水利工程除險加固設計技術探討

楊朋朋 王婷婷 李良信

摘 要:本文基于多年從事水利工程設計的相關工作經驗,以水庫除險加固設計為研究對象,論文首先分析了水庫建筑中主要出現的問題,進而探討了除險加固設計思路,全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華,相信對從事相關工作的同行有所裨益。

關鍵詞:水庫除險加固設計

中圖分類號:TV5 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0080-02

1工程概況

水庫的總庫能容納1.25億m3,主要用于地方的灌溉與防洪,并利用水能進行發電的綜合大型水庫。水庫的庫區主要建筑物有括主、副兩個壩、發電站、溢洪道等。水庫投放運行至今,在發電、灌溉、養殖、防洪等方面發揮了它的經濟效益與社會價值。

2水庫建筑中主要出現的問題

主壩采用粘土實心墻的砂殼土壩,該壩頂寬3m,底寬25m,由于建壩過程中財力的限制加上施工技術的薄弱、建筑材料的不足,使壩體建筑存在很多遺留的問題,再由于水庫的運行時間比較長因此出現的問題更加突出直接危機到主壩的安全,影響了水庫的正常安全的運行。

2.1 不能滿足主壩壩體的規范要求

(1)主壩心墻和殼體填筑壓實度不滿足。為查清主壩壩體的填筑現狀,采用探井、鉆孔、物探等多種方法在2009年對主壩采取地質勘察。壩體填筑土壓實度平均值心墻為0.86、壩殼土為0.91,均未滿足規范要求。同時壩體土均勻性差、局部壓實度嚴重不足而引起壩體塌陷,心墻土和壩殼土均為中等透水性和壓縮性,阻水性差,水庫運行期間主壩心墻滲透比大于允許滲透的比降,由于滲透導致變形的安全隱患存在。

(2)近壩庫岸不穩定。老虎頭水庫近壩庫岸邊坡為花崗巖殘坡積和全風化土質邊坡,土體厚度一般大于5m,花崗巖殘坡積或全風化土在庫水的浸泡作用下強度降大,邊坡巖性條件差;壩體建于山丘間低埡處,近壩岸坡基本呈凸狀三面臨水,庫岸地形條件不利于岸坡的穩定。

2.2 主壩壩基和壩肩清基不徹底

壩基巖土體主要為弱風化黑云長花崗巖,局部清基不徹底存在河流沖積形成的粗砂粘土透鏡體;左壩肩頂部表層覆蓋薄層花崗巖殘坡積形成的含砂粘土,中部和下部表層為花崗巖全風化土和強風化層;右壩肩表層為花崗巖殘坡積形成的含砂粘土,局部存在有松散耕植土往下主花崗巖全風土和強風化層。花崗巖殘坡積形成的含砂粘土呈可塑～硬塑狀態,中等壓縮性;花崗巖全風化土和強風化層為一般裂隙很發育,巖體破碎、屬碎塊狀結構。通過現場壓水試驗,該層的透水率亦比較大,多數段大于40Lu。由此可見,壩基和壩肩清基不徹底,存在嚴重滲漏,嚴重不利于大壩的穩定和安全。

3除險加固設計

主要包含三個方面,如圖1所示。

3.1 主壩加固設計

風化的巖層中的造孔非常困難,右壩的壩基的風化巖石厚度采用5m～20m的帷幕進行灌漿的處理。混凝土塑性防滲墻壩軸線的中心線與中軸粘土心墻,粘土心墻在防滲墻施工的之后不能破壞。塑性混凝土全長360m防滲墻、高程為71.31m的墻頂、水位高于70.81m,主河床墻底為33.21m的高程、38.1m的墻高。風化巖石的厚度比較小左壩段是主河床段,混凝土防滲墻塑性在弱風化巖石層為0.5m,風化巖石右壩段厚度為5m～20m,風化巖石為1.0m的塑性混凝土防滲墻,帷幕灌漿處理主要采用對墻底風化巖石層并且為單排孔的2m孔距,弱風化巖層為5m的灌漿孔深入巖石,設計水頭防滲墻設計為37m,防滲墻深度與現有的施工機械性能必須要考慮到,很多年在國內建設的類似工程防滲墻基礎上有效的厚度是0.8m左右。塑性混凝土防滲墻主要性能指標為:彈性模量小于800MPa～1,000MPa,28d抗壓強度不低于10.0MPa,防滲墻滲透系數小于1×10-7cm/s,允許滲透比降[J]為60～80。

(1)計算防滲墻的結構。

防滲墻的結構在計算中運用假定:①防滲墻和壩體土之間采取文克爾的假定,受荷載作用防滲墻主要直接支撐壩體土上,防滲墻與壩體土之間的變位必須要協調的處理,該點的變位與各點墻上的反力成正比,反力系數壩體土隨著深度直線的變化隨不同的地層進行變化。②外荷載在土壩壩體自重與水壓力都在作用墻上,由于水庫運行時間非常久,基本完成對主壩體的變形,因此墻體兩側的變形摩擦力產生小,防滲墻的主要工作條件的水平荷載的情況要多加注意。③取單寬等厚度墻作為計算簡圖,頂端視為自由端,底部視為鉸接,采用有限差分法進行計算。

(2)施工工藝的主要防滲墻設計。

防滲墻的塑性混凝土建筑的施工主要采取膨潤土漿液固壁、兩鉆法的造孔、混凝土泵送澆注。首先在施工過程中在槽段的兩端來沖擊鉆主孔,沖擊鉆入巖0.5m～1.0m到達基巖。在造孔的過程中,槽內漿液面必須保持導向槽頂面下面的30cm～50cm,當漿液出現泄露的時候要采用堵漏與補漿的方法。

（3）施工工藝的主要帷幕灌漿設計。

右壩段防滲墻的底部出現風化的巖石主要采用帷幕灌漿處理方法，帷幕灌漿與上部混凝土不產生分叉從而連成在一體，在混凝土的防滲墻里面的鋼管通過預埋鋼管的底部產生風化巖層來進行灌漿的處理。10cm的預埋鋼管的管徑處在防滲墻的中間，其中的間距之間與孔距一樣為2m。鋼管預埋主要在清孔、造孔完成混凝土澆筑之前進行，采取定位的安裝架進行固定。直徑為20mm的定位架由鋼筋連接而成，垂直方向上間距定位架在是10m。鋼管安裝固定之后主要對槽孔進行混凝土的澆注，澆筑強度達到設計強度的80%采用鉆孔灌漿。

3.2 灌溉發電隧洞的建筑加固設計

洞壁剝落的混凝土受到環境的程度進行破壞由于周圍受到疏松、侵蝕混凝土存在缺陷沒有得到徹底的清除,清理的過程中要根據實際情況適當的加大;當外露的鋼筋出現破損情況加大的實際情況;外露鋼筋的銹蝕性比較嚴重因此對鋼筋要予以進行清除,對新的鋼筋進行焊接補漏,防銹處理那些銹蝕不嚴重的鋼筋;當對混凝土的清理與銹蝕鋼筋進行清理之后,用環氧砂漿進行堅固處理和找平;隧洞的出口銹蝕的襯砌鋼板處進行粘貼環氧玻璃絲布的方法修補來進行加固。

(1)施工工藝的環氧砂漿建筑設計。

保證環氧砂漿與混凝土以及露筋部位加固粘結力,應該對基底的混凝土露筋表面進行施工處理,將混凝土表面乳皮清除,外露出新鮮糙率面,不能產生擾動,無污物、露筋無銹。在施工中采用鑿毛機對該修補的位置進行鑿毛,用鋼絲刷反復進行清晰在露筋上銹斑和污物。用棉紗浸漬丙酮對基面進行擦試,等待丙酮進行揮發使混凝土變白在涂刷部分基液。將拌制好的基液運用毛刷進行均勻的涂刷基面上,約0.5mm的厚度。根據氣溫與環境情況的變化,刷后的基液需要靜停10min～30min后進行涂抹環氧砂漿。

(2)施工工藝的環氧玻璃絲布建筑設計。

清理隧洞出口銹蝕的鋼板,清除鋼板表面銹斑及污物并進行鑿毛,按照環氧砂漿進行施工工藝涂抹一層10mm的厚環氧砂漿進行找平。在環氧砂漿面上用環氧粘結劑粘貼玻璃絲布,玻璃絲布采用0.25mm厚無堿平紋布,使用前用皂液法脫臘處理。粘貼四層玻璃絲布,不小于1mm的厚度。粘貼面要求無油,無污,平整,干凈采用丙酮進行擦洗。在粘貼面的部位涂刷環氧基液,越薄越好保證每個部位有完完全全的涂刷基液,然后粘玻璃絲布,殘留在布中的氣泡進行趕除與壓實。

3.3 溢洪道加固設計

溢洪道位于六副壩與七副壩之間,為正槽溢洪道,由進水渠、寬頂堰、泄槽、消力池組成,由于現狀溢洪道陡坡段和消力池結構布置存在不合理,水流流態混亂,加地基滲漏揚壓力的作用,導致結構出現安全隱患。

(1)進水段。

溢洪道進水渠段總長28.0m,寬47.6m,兩側采用直立式導墻。前段18m導流設置為下潛式;后段接控制段的導墻長10m,頂部高程為71.6m;兩側導墻均采用C20埋石砼,導墻頂寬0.8m,墻背坡比為1∶0.5。進水渠底板為現澆C20鋼筋砼,底板高程為65.1m,厚0.5m。底板設置有縱橫縫。

(2)控制段。

溢洪道控制段長35.0m,寬47.6m,溢流堰堰型為寬頂堰,寬頂堰坎高1.0m,斜坡式進口,堰頂高程66.1m。兩側邊墻為C20埋石砼重力式擋墻,頂高程71.6m,頂寬0.8m,墻背坡比1∶0.5,導墻迎水面層布鋼筋網。堰底板為現澆C20砼鋼筋砼,厚1.0m。底設置有縱橫縫及縱橫排設施。

(3)泄水段。

泄槽段采用矩形斷面,長100.00m,寬為47.6m,縱坡i=0.196,泄槽邊墻為C20埋石砼重力式擋墻,頂寬0.8m,墻背坡比為1∶0.5。泄槽中段邊墻高3.5m,邊墻上端接控制段邊墻,下端接消力池邊墻,底板為現澆C20鋼筋砼,厚1.0m。底設置有縱橫縫及縱橫排設施。

(4)消力池。

消能防沖設施型式為底流消能,經水力計算,結合現狀、地質條件確定消力池長度為41m,深度為3.8m。底板為現澆C20鋼筋砼,底板面高程為46.5m,厚1.2m,迎水面層布鋼筋網。底板縱橫分縫和設置排水設施,縫間設置止水。消力池兩側墻擋墻采用C20埋石砼衡重式擋土墻,墻頂高程式55.7m,頂寬1.8m,臺寬1.8m,底寬4.3m,底部采用樁基礎。消力池尾坎頂寬4.0m,底寬4.0m,高3.8m。

(5)出水渠。

結合現狀,出水渠斷面采用梯形斷面。在消力池后由矩形斷面漸變為梯形斷面,漸變段長度為28.0m,出水渠總長220.0m,底寬30.0m,縱坡i=1/200,邊墻高5.4m,邊坡坡比為1∶2.0。渠道底接消力池尾坎,頂高程50.3m,底板為現澆C20鋼筋砼,厚1.0m,迎水面層布鋼筋網。底板縱向每隔15m分一條縫,橫向設置3條縫分為2塊,縫間設置止水。底板設置有縱橫排水設施。

4結語

(1)這個水庫維修建立在20世紀60年代，由于在建庫時候不可改變的條件限制,粘土心墻為主壩的建設,在經過40多年的運行與使用中粘土心墻根本不能滿足現在很多主壩的防滲要求,因此成為了很多水庫中最大的安全隱患。(2)水庫除險加固的建筑工程完成之后,主壩可以徹底灌溉發電隧洞、溢洪道等等建筑物存在的主要安全隱患來保證水庫的正常運行與運作更大的發揮水庫在社會上的經濟效益最大化。

參考文獻

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