橫山縣大川溝水庫(kù)大壩病險(xiǎn)問題分析

張慧勇 高強(qiáng)山

（1.橫山縣河務(wù)水庫(kù)管理站 陜西 橫山 719100；2.橫山縣水庫(kù)移民辦公室 陜西 橫山 719100）

1 概況

位于橫山縣波羅鎮(zhèn)鮑渠村附近的大川溝水庫(kù)，距橫山縣縣城東北15km，壩址位于無定河左岸一級(jí)支流大川溝下游，水庫(kù)壩址以上控制流域面積70km2。大川溝水庫(kù)于1978年3月動(dòng)工修建，并于1982年11月竣工發(fā)揮效益，水庫(kù)建成后，由陜西省橫山發(fā)電有限責(zé)任公司供水公司管理，隸屬于橫山縣水利局。該水庫(kù)是一座具有工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、防洪等綜合效益的小（Ⅰ）型水庫(kù)。該水庫(kù)原設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核。大川溝水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容950萬m3，其中調(diào)洪庫(kù)容650萬m3，興利庫(kù)容140萬m3，截至目前，水庫(kù)淤積145萬m3。限于當(dāng)時(shí)施工技術(shù)條件，施工設(shè)施現(xiàn)代化程度低下，施工質(zhì)量差，為水庫(kù)安全運(yùn)行留下隱患，土壩建成后從未高水位運(yùn)行過。八畝塔下游山坡處一直有多處滲漏點(diǎn)，滲水面積約350m2；背水坡右岸壩坡處有1處集中漏水點(diǎn)，1998年進(jìn)行了插管排水處理；從1993年至2006年，每年由橫山電廠安排零星的加固處理，對(duì)大壩壩體進(jìn)行裂縫修補(bǔ)加固，并對(duì)上游壩坡進(jìn)行干砌石護(hù)面處理。

2 水文

橫山縣屬溫帶大陸性季風(fēng)半旱草原氣候，春季干旱秋季澇，風(fēng)沙霜凍加冰雹，無霜期短溫差大，日照充足降雨少。多年平均氣溫8.6℃，平均相對(duì)濕度54%；無霜期為163天；多年平均風(fēng)速2.5m/s，最大風(fēng)速25.7m/s，風(fēng)向?yàn)镹W；多年平均降水量為398.4mm。大川溝水庫(kù)流域內(nèi)無實(shí)測(cè)水文資料。設(shè)計(jì)年徑流量采用水文比擬法、徑流深等值線圖法等兩種方法分析計(jì)算，經(jīng)過比較，選用殿市水文站為參證站，以水文比擬法計(jì)算結(jié)果為推薦值，即水庫(kù)多年平均徑流量為310萬m3。頻率25%、50%、75%、95%的相應(yīng)徑流量代表年分別為殿市水文站實(shí)測(cè)1988年、1971年、1986年、1965年。采用推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法和水文比擬法三種方法推算大川溝水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水。經(jīng)過對(duì)三種計(jì)算成果的對(duì)比分析，認(rèn)為采用推理公式法計(jì)算結(jié)果較為合理，故水庫(kù)壩址50年、500年一遇設(shè)計(jì)、校核洪峰流量分別為1100m3/s、1780m3/s，相應(yīng)洪水總量分別為352萬m3、733萬m3。2008年4月實(shí)測(cè)水庫(kù)淤積面高程為994.5m，淤積量為145萬m3。水庫(kù)建成已經(jīng)運(yùn)行26年，平均年淤積泥沙5.57萬m3。

3 地質(zhì)

大川溝水庫(kù)位于陜北黃土高原北部，毛烏蘇沙漠南緣，庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng)度約3.0km左右，庫(kù)岸邊坡主要由砂質(zhì)黃土組成；庫(kù)岸邊坡黃土崩塌較發(fā)育，尤以左岸最為發(fā)育，左岸距壩肩約600m處有一崩塌體，寬約150m，厚約10m～15m，總方量約7萬m3～10萬m3。庫(kù)區(qū)段河谷地形封閉，水庫(kù)滲漏輕微；設(shè)計(jì)庫(kù)水位高程附近無大面積農(nóng)田和集中居民點(diǎn)，不存在浸沒問題。工程區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度，地震動(dòng)峰值加速度小于0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

壩址區(qū)河谷呈“W”型，溝谷中心偏右處有一孤島（八畝塔），將溝谷分為兩部分，右側(cè)溝谷（副壩）底部寬30m～40m，河床高程997.86m～998.86m，兩岸斜坡高50m～60m，壩區(qū)兩岸邊坡基本穩(wěn)定。左側(cè)溝谷（主壩）底部寬40m～50m，河床高程975.6m～976.3m，兩岸斜坡高50m～100m，壩區(qū)兩岸邊坡基本穩(wěn)定。壩區(qū)無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4 大壩病險(xiǎn)分析

大川溝水庫(kù)水庫(kù)大壩由主壩、副壩組成，壩頂總長(zhǎng)349m，主壩高42m，長(zhǎng)240m，壩頂寬10m。大壩壩基建在基巖上，右壩端與巖石相接；左壩端與巖石、砂壤土相連，壩基與壩體采用結(jié)合槽及齒墻型式連接，大壩迎背水坡坡比為1∶3.0～1∶3.5；大壩迎水坡高程1008.50m建有戧臺(tái)，戧臺(tái)寬均為0.4m，其中在右壩端1008.70m戧臺(tái)處建有過壩補(bǔ)水渠道（雷惠補(bǔ)水渠），渠寬2m，深2m為漿砌石矩形渠；大壩背水坡高程1009.66m、995.00m處分別建有兩道戧臺(tái)，戧臺(tái)寬分別為6.0m、10m，其中補(bǔ)水渠從1009.66m戧臺(tái)上通過下游壩坡，結(jié)構(gòu)形式同上游壩坡；壩腳設(shè)有排水棱體，棱臺(tái)高程980.50m，棱體高8.2m（已經(jīng)淤埋僅剩3.6m高），頂寬1.2m，長(zhǎng)75m，內(nèi)外側(cè)坡比分別為1∶1、1∶1.5。

4.1 壩體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)勘探試驗(yàn)資料分析，大壩施工時(shí)清除了右岸壩肩斜坡表面的殘坡積土和全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖體，右岸壩肩斜坡由弱風(fēng)化的砂巖組成，巖體較完整，基本穩(wěn)定。大壩壩基為弱風(fēng)化砂巖，巖體較穩(wěn)定。在大川溝水庫(kù)大壩背水坡發(fā)現(xiàn)幾處小沖溝，壩面呈凹形下陷并在馬道邊緣發(fā)育有小落水洞，直徑15cm～20cm，深10cm～15cm。調(diào)查時(shí)在右側(cè)壩體雷惠渠涵洞口發(fā)現(xiàn)人工引水渠，曾經(jīng)用來灌溉馬道上的植被，現(xiàn)在已基本廢棄。經(jīng)分析認(rèn)為，壩面的小型沖溝和小落水洞均是由于在馬道上灌溉苗圃時(shí)，水體過大造成的，與壩體滲漏沒有直接關(guān)系。經(jīng)復(fù)核大壩在正常、非常運(yùn)用條件下，壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，所以，大壩上、下游邊坡都是穩(wěn)定的。

4.2 壩體填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)

大壩軸線布設(shè)鉆孔3個(gè)，取原狀土樣24組，大壩填筑土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)成果如表地質(zhì)報(bào)告，顆分試驗(yàn)成果地質(zhì)報(bào)告。根據(jù)室內(nèi)顆分試驗(yàn)資料定名，大壩填筑土為砂壤土，其干密度值偏低（平均ρd=1.56g／cm3），壩體碾壓質(zhì)量較差；孔隙比最大值為0.944，最小值為0.576，平均值為0.698，屬中等密實(shí)；壓縮系數(shù)最大值為a1-2=0.27MPa-1，最小值為a1-2=0.08MPa-1，平均值為 a1-2=0.27MPa-1，屬中壓縮性土；滲透系數(shù)大小不均，垂直滲透系數(shù)平均值K=3.3×10-4cm／s，大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（1×10-5cm／s）。壓水試驗(yàn)測(cè)得其透水率q=36Lu～58Lu，中等透水，與下游坡面浸水、鉆探過程局部有漏水現(xiàn)象基本一致。綜上，壩體填筑土碾壓質(zhì)量較差，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 壩基壩望滲漏檢測(cè)

據(jù)檢測(cè)，大川溝水庫(kù)大壩為均質(zhì)水墜土壩，壩體土各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)基本符合《SL251-2000規(guī)程》要求。但壩殼填筑土的孔隙比在0.675～0.874之間，滲透系數(shù)kv=2.5×10-4；滲透系數(shù) kh=2.0×10-4，小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。壩體以砂壤土為主，壩體透水率q＞10Lu，中等透水，滲漏明顯；壩基為中風(fēng)化砂巖，壩基巖面以下弱風(fēng)化帶垂直厚度3.0m～5.0m左右，巖體透水率q=28Lu～56Lu，為中等透水，其接觸部位的透水率q＞10Lu。

據(jù)調(diào)查，在主壩背水坡坡腳發(fā)現(xiàn)1處滲水點(diǎn)，可見明顯的滴水現(xiàn)象。根據(jù)觀察，每分鐘滴水2滴～3滴，滲水量極小水點(diǎn)周圍約0.3m2～0.4m2的土體濕潤(rùn)。其受庫(kù)中蓄水影響變化明顯，當(dāng)庫(kù)水位較高時(shí)，滲水量明顯增大，滲水點(diǎn)周圍出現(xiàn)約2m2～3m2的散浸區(qū)。右岸壩肩巖體總體穩(wěn)定，但由于節(jié)理及層理發(fā)育，大壩有繞壩滲漏現(xiàn)象。在泄水洞出口右側(cè)壁發(fā)現(xiàn)滲水點(diǎn)，出水口側(cè)壁砌石顏色變深，有綠青苔展示，其為長(zhǎng)期滲水的結(jié)果。

4.4 現(xiàn)狀壩坡滲流、穩(wěn)定復(fù)核

現(xiàn)狀壩體穩(wěn)定復(fù)核根據(jù)正常蓄水位1000.00m進(jìn)行大壩滲流計(jì)算，計(jì)算過程如下述。

4.4.1 壩坡滲透復(fù)核

計(jì)算斷面取實(shí)測(cè)壩體最大斷面（樁號(hào)ZB0+185），壩基高程為 971.80m，壩頂高程1013.50m，寬10m，迎水坡坡比1∶3.0～1∶3.5，背水坡平均坡比1∶3.0～1∶3.5，壩后河床面高程976.30m。計(jì)算工況為：上游正常蓄水位1000.00m，下游最低水位976.40m時(shí)，上下游壩坡滲流穩(wěn)定情況。土料參數(shù)指標(biāo)：壩體填筑土滲透系數(shù)采用《大壩土工試驗(yàn)報(bào)告》建議值，詳見表1。

表1 滲透試驗(yàn)指標(biāo)值

4.4.2 滲透穩(wěn)定分析

本次滲流計(jì)算采用北京理正滲流計(jì)算程序，經(jīng)計(jì)算現(xiàn)狀穩(wěn)定滲流期，滲透坡降i最大值0.92，最小值0.03，平均值0.48，允許滲透坡降（i允）0.386。根據(jù)計(jì)算知，浸潤(rùn)線于背水坡981.50m處出逸，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線起始段滲透坡降大于壩體填土的允許滲透坡降i允，中間段及出逸段滲透坡降小于壩體填土的允許滲透坡降i允，所以下游壩坡不會(huì)發(fā)生滲透破壞，但存在滲透破壞的隱患。依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)，選擇對(duì)壩坡穩(wěn)定較為不利的工況進(jìn)行分析計(jì)算：上游水位為1011.69m，下游為最低水位976.40m時(shí)下游壩坡穩(wěn)定；上游水位為1011.69m降落至死水位995.00m時(shí)上游壩坡穩(wěn)定。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)大川溝水庫(kù)地質(zhì)勘察結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)查勘病害反映，水庫(kù)大壩目前存在的主要問題有：

（1）大川溝水庫(kù)位于陜北黃土高原北部的丘陵區(qū)，庫(kù)盆由黃土構(gòu)成，滲漏輕微。庫(kù)岸右邊坡巖體裸露，自然坡面傾角50°～60°，整體基本穩(wěn)定。正常蓄水位附近無平緩的耕地及村莊分布，不存在浸沒問題。

（2）水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重，水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)逐年降低；大壩上、下游壩坡不規(guī)整，局部存在裂縫及沖坑，下游壩坡有1處明顯滲水區(qū)。

（3）大壩為水墜均質(zhì)土壩，壩殼填筑料以砂壤土為主，砂壤土各項(xiàng)技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)基本符合《SL251-2000規(guī)程》對(duì)壩殼料的要求。但壩體填土壓實(shí)不夠，主壩右肩存在繞壩滲漏現(xiàn)象；壩基、壩肩透水率都較大，均有滲漏水現(xiàn)象，建議對(duì)壩體及肩進(jìn)行防滲帷幕灌漿處理。

（4）壩坡下游排水棱體被淤埋嚴(yán)重，喪失排水效果，造成大壩下游坡浸潤(rùn)線較高危及壩身安全。

（5）大壩安全檢測(cè)設(shè)施不健全，無法對(duì)大壩的安全運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控；上壩防汛道路為土路，且路面凹凸不平，影響汛期防汛搶險(xiǎn)通行。

綜上所述，大川溝水庫(kù)大壩病險(xiǎn)問題，嚴(yán)重制約了水庫(kù)應(yīng)有效益的正常發(fā)揮，影響了水庫(kù)的安全運(yùn)行，因此，對(duì)該水庫(kù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固是非常必要的。建議其大壩除險(xiǎn)主要措施為：

（1）大壩壩頂路面加固。將壩頂中間6.0m寬硬化為瀝青碎石路面，兩側(cè)各2.0m寬硬化為碎石路面。路面橫向坡2%，從路中間坡向上下游。

（2）迎水坡護(hù)坡修復(fù)加固。設(shè)計(jì)對(duì)正常蓄水位到壩頂段（1000.00m～1013.50m）壩坡采用干砌塊石護(hù)坡。干砌石厚30cm，下層設(shè)20cm厚砂礫石反濾層（粒經(jīng)5mm～80mm）。另外對(duì)左岸壩坡塌陷部位進(jìn)行素土回填夯實(shí)，并增設(shè)上游坡踏步。

（3）背水坡整修工程。對(duì)左右壩肩不規(guī)整坡面進(jìn)行整修素土回填夯實(shí)，對(duì)右壩肩老岸坡進(jìn)行削坡處理，并增設(shè)坡頂及坡面排水溝；完善壩坡縱橫向排水溝，對(duì)毀壞嚴(yán)重的岸坡排水溝拆除重建，橫向新增兩條排水溝。

（4）右壩肩繞壩滲漏加固。在大壩樁號(hào)ZB0+000到樁號(hào)ZB0+120段上游壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲，從上游壩坡淤積面以下1.5m（993.00m）沿上游壩坡鋪設(shè)復(fù)合土工膜，鋪設(shè)總面積為8760m2，復(fù)合土工膜上下游邊與壩坡接合地帶均采用開挖寬40cm、深30cm基槽，并澆筑素砼回填固定。陜西水利