白云水電站混凝土面板堆石壩脫空原因分析及修復(fù)處理

柏海駿 馬超 李冠軍

摘要：白云水電站面板堆石壩最大壩高120m，大壩加固前滲漏量達(dá)到1240L/s，且有繼續(xù)增大的趨勢，水庫安全受到了嚴(yán)重威脅。在大壩除險(xiǎn)加固過程中，針對面板存在的脫空問題，采用了地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)以查明面板脫空區(qū)域。根據(jù)檢測結(jié)果，對面板脫空深度大于3cm的區(qū)域進(jìn)行了脫空灌漿處理。水庫加固完成后，滲漏量減小到60L/s，處理效果良好。處理方法可供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土面板堆石壩;面板脫空;地質(zhì)雷達(dá)探測;脫空灌漿;白云水電站

中圖法分類號：TV641.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0030-04

1工程概況

白云水電站位于湖南省邵陽市城步縣境內(nèi)，水庫正常蓄水位540m，總庫容3.6億m³，電站裝機(jī)54MW。工程由大壩、泄洪隧洞（兼施工導(dǎo)流）、引水發(fā)電隧洞（兼放空）及電站廠房等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長198.8m，最大壩高120m，大壩上、下游坡比均為1：1.4，壩體采用灰?guī)r料填筑而成。壩基巖性為紫紅色砂巖、灰綠色砂巖、石英砂巖夾薄層頁巖，頁巖向下游傾斜，稍偏左岸。該工程于1992年3月開工，1994年4月開始填筑大壩，1998年12月下閘蓄水。白云水電站面板堆石壩是我國20世紀(jì)90年代初建設(shè)的最高混凝土面板堆石壩，也是我國建成的首座壩高超過100m的混凝土面板堆石壩，初期運(yùn)行狀態(tài)總體正常，但自2008年5月開始，大壩滲漏量明顯增大，2010年10月達(dá)到800L/s，2012年9月達(dá)到1240L/s，大壩安全受到了嚴(yán)重威脅。

2面板脫空檢測

2.1檢測原理

為有效查清大壩混凝土面板的脫空情況，采用地質(zhì)雷達(dá)對大壩上游混凝土面板進(jìn)行探測，以探明面板下部的脫空情況。這種技術(shù)具有探測速度快、精度高、操作方便靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、探測結(jié)果能以圖像方式實(shí)時(shí)顯示及對面板無損傷等優(yōu)點(diǎn)。

地質(zhì)（或探地）雷達(dá)的探測原理（見圖1）是由發(fā)射天線T向地下介質(zhì)中發(fā)射一定主頻（10～2500MHz）的電磁脈沖波，電磁脈沖波在地層介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到地下介質(zhì)中的物性介面（主要指電阻率和介電常數(shù)的差異分介面）時(shí)，電磁波發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。被反射的電磁波傳回地面，被接收天線R所接收。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收天線和光纜傳回的地下反射回波信息，在電腦中存儲每一測點(diǎn)上波形序列的振幅及波的旅行時(shí)間，沿測線等間隔移動天線，在每一觀測點(diǎn)上可獲得一個(gè)波形序列，對于整條測線就可形成一條雷達(dá)剖面。

不同的介質(zhì)電性及幾何的差異不僅會引起電磁波的反射，且會使電磁波發(fā)生衰減和相位等特征變化，因此借助對這些信息的分析、處理與解釋，可對地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，從而達(dá)到對目標(biāo)體的探測和工程評價(jià)的目的。

常見目標(biāo)雷達(dá)波圖像在介質(zhì)中的一般主要參照標(biāo)準(zhǔn)特征圖譜如下。

（1）均勻無異常介質(zhì)：波形均勻，無雜亂反射，該雷達(dá)圖像如圖2所示。

（2）鋼筋：有規(guī)律的連續(xù)的小月牙型強(qiáng)反射信號，該雷達(dá)圖像如圖3所示。

（3）脫空：界面反射信號強(qiáng)，呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號，該雷達(dá)圖像如圖4所示。

參照標(biāo)準(zhǔn)特征圖譜，并結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果，確定面板脫空區(qū)域范圍及脫空深度，面板典型脫空圖像見圖5。

2.2檢測結(jié)果

通過檢測發(fā)現(xiàn)，高程501m以上面板大部分存在脫空，最大脫空深度大于7cm，一般在3～5cm范圍。面板下非連續(xù)性明顯脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的61.4%（大于3cm區(qū)域），見圖6～8;一般脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的19.7%（小于3cm區(qū)域），見圖9。高程460～501m區(qū)域面板脫空情況稍好，最大脫空6cm，一般在3～5cm范圍，面板下非連續(xù)性明顯脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的25.9%;一般脫空區(qū)域（帶）面積占面板全面積的9.7%。經(jīng)6個(gè)面板鉆孔驗(yàn)證，地質(zhì)雷達(dá)測值基本準(zhǔn)確，相對略大。

3面板脫空原因分析

由于面板堆石壩是以支撐在堆石體上的面板作為防滲體，面板與墊層料之間出現(xiàn)脫空現(xiàn)象后，面板失去緊貼的支撐而使面板工作狀況惡化，易產(chǎn)生裂縫，甚至在長期高水頭作用下還會出現(xiàn)塌陷破壞，進(jìn)而造成大壩防滲體系嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響大壩安全。

鋼筋混凝土面板與堆石是兩種彈性模量相差很大的材料，當(dāng)墊層料與面板不能協(xié)調(diào)變形時(shí)，即會出現(xiàn)面板脫空現(xiàn)象。面板脫空的原因大致如下。

（1）當(dāng)面板澆筑后，支撐面板的堆石（包括墊層料）的變形較大，而由于面板的相對剛性，其變形并不與堆石體的變形同步，在兩者之間出現(xiàn)的變形差導(dǎo)致了面板脫空現(xiàn)象的發(fā)生。在堆石體碾壓質(zhì)量不高的部位，脫空則會更嚴(yán)重。

（2）對分期澆筑的面板，一期面板澆筑完成后，在后續(xù)壩體填筑及蓄水的影響下，大壩仍有較大沉降，過大的沉降發(fā)生時(shí)，在上一期面板的中上部會出現(xiàn)面板脫空現(xiàn)象。

（3）大壩蓄水影響下，雖壩體及面板都向下游變形，但堆石體及墊層料變形量值較大，而面板的量值較小。對于峽谷型面板壩，由于面板與墊層的變形不能協(xié)調(diào)，容易出現(xiàn)面板脫空。

（4）在退水影響下，面板變形有所恢復(fù)，而壩體變形則恢復(fù)很小，從而產(chǎn)生面板脫空。

根據(jù)沈長松等的研究成果，面板分期澆筑高程等因素對脫空有明顯影響。當(dāng)堆石體填筑高度超過面板澆筑頂高程5～10m時(shí)，對減小面板頂部的脫空有利;填筑體預(yù)沉降時(shí)間在3～6個(gè)月內(nèi)的，隨著預(yù)沉降時(shí)間的增加，脫空值逐漸減小，但預(yù)沉降超過6個(gè)月后，脫空值減小的幅度較小。而白云水電站面板壩施工時(shí)，面板為分期澆筑，面板澆筑過程中，上部壩體超填僅3.5m，堆石體預(yù)留沉降時(shí)間不足2個(gè)月，導(dǎo)致一期面板中下部墊層變形過大和面板脫空現(xiàn)象的發(fā)生。

4面板脫空處理

4.1處理措施

考慮水庫放空后面板有所回彈，因此對脫空深度大于3cm的區(qū)域進(jìn)行處理。但從檢測成果可見，小于3cm和大于3cm的區(qū)域相互交錯(cuò)，而漿液具有流動性，為此面板脫空處理的范圍確定為高程501m以上全部面板和高程469～501m范圍L7～L13區(qū)域面板。面板脫空采用面板表面垂直孔灌漿處理，即在面板上布置灌漿孔，搭設(shè)施工平臺，用鉆機(jī)垂直面板鉆孔，穿過面板后進(jìn)行灌漿。

（1）灌漿材料。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，灌漿材料選用粉煤灰水泥砂漿。材料要求漿液流動性好、穩(wěn)定性高、強(qiáng)度適中。

（2）灌漿孔布置。灌漿采用面板表面設(shè)垂直孔，梅花型布置，水平孔距中部面板為8m，左右岸面板為5.5～7.5m，順坡向孔距高程差為6m。鉆孔采用手風(fēng)鉆，孔徑不小于50mm，孔深以穿過混凝土面板即可。當(dāng)同一塊面板同一高程布有兩個(gè)孔時(shí)，為防止面板開裂，孔位高程宜錯(cuò)開布置。白云水電站面板堆石壩脫空處理灌漿孔位布置見圖10。

（3）灌漿工藝參數(shù)。在現(xiàn)場進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)成果，對部分灌漿參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整：L7～L13面板水平孔距為8m，其他面板為7m，順坡向孔距高程差為3.5m。

灌漿結(jié)束后采用預(yù)縮砂漿封孔。預(yù)縮砂漿水灰比采用0.32，灰砂比1：2，并摻入3/100000的引氣劑。

4.2處理效果

本次面板脫空灌漿合計(jì)鉆孔160個(gè)，充填面積7367m²，灌入漿液304483L，平均充填厚度4.13cm，與面板脫空檢測成果較吻合。

對比面板脫空灌漿前后的雷達(dá)檢測結(jié)果，面板脫空灌漿效果良好。面板脫空灌漿前雷達(dá)檢測結(jié)果見圖11～12。經(jīng)過滲漏治理后，大壩的滲漏量由治理前的1240L/s減小到治理后的60L/s，滲漏量顯著減小，說明滲漏治理效果明顯，面板脫空處理措施合適，處理效果好。

5結(jié)語

白云水電站面板堆石壩面板產(chǎn)生脫空的原因是面板和墊層料及堆石體的變形特性不同，在自重和外荷載作用下，面板無法適應(yīng)壩體變形，在面板和墊層之間形成脫開。針對面板脫空問題，采用地質(zhì)雷達(dá)對面板進(jìn)行脫空檢測以確定脫空灌漿區(qū)域。在放空水庫的情況下，在面板表面鉆鉛直孔進(jìn)行灌漿處理，處理效果較好，可供類似工程借鑒。

（編輯：唐湘茜）