面板堆石壩施工期反滲水問(wèn)題及處理措施研究

宿 生，李曉偉

(海南蓄能發(fā)電有限公司，海南 海口 570311)

混凝土面板堆石壩由于良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，在水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)自20世紀(jì)80年代采用現(xiàn)代技術(shù)修建混凝土面板堆石壩以來(lái)，相繼建成了天生橋一級(jí)、公伯峽、水布埡等一批代表性工程，取得了筑壩技術(shù)的重大進(jìn)步。

在面板堆石壩施工過(guò)程中，由于壩體結(jié)構(gòu)、施工組織等方面的原因，施工期反滲水問(wèn)題往往難以避免，對(duì)壩體施工質(zhì)量及大壩安全有較大影響，必須予以妥善處理。

1 施工期反滲水問(wèn)題產(chǎn)生的原因

1.1 壩體結(jié)構(gòu)方面

面板堆石壩的壩體分區(qū)設(shè)計(jì)一般考慮壩料的滲透穩(wěn)定，即上游壩料滲透性小于下游壩料。但這種壩料分區(qū)設(shè)計(jì)必然造成壩體承受反向水滲水壓力的能力較弱。天生橋一級(jí)面板堆石壩試驗(yàn)表明，3m寬墊層在約4.0m反向水壓力情況下即可能出現(xiàn)管涌型滲透破壞，珊溪面板堆石壩2m寬墊層在約3.0m反向水壓力情況下即可能產(chǎn)生管涌和流土過(guò)渡性破壞[1]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者計(jì)算分析表明，混凝土面板承受反向滲水壓力能力極為有限。劉永開(kāi)假設(shè)混凝土面板為板式梁、底部周邊縫處約束為鉸支座，推導(dǎo)出支座破壞前后不同反向滲水壓力下板式梁的最大彎矩及出現(xiàn)的位置，計(jì)算表明50cm厚、雙向配φ22@200鋼筋的混凝土面板在5.78m反向水壓力下即達(dá)到其抗彎承載力[2]。

1.2 地形方面

由于面板堆石壩趾板對(duì)基礎(chǔ)要求較高，一般要求開(kāi)挖至弱風(fēng)化基巖，必然造成趾板建基面低于下游堆石區(qū)建基面，形成壩址區(qū)高程最低的凹坑，具備水流匯集條件。

壩基集雨面積內(nèi)的降雨徑流、圍堰及兩岸基巖滲水、各類(lèi)施工用水則為反向滲水的形成提供了水源條件。

1.3 施工組織方面

統(tǒng)計(jì)已建和在建的面板堆石壩工程，其下游圍堰一般不做專(zhuān)門(mén)防滲處理，導(dǎo)致施工期通過(guò)下游匯入壩體內(nèi)的水量較大，特別是趾板下挖較深的工程，施工期反滲水更易對(duì)壩體產(chǎn)生危害[3]。

圍堰擋水后，壩體內(nèi)滲水量受地下水位影響將有所增加。受?chē)叨妊礃?biāo)準(zhǔn)限制，汛期一旦洪水翻過(guò)圍堰，淹沒(méi)趾板基坑，則后續(xù)抽水過(guò)程中上游墊層坡面或面板也面臨反向滲水壓力的威脅。

2 施工期反滲水的危害

2.1 表現(xiàn)形式

(1)在大壩填筑過(guò)程中，如反滲水聚集在趾板下游側(cè)不能及時(shí)引排，則將造成該區(qū)域墊層料、小區(qū)料等含水率過(guò)高，從而在碾壓過(guò)程中不易壓實(shí)，形成所謂的“彈簧土”[4]，影響填筑質(zhì)量及進(jìn)度。

(2)反滲水壓力超過(guò)墊層料臨界水力比降后，將從上游面逸出并造成墊層料的滲透破壞。墊層料(含小區(qū)料)一旦破壞，修復(fù)施工非常困難，且回填壩料的壓實(shí)難以保證，特別是周邊縫區(qū)域如壩料空隙率過(guò)大，則極有可能在運(yùn)行期發(fā)生較大變形，造成止水系統(tǒng)破壞。

(3)混凝土面板及止水體系施工完成(或部分完成)后，如反滲水壓力超過(guò)面板承載能力，將造成面板表面開(kāi)裂，甚至出現(xiàn)抬動(dòng)破壞。面板一旦抬動(dòng)將嚴(yán)重破壞面板及止水體系，使其無(wú)法正常工作，其中周邊縫止水將撕裂或從趾板混凝土中拔出，面板將折斷鼓出且下部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)脫空。面板抬動(dòng)破壞后的檢測(cè)及修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)施工極為復(fù)雜、困難，代價(jià)高昂，并給壩體后期正常運(yùn)行留下隱患。

(4)如壩體上游墊層料采用擠壓邊墻護(hù)坡，則反滲水壓力可能造成擠壓邊墻脫坡坍塌，其原理與面板抬動(dòng)破壞類(lèi)似。

2.2 部分工程反滲水破壞情況

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道情況，國(guó)外塔斯馬尼亞水電局[5]在初期面板堆石壩施工中，曾發(fā)生過(guò)反滲水損壞面板的事故，國(guó)內(nèi)也有多座面板堆石壩在施工期受反滲水破壞，見(jiàn)表1。

3 施工期反滲水處理措施

國(guó)內(nèi)面板堆石壩工程在實(shí)踐中積累了較為成熟的施工期反滲水處理經(jīng)驗(yàn)。總體而言，反滲水處理方案應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、氣候及現(xiàn)場(chǎng)施工布置等因素，采取截排結(jié)合、以排為主的方法。具體來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)圍堰、截水溝等措施避免外水進(jìn)入基坑，同時(shí)在壩體內(nèi)布置排水管、集水井等對(duì)內(nèi)水進(jìn)行抽排。

本文主要對(duì)施工期反滲排水措施的布置進(jìn)行討論。

3.1 施工期反滲排水方案

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道情況，面板堆石壩施工期反滲水的處理一般采用預(yù)埋反向排水管自流后在趾板上游集中抽排及設(shè)壩內(nèi)集水井抽排的方法，其中珊溪、白溪、灘坑、三板溪、柴石灘、龍馬、引子渡、柏葉口、開(kāi)茂、巴貢(馬來(lái)西亞)等工程采用了預(yù)埋反向排水管方案，天生橋一級(jí)、公伯峽、水布埡、吉林臺(tái)一級(jí)、斜卡等工程采用了反向排水管結(jié)合壩體集水井的方案，并均獲得了成功[11- 12]。

可見(jiàn)采用反向排水管進(jìn)行壩內(nèi)反滲排水方案已獲壩工界認(rèn)可，并取得了廣泛應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，在壩內(nèi)布置反滲集水井可提高反滲排水的保證率，并能靈活應(yīng)對(duì)各種情況下的反向排水管堵塞失效事故，也可為后期反向排水封堵提供便利。但布置集水井對(duì)壩體填筑及面板混凝土澆筑有一定的干擾，且增加了后期集水井回填、封堵工作量。

表1 國(guó)內(nèi)部分面板堆石壩反滲水破壞情況[6- 10]

實(shí)際工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，在確保工程安全的前提下，選擇經(jīng)濟(jì)、適用的反滲排水方案。

3.2 施工期反滲排水設(shè)計(jì)

3.2.1反滲水量的確定[13]

需進(jìn)行引排處理的壩體總滲水量一般包括以下部分：集雨面積內(nèi)的降雨匯水、地下滲水、施工用水等。

集雨面積內(nèi)的降雨取值可考慮選取代表時(shí)段的平均降雨量，并根據(jù)壩基周邊截排水設(shè)施布置對(duì)總匯水量進(jìn)行折減取值；地下滲水包括圍堰、壩基及邊坡滲水等，可在圍堰防滲、壩基開(kāi)挖完成后實(shí)測(cè)確定；施工用水來(lái)源包括壩料加水、壩面灑水、灌漿等，可結(jié)合施工方案取值。

壩體總滲水量(一般以m3/h為單位)確定后，可進(jìn)一步確定反向排水管數(shù)量、管徑及抽水需要的水泵參數(shù)。

3.2.2 反向排水管的布置

綜合各工程情況，反向排水的布置基本類(lèi)似，區(qū)別僅在于反向排水管的數(shù)量、管徑、材質(zhì)、外露長(zhǎng)度、壩體內(nèi)花管段排水體設(shè)置等。一般的布置原則為：

(1)反向排水管與壩內(nèi)橫向碎石排水體形成縱橫聯(lián)系的排水系統(tǒng)，確保壩內(nèi)積水能順利自流排出。

(2)反向排水管一般布置在河床段高程較低部位，壩外伸出趾板頂部，壩內(nèi)深入主堆石區(qū)一定范圍，并設(shè)一定長(zhǎng)度的花管段，外包不銹鋼濾網(wǎng)，接碎石排水體。

(3)排水管橫向布置應(yīng)考慮趾板分塊及地形等因素，并應(yīng)注意保證滲水量較大區(qū)域的排水能力。

圖1為某工程施工采用的反向排水管布置型式，河床趾板處設(shè)置3根φ200反向排水管，間距均勻分布6m，出口外露5cm，內(nèi)部伸向堆石區(qū)1m，在堆石區(qū)2.0m范圍內(nèi)設(shè)置排水體；伸進(jìn)排水體內(nèi)鋼管采用花管，排水孔口包2層不銹鋼濾網(wǎng)。

3.2.3 壩內(nèi)集水井的布置

壩內(nèi)集水井的布置一般與反向排水管相結(jié)合，且以自流排水為主，集水井抽排為輔。其具體布置也宜結(jié)合壩體內(nèi)滲水情況、施工度汛要求等綜合考慮。如水布埡工程壩內(nèi)集水井的布置情況[13]，在距離趾板后部25m的堆石區(qū)設(shè)置2個(gè)集水井(直徑2.0m)，排水井由2層圓形鋼筋網(wǎng)圍成，之間填充級(jí)配碎石凈料，鋼筋網(wǎng)外填1m厚的過(guò)渡料；在河床段共設(shè)6根排水鋼管(直徑20cm)與排水井聯(lián)合工作。

3.2.4 反向排水的封堵

反向排水的封堵施工關(guān)系到混凝土面板防滲系統(tǒng)的安全，對(duì)封孔時(shí)間、封孔順序、面板上游鋪蓋回填速度、面板下游水位上升速度、面板承受的反向水壓力等均應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析和研究。

圖1 某工程反向排水管布置典型剖面圖

封堵施工應(yīng)待面板及止水施工完成，選擇在枯水期晴好天氣時(shí)進(jìn)行，盡可能抽干基坑內(nèi)積水，并停止壩區(qū)內(nèi)施工用水。

根據(jù)壩體總反滲水量及面板后壩體性狀、壩料空隙率等，可以求得反向排水封堵后壩內(nèi)水位上升高度與時(shí)間的近似關(guān)系。一般而言，根據(jù)面板下游側(cè)水位上升速度，并考慮一定富裕度的情況下，上游鋪蓋填筑強(qiáng)度較高，一般是難以達(dá)到的。

為穩(wěn)妥起見(jiàn)，反向排水管的封堵宜分批進(jìn)行，先封堵出水量較小的排水管，再結(jié)合壩前鋪蓋填筑情況陸續(xù)封堵剩余排水管，最后封堵的排水管附近可結(jié)合面板壓重設(shè)置擋土墻對(duì)排水管出口進(jìn)行保護(hù)，形成集水井對(duì)滲水進(jìn)行抽排。待排水井以外的區(qū)域鋪蓋足以抵消下游反向水壓力時(shí)，立即進(jìn)行最后1根反向排水管的封堵。

(1)用竹竿裹紗布清洗排水管內(nèi)壁，然后塞30cm白麻至排水管深處，再填筑30cmSR塑性填料。

(2)采用自流方式進(jìn)行灌注預(yù)縮砂漿，灌注至孔口后采用鋼筋對(duì)砂漿進(jìn)行振搗密實(shí)。

(3)在孔口5cm填筑SR塑性填料。

(4)孔口周?chē)?0cm×50cm范圍內(nèi)基面清理干凈，采用SR塑性填料找平，用50cm×50cm(長(zhǎng)×寬)的6mm氯丁橡膠片和2cm厚鋼板進(jìn)行孔口封閉，鋼板采用膨脹螺絲固定。

(5)鋼板外側(cè)澆筑C30混凝土保護(hù)墩，混凝土結(jié)合面鑿毛處理。

圖2 某工程反向排水管封堵布置圖

3.3 其他需注意的問(wèn)題

(1)為減少匯入壩體內(nèi)的水量，應(yīng)在基坑外側(cè)及左右壩肩適當(dāng)位置設(shè)置臨時(shí)截水溝，對(duì)地表水引排。同時(shí)，應(yīng)盡可能避免其他作業(yè)面施工用水排入壩體基坑區(qū)域。

(2)在壩體下游可考慮布置排水井將下游積水抽出圍堰外，減輕上游排水負(fù)擔(dān)。

(3)做好反向排水管的日常檢查、維護(hù)，發(fā)現(xiàn)堵塞及時(shí)進(jìn)行疏通。汛前應(yīng)將趾板基坑及邊坡上的雜物等清理干凈，避免隨雨水流入基坑。

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4 特殊情況的處理

4.1 汛期洪水淹沒(méi)基坑后的抽排水

汛期洪水淹沒(méi)基坑造成反向排水堵塞失效是多個(gè)工程面板抬動(dòng)破壞的直接原因。由于洪水?dāng)y帶的大量泥沙可能淤積并堵塞反向排水管出口，洪水過(guò)后基坑抽水可能對(duì)上游坡面或面板產(chǎn)生反向水壓力，因此抽水過(guò)程應(yīng)十分小心，尤其應(yīng)重視以下方面：

(1)抽水速度應(yīng)盡可能慢(下降速度0.5～1.0m/d)，必要時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器及時(shí)監(jiān)控壩內(nèi)水位，確保不出現(xiàn)反向水壓力；關(guān)注面板鋼筋計(jì)、三向測(cè)縫計(jì)等的測(cè)值變化情況，掌握面板工作狀態(tài)。

(2)抽水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)面板表面鼓出、錯(cuò)位，或鋼筋計(jì)、三向測(cè)縫計(jì)測(cè)值異常等情況時(shí)，應(yīng)立即停止抽水并向基坑反抽水平壓。

(3)如分析確認(rèn)反向排水管已失效，則后續(xù)抽水過(guò)程中應(yīng)在面板上隨水位下降同步打孔降壓。

如果壩內(nèi)未布置內(nèi)水位監(jiān)測(cè)儀器，或儀器失效、不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)壩內(nèi)水位，也可考慮在面板上試驗(yàn)性開(kāi)孔排水減壓輔助抽水，以策安全。

排水孔排距采用1.0～2.0m，孔徑以小于100mm為宜，并在孔口充填過(guò)濾材料，防止墊層區(qū)細(xì)料掏空。

(4)抽水完成后，及時(shí)對(duì)基坑進(jìn)行清理，并對(duì)反向排水管進(jìn)行疏通，直到排水通暢。

4.2 寒冷地區(qū)面板堆石壩越冬期反向排水保護(hù)

國(guó)內(nèi)高緯度地區(qū)修建的面板堆石壩，則面臨冬季反向排水管因水體結(jié)冰而堵塞失效的風(fēng)險(xiǎn)，必須采取可靠措施，保證壩體內(nèi)積水不凍結(jié)，主要措施包括：

(1)保證排水通暢，確保壩體內(nèi)的滲水處于流動(dòng)狀態(tài)。必要時(shí)采用電極對(duì)壩體反向排水管進(jìn)行加熱。

(2)做好面板的冬季表面保溫，如具備條件可在越冬前進(jìn)行蓋重填筑。

4.3 面板抬動(dòng)后的處理

一旦出現(xiàn)反滲水壓力引起的面板抬動(dòng)，須采取穩(wěn)妥的處理措施，并注意以下方面：

(1)盡快疏通反向排水管，或在趾板、面板等部位布置足夠的排水孔，降低壩內(nèi)水壓力，避免破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

(2)全面檢查面板、趾板及止水系統(tǒng)破壞情況，為后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)施工提供決策依據(jù)，包括周邊縫、垂直縫止水破壞范圍，面板裂縫性狀、脫空范圍，趾板混凝土破損情況，墊層料細(xì)顆粒流失情況等。

(3)視破壞范圍和程度，采取的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)措施主要包括鑿除受損區(qū)域并重新澆筑、止水修復(fù)、脫空區(qū)域回填灌漿、面板表面裂縫處理及加強(qiáng)施工縫表面止水處理等。鑿除受損面板的修復(fù)施工還需注意剩余面板沿坡面的抗滑穩(wěn)定。

面板抬動(dòng)破壞的修復(fù)施工應(yīng)力求穩(wěn)妥，消除隱患，具體做法可參考國(guó)內(nèi)相關(guān)工程案例。

5 結(jié)語(yǔ)

分析國(guó)內(nèi)面板堆石壩反滲水破壞的工程案例可以發(fā)現(xiàn)，一些工程認(rèn)識(shí)到了反向滲水危害，也采取了相應(yīng)的工程措施，但施工中仍因疏忽大意或各種突發(fā)情況，出現(xiàn)反滲水壓力造成面板抬動(dòng)的事故。可見(jiàn)面板堆石壩反滲水處理是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，必須因地制宜，采取針對(duì)性的措施。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)工程建設(shè)情況，建議做好以下方面：

(1)在設(shè)計(jì)階段即統(tǒng)籌考慮發(fā)生反滲水破壞的可能性，制定合理、可行的反滲水處理方案，明確相關(guān)技術(shù)要求，更好地指導(dǎo)施工。

(2)反滲水處理方面應(yīng)適當(dāng)留有余地，提前制訂特殊情況下的應(yīng)對(duì)措施，做到未雨綢繆。

(3)加強(qiáng)施工期壩內(nèi)水位、周邊縫位移、面板鋼筋受力等的監(jiān)測(cè)，尤其是洪水淹沒(méi)基坑后抽水等突發(fā)情況下的安全監(jiān)測(cè)，為施工提供決策依據(jù)。