某病險(xiǎn)水庫(kù)主壩滑坡原因分析及處理對(duì)策

程永輝，饒錫保，李青云

1 概 述

我國(guó)旱澇洪水災(zāi)害頻繁，為除害興利，興建了大量的水利樞紐工程。據(jù)水利部門2007年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建成各類水庫(kù)8．54萬(wàn)余座，總庫(kù)容6 254億m3。其中大型水庫(kù)493座，中型水庫(kù)3 110座，小型水庫(kù)8．18萬(wàn)座。我國(guó)的水庫(kù)大壩絕大部分為土壩，這些工程多數(shù)是上世紀(jì)五、六十年代建成，由于受當(dāng)時(shí)歷史條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和技術(shù)水平的限制，目前，近三分之一的水庫(kù)已成為了病險(xiǎn)水庫(kù)，除險(xiǎn)加固的任務(wù)十分艱巨緊迫［1］。

某水庫(kù)為以灌溉為主、兼顧防洪的中型水利樞紐，庫(kù)容為1 128萬(wàn)m3，由主壩、副壩、輸水涵洞和簡(jiǎn)易溢洪道組成，水庫(kù)主壩為均質(zhì)土壩，壩頂長(zhǎng)度192 m，壩頂寬度4．7 m，最大壩高32．2 m，迎水坡為五級(jí)變坡，背水坡為四級(jí)變坡，壩面均用干砌片石護(hù)面。該水庫(kù)建于上世紀(jì)60年代，屬于邊勘測(cè)，邊設(shè)計(jì)，邊施工的三邊工程。2002年，有關(guān)單位對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行了安全鑒定，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)主副壩均存在不均勻沉降變形和滲漏、涵洞變形及滲漏、溢洪道排泄不暢、白蟻危害嚴(yán)重、庫(kù)區(qū)淤積等問(wèn)題，屬于病險(xiǎn)水庫(kù)。

2005年，有關(guān)單位對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，主副壩采用了圍帷灌漿＋混凝土防滲墻的防滲加固方案，在防滲墻施工過(guò)程中，主壩上游邊坡產(chǎn)生了滑坡。本文針對(duì)滑坡產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入的分析，并討論了滑坡后的處理對(duì)策，以期對(duì)今后類似的工程提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

2 滑坡過(guò)程和原因分析

2．1 滑坡過(guò)程

主壩壩頂長(zhǎng)度為192 m，砼防滲墻設(shè)計(jì)厚度為40 cm，防滲墻施工共分為 19個(gè)槽段，最深為36．93 m，見(jiàn)表1?；炷练罎B墻原設(shè)計(jì)施工方法為二鉆一抓，在施工時(shí)改為采用沖擊鉆造孔。防滲墻施工時(shí)，同時(shí)進(jìn)行了 5＃、7＃、9＃、13＃、15＃共 5個(gè)槽段的施工。在完成了5＃槽段的成槽與混凝土澆筑、7＃槽段和13＃槽段主孔施工，正在進(jìn)行9＃槽段的1、3、5號(hào)孔和15＃槽段的第1、3號(hào)孔的施工時(shí)，上游壩坡產(chǎn)生了滑坡?；庐a(chǎn)生前，在22＃槽段附近有一漏漿點(diǎn)，壩體頂部出現(xiàn)了弧形裂縫，并向左岸發(fā)展。隨著裂縫長(zhǎng)度和寬度的不斷發(fā)展，形成了大規(guī)模的滑坡?；麦w長(zhǎng)度約110 m，面積5 700 m2，推測(cè)滑動(dòng)面深約8 m，總方量約4．5萬(wàn) m3；壩頂最大沉降量為2．2 m，齒墻基礎(chǔ)向庫(kù)內(nèi)水平位移最大值達(dá)2．1 m，滑坡體頂部向庫(kù)內(nèi)的水平位移最大值為66 cm?；氯踩鐖D1所示，圖2和圖3分別為滑坡體輪廓線和斷面，圖4和圖5為滑坡時(shí)壩頂?shù)某两颠^(guò)程線。

2．2 防滲墻施工期壩體邊坡穩(wěn)定分析

2．2．1 壩體材料及參數(shù)

主壩為均質(zhì)土壩，壩體下部為壩基沖積層，壩體內(nèi)存在較多透鏡體狀軟弱夾層，強(qiáng)度較低；壩體下游坡出現(xiàn)了局部變形。由于勘察提供的參數(shù)與實(shí)際情況不符，根據(jù)實(shí)際條件，對(duì)計(jì)算斷面進(jìn)行了概化，并假定主壩下游坡在正常使用條件下處于臨界狀態(tài)（安全系數(shù)為1），進(jìn)行了凝聚力C和內(nèi)摩擦角φ參數(shù)的反分析，取得了壩體及軟弱面的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表2。

表1 混凝土防滲墻施工槽段劃分Table 1 Division of concrete cutoff wall construction groove section

圖1 滑坡全貌Fig．1 Whole view of landslide

圖2 上游壩體輪廓線及滑坡體邊線示意Fig．2 Upstream dam and landslide contour lines

圖3 滑坡體斷面圖Fig．3 Landslide section

圖4 壩頂沉降過(guò)程線Fig．4 Settlement process lines at the top of the dam

圖5 壩坡頂部水平位移過(guò)程線Fig．5 The process lines of horizontal displacement the top of dam slope

表2 壩體材料參數(shù)表Table 2 Dam material parameter table

為了分析滑坡產(chǎn)生的原因，采用上面取得的參數(shù)，對(duì)施工前上游壩坡的水位驟降工況進(jìn)行了計(jì)算。若在大壩未被劈裂的條件下（即壩頂未產(chǎn)生裂縫），水位驟降至死水位的安全系數(shù)為1．340，水位驟降至死水位＋7度地震工況的安全系數(shù)為1．172，則符合規(guī)范中的安全穩(wěn)定要求。

2．2．2 防滲墻施工期壩坡穩(wěn)定分析

由于在主壩防滲墻施工期間，4個(gè)槽段同時(shí)施工，且發(fā)現(xiàn)距施工槽段70 m左右的位置出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象，漏漿量約1．5 L／s，主壩有可能已經(jīng)被完全劈裂，因此按防滲墻軸線上形成貫通裂縫并充滿泥漿的最危險(xiǎn)工況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法［2］，斷面為壩體最大剖面，如圖6所示。

圖6 上下游壩坡概化模型Fig．6 Overview of the upstream and downstream slope model

上下游壩坡不同條件下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。上游壩坡自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面如圖7所示，與圖3相比較，自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面與實(shí)際滑動(dòng)面基本一致，說(shuō)明計(jì)算方法和條件合理，符合實(shí)際情況。

表3 防滲墻施工期壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果Table 3 Calculated results of slope stability of cut－off wall during construction period

圖7 上游壩坡自動(dòng)搜索的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面Fig．7 Automatic search of the most dangerous sliding surface

從計(jì)算結(jié)果分析可知：當(dāng)防滲墻施工時(shí)，如果槽段之間貫通，并充滿泥漿，在孔隙水來(lái)不及排出的情況，上游壩坡的安全系數(shù)只有0．983；若泥漿未充滿而是低于壩頂3 m時(shí)，安全系數(shù)為1．049，有一定的提高。但上游壩坡基本都處于臨界狀態(tài)，在施工機(jī)具荷載等的擾動(dòng)下，產(chǎn)生了滑坡。下游壩坡在此條件下，安全系數(shù)為1．223，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2．3 滑坡原因分析

2．3．1 壩體質(zhì)量較差

（1）主壩建于上世紀(jì)60年代，人工填筑，采用牛拉3種不同直徑石碾碾壓，邊角及壩體與岸坡接觸地帶用腳踏夯和夯砣夯實(shí)。限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)施工水平，壩體填筑質(zhì)量較差，勘探結(jié)果表明，壩體內(nèi)存在較多透鏡體狀軟弱夾層，強(qiáng)度較低。

（2）水庫(kù)運(yùn)行40余年，壩體多處被白蟻掏成空洞，形成了滲漏通道，在庫(kù)水滲濾作用下空洞貫通，導(dǎo)致壩體沉陷和漏水。

（3）歷經(jīng)多次地震，壩體沉陷，防滲墻開(kāi)裂。2001年9月，當(dāng)?shù)卦l(fā)生過(guò)5．4級(jí)地震，導(dǎo)致上游右側(cè)壩體產(chǎn)生了小規(guī)?；拢瑒?dòng)面積大于800 m2，當(dāng)時(shí)僅進(jìn)行了淺層封堵治理，為工程埋下了隱患。

2．3．2 防滲墻施工方法不當(dāng)

在防滲墻施工中，5個(gè)槽段同時(shí)進(jìn)行，施工機(jī)械對(duì)壩體的擾動(dòng)過(guò)大；且在進(jìn)行7＃和13＃槽段施工時(shí)，22＃槽段部位出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，漏漿量達(dá)5．4 m3／h。出現(xiàn)漏漿的原因是泥漿質(zhì)量差，未形成致密的泥皮。在泥漿壓力的作用下，壩體被完全劈裂。從施工期穩(wěn)定計(jì)算成果來(lái)看，壩體劈裂是壩體產(chǎn)生滑坡的主要原因。

2．3．3 發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后，未及時(shí)采取措施

在發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象后，未充分認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的嚴(yán)重性，并及時(shí)采取措施，而是繼續(xù)施工，導(dǎo)致裂縫不斷擴(kuò)展，直至產(chǎn)生了滑坡。

2．3．4 水位驟降過(guò)大，孔隙水壓力未消散

工程開(kāi)工前，水庫(kù)水位為正常蓄水位1 185 m。為進(jìn)行壩坡施工，水庫(kù)水位由1 185 m快速降低至死水位1 169 m，此時(shí)正在進(jìn)行防滲墻施工。由于壩體為黏性土均質(zhì)壩，滲透系數(shù)很低，壩體內(nèi)孔隙水排出時(shí)間較長(zhǎng)，在滑坡體上可觀察到明顯的滲水現(xiàn)象。壩體孔隙水的外滲增加了下滑力，對(duì)壩體穩(wěn)定極為不利。

3 滑坡應(yīng)急處理

主壩上游滑坡后，達(dá)到了新的平衡，并處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。如果有誘發(fā)因素，很有可能會(huì)導(dǎo)致滑坡繼續(xù)發(fā)展，必須盡快采取措施，進(jìn)行應(yīng)急加固處理。

滑坡治理措施有較多，包括滑坡體頂部減載、底部壓腳加固、支擋加固等。由于應(yīng)急處理要求時(shí)間緊，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定的主要的處理方案如下。

（1）壩腳進(jìn)行拋石擠淤壓腳，并采用石渣混合料填筑12 m寬的反壓平臺(tái)；

（2）清理壩頂防滲墻施工平臺(tái)，開(kāi)挖4m深，對(duì)淺層裂縫采用黏土回填，對(duì)深層裂縫進(jìn)行灌漿處理；

（3）壩坡削方減載，處理壩坡開(kāi)挖后出現(xiàn)的裂縫，方法同上。

4 除險(xiǎn)加固對(duì)策

4．1 除險(xiǎn)加固對(duì)策

由于該水庫(kù)主壩上游產(chǎn)生了滑坡，壩頂近三分之二出現(xiàn)塌陷和下錯(cuò)，最大沉降達(dá)2．2 m，原防滲墻方案已不能實(shí)施，必須制定新的除險(xiǎn)加固方案。

經(jīng)分析，該水庫(kù)主要病險(xiǎn)是壩體變形和滲漏，除險(xiǎn)加固的主要目的是構(gòu)建防滲體系并對(duì)壩體進(jìn)行加寬加厚。故提出如下除險(xiǎn)加固方案。

方案一：從防滲墻施工的角度出發(fā)，將防滲墻軸線上移至1 183 m平臺(tái)，頂部采用現(xiàn)澆混凝土直墻至正常蓄水位，兩側(cè)采用黏土夯實(shí)回填。

方案二：從降低防滲墻施工風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，將防滲墻軸線上移20 m，防滲墻以上采用土工膜進(jìn)行防滲，由防滲墻和土工膜形成完整的防滲體系。

方案三：從工程安全角度出發(fā)，采用3排布孔的充填灌漿方案，并對(duì)壩坡進(jìn)行培厚加固。

比較以上3種處理方案，方案二施工較復(fù)雜，且如果防滲墻與土工膜連接不好，容易出現(xiàn)滲漏通道；方案三雖然可以起到防滲加固的作用，但不能解決白蟻危害的問(wèn)題；而方案一既可以起到防滲加固的作用，又能阻止白蟻對(duì)大壩的危害。

4．2 施工期工程安全的論證

4．2．1 施工期壩體邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)表2中的計(jì)算參數(shù)，對(duì)上游壩坡進(jìn)行了安全穩(wěn)定復(fù)核，考慮到壩體產(chǎn)生過(guò)滑坡，安全系數(shù)折減為計(jì)算值的80%。經(jīng)應(yīng)急處理后的上游壩坡計(jì)算斷面如圖8所示，計(jì)算得安全系數(shù)1．223，滿足壩坡穩(wěn)定的要求。

圖8 應(yīng)急處理后上游壩坡概化模型Fig．8 Upstream slope model after emergency treatment

4．2．2 施工期壩體水平抗滑穩(wěn)定分析

壩體填筑質(zhì)量較差，且存在若干個(gè)水平軟弱夾層，采用計(jì)算楔塊滑動(dòng)的方法，驗(yàn)算主壩防滲墻造槽期間上游壩體整體沿軟弱層面滑動(dòng)的穩(wěn)定性。

假定壩體在防滲墻泥漿壓力的作用下沿某水平面滑動(dòng)，其抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖9所示。計(jì)算公式為

式中：Tf為抗滑力，由滑動(dòng)面抗剪力、槽段端部側(cè)面凝聚力組成；T為滑動(dòng)力，由槽孔泥漿壓力或砼入倉(cāng)壓力組成；Fs為安全系數(shù)。

圖9 水平抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig．9 Calculation diagram of the level anti－slide stability

由于主壩產(chǎn)生了滑坡，底滑面的強(qiáng)度參數(shù)折減到原強(qiáng)度的0．7倍，側(cè)面的強(qiáng)度為原強(qiáng)度的0．8倍。通過(guò)計(jì)算分析得出結(jié)論：在不考慮防滲墻造孔時(shí)擠土效應(yīng)的影響情況下，控制施工泥漿的比重在1．1～1．4之間，當(dāng)防滲墻施工槽段長(zhǎng)度不超過(guò)8 m時(shí)，可保證上游壩坡在施工期的穩(wěn)定。

綜合分析3種除險(xiǎn)加固方案，推薦采用方案一。該工程已于2006年完成了除險(xiǎn)加固工作，經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)行，狀況良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固過(guò)程中，應(yīng)盡可能減少對(duì)壩體的擾動(dòng)，特別是防滲墻施工，應(yīng)嚴(yán)格控制施工順序和施工速度，選用擾動(dòng)小的施工工藝，嚴(yán)格控制泥漿比重和黏度，防止沿壩軸線產(chǎn)生水力劈裂、產(chǎn)生滑坡事故，造成不必要的人力、物力及財(cái)力的損失。另外，施工過(guò)程壩體變形觀測(cè)和日常巡視非常重要，在壩體變形出現(xiàn)異?；虬l(fā)現(xiàn)漏漿時(shí)，應(yīng)立即停止施工，分析其原因，并采用措施及時(shí)處理，避免事故的進(jìn)一步發(fā)展。

［1］ 白永年．中國(guó)堤壩防滲加固新技術(shù)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2001．

［2］ SL274－2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．