维普资讯 http://www.cqvip.com 第５卷第４期 ２ ０ ０ ７年１ ２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ水利与建筑工程学报 Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｒｕａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ￣ Ｖｏ１．５ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．，２００７ 土坝放水洞处理技术综述 田志刚 ，张维国２ （１．山东省水利科学研究院，山东济南２５００１３；２．山东水利勘察设计院，山东济南２５００１３） 摘要：放水洞是水库重要的建筑物之一，其功能决定了它位于坝的底部，工作状态不直观，出现问题 不易发现。通过对放水洞常见问题的原因分析，提出了放水洞破坏的原因及免开挖处理方法，希望能对 类似工程提供参考。 关键词：土坝老化；廊道式；埋管式；有压反向渗透；套管 中图分类号：ＴＶ６７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１ｌ４４（２ｏ０７）０４～ｏ０７７—０３ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｔｕｎｎｅｌ ｉｎ Ｅａｒｔｈ Ｄａｍ ＴＩＡＮ Ｚｈｉ—ｇａｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ—ｇｕ０２ （１．ＳｈａｎｄｏｎｇＨｙｄｒａｕｌｉｃＲｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉ’撇 ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５００１３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｊｉ’ｎａｎ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５００１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｗａｔｅｒ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｕｎｎｅｌｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ ａ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｌａｉｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ａ ｄａｍ．Ｗｅ ｃａｎｎｏｔ ｏｂｓｅｒｖｅ ｉｔｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｄｉｒｅｃｔｌｙ。ＳＯ ｉｔ ｉＳ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｆｉｎｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｕｎｎｅｌ ｗｈｅｎ ｉｔ ｄｏｅｓ ｎｏｔ Ｆｕｎ ｗｅｌ１．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎａａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｎ— ｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｘｃａｖａ． ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｒｅｌｅａｓｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌｒａ ｐｒｏｊｅｃｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｇｉｎｇ ｏｆ ｅａｒｔｈ－ｄａｍ；ｇａｌｌｅｒｙ ｔｙｐｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｐｉｐｅ ｔｙｐｅ；ｒｅｖｅｒｓｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｓｍｏｓｉｓ；ｃａｓｉｎｇ ｐｉｐｅ １土坝放水洞的结构形式 坝脚处出现集中明流。这是由于在施工时坝体和管 道或廊道外壁结合不紧密，形成接触冲刷，沿洞壁形 ２０世纪６０、７０年代所修建的水库，坝体材料以 成漏水通道。这种渗水会形成贯通坝体上下游的漏 土石为主。至今已经运行多年，土坝老化现象严重。 水通道，不仅会损失水资源，而且会危及大坝的安 由于各种原因，造成了放水洞出现了漏水、结构部分 全。二是由洞壁向洞内射水、渗水，这是由于砌石体 破坏等问题。在土坝中，一般常见水库放水洞的结 结合不紧密或不均匀沉降造成的管壁或廊道开裂， 构形式有两种：廊道式和埋管（涵管）式 Ｊ。在当 坝体内的渗水进入管道内，一般水库放水洞同时存 时，由于经济及技术条件的限制，一般廊道采用浆砌 在这两种形式的漏水。漏水的危害是非常大的，首 石结构、管道采用混凝土管最为常见，也有极少数为 先，在向管内长时间的渗水过程中，细颗粒和可融物 钢管；埋管一般采用混凝土管。有的采用其他结构， 被水体带走，形成渗透系数比较大的漏水带。随着 例如，根据地形、地质构造特点，在基岩上开挖隧洞 时间的推移，漏水量会越来越大，在高水头作用下会 形成放水洞，这不在本文的讨论之列。 加大其漏水量，带走更多的细颗粒。现在有些水库 ２放水洞问题的表现形式、形成原因 在坝后设闸控制放水洞（这是一种不合理的设计）， 及危害 如果是埋管式放水洞，在水库高水头的作用下，会由 洞壁的裂隙向坝体形成有压反向渗透，管壁周围的 ２．１漏水 土体会很快达到饱和，抬高坝身的浸润线，引起坝体 放水洞破坏最一般的表现形式是漏水。漏水分 的渗透变形，最后导致管道周围坝体的沉陷、坍塌和 为两种情况：一是沿着洞壁和坝体的结合面漏水，在 滑坡。这种情况是非常危险的，有关资料显示，放水 收稿日期：２００７．０４．２８ 修稿日期：２００７．０６．２８ 作者简介：田志刚（１９６５一），男（汉族），山东高密人，主要从事水工水力学及水工建筑物结构研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com ７８ 水利与建筑工程学报 第５卷 洞漏水是引起土坝失事的重要原因之一。 ２．２融蚀 灌浆孔，灌人适当配比的水泥粘土浆（必须经现场试 验，确保能够凝固）。施工的循序也很重要，如果土 坝的结构是粘土心墙坝，首先从心墙的中心开始向 两侧开始灌浆。如果是均质坝，则从坝体的轴线开 始灌浆。以利于固结排水。灌浆的压力控制比一般 的灌浆压力要大，灌浆结束的压力标准需要根据具 体工程情况来确定。在灌浆过程中会出现坝坡、坝 顶出现冒浆的现象，这是正常的，一旦出现冒浆，即 在投入使用很长时间放水洞的砌石体或混凝土 管道内，在漏、渗水点上会出现许多白色的或黄色结 晶物，严重的会连成片，这就是碳酸钙结晶。这些钙 质是从混凝土中游离出来、被水携带之表面遇到 ｃｏ２，形成结晶。因此，混凝土中胶结材料的流失， 使砌石体结构的整体性受到破坏。严重的会出现松 动、甚至坍塌。 ２．３锈蚀 一些廊道内的管道采用钢管，限于当时的条件 限制，一般采用焊接管。壁厚在１０ ｍｍ左右。使用 多年后，管道锈蚀严重，锈蚀厚度在３～５ ＩＴＩＦｆｌ，特别 是在焊缝处更为严重，有的已经出现漏水。管道内 壁附着物以丝状藻类为主，厚度能够达到５～１０ Ｃ１Ｔｔ，甚至更大，大大减小了过水断面，长期运行存在 隐患。 ２．４结构破坏 在长期接触冲刷的作用下，砌石体或管道失去 支撑，发生整体形变，导致开裂，使放水洞失去作用， 如果继续使用，将发生坍塌。致使放水洞报废，影响 到大坝的安全。 ３一般处理方法 ３．１喷射混凝土法 对于断面较大的廊道，有空间可以操作小型设 备，可以在廊道内喷射混凝＿－Ｅ Ｅ 。在喷射混凝土 前，首先将壁面进行喷砂处理，露出新鲜岩面，再绑 扎一层钢筋网，一般按照构造筋布设即可，然后喷射 一层混凝土，标号为Ｃ２０即可，厚度一般在５～１０ ｃｍ［３ｊ。 ３．２钢管的处理 钢管的重度锈蚀区如果达到整个面积３０％，需 要更换新的管道，在满足泄量要求的情况下，不拆除 原有管道，而是在原管道内套进一根钢管，这个方法 在下文再详述。 如果锈蚀不严重，不超过３０％，可以采用喷锌 处理，要求和钢闸门防腐蚀喷锌的要求相同即可。 ３．３洞内灌浆 由于管道或廊道外壁出现漏水通道，土体结构 受到破坏，不再密实，因此，需要进行充填。由于放 水洞轴线一般和坝轴线垂直，洞外灌浆施工非常困 难，效果很差。通过大量的工程实践，发现在洞内灌 浆的效果非常好。一般的设计是在洞的两侧打两排 停止灌浆，作为该孔结束的一个标准。一次的灌浆 量也必须进行控制，一般不超过０．５ ｍ３［ 。 ３．４套管法 套管法的基本设计思路是在原有管道内套人一 根小直径的管道，两管道之间充填砂浆…１。套人管 道可以是钢管，也有的采用夹砂玻璃钢管，但是玻璃 钢管接头较难以处理，处理不好容易造成漏水，施工 难度较大，因此建议采用钢管。 在设计时需要注意的是，套管后过水断面缩小， 放水洞是否满足泄水量的要求。如果不能满足要 求，就不能采用该方法。 ４工程实例 ４．１水库概况 某水库属于山区型水库，建成于１９７０年，控制 流域面积４３．７ ｋｍ２，水库库容１．７００×１０ ｍ３，大坝 为结构粘土心墙砂壳坝，最大坝高１９ ｍ。放水洞断 面为城门洞式浆砌石结构，洞高１．４ ｍ，宽度１．４ ｍ。 坝后闸门控制。 经过多年运行以后，于２００４年蓄水至设计水位 后发现，在放水洞出口，放水洞壁和坝体接触的部位 有较大的明流出现，在其附近的坝坡也出现了片状 漏水点，最大漏水量５００ ｍ３／ｄ，并且有增大的趋势。 为保证水库的安全，放空水库以安全度讯。 放空后进入放水洞进行检查，发现洞壁上有大 量的白色、黄色碳酸钙结晶，勾缝的砂浆已经大部分 脱落，沿砌石体的缝隙向内漏水，有的地方出现射 流，整个放水洞漏水严重。 另外坝坡出现了局部的滑坡、溢洪道边墙和坝 体结合的部位出现了裂缝等问题，和本文无关，不再 详述。 该放水洞出现问题的原因和上文分析基本相 似。 ４．２方案比较选择 在进行方案比较时，方案之一是开挖、拆除原放 水洞重建，但投资较大，且破坏了坝体原有的结构； 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 田志刚，等：土坝放水洞处理技术综述 ７９ 方案之二是采用高压喷射灌浆的方式用高喷凝结体 将洞体从外部进行包裹，该方案由于场地的限制，包 曲面函数为： ∞＝Ａｓｉｎ ｓｌｉ ｎ ｎｙ （２） 裹的长度很短，和坝顶宽度相等，施工效果难以保 证。方案之三是在洞内喷射混凝土，但由于放水洞 将（２）式代入（１）式可得： 断面很小，机械操作困难，难以实施。 —— （ ） ｔ［（一７ｔｄ） 十 ２］２＋经过经济及技术比较，采用了洞内灌浆和套管 ３（１ —ｕ ）（ 一 ）、１ ｄ 、 ２ｌ 。 。 法处理方案。钢管采用直径１ ｍ、厚度１０ ｍｉｌｌ螺旋 ［１—２ｕ（ ７ｔｄ） 一２ｎ２ ３｝＋Ｅ（ ７ｔｄ） × 焊管，焊管间隔１．４ ｍ设环向支撑。 ————— ４．３基本设计 （ 一１）［（ ７ｔ———一ｄ） 十 ］ （３） 设计时需要计算过水断面是否满足要求；计算 在各种工况水压力作用下钢管是否满足强度要求； 以不同的整数 代入（３）式，经试算，当 ＝７ 计算施工荷载作用下是否满足屈曲稳定要求。 时０＂０最小，０＂０＝４３．７ Ｎ 。 ４．３．１运行荷载设计及校核水位时，所承受的压 圆柱壳所能承受的压力为：Ｐ＝２ｔａ口／ｄ＝ 力比较小，在校核洪水位时，放水管所承受的压力水 ０．８７４ Ｎ ＝０．８７４ ｍＰａ，即在施工过程中，充填 头为１６ ｍ，经验算，钢管抗拉、抗裂安全系数均大于 压力小于０．８ ｍＰａ，即可保证钢管不发生屈曲破坏。 规范要求，不再详述 ６。 ４．３．２钢管在施工荷载作用下的屈曲稳定验算 ４．３．３洞内灌浆经过钎探，发现洞壁厚和坝体接 为了使砂浆充填密实，需要有一定的充填压力。钢 触的部位出现了严重的接触冲刷，小颗粒的粘土基 模管在过大的环向压力作用下会发生屈曲而失稳， 本被冲走，局部出现空洞，因此决定采用灌注水泥沙 从而造成工程的失败 ５。因此需要计算钢管所能 浆和粘土浆相结合的灌浆工艺。以防止大量的水泥 承受的最大压力。钢模管在灌浆压力作用下的受力 粘土浆在不良排水条件下凝固时间太长。 如图１所示。 ４．４施工工艺流程 ４．４．１洞内灌浆从粘土心墙的中部开始向两侧 开始打孔，洞的两侧和洞顶各一个，孔的排距在２ ｍ 左右，进浆量大的部位再加密。开始灌浆时，灌入水 泥沙浆，比例为１：３，水的加入量以挤浆泵能够工作 为准，尽量减小水的用量。当孔口压力大于０．３ ｍＰａ，即停止灌浆。待２４ ｈ后，水泥砂浆凝固，在同 一孔口开始灌注水泥粘土浆。在灌注时，可能会出现 由于钢管环向支撑间隔为１．４ ｍ，壁较薄，可简 串孔现象，可以堵塞此孔口，该孔不再灌浆。坝坡、坝 化为两端简支的圆柱壳体，并忽略钢管的自重力及 顶也可能会出现冒浆、劈裂现象，一旦出现，即结束该 水平力。坐标原点取在钢管中面，ｘ轴与钢管轴线 孔的灌浆。结束灌浆的孔口压力控制在０．３ ＭＰａ。 平行，ｙ轴与圆弧相切，Ｚ轴垂直于壳的中面， 、 因为该放水洞两侧接触冲刷较为严重，因此，灌 、Ｗ则分别代表壳体上任意点的位移在Ｘ、ｙ、Ｚ 浆孔沿洞身全长布置。 轴上的分量，由圆柱壳体的平衡方程可以得到在此 ４．４．２套管在进行套管前，首先要将洞内杂物清 种条件下壳体的平衡方程： 理冲洗干净，洞壁喷砂打毛。并在洞顶设置一内径 Ｄｖ ∞＋ａｏｔ （ ＋ ）＋ ＋ 不小于４０ ｍｉｌｌ的管道，以备后压浆使用。 象＋ ０３）＝０ （１） 在洞内预先设置滑道，高程满足要求。滑道可 以用直径４０ ｍｉｌｌ左右的薄壁钢管制作，同时此钢管 也作为灌浆管使用。螺旋焊管的标准长度是１２ ｍ 其中：Ｄ为柱面刚度； ＝・ ＋－ ；ｕ为钢材泊 一 Ｙ 一节，在孔口对接，按规范要求焊接【 ，并在环向设 松比；Ｅ为钢材弹性模量；ｒ为钢模管半径；ｔ为壁 置支撑，自上游沿滑道用大行程千顶顶入洞中。为 厚；Ｚ为钢管简支长度。 了导向，可以在下游出口处设以牵引。 使环向屈曲应力最小的符合边界条件的简单挠 （下转第１０７页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 胡秉香，等：干振沉管碎石桩在高速公路软基处理中的应用 １０７ 的区别在于：第１次试验桩是每拔管２．０ ｍ时反插 （２）通过分析试验数据，干振碎石桩在其桩长 １．０ ｍ，第２次试验桩是每拔管１．２ ｍ时反插０．６ 的一半处，对地基的振动、挤密效果最好，而在桩体 ｍ。后经过分析试验结果，每拔管２．０ ｍ时反插１．０ 顶部向下１ ｍ左右的土层，加固效果较差，基本属于 ｍ有断桩现象出现，而后一种方案检测结果均符合 松散状态，应采取其它措施再行处理，本项目采用的 规范要求，于是决定推广每拔管１．２ ｍ反插０．６ ｍ 是桩体稳定后加垫层用重型压路机碾压处理。 的施工方案。 （３）在振动拔管或插管过程中，拔管易发生速 施工后７～１０ ，桩体及其周边地质基本稳定 度不均，部分地层拔管速度过快时，导致投料不均 后，分别进行了重Ⅱ型动力触探（Ｎ６３．５）和单桩复 匀，易产生缩径、断桩，施工时，要严格控制拔管速 合地基静载荷试验，结果表明，单桩有效加固范围为 度，不得超过０．８ ｍ／ｍｉｎ。而反插次数减少的话，会 ３～３．５ （ 为桩径），复合地基允许承载力较处理 影响碎石桩局部密实度。 前提高了１－－３倍，达到或超过了设计要求（地基承 （４）打桩时，要隔桩、隔行跳打，或者从四周向 载力≥１００ ｋＰａ），桩体每１０ ｃｍ平均 ６３．３≥７，均符 中间逐行打，以防止土体隆起变形，出现桩体错位及 合设计要求，起到了加固地基，消除液化的目的。 穿孔、斜孔现象，同时，路基外侧最好打２～３排保护 ７结语 桩。 干振沉管碎石桩技术在高速公路软基处理工程 参考文献： 中是近几年才开始推广施工的，虽然有了一定的工 ［１］ＧＢ５００２１—２００１．岩土工程勘察规范［Ｓ］．北京：中国建 程经验可借鉴，但加固理论和施工技术尚有待发展。 筑工业出版社，２００２． 通过本次施工，认为有以下几方面应加强注意并在 ［２］ＪＧＪ７９—２００２．建筑地基处理规范［Ｓ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００２． 以后的工程中予以改进 。 ［３］何广讷．振冲碎石桩复合地基［Ｍ］．北京：人民交通出 （１）因碎石由装载机上料，有一定的随意性，在 版社，２００１． 施工过程中易发生灌人量没有达到设计充盈系数 ［４］ＪＴＪ ０１７—９６．公路软土地基路堤设计与施工技术规范 １．１５的总量情况。施工过程中要严格控制碎石灌 ［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０００． 人量，每台桩基的碎石灌人量需根据现场施工人员 ［５］龚晓南主编．地基处理技术发展与展望［Ｍ］．北京：中 与监理一起核实。 国水利水电出版社，２００４：１０． （上接第７９页） 取得了较好的效果，避免了由于大开挖重建放水洞 ４．４．３灌浆钢管就位后，进口和出口用预制的混 造成的许多问题。实践证明该方法是值得推广的一 凝土块进行封堵，在上游端顶部，预留排气管道。灌 种较好的处理放水洞的方法。 浆材料为水泥砂浆。由于灌浆量不是很大，可以多 台挤浆泵同时灌浆，一次注满。以排气管道排出的 参考文献： 浆液和灌人的相同为结束标准。灌浆结束７ ｄ后， ［１］武汉水利电力学院主编．水工建筑物［Ｍ］．北京：水利 通过后压浆管灌人纯水泥浆，以填补由于水泥砂浆 电力出版社，１９８４． 收缩引起的裂隙。在整个灌浆过程中，由于水泥水 ［２］ 冶金部建筑研究总院主编．锚杆喷射混凝土支护技术 化热的作用，钢管内表面的温度很高，可在钢管壁上 规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００１． 喷水冷却，以减小水化热的影响。 ［３］华东水利学院，等编著．水工钢筋混凝土结构学［Ｍ］． ４．４．４检查为了检测灌浆的效果，可以在上游洞 北京：水利电力出版社，１９８３． 顶部打小孔取芯检查。如果岩心完整，则可判定灌 ［４］王洪恩．堤坝劈裂灌浆防渗加固技术［Ｍ］．北京：水利 电力出版社，２００６． 浆饱满，别的部位不须检查。如果不饱满，则通过后 ［５］陈骥．钢结构稳定理论与应用［Ｍ］．北京：科学技术文 压浆管进行灌浆。检查孔用高标号水泥砂浆封堵。 献出版社，１９９４． 灌浆结束后在管道内按规范要求做防腐蚀处理。 ［６］ＧＢＪ ２Ｏ５—８３．钢结构工程施工及验收规范［Ｓ］．北京： ５结语 中国建筑工业出版社，１９８３． ［７］ＧｌＢＪｌ７—８８．钢结构设计规范［ｓ］．北京：中国建筑工业 通过该方法已经处理了数座水库的放水洞，都 出版社，１９８９．
