水庫砌石拱壩壩體滲漏問題研究設計方案分析

宋　強

(朝陽縣水務局,遼寧 朝陽 122000)

水庫砌石拱壩壩體滲漏問題研究設計方案分析

宋強

(朝陽縣水務局,遼寧 朝陽 122000)

摘要：本文結合工程實例，在分析某水庫砌石拱壩壩體滲漏、應力不滿足規范要求問題的基礎上，提出以掛網噴射混凝土解決壩體滲漏、應力不足問題，對原壩面附著物進行徹底清理，使原砌體露出。在壩面上按200 cm×200 cm方格角點布設充填補強灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入細磨水泥漿。以帷幕灌漿解決壩體與壩肩接觸滲漏及壩肩繞壩滲漏問題，采用單排灌漿的設計方案。

關鍵詞：水庫；砌石拱壩；除險加固；設計

我國在20世紀70年代曾修建了一大批砌石拱壩，受當時技術條件薄弱、思想觀念保守等主客觀因素的影響，這些工程大多采用了“邊勘測、邊設計、邊施工”、“群眾運動、土法上馬”的建設方法。以現在的眼光看，這些砌石拱壩無論在工程設計方面還是在施工質量方面，都存在著一些先天缺陷，而在運行30余年后，部分工程的先天缺陷逐步轉化為滲漏、裂縫、失穩等安全隱患，既不利于工程使用效益的充分發揮，又會對下游地區供水安全乃至人民群眾生命財產安全形成威脅。本文結合工程實例，對某水庫砌石拱壩除險加固設計進行分析和討論，期望能夠為同類工程提供思路上的參考與方法上的借鑒。

1工程概況

某水庫樞紐工程位于高寒地區的深峽谷中，是一座兼顧灌溉、防洪等功能的中型水利工程，總庫容1945.5萬m3，有效庫容1794.6萬m3，控制灌溉面積19 800 hm2。工程所在區域屬大陸性氣候，夏季炎熱少雨、冬季干燥寒冷，壩址多年平均氣溫5.6 ℃，冰凍期120～150 d。水庫大壩高78 m，為漿砌石拱壩，壩頂寬度4 m、壩底寬度12 m(1735 m高程處)，寬高比和厚高比分別為1.32、0.24。下部28 m為窄深河谷(高程1707～1735 m)，以漿砌石回填；上部50 m為漿砌石拱壩(高程1735～1785 m)。拱壩內設有C20素混凝土防滲心墻，頂和底厚度分別為0.6 m、3 m，距上游壩面1.5 m。

該水庫于70年代中期建成，運行至今已有40余年，就目前的實際情況來看，水庫大壩主要存在以下兩方面問題：①滲漏;②壩體應力超允許值。

高寒地區、深峽谷中具有凍融破壞強、溫度變化大的特點，受地形因素的影響，施工場地也比較狹窄，因此與一般拱壩相比，本次除險加固工程的設計難度較高[1]。

2除險加固設計

2.1壩體滲漏與壩體應力超允許值問題的整治

檢查結果顯示，1735 m高程以上壩體存在多處漏水點。滲漏問題的存在一方面減少了水庫水量，另一方面也會在反復凍融、凍脹的影響下引起更為嚴重的破壞，最終造成壩體材料強度的不斷下降。為了解壩體材料的實際情況，技術人員鉆取并測量了3組試件的強度，其中，最高值為30 MPa，最低值為20 MPa。可以看出，壩體強度不足的問題非常明顯，水庫大壩的安全運行也因此受到了嚴重影響[2]。

應力分析結果顯示，壩體拉應力在部分工況下會超過允許值，不符合現行標準和規范的要求。

結合實際情況，本次除險加固工程將滲漏問題的處理作為重點，以此為水庫大壩的安全、穩定運行提供根本性保障。另外，就是要適當增加壩體厚度，使大壩應力狀況得到進一步改善。為實現上述目標，設計選定以下兩種方案[3]。

方案一：增設混凝土面板

于大壩上游增設防滲抗凍面層，在避免滲透凍融對壩體材料產生破壞的同時增加壩體厚度、降低拉應力。分析結果表明，在防滲面板頂部厚度40 cm(高程1785 m)、底部厚度160 cm(高程1735 m)時，壩體最大拉應力可減少至規范要求的水平。需要注意的一點是，面層澆筑前應對原壩面上的各類附著物進行徹底清理，使原砌體露出，以此保證面層混凝土與原壩體的充分結合。第二步，充填補強灌漿。在壩面上按100 cm×100 cm方格角點布設充填補強灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深。隨后，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入水泥漿，并在初凝前插入Φ28鋼筋。將防滲面板厚度作為鋼筋深入壩體的長度，將“深入長度減10 cm”作為鋼筋伸出長度。最后，于鋼筋前端掛設鋼筋網(20 cm×20 cm，以Φ12鋼筋焊成)，鋼筋網外部設置混凝土保護層(厚度10 cm)。

在前文的敘述中我們提到，水庫大壩高78 m，上部50 m為漿砌石拱壩(高程1735～1785 m)；下部28 m為窄深河谷(高程1707～1735 m)，在大壩建設之初以漿砌石回填，形成墊座，上部壩體布置于墊座上游邊緣。方案一需要在大壩上游設置混凝土面板，若采用直接置于深切河谷底部基巖的做法，就會面臨水庫泥沙淤積較多、難以形成干燥基坑等問題；若于原墊座上游靠近墊座處、垂直水流方向澆筑鋼筋混凝土拱，就會面臨施工復雜(豎向與順水流方向均有曲率)、施工時間較長(高寒地區施工時間有限)、爆破開挖難度較大(壩體兩岸均為花崗巖，爆破開挖將對原壩體產生不利影響)等問題。由于難以操作，最終放棄方案一。

方案二：掛網噴混凝土

上游壩面掛網(10 cm×10 cm，以Φ12鋼筋焊成)3層，噴厚度為20 cm的防滲抗凍細石混凝土，以此提高上游壩面的防滲抗凍性能。第二步，充填補強灌漿。首先，對原壩面附著物進行徹底清理，使原砌體露出。其次，在壩面上按200 cm×200 cm方格角點布設充填補強灌漿孔，以原壩體厚度的50%作為孔深，以0.2～0.25 MPa的壓力壓入細磨水泥漿。第三，按100 cm×100 cm方格角點布設插筋，在水泥漿初凝前插入Φ28鋼筋(間隔布置)，鋼筋深入壩體長度分為70 cm(25 d)、112 cm(40 d)兩類，伸出長度均為18 cm。最后，于插筋前端掛網，隨后噴射厚度為20 cm的細石混凝土。掛網、細石混凝土噴射分3次完成。與方案一相比，方案二的改善效果略差，但施工簡易、相對方案一可實行性較高。

通過對方案一、二的討論分析我們可以看出，若砌石拱壩修建時能夠使墊座厚度超出上部壩體厚度，則方案一的可行性就會因為支撐困難問題的消失而大幅度提升。所以在今后同類工程的設計、建設過程中，相關人員應注意對墊座厚度問題給予應有關注。

方案二的采用使施工難度大幅降低，雖然“壩體上游(1735 m高程以上)掛網噴混凝土”的要求增加了些許工作量，但仍具有較高的可行性。值得一提的是，設計人員在對灌溉放水設施進行分析的過程中發現，沖砂洞(高程1715 m)已深埋于18 m左右的淤沙中，詢問水庫管理人員后得知，這主要是因為沖砂洞建成后從未使用。由于淤沙過厚，沖砂洞使用功能的恢復將非常困難，盡管這部分不在“掛網噴混凝土”的范圍內，但仍提示水庫管理人員應注意定期開啟沖砂洞，以免給日后的維修工作帶來不必要的困難。

2.2壩體與壩肩接觸滲漏及壩肩繞壩滲漏問題的整治

壩體與壩肩接觸滲漏：在水庫大壩的建設階段采用了直接爆破至建基面的做法，雖然這種處理方式并沒有什么不妥，但問題在于，施工人員在沒有徹底清理松動石塊且沒有做固結灌漿的情況下直接進行壩體砌筑。隨著時間的推移，沿拱壩周邊的松動滲漏帶逐漸形成，實測結果也顯示，拱壩周邊巖石抗剪抗壓強度嚴重不足，變模遠低于深部巖體，不利于大壩的安全運行。在本次除險加固工程中，設計人員最終確定了帷幕灌漿的處理辦法，具體措施包括：按照與拱壩上游邊緣2 m的距離布設一排(共38孔)灌漿孔，孔間距2 m；依據帷幕灌漿相關標準和規范的要求，于建基面以下壓入水泥漿。灌漿深度：進入弱透水巖層不少于2 m。防滲標準5 Lu。壩體內部回填：鉆孔、低壓壓入水泥漿[4]。

左壩肩繞壩滲漏：采用大范圍帷幕灌漿方案，要求截斷F2斷層，以此解決繞壩滲漏問題。帷幕灌漿于灌漿廊道(長66 m)內進行，單排灌漿；灌漿孔交叉穿過斷層滲漏帶，孔距2 m，F2斷層附近增設一排灌漿孔(5孔)，共38孔。灌漿深度：以巖體透水率<5Lu或>50%壩高控制(F2斷層處適當增加)。

右壩肩繞壩滲漏：實測結果顯示，大壩右壩肩存在厚度為20 m的弱風化巖體，為透水層。結合“壩體與壩肩接觸滲漏”的處理方案，設計人員在這一部分同樣采取了帷幕灌漿的做法，以便形成一個完整的防滲體系,單排灌漿，孔距2 m，總計16孔。灌漿深度：以巖體透水率<5Lu或>50%壩高控制[5]。

3結論

在多年運行后，砌石拱壩壩體出現滲漏、裂縫是一種比較普遍的現象，本次整治的砌石拱壩位于高寒地區、深峽谷中，年溫差較大、凍融破壞較強、施工場地較為狹窄，相對于一般拱壩而言，除險加固設計和施工的難度較高。結合本次除險加固設計思路，我們可以得出以下結論：(1)反復凍融、凍脹現象的存在使高寒地區的砌石拱壩更容易出現滲漏問題，不僅不利于水庫水量的保持，還會大幅降低壩體材料的強度。所以，在此類工程的除險加固設計中，應將防止水庫入滲作為整治重點，消除或最大程度減少凍融循環重復的現象。另外，就是要適當增加壩體厚度，以此改善大壩的應力狀況。(2)做到對充填灌漿方法的針對性選擇，盡可能將已成裂隙、充填砌體內孔隙進行粘合，提高砌體抗凍、抗滲能力，避免砌石強度繼續因為凍脹而發生下降。設計人員依據砌石拱壩的實際情況，通過“大壩上游掛網噴混凝土+壩體充填補強灌漿”來處理壩體滲漏與壩體應力超允許值的問題，通過帷幕灌漿來處理壩體與壩肩接觸滲漏、壩肩繞壩滲漏的問題，獲得了比較理想的效果。(3)砌石拱壩發生滲漏、裂縫的可能性較高，為此，在項目建設之初應將墊座做的厚大一些，且墊座厚度應大于上部壩體厚度，從而為后續的運行維護以及整治工程的順利開展提供方便。

參考文獻：

[1]王貴明.平橋砌石拱壩防滲加固設計研究[J].水利技術監督，2015 (2):71-73.

[2]陳孝煉.觀山水庫小型砌石拱壩除險加固設計[J].水利科技，2015 (1):31-33.

[3]熊育祥.高車水庫混凝土砌石拱壩基礎優化設計[J].小水電，2015 (4):27-28.

[4]付典龍，劉蕓華.砌石拱壩防滲處理措施探討[J].浙江水利科技，2015 (3):87-88.

[5]王廷志，徐國勇.漿砌石拱壩裂縫的預防和處理初探[J].水利科技，2008(4):51-52.

作者簡介：宋強(1966-)，男，高級工程師，主要從事水利管理工作。

中圖分類號：TV698；TV697.3+2

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)04-0074-03