任莊水庫壩體土質(zhì)量評價與壩面變形分析

陳世偉

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

任莊水庫工程位于山西省澤州縣東北丹河上，工程于1959年開工建設(shè)，1960年完工并投入運行。水庫設(shè)計總庫容為8050萬m3，正常蓄水位高為23.90 m，是一座以防洪為主，兼顧供水和灌溉的中型水利樞紐工程。

2 大壩簡述

大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，最大壩高35.5 m，壩長650 m，壩頂寬5.5 m，防浪墻高1.0 m。迎水坡及背水坡均采用干砌石護坡；干砌石下為粗骨料墊層，厚0.2～0.3 m。迎水坡設(shè)有一馬道，高21.70 m，坡度為 1∶2.6。背水坡設(shè)有兩條馬道，一馬道高22.4～22.8 m，二馬道高 13.6～13.7 m，坡度為 1∶2.3～1∶2.7。壩后坡腳設(shè)有排水棱體及排水溝。

筑壩土料料源主要為壩址附近第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）紫紅色低液限黏土。

3 大壩歷次出現(xiàn)險情及處理措施

水庫運行至今已53年，其間發(fā)生過多次險情，現(xiàn)按時間先后順序分述如下。

3.1 右壩段滑坡

1963年9月19日，當(dāng)庫水位蓄水高度至26.26 m時，大壩右壩段樁號0+063～0+175段壩體土發(fā)生下滑，滑面高度為11.60～23.40 m。壩體土下滑至右壩端坡腳處，形成一平地，距壩軸線80～120 m。事后于1964年對滑坡段壩體進行了重新填筑，同時在該段坡腳處增設(shè)長約58 m的排水棱體。1998年水庫應(yīng)急改造時又對滑坡處壩體進行了充填灌漿。

3.2 右壩端接觸沖刷及滲漏

據(jù)水庫觀測資料，當(dāng)水庫蓄水高度至22.4 m時，壩體與右壩肩接觸處有庫水滲出，同時壩頂有裂縫和塌坑出現(xiàn)。特別是1992年5月，由于上游普降暴雨形成洪水，導(dǎo)致庫水位驟升，壩體與右壩肩接觸處滲漏量明顯增大且右側(cè)壩體出現(xiàn)多處塌坑。1998年任莊水庫應(yīng)急改造時，對右壩肩巖體、壩體與右岸接觸部位進行了灌漿處理。

3.3 右壩段壩體出現(xiàn)塌坑和裂縫

1992年5月5日水庫上游暴雨過后，大壩背水坡樁號 0+000～0+356，高 19.20～27.75 m 范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn) 30余處塌坑，并伴有多處裂縫。塌坑坑徑最大1.4 m，最小0.25 m，坑深最大2 m，最小0.3 m?，F(xiàn)場對典型塌坑開挖后發(fā)現(xiàn)，坑壁有明顯裂縫，最深約6 m，裂縫寬最大約10 cm，最窄約0.5 cm，且塌坑多在裂縫處產(chǎn)生。隨后，對塌坑進行了回填并夯實。1998年任莊水庫應(yīng)急改造時，對大壩樁號0+100～0+380段壩體土進行了黏土充填灌漿，并對上下游壩面進行了防護。

4 壩體土質(zhì)量評價及壩面變形原因分析

4.1 壩體土質(zhì)量評價

壩體土巖性主要由第四系中更新統(tǒng)洪積（Q2pl）黃褐色、紫紅色低液限黏土組成，局部為低液限粉土。其中壩頂1～6 m范圍內(nèi)壩體土多呈紫紅色，6 m以下壩體土多呈黃褐色，10 m以下壩體土含小礫石及鈣質(zhì)結(jié)核，浸潤線以上呈堅硬-硬塑狀，浸潤線以下呈軟塑-可塑狀。

1）壩體土常規(guī)物性指標

壩體質(zhì)量檢查時，共取壩體土原狀樣135組進行了室內(nèi)土工試驗，其主要物理力學(xué)指標統(tǒng)計成果見表1。其干密度為1.33～1.64 g/cm3，平均值為1.49 g/cm3（最大干密度為1.69 g/cm3），平均壓實度為0.88；塑性指數(shù)為 11.0～23.1；天然壓縮系數(shù)為 0.10～0.82 MPa-1，具中等-高壓縮性；含黏量為18.3%～41.3%；飽和直剪凝聚力 C 為 7.9～20.1 kPa，內(nèi)摩擦角 Φ 為 14.5～23.0°。就干密度進行加權(quán)分析，其中試驗值為1.33～1.40 g/cm3有38組，占總?cè)訑?shù)的28.2%；1.40～1.50 g/cm3有65組，占總?cè)訑?shù)的48.1%；1.50～1.60 g/cm3有24組，占總?cè)訑?shù)的17.8%；1.60～1.64 g/cm3有8組，占總?cè)訑?shù)的5.9%。不難發(fā)現(xiàn)，壩體土干密度以1.33～1.50 g/cm3為主，占總?cè)訑?shù)的76.3%?？傮w看，壩體土干密度偏低，差異性較大，土質(zhì)不均，分析局部存在軟弱部位。

表1 壩體土主要物理力學(xué)指標統(tǒng)計成果表

2）壩體土化學(xué)、礦物成份及分散性試驗指標

壩體質(zhì)量檢查時取13組擾動樣進行了化學(xué)礦物成份分析、膨脹性試驗及分散性試驗，成果分別見表2及表3。由表2可知，壩體土中有機質(zhì)含量為0.38%～0.84%；水溶鹽含量為0.57%～3.23%；伊利石含量為18.4%～27.8%；蒙脫石含量為6.3%～8.6%；自由膨脹率為36.0%～57.0%，部分樣品為弱膨脹性土且水溶鹽含量超標。由表3可知，四種分散性試驗成果中，碎塊試驗有2組樣品為過渡性土，占總樣品13%；針孔試驗有1組樣品為過渡性土，占總樣品6.7%。

表2 壩體土化學(xué)礦物成份及膨脹性試驗成果統(tǒng)計表

3）壩體土與均質(zhì)土壩對比結(jié)果

壩體土與均質(zhì)土壩用料質(zhì)量要求對比結(jié)果見表4，由表可知，壩體土質(zhì)量指標中的黏粒含量、塑性指數(shù)和水溶鹽含量部分偏高，為不合格項。

4.2 壩面變形情況及分析

1）壩面變形情況

目前大壩樁號0+100～0+240段和樁號0+330～0+530段，壩頂凹凸不平，變形嚴重，最低處與最高處相差約0.4 m。另外，在迎水坡樁號0+280～0+335和樁號0+375～0+520段，距防浪墻約12 m范圍出現(xiàn)一塌陷坑，坑長約 190 m，寬約 12 m，深 0.10～0.40 m，最深處約0.5 m；背水坡樁號0+280～0+410段一、二馬道附近也出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，局部觀測管外露。

表3 壩體土分散性試驗成果統(tǒng)計表

表4 壩體土與均質(zhì)土壩用料質(zhì)量要求對比表

2）壩面變形原因分析

綜上分析可知，由于壩體土土質(zhì)不均，局部存在軟弱部位，土體結(jié)構(gòu)松散，干密度低且具高壓縮性，旱季易出現(xiàn)干裂，進而形成一些微小裂縫。雨季或庫水位較高時，雨水或庫水易滲入壩體中并在裂縫發(fā)育處匯集，使該處壩體土的含水率增高甚至飽和。當(dāng)軟弱部位的壩體土長期處于飽和狀態(tài)時，水溶鹽含量偏高、屬于弱膨脹性土或分散性為過渡性的壩體土，其土顆粒將發(fā)生位移，土體結(jié)構(gòu)逐步被破壞，導(dǎo)致該部位壩體土的抗壓和抗剪強度降低。大壩經(jīng)長期運行后，結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞的軟弱部位在自身重力，壩頂重車碾壓及振動等作用下，局部壩體土將蠕動變形，甚至產(chǎn)生塌陷，進而表現(xiàn)為壩頂凹凸不平，壩坡局部出現(xiàn)塌陷坑，馬道附近部分觀測管外露等。

5 結(jié)語

上世紀五六十年代，山西省興建了多座均質(zhì)土壩，且多數(shù)工程選址于第四系中更新統(tǒng)洪積區(qū)（），周邊低液限黏土自然成為土壩的料源。受當(dāng)時專業(yè)技術(shù)水平的限制，筑壩時只注重壩體碾壓質(zhì)量，而忽略了料源化學(xué)及礦物成份的分析。而該類低液限黏土往往黏粒含量、塑性指數(shù)、水溶鹽含量偏高，甚至屬于膨脹性土或分散性土，這些質(zhì)量指標隱蔽性更強，對壩體的危害性也更大，應(yīng)引起對該類工程的重視。