病险坝出险加固技术进展

病险坝除险加固技术进展刘云锋（1.河海大学水利水电学院，南京210098）ProgressintechniquesofreinforcementforhazardousreservoirLIUYunfeng(WaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098)摘要：建国后我国兴建了众多水库，由于兴建时设计水平低、施工条件差多种因素影响，普遍存在防洪标准低、工程质量差等安全隐患，出现了大量的病险水库坝；介绍我国病险坝现状，对病险坝除险加固技术发展作出三个阶段的总结，就病险坝除险加固的几种典型技术进行了详细的分析，指出了今后亟需发展的治理技术和进一步开展研究工作的方向。关键词：病险坝现状；渗流；加固技术；大坝安全Abstract:Afterthefoundingofourcountrytobuildalargereservoir,duetotheconstructionoflow-leveldesign,poorconstructionfactors,theprevailingfloodcontrolstandardislow,securityrisksandpoorqualityoftheproject,therehasbeenalargenumberofdangerousreservoirsdam;introductionofdangerousdamSituationoftheriskdamreinforcementtechniquetosummarizethethreestagesofdevelopment,itisdangerousdamreinforcementofseveraltypicaltechniquesdetailedanalysis.Atlast,theprospectsandfuturestudydirectionsarediscussed．Keywords:Statusofdangerousreservoirs;Seepage;reinforcementtechnology;damsafety1我国病险坝现状建国后我国兴建了众多水库截至2007年底,我国已建成各类水库87085座(不含港、澳、台地区,下同),其中大型水库510座,中小型水库86575座,这些工程在防洪、灌溉、发电和城市供水等方面都发挥了巨大效益，而大多数修建于20世纪50～70年代[1]。由于设计水平低、施工条件差，普遍存在防洪标准低、工程质量差等安全隐患，据2006年统计数据，这些水库中约37000座属于病险水库，也正是由于这些病险坝的存在给水库安全度汛和正常运行带来了巨大隐患，对社会和经济环境的破坏和灾害风险越来越大，威胁着社会稳定和经济发展。针对病险水库现状，2006年的中央经济工作会议和2007年温家宝总理的政府工作报告均明确提出用3年时间基本完成全国大中型和重点小型病险水库除险加固任务。为此,2007年1月，水利部部署开展了全国水库安全状况普查,并在此基础上,结合原第一、二批未实施的中央补助项目编制完成了《全国病险水库除险加固专项规划》。《专项规划》确定3年实施项目共6240座）包括一、二批未实施项目1759座)，其中大型86座、中型1096座、重点小型5058座,实施年限为2007～2009年[2]。2008年8月水利部编制完成了《东部地区重点小型病险水库除险加固规划》(以下简称“东部小型规划”)，列入重点小型除险加固项目1116座,实施水平年为2010年。计划2012年完成5400座小(一)型水库的除险加固；2013年完成1.59万座重点小(二)型水库的除险加固；2015年完成其余2.5万座小(二)型水库的除险加固；对新出现的大、中型病险水库除险加固任务将于2013年全部完成。为做好病险水库除险加固工作，水利部按照中央要求,把病险水库除险加固工作作为一项重要而紧迫的政治任务来抓,作为当前水利工作的重中之重和当务之急,举全系统之力打好病险水库除险加固攻坚战。各地也采取了一系列措施推动病险水库的除险加固工作,虽然通过大坝除险加固安全专项检查、稽督导和初步设计抽查调研等安全保障措施,但由于建设任务重、时间紧、要求高,在工程的评价、设计和施工过程中仍然存在不少问题,与保证全国病险水库除险加固任务的顺利完成还存在较大差距。2病险坝除险加固技术发展一般来说我国治理病险坝出险加固技术的发展大体分为三个阶段：第一阶段为20世纪50年代末至70年代中期。早在上世纪50年代末我国就已经开展了病险坝的除险加固工作，这也是由于我国水利建设初期普遍存在设计技术落后，施工质量差的坝、堤工程，它们在使用初期就已经发生了严重的渗流问题，当时也创造了所谓土法防渗技术如“倒挂井”、“中抓套井”等技术，但由于施工速度慢、设备落后，这一时期病险水库的处理速度很慢。在50年代末期我国由国外引进了当时比较先进的“混凝土防渗墙”技术，其施工方式决定了可以在已完建的建筑物结构上直接构建从建筑物主体直至基础的垂直防渗结构，所以可以在土石类水工建筑物的防渗加固上方便实现。60年代引进了“帷幕灌浆技术”，与混凝土防渗墙相比施工更加方便快捷,适用深度更大，当时在一些完建工程的除险加固中也包括某些在建工程的防渗处理上都有尝试性的使用。但总的来说全国大中型病险水库完成除险加固的数量很少。第二阶段为20世纪70年代末至90年代末。据统计，我国大型水库的75%、中型水库的66%和小型水库的90%建成于1957～1977年，由于历史问题这些水坝远未达到现行的大坝安全评价标准，存在极大的安全隐患。75.8河南洛河流域“板桥”、“石漫滩”等水库垮坝事件更是给人民的生命和财产安全带来了极大的损失，各地因此掀起了病险水库治理高潮。在这一时期，我国水利科技人员开展了大规模的以处理渗流隐患为主的新技术、新材料的研究，具有代表性的有劈裂灌浆、高压喷射灌浆、振动沉板墙和土工膜防渗技术等。第三阶段为20世纪90年代末至今。这个时期，我国已经创造和引进改造了十多种病险水库处理新技术，通过在实践中不断地改进，各项技术已经比较成熟。受益于各相关行业的发展和进步，防渗加固的施工机械选择上更加丰富，新材料的应用上更加广泛。比较有代表性的有：防渗墙施工中所用的轮铣式、盘铣式、钳铣式等成槽机比传统的冲击钻开槽速度更快，运行方式更加灵活；高压浆泵和极细粒水泥出现使得帷幕灌浆能够使用于更深更复杂的各类基础防渗工程；化学灌浆所用材料也有了突破性的进展，各类土工类防渗材料在这个时期更是有了爆发式使用，复合土工膜、膨润土防渗毯都是在这个时期大规模推广的。就我国病险水库的现状而言，这个阶段在技术的选择上已没有太大的难度，各种复杂情况都能有相对应的处理技术。水利工作者在除险加固上所做工作更多的对各种技术的综合利用，所以这个阶段是利用综合技术处理病险堤坝的阶段。综合技术是指根据一个坝出险的原因、出现的部位、病险程度、主客观条件等，进行宏观分析，充分考虑各技术、工种,在施工时间、工作基面等方面可能存在的影响和冲突，并结合施工成本根据需要选择各单项最优技术，最后组合形成最优综合方案。采用综合治理技术方案，可以做到科学、经济、合理，使病险坝处理能够做到又好又省。大量的工程实践也证明，运用综合技术病险库除险加固具有较全面的优势。3病险坝加固典型技术3.1劈裂灌浆技术70年代末，山东省水科所研究人员大胆试验，在过去充填灌浆的基础上，在土坝中采用劈裂灌浆，即使用一定的压力，使坝体沿坝轴线小主应力面劈开，灌注泥浆，并使浆坝互压，最后形成10～50cm厚的连续泥墙，可以达到防渗目的。同时，泥浆使坝体湿化，产生沉陷，增加坝体的密实度。这项技术不仅起到防渗作用，也加固了坝体。它的优点是:可以就地取材，施工简便，投资省，工效高。此外，在科研人员的努力下，在技术上有了一些新的进展，应用范围也逐渐扩大，由过去规范规定坝高50m以下的均质坝和宽心墙坝，低水位运行，逐渐推广到超过坝高50m，高水位运行的情况。它不仅可以劈裂坝体，也可劈裂堤坝地基；不仅可在宽心墙坝进行劈裂灌浆，也可在窄心墙坝进行同时，其应用范围也扩展到湿陷性黄土坝、沙坝等。1990年山东省水科所在江西省永丰县夫坑水库窄心墙坝，进行劈裂灌浆，获得成功，坝高突破了50m，达50.4m。在大量研究试验基础上，认为在堤坝地基附加应力场影响范围以内，沿坝轴线也有一个铅直的小主应力面，只要沿堤坝轴线布孔，进行压力灌浆，是可以实现定向劈裂的。1985年对山东省大沽河200km的堤基进行劈裂灌浆，形成了堤身5m，堤基3～4m深的竖直连续的防渗泥墙，较好地解决了堤身和堤基的渗漏问题。甘肃省靖远电厂贮灰坝，土料为湿陷性黄土，70～80%为粉土，由于施工质量差，干容重的合格率仅为41.4%，采用劈裂灌浆后，防渗效果很好。目前全国应用该项技术已处理病险水库3千余座，险堤2千余公里，社会效益显著。3.2高压喷射灌浆防渗技术70年代初，由日本引进了高压旋喷灌浆法。80年代初，山东省水科所经研究试验，将旋喷灌浆改为定向喷射灌浆，用于险库坝基防渗，取得了较好的效果。以后，湖南、辽宁、吉林等省结合实际工程进行研究，进一步提高设计计算及相应的技术参数、施工工艺、专用设备、喷射形式等。原来仅能用于土、沙、细颗粒砂砾石层，近年来逐渐扩大到强透水的砂卵石、沙卵漂石和堆石碴层中。在这样的地层内，利用旋转钻钻孔进尺慢，过多地使用固壁泥浆充填地层，增加喷射时能量消耗，影响板墙的有效长度和厚度。针对这一问题，湖南省研究和探索，提出“冲击带管钻孔，泥浆固壁提管”的造孔新方法。它的优点是:（1）成孔保证率高，孔斜率容易控制；（2）固壁泥浆不盲目扩散，从而减少高压喷射的能量消耗，增加了浆液的渗透能力，提高了成墙的效率；（3）施工速度快，利用冲击钻在卵石粒径达80～150mm，含量为40%的地层中，造孔时每台班进尺为15～20m，比用旋转钻机造孔提高工效约7倍，而且构筑防渗板墙有效直径增长，厚度加大。当池下水流速较大时，效果更加明显；（4）机具磨损少，钻具消耗低。该方法造孔在湖南省黄沙湾大堤、四川省武都引水工程施工围堰等砂卵石基础高喷工程中得到了成功。此外，湖南省研制的膨润土、烧碱等材料组成的高固相护壁泥浆，经造孔应用，成功率达99%，其特点是:（1）稠度，一般泥浆泵均可送出；（2）硬化固结，7～10d内高喷杆能顺利插人孔底；（3）特性，在地层缝隙内基本不流动，不凝结，pH值为8～10，比重1.1。山东省水科所在实践中提出大粒径地层“绕渗”、“位移袱裹”等新的高喷成墙作用机理，也突破了细颗粒层，逐渐扩大到强透水层。1985年东风水电站石渣堰体中构筑高喷防渗墙，1989年新疆加音塔拉斜墙堆石副坝构筑防渗墙，均获得成功。在施工监控手段上研制了能自动监测控制系统，从人工记录发展到电脑自记、自动报警，基本上杜绝了人为因素，提高了施工质量。在设备方面，原设备比较笨重，性能单一，使用不便。研制出井口传动，液压代替机械，性能机动可调。其中喷嘴设备由原来三管同轴改为独立的三管输运装置，减少了事故发生，这一设备改造，与原喷嘴相比，在具有同等喷射流量时，其高压泵压力可降低25%左右。3.3土工合成材料防渗排水技术土工合成材料依据水力特性可分为不透水的土工膜或土工复合膜和透水的土工织物。前者可以代替防渗体，起到截渗隔水作用；后者可代替反滤料，起到排水反滤作用。它的重量轻，运输量小，铺设方便，比粘土防渗和砂砾石料排渗节省造价，缩短工期，容易保证施工质量。近年来，由于材料品种不断更新，应用领域逐渐扩大，施工工艺越来越先进。进入80年代中期，我国先后在云南省李家等和福建省犁壁桥水库土坝采用土工膜代替原来的粘土心墙和斜墙。李家箐水库位于云南省寻甸县，坝高35m，由于筑坝土料混杂，碾压质量差，坝体渗漏较为严重，下游排水体失效，致使浸润线抬高，存在着滑坡和渗透破坏的可能，危及大坝安全。1987年开始，上游坝面铺设复合上工膜17800m2，下游土工织物滤层2800m2，1988年完成。复