大同市小型水库均质土坝中坝体常见问题的加固措施

孙 剑

(大同市水利规划设计研究院，山西大同 037004)

1 基本情况

大同市位于山西省东北部，地处黄土高原与内蒙古高原交接地带。气候为典型温带大陆性气候，属半干旱气候区。气温昼夜温差大，冬春交替季节极为明显，冬季气温偏低。降水量年内分布极不均匀，主要集中在6～9月内，以短时暴雨为主。

东北—西南走向山脉构成了本市的地貌骨架，尤其北部山脉山体陡峭，山岭破碎。区域内地表覆盖大面积黄土，沟壑纵横，水土流失严重。中部为断陷盆地，三面环山。中北部丰稔山将盆地分为东北部天镇阳高盆地、中南部大同盆地两大部分。区域内以冲洪积平原为主，地势平坦，土层深厚，地下水埋深较浅，是小型水库分布的主要区域。

2 土坝坝体安全隐患的原因分析

该市早期的水利工程建设，受当时的技术和资金条件所限，前期勘察设计工作普遍不足。水库多处于黄土沟壑形成的河道中，无水文实测资料。水文资料的匮乏导致水库的洪水设计标准偏低，多数水库仅有一二十年一遇的设计标准，而无校核标准，大坝的坝顶高程不满足规范要求。由于未进行地质勘探工作，对坝基工程地质条件(如:河床分层、土层厚度、分布情况)了解不清，没有编制合理的设计方案，导致坝体工程存在诸多问题，如:未对坝基和坝肩岸坡进行彻底的清基处理，缺乏有效的防渗或截渗措施;坝体断面偏瘦，坝坡偏陡;坝坡未设置护坡，易产生冲刷破坏;坝体未考虑防渗处理，坝后排水反滤设施不完善或未设反滤体，浸润线和出逸点较高，坝体漏水和坝后沼泽化现象严重;涵洞(管)和泄洪建筑物侧墙与坝体结合处未设截水环、刺墙等截水措施，形成接触渗漏等。

当时的工程普遍未进行料场勘探，上坝土料大多就近选取，导致坝体填筑成分繁杂。施工人员主要为当地农民群众，缺乏技术人员指导，施工质量难以控制。受到当时生产条件的限制，施工机械多为马车碾压，或为人工夯实，填筑土层超过40cm，层间结合不好，碾压不均匀，加之土料含水量控制不严，压实度和干容重偏低，工程隐患重重。

小型水库由于数量巨大、布局分散，经济效益有限，且缺乏固定投资渠道，日常维护存在巨大困难。多数水库存在管理人员不足、监测管理难以到位、维修养护经费缺乏、工程老化失修严重的情况。水库管理工作不到位，工程运行中遇到问题不能及时处理也成为水库病险情况加剧的重要原因之一。

3 均质土坝的坝体加固措施

3.1 均质土坝常见裂缝的处理措施

3.1.1 横向裂缝处理

坝体裂缝是土坝运行中常出现的现象，均质土坝当坝体发生不均匀沉降时，就会产生与坝轴线垂直或斜交的裂缝，横向裂缝常表现为防浪墙的开裂。当横向裂缝的深度小于4m时，可采用开挖回填的方法进行处理。开挖断面采用梯形，深度比裂缝底深0.5m，长度比裂缝端头长2m，同时沿坝轴线增设1～2道垂直结合齿槽，使开挖部分与原坝体结合牢固。当裂缝深度较大时，可采用黏土灌浆法。浆液的稠度控制在1∶1～1∶2.5之间，纯黏土浆固结后可以与坝体填土形成整体。在处理深度较深的裂缝时，也可以采用上部开挖回填、下部灌浆的方法。灌浆时应注意避开雨季和库水位较高时施工。

3.1.2 纵向裂缝处理

对于纵向裂缝应首先判断是否是滑坡产生的裂缝，如果属滑坡裂缝，应采用上部减载、下部压重的处理措施。最常采用的方法就是对坝坡进行放缓处理，同时做好上游防渗和下游排水措施。

日前，从工业和信息化部获悉：我国行政村通光纤比例已从电信普遍服务试点前的不到70%提升至目前的96%，行政村4G网络覆盖率目前也已达到95%，极大提升了我国农村及偏远地区宽带网络基础设施能力，为乡村振兴和打赢脱贫攻坚战提供了坚实的网络保障。

该市地处黄土高原，许多地区存在湿陷性黄土。坝体填有此土料后，碳酸盐类物质遇水溶解，土体结构发生破坏，坝体就会发生显著的下陷，从而形成沉降裂缝。对于湿陷黄土产生的纵向裂缝，应将坝体渗水部位的不良土体彻底挖除，回填结构性好的粉土。当存在滑坡隐患时，还应采取放缓坝坡、压重固脚的方法。2009年大同县杜庄水库在坝顶靠下游侧出现长约100m的裂缝，最大缝宽约20cm。经调查，该部分坝体为2008年村民填筑，裂缝产生的原因为坝体填有湿陷性黄土，遇水沉陷所致。2011年进行水库除险加固工程时，对下游坝坡的湿陷黄土进行挖除，回填结构性好的土料，同时为了保证坝坡稳定放缓了下游坝坡，坝体经加固后运行良好。

3.1.3 干缩或冻胀缝处理

在炎热和寒冷天气，坝体表面常出现一些细小的裂缝，这些裂缝分布较广，方向没有规律，纵横交错，缝的间距比较均匀，一般与表面垂直，上宽下窄，缝宽往往小于1cm，深度不超过1m。这种裂缝为干缩或冻胀缝，裂缝的产生受季节影响较大，主要是坝体土料的含水量较大(大于最优含水量)、施工期工序不好、护坡不能及时跟上造成的。因此，施工期合理安排工序，控制好施工质量，可以有效预防此类裂缝的产生。

3.2 均质土坝坝坡的加固措施

3.2.1 坝坡加固措施

从实地调查来看，当前小型水库的绝大多数大坝都存在坝体偏瘦，上、下游坝坡偏陡的问题，在渗流条件作用下，易产生滑坡事故。处理此类滑坡隐患，均质土坝中常见的做法是放缓和培厚坝坡。根据地勘钻孔揭露，本地区坝体填筑土料多为粉土(Qml4)，根据《碾压土石坝设计规范》(SD 274—2001)的规定并进行计算，坝体稳定坡度上游应不小于1∶2.5，下游不小于1∶2.25(当坝高低于8m时，坝坡也可取1∶2.0)。当坝体较高时，坝坡应增设马道，马道以下坝坡应比马道以上坝坡缓，坡比差不宜超过0.5。坝顶宽度不应小于5m。按照以上要求，许多水库大坝的坝坡都不满足规范要求，需要放缓坝坡。考虑到当前水库大多都已运行三四十年，并且不能放空水库，坝体的加固措施应采取“上游削坡，下游培厚”的方法。具体做法为先将水库放水至死水位，把该高程处坝脚作为起点，根据需要设置不同类型的砌石护坡基础，沿原上游坝坡向上向后削坡至设计坝顶高程，将下游坝坡的表土及草根清除干净后，按设计的坝顶宽度和下游坡比进行培厚碾压处理，并将原有排水体接出到新坝脚。培厚土料可采用当地常见的粉土，碾压后的压实度应不小于96%，同时还应保证碾压的均匀性。

3.2.2 坝脚排水措施

由于水库坝体或坝基渗漏的原因，下游坝脚处河床土体的含水量会过饱和，有些甚至沼泽化，导致施工机械无法进入进行碾压操作，这是下游坝坡进行培厚施工时经常遇到的问题。遇到这种情况，施工时常采用的方法是先将表层软基挖除并晾晒，之后抛填块石及砂砾进行换基处理，上部设置综合式排水体，最后在排水体以上进行坝坡的碾压培厚施工。所谓综合式排水体就是将褥垫式排水和棱体排水组合在一起，也可根据下游水位情况，将贴坡、棱体与褥垫排水结合在一起。如果坝脚处原有褥垫或棱体排水，则应将原有排水体与新设置的排水体接通，新旧衔接部位均应做好反滤处理，最少设置砂砾及粗砂垫层各一层，每层厚度不宜小于30cm。2012年大同县下羊落水库除险加固工程中，对坝体下游坝坡进行培厚时，由于坝脚淤泥过多，无法进行坝体碾压，施工中首先采用抛石换填软基，然后在其上部布置褥垫排水和棱体排水相结合的综合式排水体，最后进行坝坡的碾压施工并顺利完成，各部位的施工质量均满足要求。

3.2.3 压重体布置措施

坝坡放缓后，下游坝脚仍存在滑出坝脚以外的滑坡体时，就需要在滑坡段下部采取压重固脚的措施，即增设压重体，以增加抗滑力。压重材料最好选用砂石料。在砂石料缺乏的地区可采用风化土料，但夯实质量应达到设计要求的压实度。有排水要求的，还应考虑排水体的设置。压重体的尺寸可根据试验和计算确定。对于小型水库，尤其是坝高小于20m时，压重体高度一般可取滑坡体高度的1/2～1/3。压重体厚度，一般用石料可为3～5m;土料应比石料大0.5～1倍。土料压重体的坡度也应放缓至1∶4。

3.3 坝体的防渗措施

3.3.1 水泥土防渗墙

小型水库均质土坝的坝体防渗工程中，多采用垂直防渗措施。近几年水泥土搅拌桩防渗墙的使用较为普遍，这种防渗形式具有成墙防渗效果好、造价低、施工工艺简单的特点。由于小型水库的坝高较低，坝体中含砂含砾极少，这种工法可以在坝顶进行，因此在坝体防渗工程中应用十分广泛。在该市水库工程施工中，这种工法的水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，掺入量多控制在15%左右，水泥浆液水灰比为0.5～0.65，成墙宽度不小于0.3m，墙体渗透系数不大于1×10－6cm/s。水泥土防渗墙也可以布置在上游坝脚处，上游护坡下同时配合铺设防渗土工膜，用于坝体和坝基的统一防渗处理。

3.3.2 高喷灌浆

均质土坝的坝体防渗工程中，另一种常用的垂直防渗措施就是高喷灌浆。高喷灌浆可以选择用灌黏土浆或黏土水泥浆的方法进行堵漏和截渗，一般可在渗漏坝段沿坝轴线布设一排孔，然后可根据实际需要，再沿迎水方向增设一排，如渗漏非常严重也可在下游增设第3排孔，以达到预定的防渗效果。高喷灌浆的排距和孔距大致相当，可选用1.2～1.8m左右。采用高喷灌浆时，应充分考虑工程投资及施工机械进出场的影响，当工程投资受限时则应考虑分段、分期实施。

3.3.3 复合土工膜铺设

坝体防渗也可以采用上游坝坡铺设复合土工膜的方法，铺膜范围应从坝趾至校核洪水位间全面铺设。坝端应深入岸坡，挖截水槽固埋，如遇土沙层，周边截水槽应截至相对不透水层。铺膜的起始高程，即坝趾截水槽应截至坝基相对不透水层，底宽不应小于0.2倍的上下游水头差。土工膜应选择“二布一膜”的形式，重量不应低于400g/m2。施工时土工膜铺设不应拉得太紧，以保证膜本身的良好伸缩性，同时保证膜体不能有破损，膜间粘接牢固，粘贴宽度控制在20cm左右为佳。

3.3.4 刺墙和截水环的布置

在坝体与钢性建筑物的接触部位，必须增设截渗刺墙和截水环等防渗体，以延长渗径，这是避免发生接触渗漏的重要途径之一。刺墙等防渗体的底面应与建筑物基底建在同一高程，施工完毕回填坝体土时，应在防渗体表面刷三遍黏土浆后，局部进行人工夯实，并且务必保证夯实质量。如:浑源县神溪水库，土坝与泄洪闸边墩衔接段未设置刺墙，由于接触渗漏导致闸室右岸翼墙外侧坝体被水冲开缺口，险些造成溃坝事故。此后的维修加固中，对泄洪闸两侧坝体土开挖后重新进行填筑碾压，并在泄洪闸左、右翼墙外侧增设8m长刺墙。经过加固处理后的部位运行至今未出现问题。

4 结语

据统计，我国水库破坏以小型水库最多，约占96%，破坏水库中以土石坝所占的比例最大，约为98.3%。因此，加快和提高小型水库土坝坝体加固工程建设，是保证小型水库安全运行的重要途径。水库坝体加固是一项非常重要的综合性水利科学技术，关系到人民群众的生命财产安全，因此，水利工程技术人员应该认真进行勘察设计、严格保证施工质量、管理人员应该细心管理、精心维护，保证水库工程的安全运行。

1 谢堆才．基于宁夏地区水库除险加固设计的个案分析［J］．水利建设与管理，2013(1):27-28．

2 孛永平．小水库除险加固设计方案的选取［J］．中国农村水利水电，2012(4):145-146．

3 裴丰银．小型水库除险加固问题探讨［C］//河南省土木建筑学会2008年学术交流会论文集．郑州:河南省土木建筑学会，2008．

4 白静，王文龙．深圳市小型水库大坝防渗处理方案［J］．中国农村水利水电，2012(8):129-131．