岳城水库大副坝下游排水问题的处理

岳城水库大副坝下游排水问题的处理

岳城水库位于河北省磁县。这是张河的控制工程，总面积为13.0亿3m。水库自1961年投入运行以来,在防洪、灌溉和供水方面发挥了巨大的经济效益和社会效益。大副坝位于主坝和溢洪道左侧,全长1439m,最大坝高32.5m,原为均质土坝。自1963年至本次处理前,当库水位超过140.0m时,大副坝下游便出现涌沙。1977年以后,多次在下游采取增挖排水沟,用反滤料封堵检查井等工程措施,虽然取得一定效果,但是险情未得到根本治理。1996年汛后,在坝体中段横向排水管出口及排水明沟底部多处出现涌沙并伴有浑水流出。经水利部批准,拟在上游坝坡建造一道塑性混凝土防渗墙,从上游截断坝基渗流通道,改变坝体和坝基渗流场。1水库的地理位置1.1工程地质及水文地质条件大副坝坝基除地表分布1～3m的第四系黄土状亚粘土外,主要坐落在新第三系(N2)地层上,较老的基岩埋藏在100～120m以下。新第三系地层自下而上分为三大层:第一层(N2-1):以粗、中砂砾石为主,部分钙质胶结成岩,夹亚砂土、亚粘土薄层,总厚度40～50m,不整合沉积于三迭系砂页岩上。砂、砾胶结程度不均,在砂与砂砾之间夹有较稳定的亚砂土、亚粘土层,因而形成局部地下水承压现象。第二层(N2-2):主要为粘土、亚粘土及其互层,偶夹中细砂,亚砂土互层。粘性土较为坚硬、密实,局部含塑性粘土;土层间有绿色斑点及钙质结核。本层厚度较稳定,一般5～10m,构成大副坝较稳定的隔水层。该层是防渗墙的主要基底层。第三层(N2-3):岩性及颗粒组成变化较大,以中、细砂为主,夹有砂砾、粘土、亚粘土薄层透镜体。部分地段砂与砂砾钙质胶结成岩。总厚度在坝基范围内为20～55m。由于夹有粘性土,局部地段地下水具有承压性。本层为大副坝主要持力层和坝基渗透层。大副坝坝基下的粘土、亚粘土、亚砂土、砂及第四系黄土状亚粘土,物理力学参数及水理性质如表1。钙质胶结成岩的砂岩、砂砾岩的强度达20～30MPa。1.2第三系水质、承压水水质特点据地下水埋藏条件,坝区地下水可分为潜水和承压水两种。潜水分布在第三系、第四系表部岩层中,属孔隙潜水。第四系潜水埋藏于河床及阶地底部砂砾石中,第三系潜水赋存于新第三系N2-3层顶部砂、砂砾石及砂砾岩中,两者互相连通。大坝兴建前分布高程与原地形基本相符,约119m,水库蓄水后与库水位同幅变化。承压水均埋藏在新第三系岩层中,多以层间承压水或层间水出现。建库前新第三系N2-3层在N2-2层的隔水作用下,地下水位在111.0m左右,均未超过潜水高程;水库蓄水后承压水位随库水位变化十分灵敏。当N2-3地层中有较厚且延伸面较宽的粘性土层时,库内地段地下水均表现承压性。2坝下纵向排水暗沟鉴于大副坝坝基新第三系砂(N2-3)比较密实,渗透系数为10-3～10-4cm/s,因此建库时,上游未采取防渗措施。但大副坝右段紧靠溢洪道进口,基于溢洪道进口闸的稳定需要,闸室上游做了一定长度的铺盖。其中人工碾压铺盖的上游边界大致相当于大副坝桩号0+270,天然黄土铺盖上游边界大致相当于大副坝桩号0+350。溢洪道进口铺盖对减小大副坝右端绕渗有一定的作用。大副坝下游设有厚度2～4m的砂砾褥垫及纵向排水暗沟,以控制坝体浸润线及坝基渗水。排水暗沟距坝轴线约67m,排水沟从原地面挖深4～6m,最深达6.4m,底宽3.5m。桩号0+030～1+305,共长1275m,沟内设有排水管。桩号0+400～1+200,每100m设一检查井。由于坝基地形两端高、中间低,故纵向排水暗沟(管)的渗水均向中间(桩号0+850)汇集,由桩号0+850横向排水管排入香水河。1977年在坝下公路下游侧从桩号0+550～1+200新挖一条纵向排水明沟,为将渗水分段导入明沟,在桩号0+600,0+700,0+800,0+940,1+000,1+100增设了6条横向排水暗管。由于大副坝上游无防渗措施,使坝内纵向排水暗管和坝基坡脚部位出逸比降偏大。实际观测资料表明,库水位148.0m时,桩号1+000排水暗管处的平均比降达0.484,远大于砂砾料的允许比降0.07～0.1,也大于新第三系砂的允许比降0.4。渗流计算结果表明,新第三系砂的最大渗透比降发生在砂层与暗沟底部的上游交点处,库水位157.4m(设计水位)时为1.066,库水位149.0m时为0.79。加之排水暗管周围反滤料偏粗,施工质量不良,横向排水暗管破损,故当库水位超过140.0m时,横向排水管即出现涌沙现象。3防渗墙渗流方案分析初步设计曾比较了“上游增设防渗墙,下游改建排水系统”及“下游重建排水系统”两个处理方案,在技术上都是可行的。后一方案施工排水较为困难,水下填筑反滤料施工质量难以保证,而前一方案可从根本上截断坝基渗流,改善坝体和坝基渗流场,对保护坝基新第三纪砂的渗透稳定更为有利。工程投资方面,虽然防渗墙方案土建费用较多,但该方案施工期基本不影响水库的正常蓄水运用,且相应配套的下游排水系统改建已在1997年汛前完成。而重建下游排水系统方案,施工期库水位需降得很低,水量损失较多。综合比较后,设计推荐采用上游增建塑性混凝土防渗墙,下游改建排水系统的方案。3.1坝体防渗结构渗流分析防渗墙平面布置曾比较了在上游坝坡上建墙和在坝顶中心线处建墙两个方案。上游坝坡上建墙造孔面积及深度可减少,投资较省,工期较短,但施工时需建临时施工平台,同时施工期存在度汛安全问题。在坝顶中心线处建墙可避免上述问题,但增加了造孔深度及桩头处理工程量,同时也需加宽坝顶公路宽度形成施工平台。比较结果认为在上游坝坡建墙较为有利。此外,防渗墙轴线布置还考虑了墙体插入坝体长度、墙顶防渗土体厚度、施工平台布置等多种因素。防渗墙轴线右端起始桩号0+250,左端终止桩号1+220,轴线在平面上为折线,轴线长度992m。右端桩号的确定主要是因右坝端上游可借助溢洪道进口铺盖的防渗作用。水利部大坝安全监测中心1991年7月提出的《岳城水库主、副坝渗流观测资料分析与应用》报告中,绘制了1982年10月15日库水位148.32m时大副坝坝基等水位线图,从图中可看出右坝头渗流主要入渗范围在桩号0+250以左,渗流的一部分流向排水暗沟及排水明沟。右坝肩桩号1+000以左等水位线向下游弯曲,渗流中一部分流向排水暗沟及排水明沟。排水明沟左端终止桩号1+200,再往左,坝基地形抬高,坝高仅14.5m左右。经三维渗流计算,防渗墙左端终止桩号为1+220时已能满足防止坝基发生渗透变形的要求。防渗墙的立面布置曾比较了全封闭式与悬挂式两个方案。全封闭式即将防渗墙伸入新第三系粘土或亚粘土层1.0m,依靠防渗墙与相对隔水层N2-2完全截断坝基透水层。渗流计算结果表明,墙后剩余水头不足10%,排水暗沟上游侧新第三系砂及砂砾料处的渗透比降远小于允许渗透比降。悬挂式防渗墙则将墙底插入到新第三系砂层N2-3的2/3深度处。计算结果表明,悬挂式防渗墙的防渗效果不好,墙后剩余水头达60%～70%,排水暗沟上游侧新第三系砂及砂砾料接触处的渗透比降仍远大于允许比降。因此,确定采用全封闭式防渗墙方案,如图1所示。3.2墙体拉应力及耐久性分析根据我国工程实践经验,防渗墙墙体材料在设计初期仍选用C10混凝土,弹模为18000MPa。采用邓肯—张模型用有限元进行墙体结构计算,发现墙体有拉应力区,压应力超过混凝土允许值,墙体需配置钢筋。为改善墙体应力状态,拟采用塑性混凝土。有限元计算结果表明,随墙体材料弹模的降低,墙体拉应力减小直至消失,压应力减小且分布趋向均匀,但水平位移有所增加。为寻找墙的最佳受力状态,同时又保证墙体有足够的耐久性,比较了弹模1000～5000MPa几种情况。结果表明,当弹模为1000～2000MPa时,应力降幅明显,而位移值增加不多,因此,选定材料的弹模范围为1000～1500MPa。根据试验室配比试验,此时塑性混凝土的抗压强度可达到6.0MPa以上,大于墙体计算应力值。考虑到塑性混凝土后期强度增涨幅度较大,特别是有围压的情况下,σ1的允许值增幅较大,故在留有足够裕度后,选定R28≥5.5MPa,强度保证率为90%。这样既保证了墙体强度的需要,又使墙体有一定的刚度,可确保墙体的耐久性。考虑到结构计算成果可能存在的误差,为保证墙体不被拉坏或剪坏,对墙体材料的抗拉强度、极限拉伸值、抗剪强度等提出了要求。为确保防渗墙成墙后渗透系数满足设计要求,要求墙体材料的渗透系数小于10-8cm/s。3.3渗透比降的确定防渗墙的厚度一方面要控制其渗透比降,另一方面要方便施工。当防渗墙的厚度为0.8m时,其计算渗透比降为41.7,此值在塑性混凝土防渗墙允许比降之内。从我国关于塑性混凝土防渗墙耐久性的研究资料可知,塑性混凝土防渗墙的耐久性与渗透量有关,因此,严格控制渗透比降是必要的。当防渗墙厚度为0.8m时,大多数施工单位及施工设备均能施工,也有利于保证防渗墙施工质量。4排水系统的改善岳城水库大副坝涌沙问题