勝利水庫大壩除險(xiǎn)加固安全復(fù)核及防滲處理實(shí)踐

(遼寧省本溪市水庫移民管理局，遼寧 本溪 117100)

土石壩壩型以就地取材、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、壩身變形適應(yīng)性強(qiáng)和工程投資經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，在已建或在建大壩工程中占據(jù)非常重要的地位[1]。土石壩工程普遍存在防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、施工技術(shù)差、土石材料不均勻等問題，加上長時(shí)間運(yùn)行，許多水庫出現(xiàn)老化退化嚴(yán)重、壩體和壩基(肩)滲漏、局部坍塌等病險(xiǎn)問題[2]。土石壩工程相對(duì)于混凝土壩等其他壩型經(jīng)濟(jì)性較高，但其風(fēng)險(xiǎn)也最高，中國已發(fā)生的潰壩98%以上為土石壩。土石壩病險(xiǎn)問題，會(huì)嚴(yán)重影響到大壩運(yùn)行安全，急需結(jié)合工程特性和《水庫大壩安全鑒定辦法》，通過分析大壩滲漏原因，結(jié)合勘測(cè)和安全復(fù)核結(jié)果，采用合理的除險(xiǎn)加固措施解決工程隱患，以確保大壩攔蓄水和防洪功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。

1 工程概況

勝利水庫于1977年9月動(dòng)工修建，1980年5月下閘蓄水，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主的Ⅳ等小(1)型工程。水庫灌溉面積24km2，壩址以上控制流域面積2.56km2，引水面積4.88km2，主河道長度2.36km，平均比降為2.89%。水庫正常蓄水位882.00m，總庫容401.80萬m3，有效庫容351.20萬m3。水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高27.5m，壩頂高程884.30m，頂寬5.0m。

2 壩體滲漏病險(xiǎn)分析

大壩于1980年5月初次下閘蓄水，當(dāng)蓄水位到876.20m(蓄水深19.40m)時(shí)，大壩中下部及右岸背水坡局部存在滲漏，漏水點(diǎn)有4處，平均漏水量1.2L/s。為確保大壩安全，將水位降低至873.00m帶病運(yùn)行，滲漏問題得到緩解。大壩從1982年至2006年雖多次進(jìn)行帷幕灌漿、堵截巖溶通道等加固修復(fù)處理，但僅是對(duì)局部滲漏進(jìn)行防滲堵截，并未進(jìn)行系統(tǒng)的踏勘分析和防滲設(shè)計(jì)，滲漏問題未得到有效解決，且呈逐年惡化趨勢(shì)，下游壩坡存在大面積沼澤化區(qū)域、壩體局部冒水翻沙滲漏和右岸壩肩滲漏等問題。

鉆芯取樣試驗(yàn)分析表明：壩體填筑土除塑性指標(biāo)基本能滿足規(guī)范要求外，其余物理力學(xué)指標(biāo)均低于規(guī)范限值，存在填土碾壓不足、填筑質(zhì)量差、密實(shí)度不均勻等問題。查閱工程檔案資料及咨詢水庫管理人員可得知，大壩建設(shè)初期由于地質(zhì)勘探不充分、壩基清淤不徹底、填筑材料就地取材未進(jìn)行系統(tǒng)篩分等，大量樹根、草木等雜物填筑到壩體中，隨著逐年腐爛變質(zhì)，導(dǎo)致壩體土孔隙率逐年增大，土體抗結(jié)強(qiáng)度隨之不斷降低，滲漏點(diǎn)、面不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅到大壩結(jié)構(gòu)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。在大壩滲漏典型部位鉆8個(gè)孔進(jìn)行22段注水試驗(yàn)，其滲透系數(shù)為5.65×10-5～2.03×10-4，屬于弱-中滲透性土?，F(xiàn)場觀測(cè)，滲水點(diǎn)主要位于大壩下游中下部及兩岸坡腳處，其滲流量為1.05～3.16L/s。

3 大壩安全復(fù)核及防滲處理

3.1 加固處理前安全復(fù)核

為準(zhǔn)確掌握在不同荷載條件下壩體整體穩(wěn)定性，為勝利水庫大壩除險(xiǎn)加固防滲方案選擇提供翔實(shí)數(shù)據(jù)依據(jù)，運(yùn)用畢肖普法對(duì)壩體穩(wěn)定性進(jìn)行全面安全復(fù)核[3]。根據(jù)《水庫大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(SL 258—2017)、《水庫大壩安全鑒定辦法》和《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)、《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 189—2013)等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行安全復(fù)核。分析成果表明：

a.防洪標(biāo)準(zhǔn)低。勝利水庫為Ⅳ等小(1)型水庫工程，設(shè)計(jì)按30年一遇設(shè)計(jì)和300年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，大壩現(xiàn)狀壩頂結(jié)構(gòu)不能滿足防洪要求。

b.滲流穩(wěn)定分析。大壩壩體存在較為嚴(yán)重的滲漏問題，22段注水段其滲透系數(shù)為5.65×10-5～2.03×10-4，大壩現(xiàn)狀土為弱-中滲透性土。

c.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。壩體下游壩坡不僅存在大面積沼澤化區(qū)域和冒水翻沙滲漏問題，同時(shí)壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也略低于正常運(yùn)用條件1.25和非常運(yùn)用條件1.15的規(guī)范限值指標(biāo)，結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定性較差。

3.2 大壩防滲加固處理方案

3.2.1 壩頂高程復(fù)核

勝利水庫正常蓄水位882.00m，設(shè)計(jì)洪水位882.95m(P=3.33%)，校核洪水位883.75m(P=0.33%)。多年平均年最大風(fēng)速9.7m/s(正常運(yùn)用條件采用多年平均年最大風(fēng)速的1.5倍，即14.55m/s；非常運(yùn)用條件采用多年平均年最大風(fēng)速)，計(jì)算吹程950m。大壩為4級(jí)建筑物，壩頂高程計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 勝利水庫壩頂高程安全復(fù)核結(jié)果

由表1可知，正常運(yùn)用條件下(設(shè)計(jì)洪水位)，安全超高1.34m；非常運(yùn)用條件下(校核洪水位)，安全超高0.83m。為確保大壩滿足防洪標(biāo)準(zhǔn)，壩頂高程由校核洪水位情況控制，最終安全復(fù)核確定大壩高程為885.00m。

3.2.2 大壩防滲加固處理

根據(jù)鉆芯取樣試驗(yàn)分析及安全鑒定結(jié)果，勝利水庫大壩現(xiàn)存主要問題如下：

a.大壩壩頂高程不滿足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)，洪水設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低。

b.壩體均質(zhì)土滲透系數(shù)不滿足規(guī)范要求，下游壩坡存在大面積沼澤化區(qū)域和冒水翻沙滲漏點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性略低于規(guī)范指標(biāo)。

按照“上堵下排”的防滲原則，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)采用壩頂加高培厚0.7m與在壩體設(shè)置垂直防滲體截?cái)酀B漏通道相結(jié)合的處理措施進(jìn)行防滲加固，提高大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)堵截內(nèi)部滲漏通道[3]。

3.2.2.1 整體加高培厚

勝利水庫大壩壩頂現(xiàn)狀高程884.10～884.30m，不能滿足現(xiàn)行防洪標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)安全復(fù)核計(jì)算需加高培厚0.28m，設(shè)計(jì)確定實(shí)際增高0.7m，對(duì)應(yīng)壩頂高程885.00m。壩頂從4.8～5.0m加寬至5.5m，培厚后壩頂與上壩馬道以上壩坡按1∶2.8銜接，與下游壩坡按1∶2.5 銜接。

3.2.2.2 壩體防滲加固

綜合考慮大壩滲漏主要在下游壩坡及大壩結(jié)構(gòu)體型，壩身防滲工程中常用的處理措施為高壓噴射灌漿、劈裂灌漿、套井回填黏土及土工膜防滲等。由于劈裂灌漿和土工膜防滲在耐久性和可靠性等方面相比其他防滲措施略差，結(jié)合勝利水庫壩址區(qū)地形地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)優(yōu)選套井回填黏土和高壓噴射灌漿兩種防滲方案進(jìn)行比選。

a.高壓噴射灌漿防滲方案：利用鉆機(jī)按單排灌漿、孔距1.5m鉆孔后，通過下放灌漿管利用高壓水氣流沖擊切割土體，并灌注漿液通過強(qiáng)制性摻攪混凝，冷凝后形成具有較強(qiáng)防滲性能的凝結(jié)體或結(jié)石。高噴灌漿總進(jìn)尺6528m。

b.套井回填黏土防滲方案：利用沖抓鉆頭打井，將黏土利用套井不斷充填入壩體內(nèi)部，并分層夯實(shí)形成一連續(xù)套接黏土防滲墻[4]。雙排套井，孔徑110cm，孔距0.8m，排拒0.9cm，黏土層防滲厚度1m。沖抓套井回填黏土總深度7556m。壩體防滲方案主要性能指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2 壩體防滲方案性能指標(biāo)對(duì)比

由表2可知，高壓噴射灌漿對(duì)壩基滲漏防滲效果好，而勝利水庫大壩主要滲漏位于壩體，相比下套井回填黏土防滲效果較好。經(jīng)地質(zhì)勘查揭露，壩址區(qū)主要以人工堆積網(wǎng)紋狀黏土為主，采用套井回填黏土適用性較好，且工程投資較高壓噴射灌漿少313萬。結(jié)合勝利水庫大壩地質(zhì)條件、現(xiàn)存主要滲漏狀況及除險(xiǎn)加固工程投資，優(yōu)選沖抓套井回填黏土防滲墻方案。

3.3 壩體防滲處理后安全復(fù)核

3.3.1 加固后滲流穩(wěn)定分析

沿大壩壩頂中軸線和偏上游0.9m處，雙排布孔，孔距1.1m。先打上游排井后打下游排井，從大壩左岸向右岸逐步延伸。同一排井，采用主、套井相間布置，先打主井，回填夯實(shí)后，套井回填夯實(shí)，一主一套相連成防滲黏土墻，井孔深入壩基淤泥質(zhì)黏土1.0m。施工時(shí)，按規(guī)范要求回填黏土選用滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s黏土材料，含水量控制在22%～25%，黏土黏粒含量控制在35%～50%，小粒徑石子含量不大于10%，設(shè)計(jì)干容重不小于1.5g/cm3。回填土料干密度和含水量均需現(xiàn)場試驗(yàn)，待指標(biāo)均控制在允許范圍內(nèi)方可投入施工。

按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)和《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL189—2013)推薦計(jì)算組合條件[5]，結(jié)合勝利水庫壩體結(jié)構(gòu)體型，采用滲流分析計(jì)算系統(tǒng)，選擇正常蓄水位882.00m和設(shè)計(jì)洪水位882.95m作為正常運(yùn)行條件，校核洪水位883.75m為非常運(yùn)行條件，進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析。滲流軟件計(jì)算得的勝利水庫均質(zhì)土壩采用沖抓套井回填黏土防滲加固后，各工況條件下壩體滲流等勢(shì)線分布及滲流分析結(jié)果，見圖1和表3。

圖1 加固后穩(wěn)定滲流期壩體滲流等勢(shì)線分布

表3 加固后穩(wěn)定滲流期壩體滲流計(jì)算結(jié)果

由表3可知，勝利水庫均質(zhì)土壩防滲處理后，最大滲透比降為3.55，滲流量為0.53m3/(d·m)，出現(xiàn)在校核洪水位的套井部位，滿足《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2001)中粉質(zhì)黏土最大滲透比降不大于4的限值要求。分析表明：經(jīng)套井回填黏土防滲加固處理后，壩體結(jié)構(gòu)整體滲流穩(wěn)定性較好。

3.3.2 加固后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為保證土石壩在各種運(yùn)行工況條件下，具有足夠的抗滑穩(wěn)定性，按圓弧滑動(dòng)法對(duì)大壩整體抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，分析結(jié)果見表4。

表4 加固后穩(wěn)定滲流期壩坡抗滑穩(wěn)定分析結(jié)果

由表4可知，壩體經(jīng)套井回填黏土加固修復(fù)處理后，在各組合工況條件下，壩坡安全系數(shù)均比規(guī)范限值指標(biāo)高，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

勝利水庫均質(zhì)土壩由于筑壩土料雜質(zhì)多、壩基清淤不徹底、碾壓夯實(shí)不充分、密實(shí)度不均勻等，造成大壩下游壩坡存在大面積沼澤化區(qū)域和冒水翻沙滲漏等問題。急需通過全面安全復(fù)核優(yōu)選與工程實(shí)際相匹配的除險(xiǎn)加固防滲修復(fù)處理方案，確保大壩運(yùn)行安全及功能正常穩(wěn)定發(fā)揮。

a.安全鑒定表明：大壩結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性略差，防洪壩頂高程及壩體滲流系數(shù)均不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需結(jié)合工程實(shí)踐優(yōu)選防滲加固修復(fù)方案，提高大壩整體安全穩(wěn)定性。

b.根據(jù)鉆芯取樣試驗(yàn)分析及安全鑒定結(jié)果，優(yōu)選與工程實(shí)際相匹配的防滲加固修復(fù)方案。滲流軟件分析表明：采用套井回填黏土防滲方案進(jìn)行處理后，大壩滲流穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范指標(biāo)要求，防滲方案與工程除險(xiǎn)加固實(shí)際具有較高匹配性和經(jīng)濟(jì)性。

c.2017年9月，勝利水庫防滲除險(xiǎn)加固工程竣工后，16個(gè)抽樣鉆孔注水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：壩體防滲加固修復(fù)質(zhì)量合格率100%，滲透系數(shù)降低到1.89×10-5～3.35×10-5cm/s范圍內(nèi)，且黏土防滲墻墻體連續(xù)性好、應(yīng)變適應(yīng)性強(qiáng)，達(dá)到了提高大壩防洪標(biāo)準(zhǔn)和整體防滲加固修復(fù)的目的。