山美水庫大壩防滲加固工程效果分析

許重富

（泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000）

1 工程概況

山美水庫樞紐工程位于福建省泉州市，是晉江流域上唯一可控制的大型水利工程。山美水庫是一座防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)調節(jié)、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水庫，關系到下游300多萬人民生命財產的安危，同時擔負著下游400多萬人口的生產、生活用水及4.3萬ha農田灌溉的重任，被譽為“泉州人民的生命庫”。

水庫集雨面積 1 023 km2， 總庫容 6.55億m3，調節(jié)庫容4.507億m3，主要建筑物有主壩一座（粘土心墻土石混合壩，壩長315 m，最大壩高 75.5 m）、副壩一座（壩址左岸護坡，高40 m）、溢洪道一座（裝設 6扇 12 m×11.68 m 弧形鋼閘門）、電站兩座（地下電站和壩后電站各一座，總裝機63 MW）。水庫于1958年動工興建，期間兩度停建，1967年復建，1972年10月竣工，1983年完成保壩加固，1996年完成電站擴建，1997年完成水庫擴蓄,2005年完成1號、2號機技改和水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)建設。水庫按重現(xiàn)期100年（P=1%）洪水設計，設計洪水位98.78 m，洪峰流量 4 360 m3／s，重現(xiàn)期 10 000 年（P=0.01%）洪水校核，校核洪水位 102.08 m，洪峰流量 8 040 m3／s。水庫正常蓄水位 96.48 m，相應庫容 4.72 億 m3，死水位 57.48 m，相應庫容 0.19 億 m3。 流域多年平均降雨量(1973～2008年，下同)1 800 mm，多年平均徑流量12.1 億 m3，多年平均發(fā)電用水量 10.1 億 m3。 1989 年建成龍門灘引水工程，年引入庫水量3.55億m3。

2 防滲加固工程建設情況

2.1 建設背景

2006年12月，福建省水利廳主持召開山美水庫抗震復核大壩滲流安全研討會，與會專家建議：對于山美水庫大壩壩體下游浸潤線的異常情況，應找出原因并采取必要的工程措施，以提高山美水庫大壩的安全。水庫管理處隨即委托南京水利科學研究院對山美水庫大壩進行三維滲流分析，委托中國水利科學研究院對大壩進行高精度無損探查，委托福建省水利水電勘測設計院（稱省設計院，下同）進行繞滲地質勘察。

2007年10月，三個科研單位的分析結果顯示，山美水庫大壩主要存在的安全問題如下。

（1）心墻：大壩心墻在81 m高程分上下兩個區(qū)域，上部區(qū)域含砂礫料較多，不均勻沉陷大，透水性較強，干密度低，孔隙比大，庫水通過該層向下游滲透，一定程度抬高了代替料內飽和滲流范圍，物探檢查發(fā)現(xiàn)集中滲漏通道。下部區(qū)域較為密實，膠結良好，質量基本滿足設計和規(guī)范要求。其次，心墻在施工中出現(xiàn)裂縫，雖經開挖回填處理，但回填的碾壓質量以及壩體與壩基結合部的碾壓質量控制不嚴，造成不均勻沉陷并且出現(xiàn)裂縫，尤其右岸表現(xiàn)較為嚴重。第三，從三維滲流有限元計算成果來看，高水位下大壩心墻平均坡降滿足要求，心墻下游反濾層尚可，但上部反濾層局部存在淤堵。

（2）壩基滲流：大壩壩基清基和防滲帷幕處理基本符合要求，但兩岸裂隙發(fā)育，防滲帷幕施工沒有采取連續(xù)防滲帷幕體系。左壩肩存在30 m風化層，帷幕灌漿沒有有效截斷左壩肩風化巖層，存在一定繞壩滲漏；右壩肩存在強風化層和弱風化層，帷幕沒有延伸截斷該層，蓄水后出現(xiàn)繞壩滲漏，造成現(xiàn)狀下代替料內出現(xiàn)過高的飽和滲流。

（3）下游代替料：大壩代替料滲流異常，飽和區(qū)較高，不符合設計要求。其土層為含碎石砂質粘土或含碎石粉土，土層較密實，但不均一，局部滲透性強，代替料下與砂礫石層沒有反濾層，細粒易流失在砂礫石層內，發(fā)生接觸管涌破壞，使壩面局部沉陷。代替料若繼續(xù)保持目前的滲流狀態(tài)，長期滲流作用下代替料細料向下流失到砂礫石反濾層中，將繼續(xù)導致壩下游坡面凹陷，代替料內產生裂縫，并波及到大壩心墻，嚴重影響大壩安全，應采取措施消除代替料內填料流失現(xiàn)象。

2.2 施工方案

2007年11月，福建省水利廳主持審查上述三個科研單位的滲流安全評價報告，并通過了審查。水庫管理處委托省設計院對山美水庫大壩防滲加固工程進行設計，2008年3月提交成果，同年10月，防滲加固工程通過泉州市發(fā)改委的批準。

根據(jù)大壩布置及三維滲流安全反饋計算與分析結果，防滲加固工程主要是對兩岸繞壩滲流進行防滲處理，即采用“上堵下排”的設計原則，在兩岸壩肩設置防滲帷幕來減少繞壩滲流，以及在兩岸壩坡設置水平排水孔以降低兩岸山體的地下水位，防止對壩基、兩岸邊坡穩(wěn)定產生不良影響。兩岸繞壩滲流防滲帷幕灌漿即“上堵”的設計方案布置見圖1。

大壩左岸壩肩樁號0+000～0-219之間設置帷幕灌漿孔一排，孔距 2.0 m，灌漿深度 23～44 m。

大壩右岸壩肩樁號0+290～0+405之間設置帷幕灌漿孔一排，孔距 2.0 m，灌漿深度 3～37 m。

大壩右岸壩肩樁號0+300～大壩下游上壩公路平臺之間的岸坡設置帷幕灌漿孔一排，孔距2.0m，80 m高程以上的帷幕灌漿平均深度20 m，80 m高程以下的帷幕灌漿深度盡可能達到42.28 m高程。

“下排”設計：大壩兩岸繞壩滲流引起下游岸坡山體地下水位偏高，根據(jù)“上堵下排”的設計原則，在大壩左岸下游原上壩公路和下游壩坡之間的岸坡以及大壩右岸下游原設計副壩和下游壩坡之間的岸坡設置水平排水孔，即在右岸岸坡90 m高程以下的岸坡設置水平排水孔，孔排距2.5m，孔深8m，孔徑46 mm，梅花型布置，在左岸岸坡84 m高程以下的岸坡設置水平排水孔，孔排距2.5 m，孔深8 m，孔徑46 mm，梅花型布置。

2.3 施工情況

2008年10月，福建省水利水電工程有限公司中標承建防滲加固工程。2009年1月16日，工程開工建設。2009年8月底，主體工程全部完工，實際完成帷幕灌漿243孔，鉆孔工程量8 371 m，灌漿工程量6 996 m。其中左岸帷幕灌漿110孔，鉆孔工程量4 395 m，灌漿工程量3 974 m；右岸帷幕灌漿133孔，鉆孔工程量3 976 m，灌漿工程量3 022 m。完成帷幕灌漿質量檢查孔24孔，共867 m；完成排水孔3 322 m。

3 防滲加固工程效果分析

3.1 質量檢查成果分析

灌漿質量檢查均在灌漿結束14 d后進行，按逐步加密法進行鉆孔、分段壓水試驗、灌漿回填等工序進行，檢查孔孔深比臨近帷幕灌漿孔深3 m，以透水率q≤3 Lu為要求。

經參建單位共同研究并確認，在大壩左右岸3條帷幕灌漿線中選擇了24個帷幕灌漿檢查孔進行鉆孔和分段壓水試驗以檢查帷幕灌漿的效果。從24孔的壓水試驗結果看來，帷幕灌漿效果顯著，質量達到設計要求。

①在總共152段（每段5 m左右）壓水試驗中，最大透水率為 2.73 Lu，最小透水率 0.24 Lu，均在設計要求標準3 Lu以下。其中，透水率超過2 Lu的壓水段只有21段，占總壓水段的13.8%；透水率小于2 Lu的壓水段有131段，占總壓水段的86.2%。

②從壓水試驗結果和范圍來看，透水率大于2 Lu的壓水段都在表面的土層中和強風化地段，未達到正常蓄水位高程，對下游代替料的含水量影響較小，而巖石層中透水率基本均在2 Lu以下，效果較好。

3.2 超聲波檢測成果分析

為了用不同方法檢驗防滲加固工程效果，又委托福建省設計院檢測中心對帷幕灌漿孔進行超聲波檢測，超聲波檢測采用一發(fā)雙收的測試方法。檢測分為兩個階段，第一階段通過預測孔對壩肩巖體灌漿前的性狀進行測試，了解灌前壩肩巖體風化帶和節(jié)理裂隙、斷裂破碎帶分布特征。第二階段對灌漿后檢測孔的超聲波測試，檢測灌漿效果。

現(xiàn)場測試從2009年3月開始，2009年7月結束，對灌漿過程、檢查孔布置和施工進行跟蹤，共完成28孔的超聲波檢測工作，其中灌漿前預測孔15個，灌漿后檢查孔13個。

在13個超聲波檢測孔中，共分段70段，其中67段（占總段數(shù)的95.7%）超聲波檢測評判為灌漿效果好，其它 3 個檢測段即 YBJ3 檢查孔 2.0～7.2 m段 （高程 104.915～99.715 m）、YBJ4 檢查孔 14.8～19.6 m 段 （高程 99.184～94.384 m）、ZBJ4 檢查孔7.0～9.8 m 段（高程 101.034～98.234 m）超聲波檢測評判為灌漿效果差，占總段數(shù)的4.3%。70段聲波波測試，最大波速 5 790 m／s，最小波速 3 860 m／s，平均 4 984 m／s。參照 DL／T5148-2001《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》，帷幕灌漿工程質量合格。

從灌漿前、后超聲波測試對比，總體上灌漿效果較好。灌前巖體中主要結構裂隙面和局部巖體破碎帶所形成的超聲波低速帶，灌后超聲波波速明顯提高。聲測柱狀剖面圖上，超聲波縱波波速低值點減少，低值點數(shù)值多有相應的提高，波速離散系數(shù)減小，說明巖體中主要結構裂隙面和局部巖體破碎帶水泥灌漿充填較好。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 滲壓計成果

山美水庫大壩下游坡共埋設14支滲壓計，其中代替料中有4個測點（分別是B08A、B09A、B12A和B13A），代替料和透水層交界有3個測點（分別是B07A、B08B和B09 B），透水層中有 2個測點（分別是B07B和B08C），基巖中有5個測點（分別是 B03A、B04A、B12B、B13B 和 B14A）。從近 3個月的監(jiān)測結果與2005年來同期、同庫水位、庫水位相同變化趨勢（近3個月庫水位逐月同比下降）的監(jiān)測資料對比分析，14個測點均有不同程度的下降，其中大壩最大斷面0+167斷面中較有代表性的測點B08A和B09A （此兩點均埋設在代替料中），與2005～2008年的監(jiān)測資料對比看來，分別下降了1.33 m 和 1.06 m，0+225 斷面中埋設在代替料中的B12A和B13A分別下降了0.17 m和0.99 m,見表1。

3.3.2 測壓管成果

大壩帷幕灌漿工程結束后，進行日常觀測，并選取歷史觀測數(shù)據(jù)進行比較。歷史觀測數(shù)據(jù)主要根據(jù)以下三個選取條件進行篩選。

①上游當月平均庫水位相近。9月份月平均庫水位 84.93 m，10 月份月平均庫水位 85.47 m，選取月平均庫水位在84.50～85.50 m范圍的測量數(shù)據(jù)。

表1 防滲加固下游代替料監(jiān)測成果表Table 1 :Monitoring data of the downstream substitute material in the anti-seepage rehabilitation project

②水文、氣象條件較為相似（考慮到降雨產生的地表水可能匯集到測壓管管內，影響觀測結果）。從氣象條件看，灌漿結束后的這4次測壓管觀測，天氣干旱，測量前一星期庫區(qū)范圍內無降雨。

③水庫大壩于1972年建成，投產至1990年，經過快20年的時間，大壩沉降、位移已趨于穩(wěn)定，因此選取1990～2008年之間的觀測數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上三個條件，選取1997年1月15日、1997年1月31日、2003年1月15日三次典型觀測數(shù)據(jù)作比較。灌漿前后測壓管差見表2。

表2 帷幕灌漿前后各測點測壓管水位差值比較表Table 2 :Comparison of water level differences measured by piezometers before and after the curtain grouting

從大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)比較分析：①108平臺各測點均有較明顯的水位下降，降幅為 1.2～2.97 m不等。②90平臺各點管內水位變幅為0.35～0.6 m。③75平臺1號測點下降了1.18 m，2、3號測點變化不明顯。從以上結果可以看出，灌漿后大壩各測壓管的水位有不同程度的下降，表明灌漿效果良好。

4 結論和建議

大壩防滲加固工程的各項成果分析表明，大壩防滲加固效果比較明顯，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）大壩代替料滲流異常、飽和區(qū)較高的現(xiàn)象已經明顯改善，水位均有不同程度的下降，主要來源于繞滲導致代替料中浸潤線較高的現(xiàn)象明顯好轉。

（2）帷幕灌漿已經延伸到大壩右壩肩的弱風化層，并截斷該弱風化層，灌漿效果明顯。

（3）巖體中主要結構裂隙面和局部巖體破碎帶的抗?jié)B能力有明顯提高。

（4）由于山美水庫第一次安全鑒定為2001年，隨著防滲加固工程的完成，建議進行第二次大壩安全鑒定，全面分析大壩安全性態(tài)。

（5）由于防滲加固工程結束后的自動和人工監(jiān)測資料系列短，具有局限性，建議進行長期觀測、分析、比較。

[1]王士軍,段祥寶.山美水庫大壩滲流安全評價報告[R].南京：南京水利科學研究院.2007.

[2]福建省山美水庫大壩防滲加固工程設計報告[R].福州：福建水利水電勘測設計研究院.2007.

[3]福建省山美水庫大壩防滲加固工程超聲波檢測報告[R].福州：福建水利水電勘測設計研究院.2009.