錦屏水庫大壩病害特征及評價

【摘要】該水庫為文革期間修建的三邊工程項目，未能按原設(shè)計要求施工，建成后由于大壩填筑質(zhì)量差，防滲體系不完善，運行期間壩坡坍塌、壩體開裂、壩肩滲漏，影響大壩安全運行的隱患處理困難。本文簡介該壩體病危特征及病因，意在警示大壩施工中應(yīng)引以為鑒。

【關(guān)鍵詞】壩體；坍塌；開裂；滲漏

1、工程概況

水庫始建于1972年10月，1975年9月下閘蓄水。1980年大壩上游壩坡發(fā)生滑坡，至1982年11月完成修復(fù)；1996年9月～2004年12月對水庫進(jìn)行了續(xù)建及除險加固，加高了大壩，現(xiàn)水庫總庫容1200萬m3，為中型Ⅲ等水利工程。主要建筑物（大壩、輸水泄洪洞、非常泄洪洞等）級別為3級。水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計、校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。水庫興利庫容150萬m3，防洪庫容490萬m3，死庫容100萬m3。壩高38.0 m，壩頂寬6 m，長為110 m，壩頂高程2030.0 m，防浪墻頂高程2031.2 m。上游壩坡自上而下為1：2.7、1：3.5、1：3.5，并在高程2015.5m處設(shè)寬15.45m的壓重平臺；下游壩坡自上而下為1：2、1：3.12、1：3.5。紅粘土心墻頂高程為2022.0m（比原設(shè)計要求低8.0m），頂寬3m，底寬12m。

水庫原設(shè)計的運行方式為“攔蓄為主”，在1980年滑坡后的修復(fù)設(shè)計中改為“蓄清排渾”。多年來來水量少，一直在低水位（2018m高程以下）運行，該庫一直未能充分發(fā)揮其蓄水功能，現(xiàn)隨著社會發(fā)展，需引水入庫調(diào)蓄以滿足城鎮(zhèn)居民日益增長用水需求。

2、大壩基本地質(zhì)條件

大壩處河谷寬約60m，流水河床寬20m，左、右岸岸坡上緩下陡，平均坡度分別約為45、40度，基巖出露高程分別為2056m、2057m，河流兩岸山體寬厚。壩區(qū)岸坡及坡腳分布有坡積塊碎石土、沖洪積黃土狀亞砂土厚約5m，河床砂卵石層約厚4m，以上松散覆蓋層其結(jié)構(gòu)疏松，易壓縮變形、透水性強(qiáng)。下伏華力西期片麻狀花崗巖（γ4），強(qiáng)風(fēng)化帶厚度0.5—1.0m，個別地段達(dá)3-5m；弱風(fēng)化深度8-12m，干抗壓強(qiáng)度62-100Mpa、飽和抗壓強(qiáng)度46.5-59Mpa、軟化系數(shù)0.62，內(nèi)摩擦角43.5—50.5。，飽和狀態(tài)變形模量3.8-5.5Gpa，泊松比0.28。

2.1壩基

心墻部位壩基施工時將碎石土、黃土狀亞砂土、砂卵礫石全部挖除；同時清除裂隙發(fā)育、破碎、強(qiáng)風(fēng)化巖體；對左、右壩肩斷層采取開挖回填砼塞法處理，處理深度為破碎帶寬度（0.2～1.2m）的1.5～2倍。

心墻基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化片麻狀花崗巖上，巖石致密堅硬，巖體透水性屬弱透水。片麻狀花崗巖基巖面高程1992.25m，紅粘土心墻深入基巖1m，紅色粘土心墻中間設(shè)置砼齒墻，齒墻底高程為1990.25m，齒墻頂高程為1994.25m。水庫運行水位基本在2018m以下，水庫淤積嚴(yán)重，1980年淤積面高程達(dá)2008m，淤積對壩基防滲較為有利，觀測記錄壩后最大滲漏量54m3/d（0.62L/s）。

2016年壩體鉆孔壓水試驗知，壩基巖體透水性為弱透水（2.4～2.7 Lu），滿足土石壩地基滲透要求，且即是壩基存在強(qiáng)透水性巖體，也因為運行多年，壩前厚約十余米淤泥層，其長度、厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足壩前防滲鋪蓋要求，基本不存在壩基滲漏與滲透穩(wěn)定問題，因此河床段壩基不存在影響大壩安全的滲漏與滲透穩(wěn)定問題。

壩殼局部清基不干凈，左壩肩上游大壩坡腳壓在一級階地上，其上部為5m厚黃土狀亞砂土含有植物根莖及小孔，下部為厚4m的砂卵礫石層結(jié)構(gòu)均疏松，沒采取加固處理措施，該段壩體易沉陷變形。

2.2壩肩

原壩肩基巖出露高程分別為2056m、2057m，施工時清除坡積層等松散堆積物及強(qiáng)風(fēng)化巖體，壩肩上部邊坡平均41.6°，下部邊坡63.1°，河流兩岸山體寬厚。巖性為片麻狀花崗巖，主要發(fā)育343° NE∠23°、NE2°SE∠72°、293-300°NE∠78-86°三組裂隙及規(guī)模小斷層，巖體破碎。左右壩肩均存在中等透水巖體。

3、大壩病害特征

3.1壩體裂縫

1980年6月25日庫水位2014.17m，庫容130萬m3，因防洪放空水庫，由于閘門失靈無法關(guān)閉，庫水位發(fā)生驟降（10小時降落5.87m），至庫區(qū)淤積面2008.3m高程時，上游壩坡發(fā)生滑坡，滑坡頂高程2019m，影響到最大高程2021.7m，最低高程2003.5m?；麦w后壁出露最大高度5.5m，滑坡體方量1.85萬m3。1980年10月--1982年11月進(jìn)行大壩修復(fù)建設(shè)。在壩體修復(fù)過程中，將壩軸線向下游移動5m，放緩上、下游壩坡，坡腳設(shè)壓重層。壩坡清理中，上游壩坡2022.00高程以上發(fā)現(xiàn)8條裂縫，其中一條呈弧形分布，裂縫寬度5～40mm，下游壩坡也在類似部位發(fā)現(xiàn)1條縱縫，寬度10～20mm。

壩體原裂縫處理前開挖探槽追蹤裂縫延伸情況，2024m至壩頂2029m高程壩體全部挖除后重新填筑，在清除壩體時發(fā)現(xiàn)2024m以下仍有裂縫，裂縫處理最低點高程2019.80m。以上裂縫均為老裂縫，并非滑坡牽動造成。

2004年6月2日對大壩下游鼠洞進(jìn)行挖填處理時先后發(fā)現(xiàn)6條裂縫（1縱5橫），發(fā)育在后壩坡，長度17.2-42.5m，縫口寬5-68mm，結(jié)合開挖情況分析深度在5-12.0m之間。

2016年10月在后壩坡靠近左右壩肩及壩體中部不同高程隨機(jī)布置6個探坑、3個探槽揭示，見有24條裂縫，發(fā)育裂縫主要有2組，近平行壩線（335～355°）及近順河向（272～286°與40～70°）傾角大于80°，延伸長度3～15m左右，發(fā)育深度大于2m，表現(xiàn)為張性裂縫，縫口寬3-20mm不等，2020.5m高程馬道以上以及兩壩肩附近裂縫較發(fā)育。

2016年勘察知，2004年原裂縫經(jīng)灌漿及開挖回填處理后，裂縫進(jìn)一步發(fā)展跡象不明顯，其表層回填土雖松軟，但原裂縫周邊仍有與其平行裂縫發(fā)育，說明壩體仍有沉陷變形現(xiàn)象。

3.2壩體防滲墻高度不夠

水庫大壩設(shè)計為紅粘土心墻壤土壩，壩頂高程為2030.00m，防浪墻高1.2m，防浪墻頂部高程2031.20m，壩高38m，心墻頂高程2030m，底寬12m，頂寬3m。筑壩壤土滲透系數(shù)1.75×10-5cm/s，心墻紅粘土滲透系數(shù)1.28×10-6 cm/s。

由于兩壩肩頂部屬強(qiáng)--中等透水巖體，未做灌漿帷幕，雖在2020m高程以上迎水壩面鋪設(shè)的防滲土工膜，但底部未能與紅粘土心墻搭接、兩側(cè)邊沒有搭接在相對不透水體中、防滲墻頂高程2022m遠(yuǎn)低于設(shè)計高程2030m，因此防滲墻高度不夠。自水庫建成以來蓄水水位均低于2022m心墻頂高程，若高水位蓄水時，浸融線更高，也將影響壩體穩(wěn)定性。

3.3左右壩肩存在繞壩滲漏

根據(jù)壩肩鉆孔壓水試驗知，左壩肩2030-2004m高程間巖體屬中等透水（15.69-34.96Lu），2004m高程以下為弱透水（2.2-9.9 Lu）。右壩肩2030.53～2006m為中等透水巖體（11.2～13.39 Lu），表層段壓水不起壓，透水率大于100Lu，屬強(qiáng)透水。2006m以下巖體屬弱透水巖體（2.09～3.68 Lu）。河床壩基基巖巖體滲透性為弱透水（2.4～2.7 Lu）此次壓水試驗時，壩后集水觀測點滲漏量較為明顯增大。

施工期右岸輸水洞進(jìn)出口襯砌，洞身168m未襯砌，洞身段岸坡漏水嚴(yán)重，后期對其襯砌并采取固結(jié)灌漿處理后，才消除隧洞漏水現(xiàn)象。據(jù)此從右壩肩輸水洞圍巖類別分析，壩肩巖體破碎，透水性強(qiáng)。存在繞壩滲漏問題，加之靠近壩肩部位壩體裂縫發(fā)育，壩肩滲漏水易沿裂縫發(fā)生沖蝕破壞。

3.4壩體填筑質(zhì)量差

（1）填筑土體抗剪強(qiáng)度低

據(jù)1975料場勘察試驗資料，重粉質(zhì)粘土--粉質(zhì)粘土天然狀態(tài)飽和固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角為24°，直接快剪內(nèi)摩擦角剪22° 42′。設(shè)計在壩坡穩(wěn)定計算時也采用該值。

此次壩頂中部02鉆孔及探坑取原狀樣進(jìn)行試驗，壩體原狀土樣含水率小于20%，直剪內(nèi)摩擦角為24.5～26°，內(nèi)聚力21～114kpa；飽和直剪內(nèi)摩擦角為：10.4～18°，內(nèi)聚力11.6～43.9kpa。

壩坡03號鉆孔2020-2004m高程壩體填筑料原狀樣直剪內(nèi)摩擦角為21～30°，內(nèi)聚力80～90kpa；2004-1992m高程原狀樣含水率為22-26%，直剪內(nèi)摩擦角為7.6～9.8°，內(nèi)聚力21～36.4kpa。

壩體實際直剪內(nèi)摩擦角小于原設(shè)計壩坡穩(wěn)定計算采用值，壩坡穩(wěn)定性較差。

（2）壩體碾壓密實度評價

80年前壩坡滑坡后，在原壩體取土樣464個，干密度極不均勻，介于1.2～1.8g/cm3之間，平均干密度1.49g/cm3，干密度小于1.6g/cm3者占80%，大于1.6g/cm3者占20%，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求值1.6g/cm3。滑坡體處理后新填土取樣1020個，干密度介于1.4～1.74g/cm3，算術(shù)平均值1.62g/cm3。

2016年10月年大壩壩體勘察39組，其干密度在1.35～1.76g/cm3之間，平均1.54g/cm3干密度小于1.6 g/cm3的占64%，大于等于1.6g/cm3的占36%。

在鉆孔內(nèi)共進(jìn)行了55段標(biāo)貫試驗（2m一段），其中稍密22段占38.9%，松27段占50%，極松6段占11.1%，無密實段。

壩體土處于松散～稍密狀態(tài)，填筑質(zhì)量差。達(dá)不到原設(shè)計干密度的設(shè)計指標(biāo)，更不滿足現(xiàn)行規(guī)范《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）中“3級中、低壩，粘性土壓實度應(yīng)為96%～98%”的填筑質(zhì)量要求。本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，壓實度應(yīng)為98%作為設(shè)計壓實指標(biāo)控制，壓實度98%時，按最大平均干密度為1.75 g/cm3計算，設(shè)計干密度應(yīng)該為1.72 g/cm3。

3.5大壩沉降變形量大

建庫初期（1976-1980年），在壩頂0+080、0+100、0+120樁號分別設(shè)置P1、P2、P3三個觀測點，1981年在大壩滑坡修復(fù)施工中挖除以上3觀測點而停止觀測。第二階段為1983年4月至今，沿0+060、0+080、0+100、0+120、0+140布置了6排33個觀測點。

從垂直位移數(shù)據(jù)分析，在1976-1980年4年時間里P2點沉降值871mm，沉降量是壩高的2.35%，壩頂P1、P3點沉降值約650mm，沉降量是壩高的1.75%。壩頂平均沉降值為723mm，沉降量是壩高的1.96%。1983-2015年，壩頂最大沉降363mm，平均沉降241mm，是壩高的0.65%。

結(jié)合兩個階段的資料，壩頂平均沉降值964mm，沉降量是壩高的2.61%。

對土石壩的沉降要求是壩體的最大沉降量（包括施工期沉降）不超過壩高的1%，超過該值，壩體就會出現(xiàn)問題。由此推算，壩體最大沉降量在1980年已接近或超過壩高的3%，按土石壩的一般規(guī)律推測，壩體內(nèi)部有裂縫出現(xiàn)，壩體因沉降造成破壞的可能性極大。

壩頂與下游壩坡持續(xù)沉降，沒有明顯收斂。大壩總體變形性狀及壩體沉降尚未穩(wěn)定。壩體存在大量縱橫向的表層及內(nèi)部裂縫，推斷壩殼與心墻結(jié)合面處有縱向裂縫，不排除存在貫穿心墻的橫向裂縫。在高水位運行工況下，有壩坡失穩(wěn)的可能性。

3.6壩體浸潤線高

1983--2000年滲流分析成果得出：各斷面實測浸潤線與設(shè)計浸潤線基本接近，滲流情況向有利情況發(fā)展。2000-2004年不能正常觀測點位多，2004年補(bǔ)充完善，分析2005-2015年的觀測成果，對比選用2015年7月11日庫水位2019.28m時實測最高浸潤線與計算浸潤線進(jìn)行比較顯示，壩體內(nèi)實測浸潤線高于設(shè)計浸潤線約3m，壩體滲流比降大于設(shè)計要求，滲流性態(tài)不穩(wěn)定，對大壩穩(wěn)定不利。

4、大壩安全評價

大壩左右壩肩一定深度巖體----屬中等透水巖體，壩肩未進(jìn)行帷幕灌漿處理，正常高水位運行時（過去均在低水位運行）存在繞壩滲漏問題；壩體填筑質(zhì)量差，浸潤線較高，土體抗剪強(qiáng)度較低，不均勻沉降量較大，發(fā)育裂縫，不排除貫穿性橫向裂縫存在，有沿橫向裂縫發(fā)生沖蝕破壞的可能，壩坡不穩(wěn)定。該大壩屬病危壩。

5、結(jié)語

運行近50年來， 多次發(fā)現(xiàn)裂縫，1980年前壩坡滑坡，除險加固時發(fā)現(xiàn)并非滑坡引起的8條裂縫， 2004年防汛檢查時壩面發(fā)現(xiàn)6條裂縫，2016年安全鑒定中再次發(fā)現(xiàn)24條裂縫，其成因主要是大壩填筑不密實、防滲體系不完善密切相關(guān)。對其加固處理可采用增設(shè)砼防滲墻降低下游壩體的浸潤線，截斷壩體可能存在的貫穿性裂縫，降低含水量，保證壩體抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)壩坡穩(wěn)定性。壩基、壩肩進(jìn)行帷幕灌漿，消除繞壩滲漏對壩肩沖蝕破壞的可能性。同時砼防滲墻采用沖擊鉆造孔，防滲墻周邊壩體可擠壓密實，即使壩殼仍有沉降變形病害，局部壩坡可能會出現(xiàn)新的裂縫，也不影響大壩的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院.錦屏水庫壩坡裂縫處理方案專題報告[R].蘭州：甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，2004.

[2] 甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院.錦屏水庫大壩安全鑒定報告[R].蘭州：甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，2016.

作者簡介：齊典濤（1965—），男，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。