巖口水庫工程堰塞體初期改建治理方案設(shè)計

任堂 劉清樸 李岳東 李婭

1 工程概況

巖口水庫工程由樞紐工程和輸水工程兩部分組成，是一座以除險防洪、供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電等綜合利用的Ⅱ等大（2）型工程，總庫容1.17億m3。樞紐工程主要由面板堆石壩、左岸放空泄洪洞、右岸溢洪洞、右岸取水兼發(fā)電引水洞及生態(tài)電站等建筑物組成。擋水建筑物擬利用1996年印江巖口“9·18”特大山體滑坡形成的滑坡堆體，經(jīng)加高加固進行改擴建而成，最大壩高68 m。

工程項目目前處于規(guī)模論證階段，本文僅針對堰塞體改建治理方案設(shè)計進行介紹。

2 堰塞體概況、成因分析及前期搶險應(yīng)急治理簡介

2.1 堰塞體概況

1996年9月18日22：00許，在貴州省銅仁市印江縣印江河左岸巖口河段發(fā)生一起特大型牽引式深層基巖滑坡，滑體從標(biāo)高為670 m的印江河左岸斜坡上快速沖入標(biāo)高為474 m的河谷中，方量約260萬m3，形成了高51.4 m的天然堆石壩體及水深42.24 m、庫容3 821萬m3的堰塞湖，最大淹沒水位達到516.44 m，堵塞了印江河及阻斷了?。ń桑ㄌ遥┕贰６洋w上游朗溪集鎮(zhèn)及周邊4個村共計8 655人受災(zāi)，淹沒耕地98.67 hm2（1 480畝）、房屋7 058間及裝機1 260 kW的犀牛洞電站。同時危及印江縣城、13個村和鄰縣臨河52 000人生命財產(chǎn)安全。根據(jù)SL 450—2009《堰塞湖風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)》，堰塞湖屬中型堰塞湖，危險級別為高危險，潰決損失嚴(yán)重性為極嚴(yán)重。根據(jù)危險性級別和潰決損失嚴(yán)重性確定堰塞湖風(fēng)險等級為Ⅰ級（最高級別）。

2.2 成因分析

滑坡形成是地形地貌條件、巖體結(jié)構(gòu)條件、水文地質(zhì)條件、人類工程活動、暴雨等多因素綜合作用的結(jié)果。

2.2.1 邊坡地形地貌條件

滑坡體南側(cè)發(fā)育一條構(gòu)造性大裂隙，北西側(cè)為一條侵蝕沖溝所切割，南東側(cè)被印江河侵蝕下切形成陡崖，導(dǎo)致坡體四周臨空，僅靠下部的三疊系下統(tǒng)夜郎組第一段軟弱地層所支撐。

2.2.2 坡體具有上硬下軟的雙層結(jié)構(gòu)特征

上層為中-厚層石灰?guī)r（T1y2），強度較高，質(zhì)地堅硬；下層為泥灰?guī)r、黏土頁巖（T1y1）構(gòu)成的軟弱層，強度較低，遇水極易軟化，構(gòu)成坡體滑動的潛在滑動面；坡體南側(cè)大裂隙，將滑坡體與母巖分割，并為地表水下滲提供了良好的通道。

2.2.3 工程區(qū)雨量較為豐富

大氣降水后地表水沿高陡傾角的張裂隙下滲，導(dǎo)致泥灰?guī)r及黏土頁巖層形成易滑動的軟弱結(jié)構(gòu)面。

2.2.4 人類工程活動影響

坡腳附近采石場的開挖采石一方面使“鎖固段”灰?guī)r層厚度有所削弱，其抗剪強度大幅度下降，另一方面導(dǎo)致斜坡內(nèi)發(fā)生了應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

2.2.5 暴雨觸發(fā)

在高強度暴雨的影響下，使“鎖固段”巖體抗剪能力減弱，同時由于暴雨所產(chǎn)生的水壓力對鎖固段的突然加載，作用在“鎖固段”處巖體的剪應(yīng)力急劇增大，從而使巖體發(fā)生脆性破壞，彈性應(yīng)變能突然釋放，滑動面全面貫通，滑體劇烈啟動，沿滑面迅速加速下滑。

2.3 工程地質(zhì)評價

根據(jù)鉆孔資料分析，堰塞壩上部，高程501～506 m以上部位，物質(zhì)成分以塊石為主，夾少量細(xì)砂。堰塞壩下部；高程501～506 m以下部位，物質(zhì)成分以細(xì)砂為主，夾少量塊石。堰塞壩底部，高程471.3～472.8 m以下部位，為厚2.7～4.0 m的漂卵石層，其成分主要為灰?guī)r、白云巖、砂巖等組成，磨圓度好。河床砂卵石下基巖屬弱風(fēng)化及新鮮巖體，壩基巖體可滿足堆石壩對地基強度的要求。初步分析堰塞壩體現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好。

壩基巖體抗壓強度與變形模量局部差異較大，可能存在地基不均勻變形問題。不排除存在巖溶裂隙的可能，壩基需進行防滲處理。兩岸巖體風(fēng)化卸荷較嚴(yán)重，建議對兩岸進行適當(dāng)?shù)姆罎B處理。堆體材料主要為T1y2灰?guī)r，堆體相當(dāng)于一堆石壩，初步分析將其加高約13 m后改建成擋水建筑物，技術(shù)上是可行的?？紤]到滑坡堰塞體具有物質(zhì)組成復(fù)雜、孤塊石多、孔隙率大、局部架空的特點，建議把現(xiàn)狀堰塞壩體作為巖口水庫堆石壩體的下游堆石區(qū)，上游堆石區(qū)為新建壩體，在原來基礎(chǔ)上加高擴建堆石壩基本滿足要求。

2.4 前期搶險應(yīng)急治理簡介

搶險治理工程劃分為“應(yīng)急整治”和“總體治理”兩個階段，工程治理包括開鑿兩條導(dǎo)流兼泄洪洞、一條泄洪洞、滑坡堆體整治及左岸邊坡整治?？傮w治理目標(biāo)為：設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，當(dāng)20年一遇的洪水來臨時庫區(qū)水位不超過503 m高程；庫區(qū)災(zāi)民就地安置在503 m高程以上。治理工程 于1996年10月27日開工，2001年4月工程全面完工，2010年12月7日通過了總體治理工程竣工驗收。

滑坡堆體整治：整治后堆積壩體頂高程528 m，壩頂長130 m，壩頂平均寬43.5 m，最大壩高53.8 m，上下游壩坡1∶3。上游坡面在511 m高程以下為干砌塊石護面，以上設(shè)混凝土預(yù)制塊護砌，于高程511 m設(shè)置馬道；下游坡面設(shè)置公路爬坡馬道（S303省道），并在490 m高程設(shè)一頂寬18 m的棱體，該棱體在480 m高程設(shè)置一寬10 m的平臺。下游坡用干砌塊石護面。

1#導(dǎo)流兼泄洪洞位于左岸，進口高程482 m，城門洞型，完工斷面9 m×10 m，洞長715 m。1996年11月開鉆，1997年4月進口成功實施了水下巖塞爆破，2000年5月竣工；2#導(dǎo)流兼泄洪洞位于右岸，進口高程482 m，城門洞型，完工斷面7 m×7 m，洞長679 m。1997年2月開鉆，2000年3月竣工；3#泄洪洞位于右岸，進口高程511 m，城門洞型，完工斷面5 m×7.4 m，洞長211 m。1996年10月開鉆，1997年5月 竣 工。

左岸邊坡整治：對坡面危巖體進行爆破清除，針對滑坡殘留體設(shè)置Ⅰ、Ⅱ級抗滑支擋。

3 永久整治的必要性和迫切性

3.1 解決上游朗溪鎮(zhèn)洪水威脅，維護社會和諧穩(wěn)定的迫切要求

堰塞體形成后，3條泄洪洞的泄流能力有限，上游區(qū)域形成了一個蓄滯洪區(qū)，對上游的朗溪鎮(zhèn)影響增大。當(dāng)汛期來臨時，洪水呈現(xiàn)快漲慢落的現(xiàn)象，極易出現(xiàn)群體恐慌。2014年7月14—15日，印江河流域普降暴雨，發(fā)生50年一遇的洪水，庫區(qū)水位達到506.8 m高程，朗溪集鎮(zhèn)主街道淹沒水深達1～2 m。“7·14洪災(zāi)”后，朗溪鎮(zhèn)有部分房屋已經(jīng)閑置，出現(xiàn)了房子新卻空置的現(xiàn)象，且一旦發(fā)生降雨，老百姓人心惶惶、夜不能寐，極大影響了當(dāng)?shù)厣鐣暮椭C穩(wěn)定，故堰塞體永久性整治迫在眉睫。

3.2 提高下游印江縣城防洪保障能力，保證下游居民生命安全的迫切需求

印江縣城位于堰塞湖下游2 km，其沿主河道兩岸建設(shè)，地勢較低，城區(qū)遭受洪災(zāi)極頻繁。2014年7月暴雨導(dǎo)致縣城基礎(chǔ)設(shè)施損毀特別嚴(yán)重，全縣受災(zāi)人口達28萬人?？h城防洪主要以堤防為主，堤防建設(shè)時，均考慮了上游堰塞湖的滯洪作用，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低。且堰塞體本身未進行完善的處理，在高水頭庫水壓力作用下，在無系統(tǒng)性防滲措施防護下，堰塞體存在潰壩風(fēng)險，嚴(yán)重威脅下游居民的生命安全，故必須對堰塞體進行永久整治。

3.3 構(gòu)建黔東北區(qū)域供水安全保障體系，破解工程性缺水問題的迫切要求

堰塞體位于貴州省東北部，梵凈山西麓烏江右岸一級支流——印江河干流上。該區(qū)域處于武陵山腹地，山高坡陡，河流深切，水低人高，工程性缺水問題十分突出。利用現(xiàn)有巖口堰塞體，經(jīng)加高加固改建成大型水庫，能夠為印江縣、沿河縣及德江縣共2個縣城、10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供穩(wěn)定可靠的水源。

4 堰塞體初期改建治理方案設(shè)計

現(xiàn)有堰塞體主要由滑坡堆積的灰?guī)r塊石嵌互堆積而成，相當(dāng)于一硬巖堆石壩，若在其基礎(chǔ)上進行加高、加固與防滲處理，將其改建成堆石壩，并利用樞紐區(qū)建筑物開挖料填筑壩體，則可顯著節(jié)省工程投資、縮短工期。故結(jié)合工程特點、投資、工期等因素，在原堰塞體基礎(chǔ)上將其改建成堆石壩。不同壩型之間的差異主要體現(xiàn)為壩身防滲體系的選取，常規(guī)有黏土斜墻堆石壩、混凝土面板堆石壩、混凝土防滲心墻堆石壩3種壩型。鑒于工程區(qū)多為基巖裸露，防滲土料匱乏，故選取了混凝土面板堆石壩、混凝土防滲心墻堆石壩兩種壩型進行方案比選。

4.1 混凝土面板堆石壩方案

自現(xiàn)有堰塞體頂部上游邊界起，按坡比1∶3填筑至高程541.00 m，在新增填筑料上游側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土面板、趾板和縫間止水系統(tǒng)，改建后壩體上游壩坡設(shè)計坡比取為1∶2。大壩壩頂總長224.80 m，壩頂高程541.00 m，防浪墻頂高程542.20 m，壩頂寬度為10.0 m，趾板最低開挖高程473.00 m，最大壩高68.00 m。壩下游坡上壩路利用原有上壩公路S303省道進行局部改造，其中高程528.00 m至大壩下游交通利用原S303省道，高程528.00 m—壩頂間新建一段上壩路，與原S303省道平順銜接，路寬8.0 m，坡比8%。路間局部坡比為1∶3.0。壩體防滲采用鋼筋混凝土面板、趾板、縫間止水系統(tǒng)及防滲帷幕組合型式，河床及兩岸壩肩段趾板均置于弱風(fēng)化區(qū)上部—強風(fēng)化下部，趾板下設(shè)置Φ25錨桿，并布置固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，帷幕灌漿深入相對不透水層（q=5 Lu）以下5.0 m，兩岸設(shè)置灌漿平洞，自壩端向山里延伸約65 m。面板上游設(shè)鋪蓋區(qū)和蓋重區(qū)，頂高程502.00 m，頂寬均為3.0 m，向下部逐漸加厚，其上游坡分別為1∶2.0和1∶2.5；面板厚為0.30～0.60 m，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；面板下游設(shè)特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)（水平厚4.0 m）、過渡區(qū)（水平厚4.0 m）、主堆石區(qū)、原滑坡堆積體區(qū)、原有大塊石拋填棱體區(qū)，下游壩坡高程528.00～541.00 m間為新修護坡，采用干砌塊石護砌型式，厚0.6 m，高程528.00 m以下保留原有干砌塊石護坡。

自堰塞體上游側(cè)起進行加高及上下游壩坡的選取主要基于以下因素考慮：

（1）利于面板受力。堰塞壩體具有物質(zhì)組成復(fù)雜、孤塊石多、孔隙大、局部架空等特點，為降低蓄水后因堰塞體不均勻沉陷而導(dǎo)致面板、縫間止水系統(tǒng)遭到破壞開裂的風(fēng)險，壩體新增填筑料應(yīng)具有一定支撐斷面，以保證面板受力均勻。

（2）減少棄渣量。樞紐區(qū)開挖量較大，初步估算可用料約160萬m3，利用料共需約53.5萬m3。開挖料多為中厚層-厚層灰?guī)r，剝離所夾泥巖、頁巖和巖溶發(fā)育層后，其質(zhì)量和儲量可滿足混凝土人工骨料和壩體填筑料的要求。同時，樞紐區(qū)附近地勢陡峻，棄渣場布置在印江縣城東北側(cè)的山溝區(qū)域，距樞紐區(qū)較遠(yuǎn)，運距約8 km。經(jīng)分析，盡可能多利用開挖料填筑壩體，可達到減少棄渣量、降低對環(huán)境的不利影響及節(jié)省工程投資的目的。

（3）可充分利用現(xiàn)有上壩公路S303省道，無需再新建上壩之字路。僅需對其進行局部改造，在高程528.00 m—改建后壩頂間新建一段上壩路，與高程528.00 m以下現(xiàn)有道路平順銜接，即可滿足大壩上壩交通要求。

大壩典型剖面如圖1所示。

圖1 混凝土面板堆石壩典型剖面圖

4.2 混凝土防滲心墻堆石壩方案

自現(xiàn)有堰塞體頂部上游邊界起，按坡比1∶3填筑至高程541.00 m，沿壩軸線設(shè)置混凝土防滲心墻，心墻置于新增填筑料及原堰塞壩體內(nèi)。改建后壩體上游壩坡設(shè)計坡比取為1∶2。大壩壩頂總長224.80 m，壩頂高程541.00 m，防浪墻頂高程542.20 m，壩頂寬度為10.0 m，最大壩高68.00 m。上游壩坡坡比1∶2.0，采用混凝土板護坡，厚0.2 m，下設(shè)0.4 m厚碎石墊層。壩下游坡上壩路利用原有上壩公路S303省道進行局部改造，其中高程528.00 m至大壩下游交通利用原S303省道，高程528.00 m—壩頂間新建一段上壩路，與原S303省道平順銜接，路寬8.0 m，坡比8%。路間局部坡比為1∶3.0。混凝土板護坡面板下游設(shè)主堆石區(qū)、原滑坡堆積體區(qū)、原有大塊石拋填棱體區(qū)，下游壩坡高程528.00—541.00 m間為新修護坡，采用干砌塊石護砌型式，厚0.6 m，高程528.00 m以下保留原有干砌塊石護坡。

壩體防滲采用混凝土防滲心墻+防滲帷幕組合型式，以形成全封閉防滲體系。其中：沿壩軸線方向設(shè)置混凝土防滲心墻，墻長216.28 m。墻體厚度根據(jù)公式B=H/J允估算，其中墻體最大作用水頭H=67.47 m，墻體允許水力坡降J允=50～60，結(jié)合估算結(jié)果、國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，墻厚取1.2 m。墻底切穿滑坡堆積體和河床沖積層，深入基巖約1 m，河床部位心墻底高程467.90 m；壩基及壩肩兩岸設(shè)置1排防滲帷幕，孔距1.5 m。兩岸設(shè)置灌漿平洞，自壩端向山里延伸約65.0 m。帷幕底部深入相對不透水層（q=5 Lu）以下5.0 m，河床部位帷幕底高程434.50 m，在防滲墻底部及兩側(cè)部位，帷幕與墻體搭接。

大壩典型剖面如圖2所示。

4.3 治理方案選定

兩種壩型方案在地形地質(zhì)條件、建筑物材料、施工總布置、工程占地、環(huán)境影響、工程安全等方面相當(dāng)，混凝土面板堆石壩方案較混凝土防滲心墻壩方案投資略高，但投資差所占工程總投資比例較小?？紤]到本工程為在原有滑坡堰塞體基礎(chǔ)上改建而成，滑坡堰塞壩體具有物質(zhì)組成復(fù)雜、均一性差、孤塊石含量高、孔隙率大、局部架空等特點，心墻施工過程中不確定因素較多，施工工期保證率較低，極易發(fā)生卡鉆、漏漿、塌孔現(xiàn)象，危及人員、設(shè)備安全，延誤工期，墻體施工質(zhì)量難以保證，且運行期中壩體一旦發(fā)生滲漏，難以查明滲漏部位，檢修難度大。對比分析壩體施工難度、后期運行管理等因素，選定混凝土面板堆石壩方案。

5 結(jié)語

通過對巖口堰塞體進行加高、加固與防滲處理，可徹底消除現(xiàn)有堰塞體“潰壩”隱患，保證下游印江縣城防洪安全；從根本上解決堰塞體上游朗溪鎮(zhèn)幾乎年年遭受洪澇災(zāi)害的現(xiàn)狀；在現(xiàn)有堰塞體基礎(chǔ)上僅抬高約13 m即可成為大型水利工程，可為印江縣、沿河縣及德江縣相關(guān)缺水鄉(xiāng)鎮(zhèn)提供穩(wěn)定可靠的水源。經(jīng)綜合整治，可將堰塞體變廢為寶，興利、除害兼顧，發(fā)揮水資源綜合效益，為類似地質(zhì)災(zāi)害體治理工程提供了一種解決思路，具有參考借鑒意義。

鑒于工程尚處于前期論證階段，受階段深度及現(xiàn)有資料限制，僅對堰塞體進行了初期改建治理方案設(shè)計，隨著工作的深入開展，下階段針對堰塞體治理擬從以下幾方面進行分析研究：

（1）勘察查明堰塞體相關(guān)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進一步比選混凝土防滲心墻堆石壩方案。防滲墻施工雖具有一定難度，但目前國內(nèi)已有類似工程的成功案例，施工技術(shù)是可行的。在充分分析堰塞體地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，論證改建成混凝土防滲心墻堆石壩的技術(shù)經(jīng)濟可行性。

（2）勘察查明工程區(qū)附近防滲土料質(zhì)量及儲量，分析改建成黏土斜墻堆石壩的可行性。相比混凝土面板，斜墻在抗裂性能、對不均勻沉陷的適應(yīng)性、檢修補強等方面具有優(yōu)勢。

（3）增加瀝青面板堆石壩方案比選。本工程以現(xiàn)有堰塞體作為壩體一部分，壩體沉降變形較常規(guī)面板堆石壩大，應(yīng)對面板適應(yīng)變形能力進行重點分析研究。