中型均質(zhì)土壩滲漏風險分析及加固處理對策
——以西坑水庫為例

仇志剛

(佛山市高明區(qū)西坑水庫工程管理處,廣東 佛山 528000)

1 工程概況

西坑水庫位于佛山市高明區(qū)高明河支流楊梅河上游的楊和鎮(zhèn)西坑村境內(nèi)。于1973年冬季動工興建，1976年10月竣工投入使用，主要樞紐建筑物有攔河土壩、河岸式溢洪道、輸水涵管，是一座以灌溉為主， 結(jié)合防洪、備用水源等綜合利用的中型水庫。

水庫壩址以上控制流域面積10.82 km2，河長4.99 km，河道坡降3.19%，水庫灌溉面積533.33萬hm2。大壩設(shè)計洪水標準為50年一遇(P=2%)，校核洪水標準為1000年一遇(P=0.1%)。正常蓄水位為110.30 m，相應(yīng)庫容為819.00萬m3；設(shè)計洪水位為111.98 m，相應(yīng)庫容為964.01萬m3；校核洪水位為112.77 m，總庫容為1026.25萬m3；死水位為92.00 m，死庫容為37.00萬m3。西坑水庫大壩評定為三類壩，工程存在較嚴重質(zhì)量缺陷與安全隱患，不能按設(shè)計工況正常運行，建議盡快進行除險加固。

2 大壩病險勘察

西坑水庫勘察工作包括：西坑水庫安全鑒定，西坑水庫除險加固工程可行性研究。本次是在前期2次勘察成果的基礎(chǔ)上進行補充，共鉆孔7個，均為控制孔，進尺169.70 m，土樣29件，巖樣17件，標貫38次，水樣2件，壓水試驗4段，水泥漿封孔7個，量水位7次。

2.1 庫區(qū)工程地質(zhì)條件

水庫庫岸為山地地貌，地勢陡峭，流域范圍小，無滲漏問題。水庫四周山體以殘積土、全風化～中風化組成，植被較發(fā)育，未破壞程度較小，危險性小。水庫有溢洪道和排水管涵，正常溢洪不存在淹沒問題。庫區(qū)周邊多由殘積土組成，植被發(fā)育好，水庫儲水、流域面積小，庫岸受水流沖刷較小，水庫固體徑流量小，目前庫內(nèi)淤積問題一般。

2.2 壩體和壩基評價

2.2.1 壩體評價

大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，現(xiàn)壩頂高程 114.2 m，防浪墻高0.6 m， 壩底高程84.7 m，最大壩高 29.5 m，壩頂長度193 m。大壩填土密實度局部壓實效果欠佳，填料 均勻性稍差，大壩填土共做注水試驗21段，4段為微透水，12 段為弱透水，5段為中等透水。中等透水主要分布在背水坡，大壩壩頂局部中等透水。

在壩體土層內(nèi)做標準貫入試驗15次，實測擊數(shù)為 11～15擊，平均13.3擊，校正擊數(shù)為9.1～13.0擊，標準擊數(shù)12.7擊，試驗說明壩體填土密實度局部不均勻。壩體取樣共9組做顆粒和黏粒分析，其中10 m以上深度部分黏粒含量<10%范圍，部分黏粒含量在10%～30%范圍；10 m以下取樣1組在10%～30%范圍，說明壩體土料黏粒含量部分合格(見表1)。填土土料屬微～中等透水性。從鉆孔水位觀測及土體含水量分析，壩體浸潤線水位高程在大壩軸線一帶(從ZK1-ZK4-ZK7-ZK5-ZK6)為105.82 m～106.65 m～106.74 m～96.63 m～90.30 m，可知浸潤曲線已形成。

表1 壩體填土擊實試驗結(jié)果統(tǒng)計

從上述統(tǒng)計指標中可看出，按天然干密度與最大干密度比較，大壩壩體填土壓實度為 81.57%，說明壓實度達不到規(guī)范要求(96%～98%)。

均質(zhì)土壩為黏性土填筑而成，壩體填土干密度稍低，壓縮性稍高，孔隙比較大，壓實度達不到規(guī)范要求，通過注水試驗結(jié)果，本大壩填土透水性屬微～中等透水性，以弱透水為主，次之微透水和中等透水，中等透水主要位于大壩背水坡，大壩頂局部中等透水[1]。在透水性為中等透水的部位可能存在滲漏問題，建議進行注漿處理。大壩在高水位或上游護坡受到破壞的工況條件下運行，壩體及壩體與壩基接觸部位滲漏和滲透穩(wěn)定問題會突出，危及大壩安全運行[2]。

大壩壩頂存在縱向裂縫，特別是左壩頭和右壩頭縱向裂縫最為明顯，壩頂局部區(qū)域還存在不均勻沉降現(xiàn)象引起的小裂縫。

在高水位運行期背水坡的兩級馬道之間存在“牛皮脹”現(xiàn)象。物探檢測成果總體表明，大壩填土不均勻，密實度較差，特別是二級馬道壩中以及靠右側(cè)上下區(qū)域含水量較大，密實度最差，為可能的滲漏通道。

總之，大壩填土不密實，均勻性差，壓實度不夠，不能滿足規(guī)范對壩體填土壓實度的要求；同時壩體填筑土滲透性差異較大，總體為弱透水，但局部存在中等透水，筑填土與原狀巖土接觸處是一個軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.2.2 壩基評價

壩基評價包括壩基滲漏及滲透穩(wěn)定。壩基上部土層礫質(zhì)黏性土層、全風化巖層、強風化巖層、中風化巖層。礫質(zhì)黏性土層、全～強風化巖層屬于微～中等透水性；中風化巖層屬于中等透水性。因此，壩基屬于微～中透水性，壩基滲漏問題局部存在。其地質(zhì)病險主要位于壩體與壩基接觸帶，在高水位及正常蓄水位運行條件下對壩體穩(wěn)定不利。產(chǎn)生滲漏的原因主要是壩基防滲處理不夠或壩清基處理不徹底所致。

2.3 溢洪道評價

溢洪道布置在大壩右端，為寬頂堰開敞式溢洪道，溢流堰頂高程110.3 m，寬15.0 m，長13.2 m，寬頂堰后接陡坡段(長102.8 m)和底流式消力池(長16.0 m，寬 15.0 m)，兩邊設(shè)側(cè)墻，結(jié)構(gòu)為漿砌石重力式擋土墻外砌150 mm厚C20混凝土，高度1.85～3.85 m。

步行穿越調(diào)查法作為一種從顧客視角感知服務(wù)的工具，強調(diào)以顧客為焦點力求發(fā)現(xiàn)待改進領(lǐng)域，最早是由Fitzsimmons和Maurer提出[12]，其以提供全服務(wù)餐廳為例，說明如何服務(wù)質(zhì)量提升[13]；Elsa Lai-Ping和Richard在香港利用此方法研究提升律師事務(wù)所的服務(wù)質(zhì)量[14]；Moon Charn Riew和Ji Yeon Shin在韓國利用此方法研究衛(wèi)生服務(wù)機構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量[15]，截止到目前尚未檢索運用該方法的中文公開研究。

溢洪道已運行多年，整體外觀較老舊，溢洪道內(nèi)混凝土 鋪面多處見有橫向和縱向裂縫，部分鋪面嚴重剝落，泄槽段局部隆起、懸空，由老化、熱脹冷縮等因素造成，暫時未見擋土墻結(jié)構(gòu)性破壞。

2.4 輸水涵管評價

輸水涵管進口閘門左右兩側(cè)及底部均有較大的漏水，閘門兩側(cè)止水裝置也存在漏水現(xiàn)象，壓力鋼管與設(shè)計坡度不符、管壁銹蝕，啟閉電動機雖能正常運行，但屬工信部2012年公布的高耗能落后機電設(shè)備淘汰目錄(第二批)產(chǎn)品，能耗高、效率低、環(huán)保性差。輸水涵管出口右側(cè)連通直徑0.7 m的灌溉岔管閘閥開啟時，閘閥無法完全打開，閘閥周邊未設(shè)置鎮(zhèn)墩，導(dǎo)致閘閥開關(guān)及附近涵管、地面振動特別嚴重，閘閥開關(guān)由于長期受振動影響，疲勞斷裂，且管壁與電動裝置結(jié)合處漏水嚴重，不能正常運行。輸水涵管放水塔樓面存在較為明顯的“晃動”現(xiàn)象，安全鑒定認為進水塔基礎(chǔ)底下存在厚2.5 m左右的殘積土層，在庫水的長期浸泡下，土體易軟化，基礎(chǔ)整體傾斜變形較大，導(dǎo)致進水塔“晃動”。經(jīng)過勘察和計算，輸水涵管放水塔整體傾斜過大。

3 防滲加固處理

3.1 壩體防滲處理

在大壩壩頂新建塑性混凝土防滲墻，防滲墻厚600 mm，考慮2009年旋噴防滲墻位于主壩軸線，所以本次防滲墻布置在壩軸線上游側(cè)1 m位置，防滲墻深入壩 基強風化巖層不少于0.5 m，防滲墻最大深度約30.3 m，防滲墻長度約263 m。塑性混凝土防滲墻施工采用液壓抓斗成槽工藝，接頭施工采用接頭管進行處理。

考慮壩基巖體可能存在裂隙造成滲水，所以強風化以下至微風化層之間采用帷幕灌漿處理,其中防滲墻與帷幕灌漿交接重合長度3 m。壩肩與壩體交接位置，采用帷幕灌漿處理，隔斷山體往壩體的滲水通道。

3.2 壩體加固

防滲墻加固完成后，對壩體進行填充灌漿，垂直壩軸線布置灌漿孔7排，孔底高程95 m，壩軸線方向間距3 m，灌入水泥黏土漿，增加提高壩體密實度。重建壩頂混凝土路面、防浪墻及壩頂排水溝，壩頂寬5.5 m，背水坡壩腳新建集滲溝及量水堰[3]。

背水坡牛皮脹處理，在背水坡出現(xiàn)滲水位置約為100 m高程開始，至壩腳反濾棱體之間增設(shè)貼坡反濾設(shè)施，將滲水導(dǎo)入壩腳反濾棱體。

3.3 輸水涵管放水塔加固

對放 水塔“晃動”處理主要措施是采用鋼結(jié)構(gòu)把放水塔與棧橋連接，增加放水塔剛度?？紤]開挖放水塔下部的涵管會使放水塔基礎(chǔ)失去埋深的作用，施工期間會影響放水塔上部建筑物穩(wěn)定，而且需要完全放干水庫，施工不方便，所以基礎(chǔ)加固在涵洞的頂板高程面進行。在涵洞兩側(cè)各做3條 鉆孔樁，鉆孔樁滲入巖層，在涵洞頂板面做混凝土大底板把鉆孔樁與涵洞頂板連接，利用鉆孔樁和混凝土底板來限制涵洞的水平方向變位[4]。

除對放水塔進行加固外，對涵管周圍壩體進行充填灌漿處理，在涵管兩側(cè)各設(shè)一排，鉆孔偏離涵管外邊線約0.5 m，孔距2.5 m，灌漿材料20%水泥黏土漿；更換涵管出口碟閥，修建混凝土鎮(zhèn)墩，對壩后電站涵管出口進行封堵，做法與舊涵管封堵 相似；更換涵洞進水口鋼閘門。

3.4 溢洪道加固

4 壩體安全復(fù)核與監(jiān)測

4.1 壩體安全復(fù)核

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2020)的規(guī)定要求，結(jié)合運行中可能出現(xiàn)的不利情況，擬定下列6種工況進行滲流分析。

(1)正常運用條件。 工況一：水庫水位為正常蓄水位110.30 m(珠基，下同)的情況； 工況二：水庫水位為設(shè)計洪水位111.98 m(P=2%)的情況； 工況三：水庫水位從設(shè)計洪水位111.98 m(P=2%)降至正常蓄水位110.30 m的庫水位降落期的情況； 工況四：水庫水位從正常蓄水位110.30 m降至死水位92.00 m的庫水位降落期的情況[5]。

(2)非常運用條件Ⅰ。 工況五：水庫水位為校核洪水位112.77 m(P=0.1%)的情況； 工況六：水庫水位從校核洪水位112.77 m(P=0.1%)降至正常蓄水位110.30 m的庫水位降落期的情況。

4.1.1 滲流安全復(fù)核

大壩在穩(wěn)定滲流工況下，滲流量如表2，各工況大壩浸潤線下游逸出點均在反濾層保護范圍內(nèi)。從大壩滲流量計算成果可知，滲流量均不大，滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

表2 各工況下穩(wěn)定滲流滲漏量計算成果

流土型臨界水力坡降采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)附錄式(G.0.6-1)計算，土體允許滲透比降為臨界水力比降除以安全系數(shù)，安全系數(shù)一般取1.5[6]。壩體土體各工況滲透比降計算成果對比見表3，結(jié)果顯示：加固后大壩最大比降均有所減小，各工況下最大滲透比降出現(xiàn)在下游排水棱體與壩體填土交接部位，各工況下的最大滲透比降均小于允許比降[J]，滲流安全滿足規(guī)范要求[7]。

表3 土體各工況滲透比降計算成果對比情況

4.1.2 壩坡穩(wěn)定安全復(fù)核

根據(jù)規(guī)范SL 274—2020的規(guī)定，穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法計算平面問題的土壩壩坡圓弧抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。以較小的安全系數(shù)為準，計算結(jié)果見表4。

表4 大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值計算成果

加固前，大壩在正常蓄水位工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)接近允許值；在設(shè)計洪水位及校核洪水位下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，不滿足規(guī)范要求；在非穩(wěn)定工況下均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求。加固后，大壩在工況下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均有所提高，且均大于規(guī)范允許值，滿足規(guī)范要求[8]。

4.2 壩體安全監(jiān)測

4.2.1 變形監(jiān)測

本次除險加固對大壩主要進行表面變形監(jiān)測，包括豎向位移和水平位移監(jiān)測。水平位移監(jiān)測采用交會法測量，垂直位移監(jiān)測采用三角高程測量，從大壩右岸至左岸共設(shè)3個監(jiān)測橫斷面，從大壩上游至排水棱體共設(shè)4個監(jiān)測縱斷面，共設(shè)位移監(jiān)測點12個，在大壩左、右兩岸地質(zhì)條件良好、基礎(chǔ)穩(wěn)固處設(shè)工作基點4個。

4.2.2 滲流監(jiān)測

滲流監(jiān)測包括滲流壓力、滲流量監(jiān)測以及水質(zhì)分析。其目的是：掌握水工建筑物及其地基的滲流情況，分析判斷是否正常和可能發(fā)生不利影響的程度及原因，為工程養(yǎng)護修理和安全運用提供依據(jù)。本次除險加固滲流監(jiān)測重設(shè)壩體滲壓監(jiān)測，共設(shè)3個監(jiān)測斷面12個測壓孔。

5 結(jié) 語

本文通過對西坑水庫土石壩的工程病害進行成因分析，針對前期勘察得出土壩病害主要為壩體和壩基的防滲隱患對大壩穩(wěn)定性可能產(chǎn)生的影響。 采取了對主壩壩體及壩基采用塑性防滲墻進行防滲處理的技術(shù)方案，對大壩壩頂新建塑性混凝土防滲墻，對背水坡重新鋪設(shè)草皮護坡，加固輸水管涵和溢洪道。在進行防滲處理后大壩在各種工況下抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，最大滲流比降均小于允許比降，滲流安全滿足規(guī)范要求，對類似土石壩工程的病害治理提供技術(shù)指導(dǎo)。。