大屯水庫上游壩坡局部塌陷原因及處理

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南　250000；2.武城縣水務(wù)局，山東 武城　253300)

1　概　況

1.1　工程概況

大屯水庫是南水北調(diào)東線一期工程魯北段工程的重要組成部分。大屯水庫主要建筑物包括圍壩、渠首進水閘、六五河節(jié)制閘、入庫泵站、供水洞等部分。水庫設(shè)計洪水標(biāo)準50年一遇，死水位21.00m，正常蓄水位29.80m?？値烊?209萬m3，調(diào)節(jié)庫容4464萬m3。入庫泵站設(shè)計入庫流量12.65m3/s。水庫向德州市德城區(qū)、武城縣城區(qū)全年供水，向德城區(qū)供水設(shè)計流量4m3/s，向武城縣城區(qū)供水設(shè)計流量為0.60m3/s。

1.2　庫區(qū)地質(zhì)

1.2.1地形地貌

大屯水庫位于黃河下游，地貌屬魯西北黃泛堆積平原區(qū)，該水庫位于武城縣東北部的恩縣洼內(nèi)，庫內(nèi)地勢低洼平坦。

1.2.2地層巖性

庫區(qū)地層表層廣泛分布第四系全新統(tǒng)沖積堆積的砂壤土和裂隙黏土，夾有零星壤土和粉砂，厚度變化較大，分布不穩(wěn)定；中部為第四系全新統(tǒng)沖積堆積黏土夾砂壤土和壤土，局部為古河道沖洪積堆積的粉砂和粉細砂，分布不穩(wěn)定，厚度變化較大；下部為第四系上全新統(tǒng)沖積沼澤堆積的粉細砂和中細砂等。

1.2.3地質(zhì)構(gòu)造和地震庫區(qū)

構(gòu)造位于華北臺坳(Ⅱ1)臨清臺陷(Ⅲ5)冠縣～德州臺凹(Ⅳ21)北部、故城臺穹(Ⅳ1)東側(cè)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造均呈隱伏狀，水庫西距滄東大斷裂8km，東距羊二莊～邊臨鎮(zhèn)大斷裂22km。庫區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

1.2.4水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水，主要含水層為粉細砂、中細砂，其次為砂壤土和裂隙黏土，裂隙黏土中裂隙發(fā)育呈立體網(wǎng)狀，連通性較好，但是，發(fā)育和透水性不均一。各含水層間水力聯(lián)系密切，據(jù)野外抽水試驗，含水層滲透系數(shù)為5.5×10-4～1.57×10-2cm/s，屬中等～強透水層。地下水化學(xué)類型主要為硫酸鹽重碳酸鹽型水及硫酸鹽氯化物型水，對混凝土多具結(jié)晶類硫酸鹽型弱～強腐蝕。

1.3　場區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)《大屯水庫工程地質(zhì)勘察報告》，樁號8+867處場區(qū)地層勘探深度內(nèi)為第四系全新統(tǒng)沖積堆積砂壤土、裂隙黏土、黏土、壤土，第四系沖積湖積堆積的黏土，第四系全新統(tǒng)沖積沼澤堆積的粉細砂、中細砂，第四系上更新統(tǒng)沖積洪積堆積黏土等。

2　壩坡塌陷問題

2013年，大屯水庫建成投入使用，2017年2月27日，大屯水庫圍壩樁號8+867，高程23.40m處上游壩坡出現(xiàn)局部塌陷，塌陷坑平面形態(tài)為亞圓形，塌陷范圍：長3.90m、寬3.50m、深約0.60m。其剖面形態(tài)近壇狀、井狀，落距0.30～0.90m，沉陷坑四周壩坡未見沉陷跡象。

3　壩坡塌陷原因分析

3.1　壩坡塌陷原因分析

工程區(qū)位于臨清～惠民中央坳陷沉積區(qū)，第四系發(fā)育完全，總厚度220m左右，其下為第三系砂巖、細礫巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖的間互沉積層，故不存在巖溶塌陷、采礦塌陷。

壩體填筑質(zhì)量2012年完工，壩體沉陷已基本完成，依據(jù)壩坡塌陷坑的形態(tài)為近壇狀、井狀及垂直塌陷等，可確定壩坡塌陷坑非壩體沉陷所致。

鑒于塌陷坑形狀近壇狀、井狀，為垂直塌陷，故判斷為原地面以下土洞塌陷造成，能形成土洞的異常體為墓穴或水井。

該處壩基底高程為20.70m，塌陷坑底高程為22.20m，根據(jù)塌陷坑內(nèi)釬探5m，原地面以下3.50m深度內(nèi)土體較為均勻，未發(fā)現(xiàn)磚、木等異常體，可排除墓穴。

水庫位于武城縣東北部的恩縣洼內(nèi)，地勢低洼，區(qū)內(nèi)大部為農(nóng)田，依據(jù)水庫建設(shè)期移民遷占資料，庫區(qū)分布“民井”百余個，經(jīng)調(diào)查該區(qū)域“民井”為簡易PVC管井，井徑11cm，深約12～15m，廢棄后將PVC管取出，故移民遷占資料未記載。根據(jù)對周邊村民的調(diào)查，當(dāng)?shù)睾喴譖VC管井較普遍，亦有大量PVC管井產(chǎn)生類似沉陷，綜合以上分析故斷定該處壩體塌陷為水井所致。

3.2　壩坡塌陷機制分析

依據(jù)前期勘察資料塌陷區(qū)域地層地面以下14m范圍內(nèi)主要為砂壤土夾薄層裂隙黏土及壤土。簡易PVC管井深約12～15m，PVC管底部花管(下部PVC人工制鉆眼制作透水孔)未做反濾，管井位于砂壤土中，砂壤土松散，粉粒含量較高，由于管徑小，抽水強度大，在滲透壓力作用下，砂壤土中粉粒被抽出，井底部形成土洞，初始土洞規(guī)模較小，容易形成拱效應(yīng)而穩(wěn)定；隨著反復(fù)多年的抽水，土洞規(guī)模逐漸擴大，拱效應(yīng)失效，洞頂發(fā)生坍塌，坍塌物堆積在洞底，并再次產(chǎn)生新的拱效應(yīng)，土洞重新達到暫時穩(wěn)定；當(dāng)水井淤積廢棄，將PVC管拔出后土洞不再發(fā)展。

廢棄后的水井其下部土洞雖不再發(fā)展，但土層性質(zhì)及土洞發(fā)育程度是決定地面塌陷的關(guān)鍵因素。對于上覆蓋層性質(zhì)而言，其物理力學(xué)性質(zhì)(抗剪強度、孔隙率、含水量、自重及滲透系數(shù)等)、結(jié)構(gòu)組成及厚度等均對地面塌陷的形成產(chǎn)生重要影響。由于上覆蓋層主要為砂壤土夾裂隙黏土，砂壤土松散，裂隙黏土裂隙發(fā)育整體性差，臨空面土體卸荷松動加之水位波動更易脫落，導(dǎo)致洞頂發(fā)生坍塌，坍塌物堆積在洞底，土洞向上方移動，周而復(fù)始當(dāng)土洞臨近鄰近地表時，又恰逢枯水期，地下水位下降，洞頂失去浮力效應(yīng)，在洞頂荷載作用下產(chǎn)生塌陷。

4　壩坡塌陷處理方案

根據(jù)現(xiàn)場實際情況、地質(zhì)資料及壩坡塌陷原因分析，壩坡塌陷區(qū)民井深度深約12～15m，影響半徑3～5m，土洞內(nèi)塌落體為砂壤土夾黏土，塌落體疏松，埋深較大，表面換填處理不能有效消除隱患。為保證水庫蓄水安全，對塌陷部分壩體及壩基采用充填灌漿加固處理方案。

4.1　充填灌漿

4.1.1充填灌漿布置

壩體塌陷位置位于圍壩樁號8+867上游壩坡近壩腳處，高程為23.50m；塌陷坑的平面形態(tài)為亞圓形，直徑2.60～2.90m。充填灌漿孔沿塌陷周邊布置8個灌漿孔，間距1～1.20m，塌陷中心布置1個灌漿孔。灌漿孔孔底高程8.00m，孔深15m。以壩頂高程23.50為基數(shù)，以8+867為起點，布控鉆孔，灌漿分段鉆孔，灌漿、施工攪拌機及注漿泵布置在工作基點附近，鉆孔分1臺地質(zhì)鉆機沿軸線分序、分段循環(huán)作業(yè)(灌漿孔布置示意圖如下圖所示)。

灌漿孔平面布置示意圖 (單位：mm)

4.1.2鉆孔和灌孔的設(shè)備材料

工程鉆孔灌漿主要設(shè)備為HZ-180型地質(zhì)勘探回旋鉆機1臺、180注漿泵1臺、雙層攪拌桶1臺、潛水泵3臺，滿足施工作業(yè)需求。

4.1.3灌漿材料

灌漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿液，漿液的密度控制在1.30～1.60g/cm3。主材水泥42.5水泥嚴格按照技術(shù)條款規(guī)定的材料，質(zhì)量標(biāo)準附有生產(chǎn)廠家的質(zhì)量合格證、批號、編號，并經(jīng)水利部門檢測復(fù)試合格后附材料報告書方可使用，參照引用水泥標(biāo)準為《通用硅酸鹽水泥》，嚴格遵守《水工建筑物水泥灌漿技術(shù)規(guī)范》，拌漿水的溫度不得高于40℃。

4.1.4灌漿施工

充填灌漿開始前，先打試驗孔，做灌漿試驗，確定準確的灌漿壓力和參數(shù)再進行下一步施工。

灌漿施工宜采用套管法、孔口封閉法或其他灌漿方法。施工順序：鉆孔錨固就位定向水平尺平直-開孔-錨孔-沖孔-壓水-制漿記錄-灌漿-抬動變形觀察記錄-確定每段灌漿壓力-確定是否達到結(jié)束標(biāo)準-封孔-照片影像資料巖芯保存。為提高淺層的灌漿質(zhì)量，自上而下分段灌注，灌注分段長度為5～10m。灌漿壓力為0.05～0.1MPa，上段灌漿壓力選用小值，向下灌漿壓力可逐漸加大，但不宜超過0.10MPa。在規(guī)定壓力下，單位吸漿率小于0.50L/min，延續(xù)30min即可結(jié)束。在灌漿過程中，若有裂縫及冒漿發(fā)生，應(yīng)立即停止灌漿，及時采取有效措施。灌漿結(jié)束后，應(yīng)采取可靠的封孔措施。

充填灌漿施工需按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL 62—2014)、《土壩灌漿技術(shù)規(guī)范》(SL 564—2014)的相關(guān)要求進行。

4.2　回填

灌漿封孔結(jié)束后，清除塌陷區(qū)表層渣土，按壩體設(shè)計斷面分層回填壤土，壓實度不小于0.98。壩體表面整平后，鋪設(shè)10cm厚的砂墊層。

4.3　土工膜鋪設(shè)

將破壞的復(fù)合土工膜進行裁剪，剝離土工布，然后將現(xiàn)狀壩體土工膜與新增土工膜焊接。具體施工方法按照《南水北調(diào)山東段平原水庫庫底鋪膜施工指南》的要求進行。

4.4　護坡施工

護坡按照原設(shè)計護坡結(jié)構(gòu)恢復(fù)，損壞的混凝土預(yù)制塊采用C30現(xiàn)澆混凝土補齊。

5　結(jié)　語

針對大屯水庫上游壩坡局部塌陷問題，根據(jù)所處地質(zhì)條件及現(xiàn)場勘測結(jié)果，本文分析了產(chǎn)生塌陷的原因，并嚴格按照技術(shù)規(guī)范，通過灌漿加固等工程處理措施及時對壩坡進行了修復(fù)，確保了水庫正常運行和蓄水安全。