累子水庫壩坡塌陷原因分析及處理

靳翠紅

累子水庫位于河北省保定市淶水縣城西北約9km處的累子河上，是一座以防洪為主、結合灌溉的中型水利樞紐工程。水庫控制流域面積25.1km2，總庫容1007萬m3。水庫1958年3月動工興建，當年竣工，1960年投入使用。水庫樞紐主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、輸水洞。累子水庫主壩為均質土壩，壩長415m，壩頂寬6m，最大壩高22.0m。迎水坡自上而下壩坡坡比為1∶2.8、1∶2.5、1∶2.5；背水坡坡比為 1∶2.4、1∶2.5、1∶2.5。 壩基防滲型式為截水槽。

1. 壩坡塌陷情況

1.1 上游壩坡

大壩運行過程中曾多次出現過壩坡塌陷的現象。1998年發現迎水坡64.0m高程馬道以下，樁號0+200～0+370之間有大面積沉陷，踏坑最深處達2m左右。在開挖處理過程中發現沉陷部位還存在大量裂縫，最大縫寬2cm左右；2004年根據上級批復對迎水坡64m馬道以下干砌石護坡進行翻修加固。運行至今，發現64m馬道以下樁號0+250～0+340之間護坡又出現大面積塌陷，最深處達0.5m。

1.2 下游壩坡

2003年9月18日和10月11日有兩場降雨，大壩背水坡樁號0+325，高程69.96m處出現塌坑；2005年4月29日和2005年11月13日，發現大壩樁號0+257下游坡高程54.29m處出現滲水，此處排水溝呈小水洼現象。

2. 原因分析

2.1 地質勘察成果

針對壩坡塌陷問題，在初步設計階段進行了詳細的地質勘察。

壩體、壩基工程地質條件：從鉆孔揭露壩體土組成判定，壩體土比較均一，主要由壤土組成，揭露厚度3.9～21.0m。在勘察深度范圍內壩基土巖組成：第四系全新統沖洪積（al+plQ4）卵石、第四系上更新統沖洪積黃土狀壤土、上元古界青白口系下馬嶺組（Qnx）頁巖。卵石層揭露厚度5.15～8.10m，屬強透水，無承壓性。頁巖揭露頂面高程 43.06～67.95m，最大厚度23.9m，屬弱～中等透水。壩體填筑土滲透變形判別為：壩體土破壞類型為流土，壩基黃土狀壤土為流土，壩基卵石破壞類型為管涌。

工程地質評價：主壩為均質土壩，主要由壤土組成，各項物性指標均符合土石壩均質壩土料質量要求。壩體填筑土現狀平均壓實度0.934，未達到規范壓實度0.96要求，尤其是局部試驗結果干重度偏低，小于壩體填筑土平均干重度。

根據鉆孔鉆進情況，在高程53.95～55.97m以下出現飽和段，局部呈軟塑狀態，鉆進中出現縮孔現象，大壩樁號0+200處的鉆孔ZK4在鉆進至高程56.32m處出現明水，說明壩體局部不密實存在滲透性。

根據 《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）土的滲透變形判別中關于接觸沖刷和接觸流失的判別,卵石 D10＝0.3347，壤土 d10＝0.0026，兩者比值為128.7，大于 10，故會發生接觸沖刷。同時可以判別壩體壤土和壩基卵石層之間也會發生接觸流失。根據水庫運行管理記錄的壩坡塌陷情況，已發生滲透破壞。

2.2 初步設計階段

根據資料記載，壩基截水槽分別在1974年 （樁號 0+180～0+415） 和 1984年（樁號 0+000～0+200）施工，兩次施工截水槽均未截透壩基卵石層。

結合地質勘察成果認為：壩基地質條件復雜，上游截水槽處理不徹底，未完全截透砂卵石層，且上游壩坡及壩腳壤土與下部砂卵石層接觸面位置的滲透比降較大，砂卵石層級配不連續導致接觸面之間發生接觸滲流破壞，當兩層土之間的滲透比降較大時，接觸流失會更嚴重，壤土中的細顆粒被帶走導致壩坡出現塌坑和沉陷。

2.3 施工圖階段

在施工階段，為了合理確定防滲墻底高程，河北省水利水電第二勘測設計研究院組織地勘人員進行了更詳細的地質勘察，鉆孔間距20～30m，取得了大量詳細準確的資料，判斷發生問題的原因與初設階段一致，驗證了設計，指導了施工，確保了防滲墻的效果。

3. 處理方案比較

根據水庫存在的以上問題，為保證加固防滲效果，同時盡量節省工程投資，進行了充分的方案比較。

3.1 水平防滲和垂直防滲方案

對水平防滲和垂直防滲方案進行了比較，兩方案均能夠解決滲透穩定問題，各有優缺點。垂直防滲方案結構簡單，又埋于壩基中，管理方便；從運行可靠度方面，水平土工膜防滲各個環節受施工人為影響因素大，可靠性較差，而垂直防滲體方案可靠性較高；從防滲效果方面，垂直防滲方案隔斷了壩下的滲漏通道，避免沿砂礫石層的接觸面的接觸沖刷破壞，同時可以減少水庫滲漏。推薦采用垂直防滲方案。

3.2 高噴灌漿和混凝土防滲墻方案比較

對高噴灌漿和垂直混凝土防滲墻兩種垂直防滲方案進行比較，結合本工程砂卵石地基粒徑較大的情況，對高壓噴射灌漿、沖擊鉆配合液壓抓斗造槽法建造混凝土防滲墻兩種能適應砂礫石基礎的方案進行比較，最終采用沖擊鉆配合液壓抓斗造槽法建造塑性混凝土防滲墻。

3.3 塑性混凝土防滲墻

塑性混凝土防滲墻方案是用沖擊鉆配合液壓抓斗挖槽機連續造孔成槽，并以泥漿固壁，在泥漿下澆筑混凝土成墻。適用于土、砂、砂卵石等土層，遇到塊石、漂卵石時需輔以重鑿沖擊破碎。優點是防滲效果好，施工速度快，可適應不同地基基礎條件。

根據施工方法和條件，墻厚取0.3m，位置在上游壩腳 （墻頂高程61.00m），根據壩坡塌陷范圍結合壩基地層情況，防滲墻布置范圍確定為0+150～0+385，高程 61.00～43.00m，伸入基巖0.5m，伸入黃土狀壤土1.0m。防滲墻采用塑性混凝土，28d抗壓強度不大于 4MPa，滲透系數小于 1×10-8cm/s，彈性模量在800～1500MPa，允許滲透比降大于80。

4. 處理效果

針對水庫壩坡塌陷問題采取了塑性混凝土防滲墻方案，塑性混凝土防滲墻具有抗壓強度低、彈性模量小、極限應變大的特點，不僅能夠適應外力作用下抗拉及抗剪應力帶來的墻體變形，具有良好的力學性能，而且水泥用量小，技術經濟效益明顯。