頂山水庫大壩除險加固中大壩防滲技術方案研究

2020-08-14 09:48:22張輝

陜西水利 2020年7期

張輝

（新疆生產建設兵團第十師水利工程建設管理處，新疆北屯 836099）

1 工程概況

頂山水庫位于阿勒泰地區福海縣境內，是一座以灌溉為主的中型水庫，擬規劃建設為飲用水水源地，屬師級管理水庫，水庫由主壩、副壩、進水建筑物和放水建筑物組成，大壩為粘土心墻土石混合壩，現狀壩頂高程525.0 m，防浪墻頂高程525.7 m，大壩最大壩高為32.7 m，壩頂寬6 m，主壩頂長2008 m。大壩迎水坡及背水坡為堆石體、表層干砌塊石護坡，背水坡壩腳為干砌塊石排水棱體。工程始建于1975年，于1982年和1993年分別兩次擴建。在除險加固前根據現場踏勘了解及安全性復核，該水庫大壩存在的問題主要有：（1）上、下游壩坡面不平整，壩體存在滲水；（2）防滲壩區土料密實度不足0.90，壓實不均勻且難以滿足要求，在高程499 m～506 m段及壩基接觸段水平向的滲漏難以滿足要求；（3）大壩迎、背水坡局部雜草叢生。本文主要根據現狀大壩滲漏情況和現場地質勘察資料，對大壩進行防滲方案比選，選擇出安全可靠，經濟實惠的防滲技術來進行大壩防滲加固。

2 壩體防滲加固方案比選

2.1 壩體防滲加固方案比較

壩體防滲加固主要可采取充填式灌漿、劈裂式灌漿、振動沉?；炷练罎B墻、高噴防滲板墻、射水法防滲墻、迎水坡鋪設復合土工膜和鋪復合土工膜等方案[2]。根據該水庫大壩的實際情況，若采用充填式灌漿方案在前期有一定的防滲效果，后期防滲效果較差；劈裂式灌漿方案會對壩體產生較大擾動，影響壩體的整體穩定性；水庫大壩屬于心墻堆石壩，若采用復合土工膜防滲則需要全面拆除迎水坡堆石體，另外，復合土工膜與兩岸連接段的接頭較難處理，處理不好，則防滲效果得不到保障；因此本次加固主要從單管高壓旋噴防滲墻、射水法防滲墻+高噴防滲墻和振動沉?；炷练罎B墻+高噴防滲墻三種方案進行比選。

（1）方案一：單管高壓旋噴防滲墻

根據地質鉆探資料，結合高壓旋噴防滲墻的基本原理[3]，壩體主要材料為填筑土Ⅱ，壩基主要為全風化、強風化、弱風化花崗巖。高壓旋噴灌漿能適用于上述壩體土質及全、強風化地層的防滲。

本方案大壩及兩岸岸坡防滲均采用單管高壓旋噴防滲墻。

單管高壓旋噴防滲墻布置在原壩中軸線處，全壩段布置，深入強風化花崗巖層2.0 m或至弱風化花崗巖頂，樁徑600 mm，孔距0.40 m，行距0.45 m。范圍長159.47 m，高程513.35 m以下布置雙排，梅花型布置，其余為單排布置。共布設旋噴孔889孔，鉆孔總進尺約21324 m，（其中強風化花崗巖層鉆孔總長1114 m，全風化花崗巖鉆孔總長4410 m，填筑土鉆孔總長15800 m），單管高噴灌漿總進尺15525 m。

（2）方案二：振動沉模混凝土防滲墻+單管高壓旋噴防滲墻

該方案是利用強力振動將空腹鋼模板沉入土中，向空腹內注滿混凝土，漿液留于槽孔中形成單塊板墻，將單板連接起來而形成連續的防滲板墻帷幕。該方案設計在大壩高程505.35 m以上采用振動沉模法建防滲墻，防滲墻頂高程523.10 m。防滲墻中心線沿壩軸線布設，樁號壩0+018～0+152.70為振動沉?；炷练罎B墻，墻厚0.15 m，最大墻深20.0 m，振動沉模混凝土防滲墻面積2346 m2。單管高壓旋噴防滲墻，樁號0+031.30～0+114.54雙排，梅花型布置，其余部分單排。直徑600 mm，孔距0.45 m。頂端與振動板墻底部間搭接長度不小于1.0 m，底端進入深入強風化花崗巖層2.0 m或弱風化花崗巖頂。共布設旋噴孔513孔，鉆孔總進尺約13769 m，（其中強風化花崗巖層鉆孔總長495 m，全風化花崗巖鉆孔總長2128 m，填筑土鉆孔總長11146 m），單管高噴灌漿總進尺5522 m。

（3）方案三：射水造孔成墻法+單管高壓旋噴防滲墻

射水法是利用高速泥漿水流來切割破壞土層結構，同時利用機具進一步破壞土層并切割修整孔壁形成具有一定規格尺寸的槽孔，然后澆筑混凝土連續墻的一種置換成墻工法[4]。該方案設計對大壩高程500.35 m以上采用射水法建混凝土防滲墻，防滲墻厚度0.25 m；壩基以下采用單管高壓旋噴樁。射水法與高噴法兩種防滲墻搭接長度1.0 m。方案總形成射水法混凝土防滲墻2928 m2；同時共布設旋噴孔513孔，鉆孔總進尺約13769 m，（其中強風化花崗巖層鉆孔總長495 m，全風化花崗巖鉆孔總長2128 m，填筑土鉆孔總長11146 m），單管高噴灌漿總進尺4047 m。

表1 大壩壩體防滲方案對照表

經深入分析并參考類似工程經驗，各方案的優缺點見表1。

2.2 壩體防滲加固方案選擇

三種方案中，方案一單管高壓旋噴防滲墻方案，施工時振動小、施工工藝簡單，施工進度不受庫水位變化影響，施工機械較小型，道路通過性好，但樁與樁之間搭接質量要求嚴格，工程造價較高。方案二振動沉模+單管高壓旋噴方案，投資相對較低，振動沉模形成的防滲板墻垂直連續，無接縫、無縱橫向開叉等缺陷，墻面平整，厚度均勻，防滲效果好，其缺點是施工工藝較復雜，施工機械數量少，施工時容易損壞維修占用工期，施工機械較大型，對施工道路要求高；水庫上壩防汛搶險通道長且曲折，寬度僅2.0 m，轉彎半徑小，且邊坡較陡，拓寬成本高，振動沉模機械無法到達。方案三射水造孔+單管高壓旋噴方案，施工機械較大型，對施工道路、場地要求較高，施工機械數量有限。綜合以上各因素考慮，本次除險加固推薦方案一，即方案一單管高壓旋噴防滲墻方案。

3 加固后滲流安全及穩定復核

3.1 滲流計算指標

本次滲流復核采用的滲透系數是根據對大壩壩體進行地質鉆探后的試驗值而選用的。

表2 大壩各土層分區滲透系數表

根據鉆探提供的地質勘察資料，土的允許水力比降[J允]＝0.335。

3.2 計算斷面和計算方法

水庫大壩為粘土心墻土石混合壩，本文滲流穩定分析選用最大壩高斷面和背水坡最大斷面兩個計算斷面進行計算，滲流計算依據《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274-2001），并采用“水工結構有限元分析系統（AutoBank 6.13）”計算程序進行有限元法計算分析[5]。由于壩體施工時代替料和心墻為同種土料，本次滲流穩定計算建模時將心墻和代替料合為一體，參數取值也相同，篇幅所限，僅列舉最大壩高斷面計算分析，大壩分區斷面見圖1，有限元計算網格劃分見圖2。