株树桥水库大坝渗漏原因初步分析

1、文章编号:0559 9342(200302 0065 04株树桥水库大坝渗漏原因初步分析刘庶华1,何国连2(1 湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南长沙 410007;2 株树桥水库管理局,湖南浏阳 410302关键词:大坝渗漏;大坝变形;垫层料;过渡料;面板堆石坝;株树桥水库摘 要:株树桥水库属我国第一批混凝土面板堆石坝工程。大坝自1992年7月起发现有漏水,以后呈逐年增加趋势,1999年7月达到2500L/s,为同类工程所罕见。为此,对株树桥水库大坝渗漏原因做了初步分析,认为大坝与两岸岩体相对变形导致止水破坏是大坝面板破坏的基本原因,并由此对混凝土面板堆石坝的设计、施工等方面提出了一些值得

2、探讨的问题。Analysis on the seepage causes of the dam for the Zhushuqiao ReservoirLIU Shu hua1,HE Guo lian2(1 Hunan Investigation and Design General Ins titute of Water Resources and Hydropower2 Zhushuqiao Reservoi r Administration BureauKey Words:dam seepage,dam deformation,bedding material,transi tion m

3、aterial,concrete face rockfill dam,Zhushuqiao Res ervoirAbstract:The Zhushuqiao Reservoir is one of the first concrete face rockfill dams of China.However,since July in1992,there has been water seepage in the dam and trended towards increase year by year,even up to2500L/s in July of1999,which is rar

4、e in the similar projects.Therefore,the preliminary analysi s on the seepage causes of Zhushuqiao Reservoir Dam has been carried out.It concluded that the failure of water sealing materials caused by the deformation of the dam and the rock body in two banks is the basic cause of the failure of dam s

5、labs.This paper also puts forward some problems on the design and constructi on of con crete face rockfill dams for further study.中图分类号:TV698 2 文献标识码:B1 工程概况1 1 工程基本情况株树桥水库位于湖南省浏阳河南源小溪河下游,距长沙市90k m,水库大坝为混凝土面板堆石坝,坝高78m,总库容2 78亿m3,是浏阳河 龙头水库。属我国第一批混凝土面板堆石坝工程。工程于1988年8月截流,1990年11月下闸蓄水,1991年7月第一台机组发电,199

6、2年12月基本完工。水库自1992年7月起发现有3040L/s漏水,以后呈逐年增加趋势,1994年8月渗流量为970L/s,1997年9月达到1600L/s,1999年7月测得渗流量为2500L/s以上,渗漏十分严重,为同类工程所罕见。对此,各级政府高度重视,积极对株树桥水库进行查漏处理。从1996年1月至1999年7月先后委托多家科研、设计、高等院校等单位,用不同的检测手段、方法进行查漏,并进行尝试性水下堵漏。直至1999年11月,经水下电视检测,才发现大坝少数混凝土面板已受到严重损坏,在此种情况下,决定放空水库,对大坝进行紧急处理。至2000年4月,水库渗漏紧急处理工程第一阶段任务收稿日期

7、:2001 09 18作者简介:刘庶华(1945!,男,湖南醴陵人,教授级高工,从事水电工程设计、科研工作;何国连(1959!,男,湖南浏阳人,高级工程师,从事水电工程设计、管理工作65水力发电2003年第29卷第2期基本完成。2000年4月25日水库恢复蓄水,当年最高水位为151 67m;2000年7月2日测得相应大坝渗流量9 4L/s 。而2001年7月7日(多云水位为153 23m 时,渗漏流量为29 0L/s 。工程处理第二阶段项目暂未进行。1 2 大坝设计概况1 2 1 大坝结构上游坝体采用新鲜石灰岩填筑,坝坡为1#1 4;下游采用部分风化板岩代替料,坝坡为1#1 7,底部采用灰岩大

8、块棱体,坝坡为1#1 174。大坝基本剖面及坝体堆石分区见图1 。图1 大坝基本剖面1 2 2 趾板、面板与止水趾板厚0 6m,宽按1/5水头取3 55m,伸缩缝间距12m,缝间设止水。采用R200混凝土,抗渗标号S8,顶部按0 4%设单层双向钢筋,与面板接缝处局部加强配筋。趾板下部的截水墙采用R100号混凝土回填,深为25m,局部达7m,墙厚12m,墙顶冲毛并设止水。面板由坝体垫层坡面上的面板和两岸沟坡削挖后的风化板岩坡面上的贴坡面板!连接板组成,共22块,宽12m 的16块,9m 的4块,另两块为非标准块。面板总面积2 35万m 2,其中两岸连接板5800m 2。面板厚度在顶部高程167m

9、 处为0 3m,渐变至高程97 81m 处及其以下为0 5m,面板最大斜长127 28m 。采用单层双向配筋,纵向按0 4%,横向按0 35%,钢筋设在截面中间,接缝周边设有加强钢筋,含钢量79 7kg/m 3。面板混凝土标号R200号,抗渗标号S8,抗冻标号D50。周边缝设有3道止水,A 型缝设2道止水,B 型缝设1道止水,坝顶缝及坝端缝设2道止水。1 2 3 基础处理趾板基础挖至微风化层下部;两岸截水墙挖至弱风化岩层。对于通过趾板的断层,一般均在断层表面进行凿槽回填混凝土处理。对于坝前F 33断层,河床部位表层进行槽挖,底部用0 61 0m 厚混凝土塞回填,其上部2 4m 回填砂砾石粘土,

10、回填标准要求达到砂砾石含量为30%50%,干容重18kN/m 3,内磨擦角 >32,渗透系数K =10-310-4。回填砂砾石粘土之上,与坝前粘土铺盖连接。F 33断层延伸至两岸的部分未做处理。1 2 4 基础灌浆趾板基础设置了锚筋与基岩锚固,并进行了固结灌浆。 趾板以下的基岩进行了帷幕灌浆。灌浆孔深达相对不透水线以下。1 3 大坝施工概况混凝土面板质量优良,裂缝控制较为理想。在面板浇筑过程中及其以后的大坝运行中,经多次检查,直至1999年2月以前,面板上未发现需处理的(缝宽大于0 2mm裂缝。施工中存在的问题主要有:(1过渡料不合格。过渡层大部分用的是主堆石料中较小细料,建筑层厚亦与主

11、堆石层相同,虽然在施工中增加了碾压遍数和集中击锤,但因其颗粒级配未达到设计要求,仍不能满足垫层、过渡层、主堆石的水力过渡条件。(2垫层料中小于5mm 颗粒含量偏小,渗透系数偏大。经对垫层取样进行的43次的检测,垫层中小于5mm 颗粒含量平均为25 4%,低于设计要求30%左右的指标。经对垫层进行的7组(数量偏少渗透系数检测成果的分析,其渗透系数平均为6 18%10-2,大于设计值。2 大坝面板破坏情况2 1 面板塌陷断裂放空水库后,发现已有面板破坏,其中L 1、L 9、L 10三块面板塌陷断裂尤为严重(见图24。图2 L 1面板凿除塌陷部分后的面貌图3 L 9、L 10面板塌陷全貌(1L 1面

12、板。它在高程128131m 范围有塌陷,塌陷深1020cm 。其左侧与L 0面板(系贴坡面板有相对沉降,最大值约15cm 。其沿左侧周边缝水平向0 81 1m 范围内混凝土断裂,高程121113m 间面板顺左侧周边缝塌陷。66水力发电2003年第29卷第2期 图4 L 8与L 9之间的面板跌坎(2L 9面板。L 9面板高程108114m 最大塌陷深度(法向为55cm;高程100106m,L 9与L 10的垂直缝处最大塌陷深度(法向达84cm 。在108m 高程以下,L 9面板右侧被裂缝断裂成碎块,形成了较大的漏水通道。L 8与L 9间有明显的跌坎,最大高差为42cm 。(3L 10面板。L 1

13、0面板左侧在117 3m 高程以下沿垂直缝及底周边缝左侧塌陷,最大深度达84cm,面板被众多裂缝切割成碎块,遭严重破坏。2 2 面板裂缝面板裂缝密集区有2处,分别位于L 1面板下部周边缝附近和L 9L 12面板底周边缝附近,形成了主要的漏水通道。在L 4L 12面板上部高程149155m 有一组水平向裂缝,该组裂缝两端L 1L 3和L 13L 15转向坝顶发展。2000年2月超声检测共测试面板19块,裂缝316条,其中经超声检测判断为贯穿裂缝的共90条。2 3 止水结构破坏由于L 1、L 9、L 10等面板的严重塌陷断裂,L 1侧周边缝,L 9、L 10底周边缝,L 8/L 9、L 9/L 1

14、0垂直缝等部位的止水结构受到破坏,主要表现为中间橡胶止水被撕裂、错位,底部铜止水被拉直、拉裂,甚至拉断,铜止水底部PVC 垫片被破坏,止水砂浆基础被破坏。2 4 面板架空及垫层料细颗粒流失凡面板已破坏的部分,面板架空严重,塌陷断裂区域及其周边均存在不同程度的架空,最大架空高度130cm 。经测试,在面板破坏区垫层料细颗粒流失严重,最大干密度为1 99kg/m 3,最小仅有1 54kg/m 3;垫层料中小于5mm 的颗粒含量小于30%,其中含量最大的为28 3%,最小的仅10 3%。3 大坝渗漏原因初步分析3 1 大坝变形导致止水破坏是大坝渗漏的基本原因(1根据检查、检测的资料分析,因地质原因而

15、引起的大坝渗漏的可能性可以排除。放空水库后对趾板及其建基面的检测,没有发现L 9L 12几块趾板与基岩接触面有淘刷现象;在大坝右岸靠河床部分有F 121、F 112、F 123等几条跨趾板通向坝体的小断层,在大坝渗漏原因分析中,曾把这几条断层可能的渗透破坏作为主要原因之一,但据现场观察,这几条小断层的混凝土塞周围没有发现孔洞等漏水通道,初步判断没有发生渗透破坏。(2从水库放空以后的情况可以看出,面板破坏的位置有一定的规律,基本上都处于两岸连接带,主要为L 1、L 9、L 10;中间的面板则基本完好。通过这一现象,可以排除施工缺陷引起大坝渗漏的可能性。(3大坝有较大的沉降变形。这种变形主要发生在

16、次堆石区(强风化岩石,但这种变形不足以使面板产生很大的变形而破坏。而原型观测资料表明,面板与两岸连接的测点J 2、J 3、J 7变位一直比较大,1998、1999年有剧增的记录。L 11面板底部周边缝上J 2测点的顺坡切向位移达到26 7mm,正说明面板的止水破坏是由于大坝变形引起的。(4面板L 9、L 10的止水破坏,与地形条件有密切关系。这两块面板位于主河床右岸边缘,是右岸山坡与河谷连接的重要板块。面板L 9的趾板在平面上是拐弯点,在立面上也是拐弯点,因而不均匀变形是很可能发生的;L 10面板趾板完全在一斜坡上,也可能发生较大变形。这也正是在1996年初物探检测时发现面板L 10下是一渗漏

17、通道,有一种意见认为是L 9或L 10周边缝止水破坏引起的,而不是地质问题的分析依据。从渗漏抢险处理施工中揭开的面板L 9、L 10周边缝止水破坏情况更能证明这点:L 9、L 10止水破坏有明显的规律,两块面板止水破坏严重,而L 9更为严重。L 10面板止水越靠近河床破坏越严重,底部铜止水破坏,自拐角点(靠河床方向起01 4m,铜止水被纵向拉断; 42 5m 铜止水被拉直,贴于趾板上;2 53 6m 铜止水被拉裂。(5L 1面板的止水破坏,更直观地表明了左岸山体(贴坡面板与大坝填筑之间变形过大使止水破坏,导致大坝渗漏的结果。只是检测过程中,一直未先查到其明显的迹象。(6导致大坝相对于两岸岩体之

18、间出现较大的变形,存在两个方面的可能性:一是填筑体变形量较大,二是两岸贴坡面板与大坝填筑体缺乏变形渐变过渡段。据初步分析,此两种可能性同时存在。原大坝应力分析就提示过,要注意大坝坝肩变形,但限于经验,实践中并未对此采取有效的相应措施。3 2 未能对大坝渗漏及时进行处理是面板破坏的重要因素从对大坝的整个检查、检测过程可以推断,大坝面板的较大破坏发生在1999年7月以后。因为从1996年1月起,各种检测基本没有中断,1999年7月的一次检测也未发现面板破坏。直到1999年11月水下电视检测才首次发现一些面板破坏的疑点。如果认定1992年大坝渗漏为3040L/s 是其渗漏的开始时间,可以估计,从开始

19、渗漏至面板被破坏,经历了7年以上的时间。在这漫长的时间内渗漏没有得到有效控制,主要原因是缺乏对混凝土面板堆石坝渗漏处理的经验和技术,也67刘庶华,等:株树桥水库大坝渗漏原因初步分析缺乏水库简单易行的放空条件。该段时间内,大坝的止水破坏导致大坝面板的破坏,是量变到质变的过程:止水破坏后,在长期的高水头作用下,垫层遭到渗透破坏,垫层料发生渗透流失,进而使面板与垫层脱空,周边缝变形进一步发展,止水破坏范围进一步扩大,渗漏量不断增加。大坝渗漏至此进入恶性循环,最终使大坝面板断裂、塌陷。如能及时对渗漏进行有效处理,大坝面板免受破坏是完全可能的。3 3 防渗体系中的薄弱环节是面板破坏不可忽视的因素从对大坝

20、的检查、检测可以看出,大坝防渗体系中存着在不少薄弱环节,这亦是大坝破坏不可忽视的因素。包括:垫层料小于5mm颗粒含量偏低,过渡料不够标准,不能对垫层起反滤保护;分缝止水结构,表层基本不起作用,中部PVC 可伸长长度十分有限等等。如果没有这些薄弱环节的存在,面板破坏的时间至少可以得到延缓。3 4 垫层渗透变形不是止水破坏的主要原因(1如前所述,水库放空检查排除了基础渗漏的可能性。基础不可能有较大的渗漏,与本工程的地层岩性及地质构造有关。本工程区域出露同一地层,岩性单一,为前震旦系冷家溪群娟云母砂质板岩,岩性较坚硬坚硬。坝址区为横向河谷,岩层走向与流向近于直交。坝轴线上下游岩层呈单斜状倾向上游,产

21、状为N3050E,SE3565,较稳定,岩层层面有利于坝基防渗。工程施工基础处理达到设计要求。在1997年钻孔检测中,尽管发现有基础透水率大于3Lu的孔段,但检测结论仍然认为,基础渗漏不是主要途径,其渗漏量为0 43L/s仅占当时总渗量1300L/s的万分之三。(2从大坝面板周边缝止水破坏情况可以发现,L1面板止水破坏高程为128129m,L9、L10面板止水破坏高程为100m及其以上。而在河床中的几块面板(L2L7,是基础底高程最底(93 0m、面板长度最长的几块,如果是垫层渗透变形产生止水破坏,这些面板应更为明显,但事实相反,这些面板完好无损。(3大坝原型观测原有5个渗压仪,由于施工中损坏

22、及电缆被盗等原因,有4个不能投入观测。剩下一个仪器观测到1991年3月止。(当时大坝渗漏量在30L/s以下如用这样一个点的个别数据去推断整个大坝垫层的情况,必然会产生片面性。4 几个值得探讨的问题以上对株树桥水库大坝渗漏原因的分析是初步的,但从中吸取的经验教训却是深刻的。也说明,我们需对混凝土面板堆石坝的设计、施工等进行必要的探讨。4 1 关于大坝坝肩变形从株树桥水库及其他一些同类工程大坝坝肩变形的情况看,其数值是比较大的。这比原用理论计算的数值及实践经验估计的数值都大,这也是大坝渗漏的基本原因。因此,在理论分析时如何使其结果更接近实际,是一个重要的研究课题。主要是研究如何使计算的边界条件更接近实际。在设计中如何充分考虑大坝坝肩变形,采取必要的工程措施与之相适应,亦是另一重要课题。施工中,采取较好的施工工艺及质量控制办法,保证设计要求准确实施,不可忽视。重视坝肩变形的观测,为理论研究、工程管理提供科学依据,是必须加强的另一个方面。作为一种特例,大坝两岸的贴坡面板(连接板对坝肩变形所带来的影响如何,值得深入探讨。如连接板下的排水系统,水经坝肩垫层区排向下游,其对垫层区稳定的影响如何,值得研究。4 2 水库放空条件的重要性对株树桥水库大坝的渗漏检测、处理很长时间都是在水下进行的,其主要是水库