炎陵县筷子篓双曲拱坝除险加固设计
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摘要：筷子篓水库砌石双曲拱坝经鉴定为三类坝，需进行除险加固。在查明该水库病害现状及病害成因后，进行了3种除险加固设计方案比选，最终采用了“坝体灌浆加固、大坝左岸岸坡坝基加固、采用灌浆处理坝体裂缝”的设计方案，通过处理后蓄水观测证明该方案达到了除险加固的目的。
关键词：筷子篓水库；双曲拱坝；病险水库；成因分析；除险加固
中图分类号： TV62 文献标识码： A 文章编号：
一、工程概况
筷子篓水库位于炎陵县下村乡长溪村，坝址位于洣水一级支流河漠水的上游下村河，距106国道32km，距炎陵县城62km。筷子篓水库坝址控制流域面积116km2，设计正常蓄水位748m，总库容850万m3。筷子篓是河漠水上游的一个梯级，枢纽由大坝、溢流堰、输水道与电站厂房等组成，是一座以发电为主，兼顾防洪、养殖等综合效益的小（一）型水利工程。本工程于1983年11月动工，1988年7月三台机组建成发电，1989年10月，水库大坝全面竣工。大坝的上、下游图片见下图。
大坝型式为砌石双曲拱坝，坝顶高程749.2m，最大坝高60.2m，坝顶弧轴长130.6m，坝底弧轴长25.78m，坝顶宽3m，坝底宽6m，厚高比仅0.099，为超薄壳型拱坝。
溢流堰设在坝顶中部，为坝身表孔实用堰，堰顶高程743.5m，堰顶单孔净宽5.5m，共6孔，溢流总宽度33m，设有6扇5.5×4.5m（宽×高）钢闸门控制水位，全开时最大泄流量650m3/s。消能方式采用挑流消能。
输水道由进水室、压力隧洞和压力钢管组成。进水室为塔式，分上、下两层，进水口底板高程713m。压力隧洞内径2m，长243m，过水流量8.5m3/s。压力钢管壁厚10mm。坝左端靠近发电进水口设冲砂兼放空涵闸，型式为圆涵，内径1.2m，采用闸阀控制。
筷子篓工程是当时的科技试点项目，本着工艺先进、节约资金的原则，大胆引进先进技术。筷子篓水库初步设计阶段设计坝高59m，坝底宽13m，顶宽3.4m，技施设计时设计坝高60.2m，坝底宽6m，顶宽3m，厚高比仅0.099。当时确实因此减少了砼及块石砌体1万多方，节约了资金60多万元，但是同时也使得该坝的安全裕度大大减小。在工程运行了20多年来，由于砼老化等原因，坝体砼结构强度安全系数也相应降低，成为危及坝体结构安全的重大隐患。
根据工程地质资料，坝基岩石右岸为花岗岩，无不利构造；左岸为硅质板岩，坝肩岩基内存在断层破碎带及石英脉，极有可能成为坝基的渗漏通道，且F1大断层和硅化板岩面层，作为左岸不稳定岩体的侧裂面和底裂面，是对拱坝基座稳定极为不利的条件。
工程开始运行的前几年状况尚好，效益较显著，但随着时间的推移，近年来不断暴露出问题：坝体左端与基岩接触面多处出现裂缝，最长裂缝达5～6m，导致下游坝体多处出现渗漏，尤其当蓄水位达到740m以上时，渗流量愈来愈大，渗漏严重，最大渗水量达5L/s。拱坝左岸在坝体距坝顶端13m处从坝顶至坝基出现一条贯穿裂缝，从坝顶至坝基裂缝上下游贯穿，冬季低温空库时最为明显，为了大坝的安全，炎陵县水利局在2006年10月曾对坝体渗漏的部位进行过一次防渗处理，但由于资金有限，仅在渗漏的坝体表面涂刷了JS聚合物防水涂料，没有解决根本问题，水库仍处于病险状态，限制蓄水运行。
2007年5月，株洲市水利局组织专家对筷子篓水库大坝进行安全论证，并对筷子篓水库大坝进行了安全鉴定，确定为三类坝。2008年6月，我院对筷子篓水库进行了除险加固初步设计。
1、坝体除险加固设计方案比选
大坝的除险加固，是设计的重点，根据现场地质勘探和大坝存在的问题及安全鉴定专家意见，初步选定三种方案：
（1）喷射混凝土（砂浆）法
喷射混凝土（砂浆）适用于大坝迎水面大面积散渗的处理。喷射混凝土（砂浆）施工有三种方法：干式、湿式、半湿式三种。干式宜采用有渗水的受喷面；湿式、半湿式宜采用无渗水的受喷面。喷射混凝土（砂浆）按使用材料有三种形式：喷射砂浆、喷射混凝土和钢丝网喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土或钢纤维喷射混凝土。当喷射厚度在5cm以下时，宜采用喷射砂浆；当喷射厚度在5～10cm 时，宜采用喷射混凝土或钢丝网喷射混凝土；当喷射厚度在10～20cm 时，宜采用钢筋网喷射混凝土或钢纤维喷射混凝土。
根据本工程的实际情况，坝高60.2m，故选用喷射钢纤维混凝土法，施工时放空库水，将坝面凿毛冲洗干净，打孔插入钢筋，采用直径为12mm的钢筋，每平方米插一根，加强与原坝体的连接，喷射厚度10cm，此方案估算投资为270万元。该方案的优点是工艺简单，防渗效果较好；缺点是要放空库水位，要做施工围堰和排水，要搭设脚手架，混凝土水灰比不易严格控制，造价较高。
（2）混凝士防渗面板
混凝土防渗面板适用于严重渗漏、抗渗性能差的迎水面处理。混凝土防渗面板材料可选用水泥混凝土。施工时放空库水，将坝面凿毛冲洗干净，打孔插入钢筋，采用直径为12mm的钢筋，每平方米插一根，加强与原坝体的连接，后立模浇筑混凝土防渗面板。防渗面板的两端和底部嵌入基岩1～1.5m。面板厚度30～60cm。混凝土标号为C25。为使混凝土面板适应温度变化和坝体变形，设伸缩缝，分块浇筑。间距20m，伸缩缝设止水。
此方案估算投资为330万元。该方案的优点是防渗效果较好，可改善坝体应力；缺点是要放空库水位，要做施工围堰和排水，要搭设脚手架，需要立模，增加施工工序，施工工期长，造价非常高。
（3）灌浆法
灌浆法适应运用于内部混凝土密实性较差，或网状深层裂缝严重的散渗，灌浆材料可选用水泥浆材或化学浆材，灌浆孔可设置在坝上游面，廊道或坝顶处，孔距根据渗漏情况确定；灌浆压力为0.2～0.5MPa。
根据本工程的实际情况，坝高60.2m，故选用在坝顶平台沿拱坝坝顶平面弧线全段布孔，布孔排数为 1 排，孔距 2 m，局部渗水严重部位加密到1m，或针对渗水严重点钻孔灌浆，钻孔可采用一定的倾斜角度钻入裂缝处。灌浆材料采用42.5以上普通硅酸盐水泥的水泥浆，灌浆程度根据砌体、混凝土、岩基及缝内吸水率决定。因水泥浆可能灌人的裂缝缝隙最小宽度为0.1～0.2mm，可在水泥浆液中加人适量的硅酸钠浆液，此种浆液可灌入较细小的裂缝，流动性和可灌性都较高，且凝结时间快，结石率和强度高，材料便宜并工艺简单。此方案估算投资为210万元。该方案的优点是工艺简单，防渗效果直观（未达到预期效果可以补灌），不要搭设脚手架和排水，不需要立模，不需要完全放空库水位，工期短，造价较低；缺点是坝体非常薄钻孔施工难度大。
三方案技术经济比较见下表，经技术经济比较，推荐方案三为设计方案。
大坝除险加固设计方案技术经济比较表
2、大坝岸坡坝基加固
根据地质资料：硅质板岩与二云母花岗岩的界面产状为N30°W·NE∠45°，左坝肩F1断层面和硅化板岩面层延向下游花岗岩体直至临空处，是直接危及拱坝基座稳定的潜在滑动面。由于坝基岩体内存在的断层破碎带和软弱夹层，且均未做基础加固和防渗处理，长期受渗流水潜蚀、陶蚀，加上运行多年砼结构老化等原因，拱座稳定安全系数已有所降低。左坝肩的F1、F2、F8、F9、F10及右坝肩F12断层，其走向几乎全都与坝轴线近于垂直，由于施工中对这些断层未进行防渗处理，断层破碎带和软弱夹层长时间受库水的侵蚀、淘蚀，已形成渗流通道，导致左、右坝肩产生渗漏。在左坝肩约730m高程处有一处石英脉，施工时未进行任何工程措施处理，导致上游左坝端裂缝及下游严重渗漏。
经计算，坝基抗滑稳定满足规范要求，但由于地层复杂，可能的滑动面难以估计，在今后的运行当中也可能暴露出其他一些质量缺陷，为了安全起见，对左坝肩进行加固处理。
根据本工程的实际情况，选用在左坝肩搭设多级平台，分段分块对左坝肩的F1、F2、F8、F9、F10断层破碎带和软弱夹层以及左坝肩约730m高程处石英脉进行钻孔灌浆处理。布孔排数为 10 排，终孔孔距 2 m，呈梅花形布置。局部渗水严重部位加密到 1 m，或针对渗水严重点钻孔灌浆，钻孔可采用一定的倾斜角度钻入裂缝处。灌浆材料采用42.5以上普通硅酸盐水泥的水泥浆，灌浆程度根据岩基及缝内吸水率决定。钻孔深人相对隔水层q＝3Lu以下5m ，灌浆压力由现场试验确定，透水率不大于3Lu 。灌浆施工技术要求按《 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（SL 6 2-9 4）操作。
3、坝体左端贯穿裂缝处理
拱坝左岸在坝体距坝顶端13m处从坝顶至坝基出现一条贯穿裂缝，从坝顶至坝基裂缝上下游贯穿，冬季低温空库时最为明显。这种竖缝不仅破坏了坝体的整体性，损害了拱坝的形象，而且直接影响工程效益的发挥。
对于贯穿性裂缝的处理，一般采用灌浆法；灌浆材料应根据裂缝的类型而定，固定裂缝可选用水泥浆材、环氧浆材、高强水溶性聚氨酯浆材等；对于活缝可选用弹性聚氨酯浆材料等。由于本竖缝设计并不是考虑为活动缝，按活缝处理则其应力、应变均发生变化；根据本工程的实际情况，考虑本竖缝冬季低温空库时裂缝宽度为0.1～2mm，故选用环氧树脂作浆液，它由环氧树脂 （主剂 ）、固化剂（间苯二胺、 乙二胺）、稀释剂（如丙酮苯、甲苯）、增塑剂（如邻苯二甲二酸二丁酯）组成。
修补方法借鉴清风岩水电站拱坝裂缝修补的成功经验，采用压力注入灌浆法修补裂缝。通过防渗，防止裂缝因射水而扩张；通过内部补强灌浆，恢复拱坝拱向承载条件。采用骑缝孔和斜孔，孔距视裂缝宽取1～2m。本工程坝顶宽3.0m，坝顶孔距1.0m，钻孔一排，三孔。先按设计的布孔位置钻孔，钻孔后将孔内粉尘和碎屑冲洗干净。嵌缝止浆是为了防止浆液体流失，确保浆液在灌浆压力下将裂缝充填密实。沿缝用人工或风镐钻凿成“V” 形槽，宽度约4～6cm， 深3～5cm，并清除槽内松协的混凝土碎屑及粉尘 然后沿缝间隔1.5m左右埋设Φ10mm 的排气孔，最后向槽内回填1：2水泥砂浆。为了了解灌浆孔与裂缝的畅通情况，以确定是否可以灌浆或必须重新钻孔或重埋灌浆孔，检查嵌缝是否有效，有无漏水现象，通过压水试验可计算其吸水率并记录其开始压水至各排水孔排水的时间，以确定浆液凝结时间和配浆量。压水压力不超过灌浆压力，灌浆压力可取0.25MPa左右。灌浆前，先将所有孔上的阀门全部打开，用压缩空气将孔内、缝内的积水尽量吹挤干净，争取达到无水状态，然后准备灌浆。对细微裂缝，需用较长凝结时间的浆液；对于较宽的裂缝，需用较短凝结时间的浆液。当一条裂缝上布有几个灌浆孔时可按由深到浅， 由下而上的顺序灌浆。 灌浆的结束标准以不吸浆为原则， 如吸浆率小于0.01L/min，并延长适当时间。从有利于中下部坝肩稳定及可灌性着眼，宜选择在低温季节裂缝开度大时，即2月份前后进行裂缝灌浆。
三、结束语
筷子篓水库大坝除险加固设计经多方案比选，确定了坝体灌浆加固、大坝左岸岸坡坝基加固、采用灌浆处理坝体裂缝的设计方案。
除险加固工程于2010年9月完工，完成固结灌浆45孔，帷幕灌浆33孔，F1裂缝灌浆30孔，灌浆后通过抽检10个孔做压水试验，透水率最大的为2.3Lu，混凝土抗渗性能达到设计要求，大坝下游不再渗水，达到了除险加固的设计标准。
参考文献:
[1]杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用[M].中国水利水电出版社，2005年.
[2]GB50287-1999，水利水电工程地质勘察规范[S].