大屯水庫上游壩坡局部塌陷原因及處理

(1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南　250000；2.武城縣水務局，山東 武城　253300)

1　概　況

1.1　工程概況

大屯水庫是南水北調東線一期工程魯北段工程的重要組成部分。大屯水庫主要建筑物包括圍壩、渠首進水閘、六五河節制閘、入庫泵站、供水洞等部分。水庫設計洪水標準50年一遇，死水位21.00m，正常蓄水位29.80m。總庫容5209萬m3，調節庫容4464萬m3。入庫泵站設計入庫流量12.65m3/s。水庫向德州市德城區、武城縣城區全年供水，向德城區供水設計流量4m3/s，向武城縣城區供水設計流量為0.60m3/s。

1.2　庫區地質

1.2.1地形地貌

大屯水庫位于黃河下游，地貌屬魯西北黃泛堆積平原區，該水庫位于武城縣東北部的恩縣洼內，庫內地勢低洼平坦。

1.2.2地層巖性

庫區地層表層廣泛分布第四系全新統沖積堆積的砂壤土和裂隙黏土，夾有零星壤土和粉砂，厚度變化較大，分布不穩定；中部為第四系全新統沖積堆積黏土夾砂壤土和壤土，局部為古河道沖洪積堆積的粉砂和粉細砂，分布不穩定，厚度變化較大；下部為第四系上全新統沖積沼澤堆積的粉細砂和中細砂等。

1.2.3地質構造和地震庫區

構造位于華北臺坳(Ⅱ1)臨清臺陷(Ⅲ5)冠縣～德州臺凹(Ⅳ21)北部、故城臺穹(Ⅳ1)東側。區內地質構造均呈隱伏狀，水庫西距滄東大斷裂8km，東距羊二莊～邊臨鎮大斷裂22km。庫區地震動峰值加速度為0.05g，相應地震基本烈度為Ⅵ度。

1.2.4水文地質條件

區內地下水為第四系孔隙潛水，主要含水層為粉細砂、中細砂，其次為砂壤土和裂隙黏土，裂隙黏土中裂隙發育呈立體網狀，連通性較好，但是，發育和透水性不均一。各含水層間水力聯系密切，據野外抽水試驗，含水層滲透系數為5.5×10-4～1.57×10-2cm/s，屬中等～強透水層。地下水化學類型主要為硫酸鹽重碳酸鹽型水及硫酸鹽氯化物型水，對混凝土多具結晶類硫酸鹽型弱～強腐蝕。

1.3　場區工程地質條件

根據《大屯水庫工程地質勘察報告》，樁號8+867處場區地層勘探深度內為第四系全新統沖積堆積砂壤土、裂隙黏土、黏土、壤土，第四系沖積湖積堆積的黏土，第四系全新統沖積沼澤堆積的粉細砂、中細砂，第四系上更新統沖積洪積堆積黏土等。

2　壩坡塌陷問題

2013年，大屯水庫建成投入使用，2017年2月27日，大屯水庫圍壩樁號8+867，高程23.40m處上游壩坡出現局部塌陷，塌陷坑平面形態為亞圓形，塌陷范圍：長3.90m、寬3.50m、深約0.60m。其剖面形態近壇狀、井狀，落距0.30～0.90m，沉陷坑四周壩坡未見沉陷跡象。

3　壩坡塌陷原因分析

3.1　壩坡塌陷原因分析

工程區位于臨清～惠民中央坳陷沉積區，第四系發育完全，總厚度220m左右，其下為第三系砂巖、細礫巖、灰綠色細砂巖和棕紅色泥巖的間互沉積層，故不存在巖溶塌陷、采礦塌陷。

壩體填筑質量2012年完工，壩體沉陷已基本完成，依據壩坡塌陷坑的形態為近壇狀、井狀及垂直塌陷等，可確定壩坡塌陷坑非壩體沉陷所致。

鑒于塌陷坑形狀近壇狀、井狀，為垂直塌陷，故判斷為原地面以下土洞塌陷造成，能形成土洞的異常體為墓穴或水井。

該處壩基底高程為20.70m，塌陷坑底高程為22.20m，根據塌陷坑內釬探5m，原地面以下3.50m深度內土體較為均勻，未發現磚、木等異常體，可排除墓穴。

水庫位于武城縣東北部的恩縣洼內，地勢低洼，區內大部為農田，依據水庫建設期移民遷占資料，庫區分布“民井”百余個，經調查該區域“民井”為簡易PVC管井，井徑11cm，深約12～15m，廢棄后將PVC管取出，故移民遷占資料未記載。根據對周邊村民的調查，當地簡易PVC管井較普遍，亦有大量PVC管井產生類似沉陷，綜合以上分析故斷定該處壩體塌陷為水井所致。

3.2　壩坡塌陷機制分析

依據前期勘察資料塌陷區域地層地面以下14m范圍內主要為砂壤土夾薄層裂隙黏土及壤土。簡易PVC管井深約12～15m，PVC管底部花管(下部PVC人工制鉆眼制作透水孔)未做反濾，管井位于砂壤土中，砂壤土松散，粉粒含量較高，由于管徑小，抽水強度大，在滲透壓力作用下，砂壤土中粉粒被抽出，井底部形成土洞，初始土洞規模較小，容易形成拱效應而穩定；隨著反復多年的抽水，土洞規模逐漸擴大，拱效應失效，洞頂發生坍塌，坍塌物堆積在洞底，并再次產生新的拱效應，土洞重新達到暫時穩定；當水井淤積廢棄，將PVC管拔出后土洞不再發展。

廢棄后的水井其下部土洞雖不再發展，但土層性質及土洞發育程度是決定地面塌陷的關鍵因素。對于上覆蓋層性質而言，其物理力學性質(抗剪強度、孔隙率、含水量、自重及滲透系數等)、結構組成及厚度等均對地面塌陷的形成產生重要影響。由于上覆蓋層主要為砂壤土夾裂隙黏土，砂壤土松散，裂隙黏土裂隙發育整體性差，臨空面土體卸荷松動加之水位波動更易脫落，導致洞頂發生坍塌，坍塌物堆積在洞底，土洞向上方移動，周而復始當土洞臨近鄰近地表時，又恰逢枯水期，地下水位下降，洞頂失去浮力效應，在洞頂荷載作用下產生塌陷。

4　壩坡塌陷處理方案

根據現場實際情況、地質資料及壩坡塌陷原因分析，壩坡塌陷區民井深度深約12～15m，影響半徑3～5m，土洞內塌落體為砂壤土夾黏土，塌落體疏松，埋深較大，表面換填處理不能有效消除隱患。為保證水庫蓄水安全，對塌陷部分壩體及壩基采用充填灌漿加固處理方案。

4.1　充填灌漿

4.1.1充填灌漿布置

壩體塌陷位置位于圍壩樁號8+867上游壩坡近壩腳處，高程為23.50m；塌陷坑的平面形態為亞圓形，直徑2.60～2.90m。充填灌漿孔沿塌陷周邊布置8個灌漿孔，間距1～1.20m，塌陷中心布置1個灌漿孔。灌漿孔孔底高程8.00m，孔深15m。以壩頂高程23.50為基數，以8+867為起點，布控鉆孔，灌漿分段鉆孔，灌漿、施工攪拌機及注漿泵布置在工作基點附近，鉆孔分1臺地質鉆機沿軸線分序、分段循環作業(灌漿孔布置示意圖如下圖所示)。

灌漿孔平面布置示意圖 (單位：mm)

4.1.2鉆孔和灌孔的設備材料

工程鉆孔灌漿主要設備為HZ-180型地質勘探回旋鉆機1臺、180注漿泵1臺、雙層攪拌桶1臺、潛水泵3臺，滿足施工作業需求。

4.1.3灌漿材料

灌漿材料采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥漿液，漿液的密度控制在1.30～1.60g/cm3。主材水泥42.5水泥嚴格按照技術條款規定的材料，質量標準附有生產廠家的質量合格證、批號、編號，并經水利部門檢測復試合格后附材料報告書方可使用，參照引用水泥標準為《通用硅酸鹽水泥》，嚴格遵守《水工建筑物水泥灌漿技術規范》，拌漿水的溫度不得高于40℃。

4.1.4灌漿施工

充填灌漿開始前，先打試驗孔，做灌漿試驗，確定準確的灌漿壓力和參數再進行下一步施工。

灌漿施工宜采用套管法、孔口封閉法或其他灌漿方法。施工順序：鉆孔錨固就位定向水平尺平直-開孔-錨孔-沖孔-壓水-制漿記錄-灌漿-抬動變形觀察記錄-確定每段灌漿壓力-確定是否達到結束標準-封孔-照片影像資料巖芯保存。為提高淺層的灌漿質量，自上而下分段灌注，灌注分段長度為5～10m。灌漿壓力為0.05～0.1MPa，上段灌漿壓力選用小值，向下灌漿壓力可逐漸加大，但不宜超過0.10MPa。在規定壓力下，單位吸漿率小于0.50L/min，延續30min即可結束。在灌漿過程中，若有裂縫及冒漿發生，應立即停止灌漿，及時采取有效措施。灌漿結束后，應采取可靠的封孔措施。

充填灌漿施工需按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(SL 62—2014)、《土壩灌漿技術規范》(SL 564—2014)的相關要求進行。

4.2　回填

灌漿封孔結束后，清除塌陷區表層渣土，按壩體設計斷面分層回填壤土，壓實度不小于0.98。壩體表面整平后，鋪設10cm厚的砂墊層。

4.3　土工膜鋪設

將破壞的復合土工膜進行裁剪，剝離土工布，然后將現狀壩體土工膜與新增土工膜焊接。具體施工方法按照《南水北調山東段平原水庫庫底鋪膜施工指南》的要求進行。

4.4　護坡施工

護坡按照原設計護坡結構恢復，損壞的混凝土預制塊采用C30現澆混凝土補齊。

5　結　語

針對大屯水庫上游壩坡局部塌陷問題，根據所處地質條件及現場勘測結果，本文分析了產生塌陷的原因，并嚴格按照技術規范，通過灌漿加固等工程處理措施及時對壩坡進行了修復，確保了水庫正常運行和蓄水安全。