淺談砌石拱壩防滲加固方案比選和應用

岑樹高

淺談砌石拱壩防滲加固方案比選和應用

岑樹高

（貴州省黔南州水利水電勘測設計研究院，貴州都勻558000）

對不同情況下砌石拱壩病險情況的處理方案進行分析，以水打橋水庫為例，對壩體存在結構穩定隱患的處理方案進行了比選，分析了兩種處理方案的差異性；又以馬巖水庫為例，對壩體僅存在滲漏問題的處理措施進行了探討。兩個工程已經蓄水運行發揮效益多年，所采用的具體方案對設計與施工具有一定借鑒價值。

病險水庫；防滲；加固；砌石拱壩；方案設計

1 基于壩體結構穩定隱患的處理方案

對壩體存在的結構應力不滿足規范要求的問題，主要從兩個方向考慮：（1）不改變原壩體體型，增加輔助設施改善原壩體應力(A人為抬高壩體的下游水位抵消部分上游水壓力，以減小壩體最大應力值；B降低正常高水位，減小壩體應力，即降低原壩體高度或控制冬季上游水位來減小壩體拉應力)；（2）對壩體進行加厚處理(上游壩面加厚和下游壩面加厚)。顯然前者對灌溉效益不利，且投資也不經濟。本文主要分析后一種方案的具體措施。

1.1 概況

水打橋水庫位于惠水縣城東北20 km大壩鄉境內，所在河流屬珠江流域紅水河水系上游漣江的二級支流，壩址以上集雨面積為6.37 km2。水庫屬小（1）型工程，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物為4級。原大壩壩型為漿砌石雙曲拱壩，壩頂弧長為93.5 m，壩頂寬為1.91 m，壩底寬為4.0 m，最大壩高為27.5 m；溢流段位于拱壩中部，凈寬為23.5 m。該大壩于上世紀70年代動工興建，期間三次停工復建，至1984年才完工投入蓄水運行。運行中壩體多處出現射流，兩壩肩有貫穿性裂縫。由于壩身較薄，汛期宣泄洪水時感覺壩身有震動現象。2010年對該水庫進行除險加固設計時選定了上游變厚拱端加厚方案[1-2]。

1.2 加固方案

鑒于該工程多次停工復建，壩體砌筑材料復雜(第一期：上下游采用M10水泥砂漿砌塊石，上游在砌石后設置0.5 m厚C15砼防滲墻，砌筑材料為M10砌毛石。第二期：采用C15砼澆筑，澆筑高度4.16 m。第三期：上下游面采用砼預制塊砌筑，上游面有預制塊后設置0.5 m厚C15砼防滲墻，中間填M10水泥砂漿毛石)，用傳統的多拱梁法難以合理分析計算，經有限元分析方法計算各種工況下的應力變形(見表1)，分析新老壩體接觸面的結合狀況，對加厚后拱壩的整體狀態進行評價，并提出新老接觸面處理的工程措施。

圖1 大壩上游加厚設計剖面圖

通過分析計算，上游壩體加厚后變形很小，壩頂部的變形相對較大，向壩肩和壩底逐漸減小。在正常蓄水位溫降工況，順河向變形極值為8.0 mm，出現在溢流堰頂拱冠部位上游側。在設計洪水位工況和校核洪水位工況，向下游變形的極值僅為2.0 mm左右。壩體應力水平較低，主要表現為壓應力。

表1 兩種加固方案新老壩體交接面應力比較表單位：MPa

在各工況下，壩體應力均符合設計規范要求，最大主拉應力值出現在正常蓄水位溫降工況，為1.48 MPa，小于規范要求的1.50 MPa；最大主壓應力值出現在校核洪水位工況，為1.98 MPa，遠小于規范要求的容許壓應力值。

鑒于該工程的壩肩穩定還不滿足規范要求，所以考慮增大壩肩嵌深即延長壩體長度或增加壩肩厚度。綜合考慮增大壩肩厚度，增加壩肩嵌深，使壩肩應力滿足規范要求。同時確保在各種工況下，大壩整體穩定安全系數滿足規范要求。

考慮大壩整體協調性，新老壩體結合情況是直接影響因素，法向拉應力可能導致脫開現象。因此在實際工程施工中，結合面一般鋪一層砂漿并插連接錨筋，還經過灌漿處理，避免局部法向拉應力及剪應力對新老壩體良好結合造成影響。該工程已于2011年4月完工并蓄水運行，至今正常發揮效益。

1.3 加固處理方案的差異性分析

如采用在大壩上游面整體加厚（見圖1），可以滿足應力、穩定需要，方便布置壩體砼防滲墻。工程加固處理效果好。但需要放空抽干水庫，壩前清淤及壩基（肩）開挖難度較大。存在施工度汛安全的問題。

而采用在大壩下游面加厚，容易滿足應力、穩定需要，但厚度較大。若壩肩存在穩定問題需做重力拱壩或重力墩形式。壩體防滲可以在上游面抹面防滲。可以利用老壩擋水開挖，壩前不用清淤、施工難度較小。但工程投資較大，上游壩面需要重新處理，壩體防滲效果不顯著。

2 壩體僅存在滲漏問題的處理方案

以福泉市馬巖水庫為例。該水庫位于谷汪鄉馬巖寨下游0.5 km。水庫壩址距牛場鎮10 km，距市區43 km。有鄉村公路穿過壩區及右岸，交通較為方便。水庫所在河流位于長江流域沅江干流清水江的一級支流重安江上游。水庫壩址以上流域面積為12 km2，壩址河床高程1213 m，壩址以上主河長度5.2 km，加權平均坡降28.4‰。大壩為砌石雙曲拱壩。工程于1977年冬興建，1980年緩建，完成壩高9 m。1985年續建，1989年6月建成蓄水。壩頂高程1248.5m，最大壩高37m，正常蓄水位1246.5m，總庫容557.4萬m3。設計灌溉面積1.25萬畝，屬于小(1)型工程。

大壩無防滲心墻，壩身較單薄，投入運行后壩體下游面庫水位以下浸潤線明顯，壩體滲漏較為嚴重，高水位時局部出現射流。左右壩肩滲漏較為嚴重，當水庫蓄水到1233.0 m高程時，左岸有三處漏水，單點流量達1.5 L/s。水庫蓄水位常年限蓄在1241 m以下,水庫不能發揮應有灌溉效益。經采用有限元軟件ANSYS進行復核，大壩應力及穩定滿規范要求，僅存在滲流問題。根據勘察鉆孔揭露，壩體材料為漿砌石，凝結較差，漿砌石段的透水率都在10 Lu以上，局部達到100 Lu。若在上游加防滲墻方案，需考慮圍堰、導流及清淤。而水庫已建成28年，水庫淤積量較嚴重，臨時工程量較大。故在壩頂沿壩軸線布置鉆孔進行水泥灌漿[3]，對出現射流部位布置鉆孔時采取包圍加密的方式進行反壓充填灌漿。先用反壓灌漿在砌體內填充空隙，視灌水泥漿的效果后考慮是否再進行化學灌漿。最后實施壩體補強灌漿，可減少漿液外滲造成不必要浪費。

反壓灌漿即在下游壩面主要漏水部位、射水及大面積浸潤部位采用風鉆鉆孔，然后預埋有砂眼的灌漿管進行灌漿處理，用低壓灌入水泥漿填充砌體內空隙。鉆孔為水平方向朝上游，具體孔位與壩頂補強灌漿鉆孔錯開。孔徑Φ33mm～38mm，孔深1.5m～3.5m不等（進入壩體大于1.5m）。按梅花狀布置，水平方向間距一般為3m，垂直方向1.5m～2.0m不等。鉆孔完成后預埋有砂眼的灌漿管，埋入壩體的部分為花管。所有埋管外露部分不能低于30cm，管口設閘閥，且密封良好。埋管孔口用高強砂漿固定，待凝后再實施灌漿。灌漿按先低位后高位順序，同一高程分II序次先稀后密叉開進行。灌漿壓力初定為0.2MPa，最大壓力為0.3 MPa，灌漿濃度為2∶1、1∶1、0.6∶1三個比級，當注入率不大于0.4 L/min，持續20 min；或縫面漏出濃漿持續2 min即可結束，待個孔口閘閥關閉后再停機，閉漿時間不低于8h。經蓄水運行，大壩下游滲漏狀況基本消失，效果非常明顯。

但在一些浸潤面較大沒有明顯射流的砌石壩中，采用聚合物乳液砂漿在上游壩面進行抹面的防滲措施[4]，施工方案工藝簡單，工期短，投資省。但聚合物水泥漿和砂漿不能大量配制，壩面要求無浮塵、雜物、油污等，保持表面潮濕，壩體粘結面需一次性打底抹、壓平、清光，不平整部位需分層多次摸薄漿。對下部壩體因部分水庫無法清淤或放空存水有一定局限性。

3 結論

（1）根據現行規范，使用有限元方法能較全面分析拱壩加厚后新老壩體的應力變形和結合面狀況，便于存在結構性問題的大壩進行加固設計，同時對細部結構采用針對性的措施具有重要作用。

（2）對僅存在滲漏隱患的砌石體采用鉆孔灌漿并結合下游面集中滲漏點埋管反灌的方案簡單可行,也有些工程采用聚合物乳液砂漿在上游壩面進行抹面防滲方案工藝簡單，工期短。兩方案各有優劣，均具有明顯的效果，后者投資省，但對壩面的平整性和空庫條件有一定限制。

[1]混凝土拱壩設計規范(SL282—2003)[S].北京:中國水利水電出版社，2003.

[2]貴州省水利廳,湖南水利水電勘測設計研究總院，福建水利水電勘測設計研究院，等.砌石壩設計規范(SL25—2006)[S].北京:中國水利水電出版社，2006.

[3]楊月林.朱均超,水工建筑物水泥灌槳施工技術[M].長江出版社，2004年9月出版.

[4]王長樂.劉國建等，小型砌石壩的防滲措施[J].河南水利,2002年05期.

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B

1673-9000（2017）02-0139-02

2016-11-30

岑樹高（1968-），男，貴州獨山人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘察設計及項目管理工作。