淺談丘北干龍潭水庫除險加固工程大壩穩定分析及處理措施的選擇

陶 煉

(云南省文山州丘北縣大型灌區管理局 663200)

1 工程概況

干龍潭水庫位于丘北縣天星鄉倮黑村腳，距縣城30km，距天星鄉3km，地理坐標為東經104°17'26″，北緯23°58'59″，屬珠江流域西江水系。工程規模為小(1)型水庫，水庫徑流面積13.26km2，總庫容236.4萬m3，興利庫容139.29萬m3，調洪庫容94.5萬m3，死庫容2.61萬m3，水庫大壩為均質土壩，最大壩高15.4m，水庫灌溉面積6000 余畝，每年供給下游生活用水11萬m3，水庫防洪保護涉及天星鄉政府駐地的天星村民委共1963 戶9813 人，保護天星鄉四級公路2km 及鄉政府駐地的其他設施。水庫始建于1957年，1978年擴建，直到1994年水庫才達到正常蓄水位，當年即發現大壩存在滲漏，大壩下游坡大面積潮濕并有散浸現象，丘北縣水務局對局部壩段進行帷幕灌漿后一直采取控制蓄水的辦法防止大壩病險的惡化。2007年進行了安全鑒定，當年進入國家第二批重點小(1)型計劃，2008年投資計劃下達，2008年9月完成招標投標并進入除險加固工程施工。

2 工程存在的主要問題

經檢查、分析和必要的復核計算，干龍潭水庫工程區地質條件及水文地質條件符合建庫要求。但水庫大壩嚴重滲漏，壩體飽和，土料力學指標降低，危及大壩安全，致使大壩的抗滑穩定安全系數小于規范值，使整個工程存在較大的安全隱患，安全評價類別為三類壩。云南省水利廳根據專家組書面與現場核查意見認為:干龍潭水庫工程質量差，存在大壩滲漏問題，壩坡抗滑穩定安全系數不滿足規范要求，同意三類壩鑒定結論。

3 除險前大壩滲流及穩定狀況

3.1 滲透變形分析及評價

根據安全評價時鉆孔及坑探試壓注水試驗參數，按有限深透水地基、下游無水、無排水設施的均質土壩計算出的正常蓄水位時浸潤線逸出點高程為1541.080m，而大壩現狀下游壩坡浸濕部分均在此高程以下，大壩的浸潤線計算符合壩體現狀。

壩坡浸潤線逸出點出逸坡降J=1/(1+m22)1/2=0.316。

壩坡浸潤線逸出點臨界滲透坡降及允許滲透坡降分別采用兩種方法，具體計算如下:

a.壩坡浸潤線逸出點臨界滲透坡降的計算按能源部、水利部水利水電規劃總院1989年出版的《碾壓式土石壩設計手冊》公式(下稱手冊公式)計算。

式中 rw——為水容重;

β——為下游坡角，18.430;

r1’——為土的浮容重，0.848;

C——為滲出段壩體填土的凝聚力，2.03t/m2;

φ——為壩土的內摩擦角，14.100。

由此將參數代入式中求得壩坡滲出段上土的臨界滲透坡降為:Jc=0.136。

b.壩坡浸潤線逸出點允許坡降的計算按《小型水利水電工程碾壓式土石壩設計導則》(SL 189—96)“條文說明7.1 條”中的滲流計算公式(下稱導則公式)計算。

式中 rs——為土粒密度，2.76t/m3;

rw——為水密度，1.0t/m3;

n——為土的孔隙率，1.094;

J——為滲透坡降;

KB——為流土安全系數，取1.5。

由此將參數代入式中求得壩坡滲出段上土的破壞滲透坡降為:J破壞=0.484，J允許=0.322。

以上計算中，手冊公式計算成果比較符合本工程的實際，出逸點的實際滲透坡降已接近導則公式計算的允許滲透坡降，取Jc=0.136 作為本工程的評述依據。

大壩壩體為中等～強透水層，壩土k 值系數偏大，不能滿足均質壩壓實后的滲透系數不大于1.0×10－4cm/s的填筑要求，抗滲能力較差。壩基為中等～弱透水層，兩壩肩第四系殘積層亞黏土屬中等～弱透水層，基巖灰巖屬弱透水層，壩土與殘積層接觸帶為中等透水層。現大壩滲漏嚴重，滲流逸出點較高，背水坡已大面積潮濕和散浸，說明大壩滲流現狀不穩定。以上計算實際滲透坡降J 大于臨界滲透坡降JC，接近允許滲透坡降J允許，滲透穩定性不滿足要求，大壩滲流性態處于不安全狀態，大壩存在滲透變形。

3.2 大壩穩定復核計算

3.2.1 土料物理力學指標及壩體浸潤線

3.2.1.1 土料物理力學指標

試驗成果安全評價階段土料物理力學指標見下頁表1 所示。

壩土:從表中壩土11 組原狀土樣來看，所取土樣試驗數據基本能反映土樣的真實性，因此計算中，壩體部位土料的抗剪強度指標采用小值均值。

壩基:屬第四系壩基土層，從表中3 組土樣試驗值看基本接近，故取算術平均法求出平均值，作為計算采用值。

本工程安全評價階段穩定計算取用參數詳見表2。

表2 大壩穩定分析選用物理力學指標

通過以上分析可以看出，各組土樣的室內試驗結果真實可信，結合大壩現狀，對不同部位土料的抗剪強度指標采用不同計算方法的計算結果作為大壩抗滑穩定計算的基本參數，符合工程實際。

3.2.1.2 壩體浸潤線的確定

干龍潭水庫大壩未設壩體水位觀測孔，無浸潤線實測資料，安全評價階段的浸潤線以2007年3月鉆孔觀測水位為主要依據。庫水位為1548.150m，較正常水位1548.700m 低0.550m，結合實測鉆孔觀測水位及鉆孔試驗取得的各區滲透系數值進行浸潤線的分析計算，擬合出各特征水位情況下的壩體浸潤線，再采用《理正巖土系列軟件3.52 版》中的滲流分析計算軟件進行有限元分析，并結合大壩滲流逸出點位置進行調整，計算結果見表3。

表3 大壩浸潤線計算成果

3.2.2 抗滑穩定計算及評價

3.2.2.1 抗滑穩定計算

抗滑穩定計算分析方法為有效應力法，計算采用《土質邊坡穩定分析程序STAB2000》中的畢肖普法和瑞典圓弧法計算。計算結果以兩者中的較小安全系數作為安全評價穩定復核結果。

計算斷面采用實測大壩的最大橫斷面，浸潤線主要參照鉆孔壓水位、探坑揭露情況及大壩的實際滲漏情況擬合而得。根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)、《水工建筑物抗震設計規范》(SL 203—97)和《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)，結合干龍潭水庫運行狀況，確定計算工況組合及計算成果見表4。

表4 壩坡穩定分析計算成果

3.2.2.2 抗滑穩定評價

從以上計算成果分析，干龍潭水庫大壩上游坡安全系數均滿足規范規定值，而下游壩坡在各工況下的抗滑穩定安全系數均小于規范規定的數值，結合大壩的現狀，雖然大壩土體長期工作于飽和狀態，但由于水庫多年未能達到正常水位，因此壩體并未發生拉裂和大的滑坡等變形現象，但大壩仍存在不安全隱患，根據《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)有關規定，大壩結構安全等級為C 級。

4 壩體及壩基防滲設計

4.1 防滲處漏方案選擇

根據地質復核和相關檢查，基本查明了水庫大壩、基礎地質情況和病害原因。干龍潭水庫壩體及接觸帶均存在滲漏問題，特別是壩體滲漏比較嚴重。

由于大壩的嚴重滲漏，導致后壩坡逸出點較高，壩體土料力學指標降低，為此，必須對大壩和壩基進行防滲處漏，有效降低壩體浸潤線，提高壩體土料力學指標，達到除險加固之目的。

針對水庫病害原因，對干龍潭水庫的大壩可采用防滲帷幕灌漿或混凝土防滲薄墻兩種方案進行處漏。對兩方案作如下對比:

4.1.1 帷幕灌漿方案

干龍潭水庫大壩為均質土壩，大壩壩體、壩肩、壩基均采取沿壩軸線進行帷幕灌防滲漿，帷幕線布置于壩軸線上游0.5m 處，孔距1.5m，起灌高程從水庫正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕線總長為678.0m，右岸延長11m。帷幕底界深入壩基以下2～8m，進入第四系及基巖弱透水層內，防滲標準基巖為q≤10Lu，第四系及壩土為k≤10－5cm/s。

4.1.2 混凝土防滲薄墻方案

混凝土防滲墻布置于壩軸線偏上游0.7m，范圍從壩軸線里程壩0+023～0+663，總長640m。防滲墻墻頂高程比水庫正常蓄水位高1.0m，即1549.70m。防滲墻總面積7129m2，墻底嵌入壩基2.0～3.0m，墻體厚度0.4m，采用C10 黏土混凝土，抗滲標號為W6。

兩方案的工程量及投資如表5 所列:

表5 大壩防滲方案比較

從上表可以看出，帷幕灌漿方案比混凝土防滲墻方案節省投資260.01萬元，帷幕灌漿防滲處漏施工簡單，技術也較為成熟，防滲效果可靠，是目前堤防工程和土壩工程中常用的處漏方法之一，雖然混凝土防滲墻的防滲效果更為可靠，但其施工工藝復雜，投資較大。針對干龍潭水庫工程的實際，本次設計推薦采用投資較省的帷幕灌漿方案作為水庫壩體和壩基的防滲處漏方案。

4.2 帷幕灌漿防滲設計

4.2.1 壩基和兩岸幕體防滲要求

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)第6.3.9 條的規定:“灌漿帷幕的設計標準應按灌后基巖的透水率控制。1 級、2 級壩及高壩透水率宜為3～5Lu，3 級及其以下的壩透水率宜為5～10Lu。”干龍潭水庫大壩為4 級壩，壩高15.4m，因此其防滲帷幕深入到弱透水帶(q≤10Lu)即可。

根據勘察情況分析，壩體右岸帷幕需延伸11m 才能滿足大壩防滲要求。

4.2.2 壩體、壩基帷幕灌漿設計

大壩從壩頂1552.2 000m 高程造孔，起灌高程從水庫正常蓄水位起灌，即1548.70m。帷幕采用單排灌漿孔，均為垂直孔，孔距為1.5m。灌漿方法為自上而下分段灌漿，壩體和壩基第四系灌漿采用水泥漿加黏土漿(水泥與黏土漿比例為1/3)，灌漿水泥單耗初定100kg/m，基巖采用純水泥漿灌注，其灌漿水泥單耗初定250kg/m，灌漿壓力由灌漿試驗確定。帷幕線總長為678.0m，右岸延長11m 造孔總進尺為7067m，總灌段5485m，不灌段1582m。帷幕底界深入壩基以下2～8m，進入第四系及基巖弱透水層內，防滲標準基巖為q≤10Lu，第四系及壩土為k≤10－5cm/s。

5 除險加固后的大壩穩定計算

干龍潭水庫大壩的穩定在安全評價階段已得出結論:“大壩上游坡安全系數滿足規范規定的數值，而大壩下游壩坡在正常水位、設計洪水位及校核洪水位工況下的抗滑穩定安全系數瑞典圓弧法分別為1.131、1.079 和1.009，畢 肖 普 法 分 別 為1.212、1.185 和1.146，均小于規范規定的數值，說明大壩存在安全隱患，大壩結構安全等級評價為C 級。”因此，需對大壩進行除險加固后的穩定計算。

土料試驗指標采用安全評價階段的試驗指標，大壩浸潤線為大壩防滲處漏后的浸潤線。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)和《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2000)的要求，結合干龍潭水庫的情況確定計算工況。干龍潭水庫大壩為均質土壩，壩體構造單一，因工程區區域地震烈度為Ⅵ度，不考慮地震因素，再者是水庫無驟降的可能，不進行驟降工況下的抗滑穩定計算。

大壩抗滑穩定計算軟件采用《土質邊坡穩定分析程序STAB2000》的畢肖普法。計算結果如表6 所列。

表6 壩坡最小安全系數計算成果

從以上計算成果可以看出，大壩經過防滲處漏后，浸潤線降低，其抗滑穩定安全系數得到很大的提高，對大壩的除險加固起到了切實有效的作用，有效地消除了大壩的安全隱患，這說明防滲處漏的辦法符合工程實際。

6 結 語

干龍潭水庫竣工蓄水后的現場檢查發現:大壩通過帷幕灌漿防滲處理后，解決了壩體、壩基及接觸帶滲漏問題，提高了大壩穩定性，實現了工程除險加固的目的。

1 SL 274—2001 碾壓式土石壩設計規范［S］.

2 SL 62—94 水工建筑物水泥灌漿施工技術規范［S］.

3 SL 203—97 水工建筑物抗震設計規范［S］.

4 SL 258—2000 水庫大壩安全評價導則［S］.