克孜爾水庫(kù)右壩肩傾倒體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及除險(xiǎn)加固措施

張宏科

（新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆庫(kù)車842000）

1 工程概況

克孜爾水庫(kù)位于新疆拜城縣干流木扎提河與支流克孜河交匯處，是目前塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪為主，兼有水力發(fā)電等綜合效益的大型控制性水利樞紐工程。工程于1985年修建，1992年主體工程完工并投入蓄水運(yùn)行。該工程在經(jīng)歷兩次近場(chǎng)區(qū)5.7級(jí)、4.9級(jí)地震（震中距壩址小于18 km）及兩次渭干河歷史特大洪水（2590 m3/s和3677 m3/s）后，2007年大壩安全鑒定因防洪標(biāo)準(zhǔn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求、右壩肩傾倒體變形不穩(wěn)定等因素被確定為三類壩，2009年6月開始水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程施工。

克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)總庫(kù)容7.25億m3，正常高水位1149.6 m，相應(yīng)庫(kù)容4.28億m3，工程規(guī)模為一等大（Ⅰ）型，場(chǎng)區(qū)基本烈度為8度，主要建筑物為1級(jí)，設(shè)防烈度8.5度。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期500年，洪峰流量7214 m3/s；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期5000年，洪峰流量為11156 m3/s。樞紐工程主要由主壩、副壩溢洪道、泄洪排沙涵洞、發(fā)電引水洞及壩后式水電站等建筑物組成，主、副壩型均為粘土心墻砂礫殼壩，最大壩高47.6 m。

2 右壩肩傾倒體地質(zhì)條件及工程布置

右壩肩位于主壩右岸卻勒塔格山第一排山脊北坡腳下，山體相對(duì)壩面高度340 m左右，自然坡比1∶1～1∶0.75，基巖系第三系上新統(tǒng)（N22）粉砂質(zhì)泥巖及砂巖，新鮮完整巖體的干抗壓強(qiáng)度為8.7～14.2 MPa，軟化系數(shù)0.26，屬軟巖，遇水易軟化崩解。由于地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用，右壩肩巖層不斷發(fā)生彎曲、扭折、塌滑，產(chǎn)生蠕變和座滑變形，形成右壩肩長(zhǎng)約650 m的巖石傾倒體。地質(zhì)勘探根據(jù)巖體變形程度劃分為強(qiáng)、弱、微傾倒體：強(qiáng)傾倒體水平厚度24～40 m，巖層向坡外傾倒變形強(qiáng)烈，由于巖層傾倒，產(chǎn)生一系列張性裂隙，局部有不連續(xù)的張性滑裂縫，一般寬0.3～0.6 m，透水性強(qiáng)，巖體強(qiáng)烈風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，物理力學(xué)性質(zhì)很差；弱傾倒體水平厚度4.5～14 m，巖體產(chǎn)生輕微彎曲變形，巖體較強(qiáng)傾倒體巖石完整，但裂隙仍較發(fā)育；微傾倒體巖體變形量很小，與正常巖體差別不大。

為保證水庫(kù)蓄水后右壩肩原有的水文地質(zhì)條件不發(fā)生改變，原設(shè)計(jì)確定對(duì)壩軸線以西180 m范圍內(nèi)、壩頂1154.6 m高程以下的傾倒體分別采取強(qiáng)傾倒體開挖、坡比為1∶1鋼筋混凝土護(hù)坡、巖體充填灌漿等工程措施；按照“上堵下排”的設(shè)計(jì)原則在壩軸線以西150 m處設(shè)置一道有效寬度1.5 m、高32.0 m的C15混凝土截滲墻（以下稱W150截滲墻），插入傾倒體山體中對(duì)可能產(chǎn)生的繞壩滲流進(jìn)行封堵，同時(shí)在壩面以下的1117.0 m高程基礎(chǔ)面上設(shè)置長(zhǎng)約320 m的地下排水廊道，及時(shí)排出傾倒體中的滲水（圖1）。

圖1 右壩肩工程平面布置圖Fig.1 Plane of the right abutment

3 地震及洪水對(duì)右壩肩工程運(yùn)行工況的影響

3.1 1999～2005年間地震及歷史特大洪水簡(jiǎn)況

（1）1999年3月15日，在壩址以東18 km處發(fā)生5.7級(jí)地震，壩址區(qū)地震烈度為7度、震感強(qiáng)烈。發(fā)震時(shí)庫(kù)水位為1144.1 m，相應(yīng)庫(kù)容3.85億m3。

（2）2002年7月23日，發(fā)生洪峰流量高達(dá)3677 m3/s的歷史特大洪水，庫(kù)水位在40 h內(nèi)從1142.0 m高程上漲至1148.26 m高程，水位凈增6.07 m，庫(kù)容凈增2.27億m3。2002年9月2日在壩址西南2 km處發(fā)生3.7級(jí)地震，壩址區(qū)震感強(qiáng)烈。發(fā)震時(shí)庫(kù)水位1147.4 m，相應(yīng)庫(kù)容5.16億m3。

（3）2005年9月23～26日，在壩址東北12 km處發(fā)生4.9、4.8級(jí)序列地震，震源深度14 km，壩址區(qū)地震烈度為6度，震感強(qiáng)烈。發(fā)震時(shí)庫(kù)水位為1146.2 m，相應(yīng)庫(kù)容4.67億m3。

3.2 右壩肩運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題

對(duì)比右壩肩部位的測(cè)縫計(jì)、滲流量、地下水位及外觀檢查等歷史資料可以看出：自1999年發(fā)生5.7級(jí)地震后，右壩肩在高水位（1148.0～1149.6 m高程）狀態(tài)下逐步表現(xiàn)出滲流、變形等異?，F(xiàn)象，特別是地震對(duì)其運(yùn)行工況影響十分明顯。

（1）W150截滲墻墻體內(nèi)部變形：W150截滲墻（圖2）墻體1137.2 m高程處水平與垂直縫中的兩只測(cè)縫計(jì)測(cè)值結(jié)果顯示，1999年5.7級(jí)地震發(fā)生時(shí)該墻體尚沒(méi)有明顯異常，但在2001年秋季，庫(kù)水位首次達(dá)到1148.0 m高水位以上并持續(xù)約50 d（2001年9月20日～10月25日）后，墻體垂直縫寬于同期并開始持續(xù)增加，至2003年初，該墻體垂直縫累計(jì)增加寬度1.75 mm。

（2）W150截滲墻頂部破壞變形：2002年5月22日工程安全檢查發(fā)現(xiàn)，在W150截滲墻頂部0+909、0+912、0+920樁號(hào)處分別有3條寬度為6 mm、7 mm和12 mm的橫向貫穿裂縫，其中0+920樁號(hào)處的第3條裂縫尤為明顯，裂縫兩側(cè)呈現(xiàn)有7 mm左右的錯(cuò)臺(tái)，表明該墻體已發(fā)生明顯變形。

（3）傾倒體滲流狀態(tài)發(fā)生改變：2002年7～9月，位于W150截滲墻下游即W140 m處的測(cè)壓管水位實(shí)測(cè)資料表明，水庫(kù)攔洪削峰期間，庫(kù)水位在40 h內(nèi)上漲6 m，但傾倒體內(nèi)地下水位12 d持續(xù)上升14 m；9月2日3.8級(jí)地震發(fā)生后，庫(kù)水位漲幅小于0.4 m，但傾倒體地下水位在11 d內(nèi)繼續(xù)上漲8.6 m（圖3）。至10月下旬，庫(kù)水位基本穩(wěn)定在1148.3 m高程左右，排水廊道內(nèi)排水管滲水量及滲水點(diǎn)數(shù)量明顯增多并向下游的壩軸線方向發(fā)展，滲流量在等庫(kù)水位時(shí)達(dá)到了極值0.203 L/s。

（4）W150截滲墻頂部裂縫數(shù)量繼續(xù)增加，裂縫寬度仍在緩慢增加：2002年7月25日、2003年12月底例行工程安全檢查發(fā)現(xiàn)，在0+931、0+924樁號(hào)處先后新增兩條裂縫，最大縫寬小于0.5 mm，規(guī)模相對(duì)之前的3條裂縫較小。2005年9月23日發(fā)生4.9級(jí)和4.8級(jí)地震，10月中旬檢查發(fā)現(xiàn)，在該墻體0+916樁號(hào)再次新增一道寬約0.2 mm的裂縫。至2005年10月，W150混凝土截滲墻頂部產(chǎn)生垂直于墻體軸線的橫向裂縫共計(jì)6條（圖2），其中規(guī)模較大的第1、3條裂縫2003～2008年連續(xù)6年的觀測(cè)資料（圖4）顯示：裂縫寬度分別累計(jì)增加15.3 mm和10.5 mm，且測(cè)值曲線反映出裂縫平穩(wěn)開裂，與庫(kù)水位高低/無(wú)關(guān)。

圖2 右壩肩W150混凝土截滲墻縱剖面圖Fig.2 Profile of W150 cut-off wall at the right abutment

水位高程m

/日期（d）水圖位3 W高15程0截m滲墻下游10 m（W140 m）處測(cè)壓管水位過(guò)程線Fig.3 Graph of piezometric water level 10-m downstream W150 cut-off wall(W140 m)

表1統(tǒng)計(jì)了早期形成的3條裂縫分別在W150截滲墻應(yīng)急加固處理前后的開裂變化情況。W150截滲墻及傾倒體充填灌漿應(yīng)急加固處理施工于2003年8月中旬完工，3條裂縫在應(yīng)急加固處理前的年變速率分別為6 mm/a、0.6 mm/a、3.6 mm/a，之后的年變速率分別減小至1.9 mm/a、0.4 mm/a和3.6 mm/a，且廊道滲流量基本穩(wěn)定在0.06 L/s左右，說(shuō)明對(duì)右壩肩W150截滲墻及其上、下游傾倒體進(jìn)行應(yīng)急加固處理的效果是顯著的，但并未遏制其變形的發(fā)展趨勢(shì)。

日期（d）圖4 W150截滲墻第一、三道裂縫寬度觀測(cè)過(guò)程線Fig.4 Observed curves for the widths of the 1st and 3rd crack on W150 cut-off wall

（5）W150截滲墻位置附近的傾倒體高邊坡伴生有數(shù)條裂縫：2003年4月進(jìn)行右壩肩傾倒體山體變形普查時(shí)，在W150截滲墻上、下游30 m，相對(duì)壩面高約50～90 m的山坡上發(fā)現(xiàn)有10條規(guī)模不等的坡面張性裂縫，走向與墻體軸線垂直，其中W180山梁鞍部的最長(zhǎng)裂縫（圖5）約20 m，張開寬度8～20 cm，下切深度約1.8～2.8 m，無(wú)充填。

4 右壩肩傾倒體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

（1）根據(jù)右壩肩傾倒體地下水位升高、排水廊道滲流量增加、滲水面積向下游發(fā)展情況看，右壩肩W150截滲墻附近的傾倒體水文地質(zhì)條件已開始發(fā)生改變，進(jìn)巖體的滲水主要是由W150截滲墻發(fā)生裂縫變形所致。

表1 W150截滲墻3條裂縫不同時(shí)段的縫寬增量及年變速率統(tǒng)計(jì)表Table 1:Width increment and annual change ratio of 3 cracks on W150 cut-off wall at different time

圖5 右壩肩西（W）180 m山梁西側(cè)裂縫展布Fig.5 Distribution of cracks on west 180 m of right abutment

（2）綜合W150混凝土截滲墻裂縫變化過(guò)程、傾倒體坡體裂縫展布等因素，認(rèn)為截滲墻墻體裂縫的成因一方面是由于截滲墻上游及外側(cè)巖體浸水飽和、下游巖體相對(duì)干燥等邊界條件不同，從而導(dǎo)致截滲墻上、下游邊坡巖體發(fā)生差異沉降變形引起；另一方面是因?yàn)橛覊渭鐑A倒體坡腳巖體結(jié)構(gòu)破碎，水庫(kù)長(zhǎng)期蓄水后軟巖遇水軟化、強(qiáng)度降低，易發(fā)生軟化座滑變形，加上地震動(dòng)荷載的作用，誘發(fā)邊坡上部巖體沿順坡向的滑裂縫向下滑動(dòng)變形，導(dǎo)致截滲墻附近的巖體及墻體發(fā)生變形。

（3）根據(jù)右壩肩地質(zhì)勘察及邊坡穩(wěn)定極限平衡分析認(rèn)為，①右壩肩邊坡巖體目前正處于變形發(fā)展階段，其變形是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，邊坡尚有一定的安全儲(chǔ)備，尚未達(dá)到極限平衡狀態(tài)；②右壩肩傾倒體現(xiàn)狀邊坡整體穩(wěn)定性尚好，即使在8度地震工況下其安全系數(shù)也在1.45左右，因此整體滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性很小；③W150截滲墻及W180山梁壩頂以上邊坡在正常蓄水位工況條件下的安全裕度較低，安全系數(shù)僅為1.057和1.100，地震工況條件下穩(wěn)定性差，安全系數(shù)僅為0.992和1.018，均不能滿足規(guī)范要求的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，右壩肩壩頂以上邊坡從壩頂坡腳處剪出滑動(dòng)是有可能的。

表2 加固前右壩肩傾倒體邊坡穩(wěn)定分析成果表Table 2:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment before rehabilitation

5 右壩肩傾倒體除險(xiǎn)加固措施

針對(duì)右壩肩工程在水庫(kù)蓄水、地震、庫(kù)水位驟變后出現(xiàn)的變形，需要通過(guò)工程措施重點(diǎn)解決兩方面的問(wèn)題：（1）提高壩頂以上傾倒體在地震工況下的安全系數(shù)，防止邊坡坐滑變形；（2）提高壩面以下W150截滲墻附近傾倒體巖體的剛度和抗變形能力，以減小浸水巖體的不均勻沉降。

（1）通過(guò)綜合分析研究，確定對(duì)右壩肩壩頂以上傾倒體邊坡采取削坡減載、預(yù)應(yīng)力錨索的加固方案。表3是右壩肩傾倒體在不同加固措施組合情況下的穩(wěn)定計(jì)算成果，結(jié)果顯示：除單一進(jìn)行削坡減載措施不能滿足安全控制標(biāo)準(zhǔn)外，其余三種措施實(shí)施后均可保證傾倒體在地震工況下的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到1.1以上；其中削坡加錨索的加固處理效果較為明顯，兩個(gè)剖面的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在正常蓄水位工況條件下可以達(dá)到1.262和1.304，在地震工況下可以達(dá)到1.19以上，均能滿足規(guī)范要求。因此，設(shè)計(jì)綜合地質(zhì)、施工、投資等因素確定對(duì)右壩肩W80～W240 m范圍內(nèi)，壩面以上、坡面裂縫以下的邊坡進(jìn)行削坡減載；清坡后，對(duì)壩面以上15 m范圍內(nèi)的傾倒體巖層采取1000 kN預(yù)應(yīng)力錨索加固；針對(duì)軟巖層，宜采用壓力分散型預(yù)應(yīng)力錨索施工。

（2）為提高W150截滲墻附近、壩面以下的傾倒體巖剛度和抗變形能力，對(duì)該墻體軸線上游30 m、下游20 m范圍內(nèi)的傾倒體采取常規(guī)的深層充填固結(jié)灌漿，以充填巖體內(nèi)的構(gòu)造裂隙，減小變形空間。同時(shí)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生裂縫的W150混凝土截滲墻進(jìn)行3排帷幕灌漿，恢復(fù)其防滲功能。

（3）為防止降水沿傾倒體裂隙進(jìn)入山體內(nèi)部，對(duì)清坡后的傾倒體巖面采取鋼筋掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行防護(hù)。

表3 加固后右壩肩傾倒體邊坡穩(wěn)定分析成果表Table 3:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment after rehabilitation

6 結(jié)語(yǔ)

（1）原型觀測(cè)資料表明，水庫(kù)蓄水多年后，右壩肩受地震、庫(kù)水位驟變因素的影響逐步表現(xiàn)出滲流、變形不穩(wěn)定的異?，F(xiàn)象，特別是地震對(duì)其運(yùn)行工況影響十分明顯。但綜合其地質(zhì)條件、變形發(fā)展程度及過(guò)程，分析認(rèn)為右壩肩傾倒體目前正處于變形發(fā)展階段，其變形是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，目前邊坡尚有一定的安全儲(chǔ)備，尚未達(dá)到極限平衡狀態(tài)。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，右壩肩傾倒體邊坡整體穩(wěn)定性較好，整體滑動(dòng)失穩(wěn)的可能性很小。但W150截滲墻附近壩頂以上的傾倒體邊坡在正常蓄水位工況條件下的安全裕度較低，安全系數(shù)僅為1.057和1.100，地震工況條件下穩(wěn)定性差，安全系數(shù)僅為0.992和1.018，均不能滿足規(guī)范要求的安全控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行加固處理。

（3）針對(duì)壩面以上的不穩(wěn)定巖體邊坡，采用削荷減載加1000 kN級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，以提高邊坡的整體穩(wěn)定性；壩面以下部位的巖體采用深層充填固結(jié)灌漿進(jìn)行處理，可以有效提高坡腳巖體的抗變形能力和強(qiáng)度，可在一定程度上緩解W150截滲墻墻體變形的繼續(xù)發(fā)展。

（4）右壩肩傾倒體地質(zhì)條件較差，邊坡所處部位又十分重要，因此加固措施實(shí)施后仍應(yīng)加強(qiáng)該部位的滲流、變形、錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)及資料整編分析工作，對(duì)錨固力松弛的錨索及時(shí)給予應(yīng)力補(bǔ)償，確保錨索錨固的整體效應(yīng)。■

[1]新疆渭干河克孜爾水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.2008.

[2]渭干河克孜爾水庫(kù)右壩肩邊坡巖體穩(wěn)定研究報(bào)告[R].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.2007.