石雞山水庫應急除險加固方案設計

薛期穎

（漳州市長泰區農田建設站,福建 漳州 363000）

0 引言

石雞山水庫位于福建省長泰亭下國有林場,馬洋溪黃土支流上游。建于1957年12月,集水面積1.95 km2,壩長69 m,最大壩高18.1 m,設計庫容59.10 萬m3,灌溉農田1 千多畝,受益1 千余人,為群眾生產生活發揮了重要作用。但工程已運行60 多年,受限于建設年代的時代背景、工程施工及質量控制等技術水平限制,2014年03月經對水庫的安全檢查結果顯示,石雞山水庫的壩體和放水涵洞兩大重要建筑物已出現一定的安全問題,已影響到水庫的安全穩定運行,需進行應急除險加固。經綜合比較投資金額、施工難易、工期長短、運行管理等方面因素后,提出了該水庫應急除險加固方案。

1 壩體防滲加固設計

1.1 壩體存在的問題

大壩為均質土壩,因壩體填筑土壓實度較低,防滲性能不能滿足規范要求,壩體存在滲水現象,已威脅到工程安全運行。

1.2 防滲加固方案比選

土石壩防滲加固主要可采取充填式灌漿、劈裂式灌漿、迎水坡鋪設復合土工膜、射水法混凝土防滲墻、振動沉模防滲墻、單管高壓旋噴防滲墻等方案[1]。根據石雞山水庫大壩的實際情況,考慮充填式灌漿前期可以取得一定的防滲效果,后期防滲效果得不到保障；劈裂式灌漿因劈裂壩體,會對壩體產生較大擾動,可能影響壩體的整體穩定性,防滲效果較差；射水法施工工藝要求高,防滲墻之間連接不夠可靠；迎水坡鋪設復合土工膜,土工膜埋深較淺,容易被外力破壞,且該方案無法解決壩身蟻洞所造成的滲漏通道問題,可靠性較差。因此,本工程加固不考慮充填式灌漿、劈裂式灌漿、射水法混凝土防滲墻、迎水坡鋪設復合土工膜等方案。壩體防滲主要考慮單管高壓旋噴防滲墻、振動沉模（需結合單管高壓旋噴）兩方案進行比選。兩種方案對照見表1、表2。

表1 壩體防滲方案對照表

表2 壩體防滲加固方案投資對照表

經以上兩方案比較可知,單管高壓旋噴防滲墻方案比振動沉模防滲墻方案綜合投資低。振動沉模防滲墻成墻質量雖較好,但現有市場的施工設備稀缺,且設備故障率高,無法滿足本工程的場地和施工進度要求。高壓旋噴防滲墻造價較經濟,且成墻效果較好,施工工藝成熟,現有的施工設備較多,可以滿足工程的場地和施工進度要求。所以本工程推薦采用單管高壓旋噴垂直防滲墻加固方案。

1.3 施工方案

本方案即在壩頂上沿壩軸線布孔灌漿,使壩體內部在校核洪水位以下壩基隔水層以上部分形成一道由高壓旋噴樁體相交組合成的連排垂直防滲墻（見圖1）。

圖1 高壓旋噴防滲墻平面布置圖

1.3.1 高噴樁設計

（1）防滲墻最小厚度計算：

式中：hw為上游水頭,本工程為67.2-51.6=15.6 m；J 為允許滲透比降,取80。

計算成墻最小厚度為0.195 m。

（2）高噴樁距樁徑計算：

對于旋噴樁來說,墻體的最小厚度就是兩個樁體連接部位的交圈厚度,交圈厚度由樁體的直徑和孔距確定。

式中：e 為旋噴樁的交圈厚度,m；De為旋噴樁樁體直徑,m；l 為孔距,m。

經計算當樁徑為0.6 m,孔距0.45 時,交圈厚度0.397 m＞0.195 m,滿足要求。

設計旋噴樁直徑D=0.6 m,布設單排孔,孔距0.45 m,旋噴樁穿過壩體伸入相對隔水層以下2.0 m,灌漿采用單管法,分兩序施灌,每序孔距為0.45 m×2=0.9 m。漿液噴射壓力不低于25 MPa 且不高于40 MPa。施工前做好先導孔,間距10 m。因水庫涵洞埋于洞內,同時壩內存在一處大孤石,旋噴在壩頂鉆孔的孔位布置需精確,盡量避開鉆到涵洞。或者在鉆至涵洞附近采用加大鉆孔間距、增大灌漿壓力的方 式進行旋噴灌漿[2]。全壩段共應布置178 個孔,布鉆孔總進尺1878 m,灌漿總進尺1487 m。

1.3.2 施工方法：

（1）造孔：按設計孔位在壩頂安裝旋噴鉆機。對鉆機底座進行縱橫向整平、對中。鉆孔中心距為0.45 m。為防止串孔干擾,采用二序法施工。

（2）安放灌漿管：用提升三角架,連接鉆桿并逐節安裝,把帶合金鋼片的噴頭體鉆穿壩體至設計孔深,邊下鉆邊注入低壓水沖洗防堵。同時注意機械振動和及時測量調整校正垂直度,鉆桿偏差≤1%。

（3）注漿施工：注漿材料使用32.5 級普通硅酸鹽水泥。注漿方式為壓入式上行法,自下而上。旋噴管下至設計深度注漿開始時應先試噴,待注漿壓力達到20 MPa 時才提升注漿管進行旋噴,旋噴主要技術參數為：①漿液噴射壓力25 MPa～40 MPa；②漿液流量70 L/min～100 L/min,漿液密度1.4 g/cm3～1.5 g/cm3,回漿密度≥1.3 g/cm3；③提升速度10 cm/min～15 cm/min；④旋轉速度10 r/min～15 r/min；⑤孔斜≤0.5%；⑥旋噴樁設計樁徑≥0.6 m,孔距0.45 m；⑦28 d 抗壓強度＞2 MPa,28 d 滲透系數＜i×10-6cm/s,允許滲透坡降J ≥60。

（4）具體參數應按規定在施工前開展試樁后選定,施工完后應進行鉆孔取芯和壓水試驗,測定防滲墻的抗滲和強度指標。

1.4 運行檢查

壩體加固后,在投入使用及運營過程中應做到定期巡查,滲透觀測項目有：浸潤線、滲流量、繞壩滲流、壩基滲透壓力和滲透水和透明度等。

滲流量的觀測,在壩體排水設備的下游適當地點將滲流集中,根據滲流量的大小,選用容積法、量水堰法或測流速法來測量滲流量。如發現突然增大時,應注意有無管涌現象發生。

2 放水涵洞加固設計

2.1 放水涵洞存在的問題

本項目放水涵洞位于大壩中部,為0.7 m×0.7 m 的漿砌條石涵洞。經人工進洞探查及結果分析顯示,受當年工藝技術限制,加之經60 多年的運行、砌筑砂漿老化、基礎不均勻沉降、洞頂含水土體壓力過大、部分條石承壓性不夠等因素,已使洞身出現橫向通縫斷裂1 道,頂蓋條石斷裂2 處,勾縫砂漿已全線脫落,洞周砌縫漏水點密集,漏水量大,越靠近進口越嚴重。已無法滿足安全運行要求,存在較大的安全隱患。

2.2 涵洞加固方案比選

根據涵洞滲漏情況,我們提出三個除險加固方案。方案一,通過開挖大壩翻修加固原放水涵洞；方案二,采用頂管法新建放水涵洞；方案三,在涵洞內安放PE 塑料管道并對空隙處灌漿密實處理。優劣勢分析綜合對比見表3,方案三的涵洞內襯套管施工方式由于其具有抗變形能力強、施工技術簡單、工期短、投資少等優點[3],首先推薦選擇。

表3 放水涵洞加固方案優劣勢對比表

2.3 施工方案

2.3.1 PE 管管徑選擇

石雞山水庫放水涵洞位于大壩中部,采用壩內埋涵型式。涵體斷面尺寸為0.7 m×0.7 m（寬×高）,洞長48 m,采用漿砌條石砌成,比降i=0.02（見圖2）,放水孔直徑0.15 m,設計最大放水流量為0.07 m3/s。

圖2 放水涵洞加固斷面圖

圖2 玉龍水庫壩后電站受水區不同達產率電量、利用小時數圖

涵洞套管即在原輸水涵洞內套入輸水管材,并通過充填水泥砂漿和灌注水泥漿將套管外壁充填密實。內套PE 管管徑采用多大的規格,需結合原涵管的洞口尺寸及設計過水流量,通過計算確定。通常新套管與原涵管之間要保持間隙不小于30 mm。新PE 管其壁厚度確定不但要滿足強度指標,還要滿足穩定性指標。

根據石雞山水庫現有的涵洞尺寸及下游所需的灌溉任務,出口為自由出流,根據規范采用短管公式計算,管道水力計算公式：

式中:V 為管內平均流速,PE 管的允許最大流速為2 m/s,經濟流速為0.8 m/s～1.2 m/s。

經計算得管徑D=0.33 m,結合現有涵洞尺寸（0.7 m×0.7 m）及規范,最終選用PE 管管直徑為D=0.5 m,壁厚為23.9 mm,承壓0.6 MPa。

2.3.2 PE 管的焊接及安裝

經過計算并結合材料性質要求,本工程采用壁厚23.9 mm,直徑500 mm 的PE80 級SDR21 系列給水管材。為保證管道的抗滲性,本工程所有的PE 管接口連接均在現場洞外完成熱熔焊接。PE 管通過臨時架設的導軌,一根一根從下游進管,上游由卷揚機牽引,管頭加裝錐形頭；下游輔以鏟車（正鏟）緩慢頂推,逐節熔接逐節入洞,直至全線貫通。

2.3.3 新套PE 管與舊涵洞之間充填灌漿

套管安裝時需將DN50 鍍鋅鋼管灌漿管和DN100 PVC充填管固定在PE 主管外壁上同步入洞,每隔1.5 m 布設一個噴漿口。PE 管安裝固定穩定后,先將管道密封充水加壓至0.2 MPa。再采用M10 微腫脹水泥砂漿通過充填灌漿管將PE 管與原涵洞間的縫隙充填密實,灌漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa。灌漿作業應安排在現場大氣溫處于常年最低溫時段,以減少混凝土收縮對洞身密封性所造成的影響,并確保漿液能夠將套管四周外壁充填密實。

2.4 運行檢查

放水涵洞加固后,在投入使用及運營過程中應做到定期巡查,做到及時發現問題及時進行處理。可重點查看出口處管壁外及舊涵周邊的漏水情況；進出口處的沖刷、洞身變形、周邊的塌陷、斷裂；設備的正常啟閉情況等問題。

3 結語

高壓旋噴垂直防滲技術具有設備簡單普遍,場地適應性好,工期短、工效高,工藝成熟可靠,能保證施工進度；樁體強度大,孔斜好控制,容易成樁,耐久性好,質量穩定、防滲效果好,且能處理壩基接觸帶的滲流等優點,很適宜在小型土石壩水庫除險加固工程中應用。而涵洞加套PE 管的加固方法,因其具有柔性好、耐扭曲、耐沖擊、耐腐蝕、抗變形,施工簡便快速,埋地使用壽命長環保安全,投資少、施工期短等優勢,不失為眾多老庫病涵的修復處理首選。本應急除險加固方案的實施,不僅消除了工程隱患,也為進一步提升該水庫的綜合效益提供了安全保障。