黄壁庄水库副坝除险加固措施优化研究

黄壁庄水库副坝除险加固措施优化研究黄壁庄水库副坝除险加固措施优化研究 内容摘要 内容摘要 黄壁庄水库副坝是枢纽中防洪地位最重要的 同时 也是存在 问题最多 最严重 危险性最大的一座建筑物 坝长 6907 3m 最大坝高 19 2m 坝体为均质土坝和部分水中填土坝 人工水平铺盖防渗 存在严重的渗 漏问题 使大坝下游出现冒砂 塌坑 出渗等现象且日趋恶化 虽经 20 余 次的加固 补强 加厚及加长 但仍不能解决大坝裂缝 塌坑等问题 经对加 固方案的试验研究 充分的论证分析及防渗措施的优化比选 采用坝顶组 合垂直防渗方案 建成了 30 万 m2 的混凝土防渗墙 实现了标体兼治的效果 关键词 关键词 土坝 措施 加固 防渗墙 优化设计 中图分类号 中图分类号 TV698 23 文献标识码 文献标识码 B TheThe optimaloptimal researchresearch ofof reinforcementreinforcement measuresmeasures inin thethe secondsecond damdam ofof HuangbizhuangHuangbizhuang ReservoirReservoir GUGU HUIHUI Hebei Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower Tianjin 300250 china AbstractAbstract The second dam of Huangbizhuang Reservoir is in the key position of flood control and at the same time it is also the most dangerous building with the most problems It is a homogeneous dam with length of 6907 3 m and crest elevation of 19 2 m The artifi cial horizontal blanket to prevent seepage brings about serious leakage which causes sand emits collapses the pit and leakage downst ream dam and the situation is worsens day by day Such problems as dam cracks and sinks could not be solved though it has been more than 20 times of reinforcement remedy thicken and lengthen The crest associated vertical impervious scheme which was analyzed and demonstrated sufficiently was adopted and a concrete cutoff wall of 300 000 m2 was built and excellent result was obtained KeyKey words words earth dam measure reinforcement cutoff wall optimal design 水资源是人类生存和发展不可替代的资源 随着世界人口的增加 社会经 济的发展 人类对水资源的需求量愈来愈大 而水污染及水资源供需矛盾日 趋加剧 水资源开发 利用 管理和保护问题日趋复杂 怎样实现可持续地水 资源开发已经成为全世界共同面临的问题 水资源开发 通过水利工程和 系统管理将资源转化成人类需求的产品 它包括了生产 交换 分配和消费等 阶段的整个经济系统 不仅是一个技术管理问题 更是一个协调人与自然的 生态系统和人与人之间的经济利益关系的问题 不仅协调当代人之间的利益 而且要协调不同代人之间的经济利益 水资源具有流动性带来的产权难以界 定 水资源使用的外部效应 防洪减灾的公共产品性质 供水 水电的自然垄 断性质以及水环境的复杂性 水文化的广泛性等 与其他自然资源有很大区 别 从事水资源的开发 利用 管理和保护工作 就需要从资源的自然特性和 经济特性出发 研究和发展包括水资源经济学和水利工程经济学在内的水利 经济学 水利经济学可概括为是一门应用工程经济学的基本原理 研究水利工程经 济问题和经济规律 研究水资源的优化配置 寻求技术与经济的最佳结合以 求可持续发展的科学 1 1 引引 言言 黄壁庄水库工程于 1958 年动工兴建 设计坝顶高程 122m 1963 年海河流 域南系发生特大洪水后 根据复查修正的水文分析成果进行了扩建 1968 年竣 工 由于运行中发生了一些问题 曾于 1972 1995 年 10 余次对坝后排水减压 设施及坝前铺盖进行更新改造和加固补强处理 副坝坝顶高程 129 2m 坝顶宽 6m 上游坝坡采用干砌石护坡 河床部位平 均坡度约 1 4 下游采用卵石护坡 河床部位平均坡度约 1 3 副坝坝体为 均质土坝 其中 420m 为红土碎石夯实坝 1684 3m 为碾压坝 填筑高程 121 5m 其余部分均为水中填土坝 副坝人工铺盖始建于 1960 年 经过 20 余次的加固 补强 加厚 加长 仍存在严重的裂缝 塌坑现象 铺盖产生的贯穿性裂缝大幅度降低了铺盖的防 渗效果 使坝基地下水位升高 大大加重了减压井的负担 下游的冒砂 塌坑 出渗等渗流问题日趋恶化 如果减压井发生渗透破坏并导致排水失效 严 重威胁副坝的安全 为提高大坝的安全度 必须进行防渗处理 在设计中对水 平防渗和垂直防渗方案进行了比选论证 2 2 水平防渗方案水平防渗方案 副坝水平防渗采用 3 种方案进行比选 加厚铺盖方案 抛土自愈方案和土 工膜防渗方案 2 1 加厚铺盖方案 将现有铺盖普遍加厚 1 5 2m 由于已发生的铺盖裂缝主要原因并非铺盖 厚度不够或铺盖自身质量不好 因此 加厚以后的铺盖在水库蓄水后很难保 证不发生裂缝 同时 加厚铺盖需用土料 275 万 m3 需占用耕地 333 33hm2 由于满足需要的土料非常分散 实施此方案 势必给当地农业生产和人民生活 带来巨大的损失 是不可行的 2 2 抛土自愈方案 铺盖裂缝是否对水库安全造成威胁 需要研究两种可能发生的情况 一种 情况是裂缝串通以后 铺盖上下的水头差很大 形成巨大的梯度及渗透流 速 冲刷裂缝并使之不断扩大 破坏铺盖及其下部的砂砾基础 威胁水库的安 全 另一种情况是 巨大的流速把裂缝上部的土颗粒携到裂缝下部 由于铺 盖下部有一砂层 可以阻止土颗粒通过 从而把裂缝自然填充起来 不致威胁 水库的安全 为验证抛土自愈可行性 进行了试验 2 2 1 试验设备 试验箱 长 2 5 m 高 2 m 宽 0 4 m 分为 4 节 每节高 0 5 m 各节之 间用法兰盘及橡皮封水防止漏水 箱的两侧壁设置 40 个观察窗 每个 8cm 20cm 镶有机玻璃 以观察箱内土样的变化 箱顶设有压力表 排气阀 侧面有进 水口及出水口 见图 1 水源 靠自来水及水泵供给 用阀门控制 最大水 头可达 12m 2 2 2 试样 共有两种试样 一种是铺盖的土样 一种是铺盖下部的砂样 副坝铺盖的面 积很大 土料的类别和特性各处不同 共选了 3 种土样 即 2 号 3 号 4 号土 样 其物理特性如表 1 所示 表 1 土样物理 特性表 2 2 3 试验方法 在试验箱的底部铺 2cm 厚的砂 上部为厚 138cm 土料 土料自下而上依次 为 3 号土料 厚 38cm 干容重 d 13 4kN m3 含水量 27 6 4 号土料 厚 44cm d 14 8kN m3 含水量 18 4 2 号土料 厚 56cm d 15 2kN m3 含水量 18 3 在土体中设 4 条裂缝 其中两条为通缝 穿过全部土层 缝 宽分别为 1cm 和 2cm 另两条未穿过土层 深度均为 l00cm 各缝全设在试验箱 的玻璃窗口处 以便通过窗口观察冲淤变化过程 见图 2 土样铺放完毕 固定箱的顶盖 开始充水加压 初始水压为 40kPa 通过裂缝 的水力梯度为 I 2 9 24h 后增至 80kPa 相当 I 5 8 40 h 后增至 120kPa 相 当 I 8 7 2 2 4 试验结果 开始注水时 通过小玻璃窗能发现缝的上部被冲刷 下部被淤填 随着水 压的升高 上冲下淤的现象逐步发展 尤以两条通缝更为明显 最后缝的顶 部形成漏斗 缝内全部填实 与现场观测的现象十分吻合 在两次试验中 缝 的冲淤过程基本相同 在通缝的底部 只有少量的细土颗粒侵入下部砂层 1 2 mm 未发现土料的流失现象 从而可以证明 粘性土铺盖下面的砂层发挥 了很好的反滤作用 水压加到 120kPa 时 土体表面有明显的下沉 放水卸荷 以后 土体有回弹现象 在回弹过程中 由于局部土体受拉 发现少量的水平 裂缝 土体最后的纵断面如图 2 所示 2 3 土工膜防渗方案 以土工膜为防渗材料用于水平铺盖与坝体上游坡的防渗 即在原有铺盖上 敷设土工膜 用以代替壤土铺盖 土工膜材料柔性好 抗拉强度高 可适应 变形和不均匀沉降 截断库水位与裂缝的联系 防止水力劈裂和裂缝渗流的产 生 对铺盖的现有裂缝起到稳定和保护作用 在整个副坝的上游坝坡敷设土 工膜 可以截断入坝裂缝的渗流通道 解决坝身存在的隐患 在采用土工膜防 渗的同时 对坝后排水减压设施进行更新改造 降低坝基渗透曲线 减缓渗 透比降以防止坝后渗透破坏 3 3 垂直防渗方案垂直防渗方案 垂直防渗设计进行了 3 个综合处理方案的比选 坝顶组合垂直防渗方案 坝顶垂直防渗方案和坝脚垂直防渗方案 3 1 坝顶组合垂直防渗方案 3 1 1 防渗墙防护长度的确定 以坝顶垂直防渗墙为主 结合两端高喷防渗为辅 坝顶裂缝采用挖除回填 的处理方案 垂直防渗墙采用混凝土槽板式搭接型 防渗墙轴线位于坝轴上游 3 4m 处 即防浪墙位置 防渗墙完成后与上部混凝土防浪墙相连接 形成整体防渗结 构 左岸桩号 0 840 至重力坝刺墙间 由于基岩埋深较浅 其覆盖层深度在 30m 以内 采用高压旋喷法成墙 底部与基岩相接 右岸桩号 6 550 至桩号 6 750 由于地势的上升坝高 最大坝高不足 6 m 坝基高程已达 123m 以上 采 用高压摆喷法成墙 墙底嵌入基岩 0 5m 以满足防渗要求 3 1 2 防渗墙顶高程的确定 采用坝顶组合垂直防渗方案时 防渗墙顶的确定考虑以下几个方面的问题 解决坝基 坝后渗透稳定及截断坝体横向裂缝 防渗墙施工需要一 定宽度的工作面 坝顶需下挖一定深度后方能取得 防渗墙施工完毕后恢复至 原高程 防渗墙施工满足水库的蓄水和防洪调度的要求 为使坝顶防 浪墙满足稳定 坚固和不透水且与坝防渗体紧密结合的要求 防渗墙顶高程不 宜过低 满足防洪高度的需要 防渗墙顶高程为 127 0m 比坝顶高程确 定低 2 2m 3 1 3 防渗墙底高程的确定 从钻孔资料分析 桩号 P0 000 P3 200 段为硅质灰岩 大部分岩体为弱风 化 桩号 P0 380 以左及桩号 P0 612 P0 012 段为强风化 强风化厚度为 8 10 m 桩号 P3 200 以右段 绝大部分基岩为千枚岩与大理岩互层 强风化厚度 较大 一般为 15 20 m 少部分为全风化 桩号 P3 200 P3 788 段 全风化 厚度为 15 20m 经三维渗流稳定分析 确定弱风化带入岩 1 0m 强风化带人 岩 1 5m 千枚岩与大理岩互层段 强风化带入岩 4 0m 全风化带入岩 2 0m 为提高岩体的允许渗透比降 对溶洞发育段和构造破碎带进行帷幕灌浆 3 1 4 防渗墙厚度的确定 抗蚀年限验算 根据工程重要程度 一般要求抗蚀年限为 100 200 年 计 算采用的经验公式为 t 防渗墙承担的水头 水库正常蓄水位 120m 校核洪水位 128 0m 由于防渗 墙的作用会降低下游水位 按下游水位降至 95m 高程计 防渗墙承担的最大 水头为 33m 防渗墙混凝土的抗渗标号取 S8 渗透系数为 2 6 10 9cm s 防 渗墙厚度按 80cm 计 经计算 防渗墙抗蚀年限大于 200 年 强度验算 防渗墙底部打人基岩 按底部铰接 顶部为自由端 假设防渗 墙为半无限地基上的梁计算内力 按墙身 100 号混凝土墙厚 80cm 即能满足强 度要求 混凝土防渗墙墙体允许水力坡降达 80 以上 承受的水力坡降为 41 在允许范围以内 坝体稳定复核 采用坝顶垂直防渗墙 墙体将坝段劈为上 下游两个近似 梯形断面 当水库蓄水运用时 由于防渗墙的存在 墙后坝身的浸润线比 原坝身的浸润线有大幅度的降低 使下游坝坡的抗滑稳定安全系数提高 对坝 坡抗滑稳定有利 但墙前的坝体 长期处于蓄水位以下 土体达到饱和状 态 当库水位下降时 土体中的孔隙水短时间不易排出 在孔隙水向上游坝坡 排出的过程中所形成的渗透水压力 对上游坝坡的抗滑稳定不利 为此 当采用坝顶垂直防渗墙时 对上游坝坡的抗滑稳定进行了验算 计算成果表明 坝顶组合垂直防渗方案时 上游坝坡抗滑的稳定性是安全的 3 2 坝顶垂直防渗方案 以坝顶混凝土防渗墙为主 结合右坝端坝坡土工膜防渗 坝顶裂缝仍采用 挖除回填的方法进行处理 垂直防渗墙采用混凝土槽板式搭接型 防渗墙轴线位于副坝 A 轴上游 3 4m 处 即防浪墙位置 防渗墙完成后与上部混凝土防浪墙相连接 形成整体防 渗结构 防渗墙左起重力坝刺墙桩号 0 277 防渗墙折 90o 角与重力坝刺墙连接 右至桩号 6 038 止 总长度为 5761m 桩号 6 038 以右坝体为水中填土筑成 坝 体质量差 为了防止挡水时坝体出现险情 在上游坝坡上铺设土工膜 作为坝 体防渗设施 桩号 6 003 7 000 坝坡铺设土工膜 坝顶垂直防渗方 案 实施后 铺盖裂缝可不再进行处理 坝后渗透破坏将不治自愈 坝体自身 隐患可以解决 3 3 坝脚垂直防渗方案 与 坝顶垂直防渗方案 的主要区别是将防渗墙位置由坝顶移至上游坝脚 处 坝身隐患通过在坝坡上铺设土工膜解决 土工膜下部与防渗墙连接 上 部与混凝土防浪墙相连 构成防渗体系 防渗墙的形式 厚度和长度与 坝顶 垂直防渗方案 相同 桩号 6 038 以右的处理方案及坝后补水措施与 坝顶 垂直防渗方案 相同 防渗墙的顶高程由坝体断面尺寸 坝前地形和水库调度 运用确定 坝坡土工膜的铺设 土工膜铺设前 先将上游坝坡块石 滤料和防浪墙清 除 挖好锚固槽 平整基面 然后进行锚固与铺设 土工膜通过钢板用螺栓 锚固在防渗墙顶端 并在钢板 螺栓上涂刷沥青 以防锈蚀 便于更换土工膜 坝脚土工膜嵌入壤土内 上部填筑厚 3m 的粘性土作为保护层 在坝坡上每 隔 20m 设一锚固槽 对斜坡上的土工膜进行锚固 土工膜上面 为保护其免遭 外部破坏 铺设滤料和干砌块石 4 4 结语 结语 抛土自愈方案节省投资 在处理铺盖裂缝时做过自愈试验 取得一定效果 但存在以下问题 依靠抛土由渗流带入裂缝进行充填自愈的方法是以铺 盖发生贯穿性裂缝并在裂缝中形成渗流为先决条件的 没有足够的渗流流速 土颗粒就不能带到裂缝深处并充填裂缝 而铺盖仍有可能发生贯穿性裂缝的 危险 根据测缝计观测资料可知裂缝是随着水位变化而变化的 当每次水位变 化时已充填自愈的裂缝还将开裂 特别是大洪水高水位时裂缝宽度变化更 大 因此 抛土自愈的方法既是冒着风险处理裂缝的方法 还是要多次反复实 施的方法 根据铺盖裂缝处理试验和多次放水观测 堆土或抛土在水的作 用下会均摊到整个铺盖表面上 进入裂缝充填自愈的土料仅占很小部分 因此 需要抛入大量的土料才能收到一定的效果 此外 抛人的松土还可能掩盖住 一部分裂缝的表面而不易被发现 同时抛到铺盖表面的土料还会作为外荷载增 加铺盖的沉降 加剧裂缝的发展 对于入坝缝不能采用抛土自愈的方法 处理 而当近坝的铺盖裂缝发生贯穿性渗流时 势必会增加入坝裂缝的条数和 宽度 对坝体安全带来不利影响 从防洪和水库调度运用上分析 土工膜水 平防渗方案施工期水库需要腾空到死水位以下 影响水库蓄水 度汛也比较困 难 经计算两年施工期对农业 发电和城市 电厂供水损失经济效益 3 3 亿 元 水库供水财务损失 6292 万元 而 坝顶组合垂直防渗方案 不影响水库正 常蓄水 对防汛的影响最小 从工程管理角度分析 土工膜水平防渗方案在运行过程中自身易出现问题 土工膜在大范围内铺设 工程管理有困难 人为破坏难以避免 施工中土 工膜易被刺破 而且土工膜寿命一般为 30 年 到期需进行更换 从工程管理的 角度看 坝顶组合垂直防渗方案 寿