大旺水庫滑坡成因分析與處理措施

張國榮

(江門市新會區(qū)水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 江門 529000)

1 工程概況

大旺水庫位于江門市新會區(qū)崖門鎮(zhèn)田邊村和梁黃屋村上游，屬潭江水系，集雨面積為4.47km2，總庫容為271.04萬m3，主要建筑物等級為4級，是一座以灌溉為主，兼顧防洪的小(1)型水庫。大旺水庫最大壩高16.0m，壩長237.7m，正常蓄水位20.16m，相應(yīng)庫容166萬m3，設(shè)計洪水位(P=3.33%)為22.64m，相應(yīng)庫容238.51萬m3；校核洪水位(P=0.2%)為23.67m，相應(yīng)庫容為271.04萬m3；死水位10.10m，相應(yīng)庫容1.95萬m3。

2 滑坡情況及工程地質(zhì)

2.1 滑坡情況

受2018年第22號臺風(fēng)“山竹”影響，新會區(qū)2018年8月29號至31號出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨，最大日降雨量364mm，大旺水庫水位上漲溢洪。大旺水庫水位達(dá)到20.79m時，水庫后壩坡局部出現(xiàn)開裂、滑坡，反濾體滑移等情況。背水坡出險范圍裂縫長度約為50m，裂縫最大寬度為220mm，最小寬度為60mm，裂縫錯位高度為470mm，最大縫深約10.0m；反濾體最大移位為280mm，壩腳砌石排水溝底部最大移位為400mm。示意圖見圖1、圖2。

圖1 大旺水庫背水側(cè)(開裂、滑坡)

圖2 腳排水棱體(排水棱體、排水溝局部變形)

2.2 應(yīng)急處理措施

滑坡?lián)岆U原則是采用工程措施加強(qiáng)壩體穩(wěn)定，即“削坡減載，固腳壓重”。因險情發(fā)生在汛期防洪期間，防洪壓力較大，不宜進(jìn)行壩體減載，故應(yīng)急措施主要采用壩腳壓重的方式?？紤]當(dāng)前還處于雨季，采用防滲土工膜對出險部位進(jìn)行覆蓋，防止水土流失對壩體的進(jìn)一步破壞[1]。

具體應(yīng)急措施如下：降低、控制水庫水位至17.65m；用防滲土工膜遮擋出險范圍；在壩腳砌石排水溝上堆積塊石進(jìn)行反壓。當(dāng)時通過上述的應(yīng)急措施，避免了大壩再次破壞，暫時穩(wěn)定了大壩的安全。

2.3 工程地質(zhì)勘察

本次地質(zhì)勘察在大壩壩頂、外壩坡及壩腳共布置5個鉆孔。自上而下，揭露的地層和巖性簡述如下：

1)素填土(Qml)：在全部鉆孔有揭露。鉆孔揭露層厚1.50-2.80m。棕黃、灰黃色，稍濕，主要由花崗巖殘積土回填而成，夾大量風(fēng)化碎石、碎塊，黏性較差，壓實度一般。地基承載力特征值的經(jīng)驗值fak=80kPa。滲透系數(shù)k=1.53×10-4cm/s-72.71×10-4cm/s，平均值為31.05×10-4cm/s，中等透水性。

2)粉質(zhì)黏土(Qal)：頂界埋深2.80-13.20m，層厚7.50-8.60m，屬沖積土。淺黃、灰黃色，呈可塑狀態(tài)，主要由粉、黏粒組成，間含中、粗砂。基承載力特征值的經(jīng)驗值fak=180kPa。其滲透系數(shù)k=0.18×10-4cm/s-0.47×10-4cm/s，平均值為0.29×10-4cm/s，弱透水性。

3)粗砂(Qal)：頂界埋深14.70-21.60m，層厚3.70-6.60m，屬沖積土。黃色，呈飽和，中密狀態(tài)，主要由粗、礫粒石英砂組成，含各級砂及粉、黏粒?；休d力特征值的經(jīng)驗值fak=250kPa。滲透系數(shù)k=17.6×10-4cm/s-56.8×10-4cm/s，平均值為41.8×10-4cm/s，強(qiáng)透水性。

4)礫質(zhì)黏性土(Qel)：主要分布在壩肩兩側(cè)。頂界埋深11.60m，層厚8.80m，屬花崗巖殘積土。棕褐、棕黃色，呈硬塑狀態(tài)，主要由粉、黏粒及石英砂、礫組成，遇水易軟化、崩解?；休d力特征值的經(jīng)驗值fak=280kPa。滲透系數(shù)k=1.47×10-4cm/s-3.86×10-4cm/s，平均值為2.67×10-4cm/s，弱透水性。

5)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(J)：頂界埋深11.40-28.20m，層厚2.90-5.40m。肉紅、黃褐、灰白色，塊狀構(gòu)造，粗粒花崗結(jié)構(gòu)；主要由長石、石英、云母等組成，其中長石已大部分高嶺土化，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈半巖半土狀，遇水易軟化、崩解。破碎巖石承載力特征值fak=700kPa。滲透系數(shù)k=0.13×10-4cm/s-0.25×10-4cm/s，平均值為0.19×10-4cm/s，弱透水性。

3 滑坡成因分析

3.1 大壩穩(wěn)定計算

3.1.1 算斷面的擬定

本次計算選大壩最大斷面(位于出險段)進(jìn)行計算。大壩計算斷面由上到下土層分別為：壩體填筑土、粉質(zhì)黏土、粗砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，壩后有排水棱體和壩后填土層，計算斷面如圖3所示。

圖3 大壩計算斷面

3.1.2 計算參數(shù)的選取

根據(jù)大旺水庫巖土工程勘察報告，各項物理力學(xué)指標(biāo)采用同一土層內(nèi)土樣試驗統(tǒng)計的建議值，穩(wěn)定滲流期土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用慢剪指標(biāo)，非穩(wěn)定滲流期采用固結(jié)快剪指標(biāo)。反濾體的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)《砂礫石地基工程地質(zhì)》和《中小型水利水電工程地質(zhì)》(第二版)并結(jié)合同類工程經(jīng)驗數(shù)值取值，凝聚力C=0，內(nèi)摩擦角φ=35°，容重γ=25 kN/m3。具體的物理力學(xué)指標(biāo)取值見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

3.1.3 計算工況

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL189-2013)穩(wěn)定計算主要復(fù)核以下5種工況：

1)正常運用條件：上游正常蓄水位20.16m和相應(yīng)下游水位的下游壩坡穩(wěn)定。

2)正常運用條件：上游設(shè)計洪水位22.64m和相應(yīng)下游水位的下游壩坡穩(wěn)定。

3)正常運用條件：庫水位從設(shè)計洪水位22.64m降至正常蓄水位20.16m時，上游壩坡穩(wěn)定。

4)非常運用條件Ⅰ：上游校核洪水位23.67m和相應(yīng)下游水位的下游壩坡穩(wěn)定。

5)非常運用條件Ⅰ：庫水位從校核洪水位23.67m降至正常蓄水位20.16m時，上游壩坡穩(wěn)定。

3.1.4 計算成果

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行選取，大壩穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法，水庫水位降落期采用總應(yīng)力法。壩體浸潤線采用相應(yīng)工作條件下的滲流計算結(jié)果，文章因篇幅有限，只列出計算成果，過程不再做詳細(xì)描述見表2、表3。

表2 各工況下土壩滲流計算成果表

表3 壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)成果表

3.2 大壩變形分析

3.2.1 穩(wěn)定計算成果分析

根據(jù)水庫的復(fù)核水位、地質(zhì)相關(guān)參數(shù)對現(xiàn)狀大壩斷面進(jìn)行大壩抗滑穩(wěn)定計算，在各種工況下，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的要求，但大壩背水坡局部實際上發(fā)生了開裂、滑坡，損壞部分的反濾體最大移位達(dá)到280mm，與以上計算結(jié)果不符。初步分析原因為：水庫出險后一個月才進(jìn)行地質(zhì)勘察，期間天氣較好，在人為的控制下，庫區(qū)長期處于低水位，壩體內(nèi)浸潤線相對降低，壩體土的物理力學(xué)性質(zhì)與出險時差異較大，勘察數(shù)據(jù)不具備代表性，但至少證明壩體設(shè)計不存在結(jié)構(gòu)缺陷[2]。

3.2.2 滑坡成因分析

滑坡是斜坡土體沿著慣通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移地質(zhì)現(xiàn)象?；碌臋C(jī)制是某一滑移面上剪應(yīng)力超過了該面的抗剪強(qiáng)度所致。結(jié)合工程現(xiàn)場勘察與水庫管理管理人員的訪談，分析滑坡成因為：2002年水庫除險加固工程對大壩進(jìn)行培土加固和在壩腳新建反濾體，新填土與壩體舊土之間可能存在分層。大壩受連續(xù)降雨影響，水庫水位抬高導(dǎo)致大壩浸潤線相應(yīng)提高，且出險段填筑土料孔隙比大，對應(yīng)下游的反濾體局部堵塞，新填土壓實度比舊土高，透水性比原壩體舊填土低，在新舊填土之間產(chǎn)生兜水，水流匯集在出險段無法通過反濾體排出，造成出險段壩體填土處于飽和狀態(tài)，土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力均發(fā)生變化，土體強(qiáng)度下降，水平滑移推力加大，在新舊接觸面薄弱處產(chǎn)生剪切破壞，因此出險段土體向下滑移，同時造成反濾體滑移[3]。

根據(jù)現(xiàn)場的滑坡位置及裂縫深度的探查，滑移面與2002年除險加固的新舊填土接觸面基本一致，符合上述滑坡成因分析。

4 滑坡處理方案

滑坡處理前，為防止雨水沖刷及從裂縫進(jìn)入滑坡土體，增加滑裂面的土體含水率，影響滑裂面的自行排水固結(jié)，雨水天需保持土工膜覆蓋。因前期搶險措施，大旺水庫滑移已穩(wěn)定，滑坡永久性處置可選擇在年底的枯水期進(jìn)行，以保證施工安全。

通過穩(wěn)定計算可知，原壩體尺寸滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，故本次滑坡處理原則以按原設(shè)計修復(fù)為主。對裂縫采用開挖回填法處理，壩坡上的滑移松散土體需全部挖除，并超挖0.5-1.0m，并在結(jié)合面上設(shè)置階梯狀的結(jié)合槽，重建下部滑移的反濾棱體及排水溝，再分層填筑壩體，壩體處采用黏性土填筑，新填土設(shè)計壓實度為0.96。為保證壩坡的壓實度，坡面填土超填0.5m，壓實后用人工修坡至設(shè)計坡面線，并重新種植草皮，具體做法見圖4。

圖4 大旺水庫大壩后坡修復(fù)斷面圖

施工過程需嚴(yán)格控制填土質(zhì)量，采用分層填筑壓實，壓實厚度≤30cm。填土的最優(yōu)含水率通過現(xiàn)場試驗確定，壓實度必須符合設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

土石壩險情種類多，本次大旺水庫滑坡險情是在極端天氣下，浸潤線過高，背水坡壩腳新舊填土薄弱的接觸面出現(xiàn)失穩(wěn)滑移，是屬于工程施工填土面結(jié)合處理不好存在薄弱面導(dǎo)致的。這提醒我們，作為水利行業(yè)的工作者，設(shè)計過程需充分考慮各關(guān)鍵部位的處理，并在設(shè)計文件及技術(shù)交底會上重點交待。而施工方，需按圖施工及控制好施工質(zhì)量，保證每一個單元工程的質(zhì)量。慶幸的是這次大旺水庫險情當(dāng)?shù)卣肮芾碚叱醪綉?yīng)急處理得當(dāng)，未造成人員傷亡及大的財產(chǎn)損失，但我們需要引以為戒。