引堤填方渠基础渗漏原因分析及处理措施

引堤填方渠基础渗漏原因分析及处理措施

1渠坡表面集中渗漏阳武运河是湖北省王英水库灌区的一般渠道。狮子头险段（k14.800k14.900）位于咸宁区咸宁区清溪市梅岐村。在灌区供水时,该险段渠道右侧外坡脚一直存在较小的渗漏,且有逐年在增大的趋势。2013年8月1日开始秋灌,8月10日狮子头险段渠道的输水流量为17.0m3/s,水深3.2m,渠道(K14+834~K14+849、K14+859~K14+879)右侧外坡脚出现两处明显的集中渗漏出水点,见图1,渗水量约为0.3m3/s。8月12日,渗漏险情处的渗流量明显增加,坡脚冲刷加剧,由于有重要的灌溉任务,要保证灌区不间断供水,水库管理局不得不在边供水的情况下组织劳力在坡脚渗出处附近的渠道迎水面寻找集中渗漏入口通道,同时在渠道外坡脚渗出处设置砂石反滤层控制险情。反滤层自下而上依次为黄砂、2~4cm粒径碎石、4~8cm粒径碎石,厚度均为20cm。由于渠坡陡、滑,加上渠水流速大,在供水期间没有找到渠道迎水面集中渗漏的入口通道,渠基础一直被较大的渗漏水流冲刷。灌区抗旱输水结束后,渠内无水,却在外坡脚渗漏逸出处Ⅱ下游30m的渠道(K14+900)左侧边坡混凝土衬砌底部发现较大的破损空洞。2渠基础材料渗漏量大的计算根据现场实地勘察、地质钻探,结合该渠段以前的相关设计资料分析,渗漏的根本原因主要有以下两方面。(1)填方渠基础未进行密实处理。狮子头险段渠道傍山而建,坐落于半山腰,见图2。渠基础左侧是山体开挖后的岩基,右侧基础基本上是采用左侧的表层分化岩石开山料,基础未进行密实处理。1977年该险段渠道曾发生溃口,1999年在灌区节水改造工程处理时,渠底仅进行了清基整平,未彻底进行密实处理,渠底地基存在石灰岩和回填破碎岩石的结合面,地基渗透系数大,而渠道(K14+900)下游主要为土质渠堤,渠道边坡和渠底的土料经过夯压后密实度高,渗透系数较小。渠道输水时,渠道(K14+845)设计水位和右侧外坡脚有8.35m的水头差,使渠底地基中的渗透力较大。在渗透力的作用下,渗透水流沿着渗流阻力小的渠基础不断发展,将破碎岩石骨架中的大量细颗粒土料带走。根据事后现场的灌浆钻孔显示,渠道(K14+900)上游的渠基础右侧只是碎块岩石,部分存在10~20cm的空洞;在对渠底地基进行充填灌浆处理时,浆液吸浆量特别大,其中渠基础充填灌浆施工时配置水泥黏土浆液消耗84m3黏土和35.7t水泥,另外在空洞较大处采用黄砂充填,并用水泥浆灌浆,消耗12m3黄砂和33.2t水泥。而对渠道(K14+900)下游地基进行灌浆处理时浆液几乎灌不进去,说明渗漏向未经密实处理的上游渠基础延伸发展,未向下游密实的土质渠基础渗透。虽然渠基础的破碎岩石骨架中部分细颗粒土料被渗透水流挟带走形成渗漏通道,但渠基础右侧回填的作为主要骨架的破碎岩石仍然是基础承载力的保证,才使渠基础在如此长时间渗流冲刷后没有发生溃缺,渠道右侧浆砌石挡墙渠堤没有大的变形。(2)简单的表层处理难以满足长期防渗要求。1999年,灌区续建配套与节水改造工程中对该渠段的整治实施方案是:渠底清基整平后铺5cm厚砂石垫层,渠底和边坡用10cm厚C15混凝土衬砌,混凝土衬砌内设置直径为6mm的冷拉钢丝,衬砌每隔8m设置横向伸缩缝,缝宽2cm,用沥青衫板嵌缝。混凝土板防渗衬砌横向伸缩缝处易成为渗漏的前端入口,同时,渠道(K14+900)左侧边坡恰好处于石灰岩山体和下游土质渠堤的过渡段,混凝土衬砌下的岩层和土层会形成不良的结合面。分缝处的渗漏水先会带走结合面处的细颗粒土料,随着渗透破坏的发展,继而会带走较大的土颗粒,最终导致渠道混凝土衬砌横向分缝处底部下面的填土被渗透水流掏空。在渠道水位较高时,混凝土板底部失去基土支撑不能承受水压力便会产生破损,此次混凝土板防渗衬砌形成的破损空洞沿伸缩缝长1.2m,宽0.2m。结合ANSYS有限元软件对渠坡混凝土衬砌横向分缝处底部后面填土被掏空后的受力、变形进行计算分析。模型不考虑混凝土压碎,为了使计算结果顺利收敛,在混凝土板衬砌后面增加刚性垫片,填土被掏空处不设置刚性垫片。(1)模型尺寸。混凝土板衬砌长8m,板厚0.1m,高4.06m,边坡坡比1∶2.40,脚槽宽0.3m,高0.4m,压顶宽0.3m,高0.15m。衬砌底部被掏空而未设置刚性垫片的尺寸沿渠坡为1.2m,宽1.0m。(2)计算参数。边坡混凝土强度为C15,弹性模量E=22GPa,泊松比v=0.2,轴心抗拉强度标准值为1.27MPa,裂缝张开传递系数为0.35,裂缝处闭合传递系数1,关闭压碎开关。钢筋为双线性随动硬化材料,弹性模量E=200GPa,泊松比v=0.25,屈服应力为360MPa,硬化斜率为2000,配筋率为0.00335,沿长度方向和宽度方向布置钢筋。(3)单元类型及网格划分。混凝土衬砌模型采用三维8节点六面体SOLID65单元,刚性垫片模型采用三维8节点六面体SOLID45单元,整体模型单元总数为939822个,节点总数为199998个。(4)约束条件。刚性垫片底部面和脚槽底部面为X、Y、Z3个方向都约束的固定边界面,其他各边界面为自由面。(5)计算工况及荷载。渠道为加大水位工况,水深为3.2m。渠坡混凝土衬砌横向分缝处底部的填土被掏空后的应变计算结果见图3,应力计算结果见图4。由图3可知,混凝土衬砌后填土被掏空处横向伸缩缝处中部的位移最大,变形量为0.84mm,而图4混凝土衬砌后基土被掏空边缘处的拉应力较大,最大拉应力为0.95MPa,最大压应力为0.42MPa。根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)可以查出C15混凝土的抗拉设计强度为0.91MPa,抗压设计强度为7.2MPa。故经计算分析可知,在3.2m的水头作用下,混凝土衬砌所受的拉应力会超过了C15混凝土的抗拉设计强度。另外,混凝土施工质量问题和渗漏对混凝土的溶蚀破坏会降低混凝土的强度。由于渠坡混凝土衬砌横向伸缩缝处于模板边缘部位,在施工时往往不能振捣密实,且养护不到位时,混凝土的设计强度不能得到保证。而分缝处长期的渗漏易对混凝土产生溶蚀破坏,当混凝土水泥水化产物中的氢氧化钙含量被溶出25%时,混凝土的抗压强度要下降50%,氢氧化钙含量溶出超过33%时,混凝土将会完全失去强度而松散破坏。因此,当渠道(K14+900)混凝土衬砌分缝处发生渗漏时,衬砌后面的土体被逐渐淘刷后形成空洞,混凝土板会失去基土支撑,同时因施工的质量问题和长期渗漏的溶蚀破坏会降低混凝土的强度,在渠内水位较高,混凝土中的拉应力大于抗拉强度时,混凝土板衬砌便会破损,从而在迎水面形成集中渗流入口通道,加剧了对渠基础的冲刷破坏。3充填灌浆施工结合地勘资料,提出了破损衬砌修补和渠基础充填灌浆的处理措施。(1)破损衬砌修补。先拆除破损空洞周围的混凝土,直至破损处底部基础无空洞后,用黏土将空洞处回填夯实。然后用切割机将拆除的混凝土衬砌周边切割平整,在上面铺1mm厚土工膜,再现浇10cm厚C20混凝土衬砌,新老混凝土衬砌之间预留2cm缝,待新混凝土衬砌凝固后在缝中灌M12.5砂浆,将灌缝充填完整,不留空隙,并做好砂浆定期洒水保养。(2)渠基础充填灌浆。由于渠底地基破碎岩石骨架中的细颗粒土料被渗透水流淘空,形成渗漏通道,因此,必须对渠底地基进行充填灌浆处理。这样做不仅可以将地基破碎岩石内部的空洞、裂隙充填饱满,堵塞渗漏通道,还能增加渠基础的密实度,提高地基的承载力,防止浆砌石挡墙的失稳破坏。充填灌浆的施工工艺主要包括:(1)灌浆孔布置。灌浆孔采用小型钻机钻孔,布置范围为渠道桩号K14+800~14+920;采用双排布置,每排灌浆孔轴线距渠底和边坡交界处1.0m,孔距2.0m;灌浆孔深度取1.5m,灌浆孔孔径采用10cm。造孔灌浆按两序造孔,在灌浆时先对第一序孔轮灌,待其灌浆结束后,再进行第二序孔灌浆。(2)灌浆材料。采用水泥黏土浆,可根据现场实际具体情况进行调整,宜选用失水性快、体积收缩小的中等黏性土料来配置浆液,黏粒含量在20%~45%为宜;在保持对孔洞、裂隙足够的充填能力条件下,浆液的稠度愈大愈好,泥浆的密度控制在1.30~1.60g/cm3。在灌浆过程中,当发现渠道右侧外坡脚存在冒浆现象时,应停灌,待其凝固后再根据“少灌多复”的原则进行灌注,同时宜在灌浆材料中掺入速凝剂水玻璃,以加速水泥黏土浆的凝结及硬化。(3)灌浆压力。灌浆方式采用静压充填式灌浆,灌浆的注浆管上端孔口压力一般应不超过50kPa。灌浆压力应通过施工现场试验确定后根据实际情况进行调整。(4)灌浆结束标准和封孔。当浆液升至灌浆孔口,对渠基础连续复灌3次不再吃浆,即可终止灌浆。灌浆结束之后应用混凝土把灌浆孔封堵密实。该渠段处理完毕后,