山美水库大坝防渗加固工程效果分析

2010-02-13许重富

中国水利 2010年8期

许重富

（福建省泉州市山美水库管理处，362000，泉州）

泉州市山美水库枢纽工程位于福建省四大江之一——晋江中上游，是晋江流域唯一一座可控制的大型水利工程，关系到下游300多万人民生命财产的安危，同时担负着下游400多万人口的生产生活用水及4.3万hm2农田灌溉的重任，被誉为“泉州人民的生命库”，为泉州经济发展提供水资源的支撑和保障作用。

一、水库工程概况

山美水库位于泉州西北方向约50 km，是一座具有防洪、供水、灌溉、发电、生态调节、养殖等综合功能的大（2）型水库。水库集雨面积1 023 km2，总库容6.55亿m3，调节库容4.507亿m3，主要建筑物有主坝1座（黏土心墙土石混合坝，坝长315m，最大坝高75.5 m）、副坝1座（坝址左岸护坡，高40 m）、溢洪道1座（装设6扇12m×11.68m弧形钢闸门）、电站2座（地下电站和坝后电站各1座，总装机63MW）。水库于1958年动工兴建，曾两度停建，1967年复建，1972年10月竣工，1983年完成保坝加固工程，1996年完成电站扩建，1997年完成水库扩蓄,2005年完成1号、2号机技改和水库安全监控系统建设。水库按百年一遇（P=1%）洪水标准设计，设计洪水位98.78 m，洪峰流量 4 360 m3/s，万年一遇（P=0.01%）洪水标准校核，校核洪水位102.08 m，洪峰流量 8 040 m3/s；水库正常高水位96.48 m，相应库容4.72亿m3，死水位 57.48 m，相应库容 0.19亿m3。流域多年平均年降雨量(1973—2008年，下同)1 800 mm，多年平均径流量12.1亿m3，多年平均年发电用水量10.1亿m3；1989年建成龙门滩引水工程，年引入库水量3.55亿m3。

二、防渗加固工程建设情况

1.建设背景

2006年12月，福建省水利厅在福州主持召开山美水库抗震复核大坝渗流安全研讨会，与会的专家建议：对于山美水库大坝坝体下游浸润线的异常情况，找出原因并采取必要的工程措施，以提高山美水库大坝的安全。水库管理处随即委托南京水利科学研究院对山美水库大坝进行渗流三维分析，委托中国水利水电科学研究院对大坝进行高精度无损探查，委托福建省水利水电勘测设计院（简称省设计院）进行绕渗地质探查。

2007年10月，三个科研单位的分析结果显示，山美水库大坝主要存的安全问题有：

心墙：大坝心墙在81 m高程分上下两个区域，上部区域含砂砾料较多，不均匀沉陷大，透水性较强，干密度低，孔隙比大，库水通过该层向下游渗透，一定程度抬高了代替料内饱和渗流范围，但从物探表明不存在集中渗漏通道；下部区域较为密实，胶结良好，质量基本满足设计和规范要求。其次，心墙在施工中出现裂缝，虽经开挖回填处理，但回填的碾压质量控制不够，坝体与坝基接合部的碾压质量控制不够，造成不均匀沉陷并且出现裂缝，尤其右岸表现较为严重。第三，从三维渗流有限元计算成果来看，高水位下大坝心墙平均坡降满足要求，心墙下游反滤层尚可，但上部反滤层有局部淤堵。

坝基渗流：大坝坝基清基和防渗帷幕处理基本符合要求，但两岸裂隙发育，防渗帷幕施工没有采取连续防渗帷幕体系，给坝基防渗带来安全隐患；左坝肩存在30 m风化层，帷幕灌浆没有有效截断左坝肩风化岩层，存在一定绕坝渗漏；大坝右坝肩存在强风化层和弱风化层，帷幕没有延伸截断该层，蓄水后出现绕坝渗漏，造成现状下代替料内出现过高的饱和渗流。

下游代替料：大坝代替料渗流异常，饱和区较高，不符合规范设计要求。其土层为含碎石砂质黏土或含碎石粉土，土层较密实，但土层不均匀，局部渗透性强，代替料下与砂砾石层没有反滤层，细料易流失在砂砾石层内，发生接触管涌破坏，使坝面局部沉陷。代替料若继续保持目前的渗流状态，长期渗流作用下代替料细料向下流失到砂砾石反滤层中，将继续发生坝下游坡面凹陷，代替料内产生裂缝，并波及大坝心墙，严重影响大坝安全蓄水，应采取措施消除代替料内渗流状态引起的安全隐患。

2.建设方案

2007年11月，省水利厅主持审查上述三个科研单位的渗流安全评价报告，并通过了审查。2007年11月，水库管理处委托省设计院对山美水库大坝防渗加固工程进行设计，2008年3月提交成果，同年10月，防渗加固工程通过泉州市发改委的批准。

根据大坝布置及三维渗流安全反馈计算与分析结果，防渗加固工程主要是对两岸绕坝渗流进行防渗处理，即采用“上堵下排”的设计原则，在两岸坝肩设置防渗帷幕来减少绕坝渗流及在两岸坝坡设置水平排水孔以降低两岸山体的地下水水位，防止对坝基础、两岸边坡稳定产生不良影响。

两岸绕坝渗流防渗帷幕灌浆即“上堵”的设计方案布置如下：

大坝左岸坝肩桩号0+000—0-219 m之间设置帷幕灌浆孔一排，孔距2.0 m，帷幕灌浆深度 23～44 m。

大坝右岸坝肩桩号坝0+290—0+405之间设置帷幕灌浆孔一排，孔距2.0 m，帷幕灌浆深度3～37 m。

大坝右岸坝肩桩号0+300至大坝下游上坝路平台之间的岸坡设置帷幕灌浆孔一排，灌浆孔孔距2.0 m，80 m高程以上的帷幕灌浆平均深度20 m，80 m高程以下的帷幕灌浆深度尽可能达到42.28 m。

“下排”设计：大坝两岸绕坝渗流引起下游岸坡山体的地下水位偏高，根据“上堵下排”的设计原则，在大坝左岸下游原上坝路和下游坝坡之间的岸坡以及大坝右岸下游原设计副坝和下游坝坡之间的岸坡设置水平排水孔，即右岸岸坡在90 m高程以下的岸坡位置设置水平排水孔，孔排距2.5m，孔深8m，孔径46 mm，梅花形布置；左岸岸坡在84 m高程以下的岸坡位置设置水平排水孔，孔排距2.5 m，孔深8 m，孔径46 mm，梅花形布置。

3.建设情况

2008年10月，防渗加固工程公开招标，福建省水利水电工程有限公司中标承建，2009年1月工程开工建设，2009年8月底主体工程全部完工，实际完成帷幕灌浆243孔，钻孔工程量8 371 m，灌浆工程6 996 m，其中左岸帷幕灌浆110孔，钻孔工程量4 395 m，灌浆工程量3 974 m；右岸帷幕灌浆133孔，钻孔工程量3 976 m，灌浆工程量3 022 m；完成帷幕灌浆质量检查孔24孔867 m；完成排水孔3 322 m。

三、防渗加固工程成果分析

1.质量检查成果分析

灌浆质量检查均在灌浆部位结束14天后进行，检查孔按逐步加密法进行钻孔、分段压水试验、灌浆回填等工序进行，检查孔孔深比临近帷幕灌浆孔深多3 m，以单位吸水率小于3 Lu为符合标准和要求。

根据设计单位、监理单位以及建设单位的共同研究并确认，在大坝左右岸三条帷幕灌浆线中选择了24个帷幕灌浆检查孔，进行钻孔和分段压水试验，目的就是检查帷幕灌浆的效果。从24个孔的压水试验结果看来，帷幕灌浆效果显著，质量达到标准。主要有：

①在总共152段（每段5 m左右）压水试验中，最大透水率为2.73 Lu，最小透水率0.24 Lu，均在设计要求标准3 Lu以下，其中透水率超过2 Lu的压水段只有21段，占总压水段的13.8%，透水率小于2 Lu的压水段有131段，占总压水段的86.2%。

②从压水试验结果和范围看，透水率大于2Lu的压水段都在表面的土层中和强风化的地段，未达到正常蓄水位高程，对下游代替料的含水量影响较小，而在岩石层中透水率基本上均在2 Lu以下，效果较好。

2.超声波检测成果分析

检测分为两个阶段，第一阶段通过预测孔对坝肩岩体灌浆前的性状测试，了解灌前坝肩岩体的风化带和节理裂隙、断裂破碎带分布特征。第二阶段对灌浆后检测孔的超声波测试，检测灌浆效果。

现场测试从2009年3月开始到7月结束。对灌浆过程、检查孔布置和施工进行跟踪，共完成28孔的超声波检测。其中灌浆前预测孔15个，灌浆后检查孔13个。

在13个超声波检测孔，共压水（或灌浆）70段：其中67段（占总段数的95.7%）超声波检测评判为灌浆效果好，其他3孔中的3个检测段YBJ3检查孔 2.0～7.2 m 段（高程 104.915～99.715）、YBJ4 检查孔 14.8～19.6 m 段（高程 99.184～94.384）、ZBJ4 检查孔7.0～9.8 m 段（高程 101.034～98.234）超声波检测评判为灌浆效果差，占总段数的4.3%。参照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（L/T 5148-2001）6.9.7，可评判为帷幕灌浆工程质量合格。

从灌浆前、后超声波测试对比，总体上灌浆效果好。灌前岩体中主要结构裂隙面和局部岩体破碎带所形成的超声波低速带，灌后超声波波速明显提高，声测柱状剖面图上，超声波纵波波速低值点减少，低值点数值多有相应的提高，波速离散系数减小。说明岩体中主要结构裂隙面和局部岩体破碎带水泥灌浆充填较好，起到主要的阻水作用，提高了岩体的抗渗能力。

3.大坝安全监测数据成果分析

（1）大坝自动化监测数据成果

山美水库于2005年建成了国内较为先进的大坝安全监测和评价系统，水库大坝下游坡共埋设14个渗透压力传感器，其中埋设在代替料中有4个测点，埋设在代替料和透水层交界的有3个测点，埋设在透水层中的有2个测点，埋设在基岩中的有5个测点，从近3个月的监测结果与2005年以来同期、同库水位、库水位相同变化趋势（近3个月库水位逐月同比下降）的监测资料对比分析，14个测点均有不同程度下降，其中大坝的最大断面0+167断面中较有代表性的测点B08A和B09A（此两点均埋设在代替料中），与2005—2008年的监测资料对比，分别下降了1.33m和1.06m，0+225断面中埋设在代替料中的B12A、B13A分别下降了0.17m和0.99m。

（2）大坝测压管观测数据成果分析

①上游当月平均库水位相近，9月平均库水位84.93 m，10月平均库水位85.47 m，选取月平均库水位在84.50～85.50 m范围的测量数据。

②水文、气象条件较为相似（考虑到降雨产生的地表水可能会汇集到测压管内，影响观测结果）。从气象条件看灌浆结束后的这4次测压管观测，天气干旱，测量前一星期水库库区范围内无降雨。

③水库大坝于1972年建成投产至1990年，经过20年时间，大坝的沉降、位移已趋于稳定，因此选取1990—2008年之间的观测数据。

根据这三个条件进行筛选，选取1997年1月15日、1997年1月31日、2003年1月15日三次典型观测数据作为比较。

从大坝测压管观测数据比较分析：①108平台各个测点均有较明显的水位下降，降幅为1.2～2.97m不等。②90平台各点管内水位变幅为0.35～0.6 m。③75平台1号测点变化下降了1.18m，2、3号测点不明显。从以上结果可以看出，灌浆后大坝各测压管的水位有不同程度的下降，表明灌浆效果良好。