新疆巴里坤县下涝坝水库大坝除险加固方案探讨

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  【摘 要】 新疆小型水库中有很大一部分属于病险水库,水库存在的诸多缺陷及病患严重影响了水库效益的正常发挥,危及了水库大坝的安全运行。新疆下涝坝水库是下涝坝乡主要的农业灌溉水源,由于水库渗漏严重,水库效益大大减小,制约了当地的经济发展,水库渗漏导致的安全隐患严重威胁了当地人命群众的生命和财产安全。本文通过介绍下涝坝水库除险加固设计实例,主要针对渗流破坏提出了两种防渗措施,为今后新疆的病险水库除险加固措施的选择提供借鉴。
  【关键词】 新疆;病险水库;除险加固;措施
  新疆小型水库中有很大一部分属于病险水库,这些病险水库大坝多数为土石坝,普遍存在施工质量差、防洪标准低、老化程度高等问题[1]。长期以来,这些病险水库不但难以充分发挥防洪、灌溉、供水和发电等效益,工程本身也已成为安全度汛的薄弱环节和心腹之患,直接威胁着人民群众生命和财产的安全。因此,下涝坝水库的除险加固迫在眉睫。
  渗漏问题是下涝坝水库最为严重的问题。下涝坝水库是下涝坝乡主要的农业灌溉水源,水库下游有灌溉面积1000亩,由于水库渗漏严重,水库效益大大减小,目前只能满足下游460亩地的灌溉用水,直接影响农民的经济收入,制约当地的经济发展。同时,水库渗漏导致的安全隐患也十分严重。因此,本文通过介绍下涝坝水库除险加固设计实例,主要针对渗流破坏提出了两种防渗措施,并在经济技术方面进行方案对比,结合工程实际情况选择最优方案,为新疆今后的除险加固工程提供一定借鉴。
  1 工程概况
  下涝坝水库位于巴里坤哈萨克自治县下涝坝乡,属拦河水库,下涝坝水库属小(2)型水库,始建于1976年,设计库容30万m3,兴利库容20万m3,调洪库容8万m3,死库容2万m3,是一座以灌溉为主的水库,1999年进行了除险加固,现总库容约35万m3,属小(2)型水库,工程等别为五等,主要建筑物为5级,次要建筑物为5级;水库永久建筑物设计洪水标准为10年一遇,校核洪水标准为50年一遇。
  水库现状主要建筑物由拦河坝、放水涵管、溢洪道等组成,大坝坝型为均质坝,大坝高7.5m,长169m,坝顶宽3.0~3.5m;溢洪道为开敞式;放水洞洞径为φ500mm,最大放水流量为1.0m3/s,放水涵管下接约2km长的混凝土板衬砌渠道,渠道过水能力1m3/s。水库有效灌溉面积0.1万亩,年供水能力40万m3。
  2 工程存在的问题及除险加固设计
  2.1工程存在的问题
  由于下涝坝水库建设于文革时期,鉴于当时资金、技术力量和机械设备等限制,地质勘探工作深度做得不够,实施时缺乏严密科学的态度,工程设计防洪标准低,技术标准和规范也极不完善,存在施工质量较差,大坝防渗性能差,配套设施简陋等问题[2],导致在下涝坝水库安全方面留下了许多隐患。
  下涝坝水库存在的问题有:坝体填筑质量差,不满足规范要求;上下游护坡破坏严重,坝坡不规整;坝基渗漏严重;泥沙淤积,水库的死库容加大;坝体出现沉陷和裂缝;坝顶高程不足,防洪标准低;溢洪道破坏严重,消力池被完全冲毁;放水闸阀锈蚀严重、止水不严、启闭不灵、漏水严重;大坝无变形观测设施和渗流观测设备。在这些问题中,坝体的渗流破坏最为严重,是影响下涝坝水库安全的主要因素,防渗措施的选择对整个除险加固工程尤为关键。因此,本文主要针对渗漏问题对下涝坝水库的除险加固措施进行探讨。
  2.2除險加固设计
  下涝坝水库加固工程设计对坝顶及后坝坡进行整平,设计坝顶高程为1641.00m,坝顶长169m,前坝坡1:2.5,后坝坡为1:2.0,取坝顶宽度为4.0m,将坝顶及后坝坡表层30cm进行清除,将右坝肩20m长纵向裂缝处挖除,清除后进行培厚整平,坝顶设30cm厚泥结石路面。为了利于坝顶排水要求,设置路面坡度为2%,倾向下游侧。原水库防洪能力不足,坝顶高程不满足规范要求,设计在坝顶上游侧设置1.56m高现浇钢筋混凝土防浪墙,墙顶高程为1642.16m,墙顶高出坝顶1.16m,坝顶下游侧设置C20混凝土路沿石。
  防渗加固设计则采取水平防渗和垂直防渗两种方案进行对比。
  3 防渗加固设计方案
  渗透性不满足要求是病险水库最严重的问题之一,下涝坝水库的渗漏问题也尤为严重。下涝坝水库水库经多年运行,坝体、坝基渗漏严重,坝体容易发生渗流破坏。对坝体及坝基的防渗处理有两种方案。方案一为水平防渗,对库盘及坝体铺设土工膜(一布一膜0.5mm/200g)进行防渗;方案二为垂直防渗,在坝顶进行高压旋喷灌浆,用高压泵将水泥浆液通过旋喷管的特殊喷头,以高速水平喷入土体,借助液体的冲击力切削和混合,使水泥浆和土体充分混合凝固,形成具有一定强度的固结体,使地基得到加固或形成防水帷幕。
  3.1土工膜防渗方案
  (1)坝体防渗设计
  坝体防渗采用土工膜斜墙防渗。将原上游坝坡块石护坡拆除,并将上游坝坡按1:2.5坡比整平后先铺设复合土工膜(两布一膜),后在膜上铺80cm厚砂砾石防冻垫层(防冻层厚度Zn=0.6×1.3=0.78m,可取0.80m),然后再浇筑15cm厚C20F200W6砼板护坡,板块尺寸3m×3m,板间设止水缝,板间缝采用高压闭孔板填塞。上游砼护坡从正常蓄水位至死水位设置排水孔,排水孔采用PVC排水花管外包(400g/m2)长丝无纺布,再用铅丝缠绕。在坝顶设置压膜槽将膜压住,坝体防渗膜与库盘防渗膜连接采用焊接。
  (2)坝基防渗设计
  进行全库盘土工膜防渗。防渗设计的主要内容:①首先对库盘进行一定的清淤,清淤后对库盘进行碾压整平,然后铺设复合土工膜(一布一膜);②为保护膜顶不被冲刷、日晒、划刺,之后要再在膜上铺50cm盖重,盖重选用水库库盘的淤积土,要求当天铺设,当天覆盖;③在膜上游端设置压膜槽;④铺膜时要求沿着垂直坝轴线的方向进行铺膜,膜宽6m,膜搭接长度取0.12m,搭接方法采用焊接;⑤库盘防渗土工膜要与坝体土工膜连接成一个统一的防渗体,具体措施是将坝体土工膜通过上游坝脚趾墩底部延伸至库盘,并与库盘土工膜进行焊接,焊接完成后回填50cm厚库盘淤积土。   3.2高压旋喷灌浆防渗方案
  在坝顶进行高压旋喷灌浆,用高压泵将水泥浆液通过旋喷管的特殊喷头,以高速水平喷入土体,借助液体的冲击力切削和混合,使水泥浆和土体充分混合凝固,形成具有一定强度的固结体,使地基得到加固或形成防水帷幕。
  高压旋喷灌浆设计参数为灌浆总进尺2171.33m,底部深入基岩0.5m,钻孔孔径不小于100mm,孔距150cm,设计墙厚不小于20cm,抗压强度R28≥2MPa,墙体渗透系数K≤i×10-6cm/s(1≤i<10)。工艺参数为:喷嘴直径2.3mm;高压水压力38MPa、流量120L/min;气体压力0.7MPa、气量60L/min;浆液压力4MPa、流量120L/min;提升速度10cm/min。
  4 两种方案比较
  4.1两种方案的优缺点
  (1)土工膜防渗方案
  土工薄膜是由高分子聚合物制成的透水性能甚小的材料,渗透系数小于为10-11cm/s,这种材料与土壤、岩石及其他材料一起可以起到防渗作用,是一种优质、经济、可靠的土工合成防渗材料。
  作为一种新型防渗材料,土工膜造价低,施工方便迅速,有良好的隔水性、弹性和适应变形的能力,能承受一定的水头压力,有良好的耐老化能力,处于水下、土中的土工膜的耐久性尤为突出。其形式一般为单一土工膜或复合土工膜。其中复合膜在工程中较为普遍应用,它是将针刺土工膜与土工膜复合而成的整体性结构(结构型式常为一布一膜或二布一膜等),具有土工膜平面排水的功能,以排出膜后渗透水及孔隙水,防止膜被水和气顶起而失稳,并加速膜下的软土排水固结,同时又改善了单一土工膜的工程性能,提高了其抗拉、顶破和穿刺强度及摩擦系数,另外,可避免或减少在运输、铺设过程中机械损伤防渗主膜。因此,复合土工膜是一种比较理想的水工防渗材料。
  但是另一方面,由于土工膜是一种分子材料,厚度比较薄,在施工的过程中容易由于施工不当导致破坏从而失去防渗功能,同时还要注意避免土工膜的化学腐蚀和自然老化作用,因此不适合用于水位高差比较大的水库[3]。
  (2)高压旋喷灌浆方案
  高喷灌浆是一种采用高压水或高压浆液形成喷射流束,冲击、切割、破碎地层土层,并以水泥基质浆液充填、掺混其中,形成桩柱或板墙状的凝结体,用以达到提高地基防渗或承载能力的施工方法。高压旋喷灌浆是高压灌浆的一种形式(其他两种形式为摆喷和定喷),旋喷喷射时,喷嘴一面提升一面旋转,形成桩柱状凝结体。
  高压旋喷灌浆的主要优点是:适用范围广,适用于软土、粘性土、黄土、砂类土、砂砾卵石层等地层;不需要对地层进行开挖,可以不破坏原有建筑物;固结体形状可以控制,且可灵活布置;噪音小、无污染[4],冒出的浆液如处理得当可回收再利用;施工机械简单、操作灵活;可就地取材、施工速度快、工期短;投资相对较少;不需要施工导流,同时不影响水库下游农业生产用水,施工期间水库可一直处于运行状态等。
  但是,高压旋喷灌浆防渗技术的适用范围主要包括黄土、粘土、砂土以及淤泥质土等一系列软弱地层。由于砂砾石地层主要是由砂砾石、中粗砂等粗颗粒所构成,其透水性很强,相应的透水率也很大。因此在砂砾石地层的防渗处理过程中,若选用高压旋喷灌浆防渗技术来进行加固防渗处理,在其施工过程中就必须要解决钻进缓慢、容易塌孔以及成孔困难等一系列技术难题[5],导致施工难度加大,技术难以掌握,同时会增加工程造价。
  高压旋喷还存在易对坝体造成劈裂现象的缺点。
  4.2两种方案投资比较
  通过两种方案的投资比较,可知土工膜防渗方案投资合计222.08万元,高压旋喷灌浆方案投资合计179.58万元,高压旋喷灌浆方案造价较低。
  两种方案投资方案对比见表3-1:
  表3-1 土工膜防渗与高压旋喷灌浆方案投资對比
  土工膜防渗方案 高压旋喷灌浆方案
  工程名称 工程量 单价
  (元) 造价
  (万元) 工程名称 工程量
  (m3) 单价
  (元) 造价
  (万元)
  库盘清理 52855m3 10.05 53.12 清基 1044.68m3 15.37 1.61
  压膜槽
  土方开挖 3716m3 19.72 7.33 土方开挖 429.15m3 6.57 0.28
  压膜槽
  土方回填 3716m3 8.54 3.17 高压旋喷灌浆造孔 2258.18m 243.72 55.04
  膜上盖重 52855m3 4.18 22.09 高压旋
  喷灌浆 2258.18m 543.14 122.65
  土工膜
  (一布一膜) 105710m2 12.9 136.37
  合计 222.08 合计 179.58
  4.3方案采用
  两种方式对比后发现,高压旋喷灌浆的方式虽然投资较小,但不适于下涝坝水库的砂砾石地基,如采用此方案,则必须要解决钻进缓慢、容易塌孔以及成孔困难等技术难题,高压旋喷灌浆防渗的优点难以体现,反而导致施工技术较难掌握。同时高压旋喷易对坝体造成劈裂现象,施工过程需严格控制,又会导致施工难度加大。
  土工膜防渗更加适合于砂砾石地基,且施工难度不大,施工技术要求不高,较高压喷射灌浆更易操作,同时还有与上游坝体防渗相结合,防渗效果更佳的优点。
  因此,进行两种防渗方式的经济技术比较后,考虑到下涝坝水库工程的实际情况,最终选用水平防渗方案即土工膜防渗方案进行防渗加固。
  5 结语
  近年来,小型水库除险加固工作在新疆受到了高度关注。在新疆的病险水库整治工作中吸取经验,总结适用于新疆地区的措施,对新疆今后的除险加固工作意义重大。本文在总结下涝坝水库存在的安全问题后,重点针对渗漏问题,通过介绍下涝坝水库除险加固设计,提出两种新疆小型水库常用的防渗处理措施。对比后发现土工膜防渗技术施工方便、工艺简单,更容易满足小型水库的施工要求,最终选择土工膜防渗措施作为下涝坝水库的防渗措施。希望能对今后的除险加固工程防渗措施的选取起到借鉴作用。
  参考文献:
  [1]付剑锋.新疆地区水库的安全问题与对策分析[J].水利科技与经济,2012,18(7):36-37.
  [2]曾楚武.水库大坝安全评价及病险土石坝治理对策研究[D].华南理工大学,2010.
  [3]栾涛.水利工程水库土石坝防渗技术探析[J].建筑学研究前沿,2012.07.
  [4]龙俊,胡天蟒.浅谈高压旋喷灌浆在水库除险加固工程中的应用[J].大众科技,2008.07.
  [5]王兴俊.高压旋喷灌浆防渗技术在砂砾石地层中的应用[J].企业技术开发,2011,30(11):59-60.
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