土石壩壩坡穩(wěn)定研究

任雁平

(山西省晉中市榆次區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 晉中 030600)

土石壩一直是北方地區(qū)常用壩型，具有就地取材，施工簡單，適合大規(guī)模建設(shè)的優(yōu)點[1]，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但在土石壩壩坡穩(wěn)定方面一直是困擾廣大水利工作者的一項難題。如何做好壩坡穩(wěn)定，保障大壩安全運行，是當(dāng)今水利工作者面臨的重要課題。本文以郭莊水庫為例對土石壩坡失穩(wěn)情況進行分析，提出加固措施。

1 水庫概況

郭莊水庫位于山西省晉中市昔陽縣城南6 km的郭莊村附近松溪河上游[2]，流域面積173 km2。屬海河流域子牙河水系，設(shè)計防洪標準為100年一遇洪水設(shè)計，設(shè)計總庫容2165萬m3。大壩為土、石混合壩，壩頂高程936.02 m，最大壩高31.44 m，壩頂長452 m。大壩上游壩坡為干砌石護坡，邊坡自上而下依次為1∶2、1∶3.25、1∶4，在高程915.58、925.58 m處設(shè)有寬2 m的馬道；大壩下游壩坡為草皮護坡，邊坡自上而下依此為1∶2、1∶2.25、1∶2.5，在高程930.58 m、920.58 m處設(shè)有2 m寬馬道，下游坡腳為貼坡式反濾排水棱體，棱體頂寬2 m，內(nèi)側(cè)邊坡1∶0.5，外側(cè)邊坡1∶1；在壩軸線下游9.4 m處的壩基筑有粘土截水槽，槽高11 m，上部與壩體銜接，下部伸入基巖1 m，基本隔斷透水層，高程904.58處槽寬10 m。截水槽下游側(cè)、高程920.58 m以下為砂礫料壩體，1996年又在其外側(cè)培厚了石渣。

由于1996年7月份以來由于連續(xù)降雨的出現(xiàn)，使郭莊水庫大壩發(fā)生自建成以來最大的滑坡，滑坡總面積達4967.4 m2，其中，從壩頂?shù)蕉R道基本全滑段長90 m，二馬道以上部分滑坡段長101 m，全長191 m。1997年對該滑坡位置進行了培厚處理。2004年8月13日，在日降雨53.3 mm的情況下，1997年培厚的下游土壩坡分別在樁號349.6 m～343.4 m，高程925.6 m～923.75 m；樁號342.4 m～338.9 m，高程925.6 m～923.5 m；樁號277.5 m～272.2 m，高程925.7 m～923.85 m；樁號189.5 m～187.2 m，高程929.08 m～927.48 m四部位又發(fā)生了滑坡，滑坡合計總面積64.1 m2。

2 壩坡失穩(wěn)分析

1996年下游壩坡滑坡后，壩體質(zhì)量檢查：沿壩軸線鉆孔4個，機取原狀土樣32組；壩頂和下游壩坡探坑(坑深3.0 m)6個，取原狀土樣9組，并做了室內(nèi)土工試驗。從取土樣的土工試驗成果來看，壩體填筑土總體為稍密～中密，稍濕～濕土，粘粒含量18.1%～31.92%；含水率17.37%～26.65%；干密度1.44 g/cm3～1.76 g/cm3，平均干密度1.61 g/cm3。滲透系數(shù)剔除部分數(shù)據(jù)后，平均值為2.91×10-4m/d。三軸固結(jié)不排水剪：凝聚力平均值為51 kPa，小值平均值為44 kPa；內(nèi)摩擦角平均值為22.66°，小值平均值為21°。

2004年針對1997年培厚壩體土的填筑質(zhì)量，在大壩下游坡壩頂～一馬道、一馬道～二馬道間的三個斷面(樁號分別為0+122 m、0+222 m、0+322 m)，共布置6個探坑，探坑深2.0 m，取原狀土樣18組。經(jīng)晉中市水利技術(shù)推廣站土工試驗：1997年新培厚壩體回填土總體為稍密～密實，稍濕～濕，屬中高壓縮性土。含水率17.97%～27.8%；干密度1.41 g/cm3～1.63 g/cm3，平均干密度1.52 g/cm3；滲透系數(shù)1.33×10-5m/d～2.41×10-4m/d，平均值為9.71×10-5m/d，大值平均值為1.69×10-4m/d；天然快剪凝聚力平均值為43.75 kPa，小值平均值為30.38 kPa；內(nèi)摩擦角平均值為26.31°，小值平均值為22.66°。另外，勘查和探坑揭示，整個1997年培厚的下游壩坡土表層約0.2 m～0.5 m的土體較疏松，雨后人踩上去會陷腳，且手持細木棍可插入，結(jié)合該次土工試驗，表層0.2 m～0.4 m 6組土樣的干密度分別為1.12 g/cm3、1.15 g/cm3、1.30 g/cm3、1.49 g/cm3、1.43 g/cm3、1.60 g/cm3，應(yīng)為培厚施工時削坡不徹底所致。

1993年右壩肩灌漿、1997年鉆孔時發(fā)現(xiàn)，壩體中局部存在有“軟泥”，記錄描述為“軟黃土”“縮孔”“局部軟泥”。1997年下游壩坡培厚清坡時發(fā)現(xiàn)，壩體土在樁號0+286 m～0+330 m、高程921 m～924 m之間，有“濕土成泥”現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場取樣試驗，含水率達31.6%～34.2%，干密度則僅為1.38 g/cm3～1.39 g/cm3。2004年在新培厚壩體土探坑中發(fā)現(xiàn)存在有相對不夠密實的薄夾層，取得薄夾層土樣2組，干密度分別僅為1.36 g/cm3和1.35 g/cm3。

另外，2007年在樁號0+225 m樁號0+315 m均在923.7 m時見水(當(dāng)時庫水位為正常蓄水位930 m)，水位明顯高于附近壩體浸潤線，分析在該水位之下分布有一定范圍的滲透性相對較小的低液限粘土層，該水為其上層滯水。該位置的水位與1996年壩體發(fā)生滑坡后培厚時的設(shè)計清坡線相近，說明1997年下游壩坡培厚清坡時，壩體土在樁號0+286 m～0+330 m、高程921 m～924 m之間，有“濕土成泥”現(xiàn)象，分析認為1996年滑坡與其有關(guān)。

分析結(jié)果：下游壩坡滑坡的重要原因是壩體土填筑不均勻。壩體土整體屬中等壓縮性土，局部填土具濕陷性，部分壩體分布有“軟泥”透鏡體，從干密度、滲透系數(shù)、濕陷系數(shù)等多項指標分析，其差異性較大[3]。

3 壩坡失穩(wěn)的加固防治

3.1 上、下游壩坡加固措施

①上游壩坡：核查干砌石護坡風(fēng)化程度，及時更換風(fēng)化嚴重的干砌石，增設(shè)反濾料墊層，針對風(fēng)化嚴重的坡面重新規(guī)劃設(shè)計、重點施工。②下游壩坡：下游壩坡的兩次滑坡均發(fā)生在馬道以上的草皮護坡部分，因此對下游壩坡的護坡形式進行了改造設(shè)計。壩頂至930.58 m高程處馬道以上全壩面表層清除并重新回填，清除厚度取200 cm，并重新用土回填壓實，壓實干容重≥1.65t/m3，壩面采用M7.5漿砌石框格加石渣護坡，石渣厚30 cm；930.58 m高程處馬道以下全部用隧洞開挖的經(jīng)過篩分的石渣回填。其中高程930.58 m～920.58 m之間由內(nèi)向外依次為50 cm厚反濾和石渣護坡。高程920.58 m以下全部采用石渣護坡。

3.2 重點地段采用高噴灌漿方式加固

對0+360～0+480段壩基采用高噴灌漿的防式進行。灌漿軸線與壩軸線重合，單排布孔，灌漿頂線伸入壩體1 m，灌漿底線與基巖面結(jié)合[4]。

3.3 近三年來的加固維護措施

2018年水庫主要領(lǐng)導(dǎo)及相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場對水庫逐一排查，研究并確定了加固維護措施重點從以下三個方面開展。首先是水庫視頻監(jiān)控系統(tǒng)升級改造；其次，建立大壩及副壩周邊區(qū)域地面沉降觀測系統(tǒng)：自舊排沙泄洪洞封堵土壩起，向北向東(大壩左側(cè))沿舊管理站對外公路，至滋洪道尾水渠區(qū)域(大壩右側(cè))沿線地面；最后是維護改造水庫大壩滲壓安全自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2019年維護措施：一方面對水庫現(xiàn)有不合格測壓管進行補打;另一方面增加廊道滲流量測量系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)整合到現(xiàn)有大壩安全自動化測量系統(tǒng)。實現(xiàn)了監(jiān)測廊道瞬時和累計的實時流量采集以及監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸和保存功能。

今年主要加固維護工作是防汛搶險橋頭坡體治理。防汛搶險橋頭坡體滑坡，影響安全穩(wěn)定，需進行護坡加固。由于護坡處位置較高，難度較大，需在高處施工操作。主要工程量：C20水泥塊擋墻護坡80.5 m3，水泥砂漿勾縫70 m2，石方開挖172 m2，建筑污土運輸172 m2。完成施工后保障了現(xiàn)水庫的安全運行。

3.4 效果檢查

水庫從2009年除險加固至今，經(jīng)過三年的高水位運行，目前未發(fā)現(xiàn)異常情況出現(xiàn)，但由于加固后的運行年限較短，對采取的措施還不能說明其效果，還需經(jīng)過長時間的高水位運行的考驗。

4 結(jié)語

在實際工程中，首先要加快水庫除險加固進度，要抓好水庫加固的前期工作，深入分析險情，確定行之有效的加固方案。其次，做好監(jiān)控、監(jiān)管工作，加大大壩安全監(jiān)測設(shè)施和通訊建設(shè)的投入，因地制宜，全面管控，重點地段重點監(jiān)控，總結(jié)并推廣行之有效的加固技術(shù)。最后要繼續(xù)總結(jié)除險加固的經(jīng)驗教訓(xùn)。總之，穩(wěn)定壩坡，保證壩體工程安全必須從工程實際出發(fā)，及時分析壩體的穩(wěn)定，從管理和技術(shù)方面盡全力降低壩體事故發(fā)生率，使之發(fā)揮更大的經(jīng)濟和社會效益。