中型均質土壩滲漏風險分析及加固處理對策
——以西坑水庫為例

仇志剛

(佛山市高明區西坑水庫工程管理處,廣東 佛山 528000)

1 工程概況

西坑水庫位于佛山市高明區高明河支流楊梅河上游的楊和鎮西坑村境內。于1973年冬季動工興建，1976年10月竣工投入使用，主要樞紐建筑物有攔河土壩、河岸式溢洪道、輸水涵管，是一座以灌溉為主， 結合防洪、備用水源等綜合利用的中型水庫。

水庫壩址以上控制流域面積10.82 km2，河長4.99 km，河道坡降3.19%，水庫灌溉面積533.33萬hm2。大壩設計洪水標準為50年一遇(P=2%)，校核洪水標準為1000年一遇(P=0.1%)。正常蓄水位為110.30 m，相應庫容為819.00萬m3；設計洪水位為111.98 m，相應庫容為964.01萬m3；校核洪水位為112.77 m，總庫容為1026.25萬m3；死水位為92.00 m，死庫容為37.00萬m3。西坑水庫大壩評定為三類壩，工程存在較嚴重質量缺陷與安全隱患，不能按設計工況正常運行，建議盡快進行除險加固。

2 大壩病險勘察

西坑水庫勘察工作包括：西坑水庫安全鑒定，西坑水庫除險加固工程可行性研究。本次是在前期2次勘察成果的基礎上進行補充，共鉆孔7個，均為控制孔，進尺169.70 m，土樣29件，巖樣17件，標貫38次，水樣2件，壓水試驗4段，水泥漿封孔7個，量水位7次。

2.1 庫區工程地質條件

水庫庫岸為山地地貌，地勢陡峭，流域范圍小，無滲漏問題。水庫四周山體以殘積土、全風化～中風化組成，植被較發育，未破壞程度較小，危險性小。水庫有溢洪道和排水管涵，正常溢洪不存在淹沒問題。庫區周邊多由殘積土組成，植被發育好，水庫儲水、流域面積小，庫岸受水流沖刷較小，水庫固體徑流量小，目前庫內淤積問題一般。

2.2 壩體和壩基評價

2.2.1 壩體評價

大壩為碾壓式均質土壩，現壩頂高程 114.2 m，防浪墻高0.6 m， 壩底高程84.7 m，最大壩高 29.5 m，壩頂長度193 m。大壩填土密實度局部壓實效果欠佳，填料 均勻性稍差，大壩填土共做注水試驗21段，4段為微透水，12 段為弱透水，5段為中等透水。中等透水主要分布在背水坡，大壩壩頂局部中等透水。

在壩體土層內做標準貫入試驗15次，實測擊數為 11～15擊，平均13.3擊，校正擊數為9.1～13.0擊，標準擊數12.7擊，試驗說明壩體填土密實度局部不均勻。壩體取樣共9組做顆粒和黏粒分析，其中10 m以上深度部分黏粒含量<10%范圍，部分黏粒含量在10%～30%范圍；10 m以下取樣1組在10%～30%范圍，說明壩體土料黏粒含量部分合格(見表1)。填土土料屬微～中等透水性。從鉆孔水位觀測及土體含水量分析，壩體浸潤線水位高程在大壩軸線一帶(從ZK1-ZK4-ZK7-ZK5-ZK6)為105.82 m～106.65 m～106.74 m～96.63 m～90.30 m，可知浸潤曲線已形成。

表1 壩體填土擊實試驗結果統計

從上述統計指標中可看出，按天然干密度與最大干密度比較，大壩壩體填土壓實度為 81.57%，說明壓實度達不到規范要求(96%～98%)。

均質土壩為黏性土填筑而成，壩體填土干密度稍低，壓縮性稍高，孔隙比較大，壓實度達不到規范要求，通過注水試驗結果，本大壩填土透水性屬微～中等透水性，以弱透水為主，次之微透水和中等透水，中等透水主要位于大壩背水坡，大壩頂局部中等透水[1]。在透水性為中等透水的部位可能存在滲漏問題，建議進行注漿處理。大壩在高水位或上游護坡受到破壞的工況條件下運行，壩體及壩體與壩基接觸部位滲漏和滲透穩定問題會突出，危及大壩安全運行[2]。

大壩壩頂存在縱向裂縫，特別是左壩頭和右壩頭縱向裂縫最為明顯，壩頂局部區域還存在不均勻沉降現象引起的小裂縫。

在高水位運行期背水坡的兩級馬道之間存在“牛皮脹”現象。物探檢測成果總體表明，大壩填土不均勻，密實度較差，特別是二級馬道壩中以及靠右側上下區域含水量較大，密實度最差，為可能的滲漏通道。

總之，大壩填土不密實，均勻性差，壓實度不夠，不能滿足規范對壩體填土壓實度的要求；同時壩體填筑土滲透性差異較大，總體為弱透水，但局部存在中等透水，筑填土與原狀巖土接觸處是一個軟弱結構面。

2.2.2 壩基評價

壩基評價包括壩基滲漏及滲透穩定。壩基上部土層礫質黏性土層、全風化巖層、強風化巖層、中風化巖層。礫質黏性土層、全～強風化巖層屬于微～中等透水性；中風化巖層屬于中等透水性。因此，壩基屬于微～中透水性，壩基滲漏問題局部存在。其地質病險主要位于壩體與壩基接觸帶，在高水位及正常蓄水位運行條件下對壩體穩定不利。產生滲漏的原因主要是壩基防滲處理不夠或壩清基處理不徹底所致。

2.3 溢洪道評價

溢洪道布置在大壩右端，為寬頂堰開敞式溢洪道，溢流堰頂高程110.3 m，寬15.0 m，長13.2 m，寬頂堰后接陡坡段(長102.8 m)和底流式消力池(長16.0 m，寬 15.0 m)，兩邊設側墻，結構為漿砌石重力式擋土墻外砌150 mm厚C20混凝土，高度1.85～3.85 m。

步行穿越調查法作為一種從顧客視角感知服務的工具，強調以顧客為焦點力求發現待改進領域，最早是由Fitzsimmons和Maurer提出[12]，其以提供全服務餐廳為例，說明如何服務質量提升[13]；Elsa Lai-Ping和Richard在香港利用此方法研究提升律師事務所的服務質量[14]；Moon Charn Riew和Ji Yeon Shin在韓國利用此方法研究衛生服務機構的服務質量[15]，截止到目前尚未檢索運用該方法的中文公開研究。

溢洪道已運行多年，整體外觀較老舊，溢洪道內混凝土 鋪面多處見有橫向和縱向裂縫，部分鋪面嚴重剝落，泄槽段局部隆起、懸空，由老化、熱脹冷縮等因素造成，暫時未見擋土墻結構性破壞。

2.4 輸水涵管評價

輸水涵管進口閘門左右兩側及底部均有較大的漏水，閘門兩側止水裝置也存在漏水現象，壓力鋼管與設計坡度不符、管壁銹蝕，啟閉電動機雖能正常運行，但屬工信部2012年公布的高耗能落后機電設備淘汰目錄(第二批)產品，能耗高、效率低、環保性差。輸水涵管出口右側連通直徑0.7 m的灌溉岔管閘閥開啟時，閘閥無法完全打開，閘閥周邊未設置鎮墩，導致閘閥開關及附近涵管、地面振動特別嚴重，閘閥開關由于長期受振動影響，疲勞斷裂，且管壁與電動裝置結合處漏水嚴重，不能正常運行。輸水涵管放水塔樓面存在較為明顯的“晃動”現象，安全鑒定認為進水塔基礎底下存在厚2.5 m左右的殘積土層，在庫水的長期浸泡下，土體易軟化，基礎整體傾斜變形較大，導致進水塔“晃動”。經過勘察和計算，輸水涵管放水塔整體傾斜過大。

3 防滲加固處理

3.1 壩體防滲處理

在大壩壩頂新建塑性混凝土防滲墻，防滲墻厚600 mm，考慮2009年旋噴防滲墻位于主壩軸線，所以本次防滲墻布置在壩軸線上游側1 m位置，防滲墻深入壩 基強風化巖層不少于0.5 m，防滲墻最大深度約30.3 m，防滲墻長度約263 m。塑性混凝土防滲墻施工采用液壓抓斗成槽工藝，接頭施工采用接頭管進行處理。

考慮壩基巖體可能存在裂隙造成滲水，所以強風化以下至微風化層之間采用帷幕灌漿處理,其中防滲墻與帷幕灌漿交接重合長度3 m。壩肩與壩體交接位置，采用帷幕灌漿處理，隔斷山體往壩體的滲水通道。

3.2 壩體加固

防滲墻加固完成后，對壩體進行填充灌漿，垂直壩軸線布置灌漿孔7排，孔底高程95 m，壩軸線方向間距3 m，灌入水泥黏土漿，增加提高壩體密實度。重建壩頂混凝土路面、防浪墻及壩頂排水溝，壩頂寬5.5 m，背水坡壩腳新建集滲溝及量水堰[3]。

背水坡牛皮脹處理，在背水坡出現滲水位置約為100 m高程開始，至壩腳反濾棱體之間增設貼坡反濾設施，將滲水導入壩腳反濾棱體。

3.3 輸水涵管放水塔加固

對放 水塔“晃動”處理主要措施是采用鋼結構把放水塔與棧橋連接，增加放水塔剛度?？紤]開挖放水塔下部的涵管會使放水塔基礎失去埋深的作用，施工期間會影響放水塔上部建筑物穩定，而且需要完全放干水庫，施工不方便，所以基礎加固在涵洞的頂板高程面進行。在涵洞兩側各做3條 鉆孔樁，鉆孔樁滲入巖層，在涵洞頂板面做混凝土大底板把鉆孔樁與涵洞頂板連接，利用鉆孔樁和混凝土底板來限制涵洞的水平方向變位[4]。

除對放水塔進行加固外，對涵管周圍壩體進行充填灌漿處理，在涵管兩側各設一排，鉆孔偏離涵管外邊線約0.5 m，孔距2.5 m，灌漿材料20%水泥黏土漿；更換涵管出口碟閥，修建混凝土鎮墩，對壩后電站涵管出口進行封堵，做法與舊涵管封堵 相似；更換涵洞進水口鋼閘門。

3.4 溢洪道加固

4 壩體安全復核與監測

4.1 壩體安全復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2020)的規定要求，結合運行中可能出現的不利情況，擬定下列6種工況進行滲流分析。

(1)正常運用條件。 工況一：水庫水位為正常蓄水位110.30 m(珠基，下同)的情況； 工況二：水庫水位為設計洪水位111.98 m(P=2%)的情況； 工況三：水庫水位從設計洪水位111.98 m(P=2%)降至正常蓄水位110.30 m的庫水位降落期的情況； 工況四：水庫水位從正常蓄水位110.30 m降至死水位92.00 m的庫水位降落期的情況[5]。

(2)非常運用條件Ⅰ。 工況五：水庫水位為校核洪水位112.77 m(P=0.1%)的情況； 工況六：水庫水位從校核洪水位112.77 m(P=0.1%)降至正常蓄水位110.30 m的庫水位降落期的情況。

4.1.1 滲流安全復核

大壩在穩定滲流工況下，滲流量如表2，各工況大壩浸潤線下游逸出點均在反濾層保護范圍內。從大壩滲流量計算成果可知，滲流量均不大，滿足設計和規范要求。

表2 各工況下穩定滲流滲漏量計算成果

流土型臨界水力坡降采用《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)附錄式(G.0.6-1)計算，土體允許滲透比降為臨界水力比降除以安全系數，安全系數一般取1.5[6]。壩體土體各工況滲透比降計算成果對比見表3，結果顯示：加固后大壩最大比降均有所減小，各工況下最大滲透比降出現在下游排水棱體與壩體填土交接部位，各工況下的最大滲透比降均小于允許比降[J]，滲流安全滿足規范要求[7]。

表3 土體各工況滲透比降計算成果對比情況

4.1.2 壩坡穩定安全復核

根據規范SL 274—2020的規定，穩定計算采用簡化畢肖普法計算平面問題的土壩壩坡圓弧抗滑穩定安全系數。以較小的安全系數為準，計算結果見表4。

表4 大壩抗滑穩定安全系數最小值計算成果

加固前，大壩在正常蓄水位工況下抗滑穩定安全系數接近允許值；在設計洪水位及校核洪水位下抗滑穩定安全系數小于規范允許值，不滿足規范要求；在非穩定工況下均大于規范允許值，滿足規范要求。加固后，大壩在工況下，抗滑穩定安全系數均有所提高，且均大于規范允許值，滿足規范要求[8]。

4.2 壩體安全監測

4.2.1 變形監測

本次除險加固對大壩主要進行表面變形監測，包括豎向位移和水平位移監測。水平位移監測采用交會法測量，垂直位移監測采用三角高程測量，從大壩右岸至左岸共設3個監測橫斷面，從大壩上游至排水棱體共設4個監測縱斷面，共設位移監測點12個，在大壩左、右兩岸地質條件良好、基礎穩固處設工作基點4個。

4.2.2 滲流監測

滲流監測包括滲流壓力、滲流量監測以及水質分析。其目的是：掌握水工建筑物及其地基的滲流情況，分析判斷是否正常和可能發生不利影響的程度及原因，為工程養護修理和安全運用提供依據。本次除險加固滲流監測重設壩體滲壓監測，共設3個監測斷面12個測壓孔。

5 結 語

本文通過對西坑水庫土石壩的工程病害進行成因分析，針對前期勘察得出土壩病害主要為壩體和壩基的防滲隱患對大壩穩定性可能產生的影響。 采取了對主壩壩體及壩基采用塑性防滲墻進行防滲處理的技術方案，對大壩壩頂新建塑性混凝土防滲墻，對背水坡重新鋪設草皮護坡，加固輸水管涵和溢洪道。在進行防滲處理后大壩在各種工況下抗滑穩定最小安全系數滿足規范要求，最大滲流比降均小于允許比降，滲流安全滿足規范要求，對類似土石壩工程的病害治理提供技術指導。。