煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩安全復(fù)核及壩體補(bǔ)強(qiáng)加固防滲處理

代彬彬，朱曉萌，楊 冰

(1.貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；3.四川大學(xué)水電學(xué)院，四川 成都 610207)

煤幺寨水庫(kù)位于修文縣六桶鄉(xiāng)境內(nèi)的石林村，距修文縣城55km，距息烽縣城15km。水庫(kù)涉及流域?yàn)闉踅狄患?jí)支流劉家溝河的一小支流。水庫(kù)大壩距花榔-九莊公路500m，無上壩公路，交通不便。水庫(kù)壩址以上流域集水面積經(jīng)本次復(fù)核為0.61km2，主河長(zhǎng)1.1km，河道平均比降60.0‰。工程始建于1965年，于1968年竣工并投入運(yùn)行。工程建成后壩體滲漏較為嚴(yán)重，浸潤(rùn)線較高，不能正常蓄水。雖歷經(jīng)1993年和2001年除險(xiǎn)加固處理，但防滲效果不佳，滲漏問題依然很嚴(yán)重。且經(jīng)歷多年運(yùn)行后，上游壩面干砌塊石護(hù)坡局部脫落淘空、壩基與右壩肩滲漏等問題，已嚴(yán)重威脅到大壩安全[1]，急需采取合理的工程措施進(jìn)行除險(xiǎn)加固修復(fù)處理，確保大壩安全蓄水與安全泄洪。

1 壩基(肩)水文地質(zhì)評(píng)價(jià)及滲漏分析

1.1 壩基(肩)水文地質(zhì)評(píng)價(jià)

壩線地層單一，巖性變化大，主要為二迭系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)淺灰色、灰色粘土巖、硅質(zhì)泥灰?guī)r，壩基出露基巖為硅質(zhì)泥灰?guī)r，左岸小面積出露粘土巖，右壩肩為粘土巖、泥晶石灰?guī)r夾煤，兩壩肩巖性差異較大、較復(fù)雜，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。壩址為縱向河谷，庫(kù)水易沿基巖走向滲漏，河谷形態(tài)于水庫(kù)防滲不利[2]。

壩區(qū)雖有可溶蝕性較強(qiáng)的硅質(zhì)泥灰?guī)r，但其厚度不大，溶蝕不可能大規(guī)模發(fā)育，粘土巖屬弱巖溶發(fā)育巖。鉆孔ZK01位于右壩肩，揭示在高程1172.1～1178.1m段巖體極破碎，節(jié)理、裂隙密集發(fā)育，有明顯的地下水活動(dòng)痕跡，該段鉆孔過程中不返水，為硅質(zhì)泥灰?guī)r；鉆孔ZK04位于壩軸線中心左側(cè)，揭示在高程1169.1～1178.1m段巖體較破碎，斜向裂隙發(fā)育，多為泥質(zhì)充填，膠結(jié)較差，有地下水活動(dòng)痕跡，該段鉆孔壓水試驗(yàn)呂榮值為9.89。其他2個(gè)鉆孔壓水試驗(yàn)相對(duì)ZK01、ZK04較好，巖體相對(duì)較完整，壩基基巖風(fēng)化厚度約10.0～14.5m。總體來看，壩區(qū)地層巖溶弱發(fā)育或不發(fā)育，只有沿強(qiáng)風(fēng)化基巖裂隙及基巖層面有輕微的潛蝕。經(jīng)查，滲漏點(diǎn)S1位于壩基排水棱體處，高程為1160.6m，滲漏量約0.2L/s；滲漏點(diǎn)S2位于一級(jí)馬道壩軸線中心附近，高程為1172.0～1173.0m，滲漏量約0.2L/s；滲漏帶S3位于右壩肩，高程為1170.0～1177.0m，寬約5.0m，滲漏量約0.3L/s。

1.2 壩線風(fēng)化帶劃分

根據(jù)野外地質(zhì)踏勘及鉆探資料分析，壩線強(qiáng)風(fēng)化分帶深度見表1。

表1 壩線強(qiáng)風(fēng)化帶深度

由于現(xiàn)水庫(kù)不能蓄水至正常水位，水壓力小，基巖巖性為硅質(zhì)泥灰?guī)r、粘土巖，阻水效果相對(duì)較好；壩體填筑土料取樣試驗(yàn)結(jié)果分析，土料滲透系數(shù)為2.02×10-4～4.91×10-4cm/s。由此可推斷S1、S2及S3滲漏原因?yàn)榻▔螘r(shí)清基未徹底，加之填土料不均，庫(kù)水沿強(qiáng)風(fēng)化層基巖裂隙、基巖走向及壩體空隙滲漏所致[3]。

1.3 壩基(肩)滲漏分析

壩基出露基巖為硅質(zhì)泥灰?guī)r，左岸為粘土巖、泥巖，右壩肩為粘土巖、泥晶石灰?guī)r夾煤線。初步分析，S1滲漏點(diǎn)為集中滲漏，沿壩基接觸帶滲漏，其滲漏量較小，初步推斷滲漏原因?yàn)榻▔螘r(shí)清基不徹底，存在耕植層、腐爛樹根等導(dǎo)致庫(kù)水沿強(qiáng)風(fēng)化基巖裂隙、空隙等產(chǎn)生滲漏，或建壩時(shí)，壩體填料局部夾有風(fēng)化碎石及部分殘積土，庫(kù)水從碎石顆粒間隙和浮土空隙中滲出而形成；S2滲漏點(diǎn)為集中滲漏，屬壩體滲漏，初步推斷滲漏原因：①壩體填料局部夾有風(fēng)化碎石及部分殘積土(填料不均)，庫(kù)水從碎石顆粒間隙和殘積土空隙中滲出而形成；②壩體填筑施工過程中碾壓不均，分段、分層結(jié)合不好，存在空隙和接觸沖刷，從而引起滲漏；S3滲漏點(diǎn)為帶狀滲漏，屬繞壩肩滲漏，初步推斷滲漏原因?yàn)閹?kù)水沿壩肩強(qiáng)風(fēng)化基巖裂隙破碎帶、基巖層面滲漏或壩體與岸坡結(jié)合面接觸不緊密引起滲漏[4,5]。壩肩及壩基接觸帶滲漏總量約0.7L/s，由于該水庫(kù)集雨面積小(約0.58Km2)，來水量有限，為保障水庫(kù)周邊居民飲水及灌溉安全，建議對(duì)水庫(kù)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面滲流及穩(wěn)定復(fù)核，并采取有針對(duì)性的防滲加固修復(fù)處理工程措施。

2 大壩滲流性態(tài)分析及穩(wěn)定安全復(fù)核

由于大壩建設(shè)時(shí)存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差、質(zhì)量監(jiān)控不到位、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)不規(guī)范等原因，給大壩穩(wěn)定運(yùn)行埋下較大安全隱患。大壩自建成投運(yùn)后，就存在滲漏嚴(yán)重、浸潤(rùn)線較高、不能正常蓄水等問題，水庫(kù)長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行[7]。為掌握煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩現(xiàn)狀運(yùn)行狀態(tài)，并合理優(yōu)選與壩基(肩)滲漏病險(xiǎn)類型相匹配的除險(xiǎn)加固防滲處理工程措施，結(jié)合大壩特性參數(shù)評(píng)估大壩滲流性態(tài)和整體抗滑穩(wěn)定性[8]。

2.1 壩體結(jié)構(gòu)材料特性

筑壩材料壩體為粘土，壩基為泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r。土工試驗(yàn)表明，壩體粘土滲透系數(shù)為2.02×10-4～4.91×10-4cm/s，計(jì)算采用4×10-4cm/s；壩基基巖滲透系數(shù)為1.0×10-4cm/s。壩體粘土容重為18.5kN/m3，內(nèi)摩擦角為11.4°，凝聚力31.4kPa；壩基泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r容重為25.0kN/m3，內(nèi)摩擦角為22°，凝聚力180kPa。

2.2 大壩滲流性態(tài)分析

根據(jù)SL744- 2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，擬定2個(gè)工況進(jìn)行滲流計(jì)算[8- 9]：①庫(kù)水位為正常蓄水位1179.30m；②庫(kù)水位由正常蓄水位降至死水位1171.80m。壩體滲流計(jì)算采用河海大學(xué)編寫的Autobank7.05軟件《滲流分析計(jì)算》。分析結(jié)果表明，正常蓄水位穩(wěn)定期壩體單寬滲流量0.749m3/d，按壩基寬度50m，則滲流量約0.435L/s。滲流作用下土體開始發(fā)生滲透破壞的水力臨界坡降按太沙基公式計(jì)算，取Gs=2.71，e=1.07，安全系數(shù)為2，則大壩粘土允許抗?jié)B坡降[J]=0.415。根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，對(duì)大壩滲流情況進(jìn)行了計(jì)算分析，通過正常蓄水位和校核洪水位滲流計(jì)算結(jié)果得到兩種情況下滲透比降等值線，如圖1和圖2所示。

圖1 正常蓄水位穩(wěn)定滲流滲透比降等值線圖

圖2 庫(kù)水位降落期滲透比降等值線圖

從圖1和圖2滲透坡降值表明：①穩(wěn)定滲流期壩面土體溢出滲透比降為J=0.269，小于壩體粘土允許滲透比降[J]=0.415。②水位降落期，下游壩坡溢出滲透比降為J=0.277，小于壩體粘土允許滲透比降[J]=0.415。因此，大壩在不同運(yùn)行工況條件下，其滲透比降均小于規(guī)范限值，滲流性態(tài)滿足規(guī)范要求，壩體不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

2.3 壩體抗滑穩(wěn)定安全復(fù)核評(píng)價(jià)

煤幺寨水庫(kù)壩體為均質(zhì)土壩，壩頂高程1155.0m，最大壩高13.7m，壩軸線長(zhǎng)70m。工程屬5等工程，大壩等主要建筑物為5級(jí)。煤幺寨水庫(kù)大壩穩(wěn)定安全復(fù)核，根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及SL189- 96《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》進(jìn)行計(jì)算，目的是論證壩體在自重、各種工況的孔隙水壓力和外荷載作用下的穩(wěn)定性[10]。

根據(jù)SL744- 2016《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》和SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，考慮壩體運(yùn)行情況以及可能遇到的最不利情況，擬定3種計(jì)算工況對(duì)煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩的整體抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行全面安全復(fù)核，即：①工況1：正常蓄水位1179.30m時(shí)穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡；②工況2：水庫(kù)正常蓄水位1179.30m降至死水位1171.80m即降落期的上游壩坡；③工況3∶1/3壩高水位的上游壩坡。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算方法為剛體極限平衡法，采用不計(jì)條塊間作用力的瑞典圓弧法進(jìn)行分析，采用河海大學(xué)編寫的Autobank7.05軟件《邊坡穩(wěn)定分析》進(jìn)行計(jì)算。壩坡穩(wěn)定計(jì)算采用優(yōu)選法找出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面及最小安全系數(shù)。大壩在不同荷載組合工況條件下上、下游壩坡穩(wěn)定性分析成果見表2。

表2 煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩抗滑穩(wěn)定分析成果

從表2可知：通過對(duì)壩體典型剖面抗滑穩(wěn)定計(jì)算，正常蓄水位壩體穩(wěn)定滲流期上游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，下游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；庫(kù)水位由正常水位降至死水位高程上游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求；1/3壩高庫(kù)水位的上游壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3 大壩防滲補(bǔ)強(qiáng)加固修復(fù)處理

3.1 除險(xiǎn)加固灌漿防滲措施

鑒于煤幺寨水庫(kù)壩基(肩)滲漏問題，為保障大壩安全并減少滲漏損失，須進(jìn)行壩體、壩基(肩)接觸帶防滲加固處理。結(jié)合國(guó)內(nèi)技術(shù)水平及煤幺寨水庫(kù)實(shí)際情況，擬選充填灌漿、高壓旋噴灌漿兩種方案進(jìn)行比選。充填灌漿設(shè)備及施工工藝簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、便于操作、易于掌握、工效高，而高壓旋噴灌漿方案施工機(jī)械要求相對(duì)較高，施工相對(duì)較復(fù)雜，造價(jià)高。為防止壩體和壩基滲透破壞，減少壩體、壩基及繞壩滲漏量，結(jié)合煤幺寨水庫(kù)的實(shí)際情況，經(jīng)綜合比較，壩體采用能夠滿足水庫(kù)運(yùn)行要求的充填式灌漿處理方案，同時(shí)對(duì)兩岸坡及壩基進(jìn)行常規(guī)帷幕灌漿防滲處理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，防滲灌漿孔孔距為3m，分3序次進(jìn)行，其帷幕深度確定約為0.7倍壩高，并可在施工中通過先導(dǎo)孔的勘探結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。除險(xiǎn)加固灌漿總量為2078.5m，其中帷幕灌漿量為841.0m，充填灌漿量為1018.6m，無效進(jìn)尺218.9m。

3.2 壩體充填灌漿質(zhì)量控制

充填灌漿壓力不得超過0.5MPa，采用循環(huán)式自下而上分段灌漿法，分段長(zhǎng)5m，灌漿管管口距段底不得大于50cm。壩體和基巖的接觸段應(yīng)單獨(dú)灌漿處理。灌漿材料為粘土水泥漿，在吸漿量特大的灌漿段摻用一部分細(xì)砂和促凝劑，水泥用量約材料占總量的15%；接觸帶及深入基巖2m灌漿段水泥用量約材料占總量的30%。水泥采用P.O32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。促凝劑主要采用氯化鈣，摻用量為水泥重量的3～5%。漿液由稀到濃逐級(jí)變換，水灰比可采用5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1，0.5∶1等7個(gè)比級(jí)。當(dāng)漿液升至管口，經(jīng)連續(xù)復(fù)灌3次不再吃漿時(shí)，即可終止灌漿；當(dāng)每孔灌完后，可將注漿管拔出，注灌漿容重大于1.5t/m3的稠漿，如漿面下降，可繼續(xù)灌注稠漿，直至漿面升至壩頂不再下降為止。每孔灌完后，待孔周圍泥漿不再流動(dòng)時(shí)，將孔內(nèi)漿液取出，掃孔到底，可向孔內(nèi)灌注稠漿或用含水量適中的制漿土搗實(shí)。灌漿要求最終滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s。

3.3 壩基防滲帷幕灌漿質(zhì)量控制

帷幕灌漿壓力孔口起灌壓力為0.3MPa，自基巖面以下5m開始，巖石每加深1m，灌漿壓力增加0.05MPa，但最大灌漿壓力不得超過1.0MPa。采用循環(huán)式自上而下分段灌漿法，每3～5m為一段，待上一段灌漿初凝或終凝后，按照規(guī)范要求時(shí)間進(jìn)行掃孔，并進(jìn)行下一段的灌漿，周而復(fù)始的進(jìn)行。各灌漿段灌漿時(shí)必須下入灌漿管，管口距段底不得大于50cm。先導(dǎo)孔可在1序孔中選取，其間距不宜小于15m，或按該排孔數(shù)的10%布置。灌漿材料為水泥漿，在吸漿量特大的灌漿段摻用一部分細(xì)砂，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥。灌漿從5∶1稀漿開始，以后按 5∶1、3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、0.8∶1的濃度變換。在規(guī)定的壓力下，單位吸漿量不超過0.4L/min延續(xù)30min，即可以結(jié)束灌漿。但每一灌漿段的灌漿總時(shí)間不低于1h。灌漿過程中遇有回漿變濃現(xiàn)象，最終單位吸漿量小于1～2L/min時(shí)，也可結(jié)束灌漿。在全孔灌漿完畢后，將灌漿窗設(shè)在孔口處，進(jìn)行全孔回填灌漿，從稀漿開始，依正常方法進(jìn)行灌漿。當(dāng)單位吸漿量小于0.4L/min時(shí)，在即改灌0.6∶1的濃漿結(jié)束。壓力采用0.5MPa。灌漿后，如孔內(nèi)空余深度仍大于5m，還要第二次灌漿封孔，直到空余深度小于5m后，再采用人工封孔法將孔口處填灌灌實(shí)。灌漿要求最終滲水率≤5Lu。

4 結(jié)論

(1)在煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩防滲加固修復(fù)處理過程中，不僅結(jié)合壩體結(jié)構(gòu)特性合理采取灌漿等工程措施有效解決壩基和壩肩滲漏問題，同時(shí)還須充分考慮壩體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布改造和防滲體耐久性等問題，確保防滲方案具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

(2)煤幺寨水庫(kù)均質(zhì)土壩由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低、施工質(zhì)量較差、除險(xiǎn)加固土工膜防滲效果不佳等，導(dǎo)致水庫(kù)長(zhǎng)期處于帶病運(yùn)行工況，浸潤(rùn)線較高、不能正常蓄水，壩基(肩)滲漏加重，嚴(yán)重威脅到大壩運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

(3)經(jīng)壩體滲流性態(tài)和抗滑穩(wěn)定性全面復(fù)核，大壩雖整體滲流性態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均較好，符合規(guī)范指標(biāo)要求。但壩基和壩肩存在的滲漏加劇問題，嚴(yán)重威脅到大壩的正常蓄水與安全泄洪。采取充填式灌漿為主，輔以兩岸坡及壩基常規(guī)帷幕灌漿的組合防滲方案，對(duì)大壩進(jìn)行全面防滲加固修復(fù)處理后，壩體內(nèi)部漏水通道、壩體空洞和裂縫等能得到有效充填，壩體結(jié)構(gòu)也能得到有效加固，為大壩安全穩(wěn)定性運(yùn)行營(yíng)造了良好條件。

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