浪詳水電站砌石重力拱壩安全複核及除險加固防滲處理

譚劍波1，楊 武2，甘雪峰3

（1.楊凌職業技術學院，陝西楊凌712100；2.貴州黔水工程監理有限責任公司，貴州貴陽550002；3.西北農林科技大學，陝西楊凌712100）

摘 要：浪詳水電站水庫大壩高水位運行中，存在砌石拱壩壩體滲漏、砌石材料強度低等問題。為了消除水庫大壩的安全隱患，提高大壩運行的安全可靠性，根據大壩滲漏現狀和鑽探分析資料，結合大壩壩基垂直正應力和穩定性複核成果，優選水泥砂漿充填灌漿為主的防滲補強除險加固方案。補強灌漿防滲處理後，經測試30個試驗段透水率均在5 Lu控制範圍內，壩體密實度得到有效增強，合格率達100%，並歷經2年的高水位蓄水運行考驗，工程整體運行狀況良好。

關鍵詞：砌石重力拱壩；水泥砂漿；充填灌漿；水電站

浪詳水電站位於貴州荔波縣打狗河上，是一座具備引水發電、農業灌溉和生態旅遊等功能的綜合水能利用工程［1］，最大設計水頭79 m，設計裝機2台，總裝機30 000 kW，屬中水頭小型水力發電站。攔河大壩為混凝土砌石雙曲拱壩，建基面高程342.00 m，壩頂高程391.60 m，最大壩高49.60 m，頂寬4.0 m，壩軸線長149.67 m，厚高比0.18 m。工程於2004年01月開工，2006年02月主體工程全部竣工，並於當年5月併網發電。

1 大壩滲漏現狀及滲漏原因分析

1.1 水庫大壩壩體滲漏現狀

水庫蓄水試驗時，在正常蓄水位以下大壩各部位整體運行狀況較好，在最高蓄水位超過正常蓄水位0.3 m時，發現左岸359.50 m高程以上壩體及拱端基岩基礎面處存在漏水問題，漏水量約50 L/s；右岸361.20 m高程以上壩體及拱端基岩基礎面處存在漏水問題，漏水量約40 L/s。在高水位壓力作用下，壩體內部滲漏通道不斷擴大，滲水點及量不斷增多增大，局部漏水點滲漏甚至呈射流狀。監測數據表明，壩體滲水量和滲漏點高程均與庫水位有關，庫水位越高，滲漏越嚴重［2］。針對壩體滲漏問題，水庫管理局於2007年對壩體和壩肩採取過一次單排灌漿處理，共設置28個灌漿孔，孔距為2.5 m～3.5 m，總進尺1 468 m，並在大壩引水面上噴一層約6 cm厚水泥砂漿進行防滲加固處理。經處理後，壩體整體滲漏得到有效控制，滲漏點減少、滲漏量降低，但由於灌漿防滲處理不夠徹底，加上後期又運行近10年，壩體填築材料流水侵蝕、凍融破壞等不斷加劇，尤其是當庫水位上升到379.50 m高程以上時，壩體與壩肩接觸面滲漏問題不斷加重，滲漏破壞已嚴重威脅到大壩的安全穩定運行［3］。

1.2 壩體滲漏破壞原因分析

原大壩壩體填築材料設計採用800號石材，膠結材料採用150號水泥砂漿，但由於受當時施工技術水平、建設理念等因素的綜合制約，從料場中開採出來的黑雲母花崗岩，絕大部分只有600號，部分也僅能達到700號。加上後期運行，壩體填築砌石風化程度不斷加深，有隱裂隙高度發育，導致砌石整體強度不斷變低。壩體鋪砌施工時，局部存在不規則含有裂隙的塊體鋪築在壩體內體，鋪砌質量偏差［4-5］。水泥砂漿膠結性能不滿足設計要求，僅達到100號左右，同時鋪砌水泥砂漿時部分砌縫存在漏鋪，導致壩體內部存在較多縫隙及孔洞，留下較多滲水通道，蓄水運行時串孔、漏水現象較明顯。從壩體除險加固鑽探取芯分析成果表明：壩體砌築砂漿孔洞較多、孔徑較大，多數直徑在1.2 mm～3.5 mm，部分孔洞還相互連通形成完整滲流通道。砌石材料透水率為2.6 Lu～7.5 Lu，部分材料遠超過規範要求的5 Lu防滲底線。在反覆升降溫度應力和凍脹破壞作用下，壩體砌石材料強度和性能不斷降低，鑽孔取樣5組試件分析成果表明：壩體砌築材料整體強度標號僅有300號～500號，材料強度遠低於設計要求。鑒於以上情況，在大壩除險加固中，決定對大壩結構應力和穩定性進行全面安全複核，進一步優化壩體滲漏處理方案，鞏固大壩防滲補強質量，徹底消除大壩滲漏問題［6-7］。

浪詳水電站水庫大壩樞紐，受當時歷史條件、建設資金和施工技術等因素的制約，工程存在砌石材料強度不夠、施工質量不佳等問題，水庫高水位蓄水運行時存在嚴重滲漏，大壩結構整體穩定性與否不確定。因此，在大壩除險加固過程中，需對大壩結構整體安全性進行全面複核與評價，為大壩提出技術可行、經濟合理的防滲補強加固處理方案［8-9］。

2.1 工程基本特性

為了評價大壩結構整體安全性，結合大壩整體布置，分別對大壩壩踵和壩趾的垂直正應力和左、右岸非溢流壩及中部溢流壩的抗滑穩定性進行計算分析。根據鑽探成果，確定大壩壩基岩體為Ⅱ～Ⅲ類花崗岩岩石。大壩壩高49.60 m，C25混凝土重度為24 kN/m3，水重度為9.8 kN/m3［10］，泥沙浮重度為7.6 kN/m3。壩體混凝土與基岩間的抗剪斷摩擦係數為1.0，抗剪斷黏聚力為0.85 MPa。參考文獻［11 -12］，選取基本組合（正常蓄水位380.00 m）和特殊組合（校核洪水位380.90 m），兩種工況進行結構應力複核和抗滑穩定性分析。

2.2 壩體結構應力及抗滑穩定安全複核

壩體穩定複核採用規範要求的剛體極限平衡法［13-14］，計算得非溢流壩壩段壩踵和壩趾處的垂直正應力，以及左、右岸非溢流壩段的抗滑穩定計算成果，如表1和表2所示。

表1 非溢流壩垂直正應力計算成果單位：MPa

壩趾應力基本組合（正常蓄水位380.00 m） 0.210.41特殊組合（校核洪水位380.90 m）-0.160.57分析工況壩踵應力

表2 左、右岸非溢流壩抗滑穩定計算成果

計算工況標準值安全係數左岸計算值/標準值右岸計算值/基本組合（正常蓄水位380.00 m）3.68/3.03.24/3.0特殊組合（校核洪水位380.90 m）2.57/2.53.11/2.5

在《工程建設標準強制性條文.水工部分》（2016版）中明確規定：「壩踵垂直應力不應出現拉應力」［15-16］。但從表1可知，在校核洪水位380.90 m特殊組合工況下，非溢流壩壩段壩踵處出現0.16 MPa的拉應力，主要是由於壩體外部材料彈模偏低引起，需要採取合理的加固措施進行處理。其他組合工況下，壩踵和壩趾垂直正應力，均滿足基岩容許壓應力要求。

左、右岸非溢流壩其抗滑穩定安全係數計算成果為：基本組合條件下，左岸為3.68，右岸為3.24；特殊組合條件下，左岸為2.57，右岸為3.11，均大於規範最小安全限值要求。

按規範要求，計算得溢流壩壩基垂直正應力及抗滑穩定性成果，如表3和表4所示。

表3 溢流壩壩基垂直正應力計算成果單位：MPa

壩趾應力基本組合（正常蓄水位380.00 m）0.310.35特殊組合（校核洪水位380.90 m）0.060.41計算工況壩踵應力

表4 溢流壩壩基抗滑穩定計算成果

計算工況標準值基本組合（正常蓄水位380.00 m）3.73/3.04.15/3.0特殊組合（校核洪水位380.90 m）3.03/2.53安全係數左岸計算值/標準值右岸計算值/ .82/2.5

計算結果表明：溢流壩壩基垂直正應力Kc計算值＞［Kc］規範值，壩基垂直正應力和抗滑穩定性均滿足規範要求，結構整體穩定性較好。

3.1 補強灌漿防滲方案

由大壩溢流壩和非溢流壩壩基垂直正應力和抗滑穩定複核成果可知，大壩結構整體穩定性較好，針對壩體滲漏及主要滲漏部位處於大壩中下部（359.90 m～368.80 m高程），考慮到滲漏主要是由於壩體砌築材料強度不夠、施工質量偏差等原因導致，經技術、經濟等方面的綜合比選，決定採用補強灌漿措施對大壩進行補強灌漿加固處理，即：壩體369.50 m高程處壩寬約6.85 m，在壩體距上游引水面約2.5 m處和距下游面2.0 m處共布置44個（上游側和下游側各22個）補強灌漿孔，孔距3.0 m～4.5 m，用0.8 MPa～1.0 MPa壓力灌注32.5 MPa普通硅酸鹽水泥砂漿進行充填灌漿。按照先上游（一序孔）後下游（二序孔）灌漿順序進行，待灌漿完畢後，在上、下游灌漿孔之間增加一排補強三序孔，通過充填灌漿以封堵壩體內部由於縫隙等存在的滲水通道和砌築石材間的空隙，以增強大壩結構的整體安全穩定性。壩體充填灌漿防滲補強方案，如圖1所示。

圖1 壩體防滲補強充填灌漿鑽孔布置方案

通過壩體充填補強加固灌漿，利用壓力將水泥砂漿充填灌注到壩體內部的裂隙和填築砌體內空隙中進行粘合，可以有效增強砌體的抗凍脹和抗滲性能，確保壩體內部滲漏通道得到有效堵塞，徹底解決壩體滲漏問題。

3.2 壩體補強灌漿防滲應用效果分析

（1）砌體透水率檢測

滲漏處理結束後，為檢測壩體水泥砂漿充填灌漿效果，根據大壩整體布置共選擇30個試驗段（上游側15個、下游側10個、中部5個），對壩體砌體透水率進行檢測分析，檢測結果表明：30個試驗段透水率檢測值為0.82 Lu～4.56 Lu，均滿足混凝土砌石壩要求透水率5 Lu控制限值，補強灌漿防滲合格率為100%。其中，有8個連續試驗段其透水率檢測值低於1.0 Lu，達到優秀防滲水平，完全形成連續、完整的防滲帷幕體，防滲加固效果非常明顯。

（2）運行效果

2013年10月18日，水庫除險加固工程順利竣工並蓄水運行。運行近3年來，壩體量水堰測定的滲漏水量一直為零。2014年7月初水庫開始進入汛期，水庫維持在超過正常蓄水位1 m的380.50 m高水位條件下運行達35 d；2015年6月底，水庫維持在380.20 m高水位條件下運行達21 d，壩體、壩肩等均未出現有滲漏問題，量水堰測定滲漏水量也為零，表明壩體滲漏問題得到有效處理，水泥砂漿充填灌漿防滲效果良好。

4 結 論

浪詳水電站水庫大壩由於砌築材料自身強度不足、砌築質量差密實度較低、水泥砂漿與石料間膠結性能不良存在空隙、砌石局部架空存在縫隙等原因，導致大壩在高水位運行時，壩體存在大面積滲漏問題，嚴重威脅到大壩的安全穩定運行，必須經全面的安全複核評價，以採取合理的除險加固處理方案，進行防滲補強處理。

（1）大壩蓄水運行時，壩體串孔、漏水現象非常明顯。鑽探取芯分析，壩體局部砌築材料強度標號僅有300～500號遠低於設計要求的700號，透水率遠高於5 Lu的防滲底線。

（2）溢流壩和非溢流壩壩基垂直正應力和穩定性複核成果表明，除特殊工況下非溢流壩壩踵存在0.16 MPa拉應力需採取防滲加固補強處理外，各工況下壩體結構應力和穩定性基本滿足規範要求，整體穩定性較好。

（3）在369.50 m高程採取引水面、背水面和中部各設一排水泥砂漿充填灌注孔，通過「先上游、再下游、最後中部」的三序孔灌注充填壩體內部空洞和裂隙，進行防滲補強加固施工，有效增強了壩體密實度和砌築石材間的膠結強度。檢測結果表明30個試驗段，補強灌漿防滲合格率為100%，並歷經2年的高水位蓄水運行考驗，滲漏水量為零，壩體滲漏問題得到有效處理。

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Safety Checking and Anti－seepage Treatment Reinforcement for Masonry Gravity Arch Dam from Langxiang Hydropower Station

TAN Jianbo1，YANG Wu2，GAN Xuefeng3（1.Yangling Vocational&Technical College，Yangling，Shaanxi 712100，China；2.Guizhou Qianshui Engineering Supervision Co.，Ltd.，Guiyang，Guizhou 550002，China；3.Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）

Abstract：The problems of body seepage at high operating water level and low masonry material strength in the masonry arch dam of Langxiang hydropower station was introduced first.In order to eliminate the security risk and enhance its safety and reliability，according to the dam seepage observation situation and drilling analyzing data，combining the dam foundation vertical positive－stress and stability checking results，the anti－seepage reinforcement scheme with cement mortar filling and grouting has been optimally adopted.The test results show that after the anti－seepage reinforcement treatment the water permeability rate of 30 test sections with 100%pass rate which is within 5 Lu，which can effectively enhance the density of the dam.The dam has experienced two years high water level operating tests，and the overall running is in good condition.

Keywords：masonry gravity arch dam；cement mortar；filling and grouting；hydropower station

中圖分類號：TV698；TV697.3

文獻標識碼：A

文章編號：1672—1144（2016）05—0215—04

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.041

收稿日期：2016－06－08

修稿日期：2016－07－04

基金項目：楊凌職業技術學院科學研究基金項目（A2016003）

作者簡介：譚劍波（1983—），男，四川江安人，碩士，講師，工程師，主要從事水利水電建築工程教學與設計工作。E－mail：tjb19841@126.com

通訊作者：甘雪峰（1958—），男，陝西武功人，副教授，主要從事水利水電工程教學及設計工作。E－mail：1057233488@qq.com

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