堤坝工程隐患检测及其除险加固技术.docx
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堤坝工程隐患检测及其除险加固技术
堤坝工程隐患检测及其除险加固技术
梁国钱,汪友平,郑敏生,陈 夷
(浙江省水利水电河口海岸研究设计院,浙江杭州 310020)
摘要:
结合当前堤坝工程存在的隐患现状,提出了隐患处理措施,对当前若干堤坝隐患探测新技术及加固处理方法的原理、适用范围及效果作了重点介绍。
关键词:
坝;隐患探测;除险加固;技术措施
中图分类号:
TV69812 文献标识码:
A 文章编号:
10082701X(2001)S020003204
1 堤坝工程隐患现状
我国病险水库数量大,比例高。
据不完全统计,全国有病险水库30392座,约占水库总数的36%;大中型水库中病险水库约占20%;小型水库中病险水库占40%以上。
我省现有大中小型水库3786座,经1998年、1999年水库普查,发现病险水库1200座,约占总数的30%。
最常见隐患主要有:
大坝渗漏、裂缝、涵管破裂、白蚁危害等,这些隐患的存在不但影响了水库防洪兴利功能,影响了其应有效益的发挥,还威胁着下游城乡人民生命和财产的安全;同样许多江堤海塘也存在着类似的隐患。
如何准确地检测隐患,消除隐患,具有极其重要的意义。
2 病险水库的主要症状及对策
211 主要病症
从我省水库安全普查结果看,病险水库的病症主要分为两大类:
(1)泄洪设施存在问题。
这类问题约占45%。
主要表现为:
溢洪道泄洪能力不足、溢洪道两侧导墙损坏、溢流堰底部漏水以及启闭机问题等;对于这一类问题由于病因较为明确,处理起来比较方便。
(2)大坝渗漏。
这类问题相对较多,约占55%。
其主要表现为:
坝体渗漏、坝基渗漏、接触渗漏、绕坝渗漏以及坝内涵管渗漏等。
由于这类问题其病因较为复杂,处理起来比较麻烦,有时技术难度较大。
在处理前先要进行病因分析和诊断,然后选择相应的加固方案。
212 对策方法
比较成熟和常用的对策方法可分为以下几类:
(1)坝体裂缝。
应根据裂缝特征,按以下原则处理。
对表面干缩裂缝以及深度小于1m的裂缝,可只进行缝口封闭处理。
对深度不大于3m的沉陷裂缝,待裂缝发展稳定后,可采用开挖回填方法处理。
对非滑动性质的深层裂缝,可采用粘土灌浆或上部开挖回填与下部灌浆相结合的方法处理。
(2)坝体渗漏。
应遵照“上截下排”的原则进行处理。
在上游坝坡采取防渗措施,堵截渗漏途径;在下游坝坡采取导渗排水措施,将坝体内的渗水导出,增强坝体稳定。
上游截渗常用方法有:
抽槽回填截渗,适用于渗漏部位明确且高程较高的均质坝和斜墙坝;铺设土工膜截渗,适用于均质坝和斜墙坝;套井回填截渗,适用于均质坝和宽心墙坝;劈裂式灌浆截渗,适用于坝体质量普遍不好,坝后坡有大面积散浸或多处明漏,问题性质和部位不能完全确定的均质坝和心墙坝。
混凝土防渗墙截渗,适用于坝高60m以内,坝身质量差、渗漏范围普遍的均质坝和心墙坝。
下游导渗排水常用方法有:
土工织物反滤层导渗;贴坡式砂石反滤层导渗;导渗沟,适用于均质坝下游坝坡散浸渗漏处理。
(3)坝基渗漏和绕坝渗漏。
应进行渗流复核计算,根据地基工程地质和水文地质资料、渗漏情况和土料资源,选择合适的处理方法。
在上游部位可采用:
加固上游粘土防渗铺盖防渗;混凝土防渗墙截渗;高压喷射灌浆截渗;帷幕灌浆防渗。
下游部位可采用导渗、压渗方法:
坝基为双层结构、坝后地基松软,根据地质情况可开挖排水明沟导渗或打设减压井;坝后土层软薄、有明显翻水冒沙及隆起现象时,应采用压渗台处理,其范围和厚度应根据渗水出露范围和渗水压力确定,可采用土料压渗台或石料压渗台。
3 隐患检测技术
堤坝隐患探测技术可分为有损探测与无损探测两大类。
有损探测即为常用的坑探、槽探、钻探等,它具有探测准确可靠的优点,但这种方法要破坏工程结构,探测范围有限和速度慢、投资大等缺点,当隐患范围广、埋藏深时将无能为力。
无损探测包括电法、弹性波法及电磁波法等,目前常用的有电阻率法(高密度电阻率法)、自然电位法、激发极化法、甚低频法、瞬态瑞利波法、探地雷达法、TDR电磁波及CT法等。
这些方法都是利用需探测对象和周围介质之间的物理性能差异,通过对比分析来判断隐患的性质、位置、范围等,以达到探测水利工程隐患的目的。
我院从80年代起,就开展了堤坝工程隐患检测的应用与研究。
最近加强了这方面的研究工作,其中《水利工程质量检测新技术及安全评估专家系统》课题被列入2001年浙江省重点科研计划项目。
现就堤坝隐患探测的几种常用方法及我院开展的一些工作予以介绍。
311 电阻率法
电阻率法通过测定坝体(或地层)的视电阻率(ρs)值,了解坝体不同部位导电性差异,根据它在空间的分布状况,推断是否存在隐患及隐患的位置及大小。
电阻率法对于探测土质堤坝中的洞穴、软弱夹层、裂缝及评价坝体填筑质量效果较好,也可作为漏水探测的辅助手段。
我院曾于1989年3月在奉化横山水库大坝上用电阻率法探测白蚁洞穴、温岭湖漫水库进行裂缝探测及坝体填筑质量评价、余杭西险大塘烂泥湾段探测堤身质量、文成百丈 水库大坝探测漏水隐患等,先后在18座水库大坝及堤塘上应用电阻率法,效果较好。
312 自然电位法
在自然条件下,岩土中存在着天然电场。
天然电场在一定范围内是均匀的,但当天然岩体中存在渗漏,水在土壤、砂砾和岩石缝隙中流动时,由于岩土表面过剩离子价键的作用,会吸引溶解在水中的异性离子附着于表面,造成流动水体中正负离子分布不均匀,从而形成“过滤电场”,使用高灵敏电压表测得的是“过滤电场”和“天然电场”叠加后的“自然电位”。
通过测量自然电位的大小及分布情况,可达到勘探的目的。
自然电位法在堤坝隐患探测中能用来进行漏水检查,或寻找断层破碎带、坝身管涌、坝基漏水、绕坝渗漏、接触渗漏等各类漏水,只要隐患处有水流动便可应用此法。
自然电位法不但可在土体中,而且也可在水中测量,不但可检查土质堤坝漏水隐患,而且还可通过水中测量检查非土质的混凝土坝、堆石坝的坝面渗漏情况。
我院曾于1989年12月在苍南桥墩水库进行水面探测,该水库大坝采用沥青混凝土防渗斜墙,出现开裂,探测证明是可行的。
从实际使用来看,应用自然电位法检查堤坝漏水隐患的效果是好的,探测深度较深。
我院曾在12个堤坝上应用,效果较好,测得的最大漏水隐患深度在20m左右。
313 激发极化法
激发极化法是用一对电极向地下供电,造成人工电场,同时测量供电极间两点的电位变化情况,观测到的地面电位“逐渐升高”或“衰减至零”时间的长短,与地质体的物理性质及含水量有关。
饱含水的岩层,含水量越高,电位升高或“衰减至零”的时间越长,水利工程上可用来探测土坝中的软弱夹层、浸润线位置及漏水部位。
314 甚低频电磁法
甚低频电磁法是利用长波电台发射的电磁波作为场源,在传播过程中,如遇到低阻体,便会极化形成涡流,涡流又会导致形成附加电场,造成原有电磁场的畸变,测量甚低频波电磁波的水平振幅、垂直振幅或极化椭圆倾向,便可发现低阻体,在堤坝隐患探测中主要用来探测坝基岩溶裂隙带,基岩破碎带,水库山体漏水,绕坝渗漏等。
315 瑞利波法(Rayleigh)
弹性体受震动时,产生两种类型的弹性波,即压缩波(P波)、剪切波(S波)。
而在弹性体半空间中,P波和S波迭加后可产生瑞利波(S波),在波表面中,瑞利波的能量占绝大多数,通过检测得到瑞利波的频散曲线利用理论反演分析得出剪切波速度,根据剪切波速度分布,可用来评价堤坝空洞软弱等质量隐患。
该法还广泛用于地质调查、地基处理效果评价等领域。
316 探地雷达法
探地雷达技术是利用向地质体中发射高频脉冲电磁波的反射信息达到探测地质问题的一种地球物理探测技术,探测深度为几m到数10m,分辨率可达cm级。
这项技术可用于工程地质、地下异物、地下洞室开挖预报探测以及工程质量检测等领域。
在水利工程中已应用到地层分层测试、地下涵洞等空腔型目标体的探测、截渗体形态及完整性测
试等。
317 层析成像CT(ComputerizedTomography)技术
CT(层析成像)是目前国际上一项先进的探测技术,涉及物理学、地球科学、计算机科学及工程技术,CT技术应用非常广泛,在水利部门中应用尚处于起步阶段。
其原理是通过两个钻孔之间(或其他手段)的激发源(声波、弹性波、电磁波)透射,接收器扫描观测,取得地下岩土介质的信息,选用适当的数学模型,利用计算机技术和重建成像技术,反演出“对象”内部未知某物理量,并生成二维、三维图像以重显“对象”的内部特征。
CT(层析成像)在水利、土工工程中应用前景非常广泛,可应用于工程地质勘探,包括建筑物造址、水利工程地质构造调查等;应用于建(构)筑物的无损检测,如混凝土钻孔灌注桩、混凝土梁板质量检测、路基“病害”探测、堤坝隐患、检测等。
地质灾害调查中,该技术对岩溶破碎带的圈定、地质滑坡体圈定、滑面的划分都将起到重要的作用。
318 TDR技术
TDR技术最初于50年代在电力和电信工业查找线路缺陷中发展起来的,它是一种广谱的远程电感应测试手段。
用在堤坝隐患探测中的基本原理,是研究土工基本参数(含水量、密度等)与TDR电性参数之间的关系,建立TDR方法的基本模型。
从不同位置向坝体发射电磁波,在不同的点上接收反射来的电磁波,建立向量阵,通过求解可得到堤坝中的裂缝、空洞、渗流等隐患的信息。
TDR是一种通过同轴电缆线工作的雷达,能够分析沿电缆各个反射点的信号,使其具有大面积监测能力,有可能取代现有的一些单点测量仪器。
4 除险加固技术
我院一直致力于病险水库除险加固技术的研究、推广和应用,几十年来,在这方面取得了一些成绩。
现将除险加固主要技术介绍如下。
411 灌浆技术
灌浆技术用于处理病险水库,可归结为3大类:
基础帷幕灌浆、坝体劈裂灌浆和混凝土建筑物裂缝灌浆。
41111 基础帷幕灌浆
它主要用来处理大坝坝基渗漏及坝基与坝体的接触渗漏问题,绝大多数水库的坝基渗漏都采用帷幕灌浆处理;在处理岩石基础渗漏时,目前帷幕灌浆是唯一的方法,其它的方法无法取代。
帷幕灌浆应根据工程的具体情况及重要程度采用不同的灌浆材料,可形成水泥灌浆帷幕、化学灌浆帷幕及水泥化学混合型的灌浆帷幕。
我院在对鄞县横溪水库的含泥砂砾石坝基处理时,由于普通水泥浆很难灌入,就采用了化学灌浆材料,形成化学灌浆帷幕,是国内首次在砂砾地基中建成的化灌防渗帷幕;象山九顷水库的坝基处理中,我院同时采用水泥、化学灌浆材料,形成了水泥化学混合型的灌浆帷幕;采用单一的水泥帷幕则更为广泛,如宁海的黄坛水库、永康上黄
水库等。
在工程应用的同时,我院对灌浆技术进行了研究。
为了了解蓄水情况下的坝基灌浆效果及灌浆技术要点,用大型砂槽模拟在蓄水状态坝基可能存在3种流速状态进行蓄水状态化学灌浆试验,历时2年多,得到了一系列在水库蓄水状态坝基灌浆技术资料,可指导实际工程的设计与施工,该成果获得了浙江省科技成果三等奖;为适应我省酸性地基的灌浆要求,利用铬盐厂废料铬渣,取代重铬酸钠研制出廉价的铬渣木素灌浆材料;我院还开展了超细水泥的可灌性模拟试验及工程应用研究,得出了超细水泥(CX型)可对≥011mm裂隙实行有效的灌注,而对于≤0105mm的裂隙已不可灌的结论,同时获得了超细水泥灌浆与普通水泥灌浆不同的施工工艺,试验中采用的平板微裂缝模型在国内属首例。
41112 坝体劈裂灌浆技术
该技术是在充填灌浆基础上发展起来的,主要用来处理均质土坝和心墙坝的坝体渗漏及坝体裂缝,可解决坝体变形稳定和渗透稳定问题,该项技术打破了传统的以渗透和充填为主的灌浆模式,通过破坏土体的原有结构,以劈裂和充填同时作用,通过“少灌多复”的工艺,使裂缝、空洞不断得到充填,浆坝反复互压,泥浆不断排水固结,形成一道或多道致密的连续泥墙壁,起到了防渗加固作用。
同时通过劈灌压实了坝体,释放了坝体拉应力,建立坝体新的应力平衡,增加坝体变形稳定和渗透稳定。
该项技术机理明确、工艺简单、造价便宜,在我省病险水库加固处理中已广泛应用,还发展了一套浅层劈裂灌浆防治白蚁侵害的方法,经省级鉴定,该工艺达国内领先水平,是目前防止白蚁侵害最理想的方法之一。
41113 水工混凝土建筑物裂缝灌浆
水库大坝、水闸、水轮机蜗壳等混凝土体由于温度、配合比不当、结构不合理、地基不均匀沉降及地震、超载等原因导致混凝土产生裂缝。
对于这些裂缝常用灌浆结合表面修补的方法来处理。
常用的灌浆材料为环氧树脂、聚氨酯、丙凝等。
如武义方坑水库大坝裂缝、金华沙畈水库大坝裂缝、新昌门溪水库发电洞裂缝都是由我院设计进行裂缝灌浆处理。
412 复合土工膜防渗技术
我院在余杭消防水库的复合土工膜防渗处理是省内复合土工膜在病险水库处理上的首次应用,其后,在被列为危险水库的乐清淡溪水库也采用复合土工膜进行防渗处理。
最近,我院设计了长堰水库复合土工膜防渗处理,土工膜连接采用热焊法,焊缝检查采用了充气法,检查效果较理想,如有漏焊或虚焊,能立即发现,可进行及时修补。
目前,复合土工膜在病险水库及堤塘加固处理中应用已日益广泛。
413 套井回填技术
套井回填技术,是我省较早使用的技术,是目前处理病险水库坝体渗漏的一种常用手段。
它是用冲抓钻造孔,粘土分层回填夯实,形成连续套接粘土防渗墙,起到截流、防渗作用,处理效果比较明显。
但套井回填对土料及其含水量要求比较严格。
目前,我省冲抓钻成孔直径有60~250cm不等,能满足不同工程的需要。
414 喷射钢纤维混凝土技术
钢纤维混凝土具有较高的抗裂、抗拉、抗弯、抗冲刷能力,体积收缩小,加上喷射工艺,喷层混凝土致密,与坝面混凝土或块石粘结强度高,可用于混凝土重力坝、面板堆石坝、拱坝、浆砌石坝面板开裂的防渗处理,溢洪道边墩开裂及溢流面混凝土开裂、剥落处理等。
1991年我院与宁波市合作在余姚市姚岭水库大坝面板的防渗处理,是国内在病险水库加固处理中首次应用该技术,其后在松阳六都源水库、余杭馒头山水库及临安青山水库等30多项工程应用都取得理想的效果。
我院的《喷射钢纤维混凝土在水利工程中的应用》项目,1998年经有关部门组织鉴定,该成果处于国内领先水平。
415 垂直铺塑料技术
垂直铺塑技术是解决土坝坝体或基础渗漏、管涌的有效方法。
它是在坝体的某一部分平行坝轴开槽,铺上土工薄膜,然后将槽回填,形成土工薄膜的垂直防渗体,达到防渗目的。
目前常用的开槽机械有3种,即刮板式、往复式和旋转式,以适应不同的条件,其中刮板式开槽机适用于最大粒径<18cm的砂砾石地层;往复式机型适用于粉砂壤土、亚粘土及最大粒径<8m的砂砾石地层;旋转式机型适用于各类砂质地层。
目前开槽机的最大开槽深度为7~12m,槽宽0118~012m,最大开槽速度为8~12m/h,工作时泥浆固壁———开槽———铺塑同步作业。
塑膜厚度应大于0116mm。
该技术已在许多堤坝工程中应用,效果十分满意。
对于需要防渗处理深度较深时,可采用垂直铺塑和高喷联合应用的防渗方案,即浅层采用垂直铺塑防渗,15mm以下采用高喷混凝土幕墙,以节约投资。
416 高压喷射灌浆技术
该技术为水利部10大科技推广项目之一,已从软弱地基加固处理发展到粒径极不均匀的砾、卵、漂石地层。
近年来,高喷灌浆设备、技术、应用范围方面都有了大改进,浙江亦已应用了该技术,效果较好。
5 结 语
堤坝工程质量隐患的类型、位置及严重的程度都是极其复杂的。
为了有效地彻底地达到除险加固的目的,必需采用科学的方法查明隐患,选择合理的加固方法进行针对性地除险加固,并检验加固效果。
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