提高水库除险加固措施 确保水库安全运行

冯光

摘要:通过分析某水库工程主要枢纽建筑物存在的一些工程安全隐患,从而提出相应的除险加固措施，确保水库安全运行。

关键词:水库；主坝；除险加固；溢洪道；泄水发电隧洞

中图分类号：TV62文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

某水库总库容1.25 亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，并兼发电等综合利用的大型水库。其库区主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道和发电站等。水库建成运行以来，在防洪、灌溉、发电和水产养殖等方面发挥了巨大的社会、经济效益，保证了下游乡镇、农田、人口的安全。但是由于受当时建库条件限制和多年的运行使用，目前水库主坝防渗墙、泄洪发电隧洞、溢洪道等都存在许多安全隐患，极大影响水库的安全运行，必须采取相应的除险加固措施以消除隐患。

2 存在的主要问题

2.1 主坝存在的问题

主坝为粘土实心墙砂壳土坝，粘土心墙顶宽3m，底宽25m，坝基设有一道截水槽，共同构成主坝防渗体，在水库安全运行中起着非常重要的作用。由于当时工程技术薄弱，财力有限，以及建材缺乏，致使坝体建设遗留问题较多，再加上水库运行年限已久，存在的问题更为突出，严重的危及到主坝的安全，成为影响水库安全运行的主要工程隐患。

2.1.1主坝坝体不满足规范要求

(1) 主坝心墙和壳体填筑压实度不满足。为查清主坝坝体的填筑现状，2006年采用钻孔、探井、物探和土工试验等多种方法对主坝进行详细的地质勘察。勘察结果：坝体填筑土压实度平均值心墙为0.86、坝壳土为0.91，均未满足规范要求。同时坝体土均匀性差、局部压实度严重不足而引起坝体塌陷，心墙土和坝壳土均为中等透水性和压缩性，阻水性差，致使水库运行过程中主坝心墙的渗透比降一直大于其允许渗透比降，渗透变形破坏的隐患一直存在。经渗流分析计算，设计洪水位69.51m 工况下，粘土心墙的计算渗透比降为9.6%。根据粘土心墙室内渗透变形实验成果，粘土心墙的允许渗透坡降为2.0 左右，其临界渗透比降达10%左右，心墙渗透比降远大于其允许渗透比降，渗透稳定不满足规范要求。由此可见，心墙和壳体填筑压实度不满足，坝体渗漏严重，另外，下游坝脚反滤排水体被堵塞失效，导至坝体浸润线明显抬高，在设计洪水、校核洪水工况下，下游坝坡抗滑稳定安全系数不能满足规范要求。

(2)近坝库岸不稳定。某水库近坝库岸边坡为花岗岩残坡积和全风化土质边坡，土体厚度一般大于5m，花岗岩残坡积或全风化土在库水的浸泡作用下强度降大，边坡岩性条件差；坝体建于山丘间低垭处，近坝岸坡基本呈凸状三面临水，库岸地形条件不利于岸坡的稳定。在水库运行过程中常有发生库岸崩塌现象，尤其在台风多发的夏季更甚，可见近库岸的稳定性差，不但造成库岸崩塌和水库淤积，而且还危及坝体的安全。由于坝肩强风化层透水性较大，局部存在松散耕植土层未清掉和局部存在较厚呈中等透水性的全风化层，造成坝肩严重渗漏，对坝肩的稳定不利；

2.1.2 主坝坝基和坝肩清基不彻底

坝基岩土体主要为弱风化黑云长花岗岩，局部清基不彻底存在河流冲积形成的粗砂粘土透镜体；左坝肩顶部表层覆盖薄层花岗岩残坡积形成的含砂粘土，中部和下部表层为花岗岩全风化土和强风化层；右坝肩表层为花岗岩残坡积形成的含砂粘土，局部存在有松散耕植土往下主花岗岩全风土和强风化层。花岗岩残坡积形成的含砂粘土呈可塑硬塑状态,中等压缩性；花岗岩全风化土和强风化层为一般裂隙很发育，岩体破碎、属碎块状结构。通过现场压水试验，该层的透水率亦比较大，多数段大于40 Lu。由此可见，坝基和坝肩清基不彻底，存在严重渗漏，严重不利于大坝的稳定和安全。

2.2 灌溉发电隧洞存在的问题

灌溉发电隧洞主要存在以下问题：①隧洞洞身存在多处混凝土剥落、钢筋外露，外露钢筋锈蚀严重；②出口处钢板衬砌锈蚀严重，部分钢板与混凝土脱落分离；③放水塔及其闸门、启闭设备老化，部分锈蚀，已不满足水库运行要求。

2.3 溢洪道存在的问题

溢洪道位于六副坝与七副坝之间，为正槽溢洪道，由进水渠、宽顶堰、泄槽、消力池组成。存在的问题：①进水渠边墙高度不满要求，且出现裂缝，堰上跨溢洪道拱桥出现不同程度的裂缝，存在安全隐患，如出现倒塌，严重影响水库正常溢洪。②溢洪道基础抗冲性能极差，泄槽陡坡段覆盖层与基岩接触带的粉土受地下水的浸泡软化，形成相对软弱的结构面，产生不均匀沉陷；泄槽边墙及底板均出现裂缝；陡坡段和消力池水流流态很差，消能效果不好。③消力池钢筋砼面层混凝土剥落，钢筋外露；消力底板发生不均匀沉降，边墙及底板出现裂缝；地下水从底板裂缝处渗出；消力池底厚度不满抗冲要求。据此，2006年安全鉴定溢洪道结构安全性为C级，不具备大量泄洪能力，如强行泄洪将对下游乡镇造成严重危害。

3 除险加固设计

3.1 主坝加固设计

由于主坝心墙和壳体填筑压实度不足，坝体渗漏严重，渗透变形破坏的隐患一直存在，上、下游坝坡抗滑稳定安全系数达不到规范要求，坝基和坝肩清基不彻底，下游坝脚反滤排水体被堵塞失效，近坝库岸不稳定等原因，导至坝体不安全，同时考虑水库在防洪等方面的重要性，主坝必须增设新的防渗体。加固设计进行了塑性混凝土防渗墙和高压旋喷防渗墙两个方案的比较，最终采用主坝全坝线增设塑性混凝土防渗墙方案。由于风化岩层中造孔较困难，故右坝肩坝基5～20m厚风化岩石层采用帷幕灌浆处理。塑性混凝土防渗墙平行坝轴线，中心线位于原粘土心墙中轴，防渗墙施工过程中不应破坏原有粘土心墙。塑性混凝土防渗墙全长360m，墙顶高程71.31m，高于校核洪水位70.81m，主河床墙底高程33.21m，最大墙高38.1m。左坝段及主河床段（桩号0+000～0+200）风化岩石厚度很小，塑性混凝土防渗墙应进入弱风化、微风化岩石层(相对不透水层)0.5m。右坝段（桩号0+200～0+360）风化岩石较厚(5～20m)，塑性混凝土防渗墙应进入风化岩石1.0m，墙底部风化岩石层采用帷幕灌浆处理，帷幕灌浆采用单排孔，孔距2m，灌浆孔深入岩石弱风化岩层5m，灌浆后风化岩石的单位吸水率小于5Lu。防渗墙设计水头在37m，取[J]=60（根据国内已建的类似工程经验，塑性混凝土防渗墙允许渗透坡降为60～80），考虑到防渗墙深度和现有的施工机械性能，在参照近年来国内已建的类似工程防渗墙基础上，确定防渗墙有效厚度为0.8m。塑性混凝土防渗墙主要性能指标为:弹性模量小于800～1000MPa，28天抗压强度不低于10.0MPa，防渗墙渗透系数小于1×10- 7cm/s，允许渗透比降[J]为60~80。

3.1.1 防渗墙结构计算

防渗墙结构计算中采用以下假定: ①防渗墙与坝体土的关系采用文克尔假定，防渗墙受荷载作用后，直接支撑在坝体土上，防渗墙和坝体土之间变位相互协调，墙上各点的反力与在该点的变位成正比，坝体土反力系数随深度直线变化并随不同地层变化。②土坝坝体自重和水压力均视为作用在墙上的外荷载，考虑到该水库运行年限已久，主坝体变形基本完成，因此建墙后墙体两侧因变形产生的摩擦力很小，所以防渗墙的工作条件是典型的以水平荷载为主的情况。另外，除考虑水平水压力外，还考虑竖向垂直压力作用的影响。③取单宽等厚度墙作为计算简图，顶端视为自由端，底部视为铰接，采用有限差分法进行计算。根据上述假定，选取最大墙身，对防渗墙进行结构计算。计算结果表明， 防渗墙在设计洪水工况下， 下游最大压应力为1.255MPa，小于塑性混凝土抗压强度，上游未出现拉应力，最小应力1.7kPa。

3.1.2 防渗墙主要施工工艺

塑性混凝土防渗墙施工采用两钻一抓法造孔、膨润土浆液固壁、泵送混凝土浇注。施工时首先在槽段两端用冲击钻钻主孔，抓斗成槽机抓副孔，到达基岩面后改用冲击钻入岩0.5~1.0m。造孔过程中，槽内浆液面要始终保持在导向槽顶面以下30～50cm，浆液泄露时，及时采取堵漏和补浆措施。考虑到造孔是在主坝中进行，施工时水库不能放空，同时防渗墙施工要跨一个汛期，如发生较大塌孔将影响大坝安全，因此槽孔不能过长。施工中一期槽孔长6m，墙段连接采用钻凿法，两端接头二期槽孔长7.2m。主河床段防渗墙高37m，为防止主河床段造孔中出现塌孔现象，施工单位应在主河床段缩短槽段长度，保证膨润土浆液质量以确保主河床段不出现塌孔现象。

3.1.3 帷幕灌浆主要施工工艺

右坝段防渗墙底部的风化岩石层采用帷幕灌浆处理，为保证帷幕灌浆与上部的混凝土不发生分叉，连成一整体，要求在混凝土防渗墙内预埋钢管，通过预埋的钢管对底部的风化岩层进行灌浆。预埋钢管管径10cm，位于防渗墙中间，间距与帷幕灌浆孔的孔距相同，为2m。钢管预埋应在造孔、清孔完成后混凝土浇筑前进行，采用定位架安装固定。定位架由直径为20mm的钢筋焊接而成，定位架在垂直方向上间距为10m。钢管安装固定后进行槽孔混凝土浇注，当浇筑的混凝土强度达到设计强度的80%后，进行钻孔灌浆。

3.2 灌溉发电隧洞加固设计

由于常年受到库水的侵蚀、氧化，以及泄洪、发电时高速水流冲刷的影响，灌溉发电隧洞原衬砌混凝土不断发生碳化、脱落，洞壁钢筋外露锈蚀，出口衬砌钢板也受到不同程度的锈蚀，因此必须采取相应的措施对隧洞进行修补加固。加固措施主要有：对于洞壁剥落的混凝土，首先将破坏部位及其周围受侵蚀、疏松，或较薄弱、存在缺陷的混凝土彻底清除，清理范围应根据实际破损情况适当加大；外露钢筋且锈蚀严重的钢筋予以清除，再用新钢筋进行焊补，锈蚀不严重钢筋进行除锈处理；混凝土凿除、清理及锈蚀钢筋清理之后，用环氧砂浆补强、找平；隧洞出口锈蚀的衬砌钢板处采用粘贴环氧玻璃丝布方法进行修补加固。

3.2.1 环氧砂浆施工工艺

为保证环氧砂浆与混凝土及露筋有牢固的粘结力，须对基底混凝土及露筋表面进行处理，将混凝土表面乳皮清除，外露出新鲜糙率面，但不得产生扰动，露筋无锈、无污物。施工中采用凿毛机对修补部位进行凿毛，用钢丝刷反复清理露筋上锈斑及污物。用棉纱浸渍丙酮将基础面擦试一遍，待丙酮挥发混凝土变白，方可涂刷基液。将拌制好的基液，用毛刷均匀地涂刷于基面上，厚度约0.5mm。根据环境气温情况，基液刷后静停10～30min(手触有拉丝现象)后，开始涂抹环氧砂浆。将拌制好的环氧砂浆用抹刀按照要求的厚度涂抹于已刷好基液的基面上，边涂抹，边压实，以保证密实度和平整度。由于环氧砂浆强度的发展受温度的影响甚大，因此环氧砂浆的养护期在15～25℃时为28d。温度为25℃以上时，养护期为7d。

3.2.2 環氧玻璃丝布施工工艺

清理隧洞出口锈蚀的钢板，清除钢板表面锈斑及污物并进行凿毛，然后按环氧砂浆的施工工艺抹一层10mm 厚环氧砂浆进行找平。在环氧砂浆面上用环氧粘结剂粘贴玻璃丝布，玻璃丝布采用0.25mm厚无碱平纹布，使用前用皂液法脱腊处理。粘贴玻璃丝布共4 层，厚度不小于1mm。粘贴面要求平整，干净，无污，无油，必要时可用丙酮擦洗。在粘贴面上涂刷环氧基液不宜厚，越薄越好，但必须保证使每个部位都有基液，然后粘玻璃丝布，将残留在布中的气泡赶除、压实;待浆液透过玻璃丝布并溢出后再进行第二层涂敷;反复粘贴直到设计厚度。

4 结语

（1）该水库受建库时条件限制，主坝采用粘土心墙，经多年运行，粘土心墙已不能满足主坝的防渗要求，成为水库的一个重大安全隐患。经水库大坝安全鉴定综合评价，将该水库主坝归入三类坝，必须进行加固。

（2）水库除险加固工程完成后，可彻底消除主坝、灌溉发电隧洞、溢洪道等主要建筑物存在的安全隐患，确保水库正常运行，发挥更大的社会、经济效益。