克孜尔水库右坝肩倾倒体稳定性评价及除险加固措施

张宏科

（新疆克孜尔水库管理局，新疆库车842000）

1 工程概况

克孜尔水库位于新疆拜城县干流木扎提河与支流克孜河交汇处，是目前塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪为主，兼有水力发电等综合效益的大型控制性水利枢纽工程。工程于1985年修建，1992年主体工程完工并投入蓄水运行。该工程在经历两次近场区5.7级、4.9级地震（震中距坝址小于18 km）及两次渭干河历史特大洪水（2590 m3/s和3677 m3/s）后，2007年大坝安全鉴定因防洪标准不满足现行规范要求、右坝肩倾倒体变形不稳定等因素被确定为三类坝，2009年6月开始水库除险加固工程施工。

克孜尔水库除险加固设计总库容7.25亿m3，正常高水位1149.6 m，相应库容4.28亿m3，工程规模为一等大（Ⅰ）型，场区基本烈度为8度，主要建筑物为1级，设防烈度8.5度。设计洪水标准为重现期500年，洪峰流量7214 m3/s；校核洪水标准为重现期5000年，洪峰流量为11156 m3/s。枢纽工程主要由主坝、副坝溢洪道、泄洪排沙涵洞、发电引水洞及坝后式水电站等建筑物组成，主、副坝型均为粘土心墙砂砾壳坝，最大坝高47.6 m。

2 右坝肩倾倒体地质条件及工程布置

右坝肩位于主坝右岸却勒塔格山第一排山脊北坡脚下，山体相对坝面高度340 m左右，自然坡比1∶1～1∶0.75，基岩系第三系上新统（N22）粉砂质泥岩及砂岩，新鲜完整岩体的干抗压强度为8.7～14.2 MPa，软化系数0.26，属软岩，遇水易软化崩解。由于地质构造应力的作用，右坝肩岩层不断发生弯曲、扭折、塌滑，产生蠕变和座滑变形，形成右坝肩长约650 m的岩石倾倒体。地质勘探根据岩体变形程度划分为强、弱、微倾倒体：强倾倒体水平厚度24～40 m，岩层向坡外倾倒变形强烈，由于岩层倾倒，产生一系列张性裂隙，局部有不连续的张性滑裂缝，一般宽0.3～0.6 m，透水性强，岩体强烈风化，节理裂隙发育，物理力学性质很差；弱倾倒体水平厚度4.5～14 m，岩体产生轻微弯曲变形，岩体较强倾倒体岩石完整，但裂隙仍较发育；微倾倒体岩体变形量很小，与正常岩体差别不大。

为保证水库蓄水后右坝肩原有的水文地质条件不发生改变，原设计确定对坝轴线以西180 m范围内、坝顶1154.6 m高程以下的倾倒体分别采取强倾倒体开挖、坡比为1∶1钢筋混凝土护坡、岩体充填灌浆等工程措施；按照“上堵下排”的设计原则在坝轴线以西150 m处设置一道有效宽度1.5 m、高32.0 m的C15混凝土截渗墙（以下称W150截渗墙），插入倾倒体山体中对可能产生的绕坝渗流进行封堵，同时在坝面以下的1117.0 m高程基础面上设置长约320 m的地下排水廊道，及时排出倾倒体中的渗水（图1）。

图1 右坝肩工程平面布置图Fig.1 Plane of the right abutment

3 地震及洪水对右坝肩工程运行工况的影响

3.1 1999～2005年间地震及历史特大洪水简况

（1）1999年3月15日，在坝址以东18 km处发生5.7级地震，坝址区地震烈度为7度、震感强烈。发震时库水位为1144.1 m，相应库容3.85亿m3。

（2）2002年7月23日，发生洪峰流量高达3677 m3/s的历史特大洪水，库水位在40 h内从1142.0 m高程上涨至1148.26 m高程，水位净增6.07 m，库容净增2.27亿m3。2002年9月2日在坝址西南2 km处发生3.7级地震，坝址区震感强烈。发震时库水位1147.4 m，相应库容5.16亿m3。

（3）2005年9月23～26日，在坝址东北12 km处发生4.9、4.8级序列地震，震源深度14 km，坝址区地震烈度为6度，震感强烈。发震时库水位为1146.2 m，相应库容4.67亿m3。

3.2 右坝肩运行中存在的主要问题

对比右坝肩部位的测缝计、渗流量、地下水位及外观检查等历史资料可以看出：自1999年发生5.7级地震后，右坝肩在高水位（1148.0～1149.6 m高程）状态下逐步表现出渗流、变形等异常现象，特别是地震对其运行工况影响十分明显。

（1）W150截渗墙墙体内部变形：W150截渗墙（图2）墙体1137.2 m高程处水平与垂直缝中的两只测缝计测值结果显示，1999年5.7级地震发生时该墙体尚没有明显异常，但在2001年秋季，库水位首次达到1148.0 m高水位以上并持续约50 d（2001年9月20日～10月25日）后，墙体垂直缝宽于同期并开始持续增加，至2003年初，该墙体垂直缝累计增加宽度1.75 mm。

（2）W150截渗墙顶部破坏变形：2002年5月22日工程安全检查发现，在W150截渗墙顶部0+909、0+912、0+920桩号处分别有3条宽度为6 mm、7 mm和12 mm的横向贯穿裂缝，其中0+920桩号处的第3条裂缝尤为明显，裂缝两侧呈现有7 mm左右的错台，表明该墙体已发生明显变形。

（3）倾倒体渗流状态发生改变：2002年7～9月，位于W150截渗墙下游即W140 m处的测压管水位实测资料表明，水库拦洪削峰期间，库水位在40 h内上涨6 m，但倾倒体内地下水位12 d持续上升14 m；9月2日3.8级地震发生后，库水位涨幅小于0.4 m，但倾倒体地下水位在11 d内继续上涨8.6 m（图3）。至10月下旬，库水位基本稳定在1148.3 m高程左右，排水廊道内排水管渗水量及渗水点数量明显增多并向下游的坝轴线方向发展，渗流量在等库水位时达到了极值0.203 L/s。

（4）W150截渗墙顶部裂缝数量继续增加，裂缝宽度仍在缓慢增加：2002年7月25日、2003年12月底例行工程安全检查发现，在0+931、0+924桩号处先后新增两条裂缝，最大缝宽小于0.5 mm，规模相对之前的3条裂缝较小。2005年9月23日发生4.9级和4.8级地震，10月中旬检查发现，在该墙体0+916桩号再次新增一道宽约0.2 mm的裂缝。至2005年10月，W150混凝土截渗墙顶部产生垂直于墙体轴线的横向裂缝共计6条（图2），其中规模较大的第1、3条裂缝2003～2008年连续6年的观测资料（图4）显示：裂缝宽度分别累计增加15.3 mm和10.5 mm，且测值曲线反映出裂缝平稳开裂，与库水位高低/无关。

图2 右坝肩W150混凝土截渗墙纵剖面图Fig.2 Profile of W150 cut-off wall at the right abutment

水位高程m

/日期（d）水图位3 W高15程0截m渗墙下游10 m（W140 m）处测压管水位过程线Fig.3 Graph of piezometric water level 10-m downstream W150 cut-off wall(W140 m)

表1统计了早期形成的3条裂缝分别在W150截渗墙应急加固处理前后的开裂变化情况。W150截渗墙及倾倒体充填灌浆应急加固处理施工于2003年8月中旬完工，3条裂缝在应急加固处理前的年变速率分别为6 mm/a、0.6 mm/a、3.6 mm/a，之后的年变速率分别减小至1.9 mm/a、0.4 mm/a和3.6 mm/a，且廊道渗流量基本稳定在0.06 L/s左右，说明对右坝肩W150截渗墙及其上、下游倾倒体进行应急加固处理的效果是显著的，但并未遏制其变形的发展趋势。

日期（d）图4 W150截渗墙第一、三道裂缝宽度观测过程线Fig.4 Observed curves for the widths of the 1st and 3rd crack on W150 cut-off wall

（5）W150截渗墙位置附近的倾倒体高边坡伴生有数条裂缝：2003年4月进行右坝肩倾倒体山体变形普查时，在W150截渗墙上、下游30 m，相对坝面高约50～90 m的山坡上发现有10条规模不等的坡面张性裂缝，走向与墙体轴线垂直，其中W180山梁鞍部的最长裂缝（图5）约20 m，张开宽度8～20 cm，下切深度约1.8～2.8 m，无充填。

4 右坝肩倾倒体稳定性评价

（1）根据右坝肩倾倒体地下水位升高、排水廊道渗流量增加、渗水面积向下游发展情况看，右坝肩W150截渗墙附近的倾倒体水文地质条件已开始发生改变，进岩体的渗水主要是由W150截渗墙发生裂缝变形所致。

表1 W150截渗墙3条裂缝不同时段的缝宽增量及年变速率统计表Table 1:Width increment and annual change ratio of 3 cracks on W150 cut-off wall at different time

图5 右坝肩西（W）180 m山梁西侧裂缝展布Fig.5 Distribution of cracks on west 180 m of right abutment

（2）综合W150混凝土截渗墙裂缝变化过程、倾倒体坡体裂缝展布等因素，认为截渗墙墙体裂缝的成因一方面是由于截渗墙上游及外侧岩体浸水饱和、下游岩体相对干燥等边界条件不同，从而导致截渗墙上、下游边坡岩体发生差异沉降变形引起；另一方面是因为右坝肩倾倒体坡脚岩体结构破碎，水库长期蓄水后软岩遇水软化、强度降低，易发生软化座滑变形，加上地震动荷载的作用，诱发边坡上部岩体沿顺坡向的滑裂缝向下滑动变形，导致截渗墙附近的岩体及墙体发生变形。

（3）根据右坝肩地质勘察及边坡稳定极限平衡分析认为，①右坝肩边坡岩体目前正处于变形发展阶段，其变形是一个渐进过程，边坡尚有一定的安全储备，尚未达到极限平衡状态；②右坝肩倾倒体现状边坡整体稳定性尚好，即使在8度地震工况下其安全系数也在1.45左右，因此整体滑动失稳的可能性很小；③W150截渗墙及W180山梁坝顶以上边坡在正常蓄水位工况条件下的安全裕度较低，安全系数仅为1.057和1.100，地震工况条件下稳定性差，安全系数仅为0.992和1.018，均不能满足规范要求的安全控制标准。因此，右坝肩坝顶以上边坡从坝顶坡脚处剪出滑动是有可能的。

表2 加固前右坝肩倾倒体边坡稳定分析成果表Table 2:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment before rehabilitation

5 右坝肩倾倒体除险加固措施

针对右坝肩工程在水库蓄水、地震、库水位骤变后出现的变形，需要通过工程措施重点解决两方面的问题：（1）提高坝顶以上倾倒体在地震工况下的安全系数，防止边坡坐滑变形；（2）提高坝面以下W150截渗墙附近倾倒体岩体的刚度和抗变形能力，以减小浸水岩体的不均匀沉降。

（1）通过综合分析研究，确定对右坝肩坝顶以上倾倒体边坡采取削坡减载、预应力锚索的加固方案。表3是右坝肩倾倒体在不同加固措施组合情况下的稳定计算成果，结果显示：除单一进行削坡减载措施不能满足安全控制标准外，其余三种措施实施后均可保证倾倒体在地震工况下的稳定系数达到1.1以上；其中削坡加锚索的加固处理效果较为明显，两个剖面的边坡抗滑稳定安全系数在正常蓄水位工况条件下可以达到1.262和1.304，在地震工况下可以达到1.19以上，均能满足规范要求。因此，设计综合地质、施工、投资等因素确定对右坝肩W80～W240 m范围内，坝面以上、坡面裂缝以下的边坡进行削坡减载；清坡后，对坝面以上15 m范围内的倾倒体岩层采取1000 kN预应力锚索加固；针对软岩层，宜采用压力分散型预应力锚索施工。

（2）为提高W150截渗墙附近、坝面以下的倾倒体岩刚度和抗变形能力，对该墙体轴线上游30 m、下游20 m范围内的倾倒体采取常规的深层充填固结灌浆，以充填岩体内的构造裂隙，减小变形空间。同时对已经产生裂缝的W150混凝土截渗墙进行3排帷幕灌浆，恢复其防渗功能。

（3）为防止降水沿倾倒体裂隙进入山体内部，对清坡后的倾倒体岩面采取钢筋挂网喷射混凝土进行防护。

表3 加固后右坝肩倾倒体边坡稳定分析成果表Table 3:Results of stability analysis on dumping slope at right abutment after rehabilitation

6 结语

（1）原型观测资料表明，水库蓄水多年后，右坝肩受地震、库水位骤变因素的影响逐步表现出渗流、变形不稳定的异常现象，特别是地震对其运行工况影响十分明显。但综合其地质条件、变形发展程度及过程，分析认为右坝肩倾倒体目前正处于变形发展阶段，其变形是一个渐进过程，目前边坡尚有一定的安全储备，尚未达到极限平衡状态。

（2）计算结果表明，右坝肩倾倒体边坡整体稳定性较好，整体滑动失稳的可能性很小。但W150截渗墙附近坝顶以上的倾倒体边坡在正常蓄水位工况条件下的安全裕度较低，安全系数仅为1.057和1.100，地震工况条件下稳定性差，安全系数仅为0.992和1.018，均不能满足规范要求的安全控制标准，应进行加固处理。

（3）针对坝面以上的不稳定岩体边坡，采用削荷减载加1000 kN级预应力锚索进行加固，以提高边坡的整体稳定性；坝面以下部位的岩体采用深层充填固结灌浆进行处理，可以有效提高坡脚岩体的抗变形能力和强度，可在一定程度上缓解W150截渗墙墙体变形的继续发展。

（4）右坝肩倾倒体地质条件较差，边坡所处部位又十分重要，因此加固措施实施后仍应加强该部位的渗流、变形、锚索应力监测及资料整编分析工作，对锚固力松弛的锚索及时给予应力补偿，确保锚索锚固的整体效应。■

[1]新疆渭干河克孜尔水库除险加固工程初步设计报告[R].新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院.2008.

[2]渭干河克孜尔水库右坝肩边坡岩体稳定研究报告[R].中国水利水电科学研究院.2007.