1、文章編號:0559 9342(200302 0065 04株樹橋水庫大壩滲漏原因初步分析劉庶華1,何國連2(1 湖南省水利水電勘測設計研究總院,湖南長沙 410007;2 株樹橋水庫管理局,湖南瀏陽 410302關鍵詞:大壩滲漏;大壩變形;墊層料;過渡料;面板堆石壩;株樹橋水庫摘 要:株樹橋水庫屬我國第一批混凝土面板堆石壩工程。大壩自1992年7月起發現有漏水,以后呈逐年增加趨勢,1999年7月達到2500L/s,為同類工程所罕見。為此,對株樹橋水庫大壩滲漏原因做了初步分析,認為大壩與兩岸巖體相對變形導致止水破壞是大壩面板破壞的基本原因,并由此對混凝土面板堆石壩的設計、施工等方面提出了一些值得

2、探討的問題。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.中圖分類號:TV698 2 文獻標識碼:B1 工程概況1 1 工程基本情況株樹橋水庫位于湖南省瀏陽河南源小溪河下游,距長沙市90k m,水庫大壩為混凝土面板堆石壩,壩高78m,總庫容2 78億m3,是瀏陽河 龍頭水庫。屬我國第一批混凝土面板堆石壩工程。工程于1988年8月截流,1990年11月下閘蓄水,1991年7月第一臺機組發電,199

6、2年12月基本完工。水庫自1992年7月起發現有3040L/s漏水,以后呈逐年增加趨勢,1994年8月滲流量為970L/s,1997年9月達到1600L/s,1999年7月測得滲流量為2500L/s以上,滲漏十分嚴重,為同類工程所罕見。對此,各級政府高度重視,積極對株樹橋水庫進行查漏處理。從1996年1月至1999年7月先后委托多家科研、設計、高等院校等單位,用不同的檢測手段、方法進行查漏,并進行嘗試性水下堵漏。直至1999年11月,經水下電視檢測,才發現大壩少數混凝土面板已受到嚴重損壞,在此種情況下,決定放空水庫,對大壩進行緊急處理。至2000年4月,水庫滲漏緊急處理工程第一階段任務收稿日期

7、:2001 09 18作者簡介:劉庶華(1945!,男,湖南醴陵人,教授級高工,從事水電工程設計、科研工作;何國連(1959!,男,湖南瀏陽人,高級工程師,從事水電工程設計、管理工作65水力發電2003年第29卷第2期基本完成。2000年4月25日水庫恢復蓄水,當年最高水位為151 67m;2000年7月2日測得相應大壩滲流量9 4L/s 。而2001年7月7日(多云水位為153 23m 時,滲漏流量為29 0L/s 。工程處理第二階段項目暫未進行。1 2 大壩設計概況1 2 1 大壩結構上游壩體采用新鮮石灰巖填筑,壩坡為1#1 4;下游采用部分風化板巖代替料,壩坡為1#1 7,底部采用灰巖大

8、塊棱體,壩坡為1#1 174。大壩基本剖面及壩體堆石分區見圖1 。圖1 大壩基本剖面1 2 2 趾板、面板與止水趾板厚0 6m,寬按1/5水頭取3 55m,伸縮縫間距12m,縫間設止水。采用R200混凝土,抗滲標號S8,頂部按0 4%設單層雙向鋼筋,與面板接縫處局部加強配筋。趾板下部的截水墻采用R100號混凝土回填,深為25m,局部達7m,墻厚12m,墻頂沖毛并設止水。面板由壩體墊層坡面上的面板和兩岸溝坡削挖后的風化板巖坡面上的貼坡面板!連接板組成,共22塊,寬12m 的16塊,9m 的4塊,另兩塊為非標準塊。面板總面積2 35萬m 2,其中兩岸連接板5800m 2。面板厚度在頂部高程167m

9、 處為0 3m,漸變至高程97 81m 處及其以下為0 5m,面板最大斜長127 28m 。采用單層雙向配筋,縱向按0 4%,橫向按0 35%,鋼筋設在截面中間,接縫周邊設有加強鋼筋,含鋼量79 7kg/m 3。面板混凝土標號R200號,抗滲標號S8,抗凍標號D50。周邊縫設有3道止水,A 型縫設2道止水,B 型縫設1道止水,壩頂縫及壩端縫設2道止水。1 2 3 基礎處理趾板基礎挖至微風化層下部;兩岸截水墻挖至弱風化巖層。對于通過趾板的斷層,一般均在斷層表面進行鑿槽回填混凝土處理。對于壩前F 33斷層,河床部位表層進行槽挖,底部用0 61 0m 厚混凝土塞回填,其上部2 4m 回填砂礫石粘土,

10、回填標準要求達到砂礫石含量為30%50%,干容重18kN/m 3,內磨擦角 >32,滲透系數K =10-310-4。回填砂礫石粘土之上,與壩前粘土鋪蓋連接。F 33斷層延伸至兩岸的部分未做處理。1 2 4 基礎灌漿趾板基礎設置了錨筋與基巖錨固,并進行了固結灌漿。 趾板以下的基巖進行了帷幕灌漿。灌漿孔深達相對不透水線以下。1 3 大壩施工概況混凝土面板質量優良,裂縫控制較為理想。在面板澆筑過程中及其以后的大壩運行中,經多次檢查,直至1999年2月以前,面板上未發現需處理的(縫寬大于0 2mm裂縫。施工中存在的問題主要有:(1過渡料不合格。過渡層大部分用的是主堆石料中較小細料,建筑層厚亦與主

11、堆石層相同,雖然在施工中增加了碾壓遍數和集中擊錘,但因其顆粒級配未達到設計要求,仍不能滿足墊層、過渡層、主堆石的水力過渡條件。(2墊層料中小于5mm 顆粒含量偏小,滲透系數偏大。經對墊層取樣進行的43次的檢測,墊層中小于5mm 顆粒含量平均為25 4%,低于設計要求30%左右的指標。經對墊層進行的7組(數量偏少滲透系數檢測成果的分析,其滲透系數平均為6 18%10-2,大于設計值。2 大壩面板破壞情況2 1 面板塌陷斷裂放空水庫后,發現已有面板破壞,其中L 1、L 9、L 10三塊面板塌陷斷裂尤為嚴重(見圖24。圖2 L 1面板鑿除塌陷部分后的面貌圖3 L 9、L 10面板塌陷全貌(1L 1面

12、板。它在高程128131m 范圍有塌陷,塌陷深1020cm 。其左側與L 0面板(系貼坡面板有相對沉降,最大值約15cm 。其沿左側周邊縫水平向0 81 1m 范圍內混凝土斷裂,高程121113m 間面板順左側周邊縫塌陷。66水力發電2003年第29卷第2期 圖4 L 8與L 9之間的面板跌坎(2L 9面板。L 9面板高程108114m 最大塌陷深度(法向為55cm;高程100106m,L 9與L 10的垂直縫處最大塌陷深度(法向達84cm 。在108m 高程以下,L 9面板右側被裂縫斷裂成碎塊,形成了較大的漏水通道。L 8與L 9間有明顯的跌坎,最大高差為42cm 。(3L 10面板。L 1

13、0面板左側在117 3m 高程以下沿垂直縫及底周邊縫左側塌陷,最大深度達84cm,面板被眾多裂縫切割成碎塊,遭嚴重破壞。2 2 面板裂縫面板裂縫密集區有2處,分別位于L 1面板下部周邊縫附近和L 9L 12面板底周邊縫附近,形成了主要的漏水通道。在L 4L 12面板上部高程149155m 有一組水平向裂縫,該組裂縫兩端L 1L 3和L 13L 15轉向壩頂發展。2000年2月超聲檢測共測試面板19塊,裂縫316條,其中經超聲檢測判斷為貫穿裂縫的共90條。2 3 止水結構破壞由于L 1、L 9、L 10等面板的嚴重塌陷斷裂,L 1側周邊縫,L 9、L 10底周邊縫,L 8/L 9、L 9/L 1

14、0垂直縫等部位的止水結構受到破壞,主要表現為中間橡膠止水被撕裂、錯位,底部銅止水被拉直、拉裂,甚至拉斷,銅止水底部PVC 墊片被破壞,止水砂漿基礎被破壞。2 4 面板架空及墊層料細顆粒流失凡面板已破壞的部分,面板架空嚴重,塌陷斷裂區域及其周邊均存在不同程度的架空,最大架空高度130cm 。經測試,在面板破壞區墊層料細顆粒流失嚴重,最大干密度為1 99kg/m 3,最小僅有1 54kg/m 3;墊層料中小于5mm 的顆粒含量小于30%,其中含量最大的為28 3%,最小的僅10 3%。3 大壩滲漏原因初步分析3 1 大壩變形導致止水破壞是大壩滲漏的基本原因(1根據檢查、檢測的資料分析,因地質原因而

15、引起的大壩滲漏的可能性可以排除。放空水庫后對趾板及其建基面的檢測,沒有發現L 9L 12幾塊趾板與基巖接觸面有淘刷現象;在大壩右岸靠河床部分有F 121、F 112、F 123等幾條跨趾板通向壩體的小斷層,在大壩滲漏原因分析中,曾把這幾條斷層可能的滲透破壞作為主要原因之一,但據現場觀察,這幾條小斷層的混凝土塞周圍沒有發現孔洞等漏水通道,初步判斷沒有發生滲透破壞。(2從水庫放空以后的情況可以看出,面板破壞的位置有一定的規律,基本上都處于兩岸連接帶,主要為L 1、L 9、L 10;中間的面板則基本完好。通過這一現象,可以排除施工缺陷引起大壩滲漏的可能性。(3大壩有較大的沉降變形。這種變形主要發生在

16、次堆石區(強風化巖石,但這種變形不足以使面板產生很大的變形而破壞。而原型觀測資料表明,面板與兩岸連接的測點J 2、J 3、J 7變位一直比較大,1998、1999年有劇增的記錄。L 11面板底部周邊縫上J 2測點的順坡切向位移達到26 7mm,正說明面板的止水破壞是由于大壩變形引起的。(4面板L 9、L 10的止水破壞,與地形條件有密切關系。這兩塊面板位于主河床右岸邊緣,是右岸山坡與河谷連接的重要板塊。面板L 9的趾板在平面上是拐彎點,在立面上也是拐彎點,因而不均勻變形是很可能發生的;L 10面板趾板完全在一斜坡上,也可能發生較大變形。這也正是在1996年初物探檢測時發現面板L 10下是一滲漏

17、通道,有一種意見認為是L 9或L 10周邊縫止水破壞引起的,而不是地質問題的分析依據。從滲漏搶險處理施工中揭開的面板L 9、L 10周邊縫止水破壞情況更能證明這點:L 9、L 10止水破壞有明顯的規律,兩塊面板止水破壞嚴重,而L 9更為嚴重。L 10面板止水越靠近河床破壞越嚴重,底部銅止水破壞,自拐角點(靠河床方向起01 4m,銅止水被縱向拉斷; 42 5m 銅止水被拉直,貼于趾板上;2 53 6m 銅止水被拉裂。(5L 1面板的止水破壞,更直觀地表明了左岸山體(貼坡面板與大壩填筑之間變形過大使止水破壞,導致大壩滲漏的結果。只是檢測過程中,一直未先查到其明顯的跡象。(6導致大壩相對于兩岸巖體之

18、間出現較大的變形,存在兩個方面的可能性:一是填筑體變形量較大,二是兩岸貼坡面板與大壩填筑體缺乏變形漸變過渡段。據初步分析,此兩種可能性同時存在。原大壩應力分析就提示過,要注意大壩壩肩變形,但限于經驗,實踐中并未對此采取有效的相應措施。3 2 未能對大壩滲漏及時進行處理是面板破壞的重要因素從對大壩的整個檢查、檢測過程可以推斷,大壩面板的較大破壞發生在1999年7月以后。因為從1996年1月起,各種檢測基本沒有中斷,1999年7月的一次檢測也未發現面板破壞。直到1999年11月水下電視檢測才首次發現一些面板破壞的疑點。如果認定1992年大壩滲漏為3040L/s 是其滲漏的開始時間,可以估計,從開始

19、滲漏至面板被破壞,經歷了7年以上的時間。在這漫長的時間內滲漏沒有得到有效控制,主要原因是缺乏對混凝土面板堆石壩滲漏處理的經驗和技術,也67劉庶華,等:株樹橋水庫大壩滲漏原因初步分析缺乏水庫簡單易行的放空條件。該段時間內,大壩的止水破壞導致大壩面板的破壞,是量變到質變的過程:止水破壞后,在長期的高水頭作用下,墊層遭到滲透破壞,墊層料發生滲透流失,進而使面板與墊層脫空,周邊縫變形進一步發展,止水破壞范圍進一步擴大,滲漏量不斷增加。大壩滲漏至此進入惡性循環,最終使大壩面板斷裂、塌陷。如能及時對滲漏進行有效處理,大壩面板免受破壞是完全可能的。3 3 防滲體系中的薄弱環節是面板破壞不可忽視的因素從對大壩

20、的檢查、檢測可以看出,大壩防滲體系中存著在不少薄弱環節,這亦是大壩破壞不可忽視的因素。包括:墊層料小于5mm顆粒含量偏低,過渡料不夠標準,不能對墊層起反濾保護;分縫止水結構,表層基本不起作用,中部PVC 可伸長長度十分有限等等。如果沒有這些薄弱環節的存在,面板破壞的時間至少可以得到延緩。3 4 墊層滲透變形不是止水破壞的主要原因(1如前所述,水庫放空檢查排除了基礎滲漏的可能性。基礎不可能有較大的滲漏,與本工程的地層巖性及地質構造有關。本工程區域出露同一地層,巖性單一,為前震旦系冷家溪群娟云母砂質板巖,巖性較堅硬堅硬。壩址區為橫向河谷,巖層走向與流向近于直交。壩軸線上下游巖層呈單斜狀傾向上游,產

21、狀為N3050E,SE3565,較穩定,巖層層面有利于壩基防滲。工程施工基礎處理達到設計要求。在1997年鉆孔檢測中,盡管發現有基礎透水率大于3Lu的孔段,但檢測結論仍然認為,基礎滲漏不是主要途徑,其滲漏量為0 43L/s僅占當時總滲量1300L/s的萬分之三。(2從大壩面板周邊縫止水破壞情況可以發現,L1面板止水破壞高程為128129m,L9、L10面板止水破壞高程為100m及其以上。而在河床中的幾塊面板(L2L7,是基礎底高程最底(93 0m、面板長度最長的幾塊,如果是墊層滲透變形產生止水破壞,這些面板應更為明顯,但事實相反,這些面板完好無損。(3大壩原型觀測原有5個滲壓儀,由于施工中損壞

22、及電纜被盜等原因,有4個不能投入觀測。剩下一個儀器觀測到1991年3月止。(當時大壩滲漏量在30L/s以下如用這樣一個點的個別數據去推斷整個大壩墊層的情況,必然會產生片面性。4 幾個值得探討的問題以上對株樹橋水庫大壩滲漏原因的分析是初步的,但從中吸取的經驗教訓卻是深刻的。也說明,我們需對混凝土面板堆石壩的設計、施工等進行必要的探討。4 1 關于大壩壩肩變形從株樹橋水庫及其他一些同類工程大壩壩肩變形的情況看,其數值是比較大的。這比原用理論計算的數值及實踐經驗估計的數值都大,這也是大壩滲漏的基本原因。因此,在理論分析時如何使其結果更接近實際,是一個重要的研究課題。主要是研究如何使計算的邊界條件更接近實際。在設計中如何充分考慮大壩壩肩變形,采取必要的工程措施與之相適應,亦是另一重要課題。施工中,采取較好的施工工藝及質量控制辦法,保證設計要求準確實施,不可忽視。重視壩肩變形的觀測,為理論研究、工程管理提供科學依據,是必須加強的另一個方面。作為一種特例,大壩兩岸的貼坡面板(連接板對壩肩變形所帶來的影響如何,值得深入探討。如連接板下的排水系統,水經壩肩墊層區排向下游,其對墊層區穩定的影響如何,值得研究。4 2 水庫放空條件的重要性對株樹橋水庫大壩的滲漏檢測、處理很長時間都是在水下進行的,其主要是水庫