貓兒巖溶洼水庫評價

黎 強 張貴金 曾柳絮

（長沙理工大學水利工程學院水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室 長沙市 410076）

喀斯特地區水資源豐富，但利用起來難度大，這些地區又極易干旱缺水[1～2]。中國喀斯特地貌分布廣泛、類型多，世界罕見。據不完全統計，總面積達200萬km2，其中裸露的碳酸鹽類巖石面積約130萬km2，約占全國總面積的1/7；埋藏的碳酸鹽巖石面積約70萬km2。西南地區巖溶總面積42.624萬km2，有史書記載大大小小的干旱數不勝數。2010年3月百年一遇的西南旱災，致使喀斯特地區水患問題嚴重影響到國計民生，甚至社會穩定。

喀斯特地區地表缺水的最大問題是集水困難，各類水利工程的重點是防滲堵漏。本文基于典型溶洼水庫——湖南永州貓兒巖水庫工程修建歷程的分析研究和現狀綜合評估，總結修筑溶洼水庫的經驗和教訓，為相似工程提供參考與借鑒。

1 貓兒巖水庫安全評價

1.1 工程概況

貓兒巖水庫位于湖南省永州市的西南側，與廣西壯族自治區全州縣毗鄰，在湘江一級支流——石期河的上游。壩址在永州市芝山區大慶坪鄉排家洞村，東經111° 15′，北緯25°53′。水庫所處的大慶坪是以石灰巖為主的喀斯特地區，也是湖南省、廣西區交界區域聞名的干旱死角，而轄區內地下水資源又十分豐富，主要由貓兒巖水庫、幸福壩、潮水江、清水頭等水系構成地下水布局。

貓兒巖水庫建于天然溶井的巖壁上，溶井呈圓形，直徑（200～250）m，底板高程420.0m，溶井四周多為陡壁，山嶺高程642.0m，北東有一埡口，高程520.0m。地下河從埡口旁邊進口，溶洞寬（20～25）m，高（30～35）m，中部偏左側有一石柱（俗稱牛鼻坎），石柱厚20m，長40m。

通過封堵地下暗河成庫，水庫上下暗河段連續長度3 km，上游明河段9km，是地下庫容與地表庫容連成一體的水庫工程。樞紐工程由主壩、副壩、灌溉發電隧洞、防空底孔和溢洪隧洞組成。貓兒巖水庫主壩設計為漿砌石拱壩，修建于貓兒巖天然溶洞進口處，呈不標準圓筒狀，壩體底部厚7.0m，頂部厚5.0m，下游壩面寬度20.2m。壩高38m，壩頂高程458.0m，壩頂與上部巖石相接，實際上不屬于水工結構意義上的拱壩。

1.2 修建歷史

1966年開始筑壩引水，經斷續多年的實踐摸索，1976～1978年在暗河進口處修建漿砌石拱壩，因未對壩址地質進行勘察，部分壩體砌筑在膠結不好的塌落體上。1979年4月28日關閘蓄水，當水位上升到高程460.0m時，壩基漏水嚴重，水庫放空后幾次處理都不成功。1983年進行了詳細深入的勘探，在壩前進行了鉆孔灌漿堵漏處理。1985年5月再次蓄水，壩前水深達40m，水位保持近4個月，因水泥漿凝固不好，9月中自壩基巖溶洞隙被壓穿。1985～1990年，經專家會診和多次論證后，最終在壩下20m處找到了深層漏水溶槽，第二期采取用漿砌石和混凝土封堵深層漏水溶槽及帷幕灌漿等一系工程措施，1990年蓄水成功（蓄水深度達到82.0m，蓄水位492.0m，庫容2340萬m3），但未對壩體加固。

目前貓兒巖水庫灌區在湖南境內可惠及永州市4個鄉和38個村，在永州的總灌溉面積為2413.6hm2，加上地下水庫通過地下溶洼連通的廣西境內的灌溉面積可達4143.3 hm2。現水庫正常蓄水位500.0m，相應的庫容約3253萬m3，校核水位為505.033m，相應的庫容約3934.3萬m3。

1.3 安全評價

從1990年蓄水成功到現在，經過多年蓄水運行，最大蓄水位僅496.0m，從未達到正常蓄水位（500.0m），加之壩體一直未進行加固處理，壩體及庫區存在嚴重的滲漏隱患，極大地影響到其灌溉效益發揮，嚴重制約湖南、廣西交界廣大地區的農業生產和居民生活，十分必要對水庫現狀結合評價再做系統加固處理。

（1）壩體穩定計算。

考慮貓兒巖拱壩的特殊性，由于暗壩壩頂實際與上覆巖體連接，形成四周固結，這與傳統意義上的拱壩不同。為便于使用拱冠梁法計算，并與有限元方法計算結果進行比較，在構建有限元計算模型時分兩種進行：模型1（圖1）為不考慮壩頂上覆巖體模型；模型2（圖2）為考慮壩頂圍巖體，將壩頂巖體與壩體作為整體建模。對模型1與拱冠梁法選擇兩種工況為：工況1-1（已達蓄水位），工況1-2（設計洪水位）；對模型2選擇三種有代表性的控制性工況考慮，為:工況2-1（已達蓄水位），工況2-2（設計洪水位），工況2-3（校核洪水位）。在計算中，物理參數取值見表1。

圖1 貓兒巖拱壩計算模型1網格圖

圖2 貓兒巖拱壩計算模型2網格圖

表1 壩體、壩基物理參數表

由于該工程設計地震烈度不大于6度，根據規范[3]不考慮地震荷載，且壩體常年處于死水位之下不考慮溫度荷載。全部工況計各種水位+自重。水庫已達最高蓄水位496.0m，設計洪水位503.346m，校核洪水位505.03m。

圖3～圖7是有限元法的數值計算模型1和拱冠梁法計算得出的在工況1-1和工況1-2的各項拱冠梁位移、應力值和左拱端上下游應力值的比較結果。

圖3 拱冠梁法和有限元法拱冠梁位移比較圖

圖4 拱冠梁法和有限元法拱冠梁上游應力比較圖

圖5 拱冠梁法和有限元法拱冠梁下游應力比較圖

圖6 拱冠梁法和有限元法左拱端上游應力比較圖

圖7 拱冠梁法和有限元法左拱端下游應力比較圖

在應力計算中，雖然有限元法計算所得應力突變較大，拱頂和拱底與巖石的交界面處應力集中，但從圖3～圖7可得出拱冠梁法和有限元法計算結果應力分布規律基本一致，所以對該復雜工程中的結構模型進行有限元法分析是合理的。

表2、表3是模型二在工況2-1至工況2-3的應力位移計算值。

表2～3結果表明：有限元計算的應力值及分布規律符合一般拱壩的應力分布特點[4]，但上游面最大拉應力和下游面最大壓應力出現在壩體和巖體的界面上，這是由于計算模型的幾何形狀突變產生的應力集中現象，不宜作為檢驗壩體是否滿足設計應力控制要求的依據。規范[5]規定用有限元法計算時，應補充“有限元等效應力”，對于基本荷載組合，“有限元等效應力”求得的壩體主拉應力不得大于1.5MPa。根據規范對有限元等效應力的定義，用有限元計算出應力后，沿徑向積分，求出內力，然后用材料力學方法求出有限元等效應力，目的是消除應力集中現象[6]。經計算，最大等效應力主拉應力小于1.5MPa，3種工況的上游最大拉壓力均稍大于規范允許的1.5MPa內，需要加固。表4給出了模型2在各工況下左、右岸拱座有限元法的內力計算成果根據壩體傳到拱座分界面的內力，自重荷載，計算得到拱座抗滑穩定安全系數。

表2 有限元法拱冠梁處順河向位移和拱冠梁應力表

表3 有限元法拱端應力表MPa

計算得到的拱座各分層抗滑穩定安全系數表反映出，右拱端拱座抗滑穩定安全系數均大于規范值，滿足規范要求。左拱端牛鼻坎拱座抗滑穩定安全系數K值均小于規范值，不滿足規范要求。建議對牛鼻坎進行除險加固，必要時對局部破損處、裂隙發育、巖體破碎部位進行加固。

表4 拱座抗滑穩定安全系數k

（2）滲漏分析。

貓兒巖水庫雖地處灰巖地區，但庫區地質條件得天獨厚，整個地下水沿北東向管道匯集于貓兒巖壩區，具有良好的溶洼成庫的地質條件。壩基及壩肩巖體為厚層灰巖，堅硬完整，穩定性較好，防滲效果較好。

壩體下部的河床及溶槽為沖積物充填物，是滲流的主要部位，基礎防滲也是本工程能否蓄住水和發揮效益的關鍵所在。大壩建成后，壩基漏水嚴重，一度成為干庫。壩底巖基曾于1979年4月被水擊穿，后經詳細深入地勘探，在壩前進行了鉆孔灌漿封堵處理。由于水泥漿凝固不好，1985年9月中旬壩底巖基再次被擊穿。后經查明主要滲漏通道為沿F2、F5斷層形成的隙狀溶洞產生。經洞挖混凝土堵塞，預埋管灌漿處理，蓄水成功。從貓兒巖水庫多年加固處理過程來看，主要是針對該基礎進行防滲處理。通過對深層漏水溶槽進行開挖至弱風化層，并采取混凝土封堵處理，防止壩底巖基再次被壓穿。

但建壩時清基不徹底，局部存在松散巖體，開挖至弱風化層，采取混凝土封堵處理只針對主要的溶槽進行。由于未進行系統的防滲處理，可能存在深部斷層帶，因此，仍存在壩基滲漏隱患。

大壩下游白巖口暗河仍有相當的水流，目前不清楚水流的具體來源，不排除壩區仍存在較大的滲水通道。且放空底孔閘門止水橡皮已部分破壞，并有漏水現象。當庫水位超過496.0m時，漏水嚴重。在壩的下游約400m，暗河出口的北巖口暗河平時流量約0.6m3/s，洪水期流量約0.6m3/s，這些水一部分來自放空底孔閘門處的漏水，另外可能來自庫區及基礎的滲水。需采用帷幕灌漿進行系統地防滲處理，根據鉆探及壓水試驗分析，帷幕須深入到下部泥灰巖夾層，至380.0m高程為宜。

沿右側F5斷層仍存在滲漏通道。據管理所長期觀察，在近暗河出口內（8～10）m處，沿F5斷層發育一分支裂隙狀溶洞，庫水沿此經主壩右側壩肩滲漏至壩下游。

據測繪調查，壩前西側埡口沿F6斷層有巖溶通道。當庫水位上升至490.0m高程時，埡口斜坡多處塌洞，呈東西條帶分布。西側洼地490.0m高程洼地多處冒水，涌水量達200L/s，且隨庫水位升高而增大。這是岸部向鄰谷滲漏的主要隱患，致使水庫始終未達到正常水位的主要地質因素之一。F6斷層破碎帶處需設防滲帷幕，其深度應置入480.0m高程以下。

2 結 語

盡管在喀斯特地區建設溶洼水庫經驗的成分較多，難以總結出系統的理論，但要很好地解決這些地區的水問題，充分利用地下水資源，建設溶洼水庫是一條重要途徑。需要不斷總結經驗，加大投入力度，充分利用先進科學技術，采用新材料新工藝，準確有效實施防滲堵漏，以保證溶洼成庫，實現長期穩定運行效益。以下幾方面值得注意：

（1）庫區選擇。

地質構造上最好呈一個小區水文網系發展擴大的單向縱谷，中間應沒有復雜、明顯的歸并與復合，形成的水文系統應基本上是單一的管道形式，即下游只有一個主排泄口（該市的清水頭水庫屬此類型）；或者庫區雖有兩個或多個水文網系，匯流成一個主排泄道。貓兒巖暗河分支甚多，主河道呈“y”形，應屬此類。基底應為隔水層組成。兩岸應有較高的地下分水嶺。按上述條件選擇庫址，既可保證庫水不向鄰谷漏走，又可在暗河咽喉部位進行堵截和防滲處理，費用較省且成功率高。

（2）庫壩選址。

貓兒巖水庫于1976～1978年在暗河進口處修建漿砌石拱壩，因未對壩址地質進行勘察，部分壩體砌筑在膠結不好的塌落體上，使得壩基漏水嚴重，經過多次處理才蓄水成功。所以選址是關鍵問題，經驗得出選址一般選擇地下河洞體巖體穩定、工程量小、洞徑較小處的匯流管道處堵洞筑壩。能保證支承壩體承受最高水頭壓力的穩定性，易進行基礎的處理，能有效地堵截漏水通道。

（3）地質勘探。

貓兒巖水庫改建工作為1971～1985年，其主要原因是沒有做好地質勘探工作，盲目施工所致。溶蝕洼地伴隨著巖溶管道系統的形成，有些地下管道存在于溶蝕洼地底部[7～8]，所以地質勘探困難大，要準確摸清地下溶蝕情況，需要綜合利用常規地質勘探方法、地球物理方法，甚至同位素示蹤等，但成本巨大，也很難完全搞清準確的地質。所以查清地下管道的分布、發育情況還需要找到更為經濟、準確的方法。

（4）防滲堵漏方法。

滲漏的防治問題是建庫成功的關鍵。防滲工程設計施工難度大。巖溶地區的防滲堵漏，要選用經濟耐久的防滲材料，不同溶蝕巖體的防滲施工技術要求非常高。應根據掌握的地質資料因地制宜，采取合適的防滲堵漏方法，如淺部滲漏，采取清基開挖處理較好，如深部滲漏，可作灌漿處理；其次，受巖溶水的長期溶蝕，庫區可能形成新的滲漏通道，工程結構材料的溶蝕弱化也會造成滲漏，巖溶水環境下的耐久性問題突出，需要在新材料、新工藝、新技術方面的開發利用上繼續探索，發展多種注漿工藝及注漿施工技術。

1 賀衛,李坡.喀斯特峽谷區工程性缺水原因及解決途徑—以貴州省花江峽谷示范區為例[J].資源與環境,2010,26(2):129-133.

2 徐社輝,蔣忠誠,覃小群等.論我國西南巖溶區溶洼水庫工程建設[J].2007,5(2):18-21.

3 DL5073-2000.水工建筑物抗震設計規范[S].

4 黎展眉.拱壩多拱梁法兒種非圓弧拱比較[J].貴州水力發電,1999, (2):25-29.

5 SL548-2006混凝土拱壩設計規范[S].

6 朱伯芳.論拱壩應力控制標準[C].2002.

7 周大連,唐樹梓.貓兒巖暗河水庫特征及漏水處理[J].水利水電建設,1992,4:30-34.

8 廣西第一水文隊.中國區域水文地質調查(靖西篇)[R].廣西地質出版社,1973.