橫錦水庫大壩防滲加固效果分析

張永泰,楊相球,戴春華

(1.東陽市橫錦水庫管理局,浙江 東陽 322100;2.仙居里林水電管理處,浙江 仙居 317300;3.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

1 工程概況

橫錦水庫位于東陽市東陽江鎮橫錦村之東,錢塘江流域金華江水系東陽江上游,壩址以上流域面積378 km2,總庫容2.74億m3,電站總裝機11 500 kW。水庫直接保護下游東陽江沿岸的8 400 hm2(12.6萬畝)農田、55萬人口、鄉村、工廠、東陽市吳寧鎮及義嵊公路;間接保護義烏市稠城鎮、佛堂鎮及浙贛鐵路,是一座以灌溉、防洪為主,結合供水、發電綜合利用的大 (2)型水利工程。該工程樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、放空洞、輸水洞、電站等組成。

水庫大壩壩型為黏土心墻壩,設計壩高62.5 m,壩頂高程174.5 m,壩頂長280.0 m。迎水坡自上而下坡比為1∶2.25、 1∶2.50、1∶5.00, 背水坡自上而下坡比為 1∶2.00、 1∶2.20、1∶2.46,在變坡處設2.0 m寬馬道。大壩壩體、基礎防滲主要靠原黏土心墻。

工程于1958年9月動工興建,1964年底大壩主體工程基本建成。1977年8月開始進行保壩工程施工,1984年9月竣工。水庫建成蓄水后,經過20 a的運行,大壩壩體滲漏情況嚴重,左岸壩肩存在繞壩滲流,2004年10月省水利廳專家對大壩進行安全鑒定,認為大壩存在嚴重安全隱患,必需進行除險加固。2005年9月經省水利廳批準,大壩除險加固正式開始施工。

2 大壩防滲設計及監測儀器布置

本次大壩基礎及壩體防滲設計,主要是在原有的黏土心墻中再設1道80 cm厚的塑性混凝土防滲墻,防滲墻底部深入弱風化基巖0.5 m,最大墻深59.0 m,防滲墻長280.0 m,并對大壩兩岸壩頭巖體進行帷幕灌漿,以與防滲墻形成封閉的大壩防滲系統。

根據設計要求,在防滲墻內選取0+131 m和0+194 m共2個觀測斷面,每個斷面分別埋設18支應變計、5支無應力計和20支應變計、5支無應力計,以監測防滲墻的應變情況,墻體內儀器埋設見圖1;分別在2個斷面防滲墻上下游側及下游壩坡適當位置埋設8支滲壓計,監測壩體的滲流狀況;距2個觀測斷面1 m的位置,在防滲墻內布置19個固定式測斜儀探頭監測墻體的變形。左右岸山體各布置6支繞壩滲壓計監測繞壩滲流情況。大壩加固標準斷面見圖2。

圖1 防滲墻應變觀測儀器布置圖

3 監測儀器資料分析

3.1 防滲墻應變監測資料分析

橫錦水庫防滲墻應變監測儀器采用VWS-15型振弦式應變計,其工作原理為:當被測結構物發生變化時將引起應變計的變形,變形通過前后端座傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化,從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率,頻率信號由電纜傳輸至讀數裝置,即可測出引起結構物變化的應變量。同時可同步測出埋設點的溫度。而在測點附近埋設無應力計,以觀測混凝土的非應力變形 (在溫度、濕度及化學作用下的變形),并從混凝土的總變形中扣除非應力變形,即可求得應力應變。

一般計算公式:

上式中:ε為被測結構物的應變量,單位為10-6;K為應變計的最小讀數,單位為10-6/kHz2;Δ F為應變計實時測量的頻率模數相對于基準值的變化量,單位為kHz2;b為應變計的溫度修正系數,單位為10-6/℃;α為混凝土的線脹系數,單位為10-6/℃;Δ T應變計實時測量的溫度相對于基準值的變化量,單位為℃;

圖2 大壩加固標準斷面圖

水庫于2007年5月底開始蓄水,將儀器埋設后至2009年12月底這段時間測得的數據根據(1)式進行計算,各斷面計算的微應變最大、最小值如表1所示,防滲墻的最大拉應變 (S2-2)為85.98×10-6,最大壓應變(S2-15)為370.25×10-6,根據試驗得出的彈性模量2 800 MPa,計算得最大拉應力為0.24 MPa,最大壓應力為1.03 MPa,均小于試樣的平均抗拉及抗壓強度,這說明防滲墻的受力處于正常狀態,墻體內沒有出現裂縫。同時對各儀器微應變隨時間變化過程線進行分析,在儀器安裝后的1個月時間里,數據波動較大,這是由于水泥水化熱的作用、混凝土強度逐漸增加及防滲墻相鄰槽段施工等原因引起的。在庫水位逐漸升高時,0+131.00 m斷面各測點微應變均與庫水位有一定的相關性,0+194.40 m斷面墻頂部測點應變計曲線與庫水位的相關性很小,其余測點微應變與庫水位有一定相關性,在2個斷面的中部,應變計 (S1-6～S1-14、S2-6～S2-14)反映的混凝土應變過程線與水位相關性更大,當庫水位上升時應變值上升,水位下降時應變值下降,這種情形主要緣于庫水壓力的作用。同時,雖然水位上升過程中,墻體中部仍然處于受壓狀態,但庫水位的升高使墻體受拉,導致了壓應變變小;在庫水位較低時,各應變計曲線與庫水位的相關性不明顯。在水庫運行過程中,防滲墻絕大部分測點微應變均為負,處于受壓狀態,少數測點微應變為正,處于受拉狀態,但拉應變在允許范圍內。

表1 各斷面計算的應變計最大、最小微應變表

3.2 防滲墻變形監測資料分析

該工程防滲墻變形監測儀器選用美國基康公司生產的振弦式GK6300型固定式測斜儀。由圖3知,一般的計算式為:

其中θ=G(f02-f12)/1 000

式中:θ為計算角度,單位為°;G為線性修正系數,單位為°/(kHz2/1 000);f0為儀器的初始頻率,單位為kHz;f1為某時刻儀器頻率,單位為kHz;正負號規定:測斜儀以向上游方向偏轉為“-”,以向下游方向偏轉為“+”。

圖3 固定式測斜儀安裝圖

固定式測斜儀分別安裝在0+130 m和0+193.4 m 2個斷面,編號為CX1-1～CX1-9、CX2-1～CX2-10,均于2008年6月6日安裝。對位移隨時間變化過程線分析,由于受到庫水壓力的作用,測斜儀各測點的位移量隨時間逐漸增大,同一斷面自底部至頂部的位移量也逐漸增大,在2009年9月份后位移逐漸趨于穩定;0+193.4 m斷面頂部測點位移在2009年2月份達到最大后又逐漸減小,其余測點曲線變化平穩。各測點的位移量均在正常范圍內,位移特征值見表2。

表2 固定式測斜儀實測特征值表

續表2

3.3 壩體滲壓計監測資料分析

該工程選用GK4500s型滲壓計,它是通過實測振弦的頻率換算得到滲流壓力。通過實測壩體內的滲流壓力水頭再加上滲壓計的埋設高程可以得到滲壓水位。由于原黏土心墻的作用,埋設在防滲墻上游側的G1-2～G1-3、G2-2～G2-3滲壓計水位相比庫水位有小幅度的削減,但與庫水位的相關性較好,G1-1、G2-1兩滲壓計埋設位置較高,在大部分時間測不到滲流壓力;位于壩體下游坡一、二級馬道處的滲壓計G1-7、G1-8、G2-7、G2-8因遠離壩體上游面且在防滲墻的下游,其孔隙水壓力變化過程線不受庫水位變動的影響,主要受下游地下水位的影響,符合實際情況。

防滲墻下游側G1-4～G1-6、G2-4～G2-6滲壓計水位過程線見圖4、5,各測點與庫水位的相關性較小,典型日期2007年10月11日(庫水位為163.05 m)統計各測點的實測水頭及位勢見表3、4,由表可知防滲體下游的位勢較上游位勢均有明顯的削減,同時經過3 a多時間的運行,目前各測點隨時間變化過程線比較平穩,表明防滲墻防滲效果較好。

圖4 G1-4～G1-6滲壓計水位變化過程線

圖5 G2-4～G2-6滲壓計水位變化過程線

表3 0+131.00 m斷面各測點位勢特征值表m

表4 0+194.40 m斷面各測點位勢特征值表m

3.4 繞壩滲壓計觀測資料分析

右岸繞壩測壓管中的R2～R5與庫水位的相關性非常小,其水位變化主要是由于地下水位的變化引起的。R6位于下游坡腳附近,其水位波動主要是由于下游壩腳的地下水位變動引起。R1與庫水位的相關性最大,且水頭削減很少,經查證,該測壓管位于水庫右岸放空洞附近,而放空洞工作閘門位于下游出口附近,放空洞周圍圍巖存在裂隙,導致R1測壓管與放空洞中的水位密切相關,水庫將放空洞閘門打開,排干洞內水流后,R1測壓管中的水位隨之下降,這也證實R1與放空洞內的水位密切相關。

左岸L1測壓管在庫水位較高時,測得的水位與庫水位相差約3.0m,當庫水位下降時,L1管的水位與庫水位逐漸接近,2009年2月下旬庫水位在152.80 m左右的低水位運行時,L1管的水位反而高于庫水位,這表明,在庫水位較高時,L1測壓管水位與庫水位相關性明顯,且水頭削減不大,因此存在繞滲的可能。在庫水位較低時,L1管主要受山體地下水位控制。L2管水位與庫水位差值一般穩定在6 m左右,但當降雨量大時,地下水位對其影響較大;L3～L6管與庫水位相關性很小,且水頭削減均較大?？傮w來說左壩肩存在繞壩滲漏的可能。

根據繞壩觀測資料的分析結果,設計在壩頂左岸增加了7支帷幕灌漿孔,并對右岸放空洞周圍圍巖裂隙進行灌漿處理,目前處理效果較好。

4 結 語

從埋設后防滲墻應變計的實測結果來看,其最大拉應變和最大壓應變經換算后對應的應力值均小于防滲墻混凝土的強度試驗指標,在水庫運行過程中,防滲墻絕大部分測點微應變均為負,處于受壓狀態,少數測點微應變為正,處于受拉狀態,但拉應變在允許范圍內,從防滲墻實測應變變化趨勢來看,經過一段時間后,各應變值變化趨勢是平穩的,沒有突變的情況。固定式測斜儀各測點位移量較小,墻體變形在允許范圍內。在高水位條件下,滲水通過大壩防滲體后的水頭位勢均有明顯的削減,同時經過3年多時間的運行,目前各測點隨時間變化過程線比較平穩,壩體滲流符合實際情況,說明大壩防滲體運行情況正常。對左、右岸兩壩肩經過帷幕灌漿處理后,繞壩滲流狀況有所改善。

綜上對各監測儀器資料分析,防滲墻墻體所受拉、壓應力均小于防滲墻混凝土的強度指標。實測防滲墻應變變化趨勢平穩,大壩整個防滲體系運行情況正常,該處理方案可供類似工程作參考。