王甫洲水利枢纽围堤排水沟坍塌的原因与修复.pdf

王 甫 洲 水 利 枢 纽 围 堤 排 水 沟 坍 塌 的 原 因 与 修 复 刘丹源1，刘钢2，高磊1，刘曼坤3 (1汉江王甫洲水力发电有限责任公司，湖北老河1：2441800；2汉江集团有限责任公司 恒通机械公司湖北丹江口442700；3武汉电力职业技术学院，湖北武汉430079) 摘要：王甫洲水利枢纽围堤局部堤段下游排水沟产生渗透变形，对嗣堤的稳定构成威胁。通过分析排水沟变形坍 塌的成因提出在水库正常运行、不降低库水位的情况下，通过修改排水沟结构的设计，采用井点降水、铺垫压坡 等施工技术，确保排水沟修复施工质量。获得了满意的修复效果。 关键词：排水沟；渗透变形；土工织物；修复；王甫洲水利枢纽 D r ai nageDit chC ol lapseandR ehabi lit at ionofW angfuzhouH ydroProj ectEm bankm ent Li uD anyuanl ，LiuG an92, G aoLei l ，Li uM i nshen3 (1H anjiang R i verW angf uzhou H ydr opow er Co，Lt d，LaohekouH ubei441800；2H anj iangRiverG r oupH engt ong M achiner yCo。Lt d，Danj i angkon Hubei442700；3W uhanEl ect r i cPow erTechnical C ol lege，W uhan Hubei430079) A bst ract：Part sof t hedownst ream drai nage di t chin W angf uzhou H ydr oProject em bankm enttaken pl aces eepage defor m at ionandt he stabil i ty ofem bankm entw as threatenedByanal yzi ng t heca use sofcol l apse，t herehabi li t at i on w as conduct edundert hecondi t i onsofnor m al operat i on l evel 。i nwhich，t hedi t ch st r uct ur ew as r edesigned，and t he const ruct i ont echnol ogi esof w el l poi ntdew at eringandsl opesandbags rei nforcem entw er eus edThe repai r is sat isfactory K eyW or ds：drainagedit ch；seepagedeformation；geotexfi le；repair, W angf uzhouHydroProject 中图分类号：TV641( 263) 文献标识码：A文章编号：0559-9342( 2010) 08- 0059-03 王甫洲水利枢纽属平原式枢纽，建有泄水闸、 电站厂房、船闸等，挡水前缘共20km 。其中，左、 右岸为砂砾石料填筑的围堤，长126km 。围堤堤 顶高程9042m ，一般堤高78m ，最大堤高9m 。 堤基土层上部主要为砂壤土，厚0一14m ；中部为 中、细砂，厚10100m ；下部主要为砂砾石，厚 0100m 。下伏基岩顶面高程745m 左右。采用在 上游堤脚强夯在迎水面及库内铺设土工膜斜墙和 平均长度为45m 的土工膜水平铺盖等方法进行防 渗处理。围堤下游侧坡脚设置排水沟。 围堤排水沟结构见图1。沟底宽10111，沟深15 m 边坡l：15。排水沟的反滤设计选用了规格250 sm 2的纯新涤纶针刺非织造土工织物，每幅宽54 m 。其性能满足国家棉纺织产品质量要求。反滤土 工织物直接铺设在开挖出的原地层基面上( 地层为 砂壤土或中细砂) 土工织物上再铺厚20cm 、粒径 为0520cm 砂砾石保护，表面用混凝土预制板护 坡，混凝土采用28d龄期强度为20M Pa的l级配 料，预制板尺寸为50cm x50cm ，厚10cm 。作为排 水滤层。工程土工织物的用量总计达18万m 2。 1排水沟边坡失稳原因分析 王甫洲水库初蓄水，首次达到正常蓄水位8623 m 时左岸围堤1+200l +900段排水沟先后多处坍 塌。从边坡坍塌后外露的土工布看，土工布表面附 有一层厚2m il l 左右的粉细砂，淤堵严重。土工织 物两侧的水位差为100150cm ，说明渗水能力减 小。初步分析认为。这一水力坡降的作用是导致排 水沟边坡坍蹋的直接原因。 为查证排水沟坍塌的原因，委托长江科学院沿 收稿日期：2010耵223 作者简介：刘丹源(1962一)，男，湖北丹江121人，工程师，主要 从事水电工程管理 W aterPowerV 0136No8回 暑二ji： 二i目竺2竺：兰：2 临时边坡t 地 叫填砂砾白 锚同沟30X30 基指啄 缝圭丛塑丝! !塑 戒 锚阎沟30X 30 图1 原设计围堤排水沟结构( 单位：尺寸em ；高程：m ) 透失稳，实际情况也是该处排水沟坍塌得最为严重。 经过现场调研和试验，认定土工织物选型不当 是造成围堤排水沟坍塌的内在原因。王甫洲水利枢 纽围堤坝基土质有粘土、壤土、中细砂和粉细砂 其渗透系数及颗粒级配差异很大，在选用土工织物 作为滤层时。应依据被保护土的渗透特性加以区别 对待。土工织物滤层隐蔽于土中，很难观测与评价。 被保护的土质又较复杂土工织物产品的等效孔径 和渗透系数也不均匀，加之水力坡降的增大。也是 造成王甫洲围堤部分排水沟坍塌的主要原因。 竺 水望 娶粪 掌饕 竺茎 篡窒 誊 三三 亍专 翼篓 黧对2排 水沟 修复 的 设计 修改T 土布进行了检测和反滤布淤堵试验。结果如下： 。 (1)沟边土层的渗透变形特性。从排水沟共取 样5组，其中表层原状样2组。扰动样3组，对土 样的物理性能和特征粒径进行了试验。特征粒径试 验结果表明。各类土体的不均系数均小于10。反映 土 层 均匀 程 度 的特 征 粒 径 比龇 、 枞 、d3fld， ，的 比值均小于5。说明各土体层为均匀级配土，其破 坏形式均为流土。 (2)土工织物测试结果表明，取自工程现场的 土工织物样满足国家质量技术监督局G B厂I 17638 1998中规定的各项指标。 ( 3) 淤堵试验结果表明，对于排水沟周边土体， 土工织物均有不同程度的淤堵：但梯度比G R值均 不大于3(即满足G R3)，表明稳定渗流条件下， 土工织物滤层不会产生淤堵。 (4)从水利水电工程土工合成材料应用技术 规范的要求可知，土工织物作为滤层要满足3个 条件即透水性、保土性和防淤性。试验结果表明： 对于砂壤土。土工织物滤层满足以上3个要求；对 于细砂、中砂，土工织物透水性不能在保土性常数 A 10的条件下满足透水性要求。对于防淤性要 求被保护土层的特征粒径与土工织物的等效孔径之 间应符合3d15 由试验数据得知土工织物的等 效孔径0钙比中砂、细砂( d15为014、013nl l Tl)都 小，不满足0953d15，说明土工织物对中砂、细砂 均不满足防淤要求。在土工织物作为砂类土的反滤 时其透水性偏小不满足透水性和防淤性要求。 (5)正常蓄水位条件下，围堤局部堤段下游排 水沟周边存在出逸比降过大的问题。分析其主要原 因是这些堤段下游排水沟周边存在透水性小于中砂 的细砂层，不利于排水沟的排水，造成出逸比降过 大，当反滤层的排水能力不够或重量不当时，容易 产生渗透失稳。另外，左岸l +700处排水沟周边土 体为砂壤土或粉质壤土，其透水性比细砂低不利 于排水沟排水其出逸比降更大。也更容易产生渗 囫W at erPower V 0136N o8 根据试验成果，针对围堤地基土质的特点，在 排水沟修复中对其结构进行了设计修改。 ( 1) 为了保持排水沟修复后的整体性，成型后 的沟底坡度和底高程保持与原沟一致，排水沟两侧 边坡预制板护面的坡度仍为l：15。但为了保证反滤 土工织物之上有足够的压重足以抵挡坝基土体变 形。土工织物的两侧铺设边坡由原设计的1：15变为 1：2。土工织物与混凝土预制板之间要求全部用粒径 为0520cm 的级配砾石回填密实。沟底砾石垫层 厚度由原20cm 改为30cm 。 (2)在沟底和两侧边坡的土工织物下增加20 cm 厚的砂砾石垫层，要求含泥量小于5。土工织 物与混凝土预制板之间用粒径为O 520cm 的级配 砾石回填密实，0510、1015、1520cm 碎石 按4：3：3配制，级配连续，干容重不小于215kN m3。 在排水沟内预制板的上面回填卵石，卵石粒径为 1020cm 、204012111按1：l比例配制，以增加土 工织物之上的压重。使之足以抵挡坝基土体变形。 为集中排放地表水在沟中间距沟底板30cm 处布 置西50cm 的混凝土排水管。结构修改见图2。 (3)根据对反滤土工织物保土性、渗透性和防 淤性的要求修改土工织物水力特性指标，主要是 加大等效孔径。即O n为025m m 。其他的基本与原 指标相同。 3排水沟修复施工 31施工方案的选择 施工前，对放空水库、静水强行开挖、钢板桩 和轻型井点降水等施工方案进行了现场试验和比较。 放空水库的方案，虽然可以确保在几乎无渗水 压力的情况下施工，降低施1=难度，保证施工质量。 但水库放空后，施工期枢纽不能发电，经济损失大。 对静水强行开挖的案进行了现场试验性施工 结果沟边细砂处于液化状态，随着渗水的不断涌出。 趣 粤 填 砂 黟i雠 描 惫 等 回 填 卵 石 坝体砂砾石_，匣堑iii亘r混凝土于j l水管50 _i灞噫塑掰 砰fl 毕层l (JJ 秒砾石20cm l 一上1布l 图2围堤排水沟修复结构(单位：尺寸cm ，高程m ) 即使采用网袋装砾石压坡也难以形成开挖断面，并 且影响同堤坝坡稳定。 钢板桩方案。由于打桩设备不能直接在沟上作业， 需先回填，工作量大，且辅助工作时间长，成本高。 轻型井点降水方案，在排水沟的两边坡顶部， 将井点管沉入沟底含水层内，井点管上部与总管连 接利用真空水泵将基础渗水不断抽出把地下水 位降至沟底施工面以下。这既解决了上述几个方案 的问题。又可以保证边坡稳定，易使排水沟开挖成 型。在无压力水状态下施工，更能确保施工质量。 3-2轻型井点降水 321井点管的布置与埋设 在排水沟施工段两边坡开挖区的外侧，各布置 两排井点管，井点平面布置长度大于施工段，即施 工段上端向上延长5111，下端向下延长15m ，以保 证施工段四周的地下水均能被井点截断和降低。同 时还为下一施工段的井点管布置预留搭接段。 井点管布置深度。外侧一排控制在排水沟底面 以下10m 内侧一排控制在沟底面以下15m 。两 排之间的间距为1om ，两井点管之间的距离为1om ， 成梅花形布置。井管和滤管的直径为由38m m ，滤管 长度为10m 。外包50孔c111_的生丝布和10孔cm 的 铁丝布作为滤网。集水管直径为由100m i ll的镀锌钢 管。井管和集水管用胶管连接。 井点管采用水冲法造孔埋设，冲孔水压为05 M Pa，冲孑L直径为300m m ，冲孔深度比滤管深06 m 。井孔冲成后，立即拨出冲管，插入井点管，并 在井点管与孔壁之间迅速填入粗砂作滤层，防止孔 壁坍塌。粗砂滤层填至滤管顶以上1015m ，要求 填灌均匀。井点管填砂后，为防漏气，须用粘土在滤 层以上封堵。井点系统全部安装完成后，需进行试抽， 以检查有无漏气现象。试抽成功后正式投入使用。 322设备选型 抽水设备选用3台JS- 45型水射泵，排水沟内外 侧各用1台。备用1台。这样既平衡了两侧泵抽水的 压力，还可以在某台泵出现故障时，由备用泵顶替。 33施工排水 根据施工强度和渗水量，每20m 划分为一个施 工单元。在修复部位的上、下游，分别用编织袋装 粘土作一挡水堰，截留沟内施工段以外的渗水。在 施工段挡水堰的外侧，安装抽水能力大于渗水总量 的5台37kW 的抽水泵。其中4台运行一台备用。 通过输水管将渗水抽回到水库内。施工段内的渗水， 通过3台75kW 的抽水泵，把水抽到下游排水沟。 这样可以保证施工段工作面除只有少量的渗水存在 之外。无明显水流通过。 34修复施工 (1)排水沟开挖。排水沟的修复由上游向下游 分段连续施工。排水沟开挖时采用自上而下分层 进行。每层50cm 厚，按先挖外侧、后挖内侧、最 后挖沟底的顺序进行。边坡每开挖一层后，立即用 编制网袋装砂砾石铺垫压坡。保护开挖边坡，防止 塌坡。两侧边坡开挖并保护好后，再挖沟底，做同 样的边挖边保护工作。 (2)土工织物铺设。开挖断面的高程、坡度和 平整度满足设计要求后。铺设反滤土工织物。要求 铺设平整，且有一定的变形收缩余度，不能将布拉 得太紧。土工织物的接头要搭接30cm 进行缝制。 两侧沟顶土工织物的端头埋入锚固沟内。土工织物 下增加20cm 厚砂砾石垫层的。按设计要求铺垫好 砂砾石层后。再按同样方法进行土工织物铺设。 (3)铺设压重和保护层。土工织物铺设好后， 立即铺填砾石垫层。并测量放线安放衬砌样架，然 后挂线铺砌混凝土预制板。预制板铺设一定要保持 板面平整和坡度，板与板之间保留510m m 的缝宽， 便于渗水的排出。在铺板时，其背侧的砾石垫层料 一定要捣实，保证垫层料密实。提高边坡的稳定性。 4结语 选择反滤材料应遵循透水性、保土性和防淤性 的准则。王甫洲水利枢纽围堤基础土质复杂，设计 在选择土工织物做滤层时，应有针对性。实践证明。 用轻型井点降水的方法降低地下水，技术是可行的。 2000年至今，枢纽已运行十年，围堤排水沟运行稳 定，说明修复施工的质量可靠，并且不降低库水位， 不影响枢纽的正常运行，经济效益也十分可观。 参考文献： 1 张伟，陈劲松，赵蜀鸣王甫洲老河道围堤排水沟土体渗透变 形及分析 J人民长江，2002( 4)：27- 28 2 王殿武。曹广祝土丁织物防护丁程反滤准则试验研究J 工 程地质学报，2006(2)：281287 (责任编辑周晓蔚) W ater PowerV 0136No8圃