淺談丘北干龍?zhí)端畮斐U(xiǎn)加固工程大壩穩(wěn)定分析及處理措施的選擇

陶 煉

(云南省文山州丘北縣大型灌區(qū)管理局 663200)

1 工程概況

干龍?zhí)端畮煳挥谇鸨笨h天星鄉(xiāng)倮黑村腳，距縣城30km，距天星鄉(xiāng)3km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°17'26″，北緯23°58'59″，屬珠江流域西江水系。工程規(guī)模為小(1)型水庫，水庫徑流面積13.26km2，總庫容236.4萬m3，興利庫容139.29萬m3，調(diào)洪庫容94.5萬m3，死庫容2.61萬m3，水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高15.4m，水庫灌溉面積6000 余畝，每年供給下游生活用水11萬m3，水庫防洪保護(hù)涉及天星鄉(xiāng)政府駐地的天星村民委共1963 戶9813 人，保護(hù)天星鄉(xiāng)四級公路2km 及鄉(xiāng)政府駐地的其他設(shè)施。水庫始建于1957年，1978年擴(kuò)建，直到1994年水庫才達(dá)到正常蓄水位，當(dāng)年即發(fā)現(xiàn)大壩存在滲漏，大壩下游坡大面積潮濕并有散浸現(xiàn)象，丘北縣水務(wù)局對局部壩段進(jìn)行帷幕灌漿后一直采取控制蓄水的辦法防止大壩病險(xiǎn)的惡化。2007年進(jìn)行了安全鑒定，當(dāng)年進(jìn)入國家第二批重點(diǎn)小(1)型計(jì)劃，2008年投資計(jì)劃下達(dá)，2008年9月完成招標(biāo)投標(biāo)并進(jìn)入除險(xiǎn)加固工程施工。

2 工程存在的主要問題

經(jīng)檢查、分析和必要的復(fù)核計(jì)算，干龍?zhí)端畮旃こ虆^(qū)地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件符合建庫要求。但水庫大壩嚴(yán)重滲漏，壩體飽和，土料力學(xué)指標(biāo)降低，危及大壩安全，致使大壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范值，使整個(gè)工程存在較大的安全隱患，安全評價(jià)類別為三類壩。云南省水利廳根據(jù)專家組書面與現(xiàn)場核查意見認(rèn)為:干龍?zhí)端畮旃こ藤|(zhì)量差，存在大壩滲漏問題，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，同意三類壩鑒定結(jié)論。

3 除險(xiǎn)前大壩滲流及穩(wěn)定狀況

3.1 滲透變形分析及評價(jià)

根據(jù)安全評價(jià)時(shí)鉆孔及坑探試壓注水試驗(yàn)參數(shù)，按有限深透水地基、下游無水、無排水設(shè)施的均質(zhì)土壩計(jì)算出的正常蓄水位時(shí)浸潤線逸出點(diǎn)高程為1541.080m，而大壩現(xiàn)狀下游壩坡浸濕部分均在此高程以下，大壩的浸潤線計(jì)算符合壩體現(xiàn)狀。

壩坡浸潤線逸出點(diǎn)出逸坡降J=1/(1+m22)1/2=0.316。

壩坡浸潤線逸出點(diǎn)臨界滲透坡降及允許滲透坡降分別采用兩種方法，具體計(jì)算如下:

a.壩坡浸潤線逸出點(diǎn)臨界滲透坡降的計(jì)算按能源部、水利部水利水電規(guī)劃總院1989年出版的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)手冊》公式(下稱手冊公式)計(jì)算。

式中 rw——為水容重;

β——為下游坡角，18.430;

r1’——為土的浮容重，0.848;

C——為滲出段壩體填土的凝聚力，2.03t/m2;

φ——為壩土的內(nèi)摩擦角，14.100。

由此將參數(shù)代入式中求得壩坡滲出段上土的臨界滲透坡降為:Jc=0.136。

b.壩坡浸潤線逸出點(diǎn)允許坡降的計(jì)算按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL 189—96)“條文說明7.1 條”中的滲流計(jì)算公式(下稱導(dǎo)則公式)計(jì)算。

式中 rs——為土粒密度，2.76t/m3;

rw——為水密度，1.0t/m3;

n——為土的孔隙率，1.094;

J——為滲透坡降;

KB——為流土安全系數(shù)，取1.5。

由此將參數(shù)代入式中求得壩坡滲出段上土的破壞滲透坡降為:J破壞=0.484，J允許=0.322。

以上計(jì)算中，手冊公式計(jì)算成果比較符合本工程的實(shí)際，出逸點(diǎn)的實(shí)際滲透坡降已接近導(dǎo)則公式計(jì)算的允許滲透坡降，取Jc=0.136 作為本工程的評述依據(jù)。

大壩壩體為中等～強(qiáng)透水層，壩土k 值系數(shù)偏大，不能滿足均質(zhì)壩壓實(shí)后的滲透系數(shù)不大于1.0×10－4cm/s的填筑要求，抗?jié)B能力較差。壩基為中等～弱透水層，兩壩肩第四系殘積層亞黏土屬中等～弱透水層，基巖灰?guī)r屬弱透水層，壩土與殘積層接觸帶為中等透水層?，F(xiàn)大壩滲漏嚴(yán)重，滲流逸出點(diǎn)較高，背水坡已大面積潮濕和散浸，說明大壩滲流現(xiàn)狀不穩(wěn)定。以上計(jì)算實(shí)際滲透坡降J 大于臨界滲透坡降JC，接近允許滲透坡降J允許，滲透穩(wěn)定性不滿足要求，大壩滲流性態(tài)處于不安全狀態(tài)，大壩存在滲透變形。

3.2 大壩穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算

3.2.1 土料物理力學(xué)指標(biāo)及壩體浸潤線

3.2.1.1 土料物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)成果安全評價(jià)階段土料物理力學(xué)指標(biāo)見下頁表1 所示。

壩土:從表中壩土11 組原狀土樣來看，所取土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本能反映土樣的真實(shí)性，因此計(jì)算中，壩體部位土料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用小值均值。

壩基:屬第四系壩基土層，從表中3 組土樣試驗(yàn)值看基本接近，故取算術(shù)平均法求出平均值，作為計(jì)算采用值。

本工程安全評價(jià)階段穩(wěn)定計(jì)算取用參數(shù)詳見表2。

表2 大壩穩(wěn)定分析選用物理力學(xué)指標(biāo)

通過以上分析可以看出，各組土樣的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，結(jié)合大壩現(xiàn)狀，對不同部位土料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用不同計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果作為大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算的基本參數(shù)，符合工程實(shí)際。

3.2.1.2 壩體浸潤線的確定

干龍?zhí)端畮齑髩挝丛O(shè)壩體水位觀測孔，無浸潤線實(shí)測資料，安全評價(jià)階段的浸潤線以2007年3月鉆孔觀測水位為主要依據(jù)。庫水位為1548.150m，較正常水位1548.700m 低0.550m，結(jié)合實(shí)測鉆孔觀測水位及鉆孔試驗(yàn)取得的各區(qū)滲透系數(shù)值進(jìn)行浸潤線的分析計(jì)算，擬合出各特征水位情況下的壩體浸潤線，再采用《理正巖土系列軟件3.52 版》中的滲流分析計(jì)算軟件進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合大壩滲流逸出點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大壩浸潤線計(jì)算成果

3.2.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算及評價(jià)

3.2.2.1 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析方法為有效應(yīng)力法，計(jì)算采用《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2000》中的畢肖普法和瑞典圓弧法計(jì)算。計(jì)算結(jié)果以兩者中的較小安全系數(shù)作為安全評價(jià)穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果。

計(jì)算斷面采用實(shí)測大壩的最大橫斷面，浸潤線主要參照鉆孔壓水位、探坑揭露情況及大壩的實(shí)際滲漏情況擬合而得。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)、《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 203—97)和《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2000)，結(jié)合干龍?zhí)端畮爝\(yùn)行狀況，確定計(jì)算工況組合及計(jì)算成果見表4。

表4 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算成果

3.2.2.2 抗滑穩(wěn)定評價(jià)

從以上計(jì)算成果分析，干龍?zhí)端畮齑髩紊嫌纹掳踩禂?shù)均滿足規(guī)范規(guī)定值，而下游壩坡在各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，結(jié)合大壩的現(xiàn)狀，雖然大壩土體長期工作于飽和狀態(tài)，但由于水庫多年未能達(dá)到正常水位，因此壩體并未發(fā)生拉裂和大的滑坡等變形現(xiàn)象，但大壩仍存在不安全隱患，根據(jù)《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2000)有關(guān)規(guī)定，大壩結(jié)構(gòu)安全等級為C 級。

4 壩體及壩基防滲設(shè)計(jì)

4.1 防滲處漏方案選擇

根據(jù)地質(zhì)復(fù)核和相關(guān)檢查，基本查明了水庫大壩、基礎(chǔ)地質(zhì)情況和病害原因。干龍?zhí)端畮靿误w及接觸帶均存在滲漏問題，特別是壩體滲漏比較嚴(yán)重。

由于大壩的嚴(yán)重滲漏，導(dǎo)致后壩坡逸出點(diǎn)較高，壩體土料力學(xué)指標(biāo)降低，為此，必須對大壩和壩基進(jìn)行防滲處漏，有效降低壩體浸潤線，提高壩體土料力學(xué)指標(biāo)，達(dá)到除險(xiǎn)加固之目的。

針對水庫病害原因，對干龍?zhí)端畮斓拇髩慰刹捎梅罎B帷幕灌漿或混凝土防滲薄墻兩種方案進(jìn)行處漏。對兩方案作如下對比:

4.1.1 帷幕灌漿方案

干龍?zhí)端畮齑髩螢榫|(zhì)土壩，大壩壩體、壩肩、壩基均采取沿壩軸線進(jìn)行帷幕灌防滲漿，帷幕線布置于壩軸線上游0.5m 處，孔距1.5m，起灌高程從水庫正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕線總長為678.0m，右岸延長11m。帷幕底界深入壩基以下2～8m，進(jìn)入第四系及基巖弱透水層內(nèi)，防滲標(biāo)準(zhǔn)基巖為q≤10Lu，第四系及壩土為k≤10－5cm/s。

4.1.2 混凝土防滲薄墻方案

混凝土防滲墻布置于壩軸線偏上游0.7m，范圍從壩軸線里程壩0+023～0+663，總長640m。防滲墻墻頂高程比水庫正常蓄水位高1.0m，即1549.70m。防滲墻總面積7129m2，墻底嵌入壩基2.0～3.0m，墻體厚度0.4m，采用C10 黏土混凝土，抗?jié)B標(biāo)號為W6。

兩方案的工程量及投資如表5 所列:

表5 大壩防滲方案比較

從上表可以看出，帷幕灌漿方案比混凝土防滲墻方案節(jié)省投資260.01萬元，帷幕灌漿防滲處漏施工簡單，技術(shù)也較為成熟，防滲效果可靠，是目前堤防工程和土壩工程中常用的處漏方法之一，雖然混凝土防滲墻的防滲效果更為可靠，但其施工工藝復(fù)雜，投資較大。針對干龍?zhí)端畮旃こ痰膶?shí)際，本次設(shè)計(jì)推薦采用投資較省的帷幕灌漿方案作為水庫壩體和壩基的防滲處漏方案。

4.2 帷幕灌漿防滲設(shè)計(jì)

4.2.1 壩基和兩岸幕體防滲要求

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)第6.3.9 條的規(guī)定:“灌漿帷幕的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)按灌后基巖的透水率控制。1 級、2 級壩及高壩透水率宜為3～5Lu，3 級及其以下的壩透水率宜為5～10Lu?！备升?zhí)端畮齑髩螢? 級壩，壩高15.4m，因此其防滲帷幕深入到弱透水帶(q≤10Lu)即可。

根據(jù)勘察情況分析，壩體右岸帷幕需延伸11m 才能滿足大壩防滲要求。

4.2.2 壩體、壩基帷幕灌漿設(shè)計(jì)

大壩從壩頂1552.2 000m 高程造孔，起灌高程從水庫正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕采用單排灌漿孔，均為垂直孔，孔距為1.5m。灌漿方法為自上而下分段灌漿，壩體和壩基第四系灌漿采用水泥漿加黏土漿(水泥與黏土漿比例為1/3)，灌漿水泥單耗初定100kg/m，基巖采用純水泥漿灌注，其灌漿水泥單耗初定250kg/m，灌漿壓力由灌漿試驗(yàn)確定。帷幕線總長為678.0m，右岸延長11m 造孔總進(jìn)尺為7067m，總灌段5485m，不灌段1582m。帷幕底界深入壩基以下2～8m，進(jìn)入第四系及基巖弱透水層內(nèi)，防滲標(biāo)準(zhǔn)基巖為q≤10Lu，第四系及壩土為k≤10－5cm/s。

5 除險(xiǎn)加固后的大壩穩(wěn)定計(jì)算

干龍?zhí)端畮齑髩蔚姆€(wěn)定在安全評價(jià)階段已得出結(jié)論:“大壩上游坡安全系數(shù)滿足規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，而大壩下游壩坡在正常水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)瑞典圓弧法分別為1.131、1.079 和1.009，畢 肖 普 法 分 別 為1.212、1.185 和1.146，均小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，說明大壩存在安全隱患，大壩結(jié)構(gòu)安全等級評價(jià)為C 級。”因此，需對大壩進(jìn)行除險(xiǎn)加固后的穩(wěn)定計(jì)算。

土料試驗(yàn)指標(biāo)采用安全評價(jià)階段的試驗(yàn)指標(biāo)，大壩浸潤線為大壩防滲處漏后的浸潤線。

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)和《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2000)的要求，結(jié)合干龍?zhí)端畮斓那闆r確定計(jì)算工況。干龍?zhí)端畮齑髩螢榫|(zhì)土壩，壩體構(gòu)造單一，因工程區(qū)區(qū)域地震烈度為Ⅵ度，不考慮地震因素，再者是水庫無驟降的可能，不進(jìn)行驟降工況下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

大壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算軟件采用《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序STAB2000》的畢肖普法。計(jì)算結(jié)果如表6 所列。

表6 壩坡最小安全系數(shù)計(jì)算成果

從以上計(jì)算成果可以看出，大壩經(jīng)過防滲處漏后，浸潤線降低，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)得到很大的提高，對大壩的除險(xiǎn)加固起到了切實(shí)有效的作用，有效地消除了大壩的安全隱患，這說明防滲處漏的辦法符合工程實(shí)際。

6 結(jié) 語

干龍?zhí)端畮炜⒐ば钏蟮默F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn):大壩通過帷幕灌漿防滲處理后，解決了壩體、壩基及接觸帶滲漏問題，提高了大壩穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了工程除險(xiǎn)加固的目的。

1 SL 274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

2 SL 62—94 水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.

3 SL 203—97 水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

4 SL 258—2000 水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則［S］.