赤金峽水庫下游壩坡面滲漏及原因分析

劉正明

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

赤金峽水庫位于甘肅省玉門市石油河中游赤金峽峽谷中，水庫總庫容3878萬m3，灌溉面積18.31萬畝，是一座以灌溉為主、兼顧防洪的Ⅲ等中型工程，主要建筑物由壤土斜心墻砂礫石壩、左岸溢洪道和泄洪排砂輸水洞等組成[1]。水庫大壩為粉質粘、壤土斜心墻防滲，砂礫和塊碎石壩殼，最大壩35.6 m，壩頂264.8 m，壩頂高程1571.55 m，壩頂寬5 m。赤金峽水庫工程于1958年動工興建，分四期完成，一期壤土心墻砂礫石壩壩高17.5 m，壩頂高程1553.5 m，二期大壩加高至1556.4 m，三期壩頂升至高程1565.5 m，1996年完成四期建設，大壩加高6.1 m，加高部分為壤土斜墻壩至現有高程。擴建施工時由于資金困難，僅對右岸基巖進行帷幕灌漿和河床殘留砂礫石層高壓噴射灌漿處理，而左壩肩帷幕灌漿未實施，2003年對水庫進行除險加固并通過驗收，至今運行狀況良好，2018年1月完成《甘肅省玉門市赤金峽水庫大壩安全評價報告》，水庫為一類壩。

2 大壩滲水過程及險情勘察

2.1 大壩滲水過程分析

赤金峽水庫于2020年2月23日16時30分在庫水位1569.86 m(水庫正常蓄水位1569.89 m)下大壩后壩坡出現滲水，在壩軸線樁號壩橫0+153 m，高程分別為1568.19 m和1568.86 m位置處出現2處滲濕點，滲濕影響范圍順坡長1.0 m，寬0.5 m，滲水點現場情況見圖1。滲水量觀測情況如下[2]：

圖1 大壩后壩坡滲水點現場情況

(1)2月24日～25日，水庫管理人員采取對現有滲水面進行標記網格劃定法確定滲流點位置、高程及滲出范圍，對各滲流點的滲出流量采用簡易導流管量測，安排值班人員在夜間對壩面現場進行觀察，密切關注滲漏點動態變化情況，做好觀測記錄、統計工作，并收集與滲水點相關的圖片、視頻資料等，進一步查找整理水庫大壩相關圖紙、文件資料，盡可能收集全面、詳實資料。經量測1#滲水點(壩軸線0+153 m，高程1568.19 m)位置為最大滲水點，最大滲出量為8.73 L/s。

(2)2020年2月23日20時、21時、22時、23時、24時觀測時，1#滲水點已結冰，2#滲水點為土壤滲濕狀態，表面凍硬。

(3)2月24日1時～10時30分，1#滲水點均處于結冰狀態；2#滲水點仍為土壤滲濕狀態，表面凍硬。

(4)2月24日10時30分，水庫水位為1569.86 m，1#滲水點出水口冰塊開始融化，形成流量逐步增加，10時30分～17時30分，在1#滲水點附近約45 m2的壩面上，先后出現15處滲水點，其中有6處滲水點出現滲流現象，9處滲水點均呈現土壤滲濕現象，17時水庫水位降至1569.79 m，僅有1#滲水點產生滲流，滲流量由15時的8.73 L/s減小至4.58 L/s，其它4處滲水點滲流現象自然消失，24日24時觀測結果顯示，上述所有滲水點滲流現象均消失，直至25日16時30分，所有滲水點再未出現滲流現象，測壓管水位、壩后滲流量均未出現異常波動。

(5)2月25日開始，水庫因滲漏問題開始降水位運行，水位從1569.86 m降至1569.50以下運行，壩后滲流量為7.48 L/s～6.19 L/s，與2019年同期滲流觀測資料相比略有增加(2019年同期壩后滲流量為6.46 L/s～6.05 L/s)，但庫水位～壩后滲流量關系相對穩定。

2.2 壩頂滲水通道揭示情況

2月27日下午，水庫管理所在壩頂樁號0+148 m～0+161 m段開挖了1條平行壩軸線的探槽，槽邊距上游防浪墻約80 cm，槽底挖至壤土斜墻頂部(復測頂部高程為1569.57 m)，分三層開挖，在每層開挖面上詳細查找是否有裂縫存在，開挖完成后，在0+148 m～0+153 m處有5 m長出現滲水，在0+153 m～0+161 m有8 m長未出現滲水，探槽中未見裂縫，探槽滲水情況見圖2。

圖2 探槽滲水情況現場照片

2月29日在樁號0+148 m～0+148.8 m和0+153 m～0+153.8 m處，開挖了2條垂直壩軸線的探槽，探查防浪墻部位的壩體構造，開挖至1570.83 m出現混凝土，至高程1569.7 m為混凝土底面，開挖至1569.7 m和1569.6 m之間出現0～10 cm厚度不等的砂礫石墊層夾層(即滲水通道)，用鋼釬探查在樁號0+153 m處最大深度可達120 cm，依次認為此處為貫通滲漏通道(原漿砌石防浪墻底部設計寬度140 cm)，繼續探查1569.6 m～1569.3 m為漿砌石，再挖為壤土，防浪墻基礎探查情況見圖3。

圖3 防浪墻基礎探查現場情況

3月2日又在樁號0+106.5 m～0+111.5 m和0+168.3 m～0+176.5 m開挖了2條平行壩軸線的探槽，槽邊距上游防浪墻40 cm，分別開挖至1570.80 m和1570.86 m出現防浪墻基礎混凝土，挖至高程1569.60和1569.70 m槽底出現斜墻壤土頂部，再開挖至1569.7 m和1569.6 m之出現防浪墻漿砌石，經挖探，混凝土防浪墻與漿砌石基礎之間存在0～5 cm厚度不等的砂礫石墊層夾層，用鋼釬探查深度10 cm～20 cm，依次認為夾層不貫通，開挖段探槽兩側和底部壤土斜墻均未發現可見裂縫。其他兩處探槽情況見圖4。

圖4 探坑1和3現場照片情況

2.3 特征高程復測

探槽出現滲水(或至壤土斜墻)后我院立即安排技術人員復測相應高程，實測四個斷面(0+107、0+151、0+170、0+174.2)，斜墻頂部高程在1569.59 m～1569.67 m之間，壩頂高程在1571.41 m～1571.52 m之間，與甘肅省水利水電勘測設計院設計圖紙(大壩縱橫剖面圖)標注高程(壩頂高程1571.55 m，斜墻壩壤土高程為1569.90 m)相比，實際壩頂高程比設計低3 cm～14 cm，壤土斜墻頂高程比設計低23 cm～31 cm。

2.4 現場勘察結論

根據我院技術人員勘測復核，大壩滲水情況存在以下問題：

(1)壤土斜墻頂高程在1569.57 m～1569.67 m之間，比設計值低23 cm～33 cm，比同期庫水位1569.86 m低19 cm～29 cm，與后壩坡溢出點對應的斜墻頂部，有寬約5 m滲水范圍，滲水表面可見氣泡。

(2)防浪墻由漿砌石和混凝土兩種材料建成，1569.60 m以下為漿砌石，以上為混凝土，但在結合面上存在0～10 cm厚度不等的砂礫石夾層，鋼釬探查其深度10 cm～120 cm，樁號0+153處存在貫通滲漏通道。

(3)所有開挖段探槽兩側和底部壤土斜墻頂均未發現可見裂縫。

2.5 大壩安全監測資料分析

在赤金峽水庫險情處置期間，水庫管理人員提供了2019年2月和2020年2月的滲流觀測成果，水位滲流量過程線見圖5。

圖5 赤金峽水庫水位滲流量過程線圖

根據水位滲流量過程線圖可以說明以下問題：

(1)后壩坡出現滲水時，同期庫水位1569.86 m(比水庫正常蓄水位低3 cm)，后壩坡滲水點2處高程分別為1568.86 m和1568.19 m，與同期庫水位的高差分別為1.0 m和1.67 m，壩后滲出點高，滲水出露，說明有明顯的滲漏通道。

(2)根據滲流量觀測資料，2020年2月22日，庫水位1569.5 m時，滲流量開始突變，滲流量增大的趨勢明顯，由4.5 L/s增加至5.5 L/s；2020年2月23日，庫水位1569.80 m時，滲流量開始突變，明顯增加，由5.5 L/s增加至7.5 L/s。說明滲流通道不是今年才形成的，通道高程應在1569.50 m左右。

(3)根據2020年2月24日～3月22日水庫水情觀測資料，最高庫水位1569.86 m，最低庫水位1569.05 m，壩后滲流量8.1 L/s～6.19 L/s，最大庫水位為2月24日，最大滲流量出現在2月27日(壩后滲流反映相應滯后3天)，自2月27日開始至今，庫水位降至1569.50 m以下運行，滲流量穩定在7 L/s左右。

觀測資料分析結論：①現狀斜墻頂高程低于設計值23 cm～31 cm，主要是沉降原因造成的；②大壩存在滲流通道，高程應在1569.50 m左右。

3 大壩結構復核分析

西北勘測設計研究院有限公司于2018年12月完成了《甘肅省玉門市赤金峽水庫安全評價報告》[3]，距今也只有一年多時間，對大壩的結構、滲流等問題進行了系統的復核和評價，結論也是明確的，即壩體歷經多次改擴建和加固，上下游壩坡抗滑穩定計算滿足規范要求，現場檢查及運行中未發現滲流異?，F象，大壩壩體壩基滲流和反濾排水設施完善，除兩岸壩肩外均滿足現行規程規范要求，大壩滲流性態安全性評價為A級，本文我們認可西北院關于大壩抗滑穩定、滲流穩定的結論，不再復核。根據本次勘察和原設計資料，擬合了現狀壩頂結構，見圖6。

圖6 壩橫0+153斷面壩頂現狀細部結構圖

3.1 壩頂超高復核

根據《碾壓式土石壩設計規范》，壩頂高程按四種運用條件計算，取其最大值，壩頂超高計算結果見表1。

表1 壩項超高計算表

計算結果表明，壩頂超高由正常運行條件下正常蓄水位工況控制。計算防浪墻頂高程為1572.50 m，考慮防浪墻高程1.2 m，計算壩頂高程為1571.30 m。

混凝土防浪墻頂實際高程為1572.80 m，壩頂防浪墻高度1.2 m，壩頂高程為1571.55 m。滿足現行《碾壓式土石壩設計規范》中關于壩頂超高和壩頂高程計算的要求。

3.2 壩頂構造復核

(1)壩頂寬度復核

壤土斜心墻砂礫石壩最大壩高35.6 m，屬于中壩，壩頂寬度5 m，滿足交通、觀測等方面的要求，符合規范關于壩頂寬度的要求。

(2)防浪墻構造復核

現狀防浪墻由漿砌石和混凝土兩種材料筑成，高程1569.60 m以下為漿砌石基礎，以上為混凝土，但在結合面上存在0～5 cm厚度不等的礫石夾層。

現狀防浪墻底部漿砌石，沒有設置防滲層，是一種透水材料。漿砌石與混凝土之間存在0～5 cm厚度不等的礫石夾層，透水性更強，防浪墻不滿足“應堅固不透水”的規范要求。

現狀防浪墻，可視為在混凝土防浪墻與壤土斜墻之間夾了一層漿砌石、砂礫石(0～5 cm)，防浪墻不滿足規范要求。

3.3 防滲體復核

(1)頂部水平寬度復核

現狀大壩壤土斜墻頂部水平寬度為2.30 m，不滿足規范要求。

(2)頂部高程復核

現狀壩橫0+151斷面壤土斜墻頂部高程1569.59 m，較原設計高程1569.90 m低0.31 m，比正常蓄水位1569.89 m低0.30 m，防滲體頂部高程不滿足規范要求。

(3)頂部保護層厚度復核

現狀壤土斜墻上游面設有0.73 m厚的砂礫石保護層，滿足規范土質防滲體斜墻上游面設保護層的要求，且保護層厚度滿足凍結深度、施工機械和坡度穩定的要求。

4 結論及建議

通過大壩險情勘察、觀測資料分析、大壩結構復核，認為本次滲水的原因是：

(1)上游防浪墻與壤土斜墻沒有做到“緊密結合”，存在滲水通道。防浪墻由漿砌石和混凝土兩種材料筑成，高程1569.60 m以下為漿砌石基礎，以上為混凝土，在材料分界面上存在0～10 cm厚度不等的礫石夾層，夾層深度10 cm～120 cm，漿砌石與砂礫石夾層構成了滲水通道，樁號0+153處存在貫通滲漏通道(此處夾層深度達120 cm)。

(2)壤土斜墻現狀頂高程為1569.57 m～1569.70 m，比原設計高程1569.90 m低20 cm～33 cm，比同期庫水位1569.86 m低16 cm～29 cm。樁號0+148～0+153 m段壤土斜墻頂高程最低，頂高程為1569.57 m～1569.59 m，因此當庫水位高于1569.57 m時，水流越過壤土斜墻頂部，從后壩坡溢出，壤土斜墻頂部為滲流通道。

(3)分析本次滲水過程為：庫水位高于1569.57 m時，水流從樁號0+148 m～0+153 m段防浪墻底部的砂礫石夾層貫通通道流向下游，越過壤土斜墻頂部，從后壩坡溢出。

(4)建議措施：①拆除壩頂道路、防浪墻，挖除現狀防滲體頂面以上的填筑砂碎石，開挖面以上填筑壤土斜墻、砂碎石，壤土斜墻頂面高于正常蓄水位，并預留竣工后的沉降超高；②新建防浪墻擴大基礎，并做好防浪墻底部與基礎的銜接。