水庫大壩左壩肩邊坡變形破壞機(jī)制及整治對策探討

劉典鵬

(萊州市水利工程建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，山東 萊州 261400)

0 引 言

萊州市某大型水庫在20世紀(jì)90年代末期建成，截至目前已運(yùn)行超出30年。地質(zhì)單位工作人員對此水庫監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該水庫在2010年初便已出現(xiàn)嚴(yán)重的左壩肩坡體變形，并且根據(jù)有關(guān)單位對水庫大壩的持續(xù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)可知，該水庫的左壩肩坡體變形在近幾年呈現(xiàn)變形加劇的趨勢[1]。為了解決坡體變形問題，提高水庫大壩工程的運(yùn)行穩(wěn)定性，下文將根據(jù)左壩肩邊坡變形基本特征，對其破壞機(jī)制與整治對策展開研究，以此為地區(qū)水庫工程的穩(wěn)定運(yùn)行與持續(xù)化建設(shè)提供幫助。

1 水庫大壩左壩肩邊坡變形基本特征分析

為了進(jìn)一步揭示該水庫大壩在運(yùn)行過程中發(fā)生的變形問題，此工程項目在建設(shè)初期便布設(shè)了較為完善的左壩肩監(jiān)測系統(tǒng)，將其作為坡體結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測體系的主要構(gòu)成部分[2]。此次研究從早期布設(shè)的4個監(jiān)測點入手，對應(yīng)的4個監(jiān)測點分別為J1、J2、J3、J4。其中，J1、J2位于水庫大壩左壩肩的上部(大概位于邊坡肩部位置)，2個監(jiān)測點的高程位置一致，但分別位于大壩的上游與下游；J3、J4監(jiān)測點比J1、J2監(jiān)測點低10.0 m，分別位于邊坡兩個壩體結(jié)構(gòu)上。監(jiān)測點從完成布設(shè)后便開始執(zhí)行監(jiān)測行為，但早期一直未發(fā)現(xiàn)其存在變形，直到2010年4月份，技術(shù)人員在對監(jiān)測點反饋信息的分析中發(fā)現(xiàn)，J3、J4監(jiān)測點對應(yīng)的兩個邊坡塊體上發(fā)生了量級變形現(xiàn)象，對監(jiān)測點反饋的信息進(jìn)行整理，得出的結(jié)果見表1。從表1可以看出，從2017年5月份開始，多個監(jiān)測點的變形量劇增，因此，采用現(xiàn)場勘察的方式，對觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析，并將其變形基本特征總結(jié)為以下三個方面。

表1 J1、J2、J3、J4監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果分析

(1)從水庫大壩的上游側(cè)壁位置進(jìn)行變形觀察發(fā)現(xiàn)，側(cè)壁的后緣裂縫已呈現(xiàn)一種明顯張開狀態(tài)，上部開口較大，隨著裂縫的深入，下部開口較小，呈現(xiàn)拉張變形趨勢，目前此種裂縫已經(jīng)延伸到下部巖體與壩體的交接位置。

(2)J3、J4監(jiān)測點所處的壩體位置存在縱向裂縫，并伴隨不均勻張開現(xiàn)象，后續(xù)對此工程的養(yǎng)護(hù)也存在張裂與沉陷發(fā)育問題，表示該地區(qū)內(nèi)的水庫大壩存在相鄰壩體結(jié)構(gòu)不均衡對向運(yùn)動的趨勢[3]。

(3)在水庫大壩的前邊緣位置，砂體與巖石交接處已出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

2 水庫大壩左壩肩邊坡變形破壞機(jī)制

2.1 邊坡變形演化機(jī)制

對水庫大壩左壩肩坡體穩(wěn)定性造成最直接影響的因素為降水量、爆破工程等，大部分水庫大壩工程的邊坡位置是由泥巖構(gòu)成的，整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形損壞時會經(jīng)歷三個過程，分別為“彎曲過程”“傾倒過程”“拉裂型特點”，對三個階段演化過程描述如圖1所示。

圖1 邊坡變形演化過程示意圖

圖1中，第一個圖示仍處于變形破壞的拉裂初始化階段，根據(jù)勘察人員對水庫大壩的采樣分析可知，此時左壩肩坡體結(jié)構(gòu)的形態(tài)已初步發(fā)生變化，部分巖體已發(fā)生了折斷，但尚未形成一個坡體滑動界面。隨著外部侵蝕與干擾的加劇，坡體結(jié)構(gòu)演化現(xiàn)象加劇，從而逐步形成上述圖示中的第二階段與第三階段。

2.2 邊坡變形破壞發(fā)展趨勢

通過上述分析與技術(shù)人員對水庫大壩工程的綜合考察數(shù)據(jù)，對比左壩肩邊坡變形破壞發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

基于巖體力學(xué)角度分析，可將發(fā)生變形與破壞的左壩肩邊坡作為一軟弱基座，大壩的上部結(jié)構(gòu)為硬脆性二次元結(jié)構(gòu)，下部是對應(yīng)的脆弱結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在力學(xué)角度具有流動性強(qiáng)、承載能力弱、抗風(fēng)化能力差等劣勢，且對應(yīng)的結(jié)構(gòu)又處于整體水庫大壩中受力最強(qiáng)的位置。因此，此類邊坡發(fā)生變形大多是從軟弱基層開始的，初步引起上部坡體結(jié)構(gòu)變形，隨著變形的逐步發(fā)展，最終整體結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)失穩(wěn)的問題。針對此類問題，倘若沒有及時發(fā)現(xiàn)或沒有及時采取措施進(jìn)行規(guī)避，邊坡的變形將進(jìn)一步加劇，從而導(dǎo)致破壞范圍增加、破壞程度變大。

3 整治對策

3.1 水庫大壩左壩肩防滲設(shè)計

為了避免水庫大壩左壩肩邊坡變形破壞問題的產(chǎn)生，在明確其變形破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的整治對策。首先從防滲角度分析，針對水庫大壩左壩肩進(jìn)行防滲設(shè)計。為了滿足水庫大壩運(yùn)行過程中的防洪、防滲需要，首先設(shè)置一個混凝土材料的防浪墻結(jié)構(gòu)，混凝體材料的強(qiáng)度選擇C20等級[4]。在引入防浪墻結(jié)構(gòu)后，將水庫大壩原有溢洪道消力鏟斗拆除，并選用M7.5的砌筑石材。在完成上述操作后，針對水庫大壩左壩肩的防滲，采用帷幕灌漿的方式完成。針對出口位置上的八段進(jìn)行帷幕灌漿處理[5]。灌漿的過程中，可采用單排鉆孔布設(shè)方案，將相鄰兩個鉆孔之間的距離設(shè)置為1.5。將所有鉆孔按照3個連續(xù)的方式布設(shè)，并按照順序進(jìn)行鑿毛處理，自下而上完成灌漿。根據(jù)水庫大壩的不同規(guī)格，鉆孔布置數(shù)量在15～20個不等。水庫大壩左壩肩防滲結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 水庫大壩左壩肩防滲結(jié)構(gòu)示意圖

按照圖2中的內(nèi)容完成對水庫大壩左壩肩的防滲設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上利用專用造槽機(jī)械設(shè)備造槽孔，防止孔壁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象[6]。完成上述施工內(nèi)容后，利用導(dǎo)管在注滿泥漿材料的槽孔結(jié)構(gòu)當(dāng)中澆注混凝土材料，并以此完成對泥漿的置換，完成對墻體的澆筑。根據(jù)水庫大壩的運(yùn)行特點，墻體既可以是剛性的，也可以是塑性的。對于大部分水庫大壩而言，應(yīng)當(dāng)采用柔性墻體結(jié)構(gòu)，以達(dá)到防滲加固效果。在實際應(yīng)用中，對于水庫大壩左壩肩的防滲處理，還可以引入套孔沖抓回填防滲技術(shù)來實現(xiàn)，該技術(shù)應(yīng)用下鉆孔平面套接布置示意圖如圖3所示。

圖3 鉆孔平面套接布置示意圖1-主孔結(jié)構(gòu)；2-套孔結(jié)構(gòu)；3-套接處；4-水庫大壩軸線

按照圖3中所示的內(nèi)容，完成對鉆孔平面套接的布置，通過一主一套相交的方式連接成一個井墻。若在實際施工過程中，采用單排布設(shè)的方式無法達(dá)到理想的防滲效果，則可以采用雙排孔布置的方式。鉆孔的排數(shù)可以根據(jù)水庫大壩左壩肩所需的防滲墻有效厚度來決定。

3.2 下游邊坡整治設(shè)計

在完成對水庫大壩左壩肩本身的防滲設(shè)計后，為了進(jìn)一步提高水庫大壩整體運(yùn)行質(zhì)量和效果，還需要針對水庫大壩下游邊坡進(jìn)行整治[7]。針對水庫大壩原有下游邊坡的洪水位設(shè)計、洪水位校對等存在的不符合規(guī)范的問題，采用厚層整形與護(hù)坡處理相結(jié)合的方式。在下游邊坡上設(shè)置一個寬度為2.5 m的馬道，并在馬道的內(nèi)側(cè)或左右兩側(cè)設(shè)置橫縱交錯的排水溝。將馬道上側(cè)到水庫大壩壩頂坡位置上的比例設(shè)置為1∶2.5，采用強(qiáng)度等級為C15的混凝土材料實現(xiàn)對格構(gòu)和草坡的防護(hù)。除此之外，還可以通過排水導(dǎo)滲的方式實現(xiàn)對下游邊坡的整治。這種整治方式的主要目的是對邊坡以外的地表水進(jìn)行攔截，并在邊坡結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個環(huán)形的截水溝結(jié)構(gòu)[8]。在對截水溝的深度以及質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行選擇時，需要選擇能夠滿足邊坡以外的水不會再滲入滑坡內(nèi)的參數(shù)。為了防止邊坡范圍以外的地下水滲入邊坡內(nèi)部，還可通過設(shè)置截水盲溝的方式，將水導(dǎo)到邊坡以外。在對開挖坡度進(jìn)行設(shè)置時，需要根據(jù)實際水庫大壩左壩肩邊坡的地質(zhì)情況對邊坡進(jìn)行修正，以此保障邊坡的穩(wěn)定性。在整治的過程中，發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)滑坡的地段也需要對其進(jìn)行及時處理，以進(jìn)一步降低損失。在日常維護(hù)時，針對下游邊坡進(jìn)行巡視檢查，并針對水庫大壩周圍的排洪設(shè)施是否正常運(yùn)行進(jìn)行檢查，若在渠道結(jié)構(gòu)當(dāng)中存在雜草淤積，則需要及時對其進(jìn)行清理，并針對局部滲漏和破壞問題查明具體原因，根據(jù)原因找出解決方案并實施，以此實現(xiàn)對下游邊坡的整治。

3.3 邊坡巖體結(jié)構(gòu)變形整治方案設(shè)計

綜上所述，在實現(xiàn)對水庫大壩左壩肩防滲設(shè)計和下游邊坡整治設(shè)計后，綜合邊坡巖體結(jié)構(gòu)的變形情況對其整體整治方案進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計前，首先要明確不同水庫大壩高度的巖體透水率，見表2。

表2 水庫大壩不同高度巖體透水率

在上述水庫大壩不同高度巖體透水率標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，對整治方案進(jìn)行設(shè)計，整治方案內(nèi)容主要包括以下幾點：

(1)將水庫大壩左壩肩上原有的土層滑坡體清除，并將所有存在風(fēng)化傾倒變形嚴(yán)重的碎裂巖體去除，針對邊坡重新按照1∶0.85的比例進(jìn)行設(shè)置。在實際開挖的過程中，可以采用錨桿與錨索輔助的方式完成對邊坡的支護(hù)處理。

(2)在水庫大壩左壩肩邊坡右側(cè)12～15 m范圍內(nèi)設(shè)置1個抗滑樁，抗滑樁的規(guī)格為2.3 m×2.8 m(長×寬)。每2個抗滑樁之間的距離設(shè)置為5.5～6.5 m，樁長的設(shè)置則根據(jù)邊坡風(fēng)化界面以及其實際穩(wěn)定性需要進(jìn)行選擇。同時，在進(jìn)行抗滑樁設(shè)置時，還需要在抗滑樁上安裝一個長度約為25 m的預(yù)應(yīng)力錨索。

(3)為了避免河水對坡面造成沖刷掏空，需要確保坡面整體的穩(wěn)定性，并在河道邊緣位置上設(shè)置1個頂部寬度為1.5 m、高度為3.2 m的抗滑墻結(jié)構(gòu)。

(4)在水庫大壩左壩肩邊坡最深部以及邊坡的邊緣結(jié)構(gòu)以外的地表上，設(shè)置位移監(jiān)測點，在水庫大壩正常運(yùn)行的過程中，針對邊坡位移情況進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出實現(xiàn)設(shè)置的閾值范圍時，則立即采取上述相應(yīng)的整治方案對其進(jìn)行處理，防止變形破壞的程度進(jìn)一步提高，以此確保水庫大壩整體運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

為了保證大壩水庫在運(yùn)行中的安全性與穩(wěn)定性，保障水庫大壩在地區(qū)內(nèi)可以發(fā)揮其既定的使用效果，此次研究以某水庫大壩為例，綜合水庫大壩在運(yùn)行中左壩肩的變形基本特征，進(jìn)行其破壞變形機(jī)制的研究，并以此為依據(jù)設(shè)計對應(yīng)的水庫大壩防滲方法，以此實現(xiàn)對水庫大壩整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在后續(xù)的研究中，還將持續(xù)進(jìn)行工程整治方案的細(xì)化設(shè)計，提高大壩工程的使用年限，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)的環(huán)境。