委內(nèi)瑞拉圖里密夸爾混凝土面板堆石壩的水下修復

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1 概 述

面板受損是CFRD經(jīng)常出現(xiàn)的問題，導致這一問題發(fā)生的主要原因有氣候因素(如混凝土的凍融作用)、施工質(zhì)量(例如沖水或壓實不足、澆筑缺陷和止水片埋置問題)，以及壩體中應力超過混凝土面板阻力而發(fā)生沉降和不均勻變形。這種現(xiàn)象在建于狹谷的高壩中尤為突出。另一個滲漏易發(fā)區(qū)域是混凝土面板與趾板之間的接縫，止水埋置困難常使接縫易張開，從而引起明顯的滲漏。這些問題的存在可能會導致?lián)p壞的面板處或接縫處產(chǎn)生滲漏。

早在20世紀50年代后期，合成預制土工膜就已應用在大壩設計中，用于土石壩防滲，或當原有防滲帷幕遭到破壞時作為一種防滲修復措施。合成土工膜的延展性能夠抵抗可能引起混凝土面板開裂的不均勻變形，因此在CFRD修復中得到了越來越廣泛的應用。若制作方法得當，厚度均勻(>2.5 mm), 合成土工膜暴露在紫外線下可以保證其耐久性和長期穩(wěn)定性。特別是PVC土工膜的使用，有許多成功實例可以證明，無論是整個上游壩面的全面整修，還是大裂隙分布區(qū)或失穩(wěn)接縫等的局部修復，這一技術不僅可以保證修復的長期有效，并且在跨越張開度大的裂隙時能適應進一步的變形。本文介紹的PVC土工膜護面技術的另一個優(yōu)點是在水上和水下都能施工。

2 大壩修復前狀況

委內(nèi)瑞拉拉斯喀納里塔斯(Las Canalitas)CFRD壩，又名圖里密夸爾(Turimiquire)壩，壩高113 m，業(yè)主為電力部環(huán)境委員會，壩頂高程335 m，最高水位328 m。大壩調(diào)節(jié)著內(nèi)維里(Neverí)河18 m3/s的流量，保證東北部地區(qū)持續(xù)供水到2025年，是約100萬人口的唯一飲用水源。

大壩建于1976～1983年間，是一座隨機用料的堆石壩，石料壓實層厚度2 m。上游側(cè)有5 m厚的粗粒區(qū)(粒徑分級為6.5 mm到180 mm)，單次填筑厚度0.5 m。上游壩面坡比為1V∶1.4H，由33塊鋼筋混凝土面板構(gòu)成。大多數(shù)面板寬15 m，高12.15 m，壩頂處面板厚度30 cm，往下逐漸變厚，到壩基處達到100 cm。對施工縫進行了加固，并埋置了止水條。

1988年第1次蓄水以來，大壩經(jīng)歷了幾次大的滲漏，并采取了各種修復措施。大壩初次蓄水1 a之后就觀測到了滲漏，1989年7月滲漏量達300 L/s，隨后降低庫水位，采用在上游面填筑黏土材料的方法進行修復，滲漏量降低到60 L/s。1994年，滲漏量再次增加，達到2 500 L/s，采用兩種不同規(guī)格的材料填充裂縫的方法進行了第2次修復，滲漏量降低到了674 L/s，但隨即又增加到3 173 L/s。1996年發(fā)生的一次滑坡進行了自然修復，滲漏量降低到1 255 L/s。1999年9月，滲漏量又升至6 500 L/s，隨后進行了第4次修復，采用4種不同規(guī)格的材料填充裂縫。2000年采用粗顆粒材料加XR5型不透水土工膜進行了第5次修復，修復面積超過450 m2，這次修復結(jié)果不理想，滲漏量達到了9 800 L/s。

采用多波束掃描聲納探測，發(fā)現(xiàn)損壞已經(jīng)加重。存在兩個集中滲漏點，一個在24號面板下，滲坑面積4.1 m2；另一個在高程270 m處的9號面板下。

用遙控車(ROV)對陷坑和裂縫做了進一步探測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在一個裂隙密集分布區(qū)域，裂隙發(fā)育方向雜亂無章，長度可達7 m。分析認為裂隙是由底部面板沉降所引起的。多處出現(xiàn)混凝土剝落、膠凝材料流失，呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。除了高程275～285 m處面板受損外，在2000年鋪設的土工膜下還存在一個透水區(qū)。

由于錨固不牢，之前鋪設的土工膜已經(jīng)發(fā)生局部移動并形成大的起伏和皺褶，部分周邊錨固區(qū)域也已發(fā)生移動。在高程+260 m和+280 m間，距壩趾6 m處，分布有連續(xù)的沉積物和泥沙。2008年夏進行的測深表明，趾板上的沉積物厚2～6 m，而在上游壩趾處沉積物厚度超過5 m，左壩肩處尤甚，估計右壩肩24/25面板和28/29面板處的沉積物較薄。

3 設計方案

檢測和分析表明，面板已損壞，且之前實施的所有修復措施效果均不理想。

3.1 防滲設計

鑒于過去進行的所有修復措施都不專業(yè)，業(yè)主選擇了一種已被證實且具有成功先例的土工膜技術。根據(jù)設計，會在施工便利區(qū)域進行土工膜鋪設，不需要清理沉積物。根據(jù)受損程度和輕重緩急，防滲作業(yè)分幾個階段進行，首先在1～6區(qū)敷設土工膜，總面積為14 930 m2，按照合同要求，高程+304～+245，要求滲漏量控制在≤3 000 L/s。7區(qū)和8區(qū)，滲漏不太嚴重，暫不處理，另簽合同。

由于水庫的主要目的是供水，因此水位可以降低，但必須要保證滿足人們的用水需求。業(yè)主決定在最關鍵的區(qū)域施工，保持最高庫水位295 m，因此許多修復作業(yè)需在水下進行。

2、4和6區(qū)的土工膜鋪設工作在水上進行，通過懸吊移動式平臺作業(yè)；1、3和5區(qū)通過潛水員在水下作業(yè)。最終設計開發(fā)了一種方法，用來在混凝土面板和趾板的縱縫間進行襯砌，在第2個階段業(yè)主會清除沉積物。PVC土工膜(等同于土工合成材料)一直鋪設到距沉積物邊緣2 m處，這一距離是在清除沉積物時保護土工膜不受疏竣設備產(chǎn)生的吸力影響而必須的。1～6區(qū)底部周圍預留的PVC土工合成材料，其寬度應超出周邊密封縫，使之與沉積物清除后鋪設的PVC土工合成材料進行密封連接。沿1～6區(qū)周邊都采用相同的方法，以便與7區(qū)和8區(qū)的防滲系統(tǒng)相連。

3.2 表面處理設計

為減少土工膜鋪設的準備工作，采用了各種土工合成材料。在混凝土面板表面設置土工格柵，其抗拉性能可為陷坑上鋪設的土工合成材料提供必需的支撐力，并防止土工合成材料在陷坑內(nèi)發(fā)生撕裂。在土工格柵上部的整個表面區(qū)域設置由2 000 g/m2聚酯土工布構(gòu)成的防穿刺層。這種構(gòu)造在之前的修復中已得到成功應用。

3.3 防滲土工合成材料

防滲襯墊為一種SIBELON?CNT4600的土工合成材料，將3 mm厚的土工膜壓合到700 g/m2無紡土工布制造而成。由于要承受較高的水壓，選擇了一種強力土工合成材料。按照ISO9001認證，土工合成材料由Carpi公司生產(chǎn)，成品為2.10 m寬的布匹狀。水下鋪設時，先將4個標準幅面的土工合成材料預先焊接成8 m寬的預制片，盡量減少水下作業(yè)。為了檢測雙軌焊接的強度和連續(xù)性，按照GRI GM6 方法進行了現(xiàn)場試驗，即在兩條焊縫之間注入氣壓為2巴(bar)的氣體，并持續(xù)5 min。

3.4 錨固設計

在水上和水下鋪設土工合成材料，錨固方式不同。水上鋪設采用Carpi專利生產(chǎn)的張拉設備進行錨固，該設備已應用于世界許多工程中，并得到了國際大壩委員會的認可。使用該張拉設備主要是在張拉開的土工合成材料上焊接PVC土工膜條，保證其密封性。由于水下焊接不可行，水下鋪設土工合成材料前要在水上焊接。橡膠墊確保即使整個土工合成材料處于受壓狀態(tài)也能形成一道結(jié)實的、防水的焊接線，與洛斯特克里克(Lost Creek)壩中采用的相似。

豎向縫合線的間距為吸力因子的函數(shù)，通過計算確定，因此在水上和水下是不同的。設計假定在水下錨固(在1，3和5區(qū)中)由于有水的覆蓋，不受風力影響，因此縫合線間距可稍大，為7.4 m，而水上縫合線間距為3.7 m。這也使得在水下鋪設土工合成材料變得更簡單、更快捷、更經(jīng)濟。間距選擇還要保證水上和水下部分的過渡簡單有效。

3.5 周邊密封設計

PVC土工合成材料周邊錨固采用機械密封法，防止在水壓作用下發(fā)生漏水，將規(guī)格為80 mm×8 mm的不銹鋼片壓合到PVC土工合成材料上。水上周邊密封采用間距0.15 m的化學錨固定在大壩表面。針對水下周邊密封，根據(jù)工作環(huán)境的不同，采用等間距的機械錨固定在大壩表面，混凝土表面鋪一層環(huán)氧砂漿作為過渡層。在現(xiàn)場198 m水頭下完成周邊密封已有成功的先例，在試驗室240 m水頭下可以完成周邊密封。這種方法已應用于其他工程，如普拉塔諾夫利斯(Platanovryssi)工程。

4 施工計劃和進展

2008年10月同Carpi公司簽訂了施工合同。2009年5～9月完成了水上和水下施工設備的進場、材料制作和運輸工作。

由于大壩位于偏遠地區(qū)，進場交通十分不便，有必要在大壩附近建造一個可容納70人的營地。現(xiàn)場作業(yè)于2009年6月開始。

2009年12月，隨著潛水員進場，開始水下施工。潛水員從3區(qū)開始作業(yè)，其水位高程306 m(最大潛水深度61 m)。最初確定的水上和水下安裝分界線為高程295 m(最大潛水深度50 m)，于2010年6月和7月達到。2010年2月，基于已有的庫水位數(shù)據(jù)制定了工作計劃。以2009年歷史水位線作為基準數(shù)據(jù)，并假定水上作業(yè)時間約為150 d。

庫水位具有不可預測性。2010年特大降雨造成庫水位提前突然上漲，與作為項目工序分析的基準數(shù)據(jù)(2009年水位線)并不一致，事實上水上作業(yè)只能進行58 d(即從2010年4月到2010年6月)。

這種異常情況對工作計劃的實施產(chǎn)生了不利影響。

總之，庫水位異常上漲對施工造成的影響可總結(jié)為以下幾點：

(1) 水上施工無法繼續(xù)進行(2區(qū)和6區(qū));

(2) 水深的明顯加大，使水下作業(yè)時間大為增加;

(3) 水下作業(yè)效率降低(潛水時間);

(4) 合同時間延長;

(5) 需提供完成新增水平周邊密封所需要的特殊終端設備和材料。

根據(jù)最初制定的計劃，政府部門調(diào)整了思路，打算繼續(xù)施工。2010年7月27日決定將庫水位維持在305 m(最大潛水深度為60 m)直至8月。但遺憾的是，強降雨使得該計劃無法實施，不得不再次進行調(diào)整。

比較了最高庫水位為295 m條件下最初的設計方案和最高庫水位為325 m條件下的最終修改設計方案。分析發(fā)現(xiàn)，差異就在于施工最低點的變化。在原設計方案中，2區(qū)和6區(qū)位于最高庫水位之上，應是水上施工，但結(jié)果變成了水下施工，所以取消了這兩個區(qū)。由于沉積物比預期的厚，縮小了5區(qū)的范圍。由于潛水深度的增加，1區(qū)的范圍也有所減小，底部周邊密封上移到高程273.7 m處。在庫水位允許的情況下，將完成1區(qū)無襯砌的塌陷坑處的防滲作業(yè)，堵住主要的滲漏通道。

合成土工膜鋪設完成后，如果需要，還可以在其上重疊鋪設一層合成土工膜。

盡管縮小了處理區(qū)域的范圍，滲漏測量結(jié)果仍非常令人滿意。隨著施工的開始，滲漏量逐漸減少，在一個關鍵區(qū)鋪設應急土工膜之后，滲漏量出現(xiàn)第1次突降。但由于為臨時性措施，滲漏量又有所回升，第2次突降的出現(xiàn)與陷坑的處理同步。隨后隨著土工膜鋪設的推進，滲漏量穩(wěn)步下降。

2011年6月，施工接近尾聲時的總滲漏量為2 300 L/s，遠低于設定的允許滲漏量3 000 L/s，達到了有效減少滲漏的目的。

5 結(jié) 語

工程于2011年6月30日完工。截止到2013年8月，圖里密夸爾壩的水下修復工作非常理想，合成PVC土工膜的機械錨固和張拉延伸到了水下50 m，有些點達到了65 m。水下鋪設約8 760 m2，水上鋪設1 345 m2，總鋪設面積占上游壩面總面積(52 000 m2)的20%。目前來看，總滲漏量約為2 300 L/s，遠低于規(guī)定的最大滲漏量3 000 L/s。土工膜的柔韌特性不僅可以克服極端氣候條件導致庫水位提前升高帶來的問題，也可以解決混凝土面板嚴重受損引起的問題。

實踐證明，PVC土工膜護面是減少CFRD滲漏有效的永久措施。水下鋪設也取得了良好效果。簽于其成功應用，環(huán)境部正在籌資，以將這一技術用于圖里密夸爾CFRD更大范圍的防滲處理，進一步降低滲漏量。