煤幺寨水庫均質土壩安全復核及壩體補強加固防滲處理

代彬彬，朱曉萌，楊 冰

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550002；3.四川大學水電學院，四川 成都 610207)

煤幺寨水庫位于修文縣六桶鄉境內的石林村，距修文縣城55km，距息烽縣城15km。水庫涉及流域為烏江水系一級支流劉家溝河的一小支流。水庫大壩距花榔-九莊公路500m，無上壩公路，交通不便。水庫壩址以上流域集水面積經本次復核為0.61km2，主河長1.1km，河道平均比降60.0‰。工程始建于1965年，于1968年竣工并投入運行。工程建成后壩體滲漏較為嚴重，浸潤線較高，不能正常蓄水。雖歷經1993年和2001年除險加固處理，但防滲效果不佳，滲漏問題依然很嚴重。且經歷多年運行后，上游壩面干砌塊石護坡局部脫落淘空、壩基與右壩肩滲漏等問題，已嚴重威脅到大壩安全[1]，急需采取合理的工程措施進行除險加固修復處理，確保大壩安全蓄水與安全泄洪。

1 壩基(肩)水文地質評價及滲漏分析

1.1 壩基(肩)水文地質評價

壩線地層單一，巖性變化大，主要為二迭系上統龍潭組(P2l)淺灰色、灰色粘土巖、硅質泥灰巖，壩基出露基巖為硅質泥灰巖，左岸小面積出露粘土巖，右壩肩為粘土巖、泥晶石灰巖夾煤，兩壩肩巖性差異較大、較復雜，水文地質條件較復雜。壩址為縱向河谷，庫水易沿基巖走向滲漏，河谷形態于水庫防滲不利[2]。

壩區雖有可溶蝕性較強的硅質泥灰巖，但其厚度不大，溶蝕不可能大規模發育，粘土巖屬弱巖溶發育巖。鉆孔ZK01位于右壩肩，揭示在高程1172.1～1178.1m段巖體極破碎，節理、裂隙密集發育，有明顯的地下水活動痕跡，該段鉆孔過程中不返水，為硅質泥灰巖；鉆孔ZK04位于壩軸線中心左側，揭示在高程1169.1～1178.1m段巖體較破碎，斜向裂隙發育，多為泥質充填，膠結較差，有地下水活動痕跡，該段鉆孔壓水試驗呂榮值為9.89。其他2個鉆孔壓水試驗相對ZK01、ZK04較好，巖體相對較完整，壩基基巖風化厚度約10.0～14.5m。總體來看，壩區地層巖溶弱發育或不發育，只有沿強風化基巖裂隙及基巖層面有輕微的潛蝕。經查，滲漏點S1位于壩基排水棱體處，高程為1160.6m，滲漏量約0.2L/s；滲漏點S2位于一級馬道壩軸線中心附近，高程為1172.0～1173.0m，滲漏量約0.2L/s；滲漏帶S3位于右壩肩，高程為1170.0～1177.0m，寬約5.0m，滲漏量約0.3L/s。

1.2 壩線風化帶劃分

根據野外地質踏勘及鉆探資料分析，壩線強風化分帶深度見表1。

表1 壩線強風化帶深度

由于現水庫不能蓄水至正常水位，水壓力小，基巖巖性為硅質泥灰巖、粘土巖，阻水效果相對較好；壩體填筑土料取樣試驗結果分析，土料滲透系數為2.02×10-4～4.91×10-4cm/s。由此可推斷S1、S2及S3滲漏原因為建壩時清基未徹底，加之填土料不均，庫水沿強風化層基巖裂隙、基巖走向及壩體空隙滲漏所致[3]。

1.3 壩基(肩)滲漏分析

壩基出露基巖為硅質泥灰巖，左岸為粘土巖、泥巖，右壩肩為粘土巖、泥晶石灰巖夾煤線。初步分析，S1滲漏點為集中滲漏，沿壩基接觸帶滲漏，其滲漏量較小，初步推斷滲漏原因為建壩時清基不徹底，存在耕植層、腐爛樹根等導致庫水沿強風化基巖裂隙、空隙等產生滲漏，或建壩時，壩體填料局部夾有風化碎石及部分殘積土，庫水從碎石顆粒間隙和浮土空隙中滲出而形成；S2滲漏點為集中滲漏，屬壩體滲漏，初步推斷滲漏原因：①壩體填料局部夾有風化碎石及部分殘積土(填料不均)，庫水從碎石顆粒間隙和殘積土空隙中滲出而形成；②壩體填筑施工過程中碾壓不均，分段、分層結合不好，存在空隙和接觸沖刷，從而引起滲漏；S3滲漏點為帶狀滲漏，屬繞壩肩滲漏，初步推斷滲漏原因為庫水沿壩肩強風化基巖裂隙破碎帶、基巖層面滲漏或壩體與岸坡結合面接觸不緊密引起滲漏[4,5]。壩肩及壩基接觸帶滲漏總量約0.7L/s，由于該水庫集雨面積小(約0.58Km2)，來水量有限，為保障水庫周邊居民飲水及灌溉安全，建議對水庫大壩結構進行全面滲流及穩定復核，并采取有針對性的防滲加固修復處理工程措施。

2 大壩滲流性態分析及穩定安全復核

由于大壩建設時存在設計標準低、施工質量差、質量監控不到位、后期運營維護不規范等原因，給大壩穩定運行埋下較大安全隱患。大壩自建成投運后，就存在滲漏嚴重、浸潤線較高、不能正常蓄水等問題，水庫長期處于帶病運行[7]。為掌握煤幺寨水庫均質土壩現狀運行狀態，并合理優選與壩基(肩)滲漏病險類型相匹配的除險加固防滲處理工程措施，結合大壩特性參數評估大壩滲流性態和整體抗滑穩定性[8]。

2.1 壩體結構材料特性

筑壩材料壩體為粘土，壩基為泥巖、泥質灰巖。土工試驗表明，壩體粘土滲透系數為2.02×10-4～4.91×10-4cm/s，計算采用4×10-4cm/s；壩基基巖滲透系數為1.0×10-4cm/s。壩體粘土容重為18.5kN/m3，內摩擦角為11.4°，凝聚力31.4kPa；壩基泥巖、泥質灰巖容重為25.0kN/m3，內摩擦角為22°，凝聚力180kPa。

2.2 大壩滲流性態分析

根據SL744- 2016《水工建筑物荷載設計規范》和SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》要求，擬定2個工況進行滲流計算[8- 9]：①庫水位為正常蓄水位1179.30m；②庫水位由正常蓄水位降至死水位1171.80m。壩體滲流計算采用河海大學編寫的Autobank7.05軟件《滲流分析計算》。分析結果表明，正常蓄水位穩定期壩體單寬滲流量0.749m3/d，按壩基寬度50m，則滲流量約0.435L/s。滲流作用下土體開始發生滲透破壞的水力臨界坡降按太沙基公式計算，取Gs=2.71，e=1.07，安全系數為2，則大壩粘土允許抗滲坡降[J]=0.415。根據SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》有關規定，對大壩滲流情況進行了計算分析，通過正常蓄水位和校核洪水位滲流計算結果得到兩種情況下滲透比降等值線，如圖1和圖2所示。

圖1 正常蓄水位穩定滲流滲透比降等值線圖

圖2 庫水位降落期滲透比降等值線圖

從圖1和圖2滲透坡降值表明：①穩定滲流期壩面土體溢出滲透比降為J=0.269，小于壩體粘土允許滲透比降[J]=0.415。②水位降落期，下游壩坡溢出滲透比降為J=0.277，小于壩體粘土允許滲透比降[J]=0.415。因此，大壩在不同運行工況條件下，其滲透比降均小于規范限值，滲流性態滿足規范要求，壩體不會發生滲透破壞。

2.3 壩體抗滑穩定安全復核評價

煤幺寨水庫壩體為均質土壩，壩頂高程1155.0m，最大壩高13.7m，壩軸線長70m。工程屬5等工程，大壩等主要建筑物為5級。煤幺寨水庫大壩穩定安全復核，根據SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》及SL189- 96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》進行計算，目的是論證壩體在自重、各種工況的孔隙水壓力和外荷載作用下的穩定性[10]。

根據SL744- 2016《水工建筑物荷載設計規范》和SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》的規定，考慮壩體運行情況以及可能遇到的最不利情況，擬定3種計算工況對煤幺寨水庫均質土壩的整體抗滑穩定性進行全面安全復核，即：①工況1：正常蓄水位1179.30m時穩定滲流期的上、下游壩坡；②工況2：水庫正常蓄水位1179.30m降至死水位1171.80m即降落期的上游壩坡；③工況3∶1/3壩高水位的上游壩坡。

壩坡穩定計算方法為剛體極限平衡法，采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法進行分析，采用河海大學編寫的Autobank7.05軟件《邊坡穩定分析》進行計算。壩坡穩定計算采用優選法找出最危險滑動面及最小安全系數。大壩在不同荷載組合工況條件下上、下游壩坡穩定性分析成果見表2。

表2 煤幺寨水庫均質土壩抗滑穩定分析成果

從表2可知：通過對壩體典型剖面抗滑穩定計算，正常蓄水位壩體穩定滲流期上游壩坡抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求，下游壩坡抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求；庫水位由正常水位降至死水位高程上游壩坡抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求；1/3壩高庫水位的上游壩坡抗滑穩定最小安全系數均滿足規范要求。

3 大壩防滲補強加固修復處理

3.1 除險加固灌漿防滲措施

鑒于煤幺寨水庫壩基(肩)滲漏問題，為保障大壩安全并減少滲漏損失，須進行壩體、壩基(肩)接觸帶防滲加固處理。結合國內技術水平及煤幺寨水庫實際情況，擬選充填灌漿、高壓旋噴灌漿兩種方案進行比選。充填灌漿設備及施工工藝簡單、機動靈活、便于操作、易于掌握、工效高，而高壓旋噴灌漿方案施工機械要求相對較高，施工相對較復雜，造價高。為防止壩體和壩基滲透破壞，減少壩體、壩基及繞壩滲漏量，結合煤幺寨水庫的實際情況，經綜合比較，壩體采用能夠滿足水庫運行要求的充填式灌漿處理方案，同時對兩岸坡及壩基進行常規帷幕灌漿防滲處理。根據現場實際情況，防滲灌漿孔孔距為3m，分3序次進行，其帷幕深度確定約為0.7倍壩高，并可在施工中通過先導孔的勘探結果進行調整。除險加固灌漿總量為2078.5m，其中帷幕灌漿量為841.0m，充填灌漿量為1018.6m，無效進尺218.9m。

3.2 壩體充填灌漿質量控制

充填灌漿壓力不得超過0.5MPa，采用循環式自下而上分段灌漿法，分段長5m，灌漿管管口距段底不得大于50cm。壩體和基巖的接觸段應單獨灌漿處理。灌漿材料為粘土水泥漿，在吸漿量特大的灌漿段摻用一部分細砂和促凝劑，水泥用量約材料占總量的15%；接觸帶及深入基巖2m灌漿段水泥用量約材料占總量的30%。水泥采用P.O32.5號普通硅酸鹽水泥。促凝劑主要采用氯化鈣，摻用量為水泥重量的3～5%。漿液由稀到濃逐級變換，水灰比可采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1等7個比級。當漿液升至管口，經連續復灌3次不再吃漿時，即可終止灌漿；當每孔灌完后，可將注漿管拔出，注灌漿容重大于1.5t/m3的稠漿，如漿面下降，可繼續灌注稠漿，直至漿面升至壩頂不再下降為止。每孔灌完后，待孔周圍泥漿不再流動時，將孔內漿液取出，掃孔到底，可向孔內灌注稠漿或用含水量適中的制漿土搗實。灌漿要求最終滲透系數小于1.0×10-5cm/s。

3.3 壩基防滲帷幕灌漿質量控制

帷幕灌漿壓力孔口起灌壓力為0.3MPa，自基巖面以下5m開始，巖石每加深1m，灌漿壓力增加0.05MPa，但最大灌漿壓力不得超過1.0MPa。采用循環式自上而下分段灌漿法，每3～5m為一段，待上一段灌漿初凝或終凝后，按照規范要求時間進行掃孔，并進行下一段的灌漿，周而復始的進行。各灌漿段灌漿時必須下入灌漿管，管口距段底不得大于50cm。先導孔可在1序孔中選取，其間距不宜小于15m，或按該排孔數的10%布置。灌漿材料為水泥漿，在吸漿量特大的灌漿段摻用一部分細砂，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥。灌漿從5∶1稀漿開始，以后按 5∶1、3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、0.8∶1的濃度變換。在規定的壓力下，單位吸漿量不超過0.4L/min延續30min，即可以結束灌漿。但每一灌漿段的灌漿總時間不低于1h。灌漿過程中遇有回漿變濃現象，最終單位吸漿量小于1～2L/min時，也可結束灌漿。在全孔灌漿完畢后，將灌漿窗設在孔口處，進行全孔回填灌漿，從稀漿開始，依正常方法進行灌漿。當單位吸漿量小于0.4L/min時，在即改灌0.6∶1的濃漿結束。壓力采用0.5MPa。灌漿后，如孔內空余深度仍大于5m，還要第二次灌漿封孔，直到空余深度小于5m后，再采用人工封孔法將孔口處填灌灌實。灌漿要求最終滲水率≤5Lu。

4 結論

(1)在煤幺寨水庫均質土壩防滲加固修復處理過程中，不僅結合壩體結構特性合理采取灌漿等工程措施有效解決壩基和壩肩滲漏問題，同時還須充分考慮壩體結構應力分布改造和防滲體耐久性等問題，確保防滲方案具有較高的技術經濟性。

(2)煤幺寨水庫均質土壩由于設計標準較低、施工質量較差、除險加固土工膜防滲效果不佳等，導致水庫長期處于帶病運行工況，浸潤線較高、不能正常蓄水，壩基(肩)滲漏加重，嚴重威脅到大壩運行的安全穩定性。

(3)經壩體滲流性態和抗滑穩定性全面復核，大壩雖整體滲流性態和結構穩定性均較好，符合規范指標要求。但壩基和壩肩存在的滲漏加劇問題，嚴重威脅到大壩的正常蓄水與安全泄洪。采取充填式灌漿為主，輔以兩岸坡及壩基常規帷幕灌漿的組合防滲方案，對大壩進行全面防滲加固修復處理后，壩體內部漏水通道、壩體空洞和裂縫等能得到有效充填，壩體結構也能得到有效加固，為大壩安全穩定性運行營造了良好條件。

[1] 武朝陽. 某均質土壩除險加固效果評估分析討論[J]. 甘肅水利水電技術, 2015, 51(03): 34- 36．

[2] 張建平. 小型水庫除險加固工程設計問題的探討[J]. 水利規劃與設計, 2013(04): 81- 82．

[3] 陳耿, 李智高. 平果縣敢懷水庫巖溶滲漏分析及評價[J]. 廣西水利水電, 2015(06): 1- 3．

[4] 邵帥. 昌圖縣大泉水庫除險加固措施[J]. 水科學與工程技術, 2016(05): 57- 59.

[5] 黃婭婷. 夏布里克水庫除險加固工程大壩施工設計[J]. 水利規劃與設計, 2014(06): 87- 88．

[6] 孫啟亮, 謝軍. 友誼漿砌石拱壩穩定分析[J]. 吉林水利, 2010(11): 33- 34．

[7] 宋憲武, 葉青, 宋振剛. 大河水庫除險加固工程中土壩防滲設計與施工[J]. 水利規劃與設計, 2010(02): 61- 63．

[8] 李云萍. 土壩灌漿質量評定存在的問題及探析[J]. 水利建設與管理, 2012(12): 40- 43.

[9] 陳瑞明. 土壩+砌石壩的混合壩除險加固防滲設計[J]. 水利科技與經濟, 2013, 19(11): 24- 25．

[10] 閆維恒. 水力學法和數值計算法在土壩滲流穩定分析中的應用[J]. 水利規劃與設計, 2017(04): 61- 64．