大同市小型水庫均質土壩中壩體常見問題的加固措施

孫 劍

(大同市水利規劃設計研究院，山西大同 037004)

1 基本情況

大同市位于山西省東北部，地處黃土高原與內蒙古高原交接地帶。氣候為典型溫帶大陸性氣候，屬半干旱氣候區。氣溫晝夜溫差大，冬春交替季節極為明顯，冬季氣溫偏低。降水量年內分布極不均勻，主要集中在6～9月內，以短時暴雨為主。

東北—西南走向山脈構成了本市的地貌骨架，尤其北部山脈山體陡峭，山嶺破碎。區域內地表覆蓋大面積黃土，溝壑縱橫，水土流失嚴重。中部為斷陷盆地，三面環山。中北部豐稔山將盆地分為東北部天鎮陽高盆地、中南部大同盆地兩大部分。區域內以沖洪積平原為主，地勢平坦，土層深厚，地下水埋深較淺，是小型水庫分布的主要區域。

2 土壩壩體安全隱患的原因分析

該市早期的水利工程建設，受當時的技術和資金條件所限，前期勘察設計工作普遍不足。水庫多處于黃土溝壑形成的河道中，無水文實測資料。水文資料的匱乏導致水庫的洪水設計標準偏低，多數水庫僅有一二十年一遇的設計標準，而無校核標準，大壩的壩頂高程不滿足規范要求。由于未進行地質勘探工作，對壩基工程地質條件(如:河床分層、土層厚度、分布情況)了解不清，沒有編制合理的設計方案，導致壩體工程存在諸多問題，如:未對壩基和壩肩岸坡進行徹底的清基處理，缺乏有效的防滲或截滲措施;壩體斷面偏瘦，壩坡偏陡;壩坡未設置護坡，易產生沖刷破壞;壩體未考慮防滲處理，壩后排水反濾設施不完善或未設反濾體，浸潤線和出逸點較高，壩體漏水和壩后沼澤化現象嚴重;涵洞(管)和泄洪建筑物側墻與壩體結合處未設截水環、刺墻等截水措施，形成接觸滲漏等。

當時的工程普遍未進行料場勘探，上壩土料大多就近選取，導致壩體填筑成分繁雜。施工人員主要為當地農民群眾，缺乏技術人員指導，施工質量難以控制。受到當時生產條件的限制，施工機械多為馬車碾壓，或為人工夯實，填筑土層超過40cm，層間結合不好，碾壓不均勻，加之土料含水量控制不嚴，壓實度和干容重偏低，工程隱患重重。

小型水庫由于數量巨大、布局分散，經濟效益有限，且缺乏固定投資渠道，日常維護存在巨大困難。多數水庫存在管理人員不足、監測管理難以到位、維修養護經費缺乏、工程老化失修嚴重的情況。水庫管理工作不到位，工程運行中遇到問題不能及時處理也成為水庫病險情況加劇的重要原因之一。

3 均質土壩的壩體加固措施

3.1 均質土壩常見裂縫的處理措施

3.1.1 橫向裂縫處理

壩體裂縫是土壩運行中常出現的現象，均質土壩當壩體發生不均勻沉降時，就會產生與壩軸線垂直或斜交的裂縫，橫向裂縫常表現為防浪墻的開裂。當橫向裂縫的深度小于4m時，可采用開挖回填的方法進行處理。開挖斷面采用梯形，深度比裂縫底深0.5m，長度比裂縫端頭長2m，同時沿壩軸線增設1～2道垂直結合齒槽，使開挖部分與原壩體結合牢固。當裂縫深度較大時，可采用黏土灌漿法。漿液的稠度控制在1∶1～1∶2.5之間，純黏土漿固結后可以與壩體填土形成整體。在處理深度較深的裂縫時，也可以采用上部開挖回填、下部灌漿的方法。灌漿時應注意避開雨季和庫水位較高時施工。

3.1.2 縱向裂縫處理

對于縱向裂縫應首先判斷是否是滑坡產生的裂縫，如果屬滑坡裂縫，應采用上部減載、下部壓重的處理措施。最常采用的方法就是對壩坡進行放緩處理，同時做好上游防滲和下游排水措施。

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該市地處黃土高原，許多地區存在濕陷性黃土。壩體填有此土料后，碳酸鹽類物質遇水溶解，土體結構發生破壞，壩體就會發生顯著的下陷，從而形成沉降裂縫。對于濕陷黃土產生的縱向裂縫，應將壩體滲水部位的不良土體徹底挖除，回填結構性好的粉土。當存在滑坡隱患時，還應采取放緩壩坡、壓重固腳的方法。2009年大同縣杜莊水庫在壩頂靠下游側出現長約100m的裂縫，最大縫寬約20cm。經調查，該部分壩體為2008年村民填筑，裂縫產生的原因為壩體填有濕陷性黃土，遇水沉陷所致。2011年進行水庫除險加固工程時，對下游壩坡的濕陷黃土進行挖除，回填結構性好的土料，同時為了保證壩坡穩定放緩了下游壩坡，壩體經加固后運行良好。

3.1.3 干縮或凍脹縫處理

在炎熱和寒冷天氣，壩體表面常出現一些細小的裂縫，這些裂縫分布較廣，方向沒有規律，縱橫交錯，縫的間距比較均勻，一般與表面垂直，上寬下窄，縫寬往往小于1cm，深度不超過1m。這種裂縫為干縮或凍脹縫，裂縫的產生受季節影響較大，主要是壩體土料的含水量較大(大于最優含水量)、施工期工序不好、護坡不能及時跟上造成的。因此，施工期合理安排工序，控制好施工質量，可以有效預防此類裂縫的產生。

3.2 均質土壩壩坡的加固措施

3.2.1 壩坡加固措施

從實地調查來看，當前小型水庫的絕大多數大壩都存在壩體偏瘦，上、下游壩坡偏陡的問題，在滲流條件作用下，易產生滑坡事故。處理此類滑坡隱患，均質土壩中常見的做法是放緩和培厚壩坡。根據地勘鉆孔揭露，本地區壩體填筑土料多為粉土(Qml4)，根據《碾壓土石壩設計規范》(SD 274—2001)的規定并進行計算，壩體穩定坡度上游應不小于1∶2.5，下游不小于1∶2.25(當壩高低于8m時，壩坡也可取1∶2.0)。當壩體較高時，壩坡應增設馬道，馬道以下壩坡應比馬道以上壩坡緩，坡比差不宜超過0.5。壩頂寬度不應小于5m。按照以上要求，許多水庫大壩的壩坡都不滿足規范要求，需要放緩壩坡。考慮到當前水庫大多都已運行三四十年，并且不能放空水庫，壩體的加固措施應采取“上游削坡，下游培厚”的方法。具體做法為先將水庫放水至死水位，把該高程處壩腳作為起點，根據需要設置不同類型的砌石護坡基礎，沿原上游壩坡向上向后削坡至設計壩頂高程，將下游壩坡的表土及草根清除干凈后，按設計的壩頂寬度和下游坡比進行培厚碾壓處理，并將原有排水體接出到新壩腳。培厚土料可采用當地常見的粉土，碾壓后的壓實度應不小于96%，同時還應保證碾壓的均勻性。

3.2.2 壩腳排水措施

由于水庫壩體或壩基滲漏的原因，下游壩腳處河床土體的含水量會過飽和，有些甚至沼澤化，導致施工機械無法進入進行碾壓操作，這是下游壩坡進行培厚施工時經常遇到的問題。遇到這種情況，施工時常采用的方法是先將表層軟基挖除并晾曬，之后拋填塊石及砂礫進行換基處理，上部設置綜合式排水體，最后在排水體以上進行壩坡的碾壓培厚施工。所謂綜合式排水體就是將褥墊式排水和棱體排水組合在一起，也可根據下游水位情況，將貼坡、棱體與褥墊排水結合在一起。如果壩腳處原有褥墊或棱體排水，則應將原有排水體與新設置的排水體接通，新舊銜接部位均應做好反濾處理，最少設置砂礫及粗砂墊層各一層，每層厚度不宜小于30cm。2012年大同縣下羊落水庫除險加固工程中，對壩體下游壩坡進行培厚時，由于壩腳淤泥過多，無法進行壩體碾壓，施工中首先采用拋石換填軟基，然后在其上部布置褥墊排水和棱體排水相結合的綜合式排水體，最后進行壩坡的碾壓施工并順利完成，各部位的施工質量均滿足要求。

3.2.3 壓重體布置措施

壩坡放緩后，下游壩腳仍存在滑出壩腳以外的滑坡體時，就需要在滑坡段下部采取壓重固腳的措施，即增設壓重體，以增加抗滑力。壓重材料最好選用砂石料。在砂石料缺乏的地區可采用風化土料，但夯實質量應達到設計要求的壓實度。有排水要求的，還應考慮排水體的設置。壓重體的尺寸可根據試驗和計算確定。對于小型水庫，尤其是壩高小于20m時，壓重體高度一般可取滑坡體高度的1/2～1/3。壓重體厚度，一般用石料可為3～5m;土料應比石料大0.5～1倍。土料壓重體的坡度也應放緩至1∶4。

3.3 壩體的防滲措施

3.3.1 水泥土防滲墻

小型水庫均質土壩的壩體防滲工程中，多采用垂直防滲措施。近幾年水泥土攪拌樁防滲墻的使用較為普遍，這種防滲形式具有成墻防滲效果好、造價低、施工工藝簡單的特點。由于小型水庫的壩高較低，壩體中含砂含礫極少，這種工法可以在壩頂進行，因此在壩體防滲工程中應用十分廣泛。在該市水庫工程施工中，這種工法的水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，摻入量多控制在15%左右，水泥漿液水灰比為0.5～0.65，成墻寬度不小于0.3m，墻體滲透系數不大于1×10－6cm/s。水泥土防滲墻也可以布置在上游壩腳處，上游護坡下同時配合鋪設防滲土工膜，用于壩體和壩基的統一防滲處理。

3.3.2 高噴灌漿

均質土壩的壩體防滲工程中，另一種常用的垂直防滲措施就是高噴灌漿。高噴灌漿可以選擇用灌黏土漿或黏土水泥漿的方法進行堵漏和截滲，一般可在滲漏壩段沿壩軸線布設一排孔，然后可根據實際需要，再沿迎水方向增設一排，如滲漏非常嚴重也可在下游增設第3排孔，以達到預定的防滲效果。高噴灌漿的排距和孔距大致相當，可選用1.2～1.8m左右。采用高噴灌漿時，應充分考慮工程投資及施工機械進出場的影響，當工程投資受限時則應考慮分段、分期實施。

3.3.3 復合土工膜鋪設

壩體防滲也可以采用上游壩坡鋪設復合土工膜的方法，鋪膜范圍應從壩趾至校核洪水位間全面鋪設。壩端應深入岸坡，挖截水槽固埋，如遇土沙層，周邊截水槽應截至相對不透水層。鋪膜的起始高程，即壩趾截水槽應截至壩基相對不透水層，底寬不應小于0.2倍的上下游水頭差。土工膜應選擇“二布一膜”的形式，重量不應低于400g/m2。施工時土工膜鋪設不應拉得太緊，以保證膜本身的良好伸縮性，同時保證膜體不能有破損，膜間粘接牢固，粘貼寬度控制在20cm左右為佳。

3.3.4 刺墻和截水環的布置

在壩體與鋼性建筑物的接觸部位，必須增設截滲刺墻和截水環等防滲體，以延長滲徑，這是避免發生接觸滲漏的重要途徑之一。刺墻等防滲體的底面應與建筑物基底建在同一高程，施工完畢回填壩體土時，應在防滲體表面刷三遍黏土漿后，局部進行人工夯實，并且務必保證夯實質量。如:渾源縣神溪水庫，土壩與泄洪閘邊墩銜接段未設置刺墻，由于接觸滲漏導致閘室右岸翼墻外側壩體被水沖開缺口，險些造成潰壩事故。此后的維修加固中，對泄洪閘兩側壩體土開挖后重新進行填筑碾壓，并在泄洪閘左、右翼墻外側增設8m長刺墻。經過加固處理后的部位運行至今未出現問題。

4 結語

據統計，我國水庫破壞以小型水庫最多，約占96%，破壞水庫中以土石壩所占的比例最大，約為98.3%。因此，加快和提高小型水庫土壩壩體加固工程建設，是保證小型水庫安全運行的重要途徑。水庫壩體加固是一項非常重要的綜合性水利科學技術，關系到人民群眾的生命財產安全，因此，水利工程技術人員應該認真進行勘察設計、嚴格保證施工質量、管理人員應該細心管理、精心維護，保證水庫工程的安全運行。

1 謝堆才．基于寧夏地區水庫除險加固設計的個案分析［J］．水利建設與管理，2013(1):27-28．

2 孛永平．小水庫除險加固設計方案的選取［J］．中國農村水利水電，2012(4):145-146．

3 裴豐銀．小型水庫除險加固問題探討［C］//河南省土木建筑學會2008年學術交流會論文集．鄭州:河南省土木建筑學會，2008．

4 白靜，王文龍．深圳市小型水庫大壩防滲處理方案［J］．中國農村水利水電，2012(8):129-131．