于橋水庫(kù)壩基加固設(shè)計(jì)施工回顧與體會(huì)

張 奕 堯

于橋水庫(kù)位于天津市薊縣城東薊運(yùn)河支流州河上,控制流域面積2 060 km2,1960年建成,總庫(kù)容15.59×108m3,正常蓄水庫(kù)容4.21×108m3,是開發(fā)利用州河水資源,解決天津市工農(nóng)業(yè)用水及城市居民用水的骨干工程,并具有重要的防洪任務(wù),同時(shí)兼有發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益。1983年引灤入津通水后,該庫(kù)成為引灤入津工程中十分重要的控制性調(diào)節(jié)樞紐。

于橋水庫(kù)大壩于1959年12月開始施工,由于當(dāng)時(shí)的施工和設(shè)備條件比較落后,工期緊迫加之冬季施工,未對(duì)壩基進(jìn)行徹底處理,致使大壩建成投入使用后出現(xiàn)了壩基滲透破壞等問(wèn)題。

針對(duì)大壩基礎(chǔ)存在的問(wèn)題,自1976年起先后實(shí)施了3次壩基加固工程,取得了相當(dāng)效果,但仍有部分壩段的壩基滲壓水頭較高,壩肩仍有非正常滲水,壩基滲漏穩(wěn)定問(wèn)題仍未徹底解決。

1 大壩原設(shè)計(jì)概述

于橋水庫(kù)于1959年由河北省設(shè)計(jì)、施工,1960年基本建成,其中土壩設(shè)計(jì)概要如下。

根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蠗l件,壩型采用均質(zhì)土壩,考慮施工技術(shù)與設(shè)備等供應(yīng)條件,決定0+000—0+760為重碾壓,0+760—0+900為輕碾壓,0+900—1+500為水中倒土,1+500—1+800為輕碾壓,1+800—1+935為重碾壓,副壩(長(zhǎng)280 m)采用人工夯實(shí)。其中主壩全長(zhǎng)為1 935 m,最大壩高為22.75 m,副壩全長(zhǎng)為280 m,最大壩高3.5 m。

1.1 設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)

(1)建筑物等級(jí):按照標(biāo)準(zhǔn)定為2級(jí),以100年一遇設(shè)計(jì),1 000年一遇校核,安全系數(shù)采用如下:

正常運(yùn)用情況 1.25

校核運(yùn)用情況 1.10

(2)水位條件

水位條件見(jiàn)表1。

表1 水位條件表 m

(3)風(fēng):最大風(fēng)力9級(jí),風(fēng)速20 m/s。

(4)冰凍:最大冰凍深度1.0 m。

(5)地震設(shè)計(jì)烈度:6～7度,結(jié)構(gòu)計(jì)算以7度計(jì)。

(6)土料基本指標(biāo):

1)物理指標(biāo),筑壩土料以重粉質(zhì)壤土為主,填筑土方量169.6萬(wàn)m3。

2)干容重與含水量指標(biāo),根據(jù)不同筑壩方法,考慮冬季施工技術(shù)等條件,以及土料自然含水量較高情況下選擇如下指標(biāo)。

碾壓壩:工地控制干容重16 kN/m3,含水量18%～20%,設(shè)計(jì)干容重16 kN/m3,含水量19%。

水中倒土壩:工地控制起始干容重14 kN/m3。起始含水量26%左右,設(shè)計(jì)最終干容重15.3 kN/m3,含水量22%。

3)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):根據(jù)土壤試驗(yàn)與工地填筑試驗(yàn)提供的資料,碾壓壩選用蘇莊、山北頭、西山北頭土區(qū),水中倒土壩選用七里峰等土區(qū)。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

1.2.1 壩頂高程、壩頂寬度

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算,壩頂高程采用27.5 m。

根據(jù)土壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定和考慮行車要求壩頂寬采用6.0 m。

1.2.2 壩坡

水中倒土壩段內(nèi)坡迎水面設(shè)計(jì)為1∶5、1∶6,外坡為1∶4、1∶5；重碾壓壩段內(nèi)坡設(shè)計(jì)為1∶3、1∶3.5,外坡為1∶3；輕碾壓壩段內(nèi)坡設(shè)計(jì)為1∶4、1∶5, 外坡 1∶4。

1.2.3 壩頂護(hù)面與壩坡保護(hù)

壩頂護(hù)面考慮砂、石料供應(yīng)困難,厚度采用0.5 m,其中砂墊層0.2 m,路面以上碎石壓實(shí)厚0.3 m。

壩坡保護(hù)根據(jù)土壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定與反濾計(jì)算結(jié)果,考慮水庫(kù)運(yùn)用與凍結(jié)等條件以及砂石料供應(yīng)困難,壩坡保護(hù)如下。

上游護(hù)坡保護(hù):自壩頂以下至13.5 m(死水位以下1.5 m,護(hù)坡厚1.0 m),其中塊石0.4 m,砂、碎石、礫卵石各0.2 m,副壩部分采用石渣厚1.0 m。

下游護(hù)坡保護(hù):蘇莊部分(0+000—0+292.5)采用碎石、石渣厚0.3 m,其中加0.1 m厚砂層,副壩部分以厚0.3 m石渣護(hù)面。

1.2.4 排水設(shè)備

根據(jù)不同地質(zhì)和施工條件,并考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況與反濾排水計(jì)算結(jié)果布置如下。

副壩部分:因地面高程較高,壩較低,正常蓄水位不能達(dá)到,故不設(shè)排水設(shè)備。

古河道主壩部分:壩基覆蓋表土平均厚3.0 m以上,其下為淤泥質(zhì)重壤土與含泥細(xì)砂,以下為基巖,故壩基透水性較弱,選擇帶有貼坡的褥墊式排水。長(zhǎng)度為249 m,采用0.5 m厚礫卵石墊層,為考慮節(jié)省砂石料需用量,褥墊式排水鋪墊高程為11.3～22.0 m,岸坡改用管式排水銜接。

1.2.5 防滲措施

鋪蓋長(zhǎng)度:采用200 m。

鋪蓋厚度:采用4.0 m,前端厚度1.0 m。

2 大壩運(yùn)行初期壩基滲水問(wèn)題及處理措施回顧

據(jù)記載,1960年8月底于橋水庫(kù)開始蓄水,蓄水后即在樁號(hào)0+900—1+320壩段,于橋村往南,村西天然溝以東的區(qū)域出現(xiàn)沼澤化,并于壩腳排水溝內(nèi)普遍有管涌、砂沸現(xiàn)象。至10月底蓄水位達(dá)16 m左右時(shí),沼澤化地區(qū)地面普遍產(chǎn)生徑流,管涌現(xiàn)象有增無(wú)減,其中以1+100附近較為嚴(yán)重,由壩腳向下游70 m范圍內(nèi),普遍有管涌現(xiàn)象,許多孔冒渾水和黑色細(xì)砂,時(shí)斷時(shí)續(xù),其中有一較大的冒砂孔,孔徑達(dá)5～6 cm。1961年4月初,水庫(kù)蓄水位達(dá)17 m左右時(shí),發(fā)現(xiàn)在1+500—1+700壩段亦開始沼澤化和管涌,在1+610處距離壩腳45 m位置有1口水井,井水位距地面不到0.3 m,蓄水后在庫(kù)內(nèi)壩腳處冒水泡,周圍水面冬季皆封凍,而冒泡部位不結(jié)冰。4月25日,庫(kù)水位達(dá)17.35 m時(shí),水庫(kù)開始放水,至5月底放空,放空后發(fā)現(xiàn),庫(kù)內(nèi)壩腳蓄水后冒水泡處有呈漏斗形狀孔洞,說(shuō)明土層已被擊穿,為集中滲漏的入滲點(diǎn)。經(jīng)過(guò)壩前人工鋪蓋處理,壩后0+920—1+280、1+550—1+700增加2條減壓溝后,自1969年開始攔洪蓄水并達(dá)到正常蓄水位18.65 m,上述沼澤、管涌現(xiàn)象沒(méi)有再次發(fā)生。

3 第1次加固設(shè)計(jì)、施工及效果概述

于橋水庫(kù)壩基第1次加固工程自1976年開始,至1983年完成施工,共對(duì)1 430m的壩基進(jìn)行了加固。

主要針對(duì)問(wèn)題:①主河床南岸殘丘繞壩滲漏問(wèn)題；②主河槽壩段滲漏問(wèn)題。

壩基加固設(shè)計(jì)方案如下。

(1)回填壩后滲水池(池底鋪反濾層)并加壓重(伐高程22 m)。

(2)在1+280—1+850壩趾下游新建減壓溝,并在1+280—1+340新建7個(gè)減壓井(Φ=0.8 m)。

(3)在 0+500—0+700,0+700—0+830,0+830—1+930等壩段的壩基分別采取帷幕灌漿,混凝土防滲墻與接觸灌漿進(jìn)行加固處理。

帷幕灌漿實(shí)際范圍從樁號(hào)0+500—0+704.5(大壩殘丘段),總長(zhǎng)204.5 m。此段巖層破碎,裂隙發(fā)育,溶蝕現(xiàn)象普遍,其間充填紅色粘土、碎石、圓礫、卵石和砂等,透水性強(qiáng),單位透水率一般為0.5～1.0 L/(min?m?m)。為減少滲流量,降低下游滲透壓力,加強(qiáng)壩體土層與巖石的結(jié)合,避免產(chǎn)生接觸沖刷,采用灌漿處理。由于該段相對(duì)不透水巖石層埋深較深,帷幕采用懸掛式,設(shè)計(jì)幕深為1倍水頭,灌漿終止高程在+6.0 m,帷幕軸線位于壩頂中心線的上游側(cè)18 m處,鉆孔起始高程在24.0 m,帷幕的設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)為單位透水率不大于0.05 L/(min?m?m),灌漿材料采用400#硅酸鹽水泥。鉆孔采用3排孔形式,排距1.5 m,孔距1.5 m?？傘@孔進(jìn)尺為5 191 m,其中壩體進(jìn)尺1 132 m,覆蓋層進(jìn)尺1 198 m。

混凝土防滲墻設(shè)置在原主河床段,樁號(hào)為0+700—0+830,總長(zhǎng)130 m,防滲墻的軸線位于壩軸線上游13.5 m處,墻頂高程22.5 m。為防止南山包殘丘繞壩滲流,防滲墻伸入基巖1.0 m。墻體厚度按墻允許水力坡度和強(qiáng)度考慮為0.8 m,混凝土強(qiáng)度采用C8～C10,造墻總面積約2 700 m2。

接觸灌漿壩段樁號(hào)為0+830—1+930(壩體與壩基結(jié)合面)。鉆孔布置采用單排孔,孔距為2.0 m,中心線位于壩軸線下游5.5 m處,鉆孔起始高程為26.8m,樁號(hào)1+400—1+580段鉆孔終于+6.0 m,灌漿范圍在高程+8.0～+18.0 m之間,從樁號(hào)1+250往南至0+960與1+400—1+580相同。為與防滲墻相連接,在0+960處垂直灌漿軸線灌1排孔并與防滲軸線(壩上游側(cè)距壩中心線18 m)相交,灌漿范圍在高程+6.0～+16.0 m之間。為防止防滲墻端部接觸沖刷,在防滲墻軸線上0+950—0+960段,灌漿范圍定在高程-6.0～+16.0 m之間,灌漿材料采用400#硅酸鹽水泥。全部工程量總鉆孔進(jìn)尺為8 374m,其中壩體部分為5 189 m,壩基壤土部分2 269m,砂及砂卵石部分916 m。

經(jīng)檢測(cè),上述采用帷幕灌漿,混凝土防滲墻處理的壩段均取得了明顯效果,壩基測(cè)壓管水位降低了0.8～1.5 m,最多達(dá)2 m,但接觸灌漿壩段處理效果甚微。

4 第2次加固設(shè)計(jì)、施工及效果概述

為繼續(xù)分析0+830—1+930壩段的壩基存在的問(wèn)題,1991年進(jìn)一步補(bǔ)充勘探與土工試驗(yàn),查明兩個(gè)重要情況。

(1)砂礫石層的產(chǎn)狀特征(厚度)是沿滲流方向急劇收縮,從壩基前沿厚度3～5.5 m至壩趾處收縮為0.6～1.0m,導(dǎo)致滲流出逸受阻,溢出滲壓剩余水頭較高,測(cè)壓管水位在庫(kù)水位20～21 m時(shí),即已達(dá)到或超過(guò)下游地面高程。

(2)砂礫石透水層的顆粒不均勻系數(shù)遠(yuǎn)超常值(一般＜100)而達(dá)200,甚至高達(dá)1 000,為滲透穩(wěn)定的又一不利條件。

在取得上述勘探及試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)部門1993年9月提出采用以高噴防滲為主要截滲措施,優(yōu)先集中處理1+250—1+750(長(zhǎng)500 m)壩段。高噴防滲墻軸線設(shè)置在距壩軸線上游13.5 m處,高度8.5～14.5 m,厚度25 cm,防滲墻面積5 570 m2。與此同時(shí)對(duì)其余壩段的有關(guān)部位采取一定的壓重及反濾措施。

加固工程于1995年9月26日開工,1996年6月25日竣工。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,第2次加固工程有一定減壓效果但還是不明顯,主要表現(xiàn)為:1+400—1+500壩段,壩基測(cè)壓管水位僅下降0.16～0.37 m。在 1+600壩基測(cè)壓管水位下降0.75 m,在1+700壩基測(cè)壓管水位下降1.1～2.04 m,但其3#管水位反而升高1.3 m。壩基滲流總量減少約30%。

5 第3次加固設(shè)計(jì)、施工及效果概述

2001年于橋水庫(kù)完成了第3次加固工程,對(duì)主河槽以北,采用垂直防滲墻與原有垂直防滲墻銜接。

(1)0+050—0+250段(蘇莊大坑):1996年汛期,于橋水庫(kù)持續(xù)高水位,該壩段下游坑中有滲流現(xiàn)象。據(jù)史料記載,該段筑壩時(shí),清基不徹底,且覆蓋層與基巖接觸面存在滲漏通道,加固措施為接觸灌漿,長(zhǎng)度200 m,孔距1.5 m,平均孔深14 m,接觸帶上下各2 m范圍內(nèi)進(jìn)行灌漿,灌漿面積880 m2。后該段在施工過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)0+100處附近壩基接觸帶下漏漿量非常大,估計(jì)有新的滲漏通道,經(jīng)做補(bǔ)充地質(zhì)勘察,發(fā)現(xiàn)在0+027—0+250段壩基接觸帶下存在1條0～2.0 m厚的砂卵石滲漏帶,治理方案變更為帷幕灌漿處理。

(2)0+830—1+250段:淺層壩基處理過(guò),效果不明顯,此次加固措施為構(gòu)筑混凝土防滲墻并與已實(shí)施的0+700—0+830段混凝土防滲墻相銜接,長(zhǎng)度420 m,中心線距壩頂中心線13.5～14.7 m,設(shè)計(jì)墻厚0.6 m,設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C10,設(shè)計(jì)墻頂高程為16.0 m(插入壩體2～3 m),底部深入基巖1.5 m,高程16.0～24.0 m之間槽內(nèi)回填粘土水泥。最大墻深50 m,最小墻深25 m,平均墻深37.5 m,處理面積為17 610 m2。

(3)1+250—1+400段:長(zhǎng)150 m,加固措施為3排帷幕灌漿,排距1.5 m,孔距3 m,灌漿孔采用梅花型布置,施工中心線距壩頂中心線15.20 m,設(shè)計(jì)帷幕頂高程5.0 m(與上部的高噴防滲墻銜接),底部深入基巖1.5 m,帷幕最大深度30 m,最小深度19 m,平均深度24.5 m,處理面積5 280 m2。

(4)在1+400—1+500段:長(zhǎng)100 m,淺層壩基處理過(guò),效果不明顯,需進(jìn)行補(bǔ)噴加固,為與已實(shí)施工程相一致,施工中心線距壩頂中心線15.7 m,采用微擺折線設(shè)計(jì)型式,擺角20°,設(shè)計(jì)厚度0.25 m,孔距1.2 m,防滲體頂高程16.0 m,防滲體底高程5.0 m,處理面積1 375 m2。

(5)1+750—1+870段(1+870為施工軸線向庫(kù)內(nèi)前移后的軸線端部樁號(hào)),長(zhǎng)120 m,觀測(cè)資料表明,該段存在繞滲問(wèn)題。加固措施為高壓噴射灌漿,采用微擺折線型式,為與其它段的防滲體相銜接,施工中心線距壩頂中心線14.7m,擺角20°,設(shè)計(jì)厚度0.25 m,孔距1.2 m,防滲體頂高程17.5 m,底高程11.0 m,處理面積608 m2。

加固工程于2001年完工。經(jīng)觀測(cè),仍有部分壩段滲壓剩余水頭較高(見(jiàn)表2),尚需作進(jìn)一步處理。

表2 第3次加固效果表(壩基測(cè)壓管水位) m

6 目前水庫(kù)壩基尚存在的問(wèn)題

6.1 壩基測(cè)壓管水位仍偏高

隨著壩基加固的逐步實(shí)施,1+300以南的壩段壩基滲流控制已取得一定的效果,而在其以北的壩段(特別是1+300—1+700壩段),雖已完成高噴防滲墻的施工(含其中1+400—1+500的補(bǔ)噴),但其壩基測(cè)壓管水位與加固前對(duì)照無(wú)明顯下降,1+300以北的4個(gè)觀測(cè)斷面的測(cè)壓管水位平均下降僅0.68 m,且在1+700斷面的3#管水位反而回升1.2m(可能為壩基加固后產(chǎn)生的一定范圍的壩肩繞滲所致)。

6.2 1+500—1+650壩肩存在非正常滲水

自建庫(kù)以來(lái),在1+500—1+650壩基一直存在非正常滲水——壩肩滲水。雖經(jīng)壩基高噴灌漿處理(1995—1996年),迄今仍然存在滲水現(xiàn)象,且隨庫(kù)水位升高而升高。該處壩基系覆蓋在一個(gè)山丘之上(即壩肩下覆山丘,而致壩趾在平面上呈弧形)。

滲水出露高程一般為15～17.5 m(隨庫(kù)水位變動(dòng))。第2期壩基加固措施實(shí)施后,滲流量有所減少,但第3期工程實(shí)施后,滲流量并未進(jìn)一步減少,迄今位于 “壩肩”的壩趾溝內(nèi)仍然有滲水出露,而該段壩體以及與山丘的連接的施工詳情已歷經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)而無(wú)從查考。

7 幾點(diǎn)體會(huì)

回顧于橋水庫(kù)大壩壩基歷經(jīng)的幾次加固處理的設(shè)計(jì)、施工及效果,并結(jié)合現(xiàn)階段水庫(kù)壩基尚存在的問(wèn)題,有如下幾點(diǎn)心得與體會(huì)。

(1)該項(xiàng)工程實(shí)踐說(shuō)明,壩基地形、地質(zhì)條件與壩基滲透穩(wěn)定性緊密相關(guān)。原壩基下覆的幾個(gè)山丘及其側(cè)面(壩肩)均出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲水與滲透破壞現(xiàn)象,說(shuō)明在設(shè)計(jì)施工中要特別關(guān)注大壩與山丘的聯(lián)接部位的截滲設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)大壩蓄水后壩基及其下游出現(xiàn)滲水情況的部位,形態(tài)的分析是發(fā)現(xiàn)滲透穩(wěn)定性薄弱地段的重要方法。

(3)靠天然的河灘表土覆蓋層作為大壩的防滲結(jié)構(gòu),要特別慎重,即應(yīng)對(duì)其有效厚度結(jié)構(gòu)特征及滲透性,要極其認(rèn)真地分析是否應(yīng)作為大壩的防滲結(jié)構(gòu)。

(4)壩基強(qiáng)透水層的產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)變化對(duì)壩基滲透穩(wěn)定有顯著的影響。如1+300—1+700壩段,砂礫透水層厚度沿滲流流程縮小是形成壩基滲流逸出段滲壓偏高的重要原因。

(5)砂卵礫石透水層的不均勻系數(shù)超常是該壩壩基滲透穩(wěn)定性薄弱的又一重要原因。

(6)實(shí)踐證明,在卵礫石粒徑較大的強(qiáng)透水層中采用高噴防滲墻雖有一定防滲效果,但從降低壩基滲壓的實(shí)際效果看,還是不夠理想的,是值得進(jìn)一步在設(shè)計(jì)施工中逐步改進(jìn)的。

鑒于本工程的重要性,以及多年來(lái)積累的很多寶貴經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展,徹底有效解決于橋大壩壩基滲流控制問(wèn)題,保障大壩安全運(yùn)用是可以實(shí)現(xiàn)的。