克孜爾水庫右壩肩傾倒體穩定性評價及除險加固措施

張宏科

（新疆克孜爾水庫管理局，新疆庫車842000）

1 工程概況

克孜爾水庫位于新疆拜城縣干流木扎提河與支流克孜河交匯處，是目前塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪為主，兼有水力發電等綜合效益的大型控制性水利樞紐工程。工程于1985年修建，1992年主體工程完工并投入蓄水運行。該工程在經歷兩次近場區5.7級、4.9級地震（震中距壩址小于18 km）及兩次渭干河歷史特大洪水（2590 m3/s和3677 m3/s）后，2007年大壩安全鑒定因防洪標準不滿足現行規范要求、右壩肩傾倒體變形不穩定等因素被確定為三類壩，2009年6月開始水庫除險加固工程施工。

克孜爾水庫除險加固設計總庫容7.25億m3，正常高水位1149.6 m，相應庫容4.28億m3，工程規模為一等大（Ⅰ）型，場區基本烈度為8度，主要建筑物為1級，設防烈度8.5度。設計洪水標準為重現期500年，洪峰流量7214 m3/s；校核洪水標準為重現期5000年，洪峰流量為11156 m3/s。樞紐工程主要由主壩、副壩溢洪道、泄洪排沙涵洞、發電引水洞及壩后式水電站等建筑物組成，主、副壩型均為粘土心墻砂礫殼壩，最大壩高47.6 m。

2 右壩肩傾倒體地質條件及工程布置

右壩肩位于主壩右岸卻勒塔格山第一排山脊北坡腳下，山體相對壩面高度340 m左右，自然坡比1∶1～1∶0.75，基巖系第三系上新統（N22）粉砂質泥巖及砂巖，新鮮完整巖體的干抗壓強度為8.7～14.2 MPa，軟化系數0.26，屬軟巖，遇水易軟化崩解。由于地質構造應力的作用，右壩肩巖層不斷發生彎曲、扭折、塌滑，產生蠕變和座滑變形，形成右壩肩長約650 m的巖石傾倒體。地質勘探根據巖體變形程度劃分為強、弱、微傾倒體：強傾倒體水平厚度24～40 m，巖層向坡外傾倒變形強烈，由于巖層傾倒，產生一系列張性裂隙，局部有不連續的張性滑裂縫，一般寬0.3～0.6 m，透水性強，巖體強烈風化，節理裂隙發育，物理力學性質很差；弱傾倒體水平厚度4.5～14 m，巖體產生輕微彎曲變形，巖體較強傾倒體巖石完整，但裂隙仍較發育；微傾倒體巖體變形量很小，與正常巖體差別不大。

為保證水庫蓄水后右壩肩原有的水文地質條件不發生改變，原設計確定對壩軸線以西180 m范圍內、壩頂1154.6 m高程以下的傾倒體分別采取強傾倒體開挖、坡比為1∶1鋼筋混凝土護坡、巖體充填灌漿等工程措施；按照“上堵下排”的設計原則在壩軸線以西150 m處設置一道有效寬度1.5 m、高32.0 m的C15混凝土截滲墻（以下稱W150截滲墻），插入傾倒體山體中對可能產生的繞壩滲流進行封堵，同時在壩面以下的1117.0 m高程基礎面上設置長約320 m的地下排水廊道，及時排出傾倒體中的滲水（圖1）。

圖1 右壩肩工程平面布置圖Fig.1 Plane of the right abutment

3 地震及洪水對右壩肩工程運行工況的影響

3.1 1999～2005年間地震及歷史特大洪水簡況

（1）1999年3月15日，在壩址以東18 km處發生5.7級地震，壩址區地震烈度為7度、震感強烈。發震時庫水位為1144.1 m，相應庫容3.85億m3。

（2）2002年7月23日，發生洪峰流量高達3677 m3/s的歷史特大洪水，庫水位在40 h內從1142.0 m高程上漲至1148.26 m高程，水位凈增6.07 m，庫容凈增2.27億m3。2002年9月2日在壩址西南2 km處發生3.7級地震，壩址區震感強烈。發震時庫水位1147.4 m，相應庫容5.16億m3。

（3）2005年9月23～26日，在壩址東北12 km處發生4.9、4.8級序列地震，震源深度14 km，壩址區地震烈度為6度，震感強烈。發震時庫水位為1146.2 m，相應庫容4.67億m3。

3.2 右壩肩運行中存在的主要問題

對比右壩肩部位的測縫計、滲流量、地下水位及外觀檢查等歷史資料可以看出：自1999年發生5.7級地震后，右壩肩在高水位（1148.0～1149.6 m高程）狀態下逐步表現出滲流、變形等異常現象，特別是地震對其運行工況影響十分明顯。

（1）W150截滲墻墻體內部變形：W150截滲墻（圖2）墻體1137.2 m高程處水平與垂直縫中的兩只測縫計測值結果顯示，1999年5.7級地震發生時該墻體尚沒有明顯異常，但在2001年秋季，庫水位首次達到1148.0 m高水位以上并持續約50 d（2001年9月20日～10月25日）后，墻體垂直縫寬于同期并開始持續增加，至2003年初，該墻體垂直縫累計增加寬度1.75 mm。

（2）W150截滲墻頂部破壞變形：2002年5月22日工程安全檢查發現，在W150截滲墻頂部0+909、0+912、0+920樁號處分別有3條寬度為6 mm、7 mm和12 mm的橫向貫穿裂縫，其中0+920樁號處的第3條裂縫尤為明顯，裂縫兩側呈現有7 mm左右的錯臺，表明該墻體已發生明顯變形。

（3）傾倒體滲流狀態發生改變：2002年7～9月，位于W150截滲墻下游即W140 m處的測壓管水位實測資料表明，水庫攔洪削峰期間，庫水位在40 h內上漲6 m，但傾倒體內地下水位12 d持續上升14 m；9月2日3.8級地震發生后，庫水位漲幅小于0.4 m，但傾倒體地下水位在11 d內繼續上漲8.6 m（圖3）。至10月下旬，庫水位基本穩定在1148.3 m高程左右，排水廊道內排水管滲水量及滲水點數量明顯增多并向下游的壩軸線方向發展，滲流量在等庫水位時達到了極值0.203 L/s。

（4）W150截滲墻頂部裂縫數量繼續增加，裂縫寬度仍在緩慢增加：2002年7月25日、2003年12月底例行工程安全檢查發現，在0+931、0+924樁號處先后新增兩條裂縫，最大縫寬小于0.5 mm，規模相對之前的3條裂縫較小。2005年9月23日發生4.9級和4.8級地震，10月中旬檢查發現，在該墻體0+916樁號再次新增一道寬約0.2 mm的裂縫。至2005年10月，W150混凝土截滲墻頂部產生垂直于墻體軸線的橫向裂縫共計6條（圖2），其中規模較大的第1、3條裂縫2003～2008年連續6年的觀測資料（圖4）顯示：裂縫寬度分別累計增加15.3 mm和10.5 mm，且測值曲線反映出裂縫平穩開裂，與庫水位高低/無關。

圖2 右壩肩W150混凝土截滲墻縱剖面圖Fig.2 Profile of W150 cut-off wall at the right abutment

水位高程m

/日期（d）水圖位3 W高15程0截m滲墻下游10 m（W140 m）處測壓管水位過程線Fig.3 Graph of piezometric water level 10-m downstream W150 cut-off wall(W140 m)

表1統計了早期形成的3條裂縫分別在W150截滲墻應急加固處理前后的開裂變化情況。W150截滲墻及傾倒體充填灌漿應急加固處理施工于2003年8月中旬完工，3條裂縫在應急加固處理前的年變速率分別為6 mm/a、0.6 mm/a、3.6 mm/a，之后的年變速率分別減小至1.9 mm/a、0.4 mm/a和3.6 mm/a，且廊道滲流量基本穩定在0.06 L/s左右，說明對右壩肩W150截滲墻及其上、下游傾倒體進行應急加固處理的效果是顯著的，但并未遏制其變形的發展趨勢。

日期（d）圖4 W150截滲墻第一、三道裂縫寬度觀測過程線Fig.4 Observed curves for the widths of the 1st and 3rd crack on W150 cut-off wall

（5）W150截滲墻位置附近的傾倒體高邊坡伴生有數條裂縫：2003年4月進行右壩肩傾倒體山體變形普查時，在W150截滲墻上、下游30 m，相對壩面高約50～90 m的山坡上發現有10條規模不等的坡面張性裂縫，走向與墻體軸線垂直，其中W180山梁鞍部的最長裂縫（圖5）約20 m，張開寬度8～20 cm，下切深度約1.8～2.8 m，無充填。

4 右壩肩傾倒體穩定性評價

（1）根據右壩肩傾倒體地下水位升高、排水廊道滲流量增加、滲水面積向下游發展情況看，右壩肩W150截滲墻附近的傾倒體水文地質條件已開始發生改變，進巖體的滲水主要是由W150截滲墻發生裂縫變形所致。

表1 W150截滲墻3條裂縫不同時段的縫寬增量及年變速率統計表Table 1:Width increment and annual change ratio of 3 cracks on W150 cut-off wall at different time

圖5 右壩肩西（W）180 m山梁西側裂縫展布Fig.5 Distribution of cracks on west 180 m of right abutment

（2）綜合W150混凝土截滲墻裂縫變化過程、傾倒體坡體裂縫展布等因素，認為截滲墻墻體裂縫的成因一方面是由于截滲墻上游及外側巖體浸水飽和、下游巖體相對干燥等邊界條件不同，從而導致截滲墻上、下游邊坡巖體發生差異沉降變形引起；另一方面是因為右壩肩傾倒體坡腳巖體結構破碎，水庫長期蓄水后軟巖遇水軟化、強度降低，易發生軟化座滑變形，加上地震動荷載的作用，誘發邊坡上部巖體沿順坡向的滑裂縫向下滑動變形，導致截滲墻附近的巖體及墻體發生變形。

（3）根據右壩肩地質勘察及邊坡穩定極限平衡分析認為，①右壩肩邊坡巖體目前正處于變形發展階段，其變形是一個漸進過程，邊坡尚有一定的安全儲備，尚未達到極限平衡狀態；②右壩肩傾倒體現狀邊坡整體穩定性尚好，即使在8度地震工況下其安全系數也在1.45左右，因此整體滑動失穩的可能性很小；③W150截滲墻及W180山梁壩頂以上邊坡在正常蓄水位工況條件下的安全裕度較低，安全系數僅為1.057和1.100，地震工況條件下穩定性差，安全系數僅為0.992和1.018，均不能滿足規范要求的安全控制標準。因此，右壩肩壩頂以上邊坡從壩頂坡腳處剪出滑動是有可能的。

表2 加固前右壩肩傾倒體邊坡穩定分析成果表Table 2:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment before rehabilitation

5 右壩肩傾倒體除險加固措施

針對右壩肩工程在水庫蓄水、地震、庫水位驟變后出現的變形，需要通過工程措施重點解決兩方面的問題：（1）提高壩頂以上傾倒體在地震工況下的安全系數，防止邊坡坐滑變形；（2）提高壩面以下W150截滲墻附近傾倒體巖體的剛度和抗變形能力，以減小浸水巖體的不均勻沉降。

（1）通過綜合分析研究，確定對右壩肩壩頂以上傾倒體邊坡采取削坡減載、預應力錨索的加固方案。表3是右壩肩傾倒體在不同加固措施組合情況下的穩定計算成果，結果顯示：除單一進行削坡減載措施不能滿足安全控制標準外，其余三種措施實施后均可保證傾倒體在地震工況下的穩定系數達到1.1以上；其中削坡加錨索的加固處理效果較為明顯，兩個剖面的邊坡抗滑穩定安全系數在正常蓄水位工況條件下可以達到1.262和1.304，在地震工況下可以達到1.19以上，均能滿足規范要求。因此，設計綜合地質、施工、投資等因素確定對右壩肩W80～W240 m范圍內，壩面以上、坡面裂縫以下的邊坡進行削坡減載；清坡后，對壩面以上15 m范圍內的傾倒體巖層采取1000 kN預應力錨索加固；針對軟巖層，宜采用壓力分散型預應力錨索施工。

（2）為提高W150截滲墻附近、壩面以下的傾倒體巖剛度和抗變形能力，對該墻體軸線上游30 m、下游20 m范圍內的傾倒體采取常規的深層充填固結灌漿，以充填巖體內的構造裂隙，減小變形空間。同時對已經產生裂縫的W150混凝土截滲墻進行3排帷幕灌漿，恢復其防滲功能。

（3）為防止降水沿傾倒體裂隙進入山體內部，對清坡后的傾倒體巖面采取鋼筋掛網噴射混凝土進行防護。

表3 加固后右壩肩傾倒體邊坡穩定分析成果表Table 3:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment after rehabilitation

6 結語

（1）原型觀測資料表明，水庫蓄水多年后，右壩肩受地震、庫水位驟變因素的影響逐步表現出滲流、變形不穩定的異常現象，特別是地震對其運行工況影響十分明顯。但綜合其地質條件、變形發展程度及過程，分析認為右壩肩傾倒體目前正處于變形發展階段，其變形是一個漸進過程，目前邊坡尚有一定的安全儲備，尚未達到極限平衡狀態。

（2）計算結果表明，右壩肩傾倒體邊坡整體穩定性較好，整體滑動失穩的可能性很小。但W150截滲墻附近壩頂以上的傾倒體邊坡在正常蓄水位工況條件下的安全裕度較低，安全系數僅為1.057和1.100，地震工況條件下穩定性差，安全系數僅為0.992和1.018，均不能滿足規范要求的安全控制標準，應進行加固處理。

（3）針對壩面以上的不穩定巖體邊坡，采用削荷減載加1000 kN級預應力錨索進行加固，以提高邊坡的整體穩定性；壩面以下部位的巖體采用深層充填固結灌漿進行處理，可以有效提高坡腳巖體的抗變形能力和強度，可在一定程度上緩解W150截滲墻墻體變形的繼續發展。

（4）右壩肩傾倒體地質條件較差，邊坡所處部位又十分重要，因此加固措施實施后仍應加強該部位的滲流、變形、錨索應力監測及資料整編分析工作，對錨固力松弛的錨索及時給予應力補償，確保錨索錨固的整體效應。■

[1]新疆渭干河克孜爾水庫除險加固工程初步設計報告[R].新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院.2008.

[2]渭干河克孜爾水庫右壩肩邊坡巖體穩定研究報告[R].中國水利水電科學研究院.2007.