汝阳县玉马水库大坝塌坑原因浅析

2012-08-15蔡国锋汝阳县玉马水库管理处

河南水利与南水北调 2012年14期

□蔡国锋（汝阳县玉马水库管理处）

□王罗汉（汝阳县水利局）

1 引言

汝阳县玉马水库位于河南省汝阳县、淮河水系沙颍河流域北汝河支流马兰河上，水库控制流域面积160km2，总库容5410万m3，大坝为粘土斜心墙砂石混合坝。2001年5月19日玉马水库放水后，大坝发现两处塌陷:一是，0+185.4m迎水坡437.5m平台处椭圆塌陷,垂直坝轴线方向长37m，沿坝轴线方向宽22m,平台塌陷处最多下沉1m，一般深0.3m,坡面护坡块石松动，沉陷中心，是1978年出现锥形塌坑位置。二是，大坝转折处0+120东436m高程下方发现也有一塌陷，直径约7m，深0.2m，坡面护坡块石松动变位严重。从两处塌陷迹象和位置来看，与1978年出现的塌坑比较类似，形成原因大致相同。下面主要分析形成大坝塌陷的原因及其形成过程。

2 2001年塌陷的发生原因

2.1 混凝土防渗墙的缺陷是2001年两处塌陷发生的先决条件

2.1.1 混凝土防渗墙洞缝依然存在

补强和1978年对墙的局部处理没有解决洞缝漏水。混凝土防渗墙上部与坝体斜墙连接处，是渗流控制的关键部位，这里承受的水压最大，而混凝土的质量最不易控制，容易形成孔洞。尤其像玉马水库防渗墙由于套打只有1/2钻，再加上技术不熟练，所焊的钢筋不牢固等原因，致使槽间缝接触不良，有的段落不是混凝土与混凝土相接，而是间夹造孔泥皮及石渣，接缝处挤压不紧密，夹泥过厚，一般2～5cm，最大的达20cm，因此容易形成集中渗流，引起防渗体的渗透破坏。防渗墙虽经补强处理，但并未把问题全部解决完，尤其在墙最东端的槽缝(0+183.8)及11#、12#等孔因位于导流渠坡上未进行灌浆处理，且在东段开挖时，发现墙底与基岩呈拱形接触，拱下保留槽孔残渣，通过残渣同时此段墙身开挖时，大坝开始合拢，未仔细检查就作了回填，墙身缝洞没有发现。以及受操作技术水平局限等，防渗墙下部灌浆处理并不太彻底。在1979年开挖处理漏管时，仍在墙上发现了洞缝，说明灌浆补强处理仍然有一些漏洞。

其实这种现象在国内外也较为普遍，一般都具备3个方面的现象：(a)水力梯度>40；(b)墙缝夹泥厚度超过1～2cm,最大达20cm；(c)墙缝两侧填土颗粒较粗。玉马水库防渗墙与这个现象类似，水力坡度为47，墙缝夹泥厚度达20cm，墙两侧的填土质量较差。因此如下部出口反滤保护不好，自然会发生渗流破坏。

防渗墙顶部伸入坝体斜心墙防渗体内，一旦墙体在靠近顶部的部位出毛病，就会造成防渗粘土破坏，危及大坝安全。

2.1.2 混凝土防渗墙与基岩的连接隐患

墙体应嵌入弱风化岩层，而玉马水库防渗墙底部周边接缝不良，有的槽孔底部没有进入基岩，落在剩余的砂卵石层上或在造孔冲击形成的残渣上，使墙底仍有若干漏水通道，剩余的未穿透的砂卵石层厚度为0.26～2.1m，槽底剩余残渣的厚度为0.4～0.54m，最薄的约为0.2m，防渗墙未达到基岩普遍存在，约占总长的80%以上。有的槽底上下游两侧的混凝土是支持在基岩上的，而中部则架空，呈拱形接触，有残渣等物留在拱形槽底，如馒头状隆起，致使混凝土墙体不能与基底接触。加上防渗墙下部灌浆处理并不太彻底，因此混凝土防渗墙与基岩存在接触渗流的隐患。

2.2 高低墙相差7m是两处塌陷发生的特征因素

在防渗墙施工中两墙体未能很好搭接（距砂砾石地基表层仅1m），也是两处塌陷发生的致命缺陷。同时高低墙的存在和行洪段接坡使回填粘土体发生不均匀沉陷裂缝。造成整个坝段目前在这两处经过20多年的运行后发生塌陷破坏。

2.3 1978年漏管处理的局限性和隐患是塌陷发生的主要因素

2.3.1 混凝土沉井内外井壁与斜心墙黏土形成新的接触冲刷隐患

虽然在处理中对沉井的外井壁采用了灌浆措施,但竖直的土石结合物在水力作用较易发生接触冲刷破坏，是一般处理中较忌讳的，加上斜墙本身的不均匀沉陷，在外井壁极易发生接触冲刷破坏，形成缝隙，导致新的漏管出现。从1978年漏管处理中对外井壁灌浆的情况来说，在415.15m和414.5m两个高程灌8孔，注入水泥19.6t，也说明外井壁壁面填的不实。

对于粘土本身的一般接触坡降为4，以安全系数2来分析，允许值Jc=2。考虑库水位稳定在445m时，防渗墙后406m下部粘土受防渗墙渗水浸润软化流失，沉井壁受到的接触坡降为（445-406）/（415-406）=4.33,此处的接触坡降为远大于该值；就是考虑墙后斜墙底部400高程，（445-400）/（415-400）=3，也大于允许值。因此2001年塌陷较1978年漏管的破坏原因又增加了沉井壁与斜墙粘土的接触破坏隐患，尤以外壁较为严重。

2.3.2 坝体405m以下水下混凝土回填的漏管处理存在空洞和裂缝，周边与粘土的接缝是形成2001年坝体塌陷的重要来源

漏管的开挖为深开挖作业，406m下部为水下作业，402.5m以下为水中浇注，混凝土标号200号，采用人工拌合振捣泵振捣。其中混凝土回填时一期到六期浇到402.5m，但由于浇注期井中漏水未能止住，继续浇到405m，浇混凝土后仍有渗水从混凝土缝中流出。因此灌浆区存在空洞，加上水下混凝土的凝固期较长，灌浆的效果较差。因此墙后的混凝土回填区所存在的空洞、裂缝及周边缝在20年的渗流作用下产生渗透破坏，使上部斜墙细料得以通过裂缝向地基砂卵石渗透而流失。尤其在水位突生的惯性力作用下，防渗墙洞缝夹泥破坏，向后渗水，具备了斜墙料流失的水源。

2.3.3 漏管处理底部的反滤设置不够，对渗流出口破坏有利

沉井至399.5m时因地下水位较高，没有认真回填和夯实，集水井处依然没有及时铺垫反滤层和修复挖掉的反滤层，仅仅是铺了一层砂，不满足反滤要求。而且在汛期处理时井底灰土压盖，但开挖发现这种含砾石灰土松散，易塌，后不知全部挖尽了没有。这依然是西坝段0+185.5发生渗透破坏的根源。

2.4 库水位的骤升骤降是2001年两塌陷形成的外因

这次两处塌陷与1978年的漏管外因相似，自1995年以来多次库水位出现骤升骤降现象，尤其是2000年的水位骤升，升速大，高水位持续时间长，库水位均在415m（1978年斜墙上游面漏管中心高程）以上，即斜墙内漏管处理的沉井一直处于水位浸泡下，而且有一半时间的库水位在437.5m以上（现塌陷表面高程），说明1978年漏管处理的沉井大多在水位浸泡之下。1998年自4月10日425.5m至8月27日446.68为库水位上升期，日最大升速6m，自1998年7月14日至1999年6月2日库水位持续在437.5m以上有324天，自1998年8月4日至1998年12月22日持续在440m以上有141天；而2000年自6月3日421.1m开始涨水，中间有自6月25日423.3m开始均以2m/d的涨速上涨，7月7日至7月8日日最大水位骤升达7.6m，至7月16日最高为445.57m，2000-2001年的高水位持续时间较长，其中在437.5m以上有327天（2000.7.8-2001.5.30），在440m以上有294天。

大坝经漏管处理后，先期运行水位不是很高，但经过20多年的运行，几十个汛期的考验，水位突升突降，急剧加荷，通过砂卵石使斜墙粘土变软对它产生“水力劈裂”作用，混凝土墙与斜墙，沉井与斜墙、高低墙头，混凝土墙与人工墙等逐渐引起不均匀沉陷，对斜墙自身裂缝和接触裂缝的形成与发展起加速的作用。尤其2000年水位骤升和持续高水位，致使隐缝张开扩大形成层裂缝，增加了渗漏通道，进而垂直向上引起渗流通道和流失，因而产生塌陷。

3 2001年塌陷的形成过程分析

在高水位下尤其在突升的水力条件下全坝段的混凝土防渗墙洞缝夹泥逐渐破坏渗水，而1978年漏管处理的沉井存在接触冲刷隐患及405m以下回填混凝土存在空洞缝隙等隐患，加上墙后反滤不够，自防渗墙渗过来的水体不断浸润斜墙土体，斜墙细料不断在渗流力和重力的作用下从反滤不够的底下出口进入坝基砂卵石中向下游渗漏，在1998年和2000年水位突升和持续高水位下继续向顶部发展，沉井外壁形成渗漏通道，最后在2001年形成垂直性的通道，坝壳风化料逐渐进入通道，以至在2001年形成塌陷。由于下部混凝土回填和灌浆的作用，斜墙细料的渗流流失较慢，因此风化料进入下部通道尚没有达到1978年的形态，因此坝坡表面在风化料流失后仅塌陷0.5m,但由于发生在沉井外的接触冲刷导致渗漏通道范围较大，因此0+185老漏管处的沉陷范围较大，而0+120西坝头的沉陷范围小。