云南麦子河水库大坝病害分析与除险加固工程

云南麦子河水库大坝病害分析与除险加固工程

1大坝防渗的新技术在中国不同时期修建的大坝大多是土石坝。特别是，由于项目资金、技术和施工条件的限制，大部分初期建设项目的变形和渗透稳定性难以满足规范要求，这已成为影响项目安全运行和使用寿命的主要因素。病险水库大坝除险加固防渗处理方案的选择,影响工程的投资、施工质量和进度的控制、枢纽工程建筑物的安全,是工程建设中的关键问题。近些年来,坐落于软弱地基上的病险水库大坝,根据不同的地质条件、大坝病险原因、防渗处理范围所采用的施工新技术——高压喷射灌浆防渗技术、振动沉模防渗板墙技术、混凝土防渗墙技术、深层搅拌桩技术、劈裂帷幕灌浆技术、土工膜防渗技术和级配料灌浆技术等进行大坝加固防渗处理的施工,均取得了良好的防渗效果。[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]本文针对麦子河水库大坝修建于第四系湖积层(QL)基础之上、副坝坝基存在液化现象、大坝填筑质量差、防渗系统存在多种病害以及主副坝防渗处理深度不同的特点,进行大坝除险加固防渗处理的研究,采用综合防渗技术治理病险水库大坝,达到工程除险加固的目的,为其它类似工程病害问题的解决提供借鉴。2“s1d”岩“c3d”麦子河水库地处云南省曲靖市陆良县境内,距陆良县城8km,是位于珠江流域上游南盘江一级支流麦子河上的中型水利工程,始建于1955年1月,同年8月竣工并投入运行。水库控制径流面积52.3km2,总库容1430万m3,是一座以灌溉为主,兼顾防洪、水产养殖等综合利用的骨干水利工程,担负下游陆良县城、西召高速公路和326国道的防洪任务,设计灌溉面积3.6万亩,防洪保护面积3.0万亩,保护人口15万人。但由于水库病险因素限制蓄水,实际灌溉面积仅有2.14万亩。工程区位于陆良盆地南部边缘,为平缓开阔的湖积堆积地貌,地形较平坦,局部受小冲沟切割,地面呈凹凸起伏形状,主河道两岸为平缓台地。麦子河在水库坝址以上是由多条冲沟汇入的宽浅型河流,在坝址以下变窄,河宽不到8m,在盆地内流长约7km汇入南盘江。坝址区地层上部为第四系湖积层(QL-1)粉质黏土及粉土、(QL-2)粉细砂、(QL-3)黏土,下部为第三系(N2)半固结粉细砂层,下伏基岩为石炭系下统大塘组(C1d)灰岩,表面溶蚀明显,与上覆地层呈不整合接触;主坝河床段坝基上部为不连续的第四系冲洪积层(Qapl)砂质黏土夹卵砾石。东、西副坝地基(QL-1)粉土层、(QL-2)粉细砂层均存在不连续的点状液化现象。主坝河床段第四系冲洪积层(Qapl)属弱透水层,渗透系数1×10-4~1×10-5cm/s;第四系湖积层(QL-2)属中等透水层,渗透系数3.4×10-3~7.24×10-4cm/s,厚约5~10m,其下(QL-3)层及第三系(N2)层属微透水层,渗透系数1×10-5~1×10-6cm/s,为相对隔水层,厚10~15m;下伏(C1d)灰岩属弱~中等透水层,渗透系数3.9×10-4cm/s,不存在接触冲刷或潜蚀破坏。左右岸地基上部第四系湖积层(QL-1~2)属中等透水层,渗透系数1.06×10-3~2.48×10-4cm/s,厚15~20m,其下(QL-3)层及第三系(N2)层属微弱透水层,渗透系数3.9×10-4~2.3×10-5cm/s,为相对隔水层,厚10~20m;下伏基岩(C1d)岩溶发育,接触带有淘空和溶蚀现象,存在严重的接触冲刷或潜蚀破坏,埋深大于15m。东副坝地基上部第四系湖积层(QL-1~2)属强~微透水层,渗透系数3.3×10-2~5.45×10-5cm/s,厚13~15m;下部(QL-3)层及第三系(N2)层为相对隔水层,渗透系数1.62×10-4~8.7×10-6cm/s,厚度5~20m;下伏基岩(C1d)埋深大于22m,透水率为30.5~170.9Lu,属中等~强透水性。西副坝坝基上部第四系湖积层(QL-1~2)属中等~弱透水层,渗透系数2.23×10-3~6.97×10-5cm/s,厚度10~13m;下部(QL-3)层及第三系(N2)层为相对隔水层,渗透系数4.84×10-5~4.64×10-6cm/s,厚度8~15m;埋深大于25m的下伏基岩(C1d)属中等~弱透水性,透水率为10.5~0.3Lu。水库枢纽工程由主坝和东西二座副坝、输水低涵、溢洪道组成。主坝为均质土坝,坝顶高程1870.0m,最大坝高21.2m,坝顶长670.0m,坝顶宽5.0m,上游坝坡为1∶3.0、1∶4.5、1∶6.5,下游坝坡为1∶3.0、1∶4.5、1∶5.0。东副坝位于主坝左侧并与之相连接,两坝轴线交角为130°,东副坝为均质土坝,坝顶高程1869.17~1869.48m,最大坝高4.4m,坝顶长581.0m,坝顶宽4.0m,上、下游坝坡分别为1∶3.0、1∶0.2。西副坝位于东副坝对岸,为均质土坝,坝顶高程1869.22~1869.47m,最大坝高6.0m,坝顶长440.0m,坝顶宽4.0m,上、下游坝坡分别为1∶3.0、1∶2.0。输水低涵位于主坝右岸0+240m处,为坝内有压铸铁承插管,管径Ф1000mm,设计流量7.35m3/s。溢洪道位于西副坝左岸,为有闸控制开敞式溢洪道,堰宽6.0m,全长170m,最大下泄流量25m3/s。3坝体防渗体系由于地质勘探深度不够,枢纽工程主要建筑物均座落在第四系湖积层(QL)上,且未进行相应的基础处理;上坝土料质量不均匀,大坝填筑采用石滚碾和铸铁羊角碾碾压、人工夯压等施工方法,坝体填筑质量差。麦子河水库工程在投入运行后,主坝出现多处裂缝,左坝肩有多处落洞,存在严重的坝体、坝基和绕坝渗漏,曾多次遭遇渗透破坏,下游坝脚处出现涌砂管涌现象、多处发生塌陷并出现沼泽化;工程自投入运行以来的1957—1985年间,多次对主坝及输水低涵进行过加固处理,病险的进一步恶化有所控制,但主坝仍未形成一个整体封闭的防渗体系,渗水依然严重,存在砂沸现象。由于主坝病险因素限制蓄水,东、西副坝的病险问题一直未显现出来,直到1985年主坝除险加固工程结束,水库开始按设计标准蓄水,副坝的病险问题逐渐暴露;东、西副坝下游坝坡在高水位时出现大面积渗漏浸水,渗流逸出点高,坝脚呈沼泽化并有管涌现象、地面呈海棉状隆起,坝基饱和粉土、粉细砂层在遭遇地震时易发生液化现象。1986年库水位蓄至1868.5m、高于正常蓄水位1.4m时,主坝下游观测渗漏量达39.8L/s,涌砂量平均达14.6kg/h;东、西副坝下游坝坡发生大面积浸水现象,多处地段产生涌砂管涌现象,东副坝下游坝坡潮湿面积达1100m2、观测渗漏量达30L/s,西副坝下游坝坡潮湿面积达900m2、观测渗漏量达40L/s。勘探试验资料表明主坝和东、西副坝坝基透水率q>10Lu;主坝坝体由黏土、砂质土、粉土质砂组成,局部夹粉细砂,渗透系数3.2×10-3~1.6×10-5cm/s;东、西副坝坝体由粉砂质黏土组成,渗透系数1.4×10-3~2.2×10-4cm/s。东、西副坝坝顶低于设计坝顶高程0.53~0.83m,东副坝上游坝坡无护坡,西副坝上游干砌块石护坡经过多年运行,破坏极为严重,坡面极不规整;输水低涵管身和工作闸门磨损锈蚀严重、启闭设备老化,加之原溢洪道已废弃,仅靠输水低涵泄洪,防洪标准低于50年一遇洪水,抗洪能力远低于规范要求。工程存在严重的安全隐患,危及水库及其下游安全,导致水库长期处于低水位带病运行状态,极大地影响了水库效益的正常发挥。4东坝后西坝地区固废充填料麦子河水库除险加固工程总体布置是在原工程布置的基础上进行局部调整。对主坝、东副坝和西副坝的坝基及坝体进行防渗加固处理,加高东、西副坝;在主坝右坝肩新建溢洪道,采用有闸控制开敞式宽顶堰型式,堰宽8.0m,设弧形工作闸门,最大下泄流量191.8m3/s(P=0.1%);封堵原输水低涵,在主坝右岸、新建溢洪道左侧采用顶管法新建输水涵洞,为圆形无压洞型式,洞径1.8m,全长318.4m,设计流量7.35m3/s。4.1主水库加固设计4.1.1高压旋喷灌浆加固防渗的应用价值根据主坝坝体和坝基的加固防渗处理深度较深(达18~35m),坝基为第四系冲洪积层(Qapl)砂质黏土夹卵砾石以及第四系湖积层(QL)粉质黏土、粉土、粉细砂、黏土,填筑坝体为均质土坝的特点,在主坝加固防渗处理设计上重点进行了高压旋喷灌浆和高压摆喷灌浆二种加固防渗处理方案的比较研究。高压喷射灌浆技术是将带有喷头的灌浆管下至土层的预定深度,以高压射流使固化浆液与土体结合、凝固硬化地基的施工方法。高压喷射灌浆可灌性好,只要高压射流能破坏的地层均可处理,尤其是夹杂于地层中的各类土,其效果比一般灌注方法更为明显。高压喷射灌浆除使其固结体连接成一体做防渗体外,还可用于软基加固或松散体的整体固化,适宜处理深度较大的主坝坝体及坝基。对主坝左坝肩基础存在的多处落洞和清基不彻底的河床段砂质黏土夹卵砾石层,以各种射流机理加以绕流、位移和袱裹作用将地层颗粒间的较大孔隙、落洞空腔予以充填封堵。主坝高喷板墙与东副坝防渗体、位于主坝坝基下的新建输水涵洞以及穿过主坝坝体的原输水低涵、新建溢洪道等建筑物连接时,高喷射流将所连接的建筑物结构表面冲刷干净与其凝结,并牢固地连接在一起,阻断了与其它建筑物接触面之间的渗漏通道。高压旋喷灌浆板墙厚度是高压摆喷灌浆板墙的5倍,墙体的防渗效果明显、抗老化能力较强。根据大坝渗流稳定分析,采用高压旋喷灌浆加固防渗处理方案,坝体下游坡脚坝基渗透变形安全系数满足规范要求,不需要增设反滤排水,防渗效果明显见表1。采用高压摆喷灌浆加固防渗处理方案,下游坝脚坝基渗透变形安全系数难以满足规范要求,需设置10m长的排水体进行反滤保护,防渗效果不明显,见表1。由于下游坡脚没有布置排水体的地形,且一旦反滤排水失效将影响大坝的安全。因此主坝确定采用高压旋喷加固防渗处理方案。4.1.2防渗线布置方案比选1985年曾对主坝右岸0+100.0~0+330.0坝段、左岸0+450.0~0+675.0坝段进行过高压摆喷灌浆防渗处理,高喷板墙底界下部伸入坝基相对隔水层(QL-3)黏土层、(N2)半固结粉细砂层,高喷板墙顶部高程右岸为1852.5~1864.0m、左岸为1858.0~1864.0m,低于正常蓄水位3.1~14.6m,坝体防渗范围达不到设计要求,而且其它坝段坝体及坝基未采取防渗措施,仍存在渗漏管涌问题,必须进行加固防渗处理。通过对分段防渗处理、新老防渗体结合的防渗线路布置方案和整个坝段进行连续的防渗线路布置方案进行比较,后者投资仅增加207.8万元,占总投资的6.9%,但可消除原高喷板墙可能存在老化失效的安全隐患,避免新老防渗体搭接处理的问题。因此选择对主坝整个坝段进行连续的防渗线路布置方案。防渗轴线位于主坝轴线位置,右坝肩防渗边界至新建溢洪道轴线以外主坝里程0+000.0m处,左坝肩与东副坝防渗轴线相连,形成连续的防渗体,主坝防渗体全长689m;坝基防渗底界透水率为q≤5Lu,防渗体底界伸入相对隔水层(QL-3)黏土内2.0m。高压旋喷防渗处理顶界为正常蓄水位1867.1m。4.1.3纯水泥浆水灰比,空灰比2.通过灌浆试验,设计参数优化为:造孔孔距除主坝两坝肩设计高喷深度小于20m的部分为1.2m外,其余均为1.0m,灌浆用纯水泥浆水灰比1.2∶1,水压>43.8MPa,气压为0.6~0.8MPa,浆压为0.1~1.0MPa,浆流为60~80L/min,进浆密度为16~17kN/m3,提升速度为0.1m/min。4.1.4高喷板墙防渗设计主坝高压旋喷灌浆施工范围与设计防渗边界基本一致,其物理力学检测指标满足设计要求,坝体测压管水位观测数据表明高喷板墙已形成防渗体(见图1)。库水位为正常蓄水位1867.1m时,主坝下游量水堰渗流量观测值——坝前水头18.3m,渗流量3.18L/s,防渗处理施工效果很好。4.2东水库和西水库的加固设计4.2.1坝体及坝坡概况东、西副坝设计坝顶高程1870.0m,坝顶宽度3.2m,上游坝坡1∶3.0,下游坝坡1∶2.0;东副坝坝顶长671.8m,最大坝高5.2m,其右端与主坝连接;西副坝坝顶长608m,最大坝高6.6m。东、西副坝坝顶路面采用泥结石路面,上游坝坡采用干砌块石护坡,下游坝坡采用草皮护坡。东、西副坝进行防渗处理前,先将坝体削至1868.1m高程,待坝体及坝基防渗处理施工完成后再上坝填筑黏土料至设计坝顶高程1870.0m。4.2.2深层搅拌和高压摆喷灌浆结合面由于东、西副坝坝基为地下水位较高的第四系湖积层(QL)粉质黏土、粉土、粉细砂、黏土,砂土颗粒较细,填筑坝体为均质土坝,其坝体和坝基的加固防渗处理深度较浅(12~20m),且没有与其它建筑物交叉结合产生的接触带渗漏处理等问题,因此对东、西副坝拟定深层搅拌桩和高压摆喷灌浆两种垂直防渗处理方案进行比较。深层搅拌法是通过深层搅拌机,沿钻孔深度将固化剂与地基土就地强制搅拌、凝结成水泥土加固体进行加固地基的方法,适用于处理深度小于20m的细颗粒软土地基。根据大坝渗流稳定分析,东、西副坝坝体及坝基采用深层搅拌桩垂直防渗处理措施后,坝基出逸处渗流稳定,不再需要在下游坝坡脚设反滤排水设施,只设置排水沟。深搅桩板墙底部切穿易液化土层,起到部分围封副坝液化地基的作用。经加固防渗处理方案经济、技术比较,东、西副坝采用工程投资比高压摆喷灌浆少近一倍、墙体较厚的防渗性能较好的深层搅拌桩防渗处理方案。4.2.3坝体防渗底界东、西副坝防渗轴线位于坝轴线位置,东副坝右坝肩防渗轴线与主坝防渗轴线相连接,左端防渗线路在0+037.4m处转向库内并延伸60m,防渗体全长637m;西副坝左端防渗边界在原溢洪道左侧0-073.0m处,右端防渗边界在坝肩处向外延伸30m,防渗体全长560m。坝基防渗底界透水率为q≤5Lu,防渗体底界伸入(QL-3及N2)相对隔水层内2.0m。深搅桩防渗处理顶界为1868.1m,并与上部黏土料填筑坝体连接,形成一个整体封闭的防渗体系。4.2.4深地区深环废水深度处理深层搅拌桩使用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥,造孔直径0.6m,孔距0.4m,墙厚0.45m,墙体渗透系数K≤1×10-5,抗压强度R28≥1.5MPa,允许渗透坡降J>50。通过深搅桩试验确定施工采用两序孔,深搅用纯水泥浆水灰比0.7:1,浆液比重16.4kN/m3,提升速度1.2~1.4m/min,水泥掺入比例不小于深搅墙体水泥土的12%。东、西副坝填筑黏土料黏粒含量37%,渗透系数K=8.29×10-7cm/s,最大干容重14.0kN/m3,最优含水量31.3%,抗剪强度Φ=19.5°~26.1°、C=30~32.3kPa,其物理力学指标满足均质土坝填筑设计要求。4.2.5高压摆喷灌浆施工在进行西副坝里程0+230.1~0+268.9段深搅桩施工时,操作平台以下8~9m处碰到坚硬的褐铁矿结核层,深搅桩机械无法继续向下方进占。因此该段高程186