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浅析某病险水库除险加固设计

2012-03-23王继新

城市建设理论研究 2012年4期
关键词:除险加固水库

王继新

摘要:本文通过分析水库工程主坝、泄洪发电隧洞及溢洪道等方面存在的安全隐患,提出了相应的除险加固措施,以确保水库安全运行。

关键词:水库;主坝;除险加固;溢洪道

Abstract: through analysis of reservoir project, flood discharge tunnel and power generation unsteading spillway are the security hidden danger, and put forward the corresponding problems of reinforcement measures, to ensure the safe operation of the reservoir.

Keywords: reservoir; Unsteading; Strengthening problems; spillway

中图分类号:S611文献标识码:A 文章编号:

1工程概况

某水库于1968年三月建成,总库容为2600万m3,是一座以防洪、灌溉为主,兼顾发电的中型水库。其主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道和发电站等。水库建成运行以来,在防洪、灌溉、发电等方面发挥了重大的作用,带来了巨大的社会经济效益。但由于建库时的条件限制,加之已运行40多年,目前水库主坝防渗墙、溢洪道存在多处安全隐患,必须采取相应的除险加固才能确保水库安全稳定运行。

2 主要存在的问题

2.1 主坝存在的问题

主坝为粘土木板心墙砂壳坝,粘土木板心墙顶宽1m,底宽3m,木板位于心墙的中间,共同构成主坝防渗体,在水库安全运行中起着非常重要的作用。根据建库存档资料表明,主坝心墙木板经过一定的防腐处理,施工时木板两侧均填土平衡。但由于当时工程技术薄弱,财力有限,以及建材缺乏,致使主坝心墙建设遗留问题较多,再加上水库运行年限已久,存在的问题更为突出,严重的危及到主坝的安全,成为影响水库安全运行的主要工程隐患。

2.1.1 主坝心墙不满足规范要求

(1)心墙不连续,墙体高度不足。为查清主坝粘土木板心墙现状,2001 年采用了钻孔、探井、物探等多种方法对主坝进行详细的地质勘察。勘察结果:左坝段(桩号0+000~0+24.5)粘土木板心墙顶高程为127.3~121.3m,欠高0~6m,右坝段(桩号0+280~0+460)及中坝段(桩号0+245~0+280)没有粘土木板心墙。由此可见主坝粘土木板心墙不连续,墙体高度不足,缺少防渗体的右坝段及中坝段浸润线明显偏高,在设计洪水、校核洪水工况下,下游坝坡抗滑稳定安全系数不能满足规范要求。

(2)心墙太薄,渗透比降大于心墙土的允许渗透比降。根据《碾压式土石坝设计规范》规定:“土石坝心墙厚度不宜小于水头的1/4”。当库水位处于校核洪水位126.66m時,主坝粘土心墙底部厚度约为水头的1/12(库主河床底高程88.6m,主坝心墙底宽3m),与规范的要求相差甚远。虽然粘土中间放有一层木板,但木板心墙接缝太多,防腐处理不规范,采用木板心墙是受当时材料限制的临时防渗措施,缺少理论基础依据,而木板的防渗作用、使用年限目前也只能定性分析,无法定量研究。由于粘土心墙薄,致使水库运行过程中主坝心墙的渗透比降一直大于其允许渗透比降,渗透变形破坏的隐患一直存在。经渗流分析计算,设计洪水位124.92m工况下,粘土心墙的计算渗透比降为9.6。根据粘土心墙室内渗透变形实验成果,粘土心墙的允许渗透坡降为2.0左右,其临界渗透比降为10 左右,心墙渗透比降远大于其允许渗透比降,渗透稳定不满足规范要求。

2.1.2 主坝主河床段清基较彻底

粘土木板心墙坐落在弱-微风化岩石上,而两坝肩清基不彻底,只清除表面坡积土,未清理上部透水性较强的风化岩层,特别是右坝肩坝基为5~20m 强风化岩层,因此存在坝肩绕渗问题。

2.2 泄洪发电隧洞存在的问题

泄洪发电隧洞主要存在以下问题:①隧洞进水闸后陡坡段及消力池上游陡坡段底部存在多处混凝土剥落、钢筋外露,外露钢筋锈蚀严重;②出口处钢板衬砌锈蚀严重,部分钢板与混凝土脱落分离。

2.3 溢洪道存在的问题

一级消力池缓坡段后的二级消力池及尾水渠至今未建,不具备大量泄洪能力,如强行泄洪将对下游乡镇造成严重危害。

3 除险加固设计

3.1 主坝加固设计

由于主坝缺少连续的防渗体,并且现有的粘土木板心墙太薄,不满足现有规范要求,同时考虑水库在防洪等方面的重要性,主坝必须增设新的防渗体。加固设计进行了塑性混凝土防渗墙和高压旋喷防渗墙两个方案的比较,最终采用主坝全坝线增设塑性混凝土防渗墙方案。由于风化岩层中造孔较困难,故右坝肩坝基5~20m厚风化岩石层采用帷幕灌浆处理。塑性混凝土防渗墙位于原粘土木板心墙上游侧,距原心墙轴线4.0m,防渗墙施工过程中不应破坏原有粘土木板心墙。塑性混凝土防渗墙全长430m,墙顶高程127.0m,高于校核洪水位126.66m,主河床墙底高程88.6m,最大墙高47m。左坝段及主河床段(桩号0+000~0+235)风化岩石厚度很小,塑性混凝土防渗墙应进入弱风化、微风化岩石层(相对不透水层)0.5m。右坝段(桩号0+235~0+460)风化岩石较厚(5~20m),塑性混凝土防渗墙应进入风化岩石0.5m,墙底部风化岩石层采用帷幕灌浆处理,帷幕灌浆采用单排孔,孔距2m,灌浆孔深入岩石弱风化岩层5m,灌浆后风化岩石的单位吸水率小于5Lu。防渗墙设计水头在38m以上,根据国内已建的类似工程经验,塑性混凝土防渗墙允许渗透坡降为60~80,考虑到防渗墙深度和现有的施工机械性能,在参照近年来国内已建的类似工程防渗墙基础上,确定防渗墙有效厚度为0.6m。塑性混凝土防渗墙主要性能指标为:弹性模量小于800~1000MPa,抗压强度不低于2.0~3.0MPa,防渗墙渗透系数小于1×10-7cm/s。

3.1.1 防渗墙结构计算

防渗墙结构计算中采用以下假定: ①防渗墙与坝体土的关系采用文克尔假定,防渗墙受荷载作用后,直接支撑在坝体土上,防渗墙和坝体土之间变位相互协调,墙上各点的反力与在该点的变位成正比,坝体土反力系数随深度直线变化并随不同地层变化。②土坝坝体自重和水压力均视为作用在墙上的外荷载,考虑到该水库运行年限已久,主坝体变形基本完成,因此建墙后墙体两侧因变形产生的摩擦力很小,所以防渗墙的工作条件是典型的以水平荷载为主的情况。另外,除考虑水平水压力外,还考虑竖向垂直压力作用的影响。③取单宽等厚度墙作为计算简图,顶端视为自由端,底部视为铰接,采用有限差分法进行计算。根据上述假定,选取最大墙身,对防渗墙进行结构计算。计算结果表明, 防渗墙在设计洪水工况下, 下游最大压应力为1.255MPa,小于塑性混凝土抗压强度,上游未出现拉应力,最小应力1.7kPa。

3.2 泄洪发电隧洞加固设计

由于常年受到库水的侵蚀、氧化,以及泄洪、发电时高速水流冲刷的影响,泄洪发电隧洞原衬砌混凝土不断发生碳化、脱落,洞壁钢筋外露锈蚀,出口衬砌钢板也受到不同程度的锈蚀,因此必须采取相应的措施对隧洞进行修补加固。加固措施主要有:对于洞壁剥落的混凝土,首先将破坏部位及其周围受侵蚀、疏松,或较薄弱、存在缺陷的混凝土彻底清除,清理范围应根据实际破损情况适当加大;外露钢筋且锈蚀严重的钢筋予以清除,再用新钢筋进行焊补,锈蚀不严重钢筋进行除锈处理;混凝土凿除、清理及锈蚀钢筋清理之后,用环氧砂浆补强、找平;隧洞出口锈蚀的衬砌钢板处采用粘贴环氧玻璃丝布方法进行修补加固。

3.3 溢洪道加固设计

溢洪道位于主坝左岸,为开敞式实用堰,包括进口引渠、泄流堰、一级陡坡段、一级消力池、缓坡段、二级陡坡段、二级消力池和尾水渠等。由于水库兴建时建设资金不足及其他因素的影响,目前水库溢洪道仅完成设计两级消能工中的一级消力池及缓坡段,缓坡段后的二级陡坡段、二级消力池及尾水渠至今未建。本次溢洪道加固主要为续建二级陡坡段、二级消力池、渐变段、尾水渠。

陡坡段设计坡度1:3,始端采用抛物线与一级缓坡段相接,末端至二级消力池,两侧采用贴坡式边墙,坡度1:1。陡坡段底板、边墙均采用钢筋混凝土衬砌。消力池长35m,采用钢筋混凝土衬砌,根据护坦抗浮稳定计算前15m 底板厚2m,后20m 底板厚1m,边墙布置与陡坡段相同。陡坡段和消力池段设纵、横排水设施。边墙和底板设锚筋,锚筋直径25mm,间距2m,深入岩石2.5m。消力池与尾水渠通过渐变段连接,渐变段采用钢筋混凝土衬砌。尾水渠及其后的部分下游河道采用浆砌石护坡、护底,浆砌石厚50cm,下铺一层土工布。尾水渠、下游河道边坡1:2.0,边坡底部设排水孔,间距2m。

4 结语

病险水库工程存在的问题多是历史遗留的,工程设施方面存在的问题是主要和急需解决的。工程管理、交通和通讯方面存在的问题也很重要,这些问题之间互相影响,要解决这些问题,除水利工程管理单位外,同时需各级政府要加大投资力度,才能保证除险加固工程按规划设计完成,彻底消除主坝、泄洪发电隧洞、溢洪道等主要建筑物存在的安全隐患,确保水库正常运行,发挥更大的社会、经济效益。

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