中小型水库坝下排水涵管除险加固设计要点.pdf
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1、第 4 2卷 第 9期 2 0 1 1年 5 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42。 No 9 Ma y, 201 1 文 章 编 号 : 1 0 0 14 1 7 9( 2 01 1 ) O 90 0 5 7一o 4 中小型水库坝下排水涵管除险加固设计要点 朱 晓 玲 , 陈 皓2 , 李 玉 芬 ( 1 浙江省水利水 电技术 咨询 中心 , 浙江 杭州 3 1 0 0 2 0 ; 2 浙江广川工程 咨询有 限公 司, 浙江 杭州 3 1 0 0 2 0 ) 摘要 : 我 国 2 O世纪 5 0 7 O年代修建 的 小型水库 , 其泄水建 筑物 大多
2、采用坝下涵管 , 因受 当时技 术条件 的限 制 , 且 年久失修 , 致使 大多数 涵管存在渗漏或其他 问题 , 严重影响到 大坝 的安 全运行 。根据 多年处理 中小型病 险水库 的经验 , 对防止涵管接触渗 漏的设计要 点、 防止 内水外渗 的设 计要 点、 原 涵管拆除 与兴建的设 计要 点 、 原涵 管封堵与新 建虹吸管的设计要点等进行 了归纳 总结。其设计 经验对 中小型病 险水库的除 险加 固有 重要 参考价值 。 关键词 : 坝下涵管 ; 渗 漏处理 ; 设计要 点;中小型水库 中图法分类号 : T V 6 9 8 文献标志码 :A 1 排水涵管运行现状 我 国在 2 O世纪
3、5 O 7 0年代修建了大量的中小型 水 库 , 大 坝坝 型多 采用 土石 坝 , 排 水建 筑物 大多 采用 坝 下涵管。受当时经济技术条件 的制约和影响 , 往往在 缺乏规范的设计 图纸和专业施工单位 的情况下 , 工程 仓促上马 , 造成工程施工质量差 , 致使大多数涵管存在 渗漏或其他问题 , 影响大坝的正常运行。 导致涵管渗漏的主要原 因有 : 涵管基础地质条件 差 , 不均匀沉陷导致涵管损坏 ; 坝体施工质量差, 坝 内 涵管与大坝防渗体结合不严密 , 造成沿涵管外壁的接 触渗漏冲刷或坝体变形导致涵管损坏 ; 涵管砌筑质量 差引起破裂漏水 ; 进水 口闸门或防渗结构损坏引起 渗
4、漏等。 由于原设计施工资料严重缺失 , 且涵管深埋在坝 下 , 涵管病害问题是否存在或严重程度难以查 明, 病害 问题一旦发展则对大坝威胁极大 , 处理起来难度也很 大 , 故涵管病害被称为“ 大坝心脏病” 。 坝下排水涵管除险加固设计首先要查明涵管存在 的问题 , 管壁外侧是否存在接触渗漏 问题 , 涵管是否有 裂缝 、 断裂等结构性问题 , 管内漏水要分清是进 口闸门 漏水还是坝体渗水汇入管内等情况 , 针对不同的问题 , 设计应提出相应 的处理措施 。通常的处理方法分为两 种 : 对结构没有大问题 的老涵管, 进行加 固和防渗 处理时, 多采用进 口开挖后重新回填黏土夯实防渗、 修 补涵
5、管 内外侧壁与涵管内衬钢管或塑料管、 涵管外侧 灌浆和增设截水环等方法。 对于结构破坏严重, 或 坝 中断裂错位的小管径涵管 , 则须封堵或挖除老涵管 , 重新修建放水建筑物, 一般采用挖除并新建涵管 、 新建 虹吸管或有条件时新开隧洞等处理方法。笔者在进行 一 些设计复核工作时, 发现很多涵管加固设计不合理 , 现将多年设计工作的经验加以总结 , 供设计人员参考。 2 防止涵管接触渗漏设计要点 有些水库坝下涵管虽经多年运行 , 没有出现大 的 结构性问题 , 主要原 因是进 口闸门及启闭设施运行多 年后锈蚀老化 。这样 的涵管处理应 以维修加 固为主。 对于渗漏情况并不严重 的涵管可以不作
6、防渗处理 , 而 是将涵管出口处开挖后做好反滤 , 保证工程大坝渗透 稳定 。进 口闸门及启闭设施一般需要改造更新处理。 接触渗漏 比较严重时 , 需在上游侧或坝顶位置采取截 渗措 施 。 2 1 充填灌浆处理 由于原涵管两侧回填土不密实或不均匀沉降等原 收稿 日期 : 2 0 1 01 23 0 作者简介 : 朱晓玲 , 女 , 高级工程师 , 主要从事水利水 电工程规 划设计 咨询等工作。Em a i l : z h u x i a o l i n g q h s o h u c o m 58 人 民 长 江 因, 造成水库 蓄水后在涵管外周边易形成渗漏通道 , 在 长期集 中渗流情况下
7、, 涵管外 围接触面会 形成空 洞。 为使坝体与涵管接合紧密 , 确保坝体安全 , 可采用充填 灌浆处理涵管外周边的空隙。 充填灌浆适用于处理性质和范 围都 已确定的局部 隐患 , 进行充填灌浆设计 首先要确定涵管 的位置和涵 管外侧空洞或裂隙的范围, 根据涵管缺 陷情况确定孔 位布置、 灌浆压力 、 浆液材料及浓度等设计指标 。孔位 间排距一般取 11 5 m, 孑 L 深至涵底 以下 1 m, 灌浆压 力不大于 0 0 5 MP a , 以免劈裂坝体形成新 的缺陷。为 确保灌浆效果 , 要求每孔复灌 3次 以上 , 每次复灌间歇 时间不少于 5 d 。灌浆材料可采用灌黏土水泥浆 , 水泥
8、用 量 为 干料量 的 5 一 3 0 。 需要强调的是 , 充填灌浆处理大坝防渗是不可行 的 。 由于原坝体细颗粒较多 , 渗透系数本 身就不 大, 充 填灌浆要求的灌浆压力又很小 , 浆液在坝体 内不能有 效扩散 , 孑 L 与孑 L 之间不能搭接形成防渗幕墙 , 起不到防 渗的作用。所以一般老的坝体存在的压实度不够、 渗 透系数较大等问题不能用充填灌浆处理。 2 2倒挂井增设截 水环 对于沿管壁接触渗漏问题 比较严重的 , 应进行截 渗处理 , 可在管壁外侧增设截水环防渗。由于涵管深 埋坝下 , 明挖处理费工费时且风险较大, 截水环可采用 倒挂井 的施工方法开挖 。倒挂井是在坝顶浇筑混凝
9、 土 锁梁 , 梁下修建混凝土倒挂井 , 逐层向下开挖 、 立模 、 浇 筑混凝 土倒挂井壁 , 挖至涵管基岩后清除风化岩石、 凿 毛清洗干净 , 浇筑防渗墙截水环截渗 。倒 挂井采用人 工开挖 , 技术简单 , 不需要 大型设备 和专业施工力量 , 施工方便 , 不受水库洪水影响 , 可减少 土石方 开挖量 , 降低工程成本 , 缩短建设周期。 倒挂井设计 的要点首先是根据地质情况确定井深 及井圈的大小和组数 , 然后确定锁 口梁的结构及尺寸 , 锁 口梁可以保证井 口稳定 , 并且井 圈的重量也主要 由 锁 口梁承担 , 故锁 口纵横梁应按 简支梁设 计并配 筋。 倒挂井垂直开挖要靠井壁支
10、护 , 井壁一节一节 自上而 下施工并预埋钢筋 , 上一段支护稳定后开挖下一段 , 然 后浇注下一段的井壁混凝土 , 下一节井壁倒挂在上一 节井壁上维持稳定。由于井圈不是封闭 的圆圈 , 横 向 支撑必不可少 , 支撑可采用方木或型钢焊制 , 一般每层 设置 3道横撑。截水环施工完毕后井内应 回填黏土夯 实 到 坝顶 , 不 可浇 注 混凝 土 , 以免 混凝 土 干缩 以及 和坝 体间产生不均匀沉降, 形成横 向裂缝 , 影响防渗效果。 出于安全考虑 , 设计 倒挂 井开挖的最大深度一般 控制在 3 0 m以内。在无黏性 砂石料 中挖井 因土料凝 聚力小 , 开挖易出现塌方 , 对于级配较好
11、且密实度较高 的砂砾层 , 塌方不严重时可采取缩短井 节高度加快施 工周期的过渡措施。当遇有级配较差 、 砾石集 中又不 密实 的土层时 , 可采取灌注黏土 、 水泥或丙凝水泥浆液 进行灌浆充填固结的措施 , 以增加井壁的稳定性 。 2 3 高压 喷射灌浆截水处 理 对沿管壁接触渗漏问题 , 也可采用高压喷射灌浆 进行截水处理。高压喷射灌浆是一种采用高压水或高 压浆液形成高速喷射流束 , 冲击 、 切割 、 破碎地层土体 , 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 , 用以提高低级防渗或承载能力的施工技术。 依靠高压喷射浆液可对涵管周 围及底板以下土层进行 防渗加固
12、处理 , 防止沿涵管 与坝体土接触 面的接触渗 漏 、 冲刷破坏涵管周围土体 。 高压喷射灌浆分为旋喷、 摆喷和定喷 3种形式 , 截 水处理一般采用定喷或摆喷 , 定喷固结体呈壁状 , 摆喷 形成厚度较大的扇状固结体 , 可承担较大的渗透 比降 。 高压喷射灌浆设计的要点是灌浆孑 L 距 的确定。设计应 根据坝体土体性质和灌浆试验成果确定灌浆孑 L 距 , 一 般定喷 、 摆喷孔距为 1 21 5 m, 旋喷为 0 81 2 i n 。 高压喷射灌浆不需要对地层进行开挖 , 可通过坝 体、 涵洞等建筑物对数 十米以下砂砾 层、 隐患进行 处 理 , 可在水上对水下隐患进行处理 , 相对成槽法
13、造墙工 艺 , 高压喷射灌浆无须护壁浆液和混凝土制作浇筑系 统 , 其对施工场所的要求不高 。高压喷射灌浆的缺点 也 比较 明显 , 首先是对地层材料较为敏感 , 最适用的是 粉砂土和淤泥质土 , 黏性土的黏粒含量较高时 , 灌浆效 果较差 , 容易出现施工质量问题 , 不能形成连续板墙或 形成的泥结石墙体厚薄差异较大。另外高压喷射灌浆 技术难度相对较大 , 地方上一般没有好的施工队伍 , 且 涵管防渗工程量很小 , 难 以找 到施工经验丰 富的施工 单位 , 施工质量更加难以保证。 3 防止内水外渗设计要点 涵管 内部若有混凝土剥落 、 裂缝等缺陷, 可能发生 内水外渗 , 管径较大可 以进
14、人的涵管 , 可采取丙乳或其 他聚合物水泥砂浆抹 面或嵌缝处理 , 不 能进人 的涵管 可采用套管法加固原涵管。 套管法是在原涵管内安装 1根直径小于原涵管且 能满足过流要求 的管道 。套管安装 就位后 将两端封 堵 , 原涵管与套管之间的空隙填充水 泥砂浆 或预埋骨 料灌浆 , 同时在涵管 的进 口段开挖后重新 回填黏土夯 实 , 做好 防渗的工程措施 , 黏土 中可掺 人 1 5 左 右的 水泥以提高防渗性能。在涵管出口段应填筑导渗的反 滤料将渗水导出。直径较 大的套管 可采用钢 管, 如果 原涵管布置不是直线或有轻微变形也可采用 P E或 P P 第 9期 朱 晓玲 , 等 : 中小 型
15、水 库坝下排水涵管除 险加 固设计要 点 5 9 一 R等塑料管 , 以克服钢管不可弯曲的缺点 。 涵管 内套管需注意新管与老涵管之间的充填灌浆 浆液须充满管壁间的空隙 , 为避免浆液干缩形成裂缝 , 浆液中应适当添加微膨胀剂 。 套管法施工具有技术简单 , 不需要大量开挖土方 , 施工期短 , 度汛风险小 , 工程投资少等诸多优点 。笔者 认为坝下涵管处理应优先考虑这一方案。 4 原涵管拆除与新建设计要点 挖除新建涵管方案是较为彻底 的处理方案 , 新建 涵管的基础需是基岩 , 在涵管前半部分基岩条件较好 的位置设置截水环截渗 , 然后 回填黏土到原坝体断面。 新建涵管设计的要点是涵管必须埋
16、人基 岩, 设计 应选择合适的坝肩位置 , 在基岩中挖槽 , 将涵管埋人开 挖的明槽 中, 管底及两侧 的空 隙用混凝土 回填并振捣 密实, 涵管上部的混凝土保护厚度不小 于 2 0 c m, 坝高 较高管径较大时要配钢筋。混凝土面应与原基岩面齐 平 , 新建 函管在岸坡上时 , 应根据岩面情况 , 混凝 土面 可为斜面。如大坝是黏土心墙坝 , 还应注意心墙应在 涵管处扩大断面 , 以延长渗径。结构设计 特别应注意 一 定要在涵管 出口处设置反滤 , 这一措施 , 增加的工程 投资微乎其微 , 但保护坝体渗流安全效果显著 。 由于开挖断面场地狭小, 没有碾压条件 , 填筑质量 难以保证 , 坝
17、高较高时 , 开挖后坝体的回填部分与原坝 体之间的不均匀沉降问题不容忽视 ; 此外 由于涵管高 程较低 , 导流就是一大难题 , 度汛风 险很大 , 故此方案 适合于坝高不高 、 工程量较小的情况 , 笔者认为涵管断 面坝高超过 1 0 m时应慎用此方案。 4 1 新建涵管 的截水环 问题 碾压式土石坝设计规范( 以下 简称规范 ) 的条 文说明中, 对截水环问题 的论述为: “ 坝下埋管过去都 要求做截流环 , 因而给接触面上土的压实带来困难 , 近 年来一般不做截 流环 了” 。笔者认为截水环设置是必 要 的, 由于施工场地狭小 , 截水环附近 回填土都采用人 工夯实 , 压实不存在特殊
18、问题 。截水环有效地延长了 渗径 , 对防止接触渗漏效果显著。设计必须要注意的 是涵管应埋人基岩 , 切不可在开挖边坡与涵管之间的 空隙采用黏土 回填 , 这段 空隙十分狭 窄, 填土难 以夯 实 , 一旦水库蓄水就会产生不均匀沉降, 会形成对土坝 致命 的横向裂缝 , 从而产生严重的渗漏问题 , 许多工程 除险加 固施工完成后不久出现险情就是这个原因。笔 者建议此关键部位采用混凝土 回填 。 需要 注意 的是 , 截水环设置不能太大 、 太多, 新疆 八一水库的泄洪涵洞 因外壁截渗环设置外径过大 、 过 密 , 坝体产生横向裂缝造成坝体的渗透破坏 , 教训可谓 深 刻 。 4 2 新建 涵管
19、的开挖 回填问题 原涵管破损严重时, 需要将其挖除 , 重新埋设新涵 管 , 坝体 开挖 的设 计坡 比成 为一个 难题。 规 范 规 定, 先填筑坝段的横向坝坡土料不宜陡于 1 : 3 , 条文说 明解释土质边坡 的接坡坡度主要是根据不均匀变形要 求规定 的, 1 : 3是根据一般 经验提 出的。设计如按此 规定确定开挖断面 , 则坝体将被挖去一半以上 , 实际工 程受各方面条件制约往往难以实现 。由于涵管高程较 低 , 度汛风险较大 , 为节约工期及投资 , 设计坝体开挖 边坡一般都取得 比较陡 , 有的工程甚至取到了1 : 0 7 5 。 涵管开挖后 回填施工场地狭窄 , 仅靠人工夯实填
20、土, 填 土质量不易保证 , 如果结合坡 比又很陡 , 坝体可能 由于 不均匀沉降产生横向裂缝 , 而横 向裂缝是土坝最致命 的缺陷。 设计必须重视坝体开挖后的回填要求 , 对 回填土 料的质量以及施工质量等都要提出明确 的指标要求 , 回填土料必须采用黏土 , 建议黏粒含量 3 0 左 右, 必 要时可掺入 5 1 5 的水泥 , 要求 回填土料压实度 按不小于 9 6 控制 , 渗透系数小 于 51 0 一c m s 。回 填土料夯实施工方法可采用夯板机连环套打。 4 3工程 实例 义乌市姑塘水库排水 涵管位于西一副坝坝下 , 涵 管由浆砌条石砌筑而成 , 进 口底板高程 6 7 9 4
21、m, 洞身 为城门洞型 , 净宽 1 4 m, 高 1 4 m。由于原涵管 四周 未进行防渗处理 , 渗漏情况较为严重 , 除险加固设计将 原涵管进行拆除重建。涵 管位置仍位于原处, 原涵管 挖 除后新 建涵管建基 面置 于弱风化 岩层 , 采 用管 径 1 2 m的圆形钢管外包钢筋混凝土的形式 , 钢管壁厚 6 mm, 主要起防渗和内模板的作用 。 设计坝体开挖边坡 1 : 2 , 基岩按 1 : 0 5开挖成 明 槽 , 涵管外侧不立模板 , 将钢管安装就位后按设计要求 绑扎钢筋 , 然后浇注厚度不小于 3 0 c m的 C 2 5混凝 土 填满沟槽 , 混凝土顶 面与基岩面齐平。在涵管前
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