委内瑞拉图里密夸尔混凝土面板堆石坝的水下修复.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 水 利水 电快报E WR HI 第 3 5卷第 l 1 期 文章编号 ： 1 0 0 6 - 0 0 8 1 ( 2 0 1 4) 1 1 - 0 0 2 4 - 0 3 委 内瑞拉 图里密夸 尔混凝 士面板 堆石坝的水下修复 瑞士 A 史库埃罗 等 摘要： 由于抵抗不均匀沉降和变形的能力不足， 再加上施工质量或气候等因素的影响， 混凝土面板堆 石坝( C F R D) 常遭受损坏， 导致渗漏量超过设计允许值。以委 内瑞拉图里密夸尔C F R D为例， 介绍了 C F R D 土工膜修复技术 ， 特 别是 水下修 复技 术。图里密夸 尔 C F R D坝体渗 漏量 高达 9 8 0 0 L s ， 为 了恢 复受损 面板 的防渗功能 ， 在 面板 受损 区采用聚氯 乙烯 ( P V C ) 复 合土 工膜护 面。P V C土 工膜在世界 土石 坝和其他 类 型 的 大坝修复 中得到 了越 来越广泛 的应 用。 关键词 ： 混凝 土面板 堆石 坝 ； 坝修复 ； 修 复方案 ； 施工方案 ； 图里密夸 尔坝 ； 委 内瑞拉 中图法分类号 ： T V 6 4 1 4 3 文献标 志码 ： A 1概述 面板受损是 C F R D经常 出现的问题 ， 导致这一 问题发生的主要原 因有气候 因素 ( 如混凝土的冻融 作用 ) 、 施工质 量 ( 例如 冲水或压实不足 、 浇筑缺陷 和止水片埋置 问题 ) ， 以及坝体 中应力超过 混凝土 面板阻力而发生沉降和不均匀变形。这种现象在建 于狭谷的高坝 中尤为突出。另一个渗漏易发 区域是 混凝土面板与趾板之 间的接缝 ， 止水埋置困难常使 接缝易张开， 从而引起明显的渗漏。这些 问题 的存 在可能会导致损坏的面板处或接缝处产生渗漏。 早在 2 0世纪 5 0年代后期 ， 合成预制土工膜就 已应用在大坝设计 中， 用于土石坝防渗 ， 或当原有防 渗帷幕遭到破坏时作为一种防渗修复措施。合成土 工膜的延展性能够抵抗可能引起混凝土面板开裂 的 不均匀变形 ， 因此在 C F R D修复中得到 了越来越广 泛 的 应 用。 若 制 作 方 法 得 当 ，厚 度 均 匀 ( 2 5 m m) ， 合成土工膜暴露 在紫外线下可 以保 证其耐久性和长期稳定性。特别是 P V C土工膜 的 使 用， 有许多成功实例可以证 明， 无论是整个上游坝 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 1 7 2 4 面的全面整修 ， 还是大裂隙分布 区或失稳接缝 等的 局部修复， 这一技术不仅可以保证修复的长期有效 ， 并且在跨越 张开度大的裂隙时能适应进 一步 的变 形 。本文介绍的 P V C土工膜护 面技术 的另一个优 点是在水上和水下都能施工 。 2 大坝修复前状 况 委 内瑞拉拉斯喀纳里塔斯( L a s C a n a l i t a s ) C F R D 坝 ， 又名图里密夸尔( T u r i m i q u i r e ) 坝， 坝高 1 1 3 I n ， 业 主为电力部环境委员会 ， 坝顶高程 3 3 5 m， 最高水位 3 2 8 m。大坝调节着内维里( N e v e ) 河 1 8 n l s 的流 量 ， 保证东北部地区持续供水 到 2 0 2 5年 ， 是约 1 0 0 万人 口的唯一饮用水源。 大坝建于 1 9 7 61 9 8 3年间 ， 是一座随机用料的 堆石坝 ， 石料压实层厚度 2 i n 。上游侧有 5 i n厚的 粗粒区( 粒径分级为6 5 mm到 1 8 0 m m) ， 单 次填筑 厚度0 5 m。上游坝面坡 比为 1 ： 1 4 H， 由 3 3块钢 筋 混 凝 土 面 板 构 成 。大 多 数 面 板 宽 1 5 m， 高 l 2 1 5 i n ， 坝顶处面板厚度 3 0 c m， 往下逐渐变厚 ， 到 坝基处达到 1 0 0 c m。对施工缝进行 了加 固， 并埋置 一 理 一 管一 与 一 行 ， 瑞士 A 史库埃罗 等委内瑞拉图里密夸尔混凝土面板堆石坝的水下修复 了 ， 止水 条 。 1 9 8 8年第 1 次蓄水 以来 ， 大坝经历 了几次大的 渗漏 ， 并采取 了各种 修复措施。大坝初次 蓄水 1 a 之后就 观测 到 了渗漏 ， 1 9 8 9年 7月 渗漏 量达 3 0 0 l Ms ， 随后降低库水位 ， 采用在上游 面填筑黏土材料 的方法进行修复 ， 渗漏量 降低 到 6 0 L s 。1 9 9 4年 ， 渗漏量再次增加 ， 达到 2 5 0 0 L s ， 采用两种不 同规 格的材料填充裂缝 的方法进行 了第 2次修 复 ， 渗漏 量降低 到 了 6 7 4 L s ， 但 随 即又增加 到3 1 7 3 IMs 。 1 9 9 6年发生的一次滑坡进行 了自然修复 ， 渗漏量降 低到 1 2 5 5 L s 。1 9 9 9年 9月 ， 渗漏量 又升至6 5 0 0 L s ， 随后进行 了第 4次修复， 采用 4种不 同规格的 材料填充裂缝 。2 0 0 0年采用粗颗粒材料加 X R 5型 不透水 土工膜 进行 了第 5次 修复 ， 修 复 面积超 过 4 5 0 m ， 这次修复结果不理想 ， 渗漏量达到 了9 8 0 0 l M s 。 采用多波束扫描声纳探测 ， 发现损坏 已经加重。 存在两个集中渗漏点 ， 一个在 2 4号面板下 ， 渗坑面 积4 1 m ； 另一个在高程 2 7 0 m处 的 9号面板下。 用遥控车 ( R O V) 对陷坑和裂缝做 了进一步探 测 ， 结果发现存在一个裂隙密集分布区域 ， 裂隙发育 方向杂乱无章 ， 长度 可达 7 m。分析认为裂 隙是 由 底部面板沉降所 引起 的。多处 出现混凝土剥落 、 胶 凝材料流失 ， 呈现蜂窝状结构。除了高程 2 7 5 2 8 5 m处面板受损外 ， 在 2 0 0 0年铺设的土工膜下还存在 一 个透水区。 由于锚 固不牢 ， 之前铺设的土工膜 已经发生局 部移动并形成大的起伏和皱褶 ， 部分周边锚 固区域 也 已发生移动。在高程 +2 6 0 m和 +2 8 0 m间， 距坝 趾 6 m处 ， 分布有连续 的沉积物和泥沙。2 0 0 8年夏 进行的测深表明， 趾板上 的沉积物厚 26 m， 而在 上游坝趾处沉积物厚度超过 5 m， 左坝肩处尤甚 ， 估 计右 坝 肩 2 4 2 5面 板 和 2 8 2 9面 板 处 的 沉 积 物 较薄 3 设计方案 检测和分析表 明， 面板 已损坏 ， 且之前实施 的所 有修复措施效果均不理想。 3 1 防渗设计 鉴于过去进行的所有修复措施都不专业 ， 业主 选择了一种 已被证实且具有成 功先例 的土 工膜技 术 。根据设计 ， 会在施工便利区域进行土工膜铺设 ， 不需要清理沉积物 。根据受损程度和轻重缓急 ， 防 渗作业分几个 阶段进行 ， 首先在 16区敷设 土工 膜 ， 总面积为 1 4 9 3 0 m ， 按照合同要求 ， 高程 +3 0 4 + 2 4 5 ， 要求渗漏量控制在 3 0 0 0 L s 。7区和 8 区， 渗漏不太严重 ， 暂不处理 ， 另签合 同。 由于水库 的主要 目的是供水 ， 因此水位可以降 低 ， 但必须要保证 满足人们 的用水需求 。业主决定 在最关键的区域施工 ， 保持最高库水位 2 9 5 m， 因此 许多修复作业需在水下进行。 2 、 4和 6区的土工膜 铺设工作在水上进行 ， 通 过悬吊移动式平 台作业 ； 1 、 3和 5区通过潜水员在 水下作业。最终设计开发了一种方法 ， 用来在混凝 土面板和趾板的纵缝问进行衬砌 ， 在第 2个 阶段业 主会清除沉积物 。P V C土工膜 ( 等 同于土工合成材 料 ) 一直铺设到距沉积物边缘 2 m处 ， 这 一距 离是 在清除沉积物时保护土工膜不受疏竣设备产生的吸 力影响而必须的。1 6区底部周 围预 留的 P V C土 工合成材料 ， 其宽度应超出周边密封缝 ， 使之与沉积 物清除后铺设的 P V C土工合成材料进行密封连接 。 沿 1 6区周边都采用相同的方法 ， 以便与 7区和 8 区的防渗系统相连 。 3 2表面处理设计 为减少土工膜铺设 的准备工作 ， 采用了各种土 工合成材料。在混凝土面板表面设置土工格栅 ， 其 抗拉性能可为陷坑上铺设的土工合成材料提供必需 的支撑力 ， 并防止土工合成材料在陷坑内发生撕裂。 在土工格栅上部的整个表面区域设置 由 2 0 0 0 g m 聚酯土工布构成的防穿刺层 。这种构造在之前的修 复中已得到成功应用。 3 3防渗土工合成材料 防渗衬垫为一种 S I B E L O N C N T 4 6 0 0的土工合 成材料 ， 将 3 m m厚 的土工膜压合到 7 0 0 g m 无纺 土工布制造而成 。由于要承受较高 的水压 ， 选择了 一 种强力土工合成材料。按照 I S 0 9 0 0 1认证 ， 土工 合成材料 由 C a r p i 公 司生 产 ， 成 品为2 1 0 m宽的布 匹状。水下铺设时 ， 先将 4个标准幅面的土工合成 材料预先焊接成 8 m宽的预制片， 尽量减少水下作 业 。为了检测双轨焊接 的强度和连续性 ， 按照 G R I G M6方法进行 了现场试验 ， 即在两条焊缝之 间注入 气压为 2巴( b a r ) 的气体 ， 并持续 5 mi n 。 2 5 2 0 1 4年 1 1 月 水 利水 电快报E WR H I 第 3 5卷第 1 l期 3 4 锚 固设 计 在水上和水下铺设土工合成材料 ， 锚 固方式不 同。水上铺设采用 C a r p i 专利生产的张拉设备进行 锚 固， 该设备已应用于世界许多工程 中， 并得到了国 际大坝委员会的认可 。使用该张拉设备主要是在张 拉开的土工合成材料上焊接 P V C土工膜条 ， 保证其 密封性。由于水下焊接不可行， 水下铺设土工合成 材料前要在水上焊接 。橡胶垫确保即使整个土工合 成材料处于受压状态也能形成一道结实的、 防水 的 焊接线 ， 与洛斯特克里克( L o s t C r e e k ) 坝中采用 的相 似。 竖 向缝合线 的间距为吸力因子的函数 ， 通过计 算确定 ， 因此在水上和水下是不 同的。设计假定在 水下锚 固( 在 1 ， 3和 5区中) 由于有水 的覆盖 ， 不受 风力影响 ， 因此缝 合线间距可稍大 ， 为7 4 1T I ， 而水 上缝合线间距为3 7 。这也使得在水下铺设土工 合成材料变得更简单 、 更快捷 、 更经济。间距选择还 要保证水上和水下部分的过渡简单有效 。 3 5周边密封设计 P V C土工合成材料周边锚 固采用机械密封法 ， 防止在水压作用下发生 漏水 ， 将规格 为 8 0 n l m 8 m m的不锈钢片压合到 P V C土工合成材料上。水上 周边密封采用 问距0 1 5 i n 的化 学锚 固定在 大坝表 面。针对水下周边密封 ， 根据工作环境的不同， 采用 等间距的机械锚固定在大坝表 面， 混凝土表面铺一 层环氧砂浆作为过渡层。在现场 1 9 8 m水头下完成 周边密封 已有成功的先例 ， 在试验室 2 4 0 m水头下 可以完成周边密封。这种方法 已应用于其他工程 ， 如普拉塔诺夫利斯( P l a t a n o v r y s s i ) 工程。 4 施工计划和进展 2 0 0 8年 l 0月 同 C a r p i 公 司签订 了施工 合 同。 2 0 0 9年 59月完成 了水上和水下施 工设备 的进 场 、 材料制作和运输工作 。 由于大坝位于偏远地区， 进场交通十分不便 ， 有 必要在大坝附近建造一个可容纳 7 O人的营地。现 场作业于 2 0 0 9年 6月开始 。 2 0 0 9年 1 2月 ， 随着 潜水员 进场 ， 开 始水 下施 工。潜水员从 3区开始作业 ， 其水位高程 3 0 6 m( 最 大潜水深度 6 1 m) 。最初确定的水上和水下安装分 界线为高程 2 9 5 m( 最大潜水深度 5 0 m) ， 于 2 0 1 0年 6月和 7月达 到。2 0 1 0年 2月 ， 基于 已有 的库水位 26 数据制定了工作计划 。以 2 0 0 9年历史水位线作 为 基准数据 ， 并假定水上作业时间约为 1 5 0 d 。 库水位具有不 可预测性 。2 0 1 0年特大降雨造 成库水位提前突然上涨 ， 与作为项 目工序分析的基 准数据 ( 2 0 0 9年水位线) 并不一致 ， 事实上水上作业 只能进行 5 8 d ( 即从 2 0 1 0年 4月到 2 0 1 0年 6月) 。 这种异常情况对工作计划 的实施产生了不利影 响。 总之 ， 库水位异常上涨对施工造成的影响可总 结为以下几点 ： ( 1 )水上施工无法继续进行( 2区和 6区) ； ( 2 )水深的明显加大 ， 使水下作业时 间大为增 加 ； ( 3 )水下作业效率降低( 潜水时间) ； ( 4 )合同时间延长 ； ( 5 )需提供完成新增水平周边密封所需要的特 殊终端设备和材料。 根据最初制定的计划 ， 政府部门调整 了思路 ， 打 算继续施工。2 0 1 0年 7月 2 7日决定将库水位维持 在 3 0 5 I n ( 最大潜水深度为 6 0 m) 直至 8月。但遗憾 的是， 强降雨使得该计划无法实施 ， 不得不再次进行 调 整 。 比较了最高库水位为 2 9 5 m条件下最初的设计 方案和最高库水位为 3 2 5 n l 条件下的最终修改设计 方案。分析发现 ， 差异就在 于施工最低 点的变化。 在原设计方案 中， 2区和 6区位 于最高库水位之上 ， 应是水上施工， 但结果变成了水下施工 ， 所 以取消了 这两个区。由于沉积物 比预期的厚 ， 缩小 了 5区的 范围。由于潜水深度 的增加 ， 1区的范围也有所减 小 ， 底部周边密封上移到高程2 7 3 7 m处。在库水位 允许的情况下 ， 将完成 1区无衬砌 的塌陷坑处 的防 渗作业 ， 堵住主要的渗漏通道。 合成土工膜铺设完成后 ， 如果需要 ， 还可以在其 上重叠铺设一层合成土工膜。 尽管缩小 了处理区域 的范围 ， 渗漏测量结果仍 非常令人满意。随着施工的开始 ， 渗漏量逐渐减少 ， 在一个关键区铺设应急土工膜之后 ， 渗漏量出现第 1 次突降。但 由于为临时性措施 ， 渗漏量又有所 回 升 ， 第 2次突降的出现与陷坑的处理同步 。随后 随 着土工膜铺设 的推进 ， 渗漏量稳步下降。 2 0 1 1 年 6月 ， 施工 接近尾 声 时 的总渗 漏量 为 2 3 0 0 L s ， 远低于设定 的允许渗漏量 3 0 0 0 L s ， 达 到了有效减少渗漏 的目的。 ( 下转 第 2 9页 ) 印度尼西亚 Y 尤努斯 等印度尼西亚卡雷贝工程概况 了基础。到 2 0 0 3年 ， 设计方 法和标 准被进 一步审 核 ， 作出的设计变更如下 ： ( 1 )将尾水渠挖深 ， 以增加水轮发 电机 的容量。 ( 2 )将发电机布置在溢洪道正下方 ， 配有水 电 设备 。 ( 3 )将导流设施改为明渠和涵洞。 ( 4 )拆除 3条溢洪道 中的 2条， 以增大排泄量。 ( 5 )将导流渠改为导流隧洞 。 ( 6 )将 大坝 导 流建 筑材 料 由 R C C变 为 L CVC。 ( 7 )将主坝的建筑材料 由 R C C变为 LC V C 。 ( 8 )改进帷幕灌浆设备。 ( 9 )在坝段 3处修建一交通隧洞 。 ( 1 0 )修改 了设计洪水标准。 5 坝体 变形分析 经评价 ， 坝体 自重和蓄水荷载可造成卡雷贝坝的 基础结构变形。水库上游 的静压力可造成坝体下游 面方 向的变形 。地震活动可造成坝体永久性变形。 5 1 由荷载引起的变形 借助 C A D A M软件 ， 采用有限元法 ， 对荷载造成 的坝身垂直和水平变形进行 了二维分析。 通过测量安放在坝顶和坝肩处 的标志桩 ， 以及 分布在坝段接缝处 的销子等参照测点的移动情况 ， 对变形分析结果进行控制。 5 2与地震相关的变形 由地震引起 的变形 ， 借助 C A D A M软件 ， 采用因 素分析法进行分析。用于计算由地震活动造成的永 ( 上接第 2 6页 ) 5 结语 久变形 的地震荷载基 于 F S L蓄水高度和最大可信 地震值得出。 计算地震荷载的最大复合荷载 ， 采用设计 基础 地震公 式 ， 这种百 年一 遇 的地震 出现 的可 能性 为 5 0 ， 地震地 面运动最大加速度取0 2 4 g 。计算极 端综合作用情况下的地震荷载 ， 采用最大可信 地震 公式 ， 地震地面运动最大加速度取0 4 5 g 。 5 3变形情况评价 尽管对地震引起的变形进行了分析计算 ， 但其 结果并未记录在设计报告中或研究材料中。大坝的 安全界限取决于最大变形结果 ， 且不超过 5 0 的保 证率 。而大坝的设计规范中还提到允许大坝出现漫 顶 ， 因为大坝 的结构稳定性分析结果表明， 在漫顶情 况下大坝依然安全。 6 渗流 与扬压 力 大坝上游面铺 设 了一层 C a r p i 防渗膜 ， 防渗效 果 良好。在每个坝段还设计 了垂直排水 ， 以降低扬 压力。因此 ， 实际的扬压力可忽略不计。然而 ， 在坝 体稳定性分析计算 中， 还是考虑了扬压力 。 7 结 语 卡雷贝电站落成之后 ， 拉罗纳河流域总水 电装 机容量达到 3 6 5 MW， 促进了镍的生产 ， 使镍产量在 今后 5 a内能够实现 1 2万 t 的目标。 随着卡雷贝项 目的成功实施 ， 今后 5 a内该地 区 将追加投资 2 0亿美元， 这将有助于改善拉罗纳河流 域与东鲁勿地区的经济状况和当地居民的生活水平。 ( 孟令 钦 朱 晓红编 译 ) 工程于 2 0 1 1年 6月 3 0 日完工 。截止到 2 0 1 3 年 8月 ， 图里密夸尔坝的水下修复工作非常理想 ， 合 成 P V C土工膜的机械锚固和张拉延伸到 了水下 5 0 m， 有些点达到了 6 5 m。水下铺设约 8 7 6 0 m ， 水上 铺设 1 3 4 5 m ， 总铺 设 面 积 占上 游 坝 面 总 面 积 ( 5 2 0 0 0 m )的 2 0 。 目前 来 看 ， 总 渗 漏 量 约 为 2 3 0 0 L s ， 远低于规定 的最大渗漏量 3 0 0 0 L s 。土 工膜 的柔韧特性不仅可以克服极端气候条件导致库 水位提前升高带来 的问题 ， 也 可以解决混凝土面板 严重受损引起 的问题。 实践证明， P V C土工膜护面是减少 C F R D渗漏 有效 的永久措施。水下铺设也取得了良好效果 。签 于其成功应用 ， 环境部正在筹资， 以将这一技术用于 图里密夸尔 C F R D更大范 围的防渗处理 ， 进一 步降 低渗漏量 。 ( 侯喻京 赵春 马贵 生编译 ) 29