曲亭水庫(kù)應(yīng)急除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)方案比選

張世泉

（山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原030024）

1 水庫(kù)水毀情況

曲亭水庫(kù)位于洪洞縣城東南的曲亭鎮(zhèn)吉恒村南，系一座以灌溉、防洪為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容3 440萬(wàn)m3，控制流域面積127.5 km2。2013年2月15日發(fā)現(xiàn)左岸灌溉洞出水量大，滿洞出流，隨著水流對(duì)下游的沖刷，壩體從灌溉洞出口處開始向上游逐漸坍塌，灌溉洞下游段洞身隨壩體坍塌，2月16日壩體從下游方向坍塌越過壩頂，壩體缺口上下游貫通，壩身開始過水，灌溉洞進(jìn)水塔垮塌，水庫(kù)基本泄空，至此水庫(kù)坍塌形成了壩體上游大滑坡和壩體左岸灌溉洞處大缺口景象。

2 設(shè)計(jì)方案比選

本工程建設(shè)內(nèi)容中的技術(shù)問題主要集中于水毀段和滑坡段兩大部分，在進(jìn)行方案比較時(shí)需要統(tǒng)籌考慮。水毀段的主要技術(shù)問題為壩基開挖與地基處理問題，而滑坡段圍繞滑坡體的處理有如下方案：壩軸線不動(dòng)，上游開挖滑坡體、上游壩體填筑；壩軸線的位置移動(dòng)，上游削坡、下游加壩等方案。故滑坡段方案確定直接影響水毀段處理方案。為此先對(duì)滑坡段進(jìn)行方案比較，在確定推薦方案后，再對(duì)水毀段的地基處理方案進(jìn)行比較。本文中以大壩下游基面（同褥墊底高程）高程為0.00 m，其余均為相對(duì)高程。

2.1 滑坡段方案比較

本次水毀事故，兩天內(nèi)水庫(kù)水位從高程42.8 m驟降至高程26.0 m，導(dǎo)致壩體上游出現(xiàn)滑坡，根據(jù)本次JT2、JT3、JT11、JT12靜力觸探資料，滑坡體范圍長(zhǎng)220m，滑坡后壁至滑舌前沿寬度115～165 m，滑床后緣頂高程36.5～39.5 m，滑坡體前緣高程25.51～26.27 m，滑裂面底高程24.0 m，滑坡體厚度從左岸至右岸12～7 m。

由于水庫(kù)水位驟降引起的滑坡，其處理基本原則為減小下滑力，增加抗滑力。上游壩坡滑坡體的處理方案設(shè)計(jì)，首先對(duì)原壩體的穩(wěn)定性尤其是上游壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了復(fù)核，然后圍繞是否挖除滑坡體，以及如何處理滑坡體這個(gè)問題，本次共提出兩個(gè)方案進(jìn)行平行比較，以下分別予以論述。

方案一 滑坡體全挖除、僅上游修復(fù)方案。

方案一設(shè)計(jì)將上游滑坡體全部挖除，然后沿滑裂面向下清基0.5 m，沿滑裂面后壁底部（約高程24.0 m）向下游以1∶1.5開挖背坡，并將舊壩體頂部挖除。然后，碾壓回填壩體恢復(fù)設(shè)計(jì)上游邊坡：壩頂高程48.2 m至38.2 m設(shè)計(jì)邊坡1∶2.5；高程38.2 m至高程26.0 m設(shè)計(jì)邊坡1∶3.2，變坡點(diǎn)均不設(shè)馬道。在高程26.0 m與淤泥下之水中倒土舊壩體銜接，下游壩坡維持現(xiàn)狀。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剖面見圖1。

圖1 方案一：大壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

方案二 滑坡體碾壓整平、上游削坡、下游填筑方案

方案二按照“上削下壓、放緩坡度”的設(shè)計(jì)思路，沿滑坡體后壁高程31.0 m向下游以1∶5.0放坡至高程38.2 m，然后變坡1∶3.0至壩頂高程48.2 m，并將舊壩體頂部挖除。同時(shí)，壩軸線向下游偏移50 m，在舊壩體下游坡面戴帽加高至48.2 m壩頂高程，壩頂寬度9.5 m。上游滑坡體經(jīng)碾壓整平為31.0 m高程，約40 m寬的壓重平臺(tái)，同時(shí)將部分棄渣堆載在壩前淤泥上，碾壓擠出部分庫(kù)區(qū)淤泥，維持高程31.0 m平臺(tái)前沿的穩(wěn)定；下游壩坡現(xiàn)狀平均設(shè)計(jì)邊坡1∶3.27，本次設(shè)計(jì)去掉17m的寬?cǎi)R道，下游壩坡從上而下依序調(diào)整為1∶2.75、1∶3.0、1∶3.25和1∶3.5，分別在高程38.20 m、28.20 m和18.20 m處設(shè)置2 m寬的馬道，最終下游平均設(shè)計(jì)邊坡1∶3.29。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)剖面見圖2。

首先針對(duì)滑坡體段，對(duì)兩個(gè)方案做平行設(shè)計(jì)與比較，比較結(jié)果列于表1。

圖2 方案二：大壩標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

經(jīng)過上述比較，很顯然，方案一設(shè)計(jì)思路清晰，施工作業(yè)面小，僅對(duì)上游壩體進(jìn)行挖除與填筑，下游壩體及壩坡維持現(xiàn)狀，因而投資較低。將滑坡體挖除后，徹底消除了邊坡穩(wěn)定安全隱患，不失為最佳方案。但是目前，從壩頂上游開挖滑坡體時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于毛細(xì)現(xiàn)象壩頂46.2 m高程以下壩體土仍然呈高含水狀態(tài)，開挖邊坡速度非常緩慢，滑裂面后壁頂部以下壩體土呈軟黏土狀態(tài)，新填筑壩體難以碾壓。因此，方案一最大的缺點(diǎn)在于，壩體需要長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)排水，難以盡快組織大規(guī)模施工，滿足不了水庫(kù)應(yīng)急加固的要求。

方案二壩軸線后移50 m，首先對(duì)原壩體上游及壩頂實(shí)施開挖后形成永久穩(wěn)定上游壩坡，無(wú)需在上游壩體坡面進(jìn)行填筑，同時(shí)為減少開挖量同時(shí)對(duì)滑坡體碾壓整平后，做為壓重留在上游壩體坡面底部。所以，由于滑坡體沒有挖除，因而減少棄渣量約5萬(wàn)m3。由于軸線后移需要與現(xiàn)狀壩肩相銜接，故左壩肩增加3萬(wàn)m3壩體填筑，后壩坡培厚工程量也比方案一大，因而總投資相對(duì)較大。但其優(yōu)點(diǎn)在于，清除了壩體軟黏土，適合壩體快速碾壓填筑施工，施工工期較短。

綜合以上分析，本次以方案二做為滑坡段處理的推薦方案，并按方案二進(jìn)行壩體與邊坡設(shè)計(jì)，同時(shí)水毀段壩體斷面設(shè)計(jì)及岸坡、壩坡削坡坡度也與此方案相適應(yīng)。

表1 滑坡段主要工程量與投資比較表

以下在方案二的壩軸線和壩坡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，對(duì)水毀段的設(shè)計(jì)進(jìn)行方案比較。

2.2 水毀段

水毀段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，缺口內(nèi)遍布左岸岸坡、右側(cè)壩體的垮塌體，以及從庫(kù)區(qū)涌入的淤泥。此外，原左岸進(jìn)水塔塔身（6 m×4.3 m）及基座（15 m×12 m）至今在下游范圍內(nèi)沒有找到，極有可能進(jìn)水塔塔身與基座深埋其中，由于事故發(fā)生至今的幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，缺口內(nèi)仍有基流匯入，給勘探工作帶來困難，人員和設(shè)備難以進(jìn)場(chǎng)，尤其是進(jìn)口陡坎下至壩軸線間的區(qū)域無(wú)法進(jìn)行勘探，施工中垮塌體挖除難度很大。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.4款第三條的規(guī)定，“軟黏土壩基的處理措施，宜挖除；當(dāng)厚度較大、分布較廣難以挖除時(shí)，可用打砂井、插塑料排水帶、加荷預(yù)壓、真空預(yù)壓、振沖置換，以及調(diào)整施工速率等措施處理”?！霸谲涴ね翂位现螒?yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)孔隙水壓力和變形監(jiān)測(cè)?！比绻惶幚砘蛱幚聿划?dāng)，將引發(fā)壩體發(fā)生復(fù)合型沉降，從而引起壩體產(chǎn)生裂縫，為此，需要提出一個(gè)合理的解決方案。

水毀段在1966年加壩以前原為溢洪道，壩基位于曲亭河左岸一級(jí)臺(tái)地的原狀土上，1966年以后多次加壩將其改建為左岸灌溉洞，為壩下埋涵，而在左岸邊開挖岸邊溢洪道。本次水毀事故，大流量的水流將灌溉洞下原狀土沖走并下切，在水毀段缺口右側(cè)壩軸線附近揭露一層卵石混合土透鏡體。地表出露厚度0～1.4 m，其長(zhǎng)度約21 m，卵礫石磨圓度良好，呈圓狀-次圓狀，最大粒徑可見35 cm，一般為5～8 cm，卵礫石成分主要為砂巖、灰?guī)r。

在水毀段出口開挖至2.0 m高程時(shí)，不見下覆卵石混合土層，說明該層主要存在于原主河床范圍，至左壩肩水毀段處逐步殲滅。

根據(jù)本院靜力觸探結(jié)果，JT25、JT26、JT27分別測(cè)得水毀段垮塌體厚度為8.7 m、8.0 m、3.9 m，其中JT25位于原壩軸線附近。據(jù)此推斷，原壩軸線上游垮塌體厚度達(dá)10 m以上，且坎下局部存在更深的沖坑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況，垮塌體為飽和軟黏土，下游出口處基坑開挖時(shí)有水涌入，2.0 m高程以上土體呈流塑狀態(tài)，垮塌體與下覆Q2原狀土層界限不明。參考JT 27資料，確定方案二壩軸線以下（壩基面積9 000 m2）建基面高程為0.00 m（同褥墊排水底高程），基坑垮塌體開挖深度平均約4～5 m。

由于方案二壩軸線以上（壩基面積12 000 m2）垮塌體厚度很大，且分布不均勻，所以圍繞壩軸線以上垮塌體是否挖除，本次設(shè)計(jì)提出如下兩個(gè)比較方案：

方案A：垮塌體與沖坑全部挖除

壩軸線上游建基面高程3.0 m，下游建基面（同褥墊排水底高程）高程0.00 m，上下游采用1∶5邊坡連接，挖除全部垮塌體和局部沖坑內(nèi)淤泥，將壩基全部置于Q2原狀土之上。

方案B：軟基建壩

壩軸線上游垮塌體建基面高程14.0 m，與下游建基面高程0.00 m（同褥墊排水底高程），上、下游以1∶5坡銜接過渡。首先填筑0.00 m建基面的下游壩體至14.0 m高程，然后采用壩體土對(duì)12 000 m2范圍內(nèi)的垮塌體表層進(jìn)行擠淤處理，周邊進(jìn)占擠淤，處理深度4 m。在垮塌體范圍內(nèi)利用砂井排水固結(jié)，設(shè)計(jì)井徑0.5 m，井距3 m，矩形布置，平均井深13 m（此深度為預(yù)計(jì)值，最終將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工確定），坎下局部加深，軟基砂體置換率初步確定為30%，井頂端用井字形砂溝連通，厚度40 cm，以利排除淤泥孔隙水，在上游壩腳以外設(shè)集水坑，集中抽排至圍堰以外。為防止砂井與壩軸線下游壩基褥墊排水形成一個(gè)永久滲漏通道，最下游一排砂井距離褥墊排水間壩體厚度應(yīng)滿足滲透比降要求，不小于水頭的1/4。

為了下游側(cè)壩體邊坡穩(wěn)定，在壩下游高程18.2 m處設(shè)置平臺(tái)至左岸坡原狀土。

方案A、方案B的主要工程量及直接投資比較見表2。

表2 水毀段主要工程量與投資比較表

方案A雖然施工難度大，但安全可靠。

方案B國(guó)內(nèi)雖有成功案例，但本工程的地基條件更為復(fù)雜，軟基由壩體岸坡坍塌體、淤泥等構(gòu)成，且厚度不均。水毀段壩體上游置于軟基、下游置于原狀土，由于沉降壩體可能產(chǎn)生裂縫。同時(shí)需增加包括位移、沉降、孔隙水壓力等施工期監(jiān)測(cè)及永久監(jiān)測(cè)，并嚴(yán)格控制施工速度，保證大壩安全。經(jīng)綜合分析比較，本次推薦方案A。

3 結(jié)語(yǔ)

曲亭水庫(kù)的潰壩事例目前在國(guó)內(nèi)外尚屬首次，所以對(duì)其應(yīng)急除險(xiǎn)加固方案也謹(jǐn)慎對(duì)待，依據(jù)鉆探地質(zhì)資料，對(duì)于坍塌體、淤泥等軟基情況，從施工、安全穩(wěn)定，投資等方便詳細(xì)比較，推薦壩軸線后移，滑坡體碾壓整平、上游削坡、下游填筑加固方案。