累子水庫壩坡塌陷原因分析及處理

靳翠紅

累子水庫位于河北省保定市淶水縣城西北約9km處的累子河上，是一座以防洪為主、結(jié)合灌溉的中型水利樞紐工程。水庫控制流域面積25.1km2，總庫容1007萬m3。水庫1958年3月動工興建，當(dāng)年竣工，1960年投入使用。水庫樞紐主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、輸水洞。累子水庫主壩為均質(zhì)土壩，壩長415m，壩頂寬6m，最大壩高22.0m。迎水坡自上而下壩坡坡比為1∶2.8、1∶2.5、1∶2.5；背水坡坡比為 1∶2.4、1∶2.5、1∶2.5。 壩基防滲型式為截水槽。

1. 壩坡塌陷情況

1.1 上游壩坡

大壩運行過程中曾多次出現(xiàn)過壩坡塌陷的現(xiàn)象。1998年發(fā)現(xiàn)迎水坡64.0m高程馬道以下，樁號0+200～0+370之間有大面積沉陷，踏坑最深處達2m左右。在開挖處理過程中發(fā)現(xiàn)沉陷部位還存在大量裂縫，最大縫寬2cm左右；2004年根據(jù)上級批復(fù)對迎水坡64m馬道以下干砌石護坡進行翻修加固。運行至今，發(fā)現(xiàn)64m馬道以下樁號0+250～0+340之間護坡又出現(xiàn)大面積塌陷，最深處達0.5m。

1.2 下游壩坡

2003年9月18日和10月11日有兩場降雨，大壩背水坡樁號0+325，高程69.96m處出現(xiàn)塌坑；2005年4月29日和2005年11月13日，發(fā)現(xiàn)大壩樁號0+257下游坡高程54.29m處出現(xiàn)滲水，此處排水溝呈小水洼現(xiàn)象。

2. 原因分析

2.1 地質(zhì)勘察成果

針對壩坡塌陷問題，在初步設(shè)計階段進行了詳細的地質(zhì)勘察。

壩體、壩基工程地質(zhì)條件：從鉆孔揭露壩體土組成判定，壩體土比較均一，主要由壤土組成，揭露厚度3.9～21.0m。在勘察深度范圍內(nèi)壩基土巖組成：第四系全新統(tǒng)沖洪積（al+plQ4）卵石、第四系上更新統(tǒng)沖洪積黃土狀壤土、上元古界青白口系下馬嶺組（Qnx）頁巖。卵石層揭露厚度5.15～8.10m，屬強透水，無承壓性。頁巖揭露頂面高程 43.06～67.95m，最大厚度23.9m，屬弱～中等透水。壩體填筑土滲透變形判別為：壩體土破壞類型為流土，壩基黃土狀壤土為流土，壩基卵石破壞類型為管涌。

工程地質(zhì)評價：主壩為均質(zhì)土壩，主要由壤土組成，各項物性指標(biāo)均符合土石壩均質(zhì)壩土料質(zhì)量要求。壩體填筑土現(xiàn)狀平均壓實度0.934，未達到規(guī)范壓實度0.96要求，尤其是局部試驗結(jié)果干重度偏低，小于壩體填筑土平均干重度。

根據(jù)鉆孔鉆進情況，在高程53.95～55.97m以下出現(xiàn)飽和段，局部呈軟塑狀態(tài)，鉆進中出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象，大壩樁號0+200處的鉆孔ZK4在鉆進至高程56.32m處出現(xiàn)明水，說明壩體局部不密實存在滲透性。

根據(jù) 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）土的滲透變形判別中關(guān)于接觸沖刷和接觸流失的判別,卵石 D10＝0.3347，壤土 d10＝0.0026，兩者比值為128.7，大于 10，故會發(fā)生接觸沖刷。同時可以判別壩體壤土和壩基卵石層之間也會發(fā)生接觸流失。根據(jù)水庫運行管理記錄的壩坡塌陷情況，已發(fā)生滲透破壞。

2.2 初步設(shè)計階段

根據(jù)資料記載，壩基截水槽分別在1974年 （樁號 0+180～0+415） 和 1984年（樁號 0+000～0+200）施工，兩次施工截水槽均未截透壩基卵石層。

結(jié)合地質(zhì)勘察成果認(rèn)為：壩基地質(zhì)條件復(fù)雜，上游截水槽處理不徹底，未完全截透砂卵石層，且上游壩坡及壩腳壤土與下部砂卵石層接觸面位置的滲透比降較大，砂卵石層級配不連續(xù)導(dǎo)致接觸面之間發(fā)生接觸滲流破壞，當(dāng)兩層土之間的滲透比降較大時，接觸流失會更嚴(yán)重，壤土中的細顆粒被帶走導(dǎo)致壩坡出現(xiàn)塌坑和沉陷。

2.3 施工圖階段

在施工階段，為了合理確定防滲墻底高程，河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院組織地勘人員進行了更詳細的地質(zhì)勘察，鉆孔間距20～30m，取得了大量詳細準(zhǔn)確的資料，判斷發(fā)生問題的原因與初設(shè)階段一致，驗證了設(shè)計，指導(dǎo)了施工，確保了防滲墻的效果。

3. 處理方案比較

根據(jù)水庫存在的以上問題，為保證加固防滲效果，同時盡量節(jié)省工程投資，進行了充分的方案比較。

3.1 水平防滲和垂直防滲方案

對水平防滲和垂直防滲方案進行了比較，兩方案均能夠解決滲透穩(wěn)定問題，各有優(yōu)缺點。垂直防滲方案結(jié)構(gòu)簡單，又埋于壩基中，管理方便；從運行可靠度方面，水平土工膜防滲各個環(huán)節(jié)受施工人為影響因素大，可靠性較差，而垂直防滲體方案可靠性較高；從防滲效果方面，垂直防滲方案隔斷了壩下的滲漏通道，避免沿砂礫石層的接觸面的接觸沖刷破壞，同時可以減少水庫滲漏。推薦采用垂直防滲方案。

3.2 高噴灌漿和混凝土防滲墻方案比較

對高噴灌漿和垂直混凝土防滲墻兩種垂直防滲方案進行比較，結(jié)合本工程砂卵石地基粒徑較大的情況，對高壓噴射灌漿、沖擊鉆配合液壓抓斗造槽法建造混凝土防滲墻兩種能適應(yīng)砂礫石基礎(chǔ)的方案進行比較，最終采用沖擊鉆配合液壓抓斗造槽法建造塑性混凝土防滲墻。

3.3 塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻方案是用沖擊鉆配合液壓抓斗挖槽機連續(xù)造孔成槽，并以泥漿固壁，在泥漿下澆筑混凝土成墻。適用于土、砂、砂卵石等土層，遇到塊石、漂卵石時需輔以重鑿沖擊破碎。優(yōu)點是防滲效果好，施工速度快，可適應(yīng)不同地基基礎(chǔ)條件。

根據(jù)施工方法和條件，墻厚取0.3m，位置在上游壩腳 （墻頂高程61.00m），根據(jù)壩坡塌陷范圍結(jié)合壩基地層情況，防滲墻布置范圍確定為0+150～0+385，高程 61.00～43.00m，伸入基巖0.5m，伸入黃土狀壤土1.0m。防滲墻采用塑性混凝土，28d抗壓強度不大于 4MPa，滲透系數(shù)小于 1×10-8cm/s，彈性模量在800～1500MPa，允許滲透比降大于80。

4. 處理效果

針對水庫壩坡塌陷問題采取了塑性混凝土防滲墻方案，塑性混凝土防滲墻具有抗壓強度低、彈性模量小、極限應(yīng)變大的特點，不僅能夠適應(yīng)外力作用下抗拉及抗剪應(yīng)力帶來的墻體變形，具有良好的力學(xué)性能，而且水泥用量小，技術(shù)經(jīng)濟效益明顯。