基帷幕灌浆 重力坝坝基帷幕灌浆 1 目的 降低坝底渗透压力 防止坝基内产生机械或者化学降低坝底渗透压力 防止坝基内产生机械或者化学 管涌 减少坝基和坝肩渗透流量管涌 减少坝基和坝肩渗透流量 2 灌浆材料的选择 灌浆材料的选择 水泥灌浆水泥灌浆 裂隙宽度裂隙宽度 0 1mm 0 1mm 地下水流 地下水流 600m 600m 昼夜 地下水对水泥无昼夜 地下水对水泥无 危害性的侵蚀作用 采用水泥灌浆 危害性的侵蚀作用 采用水泥灌浆 对于裂隙较细 可采用超细度的高标号硅酸盐水泥 对于裂隙较细 可采用超细度的高标号硅酸盐水泥 地下水流较大时 可用速凝剂 地下水流较大时 可用速凝剂 有侵蚀性的地下水 可采用特种水泥 矾土水泥 有侵蚀性的地下水 可采用特种水泥 矾土水泥 化学灌浆 不能采用水泥时 用化学灌浆的方法 不能采用水泥时 用化学灌浆的方法 3 3 帷幕灌浆设计帷幕灌浆设计 帷幕深度帷幕深度 根据基岩的透水性 坝体承受的水头和降低坝底渗根据基岩的透水性 坝体承受的水头和降低坝底渗 透压力的要求来确定 帷幕本身应满足相应单位吸水率 见表 透压力的要求来确定 帷幕本身应满足相应单位吸水率 见表 的要求 的要求 帷幕深度帷幕深度 若相对不透水层若相对不透水层 water bearing water bearing layer layer 离基岩面不深 则帷离基岩面不深 则帷 幕应钻灌到不透水层 深入到该层幕应钻灌到不透水层 深入到该层 3 3 5m5m 内 内 若相对隔水层较深 帷幕深度按设计要求确定 一般可在若相对隔水层较深 帷幕深度按设计要求确定 一般可在 0 30 3 0 70 7 倍坝高范围内选择 倍坝高范围内选择 帷幕厚度帷幕厚度 根据能保护帷幕的渗透稳定要求 用容许渗透坡降根据能保护帷幕的渗透稳定要求 用容许渗透坡降 JcJc 表示 其表示 其 计算公式为 计算公式为 实际施工的帷幕厚度实际施工的帷幕厚度 应大于设计帷幕厚度应大于设计帷幕厚度 高坝设 高坝设 2 2 3 3 排帷幕灌浆孔 中坝设排帷幕灌浆孔 中坝设 1 1 2 2 排帷幕灌浆孔 低坝排帷幕灌浆孔 低坝 只设只设 1 1 排帷幕灌浆孔 排帷幕灌浆孔 注意 当帷幕有多排孔组成时 一般仅将其中的一排孔钻灌至设注意 当帷幕有多排孔组成时 一般仅将其中的一排孔钻灌至设 计深度 其余各排孔的孔深可取设计深度的计深度 其余各排孔的孔深可取设计深度的 1 21 2 1 31 3 因为只 因为只 需在上部水力坡降大的部位才需加厚帷幕 需在上部水力坡降大的部位才需加厚帷幕 灌浆孔布置灌浆孔布置 灌浆孔孔距和排距应根据地质条件 由试验灌浆孔孔距和排距应根据地质条件 由试验 确定 确定 a a 孔距一般为 孔距一般为 1 51 5 4 0m4 0m 开始用 开始用 4m4m 孔距 逐渐加密 孔距 逐渐加密 b b 灌毕后 中间加检查孔 如 灌毕后 中间加检查孔 如 w w 值大于标准时 在检查孔进行值大于标准时 在检查孔进行 灌浆 然后中间再加检查孔 直到灌浆 然后中间再加检查孔 直到 w w 达到标准为止 达到标准为止 c c 排距宜比孔距略小 排距宜比孔距略小 灌浆压力 灌浆压力应通过试验确定 通常在帷幕表层段不灌浆压力 灌浆压力应通过试验确定 通常在帷幕表层段不 宜小于宜小于 1 01 0 1 51 5 倍坝前静水头 在孔底段不宜小于倍坝前静水头 在孔底段不宜小于 2 2 3 3 倍倍 坝前静水头 但以不破坏岩体为原则坝前静水头 但以不破坏岩体为原则 3 3 岩基经过防渗处理后 在一定程度上还是透水的 为了进 岩基经过防渗处理后 在一定程度上还是透水的 为了进 一步降低坝底渗透压力 还需设置坝基排水 一步降低坝底渗透压力 还需设置坝基排水 重力坝的岩基排水有三种形式 排水孔幕 基面排水 浅孔排重力坝的岩基排水有三种形式 排水孔幕 基面排水 浅孔排 水水 3 3 重力坝防渗实例重力坝防渗实例 A 林州市红旗渠补源工程 马家岩水库 马家岩水库大 坝坝型为混凝土砌石重力坝 为提高坝体的防渗效果 降低坝基 扬压力 自坝基混凝土顶部 489 4m 高程起 坝体上游迎水面和 下游原河床 512 25m 高程以下分设混凝土防渗面板 其中下游防 渗面板面板设计厚度为 1 0m 上游防渗面板自高程 500 0m 至 575 0m 厚度从 2 0m 渐变至 1 0m 高程 575 0m 以上厚度变为 0 8m 迎水面坡度为 1 0 15 为防止砼面板裂缝 面板沿坝轴 线方向设伸缩缝 分缝宽度 9m 伸缩缝设两道止水 B B 小洋溪水库地处贵州省金沙县 是黔北发电总厂供水水源工 程 水库坝体为 C90 10 碾压混凝土重力坝 坝顶高程为 93816 m 最大坝高 4416 m 坝顶宽 510 m 最大底宽 3510 m 坝轴线 长 124105m 小洋溪水库碾压混凝土大坝灌浆工程经过生产性试 验 将 2 排钻孔调为 1 排进行灌浆 孔距为 015 m 灌浆结果 表明 在横向缝隙连通性不好的碾压混凝土内形成连续性好的幕 体是必要的 从灌入量也说明 对渗漏通道 即顺水流方向 的封 堵长度超过坝轴线方向范围 对坝体的补强作用明显 二 拱坝渗流分析与防渗处理 拱坝是固接于基岩的空间壳体结构 在平面上呈凸向上游的拱形 其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形 一 拱坝的防渗处理 1 固结灌浆 提高基岩的整体性和强度 降低地基的透水性 提高基岩的整体性和强度 降低地基的透水性 减小地基变形 增加岩体的抗滑稳定性 减小地基变形 增加岩体的抗滑稳定性 拱坝坝基的固结灌浆孔一般按全坝段布置 对于比较坚硬完整的拱坝坝基的固结灌浆孔一般按全坝段布置 对于比较坚硬完整的 基岩 也可以只在坝基的上游侧和下游侧设置数排固结灌浆孔 基岩 也可以只在坝基的上游侧和下游侧设置数排固结灌浆孔 孔距一般为孔距一般为 3 3 6m6m 在岩石破碎地区还应适当加密 孔深一般为 在岩石破碎地区还应适当加密 孔深一般为 5 5 15m15m 固结灌浆压力 在保证不掀动岩石的情况下 宜采用较 固结灌浆压力 在保证不掀动岩石的情况下 宜采用较 大值 一般为大值 一般为 0 2 0 4 MPa 0 2 0 4 MPa 有混凝土盖重时 可取 有混凝土盖重时 可取 0 3 0 70 3 0 7 MPaMPa 2 2 接触灌浆 对于坝体与陡于 接触灌浆 对于坝体与陡于 50 60 50 60 的岸坡间和上游侧的的岸坡间和上游侧的 坝基接触面以及基岩中所有槽 井 洞等回填混凝土的顶部 均坝基接触面以及基岩中所有槽 井 洞等回填混凝土的顶部 均 需进行接触灌浆 以提高接触面的强度 减少渗漏 接触灌浆应需进行接触灌浆 以提高接触面的强度 减少渗漏 接触灌浆应 在坝体混凝土浇筑到一定高度 混凝土充分收缩 钻排水孔之前在坝体混凝土浇筑到一定高度 混凝土充分收缩 钻排水孔之前 进行 有条件时 可利用帷幕灌浆孔与部分固结灌浆孔进行接触进行 有条件时 可利用帷幕灌浆孔与部分固结灌浆孔进行接触 灌浆 灌浆 3 防渗帷幕防渗帷幕 深度 拱坝的帷幕灌浆孔深度应伸入相对隔水层以下深度 拱坝的帷幕灌浆孔深度应伸入相对隔水层以下 3 3 5m5m 若相对隔水层埋藏较深 孔深可采用 若相对隔水层埋藏较深 孔深可采用 0 3 0 70 3 0 7 倍 倍 水头 水头 排数 帷幕灌浆孔一般用排数 帷幕灌浆孔一般用 l l 排到排到 3 3 排 孔距是逐步加密的 排 孔距是逐步加密的 开始约为开始约为 6m6m 最终为 最终为 1 5 3 0m1 5 3 0m 排距宜略小于孔距 排距宜略小于孔距 位置 帷幕位置一般布置在压应力区 并尽可能靠近上游坝位置 帷幕位置一般布置在压应力区 并尽可能靠近上游坝 面 防渗帷幕还应深入两岸山坡内 两岸帷幕原则上应延伸面 防渗帷幕还应深入两岸山坡内 两岸帷幕原则上应延伸 至正常蓄水位与相对隔水层相交处 或与蓄水前的天然地下至正常蓄水位与相对隔水层相交处 或与蓄水前的天然地下 水位线相交处 暂向岸坡延伸水位线相交处 暂向岸坡延伸 20 50m20 50m 或更远 待蓄水后根据或更远 待蓄水后根据 坝基的渗漏情况决定是否再行延伸 坝基的渗漏情况决定是否再行延伸 材料 水泥 化学材料灌浆 材料 水泥 化学材料灌浆 压力 灌浆压力在保证不破坏岩体的条件下取较大值 通常压力 灌浆压力在保证不破坏岩体的条件下取较大值 通常 在顶部段不宜小于在顶部段不宜小于 1 51 5 倍 底部不宜小于 倍 底部不宜小于 2 2 3 3 倍坝前静 倍坝前静 水头 水头 4 4 坝基排水 坝基排水 降低渗压降低渗压 弱透水性的微裂隙岩体排水孔则可弱透水性的微裂隙岩体排水孔则可 显著地降低渗压显著地降低渗压 位置 排水孔幕设在防渗帷幕下游侧 一般只设位置 排水孔幕设在防渗帷幕下游侧 一般只设 1 1 道主道主 排水孔 必要时增设排水孔 必要时增设 1 1 2 2 排辅助排水孔 排辅助排水孔 间距 排水孔与防渗帷幕下游侧的距离应不小于帷幕孔间距 排水孔与防渗帷幕下游侧的距离应不小于帷幕孔 中心距的中心距的 1 21 2 倍 且不得小于倍 且不得小于 2 4m2 4m 主排水孔间距一般 主排水孔间距一般 在在 3m3m 左右 辅助排水孔间距一般为左右 辅助排水孔间距一般为 3 6m3 6m 孔径不宜小 孔径不宜小 于于 15cm15cm 深度 主排水孔深度在两岸坝肩部位可采用帷幕孔深的深度 主排水孔深度在两岸坝肩部位可采用帷幕孔深的 0 40 4 0 750 75 倍 河床部位孔深不大于帷幕孔深的 倍 河床部位孔深不大于帷幕孔深的 0 60 6 倍 但不应小于固结灌浆孔的深度 倍 但不应小于固结灌浆孔的深度 排水平洞 对高坝以及两岸地形较陡 地质条件较复杂排水平洞 对高坝以及两岸地形较陡 地质条件较复杂 的中坝 宜在两岸设置多层排水平洞 加钻排水孔 组的中坝 宜在两岸设置多层排水平洞 加钻排水孔 组 成空间排水孔洞系统 成空间排水孔洞系统 二 拱坝防渗处理实例 A 小湾水电站枢纽工程坝体是混凝土双曲拱坝 小湾拱坝混凝土总 量达881 0 104m 最大坝高294 5m 大坝位于高地震烈度区 大坝建成后总水推力高达1660 104t 为降低坝踵处的拉应力 防 止小湾高拱坝运行期上游面坝体及坝踵局部开裂漏水 避免高压水 进人坝体裂缝或坝踵裂缝导致水力劈裂 需要在拱坝上游面坝踵附 近及高应力区域设置辅助防渗体系 本工程采用喷涂聚脲及粘贴GB 柔性板防渗施工的情况 实践证明 在高拱坝上游坝面采用综合防 渗方案及施工技术可行 大大提高了坝体安全性 小湾水电站拱坝 上游面第一阶段防渗采用喷涂聚脲 GB密封板防渗方案 其中GB密封 板主要起到限制混凝土裂缝张开后的表面聚脲自由滑动 避免聚脲 厚度变薄 同时起到第二层防水作用 该项目的实施获得阶段性验 收及相关专家的认可 防渗效果良好 B 砌石拱坝中钻孔固结灌浆技术在防渗加固应用中 1 本 灌浆工程在298 个灌浆段内共灌入水泥干料386 7t 平均每米耗灰 278kg 无可置疑 这些水泥对填充砌石坝体内的裂隙 或孔穴 提高砌石体的强度起积极的作用 2 所有资料表明 本主坝砌石质量较差 砌石间砂浆不饱满 存 在较多的贯通性裂隙 因此灌浆前钻进及压水均无回水 绝大多数 试段透水率q 338Lu 属极强透水等级 经过灌浆后 砌石体透水 率q 值在0 1 10 0Lu 之间 降到微 弱透水等级 检查孔钻取 的岩芯呈长柱状 灰浆充填密实 可见本工程灌浆补强防渗效果显 著 基本上达到工程除险加固的目的 三 土石坝的防渗处理 土石坝 Embankment Dam 使用当地材料 土料 石料 采用一定 的施工方法 抛填 碾压 水力 填筑的挡水坝 一 渗透破坏主要形式 a a 管涌 指在渗流作用下 土中的细颗粒由骨架孔隙通道中被 带走而流失的现象 无粘性土 b 流土 指在向上渗流作用下 表层局部土体被顶起或是粗细 颗粒群发生浮动而流失的现象 前者多发生在表层为黏性土或其 他细粒土组成的土层中 后者多发生在不均匀砂土层中 c 接触流土 指在渗流系数相差悬殊的两种土层交界面上 由 于渗流垂直于层面流动 将渗流系数较小土层中的细颗粒带入渗 流系数较大的土层中的现象 d 接触冲刷 指渗流沿着渗流系数不同的两种土层接触面上或 是建筑物与地基接触面上流动时 将细颗粒沿接触面带走的现象 前两种渗流变形主要出现在单一土层中 后两种渗流变形则 多出现在多种土层中 渗流变形可在小范围内发生 也可发展至 大范围 导致坝体沉降 坝坡塌陷或形成集中的渗流管道等 危 及坝的安全 二 土石坝防渗处理 1 1 防渗体 指该部位土体比坝壳其他部位更不透水 它的作用 是控制坝体内浸润线的位置 并保持渗流稳定 土质防渗体 心墙 斜墙 应用最为广泛的防渗结构 其塑性指数 Plastic Index 8 10 渗透梯度不致产生渗 透破坏 下游坝体浸润线和渗透量低于允许值 满足结构 和施工要求 沥青混凝土或钢筋混凝土防渗体 沥青混凝土 Asphaltic 可作心墙 Core 或面板 Deck 钢筋混凝土 Reforced Concrete 一般仅用于堆石坝 沥青混凝土 Asphaltic 面板 塑性 Plasticity 柔性 Flexibilty 好 抗渗性能好 10 7 10 10cm s 注意与防渗墙 廊道 齿墙等的连 接 水下沥青混凝土一般不老化 钢筋混凝土 Reinforced Concrete 面板 主要用于堆石坝 重要坝型 工程量小 面板兼作护坡 滑模施工面板快 施工干扰小 面板容易检修 面板的混 凝土耐久性与防渗性 防止裂缝底座的地基一般为新鲜岩 石 1 2 排水与地下轮廓 排水 Drainage 注意反滤 Filter 棱体 贴坡 褥垫 网状 竖式排水 地下轮廓 垂直防渗 截水槽 Cutoff Trench 混凝土防渗墙 Cutoff Wall 帷幕 Curtain 水平防渗 铺盖 Blanket 2 土石坝的岩基处理 II 防渗 Seepage Control 处理 粘土截水槽或混凝土截水墙 浅透水层 帷幕 Curtain 灌浆 Grout 较深透水层 普通水泥灌