山美水庫大壩防滲加固工程效果分析

許重富

（福建省泉州市山美水庫管理處，362000，泉州）

泉州市山美水庫樞紐工程位于福建省四大江之一——晉江中上游，是晉江流域唯一一座可控制的大型水利工程，關(guān)系到下游300多萬人民生命財產(chǎn)的安危，同時擔(dān)負(fù)著下游400多萬人口的生產(chǎn)生活用水及4.3萬hm2農(nóng)田灌溉的重任，被譽為“泉州人民的生命庫”，為泉州經(jīng)濟發(fā)展提供水資源的支撐和保障作用。

一、水庫工程概況

山美水庫位于泉州西北方向約50 km，是一座具有防洪、供水、灌溉、發(fā)電、生態(tài)調(diào)節(jié)、養(yǎng)殖等綜合功能的大（2）型水庫。水庫集雨面積1 023 km2，總庫容6.55億m3，調(diào)節(jié)庫容4.507億m3，主要建筑物有主壩1座（黏土心墻土石混合壩，壩長315m，最大壩高75.5 m）、副壩1座（壩址左岸護坡，高40 m）、溢洪道1座（裝設(shè)6扇12m×11.68m弧形鋼閘門）、電站2座（地下電站和壩后電站各1座，總裝機63MW）。水庫于1958年動工興建，曾兩度停建，1967年復(fù)建，1972年10月竣工，1983年完成保壩加固工程，1996年完成電站擴建，1997年完成水庫擴蓄,2005年完成1號、2號機技改和水庫安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。水庫按百年一遇（P=1%）洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計洪水位98.78 m，洪峰流量 4 360 m3/s，萬年一遇（P=0.01%）洪水標(biāo)準(zhǔn)校核，校核洪水位102.08 m，洪峰流量 8 040 m3/s；水庫正常高水位96.48 m，相應(yīng)庫容4.72億m3，死水位 57.48 m，相應(yīng)庫容 0.19億m3。流域多年平均年降雨量(1973—2008年，下同)1 800 mm，多年平均徑流量12.1億m3，多年平均年發(fā)電用水量10.1億m3；1989年建成龍門灘引水工程，年引入庫水量3.55億m3。

二、防滲加固工程建設(shè)情況

1.建設(shè)背景

2006年12月，福建省水利廳在福州主持召開山美水庫抗震復(fù)核大壩滲流安全研討會，與會的專家建議：對于山美水庫大壩壩體下游浸潤線的異常情況，找出原因并采取必要的工程措施，以提高山美水庫大壩的安全。水庫管理處隨即委托南京水利科學(xué)研究院對山美水庫大壩進行滲流三維分析，委托中國水利水電科學(xué)研究院對大壩進行高精度無損探查，委托福建省水利水電勘測設(shè)計院（簡稱省設(shè)計院）進行繞滲地質(zhì)探查。

2007年10月，三個科研單位的分析結(jié)果顯示，山美水庫大壩主要存的安全問題有：

心墻：大壩心墻在81 m高程分上下兩個區(qū)域，上部區(qū)域含砂礫料較多，不均勻沉陷大，透水性較強，干密度低，孔隙比大，庫水通過該層向下游滲透，一定程度抬高了代替料內(nèi)飽和滲流范圍，但從物探表明不存在集中滲漏通道；下部區(qū)域較為密實，膠結(jié)良好，質(zhì)量基本滿足設(shè)計和規(guī)范要求。其次，心墻在施工中出現(xiàn)裂縫，雖經(jīng)開挖回填處理，但回填的碾壓質(zhì)量控制不夠，壩體與壩基接合部的碾壓質(zhì)量控制不夠，造成不均勻沉陷并且出現(xiàn)裂縫，尤其右岸表現(xiàn)較為嚴(yán)重。第三，從三維滲流有限元計算成果來看，高水位下大壩心墻平均坡降滿足要求，心墻下游反濾層尚可，但上部反濾層有局部淤堵。

壩基滲流：大壩壩基清基和防滲帷幕處理基本符合要求，但兩岸裂隙發(fā)育，防滲帷幕施工沒有采取連續(xù)防滲帷幕體系，給壩基防滲帶來安全隱患；左壩肩存在30 m風(fēng)化層，帷幕灌漿沒有有效截斷左壩肩風(fēng)化巖層，存在一定繞壩滲漏；大壩右壩肩存在強風(fēng)化層和弱風(fēng)化層，帷幕沒有延伸截斷該層，蓄水后出現(xiàn)繞壩滲漏，造成現(xiàn)狀下代替料內(nèi)出現(xiàn)過高的飽和滲流。

下游代替料：大壩代替料滲流異常，飽和區(qū)較高，不符合規(guī)范設(shè)計要求。其土層為含碎石砂質(zhì)黏土或含碎石粉土，土層較密實，但土層不均勻，局部滲透性強，代替料下與砂礫石層沒有反濾層，細(xì)料易流失在砂礫石層內(nèi)，發(fā)生接觸管涌破壞，使壩面局部沉陷。代替料若繼續(xù)保持目前的滲流狀態(tài)，長期滲流作用下代替料細(xì)料向下流失到砂礫石反濾層中，將繼續(xù)發(fā)生壩下游坡面凹陷，代替料內(nèi)產(chǎn)生裂縫，并波及大壩心墻，嚴(yán)重影響大壩安全蓄水，應(yīng)采取措施消除代替料內(nèi)滲流狀態(tài)引起的安全隱患。

2.建設(shè)方案

2007年11月，省水利廳主持審查上述三個科研單位的滲流安全評價報告，并通過了審查。2007年11月，水庫管理處委托省設(shè)計院對山美水庫大壩防滲加固工程進行設(shè)計，2008年3月提交成果，同年10月，防滲加固工程通過泉州市發(fā)改委的批準(zhǔn)。

根據(jù)大壩布置及三維滲流安全反饋計算與分析結(jié)果，防滲加固工程主要是對兩岸繞壩滲流進行防滲處理，即采用“上堵下排”的設(shè)計原則，在兩岸壩肩設(shè)置防滲帷幕來減少繞壩滲流及在兩岸壩坡設(shè)置水平排水孔以降低兩岸山體的地下水水位，防止對壩基礎(chǔ)、兩岸邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不良影響。

兩岸繞壩滲流防滲帷幕灌漿即“上堵”的設(shè)計方案布置如下：

大壩左岸壩肩樁號0+000—0-219 m之間設(shè)置帷幕灌漿孔一排，孔距2.0 m，帷幕灌漿深度 23～44 m。

大壩右岸壩肩樁號壩0+290—0+405之間設(shè)置帷幕灌漿孔一排，孔距2.0 m，帷幕灌漿深度3～37 m。

大壩右岸壩肩樁號0+300至大壩下游上壩路平臺之間的岸坡設(shè)置帷幕灌漿孔一排，灌漿孔孔距2.0 m，80 m高程以上的帷幕灌漿平均深度20 m，80 m高程以下的帷幕灌漿深度盡可能達到42.28 m。

“下排”設(shè)計：大壩兩岸繞壩滲流引起下游岸坡山體的地下水位偏高，根據(jù)“上堵下排”的設(shè)計原則，在大壩左岸下游原上壩路和下游壩坡之間的岸坡以及大壩右岸下游原設(shè)計副壩和下游壩坡之間的岸坡設(shè)置水平排水孔，即右岸岸坡在90 m高程以下的岸坡位置設(shè)置水平排水孔，孔排距2.5m，孔深8m，孔徑46 mm，梅花形布置；左岸岸坡在84 m高程以下的岸坡位置設(shè)置水平排水孔，孔排距2.5 m，孔深8 m，孔徑46 mm，梅花形布置。

3.建設(shè)情況

2008年10月，防滲加固工程公開招標(biāo)，福建省水利水電工程有限公司中標(biāo)承建，2009年1月工程開工建設(shè)，2009年8月底主體工程全部完工，實際完成帷幕灌漿243孔，鉆孔工程量8 371 m，灌漿工程6 996 m，其中左岸帷幕灌漿110孔，鉆孔工程量4 395 m，灌漿工程量3 974 m；右岸帷幕灌漿133孔，鉆孔工程量3 976 m，灌漿工程量3 022 m；完成帷幕灌漿質(zhì)量檢查孔24孔867 m；完成排水孔3 322 m。

三、防滲加固工程成果分析

1.質(zhì)量檢查成果分析

灌漿質(zhì)量檢查均在灌漿部位結(jié)束14天后進行，檢查孔按逐步加密法進行鉆孔、分段壓水試驗、灌漿回填等工序進行，檢查孔孔深比臨近帷幕灌漿孔深多3 m，以單位吸水率小于3 Lu為符合標(biāo)準(zhǔn)和要求。

根據(jù)設(shè)計單位、監(jiān)理單位以及建設(shè)單位的共同研究并確認(rèn)，在大壩左右岸三條帷幕灌漿線中選擇了24個帷幕灌漿檢查孔，進行鉆孔和分段壓水試驗，目的就是檢查帷幕灌漿的效果。從24個孔的壓水試驗結(jié)果看來，帷幕灌漿效果顯著，質(zhì)量達到標(biāo)準(zhǔn)。主要有：

①在總共152段（每段5 m左右）壓水試驗中，最大透水率為2.73 Lu，最小透水率0.24 Lu，均在設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)3 Lu以下，其中透水率超過2 Lu的壓水段只有21段，占總壓水段的13.8%，透水率小于2 Lu的壓水段有131段，占總壓水段的86.2%。

②從壓水試驗結(jié)果和范圍看，透水率大于2Lu的壓水段都在表面的土層中和強風(fēng)化的地段，未達到正常蓄水位高程，對下游代替料的含水量影響較小，而在巖石層中透水率基本上均在2 Lu以下，效果較好。

2.超聲波檢測成果分析

檢測分為兩個階段，第一階段通過預(yù)測孔對壩肩巖體灌漿前的性狀測試，了解灌前壩肩巖體的風(fēng)化帶和節(jié)理裂隙、斷裂破碎帶分布特征。第二階段對灌漿后檢測孔的超聲波測試，檢測灌漿效果。

現(xiàn)場測試從2009年3月開始到7月結(jié)束。對灌漿過程、檢查孔布置和施工進行跟蹤，共完成28孔的超聲波檢測。其中灌漿前預(yù)測孔15個，灌漿后檢查孔13個。

在13個超聲波檢測孔，共壓水（或灌漿）70段：其中67段（占總段數(shù)的95.7%）超聲波檢測評判為灌漿效果好，其他3孔中的3個檢測段YBJ3檢查孔 2.0～7.2 m 段 （高程 104.915～99.715）、YBJ4 檢查孔 14.8～19.6 m 段（高程 99.184～94.384）、ZBJ4 檢 查 孔7.0～9.8 m 段（高程 101.034～98.234）超聲波檢測評判為灌漿效果差，占總段數(shù)的4.3%。參照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（L/T 5148-2001）6.9.7，可評判為帷幕灌漿工程質(zhì)量合格。

從灌漿前、后超聲波測試對比，總體上灌漿效果好。灌前巖體中主要結(jié)構(gòu)裂隙面和局部巖體破碎帶所形成的超聲波低速帶，灌后超聲波波速明顯提高，聲測柱狀剖面圖上，超聲波縱波波速低值點減少，低值點數(shù)值多有相應(yīng)的提高，波速離散系數(shù)減小。說明巖體中主要結(jié)構(gòu)裂隙面和局部巖體破碎帶水泥灌漿充填較好，起到主要的阻水作用，提高了巖體的抗?jié)B能力。

3.大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析

（1）大壩自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)成果

山美水庫于2005年建成了國內(nèi)較為先進的大壩安全監(jiān)測和評價系統(tǒng)，水庫大壩下游坡共埋設(shè)14個滲透壓力傳感器，其中埋設(shè)在代替料中有4個測點，埋設(shè)在代替料和透水層交界的有3個測點，埋設(shè)在透水層中的有2個測點，埋設(shè)在基巖中的有5個測點，從近3個月的監(jiān)測結(jié)果與2005年以來同期、同庫水位、庫水位相同變化趨勢（近3個月庫水位逐月同比下降）的監(jiān)測資料對比分析，14個測點均有不同程度下降，其中大壩的最大斷面0+167斷面中較有代表性的測點B08A和B09A（此兩點均埋設(shè)在代替料中），與2005—2008年的監(jiān)測資料對比，分別下降了1.33m和1.06m，0+225斷面中埋設(shè)在代替料中的B12A、B13A分別下降了0.17m和0.99m。

（2）大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)成果分析

①上游當(dāng)月平均庫水位相近，9月平均庫水位84.93 m，10月平均庫水位85.47 m，選取月平均庫水位在84.50～85.50 m范圍的測量數(shù)據(jù)。

②水文、氣象條件較為相似（考慮到降雨產(chǎn)生的地表水可能會匯集到測壓管內(nèi)，影響觀測結(jié)果）。從氣象條件看灌漿結(jié)束后的這4次測壓管觀測，天氣干旱，測量前一星期水庫庫區(qū)范圍內(nèi)無降雨。

③水庫大壩于1972年建成投產(chǎn)至1990年，經(jīng)過20年時間，大壩的沉降、位移已趨于穩(wěn)定，因此選取1990—2008年之間的觀測數(shù)據(jù)。

根據(jù)這三個條件進行篩選，選取1997年1月15日、1997年1月31日、2003年1月15日三次典型觀測數(shù)據(jù)作為比較。

從大壩測壓管觀測數(shù)據(jù)比較分析：①108平臺各個測點均有較明顯的水位下降，降幅為1.2～2.97m不等。②90平臺各點管內(nèi)水位變幅為0.35～0.6 m。③75平臺1號測點變化下降了1.18m，2、3號測點不明顯。從以上結(jié)果可以看出，灌漿后大壩各測壓管的水位有不同程度的下降，表明灌漿效果良好。

四、結(jié)論和建議

從大壩防滲加固工程的各項成果分析表明，大壩防滲加固效果比較明顯，主要體現(xiàn)在：

①大壩代替料滲流異常、飽和區(qū)較高的現(xiàn)象已經(jīng)明顯改善，水位均有不同程度的下降，繞滲導(dǎo)致代替料中浸潤線較高的現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。

②帷幕灌漿已經(jīng)延伸到大壩右壩肩的弱風(fēng)化層，并截斷該弱風(fēng)化層，灌漿各項檢測效果明顯。

③巖體中主要結(jié)構(gòu)裂隙面和局部巖體破碎帶的抗?jié)B能力有明顯提高，起到阻水作用。

④水庫第一次安全鑒定時間為2001年，隨著防滲加固工程的完成，建議進行第二輪大壩安全鑒定，全面分析大壩安全形態(tài)。

⑤防滲加固工程結(jié)束后的自動和人工監(jiān)測資料系列短，具有局限性，建議進行長期觀測、分析、比較。

[1]王士軍,段祥寶.山美水庫大壩滲流安全評價報告[R].南京水利科學(xué)研究院，2007.

[2]福建省山美水庫大壩防滲加固工程設(shè)計報告[R].福建水利水電勘測設(shè)計研究院，2007.

[3]福建省山美水庫大壩防滲加固工程超聲波檢測報告[R].福建水利水電勘測設(shè)計研究院，2009.