福建省某水庫壩坡塌陷分析及對策

吳建文

(福建省永川水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350001)

1 壩坡塌陷情況介紹

某水庫壩址以上控制流域面積0.9km2，河道長度1.68km，河道平均比降185‰。是一座以灌溉為主的小(2)型水庫。

大壩為黏土斜墻堆石壩，最大壩高20m，壩頂長144m，壩頂寬4m，壩頂為混凝土路面，壩頂高程418.4m(黃海，下同)。迎水坡高程416.9m至壩頂之間壩坡坡比為1∶1.8，高程416.9m處有一條馬道，寬1.1m；高程408.7～416.9m之間坡度為1∶2.183～1∶2.353；高程408.7m處有一條寬為1m的馬道；408.7m高程以下坡比為1∶2.3，高程408.7m以上為六邊形C20砼預(yù)制塊護(hù)坡，以下為干砌塊石護(hù)坡。背水坡在411.0m至壩頂高程之間坡比為1∶1，高程411.0m處設(shè)1.5m寬馬道，高程411.0～404.0m坡比為1∶1，404.0m高程以下設(shè)置排水棱體，棱體平臺寬1.5m，坡比為1∶1。大壩最大斷面如圖1所示。

圖1 大壩最大斷面(單位：m)

2016年5月9日，水庫處于高水位運(yùn)行，上游壩坡水面出現(xiàn)漩渦，相關(guān)主管部門連夜啟動應(yīng)急響應(yīng)，對大壩情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)上游左岸壩坡漩渦逐漸擴(kuò)大，在降低水庫水位后，發(fā)現(xiàn)在壩軸線樁號0+104.00上游壩面出現(xiàn)一個(gè)塌陷坑，面積約10.4m2，坑頂部位于迎水坡第一級馬道下方約50cm，洞內(nèi)呈漏斗狀，原壩面護(hù)坡、土工膜破損后塌陷至洞內(nèi)，洞底部可見下游的堆石體。壩坡塌陷處斷面如圖2所示。

圖2 壩坡塌陷處斷面(單位：m)

2 塌陷原因及分析

經(jīng)調(diào)查，由于水庫建設(shè)年代久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)施工工藝及經(jīng)濟(jì)條件影響，水庫建設(shè)周期長，當(dāng)壩體填筑至距現(xiàn)狀壩頂高約4.3m時(shí)施工中斷，下部已建部分壩體反濾層施工按原設(shè)計(jì)施工，反濾層厚度為0.4m，其中碎石厚度為0.2m，砂厚度為0.2m。后期大壩恢復(fù)施工，壩體繼續(xù)填筑至設(shè)計(jì)高程，但由于運(yùn)砂困難，現(xiàn)場施工人員對反濾層質(zhì)量要求意識不強(qiáng)，反濾層施工未完全按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，造成該部分反濾層厚度只有約20cm，且無砂墊層。

同時(shí)，塌陷坑位置在歷史上也曾出現(xiàn)過塌陷，險(xiǎn)情出現(xiàn)后當(dāng)?shù)卮迕襁M(jìn)行應(yīng)急回填處理，但回填處理不規(guī)范，回填前未設(shè)置反濾層，回填后也未按規(guī)范進(jìn)行夯實(shí)。隨后多年水庫一直處于低水位運(yùn)行，因此未出現(xiàn)異常。此次由于連續(xù)降雨，水位快速上漲，在高水位情況下壩坡出現(xiàn)塌陷。

為驗(yàn)證以上調(diào)查內(nèi)容是否準(zhǔn)確，2016年9月15—18日，在壩軸線樁號0+076.2m位置布置一處探槽，尺寸0.8m×2.5m×2.0m(長×寬×深)，探槽開挖至下游堆石體，發(fā)現(xiàn)該位置存在反濾層，反濾層結(jié)構(gòu)以碎石為主，厚度約為20cm，不滿足反濾設(shè)置要求。后繼續(xù)對探槽沿壩坡向下進(jìn)行擴(kuò)挖，當(dāng)開挖至距壩頂4.3m處時(shí)，反濾層結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)砂墊層，砂墊層厚度為13cm，碎石墊層厚度為20cm。

綜上所述，判斷壩體破壞原因是原始施工反濾層未按規(guī)范施工，后期破壞后未能按規(guī)范進(jìn)行修復(fù)。因此，壩坡修復(fù)主要應(yīng)解決壩頂以下4.3m范圍內(nèi)的反濾層失效，無法滿足規(guī)范要求的問題。

3 加固對策

3.1 主要方案

設(shè)計(jì)初定方案為挖除大壩上游壩坡，即高程413.0m以上為不滿足規(guī)范要求的壩體及反濾層，并對該部分反濾層及壩體進(jìn)行重建，壩坡鋪設(shè)C20砼預(yù)制塊。

3.2 壩體填筑料場選擇

壩體開挖后采用黏土碾壓夯實(shí)，回填土料就近開挖。料場位于大壩下游300m處的山澗位置，沿公路邊大量黏性土料出露。土料場取樣1組，粒徑小于0.005mm含量39.8%，塑性指數(shù)Ip=18.9，液限Wl=55.5%，最大干密度ρdmax=1.48g/cm3，最優(yōu)含水量28.1%，詳見表1—2。根據(jù)SL251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》表5.3.2-1，本料場基本滿足一般防滲料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)要求(見表3)，但塑性指數(shù)稍微偏高，因?yàn)槭怯晏烊?，所以含水量偏高?/p>

表1 土料場顆粒分析試驗(yàn)成果

表2 土料場黏土簡分析成果及建議值

表3 防滲料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

4 反濾層設(shè)計(jì)

反濾層設(shè)計(jì)包括被保護(hù)土、壩殼料和料場砂礫料的顆粒級配，根據(jù)反濾層在壩的不同部位確定反濾層的類型，計(jì)算反濾層的級配、層數(shù)和厚度。

反濾層設(shè)計(jì)參照SL251—2001《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，被保護(hù)土參數(shù)采用料場土料土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反濾層選用級配砂、碎石。

4.1 第一層反濾設(shè)計(jì)

當(dāng)被保護(hù)土為黏土?xí)r，其第一層反濾料的級配應(yīng)按下列方法計(jì)算。

4.1.1濾土要求

根據(jù)SL251—2001 B.0.5:小于0.075顆粒含量百分比大于85%，其反濾層D15按下式計(jì)算：

D15≤9d85

(1)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%。

根據(jù)土工試驗(yàn)，被保護(hù)土不含大于5mm顆粒，小于0.075顆粒含量百分比87.2%大于85%。

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)，被保護(hù)土d85：

d85=0.075-(0.075-0.005)/(87.2-47.4)×(87.2-85)=0.071mm。

綜上，反濾層D15≤9d85=9×0.071=0.64mm。

4.1.2排水要求

根據(jù)SL251—2001 B.0.5:當(dāng)4d15<0.1mm時(shí)，則D15不小于0.1mm。

根據(jù)表1，被保護(hù)土d15<0.005mm，4d15<0.1mm，則D15>0.1mm。

4.1.3反濾料防止分離要求

根據(jù)SL251—2001 B.0.6：反濾料D90(下包線)和D10(上包線)的粒徑關(guān)系宜符合表4。

表4 防止分離的D90(下包線)和D10(上包線)粒徑關(guān)系 單位：mm

根據(jù)以上設(shè)計(jì)內(nèi)容，D15為0.1～0.64mm，本次設(shè)計(jì)D15選擇0.35mm，則D10<0.5mm，D90=20mm。

4.1.4反濾料特征粒徑選擇

綜上，第一層反濾料D15為0.1～0.64mm，D15選擇0.35mm，D85選擇18mm，D90=20mm。第一層反濾料選用直徑0.25～25mm的級配粗砂，反濾層水平厚度不小于0.3m，滿足規(guī)范要求。

4.2 第二層反濾設(shè)計(jì)

4.2.1特征粒徑計(jì)算

將第一層反濾作為被保護(hù)土，則被保護(hù)土為無黏性土，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，被保護(hù)土d15=0.35mm，d85=18mm，直徑0.25～20mm級配粗砂，CU≤5～8。

根據(jù)SL251—2001 B.0.4:

D15/d85≤4～5

(2)

D15/d15≥5

(3)

式中，D15—反濾料的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%；d85—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的85%；d15—被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的15%。

D15≤(4～5)d85=(72～90)mm

D15≥5d15=1.75mm

4.2.2反濾料防止分離要求

根據(jù)SL251—2001 B.0.6：反濾料D90(下包線)和D10(上包線)的粒徑關(guān)系宜符合表4。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)內(nèi)容，D15為1.75～90mm，本次D15選擇4.0mm，則D10為2.0～5.0mm，D90=40mm。

4.2.3反濾料特征粒徑選擇

綜上，第二層反濾料D15為1.75～90mm，D15選擇4mm，D85選擇30mm，D90=40mm，第二層反濾料選用直徑2～45mm礫砂及碎石級配混合料，反濾層水平厚度不小于0.3m，滿足規(guī)范要求。

5 后期工程運(yùn)行情況分析

根據(jù)工程運(yùn)行管理情況，自蓄水驗(yàn)收運(yùn)行至今，水位漲至塌陷處，護(hù)坡表面無裂縫、破落、滑動、隆起、塌坑、沖刷，近壩水面無冒泡、變渾或漩渦等異常情況，經(jīng)除險(xiǎn)加固后，壩坡運(yùn)行正常，加固措施基本達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)論及建議

反濾層設(shè)計(jì)合理性直接關(guān)乎大壩安全，反濾層特征粒徑的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)被保護(hù)土料的類型(區(qū)別是黏性土還是無黏性土)、顆粒組成等選擇相應(yīng)計(jì)算方法。本文填筑土料為黏土料，第一層反濾料按被保護(hù)土料為黏性土料設(shè)計(jì)；第二層反濾層設(shè)計(jì)將第一層反濾料作為被保護(hù)土，則第二層反濾料按被保護(hù)土料為無黏性土設(shè)計(jì)。

本文壩體填筑土料小于0.075mm的顆粒含量百分比大于85%，且不含大于5.0mm顆粒，計(jì)算土料顆粒特征粒徑公式較為單一，參考本文設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同土料選用相應(yīng)特征粒徑及計(jì)算式進(jìn)行分析計(jì)算。

特征粒徑在滿足以上計(jì)算粒徑要求外，還宜滿足反濾料不出現(xiàn)分離要求。