水庫除險加固工程的施工和地質(zhì)分析

摘要：本文主要針對水庫除險加固工程的施工和地質(zhì)分析展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實例，詳細(xì)闡述了壩址主要工程的地質(zhì)條件，給出了壩體工程質(zhì)量評價及地質(zhì)參數(shù)建議值，并對大壩的防滲處理作了系統(tǒng)分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：水庫除險;加固工程;地質(zhì)分析

近年來，我國加大了對水利工程設(shè)施的投入，而對于一些存在風(fēng)險隱患的水庫，也開始了除險加固工程的施工。但是由于大部分水庫所處的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，因此這也使得水庫的除險加固工程存在著難度，所以在水庫的除險加固工程中，我們需要認(rèn)真分析地質(zhì)情況，以采取相應(yīng)的措施做好工程施工，從而保障水庫的長期使用。

1"工程概況

某水庫是以灌溉為主，兼具發(fā)電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游、城市供水等綜合效益的全國重點中型水庫。壩體為均質(zhì)粘土壩，最大壩高51m，壩頂高程538m，壩頂長300m，壩頂寬5m，正常蓄水位529m，壩底寬329.9m，迎水坡比為1：4.5～1：2.5，背水坡比為1：3.5～1：2，壩基設(shè)三道截滲槽，壩后設(shè)棱柱和褥墊混合式排水體。大壩于1966年10月動工修建，1970年3月建成蓄水，總庫容4190萬m3。

1975年水庫攔洪蓄水時，右壩肩下游數(shù)處漏水，經(jīng)分析，因繞壩滲漏所致。為保證大壩安全，對該段進(jìn)行了防滲帷幕灌漿。設(shè)計帷幕長度64m，幕深35.2m～48.6m，幕厚2.0m，一排帷幕鉆孔，孔距2.0m。但施工中由于資金、材料困難，只灌了設(shè)計工程量的39%左右，繞壩滲漏依然存在。通過灌漿數(shù)據(jù)分析：

（1）帷幕孔距較大，帷幕線只有一排，幕體抗?jié)B能力較差，需要繼續(xù)加密。

（2）幕體右端沒有與相對不透水層相連，應(yīng)繼續(xù)采取防滲處理措施。

1980年10月15日，某主河槽段發(fā)生滑坡，滑坡高程為519m，直至1988年10月在原位置上又先后發(fā)生五次滑坡。滑坡裂縫呈圓弧形，左右兩端弧尾均觸及兩岸山坡，弧頂高程為519m，最大滑坡裂縫弧長117m，弦長74m，最大裂縫寬度0.4m。1987年～1990年除險加固時對該滑坡進(jìn)行了重點處理，對滑坡體部位進(jìn)行重新夯實，滑坡體河床部位采用拋石鎮(zhèn)腳，大壩內(nèi)坡原滑動部位全采用干砌石體處理。目前該滑坡體已趨穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)未見明顯異常現(xiàn)象。

1993年～1994年，因壩體滲漏大壩背水坡出現(xiàn)滲濕帶，曾對壩體進(jìn)行過一排、兩序共29孔劈裂灌漿，累計灌入干土725t。1995年經(jīng)開挖探井檢查并取樣分析，壩體土干密度由灌前的1.562g/m3提高到1.623g/m3，壩內(nèi)孔洞堵死，測壓管水位普遍降低，降幅0.2m～3m，壩體土滲透系數(shù)由灌漿前的10-4cm/s～10-5cm/s減小到10-6cm/s～10-8cm/s，背水坡滲濕帶明顯減小。

下面，重點分析壩址主要工程地質(zhì)條件及本次砼防滲墻在水庫壩體防滲處理中的應(yīng)用。

2"壩址主要工程地質(zhì)條件

2.1"地形地貌

壩址區(qū)河谷呈不對稱“V”型，壩址區(qū)河段流向近東西向。大壩樞紐呈N21°E橫亙于某河，南與基巖山坡銜接，北與階地臺塬平緩坡地相連。大壩右岸為基巖岸坡，谷坡陡峻，坡度40°～50°，局部為近于直立的峭壁;左岸上部副壩段壩基為階地臺塬，階地面平緩開闊，坡度一般<10°。

2.2"地層巖性

壩址區(qū)基巖為石炭系絹云母綠泥石石英片巖與石英片巖，主要分布于壩基右岸坡、河床及左岸坡中下部位。河床覆蓋層為砂卵石，厚1.0m～1.5m，其下為基巖。左岸坡在高程510m以下為基巖，以上為三級階地堆積層，地表為棕黃色粘土層，厚4m～6m，其下為砂卵石層，厚1.5m～3m。

2.3"地質(zhì)構(gòu)造

壩址區(qū)位于某山背斜南翼，總體為單斜構(gòu)造，片理產(chǎn)狀N55°W～EW，傾SW，傾角45°～55°。局部受斷裂構(gòu)造影響變化較大，片理走向轉(zhuǎn)為NE，傾向SE，傾角變陡，甚至直立。

構(gòu)造主要為斷層與裂隙。壩址區(qū)小斷層較發(fā)育，尤其是右岸坡，斷層主要有5條，為中高傾角，傾角41°～87°，破碎帶一般4cm～10cm，斷層夾泥一般4mm～10mm。主要裂隙有二組：一組走向N80°～60°W，傾角45°～70°，延伸較遠(yuǎn)，局部張開。另一組走向N55°～65°E，傾角60°～70°。

2.4"水文地質(zhì)條件

壩址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水。巖體透水性的主要控制因素是巖體的性質(zhì)、斷層、裂隙切割程度及巖體風(fēng)化程度等。鉆孔壓水試驗表明，淺部巖體風(fēng)化較強，巖體破碎，裂隙發(fā)育，透水性強，而深部巖體風(fēng)化較弱，完整性好，透水性亦較弱，基巖透水性一般隨深度的增加而逐漸變小。個別孔段由于構(gòu)造面貫通造成裂隙切割較深，存在相對隔水層以下透水率增大的現(xiàn)象。壩址基巖以石炭系下統(tǒng)略陽組絹云母綠泥石石英片巖為主，夾石英片巖，該巖體抗風(fēng)化能力較差，所以壩址巖體風(fēng)化較強烈。壩址右岸為基巖谷坡，地勢陡峻。左岸下部陡峭，上部為階地臺塬，兩岸透水性存在明顯差異。

右岸坡上部全、強風(fēng)化帶深度15m～25m，裂隙發(fā)育，形成強透水帶，下部弱～微透水帶埋深36m～50m。河床段巖體為中～微透水，透水率0.6Lu～18Lu。左岸上部砂卵石層形成強～中等透水，厚度2.1m～3.1m。砂卵石層以下基巖透水性主要受風(fēng)化的控制，垂直分帶特征明顯，頂部為一分布連續(xù)的中等透水帶，透水帶最大厚度約18m，透水率10.6Lu～24Lu，中部為弱透水帶，透水率1.4Lu～6.5Lu，底部巖體為微透水。

其壩址主要工程地質(zhì)條件可參見圖1。

圖1"壩軸線工程地質(zhì)剖面圖

3"壩體工程質(zhì)量評價及地質(zhì)參數(shù)建議值

3.1"壩體工程質(zhì)量評價

通過鉆孔、探井、多期工程地質(zhì)勘察，依據(jù)壩體土樣物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果統(tǒng)計資料可看出：

（1）壩體土樣的液限在36.6%～40.6%之間，塑性指數(shù)在12.7～24.3之間變化，作為防滲體填筑料可滿足要求。壩體土以低液限粘土為主，且含有低液限粘土質(zhì)砂，說明筑壩時對土料質(zhì)量控制不嚴(yán)。

（2）壩體土樣的含水率16.32%～27.61%，平均含水率23.02%，平均飽和度94%，說明大壩土樣基本上處于飽和狀態(tài)。

（3）壩體土樣的最大干密度為1.63g/cm3，最小干密度為1.45g/cm3，平均干密度為1.54g/cm3，壩體土干密度差異較大，約60%的壩體土樣壓實度不滿足規(guī)范要求值（96%）。壩體填筑密實度不均勻，層間密度相差較大，壩體碾壓層分層處結(jié)合不好，碾壓質(zhì)量較差，壩體存在密實程度較低的部位。

（4）大壩土樣飽和固結(jié)不排水三軸抗剪強度總應(yīng)力指標(biāo)C、φ值最小值分別為10kPa、14.0°，最大值分別為50kPa、21.4°，平均值分別為29kPa、18.4°，小值平均值分別為19kPa、16.5°;有效應(yīng)力指標(biāo)C'、φ'最小值分別為10kPa、16.7°，最大值分別為40kPa、26.6°，平均值分別為27kPa、22.0°，小值平均值分別為18kPa、19.6°。表明壩體土抗剪強度指標(biāo)值變異較大，土樣密實度及結(jié)構(gòu)不均勻。

3.2"工程地質(zhì)參數(shù)建議值

綜合地勘資料，依《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合土工試驗成果，其有關(guān)地質(zhì)參數(shù)分別建議為：

（1）壩體土：土粒比重Gs=2.73，含水率ω=23.0%，孔隙比e=0.761，天然密度ρ=1.90g/cm3，干密度ρd=1.55g/cm3，固結(jié)不排水三軸剪切抗剪強度總應(yīng)力指標(biāo)C=22kPa，φ=16°，有效應(yīng)力指標(biāo)C'=20kPa，φ'=18°，垂直滲透系數(shù)Kv=3.31×10-7cm/s，水平滲透系數(shù)Kh=9.38×10-7cm/s。粘土破壞形式為流土，建議允許水力坡降為0.48。

（2）壩前淤泥質(zhì)土層：土粒比重Gs=2.68，含水率ω=46.3%，孔隙比e=1.25，天然密度ρ=1.74g/cm3，干密度ρd=1.19g/cm3，建議固結(jié)不排水三軸剪切抗剪強度總應(yīng)力指標(biāo)C=9kPa，φ=4°，滲透系數(shù)為k=2.18×10-8cm/s。

（3）壩基基巖：比重Gs=2.74，干密度ρd=2.69g/cm3，天然密度ρ=2.72g/cm3，孔隙率=1.8%，吸水率=1.24%;抗剪斷強度c=29kPa，φ=30°，透水率q=18Lu（透水層厚度6.0m）。

4"大壩防滲處理

4.1"壩體砼防滲墻

近年來，水庫處于高水位時大壩背水坡右側(cè)523m～527m高程之間有一條滲濕帶，寬5m～10m，長約38m，滲濕面積約300m2，該帶長期滲濕。B3-8觀察孔附近的觀測井內(nèi)可見明顯滲水，對壩坡穩(wěn)定不利。經(jīng)勘察取樣分析，系壩體土碾壓密實程度較低，結(jié)構(gòu)不均勻所致。

本次對壩體防滲加固處理時經(jīng)過3種方案比較，最終采用素砼防滲墻方案。砼防滲墻的類型為槽孔型，砼防滲墻為全壩段布設(shè)，長308m，墻底部深入壩基強風(fēng)化基巖1.0m，砼墻最大深度49.4m。砼墻主要設(shè)計指標(biāo)分別為：墻體計算厚度0.48m～0.8m，采用厚度0.6m。容重≥2.2t/m3，抗壓強度3MPa≤R28d≤5MPa，彈性模量300MPa≤E28d≤1000MPa，抗?jié)B標(biāo)號≥W6。

防滲墻槽孔分兩期施工，一期槽孔砼澆筑完畢24小時，再施工二期槽孔，一、二期槽段長均為7.0m。采用“兩鉆一抓法”成槽，沖擊鉆機配合液壓抓斗施工成槽，粘土泥漿護壁，用HBT60型泵輸送砼，泥漿下直升導(dǎo)管法澆筑砼，再采用“接頭管”法進(jìn)行槽段連接。

所謂“兩鉆一抓法”成槽，即用鉆機在槽孔兩端頭先鉆導(dǎo)孔，再利用液壓抓斗抓取副孔。這種方法能充分發(fā)揮兩種機械的優(yōu)勢，沖擊鉆機的鑿巖能力較強，可鉆進(jìn)不同的地層，先鉆主導(dǎo)孔，為抓斗開路，抓斗在抓取副孔時效率較高，所形成的孔壁平整，且主導(dǎo)孔導(dǎo)向作用能有效地防止抓斗造孔時發(fā)生偏斜。

防滲墻連接部位采用“接頭管”法，指在澆筑一期槽孔前，在槽孔兩端下設(shè)接頭管，可避免重新鉆鑿接頭孔所造成的工時和材料浪費，具有接觸面光滑，接縫緊密，孔斜易控制，搭接厚度有保證等優(yōu)點。

4.2"壩基、壩肩帷幕灌漿

大壩左岸副壩段基礎(chǔ)本身因砂卵石層構(gòu)成中等透水帶，再加之其壩前灘涂地帶人為開挖精養(yǎng)魚塘，加劇了滲漏通道，導(dǎo)致壩后階地臺塬520m～524m高程出現(xiàn)沼澤化，左岸坡中下部基巖因存在中等透水帶而產(chǎn)生滲漏明流。河床段鉆孔壓水試驗成果表明，河床段基巖亦存在中等透水帶。右岸坡基巖因存在中等透水帶不但產(chǎn)生滲漏明流，且存在繞壩滲漏。

對右壩肩存在繞滲的問題，本次除險加固時采用了帷幕灌漿方案。右岸壩肩繞滲區(qū)帷幕灌漿段起始高程高出正常蓄水位3m，帷幕底部深入相對不透水層3m，孔距2m，單排三序，自上而下施灌。經(jīng)過處理后，壩肩繞壩滲漏問題基本消除，滲漏明流基本斷流。

壩基滲漏問題，本次除險加固中對基巖壩基采取了砼防滲墻與帷幕灌漿的綜合措施。砼防滲墻底深入基巖1m，灌漿帷幕頂部自砼防滲墻底部起灌，帷幕底部深入相對不透水層5m，帷幕孔距2m、單排、自上而下施灌。左岸砂卵石層壩基采用砼防滲墻截滲方案，砼墻體厚度0.6m，墻底深入基巖1.0m。

大壩經(jīng)過砼防滲墻及帷幕灌漿處理后，對比觀測資料，各測壓管內(nèi)水位下降2m～3m，滲濕帶基本消失，壩后滲漏明流基本斷流。壩后電站廠房集水井內(nèi)滲水顯著減少，壩基滲漏問題得到明顯改善。

5"結(jié)語

綜上所述，水庫作為我國水利設(shè)施的重要一部分，對防洪除險有著極大的幫助。因此，水庫的除險加固工程成為了維護水庫正常運行的關(guān)鍵工作。我們需要認(rèn)真分析水庫所處的地質(zhì)環(huán)境，因地制宜的選擇相應(yīng)的施工技術(shù)進(jìn)行加固除險的施工，以保障水庫的施工質(zhì)量和長期使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]盤承森.水庫除險加固工程的施工管理[J].技術(shù)與市場.2012（03）.

[2]嚴(yán)有風(fēng).水庫除險加固工程施工設(shè)計探析[J].中國水運（下半月）.2014（11）.