水库土石坝加固技术分析及其应用举例

关键词： 坝基 挡水 石坝

土石坝是应用最广的挡水建筑物, 填筑在不同的坝基上。土石坝在挡水后上下游水头差作用下, 易发生土石坝及其坝基渗透等破坏, 甚至垮坝失事。为保证土石坝的安全及水库的正常运行, 必须及时采取必要、准确的加固技术。

土石坝的加固方法, 一般可按土石坝加固的原因可主要分为:渗透破坏、裂缝、滑坡、地震震害与液化等加固方法。本文就上述几类土石坝的加固技术, 分别结合现今研究实例, 进行了归纳和综述。

1 防渗加固方法

1.1 混凝土防渗墙

混凝土防渗墙可以适应各种不同材料的坝体和复杂的地基条件。墙的两端能与岸坡防渗设施或岸边基岩相连接, 墙的底部可嵌入弱风化基岩内一定深度, 只要严格控制施工质量, 可以达到彻底截断渗透水流的目的。该方法适用于砂卵石、漂石、大孤石、粘性土层。

早在70年代, 国外对塑性混凝土作了大量试验研究, 并已应用到险坝加固、坝基防渗和土石围堰防渗中。如英国BaederHead坝, 坝高55m, 为心墙堆石坝, 解决了心墙漏水的问题。

2006年, 浙江省水利水电勘测设计院尉高洋研究发现, 低弹模混凝土防渗墙不仅具有适应土坝变形的能力, 还具有较高的强度和抗渗能力, 同时还具有较强的抗溶蚀性和耐久性, 值得在大坝加工工程中推广应用。

1.2 高压喷射灌浆防渗

高压喷射灌浆的原理是用高压水、气或浆切割地层, 灌注水泥浆, 升扬和置换土层中部分细粒土, 根据需要形成柱、板、墙或它们的结合体。该方法适用于软弱土层, 墙深在20m以下。

2004年, 张宗媛等在研究火甲水库主坝时, 采用高压喷射灌浆, 营造混凝土防渗墙, 并结合土工织物铺设防渗堵漏, 取得了较满意的防渗堵漏效果。

1.3 劈裂灌浆防渗

劈裂灌浆防渗, 是应用高压浆液对堤身土体挤压劈裂, 劈裂缝先由低部展开, 浆液不断充填缝隙和空隙;随着低部土体的挤压密实, 劈裂缝逐渐向上和沿堤身轴线两侧延展, 浆液不断充填密实, 直至堤顶出现裂缝冒浆。至此就完成了劈裂灌浆的一次灌浆, 浆液经过一定时间的排水固结后, 重复上述步骤, 直至预定的灌浆次数, 即可终止灌浆。

2008年, 张志刚结合某工程实例, 对劈裂式帷幕灌浆法在某库坝防渗加固工程中的设计进行了研究和设计, 该水库主坝的渗漏窨潮现象消失。证实了劈裂式帷幕灌浆法满足了设计要求, 在该水库主坝渗漏加固中应用效果良好。

1.4 冲抓套井粘土回填防渗墙

冲抓套井回填施工简单, 操作方便, 形成的防渗墙厚, 质量直观可靠, 使用寿命长, 效果十分显著。套井回填粘土处理适用于粘性土层, 墙深20m以下。70年代初由浙江省温岭县在处理险坝中首创, 至今已有几百座水库和相当长度堤防采用此法处理渗漏, 并逐步推广到江西、湖南、四川等10多个省。

2007年, 安徽省淠史杭灌区管理总局张汉杰, 采用冲抓回填土处理霍邱县龙潭水库大坝后, 坝基渗漏已经得到全面控制, 经检测, 渗透系数满足设计要求。

1.5 倒挂井防渗墙

倒挂井法技术是在坝顶开挖明槽, 槽内浇筑直槽开口的混凝土锁梁, 梁下修建混凝土倒挂井, 即先逐层向下开挖、立模、浇筑混凝土倒挂井壁, 直至挖至基岩 (或不透水层) , 清除风化岩石、凿毛清洗干净后, 由下向上逐层回填浇筑防渗墙混凝土或黏土, 形成整体混凝土 (或黏土) 防渗墙。这种方法不需要大型设备和专业队伍, 易于推行。

2003年, 马龙县水利水电勘察设计研究所应用倒挂井人工挖孔处理输水涵洞 (坝下理管) 漏水的方法, 不但达到了加固设计目的, 而且漏水己断流, 具有较好的经济性和实用价值, 值得类似工程借鉴。

1.6 土工合成材料防渗

土工合成材料是以煤、石油、天然气等作为起始原料, 经过化学加工而成为高分子化合物, 再经过机械加工制成的合成纤维。其具有突出的优点:重量轻;整体连续性好 (可作为较大面积的整体) ;施工简单方便、快捷、见效快;抗拉强度较高, 耐腐蚀性和抗微生侵蚀性好, 运输方便等特点。

大连市森林动物园水库, 针对坝坡护面的损坏问题, 选用两面为200g/m2无纺土工布, 中间为0.3mm厚塑料薄膜的复合土工膜整个坝坡面全面覆盖, 再在坝坡复合土工膜上由下向上, 由左 (右) 向右 (左) 铺放上可现场预制的土工绳索联锁块体。峻工运行后, 坝坡防冲效果较好。

1.7 射水造孔浇筑混凝土防渗墙

射水造墙法是我国科研人员为施工江河堤防隐蔽工程而开发出的一项新技术, 近年来广泛用于国内的大江、大河、大湖重要堤防的综合治理工程, 主要用于垂直防渗墙的成槽施工。由于具有施工成本低、进度快、工艺适应性广、防渗效果好的特点而得到了水利等部门的大力推广。

2000年, 江西省宜春地区水利电力局杨运广, 结合江西省樟树市赣东大堤祖孙洲险段工程, 介绍射水造墙法在圩堤防渗工程中的成墙原理、施工方法、成功经验及施工中应注意的问题, 表明射水造墙法应用前景广阔。

1.8 岩溶帷幕灌浆防渗

在闸坝的岩石或砂砾石地基中, 采用灌浆建造防渗帷幕。帷幕顶部与混凝土闸底板或坝体连接, 底部深入相对不透水岩层一定深度, 以阻止或减少地基中地下水的渗透;与位于其下游的排水系统共同作用。该法适用于砂砾石、卵石、砂层, 最深达250m。

2000年, 在研究白沙河水库主坝坝基帷幕灌浆工程中, 发现灌浆后比灌浆前坝基砂砾石层的渗透系数变小了, 强透水层变成了微弱透水层。幕体的防渗效果尚可。

2 滑坡加固方法

土石坝坝坡在重力和其它力的作用下都有向下和向外移动的走势。滑坡的一般性态是破坏前坡上部或顶部出现拉伸裂缝, 滑坡体的上部下陷, 并出现台阶、洼地, 而其下部鼓胀或有较大的侧向移动, 出现扇形拉伸裂缝。

滑坡加固方法: (1) 抛石固脚阻滑, 滑坡体可先不挖除, 稳住滑坡体, 再自上而下, 减轻荷载, 放缓中部坝坡。 (2) 在抛石固脚的基础上, 及时处理滑坡裂缝;另一方面先用挖除回填方法, 沿裂缝开挖深槽, 用好土回填, 将裂缝封闭, 再用水泥黄土浆灌浆法, 堵塞深层裂缝。

(3) 全面培厚, 放缓坝坡。先清理上部滑动体, 用弃料抛填坝脚, 并按设计要求坝坡自上而下夯填。 (4) 下游坝坡堆石压载, 做贴坡式反滤层。

2003年, 贵州省锅底河水库土石坝滑坡采用开挖回填, 放缓边坡和增设马道的处理方法。滑坡处理后, 经库水位达1426.5m的考验, 坝体各部位未发生异常变形, 运行正常, 说明加固已取得显著效果。

2004年, 湖南省东坑水库土石坝滑坡时, 对上游滑坡采取排水减压与加固坝坡相结合的方案进行处理;对下游滑坡采取上堵、下排和加固坝坡相结合的方案进行处理。在多年运行中, 未发生异常现象, 说明处理措施是可靠的。

3 裂缝加固方法

混凝土裂缝是当前水工建筑物的主要病害, 严重的裂缝不仅危害建筑物整体性和稳定性, 而且对水工混凝土的耐久性产生很大破坏。水库输水洞和泄洪洞运行时会出现裂缝, 虽然经过处理, 但仍制约着水库正常运行, 需要对水库土石坝裂缝进行灌浆等加固处理。

2003年, 葛洲坝1号船闸首右2块下游面中部在施工过程中发现一条长达30 m的竖直向裂缝, 船闸运行后, 该裂缝一直处于发展状态, 并已沿顶部顺水流方向贯通。采用预应力锚索加回填灌浆的综合处理措施, 加固工程于1999年5月完成, 取得了较好的效果。

2006年, 广东省大秦水库土石坝裂缝, 采取了以灌浆为主的处理措施。实践证明, 对土石坝沉降引起的裂缝采用充填和劈裂灌浆相结合的处理措施是成功的。2007年, 湖南省江垭大坝10号坝运用了化学灌浆和超细水泥灌浆进行了加固处理, 经压水试验检查完全满足预期要求, 达到了加固处理的目的。

4 地震震害和液化等其它加固方法

2007年, 结合具体算例, 通过具体的数值计算, 探讨了竖向地震动分量、滑动体竖向地震响应分量、振动孔隙水压力等各种因素对堤坝抗震稳定性及坝坡地震滑移量的影响。

2008年, 以新疆恰甫其海粘土心墙土石坝为例, 研究表明, 在粘土心墙土石坝震后固结过程中, 受边界排水影响而产生的坝体内部孔压重分布以及孔压升高区域在坝体内部的迁移是导致粘土心墙土石坝发生震后破坏的根本原因。

摘要：我国大坝工程中, 绝大多数为土石坝。近年来我国大型水库发生多次工程事故。本文主要根据土石坝工程事故发生的原因, 论述土石坝加固技术的方法, 并结合其提出相关应用案例。

关键词：土石坝,水库,加固技术

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