以閆莊水庫為例探析均質(zhì)土壩安全鑒定

李元旗

(陜西省延安市黃陵縣水庫管理處，陜西 延安 727300)

1 概 況

閆莊水庫位于延安市黃陵縣店頭鎮(zhèn)閆莊村沮河支流東川河上游，水庫以防洪為主，兼灌溉下游農(nóng)田和人畜飲水。閆莊水庫于1970年開工，1974年完成并投入運(yùn)行，水庫總庫容115萬m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇洪水設(shè)計(jì)，相應(yīng)洪峰流量40.4 m3/s，300 a一遇洪水校核，洪峰流量80.5 m3/s。設(shè)計(jì)洪水位1187.63 m，校核洪水位1188.21 m。該水庫樞紐大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程1190.00 m，壩長210.00 m，壩頂寬4.00 m，壩頂為瀝青路面結(jié)構(gòu)，其中路基設(shè)砂礫石穩(wěn)定層，厚度10.00 cm，碎石瀝青罩面層厚度8.00 cm。上游壩坡坡比1∶3采用干砌石護(hù)坡，砌石厚0.30 m，其下設(shè)0.15 m砂礫石墊層，砌護(hù)范圍從死水位1178.20 m至壩頂1190.00 m，砌護(hù)斜長37.30 m。

2 現(xiàn)場勘察與檢查

2.1 壩體檢查

經(jīng)現(xiàn)場勘察檢查，閆莊水庫大壩堤頂路面不平整，有積水現(xiàn)象，壩頂靠下游側(cè)有明顯路面沉降現(xiàn)象，沉降2～5 cm不等。堤頂路面有明顯結(jié)構(gòu)縫變形拉開現(xiàn)象，壩頂上游側(cè)無照明設(shè)施。壩頂、上游壩坡均有植物滋生，坡面不平整，局部出現(xiàn)沉降、隆起現(xiàn)象。下游坡面不平整，壩坡面有流土、管涌等現(xiàn)象，滲水比較嚴(yán)重，現(xiàn)場設(shè)有6處反濾圍井。

2.2 壩基及壩區(qū)檢查

大壩經(jīng)過多年的沉降基本趨于穩(wěn)定，但大壩壩基基巖強(qiáng)風(fēng)化，左右壩肩與岸坡連接處有裂縫、異常滲水現(xiàn)象，其中左壩端庫岸巖石有明顯裂縫，存在繞壩滲透現(xiàn)象。基礎(chǔ)排水設(shè)施年久失修，壩基下部存在強(qiáng)透水砂卵石，壩基基巖強(qiáng)分化，壩基滲漏嚴(yán)重?，F(xiàn)場檢查及訪問庫區(qū)、近壩區(qū)，無水面旋渦，冒泡等現(xiàn)象，水庫岸坡穩(wěn)定。

3 安全監(jiān)測資料分析

3.1 監(jiān)測設(shè)施分析

閆莊水庫目前共有3個(gè)橫斷面觀測壩體變形測壓管，6個(gè)壩體位移變形觀測點(diǎn)，用人工觀測壩體滲流浸潤線變化。結(jié)合大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況及現(xiàn)狀監(jiān)測設(shè)施運(yùn)行情況可知，大壩變形測壓管布設(shè)較合理，但是大壩建成至今，水庫降雨量、水位、進(jìn)出庫流量、位移、滲流等基本安全監(jiān)測項(xiàng)目從未開展，監(jiān)測資料不全，無法通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析確定其大壩安全性能。

3.2 庫水位分析

水庫蓄水運(yùn)行至今已經(jīng)30多年，由于壩體質(zhì)量差，壩基和繞壩滲漏嚴(yán)重等原因，水庫未按設(shè)計(jì)蓄水，一直處于低水位運(yùn)行狀態(tài)，造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。歷史最高水位是1188.00 m，發(fā)生時(shí)間為2010年7月24日。本次實(shí)際測繪水位為1178.8 m。從工程效益方面，建議閆莊水庫盡快進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程，以達(dá)到水庫正常運(yùn)行條件。

根據(jù)《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 258-2017)[1]，結(jié)合現(xiàn)場檢查及相關(guān)資料，閆莊水庫大壩安全存在向不利方向發(fā)展的趨勢，確定大壩安全性能異常。

4 工程質(zhì)量分析

4.1 壩基地質(zhì)條件評價(jià)

閆莊水庫壩基由兩部分組成，上部河床覆蓋層由淤泥質(zhì)土和砂礫石組成，下部為白堊系洛河組砂巖構(gòu)成的河溝基座。壩基巖土體為圓礫和砂巖，砂巖強(qiáng)風(fēng)化垂直層厚度0.9～8.5 m，為強(qiáng)透水巖土體，中風(fēng)化砂巖為弱透水地層，壩基在圓礫層和強(qiáng)風(fēng)化砂巖層中存在壩基滲漏問題。

壩肩斜坡按巖性分為兩部分，高程1179.5 m以下為砂巖邊坡，高程1795.5 m以上為河流一級階地堆積的砂礫石和粉土，滲透系數(shù)k=2.36×10-4cm/s，中等透水。砂礫石層厚2.0～2.5 m，中密，滲透系數(shù)k=8～10 m/d，弱透水，砂巖表面強(qiáng)風(fēng)化帶垂直厚度5.0～10.0 m，巖體透水為10～311 Lu，中等透水，左、右壩肩存在的工程地質(zhì)問題是繞壩滲透。

4.2 大壩工程質(zhì)量評價(jià)

4.2.1 壩體與壩基防滲質(zhì)量評價(jià)

為檢測壩基高壓旋噴防滲效果，根據(jù)《水工建筑物防滲工程高壓旋噴灌漿技術(shù)規(guī)范》《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(SL 551-2012)[2]的要求，采用了開挖、壓水試驗(yàn)、注水試驗(yàn)、滲壓觀測、滲漏量觀測等多種方法對壩基高壓旋噴防滲效果進(jìn)行檢查。檢查顯示，防滲墻下游面較干燥，無滲水點(diǎn)，其滲透系數(shù)皆小于1.0×10-5cm/s，砂礫石層旋噴固結(jié)體抗壓強(qiáng)度大于10.0 MPa，皆符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。但是由于壩基基巖表層強(qiáng)風(fēng)化，屬于中～強(qiáng)透水，防滲墻未穿透強(qiáng)分化巖層，壩基滲透量較大，左、右壩肩存在繞壩滲透現(xiàn)象。

4.2.2 大壩土方質(zhì)量評價(jià)

閆莊水庫大壩采用機(jī)械碾壓、人工夯實(shí)相結(jié)合的施工方法，室內(nèi)試驗(yàn)表明，壩體回填土的干密度在1.50～1.66 g/cm3之間，平均值為1.60 g/cm3，其含水率在14.2%～25.9%之間，平均值為20.8%，最大、最小干密度差值達(dá)0.16 g/cm3，表明該壩各層的碾壓密度不均勻，存在密度較薄弱區(qū)域，滲透試驗(yàn)的水平滲透系數(shù)在0.94×10-5～1.21×10-4cm/s之間，垂直滲透系數(shù)在0.61×10-5～6.90×10-5cm/s之間；壩體土黏聚力在21.1～23.4 kPa之間，平均值為22.3 kPa；摩擦角在15.1°～19.2°之間，平均值為16.9°，壩體強(qiáng)度不均勻。說明大壩施工時(shí)存在基礎(chǔ)清理不到位，上土料控制不嚴(yán)，密實(shí)度差，壩肩兩岸岸坡處理不當(dāng)?shù)惹闆r，使水庫運(yùn)行過程中大壩產(chǎn)生不均勻沉陷，造成沿壩軸線多處明顯裂縫，壩基及左、右壩肩滲漏嚴(yán)重。

地質(zhì)勘察資料表明，左岸邊坡表層下游高程1180.5～1178.0 m有細(xì)小裂隙，開挖至2.5 m后至砂巖頂面裂隙消失，分析裂縫形成的原因，主要是土壩填土與石質(zhì)結(jié)合處因濕陷不均勻產(chǎn)生沉降，而1175 m高程以下基巖潮濕表層強(qiáng)風(fēng)化嚴(yán)重剝落，是繞壩滲漏形成的主要原因。

根據(jù)《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 189—2013)[3]的規(guī)定，壓實(shí)度應(yīng)在0.96～0.98之間，該壩以0.96壓實(shí)度(室內(nèi)最大干密度為1.963 g/cm3，壓實(shí)度0.96對應(yīng)干密度為1.884 g/cm3)作為標(biāo)準(zhǔn)，對10個(gè)壩體土密度進(jìn)行評價(jià)，其合格率為0。分析原因是該大壩工程建設(shè)初期，缺乏專業(yè)的技術(shù)人員，未能按正規(guī)的基本建設(shè)程序進(jìn)行，對筑壩土料性質(zhì)認(rèn)識不夠，造成壩體土料填筑不科學(xué)，施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，造成壩體填筑質(zhì)量較差。因此，工程質(zhì)量評定為不合格。

4.3 大壩抗洪能力復(fù)核

閆莊水庫設(shè)計(jì)洪水位(p=3.3%)1187.76 m，校核洪水位(p=0.33%)1188.47 m。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)[4]公式計(jì)算壩頂高程，見表1。

取其最大值，閆莊水庫最大壩頂高程為1189.41 m，現(xiàn)狀水庫壩頂高程為1190.00 m，說明現(xiàn)狀壩頂高程滿足要求。閆莊水庫的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為40.4 m3/s，300 a一遇設(shè)計(jì)洪水流量為80.5 m3/s。采用的防洪標(biāo)準(zhǔn)符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)[5]和《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)，因此確定大壩防洪安全性評為A級。

4.4 大壩滲流分析

選取0+032.60斷面進(jìn)行二維有限元滲流分析，此斷面可反映整個(gè)大壩的實(shí)際滲流狀況。計(jì)算斷面壩體及壩基土質(zhì)的特性指標(biāo)見表2。

表2 土壤特性指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范SL 274—2020的滲流分析規(guī)定，選取兩種進(jìn)行分析：當(dāng)上游正常蓄水位+下游無水時(shí)，水庫水位為1187.00 m，滲漏量為2.71 m3/d·m，壩坡最大滲透比降為0.166；當(dāng)水位降落期(正常蓄水位降至汛限水位+下游無水)時(shí)，水庫水位為1183.00 m，滲漏量為2.05 m3/d·m，壩坡最大滲透比降為0.124，兩種情況的最大滲透比降均小于允許比降0.471。壩體滲漏溢出點(diǎn)較低，上游防滲墻的設(shè)置有效降低了浸潤線，但是由于壩區(qū)基巖面較高，基巖表層強(qiáng)風(fēng)化，屬于弱～中等透水，防滲墻未穿透強(qiáng)風(fēng)化巖層，壩基滲漏量較大，左壩肩繞壩滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，高水位持續(xù)時(shí)間越長，滲漏量越大。放水涵洞周邊巖土體為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，放水涵洞出水口周邊有滲漏現(xiàn)象，涵洞洞身與壩體之間存在滲漏通道。溢洪道與周邊強(qiáng)風(fēng)化砂巖層存在滲漏問題，因此認(rèn)為該工程的滲流形態(tài)是不安全的，所以評定為C級。

4.5 結(jié)構(gòu)安全評價(jià)

土壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析主要是校核土壩在最不利的工作條件和有無地震發(fā)生的情況下，其壩坡在剪切破壞下是否會產(chǎn)生滑坡，選擇斷面0+032.60作為計(jì)算基本斷面，分析方法依照規(guī)范SL 274—2020中規(guī)定，對較低的均質(zhì)壩采用簡化畢肖普法。按照規(guī)范及有關(guān)資料要求，對上、下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，選取以下四種情況：穩(wěn)定滲流期(正常蓄水位)的上、下游壩坡；穩(wěn)定滲流期(設(shè)計(jì)洪水位)的上、下游壩坡；非常運(yùn)行期(校核洪水位)的上、下游壩坡；水庫水位降落期的上、下游壩坡，采用簡化畢肖普法進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 大壩上游壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果匯總(0+032.60斷面)

由計(jì)算可知，上、下游壩坡在各種工況條件下的穩(wěn)定最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，因此，土壩壩坡穩(wěn)定。

4.6 大壩抗震安全復(fù)核

根據(jù)《黃陵縣閆莊水庫除險(xiǎn)加固工程地質(zhì)勘察報(bào)告》成果，該區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震基本烈度為Ⅵ度，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，滿足《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306-2015)規(guī)范要求,抗震安全性評定為A級。

5 結(jié) 語

經(jīng)過現(xiàn)場勘察檢查和分析計(jì)算，閆莊水庫大壩填筑質(zhì)量差，存在繞壩滲漏現(xiàn)象，壩坡滲水比較嚴(yán)重，工程質(zhì)量不合格，防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震安全為A級，結(jié)構(gòu)安全為B級，滲流安全為C級。按照《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》，水庫大壩鑒定為三類壩，急需進(jìn)行水庫大壩除險(xiǎn)加固。可供同類水庫進(jìn)行安全鑒定時(shí)參考。